CN117580440A - 基于自旋霍尔效应材料的磁随机存储器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自旋霍尔效应材料的磁随机存储器以及包括该磁随机存储器的电子设备。一实施例提供一种磁随机存储器，其具有多个存储单元，每个存储单元包括：自旋流产生层，由晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料形成；形成在所述自旋流产生层上的自由磁层；形成在所述自由磁层上的隧穿势垒层；形成在所述隧穿势垒层上的参考磁层；第一和第二电极，连接到所述自旋流产生层，用于向所述自旋流产生层施加面内写入电流，以翻转所述自由磁层的磁矩方向；以及第三电极，形成在所述参考磁层一侧，用于与所述第一和第二电极中的一个一起施加垂直流过所述参考磁层，所述隧穿势垒层和所述自由磁层的读取电流。

Description

基于自旋霍尔效应材料的磁随机存储器及电子设备

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子器件，更特别地，涉及一种基于晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料的磁随机存储器，其能够以简单的结构实现纯电流驱动，还涉及包括该磁随机存储器的电子设备。

背景技术

主要由磁性隧道结构成的磁随机存取存储器(MRAM，也称为磁随机存储器)是下一代非易失性存储器的强有力竞争者。磁随机存取存储器的存储单元一般包括作为核心元件的磁性隧道结以及其他辅助功能元件。磁性隧道结一般包括自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的隧穿势垒层，自由磁层的磁矩可以自由翻转，而参考磁层的磁矩被固定。隧穿势垒层由诸如金属氧化物之类绝缘材料形成。磁性隧道结的电阻与自由磁层的磁矩和参考磁层的磁矩之间的夹角θ的余弦值cos(θ)相关。当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩彼此平行排列时，磁性隧道结的电阻最低，处于低电阻态；当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩反平行排列时，磁性隧道结的电阻最高，处于高电阻态。这两种电阻状态可以分别对应于信息0和1，或者可以分别对应于信息1和0。

目前，已经发展出了三代用于磁随机存取存储器的驱动方式。第一代驱动方式是外磁场驱动，利用彼此垂直的字线和位线来产生奥斯特磁场，当字线和位线产生的奥斯特磁场满足Stoner-Wohlfarth模型的阈值磁场条件时，磁隧道结中的自由磁层的磁矩将发生翻转。这种驱动方式需要施加大电流，因此功耗很大，所产生的磁场也容易影响周围的存储单元，不利于提高存储密度，而且结构和制造工艺复杂，因此已经基本上被淘汰。

第二代驱动方式为自旋转移力矩(STT)驱动，其利用自旋极化电流的力矩转移效应来翻转自由磁层的磁矩。当电流流经具有固定磁矩的参考磁层时，相应自旋的电子可以通过，而相反自旋的电子将会被反射，从而产生自旋极化电流。自旋极化电流与纳米尺寸的自由磁层的磁矩发生相互作用，自旋极化电子所携带的自旋角动量转矩转移给自由磁层的磁矩，从而使得自由磁层的磁矩方向发生翻转。STT诱导的翻转机制的优点在于无需使用外磁场，从而可以消除用于产生奥斯特磁场的电流线，降低了制造成本，并且可以实现磁随机存取存储器的进一步小型化。但是，STT翻转的功耗依然很大，而且翻转所需的电流密度高，容易破坏磁性隧道结中的隧穿势垒层，从而对存储单元造成永久性伤害。

第三代驱动方式是自旋轨道力矩(SOT)驱动，其利用具有强自旋轨道耦合效应的材料产生的自旋流来翻转自由磁层的磁矩。与STT翻转方式相比，SOT-MRAM具有更高的数据写入速度和读写分离的特点，写入(翻转)电流不需要流经磁性隧道结，可以克服STT-MRAM中存在的器件寿命短的问题。因此，SOT-MRAM在未来信息存储领域具有很大的应用潜力。

但是，当利用SOT来翻转垂直磁矩时，仍需要在面内方向上施加一个辅助外磁场，这严重阻碍了垂直磁结构在SOT-MRAM中的应用。由于垂直磁结构能够实现比面内磁结构更大的存储密度，这也影响了磁存储密度的提高。虽然现有技术中提出了通过设置偏置磁层来提供偏置磁场，或者使用兼具自旋霍尔效应和反铁磁属性的材料来同时提供自旋流和偏置磁场，但是这些方案都有一些缺点。偏置磁层泄露的杂散磁场可能影响周围的存储单元，并且其需要额外的工艺来形成偏置磁层，增加了成本。兼具自旋霍尔效应和反铁磁属性的材料实现了自旋流和偏置磁场两方面的折中，会在一定程度上影响材料的自旋霍尔系数(或者说自旋霍尔角)，因此会增大翻转磁矩所需的临界电流密度。

发明内容

针对上述问题，提出了本发明。

本发明的一些实施例利用晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料来作为产生自旋流的功能层，对自由磁层的垂直磁矩进行SOT翻转。这种晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料可包括例如外尔半金属，其是一种具有拓扑能带结构的材料，具有更高的自旋霍尔角，因此能降低进行SOT翻转所需的临界电流密度。并且，具有对称性破缺的外尔半金属还能够提供垂直极化的自旋流，可以实现垂直磁矩的零场翻转。

根据一实施例，提供一种磁随机存储器，其具有多个存储单元，每个存储单元包括：自旋流产生层，由晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料形成；形成在所述自旋流产生层上的自由磁层；形成在所述自由磁层上的隧穿势垒层；形成在所述隧穿势垒层上的参考磁层；第一和第二电极，连接到所述自旋流产生层，用于向所述自旋流产生层施加面内写入电流，以翻转所述自由磁层的磁矩方向；以及第三电极，形成在所述参考磁层一侧，用于与所述第一和第二电极中的一个一起施加垂直流过所述参考磁层、所述隧穿势垒层和所述自由磁层的读取电流。

在一实施例中，所述晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料包括外尔半金属材料。

在一实施例中，所述外尔半金属材料具有Pmn2₁空间群晶体结构。

在一实施例中，所述外尔半金属材料的晶体结构具有镜面对称性破缺。

在一实施例中，所述写入电流施加在所述自旋流产生层的晶体结构具有对称性破缺的方向上。

在一实施例中，所述自由磁层和所述参考磁层具有垂直磁矩。

在一实施例中，所述磁随机存储器还包括：设置在所述自旋流产生层与所述自由磁层之间的缓冲层，所述缓冲层提供用于所述自由磁层的生长表面。

在一实施例中，所述缓冲层的厚度小于形成所述缓冲层的材料的自旋扩散长度。

根据另一实施例，提供一种电子设备，其包括上述磁随机存储器。

在一实施例中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。

本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的存储单元的横截面图。

图2示出图1所示的存储单元的俯视图。

图3A和图3B示出根据本发明一实施例的用于形成自旋流产生层的材料的晶体结构的示意图。

图4A和图4B示出沿不同方向施加电流时，图3A和图3B所示的材料产生的自旋流的示意图。

图5示出利用电流翻转自由磁层的磁矩后，磁性隧道结的电阻曲线。

图6示出根据本发明一实施例的存储器件的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明一实施例的用于磁随机存储器的存储单元100的横截面图，图2示出存储单元100的俯视图。

参照图1和图2，存储单元100包括形成在衬底101上的自旋流产生层110和设置在自旋流产生层110上的磁性隧道结120。衬底101可以是绝缘衬底，例如SiO₂衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、MgO衬底、Al₂O₃衬底等。衬底101也可以是半导体基底上的绝缘层，例如Si基底上的SiO₂绝缘层等。衬底101还可以是半导体衬底，例如Si衬底等。

自旋流产生层110由晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料形成，这种材料的示例包括例如晶体结构具有对称性破缺的外尔半金属材料。外尔半金属是一类由拓扑保护的外尔费米子主导其体态宏观物理行为的拓扑材料，外尔费米子最早由德国物理学家Weyl于1929年提出，它可以看作由四重简并的狄拉克费米子退简并为两个手性相反的二重简并态。研究表明，外尔半金属具有相对于一般材料例如Pt、Ta等更高的自旋霍尔角，因此在相同的电流密度下能够产生更大的自旋流。因此，外尔半金属可以代替传统材料例如Pt、Ta等用作自旋流产生层，其产生的自旋流可用于翻转自由磁层的磁矩，这将在下面进一步说明。

如前所述，利用传统材料例如Pt、Ta等产生的自旋流来翻转垂直磁矩时，仍需要施加沿电流方向(正方向或者反方向)的辅助偏置磁场，这增大了系统的复杂度，引起了诸多问题。在本发明一实施例中，自旋流产生层110由晶体结构具有对称性破缺的外尔半金属材料形成，这可以避免翻转垂直磁矩时对辅助偏置磁场的需要。这样的材料的示例包括例如TaIrTe₄和WTe₂，其晶体结构对称性可以用Pmn2₁空间群来描述，这种晶体结构具有镜面对称性破缺，下面以TaIrTe₄为例来详细说明。

参照图3A和3B，其示出了TaIrTe₄的晶体结构，并且每幅图中示意性示出了三层材料，层与层之间没有化学键，通过范德华力彼此结合。图3A示出了a平面(与晶体结构的a轴垂直的平面)，图3B示出了b平面(与晶体结构的b轴垂直的平面)。可以理解，在图3B所示的b平面晶体结构中，假想一与a轴垂直的镜面，晶体结构中的原子排列是镜面对称的，也就是说具有镜面对称性。而在图3A所示的a平面晶体结构中，假想一与b轴垂直的镜面，晶体结构中的原子排列关于镜面是不对称的，也就是说具有镜面对称性破缺。

图4A和图4B示出沿不同方向施加电流时，TaIrTe₄材料产生的自旋流的示意图。参照图4A，沿着具有镜面对称性破缺的晶体a轴施加电流时，除了由于自旋霍尔效应，在材料表面累积面内指向的自旋极化流(简称自旋流)之外，还由于对称性破缺，会诱导出垂直指向的自旋极化流。面内和垂直指向的自旋流向相邻的自由磁层扩散注入，从而翻转自由磁层的垂直磁矩M。可以理解，通过改变电流的方向(a轴正方向或负方向)，可以改变在材料表面累积的自旋流的指向(极化方向)。参照图4B，当沿着具有镜面对称性的晶体b轴施加电流时，像常规的自旋霍尔效应材料例如Pt和Ta那样，在材料表面仅会累积面内指向的自旋流，而不会产生垂直指向的自旋极化流。当面内指向的自旋流翻转相邻的自由磁层的垂直磁矩时，则还需要辅助偏置磁场的协助，如现有技术中那样。

比较图4A和图4B，在本发明中，对于由具有对称性破缺的外尔半金属材料形成的自旋流产生层110，通过沿着其晶体结构具有对称性破缺的方向(图4A中的a轴方向)施加电流，可以产生面内指向以及垂直指向的自旋极化流，其可以翻转相邻自由磁层的垂直磁矩，而不需要额外的辅助偏置磁场。因此，本发明能以简单的结构实现翻转，同时能够降低翻转所需的临界电流密度。

这里虽然以TaIrTe₄和镜面对称性破缺为例进行了说明，但是应理解，其他具有对称性破缺的外尔半金属也可以用于形成本发明的自旋流产生层110。除了自旋霍尔效应产生的面内指向的自旋流之外，利用对称性破缺可以诱导出垂直指向的自旋流，二者共同作用于相邻磁层的垂直磁矩，可以实现垂直方向上的磁矩翻转。而且，用于形成自旋流产生层110的晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料并不限于外尔半金属，而是也可以使用其它晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料。

在本发明的一些实施例中，自旋流产生层110的厚度可以在1nm至100nm的范围，优选地在1nm至10nm的范围。薄的自旋流产生层110易于产生大的电流密度，从而提供大的自旋极化流。

继续参照图1和图2，设置在自旋流产生层110上的磁性隧道结120包括自由磁层130、设置在自由磁层130上的隧穿势垒层140、以及设置在势垒层140上的参考磁层150，其中自由磁层130可以与自旋流产生层110相邻并且直接接触。势垒层140一般可以由金属氧化物例如MgO、Al₂O₃等材料形成，其厚度一般在0.1nm至10nm的范围内。自由磁层130和参考磁层150均可由铁磁材料形成，例如Co、Fe、Ni以及包括Co、Fe、Ni的合金，诸如CoFe、NiFe、CoFeB、[Co/Pt]_n多层膜等。自由磁层130可以由具有较低矫顽力的铁磁材料形成，使得自由磁层130的磁矩可以自由翻转，从而写入信息0或1；而参考磁层150的磁矩在磁性随机存取存储器的操作期间不发生改变。在一些优选实施例中，参考磁层150的磁矩可以被固定，例如通过钉扎结构或自钉扎结构来固定。在钉扎结构中，可以在参考磁层150上形成钉扎层160来固定参考磁层150的磁矩。钉扎层160一般由诸如IrMn之类的反铁磁材料形成，其厚度可以在1nm至30nm的范围。或者替代地，参考磁层150可以由具有较高矫顽力的硬磁材料形成，或通过调节参考磁层150的厚度来获得较大的矫顽力，此时可以省略钉扎层160，因此这样的结构也称为自钉扎结构。

自由磁层130和参考磁层150二者均可具有沿垂直方向(垂直于层平面方向)的磁矩。换言之，自由磁层130和参考磁层150二者的易磁化轴可以取向在垂直方向上，这可以通过选择适当的材料以及生长工艺和条件来实现。自由磁层130的厚度可以在0.5nm至16nm的范围，优选在0.8nm至8nm的范围。参考磁层150的厚度可以在0.5nm至20nm的范围，优选0.8nm至10nm的范围。

在一些实施例中，在自旋流产生层110与自由磁层130之间还可以形成有缓冲层，例如缓冲层可以提供用于自由磁层130的生长表面，减小自旋流产生层110与自由磁层130之间的晶格失配。用于形成缓冲层的材料可根据自旋流产生层110和自由磁层130的材料来选择，一般为金属材料且晶格常数介于自旋流产生层110和自由磁层130的晶格常数之间。例如，用于缓冲层的材料示例可包括Ti、Ru等。可以理解，缓冲层的厚度小于形成缓冲层的材料的自旋扩散长度，从而。自旋流产生层110产生的自旋流可以经过缓冲层注入到自由磁层130中。

继续参照图1和图2，在钉扎层160上还可以形成有保护层170，以防止下面的各个层受到氧或湿气的侵蚀。保护层170一般由耐侵蚀并且具有良好导电性的材料形成，例如Ta、Ru、Pt等。

虽然这里参照图1和图2描述了磁性隧道结120的结构，但是本领域技术人员将理解，还可以对磁性隧道结120的结构进行许多变化。例如，虽然图2示出了磁性隧道结120被图案化成椭圆形状，但是磁性隧道结120也可以被图案化成其他形状，例如圆形、矩形、方形或其它多边形形状。此外，磁性隧道结120也可以用更多或更少的层来形成。本发明旨在涵盖所有这些磁性隧道结的修改或变化，只要其落在所附权利要求及其等价物的范围内。

自旋流产生层110在相对两侧可以分别连接到第一电极103和第二电极105，以用于向自旋流产生层110施加面内写入电流(即翻转电流)，以翻转相邻的自由磁层130的磁矩。如前所述，所施加的写入电流的方向在自旋流产生层110的具有晶体结构对称性破缺的方向上，例如对于TaIrTe₄而言，在其晶体结构的a轴方向上。此外，在磁性隧道结120的参考磁层150一侧，在图1的实施例中在保护层170上，还可以形成有第三电极107。第三电极107可用于与第一电极103和第二电极105中的一个一起施加垂直流过磁性隧道结120的读取电流，从而读取磁性隧道结120中存储的数据。第一电极103、第二电极105和第三电极107可以由具有良好导电性的材料例如Cu形成。

下面描述存储单元100的读写操作。写入时，利用第一电极103和第二电极105施加沿对称性破缺方向流过自旋流产生层110的面内写入电流，其诱导产生面内和垂直指向的自旋极化流(参见图4A)，自旋极化流累积在自旋流产生层110的表面并且扩散到相邻的自由磁层130中，从而可以在不需要外部辅助磁场的情况下翻转自由磁层130的垂直磁矩。可以通过控制写入电流的方向(从第一电极103流向第二电极105或者从第二电极105流向第一电极103)，可以将自由磁层130的垂直磁矩翻转到期望的方向上(垂直向上或者向下)。该写入过程完全通过施加电流来进行，并且写入电流不需要经过磁性隧道结120，因此可以避免写入操作时对磁性隧道结120的损害，使得存储单元100具有较长的使用寿命。

读取时，利用第一电极103和第二电极105中的任意一个以及第三电极107，施加流过磁性隧道结120的垂直读取电流。因为自由磁层130和参考磁层150的磁矩的平行和反平行取向对应于不同的电阻状态(平行对应于低阻态，反平行对应于高阻态)，因此利用读取电流来读取磁性隧道结120的电阻状态，即可确定磁性隧道结120中存储的数据是“0”还是“1”。

虽然在上面描述的实施例中，磁性隧道结单元120形成在自旋流产生层110上方，但是本发明不限于此。自旋流产生层110亦可形成在磁性隧道结120上方。例如，可以在衬底100上依次形成底电极层107、钉扎层160、参考磁层150、势垒层140和自由磁层130，然后在自由磁层130上形成自旋流产生层110。自旋流产生层110上可以覆盖有绝缘保护层例如SiO₂层。该结构的其它方面与前面描述的实施例或示例相同，此处不再赘述。

图5示出利用电流I翻转自由磁层130的磁矩后，测量自由磁层130的霍尔电压并计算得到的霍尔电阻R_xy的曲线图，其中横轴表示翻转电流I，纵轴表示自由磁层130的霍尔电阻R_xy。从图5可以看出，当写入电流沿正方向或负方向足够大时，实现了自由磁层130的磁矩翻转，从而测量得到了不同符号的霍尔电压，进而计算得到了不同符号的霍尔电阻R_xy。可见，本发明的原理能够成功地翻转自由磁层的垂直磁矩，从而可以对存储单元100进行写入操作。

图6示出根据本发明一实施例的磁随机存取存储器200的示意性电路图，磁随机存取存储器200可以包括前面参照图1至图5描述的存储单元100的阵列。作为示例，这里示出了四个存储单元100形成的两行两列的阵列，各个存储单元100根据其所在的行和列被编号为C11、C12、C21和C22。

参照图6，每列存储单元，例如C11-C21，的第一电极103可以连接到沿列方向延伸的第一电流线210，第二电极105可以通过开关晶体管T连接到沿列方向延伸的第二电流线240，第三电极107可以连接到沿列方向延伸的第三电流线220。每行开关晶体管T的控制栅极可以连接到沿行方向延伸的行选择线230。

以对位于第二行第一列的存储单元C21进行读写为例，写入时，利用为第一列存储单元设置的第一电流线210和第二电流线240施加写入电流，并且在为第二行存储单元设置的行选择线230上施加控制电压以打开第二行的晶体管T，从而对存储单元C21的自旋流产生层110施加面内写入电流，完成对存储单元C21的写入。读取时，利用为第一列存储单元设置的第三电流线220和第二电流线240施加读取电流，并且在为第二行存储单元设置的行选择线230上施加控制电压以打开第二行的晶体管T，从而施加垂直流过存储单元C21的磁性隧道结120的读取电流，完成对存储单元C21的读取。可以理解，读取电流的大小可以远远小于写入电流。

可以理解，本发明的磁存储器件200可以应用于各种电子设备中，这样的电子设备的示例可以包括手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理以及穿戴式电子设备等等。

尽管已经图示并描述了本申请的具体实施例和应用，但是要理解，所述实施例不限于在这里公开的确切结构和组件，并且可以在本申请的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员而言明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁随机存储器，具有多个存储单元，每个存储单元包括：

自旋流产生层，由晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料形成；

形成在所述自旋流产生层上的自由磁层；

形成在所述自由磁层上的隧穿势垒层；

形成在所述隧穿势垒层上的参考磁层；

第一和第二电极，连接到所述自旋流产生层，用于向所述自旋流产生层施加面内写入电流，以翻转所述自由磁层的磁矩方向；以及

第三电极，形成在所述参考磁层一侧，用于与所述第一和第二电极中的一个一起施加垂直流过所述参考磁层、所述隧穿势垒层和所述自由磁层的读取电流。

2.如权利要求1所述的磁随机存储器，其中，所述晶体结构具有对称性破缺的自旋霍尔效应材料包括外尔半金属材料。

3.如权利要求2所述的磁随机存储器，其中，所述外尔半金属材料具有Pmn2₁空间群晶体结构。

4.如权利要求2所述的磁随机存储器，其中，所述外尔半金属材料的晶体结构具有镜面对称性破缺。

5.如权利要求1所述的磁随机存储器，其中，所述写入电流施加在所述自旋流产生层的晶体结构具有对称性破缺的方向上。

6.如权利要求1所述的磁随机存储器，其中，所述自由磁层和所述参考磁层具有垂直磁矩。

7.如权利要求1所述的磁随机存储器，还包括：

设置在所述自旋流产生层与所述自由磁层之间的缓冲层，所述缓冲层提供用于所述自由磁层的生长表面。

8.如权利要求7所述的磁随机存储器，其中，所述缓冲层的厚度小于形成所述缓冲层的材料的自旋扩散长度。

9.一种电子设备，包括权利要求1-8中的任一项所述的磁随机存储器。

10.如权利要求9所述的电子设备，其中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。