CN109585644A - 自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及写入方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及写入方法、装置，在自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，当在自旋轨道耦合层中通入电流时，自旋轨道耦合层中产生自旋流，使得磁阻隧道结中的磁矩导向自旋轨道耦合层的平面内，此时，电流方向上，磁阻隧道结的一侧与另一侧存在温度差，在该温度差作用下实现磁矩的定向翻转，翻转的方向可以通过电流的方向或者温度差的方向来控制，从而，实现了SOT‑MRAM中磁矩的定向翻转。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种自旋轨道转矩磁阻 式随机存储器及写入方法、装置。
背景技术
随着存储技术以及电子技术的不断发展，随机存取存储器得到了广泛的 应用，可以独立或集成于使用随机存取存储器的设备中，如处理器、专用集 成电路或片上系统等。
自旋轨道转矩磁阻式随机存储器(SOT-MRAM，Spin-Orbit TorqueMagnetoresistive Random Access Memory)，是利用磁矩翻转进行随机存储的磁 性随机存取存储器，其具有高速读写能力、高集成度以及无限次重复写入的 优点。在该器件中，利用自旋轨道耦合产生自旋流，进而诱导磁体的磁矩翻 转，然而，磁矩在电流作用下的翻转方向是随机的，而有效的数据存取需要 磁矩的定向翻转，如何实现磁矩的定向翻转是SOT-MRAM的研究重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器 及写入方法、装置，实现存储器中磁矩的定向翻转。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器，包括：
自旋轨道耦合层；
所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依 次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁 性层具有垂直各向异性；
其中，在利用所述存储器进行数据写入时，在所述自旋轨道耦合层中通 入电流，并进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上，所述 磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
可选地，所述自旋轨道耦合层为金属层、反铁磁层或拓扑绝缘体层。
可选地，所述金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。
可选地，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB 或FePt。
可选地，所述进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上， 所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差，包括：
在所述电流方向上，对所述磁阻隧道结一侧的区域进行加热，以使得所 述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
可选地，所述加热的方式为焦耳加热或激光加热。
一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的写入方法，所述存储器包括：自 旋轨道耦合层；所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括 由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和 所述第二磁性层具有垂直各向异性；所述写入方法包括：
在所述自旋轨道耦合层中通入电流，并进行所述磁阻隧道结的温度控制， 使得在所述电流方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的写入装置，所述存储器包括：自 旋轨道耦合层；所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括 由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和 所述第二磁性层具有垂直各向异性；所述写入装置包括：
电流源，用于向所述自旋轨道耦合层中通入电流；
温度控制装置，用于进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流 方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
可选地，所述温度控制装置，用于在所述电流方向上，对所述磁阻隧道 结一侧的区域进行加热。
可选地，所述温度控制装置为激光加热装置或焦耳加热装置。
本发明实施例提供的自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及写入方法、装置， 在自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，当在自旋轨道耦合层中通入电流时， 自旋轨道耦合层中产生自旋流，使得磁阻隧道结中的磁矩导向自旋轨道耦合 层的平面内，此时，在电流方向上，磁阻隧道结的一侧与另一侧存在温度差， 在该温度差作用下实现磁矩的定向翻转，翻转的方向可以通过电流的方向或 者温度差的方向来控制，从而，实现了SOT-MRAM中磁矩的定向翻转。
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他的附图。
图1示出了根据本发明实施例自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的俯视结 构示意图；
图2示出了图1中AA向的剖面结构示意图。
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发 明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以 在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体 实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便 于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意 图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包 含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术中的描述，利用磁矩翻转进行随机存储的磁性随机存取存 储器，其具有高速读写能力、高集成度以及无限次重复写入的优点。然而， 利用自旋轨道耦合产生自旋流，进而诱导磁体的磁矩翻转，磁矩在电流作用 下的翻转方向是随机的，有效控制磁矩的定向翻转，才能有效的数据存取， 更利于自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的集成和产业化。
为此，本申请提供了一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器，即SOT- MRAM，在自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，当在自旋轨道耦合层中通 入电流时，自旋轨道耦合层中产生自旋流，使得磁阻隧道结中的磁矩导向自 旋轨道耦合层的平面内，此时，在电流方向上，使得磁阻隧道结的一侧与另 一侧存在温度差，温差的实现方式例如可以由激光加热实现，当温度差到达 一定程度时，在该温度差作用下实现磁矩的定向翻转，从而，实现了SOT-MRAM中磁矩的定向翻转。
参考图1和图2所示，该SOT-MRAM包括：
自旋轨道耦合层100；
自旋轨道耦合层100上的磁阻隧道结110，所述磁阻隧道结110包括由下 至上依次层叠的第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106；
其中，在利用所述存储器进行数据写入时，在所述自旋轨道耦合层100 中通入电流I，并进行所述磁阻隧道结110的温度控制，使得在所述电流I方 向上，所述磁阻隧道结1101一侧与另一侧1102存在温度差。
在本申请实施例中，自旋轨道耦合层100为具有自旋-轨道耦合效应的材 料制成，通常地，自旋轨道耦合层100可以为具有自旋耦合效应的金属层、 反磁铁层或拓扑绝缘体层，优选地，可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材 料，金属层的材料例如可以为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW等， 拓扑绝缘体层的材料例如可以为BiSn、SnTe、BiSe，等或其他IVA、VA及 VIA族化合物中的一种，反磁铁层的材料例如可以为IrMn，PtMn等。
在本申请中，磁阻隧道结110位于自旋轨道耦合层100之上，参考图1 所示，在自旋轨道耦合层100中的电流方向上，为了便于描述，将该电流方 向记做自旋轨道耦合层的长度方向，磁阻隧道结110可以设置于自旋轨道耦 合层100的中部，可以沿自旋轨道耦合层100沿电流方向的中心线对称设置。 在具体的应用中，可以根据需要设置磁阻隧道结110的形状和大小，在优选 的实施例中，磁阻隧道结110的形状可以为条形，该条形可以与自旋轨道耦 合层100具有基本相同的宽度。
需要说明的是，其中，电流I为诱导磁阻隧道结110中磁矩翻转时通入的 电流，也就是写入信息时通入的电流，该电流通入至自旋轨道耦合层100中， 此处电流I方向是指该电流I方向所在的维度。
在本申请实施例中，磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的第一磁性 层102、遂穿层104和第二磁性层106，第一磁性层102和第二磁性层106由 具有垂直各向异性的铁磁材料形成，铁磁材料可以为单质铁磁材料、合金铁 磁材料或具有磁性的金属氧化物等，例如可以为Co、Fe、CoFeB或FePt等硬 磁材料。根据具体的需要，第一磁性层102和第二磁性层106可以为相同或 不同的材料。
遂穿层104位于第一磁性层102和第二磁性层106之间，可以由绝缘材 料制成，绝缘材料例如可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪等。
进一步地，磁阻隧道结110还可以包括第二磁性层106之上的钉扎层108， 钉扎层108用于固定磁化方向，为了便于描述，该第二磁性层106之上的钉 扎层108可以记做顶部钉扎层，还可以在第一磁性层102与可以磁阻隧道结 110之间也设置底部钉扎层，钉扎层的材料例如可以为CoPt多层膜人工反铁 磁等。
以上对本申请实施例的SOT-MRAM结构进行了描述，可以理解的是，在 具体的应用中，SOT-MRAM还可以包括其他必要的部件，例如电极、磁阻隧 道结110上的保护层等。
基于上述的SOT-MRAM结构，在进行数据写入时，在自旋轨道耦合层中 通入电流，并进行磁阻隧道结的温度控制，使得在电流方向上，磁阻隧道结 一侧与另一侧存在温度差。在自旋轨道耦合层中通入电流后，由于自旋霍尔 效应或Rashba效应，自旋轨道耦合层中的自旋向上或自旋向下的电子会在自 旋轨道耦合层100和第一磁性层102界面积累，自旋流会扩散到第一磁性层 102中，使得磁阻隧道结中的磁矩导向自旋轨道耦合层的平面内，而此时，在 电流方向上，磁阻隧道结的一侧与另一侧存在温度差△T，在温度差达到一定 值之后，在该温度差△T作用下实现磁矩的定向翻转，从而，实现了 SOT-MRAM中磁矩的定向翻转。
在具体的应用中，翻转的方向可以通过电流的方向或者温度差的方向来 控制，在当电流方向一定时，磁阻隧道结的一侧的温度高于另一侧的温度， 则磁矩按照一个方向翻转，相反地，磁阻隧道结的这一侧的温度低于另一侧 的温度时，则磁矩按照另一个方向翻转。
在进行温度控制时，具体的，在电流I方向上，可以对磁阻隧道结110 一侧的区域1101进行加热，以使得1磁阻隧道结一侧1101与另一侧1102存 在温度差，加热的方式例如可以为焦耳加热或激光加热，焦耳加热即利用电 流通过导体时产生的热量进行加热，激光加热即利用激光束高能量对被照射 表面产生的热效应进行加热。可以理解的是，加热的时间和温度都不能永久 的引起磁性变化，仅在温度差达到一定值时磁矩发生反转，而停止加热后， 能够引起反转的温度差消失，磁性恢复到未加热之前的状态。
以上对本申请实施例的自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的技术方案以及 技术效果进行了详细的描述，此外，根据本申请实施例的另一个方面，本申 请还提供了基于自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的写入方法，同上述的自旋 轨道转矩磁阻式随机存储器，所述存储器包括：自旋轨道耦合层；所述自旋 轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一 磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直 各向异性；所述写入方法包括：在所述自旋轨道耦合层中通入电流，并进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上，所述磁阻隧道结一侧 与另一侧存在温度差。
此外，根据本申请实施例的又一个方面，本申请还提供了自旋轨道转矩 磁阻式随机存储器的写入装置，用于上述自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的 数据写入，同上述的自旋轨道转矩磁阻式随机存储器，所述存储器包括：自 旋轨道耦合层；所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括 由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和 所述第二磁性层具有垂直各向异性；所述写入装置包括：
电流源，用于向所述自旋轨道耦合层中通入电流；
温度控制装置，用于进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流 方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
进一步地，所述温度控制装置用于在所述电流方向上，对所述磁阻隧道 结一侧的区域进行加热。
进一步地，所述温度控制装置为焦耳加热装置或激光加热装置。
对于以上的自旋轨道转矩磁阻式随机存储器可以采用合适的方法形成， 为了便于理解，以下对形成自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的实施例进行描 述，此处仅为示例，本申请中对形成自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的方法 并不做限定。
在具体的实施例中，首先，可以采用PVD(物理气相沉积)的方法生长 例如Ta、Pt等金属材料的自旋轨道耦合层100，其厚度例如可以为3-5nm。
在另一些实施例中，还可以采用MBE(分子束外延生长)的方法生长例 如BiSn、SnTe等拓扑绝缘体材料的自旋轨道耦合层100，其厚度例如可以为 3-10nm。
而后，在所述自旋轨道耦合层100上形成磁阻隧道结110。
在具体的实施例中，首先，在所述自旋轨道耦合层100上依次生长第一 磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108，参考图2所示。
可以采用溅射或其他合适的方式，依次生长例如Co/CoFeB等的第一磁性 层102、MgO的遂穿层104、Co/CoFeB等的第二磁性层102，以及CoPt多层 膜的人工反铁磁钉扎层108，厚度依次可以为1nm左右，0.8nm，1nm，4-6 nm。而后，进行第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108的刻蚀，直至自旋轨道耦合层100，形成磁阻隧道结110，参考图2所示。
这样，就形成了本申请实施例的SOT MRAM，根据需要，还可以进行其 他部件的加工，例如保护层、电极等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露 如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本 发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技 术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所 做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范 围内。
Claims (11)
1.一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器，其特征在于，包括：
自旋轨道耦合层；
所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
其中，在利用所述存储器进行数据写入时，在所述自旋轨道耦合层中通入电流，并进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述自旋轨道耦合层为金属层、反铁磁层或拓扑绝缘体层。
3.根据权利要求2所述的存储器，其特征在于，所述金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。
4.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoPd、FePd、MnGa、CoFeB或FePt。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的存储器，其特征在于，所述进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差，包括：
在所述电流方向上，对所述磁阻隧道结一侧的区域进行加热，以使得所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
6.根据权利要求5所述的存储器，其特征在于，所述加热的方式为焦耳加热或激光加热。
7.一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的写入方法，其特征在于，所述存储器包括：自旋轨道耦合层；所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；所述写入方法包括：
在所述自旋轨道耦合层中通入电流，并进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
8.一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的写入装置，其特征在于，所述存储器包括：自旋轨道耦合层；所述自旋轨道耦合层上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；所述写入装置包括：
电流源，用于向所述自旋轨道耦合层中通入电流；
温度控制装置，用于进行所述磁阻隧道结的温度控制，使得在所述电流方向上，所述磁阻隧道结一侧与另一侧存在温度差。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述温度控制装置，用于在所述电流方向上，对所述磁阻隧道结一侧的区域进行加热。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述温度控制装置为激光加热装置或焦耳加热装置。
11.根据权利10要求所述的装置，温差不永久改变磁性，温差消失后磁性回复原本的性质。
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