[發明專利]無外磁場定向自旋翻轉的SOT-MRAM及陣列

在審

• 申請號: 202010846250.2
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN111986717A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 邢國忠;林淮;劉宇;張培文;謝常青;李泠;劉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;G11C5/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

一種無外磁場定向自旋翻轉的SOT?MRAM及陣列。SOT?MRAM自上往下依次包括：選通器(1)，在外加電壓的作用下接通或斷開SOT?MRAM；磁隧道結(2)，自上往下依次包括鐵磁參考層(201)、隧穿層(202)和鐵磁自由層(203)；自旋軌道耦合層(3)，由重金屬、摻雜重金屬、重金屬合金、雙重金屬層、半導體材料、二維半金屬材料、反鐵磁材料中的一種及以上組成，利用層間交換耦合效應在鐵磁自由層(203)中產生平面內有效場，并利用自旋霍爾效應產生自旋軌道矩，以在磁隧道結(2)中進行數據確定性存儲。本公開利用鐵磁層的垂直各向異性，在無外加磁場輔助下，通過層間交換耦合和自旋轉移矩聯合效應，實現SOT驅動磁隧道結鐵磁自由層定向自旋翻轉，并實現三維陣列結構。

技術領域

本公開涉及磁存儲技術領域，具體地，涉及一種無外磁場定向自旋翻轉的SOT-MRAM及陣列。

背景技術

隨著存儲介質研究的不斷發展，基于自旋物理現象的磁隨機存儲器(MagneticRandom Access Memory，MARM)以其優越的性能得到了廣泛關注。自旋軌道矩磁隨機存儲器(Spin-Orbit Torque MRAM，SOT-MRAM)字線中通入電荷流，在字線的自旋軌道耦合效應下產生自旋流并注入磁隧道結(MTJ)的鐵磁自由層，只有在外加磁場的作用下，自旋流通過自旋軌道矩驅動鐵磁自由層的磁化方向的可控翻轉，才能實現信息寫入。相關技術中的SOT-MRAM，需要一個外加磁場打破對稱性來實現確定性的自旋翻轉，外加磁場使得SOT-MRAM難以集成；此外，SOT-MRAM的三端器件結構使得存儲單元的面積更大，不適用于器件的三維集成，不利于提升SOT-MRAM的容量。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種無外磁場定向自旋翻轉的SOT-MRAM及陣列，在SOT-MRAM中實現了鐵磁層的垂直各向異性和無外場定向自旋翻轉及三維集成。

(二)技術方案

本公開提供了一種無外磁場定向自旋翻轉的SOT-MRAM，所述SOT-MRAM自上往下依次包括：選通器1，在外加電壓的作用下接通或斷開所述SOT-MRAM；磁隧道結2，自上往下依次包括鐵磁參考層201、隧穿層202和鐵磁自由層203；自旋軌道耦合層3，由重金屬、摻雜重金屬、重金屬合金、金屬氧化物、雙重金屬層、半導體材料、二維半金屬材料、反鐵磁材料中的一種及以上組成，利用層間交換耦合效應在所述鐵磁自由層203中產生平面內有效場，并利用自旋霍爾效應產生自旋軌道矩，以在所述磁隧道結2中進行數據確定性存儲。

可選地，所述鐵磁自由層203中磁性材料的磁化方向垂直于鐵磁材料所處平面。

可選地，所述選通器1為由二維范德華材料組成的金屬-半導體-金屬結構，所述外加電壓為外加正向電壓或外加反向電壓。

可選地，所述二維范德華材料為WS₂或WSe₂。

可選地，所述鐵磁參考層201和鐵磁自由層203由CoFeB、Co或NiFe組成。

可選地，所述隧穿層202由MgO組成。

可選地，所述自旋軌道耦合層3中，所述重金屬由Pt、Pd、Hf、β-Ta、β-W中的一種及以上組成；所述重金屬合金由Pt₈₀Al₂₀、Pt₈₅Hf₁₅、Pt₇₅Au₂₅中的一種及以上組成；所述金屬氧化物由W₈₈O₁₂、PtO₂中的一種及以上組成；所述反鐵磁材料由PtMn、FeMn、PdMn、IrMn中的一種及以上組成；所述半導體材料為(Ga，Mn)As；所述二維半金屬材料由WTe₂、MoTe₂、PtTe₂中的一種及以上組成。