差分存储单元、多阻态存储单元及磁性存储器

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种差分存储单元、多阻态存储单元及磁性存储器。

背景技术

自旋轨道转矩磁性存储器(SOT-MRAM)是将来比较有前景的存储器件之一，因为其具有非易失性，擦写速度快且功耗低。

SOT-MRAM存储单元由磁性隧道结(MTJ)和自旋轨道矩产生层组成。MTJ包括自由层、势垒层、参考层。参考层磁化方向固定，自由层磁化方向可变。当自由层和参考层平行，MTJ表现为低阻态；当自由层和参考层反平行，MTJ表现为高阻态。自旋轨道矩产生层一般采用重金属，当电流流经重金属，SOT(自旋轨道转矩)效应使自由层磁矩发生偏转，再通过外磁场的辅助，可以实现自由层磁矩的确定性翻转。

为了提高数据的可靠性以及实现更多场景应用，可以将SOT-MRAM存储单元设计成差分形式或者多阻态形式。因此如何改进差分存储单元和多阻态存储单元的结构成为业内比较关注的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种差分存储单元和多阻态存储单元，利用磁性隧道结的非对称形状各向异性，来实现数据的差分存储和多阻态存储。

一方面，本发明提供一种基于自旋轨道矩的差分存储单元，包括：

自旋轨道矩产生层；

两个磁性隧道结，保持一定间隔地并列设置于所述自旋轨道矩产生层的同一侧表面，两个所述磁性隧道结的截面形状均为优弧弓形，且优弧弓形的弦的方向保持平行，其中每个磁性隧道结均包括自由层、势垒层和参考层，所述自由层靠近自旋轨道矩产生层，所述自由层和所述参考层均为垂直磁化；

第一端子和第二端子，从所述自旋轨道矩产生层引出，用于在所述自旋轨道矩产生层中形成第一写电流，所述第一写电流的方向与两个所述磁性隧道结的优弧弓形的弦的方向平行。

可选地，还包括一晶体管，所述第一端子与写位线连接，所述第二端子与所述晶体管的漏极连接，所述晶体管的源极与源线连接，所述晶体管的栅极与字线连接。

可选地，还包括：第三端子和第四端子，分别从两个所述磁性隧道结的顶端引出，并各自与一条读位线连接。

可选地，两个所述磁性隧道结水平排列，并保持优弧弓形的弧相对，或者，两个所述磁性隧道结水平排列，并保持优弧弓形的弦相对。

可选地，两个所述磁性隧道结竖直排列，并保持优弧弓形的弦朝向不同的方向。

另一方面，本发明提供一种基于自旋轨道矩的多阻态存储单元，包括：

自旋轨道矩产生层；

两个磁性隧道结，保持一定间隔地并列设置于所述自旋轨道矩产生层的同一侧表面，两个所述磁性隧道结的截面形状均为优弧弓形，且优弧弓形的弦的方向保持平行，其中每个磁性隧道结均包括自由层、势垒层和参考层，所述自由层靠近自旋轨道矩产生层，所述自由层和所述参考层均为垂直磁化；

第五端子和第六端子，从所述自旋轨道矩产生层引出，用于在所述自旋轨道矩产生层中形成第二写电流，所述第二写电流的方向与两个所述磁性隧道结的优弧弓形的弦的方向垂直。

可选地，还包括一开关和一写控制晶体管，所述第五端子通过所述开关与写位线连接，所述第六端子与所述写控制晶体管的漏极连接，所述写控制晶体管的源极与源线连接，所述写控制晶体管的栅极与写字线连接。

可选地，还包括：第七端子、第八端子和一读控制晶体管，分别从两个所述磁性隧道结的顶端引出，其中所述第七端子与读位线连接，所述第八端子与所述读控制晶体管的漏极连接，所述读控制晶体管的源极与源线连接，所述读控制晶体管的栅极与读字线连接。

可选地，两个所述磁性隧道结水平排列，并保持优弧弓形的弧相对，或者，两个所述磁性隧道结水平排列，并保持优弧弓形的弦相对。

可选地，两个所述磁性隧道结竖直排列，并保持优弧弓形的弦朝向不同的方向。

另一方面，本发明提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述基于自旋轨道矩的差分存储单元。

另一方面，本发明提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述基于自旋轨道矩的多阻态存储单元。

本发明提供的差分存储单元、多阻态存储单元和磁性存储器，利用磁性隧道结的非对称形状各向异性，通过两个磁性隧道结排列方式不同，施加不同方向的电流，来实现数据的差分存储或者实现多阻态存储。并且不需要设置外部磁场辅助磁矩翻转，也无需设置额外的偏置层，可以简化阵列排布结构，提高集成度。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的差分存储单元的立体视图；

图2为图1所示的差分存储单元的俯视图；

图3为图1所示的差分存储单元的侧视图；

图4为图1所示的差分存储单元的读写电路示意图；

图5为图1所示的差分存储单元MTJ

图6为图1所示的差分存储单元每隔4ns电流密度变化时，MTJ

图7为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的差分存储单元的俯视图；

图8为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的差分存储单元的俯视图；

图9为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的差分存储单元的俯视图；

图10为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的多阻态存储单元的立体视图；

图11为图10所示的多阻态存储单元的俯视图；

图12为图10所示的多阻态存储单元的侧视图；

图13为图10所示的多阻态存储单元的读写电路示意图；

图14为图10所示的多阻态存储单元MTJ

图15为图10所示的多阻态存储单元每隔3ns电流密度变化时，MTJ

图16为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的多阻态存储单元的俯视图；

图17为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的多阻态存储单元的俯视图；

图18为本发明一实施例的基于自旋轨道矩的多阻态存储单元的俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是本发明一实施例提供的一种基于自旋轨道矩的差分存储单元的立体视图。另外，图2和图3分别为差分存储单元对应的俯视图和侧视图。

参考图1至图3，该差分存储单元包括自旋轨道矩产生层101和两个磁性隧道结MTJ

另外，从自旋轨道矩产生层101引出两个连接端子，记为第一端子D1和第二端子D2，D1和D2用于在自旋轨道矩产生层101中形成第一写电流，该第一写电流的方向与两个磁性隧道结MTJ

进一步地，图4是基于图2所示俯视图的一个扩展，图4中加入了差分存储单元的相关写电路和读电路。参考图4，关于写电路，差分存储单元还包括一晶体管M1，第一端子D1与写位线WBL连接，第二端子D2与M1的漏极连接，M1的源极与源线SL连接，M1的栅极与字线WL连接。关于读电路，从磁性隧道结MTJ

下面简单介绍一下本发明实施例的差分存储单元的读写过程。仍然参考图4，写操作时，字线WL通电，晶体管M1导通，写位线WBL通电，源线SL接地，写电流沿y方向穿过自旋轨道矩产生层101。读操作时，字线WL通电，晶体管M1导通，源线SL通电，灵敏放大器SA通过读位线RBL1、RBL2读取数据。

具体地，图5示出了本发明实施例提供的差分存储单元MTJ

图6示出了本发明实施例提供的差分存储单元每隔4ns电流密度变化时，MTJ

另外说明的是，在上述实施例中，两个磁性隧道结MTJ

上面给出的差分存储单元，两个磁性隧道结不论是水平排列还是竖直排列，都是对齐的。但实际应用中，两个磁性隧道结也不是必须要保证对齐的，即使不对齐，位置上有一定的错开，同样可以实现本发明。但排列方式不论如何改变，有一点是确定的，需要保证自旋轨道矩产生层中流过的写电流的方向与两个磁性隧道结的弦的方向是平行的。

本发明实施例提供的一种基于自旋轨道矩的差分存储单元，两个磁性隧道结的截面形状设计成优弧弓形，并保证写电流的方向与两个磁性隧道结的优弧弓形的弦的方向平行，利用磁性隧道结的非对称形状各向异性，来实现差分存储。并且不需要设置外部磁场辅助磁矩翻转，也无需设置额外的偏置层，可以简化阵列排布结构，提高集成度。

另一方面，图10是本发明一实施例提供的一种基于自旋轨道矩的多阻态存储单元的立体视图。另外，图11和图12分别为多阻态存储单元对应的俯视图和侧视图。

参考图10至图12，该多阻态存储单元包括自旋轨道矩产生层201和两个磁性隧道结MTJ

另外，从自旋轨道矩产生层201引出两个连接端子，记为第五端子D5和第六端子D6，D5和D6用于在自旋轨道矩产生层201中形成第二写电流，该第二写电流的方向与两个磁性隧道结MTJ

进一步地，图13是基于图11所示俯视图的一个扩展，图13中加入了多阻态存储单元的相关写电路和读电路。参考图13，关于写电路，多阻态存储单元还包括一开关S和一写控制晶体管M2，第五端子D5通过开关S与写位线WBL连接，第六端子D6与写控制晶体管M2的漏极连接，M2的源极与源线SL连接，M2的栅极与写字线WWL连接。关于读电路，设置一读控制晶体管M3，从磁性隧道结MTJ

下面简单介绍一下本发明实施例的多阻态存储单元的读写过程。仍然参考图13，写操作时，开关S闭合，WBL通电，字线WWL通电，M2导通，源线接地，写电流沿x方向穿过自旋轨道矩产生层201。读操作时，开关S断开、字线WWL断开，M2断开，RWL通电，M3导通，电流从MTJ

具体地，图14示出了本发明实施例提供的多阻态存储单元MTJ

图15示出了本发明实施例提供的多阻态存储单元每隔3ns电流密度变化时，MTJ

另外说明的是，在上述实施例中，两个磁性隧道结MTJ

上面给出的多阻态存储单元，两个磁性隧道结不论是水平排列还是竖直排列，都是对齐的。但实际应用中，两个磁性隧道结也不是必须要保证对齐的，即使不对齐，位置上有一定的错开，同样可以实现本发明。但排列方式不论如何改变，有一点是确定的，需要保证自旋轨道矩产生层中流过的写电流的方向与两个磁性隧道结的弦的方向是垂直的。

本发明实施例提供的一种基于自旋轨道矩的多阻态存储单元，两个磁性隧道结的截面形状设计成优弧弓形，并保证写电流的方向与两个磁性隧道结的优弧弓形的弦的方向垂直，利用磁性隧道结的非对称形状各向异性，来实现多阻态存储。并且不需要设置外部磁场辅助磁矩翻转，也无需设置额外的偏置层，可以简化阵列排布结构，提高集成度。

另一方面，本发明实施例还提供一种磁性存储器，该磁性存储器包括上述基于自旋轨道矩的差分存储单元。

另一方面，本发明实施例还提供一种磁性存储器，该磁性存储器包括上述基于自旋轨道矩的多阻态存储单元。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。