CN114005474A - 存储单元、存储器以及数据写入方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种存储单元、存储器以及数据写入方法，所述存储单元包括：自旋轨道矩提供线；至少两个尺寸不同的存储结构，所述存储结构位于所述自旋轨道矩提供线上，进行写操作时，每一所述存储结构具有不同的写电流。本申请在条自旋轨道矩提供线上设置至少两个尺寸不同的存储结构，进行写操作时，每一所述存储结构具有不同的写电流，可以通过控制电流来得到不同的存储结构组合状态，并将存储结构的状态改变成写入态对应的状态，能够大幅度提高SOT‑MRAM的存储量和单位面积上的存储密度。

Description

存储单元、存储器以及数据写入方法
技术领域
本申请涉及存储器技术领域，尤其涉及一种存储单元、存储器以及数据写入方法。
背景技术
自旋轨道力矩磁性随机存储器(Spin Orbit Torque Magnetic Random AccessMemory，简称SOT-MRAM)作为新型的存储器，写入速度快，可以达到亚纳秒写入速度。写电流密度低，可以比基于自旋转移力矩的二端器件低2个数量级。此外，SOT-MRAM的读写分离，读信息基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJ)的隧道磁电阻TMR。
SOT-MRAM的信息写入基于自旋轨道矩(包括但不限于自旋霍尔效应，Rashba效应)，只需在自由层底部的一条写入线中通过电流即可。SOT-MRAM的写电流不经过MTJ，不会导致MTJ的耐久性问题。但是正因为其读写分离，因此至少需要两个晶体管，使得其相比自旋转移力矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory，简称STT-MRAM)，单位面积上的存储密度将会大大的降低，且现有的SOT-MRAM，一个存储单元只记录2个比特信息。
发明内容
本申请解决的技术问题是现有的SOT-MRAM单位面积上的存储密度较低、存储量较小。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种存储单元，包括：自旋轨道矩提供线；至少两个尺寸不同的存储结构，所述存储结构位于所述自旋轨道矩提供线上，进行写操作时，每一所述存储结构具有不同的写电流。
在本申请的一些实施例中，每一所述存储结构底部的自旋轨道矩提供线的宽度相同。
在本申请的一些实施例中，所述自旋轨道矩提供线的一端与MOS管的漏极电连接，另一端与源线电连接，且每一所述存储结构通过单向选择器电连接至不同位线。
在本申请的一些实施例中，所述自旋轨道矩提供线的材料包括非磁重金属材料、拓扑绝缘体材料与反铁磁导体材料中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，所述非磁重金属材料包括Pt、Ta、W、Ru、Ir、Ti、Bi的至少一种，所述拓扑绝缘体材料包括Bi、Te、Se中的至少两种，所述反铁磁导体材料包括Pt、Mn、Ir中的至少两种。
在本申请的一些实施例中，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层及参考层，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向平行。
在本申请的一些实施例中，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述写电流的方向之间的夹角大于或等于60°，或者小于或等于30°。
在本申请的一些实施例中，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层及参考层，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向垂直。
在本申请的一些实施例中，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层、参考层、非磁性金属层和磁化层，所述自由层的和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向垂直，所述磁化层提供与所述自旋轨道矩提供线的长度方向平行的磁场。
在本申请的一些实施例中，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层、参考层、非磁性金属层和磁化层，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向平行，所述磁化层提供与所述自旋轨道矩提供线的长度方向垂直的磁场。
为解决上述技术问题，本申请还提供一种存储器，包括存储单元，所述存储单元为上述的任一项所述的存储单元。
为解决上述技术问题，本申请还提供上述任一项的存储单元的数据写入方法，依据写入态对应的各存储结构的状态，建立写电流施加顺序，通过一次或多次施加大小或方向不同的写电流，将存储结构的状态改变为写入态对应的状态。
与现有技术相比，本申请技术方案具有如下有益效果：
本申请技术方案的存储单元包括自旋轨道矩提供线和至少两个存储结构，由于各存储结构的尺寸不同，因此各存储结构写电流的阈值也不同，因而可以通过电流控制来得到不同的存储结构的组合状态，每个组合状态对应一个数据存储状态；同时设置至少两个存储结构，使存储单元写入的信息量显著提高；同时，所述存储单元的写入过程无需经过存储结构，因而有更快的写入速度、不存在例如MTJ击穿问题，可擦写次数较高。
附图说明
以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
图1为一种SOT-MRAM存储单元的电路结构示意图；
图2为本申请实施例的SOT-MRAM存储单元的电路结构示意图；
图3至图6为本申请实施例中不同存储结构的结构示意图。
具体实施方式
以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
参考图1，一种SOT-MRAM的存储单元，包括一个自旋轨道矩提供线100和一个存储结构110，所述存储结构110位于所述自旋轨道矩提供线100上，所述存储结构110为MTJ结构，所述存储单元中还包括两个晶体管，分别用于控制读和写。读操作时，打开RWL上的晶体管，电流通过MTJ 110。写操作时，打开WWL上的晶体管，电流通过自旋轨道矩提供线100，图中SL为源线，BL为位线，WWL为写字线，RWL为读字线，WBL为写位线，RBL为读位线。由于现有的SOT-MRAM为实现读写分离，因此至少需要两个晶体管，使得较STT-MRAM单位面积上的存储密度会大大降低，且现有的SOT-MRAM，一个存储单元只能记录2个比特信息，记录的信息量较少。
基于此，本申请技术方案的存储单元通过在自旋轨道矩提供线上设置至少两个尺寸不同的存储结构，且进行写操作时，每一所述存储结构具有不同的写电流，可以通过控制电流来得到不同的存储结构组合状态，并将存储结构的状态改变成写入态对应的状态。
下面结合实施例和附图对本申请技术方案进行详细说明。
参考图2，本申请实施例提供一种存储单元，具体可以是基于自旋轨道矩的MRAM存储单元所述存储单元包括：自旋轨道矩提供线200和存储结构210，所述存储结构210位于所述自旋轨道矩提供线200上。所述存储结构210的数量至少为两个，且各存储结构210的尺寸均不相同，由于写电流大小正比于存储结构210的面积，因此在进行写操作时，每一所述存储结构210的写电流IP2AP(平行到反平行)和写电流IAP2P(反平行到平行)都不相同，在实际的写操作时，可以设计在写电流Iwrite下，只有IP2AP＜Iwrite或IAP2P＜Iwrite的状态被写入，因而可以通过控制电流来得到不同存储结构210的组合状态，并将各存储结构210的状态改变成写入态对应的状态。假设存储单元的存储结构数量为n，那么所述存储单元可以记录2n个比特信息，大幅度提升了存储的信息量。
所述自旋轨道矩提供线200的一端与MOS管的漏极电连接，另一端与源线(SL)电连接，且每一所述存储结构210通过各自的单向选择器220连接至不同的位线，例如位线BL(1)、BL(2)......BL(n-1)、BL(n)。每个存储结构210所在的电路均是独立的，存储结构210之间不存在串并联的关系。所述单向选择器220相当于一个单向导通开关，用于控制存储单元的读写，存储结构210和单向选择器220为电学串联关系。
由于自旋轨道矩提供线200的宽度大小会影响经过存储结构210下方的电流密度J的大小，从而影响存储结构210的写电流IP2AP(平行到反平行)和写电流IAP2P(反平行到平行)。为了能够高效准确地读取存储单元的数据状态，使存储结构210底部的自旋轨道矩提供线200的宽度均相同。
在一些实施例中，所述自旋轨道矩提供线200的材料包括非磁重金属材料、拓扑绝缘体材料与反铁磁导体材料中的至少一种。其中所述非磁重金属材料可以包括Pt、Ta、W、Ru、Ir、Ti、Bi的至少一种，所述拓扑绝缘体材料可以包括Bi、Te、Se中的至少两种，所述反铁磁导体材料可以包括Pt、Mn、Ir中的至少两种。在一些实施例中，所述自旋轨道矩提供线200的材料为拓扑绝缘体材料，不仅可以更好地保证自由层的磁化方向为预定方向，还能实现超低写电流密度，降低了存储单元的能耗。
参考图3，在一些实施例中，每一所述存储结构210可以为MTJ结构，具有面内各项异性，所述存储结构210包括依次层叠分布的自由层211、隧道层212及参考层213。其中所述自由层211与所述自旋轨道矩提供线200接触，所述隧道层212设置在所述自由层211的远离所述自旋轨道矩提供线200的一侧，所述参考层213设置在所述隧道层212的远离所述自由层211的一侧。通过向所述自旋轨道矩提供线200中输入写入电流Iwrite，使得不同的自由层211实现不同方向的翻转，即磁化方向相反，从而使得不同存储结构210中的自由层211与参考层213的磁化方向的相对位置关系不同，使得不同存储结构210的电阻不同，进而实现数据的写入。
在一些实施例中，所述自由层211的磁化方向和所述参考层213的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线200的长度方向平行，即面内磁化MTJ，如图3。所述自由层211的磁化方向和所述参考层213的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线200的写电流的方向之间的夹角大于或等于60°，或者，所述自由层211的磁化方向和所述参考层213的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线200的写电流的方向之间的夹角小于或等于30°。
参考图4，在一些实施例中，所述自由层211的磁化方向和所述参考层213的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线200的长度方向垂直，即垂直磁化MTJ。
参考图5和图6，为了使自由层211可以向预定方向翻转，还可以在参考层213上设磁化层214。如图5所示，当所述自由层211的磁化方向和所述参考层213的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线200的长度方向垂直时，所述磁化层214提供与所述自旋轨道矩提供线200的长度方向平行的磁场，即自由层211提供水平方向的偏置磁场，实现自旋轨道矩确定性翻转，可以保证自由层211最终磁化方向和写电流方向一一对应。如图6所示，当所述自由层211的磁化方向和所述参考层213的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线200的长度方向平行时，所述磁化层214提供与所述自旋轨道矩提供线200的长度方向垂直的磁场，用于为自由层211提供垂直方向的偏置磁场，实现自旋轨道矩的确定性翻转，可以保证自由层211最终磁化方向和写电流方向一一对应。参考层213和磁化层214之间还可以设置非磁性金属隔离层215，隔离磁化层214与参考层213，防止二者之间的直接磁交换耦合相互作用。
在写操作时，同一MOS管对应的n个尺寸不同的MTJ，其对应的自旋轨道矩提供线区域采用相同的尺寸设计，由于写电流大小正比于MTJ面积，通过MTJ的尺寸变化能很好的控制每个MTJ对应的写电流大小；在读操作时，同一自旋轨道矩提供线上的n个尺寸不同的MTJ，其对应的自旋轨道矩提供线区域采用相同的尺寸设计，可以获得2n个MTJ的电阻信息，依据电阻数值，可以确定当前存储单元的状态，1个自旋轨道矩提供线可以对应2n个不同状态。
在一些实施例中，所述参考层213的材料可以选自Co、Ni、Fe、CoFe、CoNi、NiFe、CoFeNi、CoB、FeB、CoFeB、NiFeB、Pt、Pd、PtPd、FePt、Ir、Ru、Re、Rh、B、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W、Cu、Ag、Au、Al与Hf中的一种或多种。即可以是单独的一种，也可以是几种的合金。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请实施例的参考层213。
所述隧道层212的材料选自镁氧化合物、硅氧化合物、硅氮化合物、铝氧化合物、镁铝氧化合物、钛氧化合物层、钽氧化合物、钙氧化合物与铁氧化合物中的一种或多种。即可以是单独的一种，也可以是几种的混合物。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请实施例的隧道层212。
所述自由层211的材料选自Co、Fe、Ni、Pt、Pd、Ru、Ta、Cu、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB、CoFeNiB、FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoFePt、CoFePd、FePtPd、CoPtPd与CoFePtPd中的一种或多种。即可以是单独的一种，也可以是几种的合金。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请实施例的自由层211。
形成各个层的方法可以是现有技术中的任何一种方法，比如磁控溅射，物理气相沉积或分子束外延沉积，本领域技术人员可以根据实际情况分别选择合适的方法设置各个膜层。
本申请实施例还提供一种存储器，包括存储单元，所述存储单元为上述任一项的存储单元，单位面积上的存储密度较大，且存储量得到大幅度提升。
本申请实施例还提供上述存储单元的数据写入方法，所述写入方法包括：依据写入态对应的各存储结构的状态，建立写电流施加顺序，通过一次或多次施加大小或方向不同的写电流，将存储结构的状态改变为写入态对应的状态。
以下通过单根自旋轨道矩提供线上具有3个尺寸不同的MTJ(MTJ1、MTJ2、MTJ3)为例，说明上述存储单元的数据写入方法。
当写MTJ1时，MTJ2与MTJ3状态均发生变化；当写MTJ2时，MTJ1状态不变，MTJ3状态发生变化；当写MTJ3时，MTJ2与MTJ3状态均不发生变化，写入步骤及对应的状态如表1所示，其中IP2AP<1>、IAP2P<1>为MTJ1的写电流，IP2AP<2>、IAP2P<2>为MTJ2的写电流，IP2AP<3>、IAP2P<3>为MTJ3的写电流。
表1存储结构的写入步骤及其写状态
写状态 步骤1-写最高位 步骤2-写次高位 步骤3-写最低位
000 用I<sub>AP2P&lt;1&gt;</sub>正写
001 用I<sub>AP2P&lt;1&gt;</sub>正写 用I<sub>P2AP&lt;3&gt;</sub>反写
010 用I<sub>AP2P&lt;1&gt;</sub>正写 用I<sub>P2AP&lt;2&gt;</sub>反写 用I<sub>AP2P&lt;3&gt;</sub>正写
011 用I<sub>AP2P&lt;1&gt;</sub>正写 用I<sub>P2AP&lt;2&gt;</sub>反写
100 用I<sub>P2AP&lt;1&gt;</sub>反写 用I<sub>AP2P&lt;2&gt;</sub>正写
101 用I<sub>P2AP&lt;1&gt;</sub>反写 用I<sub>AP2P&lt;2&gt;</sub>正写 用I<sub>P2AP&lt;3&gt;</sub>反写
110 用I<sub>P2AP&lt;1&gt;</sub>反写 用I<sub>AP2P&lt;3&gt;</sub>正写
111 用I<sub>P2AP&lt;1&gt;</sub>反写
以下通过单根自旋轨道矩提供线上具有3个尺寸不同的MTJ(MTJ1、MTJ2、MTJ3)为例，说明上述存储单元的数据读操作。
假定MTJ1、MTJ2、MTJ3的电阻信息如下表2，根据电阻数值，可以确定当前存储单元的状态，1个自旋轨道矩提供线可以对应8个不同状态，如表3所示。
表2三个MTJ的电阻信息
Figure BDA0002605769900000091
Figure BDA0002605769900000101
表3存储单元的读状态
写状态 R MTJ1(kohm) R MTJ2(kohm) R MTJ3(kohm)
000 6 12 24
001 6 12 10
010 6 5 24
011 6 5 10
100 2.5 12 24
101 2.5 12 10
110 2.5 5 24
111 2.5 5 10
本申请技术方案提供的存储单元包括自旋轨道矩提供线和至少两个尺寸不同的存储结构，各存储结构底部的自旋轨道矩提供线的宽度相同，当向自旋轨道矩提供线输入写入电流时，各存储结构的写电流均不相同，在某一写电流Iwrite下，只有Ip2ap或Iap2p＜Iwrite的状态被写入，因而可以通过电流控制来得到不同的存储结构的组合状态，每个组合状态对应一个数据存储状态；同时设置至少两个存储结构，使存储单元写入的信息量显著提高；所述存储单元的写入过程无需经过存储结构，因而有更快的写入速度、不存在例如MTJ击穿问题，可擦写次数较高。
综上所述，在阅读本申请内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本申请的示例性实施例的精神和范围内。
应当理解，本实施例使用的术语″和/或″包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作″连接″或″耦接″至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件″上″时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语″直接地″表示没有中间元件。还应当理解，术语″包含″、″包含着″、″包括″或者″包括着″，在本申请文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本申请的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
此外，本申请说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

Claims (12)

1.一种存储单元，其特征在于，包括：
自旋轨道矩提供线；
至少两个尺寸不同的存储结构，所述存储结构位于所述自旋轨道矩提供线上，进行写操作时，每一所述存储结构具有不同的写电流。
2.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，每一所述存储结构底部的自旋轨道矩提供线的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩提供线的一端与MOS管的漏极电连接，另一端与源线电连接，且每一所述存储结构通过单向选择器电连接至不同位线。
4.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩提供线的材料包括非磁重金属材料、拓扑绝缘体材料与反铁磁导体材料中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的存储单元，其特征在于，所述非磁重金属材料包括Pt、Ta、W、Ru、Ir、Ti、Bi的至少一种，所述拓扑绝缘体材料包括Bi、Te、Se中的至少两种，所述反铁磁导体材料包括Pt、Mn、Ir中的至少两种。
6.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层及参考层，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向平行。
7.根据权利要求6所述的存储单元，其特征在于，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述写电流的方向之间的夹角大于或等于60°，或者小于或等于30°。
8.根据权利要求7所述的存储单元，其特征在于，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层及参考层，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向垂直。
9.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层、参考层、非磁性金属层和磁化层，所述自由层的和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向垂直，所述磁化层提供与所述自旋轨道矩提供线的长度方向平行的磁场。
10.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述存储结构包括依次层叠分布的自由层、隧道层、参考层、非磁性金属层和磁化层，所述自由层和所述参考层的磁化方向均与所述自旋轨道矩提供线的长度方向平行，所述磁化层提供与所述自旋轨道矩提供线的长度方向垂直的磁场。
11.一种存储器，包括存储单元，其特征在于，所述存储单元为权利要求1至10中的任一项所述的存储单元。
12.一种权利要求1至10中的任一项所述的存储单元的数据写入方法，其特征在于，依据写入态对应的各存储结构的状态，建立写电流施加顺序，通过一次或多次施加大小或方向不同的写电流，将存储结构的状态改变为写入态对应的状态。
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