CN110137202A - 一种基于光辅助写入的磁随机存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光辅助写入的磁随机存储器，属于计算机存储技术领域。本发明为磁存储写入信息的方式提供了一种新的思路，即通过利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中MTJ自由层磁化方向的改变，同时施加写电流完成信息的写入，其不再通过写电流来实现磁化方向的反转，从而避免了随着工艺尺寸的缩小而使的自由层的磁化状态翻转所需要的电流减小，该值与读电流越来越相近，使得读电流也可能使自由层的磁化状态翻转，造成写入错误率增加的问题；同时，由于不再通过电流大小实现磁化方向的反转，使得在利用超短激光脉冲实现MTJ自由层磁化方向的反转后，只需施加微小写电流即可实现信息的写入，降低了写入功率。

Description

一种基于光辅助写入的磁随机存储器
技术领域
本发明涉及一种基于光辅助写入的磁随机存储器，属于计算机存储技术领域。
背景技术
存储器是电子系统中用于记忆的器件，分为动态存储器和静态存储器；但是动态存储器存在着数据断电不会保存、需定时充电的缺点；而静态存储器则存在着集成度低、功耗较大的缺点；随着半导体技术的发展，新一代的磁随机存储器(MRAM)拥有上述两种存储器的优点，做到了断电情况下数据依然保存、结构简单易于集成、读写速度快，而且相对于静态存储器来说，其功耗较小。
磁随机存储器的基本结构如图1所示：包括一个磁隧道结(MTJ)4、一个N沟道的选通场效应晶体管(MOS)5、字线7、位线6和源线8。其核心的结构是磁隧道结4，磁隧道结4由自由层1、势垒层2和固定层3组成。磁随机存储器是通过外加电流的改变来实现读写功能。数据的读出原理是在磁隧道结两端施加一个较小的电流(读电流)，通过检测磁隧道结两端的电阻大小与参考值对比确定读出数据为“1”或“0”，不涉及磁隧道结中自由层磁化状态的翻转；数据的写入则通过一个较大(相对于读电流)的电流(即写电流)使自由层的磁化方向翻转，实现信息“1”或“0”的写入。
但是随着工艺尺寸的进一步缩小，比如缩小至10nm-45nm左右时，使自由层的磁化状态翻转所需要的电流减小，该值与读电流越来越相近。这就意味着读电流也有可能会使自由层的磁化状态翻转，造成写入错误率增加。
发明内容
为了解决目前存在的随着工艺尺寸的进一步缩小而使的自由层的磁化状态翻转所需要的电流减小，该值与读电流越来越相近，从而读电流也有可能会使自由层的磁化状态翻转，造成写入错误率增加的问题，本发明提供了一种基于光辅助写入的磁随机存储器。
本发明的第一个目的在于提供一种磁随机存储器辅助写入系统，所述磁随机存储器辅助写入系统包括超短激光产生器和光路控制系统；所述磁随机存储器辅助写入系统利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的改变，同时施加写电流完成信息的写入；其中，超短激光脉冲由光路控制系统控制超短激光产生器产生。
可选的，所述磁随机存储器辅助写入系统利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结磁化方向的改变，包括：
超短激光脉冲作为入射光线扫过MTJ，当入射光线为左旋偏振光，MTJ自由层磁化方向“向上”；当入射光线为右旋偏振光，MTJ自由层磁化方向“向下”；其中，“向上”与“向下”为相对方向。
可选的，所述超短激光产生器为飞秒激光产生器。
本发明的第二个目的在于提供一种磁随机存储器，所述磁随机存储器利用上述磁随机存储器辅助写入系统实现信息的写入；所述磁随机存储器的磁隧道结MTJ的顶部电极采用透明材料制备或者顶部电极采用金属制备但刻出感光区域，自由层采用感光材料制备。
可选的，所述磁随机存储器的磁隧道结MTJ在顶部电极与自由层之间设置散热层。
可选的，所述磁随机存储器的磁隧道结MTJ在顶部电极与自由层之间设置增透层，所述增透层采用SiN或SiO2。
可选的，所述透明材料制包括ZnO：Al薄膜、氧化铟锡合金、ZnO：Ca薄膜。
可选的，所述感光材料包括GdFeCo、DyFeO3、二硫化钼(MoS2)、石墨烯(C)、硒化钼(MoSe)、硫化亚硒(SeS2)、硫化钨(WS2)、氮化硼(BN)。
本发明的第三个目的在于提供一种存储器，所述存储器包括上述磁随机存储器辅助写入系统和上述磁随机存储器。
本发明的第四个目的在于提供上述磁随机存储器辅助写入系统、磁随机存储器和上述存储器在计算机存储技术领域内的应用。
本发明有益效果是：
通过利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的改变，进而施加写电流完成信息的写入，其改变了传统磁随机存储器的写入方式，不再通过写电流来实现磁化方向的反转，从而避免了随着工艺尺寸的进一步缩小而使的自由层的磁化状态翻转所需要的电流减小，该值与读电流越来越相近，从而读电流也有可能会使自由层的磁化状态翻转，造成写入错误率增加的问题；同时，由于其不再通过电流大小来实现磁化方向的反转，使得在利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的反转后，只需施加微小写电流即可实现信息的写入，降低了写入功率；进一步的，通过采用飞秒激光作为触发光源，磁化方向可在皮秒级别内实现翻转，大大提高了写入速度；进一步的，通过采用透明电极代替传统金属电极，在保证良好导电性的基础上，增加了光入射率；进一步的，通过设置增透层提高了器件的透光性；还通过设置散热层提高了导热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统磁随机存储器结构单元示意图。
图2是本发明磁随机存储器辅助写入系统和磁存储器示意图。
图3是本发明左旋偏振光照射后磁随机存储器状态改变示意图。
图4是本发明右旋偏振光照射后磁随机存储器状态改变示意图。
图5是本发明磁存储器隧道结基本结构示意图。
图6是本发明磁随机存储器剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
传统磁随机存储器的基本结构如图1所示：包括一个磁隧道结(MTJ)4、一个N沟道的选通场效应晶体管(MOS)5、字线7、位线6和源线8。
其最核心的结构是磁隧道结4，磁隧道结4由自由层1、势垒层2和固定层3组成。基本工作原理如下：由自由层1的磁化状态决定器件的高、低阻态(高、低阻态即平行态与非平行态)。当字线7被充电到高电平时，该单元被选中，位线6为高电平，源线接地，自由层1的磁化状态与固定层3的磁化状态都表现为“向上”，磁隧道结4为低阻态，磁随机存储器写入“0”；位线接地，源线为高电平时，自由层1的磁化状态“向下”，而固定层3的磁化状态“向上”，磁隧道结4为高阻态，磁随机存储器写入“1”，而信息的读出是在磁隧道结施加一个小电流，通过检测磁隧道结4上压降的大小来确定。
本申请则是改变了传统磁随机存储器的写入方式，不再通过写电流来实现磁化方向的反转，下面对本申请技术方案进行详细介绍：
实施例一：
本实施例提供一种磁随机存储器辅助写入系统，该磁随机存储器辅助写入系统包括超短激光产生器和光路控制系统；利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的改变，进而施加写电流完成信息的写入；其中，超短激光脉冲由光路控制系统控制超短激光产生器产生。
实际应用中，如图2所示，超短激光产生器为飞秒激光产生器9，光路控制系统10、磁随机存储器部分11。
当左旋偏振光扫过MTJ时，自由层磁化状态翻转为“向上”，如图3所示磁隧道结的状态，此时给位线施加一个较小的电压，产生一个微电流，磁随机存储器写入“0”；当右旋偏振光扫过磁隧道结时，自由层磁化状态“向下”，如图4所示磁隧道结的状态，此时在源线施加一个较小电压，产生一个微电流，磁随机存储器写入“1”。读出方式依然与传统磁随机存储器一样。
上述通过超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的改变，为利用反法拉第效应，当光照射到光磁材料上时会发生磁场的变化，即：M＝χMO[E(ω)×E(ω)*]，当飞秒激光脉冲照射到MTJ时，MTJ的温度被瞬间加热到居里温度点附近但低于居里温度点时，矫顽力降低，易于磁化方向的改变。若入射光线为左旋偏振光，则自由层的磁化方向“向上”；若入射光线为右旋偏振光，则自由层的磁化方向“向下”。
为了配合实现上述磁随机存储器辅助写入系统对磁随机存储器信息的写入，需要对磁随机存储器的结构做调整，如图5所示，调整后的磁随机存储器的结构中，MTJ的顶部电极采用透明材料制备，自由层采用感光材料制备，同时考虑为增加器件的透光性，在顶部电极与自由层之间设置增透层，考虑提高器件的导热效率，在顶部电极与自由层之间设置散热层，其中，增透层与散热层之间的顺序可变，本申请图5中以顶部电极与自由层之间依次设置散热层、增透层为例。
光路系统部分10通过偏振片和波片等光学设备改变光的旋性，使其能够产生左旋及右旋偏振光。
另外，实际应用中，飞秒激光器为可产生中心波长为800nm、频率为1kHz左右的飞秒激光脉冲的发生器。
顶部透明电极12的上端连接位线，底部电极18连接选通晶体管的漏极，晶体管的源级连接源线，而顶部透明电极12正对光线入射点。
实施例二
本实施例提供一种磁随机存储器，参见图5，该磁随机存储器MTJ的顶部电极采用透明材料制备，自由层采用感光材料制备，同时考虑为增加器件的透光性，在顶部电极与自由层之间设置增透层，考虑提高器件的导热效率，在顶部电极与自由层之间设置散热层，其中，增透层与散热层之间的顺序可变，本申请图5中以顶部电极与自由层之间依次设置散热层、增透层为例。
具体的，图5所示的磁隧道结的具体结构，从上到下依次为：顶部透明电极12/散热层13/增透层14/感光自由层15/势垒层16/固定层17/底部电极18；
所述顶部透明电极12可采用ZnO：Al薄膜、氧化铟锡合金、ZnO：Ca薄膜或其他可替代透明电极材料制备；
所述散热层13可采用AlTi或其他导热系数高的材料制备；
所述增透层14可采用SiN或SiO2等折射率小的材料制备；
所述感光自由层15可采用GdFeCo、DyFeO3、二硫化钼(MoS2)、石墨烯(C)、硒化钼(MoSe)、硫化亚硒(SeS2)、硫化钨(WS2)、氮化硼(BN)等磁光系数较大的材料制备；
所述势垒层16可采用MgO、Al2O3等金属氧化物材料制备；
所述固定层17可采用CoFe、CoFeB等其他磁性材料制备；
所述底部电极18可采用钽(Ta)、铷(Ru)、铝(Al)等导电性较好的金属制备。
另外，实际应用中，飞秒激光器为可产生中心波长为800nm、频率为1kHz左右的飞秒激光脉冲的发生器。
顶部透明电极12的上端连接位线，底部电极18连接选通晶体管的漏极，晶体管的源级连接源线，而顶部透明电极12正对光线入射点；
如图6所示，本申请调整后的磁随机存储器在制备时，首先通过半导体掺杂工艺在底部硅衬底上做好晶体管，在硅衬底源级区域19和漏极区域20掺杂n型杂质，如磷(P)等五价元素，栅极区域21掺杂硼(B)等三价元素。多层金属24与磁隧道结25通过磁控溅射的方式逐层溅射，最后通过对准刻蚀工艺刻蚀，使磁隧道结25下部与晶体管20的漏极相连。与上述一致，磁隧道结上部25与位线26相连，晶体管源级19与源线22相连，晶体管栅极21与字线23相连。至此，一个完整的磁随机存储器制备完成。
本发明为磁存储写入信息的方式提供了一种新的思路，即通过利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的改变，同时施加写电流完成信息的写入，改变了传统磁随机存储器的写入方式，不再通过写电流来实现磁化方向的反转，从而避免了随着工艺尺寸的进一步缩小而使的自由层的磁化状态翻转所需要的电流减小，该值与读电流越来越相近，从而读电流也有可能会使自由层的磁化状态翻转，造成写入错误率增加的问题；同时，由于其不再通过电流大小来实现磁化方向的反转，使得在利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的反转后，只需施加微小写电流即可实现信息的写入，降低了写入功率；进一步的，通过采用飞秒激光作为触发光源，磁化方向可在皮秒级别内实现翻转，大大提高了写入速度；进一步的，通过采用透明电极代替传统金属电极，在保证良好导电性的基础上，增加了光入射率；进一步的，通过设置增透层提高了器件的透光性；还通过设置散热层提高了导热效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁随机存储器辅助写入系统，其特征在于，所述磁随机存储器辅助写入系统包括超短激光产生器和光路控制系统；所述磁随机存储器辅助写入系统利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结MTJ自由层磁化方向的改变，同时通过施加的写入电流完成信息的写入；其中，超短激光脉冲由光路控制系统控制超短激光产生器产生。
2.根据权利要求1所述的磁随机存储器辅助写入系统，其特征在于，所述磁随机存储器辅助写入系统利用超短激光脉冲实现磁随机存储器中磁隧道结磁化方向的改变，包括：
超短激光脉冲作为入射光线扫过MTJ，当入射光线为左旋偏振光，MTJ自由层磁化方向“向上”；当入射光线为右旋偏振光，MTJ自由层磁化方向“向下”；其中，“向上”与“向下”为相对方向。
3.根据权利要求1或2所述的磁随机存储器辅助写入系统，其特征在于，所述超短激光产生器为飞秒激光产生器。
4.一种磁随机存储器，其特征在于，所述磁随机存储器利用上述权利要求1-3任一所述的磁随机存储器辅助写入系统实现信息的写入；所述磁随机存储器的磁隧道结MTJ的顶部电极采用透明材料制备或者顶部电极采用金属制备但刻出感光区域，自由层采用感光材料制备。
5.根据权利要求4所述的磁随机存储器，其特征在于，所述磁随机存储器的磁隧道结MTJ在顶部电极与自由层之间设置散热层。
6.根据权利要求4或5所述的磁随机存储器，其特征在于，所述磁随机存储器的磁隧道结MTJ在顶部电极与自由层之间设置增透层，所述增透层采用SiN或SiO2。
7.根据权利要求4-6任一所述的磁随机存储器，其特征在于，所述透明材料制包括ZnO：Al薄膜、氧化铟锡合金、ZnO：Ca薄膜。
8.根据权利要求4-7任一所述的磁随机存储器，其特征在于，所述感光材料包括GdFeCo、DyFeO3、二硫化钼(MoS2)、石墨烯(C)、硒化钼(MoSe)、硫化亚硒(SeS2)、硫化钨(WS2)、氮化硼(BN)。
9.一种存储器，其特征在于，所述存储器包括权利要求1-3任一所述的磁随机存储器辅助写入系统和权利要求4-8任一所述的磁随机存储器。
10.权利要求1-3任一所述的磁随机存储器辅助写入系统、权利要求4-8任一所述的磁随机存储器和权利要求9所述的存储器在计算机存储技术领域内的应用。
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