CN113013324A - 一种磁存储单元和存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁存储领域，公开了一种磁存储单元和磁存储器，包括：磁性隧道结，磁性隧道结包括依次叠堆的自由层、隧穿层、固定层和保护层，自由层和固定层中的磁矩具有垂直各向异性，保护层兼具磁存储单元信息读出时的顶电极；自旋流引入层，磁性隧道结的自由层和所述自旋流引入层接触，用于在写入信息时接入控制电流，且兼具磁存储单元信息读出时的底电极；基底，用于在脉冲电压的作用下产生一个使所述自由层磁矩方向改变的应变；以及电极。本发明根据脉冲电压的正负获取残余应变，并且在自由层磁矩翻转过程中也无需电压一直维持该应变，是一种超低功耗的调整方式。
Description
技术领域
本发明涉及磁存储领域，具体是指一种磁存储单元和存储器。
背景技术
自旋轨道矩(spin-orbit torque，SOT)磁存储单元是利用重金属，如Pt、W、Ta等中产生的自旋流，推动垂直各向异性隧道结单元中自由层翻转而实现信息存储的一种磁存储单元，也是下一代磁随机存储器的核心结构，如图1所示。由于在该种结构中，自由层磁矩垂直于薄膜表面，要利用自旋轨道矩产生的自旋流推动其磁矩在垂直方向的翻转，实现信息“0”、“1”的存储，需要自由层的磁矩在进行写入时偏离垂直方向。目前常用的解决该问题的方法是在靠近自由层一侧通过导线电流产生的磁场或永磁场引入一横向辅助磁场，以达到在信息写入时将垂直取向的自由层磁矩拉离垂直方向一定角度，达到SOT自旋流驱动自由层翻转的目的。但是由于这一横向辅助磁场的加入，使得该存储单元设计复杂，并且也提升了整个存储单元的能耗，不利于器件低能耗、小尺寸、高密度的发展趋势。因此本发明正是着手解决该种需求。
因此，我们迫切需要一种磁存储单元和存储器。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种磁存储单元，其具有简单的结构，并且能够低耗能推动垂直各向异性隧道结单元中自由层翻转实现信息存储的功能。
本发明的另一方面还提供利用该自旋轨道矩磁存储器实现的逻辑器件。
根据一示例性实施例，提供一种磁存储单元，包括：磁性隧道结，磁性隧道结包括依次叠堆的自由层、隧穿层、固定层和保护层，自由层和固定层中的磁矩具有垂直各向异性，保护层兼具磁存储单元信息读出时的顶电极；自旋流引入层，磁性隧道结的自由层和所述自旋流引入层接触，用于在写入信息时接入控制电流，且兼具磁存储单元信息读出时的底电极；基底，用于在脉冲电压的作用下产生一个使所述自由层磁矩方向改变的残余应变；以及电极，电极包括上电极和下电极，上电极和下电极在基底的相对两侧，上电极和下电极用于施加脉冲电压。
在一些示例中，基底上的电极施加一脉冲电压引入不需要电压维持的残余应变，基底上的电极施加一与之前脉冲电压极性相反的脉冲去除残余应变。
在一些示例中，基底的材料为不对称残余应变压电材料。
在一些示例中，不对称残余应变压电材料通过在压电应变材料中掺杂Mn2+离子获取。
在一些示例中，压电应变材料包括但不限于PMN-PT、PZN-PT和PZT中的一种或多种。
在一些示例中，脉冲电压大于所述基底的矫顽电场并小于所述基底的饱和电场。
在一些示例中，自旋流引入层的材料包括但不限于Ta、W、Pt以及Ta、W、P与稀土元素合金中的一种或多种。
在一些示例中，磁性隧道结中的自由层的材料包括不限于CoFeB、隧穿层的材料包括不限于MgO、固定层的材料包括不限于CoFeB\[Co/Pt]n以及保护层的材料包括不限于Ta。
在一些示例中，脉冲电压作用完成后接入控制电流写入信息。
根据另一示例性实施例，提供一种存储器，存储器包括如权利要求1-9中任一项所述的磁存储单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可实现通过脉冲电压控制基底产生残余应变，该残余应变通过逆磁电耦合效应在自由层水平方向引入磁弹耦合场，利用该磁弹耦合场使垂直于自由层的磁矩偏离垂直方向，偏向水平方向一定的角度，利用自旋流引入层产生的自旋流实现自由层磁矩的翻转；而后，当自由层磁矩按信息写入的要求完成翻转后，通以另一调控脉冲电压，去除掉之前的残余应变，使翻转后的自由层磁矩仍然垂直于自由层方向，以保证信息存储的稳定性。
(2)本发明根据脉冲电压的正负获取残余应变，并且在自由层磁矩翻转过程中也无需电压一直维持该应变，是一种超低功耗的调整方式。
(3)本发明调控应变的电压脉冲与自由层磁矩翻转的自旋流不同时施加，避免了同时施加相互响应的风险，也在一定程度上简化了后端电路设计难度。
本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是显而易见的。本披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方面的方法、手段和组合的实践或者使用得以实现和达到。
附图说明
本发明的多个实施例的某些特征在所附权利要求中进行具体说明。参考以下详细描述可以获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中阐述了利用了本发明的原理的说明性实施例以及附图，其中：
图1是现有磁存储单元的示意图。
图2是根据本说明书一些实施例所示的磁存储单元的示意图。
图3是根据本说明书一些实施例所示的磁存储单元写入信息“0”的示意图。
图4是是根据本说明书一些实施例所示的磁存储单元写入信息“1”的示意图。
图5是不对称残余应变压电材料的应变曲线图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施例。
图2示出根据本发明一示例性实施例的磁存储单的示意图。如图2示，磁存储单包括：磁性隧道结，磁性隧道结包括依次叠堆的自由层、隧穿层、固定层和保护层，自由层和固定层中的磁矩具有垂直各向异性，保护层兼具磁存储单元信息读出时的顶电极；自旋流引入层，磁性隧道结的自由层和所述自旋流引入层接触，用于在写入信息时接入控制电流，且兼具磁存储单元信息读出时的底电极；基底，用于在脉冲电压的作用下产生一个使所述自由层磁矩方向改变的残余应变；以及电极，电极包括上电极和下电极，上电极和下电极在基底的相对两侧，上电极和下电极用于施加脉冲电压。
在实施例中，实现信息“0“、”1”的写入，需要采用如下的步骤：
(1)写入“0”：在基底上加以一方向的电压脉冲(脉冲正负及作用时间视基底材料具体性能而定)产生残余应变，该残余应变通过逆磁电耦合效应在自由层的水平方向引入磁弹耦合场，利用磁弹耦合场使垂直于膜面的磁矩偏离垂直方向，偏向水平方向一定的角度，待该电压脉冲作用完成后，自旋流引入层通以负方向的电流，产生如图3所示方向的自旋流推动磁存储单元自由层磁矩由正垂直方向向负垂直方向翻转，待自由层翻转完成后，在基底上加以另一方向的电压脉冲，去除基底上的残余应变，形成自由层与固定层磁矩平行，记录信息“0”，各作用阶段存储单元磁矩的取向如图3所示。
(2)写入“1”：在基底上加以一方向的电压脉冲，该残余应变通过逆磁电耦合效应在自由层的水平方向引入磁弹耦合场，利用磁弹耦合场使垂直于膜面的磁矩偏离垂直方向，偏向水平方向一定的角度，待该电压脉冲作用完成后，自旋流引入层通以正方向的电流，产生如图4所示方向的自旋流推动磁存储单元自由层磁矩由负垂直方向向正垂直方向翻转，待自由层翻转完成后，在基底上加以另一方向电压脉冲，去基底上的残余应变，形成自由层与固定层磁矩反平行，记录信息“1”，各作用阶段存储单元磁矩的取向如图4所示。
其中，基底在一极性的电压脉冲作用后，其在无电压场状态下应呈现残余应变，而另一极性的电压脉冲作用后，其在无电压场状态下应呈现无残余应变或仅残留很小的残余应变(应小于获得的残余应变的10％)，保护层用于保护整体磁隧道结稳定不被氧化。
在一些实施例中，基底上的电极施加一脉冲电压引入不需要电压维持的残余应变，基底上的电极施加一与之前脉冲电压极性相反的脉冲去除残余应变。
在一些实施例中，不对称残余应变压电材料通过在压电应变材料中掺杂Mn2+离子获取。
在一些实施例中，压电应变材料包括但不限于PMN-PT、PZN-PT和PZT中的一种或多种。
在一些实施例中，脉冲电压大于所述基底的矫顽电场并小于所述基底的饱和电场。
在一些实施例中，自旋流引入层的材料包括但不限于Ta、W、Pt以及Ta、W、P与稀土元素合金中的一种或多种。
在一些实施例中，磁性隧道结中的自由层的材料包括不限于CoFeB、隧穿层的材料包括不限于MgO、固定层的材料包括不限于CoFeB\[Co/Pt]n以及保护层的材料包括不限于Ta。
在一些实施例中，脉冲电压作用完成后接入控制电流写入信息。
具体实施例为：选用Mn2+离子掺杂且具有不对称残余应变的PMN-PT压电材料作为基底材料，其应变曲线如图5所示。该压电材料施以正电压脉冲作用，待脉冲去除后，基底上会产生残余应变(如图5上A点所示)；当该压电材料施以负电压脉冲作用，待负电压脉冲去除后，基底应变状态会回到初始态，其上原有残余应变会去除，不存在应变(如图5上B点所示)。采用真空镀膜工艺在该基底的上下表面适当位置沉积Cr(15nm)/Au(300nm)，作为对压电基底施加电压的上下电极。而后采用薄膜沉积工艺在基底的上表面依次沉积Pt(3nm)/CoFeB(1.2nm)/MgO(1.5nm)/CoFeB(1.5nm)/Ta(1nm)/[Co(1nm)/Pt(0.6nm)]5/Ru(0.6nm/[Pt(0.6nm)/Co(1nm)]5/Ta(30nm)的自旋流引入层/磁性隧道结，其中Pt(3nm)为自旋流引入层，CoFeB(1.2nm)为自由层，MgO(1.5nm)为隧穿层，CoFeB(1.5nm)/Ta(1nm)/[Co(1nm)/Pt(0.6nm)]5/Ru(0.6nm/[Pt(0.6nm)/Co(1nm)]5为固定层，Ta(30nm)为保护层兼具隧道结顶电极作用。镀制完成后，在该单元中实现信息“0“、”1”的写入过程如下：
(1)写入“0”：在基底为不对称残余应变的压电材料上加以5kV/cm、10μs的正电压脉冲，待正电压脉冲作用完成后，将产生一沿基底表面的应变，使自由层磁矩偏离最初垂直方向，而后沿自旋流引入层Pt通以负方向的电流，其电流密度为8×107A/cm2，此时自由层磁矩由于自旋流引入层产生的自旋流作用由正垂直方向向负垂直方向翻转，待自由层翻转完成后，在具有不对称残余应变的压电材料上加以-5kV/cm、10μs负电压脉冲，除去压电基底上的残余应变，此时自由层与固定层磁矩平行，记录信息“0”；
(2)写入“1”：在基底为不对称残余应变的压电材料上加以5kV/cm、10μs的正电压脉冲，待正电压脉冲作用完成后，将产生一沿基底表面的应变，使自由层磁矩偏离最初垂直方向，而后沿自旋流引入层Pt通以正方向的电流，其电流密度为8×107A/cm2，此时存储单元自由层磁矩由于自旋流的作用由负垂直方向向正垂直方向翻转，待自由层翻转完成后，在具有不对称残余应变的压电材料上加以-5kV/cm、10μs负电压脉冲，除去压电基底上的残余应变，此时自由层与固定层磁矩反平行，记录信息“1”。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：
磁性隧道结，所述磁性隧道结包括依次叠堆的自由层、隧穿层、固定层和保护层，所述自由层和固定层中的磁矩具有垂直各向异性，所述保护层兼具磁存储单元信息读出时的顶电极；
自旋流引入层，所述磁性隧道结的自由层和所述自旋流引入层接触，用于在写入信息时接入控制电流，且兼具磁存储单元信息读出时的底电极；
基底，用于在脉冲电压的作用下产生一个使所述自由层磁矩方向改变的残余应变；以及
电极，所述电极包括上电极和下电极，所述上电极和下电极在基底的相对两侧，所述上电极和下电极用于施加脉冲电压。
2.根据权利要求1所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述基底上的电极施加一脉冲电压引入不需要电压维持的残余应变，所述基底上的电极施加一与之前脉冲电压极性相反的脉冲去除残余应变。
3.根据权利要求1所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述基底的材料为不对称残余应变压电材料。
4.根据权利要求3所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述不对称残余应变压电材料通过在压电应变材料中掺杂Mn2+离子获取。
5.根据权利要求4所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述压电应变材料包括但不限于PMN-PT、PZN-PT和PZT中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述脉冲电压大于所述基底的矫顽电场并小于所述基底的饱和电场。
7.根据权利要求1所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述自旋流引入层的材料包括但不限于Ta、W、Pt以及Ta、W、Pt与稀土元素合金中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述磁性隧道结中的自由层的材料包括不限于CoFeB、隧穿层的材料包括不限于MgO、固定层的材料包括不限于CoFeB\[Co/Pt]n以及保护层的材料包括不限于Ta。
9.根据权利要求1所述的一种磁存储单元，其特征在于，所述脉冲电压作用完成后接入控制电流写入信息。
10.一种存储器，其特征在于，所述存储器包括如权利要求1-9中任一项所述的磁存储单元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210622 |