[发明专利]一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元

说明书

本发明公开了一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，所述无需外部磁场辅助的自旋轨道矩。存储单元包括自旋轨道矩磁隧道结结构，该自旋轨道矩磁隧道结结构包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层、位于所述自由层上的隧道势垒层及位于所述隧道势垒层上的参考层、及位于所述参考层上的顶电极；其中，通过在所述重金属层中施加电流以产生自旋流。通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，使得磁性层在无外磁场下，实现由自旋轨道矩诱导的磁矩定向翻转，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。

技术领域

本发明涉及信息技术及微电子领域，尤其涉及一种自旋轨道矩存储单元，自旋轨道矩存储单元包含一种基于自旋轨道矩改变磁存储单元电阻态的磁隧道结。

背景技术

磁电阻随机存储器(MRAM)为一种非易失性存储器件，其基本单元为磁隧道结。目前商用自旋转移矩-磁电阻随机存储器(STT-MARM)基于由自旋转移矩引起的存储单元中磁自由层磁化的翻转，导致磁电阻的改变，从而实现信息的存储功能。但是由于写入的大电流直接通过绝缘层，会影响器件的稳定性以及使用寿命。

基于自旋轨道矩的自旋轨道矩-磁电阻随机存储器(SOT-MRAM)读写路径分离，器件的可靠性大大增强，且读写速更快，能耗更低。利用自旋轨道矩翻转磁自由层的磁化方向，需要外加磁场。尽管已经有一些方法可以实现无外场下翻转磁自由层的磁化方向，例如在自由层一侧插入反铁磁层，利用面内的耦合场来代替外磁场。但是这种方案会降低自由层的垂直各向异性，不利于实际应用。利用楔形结构等方案工业上很难实现大规模生产，难以制备。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种存储单元，以至少部分解决以上所提出的技术问题。本发明的核心之一在于利用反铁磁绝缘层(反铁磁绝缘层采用反铁磁绝缘体材料形成)，实现对磁隧道结结构中自由层中DMI的调控，从而实现无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，所述无需外部磁场辅助的自旋轨道矩存储单元包括自旋轨道矩磁隧道结结构，该自旋轨道矩磁隧道结结构包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层、位于所述自由层上的隧道势垒层及位于所述隧道势垒层上的参考层、及位于所述参考层上的顶电极；其中，通过在所述重金属层中施加电流以产生自旋流。

在一些实施例中，所述存储单元还包括保护层，所述保护层位于所述自由层的侧面，用于保护所述自由层。

在一些实施例中，所述参考层和自由层具有垂直磁各向异性。

在一些实施例中，该自旋轨道矩磁隧道结结构的形状为正方形、长方形、圆形、或椭圆形中的一种。

在一些实施例中，所述反铁磁绝缘层和所述自由层之间存在交换偏置，所述反铁磁绝缘层与所述自由层之间的交换偏置有效场为垂直方向。

在一些实施例中，所述自由层与所述重金属层之间存在DMI，通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。

在一些实施例中，该自旋轨道矩磁隧道结的数据写入，通过在重金属层中通入正负不同方向的电流，实现对自由层磁化状态的调控，实现数据“0”和“1”的写入。

在一些实施例中，所述自旋轨道矩磁隧道结通过比较一定电压下流过磁隧道结的读取电流和参考电流从而进行数据读取。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的存储单元至少具有以下有益效果其中之一：