自旋轨道矩磁随机存储器及其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：轨道霍尔层，适用于在面内电流的作用下产生轨道极化流；磁隧道结，从下而上依次包括：磁自由层，适用于在扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；磁自由层具有垂直各向异性；隧穿绝缘层；磁钉扎层；反铁磁层或人工反铁磁层；其中，沿第一自旋方向的自旋极化流和与第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层的磁化方向发生确定性翻转，以向存储单元存储信息。息。息。

【技术实现步骤摘要】
自旋轨道矩磁随机存储器及其操作方法


[0001]本专利技术的至少一种实施例涉及一种自旋轨道矩磁随机存储器，尤其涉及一种基于轨道霍尔效应的全电控自旋轨道矩磁随机存储器及其操作方法。

技术介绍

[0002]当前数字计算机的动态随机存储器(DRAM)、静态随机存储器(SRAM)等存储单元需要一直通电保存数据，能耗较高。自旋轨道矩磁随机存储器(Spin
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Orbit Torque Magnetic RandomAccess Memory，SOT
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MRAM)具有非易失性、高速、低能耗、抗磁性、与传统半导体工艺兼容等优点，有望替代DRAM、SRAM，实现高能效、非易失性的数据存储、存算一体等应用。然而，现有的垂直各向异性的SOT
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MRAM存储单元需要外加辅助磁场帮助实现定向翻转，这限制了其大规模集成应用。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供一种基于轨道霍尔效应的全电控自旋轨道矩磁随机存储器，利用施加在轨道霍尔层的面内电流调控磁自由层的确定性翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元写入数据。
[0004]本专利技术提供一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括以阵列形式排布的多个存储单元，每个存储单元包括：
[0005]轨道霍尔层，适用于在流经轨道霍尔层的面内电流的作用下产生轨道极化流；
[0006]磁隧道结，形成在轨道霍尔层上，从下而上依次包括：磁自由层，适用于在扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；磁自由层具有垂直各向异性；隧穿绝缘层；磁钉扎层，具有固定的磁化方向，磁钉扎层具有垂直各向异性；反铁磁层或人工反铁磁层，适用于钉扎磁钉扎层的磁化方向，以使磁钉扎层的磁化方向保持固定；
[0007]保护层，适用于防止磁隧道结被氧化；
[0008]顶电极层，形成在保护层上；
[0009]其中，沿第一自旋方向的自旋极化流和与第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导磁自由层的磁化方向发生确定性翻转，以向存储单元存储信息。
[0010]本专利技术还提供一种操作上述的自旋轨道矩磁随机存储器的操作方法，包括：施加流经轨道霍尔层的面内电流，诱导磁自由层的磁化方向发生定向翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元写入数据；以及施加流经磁隧道结的垂直电流，以读取存储单元的存储信息。
[0011]根据本专利技术上述实施例提供的自旋轨道矩磁随机存储器，施加流经轨道霍尔层的面内电流，在面内电流的作用下产生轨道极化流，扩散至磁自由层的面内电流和轨道极化流转换为自旋方向相反的自旋极化流，具有相反自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效
应，诱导磁自由层的磁矩发生定向翻转，以改变磁自由层与磁钉扎层的相对磁化方向，进而向存储单元存储信息，实现无外磁场辅助的电控磁翻转。
附图说明
[0012]图1为根据本专利技术一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图；
[0013]图2为根据本专利技术一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的写入过程的示意图；
[0014]图3为根据本专利技术一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的存储状态的示意图；
[0015]图4为根据本专利技术一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的存储状态的示意图；
[0016]图5为根据本专利技术一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的读取过程的示意图；
[0017]图6为根据本专利技术另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图；
[0018]图7为根据本专利技术另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的写入过程的示意图；以及
[0019]图8为根据本专利技术另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的读取过程的示意图。
[0020]【附图标记说明】
[0021]100
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实施例1的自旋轨道矩磁随机存储单元；
[0022]200
‑
实施例2的自旋轨道矩磁随机存储单元；
[0023]1‑
轨道霍尔层；
[0024]2‑
磁隧道结；
[0025]21
‑
磁自由层；
[0026]22
‑
隧穿绝缘层；
[0027]23
‑
磁钉扎层；
[0028]24
‑
反铁磁层或人工反铁磁层；
[0029]3‑
保护层；
[0030]4‑
顶电极；
[0031]5‑
第一底电极；
[0032]6‑
第二底电极；
[0033]7‑
自旋霍尔层。
具体实施方式
[0034]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。但是，本专利技术能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使专利技术彻底和完全，并且将本专利技术的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
[0035]在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0036]自旋轨道矩磁随机存储器，是利用磁矩翻转进行随机存储的磁性随机存取存储器。通过改变磁自由层相对于固定磁层(也称为参考磁层或者磁钉扎层)的磁化方向，形成
分别与平行磁化状态和反平行磁化状态对应的不同磁电阻态来完成数据的存储。磁自由层与磁钉扎层之间的平行和反平行磁化状态(及其对应的磁致电阻状态)与所存储的数据“1”和“0”之间的对应关系可以自由地确定。例如，当磁自由层的磁化方向平行于磁钉扎层的磁化方向时，磁隧道结具有低阻态；当磁自由层的磁化方向反平行于磁钉扎层的磁化方向时，磁隧道结具有高阻态。磁隧道结的低阻态和高阻态分别对应于二进制数据的“1”和“0”。
[0037]有鉴于此，本专利技术提供一种基于轨道霍尔效应的全电控垂直各向异性的自旋轨道矩磁随机存储单元，以及利用该存储单元形成的自旋轨道矩磁随机存储器。具体而言，利用施加在轨道霍尔层的面内电流调控磁自由层的确定性翻转，其中，面内电流的方向与磁自由层的翻转方向相关。
[0038]图1为根据本专利技术一实施例的自旋轨道矩磁随机存储单元的剖视图。
[0039]根据本专利技术的一种示例性实施例，本专利技术提供一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括以阵列形式排布的多个如图1所示的存储单元，每个存储单元可存储一比特数据“0”或“1”。参考图1所示，每个存储单元包括：轨道霍尔层1、磁隧道结(MTJ)2、保护层3、顶电极层4。
[0040]根据本专利技术的实施例，轨道霍尔层1，适用于在流经轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自旋轨道矩磁随机存储器，包括以阵列形式排布的多个存储单元，其特征在于，每个所述存储单元包括：轨道霍尔层(1)，适用于在流经所述轨道霍尔层(1)的面内电流的作用下产生轨道极化流；磁隧道结(2)，形成在所述轨道霍尔层(1)上，从下而上依次包括：磁自由层(21)，适用于在扩散至所述磁自由层(21)的所述面内电流和所述轨道极化流的作用下产生沿第一自旋方向的自旋极化流和沿与所述第一自旋方向相反的第二自旋方向的自旋极化流；所述磁自由层(21)具有垂直各向异性；隧穿绝缘层(22)；磁钉扎层(23)，具有固定的磁化方向，所述磁钉扎层(23)具有垂直各向异性；反铁磁层或人工反铁磁层(24)，适用于钉扎所述磁钉扎层(23)的磁化方向，以使所述磁钉扎层(23)的磁化方向保持固定；保护层(3)，适用于防止所述磁隧道结(2)被氧化；顶电极层(4)，形成在所述保护层(3)上；其中，沿所述第一自旋方向的自旋极化流和与所述第一自旋方向具有相反自旋方向的沿第二自旋方向的自旋极化流产生竞争自旋流效应，诱导所述磁自由层(21)的磁化方向发生确定性翻转，以向所述存储单元存储信息。2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，每个所述存储单元还包括：形成在所述轨道霍尔层(1)的相对两端的第一底电极(5)和第二底电极(6)；其中，所述第一底电极(5)和所述第二底电极(6)适用于施加流经所述轨道霍尔层(1)的面内电流；所述第一底电极(5)和所述第二底电极(6)之一与所述顶电极(4)适用于施加流经所述磁隧道结(2)的垂直电流。3.根据权利要求2所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，向所述存储单元存储信息包括：向所述轨道霍尔层(1)施加沿第一方向的面内电流，诱导所述磁自由层(21)的磁化方向根据所述面内电流的方向发生确定性翻转，以向所述存储单元写入数据“0”；向所述轨道霍尔层(1)施加沿与所述第一方向相反的第二方向的面内电流，诱导所述磁自由层(21)的磁化方向根据所述面内电流的方向发生确定性翻转，翻转方向与施加所述第一方向的面内电流的翻转方向相反，以向所述存储单元写入数据“1”。4.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，所述轨道霍尔层(1)采用具有轨道霍尔效应的材料形成，以在所述面内电流的作用下产生所述轨道极化流；优选地，所述轨道霍尔层(1)的材料包括以下至少之一：Mo、Ir、Ti、V、Cr。5.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其特征在于，所述磁自由层(21)包括轨道
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自旋转换原子Y和铁磁材料X组成的合金材料X
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Y，铁磁材料X包括以下至少之一：Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、CoFeB；轨道
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自旋转换原子Y包括以下至少之...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开友，兰修凯，阿贝贝，雷坤，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：