CN111653664A - 一种磁性存储单元和数据写入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种磁性存储单元和数据写入方法，包括在一条反铁磁金属条状薄膜上制造一个磁隧道结；反铁磁金属条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；磁隧道结从下到上包括第一铁磁金属层，第一氧化物层，第二铁磁金属层，第一合成反铁磁层和顶端电极五层物质构成；所述磁隧道结具有垂直磁各向异性；所述磁隧道结至少具有两种电阻状态。本发明依靠电压调控磁各向异性和自旋轨道矩两种效应，其中，电压调控磁各向异性效应可通过在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极施加一个偏置电压产生；自旋轨道矩效应可通过在反铁磁金属条状薄膜的两端施加电流而产生，数据写入过程中无需施加外磁场，优化磁性存储单元的数据写入性能。
Description
技术领域
本发明涉及非易失性存储和逻辑技术领域，具体涉及一种磁性存储单元和数据写入方法。
背景技术
近年来，新兴非易失存储器受到了学术界和工业界的广泛重视，被认为是可以突破深亚微米下传统集成电路功耗瓶颈的关键技术之一。磁性随机访问存储器(MagneticRandom Access Memory，MRAM)作为一种新兴非易失存储器，因其具有读写速度快、能耗低、寿命长和工艺兼容性好等优势，有望成为下一代通用存储器。
磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)是MRAM的基本存储单元，主要由两个铁磁层和夹在其中间的隧穿势垒层构成。其中一个铁磁层的磁化方向是固定的，被称作固定层；而另外一个铁磁层的磁化方向是可变的，被称作自由层。根据自由层和固定层的相对磁化方向，MTJ可呈现出两种不同的阻态，当两者的磁化方向相同时，MTJ呈现低阻态；反之，MTJ则呈现高阻态，进而可用于存储一比特数据信息。因此，MRAM可通过翻转自由层的磁化方向来实现数据信息的写入操作。
MRAM的数据信息写入方式发展至今，经历了多次变革。第一代MRAM采用磁场来实现数据信息的写入。该写入方法的主要缺陷如下：(1)需要较高的写入电流，从而导致较高的写能耗；(2)写入电流不会随着工艺尺寸的减小而降低，从而限制了MTJ的可微缩性。第二代MRAM采用基于电流驱动产生的自旋转移矩(Spin-Transfer Torque,STT)来实现数据信息的写入。该写入方法虽然能够解决上一代MRAM采用磁场进行数据信息写入的问题，但也存在一些缺陷：(1)数据写入过程需要经历一个孵化过程，从而导致较大的写入时延；(2)读写操作经过同一路径，容易造成读取干扰和隧穿势垒层击穿等问题；(3)写入电流较大，从而导致较大的写能耗。第三代MRAM采用基于电流驱动产生的自旋轨道矩(Spin-OrbitTorque,SOT)来实现数据信息的写入。SOT-MTJ是一个三端口器件，主要由一个MTJ和一个与其自由层相连接的重金属层(Heavy Metal，HM)构成。其中，HM被用作写电流通路。与STT-MTJ相比，SOT-MTJ具有以下优点：(1)具有较大的自旋霍尔角，可实现较小的写能耗和写时延；(2)读写路径分离，不仅可降低隧穿势垒层击穿的风险，而且便于对读写性能进行独立优化。但是，对于采用具有垂直磁各向异性(Perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的MTJ，SOT仍需一个面内方向的外磁场进行辅助才能对其自由层磁化状态实现确定性翻转，这不仅会增加MRAM电路设计的复杂度，导致额外的面积和功耗开销，而且极大地限制了MRAM的可扩展性和实用性。幸运的是，最近的实验测试结果表明，在具有强自旋轨道耦合效应的反铁磁金属(Antiferromagnetic Metal，AFM)薄膜和铁磁薄膜界面，不仅能够产生较强的SOT效应，而且能够同时产生一个面内方向的交换偏置场。因此，为避免使用外磁场，可用AFM代替SOT-PMA-MTJ中的HM。但采用AFM的SOT-PMA-MTJ在数据信息写入方面仍存在一些问题：(1)SOT写入电流仍比较大，从而导致较大的写能耗；(2)由于AFM产生的交换偏置场比较小，在施加SOT写入电流时，PMA-MTJ自由层的磁化状态翻转是不完整的，从而会导致较高的数据信息写错误率。因此，如何实现低能耗、高可靠数据信息写入操作是当前采用AFM的SOT-PMA-MTJ面临的主要挑战之一。
最近的实验测试结果表明，在具有强自旋轨道耦合效应的反铁磁金属(Antiferromagnetic Metal，AFM)薄膜和铁磁金属薄膜界面，不仅能够产生较强的自旋轨道矩(Spin-Orbit Torque，SOT)效应，而且能够同时产生一个面内方向的交换偏置场。因此，通过采用AFM代替重金属，具有垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy，PMA)的磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)利用SOT效应实现数据信息写入时不再需要外磁场辅助。但采用AFM的SOT-PMA-MTJ在数据信息写入方面仍存在一些问题：(1)SOT写入电流比较大，从而导致较大的写能耗；(2)AFM薄膜和铁磁金属薄膜界面产生的交换偏置场比较小，从而导致PMA-MTJ的自由层的磁化状态翻转是不完全的，进而导致较高的数据信息写错误率。
通过采用反铁磁金属代替重金属的方式，具有垂直磁各向异性的磁隧道结利用自旋轨道矩效应实现数据信息写入时不再需要外磁场辅助。但该磁性存储单元在数据信息写入方面仍存在一些问题：
(1)自旋轨道矩写入电流比较大，从而会导致较大的写能耗；
(2)当采用自旋轨道矩效应进行数据信息写入时，由于反铁磁金属薄膜与铁磁金属薄膜界面产生的交换偏置场比较小，具有垂直磁各向异性的磁隧道结的自由层的磁化状态翻转是不完全的，从而会导致较高的数据信息写入错误率。
针对上述提到的磁性存储单元在数据信息写入方面的问题，尤其是自旋轨道矩在磁性存储单元的写能耗及可靠性等方面的弊端，本发明的目的是提出一种磁性存储单元和数据写入方法。
发明内容
本发明提出的一种磁性存储单元和数据写入方法，可解决采用AFM的SOT-PMA-MTJ如何实现低能耗、高可靠数据信息写入操作的技术问题。本发明通过结合自旋轨道矩效应和电压调控磁各向异性效应的方式，解决上述弊端，优化磁性存储单元的数据写入性能。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种磁性存储单元包括：
在一条反铁磁金属条状薄膜上制造一个具有垂直磁各向异性的磁隧道结；该反铁磁金属条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；该具有垂直磁各向异性的磁隧道结从下到上由第一铁磁金属层，第一氧化物层，第二铁磁金属层，第一合成反铁磁层和顶端电极共五层物质构成。
具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值取决于第一铁磁金属层和第二铁磁金属层的相对磁化方向。如果第一铁磁金属层与第二铁磁金属层的磁化方向一致，则具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值较小，称此时的具有垂直磁各向异性的磁隧道结处于低阻态。反之，若二者方向相反，则具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值较大，称此时的具有垂直磁各向异性的磁隧道结处于高阻态。
作为优先，第二铁磁金属层的磁化方向固定不变，第一铁磁金属层的磁化方向可通过数据写入操作被改变。
同时，本发明还公开一种磁性存储单元数据写入方法，依靠电压调控磁各向异性和自旋轨道矩两种效应。其中，电压调控磁各向异性效应可通过在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极施加一个偏置电压产生；自旋轨道矩效应可通过在反铁磁金属条状薄膜的两端施加电流而产生。数据写入过程中无需施加外磁场。
本发明所述的一种磁性存储单元的数据写入方法的操作流程可按照时间顺序分为如下三步：
第一步：在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极施加一个正向偏置电压，所产生的电压调控磁各向异性效应可降低具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒；同时，在第一底端电极和第二底端电极之间施加电流，称为自旋轨道矩写入电流，所产生的自旋轨道矩联合反铁磁金属条状薄膜产生的面内方向的交换偏置场将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化状态的不完全翻转或不变。施加的自旋轨道矩写入电流的方向取决于待写入的数据信息。
第二步：将第一步施加的自旋轨道矩写入电流撤除；同时，在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极施加一个负向偏置电压，其可提高具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒，并将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化状态的完全翻转或不变，从而保证可靠的数据写入操作。
第三步：将第二步在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极施加的负向偏置电压撤除，具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化方向被完全翻转或不变，从而使得具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值相应地被改变或不变。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种磁性存储单元和数据写入方法，需要使用两个偏置电压以及一个电流完成一次完整的数据写入操作。值得强调的是，上述施加的两个偏置电压值均需小于具有垂直磁各向异性的磁隧道结的击穿电压值，否则具有垂直磁各向异性的磁隧道结将极易发生击穿，从而造成该磁性存储单元的损坏。而且，其中施加的正向偏置电压值需不大于使具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒降为零时需要的偏置电压值；否则，具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化方向将发生振荡，从而可能导致数据写入错误。上述的一个电流值(即自旋轨道矩写入电流值)需不小于具有垂直磁各向异性的磁隧道结在施加正向偏置电压时的自旋轨道矩写入电流阈值；否则，具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化方向只会产生扰动，但不会被翻转，从而导致数据写入错误。
本发明一种磁性存储单元和数据写入方法，其采用的关键技术带来的有益效果：
1.由于在施加自旋轨道距写入电流的同时施加了一个正向偏置电压，该正向偏置电压所产生的电压调控磁各向异性效应可减小磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒，进而可减小自旋轨道距写入电流的阈值，因此其可降低数据写入能耗；
2.由于施加了一个负向偏置电压，该负向偏置电压所产生的电压调控磁各向异性效应可增大磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒，进而可提高磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化状态实现完全翻转的可靠性；因此其可提高数据写入的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种磁性存储单元结构示意图；
图2为本发明一种磁性存储单元和数据写入方法示意图；
图3为本发明一种磁性存储单元和数据写入方法实施例示意图；
图4为图5实施例一所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图；其中图4-1和图4-2分别对应当具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为低阻态和高阻态的情形；
图5为本发明一种磁性存储单元和数据写入方法实施例示意图；
图6为图5实施例二所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图；其中，图6-1和图6-2分别对应当具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为低阻态和高阻态的情形。
附图符号对应说明
1反铁磁金属条状薄膜，2第一底端电极，3第二底端电极，4第一铁磁性薄膜，5第一氧化物，6第二铁磁性薄膜，7第一合成反铁磁层，8顶端电极，Vb施加于顶端电极的偏置电压，VC具有垂直磁各向异性的磁隧道结的击穿电压，V1正向偏置电压，V2负向偏置电压，I1第一底端电极流向第二底端电极之间的写入电流，自旋轨道写入电流1，I2第二底端电极流向第一底端电极之间的写入电流，自旋轨道写入电流2，RH磁隧道结的电阻的最大值，RL磁隧道结的电阻的最小值，R0磁隧道结的电阻值的中间值，IC具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端施加正向偏置电压V1对应临界SOT电流，DW1当电流沿第一底端电极流向第二底端电极时，为完成数据写入操作所需要的时间延迟，DW2当电流沿第二底端电极流向第一底端电极时，为完成数据写入操作所需要的时间延迟，t时间，ti相应的时刻，其中i＝1,2,3…8。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明实施例的附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，工作模式中的电阻值、电流值和时间延迟值也非实际值。
以下具体说明：
本发明实施例提出了一种磁性存储单元和数据写入方法，既可以用于构建磁性随机访问存储器，也可以用于非易失磁性逻辑电路。
图1为本发明所使用的一种磁性存储单元示意图。
本发明所使用的磁性存储单元包括一个具有垂直磁各向异性的磁隧道结9和一个反铁磁金属条状薄膜1。具有垂直磁各向异性的磁隧道结9被制造于反铁磁金属条状薄膜1的上方。第一底端电极2和第二底端电极3被制造于反铁磁金属条状薄膜1的两端。
具有垂直磁各向异性的磁隧道结9由五层物质构成，从下到上分别为第一铁磁金属层4，第一氧化物层5，第二铁磁金属层6，合成反铁磁层7和顶端电极8。
具有垂直磁各向异性的磁隧道结9至少具有两种电阻状态，其电阻值取决于第一铁磁金属层4与第二铁磁金属层6的相对磁化方向。如果第一铁磁金属层4与第二铁磁金属层6的磁化方向一致，则具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的电阻值较小，称此时的具有垂直磁各向异性的磁隧道结9处于低阻态。反之，若二者方向相反，则具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的电阻值较大，称具有垂直磁各向异性的磁隧道结9处于高阻态。
所述的第二铁磁金属层的磁化方向固定不变，第一铁磁金属层的磁化方向可通过数据写入操作被改变。
本发明所使用的磁性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上到下的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成。
本发明所使用的磁性存储单元制造流程可通过传统的半导体生产后端工艺集成。
作为优选，反铁磁金属条状薄膜1的厚度为0-20nm。
作为优选，反铁磁金属条状薄膜1为长方形，其顶面积大于具有垂直磁各向异性的磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于反铁磁金属条状薄膜1的顶面形状之中。
作为优选，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9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)。
作为优选，第一铁磁金属层4的厚度为0-3nm，第一氧化物层5的厚度为0-2nm，第二铁磁金属层6的厚度为0-3nm，第一合成反铁磁层7的厚度为0-20nm，第一底端电极2和第二底端电极3的厚度与反铁磁金属条状薄膜1厚度相同，顶端电极8的厚度为10-200nm。
作为优选，所述的反铁磁金属条状薄膜1是指化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn中的一种，这些化合物中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，第一底端电极2，第二底端电极3是指钽Ta,铝Al或铜Cu中的一种。
作为优选，顶端电极8是指钽Ta,铝Al或铜Cu中的一种。
作为优选，所述第一铁磁金属层4是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe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。
作为优选，所述第一氧化物5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。
作为优选，所述第二铁磁金属层6是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe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。
作为优选，所述第一合成反铁磁层7，是指如下混合层的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pd]n构成混合层，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，或由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[CoPt]n/Ru/[Co/Pt]m,或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m,或Ru/CoFe/PtMn,或Ru/CoFeB/PtMn,或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn,其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同。
图2为本发明一种磁性存储单元和数据写入方法示意图，此处以具有垂直磁各向异性的圆形磁隧道结为例。描述了偏置电压和写入电流可使用的路径以及方向。应当强调的，图2所描述的实施例同样适用于其他具有相等长短轴形状的具有垂直磁各向异性的磁隧道结，例如正方形磁隧道结。
写入方法分三步进行：第一步，在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极8施加一个偏置电压Vb(此处指代一个正向偏置电压V1)，所产生的电压调控磁各向异性效应用于降低具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒；同时在支路W1(即第一底端电极和第二底端电极之间)通入电流，所产生的自旋轨道矩联合反铁磁金属条状薄膜1产生的面内方向的交换偏置场将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层4的磁化状态的不完全翻转或不变。第二步，撤去第一步中的支路W1中的电流，在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极8施加一个偏置电压Vb(此处指代的是一个负向偏置电压V2)，所产生的电压调控磁各向异性效应用于提高具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒，将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层4的磁化状态的完全翻转或不变。第三步，将第二步在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极8施加的一个负向偏置电压V2撤除，具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层4的磁化方向被完全翻转或不变，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的电阻值相应的被改变或不变。写入操作结束。
具体的说，
所述的两个偏置电压(正向偏置电压和负向偏置电压)的值均需小于磁隧道结的击穿电压值。所施加的自旋轨道矩写入电流的大小需大于其阈值。
所述的正向偏置电压可用于降低自旋轨道矩写入电流的阈值；而且，所施加的正向偏置电压值越大，自旋轨道矩写入电流的阈值越小。
所述的交换偏置场由反铁磁金属条状薄膜和第一铁磁金属层界面产生，其方向为面内方向；因此，该数据写入方法无需外磁场辅助。
所述的负向偏置电压值越大，第一铁磁金属层的磁化状态实现完全翻转的可靠性越高。
在实际使用时，写入电流方向取决于待写入的数据信息，将在以下两个实施例(分别见附图3和附图5)中详细阐述。
图3为本发明一种磁性存储单元和数据写入方法实施例示意图，描述具有垂直磁各向异性的磁隧道结的高阻态写入过程。图4-1和图4-2为图3实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图4-1对应当具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为低阻态的情形，图4-2对应当具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为高阻态的情形。
在该例中，从0-t1时间内，写入操作的第一步被执行。在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极8施加一个正向偏置电压V1，V1的电压值要求满足小于VC,所产生的电压调控磁各向异性效应用于降低具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒。同时在第一底端电极2到第二底端电极3之间施加写入电流I1,电流值要求满足I1>IC，且持续时间要大于Dw1。如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为低阻态，写入电流I1产生的自旋轨道矩联合反铁磁金属条状薄膜1产生的面内方向的交换偏置场将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层4的磁化状态的不完全翻转(对应图4-1)。反之，如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态是高阻态，则写入电流I1产生的自旋轨道矩联合反铁磁金属条状薄膜产生的面内方向的交换偏置场将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结的第一铁磁金属层4的磁化状态扰动，但不足以引起磁化状态翻转(对应图4-2)。
从t1-t2时间内，写入操作的第二步被执行。撤去写入电流I1,同时在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极施加一个负向偏置电压V2，V2的电压值要求满足小于VC，所产生的电压调控磁各向异性效应用于提高具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒。如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的初始状态为低阻态，所产生的电压调控磁各向异性效应将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化状态的完全翻转至高阻态(对应图4-1)。反之，如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的初始状态为，所产生的电压调控磁各向异性效应将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化状态逐步恢复至高阻态(对应图4-2)。
在时刻t2之后，写入操作的第三步被执行。撤去在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极8施加的一个负向偏置电压V2。如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9初始状态是低阻态，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化方向被完全翻转，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9被置于高阻态(对应图4-1)。反之，如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9初始状态是高阻态，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化方向不变，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9仍处于高阻态(对应图4-2)。写入操作结束。其中IC，VC和DW1的意义详见上文附图说明。
图5为本发明一种磁性存储单元和数据写入方法实施例示意图，描述具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的低阻态写入过程。图6-1和图6-2为图5实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图6-1对应当具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为低阻态的情形，图6-2对应当具有垂直磁各向异性的磁隧道结初始状态为高阻态的情形。
在该例中，从0-t1时间内，写入操作的第一步被执行。在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极8施加一个正向偏置电压V1，V1的电压值要求满足小于VC,所产生的电压调控磁各向异性效应用于降低具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒。同时在第一底端电极2到第二底端电极3之间施加写入电流I2,电流值要求满足I2>IC，且持续时间要大于Dw2。如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9初始状态为低阻态，则写入电流I1产生的自旋轨道矩联合反铁磁金属条状薄膜1产生的面内方向的交换偏置场将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化状态扰动，但不足以引起状态翻转(对应图6-1)。反之，如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9初始状态是高阻态，则写入电流I2产生的自旋轨道矩联合反铁磁金属条状薄膜1产生的面内方向的交换偏置场将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化状态的不完全翻转(对应图6-2)。
从t1-t2时间内，写入操作的第二步被执行。撤去写入电流I1,同时在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极施加一个反向偏置电压V2，V2的电压值要求满足小于VC，所产生的电压调控磁各向异性效应用于提高具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒。如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的初始状态为低阻态，所产生的电压调控磁各向异性效应将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化状态逐步恢复至低阻态(对应图6-1)。反之，如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的初始状态为高阻态，所产生的电压调控磁各向异性效应将引起具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化状态的完全翻转至低阻态(对应图6-2)。
在时刻t2之后，写入操作的第三步被执行。撤去在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极8施加的一个负向偏置电压V2。如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9初始状态是低阻态，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化方向不变，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9仍处于低阻态(对应图6-1)。反之，如果具有垂直磁各向异性的磁隧道结9初始状态是高阻态，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9的第一铁磁金属层4的磁化方向被完全翻转，具有垂直磁各向异性的磁隧道结9被置于低阻态(对应图6-2)。写入操作结束。其中IC，VC和DW2的意义详见上文附图说明。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (14)
1.一种磁性存储单元，其特征在于：
包括在一条反铁磁金属条状薄膜(1)上制造一个磁隧道结(9)；
所述反铁磁金属条状薄膜(1)的两端分别镀有第一底端电极(2)和第二底端电极(3)；所述磁隧道结(9)从下到上包括第一铁磁金属层(4)，第一氧化物层(5)，第二铁磁金属层(6)，第一合成反铁磁层(7)和顶端电极(8)五层物质构成；
所述磁隧道结(9)具有垂直磁各向异性；
所述磁隧道结(9)至少具有两种电阻状态。
2.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述反铁磁金属条状薄膜(1)的厚度为0-20nm。
3.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述反铁磁金属条状薄膜(1)为长方形，其顶面积大于具有垂直磁各向异性的磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于反铁磁金属条状薄膜的顶面形状之中。
4.根据权利要求1所述的磁性存储单元的磁性存储单元，其特征在于：所述磁隧道结(9)的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述第一铁磁金属层(4)的厚度为0-3nm，第一氧化物层(5)的厚度为0-2nm，第二铁磁金属层(6)的厚度为0-3nm，第一合成反铁磁层(7)的厚度为0-20nm，第一底端电极(2)和第二底端电极(3)的厚度与反铁磁金属条状薄膜(1)厚度相同，顶端电极(8)的厚度为10-200nm。
6.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述反铁磁金属条状薄膜(1)的组分为化合物铱锰IrMn、铂锰PtMn的一种。
7.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述第一底端电极(2)、第二底端电极(3)、顶端电极(8)的材料为钽Ta、铝Al、铜Cu中的一种。
8.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述第一铁磁金属层(4)的材料为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe的一种。
9.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：
所述第一氧化物(5)为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。
10.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：
所述第二铁磁金属层(6)为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe的一种。
11.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：
所述第一合成反铁磁层(7)的材料为如下混合层的一种：
由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pd]n构成混合层，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，或由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层。
12.一种磁性存储单元和数据写入方法，基于权利要求1-11任意一项所述的磁性存储单元，其特征在于：
包括以下步骤：
S1:在磁隧道结的顶端电极施加一个正向偏置电压，所产生的电压调控磁各向异性效应将会降低磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒；同时，在第一底端电极和第二底端电极之间施加一个写入电流，称为自旋轨道矩写入电流，所产生的自旋轨道矩联合交换偏置场将引起磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化状态的不完全翻转或不变；所施加的自旋轨道矩写入电流的方向取决于待写入的数据信息；
S2:将S1中施加的正向偏置电压和自旋轨道矩写入电流撤除；同时，在磁隧道结的顶端电极施加一个负向偏置电压，所产生的电压调控磁各向异性效应将会提高磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒，进而将引起磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化状态的完全翻转或不变，从而保证可靠的数据写入操作；
S3:将S2中施加的负向偏置电压撤除，磁隧道结的第一铁磁金属层的磁化方向被完全翻转或不变，该磁隧道结的电阻值相应地被改变或不变，数据写入操作完成。
13.根据权利要求12所述的一种磁性存储单元和数据写入方法，其特征在于：所述S1中两个偏置电压即正向偏置电压和负向偏置电压的值均需小于磁隧道结的击穿电压值。
14.根据权利要求12所述的一种磁性存储单元和数据写入方法，其特征在于：所述S1中所施加的自旋轨道矩写入电流的大小需大于其阈值。
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