CN105552214A

CN105552214A - 一种垂直磁化的磁电阻随机存储器

Info

Publication number: CN105552214A
Application number: CN201510902602.0A
Authority: CN
Inventors: 李辉辉; 徐庶; 左正笏; 韩谷昌; 蒋信; 刘瑞盛; 孟皓; 刘波
Original assignee: CETHIK Group Ltd
Current assignee: CETHIK Group Ltd
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: CN105552214B

Abstract

本发明涉及磁电阻随机存储器(MRAM)，尤其涉及一种利用电场辅助及磁畴漏磁场实现写操作的垂直磁化的磁电阻随机存储器，包括：磁性隧道结、非磁性的隔离层、磁纳米线，磁性隧道结和磁纳米线之间由非磁性的隔离层隔开，磁纳米线内含有磁畴，磁性隧道结包含有铁磁性的固定层、铁磁性的自由层以及两者之间非磁性的势垒层，且固定层、自由层和磁纳米线的磁化方向垂直于膜层，磁畴通过电流产生的扭矩发生平移使自由层的磁化方向发生反转。本发明的有益效果在于：利用与MTJ相邻的磁纳米线中的磁畴产生的漏磁场作为反转时所需的外磁场，降低MRAM写操作功耗，提高MRAM容量。

Description

一种垂直磁化的磁电阻随机存储器

技术领域

本发明涉及磁电阻随机存储器(MRAM)，尤其涉及一种利用电场辅助及磁畴漏磁场实现写操作的垂直磁化的磁电阻随机存储器。

背景技术

磁电阻随机存储器(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含有铁磁性的自由层和固定层。自由层和固定层之间由非磁性的势垒层分开。在MTJ正常工作时自由层的磁化方向可以改变，而固定层的磁化方向保持不变。MTJ的电阻与自由层和固定层的相对磁化方向有关。当自由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。

在MRAM写操作中，自由层的反转可以通过自旋转移扭矩(STT)效应实现。当垂直于MTJ膜层的写电流通过自由层时，如果电流的大小超过STT效应的阈值，电流产生的STT可以导致自由层的磁化方向发生反转。反转后自由层的磁化方向由写电流的流动方向决定。MRAM的容量及功耗均与其工作时所需的写电流大小有关，因此降低MRAM的写电流可以有效地提高MARM的性能。

MRAM中MTJ固定层和自由层的磁化方向可以是在膜层面内，或是垂直于膜层表面。当磁化方向垂直于膜层表面时，自由层的垂直各向异性能可以通过外加电场来改变。在具有一定大小和极性的电压作用下，自由层的磁化方向可以从垂直于膜层变为在膜层面内。这时如果同时施加外磁场，就可导致自由层发生反转。这种写操作的方式所需的电流密度可以远小于STT写操作方式，有助于提高MRAM的容量和功耗性能。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，利用与MTJ相邻的磁纳米线中的磁畴产生的漏磁场作为反转时所需的外磁场，降低MRAM写操作功耗，提高MRAM容量。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，包括：磁性隧道结、非磁性的隔离层、磁纳米线，磁性隧道结和磁纳米线之间由非磁性的隔离层隔开，磁纳米线内含有磁畴，磁性隧道结包含有铁磁性的固定层、铁磁性的自由层以及两者之间非磁性的势垒层，且固定层、自由层和磁纳米线的磁化方向垂直于膜层，磁畴通过电流产生的扭矩发生平移使自由层的磁化方向发生反转。

作为优选，铁磁性的固定层在非磁性的势垒层上方、铁磁性的自由层在非磁性的势垒层下方。

作为优选，铁磁性的固定层在非磁性的势垒层下方、铁磁性的自由层在非磁性的势垒层上方。

作为优选，铁磁性的固定层或铁磁性的自由层或磁纳米线含有SAF结构。

作为优选，非磁性的隔离层形成连续的纳米线，隔离层由具有自旋霍尔效应的材料组成。

作为优选，磁纳米线相对于隔离层的另一侧与自旋霍尔纳米线连接，自旋霍尔纳米线由具有自旋霍尔效应的材料组成。

作为优选，非磁性的隔离层形成连续的纳米线，隔离层由具有自旋霍尔效应的材料组成；磁纳米线相对于隔离层的另一侧与自旋霍尔纳米线连接，自旋霍尔纳米线由具有自旋霍尔效应的材料组成。

作为优选，SAF中的反铁磁耦合层由以下材料中的一种或几种组成：钌、铑、铼、铱、铜、银、金及包含上述材料的合金。

作为优选，固定层、自由层和磁纳米线由以下材料中的一种或几种组成：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；势垒层由以下材料中的一种或几种组成：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化锌、氧化镁锌或氮化硼中的一种或几种；隔离层、自旋霍尔纳米线由以下材料和结构中一种或几种组成：铂、钯、钽、钼、铋、钨、铑、铼、铱、铜、银、金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。

本发明的有益效果在于：本发明中利用与MTJ相邻的磁纳米线中的磁畴产生的漏磁场作为反转时所需的外磁场。磁纳米线中含有一系列的磁畴。相邻磁畴产生的漏磁场的方向相反。磁纳米线中的磁畴可以在电流驱动下发生平移。当具有特定磁化方向的磁畴移动到MTJ相邻的位置时，其产生的漏磁场方向决定自由层的反转方向。通过将具有相反方向的磁畴移动到与MTJ相邻的位置，即可实现写入“1”或写入“0”的操作。利用与MTJ相邻的磁纳米线中的磁畴产生的漏磁场作为反转时所需的外磁场，降低MRAM写操作功耗，提高MRAM容量。

附图说明

图1是本发明实施例1磁电阻随机存储器的结构示意图；

图2是本发明实施例2磁电阻随机存储器的结构示意图；

图3是本发明实施例3磁电阻随机存储器的结构示意图；

图4是本发明实施例4磁电阻随机存储器的结构示意图；

图5是本发明实施例5磁电阻随机存储器的结构示意图；

图中：1、电压；2、电流脉冲；3、固定层；4、势垒层；5、自由层；6、隔离层；7、磁性隧道结；8、磁纳米线；9、磁畴Ⅰ；10、磁畴Ⅱ；11、磁畴Ⅲ；12、自旋霍尔纳米线。

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：

下文中将讨论用于MRAM的由MTJ和磁纳米线组成的结构，包括5个具体实施例。MTJ中含有磁性的固定层和自由层。固定层和自由层之间被非磁性的势垒层分开。MTJ和磁纳米线之间被非磁性的隔离层隔开。MTJ的固定层和自由层的磁化方向以及磁纳米线的磁化方向均垂直于膜面。固定层、自由层和磁纳米线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。固定层、自由层和磁纳米线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。势垒层可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层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。

实施例1：

如图1所示，磁性隧道结7中含有铁磁性的固定层3，非磁性的势垒层4，以及铁磁性的自由层5。自由层5与磁纳米线8之间被非磁性的隔离层6分开。固定层3、自由层5的磁化方向以及磁纳米线8的磁化方向均垂直于膜面。磁纳米线8中含有一系列的磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等。当电流脉冲2流过磁纳米线8时，电流产生的自旋转移扭矩可能使磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等在磁纳米线8中发生平移。磁畴平移的大小可由电流脉冲2的幅度和脉冲长度决定。磁畴平移的方向可由电流脉冲2的方向决定。磁畴Ⅱ10产生的漏磁场方向与磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅲ11产生的漏磁场方向相反。因此当磁畴Ⅱ10与磁性隧道结7相邻时，自由层5感受的磁场方向与当磁畴Ⅰ9或磁畴Ⅲ11与磁性隧道结7相邻时自由层5感受的磁场方向反向。在MRAM的写操作中，外加电压1使得自由层5的磁化方向从垂直于膜层变为趋向于膜层面内。这时通过电流2将磁纳米线8中具有所需漏磁场方向的磁畴移到与磁性隧道结7相邻的位置即可完成自由层的写操作。固定层3、自由层5和磁纳米线8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、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层4可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层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、氮化硼或氮化铝等。

实施例2：

如图2所示，磁性隧道结7中含有铁磁性的固定层3，非磁性的势垒层4，以及铁磁性的自由层5。固定层3与磁纳米线8之间被非磁性的隔离层6分开。固定层3、自由层5的磁化方向以及磁纳米线8的磁化方向均垂直于膜层。磁纳米线8中含有一系列的磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等。当电流脉冲2流过磁纳米线8时，电流产生的自旋转移扭矩可能使磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等在磁纳米线8中发生平移。磁畴平移的大小可由电流脉冲2的幅度和脉冲长度决定。磁畴平移的方向可由电流脉冲2的方向决定。磁畴Ⅱ10产生的漏磁场方向与磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅲ11产生的漏磁场方向相反。因此当磁畴Ⅱ10与磁性隧道结7相邻时，自由层5感受的磁场方向与当磁畴Ⅰ9或磁畴Ⅲ11与磁性隧道结7相邻时自由层5感受的磁场方向反向。在MRAM的写操作中，外加电压1使得自由层5的磁化方向从垂直于膜层变为趋向于膜层面内。这时通过电流2将磁纳米线8中具有所需漏磁场方向的磁畴移到与磁性隧道结7相邻的位置即可完成自由层的写操作。固定层3、自由层5和磁纳米线8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、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层4可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层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、氮化硼或氮化铝等。

实施例3

图3中所示的磁性隧道结7中含有铁磁性的固定层3，非磁性的势垒层4，以及铁磁性的自由层5。自由层5与磁纳米线8之间被非磁性的隔离层6分开。隔离层6形成一条连续的纳米线。隔离层6由具有自旋霍尔效应的材料组成。固定层3、自由层5的磁化方向以及磁纳米线8的磁化方向均垂直于膜面。磁纳米线8中含有一系列的磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等。当电流脉冲2流过磁纳米线8和隔离层6时，电流产生的自旋转移扭矩以及自旋霍尔扭矩可能使磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等在磁纳米线8中发生平移。磁畴平移的大小可由电流脉冲2的幅度和脉冲长度决定。磁畴平移的方向可由电流脉冲2的方向决定。磁畴Ⅱ10产生的漏磁场方向与磁畴Ⅰ9、Ⅲ11产生的漏磁场方向相反。因此当磁畴Ⅱ10与磁性隧道结7相邻时，自由层5感受的磁场方向与当磁畴Ⅰ9或磁畴Ⅲ11与磁性隧道结7相邻时自由层5感受的磁场方向反向。在MRAM的写操作中，外加电压1使得自由层5的磁化方向从垂直于膜层变为趋向于膜层面内。这时通过电流2将磁纳米线8中具有所需漏磁场方向的磁畴移到与磁性隧道结7相邻的位置即可完成自由层的写操作。固定层3、自由层5和磁纳米线8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、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层4可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层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、氮化硼或氮化铝等。隔离层6可能包含但不仅限于以下材料和结构：铂、钯、钽、钼、铋、钨、铑、铼、铱、铜、银、金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。

实施例4

图4中所示的磁性隧道结7中含有铁磁性的固定层3，非磁性的势垒层4，以及铁磁性的自由层5。自由层5与磁纳米线8之间被非磁性的隔离层6分开。磁纳米线8的另一侧是一条由具有自旋霍尔效应的材料组成的自旋霍尔纳米线12。固定层3、自由层5的磁化方向以及磁纳米线8的磁化方向均垂直于膜面。磁纳米线8中含有一系列的磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等。当电流脉冲2流过磁纳米线8和自旋霍尔纳米线12时，电流产生的自旋转移扭矩以及自旋霍尔扭矩可能使磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等在磁纳米线8中发生平移。磁畴平移的大小可由电流脉冲2的幅度和脉冲长度决定。磁畴平移的方向可由电流脉冲2的方向决定。磁畴Ⅱ10产生的漏磁场方向与磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅲ11产生的漏磁场方向相反。因此当磁畴Ⅱ10与磁性隧道结7相邻时，自由层5感受的磁场方向与当磁畴Ⅰ9或磁畴Ⅲ11与磁性隧道结7相邻时自由层5感受的磁场方向反向。在MRAM的写操作中，外加电压1使得自由层5的磁化方向从垂直于膜层变为趋向于膜层面内。这时通过电流脉冲2将磁纳米线8中具有所需漏磁场方向的磁畴移到与磁性隧道结7相邻的位置即可完成自由层的写操作。固定层3、自由层5和磁纳米线8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、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层4可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层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、氮化硼或氮化铝等。自旋霍尔纳米线12可能包含但不仅限于以下材料和结构：铂、钯、钽、钼、铋、钨、铑、铼、铱、铜、银、金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。

实施例5

图5中所示的磁性隧道结7中含有铁磁性的固定层3，非磁性的势垒层4，以及铁磁性的自由层5。自由层5与磁纳米线8之间被非磁性的隔离层6分开。隔离层6形成一条连续的纳米线。隔离层6由具有自旋霍尔效应的材料组成。磁纳米线8的另一侧是一条由具有自旋霍尔效应的材料组成的自旋霍尔纳米线12。固定层3、自由层5的磁化方向以及磁纳米线8的磁化方向均垂直于膜面。磁纳米线8中含有一系列的磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等。当电流脉冲2流过磁纳米线8、隔离层6和自旋霍尔纳米线12时，电流产生的自旋转移扭矩以及自旋霍尔扭矩可能使磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅱ10、磁畴Ⅲ11等在磁纳米线8中发生平移。磁畴平移的大小可由电流脉冲2的幅度和脉冲长度决定。磁畴平移的方向可由电流脉冲2的方向决定。磁畴Ⅱ10产生的漏磁场方向与磁畴Ⅰ9、磁畴Ⅲ11产生的漏磁场方向相反。因此当磁畴Ⅱ10与磁性隧道结7相邻时，自由层5感受的磁场方向与当磁畴Ⅰ9或磁畴Ⅲ11与磁性隧道结7相邻时自由层5感受的磁场方向反向。在MRAM的写操作中，外加电压1使得自由层5的磁化方向从垂直于膜层变为趋向于膜层面内。这时通过电流脉冲2将磁纳米线8中具有所需漏磁场方向的磁畴移到与磁性隧道结7相邻的位置即可完成自由层的写操作。固定层3、自由层5和磁纳米线8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、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层4可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层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、氮化硼或氮化铝等。隔离层6和自旋霍尔纳米线12可能包含但不仅限于以下材料和结构：铂、钯、钽、钼、铋、钨、铑、铼、铱、铜、银、金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。

上述实例中利用辅助电场和磁纳米线中磁畴的漏磁场实现MTJ自由层的写操作，有助于改善MRAM的容量及功耗等性能。

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

1.一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于包括：磁性隧道结、非磁性的隔离层、磁纳米线，磁性隧道结和磁纳米线之间由非磁性的隔离层隔开，磁纳米线内含有磁畴，磁性隧道结包含有铁磁性的固定层、铁磁性的自由层以及两者之间非磁性的势垒层，且固定层、自由层和磁纳米线的磁化方向垂直于膜层，磁畴通过电流产生的扭矩发生平移使自由层的磁化方向发生反转。

2.根据权利要求1所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，铁磁性的固定层在非磁性的势垒层上方、铁磁性的自由层在非磁性的势垒层下方。

3.根据权利要求1所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，铁磁性的固定层在非磁性的势垒层下方、铁磁性的自由层在非磁性的势垒层上方。

4.根据权利要求1所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，铁磁性的固定层或铁磁性的自由层或磁纳米线含有SAF结构。

5.根据权利要求1所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，非磁性的隔离层形成连续的纳米线，隔离层由具有自旋霍尔效应的材料组成。

6.根据权利要求1所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，磁纳米线相对于隔离层的另一侧与自旋霍尔纳米线连接，自旋霍尔纳米线由具有自旋霍尔效应的材料组成。

7.根据权利要求1所述的所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于：非磁性的隔离层形成连续的纳米线，隔离层由具有自旋霍尔效应的材料组成；磁纳米线相对于隔离层的另一侧与自旋霍尔纳米线连接，自旋霍尔纳米线由具有自旋霍尔效应的材料组成。

8.根据权利要求4所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，SAF中的反铁磁耦合层由以下材料中的一种或几种组成：钌、铑、铼、铱、铜、银、金及包含上述材料的合金。

9.根据权利要求1-8任一权利要求所述的一种垂直磁化的磁电阻随机存储器，其特征在于，固定层、自由层和磁纳米线由以下材料中的一种或几种组成：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；势垒层由以下材料中的一种或几种组成：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化锌、氧化镁锌或氮化硼中的一种或几种；隔离层、自旋霍尔纳米线由以下材料和结构中一种或几种组成：铂、钯、钽、钼、铋、钨、铑、铼、铱、铜、银、金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。