[发明专利]一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器

说明书

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，尤其涉及一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)是一种非易失型的存储器，由依靠电路相互连接的磁性隧道结(MTJ)阵列组成。每个MTJ含有磁性的记录层和固定层。记录层和固定层之间由非磁性的隧穿层分开。在MTJ正常工作时记录层的磁化方向可以改变，而固定层的磁化方向保持不变。MTJ的电阻与记录层和固定层的相对磁化方向有关。当记录层的磁化方向相对于固定层的磁化方向发生改变时，MTJ的电阻值相应改变，对应于不同的存储信息(如0或1)。电阻值发生变化的幅度称为磁电阻。

自旋霍尔效应被用来降低MRAM的功耗。在擦写得过程中，记录层的偏转通过电子的自旋轨道耦合(SOC)效应实现。当面内水平电流通过MTJ重金属下电极时，电流在记录层与重金属下电极的界面产生的极化电流。当有偏置外磁场存在的情况下，如果电流的大小超过SOC效应的阈值，则导致记录层的磁化方向发生反转。反转后记录层的磁化方向由写电流流动的方向决定。

但是在自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器中,尤其是在垂直磁性隧道结(pMTJ)的写入过程中，如果没有偏置外磁场，SOC效应只能将记录层磁化方向从垂直方向改变为水平方向。关闭写电流则最终的记录层磁化方向不确定，对应的存储信息也不确定(如0或1)。以往的解决方案是在固定层的上方加入水平磁化层(US8,889,433B2)。MTJ形成以后，水平磁化层产生的静磁场对纪录层产生偏置作用。由于固定层相对较厚，所以需要足够厚水平磁化层才能产生足够强的静磁场。另外，较厚水平磁化层对相邻的记录位元也产生干扰，降低信噪比，并导致错误率升高。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，将磁性层放置于产生自旋霍尔效应的重金属层上方或下方，与重金属层之间有一层绝缘层相隔。该发明可以有效地缩短水平磁化层与记录层之间的距离，即使较薄的水平磁化层也能产生较强的偏置外磁场。另外，较薄的水平磁化层对相邻的记录位元的干扰也会降低。本发明对MRAM的制备生产有着重要意义，有很大的应用前景。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种自旋霍尔效应辅助的磁性随机存储器，包括金属电极、磁性隧道结、产生自旋霍尔效应的重金属层、绝缘层、产生偏置磁场的磁性层；绝缘层设于磁性层与重金属层之间；磁性隧道结连接于重金属层上方或下方；金属电极通过磁性隧道结与重金属层相互连接。

作为优选，所述磁性隧道结包括垂直固定层I、耦合层、垂直固定层II、隧穿层、垂直记录层；若磁性隧道结连于重金属层上方，则垂直记录层、隧穿层、垂直固定层II、耦合层、垂直固定层I自下而上依次堆叠连接；若磁性隧道结连于重金属层下方，则垂直固定层II、耦合层、垂直固定层I、隧穿层、垂直记录层自下而上依次堆叠连接。

作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、垂直记录层的磁化方向为在膜层内或垂直于膜层。

作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、耦合层组成SAF结构；耦合层为反铁磁耦合层；SAF结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成，两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列；反铁磁耦合层的材料含有钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。

作为优选，垂直记录层也可以由SAF结构组成。

作为优选，所述隧穿层包括一层或多层绝缘层，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。

作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、垂直记录层的材料含有铁、钴、镍、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、铂、钯、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜的一种或几种组合。

作为优选，所述产生自旋霍尔效应的重金属层的材料含有铂、钯、钽或钨。

作为优选，所述产生偏置磁场的磁性层的材料含有钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨，以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构的一种或几种组合。