[发明专利]一种低功耗磁性多阻态存储单元

说明书

本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元，从下到上由厚度为0～20nm的反铁磁条状薄膜，厚度为0～3nm的第一铁磁金属，厚度为0～2nm的第一氧化物，厚度为0～3nm的第二铁磁金属，厚度为0～20nm的第一合成反铁磁层和厚度为10～200nm第一电极构成；反铁磁条状薄膜两端分别镀有第二电极和第三电极；位于反铁磁条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。本发明可实现多阻态存储，其应用不再仅限于单比特存储和逻辑运算领域，可推广至类脑计算等领域；采用单向电流写入数据，简化存储器和逻辑电路设计，提高电路集成度，降低存储单元的功耗，有利于减少工艺的复杂度和制造成本；采用不同的支路写入数据，便于对不同数据的写入操作进行独立的优化和设计。

【技术领域】

本发明涉及一种低功耗磁性多阻态存储单元，属于非易失性存储和逻辑技术领域。

【背景技术】

新兴的非易失性存储技术能够使存储数据掉电不丢失，因而有望解决传统的基于互补金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺的存储器和逻辑电路所面临的日益严峻的静态功耗问题。其中，基于磁性隧道结(MagneticTunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)因具有高密度、高读写速度、低读写电压和无限制写入次数等优势而被证明是最具潜力的通用存储器。它不仅有望取代传统的静态随机存储器(Static random access memory,SRAM)和动态随机存储器(Dynamic random access memory,DRAM)，还可以应用于非易失性逻辑电路的设计。目前，磁性隧道结普遍采用自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)实现写入操作，自旋转移矩由流经磁性隧道结的电流产生，被写入的数据状态取决于电流的方向。但是，自旋转移矩需要较长的初始延迟(Incubation delay)，虽然提高写入电流能够减小初始延迟，但同时增加了隧道结势垒击穿的概率。近期，自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出以解决自旋转移矩固有的写入速度瓶颈和势垒击穿问题。

为产生自旋轨道矩，可在磁性隧道结的铁磁存储层下方增加一层重金属条状薄膜，流经该层薄膜的电流可通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect,SHE)或拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋轨道矩以实现相邻铁磁存储层的磁化翻转，进而完成磁性隧道结的数据写入。如果磁性隧道结具有垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy，PMA)，则磁化翻转的延迟可降至几百皮秒，写入速度大幅提高，但是需要沿电流方向额外施加一个磁场。实验证实，该磁场可由反铁磁交换偏置场(Exchange bias)提供，为此，需要将重金属薄膜替换为具有强自旋轨道耦合作用的反铁磁材料，而且，利用反铁磁材料提供自旋轨道矩，还可以使磁性隧道结在写入过程中呈现多阻态特征，有望被应用于类脑计算领域。

但是，无论采用自旋转移矩或者自旋轨道矩完成磁性隧道结的数据写入，均需要产生双向电流，写入电路的设计和控制较为复杂，芯片的面积较大，制造工艺和成本较高。

【发明内容】

一、发明目的：

针对上述背景中提到的磁性隧道结写入技术所面临的电路设计难度、控制复杂度、芯片面积、制造工艺和成本等问题，本发明提出了一种低功耗磁性多阻态存储单元。它的存储阻态可以连续调节，并采用单向电流写入数据，简化了磁性存储单元写入电路的设计和控制，提高了电路集成度并降低工艺制造成本。

二、技术方案：