CN104393169A - 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器 - Google Patents
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Abstract
一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，该存储器SOT-MTJ基于垂直磁各向异性，除了包含有传统MTJ结构中的自由层、隧穿势垒层、参考层和反铁磁金属层，还额外添加了一层非铁磁金属层，并且优化了反铁磁金属层的材料，以及改进了隧穿势垒层的形状；该SOT-MTJ结构从下到上依次为底电极，非铁磁金属层，铁磁金属层一即自由层，楔形隧穿势垒层，铁磁金属层二即参考层，反铁磁金属层及顶电极共七层。本发明无需外部磁场即可进行写入操作，因而较之前的SOT-MRAM能耗更低，随工艺节点降低的等比微缩性也更优秀。
Description
技术领域
本发明涉及一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩(Spin-Orbit Torque，简称SOT)磁存储器，它包含一种基于SOT改变存储器件电阻状态的新型磁隧道结(Magnetic TunnelJunction，简称MTJ)结构，即SOT-MTJ，属于非易失性存储器技术领域。
背景技术
传统磁存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)的核心存储部分是磁隧道结MTJ，它是一个由多层膜组成的两端口结构器件。其核心部分主要由三层薄膜组成，两个铁磁层被一个隧穿势垒层分隔开。其中一个铁磁层的磁化方向是固定不变的，被称为参考层；另一个铁磁层的磁化方向可以改变成同参考层平行(Parallel，简称P)或反平行(Anti-Parallel，简称AP)，被称为自由层。当两个铁磁层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态RP(平行磁化方向时的电阻)；反之，当两个铁磁层的磁化方向反平行时，MTJ呈现高电阻状态RAP(反平行磁化方向时的电阻)。这两种截然不同的电阻状态在信息存储的时候可以分别用来表征二进制数据“0”和“1”。MTJ的高低两种电阻状态之间的差异度用隧穿磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，简称TMR)来描述，TMR＝(RAP-RP)/RP。
基于自旋轨道动量矩磁存储器(Spin-Orbit Torque MRAM，简称SOT-MRAM)的核心存储部分SOT-MTJ具有非易失性、高速读写、低功耗、接近无限次的反复擦写次数等诸多优点。然而，目前SOT-MRAM的写入需要外部磁场来决定其自由层的磁化翻转极性，同时写入电流相对过高，从而影响了其纳米加工工艺，且阻碍了其继续小型化的发展。
发明内容
1.发明目的：
针对上述背景中提到的目前SOT-MRAM存在的问题，本发明提供了一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，它是一种新型的SOT-MRAM，其核心存储部分是不同于传统MTJ的新型三端口结构的器件，也即SOT-MTJ。本发明提出的基于新型SOT-MTJ的SOT-MRAM无需外部磁场即可进行写入操作，因而较之前的SOT-MRAM能耗更低，随工艺节点降低的等比微缩性也更优秀。
2.技术方案：
本发明一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其核心存储器件SOT-MTJ基于垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，简称PMA)。该SOT-MTJ结构除了包含有传统MTJ结构中的自由层、隧穿势垒层、参考层和反铁磁金属层，还额外添加了一层非铁磁金属层，并且优化了反铁磁金属层的材料，以及改进了隧穿势垒层的形状。如图1所示，该SOT-MTJ结构从下到上依次为底电极，非铁磁金属层，铁磁金属层一(自由层)，楔形隧穿势垒层，铁磁金属层二(参考层)，反铁磁金属层及顶电极共七层：
所述底电极材料是钽Ta、铂Pt、钨W或铜Cu中的一种；
所述非铁磁金属层材料是铜Cu,金Au,钌Ru,钽Ta,铪Hf中的一种，目的是增强自旋极化电流的传递，降低写入功耗；
所述铁磁金属层一(自由层)材料是混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样，用于存储数据；
所述楔形隧穿势垒层材料是氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上界面为楔形，用于代替外部偏置磁场的作用；
所述铁磁金属层二(参考层)材料是混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
所述反铁磁金属层材料是混合金属材料钴钯CoPd，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转；
所述顶电极材料是钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。
其中，该SOT-MTJ底电极的厚度为10-200nm，非铁磁金属层的厚度为0-1nm，铁磁金属层一(自由层)的厚度为0-3nm，楔形隧穿势垒层是厚度为1至2nm的楔形物，铁磁金属层二(参考层)是厚度为2至3nm的反楔形物，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-200nm。
其中，该SOT-MTJ是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的。
其中，该SOT-MTJ的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形中的一种。
其中，该SOT-MTJ是通过特殊的后端工艺集成在传统的半导体器件之上。
其中，该SOT-MTJ的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负双向电流Iwrite来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入。
其中，该SOT-MTJ的数据读取操作，是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流Iread与基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息。
3.优点和功效：
本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器，其核心存储器件是基于新型的三端口结构SOT-MTJ，具有高速读写、低功耗数据写入及高可靠性等特点，可应用于非易失性高速缓存等场景。由于其通过结构的反演不对称性，利用电流产生SOT，来实现自由层磁化翻转，从而改变存储器件的磁化状态，因此翻转时间短，写入速度快。此外，通过两条相互独立的电流路径分别完成数据的写入和读取操作，可以解决传统MRAM的可靠性问题，从而保证了其可具有的接近无限次的反复擦写能力。
本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器在传统SOT-MRAM中的SOT-MTJ结构基础上，添加了一层非铁磁金属层，用以提高SOT效率，增强垂直磁各向异性，从而降低写入电流。此外，通过优化反铁磁金属层材料，可获得高矫顽力，减少杂散磁场。通过改进隧穿势垒层的形状，实现了无需外部磁场即可完成对自由层的磁化翻转，因此在保证高速读写的同时，还实现了低功耗、高能量利用率的数据写入以及高密度存储。
附图说明
图1为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ结构示意图。其中参考层中单向的向上黑色箭头代表参考层的磁化方向固定向上垂直于SOT-MTJ器件平面，自由层中双向的黑色箭头代表自由层的磁化方向可改变成平行于或反平行于参考层磁化方向。
图2为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ的一种特定实例的结构示意图。
图3(a)为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ写入平行状态(P)的基本操作示意图，其中Vdd表示高电位，一般为电源；Gnd表示低电位，一般为接地；Iwrite表示流经底电极的写入电流。
图3(b)为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ写入反平行状态(AP)的基本操作示意图，其中Vdd表示高电位，一般为电源；Gnd表示低电位，一般为接地；Iwrite表示流经底电极的写入电流。
图4为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ的读取操作示意图，其中Vdd表示高电位，一般为电源；Gnd表示低电位，一般为接地；Iread表示流经SOT-MTJ的读取电流。
图5为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器的存储单元结构示意图，该存储单元为一个新型SOT-MTJ和一个NMOS晶体管相串联的结构。其中WL表示连接NMOS晶体管栅极的字线(Word Line)，RL表示连接SOT-MTJ顶电极的读取线(ReadLine)，BL表示连接NMOS晶体管源极/漏极的位线(Bit Line)，SL表示连接SOT-MTJ底电极另一端口(非连接NMOS晶体管漏极/源极的端口)的源线(Source Line)。
图6为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器的阵列结构示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图。其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ结构，具有高速读写、低功耗数据写入、高存储密度及高可靠性等特点，因此可以采用该SOT-MTJ结构通过一定的集成方式建立新型磁存储器。
图1为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ结构示意图。其中，隧穿势垒层为厚度是1至2nm的楔形物，上界面为楔形，用于代替外部偏置磁场的作用；参考层是厚度为2至3nm的反楔形物。
本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器，其核心存储器件SOT-MTJ基于PMA。该SOT-MTJ除了包含有传统MTJ结构中的自由层、隧穿势垒层、参考层和反铁磁金属层，还额外添加了一层非铁磁金属层，并且优化了反铁磁金属层的材料，以及改进了隧穿势垒层的形状。该SOT-MTJ结构从下到上依次为底电极(10-200nm)，非铁磁金属层(0-1nm)，铁磁金属一(自由层，0-3nm)，楔形隧穿势垒层(1-2nm)，铁磁金属二(参考层，反楔形，2-3nm)，反铁磁金属层(0-20nm)及顶电极(10-200nm)共七层构成；
图2为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ的一种特定实例的结构示意图。
在该特定实例中，所述底电极材料是铂Pt；所述非铁磁金属层材料是钽Ta，增强自旋极化电流的传递，从而降低写入功耗；所述铁磁金属一(自由层)材料是混合金属材料钴铁硼CoFeB，该混合金属材料中各个元素组成可以不一样，用于存储数据；所述楔形隧穿势垒层材料是氧化镁MgO，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上界面为楔形，用于代替外部偏置磁场的作用；所述铁磁金属二(参考层)材料是混合金属材料钴铁硼CoFeB，该混合金属材料中各个元素组成可以不一样；所述反铁磁金属层材料是混合金属材料钴钯CoPd，该混合金属材料中各个元素组成可以不一样，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转；所述顶电极材料是钽Ta；通过采用磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的；其形状为圆形。
在上述特定实例中，通过底电极Pt/自由层CoFeB/楔形隧穿势垒层MgO结构的反演不对称性，当底电极Pt注入电流时，自旋轨道耦合根据传导电子的自旋方向引发其向上或向下的偏差，从而导致垂直方向的自旋极化电流，产生SOT，来实现自由层CoFeB的磁化翻转，从而改变存储器件的磁化状态。在自由层CoFeB与底电极Pt之间添加的一层非铁磁金属层钽Ta，减少底电极Pt界面自旋极化电流的去极化，产生界面自旋电子散射，增强自旋极化电流的传递，提高了自旋霍尔角，从而向自由层CoFeB施加更强的SOT，增强PMA，提高TMR值，从而降低写入功耗。反铁磁金属层钴钯CoPd的材料优化，在提供对于参考层的扎钉作用的基础上，有助于辅助自旋极化电流完成自由层的磁化翻转，并获得高矫顽力，减少杂散磁场。隧穿势垒层MgO为厚度是1至2nm的楔形物，由于其横向结构不对称性，表现为氧的密度梯度，增强自由层的磁各向异性，导致电流密度的变化来产生磁场，来决定磁化翻转极性，代替外部偏置磁场的作用。
图3(a)(b)和图4分别为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ写入平行状态(P)、写入反平行状态(AP)和读取的基本操作示意图。其中，数据的写入是通过向底电极分别注入正负双向电流Iwrite来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入，数据的读取是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流Iread与基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息；隧穿势垒层氧化物的横向结构不对称性代替沿电流方向施加的外部偏置磁场，来决定磁化翻转极性。与传统的MTJ的主要区别是，本发明通过两条相互独立的电流路径分别完成数据的写入和读取操作，因而可以使用相对较厚的隧穿势垒层，从而避免漏电流的产生，增加TMR值，达到更低的功耗。
图3(a)为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ写入平行状态(P)的基本操作示意图。对于平行状态(P)的写入，通过向底电极两端施加高电位(Vdd)和低电位(Gnd)，产生负电流Iwrite，来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”的写入。图3(b)为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ写入反平行状态(AP)的基本操作示意图。对于反平行状态(AP)的写入，通过向底电极两端施加低电位(Gnd)和高电位(Vdd)，产生正电流Iwrite，来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“1”的写入。
图4为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ的读取操作示意图。通过向顶电极和底电极施加高电位(Vdd)和低电位(Gnd)，产生读取电流Iread，与基准参考电流进行比较，来判断存储在其中的数据信息。
图5为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器的存储单元结构示意图。当对该存储单元进行读取操作的时候，给WL施加高电压使NMOS晶体管导通，同时给RL施加高电压，给BL施加低电压，SL断开。如此，读取电流Iread从RL自上而下依次流经SOT-MTJ和NMOS晶体管，至BL，后通过读出放大器同基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息。当对该存储单元进行写入操作的时候，给WL施加高电压使NMOS晶体管导通，RL断开，同时根据要写入的数据分别给BL和SL施加高电压或低电压。比如在写入数据“0”的时候，给SL施加高电压，BL施加低电压，如此，写入电流Iwrite从SL开始依次流经SOT-MTJ的底电极和NMOS晶体管，至BL；相反的，在写入数据“1”的时候，给SL施加低电压，BL施加高电压，如此，写入电流Iwrite从BL开始依次流经SOT-MTJ的底电极和NMOS晶体管，至SL。
图6为本发明一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器的存储阵列结构示意图。在对阵列中的目标单元进行读取或写入操作时，要根据如上所述要求对目标单元的WL、BL、SL和RL进行适当的配置，同时要对阵列中其它所有的非目标单元的WL、BL、SL和RL进行相应配置，以确保只对目标单元进行读或写操作而不影响其它非目标单元。比如，如果对目标单元SOT-MTJ0(图6左上角的单元)进行读操作，则给WL0施加高电压使晶体管NMOS0导通，给RL0施加高电压，给BL0施加低电压，SL0断开，同时WL1、WL2、BL1、SL1、RL1、BL2、SL2、RL2断开(或接地)，以确保只有被选择的目标单元可以通过读取电流Iread。如果对目标单元SOT-MTJ0(图6左上角的单元)进行写操作，则给WL0施加高电压使晶体管NMOS0导通，RL0断开，并根据要写入的数据分别给BL0和SL0施加高电压或低电压，同时WL1、WL2、BL1、SL1、RL1、BL2、SL2、RL2断开(或接地)，以确保只有被选择的目标单元的底电极可以通过相应的写电流Iwrite。本发明提出的一种无需外部磁场的新型自旋轨道动量矩磁存储器中的新型SOT-MTJ结构，可以广泛的应用于磁随机存储器的电路设计之中，并可以作为一个独立的IP核，方便使用者以及电路设计工作者自由调用。
Claims (7)
1.一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该存储器SOT-MTJ基于垂直磁各向异性，除了包含有传统MTJ结构中的自由层、隧穿势垒层、参考层和反铁磁金属层，还额外添加了一层非铁磁金属层，并且优化了反铁磁金属层的材料，以及改进了隧穿势垒层的形状；该SOT-MTJ结构从下到上依次为底电极，非铁磁金属层，铁磁金属层一即自由层，楔形隧穿势垒层，铁磁金属层二即参考层，反铁磁金属层及顶电极共七层：
所述底电极材料是钽Ta、铂Pt、钨W或铜Cu中的一种；
所述非铁磁金属层材料是铜Cu,金Au,钌Ru,钽Ta,铪Hf中的一种，目的是增强自旋极化电流的传递，降低写入功耗；
所述铁磁金属层一即自由层材料是混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样，用于存储数据；
所述楔形隧穿势垒层材料是氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上界面为楔形，用于代替外部偏置磁场的作用；
所述铁磁金属层二即参考层材料是混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样；
所述反铁磁金属层材料是混合金属材料钴钯CoPd，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转；
所述顶电极材料是钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的底电极的厚度为10-200nm，非铁磁金属层的厚度为0-1nm，铁磁金属层一即自由层的厚度为0-3nm，楔形隧穿势垒层是厚度为1至2nm的楔形物，铁磁金属层二即参考层是厚度为2至3nm的反楔形物，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-200nm。
3.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的。
4.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构是通过特殊的后端工艺集成在传统的半导体器件之上。
6.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负双向电流Iwrite来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入。
7.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的数据读取操作，是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流Iread与基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息。
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