CN116367698A - 自旋轨道矩磁随机存储器及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：轨道霍尔层，适用于在面内电流的作用下产生轨道极化流；磁隧道结，从下而上依次包括：磁自由层，适用于在扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；磁自由层具有垂直各向异性；隧穿绝缘层；磁钉扎层；反铁磁层或人工反铁磁层；其中，沿第一自旋方向的自旋极化流和与第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层的磁化方向发生确定性翻转，以向存储单元存储信息。
Description
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及一种自旋轨道矩磁随机存储器，尤其涉及一种基于轨道霍尔效应的全电控自旋轨道矩磁随机存储器及其操作方法。
背景技术
当前数字计算机的动态随机存储器(DRAM)、静态随机存储器(SRAM)等存储单元需要一直通电保存数据，能耗较高。自旋轨道矩磁随机存储器(Spin-Orbit Torque MagneticRandomAccess Memory，SOT-MRAM)具有非易失性、高速、低能耗、抗磁性、与传统半导体工艺兼容等优点，有望替代DRAM、SRAM，实现高能效、非易失性的数据存储、存算一体等应用。然而，现有的垂直各向异性的SOT-MRAM存储单元需要外加辅助磁场帮助实现定向翻转，这限制了其大规模集成应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于轨道霍尔效应的全电控自旋轨道矩磁随机存储器，利用施加在轨道霍尔层的面内电流调控磁自由层的确定性翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元写入数据。
本发明提供一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括以阵列形式排布的多个存储单元，每个存储单元包括：
轨道霍尔层，适用于在流经轨道霍尔层的面内电流的作用下产生轨道极化流；
磁隧道结，形成在轨道霍尔层上，从下而上依次包括：磁自由层，适用于在扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；磁自由层具有垂直各向异性；隧穿绝缘层；磁钉扎层，具有固定的磁化方向，磁钉扎层具有垂直各向异性；反铁磁层或人工反铁磁层，适用于钉扎磁钉扎层的磁化方向，以使磁钉扎层的磁化方向保持固定；
保护层，适用于防止磁隧道结被氧化；
顶电极层，形成在保护层上；
其中，沿第一自旋方向的自旋极化流和与第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层的磁化方向发生确定性翻转，以向存储单元存储信息。
本发明还提供一种操作上述的自旋轨道矩磁随机存储器的操作方法，包括：施加流经轨道霍尔层的面内电流，诱导磁自由层的磁化方向发生定向翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元写入数据；以及施加流经磁隧道结的垂直电流，以读取存储单元的存储信息。
根据本发明上述实施例提供的自旋轨道矩磁随机存储器，施加流经轨道霍尔层的面内电流，在面内电流的作用下产生轨道极化流，扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流转换为自旋方向相反的自旋极化流，具有相反自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层的磁矩发生定向翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元存储信息，实现无外磁场辅助的电控磁翻转。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图；
图2为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的写入过程的示意图；
图3为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的存储状态的示意图；
图4为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的存储状态的示意图；
图5为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的读取过程的示意图；
图6为根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图；
图7为根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的写入过程的示意图；以及
图8为根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的读取过程的示意图。
【附图标记说明】
100-实施例1的自旋轨道矩磁随机存储单元；
200-实施例2的自旋轨道矩磁随机存储单元；
1-轨道霍尔层；
2-磁隧道结；
21-磁自由层；
22-隧穿绝缘层；
23-磁钉扎层；
24-反铁磁层或人工反铁磁层；
3-保护层；
4-顶电极；
5-第一底电极；
6-第二底电极；
7-自旋霍尔层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
自旋轨道矩磁随机存储器，是利用磁矩翻转进行随机存储的磁性随机存取存储器。通过改变磁自由层相对于固定磁层(也称为参考磁层或者磁钉扎层)的磁化方向，形成分别与平行磁化状态和反平行磁化状态对应的不同磁电阻态来完成数据的存储。磁自由层与磁钉扎层之间的平行和反平行磁化状态(及其对应的磁致电阻状态)与所存储的数据“1”和“0”之间的对应关系可以自由地确定。例如，当磁自由层的磁化方向平行于磁钉扎层的磁化方向时，磁隧道结具有低阻态；当磁自由层的磁化方向反平行于磁钉扎层的磁化方向时，磁隧道结具有高阻态。磁隧道结的低阻态和高阻态分别对应于二进制数据的“1”和“0”。
有鉴于此，本发明提供一种基于轨道霍尔效应的全电控垂直各向异性的自旋轨道矩磁随机存储单元，以及利用该存储单元形成的自旋轨道矩磁随机存储器。具体而言，利用施加在轨道霍尔层的面内电流调控磁自由层的确定性翻转，其中，面内电流的方向与磁自由层的翻转方向相关。
图1为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图。
根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括以阵列形式排布的多个如图1所示的存储单元，每个存储单元可存储一比特数据“0”或“1”。参考图1所示，每个存储单元包括：轨道霍尔层1、磁隧道结(MTJ)2、保护层3、顶电极层4。
根据本发明的实施例，轨道霍尔层1，适用于在流经轨道霍尔层1的面内电流的作用下产生轨道极化流；磁隧道结2，形成在轨道霍尔层1上，从下而上依次包括：磁自由层21，适用于在扩散至磁自由层21的面内电流和轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；磁自由层21具有垂直各向异性；隧穿绝缘层22，采用绝缘材料形成；磁钉扎层23，磁钉扎层23具有固定的磁化方向，磁钉扎层23具有垂直各向异性；反铁磁层或人工反铁磁层24，适用于钉扎磁钉扎层23的磁化方向，以使磁钉扎层23的磁化方向保持固定；以及保护层3，适用于防止磁隧道结2被氧化；顶电极层4，形成在保护层3上；其中，沿第一自旋方向的自旋极化流和与第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层21的磁化方向发生确定性翻转，以向存储单元存储信息。
根据本发明的实施例，以阵列形式排布的多个存储单元形成在衬底上，衬底起到支撑作用，衬底包括例如可以为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅Silicon onInsulator)、GOI(绝缘体上锗Germanium on Insulator)中的一种或多种。衬底与轨道霍尔层1之间还形成有缓冲层。
需要说明的是，面内电流通过具有轨道霍尔效应的材料时，发生轨道极化，产生轨道极化流。根据本发明的实施例，轨道霍尔层1采用具有轨道霍尔效应的材料形成，以在面内电流的作用下产生轨道极化流；轨道霍尔层1的材料包括以下至少之一：Mo、Ir、Ti、V、Cr。
根据本发明的实施例，磁自由层21为轨道-自旋转换原子Y和铁磁材料X组成的合金材料X-Y，即磁自由层21为掺杂有轨道-自旋转换原子Y的铁磁材料X。铁磁材料X包括但不限于以下至少之一：Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、CoFeB；轨道-自旋转换原子Y包括以下至少之一：非磁性原子、磁性原子、稀土元素；非磁性原子包括但不限于以下至少之一：Ti、V、Ir、Mo、Cu、Pt；磁性原子包括但不限于以下至少之一：Cr、Mn；稀土元素包括但不限于以下至少之一：Gd、Tb、Dy、Ho；其中，轨道-自旋转换原子Y适用于将轨道极化流转换为沿第一自旋方向的第一自旋极化流、并将面内电流转换为沿第一自旋方向的第三自旋极化流；铁磁材料X适用于将轨道极化流转换为沿第二自旋方向的第二自旋极化流、并将面内电流转换为沿第二自旋方向的第四自旋极化流。
根据本发明的实施例，面内电流和轨道极化流扩散至磁自由层21，通过自旋轨道耦合效应(SOC)将面内电流和轨道极化流转换为自旋方向相反的自旋极化流。
根据本发明的实施例，沿第一自旋方向的自旋极化流与沿第二自旋方向的自旋极化流具有相反的自旋方向，具有相反自旋方向的自旋极化流会产生竞争自旋流效应，竞争自旋流效应会诱导磁自由层21发生确定性翻转，翻转方向与施加的面内电流的方向相关；具体而言，向轨道霍尔层1施加沿第一方向的面内电流，诱导磁自由层21的磁化方向根据面内电流的方向发生确定性翻转，以向存储单元写入数据“0”；向轨道霍尔层1施加沿与第一方向相反的第二方向的面内电流，诱导磁自由层21的磁化方向根据面内电流的方向发生确定性翻转，翻转方向与施加第一方向的面内电流的翻转方向相反，以向存储单元写入数据“1”。
根据本发明的实施例，上述的自旋轨道矩磁随机存储器还包括：形成在轨道霍尔层1的相对两端的第一底电极5和第二底电极6；其中，第一底电极5和第二底电极6适用于施加流经轨道霍尔层1的面内电流；第一底电极5和第二底电极6之一与顶电极4适用于施加流经磁隧道结2的垂直电流。
根据本发明的实施例，隧穿绝缘层22的材料包括但不限于以下至少之一：MgO、AlOx、SiN。
根据本发明的实施例，磁钉扎层23包括以下至少之一：铁磁材料、亚铁磁合金材料；铁磁材料包括以下至少之一：Co、CoFe、CoFeB、NiFe；亚铁磁合金材料包括以下至少之一：CoCr、CoGd、CoTb、CoDy、CoHo、GdFeCo。
根据本发明的实施例，反铁磁层或人工反铁磁层24可以为反铁磁层或者人工反铁磁层，反铁磁层的材料例如可以为IrMn、PtMn中的一种或多种。
根据本发明的实施例，保护层3采用金属材料形成，例如可以为Ta、Ru、Ti、Cu、Au中的一种或多种。
根据本发明的实施例，顶电极4采用金属材料形成，例如可以为Cu、Ag、Au中的一种或多种。
图2为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的写入过程的示意图。图3为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的存储状态的示意图。图4为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的存储状态的示意图。
根据本发明的实施例，参考图2～图4所示，在面内电流的作用下引起磁自由层21的磁矩发生定向翻转，翻转的方向可以通过调整面内电流的方向来调控；并且构建面内电流方向与磁自由层21磁矩翻转方向的确定性关系。向轨道霍尔层1施加沿第一方向的面内电流I1时，即面内电流经第一底电极5流经第二底电极6，磁自由层21与磁钉扎层23的磁矩为反平行状态(高阻态)，磁自由层21的磁矩发生确定性翻转，向存储单元写入数据“0”；向轨道霍尔层1施加沿与第一方向相反的第二方向的面内电流I2时，即面内电流经第二底电极6流经第一底电极5，磁自由层21与磁钉扎层23的磁矩为平行状态(低阻态)，磁自由层21的磁矩发生确定性翻转，翻转方向与施加第一方向的面内电流的翻转方向相反，向存储单元写入数据“1”。
图5为根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的读取过程的示意图。
根据本发明的实施例，参考图5所示，施加流经磁隧道结2的垂直电流，探测磁隧道结2的电阻状态，确定磁隧道结2的存储信息。具体而言，施加流经磁隧道结2的垂直电流，测量磁隧道结2的电阻状态，读出低阻态，即可读出数据“1”；读出高阻态，即可读出数据“0”。
图6为根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图。
根据本发明的一种示例性实施例，参考图6所示，自旋轨道矩磁随机存储器还包括：自旋霍尔层7，适用于在面内电流的作用下产生第五自旋极化流，第五自旋极化流扩散至磁自由层21，以调控沿第一自旋方向的自旋极化流与沿第二自旋方向的自旋极化流的相对强弱；自旋霍尔层7包括以下至少之一：重金属材料、具有竞争自旋流的合金材料、具有重金属的合金材料、拓扑绝缘体；重金属材料包括以下至少之一：W、Ta、Pt；具有竞争自旋流的合金材料包括以下之一：PtMo、PtTa、PtW；具有重金属的合金材料包括以下之一：PtPd、PtTi；拓扑绝缘体包括以下之一：Bi2Se3、BixSe1-x、Bi2Te3、BiSb。
图7为根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的写入过程的示意图。
参考图7所示，向存储单元写入的数据取决于面内电流的方向。向轨道霍尔层1和自旋霍尔层7施加沿第一方向的面内电流I1时，向存储单元写入数据“0”，向轨道霍尔层1和自旋霍尔层7施加沿与第一方向相反的第二方向的面内电流I2时，向存储单元写入数据“1”。
图8为根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的读取过程的示意图。
根据本发明的实施例，参考图8所示，施加流经磁隧道结2的垂直电流，探测磁隧道结2的电阻状态，确定磁隧道结2的存储信息。具体地，施加流经磁隧道结2的垂直电流，测量磁隧道结2的电阻状态，读出低阻态，即磁自由层21与磁钉扎层23的磁化方向为平行态，可读出数据“1”；读出高阻态，即磁自由层21与磁钉扎层23的磁化方向为反平行态，可读出数据“0”。
根据本发明上述实施例提供的自旋轨道矩磁随机存储器，施加流经轨道霍尔层的面内电流，在面内电流的作用下产生轨道极化流，扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流转换为自旋方向相反的自旋极化流，具有相反自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层的磁矩发生定向翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元存储信息，实现无外磁场辅助的电控磁翻转。
根据本发明上述实施例提供的自旋轨道矩磁随机存储器，通过设置自旋霍尔层，在面内电流的作用下产生第五自旋极化流，以增强与第五自旋极化流的自旋方向相同的自旋极化流的强度，以调控沿第一自旋方向的自旋极化流与沿第二自旋方向的自旋极化流的相对强弱，进而降低器件的临界翻转电流密度。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括以阵列形式排布的多个存储单元，其特征在于，每个所述存储单元包括：
轨道霍尔层(1)，适用于在流经所述轨道霍尔层(1)的面内电流的作用下产生轨道极化流；
磁隧道结(2)，形成在所述轨道霍尔层(1)上，从下而上依次包括：
磁自由层(21)，适用于在扩散至所述磁自由层(21)的所述面内电流和所述轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与所述第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；所述磁自由层(21)具有垂直各向异性；
隧穿绝缘层(22)；
磁钉扎层(23)，具有固定的磁化方向，所述磁钉扎层(23)具有垂直各向异性；
反铁磁层或人工反铁磁层(24)，适用于钉扎所述磁钉扎层(23)的磁化方向，以使所述磁钉扎层(23)的磁化方向保持固定；
保护层(3)，适用于防止所述磁隧道结(2)被氧化；
顶电极层(4)，形成在所述保护层(3)上；
其中，沿所述第一自旋方向的自旋极化流和与所述第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导所述磁自由层(21)的磁化方向发生确定性翻转，以向所述存储单元存储信息。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，每个所述存储单元还包括：
形成在所述轨道霍尔层(1)的相对两端的第一底电极(5)和第二底电极(6)；
其中，所述第一底电极(5)和所述第二底电极(6)适用于施加流经所述轨道霍尔层(1)的面内电流；
所述第一底电极(5)和所述第二底电极(6)之一与所述顶电极(4)适用于施加流经所述磁隧道结(2)的垂直电流。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，向所述存储单元存储信息包括：
向所述轨道霍尔层(1)施加沿第一方向的面内电流，诱导所述磁自由层(21)的磁化方向根据所述面内电流的方向发生确定性翻转，以向所述存储单元写入数据“0”；
向所述轨道霍尔层(1)施加沿与所述第一方向相反的第二方向的面内电流，诱导所述磁自由层(21)的磁化方向根据所述面内电流的方向发生确定性翻转，翻转方向与施加所述第一方向的面内电流的翻转方向相反，以向所述存储单元写入数据“1”。
4.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，所述轨道霍尔层(1)采用具有轨道霍尔效应的材料形成，以在所述面内电流的作用下产生所述轨道极化流；
优选地，所述轨道霍尔层(1)的材料包括以下至少之一：Mo、Ir、Ti、V、Cr。
5.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，所述磁自由层(21)包括轨道-自旋转换原子Y和铁磁材料X组成的合金材料X-Y，
铁磁材料X包括以下至少之一：Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、CoFeB；
轨道-自旋转换原子Y包括以下至少之一：非磁性原子、磁性原子、稀土元素；
所述非磁性原子包括以下至少之一：Ti、V、Ir、Mo、Cu、Pt；
所述磁性原子包括以下至少之一：Cr、Mn；
所述稀土元素包括以下至少之一：Gd、Tb、Dy、Ho；
其中，所述轨道-自旋转换原子Y适用于将所述轨道极化流转换为沿所述第一自旋方向的所述第一自旋极化流、并将所述面内电流转换为沿所述第一自旋方向的所述第三自旋极化流；所述铁磁材料X适用于将所述轨道极化流转换为沿所述第二自旋方向的所述第二自旋极化流、并将所述面内电流转换为沿所述第二自旋方向的所述第四自旋极化流。
6.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，
所述磁钉扎层(23)包括以下至少之一：铁磁材料、亚铁磁合金材料；
所述铁磁材料包括以下至少之一：Co、CoFe、CoFeB、NiFe；
所述亚铁磁合金材料包括以下至少之一：CoCr、CoGd、CoTb、CoDy、CoHo、GdFeCo；
优选地，所述隧穿绝缘层(22)的材料包括以下至少之一：MgO、AlOx、SiN。
7.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，还包括：
自旋霍尔层(7)，适用于在所述面内电流的作用下产生第五自旋极化流，所述第五自旋极化流扩散至所述磁自由层(21)，以调控沿所述第一自旋方向的自旋极化流与沿所述第二自旋方向的自旋极化流的相对强弱；
所述自旋霍尔层(7)包括以下至少之一：重金属材料、具有竞争自旋流的合金材料、具有重金属的合金材料、拓扑绝缘体；
所述重金属材料包括以下至少之一：W、Ta、Pt；
所述具有竞争自旋流的合金材料包括以下至少之一：PtMo、PtTa、PtW；
所述具有重金属的合金材料包括以下至少之一：PtPd、PtTi；
所述拓扑绝缘体包括以下至少之一：Bi2Se3、BixSe1-x、Bi2Te3、BiSb。
8.一种操作如权利要求1～7任一项所述的自旋轨道矩磁随机存储器的操作方法，其特征在于，包括：
施加流经轨道霍尔层(1)的面内电流，诱导磁自由层(21)的磁化方向发生定向翻转，以改变所述磁自由层(21)与磁钉扎层(23)的相对磁化方向，进而向存储单元写入数据；
施加流经磁隧道结(2)的垂直电流，以读取所述存储单元的存储信息。
9.根据权利要求8所述的操作方法，其特征在于，
向所述轨道霍尔层(1)施加沿第一方向的面内电流，以向所述存储单元写入数据“0”；以及
向所述轨道霍尔层(1)施加沿与所述第一方向相反的第二方向的面内电流，以向所述存储单元写入数据“1”。
10.根据权利要求8所述的操作方法，其特征在于，
施加流经所述磁隧道结(2)的垂直电流，探测所述磁隧道结(2)的电阻状态，以读取所述存储单元的存储信息。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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