CN112186094B - 磁性随机存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁性随机存储器，所述磁性随机存储器包括：反铁磁层；磁隧道结，设于所述反铁磁层上，包括与所述反铁磁层对应设置的铁磁层；其中，所述磁隧道结的铁磁层具备面内磁各向异性，所述反铁磁层与所述铁磁层间通过退火工艺形成交换偏置场。所述交换偏置场的方向通过自旋轨道矩改变，从而改变所述铁磁层磁矩的方向，实现数据写入。本发明可提高i‑MTJ的热稳定性，减小i‑MTJ的横向尺寸，从而提高磁存储器的存储密度。
Description
技术领域
本发明涉及磁性随机存储技术领域，尤其涉及一种磁性随机存储器。
背景技术
自旋轨道矩磁存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory:SOT-MRAM)具有非易失性、高速低功耗数据写入(写入速度<1ns，写入功耗<～0.1pJ/bit)和高器件耐久性等优点，是有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈的关键技术。SOT-MRAM包括用于存储数据的磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction:MTJ)和用于提供自旋轨道矩(Spin Orbit Torque:SOT)对数据进行写入的SOT底电极层(简称为底电极层)。
MTJ中铁磁层可以是垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy:PMA)或面内磁各向异性(In-plane Magnetic Anisotropy:IMA)。对于面内磁各向异性MTJ(IMA-MTJ:i-MTJ)，铁磁层磁矩在面内方向切换。为了使铁磁层具备足够的热稳定性，需要将MTJ制备成椭圆柱或者长方体，当器件尺寸缩小，i-MTJ会产生严重的边际效应从而影响存储的稳定性，这些因素使得i-MTJ的横向尺寸难以做到50nm以下。另外，i-MTJ的器件制备工艺要求也高于圆柱状的垂直磁各向异性MTJ(PMA-MTJ:p-MTJ)，导致i-MTJ器件制备工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种磁性随机存储器，提高i-MTJ的热稳定性，减小i-MTJ的横向尺寸，从而提高磁存储器的存储密度。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种磁性随机存储器，包括：
反铁磁层；
磁隧道结，设于所述反铁磁层上，包括与所述反铁磁层对应设置的铁磁层；
其中，所述磁隧道结的铁磁层具备面内磁各向异性，所述反铁磁层与所述铁磁层间通过退火工艺形成交换偏置场。
优选的，所述反铁磁层的厚度大于等于与所述铁磁层形成交换偏置场所需的最小厚度。
优选的，所述反铁磁层为底电极层；
当所述底电极层输入不同方向的电流，进而产生不同极化方向的自旋流时，所述反铁磁层与所述铁磁层间形成对应方向的交换偏置场。
优选的，进一步包括底电极层；
所述底电极层设于所述反铁磁层背离所述磁隧道结的一侧；
当所述底电极层输入电流，进而产生不同极化方向的自旋流时，所述反铁磁层与所述铁磁层间形成对应方向的交换偏置场。
优选的，进一步包括设于所述反铁磁层和所述铁磁层间的插入层。
优选的，所述插入层的材料为W、Ta、Hf、Mo和Cr的其中之一。
优选的，所述磁隧道结包括自上而下依次设置的参考层、势垒层和自由层，所述自由层为所述铁磁层。
优选的，所述磁隧道结为圆柱、椭圆柱、正方体或长方体。
本发明通过设置与i-MTJ的铁磁层(自由层)对应的反铁磁层，使反铁磁层与i-MTJ的铁磁层(自由层)形成的反铁磁/铁磁界面产生交换偏置场，为i-MTJ提供热稳定性。因此，本发明的i-MTJ可以制备成圆柱状(或者虽然仍为椭圆柱，但降低了器件的长宽比，AspectRatio:AR)。若为椭圆柱，则AR是椭圆长轴长度与短轴长度之比，若为长方体，则AR是俯视图长方形的长与宽之比。此外，通过反铁磁材料本身(即反铁磁材料作为底电极层)或者与反铁磁相邻的底电极层提供的SOT翻转交换偏置场和自由层磁矩方向，实现数据的无磁场写入，且写入电流有望低于p-MTJ中的SOT写入电流。因此，本发明有望实现高速、高密度、低功耗的数据存储。因此，本发明增强了i-MTJ自由层的热稳定性，降低i-MTJ的AR，使圆柱状i-MTJ的制备成为可能，从而解决了i-MTJ的横向尺寸难以做到50nm以下的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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(a)～图1(d)示出现有技术中SOT-MRAM的器件结构示意图；
图2(a)～图2(d)示出本发明中SOT-MRAM的器件结构示意图；
图3和图4示出本发明中SOT-MRAM磁隧道结自由层的磁滞回线的示意图；
图5(a)和图5(b)示出本发明实施例一中SOT-MRAM的器件结构示意图；
图6(a)和图6(b)示出本发明实施例二中SOT-MRAM的器件结构示意图；
图7(a)和图7(b)示出本发明实施例三中SOT-MRAM的器件结构示意图；
图8(a)和图8(b)示出本发明实施例四中SOT-MRAM的器件结构示意图；
图中的
和⊙分别代表垂直纸面向里方向和垂直纸面向外方向。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，自旋轨道矩磁存储器SOT-MRAM具有非易失性、高速低功耗数据写入和高器件耐久性等优点。SOT-MRAM的核心结构如图1(a)或图1(c)所示，SOT-MRAM主要包括用于存储数据的磁隧道结MTJ和用于提供自旋轨道矩SOT以对数据进行写入的底电极层。其中MTJ的核心结构为由铁磁金属构成的参考层、由氧化物构成的势垒层和由铁磁金属构成的自由层。其中自由层的磁矩方向可以被外界激励改变，从而在易磁化轴的两个方向上切换，而固定层的磁矩方向不易被外界激励改变，从而固定在某一个方向。当自由层与固定层磁矩方向平行时，MTJ呈现低电阻；当自由层与固定层磁矩方向反平行时，MTJ呈现高电阻，这样MTJ的高阻态或低阻态就可以用来分别对应逻辑数据“1”和“0”，以实现相应数据“1”和“0”的存储。
MTJ中自由层可以是垂直磁各向异性PMA或面内磁各向异性IMA。如图1(a)所示，当自由层具备PMA时，自由层磁矩在垂直方向，也就是±z方向切换。由于此时自由层的热稳定性由PMA提供，MTJ可以制备成圆柱状，相应的SOT器件的俯视图如图1(b)所示。当自由层具备IMA时，见图1(c)，自由层磁矩在面内方向，也就是图1(c)的±y方向切换。但此时为了使自由层具备足够的热稳定性，需要将MTJ制备成椭圆柱或者长方体等形状。图1(d)展示了MTJ为椭圆柱时SOT器件的俯视图，自由层磁矩的易磁化轴是椭圆的长轴。为了保证MTJ的热稳定性，椭圆的或者长方形的纵横比AR，需要达到3～4，这使得i-MTJ的横向尺寸难以做到50nm以下。同时，随着器件尺寸的缩小，i-MTJ会产生严重的边际效应从而影响存储的稳定性，另外，i-MTJ的器件制备工艺也高于圆柱状的垂直磁各向异性MTJ(PMA-MTJ:p-MTJ)。由于以上劣势，当前学术界和工业界的研究热点集中在p-MTJ。
但是利用SOT翻转p-MTJ的自由层磁矩方向存在两个显著问题：(1)需要一个面内磁场打破SOT的对称性，实现磁矩的决定性翻转，这一需求严重阻碍了SOT器件的集成和实际应用。虽然目前已经有很多方案来解决此问题，但是往往需要引入新的材料或者额外的操作。利用SOT对i-MTJ进行数据写入，则不需外磁场辅助。(2)该方式的写入电流密度依旧很高。例如，IMEC在2019年IEEE VLSI会议上报道的p-MTJ，在1ns的写入速度下，SOT写入电流密度为126MA·cm-2。作为对比，日本东北大学在2019年IEEE IEDM会议上报道的i-MTJ，在热稳定性达到70的情况下，1ns写入速度下所需SOT电流密度仅为23.6MA·cm-2,不到p-MTJ写入电流密度的1/5。因此，从SOT无磁场翻转和低功耗数据写入的角度看，i-MTJ更具优势。
由此，为了增强i-MTJ自由层的热稳定性，降低i-MTJ的AR，解决i-MTJ的横向尺寸难以做到50nm以下的问题，使圆柱状i-MTJ的制备成为可能，本发明通过设置与i-MTJ的铁磁层(自由层)对应的反铁磁层，使反铁磁层与i-MTJ的铁磁层(自由层)形成的反铁磁/铁磁界面产生交换偏置场，为i-MTJ提供热稳定性。因此，本发明的i-MTJ可以制备成圆柱状(或者虽然仍为椭圆柱，但降低了AR)。此外，通过反铁磁材料本身(即反铁磁材料作为底电极层)或者与反铁磁层相邻的底电极层提供的SOT翻转交换偏置场和自由层磁矩方向，实现数据的无磁场写入，且写入电流有望低于p-MTJ中的SOT写入电流。因此，本发明有望实现高速、高密度、低功耗的数据存储。
基于此，根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种磁性随机存储器。如图2(a)和图2(b)所示，本实施例中，所述磁性随机存储器包括反铁磁层以及设于所述反铁磁层上的磁隧道结，磁隧道结包括与所述反铁磁层对应设置的铁磁层(自由层)。其中，所述磁隧道结的铁磁层具备面内磁各向异性，所述反铁磁层与所述铁磁层间通过退火工艺形成交换偏置场。
需要说明的是，对于图2(a)示出的磁性随机存储器，通过面内退火形成交换偏置场时，其退火方向可以是xoy面内排除±x方向外的任一方向，例如±y方向，如图2(b)所示，本领域技术人员可根据实际情况设置退火方向。
本发明通过设置与i-MTJ的铁磁层(自由层)对应的反铁磁层，使反铁磁层与i-MTJ的铁磁层(自由层)形成的反铁磁/铁磁界面产生交换偏置场，为i-MTJ提供热稳定性。因此，本发明的i-MTJ可以制备成圆柱状(或者虽然仍为椭圆柱，但降低了AR)，此外，通过反铁磁材料本身(即反铁磁材料作为底电极层)或者与反铁磁层相邻的底电极层提供的SOT翻转交换偏置场和自由层磁矩方向，实现数据的无磁场写入，且写入电流有望低于p-MTJ中的SOT写入电流。因此，本发明有望实现高速、高密度、低功耗的数据存储。因此，本发明增强了i-MTJ自由层的热稳定性，降低i-MTJ的AR，使圆柱状i-MTJ的制备成为可能，从而解决了i-MTJ的横向尺寸难以做到50nm以下的问题，从而可减小i-MTJ的横向尺寸，提高磁存储器的存储密度。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结包括自上而下依次设置的参考层、势垒层和自由层，所述自由层为所述铁磁层。其中，参考层的磁矩方向固定，而自由层的磁矩方向会在偏置交换场的作用下变化，控制偏置交换场的方向可以改变自由层的磁矩方向，从而使自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向相同或相反，使磁隧道结的阻态为低阻态或高阻态。
在优选的实施方式中，所述反铁磁层的厚度大于等于与所述铁磁层形成交换偏置场所需的最小厚度。具体的，可以理解的是，反铁磁层的厚度大于等于提供交换偏置场的最小厚度(临界厚度)时，当无外加磁场等影响条件，交换偏置场使所述铁磁层的磁矩方向保持在一个稳定的方向。而通过在底电极层中输入不同方向的电流，改变交换偏置场的方向，从而使铁磁层的磁滞回线变为如图3或图4所示，则使所述铁磁层的磁矩方向保持在B点或者A点，即磁矩相反的两个方向。此时，只有当外界扰动超过交换偏置场HEB，才有可能使铁磁层的磁矩方向发生变化，造成信息丢失。从而，本发明中磁性随机存储器的热稳定性由交换偏置场决定，增强交换偏置场的大小，可提高磁性随机存储器的热稳定性，则圆柱体(或者虽然仍为椭圆柱，但降低了AR)的磁隧道结也具有较强的热稳定性，信息不易丢失，结合i-MTJ无磁场高速低功耗数据写入的优点，本发明有望实现高速、高密度、低功耗的数据存储。磁隧道结无需必须做成椭圆柱，使圆柱状i-MTJ的制备成为可能，也解决了i-MTJ的横向尺寸难以做到50nm以下的问题。
由于磁性随机存储器的热稳定性由交换偏置场的磁场强度决定，优选的，反铁磁层与所述铁磁层形成的交换偏置场HEB大于形成的矫顽场HC的大小，从而可进一步保证在无扰动状态下，所述铁磁层的整个磁滞回线完全位于H>0一侧或者H<0一侧，提高所述铁磁层的抗干扰性。
在一个可选的实施方式中，所述反铁磁层为底电极层。当所述底电极层输入不同方向的电流时，所述反铁磁层与所述铁磁层间通过退火工艺形成对应方向的交换偏置场。
可以理解的是，反铁磁层可以作为底电极层，通过向反铁磁层输入SOT电流，控制SOT电流的不同方向可以向磁隧道结提供不同方向的交换偏置场，从而使所述铁磁层的磁矩方向保持在不同的方向，从而实现了数据的写入。但当磁矩保持在某一个方向时，相应的交换偏置场都能保证i-MTJ的热稳定性。
在另一个可选的实施方式中，所述反铁磁层不作为底电极层，磁性随机存储器进一步包括底电极层，如图2(c)和图2(d)所示。所述底电极层设于所述反铁磁层背离所述磁隧道结的一侧，当所述底电极层输入不同方向的电流，进而产生不同极化方向的自旋流时，所述反铁磁层与所述铁磁层间形成对应方向的交换偏置场。优选的，底电极层的厚度的选择范围为1～100nm。
可以理解的是，所述反铁磁层可以不作为底电极层，从而磁性随机存储器还可包括底电极层，通过向底电极层输入电流控制产生的自旋流的极化方向，可以向磁隧道结的自由层(铁磁层)提供不同方向的交换偏置场，从而使铁磁层的磁矩方向保持在不同的方向，实现了数据的写入。但当磁矩保持在某一个方向时，相应的交换偏置场都能保证i-MTJ的热稳定性。
在优选的实施方式中，磁性随机存储器进一步包括设于所述反铁磁层和所述铁磁层间的插入层，如图2(a)和图2(c)所示。可以理解的是，在铁磁层和反铁磁层间可以插入一层极薄的插入层，可以增强自由层的界面各向异性(但自由层仍然是面内各向异性的)，降低SOT翻转电流密度，抑制反铁磁的元素扩散。其中，所述插入层的厚度需要设置为极薄，优选的，其厚度在0～1nm。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结为圆柱、椭圆柱、正方体或长方体等形状的其中之一。可以理解的是，本发明的反铁磁层和作为自由层的铁磁层界面形成交换偏置场，使磁隧道结自由层的热稳定性增强，从而使得i-MTJ可以采用圆柱的形状从而进一步降低i-MTJ的横向尺寸，提高磁存储器的存储密度当然，磁隧道结也可以采用椭圆柱、正方体或长方体等其他形状，本发明对此并不作限定。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结自由层的材料可以选用CoFeB合金，例如可选用Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20等常用元素配比的CoFeB合金；也可以选用CoFe合金，例如Co25Fe75或者Co75Fe25等常用元素配比的CoFe合金；也可以是CoFeB合金和CoFe合金的组合，例如1.9nm的磁隧道结自由层由0.3nm的CoFe合金和1.6nm的CoFeB合金组成。在实际应用中，对合金中各个元素的配比含量不作限定，对不同合金组合中每一种合金的配比厚度也不做限定，可根据实际情况灵活确定，材料也并不限于以上列举的材料，采用可实现自由层功能的材料形成磁性随机存储器的技术方案也应当在本发明的保护范围内。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结势垒层的材料可以选用金属氧化物，例如氧化镁和氧化铝。在实际应用中，对势垒层的材料不作限定，可根据实际情况灵活确定，材料也并不限于以上列举的材料，采用可实现势垒层功能的材料形成磁性随机存储器的技术方案也应当在本发明的保护范围内。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结固定层的材料可以选用CoFeB合金，例如可选用Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20等常用元素配比的CoFeB合金；也可以选用CoFe合金，例如Co25Fe75或者Co75Fe25等常用元素配比的CoFe合金；也可以是CoFeB合金和CoFe合金的组合，例如1.9nm的磁隧道结自由层由0.3nm的CoFe合金和1.6nm的CoFeB合金组成。在实际应用中，对合金中各个元素的配比含量不作限定，对不同合金组合中每一种合金的配比厚度也不做限定，可根据实际情况灵活确定，材料也并不限于以上列举的材料，采用可实现自由层功能的材料形成磁性随机存储器的技术方案也应当在本发明的保护范围内。更优选的，磁性随机存储器进一步包括形成在所述固定层上方的合成反铁磁或反铁磁材料，从而可通过合成反铁磁或反铁磁材料对固定层磁矩方向进行固定，使固定层的磁矩方向保持不变。
在优选的实施方式中，反铁磁层的材料可以选用IrMn、FeMn、PtMn和GdFeCo等材料中的至少之一，在实际应用中，各个材料中各个元素的配比含量不作限定，例如反铁磁IrMn可以为IrMn或IrMn3等配比，材料配比可根据实际情况灵活确定，材料也并不限于以上列举的材料，采用可实现反铁磁层功能的材料形成磁性随机存储器的技术方案也应当在本发明的保护范围内。
在优选的实施方式中，插入层的材料可以选用W、Ta、Hf、Mo和Cr等材料中的至少之一，在实际应用中，插入层的材料也并不限于以上列举的材料，采用可实现插入层功能的材料形成磁性随机存储器的技术方案也应当在本发明的保护范围内。
在优选的实施方式中，当磁性随机存储器进一步包括底电极层时，底电极层的材料可以选用W、Pt、Ta和Ir等重金属材料、FePt、CoFe和Co等铁磁材料、[Pt/Hf]n和[Pt/Co]n(n为基本膜层机构重复次数，n≥1)等多层膜材料、PtxAu1-x和AuxTa1-x等合金材料、BixSe1-x、BixTe1-x、BixSb1-x、WxTe1-x和MoxTe1-x等拓扑材料，其中x为元素配比，取值范围是0～1。
下面通过几个具体例子来对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图5(a)和图5(b)所示，该具体例子中，面内磁各向异性自旋轨道矩器件由8nm的IrMn底电极层、0.5nm W的插入层和核心结构为Co20Fe60B20/MgO/Co20Fe60B20的i-MTJ构成。通过+y或者-y方向的面内磁场退火，自由层磁矩的易磁化方向为±y方向，磁隧道结的形状为圆柱形。通过在IrMn中通入电流可翻转交换偏置场和自由层磁矩方向。
实施例二
如图6(a)和图6(b)所示，该具体例子中，面内磁各向异性自旋轨道矩器件由6nmIrMn3底电极层和核心结构为Co20Fe60B20/MgO/Co20Fe60B20的i-MTJ构成。面内磁场退火方向与+x或-x方向夹45°角，自由层磁矩的易磁化方向为与+x轴夹45°或135°的方向，磁隧道结的形状为圆柱形。通过在IrMn3中通入电流可翻转交换偏置场和自由层磁矩方向。
实施例三
如图7(a)和图7(b)所示，该具体例子中，面内磁各向异性自旋轨道矩器件由8nmPtMn底电极层、0.4nm的Hf插入层和核心结构为Co20Fe60B20/MgO/Co20Fe60B20的i-MTJ构成。通过+y或者-y方向的面内磁场退火，自由层磁矩的易磁化方向为±y方向。在反铁磁/铁磁界面形成的交换偏置场加强了自由层的热稳定性，因而降低了i-MTJ对AR的需求。磁隧道结的形状为椭圆柱形，但是AR只是略大于1。通过在PtMn中通入电流可翻转交换偏置场和自由层磁矩方向。
实施例四
如图8(a)和图8(b)所示，该具体例子中，面内磁各向异性自旋轨道矩器件由5nm的W底电极层、6nm的IrMn层、0.3nm的Mo插入层和核心结构为Co20Fe60B20/MgO/Co20Fe60B20的i-MTJ构成。面内磁场退火方向与+x或-x方向夹45°角，自由层磁矩的易磁化方向为与+x轴夹45°或135°的方向，磁隧道结的形状为圆柱形。通过在金属W中通入电流翻转交换偏置场和自由层磁矩方向。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括：
反铁磁层；
磁隧道结，设于所述反铁磁层上，包括与所述反铁磁层对应设置的铁磁层；
其中，所述磁隧道结的铁磁层具备面内磁各向异性，所述反铁磁层与所述铁磁层间通过退火工艺形成交换偏置场；
所述反铁磁层为底电极层或者进一步包括设于所述反铁磁层背离所述磁隧道结的一侧的底电极层；
当所述底电极层输入不同方向的电流，进而产生不同极化方向的自旋流时，所述反铁磁层与所述铁磁层间形成对应方向的交换偏置场。
2.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述反铁磁层的厚度大于等于与所述铁磁层形成交换偏置场所需的最小厚度。
3.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，进一步包括设于所述反铁磁层和所述铁磁层间的插入层。
4.根据权利要求3所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述插入层的材料为W、Ta、Hf、Mo和Cr的其中之一。
5.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述磁隧道结包括自上而下依次设置的参考层、势垒层和自由层，所述自由层为所述铁磁层。
6.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述磁隧道结为圆柱、椭圆柱、正方体或长方体。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1934652A (zh) * | 2004-02-13 | 2007-03-21 | 弘世科技公司 | 用于提供利用自旋转移的磁性元件的热辅助切换的方法和系统 |
| CN110061127A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-07-26 | 中国科学院微电子研究所 | 磁隧道结的形成方法及磁阻式随机存储器 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1934652A (zh) * | 2004-02-13 | 2007-03-21 | 弘世科技公司 | 用于提供利用自旋转移的磁性元件的热辅助切换的方法和系统 |
| CN111370571A (zh) * | 2018-12-26 | 2020-07-03 | 中电海康集团有限公司 | 磁存储单元及sot-mram存储器 |
| CN110061127A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-07-26 | 中国科学院微电子研究所 | 磁隧道结的形成方法及磁阻式随机存储器 |
| CN111244266A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-05 | 北京航空航天大学 | 磁存储器 |
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