[发明专利]一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器

说明书

本发明公开了一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器，以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩‑反铁磁磁性随机存储器，其包含磁性固定层，缓冲层，绝缘层，重金属缓冲层，反铁磁自由层和非磁性重金属层，其中反铁磁自由层可以通过在非磁性重金属层和重金属缓冲层中施加两个独立的横向电流来调控其反铁磁序。所述装置的特点是在重金属缓冲层中施加的电流固定不变，仅需改变施加在非磁性重金属层上的电流就可以实现上述磁结构的磁性固定层的磁序和反铁磁自由层的反铁磁序在两个不同夹角之间的相互转变。在电流作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

技术领域

本发明属于具有磁性材料的器件技术领域，特别涉及一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器。

背景技术

磁随机存储器(MRAM)具有良好的非挥发性、良好的热稳定性、和良好的读写稳定性。其工作时可利用磁隧道结(Magnetic Tunneling Junction,MTJ)进行数据存储。磁性隧道结由两磁性金属(可以是铁磁性、亚铁磁性或反铁磁性金属)和夹在其间的超薄绝缘层组成。其中一磁性金属的磁序的取向固定，称为固定层；另一磁性金属的磁序的取向可以自由旋转，称为自由层。由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。隧道结的磁结构由自由层的磁矩取向相对于固定层的磁矩取向决定，不同的磁结构具有不同的电阻。一般来说固定层的磁矩与自由层的磁矩取向平行时为低阻态，反平行为高阻态；它们分别称为平行磁结构和反平行磁结构，分别对应二进制状态的“1”和“0”。有的隧道结可以具有更多的稳定磁结构，可以实现多进制。依据自由层的磁性可以把MTJ分成两类。自由层是铁磁性材料的磁隧道结称为铁磁隧道结(Ferromagnetic Tunneling Junction,F-MTJ)；自由层为反铁性材料的磁隧道结称为反铁磁隧道结(Antiferromagnetic Tunneling Junction,AF-MTJ)。

MRAM依据MTJ的分类方法可以分为基于铁磁的MRAM(F-MRAM)和基于反铁磁的MRAM(AF-MRAM)。它们的共有优点是非挥发性，即断电后数据不丢失；良好的热稳定性，存储信息可保存十年以上；以及良好的读写稳定性。相比F-MRAM易于受外磁场和杂散磁场的影响，AF-MRAM具有良好的磁场稳定性。AF-MRAM的工作频率高达THz，高出F-MRAM约三个数量级。超高的工作频率决定AF-MRAM单元实现从“1”到“0”或从“0”和“1”的状态切换时间更短，在条件近似的情况下相比F-MRAM单元和状态切换消耗的能量更少。

自旋转移矩(Spin Transfer Torque,STT)可以驱动MTJ磁结构的变化，适用于垂直磁结构，既电流流入的方向与MTJ的生长方向垂直的磁结构。自旋转移矩是目前MRAM采用的主流写入方式；但是该方式的困难是：小电流时自旋转移矩微弱，限制了写入速度；大电流时能耗大，同时增大了击穿MTJ单元势垒层的风险。2012年，Liu等人提出在三端结构中利用自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)产生的自旋流(Spin current)驱动F-MTJ 单元自由层的磁化翻转(Science 2012；336:555-558)。其结构包含一个F-MTJ单元和在该 F-MTJ单元自由层下方水平布置的非磁性重金属层。当电流流经重金属层，由于自旋霍尔效应产生流向F-MTJ单元自由层的自旋流,该自旋流的极化方向与电流方向和自旋流的流向两两垂直。当自旋流被MTJ单元自由层吸收后产生转矩，该转矩称为自旋轨道矩(Spin OrbitTorque,SOT)，它可以翻转F-MTJ单元自由层的磁矩。