一种存储装置及其存储方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自旋电子器件技术领域，更具体地，涉及一种存储装置及其存储方法。
【背景技术】
[0002] 传统的非易失性信息存储器件的示例是硬盘驱动器（HDD)和非易失性随机存取 存储器（RAM)。传统的HDD使用转动部件来存储信息，但是由于转动部件会随着时间而磨 损，增加了运行失败的可能性，进而会降低传统HDD的可靠性。传统的非易失性RAM的示例 是闪存，但是传统的闪存具有相对慢的读取和写入速度，相对短的使用寿命和相对小的存 储容量，同时闪存的制造成本也相对较高。
[0003] 磁性随机存取存储器（MagneticRandomAccessMemory,MRAM)是一种非挥发 性的存储器，它拥有静态随机存储器（SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器 (DRAM)的高集成度，而且理论上可以实现无限次的重复写入。MRAM的核心结构为磁隧道结 (MagneticTunnelJunction，MTJ)，MTJ结构为铁磁性金属薄膜/非磁性薄膜/铁磁性金 属薄膜组成的三明治结构，两层铁磁性金属薄膜中，一层的磁化方向被钉扎住，不能改变， 称为钉扎层；另一层的磁化方向可以随外场方向变化，为自由层。电子穿过磁隧道结绝缘层 的几率与两磁性体的相对磁化方向有关。磁隧道结具有隧道磁阻效应：当上下两层的磁化 强度方向相同时，电子容易通过器件，呈低阻态；当上下两层的磁化方向相反时，电子不容 易通过器件，呈高阻态，若将高阻态作为存储状态"0"，那么低阻态就是存储状态" 1"，这就 是MRAM存储的基本原理。
[0004] 传统的MRAM采用场致翻转，但是写入翻转场随着MRAM单个存储单元尺寸的缩小 而增大，随着MRAM存储密度的提高，这种写入方式将会导致信息写入能耗的大幅度增加。 其次，传统的场写入方式的MRAM器件结构过于复杂、电流线产生的磁场不够集中等因素也 阻碍了传统MRAM存储密度的进一步提高。
[0005] 1996年，Slonczewski和Berger通过理论计算预测出了自旋力矩转移 (Spin-Transfer-Torque,STT)效应，S卩当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁体时，极化电 流所携带的自旋角动量将转移给铁磁体，导致铁磁体磁化不平衡，使之发生转动、进动甚至 使磁化方向反转。这种效应被称为自旋转移磁化反转效应。STT效应为MRAM提供了全新的 写入方式，即信息写入时两铁磁层磁化的相对方向由通过存储单元的电流方向决定，而不 是由电流产生的磁场方向决定，其极化电流所产生的力矩的大小只和电流密度成正比，因 此基于STT效应的MRAM(简称为STT-ΜΑΜ)具有存储单元尺寸越小，工作面积越小，操作电 流越小，性能越优越的优点，这对于实现超高密度低功耗的信息存储非常有利。
[0006] 近年来，对于STT-MRAM的研究主要集中在如何降低其MTJ结构自由层的磁化翻转 临界电流密度和实现低功耗方面。目前的研究所得到的STT效应诱导磁化反转行为所需的 临界电流密度一般在1〇6~10 7A/cm2量级，而如此高的写入电流会击穿MTJ中的绝缘层，最 终破坏存储单元。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种存储装置及其存储方 法，结合电流驱动磁畴壁移动和MTJ结构实现信息的存储，能有效降低MTJ结构自由层磁化 翻转的临界电流密度，对自旋电子学在基础和应用方面的发展具有非常重要的意义。
[0008] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种存储装置，其特征在于，包 括第一磁性层、隔离层、第二磁性层、第三磁性层和第四磁性层；所述隔离层、所述第二磁性 层和所述第三磁性层设置在所述第一磁性层上，所述第二磁性层和所述第三磁性层位于所 述第一磁性层的两端，所述隔离层位于所述第二磁性层和所述第三磁性层之间，所述第四 磁性层设置在所述隔离层上；所述第二磁性层和所述第三磁性层将所述第一磁性层两端的 磁化方向钉扎，从而在所述第一磁性层的两端形成第一被钉扎区和第二被钉扎区，将所述 第一磁性层在所述第一被钉扎区和所述第二被钉扎区之间的部分称为数据区，所述数据区 与所述隔离层和所述第四磁性层形成磁隧道结，所述数据区作为所述磁隧道结的自由层， 所述第四磁性层作为所述磁隧道结的钉扎层，所述第一被钉扎区的磁化方向与所述第四磁 性层的磁化方向相同，所述第二被钉扎区的磁化方向与所述第四磁性层的磁化方向相反。
[0009] 优选地，所述数据区用于存储数据。
[0010] 优选地，通过在所述第二磁性层和所述第三磁性层间连接电流源，利用自旋极化 电流驱动磁畴壁移动，改变所述数据区的磁化方向，向所述数据区写入数据。
[0011] 优选地，通过在所述数据区和所述第四磁性层间连接电压源，并检测所述磁隧道 结的磁阻大小，从所述数据区读出数据。
[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种上述存储装置的存储方法，其特征在于，通过 在所述第二磁性层和所述第三磁性层间连接电流源，利用自旋极化电流驱动磁畴壁移动， 改变所述数据区的磁化方向，向所述数据区写入数据；通过在所述数据区和所述第四磁性 层间连接电压源，并检测所述磁隧道结的磁阻大小，从所述数据区读出数据。
[0013] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0014] 第一，利用电流驱动磁畴壁移动写入信息的过程中没有大电流经过隔离层，隔离 层性能不会随着写入次数的增加而下降，因此，本发明的存储装置与磁隧道结相比寿命更 长。
[0015] 第二，本发明的存储装置能同步执行"写"操作和"读"操作，因而能被应用于存储 与逻辑融合的电路芯片中。
[0016] 第三，本发明的存储装置除了能实现"0"和" 1"状态的存储之外，还能通过控制磁 畴壁的移动程度实现介于"〇"和" 1"之间的中间阻态，进而实现基于多阻态的多值存储芯 片。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例的存储装置的结构示意图；
[0018] 图2是本发明实施例的存储装置的被钉扎区和数据区的示意图；
[0019] 图3是本发明实施例的存储装置的工作示意图，其中，（a)加载电流源实现数据写 入，（b)加载电压源实现数据读出；
[0020] 图4是存储装置的写入电流与时间的关系曲线；
[0021] 图5是在图4所示的写入电流作用下，数据区在y方向上的磁化强度大小Mw随时 间变化的关系曲线；
[0022] 图6是利用MTJ结构的磁阻大小读取数据的示意图，其中，（a)低阻态，读取数据 "1"，（b)高阻态，读取数据"0"。
[0023] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：01_第一磁性 层，02-隔离层，03-第二磁性层，04-第三磁性层，05-第四磁性层。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025] 如图1所示，本发明实施例的存储装置包括第一磁性层01、隔离层02、第二磁性层 03、第三磁性层04和第四磁性层05。隔离层02、第二磁性层03和第三磁性层04设置在第 一磁性层01上，第二磁性层03和第三磁性层04位于第一磁性层01的两端，隔离层02位 于第二磁性层03和第三磁性层04之间，第四磁性层05设置在隔离层02上。如图2所示， 第二磁性层03和第三磁性层04将第一磁性层01两端的磁化方向钉扎，从而在第一磁性层 01的两端形成第一被钉扎区（设为被钉扎区"1"）和第二被钉扎区（设为被钉扎区"〇"）， 将第一磁性层01在第一被钉扎区和第二被钉扎区之间的部分称为数据区，数据区与隔离 层02和第四磁性层05形成磁隧道结，数据区作为磁隧道结的自由层，第四磁性层05作为 磁隧道结的钉扎层。第一被钉扎区的磁化方向与第四磁性层05的磁化方向相同，第二被钉 扎区的磁化方向与第四磁性层05的磁化方向相反。
[0026] 具体地，隔离层02的材料可为氧化镁、氧化铝、氮化铝或氮氧化铝等可用于MTJ的 隔离层的各类材料。
[0027] 数据区的磁化方向可以改变，用于存储数据，通过隧道磁阻效应将数据区的磁信 号转换为电信号实现数据读出。设数据区的磁化方向与第四磁性层05相同时，MTJ的磁阻 为低阻态，存储数据"1";数据区的磁化方向与第四磁性层05相反时，MTJ的磁阻为高阻态， 存储数据"0"。
[0028] 如图3 (a)所示，在第二磁性层03和第三磁性层04间连接电流源，利用自旋极化 电流驱动磁畴壁移动，改变数据区的磁化方向，向数据区写入数据。下面对该存储装置的数 据写入原理进行详细说明。
[0029] 向数据区写入"1":假设数据区的初始状态为"0"（以此时数据区的磁化方向竖直 向下，被钉扎区" 1"和第四磁性层05的磁化方向竖直向上为例），此时磁畴壁位于数据区与 被钉扎区" 1"之间。电流从第三磁性层04流入，由于电子流动的方向与电流相反，电子从 被钉扎区" 1"进入数据区。进入被钉扎区" 1"之前，电子的自旋方向是杂乱无章随机分布 的，经过被钉扎区" 1"之后，由于自旋极化效应，电子的自旋方向变得与被钉扎区" 1"的磁 化方向一致，即成为自旋方向竖直向上的极化电子流（或极化电流）。当该极化电流密度大 于某一临界电流密度时，自旋方向竖直向上的极化电子到达数据区后，由于STT效应，会产 生一个足够大的力矩，引起流经的数据区的磁化方向由竖直向下向竖直向上翻转，使得磁 畴壁