[發明專利]一種使用加強自旋霍爾效應的磁性隨機存儲器

在審

• 申請號: 201810055467.4
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108320768A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 郭一民;戴瑾
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;H01L43/08;H01L43/06;H01L27/22
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發明公開了一種使用加強自旋霍爾效應的磁性隨機存儲器，包括：磁性隧道結、自旋霍爾效應層、自旋霍爾效應加強層、讀寫電路。自旋霍爾效應層位于磁性隧道結和自旋霍爾效應加強層之間，磁性隧道結由參考層、隧道勢壘層、記憶層組成，參考層和記憶層的磁化方向在面內，記憶層緊鄰自旋霍爾效應層。自旋霍爾效應層采用過渡族金屬層，過渡族金屬層選自鉑、金、銀、鉭、鎢、鈀、鉿、銥、鋨、錸之中的一種。自旋霍爾效應加強層采用軟磁材料層。讀寫通過不同的電流，不用擔心讀造成不穩定。軟磁材料加強了自旋霍爾效應，使得可以利用很小的電流完成寫操作。

技術領域

本發明涉及磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具體涉及一種使用加強自旋霍爾效應的磁性隨機存儲器，屬于磁性隨機存儲器制造技術領域。

背景技術

MRAM是一種新的內存和存儲技術，可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數據。不像DRAM以及Flash那樣與標準CMOS半導體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個芯片中。

MRAM的原理，是基于一個叫做磁性隧道結(MTJ)的結構。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，電流可以穿過中間的隧道勢壘層12，但是磁性隧道結的電阻和可變磁化層的磁化方向有關。記憶層11和參考層13的磁化方向相平行時電阻低，如圖1；反平行時電阻高，如圖2。

讀取MRAM的過程就是對磁性隧道結的電阻進行測量，如圖3所示。使用比較新的STT-MRAM技術，寫MRAM也比較簡單：使用比讀更強的電流穿過磁性隧道結進行寫操作。一個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已經開始投入應用，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)，讀的時候電壓太低噪聲過大會導致錯誤，稍高就會改變存儲單元的狀態造成不穩定。這就導致很難開發更低寫功耗的材料，因為它不能被穩定地讀出。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種磁性隨機存儲器的存儲單元，包括：磁性隧道結、自旋霍爾效應層、自旋霍爾效應加強層，自旋霍爾效應層位于磁性隧道結和自旋霍爾效應加強層之間；磁性隧道結由參考層、隧道勢壘層、記憶層組成，參考層和記憶層的磁化方向在面內，記憶層緊鄰自旋霍爾效應層。

進一步地，自旋霍爾效應層采用過渡族金屬層。更進一步地，過渡族金屬層選自鉑、金、銀、鉭、鎢、鈀、鉿、銥、鋨、錸之中的一種。過渡族金屬層的厚度為5nm～1000nm。

進一步地，自旋霍爾效應加強層采用軟磁材料層。軟磁材料層的厚度為0.5nm～100nm。

本發明還公開了一種磁性隨機存儲器，包括上述存儲單元和讀寫電路。磁性隨機存儲器進行讀操作時，在參考層和自旋霍爾效應加強層之間加縱向電壓并測量存儲單元的電阻。磁性隨機存儲器進行寫操作時，在自旋霍爾效應層內通電流，電流與自旋霍爾效應層平行。通過電流方向進行不同的寫操作。

本發明的有益效果：讀寫通過不同的電流，不用擔心讀造成不穩定。軟磁材料加強了自旋霍爾效應，使得可以利用很小的電流完成寫操作。

附圖說明

結合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發明由更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優點和特征，其中：

圖1是磁性隧道結處于低電阻態時，記憶層與參考層磁性平行的示意圖；