CN111370573B - 磁存储单元及sot-mram存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁存储单元及SOT‑MRAM存储器，所述磁存储单元包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向相反且分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层的磁化方向。本发明能够提高SOT‑MRAM存储器的读写速度。

Description

磁存储单元及SOT-MRAM存储器
技术领域
本发明涉及磁存储器技术领域，尤其涉及一种磁存储单元及SOT-MRAM存储器。
背景技术
研究发现，在具有自旋轨道矩效应(Spin Orbit Torque，SOT)的材料中通入电流时，会在材料的界面处产生自旋极化的自旋电流，该自旋电流可以用于翻转纳米磁铁，例如磁性隧道结MTJ中的自由层。基于自旋轨道矩和MTJ的新型磁存储器件(可以称为SOT-MRAM存储器)具有读写分离、写入速度快、写电流密度低等优点，被认为是未来的发展趋势。
但是，SOT-MRAM的自旋轨道矩材料与磁性隧道结MTJ集成时，如果MTJ的磁性隧道磁阻TMR较高，二者的集成难以实现，目前MTJ的TMR只能在100左右，这会直接影响SOT-MRAM的读写速度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种磁存储单元及SOT-MRAM存储器，能够提高SOT-MRAM存储器的读写速度。
第一方面，本发明提供一种磁存储单元，包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向相反且分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层的磁化方向。
可选地，两个所述磁性隧道结的参考层垂直磁化，两个所述偏置磁场提供层水平磁化且具有相反的水平磁化方向。
可选地，两个所述偏置磁场提供层采用相同的几何形状。
可选地，两个所述偏置磁场提供层均为椭圆形，短轴长度相同，长轴长度不同，各自的长短轴比例均介于1.2～3之间，各自的长轴均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。
可选地，两个所述偏置磁场提供层均为矩形，短边长度相同，长边长度不同，各自的长短边比例均介于1.2～3之间，各自的长边均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。
可选地，所述自旋轨道矩提供线的材料为具有自旋轨道矩效应的材料，包括：重金属、BiSe合金或者反铁磁合金。
可选地，所述自旋轨道矩提供线采用多段结构，位于两个所述磁性隧道结位置的部分为具有自旋轨道矩效应的材料，位于其他位置的部分为低电阻金属材料。
可选地，两个所述偏置磁场提供层的磁化方向翻转所对应的翻转场差别大于100Oe。
可选地，两个所述磁性隧道结的参考层的磁化方向相同，对应地，两个所述磁性隧道结的自由层的磁化方向相反。
第二方面，本发明提供一种SOT-MRAM存储器，所述SOT-MRAM存储器包括上述磁存储单元。
本发明提供的磁存储单元及SOT-MRAM存储器，采用双MTJ差分特性设计，在写入数据时，自旋轨道矩提供线中通一次电流，可以同时对两个MTJ进行写操作，提高了读写速度，而且不需要外界磁场。
附图说明
图1为本发明的磁存储单元的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的磁存储单元的一个实施例的俯视图；
图3为本发明的磁存储单元的另一个实施例的结构示意图；
图4为面层磁化层翻转原理示意图；
图5为磁存储器件写入的电流翻转原理示意图；
图6为磁存储器件写入时的状态示意图；
图7-8为磁存储器件写入数据后的两种数据存储状态。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种磁存储单元，如图1所示，为本发明的磁存储单元的一个实施例。磁存储单元包括自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结MTJA和MTJB，MTJA和MTJB都包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，MTJA和MTJB位于自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近自旋轨道矩提供线，MTJA和MTJB的参考层外侧分别有一层面内磁化的偏置磁场提供层IPMA，IPMB，IPMA，IPMB分别通过分离层与MTJA，MTJB隔开，IPMA，IPMB具有不同的几何尺寸，IPMB大于IPMA，同时IPMA，IPMB的面内磁化方向相反且分别垂直于MTJA，MTJB的自由层的磁化方向。图1中，MTJA和MTJB的参考层垂直磁化，方向相同，IPMA和IPMB水平磁化且具有相反的水平磁化方向。
进一步的，两个偏置磁场提供层IPMA，IPMB可以使用相同的材料，也可以使用不同的材料，考虑到工艺的实现性，通常采用同一材料。IPMA，IPMB可以采用相同的几何形状，如都采用椭圆形或者矩形，但需要具有不同的几何尺寸。当IPMA，IPMB都为椭圆形时，如图2所示，为图1所示的磁存储单元的俯视图。图2中，二者短轴长度相同，长轴长度不同，各自的长短轴比例均介于1.2～3之间，例如，IPMA，IPMB的短轴长度均为80nm，IPMA的短轴和长轴比例约为1:1.5，IPMB的短轴和长轴比例约为1:2，IPMB的长轴长度更长。另外，IPMA，IPMB各自的长轴均平行于或者接近平行于自旋轨道矩提供线。
同理地，当IPMA，IPMB都为矩形时，二者短边长度相同，长边长度不同，各自的长短边比例均介于1.2～3之间，IPMA，IPMB各自的长边均平行于或者接近平行于自旋轨道矩提供线。
另外说明的是，上述实施例中，自旋轨道矩提供线的材料为具有自旋轨道矩效应的材料，可以采用重金属，如Pt，Ta，W，Ir，Hf，Ru，Tl，Bi，Au，Os，也可以采用拓扑绝缘体，如BiSe合金，BiTe合金，如Bi2Se3，BiSeTe合金，TlBiSe，还可以采用反铁磁合金，如PtMn，IrMn等，厚度2～20nm。自旋轨道矩提供线还可以采用多段结构，位于两个MTJ位置、与两个MTJ接触的部分为具有自旋轨道矩效应的材料，如BiSe等，其能通过自旋轨道矩效应提供自由层一定的自旋磁矩，但电阻较大；位于其他位置的部分为低电阻金属，如Ta等，低电阻金属的引入可以降低自旋轨道矩提供线的电阻，从而降低器件能耗。
两个MTJ的材料如下：MTJ的自由层为CoFeB，优选地，自由层为CoFeB|NM|CoFeB结构，其中NM为非磁性金属如Mo,Ir,Ru,Ta,W,Hf,Au等，厚度为0.2-0.8纳米之间。MTJ的参考层为CoFeB，MTJ的隧道层为MgO，顶部分离层为包含Ta或者TaN等非磁性材料。偏置磁场提供层为包含一层NiFe材料，厚度为10nm左右。
如图3所示，为本发明的磁存储单元的另一个实施例。该实施例和上述实施例的区别在于，参考层被合成反铁磁结构钉扎，所述合成反铁磁结构包含上下两处多次重复的Co/Pt多层膜以及位于两层中间的非铁磁耦合层如Ru，Ir，Cr，Mo等形成反铁磁耦合。
上面重点介绍了本发明实施例的磁存储单元的结构特征，下面介绍一下磁存储单元的工作过程。
本发明实施例的磁存储单元，在写数据之前，有一个初始化的过程。初始化是为了使两个面内磁化的偏置磁场提供层IPMA，IPMB具有相反的磁化方向，两个偏置磁场提供层IPMA，IPMB的几何尺寸之所以有显著差别，就是为了得到相反的水平磁化方向。
IPMA，IPMB面内各向异性场由形状和材料磁性质决定，通过设计IPMA，IPMB形状，利用形状各向异性控制IPMA，IPMB对应的矫顽力，使得二者的矫顽力HcA与HcB有显著的差别，参考图4，初始化的理论论证过程如下：
偏置磁场提供层长短轴分别标记为a，b，厚度标记为t，NiFe饱和磁化强度为Ms＝800emu/cc情况下，各向异性场近似为：Hk＝2(1/b-1/a)*t*4π*Ms，将各参数数值带入公式中，IPMA对应的HkA＝838Oe，IPMB对应的HkB＝1257Oe，由于NiFe为超软磁材料，其面内矫顽力由各向异性场Hk决定。即HcA＝HkA，HcB＝HkB。因此在初始化时，可以采用正向施加2000Oe磁场，再负向施加-1000Oe磁场，即可将所有磁存储单元初始化到所需状态。由于IPMA，IPMB稳定地处于相反的磁化方向，MTJA和MTJB中感受到的水平方向耦极子耦合磁场沿相反方向。
按下述方法对磁存储单元初始化：
①沿第一方向施加足够大水平磁场，H>|HcB|，使得IPMA,IPMB具有相同的磁化方向，均沿第一方向排列。
②反方向施加水平磁场，|HcA|<H<|HcB|,在此条件下，IPMA磁化方向反向(沿第二方向)，而IPMB磁化方向仍沿第一方向。
③使得IPMA,IPMB形成磁化反平行排列,去掉初始化磁场，初始化结束。
通过上述初始化使得IPMA，IPMB水平磁化方向相反，初始化后的器件状态即为图2所示。
初始化完成之后，可以对磁存储单元写入数据。根据MTJ参考层磁性方向的不同，在自旋轨道矩提供线中通入第一写电流(正向)可以将磁存储单元设置为第1数据状态，通入第二写电流(反向)可以将磁存储单元设置为第2数据状态。下面具体说明写入过程。
写入数据依赖自旋轨道矩效应，对于垂直磁化材料(MTJ自由层)，依据有效水平磁场的方向，磁矩随自旋轨道矩提供线中电流大小和方向而翻转的回线可构成顺时针或逆时针变化特征。
例如，如图5所示，对某种选定的自旋轨道矩提供线材料，MTJA受到来自于IPMA的等效磁场沿正方向，对应翻转为逆时针特征，MTJB受到来自于IPMB的等效磁场沿负反向，对应的翻转为顺时针特征。需要说明的是，改变自旋轨道矩提供线材料，有可能达到相反的翻转特性，即MTJA受到来自于IPMA的等效磁场沿正方向，对应翻转为顺时针特征，MTJB受到来自于IPMB的等效磁场沿负反向，对应的翻转为逆时针特征。
基于该电流翻转原理，在器件进行写入数据时，在自旋轨道矩提供线中施加某一方向电流，2个MTJ对应的自由层磁化方向分别处于第一和第二方向，且第一方向反平行于第二方向，均为沿MTJ薄膜生长方向。即2个MTJ的参考层的磁化方向相同，由于偏置磁场提供层的磁化方向相反，自旋轨道矩提供线中通入电流时，两个MTJ的自由层磁化方向相反。
具体地，写入数据的过程可以参考图6，在自旋轨道矩中通入第一写电流时，MTJA处于反平行(高电阻)，MTJB处于平行态(低电阻)；在自旋轨道矩中通入第二写电流时，MTJA处于平行(低电阻)，MTJB处于反平行态(高电阻)；其中第一写电流的方向与IPMB磁化方向相同，第二写电流的方向与IPMA的磁化方向相同。
写入数据后的磁存储单元状态：如图7和图8所示，定义图7为状态1，定义图8为状态2，即：磁存储单元为状态1时，MTJA：平行，MTJB：反平行；磁存储单元为状态2时，MTJA：反平行，MTJB：平行。具体可以参考下表。
磁存储单元状态 MTJ状态
状态1 MTJ<sub>A</sub>：平行；MTJ<sub>B</sub>：反平行
状态2 MTJ<sub>A</sub>：反平行；MTJ<sub>B</sub>：平行
因此，在自旋轨道矩中通入第一写电流时，存储器处于状态2；在自旋轨道矩中通入第二写电流时，存储器处于状态1。根据MTJ的特性，上述状态可以通过MTJ对应的电阻状态读出。实际中使用电流或电压型灵敏放大器。
综上所述，本发明实施例的磁存储单元，在写入数据时，自旋轨道矩提供线中通一次电流，可以同时对两个MTJ进行写操作，读写速度快，而且不需要外界磁场。另外，本发明实施例的磁存储单元具有单一的写电流通路，提高了电流利用率和有利于更简洁的电路设计，同时相比具有固定参考电阻的传统存储单元，两个MTJ组成的差分互补存储单元，能降低器件的读错误率，提升读取速度，可以用于SRAM替代。
本发明实施例还提供一种SOT-MRAM存储器，所述SOT-MRAM存储器包括上述磁存储单元。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，以使两个所述偏置磁场提供层具有相反的磁化方向，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层和参考层的磁化方向。
2.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述磁性隧道结的自由层和参考层垂直磁化，两个所述偏置磁场提供层水平磁化且具有相反的水平磁化方向。
3.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述偏置磁场提供层采用相同的几何形状。
4.根据权利要求3所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述偏置磁场提供层均为椭圆形，短轴长度相同，长轴长度不同，各自的长短轴比例均介于1.2～3之间，各自的长轴均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。
5.根据权利要求3所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述偏置磁场提供层均为矩形，短边长度相同，长边长度不同，各自的长短边比例均介于1.2～3之间，各自的长边均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。
6.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩提供线的材料为具有自旋轨道矩效应的材料，包括：重金属、BiSe合金或者反铁磁合金。
7.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩提供线采用多段结构，位于两个所述磁性隧道结位置的部分为具有自旋轨道矩效应的材料，位于其他位置的部分为低电阻金属材料。
8.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述偏置磁场提供层的磁化方向翻转所对应的翻转场差别大于100Oe。
9.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述磁性隧道结的参考层的磁化方向相同，对应地，两个所述磁性隧道结的自由层的磁化方向相反。
10.一种SOT-MRAM存储器，其特征在于，所述SOT-MRAM存储器包括如权利要求1-9中任一项所述的磁存储单元。
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