一种抑制回退切换的混合STT-SOT磁存储器写入方法及器件

本发明涉及磁随机存储器（mram），具体涉及一种基于自旋轨道矩（sot）和自旋转移矩（stt）协同驱动的磁存储器写入方法及器件，尤其涉及一种用于抑制sot-mram写入过程中回退切换（back-switching）、拓宽写入操作窗口并提高阵列集成度的混合stt-sot写入方法及器件。

背景技术：

1、自旋轨道矩磁随机存储器（sot-mram）利用自旋轨道耦合效应实现数据写入，具有非易失性、高写入速度、高耐久性等优势。然而，在垂直磁各向异性（pma）系统中，纯sot写入存在固有的对称性问题，通常需要引入面内辅助磁场、结构不对称性或其他对称性破缺手段以实现确定性翻转。即使在引入辅助对称性破缺因素后，在较高sot电流区域仍可能发生回退切换。该现象源于sot诱导的磁化动力学特性：在写入脉冲作用期间，自由层磁化矢量可能被推至接近膜面的动态平衡位置；当sot电流撤除后，磁化矢量在弛豫阶段对热涨落、阻尼、有效场力矩及阻尼力矩之间的竞争高度敏感，可能重新返回初始稳定态，从而导致写入窗口压缩和误码率升高。

2、为抑制上述回退切换现象，可以向磁隧道结（mtj）中引入自旋极化方向垂直于膜面的stt电流，通过自旋转移矩辅助自由层磁化矢量在弛豫阶段进入目标稳定态。然而，现有stt-sot复合写入方案多以降低写入电流、减小势垒击穿风险或实现选通写入为主要目的，通常将sot作为磁化扰动源，或者将stt作为选通/辅助写入电流使用。该类方案并未针对pma sot-mram在sot脉冲撤除后的弛豫阶段可能发生的回退切换建立专门的抑制机制，也未给出依据sot/stt电流组合切换相位图避开回退切换区域的写入策略。

3、此外，传统sot-mram器件通常需要为sot写线或单元级写入路径配置额外的选通器件，随着阵列规模增大，额外的sot选通晶体管会增加外围或单元级晶体管数量，造成存储单元面积增大、布线复杂度提高，并限制阵列集成密度。因此，如何在sot-mram中，减少单元级独立sot选通晶体管的需求，也是高密度sot-mram阵列设计中需要解决的问题。

4、另一方面，传统sot-mram常采用顶钉扎（tp）结构，mtj刻蚀过程中通常需要精确停止在sot轨道层上，工艺窗口较窄。若刻蚀不足，可能影响mtj图形化质量；若发生过刻蚀，则容易损伤重金属轨道层，导致断路、短路或器件一致性下降。因此，亟需一种既能够抑制sot写入过程中的回退切换、又能够简化阵列结构和制造工艺的技术方案。

5、本发明与上述复合写入思路的区别在于：sot电流主要用于在短脉冲期间快速驱动自由层磁化矢量离开初始稳定态，而stt电流的作用重点不是单纯降低总写入电流，而是在sot脉冲尾部及撤除后的弛豫阶段提供与目标写入态一致的定向阻尼力矩，使磁化轨迹进入目标态吸引域，从而抑制回退切换并扩大确定性写入窗口。同时，在阵列结构中，可使同一行多个磁隧道结单元共用沿行方向延伸的sot写线及其行选通晶体管，并通过位线选择垂直stt写入路径，从而减少每个存储单元独立配置sot写入选通晶体管的需求，有利于减小存储单元面积并提高阵列集成密度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抑制回退切换的混合stt-sot磁存储器写入方法及器件，以解决垂直磁各向异性sot-mram在sot写入脉冲撤除后的弛豫阶段容易发生回退切换、写入窗口受限以及误码率升高的问题。同时，本发明还提供一种适用于阵列集成的器件结构，以在保持sot-mram优势的基础上，减少单元级独立sot写入选通晶体管的需求，并提高工艺兼容性和阵列集成密度。

2、在一种实施方式中，所述面内写入电流和所述垂直写入电流的电流密度组合根据预先建立的jsot-jstt切换相位图或查找表确定，并选取位于稳定翻转区域内的电流组合。所述切换相位图或查找表用于区分稳定翻转区域、不翻转区域以及回退切换区域，从而使选定的sot/stt电流组合避开不翻转区域和回退切换区域，拓宽确定性写入操作窗口。

3、在一种实施方式中，所述垂直写入电流的方向根据目标写入态确定。当目标写入态为第一垂直磁化态时，垂直写入电流设置为第一极性；当目标写入态为第二垂直磁化态时，垂直写入电流设置为相反极性。由此，stt在弛豫阶段能够根据目标写入态对自由层磁化矢量进行定向引导，实现两种逻辑态的确定性写入。

4、在一种实施方式中，所述垂直写入电流与所述面内写入电流同步施加，或者所述垂直写入电流至少延续至所述面内写入电流脉冲结束后的弛豫阶段。在所述弛豫阶段，垂直写入电流保持与目标写入态对应的极性，并使其持续时间覆盖自由层磁化矢量由膜面附近不稳定区域进入目标态吸引域的时间窗口，从而降低自由层磁化矢量回到初始稳定态的概率。

5、相对于现有技术，本发明所述写入方法的改进点和优势在于：现有sot写入方法通常关注如何通过面内辅助磁场、结构不对称性或其他对称性破缺手段实现确定性翻转，但对于sot脉冲撤除后磁化矢量在弛豫阶段可能回到初始态的问题缺乏针对性控制。本发明将stt电流引入sot脉冲尾部及其后的弛豫阶段，使stt按照目标写入态提供定向阻尼牵引，从磁化动力学路径上抑制回退切换。

6、进一步地，本发明并非仅将stt电流作为降低写入电流或提供初始扰动的辅助电流，而是利用stt电流的极性选择实现目标态引导。sot负责在短脉冲期间快速驱动自由层磁化矢量偏离初始稳定态并进入易翻转的动力学区域，stt则在脉冲尾部及弛豫阶段使磁化轨迹落入目标态吸引域，从而提高写入可靠性。

7、此外，本发明通过预先建立jsot-jstt切换相位图或查找表确定sot/stt电流组合，使写入参数能够避开不翻转区域和回退切换区域，并选取稳定翻转区域内的电流组合。由此，本发明能够在不依赖外加面内辅助磁场的情况下实现确定性写入，扩大稳定写入窗口，并降低由回退切换导致的误码率。

8、本发明还提供一种用于执行上述写入方法的磁存储器件。所述磁存储器件包括磁隧道结、重金属轨道层和写入电路。所述磁隧道结包括参考层、势垒层和自由层，所述自由层具有垂直磁各向异性；所述重金属轨道层设置于所述自由层一侧，用于在面内写入电流作用下产生作用于自由层的自旋轨道矩；所述写入电路被配置为向所述重金属轨道层施加面内sot写入电流，并向所述磁隧道结施加垂直stt写入电流，以在写入过程中抑制自由层磁化矢量的回退切换。

9、在一种实施方式中，所述自由层包括cofeb材料，所述势垒层包括mgo材料，所述参考层包括co/pt多层膜、co/pd多层膜或具有垂直磁各向异性的合成反铁磁结构。所述重金属轨道层包括β-w、ta、pt、ir、w、ptmn、拓扑绝缘体材料或其组合，并用于通过自旋霍尔效应或rashba-edelstein效应产生注入自由层的自旋流。

10、在一种实施方式中，所述重金属轨道层与所述磁隧道结采用共面刻蚀结构，使所述重金属轨道层与所述自由层保持电接触或自旋耦合接触。该结构能够降低磁隧道结刻蚀过程中对刻蚀终点的精确控制要求，减少因过刻蚀导致重金属轨道层损伤、断路或短路的风险，从而扩大工艺窗口并提升器件一致性和良率。

11、在一种实施方式中，所述磁存储器件包括阵列结构。所述重金属轨道层作为沿行方向延伸的sot写线，并被同一行的多个磁隧道结单元共用；所述sot写线通过行选通晶体管与源线连接，用于向被选中行的多个磁隧道结单元提供面内sot写入电流；所述磁隧道结的参考层通过位线或全局位线选择连接，用于向被选中的磁隧道结单元提供垂直stt写入电流。由此，无需为每个磁隧道结单元分别配置独立的sot写入选通晶体管，有利于减少单元级晶体管数量、减小存储单元面积并提高阵列集成密度。

12、相对于现有技术，本发明所述磁存储器件的改进点和优势在于：现有部分sot写入结构需要在自由层侧壁形成环形、分段或其他复杂形貌的sot导体，以对自由层磁化矢量施加辅助力矩，但该类结构通常会增加侧壁图形化、对准和刻蚀控制难度，并提高器件结构复杂度。与此不同，本发明利用位于自由层一侧的重金属轨道层提供面内sot电流通道，并利用磁隧道结垂直方向通道提供stt电流通道，两条电流路径由写入电路分别设定电流幅值、极性和脉冲时序。因此，本发明能够在不依赖外加面内辅助磁场的情况下执行混合stt-sot协同写入，同时避免额外侧壁sot导体或复杂环绕结构带来的加工难度。

13、进一步地，本发明所述器件并非仅采用单一sot写入通道或单一stt写入通道，而是在同一磁存储单元中同时设置面内sot驱动路径和垂直stt调控路径。所述重金属轨道层产生的sot用于在短脉冲期间快速驱动自由层磁化矢量偏离初始稳定态，所述磁隧道结垂直通道产生的stt用于在sot脉冲尾部及其后的弛豫阶段对自由层磁化矢量进行目标态引导。由此，该器件能够从结构上支撑前述抑制回退切换的写入方法，并提高确定性写入的可靠性。

14、此外，在工艺实现层面，所述重金属轨道层与所述磁隧道结可采用共面接触或共面刻蚀结构，使所述重金属轨道层与所述自由层保持面接触、电接触或自旋耦合接触。该结构允许sot写线和磁隧道结图形化采用连续或兼容的刻蚀流程，降低磁隧道结刻蚀过程中对刻蚀终点精确停止在重金属轨道层上的要求，减少因过刻蚀造成重金属轨道层损伤、断路或短路的风险，从而扩大工艺窗口，提高器件制备一致性和良率。

15、进一步地，在阵列实现层面，所述重金属轨道层可作为沿行方向延伸的sot写线，并被同一行的多个磁隧道结单元共用；所述sot写线通过行选通晶体管与源线连接，用于向被选中行的多个磁隧道结单元提供面内sot写入电流；所述磁隧道结的参考层通过位线或全局位线选择连接，用于向被选中的磁隧道结单元提供垂直stt写入电流。由此，本发明能够通过行选通和列选通分别控制sot电流与stt电流，在保持sot-mram读写路径分离优势的同时，减少每个磁隧道结单元独立配置sot写入选通晶体管的需求，有利于降低单元级晶体管数量和阵列布线复杂度，减小存储单元面积，并提高阵列集成密度。

16、因此，本发明所述磁存储器件不仅能够配合混合stt-sot写入方法抑制回退切换、降低写入错误概率，还能够通过重金属轨道层与磁隧道结的共面结构、行共享sot写线结构以及垂直stt选择通道，提高工艺容差、降低器件结构复杂度，并增强其在高密度sot-mram阵列中的应用可行性。

17、相对于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

18、（1）本发明针对sot-mram在sot脉冲撤除后的弛豫阶段容易发生回退切换的问题，将stt电流配置为sot脉冲尾部及其后的弛豫阶段提供与目标写入态对应的定向阻尼力矩，使自由层磁化矢量进入目标态吸引域，从而降低回退切换概率和写入误码率。

19、（2）本发明通过目标写入态控制stt电流极性，使stt在弛豫阶段承担目标态选择和磁化轨迹收敛功能，因此能够在不依赖外加面内辅助磁场的情况下实现确定性写入。

20、（3）本发明通过预先建立的jsot-jstt切换相位图或查找表选择sot/stt电流组合，使写入电流幅值、脉冲宽度及stt延续时间能够根据器件参数进行设计，从而避开不翻转区域和回退切换区域，拓宽稳定写入操作窗口。

21、（4）本发明采用重金属轨道层与磁隧道结共面接触或共面刻蚀结构，降低刻蚀终点控制难度，减少轨道层损伤风险，有利于提高器件制备一致性和工艺良率。

22、（5）本发明的阵列结构使同一行多个磁隧道结单元共用sot写线及其行选通晶体管，并通过位线或全局位线选择垂直stt写入路径，从而减少每个存储单元独立配置sot写入选通晶体管的需求，有利于减小存储单元面积并提高阵列集成密度。