CN110164902A - 一种多级单元磁存储结构及其读写方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多级单元磁存储结构及其读写方法，该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；第一磁隧道结的底面形状内含于强自旋轨道耦合材料上表面，第三磁隧道结的底面形状内含于第二磁隧道结上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；第一磁隧道结的自由层与强自旋轨道耦合材料相接触；第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与第一磁隧道结相同。通过对单元结构改进并设计相应的读写方法，本发明在提高存储密度的同时，可减少级间干扰，简化写入步骤，优化器件的读取性能。

Description

一种多级单元磁存储结构及其读写方法
【技术领域】
本发明属于自旋存储器技术领域，尤其涉及一种多级单元磁存储结构及其读写方法，用于实现高密度存储。
【背景技术】
基于电子自旋的磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)，具有访问速度快，抗辐射性强以及非易失性等优势而被视为最具潜力的下一代存储器技术。MRAM存储单元的核心器件是磁隧道结(Magnetic tunnel junction,MTJ)，由于受工艺和磁各向异性限制，目前MTJ占用面积较大，导致MRAM存储密度偏低。尽管近些年开始采用垂直磁各向异性MTJ构筑MRAM，提高了存储密度，也仅勉强达Gb容量的水准。
相比之下，NAND闪存技术采用多级单元结构显著提高了存储容量。目前业界普遍采用在每个NAND闪存单元存放两比特(Multi-level cell,MLC)或三比特数据(Triple-level cell,TLC)的多级单元结构，并通过3D堆叠的方法，来获得更高的存储密度和更低的生产成本。TLC更是占据如今低端固态硬盘的主要市场。
类似的多级单元结构也可用于MRAM中。目前学术界关于MTJ多级结构的设计主要有两种：一种是平行型设计，即不同尺寸的MTJ依次排列在同一参考层上；另一种是连续型设计，即各MTJ按大小顺序垂直堆叠。尽管平行型结构在能耗和器件性能方面要优于连续型，但连续型MTJ更易于制造且已有MLC结构被实验证实，因此受到更多研究关注。
然而，对于多级单元磁存储结构而言，其设备性能并没有随存储密度的提升而倍增，原因是多级结构需要更复杂的写入步骤和读取电路。这一缺点在TLC结构中更为明显，在写入方面：级间存在写入干扰，在对较难写入的层级操作时，其他层级可能会被错误地写入，甚至存在击穿风险；写入过程中还存在许多无效、连带的改写，导致能量的浪费。在读取方面：相较于区分单比特两个存储状态，读取TLC的八个不同存储状态将遭受更低的区分度和可靠性；此外，所需参考阻值的产生方式也更加复杂，会占据大量片上空间。
【发明内容】
针对上述背景中提到的传统多级单元磁存储结构在堆叠到三比特时，读写性能进一步恶化的问题，本发明公开了一种多级单元磁存储结构及其读写方法。该结构克服了现有技术的不足，通过对单元结构的改进并设计相应的读写方法，可以减少级间干扰，简化写入步骤，并优化器件的读取性能。
本发明的技术方案是：
一种多级单元磁存储结构，该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，在强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；所述第一磁隧道结的底面形状内含于所述强自旋轨道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道结的底面形状内含于所述第二磁隧道结的上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；所述第一磁隧道结的自由层与所述强自旋轨道耦合材料相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；所述第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结相同。
作为优选的，所述三个磁隧道结阻值R的大小关系具体满足：
R3H+R2L+R1L＞R3L+R2H+R1H
其中，脚标的数字1、2、3分别对应第一、二、三磁隧道结，H和L分别对应高、低阻值状态，即第三磁隧道结处于高阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于低阻值时的总阻值，应大于第三磁隧道结处于低阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于高阻值时的总阻值。
所述强自旋轨道耦合材料具体为重金属、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；其中，所述的重金属包括铂Pt、钽Ta或钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量可以不同。
可选地，所述结构中磁隧道结形状的种类为长方形、圆形或椭圆形，第一、二磁隧道结的形状的种类相同，第三磁隧道结的形状与第一、二磁隧道结的形状的种类可以相同，亦或者不同；所述强自旋轨道耦合材料为长条状。
根据所述的多级单元磁存储结构，一种多级单元磁存储结构的写入方法，具体包括如下步骤：
S11、根据待写入的数据，直接将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态；
每个磁隧道结有高低阻值两种状态，可存储一比特数据，因此所述多级单元磁存储结构可存储三位数据；不失一般性，将低阻值状态定义为逻辑低电平，将高阻值状态定义为逻辑高电平；
其中，若待写入的三位数据中间位为逻辑低电平，则将三个磁隧道结写为低阻值状态；若待写入的三位数据中间位为逻辑高电平，则将三个磁隧道结写为高阻值状态；
S12、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作；具体包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结的阻值状态、仅改变第三磁隧道结的阻值状态、或同时改变第一磁隧道结和第三磁隧道结的阻值状态。
根据所述的多级单元磁存储结构，一种多级单元磁存储结构的写入方法，具体包括如下步骤：
S21、预先读取第二磁隧道结的阻值状态，若与待写入的数据相比，判定第二磁隧道结的阻值状态不需要改变，则进入步骤S22；若判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态；
每个磁隧道结有高低阻值两种状态，可存储一比特数据，因此所述多级单元磁存储结构可存储三位数据；不失一般性，将低阻值状态定义为逻辑低电平，将高阻值状态定义为逻辑高电平；
其中，若待写入的三位数据中间位为逻辑低电平，且已判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将三个磁隧道结写为低阻值状态；若待写入的三位数据中间位为逻辑高电平，且已判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将三个磁隧道结写为高阻值状态；
S22、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作；
具体包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结的阻值状态、仅改变第三磁隧道结的阻值状态、或同时改变第一磁隧道结和第三磁隧道结的阻值状态。
根据所述的多级单元磁存储结构，一种多级单元磁存储结构的读取方法，包括如下步骤：
S31、将电流读取信号施加于所述存储结构的磁隧道结，获取所述存储结构产生的第一数据信号；
S32、将自旋轨道耦合电流施加于所述存储结构的强自选轨道耦合材料，获取所述存储结构产生的第二数据信号；
S33、根据第一数据信号、第二数据信号和外部参考信号之间的大小关系，并行输出三个磁隧道结的读取结果；
S34、根据第一磁隧道结的读取结果，撤去自旋轨道耦合电流，并将第一磁隧道结恢复为读取前的状态。
本发明所述的一种多级单元磁存储结构及其读写方法的优点是：
(1)采用本发明的多级单元磁存储结构，在提高存储密度的同时，可以减少级间干扰，降低误写入和器件击穿发生的概率。
(2)采用本发明的多级单元磁存储结构，可通过两步操作写入三比特的数据，简化了写入步骤，相较于传统结构，减少了无效写入的发生，从而降低了写入延时和功耗。
(3)采用本发明的多级单元磁存储结构，尽管存储状态总数目会因完全相同的两个磁隧道结而减少，但在相应的读取方法下仍可读出三比特信息。此外，读取的可靠性和参考单元产生的方式得到优化。
【附图说明】
图1A、B为现有技术的连续型MLC结构及相应的TLC结构示意图。
图2为本发明提出的一种多级单元磁存储结构示意图。
图3A为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的写入方法流程示意图一。
图3B为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的写入方法流程示意图二。
图4A为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的写入方法的具体实施例。
图4B为图4A实施例对应的状态转换图。
图5为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的读取方法流程示意图。
图6为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的读取方法的具体实施例。
其中，图中参数定义为：
11：顶电极；
12：磁隧道结参考层；
13：磁隧道结势垒层；
14：磁隧道结自由层；
15：底电极；
21：第一电极；
22：第二电极；
23：第三电极；
24：强自旋轨道耦合材料；
MTJ1-MTJ8：依次为八个磁隧道结；其中，MTJ6为第一磁隧道结，MTJ7为第二磁隧道结，MTJ8为第三磁隧道结；
I1-I3：由小到大的三个自旋转移矩电流；
ISOT：自旋轨道矩电流；
61-68：读取数据信号分布情况；
Vref1：第一参考信号；
Vref2_1、Vref2_2：两种第二参考信号；
【具体实施方式】
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。在此公开了详细的示例性实施例，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。另外，将不会详细描述或将省略本发明的众所周知的元件，器件与子电路，以免混淆本发明的实施例的相关细节。
图1A、B为现有技术的连续型MLC结构及相应的TLC结构示意图。
如图1A所示，连续型MLC由两个磁隧道结MTJ1和MTJ2层叠而成，并通过顶电极11与底电极15同外围电路相连。其中，各个MTJ由参考层12、势垒层13和自由层14组成，根据自由层14相对于参考层12的磁化方向，MTJ可呈现高、低阻值两种状态，分别表示逻辑“1”和“0”。由于两个MTJ尺寸不同，组成器件后至多能够获得4种总电阻状态，因而可存储两比特信息。MTJ的阻值状态可通过施加流经MTJ的正向或反向的自旋转移矩(Spin transfer torque，STT)电流来改变，所需STT电流的大小与MTJ尺寸有关：较小的电流值只会改变MTJ2的阻值状态；较大的电流值会同时改变两个MTJ的阻值状态，但此时MTJ2的翻转可能并非期望所发生的，为此必须再次施加一次小电流将MTJ2恢复至原状态。因此，对于MTJ2而言，这种两步操作可视为无效写入，造成无端的时延及能耗开销。
类似的，如图1B所示，传统TLC由三个磁隧道结MTJ3、MTJ4和MTJ5层叠而成，至多可获得八种总电阻状态，存储三比特信息。然而，如背景技术部分所述，该TLC结构存在级间写入干扰，在对MTJ3写入时，可能造成MTJ4和MTJ5无效的翻转甚至击穿MTJ5的情况。在读取过程中，检测TLC的八个不同阻值状态将遭受更低的区分度和可靠性；此外，八个状态导致所需参考阻值的产生方式也十分繁琐，会占据大量片上空间。
图2为本发明提出的一种多级单元磁存储结构示意图。
该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料24、第一磁隧道结MTJ6、第二磁隧道结MTJ7、第三磁隧道结MTJ8及第一电极21，在强自旋轨道耦合材料24两端分别镀有第二电极22和第三电极23；第一磁隧道结MTJ6的底面形状内含于强自旋轨道耦合材料24的上表面，第三磁隧道结MTJ8的底面形状内含于第二磁隧道结MTJ7的上表面；第一磁隧道结MTJ6上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结MTJ7的底面完全相同；第一磁隧道结MTJ6的自由层与所述强自旋轨道耦合材料24相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；第二磁隧道结MTJ7、第三磁隧道结MTJ8的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结MTJ6相同，如图中所示自由层在下，参考层在上。三个MTJ阻值R的大小关系具体满足：
R3H+R2L+R1L＞R3L+R2H+R1H
其中，脚标的数字1、2、3分别对应第一、二、三磁隧道结，H和L分别对应高、低阻值状态，即第三磁隧道结MTJ8处于高阻值、第一磁隧道结MTJ6和第二磁隧道结MTJ7处于低阻值时的总阻值，应大于第三磁隧道结MTJ8处于低阻值、第一磁隧道结MTJ6和第二磁隧道结MTJ7处于高阻值时的总阻值。
示例性的，图中，三个磁隧道结的横截面形状均为圆形，强自旋轨道耦合材料24为长条状。但应当明白，本领域的技术人员，在保证第一、二磁隧道结形状种类相同，第三磁隧道结满足前文所述面积关系的条件下，可以对三个磁隧道结的形状进行组合和修改；例如，第一、二磁隧道结的横截面形状为椭圆形，第三磁隧道结的横截面的形状为圆形。
本发明通过将第一磁隧道结MTJ6和第二磁隧道结MTJ7调整至相同尺寸，缓解了传统TLC结构中MTJ3和MTJ5尺寸差异过大的问题，减少了在写入过程中的级间干扰和第三磁隧道结MTJ8被击穿的风险。然而，这也会使得该结构只存在六种总电阻值状态，降低了存储密度。例如，若用三位数据表示MTJ阻值状态，第一位表示第一磁隧道结MTJ6的阻值状态，依次类推，并记“1”代表高阻值状态，“0”代表低阻值状态，则“01X”和“10X”(X表示“0”或“1”任意值)对应的总电阻值是相同的。因此，本发明在第一磁隧道结MTJ6下方增加了一层强自旋轨道耦合材料24，该材料可通过自旋轨道耦合作用产生自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)，用于在读取过程中从六种总电阻值中获得三比特的信息。同时，依靠STT和SOT两种效应，该结构还可实现类似MLC的两步写入，减少了无效写入的发生。
图3A、B为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的写入方法流程示意图，具体包括：
图3A中，S11、根据待写入的数据，直接将第一磁隧道结MTJ6、第二磁隧道结MTJ7及第三磁隧道结MTJ8统一写成低阻值或高阻值状态。例如，若待写入的三比特数据中间位为逻辑低电平，即“X0X”，则将三个MTJ写为低阻值状态，即“000”；若待写入的三比特数据中间位为逻辑高电平，即“X1X”，则将三个MTJ写为高阻值状态，即“111”。
S12、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作；具体包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结MTJ6的阻值状态、仅改变第三磁隧道结MTJ8的阻值状态或同时改变磁第一隧道结MTJ6和第三磁隧道结MTJ8的阻值状态。示例性的，若待写入的三比特数据为“010”，且器件经步骤S11已被写为“111”状态，则判第一磁隧道结定MTJ6和第三磁隧道结MTJ8的阻值还需改变，并通过自旋转移矩STT和自旋轨道矩SOT两种效应同时改变第一磁隧道结MTJ6和第三磁隧道结MTJ8的阻值状态，完成写入操作。
图3B中，S21、预先读取第二磁隧道MTJ7的阻值状态，若与待写入的数据相比，判定第二磁隧道结MTJ7的阻值状态不需要改变，则进入步骤S22；若判定第二磁隧道结MTJ7的阻值状态需要改变，则将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态。示例性的，在执行写入操作前，已通过读取电路检测出所述多级单元磁存储结构中第二次隧道结MTJ7处于高阻值状态，若待写入的三比特数据中间位为“1”，则经比较判决后，不再执行统一写入操作，从而降低了写入延时和功耗；若待写入的三比特数据中间位为“0”，则经比较判决后，将三个MTJ写为低阻值状态，即“000”。
在步骤S11和步骤S21中，每个磁隧道结有高低阻值两种状态，可存储一比特数据，因此所述多级单元磁存储结构可存储三位数据；不失一般性，将低阻值状态定义为逻辑低电平，将高阻值状态定义为逻辑高电平；
其中，若待写入的三位数据中间位为逻辑低电平，则将三个磁隧道结写为低阻值状态；若待写入的三位数据中间位为逻辑高电平，则将三个磁隧道结写为高阻值状态；
S22、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作；具体包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结MTJ6的阻值状态、仅改变第三磁隧道结MTJ8的阻值状态或同时改变磁第一隧道结MTJ6和第三磁隧道结MTJ8的阻值状态。步骤S22的示例与步骤S12相同。
具体采取哪种写入流程，取决于预先判定步骤的能耗开销与对写入速度的要求。若需要较快的写入速度，则采取图3A中的方式；若预先判定步骤的能耗小于一次统一写入操作的能耗，且对写入操作无高速要求，则采取图3B中的方式；其他情况，两种方式任选其一。
图4A为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的写入方法的具体实施例；
图4B为图4A实施例对应的状态转换图。
如图4A所示，在第二电极22和第三电极23之间可施加电流ISOT，该电流通过自旋轨道耦合作用产生自旋轨道矩SOT，这一力矩可使垂直磁各向异性MTJ的自由层磁化方向由垂直方向迅速翻转至面内方向，但又不足以使其发生确定性的磁化翻转。在第一电极21和第二电极22(或第一电极21和第三电极23)之间可施加电流I1、I2、I3，产生自旋转移矩STT，三个电流值的大小关系满足：
I1＜I2＜I3
其中，仅I1作用产生的STT不足以使第一磁隧道结MTJ6、第二磁隧道结MTJ7及第三磁隧道结MTJ8中任何一个的阻值状态发生改变，但和ISOT共同作用时，可改变第一磁隧道结MTJ6的阻值状态；仅I2作用产生的STT只能改变第三磁隧道结MTJ8的阻值状态，而第一磁隧道结MTJ6和第二磁隧道结MTJ7阻值状态保持不变；仅I3作用产生的STT能够同时改变三个MTJ的阻值状态。特别的，当ISOT和I2共同作用时，I2可兼具I1的作用，使第一磁隧道结MTJ6和第三磁隧道结MTJ8的阻值状态同时发生改变，而第二磁隧道结MTJ7不受影响。通过组合使用I1、I2、I3及ISOT四种电流，该多级单元磁存储结构可实现类似MLC的两步写入操作，优化了写性能。
具体的状态转换如图4B所示。示例性的，本实施例描述待写入的三比特数据为“101”，器件初始状态为“011”的写入过程。若依照图3A的写入流程，由于待写入的数据中间位为“0”，因此在写入的第一步通过I3将三个MTJ统一写成低阻值状态，即“000”；由于“000”和“101”相比，判定第一磁隧道结MTJ6和第三磁隧道结MTJ8的阻值状态还需改变，因此在写入的第二步由ISOT和I2共同作用完成写入操作，整个写入流程对应于图4B中“011”→“000”→“101”的过程。
若依照图3B的写入流程，已预先判定第二磁隧道结MTJ7的阻值状态不需要改变，如待写入的三比特数据为“001”，器件初始状态为“101”，则在写入的第一步不执行任何操作，在写入的第二步通过ISOT和I1共同作用直接改变第一磁隧道结MTJ6的阻值状态，完成写入操作。
图5为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的读取方法流程示意图，具体包括：
在步骤S31中，将电流读取信号施加于所述存储结构的三个磁隧道结，获取所述存储结构产生的第一数据信号。
在步骤S32中，将自旋轨道耦合电流施加于所述存储结构的强自旋轨道耦合材料，获取所述存储结构产生的第二数据信号。
其中，施加自旋轨道耦合电流后，第一磁隧道结MTJ6的自由层磁化方向将由垂直方向迅速翻转至面内方向，由于MTJ的实际电阻值与磁化方向有关，因此器件的总电阻值会发生改变。此时，在步骤S31所述的电流读取信号作用下，可获得与第一数据信号大小不同的第二数据信号。
在步骤S33中，根据第一数据信号、第二数据信号和外部参考信号之间的大小关系，并行输出三个磁隧道结的读取结果。
具体包括：根据第一数据信号与第一参考信号的大小关系，可判断第三磁隧道结MTJ8存储的信息；根据第二数据信号与第二参考信号的大小关系，可判断第二磁隧道结MTJ7存储的信息；根据第一数据信号与第二数据信号的大小关系，可判断第一磁隧道结MTJ6存储的信息。
其中，第一参考信号和第二参考信号可利用多级单元磁存储结构产生。
在步骤S34中，根据第一磁隧道结MTJ6的读取结果，撤去自旋轨道耦合电流，并将第一磁隧道结MTJ6恢复为读取前状态。
其中，由于MTJ6的自由层磁化方向在步骤S52中被翻转至面内方向，在撤去自旋轨道耦合电流后，恢复为高阻值或低阻值状态的概率是相同的，为避免读取后信息的丢失，需要确定性的恢复操作。例如，根据读出的结果，利用所述写入方法中的自旋轨道耦合电流ISOT和I1共同作用将第一磁隧道结MTJ6恢复为读取前阻值状态。
图6为本发明提出的一种多级单元磁存储结构的读取方法的具体实施例。
由于工艺误差的存在，在电流读取信号作用下，实际上每种阻值状态得到的读取数据信号呈高斯分布。同时，“01X”和“10X”(X表示“0”或“1”任意值)对应的总电阻值是相同的。因此，第一数据信号对应“000”(如图6中标号61)、“100”或“010”(如图6中标号62)、“110”(如图6中标号63)、“001”(如图6中标号64)、“011”或“101”(如图6中标号65)、“111”(如图6中标号66)六种可能情况。
施加自旋轨道耦合电流ISOT后，在电流读取信号作用下，可获得与第一数据信号大小不同的第二数据信号。第一数据信号与第二数据信号的大小关系取决于第一磁隧道结MTJ6存储的信息：若第一磁隧道结MTJ6存储的信息为“0”，则第一数据信号将小于第二数据信号；若第一磁隧道结MTJ6存储的信息为“1”，则第一数据信号将大于第二数据信号。示例性的，当第一数据信号为“100”或“010”(标号62)的情况，若第一磁隧道结MTJ6存储的信息为“1”，则第二数据信号如图6中标号67所示；若第一磁隧道结MTJ6存储的信息为“0”，则第二数据信号如图6中标号68所示。根据第一数据信号与第二数据信号的大小关系，即可判断第一磁隧道结MTJ6存储的信息。
第一参考信号Vref1可由电流读取信号流经“000”和“111”两种状态并联的多级单元磁存储结构产生。若第一数据信号小于第一参考信号Vref1，则第三磁隧道结MTJ8存储的信息为“0”；若第一数据信号大于第一参考信号Vref1，则第三磁隧道结MTJ8存储的信息为“1”。
第二参考信号(Vref2_1或Vref2_2)可由电流读取信号流经“100”或“101”状态的多级单元磁存储结构产生。当已判定第三磁隧道结MTJ8存储的信息为“0”时，可通过“100”状态的多级单元磁存储结构产生第二参考信号Vref2_1；当已判定第三磁隧道结MTJ8存储的信息为“1”时，可通过“101”状态的多级单元磁存储结构产生第二参考信号Vref2_2。进一步地，若第二数据信号小于第二参考信号(Vref2_1或Vref2_2)，则第二磁隧道结MTJ7存储的信息为“0”；若第二数据信号大于第二参考信号(Vref2_1或Vref2_2)，则第二磁隧道结MTJ7存储的信息为“1”。
示例性的，若器件的初始状态为“101”，则按上述方法读取时，依次满足：第一数据信号大于第一参考信号Vref1，第二数据信号小于第二参考信号(Vref2_1或Vref2_2)，第一数据信号大于第二数据信号，由此可通过读出放大器并行输出三个MTJ读取结果。之后，根据第一磁隧道结MTJ6的读取结果，撤去自旋轨道耦合电流，并将第一磁隧道结MTJ6恢复为读取前状态，完成读取操作。
本发明实施例提供的多级单元磁存储结构的读取方法，通过自旋轨道耦合作用辅助读取过程，实现了外部参考和自参考结合的读取方式，提高了读取的可靠性；同时解决了两个MTJ尺寸相同时只能呈现出六种总电阻值状态，无法读出三比特数据的问题；参考阻值的产生方式相较于传统结构，在所需参考阻值的数目上和产生这些参考阻值的方式上都得到了简化，有利于高密度存储的实现。

Claims (12)

1.一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述结构由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，在强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；
所述第一磁隧道结的底面形状内含于所述强自选轨道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道结的底面形状内含于所述第二磁隧道结的上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；
所述第一磁隧道结的自由层与所述强自旋轨道耦合材料相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；所述第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结相同。
2.根据权利要求1所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述三个磁隧道结阻值R的大小关系具体满足：
R3H+R2L+R1L＞R3L+R2H+R1H
其中，脚标的数字1、2、3分别对应第一、二、三磁隧道结，H和L分别对应高、低阻值状态，即第三磁隧道结处于高阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于低阻值时的总阻值，应大于第三磁隧道结处于低阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于高阻值时的总阻值。
3.根据权利要求1所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述强自旋轨道耦合材料具体为重金属或反铁磁材料或拓扑绝缘体材料。
4.根据权利要求4所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述的重金属为铂Pt、钽Ta或钨W。
5.根据权利要求4所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述的反铁磁材料为化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn。
6.根据权利要求4所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述的拓扑绝缘体材料为化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb。
7.根据权利要求1所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述结构中磁隧道结形状的种类为长方形、圆形或椭圆形，第一、二磁隧道结的形状的种类相同，第三磁隧道结的形状与第一、二磁隧道结的形状的种类可以相同，亦或者不同；所述强自旋轨道耦合材料为长条状。
8.一种多级单元磁存储结构的写入方法，包括如下步骤：
步骤1、根据待写入的数据，直接将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态；
步骤2、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作。
9.一种多级单元磁存储结构的写入方法，包括如下步骤：
步骤1、预先读取第二磁隧道结的阻值状态，若与待写入的数据相比，判定第二磁隧道结的阻值状态不需要改变，则进入下一步骤；若判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态；
步骤2、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作。
10.根据权利要求8或9所述的一种多级单元磁存储结构的写入方法，其特征在于，所述将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态，具体为：
若待写入的三位数据中间位为逻辑低电平，则将三个磁隧道结写为低阻值状态；若待写入的三位数据中间位为逻辑高电平，则将三个磁隧道结写为高阻值状态。
11.根据权利要求8或9所述的一种多级单元磁存储结构的写入方法，其特征在于，所述相应的写入操作包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结的阻值状态、仅改变第三磁隧道结的阻值状态、或同时改变第一磁隧道结和第三磁隧道结的阻值状态。
12.一种多级单元磁存储结构的读取方法，包括如下步骤：
步骤1、将电流读取信号施加于存储结构的三个磁隧道结，获取所述存储结构产生的第一数据信号；
步骤2、将自旋轨道耦合电流施加于存储结构的强自旋轨道耦合材料，获取所述存储结构产生的第二数据信号；
步骤3、根据第一数据信号、第二数据信号和外部参考信号之间的大小关系，并行输出三个磁隧道结的读取结果；
步骤4、根据第一磁隧道结的读取结果，撤去自旋轨道耦合电流，并将第一磁隧道结恢复为读取前的状态。
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