CN113056826A - 垂直sot mram - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MRAM存储器单元，该MRAM存储器单元包括SHE层、具有垂直各向异性的磁位层和奥斯特层。该磁位层具有可切换的磁化方向以便存储数据。使用自旋霍尔效应将数据写入该MRAM存储器单元，使得在该SHE层中生成的自旋电流在该磁位层上施加转矩，同时该奥斯特层提供热量和奥斯特场以实现确定性切换。使用反常霍尔效应以及在所述奥斯特层处感测电压来从该MRAM存储器单元读取数据。
Description
背景技术
存储器广泛用于各种电子设备，诸如蜂窝电话、数字相机、个人数字助理、医疗电子器件、移动计算设备、非移动计算设备和数据服务器。存储器可包括非易失性存储器或易失性存储器。即使当非易失性存储器未连接至电源(例如，电池)时，非易失性存储器也允许存储和保留信息。
非易失性存储器的一个示例是自旋轨道转矩(SOT)磁阻随机存取存储器，其使用磁化来表示所存储的数据，这与使用电荷来存储数据的一些其他存储器技术相反。一般来讲，磁阻随机存取存储器包括在半导体衬底上形成的大量磁存储器单元，其中每个存储器单元都代表一个数据位。通过改变存储器单元内的磁性元件的磁化方向将数据位写入存储器单元，并且典型地通过测量存储器单元的电阻来读取位(低电阻通常表示“0”位且高电阻通常表示“1”位)。如本文所用，磁化方向为磁矩取向的方向。
尽管SOT磁阻随机存取存储器是有前景的技术，但先前的SOT磁阻随机存取存储器单元操作效率低和/或没有确定性地切换。磁阻随机存取存储器单元在高面密度下制造而没有跨隧道势垒的侧壁分流也是具有挑战性的。
附图说明
类似编号的元件是指不同的图中的共同部件。
图1是磁阻随机存取存储器单元的框图。
图2是磁随机存取存储器(“MRAM”)存储器单元的框图。
图3是MRAM存储器单元的框图。
图4是图3的MRAM存储器单元的顶视图。
图5描绘了用于写入MRAM存储器单元的等效电路。
图6描绘了用于从MRAM存储器单元读取的等效电路。
图7描绘了用于从MRAM存储器单元读取的等效电路。
图8A描绘了MRAM存储器单元的交叉点阵列。
图8B是图8A的交叉点阵列的侧视图。
图9描绘了在写入操作期间的MRAM存储器单元的交叉点阵列。
图10描绘了在读取操作期间的MRAM存储器单元的交叉点阵列。
图11是描述操作MRAM存储器的一个实施方案的流程图。
图12是包括MRAM存储器单元的存储器系统的框图。
图13描绘了作为推断引擎操作的MRAM存储器单元的交叉点阵列。
具体实施方式
图1是现有技术自旋轨道转矩(SOT)磁阻随机存取存储器单元100的示意性透视图，该SOT磁阻随机存取存储器单元包括三个端子A、B和C；磁性隧道结(MTJ)102；以及自旋霍尔效应(SHE)层104。MTJ 102包括参考层(RL)106、自由层(FL)110，以及定位在参考层(RF)106与自由层(FL)110之间的隧道势垒(TB)108。隧道势垒108是绝缘层。自由层110是铁磁层并且具有可被切换的磁化方向。参考层106是具有固定磁化方向的铁磁层。参考层106通常是包括若干磁性层和非磁性层的合成反铁磁层，但出于该图示的目的，其被描绘为具有固定磁化方向的单个层106。
当自由层110中的磁化方向与参考层106的磁化方向平行时，跨存储器单元100的电阻至少部分地由于少数电子的自旋相关散射而是相对较低的。当自由层110中的磁化与参考层106中的磁化反平行时，跨存储器单元100的电阻至少部分地由于少数电子和多数电子的自旋相关散射而是相对高的。通过测量存储器单元100的电阻来读取存储器单元100中的数据(“0”或“1”)。
电子的自旋为固有角动量，与由于其轨道运动而引起的角动量分开。在固体中，许多电子的自旋可以共同作用以影响材料的磁特性和电子特性，例如赋予其如同在铁磁体中一样的永磁矩。在许多材料中，电子自旋相等程度地具有向上方向和向下方向，并且无传输特性取决于自旋。然而，可以使用各种技术来生成自旋极化的电子群，这会产生过量的自旋向上或自旋向下的电子，以便改变材料的特性。在共同方向上移动穿过共同材料的这种自旋极化的电子群被称为自旋电流。如本文所述，自旋电流可以用于操作磁阻随机存取存储器单元。
自旋霍尔效应是由承载电流的样品中的自旋电流生成组成的传送现象。该自旋电流可在样品的侧表面处积聚自旋。相对表面边界将具有相反符号的自旋。当沿纵向方向(平面内方向)施加电流时，自旋霍尔效应可用于生成沿横向方向(垂直于平面方向)流动的自旋电流。这种SHE生成的自旋电流的自旋极化方向在与充电电流正交的平面内方向上。例如，通过SHE层104的电流120(从端子B到端子C)导致自旋电流122向上注入到自由层110中(其中自旋极化方向进入页面)。注入自由层110中的从电流120生成的自旋电流122在自由层110上施加自旋转矩，这致使自由层100以使得磁化在y-z平面中旋转的这样方式改变磁化方向。旋转的手性将取决于注入自由层110中的自旋电流122的极化方向。如果自旋电流122被极化到页面中，则自由层旋转的手性将是顺时针的。但如果自旋电流122被极化到页面外，这可简单地通过施加在极性上与电流120相反的电流穿过SHE层104来实现，则在y-z平面中的自由层旋转的手性将是顺时针的。如果用于SHE层104的材料具有自旋霍尔角的相反符号，则自旋电流122也可被极化到页面外。例如，对于电流极性120，如果SHE材料是钨W，则自旋电流122的自旋极化将进入页面。但对于电流极性120，如果SHE材料是铂Pt，则自旋电流122的自旋极化将到页面外。
现有技术中提出的SOT磁阻随机存取存储器单元需要平行于写入电流120的方向将磁偏置场HY施加(参见图1)到自由层110，以便确定性地切换自由层的磁化方向，因此针对自旋电流122的给定极化方向，场将仅允许一种稳定状态。例如，如果自旋电流122被极化到页面中并因此使自由层110顺时针旋转，则在正y方向上施加HY将使自由层110的磁化方向向下达到稳定，因此该配置可用于将自由层110的磁化方向从向上切换到向下或者从与参考层106平行切换到与参考层106反平行。然而，如果在负y方向上施加磁场HY，则对于进入页面的自旋电流122的相同极化方向，将使自由层110的磁化方向向上达到稳定，因此该配置可用于将自由层110的磁化方向从向下切换到向上或者从与参考层106反平行切换到与参考层106平行。因此，需要磁偏置场HY以实现自由层110的确定性切换。然而，提供该磁偏置场的源可使得缩放存储器变得困难。另外，所提出的设计效率低下且复杂。而且，读取图1的存储器单元需要使电流穿过隧道势垒，这随时间推移可导致隧道势垒的击穿和MRAM单元的击穿。
对于SOT磁阻随机存取存储器单元，需要大阈值电流密度以切换自由层110的磁化方向。该阈值电流密度被表示为：
其中：
e＝电子电荷
Ms＝自由层的饱和磁化
tF＝自由层的厚度
H＝普朗克常数除以2π
HY＝平行于SHE层中的电流的外部场
需要一种SOT磁阻随机存取存储器单元的设计，该设计不复杂，可提供必要的场以启用确定性切换，减小切换所需的电流密度，并且将避免MTJ由于使电流运行通过MTJ而劣化。
为了弥补先前磁阻随机存取存储器单元的上述缺陷，提出了新SOT MRAM存储器单元。图2是所提出的新SOT MRAM存储器单元200的一个实施方案的侧视图。如所描绘的，存储器单元200包括自旋霍尔效应层202、被配置为响应于通过奥斯特层204的电流IhOe而提供热量和奥斯特场的奥斯特层204，以及具有垂直磁各向异性的磁性层206。磁性层206定位在自旋霍尔效应层和奥斯特层之间。类似于自由层的磁性层206具有磁化方向，该磁化方向可通过将来自自旋霍尔效应层202中生成的自旋电流密度Js的自旋转矩与通过使电流IhOe穿过奥斯特层204而生成的奥斯特场组合来确定性地切换。因此，在该配置中，奥斯特场在y方向上提供对称断裂场，该对称断裂场实现磁性层206的磁化M的确定性切换。例如，图2示出了磁性层206的磁化方向可在向上和向下(两者均垂直于平面)之间切换。在该配置中，MRAM存储器单元200不具有MTJ。相反，MTJ已用单个磁性层替换，该单个磁性层也可被称为磁位。
在一个实施方案中，奥斯特层204是位于磁性层206的顶部上并与该磁性层接触的金属层。例如，奥斯特层204可以是低电阻率金属，其可使高电流穿过以生成大奥斯特场和热量。用于奥斯特层204的合适材料的示例包括金、铜和银。响应于通过奥斯特层204的电流IhOe，奥斯特层204生成与写入电流ISHE 210平行的奥斯特场HOe，并且局部生成增加磁性层206的温度的热量。
在一个实施方案中，磁性层206是具有垂直各向异性的铁磁材料。合适材料的示例包括铁和铂、钴和铂或钴和钯的多层。
在一个实施方案中，SHE层202是具有强自旋轨道耦接和大有效自旋霍尔角的重金属。合适材料的示例包括铂、钨、钽、铂金(PtAu)、铋铜(BiCu)和拓扑绝缘体诸如硒化铋(Bi2Se3)、碲化铋(Bi2Te3)或碲化锑(Sb2Te3)。
切换磁性层206的磁化方向所需的阈值电流密度由上面的等式1表示。通过奥斯特层204的电流IhOe起到两种作用。第一，电流IhOe用于生成奥斯特场HOe，该奥斯特场为等式1中的场HY。因此，通过生成强奥斯特场HOe，减小了切换磁性层206的磁化方向所需的阈值电流密度。奥斯特场HOe还提供对称断裂机构以实现确定性切换。第二，响应于电流IhOe，在奥斯特层204中生成热量，从而在写入时加热磁性层206。加热磁性层206通过减小等式1中的
来向切换提供热辅助。电流IhOe生成主要与奥斯特层204的电阻率乘以电流平方成比例的热量。
为了将数据写入存储器单元200，通过SHE层202将电流ISHE 210从端子T1施加到端子T2。由于自旋霍尔效应，垂直于电流ISHE生成自旋电流密度Js。自旋电流密度Js流动到磁性层206中并且对磁性层206的磁化M施加转矩。在电流ISHE的施加的同时施加电流IhOe，从而生成奥斯特场HOe和热量，这两者都有助于自旋电流密度Js将磁性层206的磁化方向从第一方向切换到第二方向。在相反方向(极性)上通过SHE层202从端子T2向端子T1施加电流ISHE将磁性层206的磁化方向从第二方向切换到第一方向。电流IhOe是单极的并且可具有任一极性；然而，其极性将确定电流ISHE的哪个极性导致位升或位降稳定状态。
图3和图4描绘了读取操作期间的存储器单元200。图3是存储器单元200的侧视图。图4为存储器单元200的顶视图。可通过使电流Ird 220穿过SHE层202并且感测跨奥斯特层204的电压Vsense(或闭合电路中通过其的电流)来实现读取，该电压由磁性层206中的反常霍尔效应生成。由于自旋轨道耦接，反常霍尔效应(AHE)在具有破坏时间反转对称性的固体中出现，通常在铁磁材料中出现。响应于也通过磁性层206部分分流的通过SHE层202施加的电流，AHE导致跨奥斯特层204的电荷分离，从而在奥斯特层204上相对于磁位206相对侧上的两个感测点之间产生电压差。通过感测奥斯特层204处的Vsense来测量该电压差，如图4所描绘。对于该感测方案，系统需要仅感测跨(或通过)奥斯特层204的电压Vsense(或电流Isense)的极性，而不必感测其量值，因为针对Ird的给定极性的电压极性由磁性层206的磁化取向直接确定(例如，位升＝正读出电压极性，位降＝负读出电压极性，或反之亦然，这取决于磁位中的反常霍尔效应的符号，该反常霍尔效应为材料特性)。该感测方案消除了使用MTJ的需要，并且其因此显著减小存储器的制造复杂性，并且可潜在地提供成本优势。而且，具有体垂直各向异性的磁性材料(诸如FePt)可用于磁性层206，这可导致更小的设备。另外，电流从不直接穿过磁性层206，从而减小设备劣化的风险。
图5描绘了用于写入MRAM存储器单元200的等效电路。等效电路包括电路元件302，该电路元件具有电阻rhOe,out，接收施加到奥斯特层204的电压偏置VhOe。电路元件302连接到电路元件304和电路元件306。电路元件306连接到电路元件308和电路元件310。电路元件308也连接到电路元件304和电路元件312。电路元件312也连接到电路元件314和接地。电路元件310也连接到电路元件316和电路元件318。电路元件320具有电阻rSHE,out，接收施加到SHE层202的电压偏置VSHE，并且连接到电路元件316和电路元件322。电路元件318也连接到电路元件314和电路元件322。电路元件304具有电阻rhOe。电路元件306和308各自具有电阻(1/2)rf,CIP。电路元件310具有电阻rf,CPP。电路元件312具有电阻rhOe,out。电路元件314具有电阻rSHE,out。电路元件316和318各自具有电阻(1/2)rf,CIP。电路元件22具有电阻rSHE。
在图5的电路中，rf,CIP是磁性层206对于在平面中流动的电流的电阻，rf,CPP是磁性层206对于垂直于平面流动的电流的电阻，rhOe,out是奥斯特层204远离磁性层206的部分对于在平面中流动的电流的电阻，rhOe是奥斯特层204在磁性层206上方的部分对于在平面中流动的电流的电阻，rSHE是SHE层202在磁性层206正下方的部分对于在平面中流动的电流的电阻，并且rSHE,out是SHE层202远离磁性层206的部分对于在平面中流动的电流的电阻。
为了防止通过磁性层206的电流：(a)rf,CPP>>rhOe,rSHE或(b)调整VhOe、rhOe,out、VSHE和rSHE,out以使得节点A和B是等电位的。需注意，左侧和右侧的rhOe,out和rSHE,out可以不同。而且，hOe线下的rf,CIP可不同于SHE线上的rf,CIP，因为流过磁性层206的电流是正交的并且可遇到不同的电阻(例如，由于不同晶界散射或由于两个方向上的不同长度)。而且，hOe线不必与SHE线共享接地，而可以是闭合的。
图6描绘了用于从MRAM存储器单元读取的等效电路的一个示例，其中磁性层206的磁化方向通过感测奥斯特层204处的电压来读取。VAH是由于磁性层206中的反常霍尔效应而在磁性层206处生成的电压。表示VAH的电压源在其正端子处连接到电路元件350、352和354，并且在其负端子处连接到电路元件356。电路元件356也连接到电路元件354和电路元件358。电压Vs(表示电压表)在一侧连接到电路元件350，并且在另一侧连接到电路元件352和358。
电路元件350具有表示电压表输入电阻的电阻rv。电路元件352具有电阻rhOe，其表示跨奥斯特层204的电阻。电路元件354具有电阻rSHE，其表示与偏置电流正交的跨SHE层202的电阻。电路元件356具有电阻rf,CIP，其表示磁性层206对于平面中的电流的内源电阻。电路元件358具有电阻rf,CPP，其表示磁性层206对于垂直于平面的电流的内源电阻。
图7描绘了用于从MRAM存储器单元读取的等效电路的一个示例，其中磁性层206的磁化方向通过感测奥斯特层204处的电流Is来读取。表示VAH的电压源在其正端子处连接到电路元件380和382，并且在其负端子处连接到电路元件384。电路元件384也连接到电路元件382和电路元件386。电流表390连接到电路元件380和386以及位于其间。电路元件380具有电阻rhOe。电路元件382具有电阻rSHE。电路元件384具有电阻rf,CIP。电路元件358具有电阻rf,CPP。
相对于图6和图7，为了使输出信号最大化，一些实施方案(并非所有实施方案)满足以下属性：rf,CIP+rf,CPP<<rhOe。此外，为了确保通过SHE层的读取偏置电流不沿垂直方向流过磁性层并且然后流过hOe层，对于SHE层中的给定电压，奥斯特层应当被预偏置到与SHE层相同的电压。
在一个实施方案中，图2中描绘的结构的多个存储器单元可用于形成MRAM存储器单元的交叉点阵列。也可形成其他类型的存储器单元的阵列。图8A是MRAM存储器单元的交叉点阵列的一个示例的顶视图，其中存储器单元具有图2中描绘的结构。交叉点阵列包括多个位线404以及与位线正交的多个字线402。位线404中的每一者包括相关联的存储器单元组的奥斯特层204。字线402中的每一者包括相关联的存储器单元组的SHE层202。在字线402和位线404之间以及在字线402和位线404的交汇处的是磁性层206(也称为磁位)。虽然图8A示出了七个字线和七个位线，但也可实现多于七个字线和七个位线。
图8B是图8A的交叉点阵列的侧视图。图8B示出了沿着字线402-1的横截面，该字线是图8A中描绘的多个字线402中的一者。在图8B中，位线404被编号为404-1、404-2、404-3、404-4、404-5、404-6和404-7。在字线402-1和位线404-1至404-7之间以及在字线402-1和位线的交汇处是磁性层206。例如，在字线402-1和位线404-1之间是形成存储器单元的磁性层206-1。
在字线402-1和位线404-2之间是形成存储器单元的磁性层206-2。
在字线402-1和位线404-3之间是形成存储器单元的磁性层206-3。
在字线402-1和位线404-4之间是形成存储器单元的磁性层206-4。
在字线402-1和位线404-5之间是形成存储器单元的磁性层206-5。
在字线402-1和位线404-6之间是形成存储器单元的磁性层206-6。
在字线402-1和位线404-7之间是形成存储器单元的磁性层206-7。
图9描绘了在写入操作期间的MRAM存储器单元的交叉点阵列的示例性配置。在字线402-3和位线404-5的交汇处，存储器单元200被选择用于写入操作；因此，字线402-3是选定字线并且位线404-5是选定位线。选定字线402-3在一端处连接到电压VSOT(V_select_WL＝VSOT)并且在另一端处连接到接地。在一个实施方案中，VSOT可在0.5V和5V之间。其他字线(402-1、402-2、402-4、402-5、402-6和402-7)在一端处连接到选定字线的电压的一半(V_half_select_WL＝(1/2)VSOT)并且在另一端处浮动(或连接到相同电压)。选定位线404-5在一端处连接到VOe的电压(V_select_BL＝VOe)并且在另一端处连接到接地。在一个实施方案中，VOe可在0.5V和5V之间。其他位线(404-1、404-2、404-3、404-4、404-6和404-7)在一端处连接到选定位线的电压的一半(V_half_select_BL＝(1/2)VOe)并且在另一端处浮动(或连接到相同电压)。
图10描绘了在读取操作期间的MRAM存储器单元的交叉点阵列。在字线402-3和位线404-5的交汇处，存储器单元200被选择用于读取操作；因此，字线402-3是选定字线并且位线404-5是选定位线。选定字线402-3在一端处连接到电压Vread(V_select_WL＝Vread)并在另一端处连接到接地。在一个实施方案中，Vread可在0.1V和5V之间。其他字线(402-1、402-2、402-4、402-5、402-6和402-7)在一端处连接到选定字线的电压的一半(V_half_select_WL＝(1/2)Vread)并且在另一端处浮动(或连接到相同电压)。跨选定位线404-5感测输出电压Vo。未选定位线(404-1、404-2、404-3、404-4、404-6和404-7)浮动。
图11是描述操作MRAM存储器的一个实施方案的流程图。步骤502包括使用自旋霍尔效应来写入MRAM存储器单元，如上所讨论。步骤504包括使用反常霍尔效应来读取MRAM存储器单元，如上所讨论。在一个实施方案中，步骤502的写入MRAM存储器单元包括施加通过重金属(例如，SHE层)的第一电流以生成垂直于电流的自旋电流(步骤512)；自旋电流在磁性层上施加具有可切换的磁化方向的转矩(步骤514)；以及施加通过金属层(例如，奥斯特层)的第二电流以生成奥斯特场，该奥斯特场实现确定性切换并且减小切换磁性层的磁化方向所需的阈值电流(由此辅助自旋电流切换磁性层的磁化方向)，并且生成热量，该热量为转矩提供热辅助以用于切换磁性层的磁化方向(步骤516)。在一个实施方案中，步骤504的读取MRAM存储器单元包括使读取电流穿过重金属(例如，SHE层)并且感测跨奥斯特(金属)层的电压(例如，感测电压的极性)。
图12是描绘可实现本文描述的技术的存储器系统600的一个示例的框图。存储器系统600包括存储器阵列602，该存储器阵列包括图2中描绘的多个存储器单元。存储器阵列602可以是交叉点阵列，如图8A、图8B、图9和图10中描绘的。存储器阵列602的阵列端子线包括组织成行的各个字线层，和组织成列的各个位线层。然而，也可以实现其他取向。存储器系统600包括行控制电路620，该行控制电路的输出608连接到存储器阵列602的相应字线。行控制电路620从系统控制逻辑电路660接收一组M行地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如行解码器622、阵列端子驱动器624和块选择电路626等电路以用于读取操作和写入操作两者。存储器系统600还包括列控制电路610，该列控制电路的输入/输出606连接到存储器阵列602的相应位线。列控制电路606从系统控制逻辑660接收一组N个列地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如列解码器612、阵列端子接收器或驱动器614、块选择电路616以及读/写电路和I/O多路复用器等电路。系统控制逻辑660从主机接收数据和命令，并向主机和状态提供输出数据。在其他实施方案中，系统控制逻辑660从单独的控制器电路接收数据和命令，并且向该控制器电路提供输出数据，其中控制器电路与主机通信。系统控制逻辑660可包括一个或多个状态机、寄存器和用于控制存储器系统600的操作的其他控制逻辑。
在一个实施方案中，图12中所描绘的所有部件都布置在单个集成电路上。例如，系统控制逻辑660、列控制电路610和行控制电路620形成在衬底的表面上，并且存储器阵列602形成在衬底上或上方。
在一个实施方案中，系统控制逻辑660是操作存储器阵列602的控制电路。在其他实施方案中，控制电路还可包括控制器，或者控制电路可包括控制器而不包括系统控制逻辑660。在这些实施方案中的任一者中，控制电路是(直接或间接地)连接到存储器阵列以用于控制/操作存储器阵列的电路。例如，控制电路可执行图11的写入和读取。控制电路还可以是微处理器、微控制器、状态机或其他类型的处理器。
上述讨论提出了将确定性地切换并可靠地存储数据的MRAM存储器单元的新结构和新操作。
图13描绘了作为推断引擎操作的MRAM存储器单元200的交叉点阵列。作为推断引擎操作的此类交叉点阵列的一个示例性函数是加速矩阵乘法。根据等式2，通过测量电压Vout来确定推断引擎的输出：
变量j表示位线。每个Vout[j]是跨位线j的测量电压。例如，图13将描绘作为跨位线404-5的电压的Vout[5]的测量。输入Vin(i)中的每一者表示到字线i的电压输入。例如，Vin(1)是到字线402-1的电压输入，Vin(2)是到字线402-2的电压输入，Vin(3)是到字线402-3的电压输入，Vin(4)是到字线402-4的电压输入，Vin(5)是到字线402-5的电压输入，Vin(6)是到字线402-6的电压输入，并且Vin(7)是到字线402-7的电压输入。如上所述，矩阵的元素Mij中的每一者可通过将适当数据写入字线i和位线j的交汇处的存储器单元而为“0”或“1”。一旦存储器单元中的每一者被适当地编程(例如，基于神经网络的训练)，则施加针对i+1至7的输入电压Vin(i)导致系统能够根据等式2读取输出电压Vout[j]。需注意，图13的示例是七乘七交叉点阵列；然而，也可以实现其他尺寸，包括多于或少于七个字线和/或多于或少于七个位线。
以上关于图13的讨论提供了新提出的MRAM技术的一个示例性用途。也可实现其他用途，包括嵌入式存储器、可移除存储卡、固态驱动器、主存储器等。
所提出的技术的一个实施方案包括磁随机存取存储器(“MRAM”)存储器，所述磁随机存取存储器包括：自旋霍尔效应层；奥斯特层，所述奥斯特层被配置为响应于通过所述奥斯特层的电流而提供奥斯特场；以及磁性层，所述磁性层具有垂直磁各向异性。所述磁性层定位在所述自旋霍尔效应层和所述奥斯特层之间。所述磁性层具有可切换的磁化方向。所述自旋霍尔效应层被配置为生成垂直于通过自旋霍尔效应层的电流的自旋电流，以便在所述磁性层上施加转矩以切换所述磁化方向。所述奥斯特层被配置为响应于通过所述奥斯特层的所述电流而向所述磁性层提供热量，使得所述奥斯特场实现所述磁性层的确定性切换，并且所述奥斯特场和所述热量有助于所述自旋电流切换所述磁性层的所述磁化方向。当读取时，所述奥斯特层被配置为响应于通过所述磁性层部分分流的通过所述自旋霍尔效应层的读取电流，基于所述反常霍尔效应来提供指示所述磁性层的所述磁化方向的电压。
用于操作所述MRAM存储器的一个实施方案包括使用所述自旋霍尔效应来写入MRAM存储器单元，以及使用所述反常霍尔效应来读取所述MRAM存储器单元。
一个实施方案包括：第一电流驱动层；第二电流驱动层；铁磁层，所述铁磁层在所述第一电流驱动层和所述第二电流驱动层之间，所述铁磁层具有可切换的磁化方向；以及控制电路，所述控制电路连接到所述第一电流驱动层和所述第二电流驱动层。所述控制电路被配置为通过施加通过所述第一层和所述第二层的电流而不施加通过所述铁磁层的电流来改变所述铁磁层的所述磁化方向。所述控制电路被配置为通过施加通过所述第一电流驱动层的电流以及感测跨所述第二电流驱动层的电压的极性来读取所述铁磁层的所述磁化方向。在一个示例性具体实施中，所述控制电路被配置为基于通过所述第一电流驱动层的所述电流使用自旋霍尔效应来改变所述铁磁层的所述磁化方向，并且基于通过所述第一电流驱动层的读取电流使用反常霍尔效应来读取所述铁磁层的所述磁化方向。
一个实施方案包括一种磁随机存取存储器，所述磁随机存取存储器包括：多个字线；多个位线；铁磁层，所述铁磁层位于字线和位线的交汇处，所述铁磁层具有可切换的磁化方向；和控制电路，所述控制电路连接到所述字线和所述位线，所述控制电路被配置为供应通过选定字线的第一电流和通过选定位线的第二电流，所述控制电路被配置为通过施加通过所述位线和所述字线的电流而不施加通过所述铁磁层的电流来改变所述铁磁层的所述磁化方向，所述控制电路被配置为通过施加通过所述选定字线的电流以及感测跨所述位线的电压的极性来读取所述铁磁层的所述磁化方向。
出于本文件的目的，说明书中提到“实施方案”、“一个实施方案”、“一些实施方案”或“另一个实施方案”可用于描述不同的实施方案或相同的实施方案。
出于本文件的目的，连接可为直接连接或间接连接(例如，经由一个或多个其它部件)。在一些情况下，当元件被提及连接或耦接到另一个元件时，该元件可直接连接至另一个元件，或者经由居间元件间接连接至另一个元件。当元件被提及直接连接至另一个元件时，则在该元件与另一个元件之间没有居间元件。如果两个设备是直接连接或间接连接的，则两个设备是“通信”的，使得它们能够在它们之间进行电子信号通信。
出于本文档的目的，术语“基于”可理解为“至少部分地基于”。
出于本文档的目的，在没有附加上下文的情况下，诸如“第一”对象、“第二”对象和“第三”对象的数字术语的使用可能不意味着对象的排序，而是可用于识别目的以识别不同的对象。
出于本文档的目的，对象的术语“组”可指一个或多个对象的“组”。
出于说明和描述的目的，已提供了上述详细描述。其并非旨在详尽的或旨在限制本发明所公开的精确形式。根据以上教导内容，很多修改和变型都是可能的。选择所述实施方案以便最好地解释所建议的技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方案中和适合于设想的具体使用的各种修改中最好地利用它。本发明的范围旨在由所附权利要求书限定。
Claims (17)
1.一种磁随机存取存储器，所述磁随机存取存储器包括：
自旋霍尔效应层；
奥斯特层，所述奥斯特层被配置为响应于通过所述奥斯特层的电流而提供奥斯特场；和
磁性层，所述磁性层具有垂直磁各向异性，所述磁性层定位在所述自旋霍尔效应层和所述奥斯特层之间，所述磁性层具有能够切换的磁化方向。
2.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中：
所述自旋霍尔效应层被配置为生成垂直于通过自旋霍尔效应层的电流的自旋电流，以便在所述磁性层上施加转矩以切换所述磁化方向。
3.根据权利要求2所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特层被配置为响应于通过所述奥斯特层的所述电流而向所述磁性层提供热量，所述热量有助于切换所述磁性层的所述磁化方向。
4.根据权利要求2或3所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特场使得所述自旋电流能够确定性地切换所述磁性层的磁化方向。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特场减小切换所述磁性层的所述磁化方向所需的阈值电流。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特层被配置为响应于通过所述奥斯特层的所述电流而生成与通过所述自旋霍尔效应层的所述电流平行的所述奥斯特场，所述奥斯特场有助于切换所述磁性层的磁化方向。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特层被配置为响应于通过所述自旋霍尔效应层施加的读取电流，基于所述反常霍尔效应来提供指示所述磁性层的所述磁化方向的电压。
8.根据权利要求2所述的磁随机存取存储器，其中：
所述自旋霍尔效应层被配置为响应于通过所述自旋霍尔效应层的读取电流而生成读取电压；并且
所述奥斯特层被配置为基于所述读取电压提供具有指示所述磁性层的所述磁化方向的极性的电压。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特层是第一电流驱动层；并且
所述自旋霍尔效应层是与所述第一电流驱动层正交的第二电流驱动层。
10.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中：
所述奥斯特层被配置为在不使电流穿过磁性隧道结的情况下提供指示所述磁性层的所述磁化方向的电压；并且
所述磁随机存取存储器不包括磁性隧道结。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的MRAM存储器，其中：
所述磁性层是铁磁的；
所述奥斯特层是低电阻率金属，其能够使高电流穿过以生成大奥斯特场和热量；并且
所述自旋霍尔效应层是重金属。
12.一种操作磁随机存取存储器(“MRAM”)的方法，所述方法包括：
使用所述自旋霍尔效应来写入MRAM存储器单元；并且
使用所述反常霍尔效应来读取所述MRAM存储器单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述写入所述MRAM存储器单元包括：
施加通过重金属的第一电流以生成垂直于所述电流的自旋电流；
所述自旋电流在磁性层上施加具有能够切换的磁化方向的转矩；并且
施加通过金属层的第二电流以生成热量，所述热量向所述转矩提供热辅助以用于切换所述磁性层的所述磁化方向，所述磁性层定位在所述重金属和所述金属层之间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述写入所述MRAM存储器单元包括：
施加通过重金属的第一电流以生成垂直于所述电流的自旋电流；
所述自旋电流在磁性层上施加具有能够切换的磁化方向的转矩；并且
施加通过金属层的第二电流以生成奥斯特场，所述奥斯特场减小切换所述磁性层的所述磁化方向所需的阈值电流。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述写入所述MRAM存储器单元包括：
施加通过重金属的第一电流以生成垂直于所述电流的自旋电流；
所述自旋电流在磁性层上施加具有能够切换的磁化方向的转矩；并且
施加通过金属层的第二电流以生成奥斯特场，所述奥斯特场有助于所述自旋电流确定性地切换所述磁性层的磁化方向，所述磁性层定位在所述重金属和所述金属层之间。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中：
在不使电流通过磁性隧道结的情况下执行所述读取所述MRAM存储器单元。
17.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述写入所述MRAM存储器单元包括使第一电流穿过自旋霍尔效应层以生成自旋电流，并且所述自旋电流在磁性层上施加具有能够切换的磁化方向的转矩；并且
所述读取所述MRAM存储器单元包括使读取电流穿过所述自旋霍尔效应层并感测跨金属层的电压，所述磁性层定位在所述自旋霍尔效应层和所述金属层之间。
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