CN116250040A - 一种存储器及电子设备 - Google Patents
一种存储器及电子设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116250040A CN116250040A CN202080105271.7A CN202080105271A CN116250040A CN 116250040 A CN116250040 A CN 116250040A CN 202080105271 A CN202080105271 A CN 202080105271A CN 116250040 A CN116250040 A CN 116250040A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- memory
- free layer
- electrode
- mtj
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims abstract description 105
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 145
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 58
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims abstract description 54
- 239000002902 ferrimagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000005293 ferrimagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 133
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 63
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 51
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 51
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 36
- -1 rare earth transition metal Chemical class 0.000 claims description 29
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 229910000914 Mn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 15
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 9
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N iron manganese Chemical compound [Mn].[Fe] DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- IGOJMROYPFZEOR-UHFFFAOYSA-N manganese platinum Chemical compound [Mn].[Pt] IGOJMROYPFZEOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- NJJQMCFHENWAGE-UHFFFAOYSA-N manganese yttrium Chemical compound [Mn].[Y] NJJQMCFHENWAGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 4
- ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Co] Chemical compound [B].[Fe].[Co] ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 8
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 4
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000616 Ferromanganese Inorganic materials 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KGWWEXORQXHJJQ-UHFFFAOYSA-N [Fe].[Co].[Ni] Chemical compound [Fe].[Co].[Ni] KGWWEXORQXHJJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- VAUNMJNZQZLHJE-UHFFFAOYSA-N cobalt gadolinium Chemical compound [Co].[Gd] VAUNMJNZQZLHJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FQMNUIZEFUVPNU-UHFFFAOYSA-N cobalt iron Chemical compound [Fe].[Co].[Co] FQMNUIZEFUVPNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SDVIPADSGIIEHD-UHFFFAOYSA-N cobalt terbium Chemical compound [Co].[Tb] SDVIPADSGIIEHD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- WFGOJOJMWHVMAP-UHFFFAOYSA-N tungsten(iv) telluride Chemical compound [Te]=[W]=[Te] WFGOJOJMWHVMAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
Abstract
本申请实施例提供一种存储器及电子设备，涉及存储器技术领域，可以解决MTJ中自由层翻转需要的电流大以及MTJ翻转不对称的问题。该存储器包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，所述存储单元包括晶体管和与所述晶体管连接的磁隧道结MTJ元件；所述MTJ元件包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极和所述第二电极之间的MTJ，所述第二电极与所述晶体管的漏电极电连接；所述MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层、第一参考层、第一隧穿层和自由层；其中，所述第一钉扎层为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且所述第一钉扎层在所述自由层所在的空间产生的静磁场小于所述自由层的矫顽磁场。
Description
本申请涉及存储器技术领域，尤其涉及一种存储器及电子设备。
磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)是一种新型非易失性存储器。其中，自旋转移距磁性随机存取存储器(spin transfer torque magnetic random access memory，STT MRAM)因其具有速度快、功耗低、COMS(complementary metal-oxide-semiconductor，互补式金属氧化物半导体)兼容性好等优势，得到了广泛关注。
自旋转移距磁性随机存取存储器的读写功能由自旋转移距磁性随机存取存储器的存储单元来实现。存储单元的主要结构由磁隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)和晶体管组成。MTJ的结构主要由存储信息的自由层、隧穿层、固定磁化方向的参考层和钉扎层依次层叠组成。其中，参考层的磁化方向被钉扎层钉扎在某一方向磁化方向保持不变，自由层的磁化方向可以改变，电流由不同方向流过MTJ(电流由固定层流向自由层或者电流由自由层流向固定层)时，自由层的磁化方向会随之改变，当自由层的磁化方向和参考层的磁化方向平行时，存储单元呈现低电阻，即可存储为“0”；当自由层的磁化方向和参考层的磁化方向反平行时，存储单元呈现高电阻，即可存储为“1”。磁性随机存取存储器的读取是检测存储单元的电阻。恒定的小电流从位线流经MTJ，在MTJ的两端会产生电位差，根据电位差的大小，可以确定MTJ的电阻，进而可以判断磁性随机存取存储器存储的信息是“0”还是“1”。
目前，由于钉扎层具有较强的杂散场，因而导致自由层会产生较大的补偿场，这样一来，提高了自由层翻转需要的电流，且导致MTJ翻转不对称。
发明内容
本申请实施例提供一种存储器及电子设备，可以解决MTJ中自由层翻转需要的电流大以及MTJ翻转不对称的问题。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
第一方面，提供一种存储器。该存储器包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，存储单元包括晶体管和与晶体管连接的磁隧道结MTJ元件；MTJ元件包括第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的MTJ，第二电极与晶体管的漏电极电连接；MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层、第一参考层、第一隧穿层和自由层；第一钉扎层为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且第一钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场小于自由层的矫顽磁场。由于第一钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场小于自由层的矫顽磁场，因此第一钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场不会影响自由层的磁化方向，这样一来，自由层不会因为第一钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场而产生补偿场，相对于现有技术便可以降低自由层翻转 需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称的问题。此外，无需提高电流来克服杂散场对自由层的影响存在的差异，这样一来，便可以利用较小的电流对自由层的磁化方向进行翻转，既可以降低功率，又可以提高MTJ的耐久性，提高了MTJ的寿命。
在一种可能的实施方式中，第一钉扎层的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向，这样便可以形成具有垂直磁各向异性的MTJ。
在一种可能的实施方式中，第一钉扎层的材料包括稀土过渡金属合金、钇锰合金、铁锰合金或铂锰合金中的一种或多种。此时，通过调整材料组分，便可以使得第一钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场小于自由层的矫顽磁场。
在一种可能的实施方式中，第一钉扎层的材料为非晶材料。由于非晶材料是自体式而非界面式，对生长界面没有要求，因而对粗糙度和应力不敏感，这样一来，便可以解决因粗糙度和应力累积导致的第一钉扎层产生的不稳定。
在一种可能的实施方式中，MTJ还包括依次层叠设置在自由层远离第一隧穿层一侧的第二隧穿层、第二参考层和第二钉扎层；第一钉扎层的磁化方向与第二钉扎层的磁化方向相反，第一隧穿层的电阻与第二隧穿层的电阻不同。由于第一参考层和第二参考层都可以提供自旋转移矩，因而可以降低大大地自由层翻转需要的电流，理论上自由层翻转需要的电流可以降低50％，从而可以提高功耗。
在一种可能的实施方式中，MTJ还包括依次层叠设置在自由层远离第一隧穿层一侧的非磁性层和第二钉扎层；第一钉扎层的磁化方向与第二钉扎层的磁化方向相反。由于第一参考层和第二钉扎层都可以提供自旋转移矩，因而可以大大地降低自由层翻转需要的电流，理论上自由层翻转需要的电流可以降低50％，从而可以提高功耗。此外，第二钉扎层、非磁性层和自由层构成自旋阀结构，由于MTJ中形成的自旋阀结构不需要用到第二隧穿层，且在非磁性层的材料为金属的情况下，因而MTJ的整体电阻减小，这样一来，便可以降低读写电流，进一步降低存储器的功耗，并提高了MTJ的耐久度，延长了存储器的寿命。
在一种可能的实施方式中，第二钉扎层为具有垂直磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且第二钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场小于自由层的矫顽磁场。由于第一钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场较小，且第二钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场也较小，这样一来，第一钉扎层和第二钉扎层都不会对自由层产生影响，相对于现有技术便可以降低自由层翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称的问题。
在一种可能的实施方式中，第二钉扎层的材料包括稀土过渡金属合金、钇猛合金、铁锰合金或铂锰合金中的一种或多种。此时，通过调整材料组分，便可以使得第二钉扎层在自由层所在的空间产生的静磁场小于自由层的矫顽磁场。
在一种可能的实施方式中，第二钉扎层的材料为非晶材料。由于非晶材料是自体式而非界面式，对生长界面没有要求，因而对粗糙度和应力不敏感，这样一来，便可以解决因粗糙度和应力累积导致的第二钉扎层产生的不稳定。
在一种可能的实施方式中，第一电极位于第一钉扎层远离自由层的一侧，第二电极位于自由层远离第一隧穿层的一侧，且与自由层接触；第二电极复用为自旋轨道力矩提供层。由于一方面，第一参考层提供自旋转移距STT翻转自由层，另一方面，自 旋轨道力矩提供层提供自旋轨道矩SOT翻转自由层。由于自由层同时被自旋转移距STT和自旋轨道矩SOT翻转，因而可以大大地降低自由层翻转需要的电流。
在一种可能的实施方式中，第二电极的材料为重金属单质、重金属合金、拓扑绝缘体或外尔半金属中的一种或多种。在此情况下，第二电极可以复用为自旋轨道力矩提供层。
在一种可能的实施方式中，第一参考层和自由层的材料包括钴铁硼CoFeB合金；第一隧穿层的材料包括氧化镁MgO。
在一种可能的实施方式中，晶体管的栅电极通过字线WL连接字线控制电路，晶体管的源电极连接源极线SL；第一电极通过位线BL连接位线控制电路。此时，字线控制电路可以控制给字线WL提供信号，位线控制电路可以控制给位线BL提供信号。
第二方面，提供一种电子设备。该电子设备包括电路板以及与电路板电连接的存储器，该存储器为上述的存储器。该电子设备具有与前述实施例相同的技术效果，此处不再赘述。
图1a为本申请实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图1b为本申请的另一实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图1c为本申请的又一实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图3a为本申请实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图3b为本申请的另一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种过渡金属比例与稀土过渡金属合金的磁矩的关系图；
图5为本申请实施例提供的一种CoTb合金的厚度与矫顽场的关系图；
图6a为本申请的又一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图6b为本申请的再一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图7为本申请的另一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图8为本申请的又一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图9为本申请的再一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图。
附图标记：
10-存储器；11-存储单元；12-MTJ元件；121-第一电极；122-第二电极；1231-第一钉扎层；1232-第一参考层；1233-第一隧穿层；1234-自由层；1235-第二隧穿层；1236-第二参考层；1237-第二钉扎层；1238-非磁性层。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，否则本文所用的所有科技术语都具有与本领域普通技术人员公知的含义相同的含义。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述方便，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二” 等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，术语“电连接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接的电性连接。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本申请提供的技术方案可以应用于采用磁性随机存取存储器的各种存储系统中。例如，本申请提供的技术方案应用于计算机中。又例如，本申请提供的技术方案应用于包括存储器、或者包括处理器和存储器的存储系统中，该处理器可以为中央处理器(central processing unit，CPU)、人工智能(artificial intelligence，AI)处理器、数字信号处理器(digital signal processor)和神经网络处理器等。
图1a为本申请实施例提供的一种存储系统的结构示意图，存储系统可以包括存储装置，该存储装置可以为磁性随机存取存储器。可选的，该存储系统还可以包括CPU、缓存器(cache)和控制器等。
在一种实施例中，如图1a所示，该存储系统包括集成在一起的CPU、缓存器和存储装置。在另一种实施例中，如图1b所示，该存储系统可以为作为独立的存储器，该存储系统包括集成在一起的CPU、缓存器、控制器和存储装置，该存储装置通过该控制器与该缓存器和该CPU相耦合。在又一种实施例中，如图1c所示，该存储系统包括存储装置，以及集成在一起的CPU、缓存器、控制器和动态随机存储器(dynamic random access memory，DRAM)，该存储装置可以作为外部的存储装置与DRAM耦合；其中，该DRAM通过该控制器与该缓存器和该CPU相耦合。图1a、图1b和图1c中所示的各种存储系统中的CPU也可以替换为CPU核(core)。图1a、图1b和图1c中存储装置可以为磁性随机存取存储器。
本申请实施例提供一种磁性随机存取存储器(下文中称为存储器)，如图2所示，该存储器10的结构包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元11，存储单元11包括晶体管T和与晶体管T连接的磁隧道结MTJ元件12。存储器10还包括多条平行排列的字线(word line，WL)和多条平行排列的位线(bit line，BL)，且字线WL与位线BL相互交叉，例如，字线WL与位线BL相互垂直。在一些实施例中，存储器10还包括多条平行排列的源极线(source line，SL)，且源极线SL与位线BL平行。其中，晶体管T的栅电极与字线WL电连接，晶体管T的源电极与源极线SL电连接。
在一些实施例中，字线WL还与字线控制电路电连接，通过字线控制电路为字线WL提供高电平信号或低电平信号，以使晶体管T处于导通状态或截止状态。在晶体管T为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管T导通，低电平信号控制晶体管T截止。在晶体管T为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管T导通，高电平信号控制晶体管T截止。
在一些实施例中，源极线SL接地。
如图3a和图3b所示，MTJ元件12包括第一电极121、第二电极122和位于第一电极121和第二电极122之间的MTJ，第二电极122与晶体管T的漏电极电连接。第 一电极121与位线BL电连接。
在一些实施例中，位线BL还与位线控制电路电连接，通过位线控制电路为位线BL提供信号。
以下提供三个具体的实施例，对MTJ的结构进行示例性介绍。
实施例一
如图3a和图3b所示，MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层1231、第一参考层1232、第一隧穿层1233和自由层1234；其中，第一钉扎层1231为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场(即杂散场)小于自由层1234的矫顽磁场(矫顽力)。
此处，可以是自由层1234靠近第一电极121，第一钉扎层1231靠近第二电极122；也可以是自由层1234靠近第二电极122，第一钉扎层1231靠近第一电极121。
应当理解到，第一参考层1232是MTJ中具有固定磁化方向的膜层，第一钉扎层1231和第一参考层(也可以称为被钉扎层)1232之间具有很强的交换耦合作用，第一参考层1232的磁矩方向(也可以称为磁化方向)可以被第一钉扎层1231钉扎在固定的方向上，第一参考层1232的磁矩方向很难被改变，第一参考层1232的磁化方向和第一钉扎层1231的磁化方向相同。此外，第一钉扎层1231用于使第一参考层1232的磁化方向钉扎在固定的方向上，因而第一钉扎层1231的磁化方向应不易改变，即第一钉扎层1231应具有较大的矫顽场。而第一参考层1232和自由层1234之间由于第一隧穿层1233的作用，处于退耦合的状态，因此自由层1234的磁化方向很容易在外加磁场的作用下发生改变，自由层1234的磁化方向与第一参考层1231的磁化方向可以呈平行或反平行状态。
需要说明的是，存储器10在出厂时，需要对存储单元11中各层的磁化方向进行初始化。具体过程为：施加一个较大的外加磁场，使第一钉扎层1231、第一参考层1232和自由层1234的磁化方向相同，以对存储单元11中各层的磁化方向进行初始化。可以理解的是，由于第一钉扎层1231的材料为亚铁磁或反铁磁材料，因而第一钉扎层1231除了具有因外加磁场产生的初始化的磁化方向外，还具有与初始化的磁化方向反平行的磁化方向，但是与初始化的磁化方向反平行的磁化方向的磁场非常弱。以图3a为例，第一钉扎层1231中标示的粗箭头为初始化的磁化方向，细箭头为与初始化的磁化方向反平行的磁化方向。可以理解的是，第一钉扎层1231标示的粗箭头为第一钉扎层1231的磁化方向。
在本申请的一些实施例中，如图3a所示，第一钉扎层1231的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向。此时，第一钉扎层1231为具有垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)的亚铁磁或反铁磁材料。MTJ中各层的堆叠方向可以由第一钉扎层1231指向自由层1234，也可以由自由层1234指向第一钉扎层1231。以MTJ中各层的堆叠方向为由第一钉扎层1231指向自由层1234的方向为例，在此情况下，可以用图3a中第一钉扎层1231标示的粗箭头表示MTJ中各层的堆叠方向，第一钉扎层1231的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向，可以是第一钉扎层1231的磁化方向与MTJ中各层的堆叠方向相同(即第一钉扎层1231的磁化方向为由第一钉扎层1231指向自由层1234的方向)；也可以是第一钉扎层1231的磁化方向与MTJ中各层 的堆叠方向平行且相反(即第一钉扎层1231的磁化方向为由自由层1234指向第一钉扎层1231的方向)。在第一钉扎层1231的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向的情况下，由于第一参考层1232的磁化方向与第一钉扎层1231的磁化方向相同，因而第一参考层1232的磁化方向也平行于MTJ中各层的堆叠方向。此时形成的MTJ为具有垂直磁各向异性的MTJ，垂直磁各向异性的MTJ具有写能量低和可微缩性等优点。
在本申请的另一些实施例中，如图3b所示，第一钉扎层1231的磁化方向垂直于MTJ中各层的堆叠方向。在此情况下，第一钉扎层1231的磁化方向可以垂直于MTJ中各层的堆叠方向向左，也可以垂直于MTJ中各层的堆叠方向向右。附图3b以第一钉扎层1231的磁化方向垂直于MTJ中各层的堆叠方向向右为例进行示意。在第一钉扎层1231的磁化方向垂直于MTJ中各层的堆叠方向的情况下，由于第一参考层1232的磁化方向与第一钉扎层1231的磁化方向相同，因而第一参考层1232的磁化方向也垂直于MTJ中各层的堆叠方向。
此处，第一隧穿层1233为非磁性层，第一隧穿层1233的材料例如可以包括氧化镁(MgO)或三氧化二铝(Al
2O
3)中的一种或多种。
此外，第一参考层1232和自由层1234为磁性层，第一参考层1232和自由层1234的材料例如可以包括钴铁硼(CoFeB)合金、钴铁(CoFe)合金或镍铁钴(NiFeCo)合金中的一种或多种。
基于上述存储器10的结构，以下以一个存储单元11为例，介绍存储器10的工作过程。
存储单元11在写入时，晶体管T处于导通状态，当电流方向由自由层1234流向第一参考层1232，即自旋电子从第一参考层1232流向自由层1234，自旋电子通过第一参考层1232时，电流中的电子沿着第一参考层1232的磁化方向被自旋极化，电子的自旋磁矩与第一参考层1232的磁化方向平行，电子穿过第一隧穿层1233到达自由层1234时，自旋电子将自旋矩(也称为自旋角动量，即STT)传递给自由层1234，而受到自旋矩效应的自由层1234，其磁化强度小，因而自由层1234的磁化方向能够根据自旋电流中自旋电子的极化方向自由地发生变化，最终使得自由层1234的磁化方向和第一参考层1232的磁化方向呈平行状态(即自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向相同)，可以代表写入信息是“0”。
当电流方向由第一参考层1232流向自由层1234，即自旋电子从自由层1234流向第一参考层1232时，自旋电子与第一参考层1232中的磁矩发生交换耦合作用，使自旋平行于第一参考层1232的磁化方向的电子通过，而自旋反平行于第一参考层1232磁化方向的电子被反射，被反射的电子穿过第一隧穿层1233到达自由层1234，并与自由层1234磁矩发生交换耦合作用，使自由层1234的磁化方向向着第一参考层1232磁化方向的反方向转动，最终使得自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向呈反平行状态(即自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向相反)，可以代表写入信息是“1”。此处电流方向可以通过位线BL和源极线SL上提供的电压控制，参考图3a，当位线BL提供的电压大于源极线SL提供的电压，电流由自由层1234流向第一参考层1232；当位线BL提供的电压小于源极线SL提供的电压，电流由第一参考层1232流向自由层1234。
存储单元11在读取时，恒定的小电流从位线BL经过MTJ到导通的晶体管T的漏极流出，在MTJ的两端会产生电位差。根据电位差的大小，可以确定MTJ的电阻，即，可以得到自由层1234与第一参考层1232的磁化方向的相对取向关系，进而可以判断存储单元11存储的信息是“0”还是“1”。具体的，MTJ呈现低电阻，自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向呈平行状态，存储单元11存储的信息为“0”；MTJ呈现高电阻，自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向呈反平行状态，存储单元11存储的信息为“1”。
应当理解到，存储器10在存储信息和读取信息时，字线控制电路逐行给字线提供选通信号，以使多行存储单元11中的晶体管T逐行导通，进而可以逐行写入信息或读取信息。
基于上述存储单元11的工作原理，本申请实施例提供的存储器10也可以称为自旋转移距磁性随机存取存储器。
应当理解到，第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场与第一钉扎层1231的磁矩有关，第一钉扎层1231的磁矩越小，第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场越小。
由于第一钉扎层1231为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，因而第一钉扎层1231的周围都会产生静磁场，而自由层1234位于第一钉扎层1231的周围(例如上方)，因此第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间会产生磁场，自由层1234所在的空间指的是自由层1234占据的第一钉扎层1231周围的空间范围，此处自由层1234所在的空间与第一钉扎层1231产生的静磁场的范围存在交集，或者，自由层1234所在的空间完全位于第一钉扎层1231产生的静磁场的范围内。
另外，根据经验值，当第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于1000奥斯特(Oe)时，第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。
在一些实施例中，第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场的磁场强度为0，或者约为0，即，第一钉扎层1231不会产生杂散场，或产生的杂散场趋近于0。此时，第一钉扎层1231的磁矩为0，或者约为0。
在一些实施例中，第一钉扎层1231的材料包括稀土过渡金属合金(rare earth-transition metal alloy，RE-TM)、以稀土过渡金属合金为基础的磁性掺杂化合物、钇锰(YMn)合金、铁锰(FeMn)合金或铂锰(PtMn)合金中的一种或多种。
示例性地，稀土过渡金属合金可以为CoTb(钴铽)合金或CoGd(钴钆)合金。
示例性地，以稀土过渡金属合金为基础的磁性掺杂化合物可以是以CoTb合金或CoGd合金为基础的磁性掺杂化合物。
需要说明的是，上述稀土过渡金属合金以及以稀土过渡金属合金为基础的磁性掺杂化合物为具有垂直磁各向异性的亚铁磁材料。
此处，由于第一钉扎层1231的材料为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，因而可以通过控制材料的组分和厚度来控制材料的磁矩(Ms)，以使第一钉扎层1231的磁矩较小，接近于0，即，使第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。图4以稀土过渡金属合金为例，示意出了在其它因 素(例如稀土过渡金属合金的生长方式或厚度等)都一定的情况下，稀土过渡金属合金的磁矩与稀土过渡金属合金中过渡金属所占的比例之间的关系。从图4可以看出，稀土过渡金属合金中过渡金属所占的比例发生变化时，稀土过渡金属合金的磁矩也会发生变化。具体的，随着过渡金属所占的比例增加，稀土过渡金属合金的磁矩逐渐减小，当过渡金属所占的比例增加到某一值时，随着过渡金属所占的比例增加，稀土过渡金属合金的磁矩又逐渐增加。根据稀土过渡金属合金的磁矩与稀土过渡金属合金中过渡金属所占的比例之间的关系，调整稀土和过渡金属的比例，便可以使第一钉扎层1231的磁矩接近于0。例如，第一钉扎层1231的材料为CoTb合金，当Co与Tb的原子比为Co：Tb＝80：20时，第一钉扎层1231的磁矩约为0。由于第一钉扎层1231的磁矩非常小，因而第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的杂散场就会很小。
此外，还可以通过控制材料组分和厚度来控制材料的矫顽场(Hc)，以使第一钉扎层1231的矫顽场较大。图5以第一钉扎层1231的材料为CoTb合金，且Co与Tb的原子比为Co：Tb＝80：20为例，示意出了CoTb合金的厚度与矫顽场的关系。从图5可以看出，CoTb合金的厚度越大，矫顽场越大。由于第一钉扎层1231的矫顽场较大，因而在外加磁场的作用下，第一钉扎层1231的磁化方向不易改变，且其与第一参考层1232交换耦合，能够达到钉扎第一参考层1232的效果。
现有技术中，MTJ的结构包括依次层叠设置的钉扎层、参考层、隧穿层和自由层，其中，钉扎层主要是由金属层(非铁磁性的，材料例如为Pt)和铁磁层(材料例如为Co或Fe)交替形成的人工反铁磁层，参考层和自由层的材料包括CoFeB合金，隧穿层的材料包括MgO。由于钉扎层主要是由金属层和铁磁层交替形成的人工反铁磁层，因而钉扎层具有较大的杂散场，即在自由层1234所在的空间会产生较大的静磁场，从而导致自由层会产生较大的补偿场，这样一来，提高了自由层翻转需要的电流，且导致了MTJ翻转不对称，即，使自由层的磁化方向向相反的两个方向改变时所需的电流大小不一样。在存储单元11的尺寸较大时，钉扎层产生的杂散场主要还是边缘效应，对自由层翻转的影响较小，在存储单元11的尺寸较小时，以钉扎层的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向为例，杂散场基本都作用于平行于MTJ中各层的堆叠方向的方向上，因此在平行于MTJ中各层的堆叠方向的方向上作用场很大，自由层的翻转受到了很大的影响。基于此，由于目前存储器10中存储单元11的尺寸越来越小，因而杂散场的影响越来越大。此外，在高度集成的MTJ阵列中，这个问题会越来越严重。这是因为在高度集成的MTJ阵列中，由于自由层小同时薄，对外磁场非常敏感，对刻蚀的均匀性要求极高，只要刻蚀完后自由层的形状有一定的差别，例如尺寸、位置等，那么杂散场对自由层的影响也是有很大差异的，为了降低该差异，则需要提高电流大小，以保证读写的准确性。然而，提高电流，不仅会提高功率，而且还会严重影响到MTJ的耐久性，MTJ的寿命可能会大大减小。
本申请实施例提供一种存储器10，该存储器10的结构包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元11，存储单元11包括晶体管T和与晶体管T连接的磁隧道结MTJ元件12。MTJ元件12包括第一电极121、第二电极122和位于第一电极121和第二电极122之间的MTJ，第二电极122与晶体管T的漏电极电连接。MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层1231、第一参考层1232、第一隧穿层1233和自由层1234； 第一钉扎层1231为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。由于第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场，因此第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场不会影响自由层1234的磁化方向，这样一来，自由层1234不会因为第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场而产生补偿场，相对于现有技术便可以降低自由层1234翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称的问题。此外，由于第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场，第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场不会影响自由层1234的磁化方向,因而无需提高电流来克服杂散场对自由层1234的影响存在的差异，这样一来，便可以利用较小的电流对自由层1234的磁化方向进行翻转，既可以降低功率，又可以提高MTJ的耐久性，提高了MTJ的寿命。
需要说明的是，第一参考层1232在自由层1234所在的空间也会产生静磁场，即杂散场，但是由于第一参考层1232在自由层1234所在的空间产生的静磁场非常小，基本小于自由层1234的矫顽磁场，不会影响自由层1234，因而第一参考层1232在自由层1234所在的空间产生的静磁场可以忽略不考虑。
现有技术中钉扎层为由金属层和铁磁层交替形成的人工反铁磁层，这个膜层结构是111晶向，而隧穿层(材料为MgO)和自由层(材料为CoFeB)退火后的结构为001结构，由于钉扎层与隧穿层、自由层的晶格差异较大，因而应力和粗糙度累积会导致钉扎层不稳定，例如垂直磁向弱。基于此，在本申请的一些实施例中，第一钉扎层1231的材料为非晶材料(amorphous)。
示例的，第一钉扎层1231的材料包括稀土过渡金属合金、以稀土过渡金属合金为基础的磁性掺杂化合物。
本申请实施例中，由于第一钉扎层1231的材料为非晶材料，而非晶材料是自体式而非界面式，对生长界面没有要求，因而对粗糙度和应力不敏感，这样一来，便可以解决因粗糙度和应力累积导致的第一钉扎层1231产生的不稳定。
在一些实施例中，如图6a和图6b所示，第一电极121位于第一钉扎层1231远离自由层1234的一侧，第二电极122位于自由层1234远离第一隧穿层1233的一侧，且与自由层1234接触；第二电极122复用为自旋轨道力矩(spin orbit torque，简称SOT)提供层。
此处，第二电极122的材料例如可以为重金属单质、重金属合金、拓扑绝缘体或外尔半金属中的一种或多种。
示例的，重金属单质可以为铂(Pt)、钽(Ta)、铜(Cu)、铱(Ir)、钌(Ru)或钨(W)中的一种或多种。
示例的，重金属合金可以为铂、钽、铜、铱、钌或钨中的两个或两个以上组成的合金。
示例的，拓扑绝缘体可以为硒化铋(Bi
2Se
3)化合物、碲化锑(Sb
2Te
3)化合物或碲化铋(Bi
2Te
3)化合物中的一种或多种。
示例的，外尔半金属可以为二碲化钨(WTe
2)。
另外，自旋轨道力矩提供层可以是一层，也可以是多层。
自旋轨道力矩提供层翻转自由层1234的原理为流经自旋轨道力矩提供层的电流能够产生自旋流，作用于磁性层(如自由层1234)，产生的自旋轨道矩SOT引发自由层1234磁化翻转，通过在自旋轨道力矩提供层中通入正向或反向电流，带有不同自旋方向的电子作用于磁性层，从而可以实现高阻态(记为“1”)或低阻态(记为“0”)的写入。
在第二电极122复用为自旋轨道力矩提供层的情况下，在一些示例中，如图6a所示，第二电极122与一个晶体管T的漏电极电连接，该晶体管T的栅电极与字线WL电连接，源电极与源极线SL连接。源极线SL可以接地。
在该示例中，MTJ的写入过程为晶体管T导通，位线BL写入电流，一方面，第一参考层1232提供自旋转移距STT翻转自由层1234，另一方面，自旋轨道力矩提供层提供自旋轨道矩SOT翻转自由层1234。由于自由层1234同时被自旋转移距STT和自旋轨道矩SOT翻转，因而可以大大地降低自由层1234翻转需要的电流。MTJ的读取过程与上述读取过程相同，此处不再赘述。
在另一些示例中，如图6b所示，第二电极122分别与两个晶体管(晶体管T1和晶体管T2)的漏电极电连接，晶体管T1的漏电极与第二电极122连接的位置点A和晶体管T2的漏电极与第二电极122连接的位置点B位于第二电极122沿垂直于第二电极122的剖面的两端，晶体管T1的栅电极与字线WL1电连接，源电极与源极线SL1连接，晶体管T2的栅电极与字线WL2电连接，源电极与源极线SL2连接。
由于第二电极122分别与晶体管T1的漏电极和晶体管T2的漏电极电连接，且晶体管T1的漏电极与第二电极122连接的位置点A和晶体管T2的漏电极与第二电极122连接的位置点B位于第二电极122沿垂直于第二电极122的剖面的两端，因而整面自旋轨道力矩提供层都可以提供自旋轨道矩SOT，从而提高了自由层1234的翻转效率，降低了自由层1234翻转需要的电流。
在该示例中，MTJ有两种工作方式，第一种，位线BL写入电流，第一参考层1232提供自旋转移距STT翻转自由层1234，同时，字线WL1提供选通信号，晶体管T1导通，字线WL2提供选通信号，晶体管T2导通，源极线SL1和源极线SL2写入电流，自旋轨道力矩提供层提供自旋轨道矩SOT翻转自由层1234。由于自由层1234同时被自旋转移距STT和自旋轨道矩SOT翻转，因而可以大大地降低自由层1234翻转需要的电流。
第二种，在第一时刻，位线BL写入电流，第一参考层1232提供自旋转移距STT翻转自由层1234，同时，字线WL1提供选通信号，晶体管T1截止，字线WL2提供选通信号，晶体管T2截止，此时，自旋轨道力矩提供层不工作，即不提供自旋轨道矩SOT；在第二时刻，位线BL不写入电流，即电流为0，此时，第一参考层1232不提供自旋转移距STT，字线WL1提供选通信号，晶体管T1导通，字线WL2提供选通信号，晶体管T2导通，源极线SL1和源极线SL2写入电流，自旋轨道力矩提供层提供自旋轨道矩SOT翻转自由层1234；第一时刻和第二时刻交替，即，自旋转移距STT和自旋轨道矩SOT交替翻转自由层1234，从而能够大大减小自由层1234翻转需要的电流。MTJ读取时，晶体管T1和晶体管T2中的一个导通，另一个截止，位线BL写入恒定的小电流，参考上述存储单元11的读取过程，判断存储单元11存储的信息是“0”还是“1”。
第二种工作方式，在第二时刻，由于电流不经过第一隧穿层1233，因而源极线SL1和源极线SL2可以写入较大的电流，而不会击穿第一隧穿层1233，而源极线SL1和源极线SL2写入较大的电流，自旋轨道力矩提供层能够提供较大的自旋轨道矩SOT翻转自由层1234，以提高自由层1234的翻转效率。
实施例二
如图7所示，MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层1231、第一参考层1232、第一隧穿层1233、自由层1234、第二隧穿层1235、第二参考层1236和第二钉扎层1237；其中，第一钉扎层1231和第二钉扎层1237的磁化方向均平行于MTJ中各层的堆叠方向，第一钉扎层1231的磁化方向与第二钉扎层1237的磁化方向相反，且第一隧穿层1233的电阻与第二隧穿层1235的电阻不同。
此处，第一钉扎层1231用于使第一参考层1232的磁化方向钉扎在固定的方向上，第一参考层1232的磁化方向和第一钉扎层1231的磁化方向相同，第二钉扎层1237用于使第二参考层1236的磁化方向钉扎在固定的方向上，第二参考层1236的磁化方向和第二钉扎层1237的磁化方向相同。由于第一钉扎层1231的磁化方向与第二钉扎层1237的磁化方向相反，因而第一参考层1232的磁化方向和第二参考层1236的磁化方向相反。
需要说明的是，存储器10在出厂时，在对存储单元11中各层的磁化方向进行初始化的过程中，为了确保初始化后第一钉扎层1231和第二钉扎层1237的磁化方向相反，因而第一钉扎层1231和第二钉扎层1237的矫顽力不同，例如第一钉扎层1231的矫顽力大于第二钉扎层1237的矫顽力。此处，可以通过调整第一钉扎层1231的厚度调整第一钉扎层1231的矫顽力，通过调整第二钉扎层1237的厚度调整第二钉扎层1237的矫顽力。在一些实施例中，第一参考层1232和第二参考层1236的矫顽力也不同，例如，第一参考层1232的矫顽力大于第二参考层1236的矫顽力(此时第一钉扎层1231的矫顽力大于第二钉扎层1237的矫顽力)。此处，可以通过调整第一参考层1232的厚度调整第一参考层1232的矫顽力，通过调整第二参考层1236的厚度调整第二参考层1236的矫顽力。
对上述存储单元11进行初始化的具体过程为：首先，如图8所示，施加一个较大的外加磁场，使第一钉扎层1231、第一参考层1232、第二钉扎层1237、第二参考层1236和自由层1234的磁化方向相同；然后，如图7所示，施加一个较小的外加磁场，使第二钉扎层1237和第二参考层1236的磁化方向向相反的方向翻转。由于第一钉扎层1231的矫顽力大于第二钉扎层1237的矫顽力，因而施加的较小的外加磁场可以使第二钉扎层1237的磁化方向向相反的方向翻转，但不能使第一钉扎层1231的磁化方向翻转，而第一参考层1232的磁化方向被第一钉扎层1231钉扎在固定的方向上很难改变，因此施加较小的外加磁场后，第一参考层1232的磁化方向不会发生翻转，这样一来，初始化后第一钉扎层1231的磁化方向和第二钉扎层1237的磁化方向相反，第一参考层1232的磁化方向和第二参考层1236的磁化方向相反。
此处，第二隧穿层1235为非磁性层，第二隧穿层1235的材料例如可以包括氧化镁或三氧化二铝中的一种或多种。第一隧穿层1233的材料和第二隧穿层1235的材料可以相同，也可以不相同。
另外，第二参考层1236的材料可以参考上述第一参考层1232的材料，此处不再赘述。第一参考层1232的材料和第二参考层1236的材料可以相同，也可以不相同。
本实施例中，MTJ的写入过程为：当电流由第二钉扎层1237流向第一钉扎层1231，即自旋电子由第一钉扎层1231流向第二钉扎层1237，自旋电子通过第一参考层1232时，电流中的电子沿着第一参考层1232的磁化方向被自旋极化，电子的自旋磁矩与第一参考层1232的磁化方向平行，电子穿过第一隧穿层1233到达自由层1234时，自旋电子将自旋矩，即自旋角动量传递给自由层1234，自由层1234的磁化方向能够根据自旋电流中自旋电子的极化方向自由地发生变化，自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向平行，自旋电子经过第二隧穿层1235到达第二参考层1236时，由于第二参考层1236的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向相反，而电子的自旋磁矩与第一参考层1232的磁化方向平行，因而自旋电子不能通过第二参考层1236，根据动量守恒定律，第二参考层1236将角动量传递给自旋电子，自旋电子被第二参考层1236反射向自由层1234，进一步使自由层1234的磁化方向与第一参考层1232的磁化方向呈平行状态。
当电流由第一钉扎层1231流向第二钉扎层1237，即自旋电子由第二钉扎层1237流向第一钉扎层1231，与上述过程类似，此处不再赘述，最终自由层1234的磁化方向与第二参考层1236的磁化方向平行。
由于第一隧穿层1233和第二隧穿层1235的电阻不同，以第一隧穿层1233的电阻大于第二隧穿层1235的电阻为例，电流由第二钉扎层1237流向第一钉扎层1231，或者电流由第一钉扎层1231流向第二钉扎层1237时，当自由层1234的磁化方向与靠近第一隧穿层1233的第一钉扎层1231的磁化方向相同，此时存储单元呈低阻态，写入信息为“0”；当自由层1234的磁化方向与靠近第一隧穿层1233的第一钉扎层1231的磁化方向相反，此时存储单元呈高阻态，写入信息为“1”。MTJ的读取过程与上述实施例一中MTJ的读取过程类似，可以参考上述实施一中MTJ的读取过程，此处不再赘述。
根据上述MTJ的写入过程可知，第一参考层1232和第二参考层1236都可以提供自旋转移矩，因而可以大大地降低自由层1234翻转需要的电流，理论上自由层1234翻转需要的电流可以降低50％，从而可以提高功耗。
本申请实施例中，由于第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场，因此第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场不会影响自由层1234的磁化方向，这样一来，自由层1234不会因为第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场而产生补偿场，相对于现有技术便可以降低自由层1234翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称的问题。
在一些实施例中，第二钉扎层1237为具有垂直磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。
应当理解到，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场与第二钉扎层1237的磁矩有关，第二钉扎层1237的磁矩越小，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场越小。
此处，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场可以参考上述第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场的解释说明，此处不再赘述。
另外，根据经验值，当第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于1000奥斯特(Oe)时，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。
在一些实施例中，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场的磁场强度为0，或者约为0，即，第二钉扎层1237不会产生杂散场，或产生的杂散场趋近于0。此时，第二钉扎层1237的磁矩为0，或者约为0。虽然第一钉扎层1231的磁化方向和第二钉扎层1237的磁化方向相反，第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场和第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场理论上可以相互抵消，但是第一钉扎层1231和第二钉扎层1237在制作时由于工艺波动(例如刻蚀不均，或者溅射薄膜时溅射不均)导致第一钉扎层1231和第二钉扎层1237的厚度不均匀，因而第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场和第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场无法完全抵消。而本申请实施例中，由于第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场，例如第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场为0(此时第一钉扎层1231的磁矩为0)，第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场为0，(此时第二钉扎层1237的磁矩为0)，因而第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场较小，且第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场也较小，这样一来，第一钉扎层1231和第二钉扎层1237都不会对自由层1234产生影响，相对于现有技术便可以降低自由层1234翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称的问题。
在一些实施例中，第二钉扎层1237的材料包括稀土过渡金属合金、以稀土过渡金属合金为基础的磁性掺杂化合物、钇锰合金、铁锰合金或铂锰合金中的一种或多种。
此外，可以通过控制第二钉扎层1237的材料的组分和厚度来控制第二钉扎层1237的磁矩，以使第二钉扎层1237的磁矩较小，接近于0，即，使第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。具体可以参考上述实施例，此处不再赘述。
另外，还可以通过控制第二钉扎层1237的材料组分和厚度来控制第二钉扎层1237的矫顽场。
在一些实施例中，第二钉扎层1237的材料为非晶材料。非晶材料例如为稀土过渡金属合金或以稀土过渡金属合金为基础的磁性掺杂化合物。
本申请实施例中，由于第二钉扎层1237的材料为非晶材料，而非晶材料是自体式而非界面式的，对生长界面没有要求，因而对粗糙度和应力不敏感，这样一来，便可以解决因粗糙度和应力累积导致的第二钉扎层1237产生的不稳定。
实施例三
如图9所示，MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层1231、第一参考层1232、第一隧穿层1233、自由层1234、非磁性层1238和第二钉扎层1237；其中，第一钉扎层1231 和第二钉扎层1237的磁化方向均平行于MTJ中各层的堆叠方向，第一钉扎层1231的磁化方向与第二钉扎层1237的磁化方向相反。
此处，第二钉扎层1237、非磁性层1238和自由层1234构成自旋阀(spin valve)结构。
此外，非磁性层1238的材料例如可以为Cu、Ta、Mo(钼)、Al
2O
3、MgO、MgAlO
x(氧化镁铝)。
本实施例中，MTJ的写入读取过程与实施例二中MTJ的写入读取过程类似，可以参考上述实施例，此处不再赘述。
本申请实施例中，由于第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场，因此第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场不会影响自由层1234的磁化方向，这样一来，自由层1234不会因为第一钉扎层1231在自由层1234所在的空间产生的静磁场而产生补偿场，相对于现有技术便可以降低自由层1234翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称的问题。在此基础上，第一参考层1232和第二钉扎层1237都可以提供自旋转移矩，因而可以大大地降低自由层1234翻转需要的电流，理论上自由层1234翻转需要的电流可以降低50％，从而可以提高功耗。此外，由于MTJ中形成的spin valve结构不需要用到第二隧穿层1235，且在非磁性层1238的材料为金属的情况下，因而MTJ的整体电阻减小，这样一来，便可以降低读写电流，进一步降低存储器10的功耗，并提高了MTJ的耐久度，延长了存储器10的寿命。
在一些实施例中，第二钉扎层1237为具有垂直磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且第二钉扎层1237在自由层1234所在的空间产生的静磁场小于自由层1234的矫顽磁场。
在一些实施例中，第二钉扎层1237的材料为非晶材料。
需要说明的是，本实施例中的第二钉扎层1237与上述实施例二中的第二钉扎层1237相同，可以参考实施二中对第二钉扎层1237的描述以及效果分析，此处不再赘述。
基于此，本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括电路板、以及与电路板连接的存储器，该存储器可以为上文所提供的任一种存储器。其中，该电路板可以为印制电路板(printed circuit board，PCB)，当然电路板还可以为柔性电路板(flexible printed circuit board，FPC)等，本实施例对电路板不作限制。
可选的，该电子设备为计算机、手机、平板电脑、可穿戴设备和车载设备等不同类型的用户设备或者终端设备；该电子设备还可以为基站等网络设备。可选的，该电子设备还包括封装基板，该封装基板通过焊球固定于印刷电路板PCB上，该存储器通过焊球固定于封装基板上。需要说明的是，关于电子设备中存储器的相关描述，具体可以参见上述实施例关于存储器的描述，本申请实施例在此不再赘述。
在本申请的另一方面，还提供一种与计算机一起使用的非瞬时性计算机可读存储介质，该计算机具有用于创建集成电路的软件，该计算机可读存储介质上存储有一个或多个计算机可读数据结构，一个或多个计算机可读数据结构具有用于制造上文所提供的任意一个图示所提供的存储器的光掩膜数据。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
- 一种存储器，其特征在于，包括设置于所述存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，所述存储单元包括晶体管和与所述晶体管连接的磁隧道结MTJ元件；所述MTJ元件包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极和所述第二电极之间的MTJ，所述第二电极与所述晶体管的漏电极电连接；所述MTJ包括依次层叠设置的第一钉扎层、第一参考层、第一隧穿层和自由层；其中，所述第一钉扎层为具有磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且所述第一钉扎层在所述自由层所在的空间产生的静磁场小于所述自由层的矫顽磁场。
- 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一钉扎层的磁化方向平行于所述MTJ中各层的堆叠方向。
- 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一钉扎层的材料包括稀土过渡金属合金、钇锰合金、铁锰合金或铂锰合金中的一种或多种。
- 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一钉扎层的材料为非晶材料。
- 根据权利要求2所述的存储器，其特征在于，所述MTJ还包括依次层叠设置在所述自由层远离所述第一隧穿层一侧的第二隧穿层、第二参考层和第二钉扎层；其中，所述第一钉扎层的磁化方向与所述第二钉扎层的磁化方向相反，所述第一隧穿层的电阻与所述第二隧穿层的电阻不同。
- 根据权利要求2所述的存储器，其特征在于，所述MTJ还包括依次层叠设置在所述自由层远离所述第一隧穿层一侧的非磁性层和第二钉扎层；其中，所述第一钉扎层的磁化方向与所述第二钉扎层的磁化方向相反。
- 根据权利要求5或6所述的存储器，其特征在于，所述第二钉扎层为具有垂直磁各向异性的亚铁磁或反铁磁材料，且所述第二钉扎层在所述自由层所在的空间产生的静磁场小于所述自由层的矫顽磁场。
- 根据权利要求7所述的存储器，其特征在于，所述第二钉扎层的材料包括稀土过渡金属合金、钇猛合金、铁锰合金或铂锰合金中的一种或多种。
- 根据权利要求5-8任一项所述的存储器，其特征在于，所述第二钉扎层的材料为非晶材料。
- 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一电极位于所述第一钉扎层远离所述自由层的一侧，所述第二电极位于所述自由层远离所述第一隧穿层的一侧，且与所述自由层接触；所述第二电极复用为自旋轨道力矩提供层。
- 根据权利要求10所述的存储器，其特征在于，所述第二电极的材料为重金属单质、重金属合金、拓扑绝缘体或外尔半金属中的一种或多种。
- 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一参考层和所述自由层的材料包括钴铁硼CoFeB合金；所述第一隧穿层的材料包括氧化镁MgO。
- 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述晶体管的栅电极通过字线WL连接字线控制电路，所述晶体管的源电极连接源极线SL；所述第一电极通过位线 BL连接位线控制电路。
- 一种电子设备，包括电路板以及与所述电路板电连接的存储器，其特征在于，所述存储器为如权利要求1-13任一项所述的存储器。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/CN2020/121680 WO2022077499A1 (zh) | 2020-10-16 | 2020-10-16 | 一种存储器及电子设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116250040A true CN116250040A (zh) | 2023-06-09 |
| CN116250040B CN116250040B (zh) | 2024-09-06 |
Family
ID=81208908
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202080105271.7A Active CN116250040B (zh) | 2020-10-16 | 2020-10-16 | 一种存储器及电子设备 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116250040B (zh) |
| WO (1) | WO2022077499A1 (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102203869A (zh) * | 2008-11-05 | 2011-09-28 | 美光科技公司 | 利用场感应反铁磁性或铁磁性耦合的自旋转矩转移单元结构 |
| US20140252438A1 (en) * | 2013-03-10 | 2014-09-11 | Alexander Mikhailovich Shukh | Three-Dimensional Magnetic Random Access Memory With High Speed Writing |
| CN104393169A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-03-04 | 北京航空航天大学 | 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器 |
| CN106328185A (zh) * | 2008-09-24 | 2017-01-11 | 高通股份有限公司 | 减少存储器装置的自由层的自旋抽运感应阻尼 |
| CN110931633A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结存储单元及存储器 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6963500B2 (en) * | 2003-03-14 | 2005-11-08 | Applied Spintronics Technology, Inc. | Magnetic tunneling junction cell array with shared reference layer for MRAM applications |
| US8981503B2 (en) * | 2012-03-16 | 2015-03-17 | Headway Technologies, Inc. | STT-MRAM reference layer having substantially reduced stray field and consisting of a single magnetic domain |
| US10102893B2 (en) * | 2016-06-28 | 2018-10-16 | Inston Inc. | Systems for implementing word line pulse techniques in magnetoelectric junctions |
| CN109935254A (zh) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 中电海康集团有限公司 | 写操作方法、电存储器件、装置及存储介质 |
-
2020
- 2020-10-16 WO PCT/CN2020/121680 patent/WO2022077499A1/zh active Application Filing
- 2020-10-16 CN CN202080105271.7A patent/CN116250040B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106328185A (zh) * | 2008-09-24 | 2017-01-11 | 高通股份有限公司 | 减少存储器装置的自由层的自旋抽运感应阻尼 |
| CN102203869A (zh) * | 2008-11-05 | 2011-09-28 | 美光科技公司 | 利用场感应反铁磁性或铁磁性耦合的自旋转矩转移单元结构 |
| US20140252438A1 (en) * | 2013-03-10 | 2014-09-11 | Alexander Mikhailovich Shukh | Three-Dimensional Magnetic Random Access Memory With High Speed Writing |
| CN104393169A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-03-04 | 北京航空航天大学 | 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器 |
| CN110931633A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结存储单元及存储器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 赵巍胜;王昭昊;彭守仲;王乐知;常亮;张有光;: "STT-MRAM存储器的研究进展", 中国科学:物理学 力学 天文学, no. 10, 20 October 2016 (2016-10-20) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022077499A1 (zh) | 2022-04-21 |
| CN116250040B (zh) | 2024-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10529914B2 (en) | Magnetic memory | |
| KR102353406B1 (ko) | 스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자 | |
| US6531723B1 (en) | Magnetoresistance random access memory for improved scalability | |
| US8670271B2 (en) | Magnetic stack having assist layers | |
| US6958927B1 (en) | Magnetic element utilizing spin-transfer and half-metals and an MRAM device using the magnetic element | |
| US8766383B2 (en) | Method and system for providing a magnetic junction using half metallic ferromagnets | |
| US7307876B2 (en) | High speed low power annular magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer | |
| US11195991B2 (en) | Magnetic random access memory assisted devices and methods of making | |
| US8399941B2 (en) | Magnetic junction elements having an easy cone anisotropy and a magnetic memory using such magnetic junction elements | |
| US6909633B2 (en) | MRAM architecture with a flux closed data storage layer | |
| US8884389B2 (en) | Magnetoresistive element and method of manufacturing the same | |
| US20180268886A1 (en) | Magnetic memory | |
| CN106953005B (zh) | 磁性元件和存储装置 | |
| US20100140726A1 (en) | Method and system for providing magnetic elements having enhanced magnetic anisotropy and memories using such magnetic elements | |
| WO2020166722A1 (ja) | スピントロニクス素子及び磁気メモリ装置 | |
| JP2016225633A (ja) | 外部強磁性バイアス膜を用いる電圧制御磁気異方性スイッチング装置 | |
| TWI487155B (zh) | Memory elements and memory devices | |
| US8391053B2 (en) | Magnetic memory with a thermally assisted writing procedure and reduced writing field | |
| US20210074910A1 (en) | Magnetoresistive effect element and magnetic memory | |
| US10290338B2 (en) | Tilted synthetic antiferromagnet polarizer/reference layer for STT-MRAM bits | |
| US20100091564A1 (en) | Magnetic stack having reduced switching current | |
| JP2021044444A (ja) | 磁気記憶装置 | |
| US9929339B2 (en) | Method and system for providing magnetic junctions including self-initializing reference layers | |
| US20080272448A1 (en) | Integrated circuit having a magnetic tunnel junction device | |
| US20210005808A1 (en) | Magnetoresistance effect element and magnetic memory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |