本发明涉及一种磁性存储器的数据写入方法，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是解决深亚微米下集成电路的高静态功耗问题的有效方案之一。其中，基于磁隧道结(magnetictunneljunction,mtj)的磁性随机访问存储器(magneticrandomaccessmemory,mram)因其具有高速读写、低写入电流、几乎无限的写入次数和良好的工艺兼容性等优势而有望成为下一代通用非易失性存储器。长期以来，写入机制一直是限制mram发展的主要技术瓶颈。早期的mram利用磁场实现数据写入，然而，为产生合适大小的磁场，通常需要毫安级的写入电流，功耗较高。而且，随着存储单元mtj的尺寸缩小，磁场写入方式所需的电流难以相应地减小，不利于高密度mram的实现。因此，纯电学写入方式逐渐被新型的mram所采用。
目前，mram的主流电学写入方式包括自旋转移矩(spintransfertorque,stt)和自旋轨道矩(spinorbittorque,sot)两种。其中，stt-mram已逐渐实现商用化，sot-mram仍处于学术研究阶段。这两种写入方式各有优劣，均难以成为完美通用的解决方案。stt-mram的写入操作只需一个双向电流，但是写入电流经过氧化物势垒层，容易造成器件击穿，而且，写入电流与读取电流共用同一路径，读写性能互相影响。此外，stt-mram的写入过程主要靠热波动激发，需要较长的初始延迟(incubationdelay)，写入速度受到限制。sot-mram可实现读写路径彼此分离，减小了势垒击穿的风险，并且有利于读写性能分别独立优化。然而，sot-mram的存储单元具有三个端口，通常需要配备两个访问控制晶体管，严重限制了存储密度。
技术实现要素：
一、发明目的：
针对上述背景中提到的磁性随机存取存储器写入方式所面临的问题，尤其是自旋转移矩和自旋轨道矩在器件可靠性、写入功耗和存储密度等方面的弊端，本发明提出了一种新型的磁性存储器的数据写入方法。它结合自旋转移矩和自旋轨道矩的优点，解决上述弊端，优化存储器的性能。
二、技术方案：
本发明的技术方案是，一种磁性存储器的数据写入方法，其适用于磁性存储器件，该磁性存储器件具体包括：在一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上制造一个或多个磁隧道结，每个磁隧道结代表一个存储位元，其数据状态通过磁隧道结的电阻值来体现。该重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极。该磁隧道结从下到上由第一铁磁金属，第一氧化物，第二铁磁金属，第一合成反铁磁层和第x顶端电极共五层构成，其中x的值为磁隧道结所代表的存储位元编号。
磁隧道结的电阻值取决于第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向。如果第一铁磁金属与第二铁磁金属的磁化方向一致，则磁隧道结的电阻值较小，称此时的磁隧道结处于低阻态。反之，若二者方向相反，则磁隧道结的电阻值较大，磁隧道结处于高阻态。
作为优选，第二铁磁金属的磁化方向固定不变，第一铁磁金属的磁化方向能够通过写入操作被改变。
本发明所述的磁性存储器的数据写入方法，依靠自旋轨道矩和自旋转移矩两种效应。其中自旋轨道矩通过在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜施加电流而产生，自旋转移矩通过在磁隧道结施加电流而产生。
以第x磁隧道结的写入过程为例，本发明所述的磁性存储器的数据写入方法的操作流程可按照时间顺序分为如下四步：
第一步在第一底端电极和第二底端电极之间施加电流，称为自旋轨道矩写入电流，所产生的自旋轨道矩将对所有磁隧道结的第一铁磁金属的磁化状态形成扰动，但不足以使其发生磁化翻转。
第二步根据待写入的数据值在第一底端电极和第x顶端电极之间或者第x顶端电极和第二底端电极之间施加写入电流，称为自旋转移矩写入电流，所产生的自旋转移矩将引起第x磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向的改变或不变，从而实现特定数据值的写入。所写入的数据状态取决于自旋转移矩写入电流的方向。
第三步将自旋轨道矩写入电流撤除，仅存的自旋转移矩写入电流继续完成并保证可靠的写入操作。
第四步将自旋转移矩写入电流撤除，第x磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向被改变或不变，第x磁隧道结的电阻值相应地被改变或不变，其他磁隧道结的电阻值不变，写入操作结束。
由以上流程可以看出，本发明所述的磁性存储器的数据写入方法，需要使用两个电流完成一次完整的写入操作。值得强调的是，上述两个电流(自旋轨道矩写入电流及自旋转移矩写入电流)的大小必须均小于各自的开关阈值。因此，如果有且仅有其中一个电流被使用，磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向只会产生微小的扰动，但不会被翻转，磁隧道结的电阻值也不会发生改变。如果要改变某个磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向，必须同时使用上述两个电流，进而完成磁隧道结的数据写入过程。
三、优点及功效：
本发明提出了一种磁性存储器的数据写入方法，相比于标准的自旋转移矩和自旋轨道矩写入方式，有以下优势：
本发明将多个磁隧道结制造于同一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜之上，与采用三端口磁隧道结的自旋轨道矩磁性存储器相比，减小了访问控制晶体管的数量，有利于提高集成度。
本发明所述方案中，用于产生自旋转移矩的电流值远小于标准自旋转移矩磁存储器所使用的电流值，其原因在于自旋轨道矩的辅助效应。因此，本发明所述方案中，流经磁隧道结的电流显著减小，势垒击穿的风险得以降低，有助于提高器件的可靠性。
本发明所述方案的数据写入速度比标准的自旋转移矩写入方式更高，可归因于初始延迟的消除。本发明所述方案中，自旋轨道矩对磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向形成扰动，因此，自旋转移矩效应更强，磁化方向能够快速翻转，无需初始延迟。
本发明所述方案中，写入电流容易控制，只需保证所需的两条电流在时间上有足够的重叠即可，对电流脉冲的上升时间、下降时间以及接续过程等均无严格的要求。
【附图说明】
图1为本发明所使用的一种器件结构示意图。
图2为本发明所使用的一种器件结构实施例示意图(以圆形磁隧道结为例)。
图3为本发明一种磁性存储器的数据写入方法示意图。
图4为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述只在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜通入电流的情形。
图5为图4实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。
图6为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述磁隧道结和部分重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜通入电流的情形。
图7为图6实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。
图8为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述磁隧道结的低阻态写入过程。
图9-1和图9-2为图8实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图9-1对应于磁隧道结初始态为高阻态的情形，图9-2对应于磁隧道结初始态为低阻态的情形。
图10为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述磁隧道结的高阻态写入过程。
图11-1和图11-2为图10实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图11-1对应于磁隧道结初始态为低阻态的情形，图11-2对应于磁隧道结初始态为高阻态的情形。
图1～11中的参数定义为：
1重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜
2第一底端电极
3第二底端电极
4第一铁磁金属
5第一氧化物
6第二铁磁金属
7第一合成反铁磁层
8第一顶端电极
9第二顶端电极
x第x顶端电极
w1在第一底端电极和第二底端电极之间的写入支路
w2在第一底端电极和第二顶端电极之间的写入支路
w3在第二底端电极和第二顶端电极之间的写入支路
i1从第一底端电极到第二底端电极的写入电流
i2从第一底端电极到第二顶端电极的写入电流
i3从第一底端电极到第二底端电极的写入电流
i4从第一底端电极到第二顶端电极的写入电流
i5从第一底端电极到第二底端电极的写入电流
i6从第二顶端电极到第二底端电极的写入电流
b1第一磁隧道结
b2第二磁隧道结
bx第x磁隧道结
rb1第一磁隧道结的电阻
rb2第二磁隧道结的电阻
rbx第x磁隧道结的电阻
t时间
ti相应的时刻，其中i＝1，2，3...14
rh磁隧道结的最大电阻值
rl磁隧道结的最小电阻值
ic_sot当仅利用自旋轨道矩实现磁隧道结的状态写入时所需要的写入电流值
ic_stt当仅利用自旋转移矩实现磁隧道结的状态写入时所需要的写入电流值
【具体实施方式】
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，工作模式中的电阻和电流值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种磁性存储器的数据写入方法，既可以用于构建磁性随机存取存储器，也可以用于设计磁性逻辑电路。
图1为本发明所使用的一种器件结构示意图。
本发明所使用的器件结构包括多个磁隧道结b1～bx(分别称为第一磁隧道结b1、第二磁隧道结b2，以此类推，第x磁隧道结bx)和一个配备第一底端电极2和第二底端电极3的重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1。磁隧道结b1～bx被制造于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的上方。每个磁隧道结代表一个存储位元。
磁隧道结b1～bx由五层物质构成，包括第一铁磁金属4，第一氧化物5，第二铁磁金属6，第一合成反铁磁层7及第一顶端电极8、第二顶端电极9或第x顶端电极x。
本发明所使用的器件是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成。
本发明所使用的器件制造流程通过传统的半导体生产后端工艺集成。
作为优选，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1的厚度为0～20nm。
作为优选，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1为长方形，其顶面积大于磁隧道结b1～bx的底面积，磁隧道结b1～bx的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1的顶面形状之中。
作为优选，磁隧道结b1～bx的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)。
作为优选，第一铁磁金属4的厚度为0～3nm，第一氧化物5的厚度为0～2nm，第二铁磁金属6的厚度为0～3nm，第一合成反铁磁层7的厚度为0～20nm，第一顶端电极8、第二顶端电极9或第x顶端电极x的厚度为10～200nm。
作为优选，所述重金属条状薄膜1是指铂pt、钽ta或钨w中的一种。
作为优选，所述反铁磁条状薄膜1是指化合物铱锰irmn或铂锰ptmn中的一种，这些化合物中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，所述第一顶端电极8、第二顶端电极9或第x顶端电极x是指钽ta、铝al或铜cu中的一种。
作为优选，所述第一底端电极2是指钽ta、铝al或铜cu中的一种。
作为优选，所述第二底端电极3是指钽ta、铝al或铜cu中的一种。
作为优选，所述第一铁磁金属4是指混合金属材料钴铁cofe、钴铁硼cofeb或镍铁nife中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，所述第一氧化物5是指氧化镁mgo或氧化铝al2o3中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。
作为优选，所述第二铁磁金属6是指混合金属材料钴铁cofe、钴铁硼cofeb或镍铁nife中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，所述第一合成反铁磁层7，是指如下混合层中的一种：由钽ta/钴铂多层膜[co/pt]n/钌ru/钴铂多层膜[co/pt]m构成的混合层，或者由钽ta/钴钯多层膜[co/pd]n/钌ru/钴钯多层膜[co/pd]m构成的混合层，或者由钌ru/钴铁cofe/铂锰ptmn构成的混合层，或者由钌ru/钴铁硼cofeb/铂锰ptmn构成的混合层，或者由钌ru/钴铁cofe/铱锰irmn构成的混合层，或者由钌ru/钴铁硼cofeb/铱锰irmn构成的混合层；即ta/[co/pt]n/ru/[co/pt]m，或ta/[co/pd]n/ru/[co/pd]m，或ru/cofe/ptmn，或ru/cofeb/ptmn，或ru/cofe/irmn，或ru/cofeb/irmn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同。
图2为本发明所使用的一种器件结构实施例示意图。
在该例中，磁隧道结b1～bx被制成圆形，磁隧道结b1～bx的形状还可以制成正方形、长方形(长宽比可以是任意值)或椭圆形(长宽比可以是任意值)，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1被制成长方形，其顶面积大于磁隧道结b1～bx的底面积，磁隧道结b1～bx的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1的顶面形状。
图3为本发明一种磁性存储器的数据写入方法示意图。描述了写入电流可使用的路径以及方向(以磁隧道结b2的写入操作为例)。
写入操作分四步进行：第一步在支路w1(即第一底端电极和第二底端电极之间)通入电流，以产生自旋轨道矩，对所有磁隧道结b1～bx的第一铁磁金属4的磁化方向形成扰动，但不足以使其发生磁化翻转；第二步在支路w2(第一底端电极和第二顶端电极之间)或w3(第二底端电极和第二顶端电极之间)通入电流，以产生自旋转移矩，使第二磁隧道结b2的第一铁磁金属4的磁化方向逐渐改变或不变，该磁化方向是否改变取决于待写入的数据状态，也取决于支路w2或w3所通入的电流方向；第三步撤除支路w1的电流，支路w2或w3仍存在写入电流，以便于自旋转移矩继续完成可靠的数据写入；第四步撤除支路w2和w3的电流，第二磁隧道结b2的第一铁磁金属4的磁化方向发生翻转或不变，第二磁隧道结b2的电阻相应地发生改变或不变，其余磁隧道结(包括b1和bx)的电阻不发生改变，写入操作结束。
图4为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述在第一底端电极2和第二底端电极3之间施加电流的情形。电流只经过重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1。图5为图4实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。
在该例中，在初始时刻第一磁隧道结b1、第二磁隧道结b2和第x磁隧道结bx分别处于低阻态、高阻态和低阻态。从时刻t1开始，在第一底端电极2和第二底端电极3之间施加写入电流i1，电流值要求满足i1＜ic_sot，在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1上的所有磁隧道结(包括b1、b2和bx)的电阻值开始产生微小的变化。直到时刻t2，写入电流i1被撤除，所有磁隧道结(包括b1、b2和bx)的电阻值逐渐恢复至初始值。通过该实施例的操作，没有任何磁隧道结的电阻值被改变。
图6为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述在第一底端电极2和第二顶端电极9之间施加电流的情形。电流只经过重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1的一部分和第二磁隧道结b2。图7为图6实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。
在该例中，在初始时刻第一磁隧道结b1、第二磁隧道结b2和第x磁隧道结bx分别处于低阻态、高阻态和低阻态。从时刻t3开始，在第一底端电极2和第二顶端电极9之间施加写入电流i2，电流值要求满足i2＜ic_stt，第一磁隧道结b1和第二磁隧道结b2的电阻值开始产生微小的变化，第x磁隧道结bx的电阻不变。直到时刻t4，写入电流i2被撤除，第一磁隧道结b1和第二磁隧道结b2的电阻值逐渐恢复至初始值。通过该实施例的操作，没有任何磁隧道结的电阻值被改变。
在实际使用时，写入电流的路径和方向取决于待写入的数据状态，将在以下两个实施例(分别见附图8和附图10)中详细阐述。
图8为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述将第二磁隧道结b2的低阻态写入过程。图9-1和图9-2为图8实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图9-1对应当第二磁隧道结b2的初始状态为高阻态的情形，图9-2对应于当第二磁隧道结b2的初始状态为低阻态的情形。
在该例中，在初始时刻第一磁隧道结b1和第x磁隧道结bx均处于低阻态。在t5～t6时间内，写入操作的第一步被执行。在第一底端电极2和第二底端电极3之间施加写入电流i3，电流值要求满足i3＜ic_sot，在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1上的所有磁隧道结(包括b1、b2和bx)的电阻值产生微小的变化，此时如果撤除写入电流i3，所有磁隧道结(包括b1、b2和bx)的电阻值将恢复至初始值。
在t6～t7时间内，写入操作的第二步被执行。在第一底端电极2和第二顶端电极9之间施加写入电流i4，电流值要求满足i4＜ic_stt。除了第二磁隧道结b2以外的其他磁隧道结(包括b1和bx)的电阻值产生微小的变化，但不足以引起状态翻转。如果第二磁隧道结b2的初始态为高阻态，则它的电阻值将逐渐减小(对应于图9-1)，反之，如果第二磁隧道结b2的初始态为低阻态，则它的电阻值将发生微小的变化(对应于图9-2)。
在t7～t8时间内，写入操作的第三步被执行。在第一底端电极2和第二底端电极3之间的写入电流i3被撤除，在第一底端电极2和第二顶端电极9之间的写入电流i4保持不变。第一磁隧道结b1的电阻值产生微小的变化，但不足以引起状态翻转。第x磁隧道结bx的电阻值将恢复至初始值。如果第二磁隧道结b2的初始态为高阻态，则它的电阻值将逐渐减小至最低值(对应于图9-1)，反之，如果第二磁隧道结b2的初始态为低阻态，则它的电阻值将产生微小的变化(对应于图9-2)。
在t8～t9时间内，写入操作的第四步被执行。在第一底端电极2和第二顶端电极9之间的写入电流i4被撤除，第二磁隧道结b2的电阻值将稳定在最低值，第一磁隧道结b1的电阻值将恢复至初始值，第x磁隧道结bx的电阻值将稳定在初始值。
通过t5～t9时间内的四步操作，第二磁隧道结b2实现了低阻态的写入，其他磁隧道结(包括b1和bx)仍处于初始状态。
图10为本发明一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述第二磁隧道结b2的高阻态写入过程。图11-1和图11-2为图10实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图11-1对应当第二磁隧道结b2的初始状态为低阻态的情形，图11-2对应于当第二磁隧道结b2的初始状态为高阻态的情形。
在该例中，在初始时刻第一磁隧道结b1和第x磁隧道结bx均处于低阻态。在t10～t11时间内，写入操作的第一步被执行。在第一底端电极2和第二底端电极3之间施加写入电流i5，电流值要求满足i5＜ic_sot，在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1上的所有磁隧道结(包括b1、b2和bx)的电阻值产生微小的变化，此时如果撤除写入电流i5，所有磁隧道结(包括b1、b2和bx)的电阻值将恢复至初始值。
在t11～t12时间内，写入操作的第二步被执行。在第二顶端电极9和第二底端电极3之间施加写入电流i6，电流值要求满足i6＜ic_stt，除了第二磁隧道结b2以外的其他磁隧道结(包括b1和bx)的电阻值产生微小的变化，但不足以引起状态翻转。如果第二磁隧道结b2的初始态为低阻态，则它的电阻值将逐渐增大(对应于图11-1)，反之，如果第二磁隧道结b2的初始态为高阻态，则它的电阻值将发生微小的变化(对应于图11-2)。
在t12～t13时间内，写入操作的第三步被执行。在第一底端电极2和第二底端电极3之间的写入电流i5被撤除，在第二顶端电极9和第二底端电极3之间的写入电流i6保持不变。第一磁隧道结b1的电阻值将恢复至初始值。第x磁隧道结bx的电阻值产生微小的变化，但不足以引起状态翻转。如果第二磁隧道结b2的初始态为低阻态，则它的电阻值将逐渐增大至最高值(对应于图11-1)，反之，如果第二磁隧道结b2的初始态为高阻态，则它的电阻值将产生微小的变化(对应于图11-2)。
在t13～t14时间内，写入操作的第四步被执行。在第二顶端电极9和第二底端电极3之间的写入电流i6被撤除，第二磁隧道结b2的电阻值将稳定在最高值，第一磁隧道结b1的电阻值将稳定在初始值，第x磁隧道结bx的电阻值将恢复至初始值。
通过t10～t14时间内的四步操作，第二磁隧道结b2实现了高阻态的写入，其他磁隧道结(包括b1和bx)仍处于初始状态。