CN111527546B - 磁性存储器及其磁化切换方法 - Google Patents

磁性存储器及其磁化切换方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111527546B
CN111527546B CN201980007054.1A CN201980007054A CN111527546B CN 111527546 B CN111527546 B CN 111527546B CN 201980007054 A CN201980007054 A CN 201980007054A CN 111527546 B CN111527546 B CN 111527546B
Authority
CN
China
Prior art keywords
conductive line
current
free layer
magnetic
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980007054.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111527546A (zh
Inventor
李炅珍
高京椿
李升宰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea University Research and Business Foundation
Original Assignee
Korea University Research and Business Foundation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea University Research and Business Foundation filed Critical Korea University Research and Business Foundation
Publication of CN111527546A publication Critical patent/CN111527546A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111527546B publication Critical patent/CN111527546B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1653—Address circuits or decoders
    • G11C11/1655—Bit-line or column circuits
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1697—Power supply circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259—Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

公开一种磁性存储器及其磁化切换方法。根据本发明一个实施例的一种磁性存储器包括：磁性隧道结，包括自由层、参考层及设置在自由层与参考层之间的隧道势垒层；第一导电线，与自由层相邻地设置；以及第二导电线，与自由层相邻地设置且与第一导电线交叉。一种磁性存储器的磁化切换方法包括以下步骤：对第一导电线施加具有第一频率的交流型第一电流；以及对第二导电线施加具有第一频率的交流型第二电流。自由层使用交流型第一电流及交流型第二电流执行磁化反转，且磁性隧道结设置在第一导电线与第二导电线之间的交叉点上。

Description

磁性存储器及其磁化切换方法
技术领域
本公开涉及一种磁性存储装置及其磁化切换方法，且更确切来说涉及一种可由于由交流电流带来的有效磁场效应而明显地减小临界电流的自旋轨道力矩磁性存储装置。
背景技术
在电子装置的高速度及低功耗趋势下，电子装置中所包含的存储装置也需要具有高速的读取及写入操作以及低操作电压。为满足此种要求，已研究出磁性存储装置作为储存装置。由于磁性存储装置可具有例如高速操作和/或非易失性等特性，因此磁性存储装置已作为下一代存储装置而受到青睐。
磁性存储装置是使用磁性隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)的存储装置。磁性隧道结包括两个磁性层及夹置在所述两个磁性层之间的隧道势垒层。磁性隧道结的电阻根据所述两个磁性层的磁矩的相对方向而变化。具体来说，当所述两个磁性层的磁矩的相对方向反向平行时，磁性隧道结的电阻可能增大。当所述两个磁性层的磁矩的相对方向平行时，结的电阻可为低的。磁性存储装置可使用磁性隧道结的此种电阻差来读取数据。
发明内容
技术问题
本公开的一方面是提供自由层的切换效率得到提高的磁性存储装置。
本公开的一方面是提供自由层的切换效率得到提高的磁性存储装置的写入方法。
本公开提出的目标并不仅限于上述目标，且通过以下说明书，所属领域的技术人员可清晰地理解上文未阐述的其他目标。
技术解决方案
根据本公开的一方面，一种磁性存储器包括：磁性隧道结，包括自由层、参考层及设置在所述自由层与所述参考层之间的隧道势垒层；第一导电线，与所述自由层相邻地设置；以及第二导电线，与所述自由层相邻地设置且与所述第一导电线交叉。一种磁性存储器的磁化切换方法包括：对所述第一导电线施加具有第一频率的交流(alternatingcurrent，AC)型第一电流；以及对所述第二导电线施加具有所述第一频率的AC型第二电流。所述自由层使用第一电流及第二电流执行磁化反转，且所述磁性隧道结设置在所述第一导电线与所述第二导电线的交叉部位上。
在示例性实施例中，所述第一导电线与所述第二导电线可设置在同一平面内。
在示例性实施例中，第一电流与第二电流之间的相位差可为90度。
在示例性实施例中，第一电流与第二电流之间的相位差可根据所述自由层的磁化方向给定。
在示例性实施例中，所述第一频率可以是几百MHz到几十GHz。
在示例性实施例中，所述自由层可具有与所述自由层的表面垂直的易磁化轴，以具有垂直磁各向异性。
在示例性实施例中，所述第一导电线及所述第二导电线可包含以下中的至少一者：铜(Cu)、钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、钆(Gd)、铋(Bi)、铱(Ir)、和它们的组合。
根据本公开的一方面，一种磁性存储器包括：多条第一导电线，在第一方向上延伸；多条第二导电线，在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸；多个磁性隧道结元件，所述多个磁性隧道结元件中的每一者包括自由层、参考层及设置在所述自由层与所述参考层之间的隧道势垒层，且所述多个磁性隧道结元件分别设置在第一导电线与第二导电线之间的交叉部位上；第一交流电源，向第一导电线提供第一交流电流；第二交流电源，向第二导电线提供第二交流电流；以及位线，与所述第一导电线平行地延伸且连接到排列在所述第一方向上的所述磁性隧道结元件的所述参考层。
在示例性实施例中，第一电流及第二电流可对所述自由层进行切换。
有利效果
根据示例性实施例，可使用流动到彼此交叉的一对导电线的交流电流执行磁性存储装置的切换操作。因此，可减小在磁性存储装置的写入操作期间所需的电流的量值。
附图说明
图1a是根据本公开示例性实施例的磁性存储装置的概念图。
图1b是示出图1a中的第一电流及第二电流的相位图。
图1c是示出在旋转坐标系中产生的垂直方向的有效磁场的图。
图2是例示根据本公开示例性实施例的磁性存储装置中的第一电流及第二电流的相位的概念图。
图3示出根据本公开示例性实施例的指示自由层的时间相关磁化方向的模拟结果。
图4a示出指示切换电流密度根据非绝热性参数而变化的模拟结果。
图4b示出指示切换时间根据所引入的电流密度而变化的模拟结果。
图4c示出指示切换电流密度根据驱动角频率而变化的模拟结果。
图5a示出指示切换概率根据非绝热性参数β及所引入的电流密度而变化的结果。
图5b示出指示切换概率根据驱动频率及所引入的电流密度而变化的结果。
图6示出指示当施加第一电流及第二电流两者时的切换概率及当仅施加第一电流时的切换概率的模拟结果。
图7是根据本公开另一示例性实施例的磁性存储器的电路图。
具体实施方式
可提供磁性存储装置的写入方法。所述磁性存储装置包括：磁性隧道结，包括参考层、自由层及设置在参考层与自由层之间的隧道势垒层；以及第一导电线及第二导电线，与自由层相邻地设置且彼此交叉。第一导电线被配置成使得交流型电流流过第一导电线，且第二导电线被配置成使得交流型电流流过第二导电线。在磁性存储装置的写入方法中，对第一导电线及第二导电线施加交流型电流。
本文中参考附图阐述本公开的示例性实施例。在本说明书通篇，相同的参考编号或相同的参考标识符可代表相同的元件。
在后文中，将在自旋轨道相互作用、自旋轨道力矩、自旋转移力矩及其他物理现象的当前理解的上下文中阐述本公开的示例性实施例。所属领域的技术人员应了解，示例性实施例的操作的理论说明基于对这些物理现象的当前理解。然而，示例性实施例并不取决于特定的物理说明。
在后文中，“平面内(in-plane)”实质上位于一个或多个层或导电线的平面内或平行于所述一个或多个层或导电线的平面。反之，“垂直(perpendicular)”对应于实质上垂直于磁性结的层或导电线中的一者或多者的方向。
图1a是根据本公开示例性实施例的磁性存储装置的概念图。
图1b是示出图1a中的第一电流及第二电流的相位图。
图1c是示出在旋转坐标系中产生的垂直方向的有效磁场的图。
图2是例示根据本公开示例性实施例的磁性存储装置中的第一电流及第二电流的相位的概念图。
参考图1a、图1b、图1c及图2，磁性存储装置100可包括磁性隧道结120、第一导电线112及第二导电线114。磁性隧道结120包括自由层122、参考层126及设置在自由层122与参考层126之间的隧道势垒层124。第一导电线112与自由层122相邻地设置。第二导电线114与自由层122相邻地设置且与第一导电线112交叉。磁性存储器100的磁化切换方法包括对第一导电线112施加具有第一频率的交流型第一电流jx、及对第二导电线114施加具有第一频率的交流型第二电流jy。自由层122使用第一电流及第二电流执行磁化反转。磁性隧道结120设置在第一导电线112与第二导电线114的交叉部位上。
当将具有第一角频率ω的第一电流注入到第一导电线112中且将具有第一角频率ω的第二电流注入到第二导电线114中时，总电流向量可在设置有磁性隧道结120的位置上随时间旋转。
当从旋转坐标系的视角上观察问题(例如，总电流向量的相位)时，交流电流的问题转变成直流电流的问题。从旋转坐标系的视角来看，在垂直方向上出现对应于旋转的旋转角速度的有效磁场。即，于在垂直方向上存在有效磁场的系统中，交流电流的效应转变成直流电流的问题。在此种情形中，由于在垂直方向上的有效磁场的效应，可明显容易地反转自由层的磁化。
通过以下[方程式1]给出由自旋轨道力矩执行的自由层122的磁化运动的方程式。
[方程式1]
Figure GDA0002561750180000051
其中m代表自由层122的单位磁化向量，γ代表回旋磁常数，HK,eff代表自由层122的有效磁各向异性磁场，α代表吉尔伯特阻尼常数(Gilbert damping constant)，且
Figure GDA0002561750180000052
是所施加电流的方向。
在根据本公开的自旋转移力矩装置中，
Figure GDA0002561750180000053
随时间线性地或循环地振荡，这不同于传统方法。
cJ及dJ代表由自旋霍尔效应(hall effect)产生的自旋轨道自旋转移力矩且分别对应于类阻尼力矩及类场力矩，θSH代表指示自旋霍尔效应的自旋霍尔角。
β是被称为非绝热性参数的量且代表类阻尼力矩与类场力矩之间的比率(β＝dJ/cJ)。
J代表所施加电流密度，e(＝1.6×10-19C)代表电子的电荷，MS是自由磁性层的饱和磁化量，且d代表自由磁性层的厚度。方程式1的坐标方向(X、Y及Z)在图1a、图1b、图1c中予以例示。
当使用旋转交流电流时，在假定衰减小的情况下，旋转坐标系中的磁化运动(例如所注入电流的相位)的方程式近似于以下[方程式2]。
[方程式2]
Figure GDA0002561750180000054
其中ω代表旋转坐标系的角速度。旋转坐标系的角速度与所注入电流的相位的角频率相同。在方程式2中，所施加电流的方向
Figure GDA0002561750180000055
不随时间改变。
参考方程式2，有效磁场ω/γ另外也出现在垂直方向上。当垂直方向上的有效磁场ω/γ处在谐振频率减小的方向上时，有助于进行切换。由于垂直方向上的有效磁场有助于进行切换，因此切换阈值电流可明显地低于现有阈值电流。此外，不需要用于切换的附加外部磁场。
第一导电线112及第二导电线114可以是实现自旋霍尔效应或拉什巴效应(Rashbaeffect)的材料。当第一电流流过第一导电线112时，在与第一导电线112延伸的方向垂直的方向上出现自旋极化，且自旋电流在自由层的方向(Z轴方向)上传播。
第一导电线112可具有在X方向上延伸的线形状。第二导电线114可具有与第一导电线112交叉的线形状。举例来说，第二导电线114可具有在Y方向上延伸的线形状。
第一导电线112与第二导电线114可彼此交叉在一点处，且可彼此连接。举例来说，第一导电线112与第二导电线114可设置在同一平面(例如X-Y平面)上。
磁性隧道结120可设置在第一导电线112与第二导电线114的交叉部位上。磁性隧道结120的自由层122可与第一导电线112和第二导电线114的交叉部位相邻。因此，自由层122可夹置在隧道势垒层124与导电线112和导电线114的交叉部位之间。
第一导电线112及第二导电线114中的每一者可包含展现出强自旋轨道相互作用的材料。举例来说，第一导电线112及第二导电线114中的每一者包含铜(Cu)、钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、钆(Gd)、铋(Bi)及铱(Ir)中的至少一者。
磁性存储装置100可包括：第一交流电源132，被配置成使得第一电流jx流过第一导电线112；以及第二交流电源134，被配置成使得第二电流jy流过第二导电线114。
举例来说，第一电流jx可以是在第一导电线112的平面内流动的电流，且第二电流jy可以是在第二导电线114的平面内流动的电流。
当第一电流jx在X方向或-X方向上流动时，在Y方向或-Y方向上发生自旋极化的电荷载流子可入射到自由层122中。另外，当第二电流jy在Y方向或-Y方向上流动时，在X方向或-X方向上发生自旋极化的电荷载流子可入射到自由层122中。此可由于发生在导电线112及114上的自旋轨道相互作用(例如，自旋霍尔效应)所致。具有此种极化自旋的电荷载流子可对自由层122的磁矩施加力矩。
当自由层122的磁化方向是负Z轴方向时，电流的旋转方向可以是顺时针方向以达成在正Z轴方向上的磁化反转。由于平面内电流而被施加到自由层的磁矩的力矩将被称为自旋轨道力矩。
磁性隧道结120可包括参考层126、自由层122、设置在参考层126与自由层122之间的隧道势垒层124、及设置在参考层126上的顶盖电极128。
参考层126在磁性存储装置的写入操作期间可具有固定磁矩。举例来说，流过导电线112及114的电流产生的自旋轨道力矩可不使参考层的磁矩发生切换。
自由层122在磁性存储装置的写入操作期间可具有可切换磁矩。举例来说，自由层122可具有可与参考层126的磁矩平行或反平行地切换的磁矩。
可使用流过导电线112及114的电流jx、jy所产生的自旋轨道力矩对自由层122的磁矩进行切换。
参考层126及自由层122中的每一者可具有与参考层126的表面及自由层122的表面实质上垂直的易磁化轴(easy axis of magnetization)。举例来说，参考层126的表面可平行于X-Y平面。参考层126的易磁化轴可实质上平行于Z轴。
类似地，自由层122的表面可平行于X-Y平面，且自由层122的易磁化轴可实质上平行于Z轴。然而，本公开并不仅限于此。
参考层126及自由层122可包含具有L10晶体结构的材料、具有密排六方晶格(hexagonal close-packed lattice，HCP)的材料及非晶质稀土过渡金属(rare-earthtransition metal，RE-TM)合金中的至少一种。
参考层126及自由层122可包含具有L10晶体结构的材料(例如Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Co50Pd50及Fe50Ni50)中的至少一种。
参考层126及自由层122可包含具有密排六方晶格(HCP)的材料中的至少一种，例如钴铂(CoPt)无序合金，在钴铂无序合金中包含10at.％到45at.％的铂(Pt)量；以及Co3Pt有序合金(ordered alloy)。
参考层126及自由层122包含非晶质RE-TM合金中的至少一种，所述非晶质RE-TM合金包含选自由例如铽(Tb)、镝(Dy)及钆(Gd)等稀土元素组成的群组的至少一种及选自由例如铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)等过渡金属元素组成的群组的至少一种。
参考层126及自由层122可包含具有界面垂直磁各向异性的材料。界面垂直磁各向异性是指具有本征水平磁化特性的磁性层由于受与另一相邻层的界面的影响而具有垂直磁化方向的现象。参考层126及自由层122可包含钴(Co)、铁(Fe)及镍(Ni)中的至少一种。另外，参考层126及自由层122可还包含非磁性材料(例如，硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)及氮(N))中的至少一种。举例来说，参考层126及自由层122可包含CoFe或NiFe，且可还包含硼(B)。另外，参考层126及自由层122可还包含钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、镁(Mg)、钽(Ta)及硅(Si)中的至少一种。
参考层126可具有单层结构。根据其他实施例，与图1a、图1b、图1c中所例示的实施例不同，参考层126可包含具有由非磁性层隔开的铁磁层的合成反铁磁材料。
隧道势垒层124可夹置在参考层126与自由层122之间。隧道势垒层124可包含氧化镁(Mg)、氧化钛(Ti)、氧化铝(Al)、氧化镁锌(MgZn)、氧化镁硼(MgB)及氮化钛(Ti)及氮化钒(V)中的至少一种。举例来说，隧道势垒层124可包含结晶氧化镁(MgO)。
第一电流与第二电流之间的相位差可根据自由层122的磁化方向给定。举例来说，第一电流与第二电流之间的相位差可以是90度。第一频率f可以是几百MHz到几十GHz。第一角频率(ω＝2πf)是第一频率f的角频率。
图3示出根据本公开示例性实施例的指示自由层的时间相关磁化方向的模拟结果。
参考图3，当施加第一及第二电流jx、jy时，可确认磁化在处理过程中高速地反转。切换速度可以是约几纳秒，且切换电流密度j可以是2.26×107A/cm2或大于2.26×107A/cm2。当切换到直流(direct current，DC)电流时，切换电流密度j是电流密度的约1/10。在此种情形中，非绝热性参数(non-adiabaticity parameter，β)是1，且表示交流电流的第一角频率(ω＝2πf)与谐振频率之间的差异程度的常数由于各向异性而为1.3。
图4a示出指示切换电流密度根据非绝热性参数而变化的模拟结果。
图4b示出指示切换时间根据所引入的电流密度而变化的模拟结果。
图4c示出指示切换电流密度根据驱动角频率而变化的模拟结果。
参考图4a，需要较大的非绝热性参数β、较低的阈值电流来进行切换。因此，非绝热性参数β可以是1或大于1。自由层的面积为π×152nm2，自由层的厚度为2nm，垂直磁各向异性常数Keff为2.2×106erg/cm3，饱和磁化值Ms为1000emu/cm3，且吉尔伯特衰减常数α为0.01，自旋霍尔角θSH为0.3，且非绝热性参数β为0到3。
参考图4b，切换时间随所注入的电流密度的增大而减小。
参考图4c，存在使切换电流密度最优化的最优驱动频率。在此模拟中，最优频率为60GHz。驱动频率可以是几GHz到数十GHz，详细来说是50GHz到70GHz。
图5a示出指示切换概率根据非绝热性参数β及所引入的电流密度而变化的结果。
图5b示出指示切换概率根据驱动频率及所引入的电流密度而变化的结果。
参考图5a，当非绝热性参数β＝1时，在最低的注入电流密度下发生切换。
参考图5b，驱动频率为40GHz到100GHz。在驱动频率为50GHz的情形中，在最低的注入电流密度下发生切换。
图6示出指示当施加第一电流及第二电流两者时的切换概率及当仅施加第一电流时的切换概率的模拟结果。
参考图1a及图6，这些结果是通过在300K的温度下执行50次计算而获得。实线对应于施加第一电流jx及第二电流jy两者的情形。点划线对应于仅施加第一电流jx的情形。非绝热性参数β为1。当施加第一电流及第二电流两者且驱动频率为50GHz时，在最低的注入电流密度下发生切换。
图7是根据本公开另一示例性实施例的磁性存储器的电路图。
参考图7，磁性存储器10包括：多条第一导电线212，在第一方向(X轴方向)上延伸；多条第二导电线214，在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸；多个磁性隧道结元件，所述多个磁性隧道结元件中的每一者包括自由层、参考层及设置在自由层与参考层之间的隧道势垒层，且分别设置在第一导电线212与第二导电线214的交叉部位上；第一交流电源232，向第一导电线212提供第一交流电流；第二交流电源234，向第二导电线提供第二交流电流；以及位线242，与第一导电线平行地延伸且连接到排列在第一方向上的磁性隧道结元件的参考层。第一电流jx及第二电流jy对自由层122进行切换。位线242用于读取磁性隧道结的电阻状态。
尽管已详细地阐述了本公开及其优点，但应理解，可在不背离以上权利要求所界定的本公开的精神及范围的情况下在本文中做出各种改变、代替及变更。

Claims (7)

1.一种磁性存储器的磁化切换方法，所述磁性存储器包括：磁性隧道结，包括自由层、参考层及设置在所述自由层与所述参考层之间的隧道势垒层；第一导电线，与所述自由层相邻地设置；以及第二导电线，与所述自由层相邻地设置且与所述第一导电线交叉，所述磁化切换方法包括：
对所述第一导电线施加具有第一频率的交流型的第一电流；以及
对所述第二导电线施加具有所述第一频率的交流型的第二电流，
其中所述自由层使用所述第一电流及所述第二电流执行磁化反转，且
所述磁性隧道结设置在所述第一导电线与所述第二导电线的交叉部位上，
其中所述第一导电线及所述第二导电线是实现自旋霍尔效应或拉什巴效应的材料，
其中所述自由层与所述参考层具有与所述自由层的表面及所述参考层的表面垂直的易磁化轴，以具有垂直磁各向异性，
其中流过所述第一导电线与所述第二导电线的电流产生的自旋轨道力矩对所述自由层的磁矩进行切换。
2.根据权利要求1所述的磁化切换方法，其中所述第一导电线与所述第二导电线设置在同一平面内。
3.根据权利要求1所述的磁化切换方法，其中在所述第一电流与所述第二电流之间存在相位差。
4.根据权利要求1所述的磁化切换方法，其中所述第一电流与所述第二电流之间的相位差是根据所述自由层的磁化方向给定的。
5.根据权利要求1所述的磁化切换方法，其中所述第一频率是数百MHz到数十GHz。
6.根据权利要求1所述的磁化切换方法，其中所述第一导电线及所述第二导电线包含以下中的至少一者：铜(Cu)、钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、钆(Gd)、铋(Bi)、铱(Ir)、和它们的组合。
7.一种磁性存储器，包括：
多条第一导电线，在第一方向上延伸；
多条第二导电线，在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸；
多个磁性隧道结元件，所述多个磁性隧道结元件中的每一者包括自由层、参考层及设置在所述自由层与所述参考层之间的隧道势垒层，且所述多个磁性隧道结元件分别设置在所述多条第一导电线与所述多条第二导电线之间的交叉部位上；
第一交流电源，向所述多条第一导电线提供第一交流电流；
第二交流电源，向所述多条第二导电线提供第二交流电流；以及
位线，与所述多条第一导电线平行地延伸且连接到排列在所述第一方向上的所述磁性隧道结元件的所述参考层，
其中所述第一导电线及所述第二导电线是实现自旋霍尔效应或拉什巴效应的材料，
其中所述自由层与所述参考层具有与所述自由层及所述参考层的表面垂直的易磁化轴，以具有垂直磁各向异性，
其中流过所述第一导电线与所述第二导电线的电流产生的自旋轨道力矩对所述自由层的磁矩进行切换。
CN201980007054.1A 2018-01-30 2019-01-22 磁性存储器及其磁化切换方法 Active CN111527546B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2018-0011547 2018-01-30
KR1020180011547A KR102073467B1 (ko) 2018-01-30 2018-01-30 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자
PCT/KR2019/000878 WO2019151696A1 (ko) 2018-01-30 2019-01-22 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111527546A CN111527546A (zh) 2020-08-11
CN111527546B true CN111527546B (zh) 2023-06-20

Family

ID=67479046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980007054.1A Active CN111527546B (zh) 2018-01-30 2019-01-22 磁性存储器及其磁化切换方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11107513B2 (zh)
KR (1) KR102073467B1 (zh)
CN (1) CN111527546B (zh)
WO (1) WO2019151696A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102442286B1 (ko) 2020-12-30 2022-09-15 재단법인대구경북과학기술원 스핀궤도 토크 메모리 소자 및 이의 제조방법
KR102475061B1 (ko) 2020-12-30 2022-12-08 재단법인대구경북과학기술원 스핀궤도 토크 메모리 소자 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103299370A (zh) * 2010-11-17 2013-09-11 纽约大学 双极性自旋转移切换
CN104051611A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 三星电子株式会社 磁存储器及其提供方法和编程方法
CN107004440A (zh) * 2014-07-17 2017-08-01 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
CN112186096A (zh) * 2019-07-01 2021-01-05 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存储器及其制备方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10149737A1 (de) * 2001-10-09 2003-04-24 Infineon Technologies Ag Halbleiterspeicher mit sich kreuzenden Wort- und Bitleitungen, an denen magnetoresistive Speicherzellen angeordnet sind
US7701756B2 (en) * 2005-12-21 2010-04-20 Governing Council Of The University Of Toronto Magnetic memory composition and method of manufacture
JP2008098523A (ja) * 2006-10-13 2008-04-24 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US7852662B2 (en) * 2007-04-24 2010-12-14 Magic Technologies, Inc. Spin-torque MRAM: spin-RAM, array
KR100915966B1 (ko) * 2007-10-19 2009-09-10 서울대학교산학협력단 자기기록소자의 정보판독방법
KR102023625B1 (ko) * 2012-05-04 2019-09-20 삼성전자 주식회사 자기 메모리 소자 및 이에 대한 정보 쓰기 및 읽기 방법
KR102017623B1 (ko) * 2012-08-30 2019-09-03 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자
KR101683440B1 (ko) * 2015-05-13 2016-12-07 고려대학교 산학협력단 자기 메모리 소자
US9489998B1 (en) * 2015-11-17 2016-11-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic junctions having a magnetoelastic free layer programmable using spin transfer torque
KR102522620B1 (ko) * 2016-11-29 2023-04-19 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자의 쓰기 방법
US10229724B1 (en) * 2017-12-30 2019-03-12 Spin Memory, Inc. Microwave write-assist in series-interconnected orthogonal STT-MRAM devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103299370A (zh) * 2010-11-17 2013-09-11 纽约大学 双极性自旋转移切换
CN104051611A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 三星电子株式会社 磁存储器及其提供方法和编程方法
CN107004440A (zh) * 2014-07-17 2017-08-01 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
CN112186096A (zh) * 2019-07-01 2021-01-05 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存储器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Tunnel magnetoresistance properties and film structures of double MgO barrier magnetic tunnel junctions;H. D. Gan等;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;第1-4页 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20200286537A1 (en) 2020-09-10
CN111527546A (zh) 2020-08-11
KR102073467B1 (ko) 2020-02-04
US11107513B2 (en) 2021-08-31
WO2019151696A1 (ko) 2019-08-08
KR20190092127A (ko) 2019-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7573737B2 (en) High speed low power magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US9343658B2 (en) Magnetic memory bits with perpendicular magnetization switched by current-induced spin-orbit torques
EP2446471B1 (en) High speed low power magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US7602000B2 (en) Spin-current switched magnetic memory element suitable for circuit integration and method of fabricating the memory element
US8508004B2 (en) Magnetic element having reduced current density
US8072800B2 (en) Magnetic element having perpendicular anisotropy with enhanced efficiency
US9997226B2 (en) Techniques to modulate spin orbit spin transfer torques for magnetization manipulation
CN101329897B (zh) 编程存储器单元的方法
US20130134534A1 (en) Magnetoresistive Device
CN108123027B (zh) 磁存储器件及写磁存储器件的方法
WO2014089182A1 (en) A nonvolatile magnetic logic device
US20170033281A1 (en) Systems and Methods for Implementing Magnetoelectric Junctions Including Integrated Magnetization Components
KR20220029381A (ko) 쌍극자 결합 스핀 궤도 토크 구조
CN107910439B (zh) 拓扑绝缘磁电阻器件
EP3888143A2 (en) Ferrimagnetic/ferromagnetic exchange bilayers for use as a fixed magnetic layer in a superconducting-based memory device
CN109994598B (zh) 自旋轨道转矩型磁化旋转元件及磁阻效应元件
CN110383462A (zh) 磁存储器和磁存储器记录方法
CN111527546B (zh) 磁性存储器及其磁化切换方法
KR101636492B1 (ko) 메모리 소자
CN115053349A (zh) 包含具有强垂直磁各向异性的顶部磁性钉扎层的mtj堆叠
TW201444135A (zh) 形成磁性裝置的自由層的材料組成、自由層與磁性元件
US11557628B2 (en) Multilayered magnetic free layer structure containing an ordered magnetic alloy first magnetic free layer for spin-transfer torque (STT) MRAM

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant