本發(fā)明涉及一種低功耗磁性存儲單元，屬于非易失性存儲和邏輯技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新興的非易失性存儲技術(shù)能夠使存儲數(shù)據(jù)掉電不丟失，因而有望解決傳統(tǒng)的基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工藝的存儲器和邏輯電路所面臨的日益嚴(yán)峻的靜態(tài)功耗問題。其中，基于磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性隨機(jī)存儲器(Magnetic random access memory,MRAM)因具有高密度、高讀寫速度、低讀寫電壓和無限制寫入次數(shù)等優(yōu)勢而被證明是最具潛力的通用存儲器。它不僅有望取代傳統(tǒng)的靜態(tài)隨機(jī)存儲器(Static random access memory,SRAM)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(Dynamic random access memory,DRAM)，還可以應(yīng)用于非易失性邏輯電路的設(shè)計(jì)。目前，磁性隧道結(jié)普遍采用自旋轉(zhuǎn)移矩(Spin Transfer Torque，STT)實(shí)現(xiàn)寫入操作，自旋轉(zhuǎn)移矩由流經(jīng)磁性隧道結(jié)的電流產(chǎn)生，被寫入的數(shù)據(jù)狀態(tài)取決于電流的方向。但是，自旋轉(zhuǎn)移矩需要較長的初始延遲(Incubation delay)，雖然提高寫入電流能夠減小初始延遲，但同時增加了隧道結(jié)勢壘擊穿的概率。近期，自旋軌道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出以解決自旋轉(zhuǎn)移矩固有的寫入速度瓶頸和勢壘擊穿問題。

為產(chǎn)生自旋軌道矩，可在磁性隧道結(jié)的鐵磁存儲層下方增加一層重金屬條狀薄膜。流經(jīng)重金屬的電流可通過自旋霍爾效應(yīng)(Spin Hall effect,SHE)或拉什巴效應(yīng)(Rashba effect)產(chǎn)生自旋軌道矩。如果磁性隧道結(jié)具有面內(nèi)磁各向異性(In-plane Magnetic Anisotropy,IMA)，則僅靠該自旋軌道矩即可實(shí)現(xiàn)鐵磁存儲層的磁化翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成磁性隧道結(jié)的數(shù)據(jù)寫入。因此，自旋軌道矩可實(shí)現(xiàn)低功耗的寫入操作。

但是，無論采用自旋轉(zhuǎn)移矩或者自旋軌道矩實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)的數(shù)據(jù)寫入，均需要產(chǎn)生雙向電流，寫入電路的設(shè)計(jì)和控制較為復(fù)雜，芯片的面積較大，制造工藝和成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一、發(fā)明目的：

針對上述背景中提到的磁性隧道結(jié)寫入技術(shù)所面臨的電路設(shè)計(jì)難度、控制復(fù)雜度、芯片面積、制造工藝和成本等問題，本發(fā)明提出了一種低功耗磁性存儲單元，它采用單向電流寫入數(shù)據(jù)，簡化了寫入電路的設(shè)計(jì)和控制，提高了電路集成度并降低工藝制造成本。

二、技術(shù)方案：

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種低功耗磁性存儲單元，其特征是，該存儲單元從下到上由重金屬條狀薄膜(厚度為0～20nm)，第一鐵磁金屬(厚度為0～3nm)，第一氧化物(厚度為0～2nm)，第二鐵磁金屬(厚度為0～3nm)，第一合成反鐵磁層(厚度為0～20nm)和第一電極(厚度為10～200nm)共六層構(gòu)成。重金屬條狀薄膜的兩端分別鍍有第二電極和第三電極。其中，位于重金屬條狀薄膜上方的五層物質(zhì)構(gòu)成磁性隧道結(jié)；

本發(fā)明所述的存儲單元是通過采用傳統(tǒng)的分子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝制備而成；

本發(fā)明所述的存儲單元中，磁性隧道結(jié)的形狀為長方形(長寬比可以是任意值)或橢圓形(長寬比可以是任意值)；

本發(fā)明所述的存儲單元中，重金屬條狀薄膜為長方形，其頂面積大于磁性隧道結(jié)的底面積，磁性隧道結(jié)的底面形狀完全內(nèi)嵌于重金屬條狀薄膜的頂面形狀之中；

本發(fā)明所述的存儲單元制造流程通過傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)后端工藝集成；

所述重金屬條狀薄膜是指鉑Pt、鉭Ta或鎢W中的一種；

所述第一電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種；

所述第二電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種；

所述第三電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種；

所述第一鐵磁金屬是指混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe中的一種，這些混合金屬材料中各個元素的配比含量可以不同；

所述第一氧化物是指氧化鎂MgO或氧化鋁Al₂O₃，用于產(chǎn)生隧穿磁阻效應(yīng)；

所述第二鐵磁金屬是指混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe中的一種，這些混合金屬材料中各個元素的配比含量可以不同；

所述第一合成反鐵磁層是指如下混合層中的一種：釕Ru、鈷鐵CoFe、鉑錳PtMn混合層或者釕Ru、鈷鐵硼CoFeB、鉑錳PtMn混合層或者釕Ru、鈷鐵CoFe、銥錳IrMn混合層或者釕Ru、鈷鐵硼CoFeB、銥錳IrMn混合層；其中混合金屬材料中各個元素的配比含量可以不同；

本發(fā)明所述的存儲單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)通過磁性隧道結(jié)的電阻值來體現(xiàn)；

本發(fā)明所述的存儲單元的數(shù)據(jù)寫入過程包括兩種情形：第一種情形是磁性隧道結(jié)的電阻由低變高，第二種情形是磁性隧道結(jié)的電阻由高變低。其中第一種情形通過在第二電極和第三電極之間施加單向電流實(shí)現(xiàn)，第二種情形通過在第一電極和第二電極之間或者第一電極和第三電極之間施加單向電流實(shí)現(xiàn)。

三、優(yōu)點(diǎn)及功效:

本發(fā)明提出了一種低功耗磁性存儲單元，相比于傳統(tǒng)的基于雙向?qū)懭腚娏鞯拇判源鎯卧幸韵聝?yōu)勢：

本發(fā)明采用單向電流寫入數(shù)據(jù)，簡化了存儲器和邏輯電路設(shè)計(jì)，提高了電路集成度，降低了存儲單元的功耗，有利于減少工藝的復(fù)雜度和制造成本；

本發(fā)明采用不同的支路寫入數(shù)據(jù)，便于對不同數(shù)據(jù)的寫入操作進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

【附圖說明】

圖1-1為一種低功耗磁性存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1-2為一種低功耗磁性存儲單元結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖(以橢圓形磁性隧道結(jié)為例)。

圖2為一種低功耗磁性存儲單元的數(shù)據(jù)寫入方式示意圖。

圖3-1為一種低功耗磁性存儲單元的寫入操作第一實(shí)施例示意圖。

圖3-2為一種低功耗磁性存儲單元的存儲模式第一實(shí)施例示意圖。

圖4-1為一種低功耗磁性存儲單元的寫入操作第二實(shí)施例示意圖。

圖4-2為一種低功耗磁性存儲單元的存儲模式第二實(shí)施例示意圖。

圖1-1、1-2、2、3-1、3-2、4-1、4-2中的參數(shù)定義為：

1 重金屬條狀薄膜

2 第二電極

3 第三電極

4 第一鐵磁金屬

5 第一氧化物

6 第二鐵磁金屬

7 第一合成反鐵磁層

8 第一電極

W1 在第一電極和第二電極之間的寫入支路

W2 在第一電極和第三電極之間的寫入支路

W3 在第二電極和第三電極之間的寫入支路

I₁ 從第二電極到第一電極的寫入電流(第一實(shí)施例)

I₂ 從第二電極到第三電極的寫入電流(第一實(shí)施例)

R 磁性隧道結(jié)的電阻(第一實(shí)施例)

t 時間

R_H 磁性隧道結(jié)的最大電阻值

R_L 磁性隧道結(jié)的最小電阻值

I_{H_L} 磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第一實(shí)施例)

I_{L_H} 磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第一實(shí)施例)

D_{H_L} 磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第一實(shí)施例)

D_{L_H} 磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第一實(shí)施例)

S4 第三鐵磁金屬

S5 第二氧化物

S6 第四鐵磁金屬

S7 第二合成反鐵磁層

S8 第四電極

I₃ 從第四電極到第一電極的寫入電流(第二實(shí)施例)

I₄ 從第二電極到第三電極的寫入電流(第二實(shí)施例)

M1 第一磁性隧道結(jié)

M2 第二磁性隧道結(jié)

R_M1 第一磁性隧道結(jié)的電阻

R_M2 第二磁性隧道結(jié)的電阻

I_C1 第一磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變，且第二磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第二實(shí)施例)

I_C2 第一磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變，且第二磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第二實(shí)施例)

D_{H_L_M1} 當(dāng)寫入電流從第四電極流向第一電極時，第一磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第二實(shí)施例)

D_{L_H_M2} 當(dāng)寫入電流從第四電極流向第一電極第二時，磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第二實(shí)施例)

D_{H_L_M2} 當(dāng)寫入電流從第二電極流向第三電極時，第二磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第二實(shí)施例)

D_{L_H_M1} 當(dāng)寫入電流從第二電極流向第三電極時，第一磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第二實(shí)施例)

【具體實(shí)施方式】

參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。附圖均為示意圖，其中涉及的各功能層或區(qū)域的厚度非實(shí)際尺寸，工作模式中的電阻和電流值也非實(shí)際值。

在此公開了詳細(xì)的示例性的實(shí)施例，其特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)僅是表示描述示例實(shí)施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實(shí)施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實(shí)施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價物和可替換物。

本發(fā)明提出了一種低功耗磁性存儲單元，既可以用于構(gòu)建磁性隨機(jī)存儲器，也可以用于設(shè)計(jì)磁性邏輯電路。

圖1-1為本發(fā)明一種低功耗磁性存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明一種低功耗磁性存儲單元從下到上由六層物質(zhì)構(gòu)成，依次為：配備雙端電極的重金屬條狀薄膜1，第一鐵磁金屬4，第一氧化物5，第二鐵磁金屬6，第一合成反鐵磁層7及第一電極8；通過采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝來制備該存儲單元；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由磁性隧道結(jié)和重金屬條狀薄膜堆疊而成；重金屬條狀薄膜1的兩端分別鍍有第二電極2和第三電極3。其中，位于重金屬條狀薄膜上方的五層物質(zhì)構(gòu)成磁性隧道結(jié)。

圖1-2為一種低功耗磁性存儲單元結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖；

在該例中，磁性隧道結(jié)被制成橢圓形，長寬比可以是任意值，磁性隧道結(jié)形狀還可以制成長方形(長寬比可以是任意值)，重金屬條狀薄膜制成長方形，其頂面積大于磁性隧道結(jié)的底面積，磁性隧道結(jié)的底面形狀完全內(nèi)嵌于重金屬條狀薄膜的頂面形狀；

圖2為本發(fā)明一種低功耗磁性存儲單元數(shù)據(jù)寫入方式示意圖；

寫入操作有兩種情形：第一種是磁性隧道結(jié)的電阻由低變高，第二種是磁性隧道結(jié)的電阻由高變低。這兩種情形分別通過在兩條不同支路通入電流來實(shí)現(xiàn)，其中一條支路是W1或W2，另一條支路是W3。每一條支路的電流方向有兩種選擇，完整的寫入方式應(yīng)該保證兩條支路能夠分別實(shí)現(xiàn)寫入操作的兩種情形，為此需要為每一條支路選擇固定不變的寫入電流方向，即，兩條支路的寫入電流均是單向的；

圖3-1、3-2為本發(fā)明一種采用單向電流寫入數(shù)據(jù)的磁性存儲單元的第一實(shí)施例示意圖，具體如下：

在該例中，當(dāng)?shù)诙姌O和第一電極之間施加足夠的正向?qū)懭腚娏鲿r，磁性隧道結(jié)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變，如果電流持續(xù)時間足夠長，磁性隧道結(jié)的電阻將達(dá)到并穩(wěn)定在最低值，此時即使減小寫入電流，磁性隧道結(jié)的電阻值也不會改變；

當(dāng)?shù)诙姌O和第三電極之間施加足夠的正向?qū)懭腚娏鲿r，磁性隧道結(jié)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變，如果電流持續(xù)時間足夠長，磁性隧道結(jié)的電阻將達(dá)到并穩(wěn)定在最高值，此時即使減小寫入電流，磁性隧道結(jié)的電阻值也不會改變。

圖4-1、4-2為本發(fā)明一種采用單向電流寫入數(shù)據(jù)的磁性存儲單元的第二實(shí)施例示意圖，具體如下：

在該例中，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2的結(jié)構(gòu)關(guān)于重金屬條狀薄膜完全對稱，二者基于相同的工藝制備，具有完全相同的參數(shù)。即該存儲單元關(guān)于重金屬條狀薄膜1對稱，一側(cè)從下到上依次為：第一鐵磁金屬4，第一氧化物5，第二鐵磁金屬6，第一合成反鐵磁層7及第一電極8；另一側(cè)從上到下依次為：第三鐵磁金屬S4，第二氧化物S5，第四鐵磁金屬S6，第二合成反鐵磁層S7及第四電極S8。

當(dāng)?shù)谒碾姌OS8和第一電極8之間施加足夠的正向?qū)懭腚娏鲿r，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2分別向低阻態(tài)和高阻態(tài)轉(zhuǎn)變，如果電流持續(xù)時間足夠長，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2的電阻將分別達(dá)到并穩(wěn)定在最低值和最高值，此時即使減小寫入電流，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2的電阻值也不會改變；

當(dāng)?shù)诙姌O2和第三電極3之間施加足夠的正向?qū)懭腚娏鲿r，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2分別向高阻態(tài)和低阻態(tài)轉(zhuǎn)變，如果電流持續(xù)時間足夠長，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2的電阻將分別達(dá)到并穩(wěn)定在最高值和最低值，此時即使減小寫入電流，第一磁性隧道結(jié)M1和第二磁性隧道結(jié)M2的電阻值也不會改變。