CN105390609A - 一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，本发明利用自旋霍尔效应来降低磁性存储器的功耗，其中磁性层被放置于产生自旋霍尔效应的重金属层上方(或下方)，与金属电极之间有一层绝缘层相隔。该发明可以有效地缩短水平磁化层与记录层的距离，降低对相邻的记录位元的干扰。

Description

一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，尤其涉及一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)是一种非易失型的存储器，由依靠电路相互连接的磁性隧道结(MTJ)阵列组成。每个MTJ含有磁性的记录层和固定层。记录层和固定层之间由非磁性的隧穿层分开。在MTJ正常工作时记录层的磁化方向可以改变，而固定层的磁化方向保持不变。MTJ的电阻与记录层和固定层的相对磁化方向有关。当记录层的磁化方向相对于固定层的磁化方向发生改变时，MTJ的电阻值相应改变，对应于不同的存储信息(如0或1)。电阻值发生变化的幅度称为磁电阻。

自旋霍尔效应被用来降低MRAM的功耗。在擦写得过程中，记录层的偏转通过电子的自旋轨道耦合(SOC)效应实现。当面内水平电流通过MTJ重金属下电极时，电流在记录层与重金属下电极的界面产生的极化电流。当有偏置外磁场存在的情况下，如果电流的大小超过SOC效应的阈值，则导致记录层的磁化方向发生反转。反转后记录层的磁化方向由写电流流动的方向决定。

但是在自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器中,尤其是在垂直磁性隧道结(pMTJ)的写入过程中，如果没有偏置外磁场，SOC效应只能将记录层磁化方向从垂直方向改变为水平方向。关闭写电流则最终的记录层磁化方向不确定，对应的存储信息也不确定(如0或1)。以往的解决方案是在固定层的上方加入水平磁化层(US8,889,433B2)。MTJ形成以后，水平磁化层产生的静磁场对纪录层产生偏置作用。由于固定层相对较厚，所以需要足够厚水平磁化层才能产生足够强的静磁场。另外，较厚水平磁化层对相邻的记录位元也产生干扰，降低信噪比，并导致错误率升高。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，将磁性层放置于产生自旋霍尔效应的重金属层上方或下方，与重金属层之间有一层绝缘层相隔。该发明可以有效地缩短水平磁化层与记录层之间的距离，即使较薄的水平磁化层也能产生较强的偏置外磁场。另外，较薄的水平磁化层对相邻的记录位元的干扰也会降低。本发明对MRAM的制备生产有着重要意义，有很大的应用前景。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，包括金属电极、磁性隧道结、产生自旋霍尔效应的重金属层、绝缘层、产生偏置磁场的磁性层；绝缘层设于磁性层与重金属层之间；磁性隧道结连接于重金属层上方或下方；金属电极通过磁性隧道结与重金属层相互连接。

作为优选，所述磁性隧道结包括垂直固定层I、耦合层、垂直固定层II、隧穿层、垂直记录层；若磁性隧道结连于重金属层上方，则垂直记录层、隧穿层、垂直固定层II、耦合层、垂直固定层I自下而上依次堆叠连接；若磁性隧道结连于重金属层下方，则垂直固定层II、耦合层、垂直固定层I、隧穿层、垂直记录层自下而上依次堆叠连接。

作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、垂直记录层的磁化方向为在膜层内或垂直于膜层。

作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、耦合层组成SAF结构；耦合层为反铁磁耦合层；SAF结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成，两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列；反铁磁耦合层的材料含有钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。

作为优选，垂直记录层也可以由SAF结构组成。

作为优选，所述隧穿层包括一层或多层绝缘层，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。

作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、垂直记录层的材料含有铁、钴、镍、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、铂、钯、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜的一种或几种组合。

作为优选，所述产生自旋霍尔效应的重金属层的材料含有铂、钯、钽或钨。

作为优选，所述产生偏置磁场的磁性层的材料含有钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨，以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构的一种或几种组合。

作为优选，所述绝缘层的材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝。

本发明的有益效果在于：(1)本发明磁性随机存储器的功耗小；(2)可以有效地缩短水平磁化层与记录层的距离，降低对相邻的记录位元的干扰。

附图说明

图1是本发明磁性随机存储器的结构示意图1；

图2是本发明磁性随机存储器的结构示意图2。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：如图1所示，一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器由金属电极2、磁性隧道结1、产生自旋霍尔效应的重金属层3、绝缘层4、产生偏置磁场的磁性层5组成；产生自旋霍尔效应的重金属层3设于磁性隧道结1的下方；绝缘层4夹在磁性层5与重金属层3之间；金属电极2通过磁性隧道结1与重金属层3相互连接。其中，磁性隧道结1含有铁磁性的垂直磁化固定层I101与垂直磁化固定层II103、，反铁磁耦合层102，非磁性的隧穿层104，垂直磁化记录层105，记录层105在非磁性的隧穿层104下方。垂直磁化固定层I101与垂直磁化固定层II103和垂直记录层105的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。垂直磁化固定层I101与垂直磁化固定层II103可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

隧穿层104可能由一层或多层绝缘层组成。其中，垂直磁化固定层I101，垂直磁化固定层II103与反铁磁耦合层102组成成反铁磁耦合(SAF)结构。两固定层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。隧穿层104可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。记录层105可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

产生自旋霍尔效应的重金属层3可能包含但不仅限于以下材料：铂、钯、钽或钨等。重金属层3内的水平电流产生自旋霍尔效应，使记录层的磁化方向从垂直方向倒向水平方向；

产生静磁场的磁性层5可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

介于产生自旋霍尔效应的重金属层3与产生偏置磁场的磁性层5之间的绝缘层4可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝等。

图中所示的白色箭头为电流方向，当电流垂直通过磁性隧道结1并经重金属层3通往晶体管或其他连接电路，由于磁性层,5与重金属层3被绝缘层4分隔开，读写电流并不会流经磁性层5。

实施例2：如图2所示，一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器由金属电极2、磁性隧道结1、产生自旋霍尔效应的重金属层3、绝缘层4、产生偏置磁场的磁性层5组成；产生自旋霍尔效应的重金属层3设于磁性隧道结1的上方；绝缘层4夹在磁性层5与重金属层3之间；金属电极2通过磁性隧道结1与重金属层3相互连接。其中，磁性隧道结1含有铁磁性的垂直固定层I101、垂直固定层II103，反铁磁耦合层102，非磁性的隧穿层104，垂直记录层105，重金属层3，绝缘层4，磁性层5。垂直记录层105在非磁性的隧穿层104上方。垂直固定层I101、垂直固定层II103和垂直记录层105的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。垂直固定层I101、垂直固定层II103可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。隧穿层104可能由一层或多层绝缘层组成。固定层和记录层可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构。SAF结构由两层磁性材料组成。两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。隧穿层104可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。垂直记录层105可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

产生自旋霍尔效应的重金属层3可能包含但不仅限于以下材料：铂、钯、钽或钨等。重金属层内的水平电流产生自旋霍尔效应，使记录层的磁化方向从垂直方向倒向水平方向；

产生静磁场的磁性层5可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

介于产生自旋霍尔效应的重金属层3与产生静磁场的磁性层5之间的绝缘层4可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝等。

图中所示的白色箭头为电流方向，当电流垂直通过磁性隧道结1并经重金属层3通往晶体管或其他连接电路，由于磁性层,5与重金属层3被绝缘层4分隔开，读写电流并不会流经磁性层5。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于，包括金属电极(2)、磁性隧道结(1)、产生自旋霍尔效应的重金属层(3)、绝缘层(4)、产生偏置磁场的磁性层(5)；绝缘层(4)设于磁性层(5)与重金属层(3)之间；磁性隧道结(1)连接于重金属层(3)上方或下方；金属电极(2)通过磁性隧道结(1)与重金属层(3)相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述磁性隧道结(1)包括垂直固定层I(101)、耦合层(102)、垂直固定层II(103)、隧穿层(104)、垂直记录层(105)；若磁性隧道结连于重金属层上方，则垂直记录层(105)、隧穿层(104)、垂直固定层II(103)、耦合层(102)、垂直固定层I(101)自下而上依次堆叠连接；若磁性隧道结连于重金属层下方，则垂直固定层II(103)、耦合层(102)、垂直固定层I(101)、隧穿层(104)、垂直记录层(105)自下而上依次堆叠连接。

3.根据权利要求2所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述垂直固定层I(101)、垂直固定层II(103)、垂直记录层(105)的磁化方向为在膜层内或垂直于膜层。

4.根据权利要求2所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述垂直固定层I(101)、垂直固定层II(103)、和耦合层(102)组成SAF结构，其中，耦合层(102)为反铁磁耦合层；SAF结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成；两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。

5.根据权利要求2所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述隧穿层(104)包括一层或多层绝缘层，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。

6.根据权利要求2所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述垂直固定层I(101)、垂直固定层II(103)、垂直记录层(105)的材料含有铁、钴、镍、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、铂、钯、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜的一种或几种组合。

7.根据权利要求1所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述产生自旋霍尔效应的重金属层(3)的材料含有铂、钯、钽或钨。

8.根据权利要求1所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述产生偏置磁场的磁性层(5)的材料含有钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨，以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构的一种或几种组合。

9.根据权利要求1所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述绝缘层(4)的材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝。

10.根据权利要求4所述的一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，其特征在于：所述反铁磁耦合层的材料含有钌、铑、铼、铱、铜、银、金，以及包含上述材料的合金。