CN111446361A - 一种热辅助磁性斯格明子存储器及数据写入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热辅助磁性斯格明子存储器，属于数字电路技术领域，包括：依次叠放的钉扎层、隧穿层、自由层和重金属层；钉扎层、隧穿层和自由层构成磁隧道结；钉扎层和自由层均具有垂直磁各向异性；钉扎层和隧穿层为圆柱结构，且二者膜面均小于自由层的膜面，用于向自由层注入单向局部电流，以诱导自由层中斯格明子的产生，或使自由层中斯格明子湮灭；重金属层的膜面形状与自由层的膜面形状相同，用于与自由层产生界面DMI，以稳定斯格明子；钉扎层和重金属层外侧还分别叠放有热势垒层，且均由导热系数较低的材料制成，用于提高加热效率。本发明相比于传统的热辅助磁存储器，能够有效降低加热温度，提高存储器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于数字电路技术领域，更具体地，涉及一种热辅助磁性斯格明子存储器及数据写入方法。
背景技术
自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)具有功耗低、非易失性、单元面积小等优点，已成为目前最有前途的非易失存储技术之一。磁隧道结是STT-MRAM的核心存储单元，它是由铁磁钉扎层、氧化物隧穿层、铁磁自由层组成的三明治结构，通过施加写电流翻转磁隧道结自由层中的磁化方向，实现数据的写操作。为了实现自由层中磁化方向的翻转，写电流需要达到一定的强度，这一方面会导致较高的功耗，另一方面会导致磁隧道结中隧穿层被击穿，而影响STT-MRAM的可靠性。
为降低写电流大小以改善器件功耗及可靠性，研究人员进一步提出了热辅助磁随机存储器。热辅助磁随机存储器通过在传统磁隧道结的两端增加热势垒层，可以有效利用流过磁隧道结的写电流脉冲所产生的焦耳热将自由层临时加热到一定的高温，从而降低能量势垒，进而降低写电流密度。
然而，热辅助磁存储器在写操作时需要将器件加热到很高的温度(一般超过300℃)，这会造成磁隧道结的热击穿，且在集成阵列中造成对相邻单元的热串扰，严重影响存储器件的可靠性。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种热辅助磁性斯格明子存储器及数据写入方法，其目的在于，降低加热温度，以提高存储器件的可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热辅助磁性斯格明子存储器，包括依次叠放的钉扎层、隧穿层、自由层和重金属层；
钉扎层、隧穿层和自由层构成磁隧道结，钉扎层和自由层均具有垂直磁各向异性；
钉扎层和穿层的膜面均小于自由层的膜面，钉扎层和隧穿层用于向自由层注入单向局部电流，以诱导自由层中斯格明子的产生，使自由层呈现为斯格明子态，或使自由层中斯格明子湮灭，使自由层呈现为均匀铁磁态；自由层的状态与所存储数据的类型一一对应；
重金属层由重金属材料制成，且其膜面形状与自由层的膜面形状相同，用于与自由层产生界面DMI(即Dzyaloshinskii–Moriyainteraction)，以稳定自由层中的斯格明子。
工作时，通过施加垂直流入磁隧道结的单向写电流，可以在自由层产生或者消除斯格明子：施加幅值较大、脉冲时长较短的写电流时，在自旋转移力矩的作用下可以在自由层产生斯格明子；施加幅值较小、脉冲时长较长的写电流时，在焦耳热的作用下可以在自由层消除斯格明子。
本发明所提供的热辅助磁性斯格明子存储器中，磁隧道结的钉扎层和隧穿层膜面小于自由层膜面，可以通过钉扎层和隧穿层向自由层注入局部电流，从而控制自由层中斯格明子的产生和湮灭，使自由层相应处于斯格明子态和均匀铁磁态，从而利用不同的自由层状态实现对不同类型数据的存储，由于本发明在消除自由层中的斯格明子时，仅需将存储器加热到130℃左右，相比于传统的热辅助磁存储器，能够有效避免磁隧道结的热击穿，并在集成阵列中有效降低对相邻单元的热串扰，因此，本发明能够有效提高存储器件的可靠性。
本发明中所提供的热辅助磁性斯格明子存储器，在自由层的另一侧叠放有重金属层，由于重金属层具有强自旋轨道耦合作用，能够与自由层产生界面DMI，从而稳定自由层中的斯格明子，保证了数据的可靠存储。
进一步地，本发明所提供的热辅助磁性斯格明子存储器，还包括叠放于钉扎层外侧的第一热势垒层和叠放于重金属层外侧的第二热势垒层；
第一热势垒层和第二热势垒层用于减少热量散失，提高自由层中的加热效率。
进一步地，第一热势垒层和第二热势垒层均由导热系数低于预设的第一阈值的材料制成；利用导热系数较低的材料制备热势垒层，能够有效减少热量散失，提高自由层中的加热效率。
进一步地，钉扎层和隧穿层为截面相同的圆柱结构；由于斯格明子为圆形磁结构，本发明中设置钉扎层和隧穿层为圆柱结构，有利于诱导自由层中斯格明子的产生。
进一步地，自由层的膜面形状为方形或者圆形；传统的磁隧道结多为方形或者圆形，本发明设置自由层为圆形或者方形，能够很方便地利用现有工艺，完成热辅助斯格明子存储器的制备。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于本发明所提供的热辅助磁性斯格明子存储器的数据写入方法，包括：
根据数据类型与自由层状态的对应关系，确定待写入数据所对应的自由层的状态，将其作为目标状态；
若目标状态为均匀铁磁态，则施加垂直流入磁隧道结的第一单向写电流，以使得自由层中的斯格明子湮灭，完成数据写入；第一单向写电流的幅值小于预设的第二阈值，且脉冲时长大于预设的第三阈值；
若目标状态为斯格明子态，则施加垂直流入磁隧道结的第二单向写电流，以诱导自由层中产生斯格明子，完成数据写入；第二写电流的幅值大于预设的第四阈值，且脉冲时长小于预设的第五阈值。
进一步地，本发明所提供的数据写入方法，还包括：在施加单向写电流之前，判断钉扎层和自由层的磁化方向的关系，若自由层处于均匀铁磁态时，其磁化方向与钉扎层的磁化方向平行，则确定单向写电流的方向为从钉扎层流向自由层；若自由层处于均匀铁磁态时，其磁化方向与钉扎层的磁化方向反平行，则确定单向写电流的方向为从自由层流向钉扎层；
其中，单向写电流为第一单向写电流或第二单向写电流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的热辅助磁性斯格明子存储器中，磁隧道结的钉扎层和隧穿层膜面小于自由层膜面，可以通过钉扎层和隧穿层向自由层注入局部电流，从而控制自由层中斯格明子的产生和湮灭，使自由层相应处于斯格明子态和均匀铁磁态，从而利用不同的自由层状态实现对不同类型数据的存储；由于本发明在消除自由层中的斯格明子时，仅需将存储器加热到130℃左右，因此，本发明能够有效降低加热温度，提高存储器件的可靠性。
(2)本发明所提供的热辅助磁性斯格明子存储器，在自由层的另一侧叠放有重金属层，由于重金属层具有强自旋轨道耦合作用，能够与自由层产生界面DMI，从而稳定自由层中的斯格明子，保证了数据的可靠存储。
(3)本发明所提供的热辅助磁性斯格明子存储器，在其优选方案中，在钉扎层外侧和重金属层外侧还分别叠放有第一热势垒层和第二热势垒层，这两个热势垒层均有导热系数较低的材料制备而成，能够有效减少热量散失，提高自由层中的加热效率，进而可以提高数据写入效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的热辅助磁性斯格明子存储器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的热辅助磁性斯格明子存储器的数据写入方法示意图；其中，(a)-(c)分别为RESET操作中的电流、温度和磁化强度随时间变化的示意图，(d)-(f)分别为SET操作中的电流、温度和磁化强度随时间变化的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了降低加热温度，以提高存储器件的可靠性，在本发明的第一实施例中，提供了一种热辅助磁性斯格明子存储器，如图1所示，包括依次叠放的钉扎层、隧穿层、自由层和重金属层；
钉扎层、隧穿层和自由层构成磁隧道结；钉扎层和自由层均具有垂直磁各向异性；钉扎层和自由层均由铁磁材料制成，隧穿层可由氧化物(例如MgO等)制成；
钉扎层和隧穿层的膜面均小于自由层的膜面，用于向自由层注入单向局部电流，以诱导自由层中斯格明子的产生，使自由层呈现为斯格明子态，或使自由层中斯格明子湮灭，使自由层呈现为均匀铁磁态；自由层的状态与所存储数据的类型一一对应；
重金属层由重金属材料制成，且其膜面形状与自由层的膜面形状相同，用于与自由层产生界面DMI，以稳定自由层中的斯格明子。
工作时，通过施加垂直流入磁隧道结的单向写电流，可以在自由层产生或者消除斯格明子：施加幅值较大、脉冲时长较短的写电流时，在自旋转移力矩的作用下可以在自由层产生斯格明子；施加幅值较小、脉冲时长较长的写电流时，在焦耳热的作用下可以在自由层消除斯格明子；为了施加垂直流入磁隧道结的单向写电流，可以进一步在器件两端设置电极层，材料可为Pt、Au等；
在一个优选的实施方式中，如图1所示，上述热辅助磁性斯格明子存储器，还可包括叠放于钉扎层外侧的第一热势垒层和叠放于重金属层外侧的第二热势垒层；将热辅助磁性斯格明子存储器按照如图1所示的方式摆放后，第二热势垒层、重金属层、自由层、隧穿层、钉扎层和第一热势垒层从下到上依次叠放；
第一热势垒层和第二热势垒层用于减少热量散失，提高自由层中的加热效率；
第一热势垒层和第二热势垒层均由导热系数低于预设的第一阈值的材料制成，例如，可以是金属(如Cu，Ta)、金属氮化物(如TiN、TaN)、BiTe、GeSbTe等；利用导热系数较低的材料制备热势垒层，能够有效减少热量散失，提高自由层中的加热效率，进而可以提高数据的写入效率；
第一阈值可根据实际的加热效率要求确定，如果想要更快的升温，就选用热导系数更低的材料。
在一个优选的实施方式中，如图1所示，钉扎层和隧穿层为截面相同的圆柱结构；由于斯格明子为圆形磁结构，如图1所示，本实施例中设置钉扎层和隧穿层为圆柱结构，有利于诱导自由层中斯格明子的产生；应当说明的是，此处描述仅为本发明较优的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，其他可诱导自由层中产生斯格明子的结构，也可作为钉扎层和隧穿层的结构；
在一个优选的实施方式中，如图1所示，自由层的膜面形状为方形或者圆形；传统的磁隧道结多为方形或者圆形，本发明设置自由层为圆形或者方形，能够很方便地利用现有工艺，完成热辅助斯格明子存储器的制备；同样地，此处描述仅为本发明较优的实施方式，其他的结构，例如多边形等，也可作为自由层的膜面形状；
可选地，第一热势垒层和第二热势垒层的膜面形状均与自由层的膜面形状相同，在图1所示的结构中，热势垒层的膜面形状也可与自由层的膜面形状均为方形，在其他实施方式中，热势垒层的膜面形状也可与自由层的膜面形状不同。
上述热辅助磁性斯格明子存储器中，磁隧道结的钉扎层和隧穿层膜面小于自由层膜面，可以通过钉扎层和隧穿层向自由层注入局部电流，从而控制自由层中斯格明子的产生和湮灭，使自由层相应处于斯格明子态和均匀铁磁态，从而利用不同的自由层状态实现对不同类型数据的存储。由于本实施例在消除自由层中的斯格明子时，仅需将存储器加热到130℃左右，相比于传统的热辅助磁存储器，能够有效避免磁隧道结的热击穿，并在集成阵列中有效降低对相邻单元的热串扰，因此，能够有效降低加热温度，从而提高存储器件的可靠性。此外，由于在自由层的另一侧叠放有重金属层，由于重金属层具有强自旋轨道耦合作用，能够与自由层产生界面DMI，从而稳定自由层中的斯格明子，保证了数据的可靠存储。
基于上述热辅助磁性斯格明子存储器，本发明还提供了一种数据写入方法，包括：
根据数据类型与自由层状态的对应关系，确定待写入数据所对应的自由层的状态，将其作为目标状态；
若目标状态为均匀铁磁态，则施加垂直流入磁隧道结的第一单向写电流，以使得自由层中的斯格明子湮灭，完成数据写入；第一单向写电流的幅值小于预设的第二阈值，且脉冲时长大于预设的第三阈值；第二阈值和第三阈值可根据自由层的材料和具体的结构设定，保证所施加的第一单向写电流的幅值和脉冲时长下，电流引起的温度升高超过使斯格明子消除的温度即可；
若目标状态为斯格明子态，则施加垂直流入磁隧道结的第二单向写电流，以诱导自由层中产生斯格明子，完成数据写入；第二写电流的幅值大于预设的第四阈值，且脉冲时长小于预设的第五阈值；第四阈值和第五阈值可根据自由层的材料和具体的结构设定，以保证所施加的第二单向写电流幅值大于产生斯格明子所需要的临界电流值，并避免因脉冲时长过长导致温度过高而使得产生的斯格明子又被消除。
将上述写入数据，消除自由层中的斯格明子，实现斯格明子态到均匀铁磁态转变的操作，简称为RESET操作；将上述写入数据，诱导自由层中产生斯格明子，实现均匀铁磁态到斯格明子态转变的操作，简称为SET操作：
在RESET操作中，如图2中的(a)-(c)所示，所施加的单向写电流幅值为0.4mA、脉冲时长为2.0ns，电流引起的焦耳热使得自由层温度逐渐升高至401K，即128℃，这一过程中斯格明子强烈抖动，并逐渐破坏斯格明子，导致自由层在达到最高温时呈现出多畴状态；然后电流撤去后，温度逐渐冷却到室温(300K，即27℃)，多畴状态的自由层转变为均匀铁磁态，实现斯格明子的消除；
在SET操作中，如图2中的(d)-(f)所示，所施加的单向写电流幅值为1.0mA、脉冲时长为0.1ns的写电流时，该电流一方面通过焦耳热引起温度升高至324K，即51℃，另一方面又引发自旋转移力矩作用引起自由层磁化状态的变化，自由层从均匀铁磁态转变为斯格明子态，实现斯格明子的产生。
进一步地，本发明所提供的上述数据写入方法，还包括：在施加单向写电流之前，判断钉扎层和自由层的磁化方向的关系，若自由层处于均匀铁磁态时，其磁化方向与钉扎层的磁化方向平行，则确定单向写电流的方向为从钉扎层流向自由层；若自由层处于均匀铁磁态时，其磁化方向与钉扎层的磁化方向反平行，则确定单向写电流的方向为从自由层流向钉扎层；
其中，单向写电流为第一单向写电流或第二单向写电流。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种热辅助磁性斯格明子存储器，其特征在于，包括依次叠放的钉扎层、隧穿层、自由层和重金属层；
所述钉扎层、所述隧穿层和所述自由层构成磁隧道结，所述钉扎层和所述自由层均具有垂直磁各向异性；
所述钉扎层和所述隧穿层的膜面均小于所述自由层的膜面，所述钉扎层和所述隧穿层用于向所述自由层注入单向局部电流，以诱导所述自由层中斯格明子的产生，使所述自由层呈现为斯格明子态，或使所述自由层中斯格明子湮灭，使所述自由层呈现为均匀铁磁态；所述自由层的状态与所存储数据的类型一一对应；
所述重金属层由重金属材料制成，且其膜面形状与所述自由层的膜面形状相同，所述重金属层用于与所述自由层产生界面DMI，以稳定所述自由层中的斯格明子。
2.如权利要求1所述的热辅助磁性斯格明子存储器，其特征在于，还包括叠放于所述钉扎层外侧的第一热势垒层和叠放于所述重金属层外侧的第二热势垒层；
所述第一热势垒层和所述第二热势垒层用于减少热量散失，提高所述自由层中的加热效率。
3.如权利要求2所述的热辅助磁性斯格明子存储器，其特征在于，所述第一热势垒层和所述第二热势垒层均由导热系数低于预设的第一阈值的材料制成。
4.如权利要求1-3任一项所述的热辅助磁性斯格明子存储器，其特征在于，所述钉扎层和所述隧穿层为截面相同的圆柱结构。
5.如权利要求1-3任一项所述的热辅助磁性斯格明子存储器，其特征在于，所述自由层的膜面形状为方形或者圆形。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的热辅助磁性斯格明子存储器的数据写入方法，其特征在于，包括：
根据数据类型与所述自由层状态的对应关系，确定待写入数据所对应的所述自由层的状态，将其作为目标状态；
若所述目标状态为均匀铁磁态，则施加垂直流入所述磁隧道结的第一单向写电流，以使得所述自由层中的斯格明子湮灭，完成数据写入；所述第一写电流的幅值小于预设的第二阈值，且脉冲时长大于预设的第三阈值；
若所述目标状态为斯格明子态，则施加垂直流入所述磁隧道结的第二单向写电流，以诱导所述自由层中产生斯格明子，完成数据写入；所述第二写电流的幅值大于预设的第四阈值，且脉冲时长小于预设的第五阈值。
7.如权利要求6所述的数据写入方法，其特征在于，还包括：
在施加单向写电流之前，判断所述钉扎层和所述自由层的磁化方向的关系，若所述自由层处于均匀铁磁态时，其磁化方向与所述钉扎层的磁化方向平行，则确定所述单向写电流的方向为从所述钉扎层流向所述自由层；若所述自由层处于均匀铁磁态时，其磁化方向与所述钉扎层的磁化方向反平行，则确定所述单向写电流的方向为从所述自由层流向所述钉扎层；
其中，所述单向写电流为所述第一单向写电流或所述第二单向写电流。
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