[发明专利]磁性随机存储器及装置

说明书

本发明提供了一种磁性随机存储器及装置，所述磁性随机存储器包括：种子层，具有第一晶向；自旋轨道矩配线层，设于所述种子层上，所述自旋轨道矩配线层的晶格结构受到所述种子层的作用而具有第二晶向，当向自旋轨道矩配线层输入自旋轨道矩电流时，所述自旋轨道矩配线层形成面外方向的类阻尼矩；磁隧道结，设于所述自旋轨道矩配线层上，本发明可使自旋轨道矩配线层具有面外方向类阻尼矩的自旋轨道矩，且具有较大的电流‑自旋流转化效率(自旋霍尔角)既能提高翻转效率，也能够在翻转垂直磁各向异性磁矩时避免额外打破对称性的外加磁场。

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性随机存储器、装置及读写控制方法。

背景技术

随着半导体工艺尺寸的不断缩小，摩尔定律放缓，漏电流的增加和互联延迟成为传统CMOS存储器的瓶颈。寻找新一代存储技术的解决方案成为集成电路研究的重点，其中磁性随机存储单元器受到广泛关注。相对比传统器件，磁性随机存储器(Magnetic randomaccess memory，MRAM)具有无限擦写次数、非易失性、读写速度快和抗辐照等优点，有望成为通用存储器，是构建下一代非易失存储器以及存内计算的理想器件。

基于自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)实现信息写入的磁随机存储器MRAM具有高集成度、非易失以及与CMOS工艺兼容等特点，在嵌入式存储器及计算机末级缓存等领域具有独特的优势，尤其是基于垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy,PMA)的磁随机存储器具有集成度更高、功耗更低的优势。其基本单元磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)是包括自由层(铁磁层)、绝缘层(隧穿层，势垒层)、和参考层(铁磁层)的三明治结构组成的隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)器件，其自由层的磁矩状态可由写入电流通过STT实现调控，然而在利用STT实现信息写入时，写入电流将隧穿通过绝缘层，带来不可避免地寿命及写入功耗问题。

为解决上述问题，利用自旋轨道矩(Spin Orbit Torque,SOT)实现铁磁层磁矩状态的改变成为研究热点。其核心结构通常为铁磁层/自旋轨道矩配线层双层结构，自旋轨道矩可源于自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)及Rashba效应，根据作用机理，可将SOT分为两部分，一部分为类场矩，一部分为类阻尼矩。电流在流经自旋轨道矩配线层时，由于自旋轨道耦合作用的存在会产生自旋流，自旋流作用于邻近的铁磁层产生SOT，从而改变铁磁层磁矩状态。利用SOT实现磁矩翻转过程中，电流只需要流经配线，配线通常由导电性良好的金属构成，且不会流经绝缘层，解决了STT写入的寿命和功耗问题。

然而对于PMA-MTJ，驱动电流通过常规的W、Ta等重金属自旋轨道矩配线层时只能产生面内方向的等效场(如图1所示，电流方向为x方向，x,y方向为面内方向，铁磁层磁矩为z方向，即垂直方向，也可称为面外方向)，只有沿x方向再引入一个打破对称性的等效场分量才能使得磁矩完全翻转。目前有多种方式能够提供打破对称性的等效场使得上述体系能够实现对垂直磁矩的翻转。例如：直接施加x方向的外加磁场，但该方式不利于大规模集成同时难以实现低功耗；通过改变磁性层的形状各向异性实现完全翻转，该方式会增加工艺的复杂程度，同时也不利于大规模集成；增加反铁磁层，通过控制材料成分、厚度及退火工艺等方式实现对垂直磁矩的完全翻转，但该方式可提供的面内等效场有限，并且给铁磁层制备良好的PMA增加了难度。

除上述问题外，由于面内方向的SOT与磁矩方向垂直，因此在翻转磁矩时，磁矩不是处于震荡模式，翻转磁矩需要克服各向异性场，驱动电流通过自旋轨道矩配线层时产生的SOT需要大于γHan/2，其中γ是旋磁比，Han为磁各向异性场。与此相比，面外方向的类阻尼矩SOT与磁矩方向平行，可改变等效阻尼系数大小，当等效阻尼系数变为负数时可实现磁矩翻转，SOT只需大于ɑ*γHan即可，ɑ为阻尼系数，通常在0.01量级。因此面外方向类阻尼矩SOT具有更高的能量效率。

发明内容