CN106449970A - 一种低功耗磁性存储单元 - Google Patents
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- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
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Abstract
本发明提出了一种低功耗磁性存储单元，该存储单元从下到上由厚度为0～20nm的重金属条状薄膜，厚度为0～3nm的第一铁磁金属，厚度为0～2nm的第一氧化物，厚度为0～3nm的第二铁磁金属，厚度为0～20nm的第一合成反铁磁层和厚度为10～200nm的第一电极共六层构成；重金属条状薄膜的两端分别镀有第二电极和第三电极；其中，位于重金属条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。本发明采用单向电流写入数据，简化了存储器和逻辑电路设计，提高了电路集成度，降低了存储单元的功耗，有利于减少工艺的复杂度和制造成本；本发明采用不同的支路写入数据，便于对不同数据的写入操作进行独立的优化和设计。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种低功耗磁性存储单元，属于非易失性存储和逻辑技术领域。
【背景技术】
新兴的非易失性存储技术能够使存储数据掉电不丢失，因而有望解决传统的基于互补金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺的存储器和逻辑电路所面临的日益严峻的静态功耗问题。其中，基于磁性隧道结(MagneticTunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)因具有高密度、高读写速度、低读写电压和无限制写入次数等优势而被证明是最具潜力的通用存储器。它不仅有望取代传统的静态随机存储器(Static random access memory,SRAM)和动态随机存储器(Dynamic random access memory,DRAM)，还可以应用于非易失性逻辑电路的设计。目前，磁性隧道结普遍采用自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)实现写入操作，自旋转移矩由流经磁性隧道结的电流产生，被写入的数据状态取决于电流的方向。但是，自旋转移矩需要较长的初始延迟(Incubation delay)，虽然提高写入电流能够减小初始延迟，但同时增加了隧道结势垒击穿的概率。近期，自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出以解决自旋转移矩固有的写入速度瓶颈和势垒击穿问题。
为产生自旋轨道矩，可在磁性隧道结的铁磁存储层下方增加一层重金属条状薄膜。流经重金属的电流可通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect,SHE)或拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋轨道矩。如果磁性隧道结具有面内磁各向异性(In-planeMagnetic Anisotropy,IMA)，则仅靠该自旋轨道矩即可实现铁磁存储层的磁化翻转，进而完成磁性隧道结的数据写入。因此，自旋轨道矩可实现低功耗的写入操作。
但是，无论采用自旋转移矩或者自旋轨道矩实现磁性隧道结的数据写入，均需要产生双向电流，写入电路的设计和控制较为复杂，芯片的面积较大，制造工艺和成本较高。
【发明内容】
一、发明目的：
针对上述背景中提到的磁性隧道结写入技术所面临的电路设计难度、控制复杂度、芯片面积、制造工艺和成本等问题，本发明提出了一种低功耗磁性存储单元，它采用单向电流写入数据，简化了写入电路的设计和控制，提高了电路集成度并降低工艺制造成本。
二、技术方案：
本发明的技术方案是，一种低功耗磁性存储单元，其特征是，该存储单元从下到上由重金属条状薄膜(厚度为0～20nm)，第一铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一氧化物(厚度为0～2nm)，第二铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一合成反铁磁层(厚度为0～20nm)和第一电极(厚度为10～200nm)共六层构成。重金属条状薄膜的两端分别镀有第二电极和第三电极。其中，位于重金属条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结；
本发明所述的存储单元是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成；
本发明所述的存储单元中，磁性隧道结的形状为长方形(长宽比可以是任意值)或椭圆形(长宽比可以是任意值)；
本发明所述的存储单元中，重金属条状薄膜为长方形，其顶面积大于磁性隧道结的底面积，磁性隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜的顶面形状之中；
本发明所述的存储单元制造流程通过传统的半导体生产后端工艺集成；
所述重金属条状薄膜是指铂Pt、钽Ta或钨W中的一种；
所述第一电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述第二电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述第三电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
所述第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3，用于产生隧穿磁阻效应；
所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
所述第一合成反铁磁层是指如下混合层中的一种：钌Ru、钴铁CoFe、铂锰PtMn混合层或者钌Ru、钴铁硼CoFeB、铂锰PtMn混合层或者钌Ru、钴铁CoFe、铱锰IrMn混合层或者钌Ru、钴铁硼CoFeB、铱锰IrMn混合层；其中混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
本发明所述的存储单元的数据状态通过磁性隧道结的电阻值来体现；
本发明所述的存储单元的数据写入过程包括两种情形：第一种情形是磁性隧道结的电阻由低变高，第二种情形是磁性隧道结的电阻由高变低。其中第一种情形通过在第二电极和第三电极之间施加单向电流实现，第二种情形通过在第一电极和第二电极之间或者第一电极和第三电极之间施加单向电流实现。
三、优点及功效:
本发明提出了一种低功耗磁性存储单元，相比于传统的基于双向写入电流的磁性存储单元，有以下优势：
本发明采用单向电流写入数据，简化了存储器和逻辑电路设计，提高了电路集成度，降低了存储单元的功耗，有利于减少工艺的复杂度和制造成本；
本发明采用不同的支路写入数据，便于对不同数据的写入操作进行独立的优化和设计。
【附图说明】
图1-1为一种低功耗磁性存储单元结构示意图。
图1-2为一种低功耗磁性存储单元结构实施例示意图(以椭圆形磁性隧道结为例)。
图2为一种低功耗磁性存储单元的数据写入方式示意图。
图3-1为一种低功耗磁性存储单元的写入操作第一实施例示意图。
图3-2为一种低功耗磁性存储单元的存储模式第一实施例示意图。
图4-1为一种低功耗磁性存储单元的写入操作第二实施例示意图。
图4-2为一种低功耗磁性存储单元的存储模式第二实施例示意图。
图1-1、1-2、2、3-1、3-2、4-1、4-2中的参数定义为：
1 重金属条状薄膜
2 第二电极
3 第三电极
4 第一铁磁金属
5 第一氧化物
6 第二铁磁金属
7 第一合成反铁磁层
8 第一电极
W1 在第一电极和第二电极之间的写入支路
W2 在第一电极和第三电极之间的写入支路
W3 在第二电极和第三电极之间的写入支路
I1 从第二电极到第一电极的写入电流(第一实施例)
I2 从第二电极到第三电极的写入电流(第一实施例)
R 磁性隧道结的电阻(第一实施例)
t 时间
RH 磁性隧道结的最大电阻值
RL 磁性隧道结的最小电阻值
IH_L 磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时需要的写入电流(第一实施例)
IL_H 磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时需要的写入电流(第一实施例)
DH_L 磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时的写入延迟(第一实施例)
DL_H 磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟(第一实施例)
S4 第三铁磁金属
S5 第二氧化物
S6 第四铁磁金属
S7 第二合成反铁磁层
S8 第四电极
I3 从第四电极到第一电极的写入电流(第二实施例)
I4 从第二电极到第三电极的写入电流(第二实施例)
M1 第一磁性隧道结
M2 第二磁性隧道结
RM1 第一磁性隧道结的电阻
RM2 第二磁性隧道结的电阻
IC1 第一磁性隧道结从高阻态向低阻态转变，且第二磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时需要的写入电流(第二实施例)
IC2 第一磁性隧道结从低阻态向高阻态转变，且第二磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时需要的写入电流(第二实施例)
DH_L_M1 当写入电流从第四电极流向第一电极时，第一磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时的写入延迟(第二实施例)
DL_H_M2 当写入电流从第四电极流向第一电极第二时，磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟(第二实施例)
DH_L_M2 当写入电流从第二电极流向第三电极时，第二磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时的写入延迟(第二实施例)
DL_H_M1 当写入电流从第二电极流向第三电极时，第一磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟(第二实施例)
【具体实施方式】
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，工作模式中的电阻和电流值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种低功耗磁性存储单元，既可以用于构建磁性随机存储器，也可以用于设计磁性逻辑电路。
图1-1为本发明一种低功耗磁性存储单元结构示意图。
本发明一种低功耗磁性存储单元从下到上由六层物质构成，依次为：配备双端电极的重金属条状薄膜1，第一铁磁金属4，第一氧化物5，第二铁磁金属6，第一合成反铁磁层7及第一电极8；通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备该存储单元；其结构特点是由磁性隧道结和重金属条状薄膜堆叠而成；重金属条状薄膜1的两端分别镀有第二电极2和第三电极3。其中，位于重金属条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。
图1-2为一种低功耗磁性存储单元结构实施例示意图；
在该例中，磁性隧道结被制成椭圆形，长宽比可以是任意值，磁性隧道结形状还可以制成长方形(长宽比可以是任意值)，重金属条状薄膜制成长方形，其顶面积大于磁性隧道结的底面积，磁性隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜的顶面形状；
图2为本发明一种低功耗磁性存储单元数据写入方式示意图；
写入操作有两种情形：第一种是磁性隧道结的电阻由低变高，第二种是磁性隧道结的电阻由高变低。这两种情形分别通过在两条不同支路通入电流来实现，其中一条支路是W1或W2，另一条支路是W3。每一条支路的电流方向有两种选择，完整的写入方式应该保证两条支路能够分别实现写入操作的两种情形，为此需要为每一条支路选择固定不变的写入电流方向，即，两条支路的写入电流均是单向的；
图3-1、3-2为本发明一种采用单向电流写入数据的磁性存储单元的第一实施例示意图，具体如下：
在该例中，当第二电极和第一电极之间施加足够的正向写入电流时，磁性隧道结向低阻态转变，如果电流持续时间足够长，磁性隧道结的电阻将达到并稳定在最低值，此时即使减小写入电流，磁性隧道结的电阻值也不会改变；
当第二电极和第三电极之间施加足够的正向写入电流时，磁性隧道结向高阻态转变，如果电流持续时间足够长，磁性隧道结的电阻将达到并稳定在最高值，此时即使减小写入电流，磁性隧道结的电阻值也不会改变。
图4-1、4-2为本发明一种采用单向电流写入数据的磁性存储单元的第二实施例示意图，具体如下：
在该例中，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2的结构关于重金属条状薄膜完全对称，二者基于相同的工艺制备，具有完全相同的参数。即该存储单元关于重金属条状薄膜1对称，一侧从下到上依次为：第一铁磁金属4，第一氧化物5，第二铁磁金属6，第一合成反铁磁层7及第一电极8；另一侧从上到下依次为：第三铁磁金属S4，第二氧化物S5，第四铁磁金属S6，第二合成反铁磁层S7及第四电极S8。
当第四电极S8和第一电极8之间施加足够的正向写入电流时，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2分别向低阻态和高阻态转变，如果电流持续时间足够长，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2的电阻将分别达到并稳定在最低值和最高值，此时即使减小写入电流，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2的电阻值也不会改变；
当第二电极2和第三电极3之间施加足够的正向写入电流时，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2分别向高阻态和低阻态转变，如果电流持续时间足够长，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2的电阻将分别达到并稳定在最高值和最低值，此时即使减小写入电流，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2的电阻值也不会改变。
Claims (10)
1.一种低功耗磁性存储单元，其特征是：该存储单元从下到上由厚度为0～20nm的重金属条状薄膜，厚度为0～3nm的第一铁磁金属，厚度为0～2nm的第一氧化物，厚度为0～3nm的第二铁磁金属，厚度为0～20nm的第一合成反铁磁层和厚度为10～200nm的第一电极共六层构成；重金属条状薄膜的两端分别镀有第二电极和第三电极；其中，位于重金属条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：该存储单元是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的磁性隧道结的形状为长方形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的重金属条状薄膜为长方形，其顶面积大于磁性隧道结的底面积，磁性隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜的顶面形状之中。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的重金属条状薄膜是指铂Pt、钽Ta或钨W中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的第一电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；所述的第二电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；所述的第三电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种；所述的第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3。
9.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：所述的第一合成反铁磁层是指如下混合层中的一种：钌Ru、钴铁CoFe、铂锰PtMn混合层或者钌Ru、钴铁硼CoFeB、铂锰PtMn混合层或者钌Ru、钴铁CoFe、铱锰IrMn混合层或者钌Ru、钴铁硼CoFeB、铱锰IrMn混合层。
10.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性存储单元，其特征在于：该存储单元的数据写入过程包括两种情形：第一种情形是磁性隧道结的电阻由低变高，第二种情形是磁性隧道结的电阻由高变低；其中第一种情形通过在第二电极和第三电极之间施加单向电流实现，第二种情形通过在第一电极和第二电极之间或者第一电极和第三电极之间施加单向电流实现。
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