CN108123027A - 磁存储器件及写磁存储器件的方法 - Google Patents
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Abstract
实施例提供一种磁存储器件以及一种写磁存储器件的方法。所述磁存储器件包括磁隧道结和第一导线，所述磁隧道结具有自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层，所述第一导线与自由层相邻。具有随时间减小的频率的第一自旋轨道电流流动通过第一导线。所述写方法包括：将具有随时间减小的频率的第一自旋轨道电流施加到第一导线。
Description
对相关申请的交叉引用
于2016年11月29日向韩国知识产权局提交的、题为“Magnetic Memory Deviceand Method of Writing Magnetic Memory Device(磁存储器件及写磁存储器件的方法)”的第10-2016-0160756号韩国专利申请通过引用整体合并于此。
技术领域
实施例涉及一种磁存储器件，并且更具体地，涉及一种使用自旋轨道转矩的磁存储器件。
背景技术
为了实现包括存储器件的高速低功耗电子设备，对高速低电压存储器件存在需求。作为满足这些需求的存储器件，已经研究了磁存储器件。由于其高速操作特性和/或非易失性特性，磁存储器件已被聚焦为下一代存储器件。
磁存储器件使用磁隧道结(MTJ)。磁隧道结可以包括两个磁性层和设置在两个磁性层之间的隧道阻挡层，并且可以根据两个磁性层的磁矩的相对方向来改变磁隧道结的电阻。当两个磁性层的磁矩的方向彼此反平行时，磁隧道结可以具有高电阻。相反，当两个磁性层的磁矩的方向彼此平行时，磁隧道结可以具有低电阻。磁存储器件可以通过使用磁隧道结的电阻之间的差来写入/读出数据。
发明内容
在一个方面中，一种写磁存储器件的方法可以包括：将具有随时间减小的频率的第一自旋轨道电流施加到磁存储器件中的第一导线。磁存储器件还可以包括磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层。第一导线可以与自由层相邻。
在一个方面中，一种写磁存储器件的方法可以包括：将第一自旋轨道电流施加到磁存储器件中的第一导线。磁存储器件还可以包括磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层。第一导线可以与自由层相邻。
在一个方面中，一种磁存储器件可以包括：磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层；以及第一导线，该第一导线与自由层相邻。具有随时间减小的频率的第一自旋轨道电流可以流动通过第一导线。施加第一自旋轨道电流可以产生至少两个共振，在该共振下，第一自旋轨道电流的频率与自由层的磁矩的固有频率一致。
在一个方面中，一种写磁存储器件的方法，该磁存储器件包括：磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层；以及第一导线，该第一导线与自由层相邻。该方法可以包括施加第一自旋轨道电流，施加第一自旋轨道电流包括：首先在第一时间将具有初始频率的第一自旋轨道电流施加到第一导线；以及随后在第二时间将具有小于初始频率的后续频率的第一自旋轨道电流施加到第一导线，第二时间在第一时间之后。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将变得明显，在附图中：
图1示出了根据一些实施例的磁存储器件的示意图。
图2示意地示出了根据一些实施例的自旋轨道电流相对于时间的曲线图。
图3示意性地示出了当根据一些实施例的自旋轨道电流流动时提供到自由层中的电荷载流子的自旋。
图4A和图4B示意性地示出了当根据一些实施例的自旋轨道电流流动时自由层的磁矩的进动运动。
图5示出了自旋轨道电流的频率和自由层的进动磁矩的固有频率的曲线图。
图6示出了根据一些实施例的磁存储器件的示意图。
图7A示意地示出了根据一些实施例的第一自旋轨道电流相对于时间的曲线图。
图7B示意地示出了根据一些实施例的第二自旋轨道电流相对于时间的曲线图。
图8示意性地示出了当根据一些实施例的第一自旋轨道电流和第二自旋轨道电流流动时提供到自由层中的电荷载流子的自旋。
图9A示出了当将直流电流施加到与自由层相邻的导线时的开关临界电流(switching critical current)的曲线图。
图9B和图9C示出了当根据一些实施例的具有交流电流(AC)形式的电流被施加到与自由层相邻的导线时的开关临界电流的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将基于对自旋轨道相互作用、自旋轨道转矩、自旋转移转矩和其他物理现象的当前理解来描述实施例。因此，本领域技术人员将容易地认识到，实施例的操作的理论解释基于对这些物理现象的当前理解。然而，实施例不依赖于具体的物理解释。
在下文中，将理解的是，当组件被称为“在平面中”时，其可以基本上存在于层或线的面(或表面)中，或者可以与平面(或表面)平行。此外，当在本文中使用时，术语“垂直”可以意味着与层或线的平面(或表面)基本上垂直的方向。
图1是示出根据一些实施例的磁存储器件的示意图。图1仅被提供用于理解一些实施例，并且为了清楚起见，图1所示的组件的大小被夸大。为了简单起见，在图1中省略了磁存储器件的一些组件，例如位线、字线、行选择器和列选择器。
参考图1，磁存储器件100可以包括磁隧道结MTJ和导线CL。磁隧道结MTJ可以包括参考层RL、自由层FL以及参考层RL和自由层FL之间的隧道阻挡层TBL。
参考层RL可以具有在磁存储器件100的写入操作期间固定的磁矩。例如，参考层RL的磁矩可以不被由流动通过导线CL的自旋轨道电流JSO产生的自旋轨道转矩和/或由通过磁隧道结MTJ的自旋转移电流JSTT产生的自旋转移转矩开关。
自由层FL可以具有在磁存储器件100的写入操作期间可开关的磁矩。例如，自由层FL可以具有可以被开关成与参考层RL的磁矩平行或反平行的磁矩。在一些实施例中，自由层FL的磁矩可以至少使用由流动通过导线CL的自旋轨道电流JSO产生的自旋轨道转矩来开关。例如，可以仅使用由自旋轨道电流JSO产生的自旋轨道转矩来开关自由层FL的磁矩。替代地，自由层FL的磁矩可以使用自旋轨道转矩和由通过磁隧道结MTJ的自旋转移电流JSTT产生的自旋转移转矩来开关。以下将更详细地描述自旋轨道电流JSO、自旋轨道转矩、自旋转移电流JSTT和自旋转移转矩。
参考层RL和自由层FL中的每一个可以具有基本上垂直于其平坦表面的易磁化轴(easy axis)。例如，参考层RL的表面可以平行于xy平面，并且参考层RL的易磁化轴可以基本上平行于z轴。同样地，自由层FL的表面可以平行于xy平面，并且自由层FL的易磁化轴可以基本上平行于z轴。然而，实施例不限于此。
在一些实施例中，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括具有L10晶体结构的材料、具有六方密堆积(HCP)晶格的材料或无定形稀土过渡金属(RE-TM)合金中的至少一种。在示例中，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括具有L10晶体结构的材料中的至少一种，诸如Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Co50Pd50和Fe50Ni50。在示例中，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括具有HCP晶格的材料中的至少一种，诸如具有铂(Pt)含量为原子数百分含量10％至45％的钴-铂(CoPt)无序合金以及Co3Pt有序合金。在示例中，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括包含铽(Tb)、镝(Dy)和钆(Gd)的稀土元素组中的至少一种和从铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)的过渡金属元素组中选择的至少一种的非晶RE-TM(稀土-过渡金属)合金。
在某些实施例中，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括具有界面垂直磁各向异性的材料。术语“界面垂直磁各向异性”意味着具有固有水平磁化特性的磁性层由于磁性层和与磁性层相邻的另一层之间的界面的影响而具有垂直的磁化方向的现象。在这种情况下，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括Co、Fe或Ni中的至少一种。此外，参考层RL和自由层FL中的每一个还可以包括从包括硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和氮(N)的非磁性材料中选择的至少一种。例如，参考层RL和自由层FL中的每一个可以包括CoFe或NiFe，并且还可以包括B。此外，参考层RL和自由层FL中的每一个还可以包括Ti、Al、Si、镁(Mg)或Ta中的至少一种。
在一些实施例中，参考层RL可以具有单层结构，如图1所示。替代地，参考层RL可以具有包括通过非磁性层彼此分离的铁磁层的合成反铁磁结构。
隧道阻挡层TBL可以提供在参考层RL和自由层FL之间。隧道阻挡层TBL可以包括氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO)、氧化铝(AlO)、氧化镁锌(MgZnO)，氧化镁硼(MgBO)、氮化钛(TiN)或氮化钒(VN)中的至少一种。例如，隧道阻挡层TBL可以包括结晶氧化镁(MgO)。
导线CL可以提供为与磁隧道结MTJ的自由层FL相邻。导线CL可以具有在第一方向(例如，x方向)上延伸的线形，并且磁隧道结MTJ可以位于导线CL的第一表面(例如平坦表面)上。因此，自由层FL可以在隧道阻挡层TBL和导线CL的第一表面之间。
导线CL可以包括显示强自旋轨道相互作用的材料。例如，导线CL可以包括铜(Cu)、钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、钆(Gd)、铋(Bi)或铱(Ir)中的至少一种。
磁存储器件100可以被配置为使得自旋轨道电流JSO流动通过导线CL。例如，自旋轨道电流JSO可以是在导线CL的平面中流动的电流。当自旋轨道电流JSO流动通过导线CL时，具有极化自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。例如，当自旋轨道电流JSO在x方向或-x方向上流动时，具有沿y方向或-y方向极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。这可能是由于在导线CL中发生的自旋轨道相互作用(例如，自旋空穴效应)。具有这些极化自旋的电荷载流子可以将转矩施加到自由层FL的磁矩。在本说明书中，由于自旋轨道电流JSO而施加到自由层FL的磁矩的转矩被定义为自旋轨道转矩。
在一些实施例中，磁存储器件100可以被配置为使自旋转移电流JSTT流动穿过磁隧道结MTJ。当自旋转移电流JSTT流动通过磁隧道结MTJ时，具有在与参考层RL的磁矩平行或反平行的方向上极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。例如，当参考层RL具有在z方向或-z方向上的磁矩时，当自旋转移电流JSTT流动时，具有在z方向或-z方向上极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。具有这些极化自旋的电荷载流子可以将转矩施加到自由层FL的磁矩。在本说明书中，由于自旋转移电流JSTT而施加到自由层FL的磁矩的转矩被定义为自旋转移转矩。
图2是示意性地示出根据一些实施例的自旋轨道电流相对于时间的曲线图。图3示意性地示出了当根据一些实施例的自旋轨道电流流动时提供到自由层中的电荷载流子的自旋。详细地，图3示出了当在x方向或-x方向上振荡的自旋轨道电流在导线CL中流动时提供到自由层中的电荷载流子的自旋。图4A和图4B示意性地示出了当根据一些实施例的自旋轨道电流流动时自由层的磁矩的进动运动。图5是示意性地示出自旋轨道电流的频率和自由层的进动磁矩的固有频率的曲线图。
进一步参考图2和图3，自旋轨道电流JSO可以是其频率随时间而减小(例如，按照1/T1、1/T2、1/T3、1/T4，...的顺序)的交流电流(AC)。例如，自旋轨道电流JSO可以是在x方向或-x方向上振荡并且其频率随时间逐渐减小(例如，按照1/T1、1/T2、1/T3、1/T4，...的顺序)的交流电流(例如，具有正弦波形)。因此，在初始时间、第一时间或开始时间施加的初始或第一频率大于后续频率或后续施加的频率，例如，在第二时间施加第二频率。
当如上所述的自旋轨道电流JSO在导线CL中流动时，提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1可以在y方向或-y方向上振荡，如图3所示，并且自旋SP1的频率可以等于自旋轨道电流JSO的频率。因此，如图2所示，提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1的频率可以随时间逐渐减小。
进一步参考图4A和图4B，由于上述自旋轨道电流JSO引起的自旋轨道转矩可以施加到自由层FL的磁矩MFL。因此，自由层FL的磁矩MFL可以围绕自由层FL的易磁化轴(即z轴)进动。
当提供到自由层FL的电荷载流子的自旋SP1的频率(即，自旋轨道电流JSO的频率)与自由层FL的进动磁矩MFL的固有频率一致(或类似)时，可能发生共振。因此，进动运动的旋转角度θs(即，易磁化轴与自由层FL的磁矩MFL之间的角度)可以快速增加，并且自由层FL的磁矩MFL的z分量mz可以迅速下降。例如，自由层FL的磁矩MFL的进动运动可以从图4A所示的状态改变至图4B所示的状态。
自由层FL的磁矩MFL的固有频率可以由下面的等式1表示。
[等式1]
在等式1中，“ω”表示自由层FL的进动磁矩MFL的固有频率，“γ”表示磁转动常数(magnetic rotation constant)，“Keff”表示自由层FL的有效磁各向异性能量密度(effective magnetic anisotropy energy density)，“MS”表示自由层FL的饱和磁化强度(saturation magnetization)，以及“mz”表示自由层FL的磁矩MFL的z分量mz。
参考等式1，自由层FL的磁矩MFL的固有频率ω与自由层FL的磁矩MFL的z分量mz成比例。因此，当发生共振的自由层FL的磁矩MFL的z分量mz减小时，磁矩MFL的固有频率ω也减小。结果，自由层FL的磁矩MFL的固有频率可能与提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1的频率(即，自旋轨道电流JSO的频率)不一致。因此，共振可能被破坏。
如果具有恒定频率的直流电流或交流电流流动通过导线CL，则在自由层FL的磁矩MFL和提供到自由层FL的电荷载流子的自旋SP1之间的共振被破坏之后，在其间不再发生共振。然而，根据一些实施例，通过改变自旋轨道电流JSO的频率，共振可以在自由层FL的磁矩MFL和提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1之间重复发生至少两次，例如，可以实现至少两个共振。
更详细地，还参考图5，根据一些实施例的自旋轨道电流JSO可以具有随时间减小的频率，如上所述。因此，即使磁矩MFL的固有频率降低而破坏共振，提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1的频率也可以减小以再次产生共振。结果，当根据一些实施例的自旋轨道电流JSO流动通过导线CL时，在自由层FL的磁矩MFL和提供到自由层FL的电荷载流子的自旋SP1之间共振可以重复地发生和被破坏。换句话说，通过基于自由层的磁矩降低自旋轨道电流JSO的频率，自由层FL的磁矩MFL与提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1之间的共振可以重复地发生和被破坏。
自由层FL的磁矩MFL与提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1之间的共振之间，自由层FL的磁矩MFL的固有频率可以小于提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1的频率(即，自旋轨道电流JSO的频率)。此外，为了产生第一共振，例如，当自旋轨道电流开始时自旋轨道电流JSO的初始频率可以等于或大于当自旋轨道电流JSO最初施加时自由层FL的磁矩MFL的初始固有频率。
根据一些实施例，可以至少使用由于流动通过导线CL的自旋轨道电流JSO的自旋轨道转矩，来执行磁存储器件100的写入操作。换句话说，自由层FL的磁矩MFL可以至少使用由于流动通过导线CL的自旋轨道电流JSO的自旋轨道转矩来开关。
在一些实施例中，自由层FL的磁矩MFL可以仅使用由于自旋轨道电流JSO的自旋轨道转矩来开关。根据一些实施例，由于自由层FL的磁矩MFL和提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP1之间的共振重复地发生至少两次，所以开关自由层FL的磁矩MFL需要的自旋轨道电流JSO的临界幅度可以相对地小，例如可以小于仅发生单个共振的临界幅度。
在某些实施例中，自由层FL的磁矩MFL可以使用由于自旋轨道电流JSO的自旋轨道转矩和由于自旋转移电流JSTT的自旋转移转矩来开关。自旋轨道电流JSO和自旋转移电流JSTT可以同时施加至少一定的例如预定的时间段。在一些实施例中，可以在自旋转移电流JSTT之前施加自旋轨道电流JSO。然而，实施例不限于此。
因为自旋轨道转矩是由于在y方向或-y方向上极化的自旋，所以施加到自由层FL的磁矩MFL的自旋轨道转矩的强度可以随着自由层FL的磁矩MFL变得更靠近z方向或-z方向而增大。另一方面，因为自旋转移转矩是由于在z方向或-z方向上极化的自旋，所以施加到自由层FL的磁矩MFL的自旋转移转矩的强度可以随着自由层FL的磁矩MFL变得更靠近xy平面而增大。换句话说，当自由层FL的磁矩MFL更靠近z方向或-z方向时，自旋轨道转矩可以更高效地或更有效地开关自由层FL的磁矩MFL，而当自由层FL的磁矩MFL更靠近xy平面时，自旋转移转矩可以更高效地或更有效地开关自由层FL的磁矩MFL。
因此，在开关操作的初始阶段，自旋轨道转矩可以作为主开关转矩，以将自由层FL的磁矩MFL朝着xy平面倾斜。根据一些实施例，因为自由层FL的磁矩MFL和电荷载流子的自旋SP1之间的共振重复发生至少两次，所以通过使用具有相对地小的幅度的自旋轨道电流JSO，自由层FL的磁矩MFL可以有效地朝着xy平面倾斜。此后，当自由层FL的磁矩MFL更靠近xy平面时，自旋转移转矩可以作为主开关转矩，以最终开关自由层FL的磁矩MFL。
图6是示出根据一些实施例的磁存储器件的示意图。提供图6仅用于理解一些实施例，并且为了清楚起见，图6所示的组件的大小被夸大。为了简单起见，在图1中省略了磁存储器件的一些组件，例如位线、字线、行选择器和列选择器。
参考图6，磁存储器件101可以包括磁隧道结MTJ、第一导线CL1和第二导线CL2。磁隧道结MTJ可以与参考图1所述基本相同。因此，将省略对磁隧道结MTJ的详细描述。
第一导线CL1可以具有在x方向上延伸的线形。第二导线CL2可以具有与第一导线CL1交叉的线形。例如，第二导线CL2可以具有在y方向上延伸的线形。
第一导线CL1和第二导线CL2可以在一部分处彼此交叉并且可以彼此连接。例如，第一导线CL1和第二导线CL2可以设置在同一平面(即，xy平面)中。
磁隧道结MTJ可以在第一导线CL1和第二导线CL2的交叉部分上。磁隧道结MTJ的自由层FL可以与第一导线CL1和第二导线CL2的交叉点相邻。因此，自由层FL可以在隧道阻挡层TBL以及第一导线CL1和第二导线CL2的交叉部分之间。
第一导线CL1和第二导线CL2中的每一个可以包括显示强自旋轨道相互作用的材料。例如，第一导线CL1和第二导线CL2中的每一个可以包括Cu、Ta、Pt、W、Gd、Bi或Ir中的至少一种。
磁存储器件101可以被配置为使第一自旋轨道电流JSO1在第一导线CL1中流动，并且使第二自旋轨道电流JSO2在第二导线CL2中流动。例如，第一自旋轨道电流JSO1可以是在第一导线CL1的平面中流动的电流，并且第二自旋轨道电流JSO2可以是在第二导线CL2的平面中流动的电流。
当第一自旋轨道电流JSO1在x方向或-x方向上流动时，具有在y方向或-y方向上极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。当第二自旋轨道电流JSO2在y方向或-y方向上流动时，具有在x方向或-x方向上极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。这可以是由于在导线CL1或CL2中发生的自旋轨道相互作用(例如，自旋空穴效应)。具有这些极化自旋的电荷载流子可以将转矩施加到自由层FL的磁矩。
在一些实施例中，磁存储器件101可以被配置为使自旋转移电流JSTT流动穿过磁隧道结MTJ。当自旋转移电流JSTT流动穿过磁隧道结MTJ时，具有在与参考层RL的磁矩平行或反平行的方向上极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。例如，在参考层RL具有在z方向或-z方向上的磁矩的情况下，当自旋转移电流JSTT流动时，具有在z方向或-z方向上极化的自旋的电荷载流子可以被提供到自由层FL中。具有这些极化自旋的电荷载流子可以将转矩施加到自由层FL的磁矩。
图7A是示意性地示出根据一些实施例的第一自旋轨道电流相对于时间的曲线图。图7B是示意性地示出根据一些实施例的第二自旋轨道电流相对于时间的曲线图。图8示意性地示出了根据一些实施例当第一自旋轨道电流和第二自旋轨道电流流动时被提供到自由层中的电荷载流子的自旋。具体地，图8示出了当在x方向或-x方向上振荡的第一自旋轨道电流和在y方向或-y-方向上振荡的第二自旋轨道电流流动时，提供到自由层中的电荷载流子的自旋。
进一步参考图7A、图7B和图8，第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2中的每一个可以是频率随时间(例如，按照1/T1、1/T2、1/T3、1/T4，...的顺序)减小的交流电流(AC)。例如，第一自旋轨道电流JSO1可以是在x方向或-x方向上振荡并且其频率随时间(例如，按照1/T1、1/T2、1/T3、1/T4，...的顺序)逐渐减小的交流电流(例如，具有正弦波形)。例如，第二自旋轨道电流JSO2可以是在y方向或-y方向上振荡并且其频率随时间(例如，按照1/T1、1/T2、1/T3、1/T4，...的顺序)逐渐减小的交流电流(例如，具有余弦波形)。第一自旋轨道电流JSO1的频率可以等于第二自旋轨道电流JSO2的频率。例如，第一自旋轨道电流JSO1的频率可以等于第二自旋轨道电流JSO2的频率，而其周期可以偏移例如四分之一波长。
当上述第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2流动时，被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2可以在xy平面中振荡(或旋转)，并且振荡(或旋转)的自旋SP2的频率可以等于第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的频率。因此，被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2的频率可随时间逐渐减小。例如，如图8所示，被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2可以在xy平面中圆形地(circularly)旋转，并且自旋SP2的频率可以等于第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的频率。
如参考图4A和图4B所描述地，可以将由于第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的自旋轨道转矩施加到自由层FL的磁矩MFL。因此，自由层FL的磁矩MFL可以围绕自由层FL的易磁化轴(即z轴)进动。
当被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2的频率(即，第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的频率)与自由层FL的进动磁矩MFL的固有频率一致(或类似)时，可能发生共振。因此，进动运动的旋转角θ可以快速增加，并且自由层FL的磁矩MFL的z分量mz可以快速减小。例如，自由层FL的磁矩MFL的进动运动可以从图4A所示的状态改变至图4B所示的状态。
由于自由层FL的磁矩MFL的固有频率与参考等式1所述的自由层FL的磁矩MFL的z分量mz成比例，所以自由层FL的磁矩MFL的固有频率可以由于共振的发生而减小。结果，被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2的频率(即，第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的频率)可以变得与自由层FL的磁矩MFL的固有频率不同，因此共振被破坏。
然而，因为第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2具有随时间减小的频率，如参考图7A和图7B所述，所以自由层FL的磁矩MFL和被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2之间的共振可以重复地发生至少两次。具体地，即使磁矩MFL的固有频率降低而破坏共振，因为被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2的频率也降低，所以可能再次发生共振。
在共振之间，自由层FL的磁矩MFL的固有频率可以小于被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2的频率(即，第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的频率)。此外，为了产生第一共振，第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的初始频率可以等于或大于自由层FL的磁矩MFL的初始固有频率。
根据一些实施例，可以至少使用由于流动通过第一导线CL1和第二导线CL2的第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的自旋轨道转矩，来执行磁存储器件101的写入操作。换句话说，可以至少使用由于流动通过第一导线CL1和第二导线CL2的第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的自旋轨道转矩，来开关自由层FL的磁矩MFL。
在一些实施例中，可以仅使用由于第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的自旋轨道转矩，来开关自由层FL的磁矩MFL。根据一些实施例，因为自由层FL的磁矩MFL和被提供到自由层FL中的电荷载流子的自旋SP2之间的共振重复地发生至少两次，所以开关自由层FL的磁矩MFL需要的第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的临界幅度可以相对地小，例如可能小于仅发生单个共振的幅度。
在某些实施例中，可以使用由于第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2的自旋轨道转矩以及由于自旋转移电流JSTT的自旋转移转矩两者，来开关自由层FL的磁矩MFL。第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2以及自旋转移电流JSTT可以同时施加至少特定时间段。在一些实施例中，可以在自旋转移电流JSTT之前施加第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2。然而，实施例不限于此。
在本实施例中，在开关操作的初始阶段，自旋轨道转矩可以作为主开关转矩，以使自由层FL的磁矩MFL朝着xy平面倾斜。根据一些实施例，因为自由层FL的磁矩MFL和电荷载流子的自旋SP2之间的共振重复发生至少两次，所以通过使用具有相对地小幅度的第一自旋轨道电流JSO1和第二自旋轨道电流JSO2，可以有效地使自由层FL的磁矩MFL朝着xy平面倾斜。此后，当自由层FL的磁矩MFL更靠近xy平面时，自旋转移转矩可以作为主开关转矩，以最终开关自由层FL的磁矩MFL。
图9A是示出当将直流电流(DC)施加到与自由层相邻的导线时的开关临界电流的曲线图。图9B和图9C是示出当根据一些实施例的交流电流(AC)施加到与自由层相邻的导线时的开关临界电流的曲线图。
具体地，图9A示出了当在x方向上将200Oe的外部磁场施加到图1的磁存储器件100的自由层FL，并且将具有上升时间为0.5ns的电流脉冲施加到磁存储器件100的导线CL时的开关临界电流的模拟结果。自旋转移电流JSTT不施加到磁存储器件100。
图9B示出当将6×105A/cm2的自旋转移电流JSTT施加到图1的磁存储器件100并且将具有随时间减小的频率的交流电流施加到磁存储器件100的导线CL时的开关临界电流的模拟结果。外部磁场不施加到磁存储器件100的自由层FL。图9B中使用的交流电流的频率是ω0-2πξt(ξ＝1.5×1018/s2)，其中，ω0是大于或等于自由层的磁矩的初始固有频率的初始频率，而t为时间。
图9C示出了当将具有随时间减小的频率的交流电流施加到图6所示的磁存储器件101中的第一导线CL1和第二导线CL2时的开关临界电流的模拟结果。在图9C中未施加外部磁场和/或自旋转移电流。图9C中使用的交流电流的频率为ω0-2πξt(ξ＝1.5×1018/s2)。
除了以上描述的导线结构、施加到导线的电流、外部磁场和/或自旋转移导线流之外，图9A至图9C的其他条件彼此相同。具体地，自由层的面积为π×152nm2，自由层的厚度为2nm，有效磁各向异性能量密度Keff为2.2×106erg/cm3，饱和磁化强度Ms为1000emu/cm3，吉尔伯特阻尼常数α为0.01，孔洞角(pin hole)θSH为0.3，以及使用范围是0至1的非绝热参数β。
参考图9A，开关临界电流范围为从约108A/cm2至约4×108A/cm2，并且随非绝热参数β参数增加而减小。
参考图9B，开关临界电流范围为从约0.9×107A/cm2至约2×107A/cm2，并且随着非绝热参数β参数增加而减小。
参考图9C，开关临界电流范围为从约0.5×107A/cm2至约2.9×107A/cm2，并且随着非绝热参数β参数增加而减小。
将图9A与图9B对比，即使图9A和图9B的外部磁场条件和/或自旋转移电流条件彼此不同，但当将参考图1和图2所述的电流施加到导线时的开关临界电流小到当将直流电流施加到导线时的开关临界电流的约1/10至约1/20。
将图9A与图9C对比，即使不存在外部磁场，但当将参考图6、图7A和图7B所述的电流施加到导线时的开关临界电流小到当将直流电流施加到导线时的开关临界电流的约1/20至约3/40。
根据一些实施例，可以使用至少流动通过具有降低的频率的导线的自旋轨道电流来执行写磁存储器件的方法。因此，在磁存储器件的写入操作期间所需的自旋轨道电流的幅度可能相对地小，例如可能小于仅发生单个共振的幅度。
本文已经公开了示例性实施例，并且尽管采用了特定术语，但是仅在通用和描述性意义上使用和解释它们，而不是为了限制的目的。在一些情况下，如本申请的提交时本领域普通技术人员所显而易见的，结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件结合使用，除非另有具体说明。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。
Claims (38)
1.一种写包括磁隧道结和第一导线的磁存储器件的方法，所述磁隧道结具有自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层，所述第一导线与自由层相邻，所述方法包括：
将具有随时间减小的频率的第一自旋轨道电流施加到第一导线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
磁隧道结在第一导线的第一表面上，并且
自由层在隧道阻挡层和第一导线的第一表面之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，施加第一自旋轨道电流将自旋轨道转矩施加到自由层的磁矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
当施加第一自旋轨道电流开始时，第一自旋轨道电流具有初始频率，
当施加第一自旋轨道电流开始时，自由层的磁矩具有初始固有频率，以及
第一自旋轨道电流的初始频率等于或大于自由层的磁矩的初始固有频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，第一导线具有在第一方向上延伸的线形。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，施加第一自旋轨道电流产生至少两个共振，在所述共振下，第一自旋轨道电流的频率与自由层的磁矩的固有频率一致。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述至少两个共振之间，第一自旋轨道电流的频率大于自由层的磁矩的固有频率。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
施加通过磁隧道结的自旋转移电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在施加第一自旋轨道电流之后施加自旋转移电流。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，自旋转移电流和第一自旋轨道电流同时施加至少特定时间段。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，自由层具有与自由层的表面基本上垂直的易磁化轴。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，第一导线包括铜、钽、铂、坞、钆、铋或铱中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁存储器件还包括与所述第一导线相交的第二导线，所述方法还包括：
将具有随时间减小的频率的第二自旋轨道电流施加到第二导线。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述磁隧道结设置在第一导线和第二导线的交叉点上。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，第一自旋轨道电流的频率等于第二自旋轨道电流的频率。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，第一导线和第二导线被提供在同一平面中。
17.一种写包括磁隧道结和第一导线的磁存储器件的方法，所述磁隧道结具有自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层，所述第一导线与自由层相邻，所述方法包括：
对磁存储器件中的第一导线施加第一自旋轨道电流，其中，施加第一自旋轨道电流产生至少两个共振，在所述共振下，第一自旋轨道电流的频率与自由层的磁矩的固有频率一致。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述至少两个共振之间，第一自旋轨道电流的频率大于自由层的磁矩的固有频率。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，第一自旋轨道电流的频率随时间减小。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，施加第一自旋轨道电流将自旋轨道转矩施加到自由层的磁矩。
21.根据权利要求17所述的方法，其中：
当施加第一自旋轨道电流开始时，第一自旋轨道电流具有初始频率，
当施加第一自旋轨道电流开始时，自由层的磁矩具有初始固有频率，以及
第一自旋轨道电流的初始频率等于或大于自由层的磁矩的初始固有频率。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：
施加通过磁隧道结的自旋转移电流。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，所述磁存储器件还包括与所述第一导线相交的第二导线，所述方法还包括：
将第二自旋轨道电流施加到第二导线。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，第二自旋轨道电流的频率等于第一自旋轨道电流的频率。
25.一种磁存储器件，包括：
磁隧道结，包括自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层；以及
第一导线，与自由层相邻，
其中，在写磁存储器件期间，具有随时间减小的频率的第一自旋轨道电流流动通过第一导线。
26.根据权利要求25所述的磁存储器件，其中，流动通过第一导线的第一自旋轨道电流将自旋轨道转矩施加到自由层的磁矩。
27.根据权利要求26所述的磁存储器件，其中，使用至少自旋轨道转矩来开关自由层的磁矩。
28.根据权利要求27所述的磁存储器件，其中，还使用由通过磁隧道结的自旋转移电流产生的自旋转移转矩来开关自由层的磁矩。
29.根据权利要求25所述的磁存储器件，其中，自由层在隧道阻挡层和第一导线的第一表面之间。
30.根据权利要求25所述的磁存储器件，其中，自由层具有与自由层的表面基本上垂直的易磁化轴。
31.根据权利要求25所述的磁存储器件，其中，第一导线包括铜、钽、铂、坞、钆、铋或铱中的至少一种。
32.根据权利要求25所述的磁存储器件，还包括：
与第一导线相交的第二导线，
其中，具有随时间减小的频率的第二自旋轨道电流流动通过第二导线。
33.根据权利要求32所述的磁存储器件，其中，所述磁隧道结在第一导线和第二导线的交叉部分上。
34.根据权利要求32所述的磁存储器件，其中，第二自旋轨道电流的频率等于第一自旋轨道电流的频率。
35.一种写包括磁隧道结和第一导线的磁存储器件的方法，所述磁隧道结具有自由层、参考层以及在自由层和参考层之间的隧道阻挡层，所述第一导线与自由层相邻，所述方法包括：
施加第一自旋轨道电流，包括：
首先在第一时间将具有初始频率的第一自旋轨道电流施加到第一导线；以及
随后在第二时间将具有小于初始频率的后续频率的第一自旋轨道电流施加到第一导线，第二时间在第一时间之后。
36.根据权利要求35所述的方法，其中：
当施加第一自旋轨道电流开始时，自由层的磁矩具有初始固有频率；以及
第一自旋轨道电流的初始频率等于或大于自由层的磁矩的初始固有频率。
37.根据权利要求35所述的方法，还包括：
施加通过磁隧道结的自旋转移电流。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，施加第一自旋轨道电流产生至少两个共振，在所述共振下，第一自旋轨道电流的频率与自由层的磁矩的固有频率一致。
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