技术领域
[0001] 本
发明涉及磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)技术领域，尤其涉及一种基于自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)的磁随机存储器(Spin Orbit Torque-Magnetic Random Access Memory,SOT-MRAM)。
背景技术
[0002] 磁随机存储器(MRAM)具有良好的非挥发性，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。其工作时利用
磁隧道结(Magnetic Tunneling Junction,MTJ)进行数据存储。每个MTJ单元包括
磁性的自由层(记录层)与钉扎层(固定层)，并且自由层与钉扎层之间利用非磁性隧穿层隔开。在MTJ正常工作时，自由层的磁化方向可以发生变化，钉扎层磁化方向不变。当自由层与钉扎层的磁矩相对方向发生变化时，MTJ的
电阻值发生相应改变，不同信息通过阻值变化被记录：自由层与钉扎层磁矩平行时对应低阻态，记录为1，自由层与钉扎层磁矩反平行时对应高阻态，记录为0。
[0003] 目前MRAM采用的主流写入方式是利用自旋转移矩(Spin Transfer Torque,STT)，但是该方式却存在难以克服的
瓶颈：在写入初始阶段，由于自旋转移矩很微弱，导致初始延迟，限制了写入速度，难以满足高速缓存要求；此外，自旋矩向磁性材料磁矩的转移效率很低。为了提高写入
电流可以缩短初始延时，并且提高矩转移效率，可以通过增大写入电流来解决，但同时增大了击穿MTJ单元势垒层的
风险，并带来更多能耗。
[0004] 基于此，Liu所在的研究小组提出利用自旋轨道矩(Spin Orbit Torque,SOT)可实现快速可靠的磁化翻转(Science 2012；336:555-558)。这种技术要求在MTJ单元自由层下方
水平地布置一层非磁性重金属层，电流流经非磁性重金属层，自旋向上的
电子与自旋向下的电子会分别在重金属层竖直方向的两侧等量聚集，产生垂直于电流方向的自旋流，即自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)。产生的纯自旋流，流经MTJ自由层，翻转其磁矩，该方法速率快，存储效率高，并且可以有效避免写电流对MTJ 势垒层的击穿风险。但是该结构中，非磁性重金属层、MTJ各层及
电极三端均平行于圆晶衬底面，且所占面积大，使器件阵列难以实现小型化。
[0005] 基于以上描述的理论和技术，Zvonimir Z.Bandic等人设计出一种三维的圆柱状磁随机存储器(US 9443 905 B1)。其结构垂直于衬底面，最内部可以为圆柱状非磁性重金属，有助于实现存储器件的小型化，提高空间利用率。但该设计中，最内部的圆柱形电极制备难度很大。此外，最内部如果选用非磁性重金属，数据的写入与读取过程大致为：第一次通入电流，可编辑区域(即自由层)被写入特定信息；再通入一次电流，两次电流通入后的状态变化被用以确定存储器中写入的原始信息。这种方法称为“多步、自参考读取法则”，其步骤复杂，且读取结束后，原始信息会被抹除，因此在读取后不得不重新写入原始数据，导致读写效率不高。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种具有特定自旋流流向且读写过程互不影响的基于自旋霍尔效应的磁随机存储器。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括顶电极、底电极以及设置在顶电极和底电极相对一侧表面上的上绝缘层、下绝缘层，所述顶电极、底电极之间的上绝缘层与下绝缘层之间设置有MTJ单元和侧电极，在MTJ单元的另一侧设置有与顶电极、底电极
接触连接的非磁性重金属层，所述的MTJ单元包括
铁磁性自由层、非磁性势垒层和
铁磁性钉扎层，其中铁磁性自由层与非磁性重金属层接触连接，铁磁性钉扎层与侧电极接触连接；所述的侧电极、MTJ单元与非磁性重金属层均垂直于由圆晶衬底平面制成的底电极所在的平面。
[0008] 所述的侧电极、MTJ单元与非磁性重金属层均为长方体柱状结构。
[0009] 所述的非磁性重金属层采用的材料为Pt、Pd、Ta、W、TaN或WN；
[0010] 所述的非磁性重金属层采用的材料为Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb 或Bi中的一种或多种；
[0011] 所述的非磁性重金属层采用的材料为Ni、Fe、Co、Cr、Mn、V或Y的掺杂材料。
[0012] 所述的非磁性重金属层的厚度不大于该非磁性重金属自旋扩散长度的5倍。
[0013] 所述的侧电极、顶电极与底电极的材料采用的是Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、 Rh、Mo、Zr、Hf、V、Cr、Nb、poly-Si及其
合金或
半导体材料。
[0014] 所述的铁磁性钉扎层由一层反铁磁
薄膜和一层铁磁薄膜组成；
[0015] 或由一层硬铁磁薄膜和一层铁磁薄膜构成；
[0016] 或由一层反铁磁、一层耦合层和一层铁磁薄膜构成；
[0017] 或由一层硬铁磁薄膜、一层耦合层和一层铁磁薄膜构成；
[0018] 所述的反铁磁薄膜采用的材料为IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、 FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、NiO、CoNiO合金及包含上述元素的合金形成的多层膜；
[0019] 所述的硬铁磁薄膜采用的材料为Co、Fe、Pt、Pd及其中两种或两种以上元素形成的合金或CoPtB合金；
[0020] 所述的铁磁薄膜采用的材料为Fe、Co、Ni及其合金，以及上述材料与B、Zr、 Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金或形成的多层膜；
[0021] 所述的非磁性势垒层采用的材料为MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、 TiO2、HfO2、TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、SiO2、 Si3N4、BN、AlN中的一种或多种混合物。
[0022] 所述的铁磁性自由层采用的材料为Fe、Co、Ni及其合金，以及上述材料与B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金。
[0023] 所述的铁磁性自由层磁性极化方向为垂直于自由层膜面或者在自由层膜面内，并且MTJ单元电阻高于非磁性重金属层的电阻及电极电阻。
[0024] 所述的绝缘层采用的材料为MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、TiO2、HfO2、 TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、SiO2、Si3N4、BN、 AlN中的一种或多种混合物。
[0025] 本发明采用三维垂直结构，具有特定自旋流流向且读写过程互不影响，提高空间利用率，写电流流过非磁性重金属层时，产生的自旋流的流向是单一且确定的，并且写入过程与读取过程相互分离，互不影响，即读取数据过程不会对原始写入信息造成破坏。
[0026] 相对于
现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0027] 1)本发明中，SOT-MRAM存储单元将MTJ单元与非磁性重金属层设计为与基底垂直的结构，即MTJ各层及非磁性重金属层与圆晶衬底表面垂直，写电流在非磁性重金属层内沿竖直方向流动。这种立体结构有助于提高阵列的空间利用率。
[0028] 2)本发明中，非磁性重金属层为窄而高的长方体柱状结构，横向一侧与MTJ单元自由层接触，而另一侧直接与绝缘层接触，所以当电流流经非磁性重金属层，产生的自旋流只沿横向向一侧流动，即流向MTJ单元自由层，自旋流向单一且确定；并且目前半导体行业内已有相当完善的制备技术可以制出长方体柱状结构，如自对准双图案技术(Self-Alignment Double Patterning,SADP)等。
[0029] 3)本发明中，写电流流经非磁性重金属层，由自旋霍尔效应产生自旋流并流向 MTJ单元自由层，自旋轨道距作用于自由层磁矩使其发生翻转，当MTJ单元自由层与钉扎层磁矩为平形态，记为数据“1”，当MTJ单元自由层与钉扎层磁矩为反平形态，记为数据“0”。读电流由非磁性金属
层流经MTJ单元，读取存储的信息。读取数据过程不影响写入信息过程，不会对已存储的信息造成损害，因此无需在读取之后重新写入一次信息，有效提高读写效率。
附图说明
[0030] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0031] 图2a为本发明写电流工作模式示意图，图2b为本发明自旋霍尔效应产生的基本机理图；
[0032] 图3为本发明读电流工作模式示意图；
[0033] 图4a位本发明SOT-MRAM存储阵列示意图，图4b为图4a的其等效
电路图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0035] 参见图1，本发明SOT-MRAM存储单元100包含底电极101，下绝缘层102，非磁性重金属层103，MTJ单元和侧电极107，所述的MTJ单元包括铁磁性自由层104、非磁性势垒层105和铁磁性钉扎层106，上绝缘层108及顶电极109。其中，铁磁性自由层104、非磁性势垒层105、铁磁性钉扎层106及侧电极107通过上绝缘层108、下绝缘层102与顶电极109、底电极101隔开。非磁性重金属层103直接与顶电极109、底电极101接触。此外，侧电极107，MTJ单元与非磁性重金属层103均垂直于圆晶衬底平面(即底电极101所在平面)，侧电极107、MTJ单元与非磁性重金属层103 均为长方体柱状结构。信息的写入通过改变MTJ单元中的自由层磁矩方向实现。
[0036] 本发明的非磁性重金属层103采用的材料为Pt、Pd、Ta、W、TaN或WN；
[0037] 所述的非磁性重金属层103采用的材料为Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、 Pb或Bi中的一种或多种；
[0038] 所述的非磁性重金属层103采用的材料为Ni、Fe、Co、Cr、Mn、V或Y的掺杂材料。
[0039] 所述的非磁性重金属层103的厚度不大于该非磁性重金属自旋扩散长度的5倍。
[0040] 所述的侧电极107、顶电极109与底电极101的材料采用的是Au、Ag、Cu、Nd、 Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、V、Cr、Nb、poly-Si及其合金或半导体材料。
[0041] 所述的铁磁性钉扎层106由一层反铁磁薄膜和一层铁磁薄膜组成；
[0042] 或由一层硬铁磁薄膜和一层铁磁薄膜构成；
[0043] 或由一层反铁磁、一层耦合层和一层铁磁薄膜构成；
[0044] 或由一层硬铁磁薄膜、一层耦合层和一层铁磁薄膜构成；
[0045] 所述的反铁磁薄膜采用的材料为IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、 FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、NiO、CoNiO合金及包含上述元素的合金形成的多层膜；
[0046] 所述的硬铁磁薄膜采用的材料为Co、Fe、Pt、Pd及其中两种或两种以上元素形成的合金或CoPtB合金；
[0047] 所述的铁磁薄膜采用的材料为Fe、Co、Ni及其合金，以及上述材料与B、Zr、 Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金或形成的多层膜；
[0048] 所述的非磁性势垒层105采用的材料为MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、 TiO2、HfO2、TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、SiO2、 Si3N4、BN、AlN中的一种或多种混合物。
[0049] 所述的铁磁性自由层104采用的材料为Fe、Co、Ni及其合金，以及上述材料与 B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金。
[0050] 所述的铁磁性自由层104磁性极化方向为垂直于自由层膜面或者在自由层膜面内，并且MTJ单元电阻远高于非磁性重金属层103的电阻及电极电阻；
[0051] 所述的绝缘层采用的材料为MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、TiO2、HfO2、 TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、SiO2、Si3N4、BN、AlN中的一种或多种混合物。
[0052] 在信息写入过程中，当写电流经过非磁性重金属层，产生的自旋流经过MTJ自由层并翻转其磁矩，完成信息写入。在信息读取时，读电流经由重金属层流入MTJ 单元，完成信息读取。
[0053] 参见图2a，当写电流Ic流经非磁性重金属层103，由于自旋霍尔效应产生的自旋流Is垂直于写电流Ic流入MTJ单元，铁磁性自由层104磁矩在自旋轨道矩作用下发生一次翻转，完成信息写入。
[0054] 参见图2b，说明了写入电流方向与纯自旋流方向之间的关系。来自自旋霍尔效应的注入自旋总是垂直于非磁性金属中通入电流的方向。注入电流、自旋流与自旋取向三者满足如下关系：
[0055]
[0056] 其中， 表示写入电流
密度， 表示自旋霍尔效应产生的纯自旋流密度，表示电子自旋方向，θSH代表自旋霍尔
角，是每种材料固有的参数，可用以描述具体材料中自旋霍尔效应的强度，即非磁性金属中通入电流与产生的自旋流的转换比。由于自由层位于非磁性重金属层左侧，所以自旋流可以沿着图中-X方向流动。
[0057] 参见图3，读电流Iread通过非磁性重金属层103流经MTJ单元时，读取存储在 MTJ单元中的信息。
[0058] 图4显示SOT-MRAM阵列示意图。每一列存储器共用同一WL，每一列存储器共用同一BL，(为便于观察，部分
导线在图中以虚线画出)。当第二行存储器晶体管接通，第二列WL晶体管接通，其余各线关闭，便可对存储器22进行写入；当第二行存储器晶体管接通，第二列RL的晶体管接通，其余各线关闭，便可只针对存储器 22进行读取。此处需要说明，电极材料电阻值R1小，通常为10～1000Ω，而由于读写分离，MTJ单元电阻值RMTJ可以非常大，一般为100k～100MΩ。当电流流过导线RL时，有可能会流经很多MTJ，其等效电路图如图4b所示。由此可以表达出电路并联部分的电阻关系：
[0059]
[0060] 因为RMTJ值为R1值的100倍以上，所以流经其他MTJ产生的电流
信号强度占流经 RL的电流信号强度比不足10％，可以认为流经其他MTJ单元的电流对被读MTJ的信号不造成不利影响。
