CN106654002A - 一种低功耗磁性多阻态存储单元 - Google Patents
一种低功耗磁性多阻态存储单元 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106654002A CN106654002A CN201610955484.4A CN201610955484A CN106654002A CN 106654002 A CN106654002 A CN 106654002A CN 201610955484 A CN201610955484 A CN 201610955484A CN 106654002 A CN106654002 A CN 106654002A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- memory cell
- electrode
- low
- state memory
- resistance state
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims abstract description 59
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 50
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 34
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 12
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RIVZIMVWRDTIOQ-UHFFFAOYSA-N cobalt iron Chemical compound [Fe].[Co].[Co].[Co] RIVZIMVWRDTIOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000863 Ferronickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 235000013495 cobalt Nutrition 0.000 claims description 4
- GUBSQCSIIDQXLB-UHFFFAOYSA-N cobalt platinum Chemical compound [Co].[Pt].[Pt].[Pt] GUBSQCSIIDQXLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- SHMWNGFNWYELHA-UHFFFAOYSA-N iridium manganese Chemical compound [Mn].[Ir] SHMWNGFNWYELHA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- IGOJMROYPFZEOR-UHFFFAOYSA-N manganese platinum Chemical compound [Mn].[Pt] IGOJMROYPFZEOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 21
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000005316 antiferromagnetic exchange Effects 0.000 description 1
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
- H10N50/85—Magnetic active materials
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
- G11C11/5607—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using magnetic storage elements
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
- G11C11/5657—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using ferroelectric storage elements
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
- G11C11/5685—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using storage elements comprising metal oxide memory material, e.g. perovskites
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元，从下到上由厚度为0～20nm的反铁磁条状薄膜，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第一电极构成；反铁磁条状薄膜两端分别镀有第二电极和第三电极；位于反铁磁条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。本发明可实现多阻态存储，其应用不再仅限于单比特存储和逻辑运算领域，可推广至类脑计算等领域；采用单向电流写入数据，简化存储器和逻辑电路设计，提高电路集成度，降低存储单元的功耗，有利于减少工艺的复杂度和制造成本；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多阻态存储单元，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，流经该层薄膜的电流可通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect,SHE)或拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋轨道矩以实现相邻铁磁存储层的磁化翻转，进而完成磁性隧道结的数据写入。如果磁性隧道结具有垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy，PMA)，则磁化翻转的延迟可降至几百皮秒，写入速度大幅提高，但是需要沿电流方向额外施加一个磁场。实验证实，该磁场可由反铁磁交换偏置场(Exchange bias)提供，为此，需要将重金属薄膜替换为具有强自旋轨道耦合作用的反铁磁材料，而且，利用反铁磁材料提供自旋轨道矩，还可以使磁性隧道结在写入过程中呈现多阻态特征，有望被应用于类脑计算领域。
但是，无论采用自旋转移矩或者自旋轨道矩完成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多阻态存储单元。它的存储阻态可以连续调节，并采用单向电流写入数据，简化了磁性存储单元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，一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是，该存储单元从下到上由反铁磁条状薄膜(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。反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第二电极和第三电极。其中，位于反铁磁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正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)；
本发明所述的存储单元中，反铁磁条状薄膜为长方形，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反铁磁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；
所述反铁磁条状薄膜是指铱锰IrMn或铂锰PtMn；
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中的一种，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：是指由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]m构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]m或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m，其中层数m和n的值可以不同；
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多阻态存储单元，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：
本发明可实现多阻态存储，其应用不再仅限于单比特存储和逻辑运算领域，可推广至类脑计算等领域；
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为一种低功耗磁性多阻态存储单元结构示意图。
图1-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元结构实施例示意图(以圆形磁性隧道结为例)。
图2为一种低功耗磁性多阻态存储单元的数据写入方式示意图。
图3-1为一种低功耗磁性多阻态存储单元的写入操作第一实施例示意图。
图3-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元的存储模式第一实施例示意图。
图4-1为一种低功耗磁性多阻态存储单元的写入操作第二实施例示意图。
图4-2为一种低功耗磁性多阻态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 反铁磁条状薄膜
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 在第二电极和第一电极之间的写入支路
W2 在第三电极和第一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)
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)
IC 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所需的写入电流(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
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)
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)
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_M2 当写入电流从第四电极流向第一电极时，第二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多阻态存储单元，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多阻态存储单元结构示意图。
本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元从下到上由六层物质构成，包括配备双端电极的反铁磁条状薄膜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反铁磁条状薄膜堆叠而成；反铁磁条状薄膜1的两端分别镀有第二电极2和第三电极3。其中，位于反铁磁条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。
图1-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元结构实施例示意图；
在该例中，磁性隧道结被制成圆形，磁性隧道结形状还可以制成正方形、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)，反铁磁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反铁磁条状薄膜的顶面形状；
图2为本发明一种低功耗磁性多阻态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为本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元的第一实施例示意图，具体如下：
在该例中，如果第二电极和第三电极之间施加足够大的正向写入电流时，磁性隧道结的电阻逐渐向高阻态转变，在这种情形下，如果写入电流被撤除，磁性隧道结的电阻将稳定在最高值、最低值或二者之间，具体的阻值与写入电流的大小和持续时间有关；
如果第二电极和第一电极之间施加足够的正向写入电流时，磁性隧道结的电阻向低阻态转变，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。
图4-1、4-2为本发明一种低功耗磁性多阻态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的结构关于反铁磁条状薄膜1完全对称，二者基于相同的工艺制备，具有完全相同的参数。即该存储单元关于反铁磁条状薄膜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。
如果第二电极和第三电极之间施加足够大的正向写入电流时，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻分别逐渐向高阻态和低阻态转变，在这种情形下，如果写入电流被撤除，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻将稳定在最高值、最低值或二者之间，具体的阻值与写入电流的大小和持续时间有关；
如果第四电极和第一电极之间施加足够的正向写入电流时，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻分别向低阻态和高阻态转变，如果电流持续时间足够长，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结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，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻值也不会改变。
Claims (10)
1.一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：该存储单元从下到上由厚度为0～20nm的反铁磁条状薄膜，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；反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第二电极和第三电极；其中，位于反铁磁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多阻态存储单元，其特征是：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。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：所述的存储单元中，磁性隧道结的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：所述的存储单元中，反铁磁条状薄膜为长方形，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反铁磁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多阻态存储单元，其特征是：所述反铁磁条状薄膜是指铱锰IrMn或铂锰PtMn。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：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。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：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；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。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：所述第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：所述第一合成反铁磁层，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]m构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]m或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m，其中层数m和n的值可以不同。
10.根据权利要求1所述的一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是：所述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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610955484.4A CN106654002B (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610955484.4A CN106654002B (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106654002A true CN106654002A (zh) | 2017-05-10 |
| CN106654002B CN106654002B (zh) | 2018-12-04 |
Family
ID=58821538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610955484.4A Active CN106654002B (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106654002B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107611255A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-01-19 | 北京航空航天大学 | 一种高密度磁性存储器件 |
| CN107910439A (zh) * | 2017-11-07 | 2018-04-13 | 北京航空航天大学 | 拓扑绝缘磁电阻器件 |
| CN111180577A (zh) * | 2018-11-09 | 2020-05-19 | 三星电子株式会社 | 用于制造磁存储器件的方法 |
| CN111653664A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-09-11 | 北京航空航天大学合肥创新研究院 | 一种磁性存储单元和数据写入方法 |
| CN112490355A (zh) * | 2019-09-12 | 2021-03-12 | 铠侠股份有限公司 | 磁性存储装置 |
| CN113744776A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-12-03 | 中国科学院微电子研究所 | 存储器电路及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101533848A (zh) * | 2008-03-13 | 2009-09-16 | 三星电子株式会社 | 非易失性存储器器件及相关的方法和处理系统 |
| CN103219353A (zh) * | 2012-01-18 | 2013-07-24 | 施乐公司 | 基于聚合物/电解质结中的电导率转换的存储设备 |
| CN103460374A (zh) * | 2011-03-22 | 2013-12-18 | 瑞萨电子株式会社 | 磁存储器 |
| CN103794715A (zh) * | 2014-02-28 | 2014-05-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于电压控制的磁存储器 |
-
2016
- 2016-11-03 CN CN201610955484.4A patent/CN106654002B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101533848A (zh) * | 2008-03-13 | 2009-09-16 | 三星电子株式会社 | 非易失性存储器器件及相关的方法和处理系统 |
| CN103460374A (zh) * | 2011-03-22 | 2013-12-18 | 瑞萨电子株式会社 | 磁存储器 |
| CN103219353A (zh) * | 2012-01-18 | 2013-07-24 | 施乐公司 | 基于聚合物/电解质结中的电导率转换的存储设备 |
| CN103794715A (zh) * | 2014-02-28 | 2014-05-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于电压控制的磁存储器 |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107611255A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-01-19 | 北京航空航天大学 | 一种高密度磁性存储器件 |
| CN107611255B (zh) * | 2017-09-11 | 2019-09-10 | 北京航空航天大学 | 一种高密度磁性存储器件 |
| CN107910439A (zh) * | 2017-11-07 | 2018-04-13 | 北京航空航天大学 | 拓扑绝缘磁电阻器件 |
| CN111180577A (zh) * | 2018-11-09 | 2020-05-19 | 三星电子株式会社 | 用于制造磁存储器件的方法 |
| CN111180577B (zh) * | 2018-11-09 | 2024-04-02 | 三星电子株式会社 | 用于制造磁存储器件的方法 |
| CN112490355A (zh) * | 2019-09-12 | 2021-03-12 | 铠侠股份有限公司 | 磁性存储装置 |
| CN112490355B (zh) * | 2019-09-12 | 2023-10-31 | 铠侠股份有限公司 | 磁性存储装置 |
| CN111653664A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-09-11 | 北京航空航天大学合肥创新研究院 | 一种磁性存储单元和数据写入方法 |
| CN113744776A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-12-03 | 中国科学院微电子研究所 | 存储器电路及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备 |
| CN113744776B (zh) * | 2021-07-29 | 2023-09-19 | 中国科学院微电子研究所 | 存储器电路及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106654002B (zh) | 2018-12-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107611255B (zh) | 一种高密度磁性存储器件 | |
| CN104393169B (zh) | 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器 | |
| CN108538328B (zh) | 一种磁性存储器的数据写入方法 | |
| Tehrani et al. | Magnetoresistive random access memory using magnetic tunnel junctions | |
| US8508004B2 (en) | Magnetic element having reduced current density | |
| CN106654002B (zh) | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 | |
| KR101893908B1 (ko) | 하이브리드 자기 터널 접합 소자의 제조 방법 및 시스템 | |
| CN106449970B (zh) | 一种低功耗磁性存储单元 | |
| CN102804279B (zh) | 用于提供反向双磁隧道结元件的方法和系统 | |
| US20220068538A1 (en) | Dipole-coupled spin-orbit torque structure | |
| CN101114694A (zh) | 磁单元和磁存储器 | |
| CN103887424A (zh) | 磁性结及其提供方法以及磁存储器 | |
| CN109637569A (zh) | 一种磁性存储单元及其数据写入方法 | |
| JP5711637B2 (ja) | 磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、スピントランジスタ、及び集積回路 | |
| TW201913656A (zh) | 記憶體裝置、用於提供所述記憶體裝置的方法以及三維可堆疊記憶體裝置 | |
| CN105493292A (zh) | 自旋电子逻辑元件 | |
| CN109166962B (zh) | 一种互补型磁性存储单元 | |
| TW202018934A (zh) | 磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性裝置和其製造方法 | |
| CN103794715A (zh) | 一种基于电压控制的磁存储器 | |
| KR20150015602A (ko) | 메모리 소자 | |
| CN107221596A (zh) | 一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件、制备方法及磁存储器件 | |
| JP2006237329A (ja) | 磁気記憶装置及び磁気記憶装置の書き込み方法 | |
| KR101636492B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| US8987006B2 (en) | Method and system for providing a magnetic junction having an engineered barrier layer | |
| CN105448320B (zh) | 交叉矩阵列式磁性随机存储器及其读写方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210223 Address after: 100191 rooms 504a and 504b, 5th floor, 23 Zhichun Road, Haidian District, Beijing Patentee after: Zhizhen storage (Beijing) Technology Co.,Ltd. Address before: 100191 No. 37, Haidian District, Beijing, Xueyuan Road Patentee before: BEIHANG University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231222 Address after: Room 1605, Building 1, No. 117 Yingshan Red Road, Huangdao District, Qingdao City, Shandong Province, 266400 Patentee after: Qingdao Haicun Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 100191 rooms 504a and 504b, 5th floor, 23 Zhichun Road, Haidian District, Beijing Patentee before: Zhizhen storage (Beijing) Technology Co.,Ltd. |