本发明专利技术题为“使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直SOT‑MRAM存储器单元”。本发明专利技术提供了一种垂直自旋轨道扭矩MRAM存储器单元，其包括磁隧道结，该磁隧道结包括平面内的自由层、铁磁层以及铁磁层和自由层之间的间隔层。自由层包括垂直于平面的可切换的磁化方向。铁磁层被配置为响应于通过铁磁层的电流而生成垂直极化的自旋电流，并将垂直极化的自旋电流通过间隔层注入自由层中以改变自由层的磁化方向。
Vertical sot-mram memory cell with spin current caused by spin exchange
【技术实现步骤摘要】
使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直SOT-MRAM存储器单元专利技术人GoranMihajlovicOleksandrMosendz本申请要求2018年8月2日提交的标题为“PerpendicularSOT-MRAMMemoryCellUsingSpinSwappingInducedSpinCurrent(使用了自旋交换引起的自旋电流的垂直SOT-MRAM存储器单元)”的临时申请62/714,001的优先权，其全文以引用方式并入本文。
技术介绍
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。存储器可以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到电源(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磁阻随机存取存储器(MRAM)，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某些其他存储器技术相反。一般来讲，MRAM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MRAM是有前景的技术，但先前的MRAM存储器单元操作效率低并且/或者没有确定性地切换。附图说明相同编号的元件是指不同图中的共同部件。图1A是MRAM存储器单元的框图。图1B是MRAM存储器单元的框图。图1C是MRAM存储器单元的框图。图1D是MRAM存储器单元的框图。图1E描绘了负电荷的电子散射。图2描绘了所提出的使用了自旋交换的MRAM存储器单元的一个实施方案。图3描绘了所提出的使用了自旋交换的MRAM存储器单元的一个实施方案。图4描绘了所提出的使用了自旋交换的MRAM存储器单元的一个实施方案。图5是描述了为编程MRAM存储器单元而执行的过程的一个实施方案的流程图。图6是使用了本文提出的新存储器单元的存储器系统的框图。具体实施方式图1A是利用了场感应切换的现有MRAM存储器单元10的示意性透视图。一般来讲，MRAM单元10包括磁隧道结(MTJ)11，该磁隧道结包括上铁磁层12、下铁磁层14和隧道势垒层(TB)16，该隧道势垒层为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，上铁磁层12为自由层FL，并且其磁化方向可以切换。下铁磁层14为钉扎层(或固定层)PL，并且其磁化方向不改变。当自由层FL12中的磁化与钉扎层PL14中的磁化平行时，跨存储器单元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低的。当自由层FL12中的磁化与钉扎层PL14中的磁化反平行时，跨存储器单元10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10的电阻来读取存储器单元10中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接到存储器单元10的电导体20/30用于读取MRAM数据。自由层12中的磁化方向响应于在数字线32中流动的电流34并且响应于在分别生成磁场36和26的写入线20中流动的电流22而改变。图1A描绘了数字线32中的电流34流出页面并且写入线20中的电流22从左向右流动从而产生两个正交的场的情况，这将导致自由层12中的磁化相对于固定层14中的磁化从平行切换到反平行。通过使写入线20中的电流22的极性反转，同时使数字线32中的电流34的极性保持恒定，切换位的取向。上面针对图1A的存储器单元所描述的场感应切换技术具有一些实际限制，特别是当设计要求将存储器单元缩放到较小尺寸时。例如，由于该技术需要两组磁场写入线，因此MRAM单元阵列易于受到位干扰的影响(即，相邻单元可能响应于引导至给定单元的写入电流而遭受无意地更改)。此外，减小MRAM存储器单元的物理尺寸导致由于热波动引起的针对磁化切换的较低的磁稳定性。通过利用具有大的磁各向异性并且因此具有大的切换场的磁材料用于自由层，可以增强位的稳定性，但在现有应用中，用于生成足够强的磁场以切换位所需的电流是不切实际的。自旋转移力矩(STT)切换是用于对MRAM存储器单元进行编程的另一种技术。图1B是用于MRAM单元50的STT切换技术的示意表示，该MRAM单元包括磁隧道结(MTJ)51，该该磁隧道结包括上铁磁层52、下铁磁层54和隧道势垒层(TB)56，该隧道势垒层为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，下铁磁层54为自由层FL，并且其磁化方向可以切换。上铁磁层52为钉扎(或固定)层PL，并且其磁化方向不容易改变。当自由层54中的磁化与钉扎层PL52中的磁化平行时，跨存储器单元50的电阻是相对低的。当自由层FL54中的磁化与钉扎层PL52中的磁化反平行时，跨存储器单元50的电阻是相对高的。通过测量存储器单元50的电阻来读取存储器单元50中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接到存储器单元50的电导体60/70用于读取MRAM数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。在其余的文本和附图中，写入电流的方向被定义为电子流动的方向。因此，术语写入电流是指电子电流。为了“设置”MRAM单元位值(即，选择自由层磁化的方向)，从导体60向导体70施加电写入电流62。写入电流中的电子随着它们穿过钉扎层52而变为自旋极化的，因为钉扎层52为铁磁金属。虽然铁磁金属中的传导电子将具有与磁化方向共线的自旋取向，但它们中的绝大部分将具有与磁化方向平行的特定取向，从而产生净自旋极化电流。(电子自旋是指角动量，其与电子磁矩的方向成正比但反平行，但为了便于讨论，从目前开始不会再使用这种方向性的区别)。当自旋极化的电子隧穿隧道势垒层56时，角动量的守恒可以导致扭矩被施加在自由层54和钉扎层52两者上，但该扭矩不足以(通过设计)实现钉扎层的磁化方向。相反，如果自由层54的初始磁化取向与钉扎层52反平行，则该扭矩(通过设计)足以使自由层54中的磁化取向切换成与钉扎层52的磁化取向平行。然后，在关闭此写入电流之前和之后，平行磁化将保持稳定。相比之下，如果自由层54磁化和钉扎层52磁化最初是平行的，则通过施加与上述情况相反方向的写入电流，可以将自由层磁化STT切换成与钉扎层52反平行。因此，经由相同的STT物理性质，可以通过明智地选择写入电流方向(极性)来确定性地将自由层54的磁化方向设置为两个稳定取向中的任一个。图1B的MRAM存储器单元使用其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在平面内方向上的材料。相比之下，图1C描绘了其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在垂直方向上的STT切换MRAM存储器单元75的示意图。存储器单元75包括磁隧道结(MTJ)76，该磁隧道结包括上铁磁层78、下铁磁层80和隧道势垒(TB)82，该隧道势垒为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，下铁磁层80为自由本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种装置，包括：/n磁隧道结，所述磁隧道结包括平面内的自由层，所述自由层包括垂直于所述平面的可切换的磁化方向；/n铁磁层；和/n间隔层，所述间隔层在所述铁磁层和所述自由层之间，所述铁磁层被配置为响应于通过所述铁磁层的电流以生成垂直极化的自旋电流并将所述垂直极化的自旋电流通过所述间隔层注入所述自由层中以改变所述自由层的所述磁化方向。/n
【技术特征摘要】
20180802 US 62/714,001;20181212 US 16/217,2921.一种装置，包括：
磁隧道结，所述磁隧道结包括平面内的自由层，所述自由层包括垂直于所述平面的可切换的磁化方向；
铁磁层；和
间隔层，所述间隔层在所述铁磁层和所述自由层之间，所述铁磁层被配置为响应于通过所述铁磁层的电流以生成垂直极化的自旋电流并将所述垂直极化的自旋电流通过所述间隔层注入所述自由层中以改变所述自由层的所述磁化方向。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层为自旋交换层，所述自旋交换层被配置为响应于通过所述铁磁层的所述电流经由自旋交换以引起垂直极化的自旋电流。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层被配置为响应于通过所述铁磁层的所述电流经由自旋轨道交互作用生成所述垂直极化的自旋电流，所述自旋轨道交互作用包括所述铁磁层中的第一自旋电流引起横向自旋电流，其中自旋方向和流动方向互换，所述横向自旋电流包括所述垂直极化的自旋电流。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层在平面内磁化。
5.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层平行于所述电流的流动方向磁化。
6.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层为具有高度自旋极化的金属。
7.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层的自旋扩散长度大于所述铁磁层的厚度的一半。
8.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层的自旋扩散长度大于所述铁磁层的厚度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述磁隧道结、所述铁磁层和所述间隔件包括自旋轨道扭矩MRAM存储器单元。
10.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述铁磁层为赫斯勒合金。
11.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述间隔层被配置为将所述铁磁层和所述自由层磁去耦。
12.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述间隔层为自旋霍尔效应(SHE)层。
13.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述间隔层包括非铁磁SHE层，所述非铁磁SHE层被配置为响应于通过所述铁磁层的所述电流以生成平面内极化的自旋电流并将...
【专利技术属性】
技术研发人员：G·米哈伊洛维克，O·莫森兹，
申请(专利权)人：闪迪技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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