CN112201747A - 磁性存储器结构、读写方法及电子设备 - Google Patents

磁性存储器结构、读写方法及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁性存储器结构、读写方法及电子设备，属于存储器设计及制造领域，磁性存储器结构包括：自旋轨道转矩层，自旋轨道转矩层的两端分别连接写选择线及地线；第一自由磁层，位于自旋轨道转矩层上；隧穿层，位于第一自由磁层上；第二自由磁层，位于隧穿层上，第二自由磁层连接读选择线，第二自由磁层的面积小于第一自由磁层的面积。本发明的磁性存储器结构具有快速、节能的特点，同时可实现多层单元(MLC)及多位存储，具有高密度和低成本的优点。

Description

磁性存储器结构、读写方法及电子设备
技术领域
本发明属于存储器设计及制造领域，特别是涉及一种磁性存储器结构、读写方法及电子设备。
背景技术
随着半导体工艺特征尺寸的持续减小，由晶体管漏电流所引起的静态功耗在集成电路总功耗中所占的比例日益增大，引起严重的功耗浪费。新兴的非易失性存储器能够在断电状态下保存数据，是解决集成电路静态功耗问题的有效方案之一。
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器，它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。磁性随机访问存储器因其具有高速、低功耗和无限擦写等优势而有望成为下一代通用非易失性存储器。
磁性随机存取存储器是一种基于磁性隧穿结(Magnetic Tunnel Junction，简称MTJ)的自旋电子器件，隧穿结的基本结构是两层铁磁性薄膜中间夹以一层氧化层，即隧穿层(tunneling barrier)，例如氧化镁(MgO)。有一层磁性薄膜的自旋磁矩是被固定住的，叫固定层(pinned layer)；另一层则是可以翻转的，用来存储信息，叫自由层(free layer)或存储层(storage layer)。改变磁性隧穿结一端的自由层的铁磁材料磁矩方向可改变不同自旋方向的电子的隧穿几率，从而改变磁性隧穿结的整体电阻，并以此实现数据的存储。这种MARM器件需要通过磁场实现数据写入，所需的写入电流较高，更严重的问题是，随着器件尺寸的减小，磁场写入技术所需的电流值无法降低，制约着大容量低功耗MRAM的研制。
为克服MARM器件的上述缺点，自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)技术被提出并应用于MRAM的数据写入操作。STT-MRAM利用电子自身的自旋矩来改变磁性隧穿结中自由层的磁矩方向，然而，该方式存在多种难以克服的技术瓶颈。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁性存储器结构、读写方法及电子设备，用于解决现有技术中磁性存储器集成密度低、需要较大写操作电流等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种磁性存储器结构，所述磁性存储器结构包括：自旋轨道转矩层，所述自旋轨道转矩层的两端分别连接写选择线及地线；第一自由磁层，位于所述自旋轨道转矩层上；隧穿层，位于所述第一自由磁层上；第二自由磁层，位于所述隧穿层上，所述第二自由磁层连接读选择线。
可选地，所述第二自由磁层的面积小于所述第一自由磁层的面积。
可选地，所述第二自由磁层的面积为所述第一自由磁层的面积的八分之一至二分之一。
可选地，所述自旋轨道转矩层包括重金属层，所述重金属层包括铂及钽中的一种。
可选地，所述第一自由磁层包括CoFe、CoFeB、FeB及钴镍合金中的一种，所述第二自由磁层包括CoFe、CoFeB、FeB及钴镍合金中的一种。
可选地，所述隧穿层包括氧化物、氮化物及氮氧化物中的一种。
可选地，所述第二自由磁层的状态包括无磁矩翻转或全部磁矩翻转，所述第一自由磁层的状态包括无磁矩翻转、部分磁矩翻转或全部磁矩翻转。
可选地，所述磁性存储器结构包括以下状态：
所述第二自由磁层无磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层部分磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层全部磁矩翻转。
本发明还提供一种磁性存储器结构的写入方法，所述写入方法通过控制所述写选择线的电压，控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述磁性存储器结构的磁矩状态。
可选地，通过控制所述写选择线的电压，将所述磁性存储器结构的磁矩状态设置为：
所述第二自由磁层无磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层部分磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层全部磁矩翻转。
本发明还提供一种的磁性存储器结构的读取方法，所述读取方法通过控制所述读选择线的电压，读取流经所述磁性存储器结构的电流以读取所述磁性存储器结构的磁矩状态。
本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括如上任意一项所述的磁性存储器结构。
如上所述，本发明的磁性存储器结构、读写方法及电子设备，具有以下有益效果：
本发明的磁性存储器结构具有两个独立转换的自由磁层，可实现两位存储，同时，与自旋轨道转矩层较远的第二自由磁层的设置为较小的面积，可以使其磁矩较易翻转，并随电压增加逐渐带动其下方面积较大的第一自由磁层实现部分翻转或全部翻转。
本发明具有快速的读取速度(>1GHz)和需要较低的写操作能量(<0.1pJ/bit)，有效提高磁性存储器结构的读写速度并降低能耗。
本发明的磁性存储器结构具有快速、节能的特点，同时可实现多层单元(MLC)及多位存储，具有高密度和低成本的优点。
附图说明
图1显示为本发明实施例的磁性存储器结构的结构示意图。
图2显示为本发明实施例的磁性存储器结构的第一种磁矩状态下的结构示意图。
图3显示为本发明实施例的磁性存储器结构的第二种磁矩状态下的结构示意图。
图4显示为本发明实施例的磁性存储器结构的第三种磁矩状态下的结构示意图。
图5显示为本发明实施例的磁性存储器结构的第四种磁矩状态下的结构示意图。
图6显示为本发明实施例的磁性存储器结构的写入方法及读出方法的架构示意图。
元件标号说明
101 自旋轨道转矩层
102 第一自由磁层
103 隧穿层
104 第二自由磁层
10 第一磁矩状态
20 第二磁矩状态
30 第三磁矩状态
40 第四磁矩状态
Write select Line 写选择线
Read select Line 读选择线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
STT-MRAM利用电子自身的自旋矩来改变磁性隧穿结中自由层的磁矩方向，然而，该方式存在多种难以克服的技术瓶颈。1)其读写电路需占用大量面积，导致实际的MARM器件的集成密度降低；2)在写入初始阶段，由于磁性薄膜材料的阻尼特性，微弱的自旋转移矩不足以改变自由层的自旋方向，导致初始延迟，限制了写入速度，难以满足高速缓存要求。另外，写操作时大量电流(如大于30mA)需要直接穿过磁性隧穿结，造成隧穿层的老化，影响器件的使用寿命。3)每个单元位能实现的磁存储数据位有限。
基于以上所述，如图1～图5所示，本实施例提供一种磁性存储器结构(SOT-MRAM)，所述磁性存储器结构包括：自旋轨道转矩层101，所述自旋轨道转矩层101的两端分别连接写选择线(Write select Line)及地线；第一自由磁层102，位于所述自旋轨道转矩层101上；隧穿层103，位于所述第一自由磁层102上；第二自由磁层104，位于所述隧穿层103上，所述第二自由磁层104连接读选择线(Read select Line)，所述第二自由磁层104的面积小于所述第一自由磁层102的面积。
所述自旋轨道转矩层101包括重金属层，所述重金属层包括铂(Pt)及钽(Ta)中的一种，当然，也可以选用其他的重金属材料，如钨(W)等。
所述第一自由磁层102包括CoFe、CoFeB、FeB及钴镍合金中的一种。在本实施例中，所述第一自由磁层102选用为CoFeB。
所述隧穿层103包括氧化物、氮化物及氮氧化物中的一种。例如，所述隧穿层103的材料可以为Al2O3,MgO等氧化物。
所述第二自由磁层104包括CoFe、CoFeB、FeB及钴镍合金中的一种。在本实施例中，所述第一自由磁层102选用为CoFeB。所述第二自由磁层104上具有顶电极，所述顶电极层的材质可以为W、Ta、TaN及TiN中一种或多种组成的合金或叠层结构。
所述第二自由磁层104的面积可以选择为大于、小于或等于所述第一自由磁层102的面积。在本实施例中，所述第二自由磁层104的面积小于所述第一自由磁层102的面积，可以使所述第二自由磁层104的磁矩在较低的电压下比较容易翻转，并随电压增加逐渐带动其下方面积较大的第一自由磁层102实现部分翻转或全部翻转，从而实现多层存储。例如，所述第二自由磁层104的面积为所述第一自由磁层102的面积的八分之一至二分之一。在本实施例中，所述第二自由磁层104的中心与所述第一自由磁层102的中心对准，且所述第二自由磁层104的半径为所述第一自由磁层102的半径的二分之一，所述第二自由磁层104的面积为所述第一自由磁层102的面积的四分之一。该面积设计一方面能保证所述第二自由磁层的磁矩容易翻转，另一方面可以保证第二自由磁层磁矩翻转时对阻值变化有较大的影响，以利于磁性存储器结构的分辨读出。
所述第一自由磁层102与所述第二自由磁层104的磁矩通过流经自旋轨道转矩层101的自旋极化电流产生的旋转轨道隧道(SOT)可以实现翻转。由于第二自由磁层104的尺寸比较小，使得第二自由磁层104的磁矩比第一自由磁层102更容易翻转(需要的自旋极化电流比较小)，所以当信号电压增大时，第二自由磁层104的磁矩会首先发生翻转。当信号电压继续增大时，由于第二自由磁层104和第一自由磁层102之间的耦合作用，已经发生了翻转的第二自由磁层104会带动第一自由磁层102处在第二自由磁层104正下方的一小块区域的磁矩随之翻转，信号电压继续增大到一定程度时，即可使第二自由磁层104的整个的磁矩都翻转过来。
在本实施例中，所述第二自由磁层104的状态包括无磁矩翻转或全部磁矩翻转，所述第一自由磁层102的状态包括无磁矩翻转、部分磁矩翻转或全部磁矩翻转。
如图2～图5所示，所述磁性存储器结构包括以下状态：
如图2所示，所述第二自由磁层104无磁矩翻转，且所述第一自由磁层102无磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第一磁矩状态10；或
如图3所示，所述第二自由磁层104全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层102无磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第二磁矩状态20；或
如图4所示，所述第二自由磁层104全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层102部分磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第三磁矩状态30；或
如图5所示，所述第二自由磁层104全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层102全部磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第四磁矩状态40。
具体地，当所述第一自由磁层102与所述第二自由磁层104的磁矩方向完全相同时，所述磁性存储器结构具有低阻态，随着所述第一自由磁层102与所述第二自由磁层104的磁矩方向逐渐变化为部分不同，此时所述磁性存储器结构的阻值逐渐增大，当所述第一自由磁层102与所述第二自由磁层104的磁矩方向完全相反时，所述磁性存储器结构具有高阻态，可以通过控制写选择线的电压，对所述磁性存储器结构造成不同程度的磁矩翻转，从而实现实现不同的存储位；根据所述磁性存储器结构的阻值不同，读出流经不同阻值状态的磁性存储器结构，可以判读出磁性存储器结构的状态，从而实现对所述磁性存储器结构的读出。
如图6所示，本实施例还提供一种磁性存储器结构的写入方法，所述写入方法通过控制所述写选择线的电压，控制流经所述自旋轨道转矩层101的电流以设置所述磁性存储器结构的磁矩状态。
所述第一自由磁层102与所述第二自由磁层104的磁矩通过流经自旋轨道转矩层101的自旋极化电流产生的旋转轨道隧道(SOT)可以实现翻转。由于第二自由磁层104的尺寸比较小，使得第二自由磁层104的磁矩比第一自由磁层102更容易翻转(需要的自旋极化电流比较小)，所以当信号电压增大时，第二自由磁层104的磁矩会首先发生翻转。当信号电压继续增大时，由于第二自由磁层104和第一自由磁层102之间的耦合作用，已经发生了翻转的第二自由磁层104会带动第一自由磁层102处在第二自由磁层104正下方的一小块区域的磁矩随之翻转，信号电压继续增大到一定程度时，即可使第二自由磁层104的整个的磁矩都翻转过来。
具体地，通过控制所述写选择线的电压，将所述磁性存储器结构的磁矩状态设置为：
所述第二自由磁层104无磁矩翻转，且所述第一自由磁层102无磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第一磁矩状态10，此时为对所述磁性存储器结构写入两位存储位“11”；或
所述第二自由磁层104全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层102无磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第二磁矩状态20，此时为对所述磁性存储器结构写入两位存储位“10”；或
所述第二自由磁层104全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层102部分磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第三磁矩状态30，此时为对所述磁性存储器结构写入两位存储位“01”；或
所述第二自由磁层104全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层102全部磁矩翻转，此时磁性存储器结构为第四磁矩状态40，此时为对所述磁性存储器结构写入两位存储位“00”。
本实施例提供一种的磁性存储器结构的读取方法，所述读取方法通过控制所述读选择线的电压，读取流经所述磁性存储器结构的电流以读取所述磁性存储器结构的磁矩状态。具体地，通过所述读选择线向所述磁性存储器结构注入一输入电流，通过读取流经所述磁性存储器结构的输出电流的大小以判断此时该磁性存储器结构的阻值状态为高阻态还是低阻态，从而对上述写入的种状态表示的存储位“11”、“10”、“01”或“00”进行读出。
本实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括如上任意一项所述的磁性存储器结构。
例如，所述电子设备包括移动通讯设备、平板电脑、计算机、音乐播放器及视频播放器中的一种。
如上所述，本发明的磁性存储器结构、读写方法及电子设备，具有以下有益效果：
本发明的磁性存储器结构具有两个独立转换的自由磁层，可实现两位存储，同时，与自旋轨道转矩层较远的第二自由磁层的设置为较小的面积，可以使其磁矩较易翻转，并随电压增加逐渐带动其下方面积较大的第一自由磁层实现部分翻转或全部翻转。
本发明具有快速的读取速度(>1GHz)和需要较低的写操作能量(<0.1pJ/bit)，有效提高磁性存储器结构的读写速度并降低能耗。
本发明的新型磁性存储器结构具有快速、节能的特点，同时可实现多层单元(MLC)及多位存储，具有高密度和低成本的优点。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种磁性存储器结构，其特征在于，所述磁性存储器结构包括：
自旋轨道转矩层，所述自旋轨道转矩层的两端分别连接写选择线及地线；
第一自由磁层，位于所述自旋轨道转矩层上；
隧穿层，位于所述第一自由磁层上；
第二自由磁层，位于所述隧穿层上，所述第二自由磁层连接读选择线。
2.根据权利要求1所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述第二自由磁层的面积小于所述第一自由磁层的面积。
3.根据权利要求2所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述第二自由磁层的面积为所述第一自由磁层的面积的八分之一至二分之一。
4.根据权利要求1所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述自旋轨道转矩层包括重金属层，所述重金属层包括铂及钽中的一种。
5.根据权利要求1所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述第一自由磁层包括CoFe、CoFeB、FeB及钴镍合金中的一种，所述第二自由磁层包括CoFe、CoFeB、FeB及钴镍合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述隧穿层包括氧化物、氮化物及氮氧化物中的一种。
7.根据权利要求1所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述第二自由磁层的状态包括无磁矩翻转或全部磁矩翻转，所述第一自由磁层的状态包括无磁矩翻转、部分磁矩翻转或全部磁矩翻转。
8.根据权利要求7所述的磁性存储器结构，其特征在于：所述磁性存储器结构包括以下状态：
所述第二自由磁层无磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层部分磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层全部磁矩翻转。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述的磁性存储器结构的写入方法，其特征在于：通过控制所述写选择线的电压，控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述磁性存储器结构的磁矩状态。
10.根据权利要求9所述的磁性存储器结构，其特征在于：通过控制所述写选择线的电压，将所述磁性存储器结构的磁矩状态设置为：
所述第二自由磁层无磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层无磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层部分磁矩翻转；或
所述第二自由磁层全部磁矩翻转，且所述第一自由磁层全部磁矩翻转。
11.一种如权利要求1～8任意一项所述的磁性存储器结构的读取方法，其特征在于：通过控制所述读选择线的电压，读取流经所述磁性存储器结构的电流以读取所述磁性存储器结构的磁矩状态。
12.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1～8任意一项所述的磁性存储器结构。
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李尚坤: ""自旋轨道矩的调控及磁畴翻转过程研究"", 《中国博士学位论文全文数据库》 *
王天宇 等: ""自旋轨道转矩"", 《物理》 *

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