[发明专利]一种多级单元磁存储结构及其读写方法

说明书

本发明公开一种多级单元磁存储结构及其读写方法，该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；第一磁隧道结的底面形状内含于强自旋轨道耦合材料上表面，第三磁隧道结的底面形状内含于第二磁隧道结上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；第一磁隧道结的自由层与强自旋轨道耦合材料相接触；第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与第一磁隧道结相同。通过对单元结构改进并设计相应的读写方法，本发明在提高存储密度的同时，可减少级间干扰，简化写入步骤，优化器件的读取性能。

【技术领域】

本发明属于自旋存储器技术领域，尤其涉及一种多级单元磁存储结构及其读写方法，用于实现高密度存储。

【背景技术】

基于电子自旋的磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)，具有访问速度快，抗辐射性强以及非易失性等优势而被视为最具潜力的下一代存储器技术。MRAM存储单元的核心器件是磁隧道结(Magnetic tunnel junction,MTJ)，由于受工艺和磁各向异性限制，目前MTJ占用面积较大，导致MRAM存储密度偏低。尽管近些年开始采用垂直磁各向异性MTJ构筑MRAM，提高了存储密度，也仅勉强达Gb容量的水准。

相比之下，NAND闪存技术采用多级单元结构显著提高了存储容量。目前业界普遍采用在每个NAND闪存单元存放两比特(Multi-level cell,MLC)或三比特数据(Triple-level cell,TLC)的多级单元结构，并通过3D堆叠的方法，来获得更高的存储密度和更低的生产成本。TLC更是占据如今低端固态硬盘的主要市场。

类似的多级单元结构也可用于MRAM中。目前学术界关于MTJ多级结构的设计主要有两种：一种是平行型设计，即不同尺寸的MTJ依次排列在同一参考层上；另一种是连续型设计，即各MTJ按大小顺序垂直堆叠。尽管平行型结构在能耗和器件性能方面要优于连续型，但连续型MTJ更易于制造且已有MLC结构被实验证实，因此受到更多研究关注。

然而，对于多级单元磁存储结构而言，其设备性能并没有随存储密度的提升而倍增，原因是多级结构需要更复杂的写入步骤和读取电路。这一缺点在TLC结构中更为明显，在写入方面：级间存在写入干扰，在对较难写入的层级操作时，其他层级可能会被错误地写入，甚至存在击穿风险；写入过程中还存在许多无效、连带的改写，导致能量的浪费。在读取方面：相较于区分单比特两个存储状态，读取TLC的八个不同存储状态将遭受更低的区分度和可靠性；此外，所需参考阻值的产生方式也更加复杂，会占据大量片上空间。

【发明内容】

针对上述背景中提到的传统多级单元磁存储结构在堆叠到三比特时，读写性能进一步恶化的问题，本发明公开了一种多级单元磁存储结构及其读写方法。该结构克服了现有技术的不足，通过对单元结构的改进并设计相应的读写方法，可以减少级间干扰，简化写入步骤，并优化器件的读取性能。

本发明的技术方案是：

一种多级单元磁存储结构，该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，在强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；所述第一磁隧道结的底面形状内含于所述强自旋轨道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道结的底面形状内含于所述第二磁隧道结的上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；所述第一磁隧道结的自由层与所述强自旋轨道耦合材料相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；所述第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结相同。

作为优选的，所述三个磁隧道结阻值R的大小关系具体满足：

R_3H+R_2L+R_1L＞R_3L+R_2H+R_1H