一种磁随机存储器数据写入方法及写入装置
阅读说明：本技术 一种磁随机存储器数据写入方法及写入装置 (Magnetic random access memory data writing method and writing device ) 是由 李泠 刘东阳 卢年端 王嘉玮 耿玓 刘明 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本申请实施例公开了一种磁随机存储器数据写入方法及写入装置,该方法包括：向磁随机存储器输入控制信号,以向所述磁随机存储器写入数据；其中,所述控制信号包括电流信号和磁场信号,所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步,以向磁随机存储器写入数据时,磁场信号能够与电流信号协同作用,促使所述自由层磁矩翻转,使得自由层磁矩与固定层磁矩反向平行,之后,还能够促使自由层磁矩翻转,使得自由层磁矩与固定层磁矩平行,由于促使自由层磁矩翻转过程中,所述磁场信号能够与所述电流信号协同作用,从而利用所述数据写入方法进行数据写入时,能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流,有利于促进磁随机存储器的实际应用。(The embodiment of the application discloses a data writing method and a data writing device for a magnetic random access memory, wherein the method comprises the following steps: inputting a control signal to a magnetic random access memory to write data to the magnetic random access memory; wherein, control signal includes current signal and magnetic field signal, magnetic field signal pulse with the current signal pulse is synchronous to when writing in data to magnetic random access memory, magnetic field signal can promote with current signal synergism the upset of free layer magnetic moment makes free layer magnetic moment and fixed layer magnetic moment antiparallel, later, can also make the upset of free layer magnetic moment, makes free layer magnetic moment and fixed layer magnetic moment parallel, owing to make free layer magnetic moment upset in-process, magnetic field signal can with current signal synergism, thereby utilizes when data writing method carries out data writing, can reduce the critical upset current that makes the upset of free layer magnetic moment to a certain extent, is favorable to promoting magnetic random access memory's practical application.)
技术领域
本申请涉及存储器技术领域，尤其涉及一种磁随机存储器的数据写入方法以及写入装置。
背景技术
磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)是一种以磁阻性质存储数据的随机存储器，兼具非易失、高速度、高密度、低能耗以及近乎无限次读写寿命等各种优良特性，具有良好的应用前景。
其中，自旋轨道耦合力矩磁随机存储器(Spin-orbit Torque MRAM，简称SOT-MRAM)由于拥有更好的可靠性、更长的寿命，受到了人们的广泛关注。然而，SOT-MRAM在进行数据写入时，由于其临界翻转电流仍然较大，会导致磁随机存储器损坏，影响SOT-MRAM的数据写入，从而影响SOT-MRAM的实际应用。因此，提供一种能够降低磁随机存储器临界翻转电流的数据写入方法，成为了本领域技术人员的研究重点。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种磁随机存储器数据写入方法，该数据写入方法能够有助于降低磁随机存储器的临界翻转电流，进而有利于所述磁随机存储器的实际应用。
为解决上述问题，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种磁随机存储器数据写入方法，该方法包括：
向所述磁随机存储器输入控制信号，以向所述磁随机存储器写入数据；
其中，所述控制信号包括电流信号和磁场信号，所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，以向所述磁随机存储器写入数据时，降低促使所述自由层磁矩翻转的临界翻转电流。
可选的，所述磁随机存储器还包括非磁性重金属层，所述自由层覆盖所述非磁性重金属层；向所述磁随机存储器输入所述控制信号包括：
向所述磁随机存储器中的所述非磁性重金属层输入所述控制信号。
可选的，所述电流信号的脉冲波形为方波，所述磁场信号的脉冲波形为与所述电流信号脉冲同步的方波。
可选的，所述临界翻转电流的解析表达式为：
其中，Jc0代表临界翻转电流，代表约化普朗克常数，M代表饱和磁化强度，d代表所述自由层厚度，θsh代表有效自旋霍尔角，α代表阻尼系数，Hkeff代表有效磁场强度，Hx代表所述磁场信号的强度。
可选的，所述临界翻转电流与所述电流信号脉冲长度关系的解析表达式为：
其中，t代表所述电流信号的脉冲长度，Jc代表与所述电流信号脉冲长度对应的临界翻转电流。
一种写入装置，用于向磁随机存储器写入数据，所述磁随机存储器包括自由层，该写入装置包括：
信号发生元件，所述信号发生元件包括电流信号发生单元和磁场信号发生单元，所述电流信号发生单元与所述磁随机存储器相连，用于向所述磁随机存储器传输电流信号，所述磁场信号发生单元与所述磁随机存储器相连，用于向所述磁随机存储器传输磁场信号；
其中，所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，以向所述磁随机存储器写入数据时，降低促使所述自由层磁矩翻转的临界翻转电流。
可选的，所述磁随机存储器包括非磁性重金属层，所述自由层覆盖所述非磁性重金属层；所述电流信号发生单元与所述磁随机存储器中的所述非磁性重金属层相连，所述磁场信号发生单元与所述磁随机存储器中的所述非磁性重金属层相连。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本申请实施例所提供的技术方案包括：向磁随机存储器输入控制信号，以对所述磁随机存储器进行数据写入；其中，所述控制信号包括电流信号和磁场信号，且所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，即所述控制信号包括电流信号以及与所述电流信号脉冲同步的磁场信号，能够使得所述控制信号中的电流信号脉冲不为0时，所述控制信号中的磁场信号脉冲不为0，从而使得向所述磁随机存储器写入数据时，所述磁场信号能够与所述电流信号协同作用，促使磁随机存储器中的自由层磁矩进动并越过难磁化的赤道面，与固定层磁矩反向平行，即促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行，由于在此翻转过程中，磁场信号与电流信号共同作用，从而能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时的电流信号强度，进而降低促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时的临界翻转电流；电流信号脉冲为0时，磁场信号脉冲为0，即没有电流信号和磁场信号，使得向所述磁随机存储器写入数据时，自由层磁矩迟豫进动到另一个易磁化的方向上，与固定层磁矩平行，即自由层磁矩翻转，与固定层磁矩平行，由于在此翻转过程中，自由层磁矩在没有电流信号以及磁场信号的情况下翻转，与固定层磁矩平行，使得在此翻转过程中，促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流较小。综上所述，利用所述写入方法向磁随机存储器写入数据时，促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时临界翻转电流较小，且促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩平行时临界翻转电流较小，从而使得利用所述方法向磁随机存储器写入数据，能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流，有利于向所述磁随机存储器写入数据，进而有利于所述磁随机存储器的实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时电流信号的波形图与恒定磁场的波形图；
图2为现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时自由层磁矩变化曲线；
图3为现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时自由层磁矩随时间变化曲线；
图4为本申请实施例提供的一种磁随机存储器数据写入方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种磁随机存储器数据写入方法中的电流信号波形图和磁场信号波形图；
图6为本申请实施例提供的一种磁随机存储器数据写入方法的临界翻转电流与磁场信号之间的关系曲线；
图7为本申请实施例提供的一种磁随机存储器数据写入方法的临界翻转电流与Hkeff之间的关系曲线；
图8为本申请实施例提供的一种磁随机存储器数据写入方法的临界翻转电流与α之间的关系曲线；
图9为本申请实施例提供的一种磁随机存储器数据写入方法的临界翻转电流与电流信号脉冲长度之间的关系曲线；
图10为本申请实施例提供的一种写入装置的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的另一种写入装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术部分所述，提供一种能够降低磁随机存储器临界翻转电流的数据写入方法，成为了本领域技术人员的研究重点。
目前，被大家广泛熟知的磁随机存储器包括自旋转移力矩磁随机存储器(Spin-Transfer Torque MRAM，简称STT-MRAM)和自旋轨道耦合力矩磁随机存储器(简称SOT-MRAM)。其中，STT-MRAM已经商用，然而由于其写入电流较大，并且磁矩翻转速率较低，导致STT-MRAM功耗较大且数据写入速度较低，使得人们对具有更低能耗、更好稳定性、更高写入速度的SOT-MRAM更加关注，被认为是下一代磁随机存储器，具有较好的应用前景。其中，SOT-MRAM的结构主要分为三种：Type-x结构、Type-y结构、Type-z结构，其中Type-z结构由于能够做到更大的数据容量密度，使得SOT-MRAM能够存储区更多的数据，导致当前对SOT-MRAM的研究，大多数都是围绕Type-z结构展开的。
现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时，需要电流信号以及该电流信号方向上的恒定磁场，以促使SOT-MRAM的自由层磁矩翻转，完成数据写入。具体的，如图1～图3所示，图1为现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时电流信号的波形图与恒定磁场的波形图，图2为现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时自由层磁矩变化曲线(图中黑色轨迹线代表自由层磁矩的变化轨迹，黑色粗箭头代表自由层磁矩)，图3为现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时自由层磁矩随时间变化曲线(图中纵坐标代表自由层磁矩)；现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据包括两个过程：电流信号脉冲不为0，自由层磁矩在电流信号和外加恒定磁场的作用下翻转，与固定层磁矩返平行；电流信号脉冲为0，自由层磁矩迟豫进动翻转，与固定层磁矩平行，完成自由层磁矩整个翻转过程，以向SOT-MRAM写入数据。然而，现有数据写入方法向SOT-MRAM写入数据时，促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流仍然较大，会导致磁随机存储器发生损坏，影响SOT-MRAM的数据写入，从而影响SOT-MRAM的实际应用。
基于此，本申请实施例提供了一种磁随机存储器数据写入方法，所述磁随机存储器包括自由层，如图4所示，该方法包括：
向所述磁随机存储器输入控制信号，以向所述磁随机存储器写入数据；
其中，所述控制信号包括电流信号和磁场信号，所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，以向所述磁随机存储器写入数据时，降低促使所述自由层磁矩翻转的临界翻转电流。
具体的，在本申请实施例中，如图5所示，所述控制信号包括电流信号以及与所述电流信号脉冲同步的磁场信号，使得所述控制信号中的电流信号脉冲不为0时，所述控制信号中的磁场信号脉冲不为0，从而使得向所述磁随机存储器写入数据的过程中，所述磁场信号能够与所述电流信号协同作用，促使磁随机存储器中的自由层磁矩进动并越过难磁化的赤道面，与固定层磁矩反平行，即促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行，由于在此翻转过程中，磁场信号与电流信号共同作用，从而能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时的电流信号强度，进而降低促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时的临界翻转电流；电流信号脉冲为0时，磁场信号脉冲为0，即没有电流信号和磁场信号，使得向所述磁随机存储器写入数据的过程中，自由层磁矩迟豫进动到另一个易磁化的方向上，与固定层磁矩平行，即促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩平行，由于在此翻转过程中，自由层磁矩能够在没有电流信号以及磁场信号的情况下翻转，与固定层磁矩平行，从而使得在此翻转过程中，促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流较小。综上所述，利用所述写入方法向磁随机存储器写入数据的过程中，促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时临界翻转电流较小，且促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩向平行时临界翻转电流较小，从而利用所述写入方法向磁随机存储器写入数据，能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流，有利于向所述磁随机存储器写入数据，进而有利于促进磁随机存储器的实际应用。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述磁随机存储器还包括非磁性重金属层，所述自由层覆盖所述非磁性重金属层，向所述磁随机存储器输入所述控制信号包括：向所述磁随机存储器中的所述非磁性重金属层输入所述控制信号，以在所述非磁性重金属层中形成自旋流，促使所述自由层磁矩翻转。
可选的，在本申请的一个实施例中，继续如图5所示，所述电流信号脉冲波形为方波，所述磁场信号脉冲波形为与所述电流信号脉冲同步的方波。但本申请对此并不做限定，在本申请的其他实施例中，保证磁场信号脉冲与电流信号脉冲同步的情况下，所述电流信号的波形和所述磁场信号的波形也可以为其他波形，具体视情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，利用所述数据写入方法向磁随机存储器写入数据时，促使所述自由层磁矩翻转的临界翻转电流的解析表达式为：
其中，Jc0代表临界翻转电流，代表约化普朗克常数，M代表饱和磁化强度，d代表所述自由层厚度，θsh代表有效自旋霍尔角，α代表阻尼系数，Hkeff代表有效磁场强度，Hx代表所述磁场信号的强度，根据上述解析表达式能够得到利用所述数据写入方法向磁随机存储器写入数据时，促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，当所述电流信号的脉冲长度改变时，所述临界翻转电流与所述电流信号脉冲长度之间关系的解析表达式为：
其中，t代表所述电流信号的脉冲长度，Jc代表与所述电流信号脉冲长度对应的临界翻转电流，根据上述解析表达式能够得到所述电流信号的脉冲长度改变时的临界翻转电流。
利用上述临界翻转电流的解析表达式以及临界翻转电流与电流信号脉冲长度之间关系的解析表达式，可以得到所述临界翻转电流与磁场信号之间的关系曲线，如图6所示；所述临界翻转电流与有效磁场强度Hkeff之间的关系曲线，如图7所示；所述临界翻转电流与阻尼系数α之间的关系曲线，如图8所示；所述临界翻转电流与电流信号脉冲长度之间的关系曲线，如图9所示；可知，上述临界翻转电流的解析表达式以及临界翻转电流与电流信号脉冲长度之间关系的解析表达式的导数连续，从而使得上述临界翻转电流的解析表达式以及临界翻转电流与电流信号脉冲长度之间关系的解析表达式，可方便地用于电路仿真。
相应的，本申请实施例还提供了一种写入装置，用于向磁随机存储器写入数据，所述磁随机存储器包括自由层，如图10所示，该写入装置包括：信号发生元件10，所述信号发生元件10包括电流信号发生单元11和磁场信号发生单元12，所述电流信号发生单元11与所述磁随机存储器20相连，用于向所述磁随机存储器20传输电流信号，所述磁场信号发生单元12与所述磁随机存储器20相连，用于向所述磁随机存储器20传输磁场信号；其中，所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，以向所述磁随机存储器20写入数据时，降低促使所述自由层21磁矩翻转的临界翻转电流。
具体的，本申请实施例所提供的写入装置的信号发生元件包括电流信号发生单元和磁场信号发生单元，用于分别向所述磁随机存储器输入电流信号和磁场信号，且所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，使得所述电流信号脉冲不为0时，所述磁场信号脉冲不为0，进而使得利用所述写入装置向所述磁随机存储器写入数据时，所述磁场信号能够与所述电流信号协同作用，促使磁随机存储器中的自由层磁矩进动并越过难磁化的赤道面，与固定层磁矩反向平行，即促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行，由于在此翻转过程中，磁场信号与电流信号共同作用，从而能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时的电流信号强度，进而降低促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时的临界翻转电流；电流信号脉冲为0时，磁场信号脉冲为0，即没有电流信号和磁场信号，使得向磁随机存储器写入数据时，自由层磁矩迟豫进动到另一个易磁化的方向上，与固定层磁矩平行，即自由层磁矩翻转，与固定层磁矩平行，由于在此翻转过程中，自由层磁矩在没有电流信号以及磁场信号的情况下翻转，与固定层磁矩平行，从而使得在此翻转过程中，促使自由层磁矩翻转，与固定层磁矩平行时的临界翻转电流较小。综上所述，利用所述写入装置向磁随机存储器写入数据时，促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩反向平行时临界翻转电流较小，且促使所述自由层磁矩翻转，与固定层磁矩向平行时临界翻转电流较小，从而利用所述写入装置向磁随机存储器数据写入，能够在一定程度上降低促使自由层磁矩翻转的临界翻转电流，有利于向所述磁随机存储器写入数据，进而有利于促进磁随机存储器的实际应用。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述磁随机存储器包括非磁性重金属层，所述自由层覆盖所述非磁性重金属层；如图11所示，所述电流信号发生单元11与所述磁随机存储器20中的所述非磁性重金属层22相连，所述磁场信号发生单元12与所述磁随机存储器20中的所述非磁性重金属层22相连，以在所述非磁性重金属层中形成自旋流，促使所述自由层磁矩翻转。
综上所述，本申请实施例提供了一种磁随机存储器数据写入方法以及写入装置，所述数据写入方法包括向磁随机存储器输入控制信号，以对所述磁随机存储器进行数据写入；其中，所述控制信号包括电流信号和磁场信号，且所述磁场信号脉冲与所述电流信号脉冲同步，能够在所述磁随机存储器进行数据写入时，降低促使所述自由层磁矩翻转时的临界翻转电流，有利于促进磁随机存储器的实际应用。
本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。