磁性随机存储器记忆单元及其读写和抗干扰方法技术

本发明专利技术提供了一种磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构和自旋阀控制层，堆叠结构包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、中间层和自旋阀层；磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层和自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层位于磁性参考层和磁性记忆层之间且分别与磁性参考层和磁性记忆层相邻；中间层与磁性记忆层相邻；自旋阀层的磁各向异性小于磁性记忆层的磁各向异性；自旋阀层与所述中间层相邻；自旋阀控制层是与堆叠结构相间隔设置的导电层。本发明专利技术还提供了一种上述磁性随机存储器记忆单元的读写和抗干扰方法，以及基于以上设计构思的另一种记忆单元及其读写和抗干扰方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元及其读写和抗干扰方法。
技术介绍
近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)的特性做成磁性随机存储器，即为MRAM(MagneticRandomAccessMemory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻单元的电阻态即可得到存储的信息。已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，MagnetoResistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻单元中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transferTorqueMagneticRandomAccessMemory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的磁性记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由磁性记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻单元的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻单元也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有足够的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。对于垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicularSpin-transferTorqueMagneticRandomAccessMemory)有着上述同样的情况。此外，在pSTT-MRAM中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面，为此在同样的条件下，该器件的尺寸可以做得比面内型器件更小。因为减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。但是小尺度的MTJ元件的图案化会导致MTJ电阻率的高不稳定性，并且需要相对较高的切换电流或记录电压。pSTT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波动，都会导致本应进行读操作的电流，却像写电流一样，改变了MTJ中磁性记忆层的磁化强度方向。因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，我们需要提供一些方法来得到某种结构的pSTT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术提供了一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元，其包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；并且所述磁性随机存储器记忆单元还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。进一步地，所述磁性参考层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结(当所述中间层是金属氧化物)或巨磁阻结构(当所述中间层是非磁性金属)，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。优选地，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻的三分之一。进一步地，所述自旋阀控制层与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述自旋阀控制层和所述自旋阀层相交。进一步地，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。进一步地，作为所述自旋阀层材料的铁磁性合金中至少一种元素为Co、Fe、Ni或B。进一步地，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO。进一步地，作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。进一步地，所述自旋阀控制层包括第一控制层和第二控制层，所述第一控制层和所述第二控制层分别设置在所述自旋阀层的两侧，并且所述第一控制层、所述第二控制层和所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；其特征在于，所述堆叠结构还包括：中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；并且所述磁性随机存储器记忆单元还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。

【技术特征摘要】
1.一种磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表
面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表
面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之
间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
其特征在于，所述堆叠结构还包括：
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁
性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各
向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层
的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；并且
所述磁性随机存储器记忆单元还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是
与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流
经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场
或磁场分量。
2.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述磁性参考
层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、
所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结或巨磁阻结构，所述第二
磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
3.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀控
制层与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表
面相平行的平面，所述平面分别与所述自旋阀控制层和所述自旋阀层相交。
4.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀层
的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。
5.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，作为所述自旋
阀层材料的铁磁性合金中至少一种元素为Co、Fe、Ni或B。
6.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，作为所述中间
层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO；作为所述中间层材料的非磁
性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
7.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀控
制层包括第一控制层和第二控制层，所述第一控制层和所述第二控制层分别

\t设置在所述自旋阀层的两侧，并且所述第一控制层、所述第二控制层和所述
自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的
平面，所述平面分别与所述第一控制层、所述第二控制层和所述自旋阀层相
交。
8.一种如权利要求1-6任一所述的磁性随机存储器记忆单元的读写方法，其特
征在于，流经所述自旋阀控制层的电流产生的磁场将所述自旋阀层设置为第
一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所
述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述
磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述
第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁
化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述
第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
9.如权利要求8所述的读写方法，其特征在于，所述写操作中，
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述磁性参考层指向所述自旋阀层时，
在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向反平行于所述磁性参考层
的磁化方向；
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述自旋阀层指向所述磁性参考层时，
在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向平行于所述磁性参考层的
磁化方向。
10.一种如权利要求7所述的磁性随机存储器记忆单元的读写方法，其特征在于，
流经所述第一控制层的电流产生的磁场和流经所述第二控制层的电流产生
的磁场共同作用将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所
述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭一民，陈峻，肖荣福，夏文斌，戴瑾，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31