[发明专利]一种基于3D堆叠式多隧道结的磁性忆阻器

说明书

本发明公开了一种基于3D堆叠式多隧道结的磁性忆阻器，包括n层磁性层和(n‑1)层绝缘层，磁性层和绝缘层交替设置，其中，n为大于等于2的整数，一层绝缘层及其上下层磁性层构成一个隧道结，n层磁性层和(n‑1)层绝缘层构成(n‑1)个隧道结。本发明提出的基于多层磁性薄膜的多值存储器，可以满足存储技术中高密度、多值存储、小尺寸、轻薄化和低功耗的要求。本发明的结构是一种磁性层与绝缘层交替叠加的磁性薄膜结构，可以看成多个磁性隧道结串联而成，本发明采用的是自旋流的自旋力矩转移效应翻转，其特点是功耗更低，无需外加磁场，且大小可以通过电流控制。

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3D堆叠式多隧道结的磁性忆阻器。

背景技术

进入21世纪，互联网、物联网快速发，市场上的移动存储设备不断走向轻薄。市场上最薄的手机vivo x5 Max机身厚度仅4.75毫米，惠普的超级本spectre幽灵也已达到10.4毫米的惊人厚度，除去不可缺少的主控芯片和大体积的电池，留给存储器的空间越来越少。与之相对，高清电影，游戏却要求更大的机身存储空间；人们对长续航的需求意味着设备运行必须有更低的功耗。我们不难看出，市场明确给未来的储存器指明了方向：更小的尺寸，更大的内存和更低的功耗。

为了在有限的存储空间内实现更大容量的存储，一个共通的办法是依靠进步的半导体工艺把单个存储单元做的更小，另一方向则是在单个存储单元上存储更多的信息，也叫多值存储。市场上已经存在两个代表性的多值存储技术：MLC NAND FLASH和相变存储器。

NAND FLASH闪存的基本结构是带有浮栅的场效应晶体管，浮栅中可储存电子，通过设定阈值电压，测量并划分浮栅中电子的数量的多少来定义二进制位“0”和“1”。而MLCNAND FLASH在此基础上，把浮栅中存储的电子数量划分为多个范围，可以实现三态甚至更多的存储的状态。同时，这需要多个相距很近的阈值电压，意味着MLC NAND FLASH更容易受到干扰，出错几率更大，对编程电压的控制要求更加精确。而且，MLC NAND FLASH比传统的NAND FLASH擦写次数低，寿命大大降低，属于存储器中的低端产品。

相变存储器的核心是采用硫系化合物作为相变材料，相变材料的原子排列含有序和无序两种状态，分别对应低阻和高阻两个状态。相变存储器可制作成多态存储，办法是控制退火或淬火的温度，让相变材料的电阻停留在高阻和低阻的中间阻态，实现多个状态的存储。但是，相变材料阻值随温度变化的曲线是非线性的，在变化过程中是剧烈的，我们很难找到稳定的中间状态；并且，相变材料有严重的阻值漂移现象，相隔一段时间测量的同一材料电阻可能相差巨大，这也造成了存储信息的极不可靠。另外，相变存储器是用加热的方法控制，需要很大的操作电流提高温度，功耗很大，相变材料越多，操作电流也越大；同时高密度的存储单元使得相邻单元的间隔很小，容易发生热的相互串扰。因此，两种已存的多值存储器都无法同时满足存储技术中高密度、多值存储、小尺寸、轻薄化和低功耗的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于3D堆叠式多隧道结的磁性忆阻器，由此解决现有技术无法同时满足存储技术中高密度、多值存储、小尺寸、轻薄化和低功耗的要求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于3D堆叠式多隧道结的磁性忆阻器，包括n层磁性层和(n-1)层绝缘层，磁性层和绝缘层交替设置，其中，n为大于等于2的整数，一层绝缘层及其上下层磁性层构成一个隧道结，n层磁性层和(n-1)层绝缘层构成(n-1)个隧道结。

进一步地，磁性层的材料为CoFeB或者Co。

进一步地，绝缘层的材料为MgO或者AlO_x。

进一步地，磁性层的厚度为0.8nm-3nm。

进一步地，绝缘层的厚度为0.8nm-3nm。

进一步地，磁性层为单磁畴或者多磁畴。