[發(fā)明專利]一種使用加強(qiáng)自旋霍爾效應(yīng)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810055463.6
• 申請(qǐng)日: 2018-01-19
• 公開（公告）號(hào): CN108400236A
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭一民;戴瑾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號(hào): H01L43/06
• 分類號(hào): H01L43/06;H01L43/08;G11C11/16
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發(fā)明公開了一種使用加強(qiáng)自旋霍爾效應(yīng)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，包括：磁性隧道結(jié)、自旋霍爾效應(yīng)層、自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層、讀寫電路。自旋霍爾效應(yīng)層位于磁性隧道結(jié)和自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層之間，磁性隧道結(jié)由參考層、隧道勢(shì)壘層、記憶層組成，參考層的磁化方向與參考層的延伸面垂直，記憶層的磁化方向與記憶層的延伸面垂直，記憶層緊鄰自旋霍爾效應(yīng)層。自旋霍爾效應(yīng)層采用過(guò)渡族金屬層，過(guò)渡族金屬層選自鉑、金、銀、鉭、鎢、鈀、鉿、銥、鋨、錸之中的一種。自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層采用軟磁材料層。讀寫通過(guò)不同的方式讀寫，不用擔(dān)心讀造成不穩(wěn)定。軟磁材料加強(qiáng)了自旋霍爾效應(yīng)，使得可以利用很小的電流產(chǎn)生自旋霍爾效應(yīng)，再通過(guò)很小的垂直方向電流完成寫操作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具體涉及一種使用加強(qiáng)自旋霍爾效應(yīng)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，屬于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

MRAM是一種新的內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)，可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機(jī)讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)。不像DRAM以及Flash那樣與標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個(gè)芯片中。

MRAM的原理，是基于一個(gè)叫做磁性隧道結(jié)(MTJ)的結(jié)構(gòu)。它是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料組成的，如圖1和圖2所示。下面的一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層13，上面的鐵磁材料是可變磁化方向的記憶層11，記憶層11的磁化方向可以和參考層13相平行或反平行。由于量子物理的效應(yīng)，電流可以穿過(guò)中間的隧道勢(shì)壘層12，但是磁性隧道結(jié)的電阻和可變磁化層的磁化方向有關(guān)。記憶層11和參考層13的磁化方向相平行時(shí)電阻低，如圖1；反平行時(shí)電阻高，如圖2。

讀取MRAM的過(guò)程就是對(duì)磁性隧道結(jié)的電阻進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。使用比較新的STT-MRAM技術(shù)，寫MRAM也比較簡(jiǎn)單：使用比讀更強(qiáng)的電流穿過(guò)磁性隧道結(jié)進(jìn)行寫操作。一個(gè)自下而上的電流把可變磁化層置成與固定層反平行的方向。自上而下的電流把它置成平行的方向。

盡管MRAM已經(jīng)開始投入應(yīng)用，但這一代的MRAM性能仍有不盡人意之處，比如，寫電流還是比較大，導(dǎo)致目前的寫功耗雖然比閃存低很多，但仍比SRAM大。由于讀寫分別用較低(<200mV)和較高的電壓(>500mV)，讀的時(shí)候電壓太低噪聲過(guò)大會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，稍高就會(huì)改變存儲(chǔ)單元的狀態(tài)造成不穩(wěn)定。這就導(dǎo)致很難開發(fā)更低寫功耗的材料，因?yàn)樗荒鼙环€(wěn)定地讀出。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開了一種磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，包括：磁性隧道結(jié)、自旋霍爾效應(yīng)層、自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層，自旋霍爾效應(yīng)層位于磁性隧道結(jié)和自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層之間；磁性隧道結(jié)由參考層、隧道勢(shì)壘層、記憶層組成，參考層的磁化方向與參考層的延伸面垂直，記憶層的磁化方向與記憶層的延伸面垂直，記憶層緊鄰自旋霍爾效應(yīng)層。

進(jìn)一步地，自旋霍爾效應(yīng)層采用過(guò)渡族金屬層。更進(jìn)一步地，過(guò)渡族金屬層選自鉑、金、銀、鉭、鎢、鈀、鉿、銥、鋨、錸之中的一種。過(guò)渡族金屬層的厚度為5nm～1000nm。

進(jìn)一步地，自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層采用軟磁材料層。軟磁材料層的厚度為0.5nm～100nm。

本發(fā)明還公開了一種磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，包括上述存儲(chǔ)單元和讀寫電路。磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作時(shí)，在參考層和自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層之間加讀操作縱向電壓并測(cè)量存儲(chǔ)單元的電阻；磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作時(shí)，在自旋霍爾效應(yīng)層內(nèi)通電流，電流與自旋霍爾效應(yīng)層平行，然后在參考層和自旋霍爾效應(yīng)加強(qiáng)層之間加寫操作縱向電壓，通過(guò)寫操作縱向電壓的方向來(lái)選擇不同的寫操作。

本發(fā)明的有益效果：讀寫通過(guò)不同的方式讀寫，不用擔(dān)心讀造成不穩(wěn)定。軟磁材料加強(qiáng)了自旋霍爾效應(yīng)，使得可以利用很小的電流產(chǎn)生自旋霍爾效應(yīng)，再通過(guò)很小的垂直方向電流完成寫操作。

附圖說(shuō)明