自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器制造技术

本公开提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器，其自旋轨道扭矩磁随机存储单元包括：磁隧道结和选通器；选通器为二维材料基选通器；磁隧道结布置在所述选通器的上方；所述磁隧道结包括反铁磁层和自由层，所述自由层与所述反铁磁层邻接；所述选通器开启，所述存储单元导通，电流产生自旋流注入所述自由层，在所述自由层和所述反铁磁层的交换偏置效应作用下，所述自由层磁化方向翻转。本公开无外场利用交换偏置效应，通过施加磁隧道结优化偏置电压可实现室温零磁场下的SOT‑MRAM存储单元的确定性磁化翻转，达到数据写入的目的，实现双端结构的SOT‑MRAM存储单元。

【技术实现步骤摘要】
自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器
本公开涉及磁随机存储器领域，尤其涉及一种无外场定向磁化翻转三维集成的自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器。
技术介绍
全球信息化高速发展对数据处理芯片算力的空前需求给现有存储器架构带来了巨大的挑战，也驱使着新型存储技术的不断革新。传统的硅基存储技术趋近极限，凸显能耗、读写速度、可靠性和存储容量等方面的壁垒，促使各类新型存储器近年来得到快速发展。作为新型存储器之一，磁随机存储器(MagneticRandomAccessMemory，简称MRAM)，具有高读写速度、低功耗、非易失性、抗辐照等优点，使其在信息领域受到全世界的广泛关注和深入研究。信息处理对存储器读写速度、存储容量、功耗和可靠性等日益增长的技术需求，促进了MRAM研究成果的迭代。第一代的MRAM采用脉冲电流产生奥斯特场，作为驱动铁磁层信息写入的方式。然而这种方法导致极大的功耗，并且对邻近存储单元存在不可避免的干扰，不利于器件的高密度集成。因此，第一代的MRAM技术在实际应用中未得到大规模拓展。作为第二代MRAM，自旋转移扭矩磁随机存储器(SpinTransferTorqueMRAM，简称STT-MRAM)具有更优异的器件性能。STT-MRAM的核心为“三明治”结构的磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)，其基本结构由上下电极，以及电极之间的参考层、隧穿层和存储信息的自由层组成。极薄的MTJ通过自旋的注入实现信息的存储，在具有与传统静态随机存储器(SRAM)相当的读写速度的同时，大大缩小了器件的尺寸并降低功耗，且具有未来存储器件必备的非易失性特性。因此，在其发展过程中，研究者们也将STT-MRAM定位在与SRAM相似的高速存储器件上，不断进行着创新研发。然而，STT-MRAM信息的写入过程需较大电流直接通过隧道结，不利于器件稳定且伴随着相对的高功耗。针对STT-MRAM存储技术存在的不足，新一代的MRAM应运而生。2012年，自旋轨道扭矩磁随机存储器(Spin-OrbitTorqueMRAM，简称SOT-MRAM)技术被提出。虽然SOT-MRAM核心结构同样是MTJ，却有着完全不同的信息写入方式。利用自旋-轨道矩SOT效应来翻转磁自由层，写入信息时不需大电流通过隧道结，实现信息的读、写分离，这可以极大提高器件的稳定性，且实验验证拥有比STT更快的磁化翻转速度和更低的翻转临界电流密度，有助于大幅降低功耗。虽然自旋-轨道矩SOT有望解决自旋-转移矩STT所面临的速度、能耗和势垒可靠性的瓶颈，但SOT仍旧有亟待解决的问题。首先，数据写入时，要求SOT-MRAM需要外加辅助面内静磁场，这不利于SOT-MRAM的制造与小型化；其次，传统三端SOT-MRAM占有比STT-MRAM这类双端器件更大的面积，不利于存储容量的进一步提升。因此，如何在不依赖外加磁场的全电学驱动的条件下，实现SOT-MRAM高速、高可靠、低功耗的信息存储和读取，以及如何提高SOT-MRAM的存储容量，成为了可集成SOT-MRAM发展道路上亟待解决的关键核心问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器，以解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元，包括：选通器，为二维材料基选通器；磁隧道结，其布置在所述选通器的上方或下方；所述磁隧道结包括反铁磁层和自由层，所述自由层与所述反铁磁层邻接；所述选通器开启，所述存储单元导通，电流产生自旋流注入所述自由层，在所述自由层和所述反铁磁层的交换偏置效应作用下，所述自由层磁化方向翻转。在本公开的一些实施例中，所述磁隧道结还包括：隧穿层和参考层，所述参考层、所述隧穿层、所述自由层和所述反铁磁层依次层叠；所述选通器与所述反铁磁层邻接或者与所述参考层邻接；或者，所述磁隧道结还包括：铁磁层、隧穿层和参考层，所述参考层、所述隧穿层、所述自由层、所述反铁磁层和所述铁磁层依次层叠；所述选通器与所述铁磁层邻接或者与所述参考层邻接。在本公开的一些实施例中，所述自旋轨道扭矩磁随机存储单元还包括：字线和位线，所述选通器和所述磁隧道结设置在所述字线和所述位线间。在本公开的一些实施例中，所述选通器包括：叠层单元，所述叠层单元为金属-二维半导体-金属结构，所述金属-二维半导体-金属结构包括：二维半导体层，以及分别设置于所述二维半导体层上、下表面的金属层；其中，在所述二维材料选通器通电导通时，所述叠层单元包括两个反向并联的肖特基二极管结构；或者所述选通器包括：M个叠层单元，M≥2，每个叠层单元为金属-二维半导体-金属结构，所述金属-二维半导体-金属结构包括：二维半导体层，以及分别设置于所述二维半导体层上、下表面的金属层；其中，每个叠层单元中，其中一个金属-二维半导体界面形成欧姆接触，另一个金属-二维半导体界面形成肖特基接触；所述M个叠层单元沿着第一方向排布，所述第一方向平行于所述二维半导体层所在平面，在所述M个叠层单元中相邻的两个叠层单元的侧壁之间设置有绝缘层，在所述二维材料基选通器通电导通时所述M个叠层单元为M个反向并联的肖特基二极管结构。在本公开的一些实施例中，所述参考层具有在膜平面中或不在膜平面中的磁极化；所述自由层具有与所述参考层相平行或反平行的磁极化。在本公开的一些实施例中，所述选通器材料为二维范德华材料，选自WS2或WSe2；所述选通器的开启电压为-1V或1V；所述选通器的开启电流密度为10MA/cm2；所述选通器厚度的范围为2nm-7nm。在本公开的一些实施例中，所述隧穿层的材料为MgO、Al2O3、MaAl2O4和h-BN中的一种或多种或二维范德华材料h-BN中的一种或多种；所述自由层材料为二维铁磁材料，选自Fe3GeTe2、FeCo、CrCoPt、CoFeB、CoFe2Al、Mn3Ga或者二维铁磁材料Ni3GeTe2、VSe2、CrI3中的一种或多种；所述反铁磁层的材料选自Fe3GeTe2、IrMn、FeMn、NiMn、CoMn、PtMn,、Co/Pt、FeO、CoO、NiO、MnO中的一种或多种；所述反铁磁层为至少一层；所述铁磁层的材料选自Fe3GeTe2、IrMn、FeMn、NiMn、CoMn、PtMn,、Co/Pt、FeO、CoO、NiO、MnO中的一种或多种；所述铁磁层为至少一层。在本公开的一些实施例中，所述字线材料选自Ta、Pt、β-W中任一种或多种。根据本公开的一个方面，还提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储阵列，其中，所述存储阵列包括：至少一层交叉存储阵列，每层交叉存储阵列包括：位线阵列，包括沿着第一方向平行设置的多条位线；字线阵列，包括沿着第二方向平行设置的多条字线；其中所述第一方向与所述第二方向之间具有夹角；设置于所述字线阵列和所述位线阵列交叉点处的多个存储单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元，包括：/n选通器，为二维材料基选通器；/n磁隧道结，其布置在所述选通器的上方或下方；所述磁隧道结包括反铁磁层和自由层，所述自由层与所述反铁磁层邻接；/n所述选通器开启，所述存储单元导通，电流产生自旋流注入所述自由层，在所述自由层和所述反铁磁层的交换偏置效应作用下，所述自由层磁化方向翻转。/n

【技术特征摘要】
1.一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元，包括：
选通器，为二维材料基选通器；
磁隧道结，其布置在所述选通器的上方或下方；所述磁隧道结包括反铁磁层和自由层，所述自由层与所述反铁磁层邻接；
所述选通器开启，所述存储单元导通，电流产生自旋流注入所述自由层，在所述自由层和所述反铁磁层的交换偏置效应作用下，所述自由层磁化方向翻转。


2.根据权利要求1所述的自旋轨道扭矩磁随机存储单元，其中，
所述磁隧道结还包括：隧穿层和参考层，所述参考层、所述隧穿层、所述自由层和所述反铁磁层依次层叠；所述选通器与所述反铁磁层邻接或者与所述参考层邻接；或者，
所述磁隧道结还包括：铁磁层、隧穿层和参考层，所述参考层、所述隧穿层、所述自由层、所述反铁磁层和所述铁磁层依次层叠；所述选通器与所述铁磁层邻接或者与所述参考层邻接。


3.根据权利要求1所述的自旋轨道扭矩磁随机存储单元，其中，所述自旋轨道扭矩磁随机存储单元还包括：
字线和位线，所述选通器和所述磁隧道结设置在所述字线和所述位线间。


4.根据权利要求1所述的自旋轨道扭矩磁随机存储单元，其中，所述选通器包括：
叠层单元，所述叠层单元为金属-二维半导体-金属结构，所述金属-二维半导体-金属结构包括：二维半导体层，以及分别设置于所述二维半导体层上、下表面的金属层；
其中，在所述二维材料选通器通电导通时，所述叠层单元包括两个反向并联的肖特基二极管结构；或者
所述选通器包括：
M个叠层单元，M≥2，每个叠层单元为金属-二维半导体-金属结构，所述金属-二维半导体-金属结构包括：二维半导体层，以及分别设置于所述二维半导体层上、下表面的金属层；
其中，每个叠层单元中，其中一个金属-二维半导体界面形成欧姆接触，另一个金属-二维半导体界面形成肖特基接触；
所述M个叠层单元沿着第一方向排布，所述第一方向平行于所述二维半导体层所在平面，在所述M个叠层单元中相邻的两个叠层单元的侧壁之间设置有绝缘层，在所述二维材料基选通器通电导通时所述M个叠层单元为M个反向并联的肖特基二极管结构。


5.根据权利要求2所述的自旋轨道...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢国忠，林淮，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11