CN114695646A - 自旋存储单元以及存储器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自旋存储单元，包括：自旋轨道矩提供层；第一偏置层，形成在所述自旋轨道矩提供层上；所述第一偏置层用于提供第一偏置磁场；第二偏置层，形成在所述第一偏置层上；所述第二偏置层用于提供第二偏置磁场；磁隧道结叠层结构，形成在所述第二偏置层上；所述磁隧道结叠层结构的自由层和参考层的磁化方向与所述第一偏置层和所述第二偏置层的磁化方向垂直。本发明能够通过第一偏置层的磁化方向的改变，使偏置磁场具有两种不同的状态，两种状态下的偏置磁场分别用于STT‑MRAM降低读写功耗和提高非易失性。

Description

自旋存储单元以及存储器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种自旋存储单元以及存储器。

背景技术

自旋传递转矩磁阻随机存取存储器STT-MRAM是一种新型存储器，具有高速、低功耗和非易失性。然而目前的STT-MRAM存在一个固有问题，即速度、功耗、非易失性之间的平衡问题：STT-MRAM的非易失性越强，数据保存时间越长，读数据过程中受到的干扰也越小，但是与此同时写入过程所需的翻转电流也越大，功耗也越高。因此想要同时优化功耗与非易失性只能通过提高STT效率、降低阻尼因子。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：现有技术中的STT-MRAM的功耗和存储稳定性难以兼顾。

发明内容

本发明提供的自旋存储单元以及存储器，能够通过第一偏置层的磁化方向的改变，使偏置磁场具有两种不同的状态，两种状态下的偏置磁场分别用于STT-MRAM降低读写功耗和提高非易失性。

第一方面，本发明提供一种自旋存储单元，包括：

自旋轨道矩提供层；

第一偏置层，形成在所述自旋轨道矩提供层上；所述第一偏置层用于提供第一偏置磁场；

第二偏置层，形成在所述第一偏置层上；所述第二偏置层用于提供第二偏置磁场；

磁隧道结叠层结构，形成在所述第二偏置层上；

所述磁隧道结叠层结构的自由层和参考层的磁化方向与所述第一偏置层和所述第二偏置层的磁化方向垂直。

可选地，所述第一偏置层和第二偏置层之间还具有隔离层，所述隔离层用于降低所述第一偏置层和第二偏置层之间的耦合强度。

可选地，所述第一偏置层和第二偏置层之间还具有耦合层，所述耦合层用于使所述第一偏置层和所述第二偏置层之间形成铁磁耦合或者反铁磁耦合。

可选地，所述此隧道结叠层结构与所述第二偏置层之间还具有插入层，所述插入层用于降低所述磁隧道结叠层结构的自由层和所述第二偏置层之间的耦合作用。

可选地，所述磁隧道结叠层结构的数量为一个以上。

可选地，所述自旋轨道矩提供层的材料为重金属或拓扑绝缘体材料，其中，所述重金属包括W、Pt、Ta、Ir、Au、Cu或Cr中的一种或几种。

可选地，所述磁隧道结叠层结构上形成有电极，所述电极与读写电流源电连接，所述电极用于向所述磁隧道结叠层结构输出读写电流。

可选地，所述第一偏置层和所述第二偏置层的形状为突出各向异性的形状。

可选地，所述第一偏置层和第二偏置层的材料为具有面内的单轴各向异性的材料。

第二方面，本发明还提供一种自旋存储器，包括：

存储单元阵列，包括多个前述任意一项所述的自旋存储单元；

模式切换电流源，与所述多个所述自旋存储单元的自旋轨道矩提供层电连接，所述模式切换电流源用于提供多种电流，以使所述第一偏置层切换多种状态。

可选地，还包括读写监测电路，与所述模式切换电流源控制连接，所述读写监测电路用于检测多个所述自旋存储单元的读写状态，并依据所述自旋存储单元的读写状态控制所述模式切换电流源输出电流。

本发明提供的技术方案中，采用第一偏置层和第二偏置层提供偏置磁场，当第一偏置层和第二偏置层的磁化方向平行时，第一偏置层和第二偏置层的偏置磁场叠加，从而，产生较强的偏置效果，使磁隧道结叠层结构的翻转效率提高，有利于降低读写功耗。当第一偏置层和第二偏置层的磁化方向反平行时，第一偏置层的偏置磁场和第二偏置层的偏置磁场相互抵消，总的偏置磁场接近于0，此时，磁隧道结叠层结构能够具有较好的非易失性。

附图说明

图1为本发明一实施例自旋存储单元的示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明一实施例自旋存储单元的第一偏置层和第二偏置层反平行的示意图；

图4为本发明一实施例自旋存储单元的第一偏置层和第二偏置层平行的示意图；

图5为本发明一实施例自旋存储单元的第一偏置层和第二偏置层间增加隔离层的示意图；

图6为本发明一实施例自旋存储单元的第一偏置层和第二偏置层间增加耦合层的示意图；

图7为本发明一实施例自旋存储单元在偏置层上设置多个磁隧道结叠层结构的示意图；

图8为本发明一实施例自旋存储器设置模式切换电流源的示意图；

图9为本发明一实施例自旋存储器设置模式切换电路的示意图。

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。

本发明实施例提供一种自旋存储单元，如图1-2所示，包括：

自旋轨道矩提供层100；

在一些实施例中，最下方是自旋轨道矩提供层100，用于在电流通过时产生自旋轨道矩效应；通常情况下，自旋轨道矩提供层100采用重金属作为形成材料。作为一种优选的实施方式，所述自旋轨道矩提供层100的材料为重金属或拓扑绝缘体材料，其中，所述重金属包括W、Pt、Ta、Ir、Au、Cu或Cr中的一种或几种。

第一偏置层200，形成在所述自旋轨道矩提供层100上；所述第一偏置层200用于提供第一偏置磁场；

第二偏置层300，形成在所述第一偏置层200上；所述第二偏置层300用于提供第二偏置磁场；

在一些实施例中，自旋轨道矩层上方依次是具有磁性的偏置层1和偏置层2，两个偏置层形状为椭圆形，可以产生沿椭圆长轴方向的杂散场，用于形成偏置场；

磁隧道结叠层结构，形成在所述第二偏置层300上；

在一些实施例中，磁隧道结叠层结构MTJ结构，自下而上分别为自由层510、势垒层520、固定层530；通过自由层510与固定层530之间不同的磁化方式，能够具有不同的电阻，从而，能够记录数据。在一些优选的实施例中，磁隧道结叠层结构通常包括自由层510、固定层530为磁性层，由常见磁隧道结的磁性材料组成，如Co、Fe、Ni等及其合金，势垒层520为氧化镁、氧化铝及其他常见的势垒层520材料。磁隧道结的直径可以小于、等于或大于偏置层的短轴长度。

所述磁隧道结叠层结构的自由层510和参考层的磁化方向与所述第一偏置层200和所述第二偏置层300的磁化方向垂直。

本实施例中，首先利用外磁场使第一偏置层200、第二偏置层300的磁化方向设置为水平向左，当自旋轨道矩提供层100中的电流方向为流入纸面方向时(如图3所示)，偏置层1受到自旋轨道矩作用，磁化方向水平向右，第二偏置层300没有收到自旋轨道矩作用，而且与第一偏置层200的交换作用较弱，所以保持不变，此时对于自由层510，两个偏置层产生的偏置场方向相反，叠加后较小，基本不影响自由层510的磁化方向和稳定性，此时处于“数据保存模式”下；功能设置完毕后，电极600和自旋轨道轨道矩提供层分别作为读电流(读功能为主)的两个端口，对自由层510的数据进行读取。

当自旋轨道矩提供层100中的电流方向为流出纸面方向时(如图4所示)，第一偏置层200受到自旋轨道矩作用，磁化方向水平向左，第二偏置层300的磁化方向保持不变也是水平向左，此时对于自由层510，两个偏置层产生的偏置场方向相同，叠加后使自由层510的磁化方向产生倾斜，如图4所示，自由层510稳定性下降，STT翻转电流降低，此时处于“低功耗模式”下，有利于降低写入数据时的功耗。功能设置完毕后，电极600和自旋轨道轨道矩提供层分别作为读写电流(主要是写功能以及频繁读写中的读功能)的两个端口，对自由层510的数据进行读取和写入。

在一些可选的实施方式中，所述第一偏置层200和第二偏置层300之间还具有隔离层700，所述隔离层700用于降低所述第一偏置层200和第二偏置层300之间的耦合强度。如图5所示，在第一偏置层200和第二偏置层300中间额外加入一层隔离层700，可以降低偏置层之间的交换耦合作用，并且通过调整隔离层700的厚度可以调整偏置场的大小。在本实施例中，通过隔离层700降低第一偏置层200和第二偏置层300之间的耦合作用，从而，第一偏置层200和第二偏置层300之间基本不相互影响，从而，本实施方式中的技术方案在数据的非易失性和读写功耗的降低之间找到了一个平衡点，兼顾了较好的非易失性和较低的读写功耗。

作为一种可选的实施方式，所述第一偏置层200和第二偏置层300之间还具有耦合层800，所述耦合层800用于使所述第一偏置层200和所述第二偏置层300之间形成铁磁耦合或者反铁磁耦合。如图6所示，在第一偏置层200和第二偏置层300中间设置耦合层800，可以是铁磁耦合作用，增强两个偏置层之间的铁磁耦合，使得在“低功耗”模式时，偏置层更加稳定；耦合层800也可以提供反铁磁耦合作用，用以增强两层偏置层之间的反铁磁耦合，从而使得在“数据保存”模式下更加稳定。耦合层800的材料包括Ru、Ir、Ta、Mo、W等常见耦合层800材料及其合金。

作为一种可选的实施方式，继续如图1所示，所述此隧道结叠层结构与所述第二偏置层300之间还具有插入层400，所述插入层400用于降低所述磁隧道结叠层结构的自由层510和所述第二偏置层300之间的耦合作用。主要用于降低第二偏置层300与自由层510之间的交换耦合作用，也可以减少加工过程中对第二偏置层300的损伤。插入层400通常为介质以及一部分耦合能力较弱的金属。

作为一种可选的实施方式，所述磁隧道结叠层结构的数量为一个以上。如图7所示，制作了较大的偏置层，在同一个偏置层上制作多个MTJ，既可以降低工艺流程、同时加工多个器件，又可以利用同一个偏置层实现块功能切换。

作为一种可选的实施方式，所述磁隧道结叠层结构上形成有电极600，所述电极600与读写电流源电连接，所述电极600用于向所述磁隧道结叠层结构输出读写电流。当第一偏置层200和第二偏置层300之间反向平行时，电极600和自旋轨道轨道矩产生层分别作为读电流(读功能为主)的两个端口，对自由层510的数据进行读取。当第一偏置层200和第二偏置层300平行时，电极600和自旋轨道轨道矩产生层分别作为读写电流(主要是写功能以及频繁读写中的读功能)的两个端口，对自由层510的数据进行读取和写入。

作为一种可选的实施方式，所述第一偏置层200和所述第二偏置层300的形状为突出各向异性的形状，例如，偏置层的形状可以是椭圆形、矩形等具有突出形状各向异性的形状。作为另一种可选的实施方式，所述偏置层的材料为具有面内的单轴各向异性的材料。当偏置层存在较强的磁晶各向异性从而产生面内的单轴各向异性时，形状也可以包含圆形；偏置层可以是由常见磁性材料组成，也可以由亚铁磁绝缘体等材料组成。

本发明实施例还提供一种自旋存储器，如图8所示，包括：

存储单元阵列，包括多个如上述任意一项所述的自旋存储单元；

模式切换电流源910，与所述多个所述自旋存储单元的自旋轨道矩提供层100电连接，所述模式切换电流源910用于提供多种电流，以使所述第一偏置层200切换多种状态。

如图8所示，左侧两列单元为需要频繁写入的单元930，右侧的两列单元为不需要频繁写入的单元920，此时可以通过电路预设为低功耗模式，同理，当右侧两列单元需要频繁写入时，可以通过电路预设为低功耗模式。因此可以通过电路设为低功耗模式。针对不同应用，同一个阵列可以根据需要预设不同模式，提供了一定的灵活性。

作为一种可选的实施方式，还包括读写监测电路940，与所述模式切换电流源910控制连接，所述读写监测电路940用于检测多个所述自旋存储单元的读写状态，并依据所述自旋存储单元的读写状态控制所述模式切换电流源910输出电流。如图9所示，实现方法如下：在应用功能改变时，初始阵列的模式设置通常与应用所需的阵列模式不匹配，此时低功耗、数据保存模式的单元没有与应用紧密结合。此时可以在外部电路中加入一个监测电路940，监测每个单元的读写状态。当监测到某个单元在写入数据时，则通过电路控制将该单元设置为低功耗模式的单元920，此后继续监测读写状态，若在一定的保存时间内存在写入过程，则不改变其模式；若没有写入，则切换为数据保存模式的单元930。经过一定周期后，形成了“自适应”后的阵列，存储单元的模式与实际应用所需联系更紧密，提高了模式切换的效率，有效降低功耗。

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 (11)

1.一种自旋存储单元，其特征在于，包括：

自旋轨道矩提供层；

第一偏置层，形成在所述自旋轨道矩提供层上；所述第一偏置层用于提供第一偏置磁场；

第二偏置层，形成在所述第一偏置层上；所述第二偏置层用于提供第二偏置磁场；

磁隧道结叠层结构，形成在所述第二偏置层上；

所述磁隧道结叠层结构的自由层和参考层的磁化方向与所述第一偏置层和所述第二偏置层的磁化方向垂直。

2.根据权利要求1所述自旋存储单元，其特征在于，所述第一偏置层和第二偏置层之间还具有隔离层，所述隔离层用于降低所述第一偏置层和第二偏置层之间的耦合强度。

3.根据权利要求1所述自旋存储单元，其特征在于，所述第一偏置层和第二偏置层之间还具有耦合层，所述耦合层用于使所述第一偏置层和所述第二偏置层之间形成铁磁耦合或者反铁磁耦合。

4.根据权利要求1所述自旋存储单元，其特征在于，所述此隧道结叠层结构与所述第二偏置层之间还具有插入层，所述插入层用于降低所述磁隧道结叠层结构的自由层和所述第二偏置层之间的耦合作用。

5.根据权利要求1所述自旋存储单元，其特征在于，所述磁隧道结叠层结构的数量为一个以上。

6.根据权利要求1所述自旋存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩提供层的材料为重金属或拓扑绝缘体材料，

其中，所述重金属包括W、Pt、Ta、Ir、Au、Cu或Cr中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的自旋存储单元，其特征在于，所述磁隧道结叠层结构上形成有电极，所述电极与读写电流源电连接，所述电极用于向所述磁隧道结叠层结构输出读写电流。

8.根据权利要求1所述的自旋存储单元，其特征在于，所述第一偏置层和所述第二偏置层的形状为突出各向异性的形状。

9.根据权利要求1所述的自旋存储单元，其特征在于，所述第一偏置层和第二偏置层的材料为具有面内的单轴各向异性的材料。

10.一种自旋存储器，其特征在于，包括：

存储单元阵列，包括多个如权利要求1-9任意一项所述的自旋存储单元；

模式切换电流源，与所述多个所述自旋存储单元的自旋轨道矩提供层电连接，所述模式切换电流源用于提供多种电流，以使所述第一偏置层切换多种状态。

11.根据权利要求10所述自旋存储器，其特征在于，还包括读写监测电路，与所述模式切换电流源控制连接，所述读写监测电路用于检测多个所述自旋存储单元的读写状态，并依据所述自旋存储单元的读写状态控制所述模式切换电流源输出电流。

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