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。
1.一种适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，所述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；所述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；所述铁磁材料层由铁磁材料制成，其磁畴状态在所述自旋流和外加平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得所述多态存储器的电阻值发生改变；所述绝缘材料层用于提供垂直磁特向异性，使得所述铁磁材料层的易磁化方向垂直于其膜面；所述盖帽层用于保护其下各层薄膜；所述多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得所述自旋流生成层在所述电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由所述自旋流生成层产生的自旋流作用于所述铁磁材料层使得所述铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而所述多态存储器的电阻值发生改变；所述磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例；
(1)在所述第一电极和所述第二电极之间施加定值的写电流，并对所述多态存储器施加平行或反平行于所述写电流的平面磁场；
(2)保持所述写电流的大小及方向均不变，改变所述平面磁场的大小，并获得每一个平面磁场值所对应的所述多态存储器的电阻值，从而得到n个平面磁场值以及与所述n个平面磁场值一一对应的n个电阻值；
(3)从所述n个电阻值中选择m个电阻值，并通过编码得到m个数据值与所述m个电阻值一一映射的第一映射关系；获得与所述m个电阻值一一对应的m个平面磁场值，进而得到所述m个数据值与所述m个平面磁场值一一映射的第二映射关系，并由此实现利用所述多态存储器的m个电阻态分别存储m个数据值的多态存储；
其中，所述写电流为使得所述多态存储器达到最大电阻值的最小电流，m和n均为大于或等于2的正整数，且m≤n。
2.如权利要求1所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，所述自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；所述铁磁材料层、所述绝缘材料层以及所述盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；
所述自旋流生成层面十字形状中一条直线的两端分别为所述第一电极和所述第二电极。
3.如权利要求1所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，所述多态存储器各层薄膜均为HallBar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；
所述自旋流生成层、所述铁磁材料层、所述绝缘材料层以及所述盖帽层依次重叠，使得所述多态存储器的结构呈十字形状；
所述多态存储器十字形状的一条直线的两端分别为所述第一电极和所述第二电极。
4.如权利要求1-3任一项所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，所述步骤(2)中，改变所述平面磁场的大小的方法包括：设定一个步长，并在磁场应用范围内以所述步长线性改变所述平面磁场的大小；
其中，所述磁场应用范围为在所述写电流下能够使的所述多态存储器的电阻值发生最大变化的最小磁场范围，所述步长的设定使得n的取值大于或等于2。
5.如权利要求4所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，所述步长为磁场分辨率。
6.如权利要求4所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所选定的m个电阻态具有相同的阻值间隔。
7.如权利要求4所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，m＝n。
8.一种适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，所述基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，由下至上依次包括：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；所述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；所述第一铁磁层和所述第二铁磁层均由铁磁材料制成，所述第一铁磁层、所述非磁性层以及所述第二铁磁层构成MTJ或自旋阀结构；所述MTJ或所述自旋阀结构在所述自旋流的自旋力矩的作用下，所述第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得所述多态存储器的电阻值发生改变；所述钉扎层用于保证所述第二铁磁层的磁化方向不发生变化；所述盖帽层用于保护其下各层薄膜；所述多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得所述自旋流生成层在所述电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由所述自旋流生成层产生的自旋流作用于所述MTJ或所述自旋阀结构使得所述第一铁磁层的磁畴状态发生变化，进而所述多态存储器的电阻值发生改变；所述磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例；
(1)在所述第一电极和所述第二电极之间施加定值的写电流，并对所述多态存储器施加平行或反平行于所述写电流的平面磁场；
(2)保持所述写电流的大小及方向均不变，改变所述平面磁场的大小，并获得每一个平面磁场值所对应的所述多态存储器的电阻值，从而得到n个平面磁场值以及与所述n个平面磁场值一一对应的n个电阻值；
(3)从所述n个电阻值中选择m个电阻值，并通过编码得到m个数据值与所述m个电阻值一一映射的第一映射关系；获得与所述m个电阻值一一对应的m个平面磁场值，进而得到所述m个数据值与所述m个平面磁场值一一映射的第二映射关系，并由此实现利用所述多态存储器的m个电阻态分别存储m个数据值的多态存储；
其中，所述写电流为使得所述多态存储器达到最大电阻值的最小电流，m和n均为大于或等于2的正整数，且m≤n。
9.如权利要求8所述的适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，其特征在于，所述第一铁磁层、所述非磁性层、所述第二铁磁层、所述钉扎层以及所述盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，所述自旋流生成层的膜面大于其他层的膜面，且所述自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于所述自旋流生成层的中部，使得所述自旋流生成层至少有两个相对的凸出端；
所述自旋流生成层的两个相对的凸出端分别为所述第一电极和所述第二电极。
10.如权利要求8或9所述的多态存储方法，其特征在于，所述步骤(2)中，改变所述平面磁场的大小的方法包括：设定一个步长，并在磁场应用范围内以所述步长线性改变所述平面磁场的大小；
其中，所述磁场应用范围为在所述写电流下能够使的所述多态存储器的电阻值发生最大变化的最小磁场范围，所述步长的设定使得n的取值大于或等于2。
11.如权利要求10所述的多态存储方法，其特征在于，所述步长为磁场分辨率。
12.如权利要求10所述的多态存储方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所选定的m个电阻态具有相同的阻值间隔。
13.如权利要求10所述的多态存储方法，其特征在于，m＝n。
一种适用于基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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；
[0007] 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；
[0008] 多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于铁磁材料层使得铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；
[0009] 其中，磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。
[0010] 进一步地，本发明第一方面所提供的多态存储器还包括第三电极和第四电极，用于在读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极和第四电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。
[0011] 基于SOT(Spin-Orbit Torque，自旋轨道力矩)效应，在第一电极和第二电极二电极之间施加电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于铁磁层，使得铁磁层的磁畴状态发生变化；其中，磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴之间的过渡区称为磁畴壁。改变外加磁场的大小，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化，磁畴壁的连续运动对应多态存储器阻值的连续变化，使多态存储器阻值不再只具有“0”和“1”两个态，而是具有一系列准连续的、稳定的电阻态，从而实现多态存储器的功能。
[0012] 结合本发明的第一方面，在本发明的第一实施例中，自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；自旋流生成层面十字形状中一条直线的两端分别为第一电极和第二电极。
[0013] 进一步地，自旋流生成层膜面十字形状中另一条直线的两端分别为第三电极和第四电极。
[0014] 结合本发明的第一方面，在本发明的第二实施例中，多态存储器各层薄膜均为Hall Bar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层依次重叠，使得多态存储器的结构呈十字形状；多态存储器十字形状的一条直线的两端分别为第一电极和第二电极。
[0015] 进一步地，多态存储器十字形状的另一条直线的两端分别为第三电极和第四电极。
[0016] 按照本发明的第二方面，本发明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，由下至上依次包括：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；
[0017] 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；第一铁磁层和第二铁磁层均由铁磁材料制成，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成磁性隧道结(Magnetic tunnel junction,MTJ)或自旋阀结构；MTJ或自旋阀结构在自旋流的自旋力矩的作用下，第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得多态存储器的电阻值发生改变；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁化方向不发生变化；盖帽层用于保护其下各层薄膜；
[0018] 多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于MTJ或自旋阀结构使得第一铁磁层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；
[0019] 其中，磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。
[0020] 进一步地，本发明第二方面所提供的基于铁磁材料的多态存储器，还包括第三电极，用于读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极与第一电极之间或第三电极与第二电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。
[0021] 基于SOT效应，在第一电极和第二电极之间施加写电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于MTJ或自旋阀结构中的第一铁磁层，使得第一铁磁层的磁畴状态发生改变，从而多态存储器的电阻阻值发生改变；其中，磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，两种磁畴之间的过渡区称为磁畴壁。改变外加磁场的大小，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化；磁畴壁的连续运动对应多态存储器阻值的连续变化，使多态存储器阻值不再只具有“0”和“1”两个态，而是具有一系列准连续的、稳定的电阻态，从而实现多态存储器的功能。
[0022] 结合本发明的第二方面，在本发明的第三实施例中，第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，自旋流生成层的膜面大于其他层的膜面，且自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层的中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端；
[0023] 自旋流生成层的两个相对的凸出端分别为第一电极和第二电极。
[0024] 进一步地，盖帽层为第三电极。
[0025] 按照本发明的第三方面，本发明提供了一种基于本发明第一方面或第二方面所提供的基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，包括如下步骤：
[0026] (1)在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；
[0027] (2)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，从而得到n个平面磁场值以及与n个平面磁场值一一对应的n个电阻值；
[0028] (3)从n个电阻值中选择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；
[0029] 其中，写电流为使得多态存储器达到最大电阻值且取值最小的电流，m和n均为大于或等于2的正整数，且m≤n。
[0030] 进一步地，步骤(2)中，改变平面磁场的大小的方法包括：设定一个步长，并在磁场应用范围内以步长线性改变平面磁场的大小；其中，磁场应用范围为在写电流下能够使的多态存储器的电阻值发生最大变化的最小磁场范围，步长的设定使得n的取值大于或等于2。
[0031] 更进一步的，步长为磁场分辨率；n个平面磁场值之间的间隔不能超过磁场的波动范围，否则会出现写错误，因此，将磁场分辨率作为线性改变平面磁场大小的步长，可以在不出现些错误的情况下实现最多的电阻态。
[0032] 进一步地，步骤(3)中，所选定的m个电阻态具有相同的阻值间隔；由于在磁场应用范围内，平面磁场值与多态存储器的电阻值之间存在线性关系，因此，选定具有相同阻值间隔的电阻态，其对应的平面磁场值也具有相同的间隔，能够在实现多态存储时便于控制多态存储器的组态。
[0033] 进一步地，m＝n，以最大限度地提高多态存储的存储密度。
[0034] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0035] (1)本发明所提供的多态存储方法，利用基于铁磁材料的多态存储器实现，通过在多态存储器的第一电极和第二电极之间施加定值写电流，并对多态存储器施加平行或反平行于写电流方向的平面磁场，并通过改变平面磁场的大小使得多态存储器处于不同的稳定的电阻态，用于存储多个数据值，从而实现多态存储。由于本发明所提供的多态存储方法，本质上是通过控制多态存储器中铁磁材料内磁畴壁的移动使得多态存储器处于不同的电阻态，而写电流固定时，磁畴壁的位置会随着平面磁场的改变而改变，因此，本发明所提供的多态存储方法能够明显增加可实现的稳定电阻态，进而有效提高存存储器的存储密度。
[0036] (2)本发明所提供的多态存储方法，利用基于铁磁材料的多态存储器实现，将使得多态存储器达到最大电阻值且取值最小的电流作为定值写电流，并将在写电流下能够使的多态存储器的电阻值发生最大变化的最小磁场范围作为磁场应用范围，因此能够有效降低功耗。
[0037] (3)本发明所提供的多态存储方法，利用多态存储器中铁磁材料内电子的自旋的内禀属性存储数据，而不是依靠电子的电荷性质存储数据，因此能够提高多态存储的抗辐射能力。
附图说明
[0038] 图1为本发明第一实施例提供的基于铁磁材料的多态存储器的结构示意图；
[0039] 图2为本发明第二实施例提供的基于铁磁材料的多态存储器的结构示意图；
[0040] 图3为本发明第三实施例提供的基于铁磁材料的多态存储器的结构示意图；
[0041] 图4为本发明实施例提供的多态存储方法流程图；
[0042] 图5为本发明实施例提供的多态存储器的俯视图；
[0043] 图6为本发明实施例提供的不同平面磁场值下多态存储器的电阻随写电流的变化曲线；
[0044] 图7为本发明实施例提供的多态存储器件中8个电阻态之间相互转变的示意图。
具体实施方式
[0045] 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。
[0046] 在本发明的第一实施例中，本发明提供了一种基于铁磁材料的多态存储器，如图1所示，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；
[0047] 其中，自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；自旋流生成层面十字形状中一条直线的两端分别为多态存储器的第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于铁磁材料层使得铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；自旋流生成层膜面十字形状中另一条直线的两端分别为多态存储器的第三电极和第四电极，用于在读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极和第四电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。
[0048] 在本发明的第二实施例中，本发明提供了一种基于铁磁材料的多态存储器，如图2所示，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；
[0049] 其中，多态存储器各层薄膜均为Hall Bar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层依次重叠，使得多态存储器的结构呈十字形状；多态存储器十字形状的一条直线的两端分别为多态存储器的第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于铁磁材料层使得铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；多态存储器十字形状的另一条直线的两端分别为第三电极和第四电极，用于在读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极和第四电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。
[0050] 在图1和图2所示的实施例中，基于SOT(Spin-Orbit Torque，自旋轨道力矩)效应，在第一电极和第二电极之间施加电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于铁磁层，使得铁磁层的磁畴状态发生变化；其中，磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴之间的过渡区称为磁畴壁。改变外加磁场的大小，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化，从而改变多态存储器的电阻值，磁畴壁的连续运动对应多态存储器阻值的连续变化，使多态存储器阻值不再只具有“0”和“1”两个态，而是具有一系列准连续的、稳定的电阻态，从而实现多态存储器的功能。
[0051] 在图1和图2所示的实施例中，自旋流生成层的材料可以为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或Sb2Te3；铁磁层的材料可以为CoFeB或Co；绝缘层的材料为MgO或者AlOx；盖帽层的材料可以为钽(Ta)或者钛(Ti)。
[0052] 在本发明的第三实施例中，本发明提供了一种基于铁磁材料的多态存储器，如图3所示，具有多层薄膜结构，由下至上依次包括：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；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；第一铁磁层和第二铁磁层均由铁磁材料制成，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成MTJ或自旋阀结构；MTJ或自旋阀结构在自旋流的自旋力矩的作用下，第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得多态存储器的电阻值发生改变；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁化方向不发生变化；盖帽层用于保护其下各层薄膜；
[0053] 其中，第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，自旋流生成层的膜面大于其他层的膜面，且自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层的中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端；自旋流生成层的两个相对的凸出端分别为多态存储器的第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于MTJ或自旋阀结构使得第一铁磁层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；盖帽层为多态存储器的第三电极，用于读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极与第一电极之间或第三电极与第二电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。
[0054] 在图3所示的实施例中，基于SOT效应，在第一电极和第二电极之间施加写电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于MTJ或自旋阀结构中的第一铁磁层，使得第一铁磁层的磁畴状态发生改变，从而多态存储器的电阻阻值发生改变；其中，磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，两种磁畴之间的过渡区称为磁畴壁。改变外加磁场的大小，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化，从而改变多态存储器的电阻值，磁畴壁的连续运动对应多态存储器阻值的连续变化，使多态存储器阻值不再只具有“0”和“1”两个态，而是具有一系列准连续的、稳定的电阻态，从而实现多态存储器的功能。
[0055] 在本发明的第三实施例中，自旋流生成层的材料可以为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或Sb2Te3；第一铁磁层和第二铁磁层的材料均可为CoFeB；非磁性层的材料可以为MgO、Al2O3或Cu；盖帽层的材料可以为钽(Ta)或者钛(Ti)。
[0056] 本发明还提供了基于本发明所提供的基于铁磁材料的多态存储器的多态存储方法，以利用多态存储器的8个稳定的电阻态分别存储8个数据值的多态存储方法为例，如图4所示，包括如下步骤：
[0057] (1)如图5所示，在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；
[0058] 其中，写电流为使得多态存储器达到最大电阻值的最小电流，通过这样设定定值写电流，能够利用尽可能多的电阻态，同时保证功耗最小；图6所示为在四个不同的平面磁场值下，电流在-60mA～60mA的范围内变化时，多态存储器电阻值的变化情况，从中可以选定合适的写电流；
[0059] (2)保持写电流的大小及方向均不变，在磁场应用范围内线性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，从而得到n个平面磁场值以及与该n个平面磁场值一一对应的n个电阻值；其中，磁场应用范围为在写电流下能够使的多态存储器的电阻值发生最大变化的最小磁场范围，n为大于或等于8的正整数；
[0060] (3)从n个电阻值中选择8个阻值间隔相等的电阻值，并通过编码得到所要存储的8个数据值与这8个电阻值一一映射的第一映射关系；获得与所选定的8个电阻值一一对应的8个平面磁场值，进而得到8个数据值与8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8个电阻态分别存储8个数据值的多态存储；选定8个用于存储数据的电阻值并确定对应的8个平面磁场值后，进行多次测试，每次测试中对多态存储器施加所确定的8个平面磁场值中的一个，并测量多态存储器对应的实际电阻值，测试结果如图7所示，其中，上部分为每次测试时对多态存储器施加的平面磁场值，下部分为测量得到的实际电阻值；根据图7所示的测试结果可知，对多态存储器施加的平面磁场值不变时，多态存储器的实际电阻值也基本不变，即多态存储器能够保持稳定的电阻态，而且当平面磁场值发生变化时，多态存储器的电阻值也会随之变化，因此能够通过控制施加于多态存储器上的平面磁场，控制多态存储器处于不同的稳定电阻态，进而实现多态存储。
[0061] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
