磁存储单元及SOT-MRAM存储器制造技术

本发明专利技术提供一种磁存储单元及SOT‑MRAM存储器，所述磁存储单元包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向相反且分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层的磁化方向。本发明专利技术能够提高SOT‑MRAM存储器的读写速度。

Magnetic memory cell and sot-mram memory

【技术实现步骤摘要】
磁存储单元及SOT-MRAM存储器
本专利技术涉及磁存储器
，尤其涉及一种磁存储单元及SOT-MRAM存储器。
技术介绍
研究发现，在具有自旋轨道矩效应(SpinOrbitTorque，SOT)的材料中通入电流时，会在材料的界面处产生自旋极化的自旋电流，该自旋电流可以用于翻转纳米磁铁，例如磁性隧道结MTJ中的自由层。基于自旋轨道矩和MTJ的新型磁存储器件(可以称为SOT-MRAM存储器)具有读写分离、写入速度快、写电流密度低等优点，被认为是未来的发展趋势。但是，SOT-MRAM的自旋轨道矩材料与磁性隧道结MTJ集成时，如果MTJ的磁性隧道磁阻TMR较高，二者的集成难以实现，目前MTJ的TMR只能在100左右，这会直接影响SOT-MRAM的读写速度。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种磁存储单元及SOT-MRAM存储器，能够提高SOT-MRAM存储器的读写速度。第一方面，本专利技术提供一种磁存储单元，包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向相反且分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层的磁化方向。可选地，两个所述磁性隧道结的参考层垂直磁化，两个所述偏置磁场提供层水平磁化且具有相反的水平磁化方向。可选地，两个所述偏置磁场提供层采用相同的几何形状。可选地，两个所述偏置磁场提供层均为椭圆形，短轴长度相同，长轴长度不同，各自的长短轴比例均介于1.2～3之间，各自的长轴均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。可选地，两个所述偏置磁场提供层均为矩形，短边长度相同，长边长度不同，各自的长短边比例均介于1.2～3之间，各自的长边均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。可选地，所述自旋轨道矩提供线的材料为具有自旋轨道矩效应的材料，包括：重金属、BiSe合金或者反铁磁合金。可选地，所述自旋轨道矩提供线采用多段结构，位于两个所述磁性隧道结位置的部分为具有自旋轨道矩效应的材料，位于其他位置的部分为低电阻金属材料。可选地，两个所述偏置磁场提供层的磁化方向翻转所对应的翻转场差别大于100Oe。可选地，两个所述磁性隧道结的参考层的磁化方向相同，对应地，两个所述磁性隧道结的自由层的磁化方向相反。第二方面，本专利技术提供一种SOT-MRAM存储器，所述SOT-MRAM存储器包括上述磁存储单元。本专利技术提供的磁存储单元及SOT-MRAM存储器，采用双MTJ差分特性设计，在写入数据时，自旋轨道矩提供线中通一次电流，可以同时对两个MTJ进行写操作，提高了读写速度，而且不需要外界磁场。附图说明图1为本专利技术的磁存储单元的一个实施例的结构示意图；图2为本专利技术的磁存储单元的一个实施例的俯视图；图3为本专利技术的磁存储单元的另一个实施例的结构示意图；图4为面层磁化层翻转原理示意图；图5为磁存储器件写入的电流翻转原理示意图；图6为磁存储器件写入时的状态示意图；图7-8为磁存储器件写入数据后的两种数据存储状态。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种磁存储单元，如图1所示，为本专利技术的磁存储单元的一个实施例。磁存储单元包括自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结MTJA和MTJB，MTJA和MTJB都包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，MTJA和MTJB位于自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近自旋轨道矩提供线，MTJA和MTJB的参考层外侧分别有一层面内磁化的偏置磁场提供层IPMA，IPMB，IPMA，IPMB分别通过分离层与MTJA，MTJB隔开，IPMA，IPMB具有不同的几何尺寸，IPMB大于IPMA，同时IPMA，IPMB的面内磁化方向相反且分别垂直于MTJA，MTJB的自由层的磁化方向。图1中，MTJA和MTJB的参考层垂直磁化，方向相同，IPMA和IPMB水平磁化且具有相反的水平磁化方向。进一步的，两个偏置磁场提供层IPMA，IPMB可以使用相同的材料，也可以使用不同的材料，考虑到工艺的实现性，通常采用同一材料。IPMA，IPMB可以采用相同的几何形状，如都采用椭圆形或者矩形，但需要具有不同的几何尺寸。当IPMA，IPMB都为椭圆形时，如图2所示，为图1所示的磁存储单元的俯视图。图2中，二者短轴长度相同，长轴长度不同，各自的长短轴比例均介于1.2～3之间，例如，IPMA，IPMB的短轴长度均为80nm，IPMA的短轴和长轴比例约为1:1.5，IPMB的短轴和长轴比例约为1:2，IPMB的长轴长度更长。另外，IPMA，IPMB各自的长轴均平行于或者接近平行于自旋轨道矩提供线。同理地，当IPMA，IPMB都为矩形时，二者短边长度相同，长边长度不同，各自的长短边比例均介于1.2～3之间，IPMA，IPMB各自的长边均平行于或者接近平行于自旋轨道矩提供线。另外说明的是，上述实施例中，自旋轨道矩提供线的材料为具有自旋轨道矩效应的材料，可以采用重金属，如Pt，Ta，W，Ir，Hf，Ru，Tl，Bi，Au，Os，也可以采用拓扑绝缘体，如BiSe合金，BiTe合金，如Bi2Se3，BiSeTe合金，TlBiSe，还可以采用反铁磁合金，如PtMn，IrMn等，厚度2～20nm。自旋轨道矩提供线还可以采用多段结构，位于两个MTJ位置、与两个MTJ接触的部分为具有自旋轨道矩效应的材料，如BiSe等，其能通过自旋轨道矩效应提供自由层一定的自旋磁矩，但电阻较大；位于其他位置的部分为低电阻金属，如Ta等，低电阻金属的引入可以降低自旋轨道矩提供线的电阻，从而降低器件能耗。两个MTJ的材料如下：MTJ的自由层为CoFeB，优选地，自由层为CoFeB|NM|CoFeB结构，其中NM为非磁性金属如Mo,Ir,Ru,Ta,W,Hf,Au等，厚度为0.2-0.8纳米之间。MTJ的参考层为CoFeB，MTJ的隧道层为MgO，顶部分离层为包含Ta或者TaN等非磁性材料。偏置磁场提供层为包含一层NiFe材料，厚度为10nm左右。如图3所示，为本专利技术的磁存储单元的另一个实施例。该实施例和上述实施例的区别在于，参考层被合成反铁磁结构钉扎，所述合成反铁磁结构包含上下两处多次重复的Co/Pt多层膜以及位于两层中间的非铁磁耦合层如Ru，Ir，Cr，Mo等形成反铁磁耦合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向相反且分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层的磁化方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：自旋轨道矩提供线和两个磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括依次堆叠的自由层、隧道层和参考层，两个所述磁性隧道结位于所述自旋轨道矩提供线的同一侧且各自的自由层靠近所述自旋轨道矩提供线，两个所述磁性隧道结的参考层外侧分别有一层偏置磁场提供层，所述偏置磁场提供层通过分离层与所述磁性隧道结隔开，两个所述偏置磁场提供层具有不同的几何尺寸，同时两个所述偏置磁场提供层的磁化方向相反且分别垂直于各自对应的磁性隧道结的自由层的磁化方向。


2.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述磁性隧道结的参考层垂直磁化，两个所述偏置磁场提供层水平磁化且具有相反的水平磁化方向。


3.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述偏置磁场提供层采用相同的几何形状。


4.根据权利要求3所述的磁存储单元，其特征在于，两个所述偏置磁场提供层均为椭圆形，短轴长度相同，长轴长度不同，各自的长短轴比例均介于1.2～3之间，各自的长轴均平行于或者接近平行于所述自旋轨道矩提供线。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：何世坤，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，浙江驰拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33