CN110797060A - 使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直sot-mram存储器单元 - Google Patents

使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直sot-mram存储器单元 Download PDF

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Abstract

本发明题为“使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直SOT‑MRAM存储器单元”。本发明提供了一种垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，其包括磁隧道结，该磁隧道结包括平面内的自由层、铁磁层以及铁磁层和自由层之间的间隔层。自由层包括垂直于平面的可切换的磁化方向。铁磁层被配置为响应于通过铁磁层的电流而生成垂直极化的自旋电流，并将垂直极化的自旋电流通过间隔层注入自由层中以改变自由层的磁化方向。

Description

使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直SOT-MRAM存储器单元
发明人
Goran Mihajlovic
Oleksandr Mosendz
本申请要求2018年8月2日提交的标题为“Perpendicular SOT-MRAM Memory CellUsing Spin Swapping Induced Spin Current(使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直SOT-MRAM存储器单元)”的临时申请62/714,001的优先权，其全文以引用方式并入本文。
背景技术
存储器广泛用于各种电子设备，诸如蜂窝电话、数字相机、个人数字助理、医疗电子器件、移动计算设备、非移动计算设备和数据服务器。存储器可以包括非易失性存储器或易失性存储器。即使当非易失性存储器未连接到电源(例如，电池)时，非易失性存储器也允许存储和保留信息。
非易失性存储器的一个示例是磁阻随机存取存储器(MRAM)，其使用磁化来表示所存储的数据，这与使用电荷来存储数据的某些其他存储器技术相反。一般来讲，MRAM包括在半导体衬底上形成的大量磁存储器单元，其中每个存储器单元都代表一个数据位。通过改变存储器单元内的磁性元件的磁化方向将数据位写入存储器单元，并且通过测量存储器单元的电阻来读取位(低电阻通常表示“0”位且高电阻通常表示“1”位)。如本文所用，磁化方向为磁矩取向的方向。
尽管MRAM是有前景的技术，但先前的MRAM存储器单元操作效率低并且/或者没有确定性地切换。
附图说明
相同编号的元件是指不同图中的共同部件。
图1A是MRAM存储器单元的框图。
图1B是MRAM存储器单元的框图。
图1C是MRAM存储器单元的框图。
图1D是MRAM存储器单元的框图。
图1E描绘了负电荷的电子散射。
图2描绘了所提出的使用了自旋交换的MRAM存储器单元的一个实施方案。
图3描绘了所提出的使用了自旋交换的MRAM存储器单元的一个实施方案。
图4描绘了所提出的使用了自旋交换的MRAM存储器单元的一个实施方案。
图5是描述了为编程MRAM存储器单元而执行的过程的一个实施方案的流程图。
图6是使用了本文提出的新存储器单元的存储器***的框图。
具体实施方式
图1A是利用了场感应切换的现有MRAM存储器单元10的示意性透视图。一般来讲，MRAM单元10包括磁隧道结(MTJ)11，该磁隧道结包括上铁磁层12、下铁磁层14和隧道势垒层(TB)16，该隧道势垒层为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，上铁磁层12为自由层FL，并且其磁化方向可以切换。下铁磁层14为钉扎层(或固定层)PL，并且其磁化方向不改变。
当自由层FL 12中的磁化与钉扎层PL 14中的磁化平行时，跨存储器单元的电阻至少部分地由于少数电子的自旋相关散射而是相对低的。当自由层FL 12中的磁化与钉扎层PL 14中的磁化反平行时，跨存储器单元10的电阻至少部分地由于少数电子和多数电子的自旋相关散射而是相对高的。通过测量存储器单元10的电阻来读取存储器单元10中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接到存储器单元10的电导体20/30用于读取MRAM数据。
自由层12中的磁化方向响应于在数字线32中流动的电流34并且响应于在分别生成磁场36和26的写入线20中流动的电流22而改变。图1A描绘了数字线32中的电流34流出页面并且写入线20中的电流22从左向右流动从而产生两个正交的场的情况，这将导致自由层12中的磁化相对于固定层14中的磁化从平行切换到反平行。通过使写入线20中的电流22的极性反转，同时使数字线32中的电流34的极性保持恒定，切换位的取向。
上面针对图1A的存储器单元所描述的场感应切换技术具有一些实际限制，特别是当设计要求将存储器单元缩放到较小尺寸时。例如，由于该技术需要两组磁场写入线，因此MRAM单元阵列易于受到位干扰的影响(即，相邻单元可能响应于引导至给定单元的写入电流而遭受无意地更改)。此外，减小MRAM存储器单元的物理尺寸导致由于热波动引起的针对磁化切换的较低的磁稳定性。通过利用具有大的磁各向异性并且因此具有大的切换场的磁材料用于自由层，可以增强位的稳定性，但在现有应用中，用于生成足够强的磁场以切换位所需的电流是不切实际的。
自旋转移力矩(STT)切换是用于对MRAM存储器单元进行编程的另一种技术。图1B是用于MRAM单元50的STT切换技术的示意表示，该MRAM单元包括磁隧道结(MTJ)51，该该磁隧道结包括上铁磁层52、下铁磁层54和隧道势垒层(TB)56，该隧道势垒层为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，下铁磁层54为自由层FL，并且其磁化方向可以切换。上铁磁层52为钉扎(或固定)层PL，并且其磁化方向不容易改变。当自由层54中的磁化与钉扎层PL 52中的磁化平行时，跨存储器单元50的电阻是相对低的。当自由层FL 54中的磁化与钉扎层PL52中的磁化反平行时，跨存储器单元50的电阻是相对高的。通过测量存储器单元50的电阻来读取存储器单元50中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接到存储器单元50的电导体60/70用于读取MRAM数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。
在其余的文本和附图中，写入电流的方向被定义为电子流动的方向。因此，术语写入电流是指电子电流。
为了“设置”MRAM单元位值(即，选择自由层磁化的方向)，从导体60向导体70施加电写入电流62。写入电流中的电子随着它们穿过钉扎层52而变为自旋极化的，因为钉扎层52为铁磁金属。虽然铁磁金属中的传导电子将具有与磁化方向共线的自旋取向，但它们中的绝大部分将具有与磁化方向平行的特定取向，从而产生净自旋极化电流。(电子自旋是指角动量，其与电子磁矩的方向成正比但反平行，但为了便于讨论，从目前开始不会再使用这种方向性的区别)。当自旋极化的电子隧穿隧道势垒层56时，角动量的守恒可以导致扭矩被施加在自由层54和钉扎层52两者上，但该扭矩不足以(通过设计)实现钉扎层的磁化方向。相反，如果自由层54的初始磁化取向与钉扎层52反平行，则该扭矩(通过设计)足以使自由层54中的磁化取向切换成与钉扎层52的磁化取向平行。然后，在关闭此写入电流之前和之后，平行磁化将保持稳定。相比之下，如果自由层54磁化和钉扎层52磁化最初是平行的，则通过施加与上述情况相反方向的写入电流，可以将自由层磁化STT切换成与钉扎层52反平行。因此，经由相同的STT物理性质，可以通过明智地选择写入电流方向(极性)来确定性地将自由层54的磁化方向设置为两个稳定取向中的任一个。
图1B的MRAM存储器单元使用其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在平面内方向上的材料。相比之下，图1C描绘了其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在垂直方向上的STT切换MRAM存储器单元75的示意图。存储器单元75包括磁隧道结(MTJ)76，该磁隧道结包括上铁磁层78、下铁磁层80和隧道势垒(TB)82，该隧道势垒为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，下铁磁层80为自由层FL，并且其磁化方向可以切换。上铁磁层78为钉扎(或固定)层PL，并且其磁化方向不容易改变。当自由层80中的磁化与钉扎层PL 78中的磁化平行时，跨存储器单元75的电阻是相对低的。当自由层FL 80中的磁化与钉扎层PL 78中的磁化反平行时，跨存储器单元50的电阻是相对高的。通过测量存储器单元75的电阻来读取存储器单元75中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接到存储器单元75的电导体84/88用于读取MRAM数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。为了“设置”MRAM单元位值(即，选择自由层磁化的方向)，从导体84向导体88施加电写入电流86，并且存储器单元如以上关于图1B所讨论的那样操作。
与使用了来自靠近MRAM单元的载流导体的磁场的最早的MRAM单元相比，STT切换技术需要相对低的功率，这实际上消除了相邻位干扰的问题，并且对于更高的单元密度具有更有利的缩放(MRAM单元尺寸减小)。后一个问题也有利于STT-MRAM，其中自由层磁化和钉扎层磁化垂直于薄膜平面取向，而不是在平面内取向。然而，在实施过程中，STT切换要求全写入电流流过隧道势垒层，这由于跨隧道势垒层的中等写入电压到高写入电压的必要应力而对STT MRAM单元的长期可靠性产生负面影响。
图1D描绘了利用自旋轨道扭矩(SOT)用于使用自旋电流来切换自由层的替代MRAM存储器单元100。电子的自旋为固有角动量，与由于其轨道运动而引起的角动量分开。在固体中，许多电子的自旋可以共同作用以影响材料的磁特性和电子特性，例如赋予其如同在铁磁体中一样的永磁矩。在许多材料中，电子自旋相等程度地具有向上方向和向下方向，并且无传输特性取决于自旋。然而，可以使用各种技术来生成自旋极化的电子群，这会产生过量的自旋向上或自旋向下的电子，以便改变材料的特性。在共同方向上移动穿过共同材料的这种自旋极化的电子群被称为自旋电流。如本文所述，自旋电流可以用于操作MRAM存储器单元。
一般来讲，当沿纵向方向(平面内方向)施加充电电流时，自旋霍尔效应(SHE)可用于生成沿横向方向(垂直于平面方向)流动的自旋电流。这种SHE生成的自旋电流的自旋极化方向在与充电电流正交的平面内方向上。存储器单元100包括三个端子A、B和C；磁隧道结(MTJ)101；以及SHE材料120。在一个实施方式中，MTJ 101可包括自由层、隧道势垒层和钉扎层。在另一个实施方式中，MTJ 101包括钉扎层(PL)102、层间耦合(ILC)层104、参考层(RL)106、隧道势垒(TB)层108和自由层(FL)110。ILC层104促进PL(102)和RL(106)之间的强反铁磁(即，反平行)耦合，使得它们的净磁矩大部分抵消，因而大大减少了自由层上的不想要的杂散场。SHE层120包括具有强SHE的重金属，诸如铂、钽或钨。自由层110的磁化方向在向上和向下之间切换。
利用了SHE的SOT切换设计的优点在于写入电流122仅通过SHE层120，而不流过隧道势垒层108。这通过用于MRAM单元的现有STT切换设计中的切换电流来消除隧道势垒层的上述长期劣化。然而，图1D的SOT切换设计的缺点是以下这一事实的结果：从SHE 120流入自由层110中的SHE生成的自旋电流具有平面内自旋极化(即，与自由层磁化正交)，而不是垂直于平面自旋极化(即，与自由层磁化共线)，这与STT切换设计(图1B)的情况一样。这种正交性的消极后果是双重的。首先，开始切换过程所需的SHE层120中的临界写入电流密度可能比STT切换所需的大几倍，因为切换过程的物理性质使得正交SOT切换与STT切换相比本质上不那么有效(例如，需要更多的电流)。其次，进入自由层110的SHE引起的正交极化的自旋电流对自由层取向不稳定，并且其本身不能用于确定性地设置优选的自由层磁化方向。虽然通过在SHE层120中沿与充电电流流动共线的方向施加外部偏置场可以减轻该问题，但实现用于在实际MRAM存储器中在单元级别提供必要的磁场强度的部件将是很大的技术难题。
解决如图1D所示的SOT切换固有的“正交性问题”的另一种方法是使用平面内磁化的自由层和钉扎层，因此磁化再次与注入的SHE引起的自旋电流的自旋极化方向共线。然而，该选项具有相同的前述MRAM单元尺寸缩放的缺点，这先前推动了对垂直MRAM单元设计的技术偏好。需要有效的MRAM存储器单元设计，其中写入电流不通过隧道势垒层，并且其允许仅通过选择写入电流极性来确定性地切换垂直自由层。还希望保留基于TMR的回读方案，该方案允许快速回读操作并使整个***适合于存储器应用。
为了弥补现有MRAM存储器单元的上述缺陷，提出了新的SOT MRAM存储器单元，其使用自旋交换引起的自旋电流来切换自由层的磁化方向。自旋交换是其中第一自旋电流引起横向自旋电流的机制，其中自旋方向和流动方向互换。在铁磁体中，所得自旋累积表现出复杂的空间轮廓，其中自旋交换效应由于自旋极化和自旋进动而增强，这引起对异常电荷和自旋电流的额外贡献。这些效应可以用于生成自旋轨道介导的扭矩并可逆地控制中心对称结构中的磁化。
在描述所提出的新存储器单元的结构之前，提供关于自旋交换效应的背景。通过张量qij来描述自旋电流，其中第一指数指示流动方向，而第二指数示出自旋的哪个分量正在流动。下面是描述自旋电流qij和充电电流qi之间的耦合的现象学方程(更准确地，q为电子流密度，与电流密度j通过q＝j/e相关，其中e为基本电荷)。
(1)
Figure BDA0002091535630000071
(2)
其中qi (0)和qij (0)为初级电流，其可能存在于无自旋轨道交互作用的情况下，εijk为单位反对称张量，而γ为与自旋轨道交互作用的强度成比例的无量纲参数。
纯对称性考虑因素允许在方程(2)中具有与qji (0)和δijqkk (0)成比例的附加项，其描述自旋电流的转变。在存在电场E和自旋极化P的情况下，这将导致对qij的附加贡献，与EjPi和δij(E·P)成比例。这些贡献是由于存在的自旋交换而引起的；因此，方程(2)应使用新的无量纲参数X修改为：
(3)
Figure BDA0002091535630000073
所得自旋电流交换源于碰撞期间散射方向和自旋旋转之间的相关性。这种效应比自旋电荷耦合更稳健：交换常数X已经存在于玻恩近似中，而γ只出现在此近似之外。
图1E描绘了负电荷引起的电子散射，包括自旋相关散射。电子自旋看到垂直于轨迹平面180的磁场B～v X E。需注意，磁场(以及因此自旋旋转的感测)对于向左散射的电子(电子轨迹182)和向右散射的电子(电子轨迹184)具有相反的方向。
图1E示出了存在于电子移动框架中并且由电子自旋看到的磁场B。该场垂直于平面180和电子轨迹，并且对于向带电中心的右侧移动的电子(电子轨迹184)和向左侧移动的电子(电子轨迹182)具有相反的符号。该场中的电子自旋的塞曼能量为自旋轨道交互作用。
在图1E中可以看到三种自旋相关效应。如果存在带电荷杂质的金属材料，则在材料中移动的电子感受到来自杂质的电场。自旋轨道耦合包括使电子以速度v移动，从而经历被转变成有效磁场的电场。(1)感受到磁场的电子将围绕磁场进行处理，从而改变电子的自旋。在碰撞期间围绕B的电子自旋的这种进动被称为Elliott-Yafet自旋弛豫。(2)散射中的自旋不对称性(莫特效应或歪斜散射)是由与电子塞曼能量的梯度成比例的附加力引起的。也就是说，自旋霍尔效应包括基于其自旋方向而作用于电子的力。有些电子以一个方向转向，而另一些以相反方向转向。这会基于SHE产生自旋电流。这种现象在非铁磁性的重金属中更强。(3)第三自旋相关效应为自旋交换效应，其基于电子自旋进动方向和散射方向之间的相关性。在左轨迹182上的自旋顺时针旋转时，右轨迹上的旋转逆时针旋转。这种相关性导致自旋电流的转变。在铁磁材料中，自旋交换较强，SHE较弱，而在重金属中，自旋交换较弱，SHE较强。
假设传入电子沿y方向移动并沿着y极化(自旋电流到)。向左散射的电子将在x轴上获得小的正自旋投影。向右散射的电子将在x轴上获得小的正负自旋投影。这意味着
Figure BDA0002091535630000082
自旋电流的初始部分转变为-qxx。对于传入(沿着y)电子沿着x极化的情况，类似的推理表明初始自旋电流
Figure BDA0002091535630000083
会产生qxy。因此，在后一种情况下，自旋方向和流动方向互换。关于自旋交换的更多细节可见于“Swapping Spin Current:Interchange Spin and FlowDirections(交换自旋电流：自旋方向和流动方向互换)”，Maria B.Lifshits and MichelI.Dyakonov,Physical Review Letters,Vol.103,20October2009,p.18660(MariaB.Lifshits和Michel I.Dyakonov，《物理评论快报》，第103卷，2009年10月20日，第18660页)，其全文以引用方式并入本文。
上述自旋电流交换(称为自旋交换效应)可以在MRAM存储器单元中用于切换自由层的磁化方向。也就是说，提出了垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，其中通过由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来在无外部场的情况下提供确定性切换。一个示例性实施方案包括磁隧道结，该磁隧道结包括平面内的自由层、铁磁层以及铁磁层和自由层之间的间隔层。自由层包括垂直于平面的可切换的磁化方向。铁磁层被配置为响应于通过铁磁层的电流而生成垂直极化的自旋电流，并将垂直极化的自旋电流通过间隔层注入自由层中以改变自由层的磁化方向。铁磁层也称为自旋交换层，因为它响应于通过铁磁层的电流而经由自旋交换引起垂直极化的自旋电流。
图2是所提出的垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元的一个实施方案的示意性透视图，该存储器单元具有通过由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来在无外部场的情况下提供的确定性切换。出于本文档的目的，存储器单元为存储器***中的存储单元。存储器单元200包括三个端子A、B和C；磁隧道结(MTJ)202；间隔件214；和自旋交换层220(也称为铁磁层)。
一般来讲，磁隧道结(MTJ)为包括由薄绝缘体隔开的两个铁磁体的装置。因此，MTJ叠堆202的一个实施方案包括钉扎层、自由层以及钉扎层与自由层之间的隧道势垒层(绝缘层)。MTJ 202也可以具有多于三个层。例如，如图2所描绘，MTJ 202包括钉扎层(PL)204、层间耦合(ILC)层206、参考层(RL)208、隧道势垒层(TB)210和自由层(FL)212。钉扎层204和参考层208具有固定的磁化方向，这意味着它们的磁化方向不会改变。钉扎层204可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴层和/或钴和铁的合金层。参考层208可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴层和钴、铁和硼的合金层。在一个示例中，ILC层206由钌制成；然后，也可以使用其他材料。钉扎层204具有与参考层208的方向相反的磁化方向。例如，图2示出了钉扎层204的向下的磁化方向和参考层208的向上的磁化方向。钉扎层204和参考层208两者的磁化方向垂直于平面内方向。在很大程度上，参考层208的磁化抵消了钉扎层204的磁化(或反之亦然)，以总体上产生具有接近零的净磁化的组合层。ILC层206促进钉扎层204和参考层208之间的这种反平行(即，反铁磁)耦合。钉扎层204连接到端子A(第一端子)。
在一个实施方案中，隧道势垒层210由氧化镁(MgO)制成；然后，也可以使用其他材料。隧道势垒层210位于自由层212和一个或多个固定磁化层之间；因此，在一个实施方案中，隧道势垒210位于自由层212和参考层208之间。自由层212为铁磁金属，其具有改变/切换其磁化方向的能力。基于过渡金属如Co、Fe及其合金的多层可用于形成自由层212。在一个实施方案中，自由层212包括钴、铁和硼的合金。在一个实施方案中，自由层212具有可在向上和向下之间切换的磁化方向。因此，自由层212的磁化方向与平面内方向垂直。
如果自由层212的磁化方向与参考层208的磁化方向平行，则存储器单元200具有较低的电阻。如果自由层212的磁化方向与参考层208的磁化方向反平行，则存储器单元200具有较高的电阻。在一些实施方案中，低电阻表示“0”位，高电阻表示“1”位，或反之亦然。通过测量存储器单元200的电阻来读取存储在存储器单元100中的数据(“0”或“1”)。通过在端子A与端子B或端子C中的任一个之间传递电流来实现读取，以便感测存储器单元200的电阻。
在MTJ 202下方的是自旋交换层220。间隔件214位于自由层212和自旋交换层220之间(并因此位于MTJ 202和自旋交换层220之间)。在一个实施方案中，间隔件214的顶表面邻近并接触自由层212，并且间隔件214的底表面邻近并接触自旋交换层220。在一个示例性实施方式中，间隔件214与MTJ 202具有相同的形状，使得间隔件214配合在MTJ 202下方。
出于本文件的目的，自旋交换层为响应于通过自旋交换层的写入电流而生成所得自旋电流的材料层，其中所得自旋电流主要通过自旋交换效应来生成，该自旋交换效应包括写入电流的电子经历自旋轨道扭矩交互作用，该自旋轨道扭矩交互作用包括自旋交换层中的第一自旋电流引起横向自旋电流，其中自旋方向和流动方向互换。自旋交换层220可以为铁磁体或在费米表面具有高度自旋极化的半金属，这将允许将充电电流更有效地转换成期望垂直极化的自旋电流。在一组实施方案中，期望在用于自旋交换层220的材料中具有高度自旋极化和长的自旋扩散长度。在一个实施方案中，自旋交换层220为铁磁材料，其磁矩在平面内排列。赫斯勒合金也可用于自旋交换层220。用于自旋交换层的材料的其他示例包括钴锰锗和钴锰硅。在一个实施方案中，自旋交换层220的自旋扩散长度大于自旋交换层220的厚度的一半。在另一个实施方案中，自旋交换层220的自旋扩散长度大于自旋交换层220的整个厚度。
在一组实施方案中，期望自旋交换层220不接触自由层212，因为自旋交换层220和自由层212两者都为铁磁材料，它们在接触时将试着排列。因此，间隔件214(例如，厚度为1纳米-10纳米)位于自旋交换层220和自由层212之间，使得自旋交换层220和自由层212磁去耦。在一个实施方案中，间隔件214为能够有效地传递自旋电流并且具有长的自旋扩散长度和高的电阻率以免使写入电流222分流的材料。间隔件可以为AxB1-x形式的合金，其中A可以选自(但不限于)以下组：Au、Ag、Cu、Pd；并且B可以选自(但不限于)以下组：Sn、Zn、Pt、Ni。间隔件可以为具有较低导电率和高自旋扩散的材料。也可以使用拓扑绝缘体或Rashba 2D材料。在一组实施方案中，间隔件214由铜、银或银锡合金制成。
图2中用图形描绘的实施方案示出了钉扎层204的向下的磁化方向、参考层208的向上的磁化方向以及自由层212的可在向上和向下之间切换的磁化方向，所有这些方向都垂直于平面(例如，自由层212的平面)。
通过自旋交换层220施加电流来将数据写入图2的存储器单元。也就是说，对于要切换自由层212的磁化方向的写入操作，在端子B和端子C之间施加电流。例如，图2示出了从端子B到端子C通过自旋交换层220的电写入电流222，该电写入电流用于通过将自由层212的磁化方向改变为第一方向来将数据写入图2的存储器单元。从端子C到端子B通过自旋交换层220的写入电流用于通过将自由层212的磁化方向改变为第二方向来将数据写入图2的存储器单元，该第二方向与第一方向反平行。
写入电流222的电子经历自旋轨道扭矩交互作用(包括上面讨论的自旋交换效应)，使得响应于通过自旋交换层220的电写入电流222经由自旋轨道交互作用生成垂直极化的自旋电流，该自旋轨道交互作用包括自旋交换层220中的第一自旋电流引起横向自旋电流，横向自旋电流的自旋方向和流动方向互换。电流在自旋交换层220中沿x方向流动，该自旋交换层在x方向上具有磁化方向M。在散射中心上方/下方在自旋交换层220的平面内移动的电子感受到在+/-y方向上的有效磁场B。该磁场将在z方向上引起自旋电流Js，其中自旋电流Js具有与自旋交换层220的平面垂直的极化方向(这意味着自旋电流Js的极化方向在z方向上，与自由层212的磁化方向平行或反平行)。因此，由于自旋交换效应，自旋电流Js向上流向空间214，穿过间隔件214，并进入自由层212。该自旋电流在与自由层212的磁化方向平行或反平行的方向上极化，从而在自由层212上施加更有效的扭矩。这种扭矩还能够确定性地切换自由层212。
从自旋交换层220注入到自由层212的自旋电流的自旋方向是与自由层212的磁化方向相同的极化方向。自旋交换层220中的电流在平面内。磁矩在平面内排列。自旋沿相同方向取向。在自旋交换层220中沿z方向(例如，向上，参见图2)引起自旋电流，该z方向与自由层212的磁化方向共线。因此，自旋交换层220在平面内磁化并且平行于电写入电流222的流动方向磁化。
为了执行读取，从端子A通过MTJ 202向端子B或端子C施加读取电流。读取电流(未示出)通常为低电流，其不会损害隧道势垒层210。通过感测跨端子A和B的电压降，可以确定MTJ 202的电阻。当自由层212中的磁化与参考层208(或钉扎层204和参考层208的组合)中的磁化平行时，跨存储器单元200的电阻是相对低的。当自由层212中的磁化与参考层208(或钉扎层204和参考层208的组合)中的磁化反平行时，跨存储器单元200的电阻是相对高的。因此，MTJ 202(即，自由层212)表现出可响应于读取偏置而被检测到的可编程电阻。
一些先前的MRAM设备为两个端子存储器单元，其包括了通过磁隧道结的共享的读写路径。共享的读写路径为耐久性和可靠性带来了问题。为了写入，磁隧道结中的隧道势垒层应该足够薄(并且具有相对低的电阻)以使切换所需的电流流过。然而，由于重复的写入操作，薄的阻挡层更容易受到介电击穿的影响。图2的新提出的设计不需要穿过隧道势垒层210的写入电流。虽然自旋电流可以扩散到自由层212中，但写入电流222通过自旋交换层220而不是通过MTJ 202。也就是说，上面讨论的所生成的垂直自旋极化扩散到自由层212中并且在自由层212上施加扭矩以改变自由层212的磁化方向，而无高电流通过隧道势垒层210(绝缘层)。
尽管上面讨论了图2的结构的一些实施方案通过在无电流流过磁隧道结叠层的情况下使垂直自旋极化在自由层上施加扭矩来写入数据，但其他实施方案通过在小的电流流过磁隧道结叠层时使垂直自旋极化在自由层上施加扭矩来写入数据。例如，在一个实施方案中，在无大于1MA/cm2的电流通过绝缘层的情况下，所生成的垂直自旋极化在自由层上施加扭矩以改变自由层的磁化方向。
图3是所提出的垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元的另一个实施方案的透视图，该存储器单元具有通过由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来提供的确定性切换(无外部场)。图3的存储器单元300包括与图2的存储器单元200相同的MTJ 202、间隔件214和自旋交换层(也称为铁磁层)220。另外，存储器单元300包括在自旋交换层220附近和下方的反铁磁层302。反铁磁层和自旋交换层被配置为使得来自反铁磁层302的交换偏置固定住自旋交换层220的磁化方向。以这种方式，自旋交换层220的磁化方向被固定并保持在经由自旋交换效应使垂直极化的自旋电流密度的生成最大化的方向上。
在表现出反铁磁性的材料中，原子或分子的磁矩(与电子自旋相关)以规则的模式排列，其中相邻自旋(在不同的子晶格上)指向相反的方向，以实现零的净磁化。也就是说，磁矩在整个材料中使其本身排列成相反或反平行的布置，使得它几乎不表现出聚集的外部磁力。当反铁磁材料与铁磁材料接触时，铁磁材料将在交接处耦合到反铁磁材料，使得在反铁磁材料和铁磁材料之间的交接处的磁矩之间将存在强交互作用，以将它们排列，从而为铁磁体产生优选的磁化方向。这种现象被称为“交换偏置”。由于反铁磁材料和铁磁材料之间的耦合，改变铁磁材料的磁化方向明显更加困难。适用于反铁磁层302的材料的示例为IrMn、FeMn、PtMn和NiMn。也可以使用其他材料。
图4是所提出的垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元的另一个实施方案的透视图，该存储器单元具有通过由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来提供的确定性切换(无外部场)。图4的存储器单元400包括与图2的存储器单元200相同的MTJ 202。存储器单元300还包括自旋交换层402(也称为铁磁层)，其类似于图2的自旋交换层220。SHE间隔件404在自旋交换层402和自由层212之间。
SHE间隔件404用于将自旋交换层402和自由层212磁去耦。另外，SHE间隔件404基于自旋轨道交互作用来提供第二自旋电流源。因此，存储器单元400包括响应于端子B到端子C之间的电写入电流406而生成两个不同的自旋电流。第一自旋电流为响应于电写入电流406而由自旋交换效应在自旋交换层402中生成的垂直自旋电流。第二自旋电流为响应于电写入电流406而由自旋霍尔效应在SHE间隔件404中生成的平面内自旋电流。平面内自旋电流的量可以通过SHE间隔件404的厚度和导电率来控制。SHE间隔件404可以由非铁磁性常规SOT层(如Pt或βW)制成。这两个自旋电流都被注入到自由层212中，以便在自由层212上施加自旋轨道扭矩，以改变自由层212的磁化方向(例如，向上改为向下或向下改为向上)。在该实施方案中，存储器单元400将具有注入自由层212中的自旋电流的两个极化(平面内极化和垂直极化)，这形成辅助切换机制。在一个实施方案中，垂直自旋电流为用于进行切换的初级自旋电流，而注入到自由层212中的平面内极化的自旋电流帮助改变自由层212的磁化方向。然而，可以改变和/或设计初级自旋电流和辅助自旋电流的作用。可以调节SHE间隔层404的厚度和电阻以及自旋交换层402的厚度和电阻，以调节相应的自旋电流量。厚度更大且电阻更低导致相应层的自旋电流更大。
在自旋电流受平面内自旋极化支配的情况下(例如，在自旋交换层更薄且电阻更高时，SHE间隔层更厚且电阻更低)，将通过基于自旋霍尔效应的自旋电流来确定切换，但来自自旋交换层的辅助自旋电流将生成有效的平面内磁场，该平面内磁场将提供确定性切换。这消除了对芯片上的外部磁场的需要。因此，在一个实施方案中，自旋交换层402提供有效的磁性平面内场以破坏对称性，并且经由SHE机制来实现自由层212的反转。
在自旋电流由垂直自旋极化支配的情况下(例如，在SHE间隔层更薄且电阻更高时，自旋交换层更厚且电阻更低)，切换电流将在进动状态中减小(低于10ns)，因为来自SHE层404的平面内自旋极化将使磁化远离其易轴移动并有助于克服驻点。因此，在一个实施方案中，SHE间隔层404提供用于使自由层的磁化倾斜远离其易轴的引发机制，从而减少快速状态下的切换电流(<10ns)。
图5是描述了为编程MRAM存储器单元而执行的过程的一个实施方案的流程图，该MRAM存储器单元诸如图2的存储器单元200、图3的存储器单元300和/或图4的存储器单元400。在步骤502中，将电流(例如，写入电流222或写入电流406)传导通过邻近间隔层(例如，间隔件214或间隔件404)的铁磁层(例如，自旋交换层220或402)。间隔层位于铁磁层和自由层之间。自由层能够切换磁化方向，如上面关于自由层212所讨论的。在步骤504中，响应于由于自旋交换而引起的电流(例如，写入电流222或写入电流406)，在铁磁层(例如，自旋交换层220或402)中生成垂直极化的自旋电流。在步骤506中，将所生成的垂直极化的自旋电流通过间隔层注入自由层中以改变自由层的磁化方向。因此，数据被写入存储器单元。执行步骤508以通过将电读取电流传导通过MTJ(包括通过自由层)来读取存储器单元。通过基于对通过MTJ的读取电流的感测而感测MTJ的电阻来感测自由层的电流状况。图5示出了到步骤508的虚线，以指示步骤508可以在步骤506完成之后很久才执行(或者可以在步骤506之后立即执行)。
图6是描绘可以实现本文描述的技术的存储器***600的一个示例的框图。存储器***600包括存储器阵列602，该存储器阵列可包括上述任何存储器单元。存储器阵列602的阵列端子线包括组织为行的各种字线层，以及组织为列的各种位线层。然而，也可以实现其他取向。存储器***600包括行控制电路620，该行控制电路的输出608连接到存储器阵列602的相应字线。行控制电路620从***控制逻辑电路660接收一组M行地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如行解码器622、阵列端子驱动器624和块选择电路626的电路用于读取操作和写入操作两者。存储器***600包括列控制电路610，该列控制电路的输入/输出606连接到存储器阵列602的相应位线。列控制电路606从***控制逻辑660接收一组N个列地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如列解码器612、阵列端子接收器或驱动器614、块选择电路616、以及读/写电路和I/O多路复用器的电路。***控制逻辑660从主机接收数据和命令，并向主机和状态提供输出数据。在其他实施方案中，***控制逻辑660从单独的控制器电路接收数据和命令，并向该控制器电路提供输出数据，其中控制器电路与主机通信。***控制逻辑660可以包括一个或多个状态机、寄存器和用于控制存储器***600的操作的其他控制逻辑。
在一个实施方案中，图6中所描绘的所有部件都布置在单个集成电路上。例如，***控制逻辑660、列控制电路610和行控制电路620形成在衬底的表面上，并且存储器阵列602形成在衬底上或上方。
上面的讨论提供了新提出的垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元的细节，该存储器单元可以通过在无外部磁场的情况下经由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来确定性地切换自由层的磁化方向。
一个实施方案包括装置，该装置包括磁隧道结，该磁隧道结包括平面内的自由层、铁磁层以及铁磁层和自由层之间的间隔层。自由层包括垂直于平面的可切换的磁化方向。铁磁层被配置为响应于通过铁磁层的电流而生成垂直极化的自旋电流，并将垂直极化的自旋电流通过间隔层注入自由层中以改变自由层的磁化方向。
一个实施方案包括方法，该方法包括：将电流传导通过邻近间隔层的铁磁层，间隔层位于铁磁层和自由层之间，自由层能够切换磁化方向；响应于电流在铁磁层中生成垂直极化的自旋电流；以及将垂直极化的自旋电流通过间隔层注入自由层中以改变自由层的磁化方向。在一个示例性实施方式中，铁磁层被配置为响应于通过铁磁层的电流经由自旋轨道交互作用(即，自旋交换)生成垂直极化的自旋电流，该自旋轨道交互作用包括铁磁层中的第一自旋电流引起横向自旋电流，横向自旋电流的自旋方向和流动方向互换(该横向自旋电流为垂直极化的自旋电流)。
一个实施方案包括垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，该存储器单元包括磁隧道结，该磁隧道结包括能够切换磁化方向的自由层以及用于通过在无外部磁场的情况下经由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来确定性地切换自由层的磁化方向的部件。用于确定性地切换自由层的磁化方向的部件的一个实施方案包括铁磁层以及铁磁层和自由层之间的间隔层。铁磁层的示例包括执行图5的过程的图2和图3的自旋交换层220，以及执行图5的过程的图4的自旋交换层402。间隔层的示例包括图2和图3的间隔层214、以及图4的间隔层404。
出于本文件的目的，说明书中提到“实施方案”、“一个实施方案”、“一些实施方案”或“另一个实施方案”可用于描述不同的实施方案或相同的实施方案。
出于本文件的目的，连接可为直接连接或间接连接(例如，经由一个或多个其他部件)。在一些情况下，当元件被提及连接或耦接到另一个元件时，该元件可直接连接到另一个元件，或者经由居间元件间接连接到另一个元件。当元件被提及直接连接到另一个元件时，则在该元件与另一个元件之间没有居间元件。如果两个设备是直接连接或间接连接的，则两个设备是“通信”的，使得它们能够在它们之间进行电子信号通信。
出于本文档的目的，术语“基于”可理解为“至少部分地基于”。
出于本文档的目的，在没有附加上下文的情况下，诸如“第一”对象、“第二”对象和“第三”对象的数字术语的使用可能不意味着对象的排序，而是可用于识别目的以识别不同的对象。
出于本文档的目的，对象的术语“组”可指一个或多个对象的“组”。
出于说明和描述的目的已提供了上述详细描述。其并非旨在详尽的或旨在限制本发明所公开的精确形式。根据以上教导内容，很多修改形式和变型形式都是可能的。选择所述实施方案以便最好地解释所建议的技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方案中和适合于设想的具体使用的各种修改中最好地利用它。本发明的范围旨在由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
磁隧道结，所述磁隧道结包括平面内的自由层，所述自由层包括垂直于所述平面的可切换的磁化方向；
铁磁层；和
间隔层，所述间隔层在所述铁磁层和所述自由层之间，所述铁磁层被配置为响应于通过所述铁磁层的电流以生成垂直极化的自旋电流并将所述垂直极化的自旋电流通过所述间隔层注入所述自由层中以改变所述自由层的所述磁化方向。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层为自旋交换层，所述自旋交换层被配置为响应于通过所述铁磁层的所述电流经由自旋交换以引起垂直极化的自旋电流。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层被配置为响应于通过所述铁磁层的所述电流经由自旋轨道交互作用生成所述垂直极化的自旋电流，所述自旋轨道交互作用包括所述铁磁层中的第一自旋电流引起横向自旋电流，其中自旋方向和流动方向互换，所述横向自旋电流包括所述垂直极化的自旋电流。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层在平面内磁化。
5.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层平行于所述电流的流动方向磁化。
6.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层为具有高度自旋极化的金属。
7.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层的自旋扩散长度大于所述铁磁层的厚度的一半。
8.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层的自旋扩散长度大于所述铁磁层的厚度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述磁隧道结、所述铁磁层和所述间隔件包括自旋轨道扭矩MRAM存储器单元。
10.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层为赫斯勒合金。
11.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述间隔层被配置为将所述铁磁层和所述自由层磁去耦。
12.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述间隔层为自旋霍尔效应(SHE)层。
13.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述间隔层包括非铁磁SHE层，所述非铁磁SHE层被配置为响应于通过所述铁磁层的所述电流以生成平面内极化的自旋电流并将所述平面内极化的自旋电流注入所述自由层中以帮助改变所述自由层的所述磁化方向。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括：
反铁磁层，所述反铁磁层邻近所述铁磁层，所述反铁磁层和所述铁磁层被配置为使得来自所述反铁磁层的交换偏置固定所述铁磁层的磁化方向。
15.一种方法，包括：
将电流传导通过邻近间隔层的铁磁层，所述间隔层在所述铁磁层和自由层之间，所述自由层能够切换磁化方向；
响应于所述电流在所述铁磁层中生成垂直极化的自旋电流；以及
将所述垂直极化的自旋电流通过所述间隔层注入所述自由层中以改变所述自由层的所述磁化方向。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述铁磁层中生成垂直极化的自旋电流包括：
所述铁磁层中的第一自旋电流引起横向自旋电流，横向自旋电流的自旋方向和流动方向互换，所述横向自旋电流为所述垂直极化的自旋电流，所述铁磁层和所述自由层包括自旋轨道扭矩MRAM存储器单元。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
通过将电的读取电流传导通过所述自由层来感测所述自由层的电流状况，所述铁磁层和所述自由层包括自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，所述感测所述电流包括读取所述自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，将所述垂直极化的自旋电流通过所述间隔层注入所述自由层中以改变所述自由层的所述磁化方向包括写入所述自旋轨道扭矩MRAM存储器单元。
18.一种装置，包括：
垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，所述垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元包括：
磁隧道结，所述磁性隧道结包括能够切换磁化方向的自由层；和
用于通过在无外部磁场的情况下经由自旋交换效应在z方向上生成的垂直极化的自旋电流来确定性地切换所述自由层的所述磁化方向的部件。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述用于确定性地切换所述自由层的所述磁化方向的所述部件包括：
铁磁层，所述铁磁层具有第一端子和第二端子；和
间隔层，所述间隔层在所述铁磁层和所述自由层之间，使得所述铁磁层不接触所述自由层，所述铁磁层被配置为响应于在所述第一端子和所述第二端子之间通过所述铁磁层的电流而生成垂直极化的自旋电流，所述铁磁层被配置为将所述自旋电流通过所述间隔层注入所述自由层中以改变所述自由层的所述磁化方向。
20.根据权利要求19所述的装置，其中：
所述铁磁层在平面内磁化并且在所述第一端子和所述第二端子之间平行于电流方向磁化。
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