[发明专利]一种适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法

说明书

本发明公开了一种适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，包括：在基于铁磁材料的多态存储器的第一电极和第二电极之间施加定值的写电流，并对多态存储器施加平行或反平行于写电流的平面磁场；保持写电流的大小及方向均不变，改变平面磁场的大小，并获得每一个平面磁场值所对应的多态存储器的电阻值；选择m个电阻值，并通过编码得到m个数据值与m个电阻值一一映射的第一映射关系；获得与m个电阻值一一对应的m个平面磁场值，进而得到m个数据值与m个平面磁场值一一映射的第二映射关系，并由此实现利用多态存储器的m个电阻态分别存储m个数据值的多态存储。本发明能够有效提高多态存储的存储密度，降低存储功耗，并提高抗辐射能力。

技术领域

本发明属于信息存储领域，更具体地，涉及一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法。

背景技术

21世纪以来，社会高速发展，随之而来的是呈爆炸趋势上升的海量信息如何储存的问题。传统的以NAND闪存为代表的非易失性存储器和以DRAM(动态随机存储器)为代表的易失性存储器，在摩尔定律和海量数据存储需求的推动下，不断向大容量、高密度、快速、低功耗、长寿命方向发展，但随着特征尺寸不断减小至接近原子级，传统平面型结构遇到无法跨越的性能障碍，存储器的性能和可靠性达到极限，而且新工艺节点开发成本迅速增加，进一步降低预期收益。为此，存储器向两大方向转型发展：一是继续沿用硅基材料，用垂直堆叠替代特征尺寸微缩，从平面转向立体结构；二是使用新材料和新结构研制新兴存储技术。FeRAM(铁电存储器)、RRAM(阻变存储器)、PRAM(相变存储器)以及MRAM(磁性随机存储器)等正在发展的新型存储器均具有某些方面的优势，在一定程度上能够解决数据量增长与存储容量、存储性能及存储可靠性增长不匹配的问题，但同时也存在一些非常明显的缺陷，而且这些存储器多用于实现两态的二进制存储。

多态存储利用单个存储单元的多个(多于2个)稳定状态存储数据，其中一个状态对应一个数据值。相对于两态的二进制存储，多态有有很大的优势，能够在相同的物理体积内，使得存储信息的量大大提升。目前，关于多态存储的研究和进展较为有限，相变多态存储器和阻变多态存储器是其中比较有代表性的两类可实现多态存储的器件。相变存储器在由最低电阻态回复到最高电阻态的过程中，器件电阻随着电脉冲施加强度的提高是逐渐上升而非突变的，而且这种介于最高电阻态和最低电阻态之间的中间电阻态也是稳定可测的；相变多态存储器正是利用相变存储器这一特性实现多态存储的，这样的多态存储，其存储密度仍然较小，而且功耗较高，读写速度较慢，抗辐射能力不足。阻变多态存储器大多是利用有机物作为阻变材料，并且利用了相应的化学反应，这种多态存储实现的电阻状态有限，擦写次数不是无限次，并且稳定性不够好，功耗较高，也没有很好地抗辐射性和宽领域应用性。

总的来说，相对于两态的二进制存储，多态存储能够有效提高存储器件的存储密度，因而能够更好的用于海量信息的存储，但是现有的多态存储器和多态存储方法，存储密度仍然有限，而且存在功耗高、抗辐射能力不足的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法，其目的在于，基于自旋轨道力矩(Spin-Orbit Torque,SOT)效应，在基于铁磁材料的多态存储器中实现多态存储，有效提升存储器件的存储密度，并降低存储功耗、提高存储器件的抗辐射能力。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层；

自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，用于产生具有自旋力矩的自旋流；铁磁材料层由铁磁材料制成，其磁畴状态在自旋流和外加平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得多态存储器的电阻值发生改变；绝缘材料层用于提供垂直磁特向异性，使得铁磁材料层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护其下各层薄膜；