CN108320768A - 一种使用加强自旋霍尔效应的磁性随机存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用加强自旋霍尔效应的磁性随机存储器，包括：磁性隧道结、自旋霍尔效应层、自旋霍尔效应加强层、读写电路。自旋霍尔效应层位于磁性隧道结和自旋霍尔效应加强层之间，磁性隧道结由参考层、隧道势垒层、记忆层组成，参考层和记忆层的磁化方向在面内，记忆层紧邻自旋霍尔效应层。自旋霍尔效应层采用过渡族金属层，过渡族金属层选自铂、金、银、钽、钨、钯、铪、铱、锇、铼之中的一种。自旋霍尔效应加强层采用软磁材料层。读写通过不同的电流，不用担心读造成不稳定。软磁材料加强了自旋霍尔效应，使得可以利用很小的电流完成写操作。

Description

一种使用加强自旋霍尔效应的磁性随机存储器
技术领域
本发明涉及磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具体涉及一种使用加强自旋霍尔效应的磁性随机存储器，属于磁性随机存储器制造技术领域。
背景技术
MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。
MRAM的原理，是基于一个叫做磁性隧道结(MTJ)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是磁性隧道结的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。
读取MRAM的过程就是对磁性隧道结的电阻进行测量，如图3所示。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过磁性隧道结进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层反平行的方向。自上而下的电流把它置成平行的方向。
尽管MRAM已经开始投入应用，但这一代的MRAM性能仍有不尽人意之处，比如，写电流还是比较大，导致目前的写功耗虽然比闪存低很多，但仍比SRAM大。由于读写分别用较低(<200mV)和较高的电压(>500mV)，读的时候电压太低噪声过大会导致错误，稍高就会改变存储单元的状态造成不稳定。这就导致很难开发更低写功耗的材料，因为它不能被稳定地读出。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种磁性随机存储器的存储单元，包括：磁性隧道结、自旋霍尔效应层、自旋霍尔效应加强层，自旋霍尔效应层位于磁性隧道结和自旋霍尔效应加强层之间；磁性隧道结由参考层、隧道势垒层、记忆层组成，参考层和记忆层的磁化方向在面内，记忆层紧邻自旋霍尔效应层。
进一步地，自旋霍尔效应层采用过渡族金属层。更进一步地，过渡族金属层选自铂、金、银、钽、钨、钯、铪、铱、锇、铼之中的一种。过渡族金属层的厚度为5nm～1000nm。
进一步地，自旋霍尔效应加强层采用软磁材料层。软磁材料层的厚度为0.5nm～100nm。
本发明还公开了一种磁性随机存储器，包括上述存储单元和读写电路。磁性随机存储器进行读操作时，在参考层和自旋霍尔效应加强层之间加纵向电压并测量存储单元的电阻。磁性随机存储器进行写操作时，在自旋霍尔效应层内通电流，电流与自旋霍尔效应层平行。通过电流方向进行不同的写操作。
本发明的有益效果：读写通过不同的电流，不用担心读造成不稳定。软磁材料加强了自旋霍尔效应，使得可以利用很小的电流完成写操作。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明由更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1是磁性隧道结处于低电阻态时，记忆层与参考层磁性平行的示意图；
图2是磁性隧道结处于高电阻态时，记忆层与参考层磁性反平行的示意图；
图3是对磁性随机存储器进行读操作的示意图；
图4是自旋霍尔效应的作用效果图；
图5是本发明一个较佳实施例中的磁性随机存储器结构与工作状态示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
自旋霍尔效应是相对比较新(近20年)发现的物理现象。这个效应在很多过渡族金属中很强。这个效应是：在薄层的材料通电，会导致自旋极化不同的电子分别向材料的两面迁移，如图4所示。如果电流反向，迁移的方向也会反过来。已经有人开始研究利用自旋霍尔效应帮助MRAM中的磁性隧道结实现状态翻转，但产生自旋霍尔效应的电流还是太大。本发明致力于改进自旋霍尔效应在磁性随机存储器中的应用效果。
如图5所示，本发明公开了一种使用加强自旋霍尔效应磁性随机存储器的存储单元，包括：磁性隧道结、自旋霍尔效应层4、自旋霍尔效应加强层5，自旋霍尔效应层4位于磁性隧道结和自旋霍尔效应加强层5之间。磁性隧道结由参考层1、隧道势垒层2、记忆层3组成，参考层1和记忆层3的磁化方向在其自身的面内，或者说，磁化方向与自身薄膜层延伸的面重合或平行。记忆层3紧邻自旋霍尔效应层。图5中，带有黑色圆心的圆圈代表朝向附图观看者方向，带有黑色叉的圆圈代表向背向附图观看者方向。
参考层1具有磁极化不变性，本实施例中的面内型(iSTT-MRAM)的参考层一般具有(IrMn或PtMn)/CoFe/Ru/CoFe/CoFeB结构，其优选总厚度为10～30nm。隧道势垒层2为非磁性金属氧化物，优选MgO或Al2O3，其厚度为0.5nm～3nm。更进一步地，可以采用双层MgO的结构。记忆层3具有可变磁极化，本实施例中面内型iSTT-MRAM的记忆层一般为CoFe/CoFeB或CoFe/NiFe，其优选厚度为2nm～6nm。
自旋霍尔效应层4采用过渡族金属层。优选地，过渡族金属层选自铂、金、银、钽、钨、钯、铪、铱、锇、铼之中的一种，过渡族金属层的厚度为5nm～1000nm。自旋霍尔效应加强层5采用软磁材料层，软磁材料层的厚度为0.5nm～100nm。
上述存储单元加上外部读写电路，即构成了一种使用加强自旋霍尔效应的磁性随机存储器。磁性随机存储器进行读操作时，在参考层1和自旋霍尔效应加强层5之间加纵向电压并测量存储单元的电阻。磁性随机存储器进行写操作时，在自旋霍尔效应层4内通电流，该电流与自旋霍尔效应层平行，图5中自旋霍尔效应层4内以黑色向右的箭头表示上述电流方向。由于电流的存在，自旋霍尔效应会把一个方向极化的电子推向记忆层3，把它置成这个极化状态。通过电流方向来选择不同的极化状态。
本发明中的使用加强自旋霍尔效应的磁性随机存储器比传统磁性随机存储器多加了两层材料：过渡金属层和软磁材料层。在集成电路工艺制成时，这两层材料，可以像制成磁性隧道结一样，通过沉积和蚀刻制作。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，所述存储单元包括：磁性隧道结、自旋霍尔效应层、自旋霍尔效应加强层，所述自旋霍尔效应层位于所述磁性隧道结和所述自旋霍尔效应加强层之间；所述磁性隧道结由参考层、隧道势垒层、记忆层组成，所述参考层和所述记忆层的磁化方向在面内，所述记忆层紧邻所述自旋霍尔效应层。
2.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，所述自旋霍尔效应层采用过渡族金属层。
3.根据权利要求2所述的一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，所述过渡族金属层选自铂、金、银、钽、钨、钯、铪、铱、锇、铼之中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，所述过渡族金属层的厚度为5nm～1000nm。
5.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，所述自旋霍尔效应加强层采用软磁材料层。
6.根据权利要求5所述的一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，所述软磁材料层的厚度为0.5nm～100nm。
7.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的存储单元和读写电路。
8.根据权利要求7所述的一种磁性随机存储器，其特征在于，所述磁性随机存储器进行读操作时，在所述参考层和所述自旋霍尔效应加强层之间加纵向电压并测量所述存储单元的电阻。
9.根据权利要求7所述的一种磁性随机存储器，其特征在于，所述磁性随机存储器进行写操作时，在所述自旋霍尔效应层内通电流，所述电流与所述自旋霍尔效应层平行。
10.根据权利要求9所述的一种磁性随机存储器，其特征在于，通过所述电流方向进行不同的写操作。
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