CN112201745B - 一种低功耗的磁性随机存储器及其写入、读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗的磁性随机存储器及其写入、读取方法，其中，所述存储器主要由自旋轨道矩材料层、自由层、隧穿层、参考层、钉扎层和电极等组成，在所述的自旋轨道矩材料层和自由层之间加入反铁磁绝缘体层，用于传导并放大自旋流。写入方法：包括写入平行状态和反平行状态的过程，对应分别数字“0”和“1”；读取方法：电流由读取电极流经隧道结，再由另一电极形成闭合回路，实现数据读取操作。本发明可提高电流转化效率，降低临界翻转电流密度，从而降低写入功耗；该方法将写入路径和读取路径完全分开，因此可以增大隧穿层厚度，提高TMR阻值。

Description

一种低功耗的磁性随机存储器及其写入、读取方法

技术领域

本发明一种低功耗的磁性随机存储器及其写入、读取方法，具体涉及磁性随机存储器领域，特别涉及自旋轨道矩驱动的磁性随机存储器及其实现方法。

背景技术

存储器是计算机体系结构中的重要组成部分,对计算机的速度、集成度和功耗等都有重要的影响。大数据时代人们对存储器在功耗、存储速度和集成度方面有了更高的要求,而传统的存储器难以同时兼顾各项性能指标。具有非易失性的磁性随机存储器应运而生。基于自旋轨道矩效应实现数据写入的最新一代磁性随机存储器(SOT-MRAM)，在数据读写速度、稳定性和功耗等方面具有显著得优势，其研究和发展备受科研界和产业界关注。

SOT-MRAM由存储信息的磁性隧道结(MTJ)和用于改变隧道结状态的自旋轨道矩材料组成。其中，磁性隧道结主要包括参考层、隧穿层和自由层，当自由层和参考层的磁矩排列处于平行状态时为低阻态，即数字“0”，反之，当两铁磁层磁矩反平行排列时为高阻态，即数字“1”。在数据写入方面，SOT-MRAM利用具有高自旋轨道耦合效应的材料将电流转化成自旋流，用于翻转自由层的磁矩，从而改变信息的存储状态。

当前SOT-MRAM中用于改变隧道结状态的自旋轨道矩材料通常是Pt，W，Ta等单层重金属材料。为降低写入功耗，通常需要提高重金属层电荷流转化为自旋流的转化效率，即自旋霍尔角，较大的自旋霍尔角可以将更多的电荷流转化为自旋流注入到MTJ中的自由层中，进而实现高效的磁矩翻转。目前，常用的提高重金属有效自旋霍尔角的方法有：通过控制薄膜生长条件，或在重金属层中掺入氧原子等方法改变重金属层的晶体结构和电阻率，以及对重金属/铁磁层的界面进行修饰等等。上述方法增加了制备工艺的难度，并且对自旋霍尔角的提高作用较为有限(一般提高2-3倍)。

同时，当前SOT-MRAM器件中写入电流通常会同时通过自旋轨道矩材料层与MTJ自由层，导致部分电流不能参与产生自旋轨道矩效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗的磁性随机存储器及其写入、读取方法，通过在自旋轨道矩材料层(Pt，W，Ta等)与MTJ自由层之间加入反铁磁绝缘体层，利用反铁磁绝缘体层对自旋流的放大作用，提高器件的SOT效率，从而降低写入电流密度并提高写入效率。同时，通过适当器件设计避免电流分流作用，减少焦耳热的产生，从而进一步降低写入功耗。

一种低功耗的磁性随机存储器，主要由自旋轨道矩材料层、自由层、隧穿层、参考层、钉扎层和电极等组成，特征在于：在所述的自旋轨道矩材料层和自由层之间加入反铁磁绝缘体层，用于传导并放大自旋流。

其中，所述的反铁磁绝缘体层的材料为绝缘、并对自旋流有放大作用的反铁磁，包括但不限于：NiO、Cr2O3、CoO、NiFe2O4、Fe2O3、MnO、YIG或相应的NiOx、CrOx、CoOx、NiFexOy、FeOx、MnOx、YFexOy，在一定厚度下具有自旋流放大作用，可以降低翻转电流密度，另外，其电绝缘性可以避免电流分流，从而进一步降低功耗。

其中，所述的电极，是由自由层侧面引出，与读取线形成闭合回路，在读取数据时电流不流经自旋轨道耦合材料层，以进一步减少焦耳热的产生。

其中，所述的存储器进一步包括设置在自由层底部的传输层，用于所述电极的引出，在读取数据时电流不流经自旋轨道耦合材料层，以进一步减少焦耳热的产生。

本发明进一步提供一种低功耗的磁性随机存储器的写入方法：包括写入平行状态和反平行状态的过程，对应分别数字“0”和“1”；写入数据“0”时，电流通过写入电极VDD1流经自旋轨道矩材料层，产生正向电流Iwrite，从而产生垂直于膜面的自旋流，随后，自旋流流入反铁磁绝缘体层被放大并传导至自由层，用于翻转自由层的磁矩排列状态，实现平行状态的写入过程；反之，写入数据“1”时，在自旋轨道耦合材料层产生负向电流，实现反平行状态的写入。

本发明进一步提供一种低功耗的磁性随机存储器的读取方法：电流由读取电极流经隧道结，再由另一电极形成闭合回路，实现数据读取操作；该读取过程电流由自由层一侧或传输层流出，不再流经自旋轨道耦合材料层。

本发明一种低功耗的磁性随机存储器及其写入、读取方法，其优点及功效在于：

该磁性随机存储器利用反铁磁绝缘体层对自旋流的放大作用，提高电流转化效率，降低临界翻转电流密度，从而降低写入功耗；

该磁性随机存储器利用反铁磁绝缘体的电绝缘特性避免了写入电流的分流作用，进一步降低写入电流和写入功耗；

该磁性随机存储器利用反铁磁绝缘体阻断了读取电流流经自旋轨道耦合层，减少焦耳热的产生，从而能够降低读取功耗；

该方法将写入路径和读取路径完全分开，因此可以增大隧穿层厚度，提高TMR阻值。

附图说明

图1所示为本发明实施例的SOT-MRAM的膜层结构

图2(a)、(b)所示为本发明实施例的两种可行的电极结构模型

图3(a)、(b)所示为本发明实施例分别代表写入平行状态和反平行状态的过程

图4所示为本发明实施例的数据读取路径示意图

图5所示为本发明实施例的存储单元结构示意图

具体实施方式

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。

本发明的一个实施例，如图1所示，一种低功耗的磁性随机存储器，主要由自旋轨道矩材料层、自由层、隧穿层、参考层、钉扎层和电极等组成；在所述的自旋轨道矩材料层和自由层之间加入反铁磁绝缘体层，用于传导并放大自旋流。其中自旋轨道矩材料层为Ta、Pt等，这类材料具有较强的自旋轨道耦合作用，用于将电流转换成自旋流；反铁磁绝缘体层的材料为NiO、Cr2O3、CoO、NiFe2O4、Fe2O3、MnO、YIG或相应的NiOx、CrOx、CoOx、NiFexOy、FeOx、MnOx、YFexOy等，在一定厚度下具有自旋流放大作用，可以降低翻转电流密度，另外，其电绝缘性可以避免电流分流，从而进一步降低功耗；自由层为铁磁金属或合金材料，如CoFeB等，用于存储信息；隧穿层为MgO等，利用隧穿效应传递磁矩状态，参考层为铁磁金属或合金材料，如CoFeB等，用于作为自由层的参考；钉扎层为反铁磁金属或合金材料，用于固定参考层磁矩的排列状态。

作为本发明的一个实施例，所述的NiO厚度为0-20nm，Cr2O3厚度为0-5nm、CoO厚度为0-10nm、NiFe2O4厚度为0-10nm、YIG厚度为0-8nm。

将上述膜层制备好后，通过光刻、刻蚀等微纳加工方法制成薄膜结构单元，并蒸镀或溅射电极完成器件制备，图2给出了两种可行的电极结构模型，其中，图2(a)读取底电极从自由层(FL)侧面引出。

在本发明的另一个实施例中，如图2(b)所示，在自由层(FL)底部加入了传输层(TL)，用于读取底电极的引出，常用材料为Cu或Ag，厚度为几纳米到几百纳米，该类材料具有良好的导电性以及很长的自选扩散长度，确保自旋流和电流的正常传输。

本发明的一个实施例，一种低功耗的磁性随机存储器的写入过程如图3所示，其中图(a)、(b)分别代表写入平行状态和反平行状态的过程，对应分别数字“0”和“1”。写入数据“0”时，电流通过写入电极VDD1流经自旋轨道矩材料层，产生正向电流Iwrite，从而产生垂直于膜面的自旋流，随后，自旋流流入反铁磁绝缘体层被放大并传导至自由层，用于翻转自由层的磁矩排列状态，实现平行状态的写入过程。反之，写入数据“1”时，在自旋轨道耦合材料层产生负向电流，实现反平行状态的写入。该过程中利用反铁磁绝缘体层对自旋流的放大作用，因此可以降低写入电流密度，另外，反铁磁绝缘体层使用的电绝缘绝缘体材料，避免了自由层的分流作用，从而减少了焦耳热的产生。

本发明的一个实施例，如图4所示，一种低功耗的磁性随机存储器的读取过程，其中Vdd为高电位，GND为低点位。读取电流沿沿箭头方向流动。实现数据读取操作。与传统SOT-MRAM相比，该读取过程电流由自由层一侧电极流出，不再流经自旋轨道耦合材料层，从而减少了部分焦耳热的产生，进一步降低了读取功耗。

本发明的一个实施例，如图5所示，给出了本发明的存储单元结构示意图，该存储单元为一个SOT-MTJ和两个CMOS晶体管相串联的结构。其中WL表示字线(Word Line),与写入CMOS晶体管Write Tx的栅极连接；RL表示读取线(Read Line),与读取CMOS晶体管ReadTx栅极连接；BL表示与两个CMOS晶体管源极/漏极连接的位线(Bit Line)；SL表示连接SOT-MTJ电极另一端口的源线(Source Line)。写入数据时，写入字线为高电平，Write Tx导通，同时在BL和SL之间施加相反方向的电压，从而形成两种不同方向的电流，对应数据“0”和“1”的写入过程。读取数据时，读取字线为高电平，Read Tx导通，此时分别在BL和SL施加低电平和高电平，形成闭合回路，实现自由层磁化状态的读取。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种低功耗的磁性随机存储器，由自旋轨道矩材料层、自由层、隧穿层、参考层、钉扎层和电极组成，其特征在于：在所述的自旋轨道矩材料层和自由层之间加入反铁磁绝缘体层，用于传导并放大自旋流；

所述的反铁磁绝缘体层的材料为绝缘、并对自旋流有放大作用的反铁磁，包括：NiO_x、CrO_x、CoO_x、NiFe_xO_y、FeO_x、MnO_x、YFe_xO_y，以降低翻转电流密度，另外，其电绝缘性避免电流分流，从而进一步降低功耗。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗的磁性随机存储器，其特征在于：反铁磁绝缘体层的材料进一步限定为：NiO、Cr₂O₃、CoO、NiFe₂O₄、MnO、Fe₂O₃、YIG。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗的磁性随机存储器，其特征在于：所述的电极，是由自由层侧面引出，与读取线形成闭合回路，在读取数据时电流不流经自旋轨道耦合材料层，以进一步减少焦耳热的产生。

4.根据权利要求1所述的一种低功耗的磁性随机存储器，其特征在于：所述的存储器进一步包括设置在自由层底部的传输层，用于所述电极的引出，在读取数据时电流不流经自旋轨道耦合材料层，以进一步减少焦耳热的产生。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的低功耗的磁性随机存储器的写入方法，其特征在于：包括写入平行状态和反平行状态的过程，对应分别数字“0”和“1”；写入数据“0”时，电流通过写入电极VDD1流经自旋轨道矩材料层，产生正向电流Iwrite，从而产生垂直于膜面的自旋流，随后，自旋流流入反铁磁绝缘体层被放大并传导至自由层，用于翻转自由层的磁矩排列状态，实现平行状态的写入过程；反之，写入数据“1”时，在自旋轨道耦合材料层产生负向电流，实现反平行状态的写入。

6.一种如权利要求1至4任一项所述的低功耗的磁性随机存储器的读取方法，其特征在于：电流由读取电极流经隧道结，再由另一电极形成闭合回路，实现数据读取操作；读取过程电流由自由层一侧或传输层流出，不再流经自旋轨道耦合材料层。

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