CN107316936A - 一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，包括：双向自旋霍尔效应磁性隧道结、第一晶体管、第二晶体管、读取字线、读取位线、写入字线、写入位线以及源线；基于双向自旋霍尔效应的新型磁性隧道结包括传统的垂直磁性隧道结、重金属层与自旋霍尔效应耦合层，其中，所述垂直磁性隧道结自上而下包括参考层、隧穿绝缘层与第一磁性自由层，所述自旋霍尔效应耦合层自上而下包括第二磁性自由层与绝缘层。本发明无需辅助手段，仅通过控制流经重金属层的电流实现垂直磁性隧道结电阻在高阻态、低阻态与随机阻态之间的切换，能够有效降低磁性存储单元的写入功耗，缩短磁性存储单元的写入操作时间。

Description

一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构

技术领域

本发明涉及到存储器领域，具体涉及到一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构。

背景技术

传统的静态随机存储器与动态随机存储器都属于易失性存储器，在其工作过程中需持续供电。随着制程工艺的发展，由漏电与刷新电流带来的功耗问题日益严重，在很大程度上限制了存储器性能的进一步提升。近年来，多种非易失性存储方案，如相变存储、阻变存储、导电桥存储、磁性存储等得到快速发展，有望取代基于传统晶体管与电容的存储模式，成为下一代非冯诺依曼计算机架构的组成部分。其中，基于自旋霍尔效应(Spin HallEffect)的磁性存储器(简称为SHE-MRAM)具有超低写入功耗，超短写入时间，以及接近无限制的擦写次数，被认为是最具潜力的方案之一。近年来，具有垂直各向异性的磁性隧道结受到学术界与产业界的广泛关注，被认为是SHE-MRAM存储单元的合理选择。

由于写入电流的极化特性，基于垂直磁性隧道结的SHE-MRAM存储单元需借助其他辅助手段才能实现稳定的电阻状态切换。目前提出的辅助方案主要有外加磁场辅助与自旋转移矩(STT)辅助。基于外加磁场的辅助方案会削弱存储单元的稳定性，并在一定程度上限制SHE-MRAM的存储密度。而基于STT的辅助方案需要相对复杂的外围电路以实现多路写入电脉冲的精准协调，同时该方案有可能造成磁性隧道结绝缘层击穿，导致存储单元损毁。除此之外，以往的SHE-MRAM仅利用单向的由自旋霍尔效应产生的极化电流，从而导致了低极化率以及较高的写入功耗。因而，SHE-MRAM急需一种切实可行的方案以实现稳定，快速，低功耗的电阻状态切换。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，利用了双向的由自旋霍尔效应产生的极化电流，有效降低了存储单元的写入功耗；能够解决SHE-MRAM存储单元需要外加磁场或自旋转移矩辅助的问题，仅通过单路的电压控制即可实现快速，稳定，低耗的磁性隧道结电阻状态切换。另外，以往的SHE-MRAM存储单元可呈现高、低两种阻态，本发明可为存储单元提供第三种状态：随机阻态，即写入电流脉冲过后，磁性存储单元有50％概率呈现高阻态，50％概率呈现低阻态。三种状态的切换仅需通过控制写入电流的大小即可实现。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，包括：双向自旋霍尔效应磁性隧道结、第一晶体管、第二晶体管、读取字线、读取位线、写入字线、写入位线以及源线；其中，所述第一晶体管的栅极与所述读取字线连接，所述第一晶体管的源极与所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的R端连接，所述第一晶体管的漏极与所述读取位线连接；所述第二晶体管的源极与所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的W端连接，所述第二晶体管的栅极与所述写入字线连接，所述第二晶体管的漏极与所述写入位线链接；所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的S端与所述源线连接。

上述技术方案中，在所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的R端与S端之间施加电压，通过对比读取电流I_r与参考值的大小，识别磁性隧道结的电阻状态，实现存储单元的读取数据。

上述技术方案中，当存储单元进行数据“0”、“1”的稳定写入时，在W端与S端之间施加双向电压V_w1，写入电流I_w1使得磁性隧道结在高电阻状态与低电阻状态之间稳定切换，实现数据的稳定写入；当存储单元进行数据“0”、“1”的随机写入时，在W端与S端之间施加电压V_w2，写入电流I_w2使得磁性隧道结在高电阻态与低电阻态之间随机切换，实现数据的随机写入，其中，数据的随机写入表示写入电流I_w2有50％的概率使磁性隧道结切换至高电阻状态，有50％的概率使磁性隧道结切换至低电阻状态，其中I_w2>I_w1。

上述技术方案中，所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结包括垂直磁性隧道结、重金属层与自旋霍尔效应耦合层，其中，所述垂直磁性隧道结自上而下包括参考层、隧穿绝缘层与第一磁性自由层，所述自旋霍尔效应耦合层自上而下包括第二磁性自由层与绝缘层；所述第一磁性自由层与所述第二磁性自由层设置在所述重金属层两侧，并通过RKKY交换作用相互耦合，并且所述第一磁性自由层具有垂直于薄膜平面的磁各向异性。

上述技术方案中，所述重金属层的材料包括但不仅限于钽、钨、铼、铱、铌、镆、钌、铑、钒、铬、铋的一种金属或含有上述金属元素的合金。

上述技术方案中，所述第一磁性自由层与所述第二磁性自由层的材料为包括钴铁硼合金或钴铁铝合金构成的单层薄膜，或者为多层薄膜的复合结构，其薄膜堆叠结构自上而下为X/Y/Z_n型，其中X为钴铁硼合金构成的单层薄膜，Y钽或钨或镆单层薄膜，Z为钴/镍或钴/钯的多层薄膜，n为Z结构的重复次数，n不大于5。

上述技术方案中，所述隧穿绝缘层的材料包括镁、铝、钛、钽、硅的一种金属的氧化物以及含有上述金属元素的掺硼氧化物。

上述技术方案中，所述参考层的厚度范围为1-20nm，所述绝缘层的厚度范围为1-2nm，所述第一磁性自由层的厚度范围为0.5-5nm，所述重金属层的厚度小于5nm、所述第二磁性自由层的厚度范围为0.5-5nm。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明无需辅助手段，仅通过控制流经重金属层的电流即可实现垂直磁性隧道结电阻状态的切换。本发明能够有效降低磁性存储单元的写入功耗，缩短磁性存储单元的写入操作时间。

此外，传统的SHE-MRAM存储单元可呈现高、低两种阻态，该方案可为存储单元提供第三种状态：随机阻态，即写入电流脉冲过后，磁性存储单元有50％概率呈现高阻态，50％概率呈现低阻态。三种状态的切换仅需通过控制写入电流的大小即可实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的SHE-MRAM存储单元的电路结构示意图；

图2为本发明的磁性隧道结电阻状态切换概率与写入电流大小的关系示意图；

图3为本发明的基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元组成的存储阵列结构示意图；

图4为本发明的基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元的薄膜堆叠结构示意图；

图5为本发明的当电流经过重金属底层时，由自旋霍尔效应产生的极化电流的流向示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明的SHE-MRAM存储单元的电路结构示意图；如图1所示，本发明提供的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元，包括：双向自旋霍尔效应磁性隧道结、第一晶体管、第二晶体管、读取字线、读取位线、写入字线、写入位线以及源线；其中，第一晶体管的栅极与所述读取字线连接，第一晶体管的源极与双向自旋霍尔效应磁性隧道结的R端连接，第一晶体管的漏极与读取位线连接；第二晶体管的源极与所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的W端连接，第二晶体管的栅极与写入字线连接，第二晶体管的漏极与写入位线链接；所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的S端与所述源线连接，其中源线接地。

以往的SHE-MRAM存储单元可呈现高、低两种阻态，而本发明提供的存储单元可以提供第三种状态：随机阻态，即写入电流脉冲过后，磁性隧道结有50％概率呈现高阻态，50％概率呈现低阻态。三种状态的切换仅需通过控制写入电流的大小即可实现。

在SHE-MTJ的R端与S端之间施加电压，通过对比读取电流I_r与参考值的大小，识别磁性隧道结的电阻状态，实现存储单元的读取数据。

当存储单元进行数据“0”、“1”的稳定写入时，在W端与S端之间施加双向电压V_w1，写入电流I_w1使得磁性隧道结在高电阻状态与低电阻状态之间稳定切换，实现数据的稳定写入；当存储单元进行数据“0”、“1”的随机写入时，在W端与S端之间施加电压V_w2，写入电流I_w2使得磁性隧道结在高电阻态与低电阻态之间随机切换，实现数据的随机写入，其中，数据的随机写入表示写入电流I_w2有50％的概率使磁性隧道结切换至高电阻状态，有50％的概率使磁性隧道结切换至低电阻状态，其中I_w2>I_w1。

其具体的工作原理如下：当存储单元进行读取操作时，为读取字线施加电压使得晶体管1导通，同时为读取位线施加电压V_r，此时读取电流I_r经读取位线，经顶部电极、磁性隧道结、重金属层，流向源线。通过对比I_r与参考值的大小，即可判断磁性隧道结的电阻状态，从而实数据的读取。当存储单元进行数据“1”的写入操作时，为写入字线施加电压使得晶体管2导通，同时为写入位线施加电压V_w1，此时写入电流I_w由写入位线，经重金属层，流向源线，使磁性隧道结切换至高电阻状态。当存储单元进行数据“0”的写入操作是，为写入字线施加电压使得晶体管2导通，同时为写入位线施加反向电压-V_w1，此时写入电流由源线，经重金属层，流向写入位线，使磁性隧道结切换至低电阻状态。当存储单元进行数据“0”、“1”的随机写入时，为写入字线施加电压使得晶体管2导通，同时为写入位线施加正向或反向电压V_w2，此时写入电流I_w2由由写入位线经重金属层流向源线，或由源线经重金属层流向写入位线，磁性隧道结有50％的概率呈现高电阻状态，有50％的概率呈现低电阻状态。在该具体实施例中，I_w1为0.28mA，I_w2为0.4mA，如图2所示。

图3为本发明的双向自旋霍尔效应的磁性存储单元组成的3×3存储阵列结构示意图。通过调控字线与位线的电压配置，能够实现对目标单元的读取、稳定写入或随机写入操作，而不影响非目标单元的数据存储状态。例如，对存储单元1进行读取操作时，为第一读取字线RW1施加电压使相连晶体管导通，同时为第一读取位线RB1施加读取电压V_r，第一源线S1接地；对存储单元5进行稳定写入操作时，为第二写入字线WW2施加电压使相连晶体管导通，同时为第二写入位线WB2施加电压V_w1，第二源线S2接地；对存储单元9进行随机写入操作时，为第三写入字线WW3施加电压使相连晶体管导通，同时为第三写入位线WB3施加电压V_w2，第三源线S3接地。应当指出，本实施例适用于任意的阵列规模。

图4为本发明的基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元的薄膜堆叠结构示意图；本发明的双向自旋霍尔效应磁性隧道结包括垂直磁性隧道结、重金属层与自旋霍尔效应耦合层，其中，所述垂直磁性隧道结自上而下包括参考层、隧穿绝缘层与第一磁性自由层，所述自旋霍尔效应耦合层自上而下包括第二磁性自由层与绝缘层；所述第一磁性自由层与所述第二磁性自由层设置在所述重金属层两侧，并通过RKKY交换作用相互耦合，并且所述第一磁性自由层具有垂直于薄膜平面的磁各向异性。

根据材料与结构不同，所述参考层的厚度范围为1-20nm，所述绝缘层的厚度范围为1-2nm，所述第一磁性自由层的厚度范围为0.5-5nm，所述重金属层的厚度小于5nm、所述第二磁性自由层的厚度范围为0.5-5nm。顶部电极与自旋霍尔效应耦合层的绝缘部分的厚度不做具体限制。

顶部电极的材料包括但不限于钽、铝、铜。重金属层的材料包括但不仅限于钽、钨、铼、铱、铌、镆、钌、铑、钒、铬、铋的一种金属或含有上述金属元素的合金。隧穿绝缘层的材料包括镁、铝、钛、钽、硅的一种金属的氧化物以及含有上述金属元素的掺硼氧化物，其主要作用为形成隧穿磁阻效应。隧穿磁阻效应指，当参考层与第一磁性自由层的磁化方向平行时，磁性隧道结呈低电阻状态，当参考层与第一磁性自由层的磁化方向反平行时，磁性隧道结呈高电阻状态。

参考层的材料为由钴铁硼/钌/钴铂合金构成的合成反铁磁层，其主要作用是提高磁性隧道结的TMR值。应当指出，用于磁性参考层的材料包括但不限于铁、钴、镍，以及这些元素的合金，以及这些元素的一种或多种与铂、钯、铝、硼的合金构成的单层或多层复合薄膜，以及这些单层或多层薄膜中加入钽、钌、铱隔层以实现参考层性能的提升，如反铁磁耦合强度，垂直各向异性等。

第一磁性自由层与第二磁性自由层的材料为包括钴铁硼合金或钴铁铝合金构成的单层薄膜，或者为多层薄膜的复合结构，其薄膜堆叠结构自上而下为X/Y/Z_n型，其中X为钴铁硼合金构成的单层薄膜，Y钽或钨或镆单层薄膜，Z为钴/镍或钴/钯的多层薄膜，n为Z结构的重复次数，n不大于5。其中钴铁硼合金单层薄膜与隧穿绝缘层连接。应当指出，第一磁性自由层与第二磁性自由层的材料可以不相同。第一磁性自由层与第二磁性自由层应具备以下特征：第一磁性自由层与第二磁性自由层阻尼系数α<0.05，第一磁性自由层与第二磁性自由层之间的RKKY交换强度|J_RKKY|>10⁴J/m²，第一磁性自由层具有垂直于薄膜平面的磁各向异性，第二磁性自由层的磁各向异性不做限制。其中，RKKY交换作用全称为Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida交换作用，指在铁磁薄膜材料之间增加非磁性隔层时，铁磁薄膜之间会产生铁磁或反铁磁耦合，其强度与铁磁薄膜材料，非磁性隔层材料及厚度相关。

在该特定实施例中，第一磁性自由层与第二磁性自由层的材料均为钴铁硼合金构成的单层薄膜，厚度为1nm，第二磁性自由层具有垂直于薄膜平面的磁各项异性。

与第二磁性自由层相邻的绝缘层的材料包括但不限于镁、铝、钛、钽、硅的氧化物，以及上述金属元素的掺硼氧化物。该绝缘层的主要作用是控制第二磁性自由层的磁各向异性，并防止沿该方向形成电流通路。

图5为本发明的当电流经过重金属底层时，由自旋霍尔效应产生的极化电流的流向示意图；如图5所示，当电流沿横向流经重金属底层时，由于电子间的自旋轨道耦合作用，具有不同自旋的电子会在重金属层与磁性层的界面处积累，形成垂直于层面的双向极化电流。在本发明的实施例中，当电流流经重金属层时，上下两侧的具有不同极化方向的极化电流会分别使第一磁性自由层与第二磁性自由层的磁化方向发生变化。当重金属底层的厚度较薄时，第一磁性自由层与第二磁性自由层的磁矩通过RKKY交换作用产生耦合。在极化电流与RKKY交换作用的共同影响下，第一磁性自由层与第二磁性自由层的磁化状态发生切换，从而使得磁性隧道结的电阻状态切换。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，包括：双向自旋霍尔效应磁性隧道结、第一晶体管、第二晶体管、读取字线、读取位线、写入字线、写入位线以及源线；其中，所述第一晶体管的栅极与所述读取字线连接，所述第一晶体管的源极与所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的R端连接，所述第一晶体管的漏极与所述读取位线连接；所述第二晶体管的源极与所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的W端连接，所述第二晶体管的栅极与所述写入字线连接，所述第二晶体管的漏极与所述写入位线链接；所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的S端与所述源线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，在所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结的R端与S端之间施加电压，通过对比读取电流I_r与参考值的大小，识别磁性隧道结的电阻状态，实现存储单元的读取数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，当存储单元进行数据“0”、“1”的稳定写入时，在W端与S端之间施加双向电压V_w1，写入电流I_w1使得磁性隧道结在高电阻状态与低电阻状态之间稳定切换，实现数据的稳定写入；当存储单元进行数据“0”、“1”的随机写入时，在W端与S端之间施加电压V_w2，写入电流I_w2使得磁性隧道结在高电阻态与低电阻态之间随机切换，实现数据的随机写入，其中，数据的随机写入表示写入电流I_w2有50％的概率使磁性隧道结切换至高电阻状态，有50％的概率使磁性隧道结切换至低电阻状态，其中I_w2>I_w1。

4.根据权利要求1所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，所述双向自旋霍尔效应磁性隧道结包括垂直磁性隧道结、重金属层与自旋霍尔效应耦合层，其中，所述垂直磁性隧道结自上而下包括参考层、隧穿绝缘层与第一磁性自由层，所述自旋霍尔效应耦合层自上而下包括第二磁性自由层与绝缘层；所述第一磁性自由层与所述第二磁性自由层设置在所述重金属层两侧，并通过RKKY交换作用相互耦合，并且所述第一磁性自由层具有垂直于薄膜平面的磁各向异性。

5.根据权利要求4所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，所述重金属层的材料包括但不仅限于钽、钨、铼、铱、铌、镆、钌、铑、钒、铬、铋的一种金属或含有上述金属元素的合金。

6.根据权利要求4所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，所述第一磁性自由层与所述第二磁性自由层的材料为包括钴铁硼合金或钴铁铝合金构成的单层薄膜，或者为多层薄膜的复合结构，其薄膜堆叠结构自上而下为X/Y/Z_n型，其中X为钴铁硼合金构成的单层薄膜，Y钽或钨或镆单层薄膜，Z为钴/镍或钴/钯的多层薄膜，n为Z结构的重复次数，n不大于5。

7.根据权利要求4所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，所述隧穿绝缘层的材料包括镁、铝、钛、钽、硅的一种金属的氧化物以及含有上述金属元素的掺硼氧化物。

8.根据权利要求4所述的一种基于双向自旋霍尔效应的磁性非易失存储单元结构，其特征在于，所述参考层的厚度范围为1-20nm，所述绝缘层的厚度范围为1-2nm，所述第一磁性自由层的厚度范围为0.5-5nm，所述重金属层的厚度小于5nm、所述第二磁性自由层的厚度范围为0.5-5nm。