基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元、磁随机存储器

1.本发明涉及磁存储器领域，具体地涉及一种基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元以及一种交换偏置磁随机存储器。


背景技术：

2.磁随机存储器（magnetic random access memory，简称mram）是一种采用阻值而非电荷存储数据的新型存储技术，兼具非易失性、高速、高耐久，且与cmos工艺兼容。mram的基本存储单元为磁隧道结（magnetic tunnel junction，mtj），利用隧穿磁阻效应，mtj可以表现为阻值具有很大变化的高阻态和低阻态，从而实现信息的存储。随着器件特征尺寸微缩难度的不断提升，需要提高存储器的集成密度，例如采样3d堆叠、构建多比特存储单元等方法来提高存储器的存储密度。其中，构建多比特存储单元的方案，例如使用具有临界翻转电流密度梯度的自由层、使用磁畴壁的移动来调节磁隧道结电阻，但这些方案无法维持中间阻态。
3.为了解决上述问题，现有技术主要采用如下方案：方案一：公开号为cn1453791a，发明名称为“磁存储器的导体结构”的专利文献，公开了一种使用两个正交方向的导体对存储单元进行写入的方案，在两个导体同时施加电流时产生叠加奥斯特场对存储单元进行写入，并可以通过改变导体的宽度和厚度来调控写入电流的大小。该方案在同一存储单元上只能使用某一种宽度与厚度的第一导体与第二导体，无法在写入过程中根据需要调节写入电流密度，且采用磁场写入，不易于集成。
4.方案二：公开号为cn103855297a，发明名称为“磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器
”ꢀ
的专利文献，公开了一种磁性结，包括被钉扎层、非磁性间隔层和具有临界切换电流梯度的自由层。其中，自由层可以由多个磁性层与非磁性层间隔排列组成，可以通过调节磁性层的厚度、磁各向异性强度、热稳定性等参数，随着距离非磁性间隔层越远，临界切换电流密度越高，从而实现多个阻态。该方案通过使用由多个磁性层与非磁性层间隔排列组成自由层实现多阻态磁存储，但其仅依靠磁性层自身的热稳定性来维持磁性层的磁各向异性，无法维持较为稳定的多阻态。
5.方案三：公开号为cn109243512a，发明名称为“一种控制反铁磁层及钉扎层磁畴结构在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法
”ꢀ
的专利文献，公开了在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法，通过调节热退火时温度与外加磁场等参数，实现反铁磁层对与钉扎层磁畴结构的多阻态变化，实现多态数据存储。该方案通过热退火时设置不同温度与磁场来实现多阻态的存储，但这种方式不利于应用过程中在同一器件上实现多个不同阻态的变化，且不易于大规模生产。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术缺陷，本发明提供一种基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元及交换偏置磁随机存储器，以实现无外场的确定性翻转和稳定的多阻态。
7.本发明一方面提供一种基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，包括重金属层以及设置于重金属层上的磁隧道结，所述磁隧道结自下而上依次为反铁磁层、自由层、势垒层以及参考层；所述重金属层的宽度从重金属层的第一端至第二端逐渐增大；所述重金属层用于在被施加逐步增大的电流时产生不同强度的自旋轨道力矩，利用反铁磁层与自由层之间的交换偏置作用，在不同强度的自旋轨道力矩的作用下使自由层的磁矩从部分翻转逐步至全部翻转，使自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向平行或反平行，以实现多阻态写入。
8.本发明实施例中，所述自旋轨道矩磁存储单元的阻态变化是根据施加在重金属层的电流进行调控的。
9.本发明实施例中，通过以下方式调控自旋轨道矩磁存储单元的阻态从反平行态至平行态：初始阻态为反平行态，自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向反平行；在重金属层施加+x方向的电流，反铁磁层在交换偏置作用下打破时间反演对称性，使邻近重金属层第一端的自由层与反铁磁层的磁矩在重金属层的自旋轨道力矩作用下翻转至+x方向，翻转后的磁矩反向与参考层磁矩方向相同；逐步增大施加在重金属层的电流，自由层的磁矩翻转的区域逐步向邻近重金属层第二端的区域扩大，直至将整个自由层的磁矩方向完全翻转至与参考层的磁矩方向平行。
10.本发明实施例中，通过以下方式调控自旋轨道矩磁存储单元的阻态从平行态至反平行态：初始阻态为平行态，自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向平行；在重金属层施加-x方向的电流，反铁磁层在交换偏置作用下打破时间反演对称性，使邻近重金属层第一端的自由层与反铁磁层的磁矩在重金属层的自旋轨道力矩作用下翻转至-x方向，翻转后的磁矩反向与参考层磁矩方向相反；逐步增大施加在重金属层的电流，自由层的磁矩翻转的区域逐步向邻近重金属层第二端的区域扩大，直至将整个自由层的磁矩方向完全翻转至与参考层的磁矩方向反平行。
11.本发明实施例中，所述重金属层第一端的宽度和第二端的宽度均大于磁隧道结的宽度。
12.本发明实施例中，所述重金属层的平面形状为阶梯式梯形。
13.本发明实施例中，所述重金属层的材料为铂pt。
14.本发明实施例中，所述反铁磁层的材料为铱锰irmn、铁锰femn或锡锰snmn。
15.本发明实施例中，所述自由层和参考层的材料为钴铁cofe、钴铁硼cofeb、镍铁nife中的一种或多种。
16.本发明另一方面提供一种交换偏置磁随机存储器，包括上述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元。
17.本发明通过使用具有不同宽度的重金属层，使得施加在重金属层上的电流在不同区域有着不同的电流密度，产生不同强度的自旋轨道力矩，并利用反铁磁材料磁畴的不均匀分布以及反铁磁层与铁磁层界面的交换偏置作用实现自由层的部分翻转与维持，从而实现稳定的多阻态，实现多比特数据存储。本发明只需要改变施加到重金属层的电流大小，即可实现不同的电阻状态（多阻态）；通过交换偏置作用破坏时间反演对称性，能够实现无外
场的确定性翻转。
18.本发明技术方案的其它特征和优点将在下文的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例提供的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元的结构示意图（主视）；图2是本发明实施例提供的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元的结构示意图（俯视）；图3是本发明一具体实施例提供的重金属层的形状示意图；图4a至图4d是本发明实施例提供的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元的磁矩翻转（ap态至p态）示意图。
具体实施方式
20.为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.在实现本发明的过程中，发明人发现难以使磁存储单元实现无外场的确定性翻转和稳定的多阻态写入。基于此，本发明实施例提供一种基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，包括重金属层以及设置于重金属层上的磁隧道结，磁隧道结自下而上依次为反铁磁层、自由层、势垒层以及参考层。重金属层的宽度从重金属层的第一端至第二端逐渐增大。重金属层用于在被施加逐步增大的电流时产生不同强度的自旋轨道力矩，利用反铁磁层与自由层之间的交换偏置作用，在不同强度的自旋轨道力矩的作用下使自由层的磁矩从部分翻转逐步至全部翻转，使自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向平行或反平行，以实现多
阻态写入。
24.本发明通过使用具有不同宽度的重金属层，使得施加在重金属层上的电流在不同区域有着不同的电流密度，产生不同强度的自旋轨道力矩，并利用反铁磁材料磁畴的不均匀分布以及反铁磁层与铁磁层界面的交换偏置作用实现自由层的部分翻转与维持，从而实现稳定的多阻态，实现多比特数据存储。本发明只需要改变施加到重金属层的电流大小，即可实现不同的电阻状态（多阻态）；通过交换偏置作用破坏时间反演对称性，能够实现无外场的确定性翻转。而且，本发明使用的膜层为mram器件所采用的常规膜层，与cmos工艺兼容，易于与其它器件实现同片集成，且制备方式简单，成本较低，易于大规模应用生产。下文对本发明技术方案进行详细阐述。
25.如图1所示，本发明实施例提供的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元为五层结构，由下至上分别为重金属层、反铁磁层、自由层、势垒层以及参考层，重金属层作为自旋轨道矩产生层，用于在施加电流的条件下产生自旋轨道力矩。
26.如图2所示，重金属层的宽度从重金属层的第一端至第二端逐渐增大，重金属层的第一端较窄、第二端较宽，重金属层第一端的宽度和第二端的宽度均大于磁隧道结eb-mtj的宽度。施加在重金属层的电流方向沿着宽度增大或是宽度减小的方向。在重金属层施加一定电流i
sot
时，由于重金属层宽度不同，流经其中的电流密度也不同，导致产生的自旋轨道力矩强度也不同。由于反铁磁层的磁畴分布不均匀，在较窄的重金属层附近的反铁磁层将会比在较宽的重金属层附近的反铁磁层先翻转，并在交换偏置的作用下使其对应的自由层优先翻转，从而使得磁隧道结出现中间态的阻值，实现多阻态。
27.本发明中自由层与参考层的磁矩方向可以是垂直型或面内型，为便于说明，本实施例中自由层、参考层采用具有面内x方向（沿电流方向）磁各向异性的铁磁金属，例如钴铁cofe、钴铁硼cofeb或者镍铁nife等材料中的至少一种形成的单一或混合金属材料，截面为长方形。势垒层材料可以是氧化镁mgo等与相邻铁磁金属层有较高隧穿概率的绝缘材料。反铁磁层可以使用铱锰irmn、铁锰femn或锡锰snmn等能够与相邻铁磁金属层产生交换偏置的材料，并通过在x轴方向饱和磁场下热退火使其与自由层产生交换偏置。重金属层可以使用铂pt等具有较大自旋霍尔角的材料，并通过工艺流程制备成一端较宽，另一端较窄的形状。
28.在一具体实施例中，重金属层可以制备成阶梯状，重金属层的平面形状为如图3所示的阶梯式梯形，该形状的重金属层可以使得中间阻态更加稳定。
29.本发明中，磁存储单元的阻态变化是根据施加在重金属层的电流进行调控的。以下结合磁存储单元的结构具体说明如何实现多阻态写入。
30.（1）从ap（antiparallel，反平行的）态至p（parallel，平行的）态过程中多阻态写入（即令自由层中与参考层磁矩方向平行的磁畴占比增大）如图4a所示，初始状态时，自由层磁矩方向与反铁磁层与自由层相邻的一层磁畴呈铁磁耦合，且自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向完全反平行，磁隧道结的电阻达到最大值，记为r1。在重金属层施加+x方向电流i
sot
，由于反铁磁层的交换偏置作用打破了时间反演对称性，自由层与反铁磁层可以在自旋轨道力矩的作用下实现确定性翻转，如翻转至与参考层磁矩方向相同，即沿+x方向。由于重金属层有着不同的宽度，因此当电流向着+x方向流动时，电流会在y方向上扩散，使得电流密度逐渐降低。当电流密度较小时，只有宽度较窄的区域的反铁磁层磁畴可以翻转，从而通过交换偏置作用将对应区域的部分自由层磁
矩方向钉扎至与参考层相同，而宽度较宽的区域产生的自旋轨道力矩较小，无法使反铁磁层磁畴翻转，反铁磁层与自由层依然保持初始的状态。因此，自由层只有部分翻转至与参考层平行，如图4b所示，此时磁隧道结的电阻为r2，r2《r1。如图4c所示，随着电流i
sot
的增大，自由层翻转的区域所占的比例越来越大，直至将整个自由层磁矩方向完全翻转至与参考层磁矩方向平行，如图4d所示，此时磁隧道结的电阻为r4，r4《r3《r2《r1。
31.（2）从p态至ap态过程中多阻态写入（即令自由层中与参考层磁矩方向反平行的磁畴占比增大）与p态写入类似，初始状态时自由层与参考层的磁矩方向完全平行。施加与写p态时方向相反的电流，自由层翻转后的磁矩方向与参考层磁矩方向相反。随着施加电流的不断增加，流经重金属层的电流密度不断提高，自由层磁畴翻转至与参考层磁矩方向反平行的比例不断提升，直至自由层磁矩方向完全翻转至与参考层磁矩方向反平行。具体为，在重金属层施加-x方向的电流i
sot
，反铁磁层在交换偏置作用下打破时间反演对称性，使邻近重金属层第一端的自由层与反铁磁层的磁矩在重金属层的自旋轨道力矩作用下翻转至-x方向，翻转后的磁矩反向与参考层磁矩方向相反。在逐步增大电流i
sot
过程中，自由层的磁矩翻转的区域逐步向邻近重金属层第二端的区域扩大，直至将整个自由层的磁矩方向完全翻转至与参考层的磁矩方向反平行。
32.本发明实施例还提供一种交换偏置磁随机存储器（exchange bias mram，简称eb-mram），包括多个如上所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元。在同一个交换偏置磁随机存储器上，只需要改变写入电流大小即可实现不同的电阻状态，实现多阻态写入。本发明使用的膜层为mram器件所采用的常规膜层，与cmos工艺兼容，易于与其它器件实现同片集成，且制备方式简单，成本较低，易于大规模应用生产。
33.以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要该组合不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

技术特征：
1.一种基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，包括重金属层以及设置于重金属层上的磁隧道结，所述磁隧道结自下而上依次为反铁磁层、自由层、势垒层以及参考层；所述重金属层的宽度从重金属层的第一端至第二端增大；所述重金属层用于在被施加逐步增大的电流时产生不同强度的自旋轨道力矩，利用反铁磁层与自由层之间的交换偏置作用，在不同强度的自旋轨道力矩的作用下使自由层的磁矩从部分翻转逐步至全部翻转，使自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向平行或反平行，以实现多阻态写入。2.根据权利要求1所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁存储单元的阻态变化是根据施加在重金属层的电流进行调控的。3.根据权利要求2所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，通过以下方式调控所述自旋轨道矩磁存储单元的阻态从反平行态至平行态：初始阻态为反平行态，自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向反平行；在重金属层施加+x方向的电流，反铁磁层在交换偏置作用下打破时间反演对称性，使邻近重金属层第一端的自由层与反铁磁层的磁矩在重金属层的自旋轨道力矩作用下翻转至+x方向，翻转后的磁矩反向与参考层磁矩方向相同；逐步增大施加在重金属层的电流，自由层的磁矩翻转的区域逐步向邻近重金属层第二端的区域扩大，直至将整个自由层的磁矩方向完全翻转至与参考层的磁矩方向平行。4.根据权利要求2所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，通过以下方式调控所述自旋轨道矩磁存储单元的阻态从平行态至反平行态：初始阻态为平行态，自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向平行；在重金属层施加-x方向的电流，反铁磁层在交换偏置作用下打破时间反演对称性，使邻近重金属层第一端的自由层与反铁磁层的磁矩在重金属层的自旋轨道力矩作用下翻转至-x方向，翻转后的磁矩反向与参考层磁矩方向相反；逐步增大施加在重金属层的电流，自由层的磁矩翻转的区域逐步向邻近重金属层第二端的区域扩大，直至将整个自由层的磁矩方向完全翻转至与参考层的磁矩方向反平行。5.根据权利要求1所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，所述重金属层第一端的宽度和第二端的宽度均大于磁隧道结的宽度。6.根据权利要求1所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，所述重金属层的平面形状为阶梯式梯形。7.根据权利要求1所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，所述重金属层的材料为铂pt。8.根据权利要求1所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，所述反铁磁层的材料为铱锰irmn、铁锰femn或锡锰snmn。9.根据权利要求1所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元，其特征在于，所述自由层和参考层的材料为钴铁cofe、钴铁硼cofeb、镍铁nife中的一种或多种。10.一种交换偏置磁随机存储器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元。

技术总结
本发明涉及磁存储器领域，提供一种基于交换偏置的自旋轨道矩磁存储单元、磁随机存储器。包括重金属层以及设置于重金属层上的磁隧道结，磁隧道结自下而上依次为反铁磁层、自由层、势垒层以及参考层。重金属层的宽度从重金属层的第一端至第二端逐渐增大。重金属层用于在被施加逐步增大的电流时产生不同强度的自旋轨道力矩，利用反铁磁层与自由层之间的交换偏置作用，在不同强度的自旋轨道力矩的作用下使自由层的磁矩从部分翻转逐步至全部翻转，使自由层的磁矩方向与参考层的磁矩方向平行或反平行，以实现多阻态写入。本发明通过使用具有不同宽度的重金属层，并利用交换偏置作用，实现无外场的确定性翻转和稳定的多阻态。实现无外场的确定性翻转和稳定的多阻态。实现无外场的确定性翻转和稳定的多阻态。


技术研发人员：陈燕宁 潘成 陈赞鸿 付振 蔡文龙 史可文
受保护的技术使用者：北京智芯微电子科技有限公司 北京航空航天大学
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/6