磁性存储单元及磁性存储单元的存内计算方法与流程

1.本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性存储单元及磁性存储单元的存内计算方法。


背景技术：

2.自旋轨道转矩磁性存储器(sot-mram)是将来比较有前景的非易失性存储器件之一，因为其具有较高的写入速度和较低的功耗。
3.目前sot-mram在应用上仍以存储数据为主，相应的存内计算技术还不成熟。但由于存内计算速度快，功耗低，因此有必要提出一种可实现存内计算的磁性存储单元。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种磁性存储单元及磁性存储单元的存内计算方法，可以实现存内计算。
5.第一方面，本发明提供一种磁性存储单元，包括：
6.自旋轨道矩提供层及其上方的磁性隧道结；
7.磁性偏置层，位于所述磁性隧道结上方；
8.氧化层，位于所述磁性偏置层上方；
9.顶电极，位于所述氧化层上方；
10.第一端子，连接至所述自旋轨道矩提供层一端，所述第一端子配置为施加第一写入信号；
11.第二端子，连接至所述自旋轨道矩提供层另一端，所述第二端子配置为施加第二写入信号；
12.第三端子，连接至所述顶电极，所述第三端子配置为施加第三写入信号；
13.第四端子，连接至所述自旋轨道矩提供层底端，所述第四端子配置为连接开关器件后接地；
14.其中，所述第一端子、所述第二端子、所述第三端子均具有逻辑值，所述第四端子连接的开关器件的状态与所述第一端子和所述第二端子的逻辑值有关。
15.可选地，所述第一端子的逻辑值记为a，当所述第一端子施加的第一写入信号为v0时，a＝0；当所述第一端子施加的第一写入信号为v0+δv时，a＝1，其中v0≥0，δv》0；
16.所述第二端子的逻辑值记为b，当所述第二端子施加的第二写入信号为v0时，b＝0；当所述第二端子施加的第二写入信号为v0+δv时，b＝1，其中v0≥0，δv》0；
17.所述第三端子的逻辑值记为c，当所述第三端子施加的第三写入信号为-v3时，c＝0；当所述第三端子施加的第三写入信号为v3时，c＝1，其中v3》0；
18.且，当a≠b时，所述第四端子连接的开关器件断开；当a＝b时，所述第四端子连接的开关器件导通。
19.可选地，所述磁性隧道结包括：
20.自由层，靠近所述自旋轨道矩提供层；
21.势垒层，位于所述自由层上方；
22.参考层，位于所述势垒层上方。
23.可选地，所述势垒层包括gdo
x
、mgo和mgal2o4中的一种。
24.可选地，所述氧化层包括al2o3和mgo中的一种。
25.第二方面，本发明提供一种磁性存储单元，包括：
26.自旋轨道矩提供层及其上方的磁性隧道结；
27.磁性偏置层，位于所述自旋轨道矩提供层下方；
28.氧化层，位于所述磁性隧道结上方；
29.顶电极，位于所述氧化层上方；
30.第一端子，连接至所述自旋轨道矩提供层一端，所述第一端子配置为施加第一写入信号；
31.第二端子，连接至所述自旋轨道矩提供层另一端，所述第二端子配置为施加第二写入信号；
32.第三端子，连接至所述顶电极，所述第三端子配置为施加第三写入信号；
33.第四端子，连接至所述磁性偏置层底端，所述第四端子配置为连接开关器件后接地；
34.其中，所述第一端子、所述第二端子、所述第三端子均具有逻辑值，所述第四端子连接的开关器件的状态与所述第一端子和所述第二端子的逻辑值有关。
35.可选地，所述第一端子的逻辑值记为a，当所述第一端子施加的第一写入信号为v0时，a＝0；当所述第一端子施加的第一写入信号为v0+δv时，a＝1，其中v0≥0，δv》0；
36.所述第二端子的逻辑值记为b，当所述第二端子施加的第二写入信号为v0时，b＝0；当所述第二端子施加的第二写入信号为v0+δv时，b＝1，其中v0≥0，δv》0；
37.所述第三端子的逻辑值记为c，当所述第三端子施加的第三写入信号为-v3时，c＝0；当所述第三端子施加的第三写入信号为v3时，c＝1，其中v3》0；
38.且，当a≠b时，所述第四端子连接的开关器件断开；当a＝b时，所述第四端子连接的开关器件导通。
39.可选地，所述磁性隧道结包括：
40.自由层，靠近所述自旋轨道矩提供层；
41.势垒层，位于所述自由层上方；
42.参考层，位于所述势垒层上方。
43.可选地，所述势垒层包括gdo
x
、mgo和mgal2o4中的一种。
44.可选地，所述氧化层包括al2o3和mgo中的一种。
45.第三方面，本发明提供一种磁性存储单元的存内计算方法，应用第一方面或第二方面提供的磁性存储单元实现，所述方法包括：
46.读取存储单元当前存储的数据；
47.控制第一端子、第二端子、第三端子施加的写入信号以及第四端子连接的开关器件的状态，使得存储单元当前存储的数据和第一端子、第二端子、第三端子的逻辑值之间通过逻辑计算，得到存储单元下一个存储的数据。
48.可选地，所述第一端子的逻辑值记为a，当所述第一端子施加的第一写入信号为v0时，a＝0；当所述第一端子施加的第一写入信号为v0+δv时，a＝1，其中v0≥0，δv》0；
49.所述第二端子的逻辑值记为b，当所述第二端子施加的第二写入信号为v0时，b＝0；当所述第二端子施加的第二写入信号为v0+δv时，b＝1，其中v0≥0，δv》0；
50.所述第三端子的逻辑值记为c，当所述第三端子施加的第三写入信号为-v3时，c＝0；当所述第三端子施加的第三写入信号为v3时，c＝1，其中v3》0；
51.且，当a≠b时，所述第四端子连接的开关器件断开；当a＝b时，所述第四端子连接的开关器件导通。
52.可选地，所述存储单元当前存储的数据记为xi，所述存储单元下一个存储的数据记为x
i+1
，xi以及x
i+1
表示存储单元的电阻状态。
53.本发明提供的磁性存储单元既可以存储数据，又可以基于自旋轨道矩和电场调控的原理共同作用，实现存内计算，降低芯片的成本和复杂度。本发明提供的磁性存储单元的存内计算方法，无需数据迁移，可以实现多种逻辑运算，能够提高计算速度，降低器件功耗。
附图说明
54.图1为本发明一实施例提供的磁性存储单元的结构示意图；
55.图2为本发明一实施例提供的磁性存储单元的结构示意图；
56.图3为电流和电压调控磁矩翻转回线的示意图。
具体实施方式
57.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。
58.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。
59.实施例一
60.本发明实施例提供一种磁性存储单元，如图1所示，该磁性存储单元包括：自旋轨道矩提供层101及其上方的磁性隧道结(mtj)，磁性隧道结至少包括从下至上依次叠置的自由层102、势垒层103和参考层104，势垒层103厚度较大，有利于电场调控。在参考层104上方设置磁性偏置层106，磁性偏置层106与参考层104之间设置间隔层105，磁性偏置层106上方设置氧化层107，氧化层107上方设置顶电极108。另外，该磁性存储单元还包括四个端子，第一端子11连接至自旋轨道矩提供层101一端，第一端子11配置为施加第一写入信号。第二端子12连接至自旋轨道矩提供层101另一端，第二端子12配置为施加第二写入信号。第三端子13连接至顶电极108，第三端子13配置为施加第三写入信号。第四端子14连接至自旋轨道矩提供层101底端，第四端子14配置为连接开关器件后接地。其中第一端子11、第二端子12、第三端子13均具有逻辑值，第四端子14连接的开关器件的状态与第一端子和第二端子的逻辑值有关。
61.本实施例中，端子11和端子12通过施加电压产生的电流实现磁矩翻转调控。而由
于氧化层107具有高电阻，使电流比较难通过，因此端子13主要用于电压调控。端子14起到开关作用。磁性偏置层106的作用在于产生杂散场，可以实现自由层无需外加磁场翻转，又与端子13的电压正负共同决定电滞回线的旋转方向。
62.作为一种实施方式，磁性隧道结自由层102和参考层104的磁化方向垂直于薄膜表面，磁性偏置层106面内磁化。势垒层103可以选择gdo
x
、mgo、mgal2o4中的一种，势垒层103厚度大于或等于1.2nm。氧化层107要求具有高电阻，可以选择al2o3和mgo中的一种。
63.实施例二
64.另一方面，本发明实施例提供一种磁性存储单元，如图2所示，该磁性存储单元包括：自旋轨道矩提供层201及其上方的磁性隧道结(mtj)，磁性隧道结至少包括从下至上依次叠置的自由层202、势垒层203和参考层204，在自旋轨道矩提供层201下方设置磁性偏置层206，参考层204上方设置氧化层207，氧化层207上方设置顶电极208。另外，该磁性存储单元还包括四个端子，第一端子21连接至自旋轨道矩提供层201一端，第一端子21配置为施加第一写入信号。第二端子22连接至自旋轨道矩提供层201另一端，第二端子22配置为施加第二写入信号。第三端子23连接至顶电极208，第三端子23配置为施加第三写入信号。第四端子24连接至磁性偏置层206底端，第四端子24配置为连接开关器件后接地。其中第一端子21、第二端子22、第三端子23均具有逻辑值，第四端子24连接的开关器件的状态与第一端子和第二端子的逻辑值有关。
65.本实施例中，端子21和端子22通过施加电压产生的电流实现磁矩翻转调控。而由于氧化层207具有高电阻，使电流比较难通过，因此端子23主要用于电压调控。端子24起到开关作用。磁性偏置层206的作用在于产生杂散场，可以实现自由层无需外加磁场翻转，又与端子23的电压正负共同决定电滞回线的旋转方向。
66.作为一种实施方式，磁性隧道结自由层202和参考层204的磁化方向垂直于薄膜表面，磁性偏置层206面内磁化。势垒层203可以选择gdo
x
、mgo、mgal2o4中的一种。氧化层207要求具有高电阻，可以选择al2o3和mgo中的一种。
67.实施例二相对于实施例一，区别主要在于磁性偏置层的位置，实施例一中，磁性偏置层与磁性隧道结位于自旋轨道矩提供层的同一侧；实施例二中，磁性偏置层与磁性隧道结位于自旋轨道矩提供层的不同侧。
68.本发明实施例提供的磁性存储单元既可以存储数据，又可以基于自旋轨道矩和电场调控的原理共同作用，实现存内计算，降低芯片的成本和复杂度。
69.应用图1和图2所示的磁性存储单元均可以实现存内计算。二者实现存内计算的方法基于同一原理实现，下面以实施例一的存储单元为例详细介绍如何实现存内计算。本发明实施例提供的存内计算方法包括：
70.读取存储单元当前存储的数据；
71.控制第一端子、第二端子、第三端子施加的写入信号以及第四端子连接的开关器件的状态，使得存储单元当前存储的数据和第一端子、第二端子、第三端子的逻辑值之间通过逻辑计算，得到存储单元下一个存储的数据。
72.为了清楚说明该存内计算方法，下面详细介绍该存内计算方法实现的基本原理。
73.第一端子11的逻辑值记为a，当第一端子11施加的第一写入信号为v0时，a＝0；当第一端子11施加的第一写入信号为v0+δv时，a＝1，其中v0≥0，δv》0；
74.第二端子12的逻辑值记为b，当第二端子12施加的第二写入信号为v0时，b＝0；当第二端子12施加的第二写入信号为v0+δv时，b＝1，其中v0≥0，δv》0；
75.第三端子13的逻辑值记为c，当第三端子13施加的第三写入信号为-v3时，c＝0；当第三端子13施加的第三写入信号为v3时，c＝1，其中v3》0；
76.且，当a≠b时，第四端子14连接的开关器件断开；当a＝b时，第四端子14连接的开关器件导通。
77.实际应用中，考虑到器件功耗，v0和δv不会取得很大，例如可以定义v0为1v，δv为1v。
78.存储单元当前存储的数据记为xi，存储单元下一个存储的数据记为x
i+1
，xi以及x
i+1
表示存储单元的电阻状态。本实施例中，0和1分别表示存储单元的低阻态和高阻态。即，xi＝0表示存储单元当前低阻态，xi＝1表示存储单元当前高阻态。x
i+1
＝0表示存储单元写入后低阻态，x
i+1
＝1表示存储单元写入后高阻态。
79.具体地，当a≠b时，第四端子14连接的开关器件断开。则自旋轨道矩和电场同时作用实现磁矩翻转。a＝1，b＝0，电流从第一端子11流向第二端子12。a＝0，b＝1，电流从第二端子12流向第一端子11。
80.在11
→
12或12
→
11方向通过电流后，磁性偏置层的磁化方向和第三端子电压的正负，决定了电滞回线(即r-i曲线)翻转为顺时针或逆时针回线。
81.作为一种实施方式，自由层102和参考层104垂直磁化，且磁性偏置层106磁化方向沿着第一端子11到第二端子12的方向(即水平向右)，当第三端子13电压为正电压，如图3中(a)，电滞回线(即r-i曲线)为顺时针回线；当第三端子13电压为负电压，如图3中(b)，r-i曲线为逆时针回线。
82.当设置参考层磁化方向向下不变，电滞回线的下端对应自由层磁矩向下，存储单元为低电阻(0)，电滞回线的上端对应自由层磁矩向上，存储单元为高电阻(1)。
83.例如：当c＝1情况，曲线顺时针旋转。初始xi＝0，当施加正电流(a＝1，b＝0)，阻态不变，x
i+1
＝0；初始xi＝0，当施加负电流(a＝0，b＝1)，阻态改变，x
i+1
＝1；初始xi＝1，当施加正电流(a＝1，b＝0)，阻态改变，x
i+1
＝0；初始xi＝1，当施加负电流(a＝0，b＝1)，阻态不变，x
i+1
＝1。以此类推。
84.具体地，当a＝b时，第四端子14连接的开关器件导通。则依靠电压控制磁各向异性vcma实现磁矩翻转。a＝b＝1或a＝b＝0，第一端子11与第二端子12之间无电流。此时第三端子13施加电压，只有vcma效应。当第三端子13为正电压v3，磁性隧道结势垒高度降低，自由层磁矩翻转，初始xi＝0变为x
i+1
＝1，或者初始xi＝1变为x
i+1
＝0。当第三端子为负电压-v3，磁性隧道结势垒高度增加，自由层磁矩不翻转，xi＝x
i+1
＝1或者xi＝x
i+1
＝0。
85.基于上述磁矩翻转原理，将a、b、c、xi作为输入，将x
i+1
作为输出，可以得到基于本发明存储单元的逻辑计算的真值表，如表1。
86.表1
[0087][0088][0089]
依据表1，在a、b、c、xi四个变量中，固定其中任意两个，以另外两个作为输入变量，将x
i+1
作为输出，可以得到如下的逻辑关系。
[0090]
1)当固定a＝1，b＝0时，得到的真值表如表2，可实现逻辑关系：x
i+1
＝not c；
[0091]
当固定a＝0，b＝1时，得到的真值表如表3，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c；
[0092]
当固定a＝b＝0时，得到的真值表如表4，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c xor xi。
[0093]
当固定a＝b＝1时，得到的真值表如表5，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c xor xi。
[0094]
2)当固定a＝1，c＝0时，得到的真值表如表6，可实现逻辑关系：x
i+1
＝b imp xi；
[0095]
当固定a＝0，c＝1时，得到的真值表如表7，可实现逻辑关系：x
i+1
＝b rimp xi；
[0096]
当固定a＝0，c＝0时，得到的真值表如表8，可实现逻辑关系：x
i+1
＝b rnimp xi；
[0097]
当固定a＝1，c＝1时，得到的真值表如表9，可实现逻辑关系：x
i+1
＝b nimp xi。
[0098]
3)当固定b＝1，c＝0时，得到的真值表如表10，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a and xi；
[0099]
当固定b＝0，c＝1时，得到的真值表如表11，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a nor xi；
[0100]
当固定b＝0，c＝0时，得到的真值表如表12，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a or xi；
[0101]
当固定b＝1，c＝1时，得到的真值表如表13，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a nand xi。
[0102]
4)当固定a＝1，xi＝0时，得到的真值表如表14，可实现逻辑关系：x
i+1
＝b xnor c；
[0103]
当固定a＝0，xi＝1时，得到的真值表如表15，可实现逻辑关系：x
i+1
＝b xnor c；
[0104]
当固定a＝0，xi＝0时，得到的真值表如表16，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c；
[0105]
当固定a＝1，xi＝1时，得到的真值表如表17，可实现逻辑关系：x
i+1
＝not c。
[0106]
5)当固定b＝1，xi＝0时，得到的真值表如表18，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c；
[0107]
当固定b＝0，xi＝1时，得到的真值表如表19，可实现逻辑关系：x
i+1
＝not c；
[0108]
当固定b＝0，xi＝0时，得到的真值表如表20，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a xor c；
[0109]
当固定b＝1，xi＝1时，得到的真值表如表21，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a xor c。
[0110]
6)当固定c＝1，xi＝0时，得到的真值表如表22，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a imp b；
[0111]
当固定c＝0，xi＝1时，得到的真值表如表23，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a rimp b；
[0112]
当固定c＝0，xi＝0时，得到的真值表如表24，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a nimp b；
[0113]
当固定c＝1，xi＝1时，得到的真值表如表25，可实现逻辑关系：x
i+1
＝a rnimp b。
[0114]
从上面的叙述可知，总计可实现12种逻辑关系。包括：x
i+1
＝c，not，xor，imp，rimp，rnimp，nimp，and，nor，or，nand和xnor。
[0115]
表2
[0116][0117]
表3
[0118][0119]
表4
[0120][0121]
表5
[0122][0123]
表6
[0124][0125]
表7
[0126][0127]
表8
[0128][0129]
表9
[0130]
[0131]
表10
[0132][0133]
表11
[0134][0135]
表12
[0136][0137]
表13
[0138][0139]
表14
[0140]
[0141]
表15
[0142][0143]
表16
[0144][0145]
表17
[0146][0147]
表18
[0148][0149]
表19
[0150][0151]
表20
[0152][0153]
表21
[0154][0155]
表22
[0156][0157]
表23
[0158]
[0159]
表24
[0160][0161]
表25
[0162][0163]
表2-表25都符合表1的真值表。表2-表25分别表示了将两个输入固定，另外两个输入作为变量，推导出的输出与输入之间满足的逻辑关系。共24张表，可以实现12种逻辑计算。
[0164]
相对地，作为另一种实施方式，若自由层和参考层垂直磁化，且磁性偏置层磁化方向沿着第二端子12到第一端子11的方向(即水平向左)，这种情况下，电滞回线的旋转方向是相反的。当第三端子13电压为正电压，r-i曲线为逆时针回线；当第三端子13电压为负电压，r-i曲线为顺时针回线。由于磁性偏置层的磁化方向不同，对应得到的真值表略有不同，其逻辑运算关系也有所不同。但同样可以实现12种逻辑计算。举例4个如下：当固定a＝1，b＝0时，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c；当固定a＝0，b＝1时，可实现逻辑关系：x
i+1
＝not c；当固定a＝b＝0时或a＝b＝1时，可实现逻辑关系：x
i+1
＝c xor xi。
[0165]
本发明实施例提供的磁性存储单元的存内计算方法，无需数据迁移，可以实现多种逻辑运算，能够提高计算速度，降低器件功耗。
[0166]
基于实施例二的磁性存储单元实现的存内计算方法可以参考上述基于实施例一的磁性存储单元实现的存内计算方法，不再赘述。
[0167]
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。