一种利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器

摘要

本发明属于半导体的技术领域，公开了一种利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器，自上而下包括钉扎层、势垒层和自由层，在所述钉扎层的顶面、自由层的底面分别设置有读操作电极，在所述自由层的左右两端均设置有写操作连接区域，所述写操作连接区域具有钉扎效应，用于存储器写操作时的电连接，所述自由层的磁畴壁左右两侧的磁畴方向相反，且位于左端的写操作连接区域与磁畴壁左侧的磁畴方向一致，位于右端的写操作连接区域与磁畴壁右侧的磁畴方向一致。整体结构简单，效率高，适应性强，极具应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，尤其涉及一种利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器。

背景技术

近年来，随着新型计算机、信息和通信等电子技术的飞速发展，对作为其核心部件的存储器提出了高密度、高速度、高写入效率、高可靠性等高性能要求。自旋转移力矩磁随机存储器(STT-MRAM)集成了可以与动态随机存储器相比拟的高集成度，可以与静态随机存储器相比拟的高速读写能力，以及闪存的非易失性，而且还具有无限次地重复写入的能力，引起国内外半导体公司和相关科研单位的广泛关注和研究。

自旋转移力矩存储器属于磁性存储器的范畴，它通过电流大小改变存储器的状态，通过不同极性的脉冲电压，控制自旋转移力矩翻转存储器内的磁矩方向，考虑到读写过程中的能耗问题，存储器中的势垒层一般比较薄，一般不超过一纳米，使得读写操作的外加电压尽量低，但是其读操作和写操作均采用同一连接端口，同时写入电压和读取电压的数值大小非常接近，导致自由层的自旋方向在读取过程中发生翻转，从而引发误操作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的自旋转移力矩磁随机存储器读写操作共用一个连接端口，很容易造成误操作等缺陷，提供一种利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器，自上而下包括钉扎层、势垒层和自由层，在所述钉扎层的顶面、自由层的底面分别设置有读操作电极，在所述自由层的左右两端均设置有写操作连接区域，所述写操作连接区域具有钉扎效应，用于存储器写操作时的电连接，所述自由层的磁畴壁左右两侧的磁畴方向相反，且位于左端的写操作连接区域与磁畴壁左侧的磁畴方向一致，位于右端的写操作连接区域与磁畴壁右侧的磁畴方向一致。

进一步，所述写操作连接区域暴露在钉扎层、势垒层之外。

进一步，所述钉扎层、势垒层的横截面的长度相同，只有所述写操作连接区域暴露在钉扎层、势垒层之外或者所述写操作连接区域及部分自由层都暴露在钉扎层、势垒层之外。

进一步，所述写操作连接区域采用具有空位结构的磁性材料制成。

进一步，所述写操作连接区域采用与自由层相同的材料制成，但其顶部设置有缺口。

进一步，所述写操作连接区域的底部设置缺口。

进一步，所述缺口设置为方形、圆形或者锥形。

进一步，所述自由层的磁畴壁左右两侧的磁畴方向分别设置为垂直向下和垂直向上，或者水平向左和水平向右。

一种基于上文所述的利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器的读写方法，通过在所述自由层左右两端的写操作连接区域施加不同极性的脉冲电压，向存储器实施写操作；通过在所述钉扎层和自由层的读操作电极施加电压，向存储器实施读操作。

进一步，在所述自由层左右两端的写操作连接区域施加正向极性的脉冲电压，向存储器实施二进制数值0的写操作；在所述自由层左右两端的写操作连接区域施加负向极性的脉冲电压，向存储器实施二进制数值1的写操作。

本发明有益的技术效果在于：

通过在自由层的两端设置具有钉扎效应的写操作连接区域，作为磁畴壁钉扎区域，可以使存储器的读写过程通过不同的端口实现，即通过自由层两端的写操作连接区域进行写操作，通过钉扎层顶面和自由层底面的读操作电极进行读操作，使得写入过程不需要经过势垒层，进一步减小了写操作所需的工作电流。同时，由于读写操作通过不同的端口实现，可以适当增加势垒层的厚度，使得通过读操作电极实施的读操作与写操作所需电压差别变大，读取过程不会改变存储器内的磁畴分布，减少了存储器错误写入的风险，提高存储器性能的稳定性。另外，整体结构简单，效率高，适应性强，极具应用前景。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图一，其中磁畴方向设置为垂直方向；

图2为本发明的总体结构示意图二，其中磁畴方向设置为水平方向；

图3为通过施加+V1脉冲电压对图1所示的存储器进行二进制数值0写操作的示意图；

图4为通过施加V2电压对图3所示的存储器进行读操作的示意图；

图5为通过施加-V1脉冲电压对图1所示的存储器进行二进制数值1写操作的示意图；

图6为通过施加V2电压对图5所示的存储器进行读操作的示意图；

图7为本发明的总体结构示意图三，其中写操作连接区域暴露在钉扎层和势垒层之外；

图8为本发明的总体结构示意图四，其中写操作连接区域设置有缺口；

其中，1-钉扎层，2-势垒层，3-自由层，4-读操作电极，5-写操作连接区域，6-缺口；

图9为本发明的总体结构示意图五，其中写操作连接区域采用具有空位结构的磁性材料制成。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器，利用在自由层的两端设置具有钉扎效应的写操作连接区域，作为磁畴壁钉扎，将写操作与读操作的连接端口区分开来，降低了误操作的风险，同时，进行写操作时，不经过势垒层，进一步降低了写操作的工作电流，从而降低了整个器件的功耗。

具体地，本发明利用磁畴壁钉扎的自旋转移力矩存储器，如图1所示，自上而下包括钉扎层1、势垒层2和自由层3，在钉扎层1的顶面、自由层3的底面分别设置读操作电极4，在自由层3的左右两端均设置写操作连接区域5，该写操作连接区域5具有钉扎效应，用于存储器写操作时的电连接。磁畴壁是相邻磁畴之间逐渐变化的过渡区域，位于该自由层3中心位置的磁畴壁左右两侧的磁畴方向相反，且位于左端的写操作连接区域5与磁畴壁左侧的磁畴方向一致，位于右端的写操作连接区域5与磁畴壁右侧的磁畴方向一致。这样，通过增设具有钉扎效应的写操作连接区域5，将读取操作和写入操作的连接端口分开，同时，还可以根据需要适当地增加势垒层2的厚度，从而使通过读操作电极4实施的读取操作和写入操作所需的工作电压差别开来，减少通过读操作电极4的误操作可能性。本发明的存储器结构与传统磁存储器相比，写入操作不需要经过势垒层2，因此适当地增加势垒层不会增加写入操作所需的工作电压。

该写操作连接区域5可以采用具有钉扎效应的磁性材料制成，可以是硬磁材料，如先按照现有的工艺加工制作钉扎层、势垒层和自由层，然后通过刻蚀掉自由层两端对应写操作连接区域5的位置，将具有钉扎效应的磁性材料填充进入对应位置，形成写操作连接区域5；也可以借助光刻胶或硬掩膜将自由层3中非写操作连接区域遮挡，再向对应的写操作连接区域5通过掺杂等方式，使其具有钉扎效应。当然也可以采用其他可以形成钉扎效应的方式实现写操作连接区域5的制作。

将自由层3中存在磁畴方向变化的过渡区域称为磁畴壁，该磁畴壁左右两侧的磁畴方向分别设置为垂直向下和垂直向上，此时钉扎层1中的磁畴方向只要为垂直方向即可，如图1所示；或者水平向左和水平向右，此时钉扎层1中的磁畴方向只要为水平方向即可，如图2所示，从而为后续的写入和读取操作做好准备。

本发明还提供了一种针对如图1所示的存储器结构的读写方法，进行写入操作时，只需在自由层3左右两端的写操作连接区域5之间施加不同极性的脉冲电压即可；而进行读取操作时，只需在钉扎层1上方和自由层2下方的读操作电极4之间施加电压即可，脉冲电压或者恒定电压都可以，具体过程如下：

存储器的初始状态，如图1所示，自由层3由软磁性材料构成。自由层3中左半边的磁畴方向朝下，右半边的磁畴方向朝上，左端虚线框内是写操作连接区域，具有钉扎效应，可以采用硬磁材料制成，该区域内的磁畴方向与左半边一致，始终朝下；自由层3的右端虚线框内也是写操作连接区域，该区域内的磁畴方向与右半边一致，始终朝上。

如图3所示，在自由层3左右两端的写操作连接区域5施加+V1脉冲电压信号，对存储器执行二进制数值0的写入操作。在自旋转移力矩的作用下，原本位于自由层3中部的磁畴壁会被推到自由层3的右侧虚线框即写操作连接区域5的左侧边缘，由于写操作连接区域5具有钉扎效应，导致磁畴壁停留在写操作连接区域5的左侧边缘，而不会被推出写操作连接区域5的右侧边界。

针对如图3所示的写入状态进行读取时，如图4所示，对存储器的钉扎层1和自由层3上的读操作电极施加V2电压，读取存储器内部的数据。此时虚线框内的磁畴方向是磁性存储器的典型结构，钉扎层1的磁畴方向朝上，自由层3的磁畴方向朝下，两层的磁畴方向反平行排列，此时存储器阻值较大，读取的电流值较小。

如图5所示，在自由层3左右两端的写操作连接区域5施加-V1脉冲电压信号，对存储器执行二进制数据1的写入操作。而-V1脉冲电压和+V1脉冲电压的区别是：极性相反，即电流方向相反。在自旋转移力矩的作用下，原本位于自由层3右部的磁畴壁会被推到自由层的左侧虚线框内即写操作连接区域5右侧边缘，由于自由层3左端的写操作连接区域5具有钉扎效应，导致磁畴壁停留在该写操作连接区域5的右侧边缘，而不会被推出写操作连接区域5的左侧边界。

针对如图5所示的写入状态进行读取时，如图6所示，对存储器的钉扎层1和自由层3上的读操作电极施加V2电压，读取存储器内部的数据。虚线框内的磁畴方向也是磁性存储器的典型结构，钉扎层1的磁畴方向朝上，自由层3的磁畴方向朝上，两层的磁畴方向平行排列，此时存储器阻值较小，读取的电流值较大。

针对自由层3磁畴壁两侧的磁畴方向设置为水平向左和水平向右的存储器，如图2所示，其读取和写入操作如上文所述一致。

为了降低工艺工程的复杂度，如图7所示，可以将写操作连接区域5暴露在钉扎层1、势垒层2之外，从而方便后续写操作连接区域5的制作，其读取和写入操作如上文所述一致。

另外，该写操作连接区域5采用与自由层3相同的材料制成，但其上设置有缺口6，如图8所示，该缺口6对称设置再自由层3的两端，可以设置为方形、圆形或者锥形，具体根据实际情况而定，其读取和写入操作如上文所述一致。

最后，还可以将缺口6设置在自由层3的底部，此时，无需将写操作连接区域5暴露在钉扎层1、势垒层2之外，只要按照现有工艺制成钉扎层1、势垒层2和自由层3，然后将器件倒置，利用刻蚀工艺，在自由层3上形成缺口6即可，其读取和写入操作如上文所述一致。

或者该写操作连接区域5采用空位较多的磁性材料，只要空位超过一定阈值，使其具有钉扎效应，能够起到钉扎磁畴壁的作用即可，此时可以将写操作连接区域5暴露在钉扎层1、势垒层2之外，那么先将自由层3的两端利用刻蚀工艺去掉，再用空位较多的具体钉扎效果的磁性材料填充即可，如图9所示，当然也可以不将写操作连接区域5暴露在钉扎层1、势垒层2之外，只要按照现有工艺制成钉扎层1、势垒层2和自由层3，然后将器件倒置，利用刻蚀工艺将自由层3的两端利用刻蚀工艺去掉，再用空位较多的具体钉扎效果的磁性材料填充即可，其读取和写入操作如上文所述一致。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。