电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上设及自旋电子学，更特别地，设及一种电流驱动型磁随机存取存储 器和自旋逻辑器件，其能够在没有外磁场辅助的情况下，用纯电流来翻转其中的磁性隧道 结（MTJ)的自由磁层的磁化方向，并且还设及包括运种电流驱动型磁随机存取存储器和/ 或自旋逻辑器件的电子设备。
【背景技术】
[0002] 磁性隧道结（MTJ)具有广泛的用途，例如用于磁传感器、磁存储器、自旋逻辑器件 等等。主要由磁性隧道结构成的磁随机存取存储器（MRAM)是下一代非挥发存储器的强有 力竞争者。磁随机存取存储器的存储单元一般包括作为核屯、元件的磁性隧道结W及其他辅 助功能元件。磁性隧道结一般包括自由磁层、参考磁层W及位于二者之间的隧穿势垒层，自 由磁层的磁矩可W自由翻转，而参考磁层的磁矩被固定。隧穿势垒层由诸如金属氧化物之 类绝缘材料形成。磁性隧道结的电阻与自由磁层的磁矩和参考磁层的磁矩之间的夹角Θ 的余弦值cos(0)成比例。当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩彼此平行排列时，磁性隧 道结的电阻最低，处于低电阻态；当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩反平行排列时，磁性 隧道结的电阻最高，处于高电阻态。运两种电阻状态可W分别对应于信息0和1，或者可W 分别对应于信息1和0。
[0003] 图1示出一种典型的磁随机存取存储器的存储单元100。如图1所示，存储单元 100包括磁性隧道结110,磁性隧道结110包括参考磁层112和自由磁层116,二者可具有箭 头所示的磁矩。势垒层114位于参考磁层112和自由磁层116之间。存储单元100还包括 位于磁性隧道结110上方并且连接到磁性隧道结110的位线120、W及位于磁性隧道结110 下方但是不连接到磁性隧道结110的字线130。位线120和字线130彼此垂直。存储单元 100还可W包括与磁性隧道结110串联连接的晶体管102W用于控制流经磁性隧道结110 的电流。
[0004] 存储单元100所存储的信息的读取操作可W通过直接测量磁性隧道结110的电阻 即可完成。例如，可W将读取电流施加到磁性隧道结，并且根据读取电流IK的大小来确 定磁性隧道结110的电阻大小，进而得到信息0或1。
[0005] 当要把预定信息例如0或1写入到存储单元100中时，需要将自由磁层116的磁矩 设置到对应的预定方向上，运可W通过由位线120和字线130产生的磁场来进行。例如，可 W将第一写入电流1"施加到位线120,并且将第二写入电流IW2施加到字线130。应注意， 第一写入电流1"和第二写入电流IW2均不经过磁性隧道结110。由于位线120和字线130 彼此垂直，它们在自由磁层116处产生彼此垂直的奥斯特磁场。当位线120和字线130产 生的奥斯特磁场满足Stoner-Wohlfarth模型的阔值磁场条件时，自由磁层116的磁矩将发 生翻转。为了产生足W使自由磁层116的磁矩发生翻转的奥斯特磁场，流经位线120的第 一写入电流1"和流经字线130的第二写入电流IW2必须足够大，因此运种写入方式的功耗 比较大。
[0006] 另一种写入方式是利用自旋转移力矩（STT)效应，也称为电流诱导磁矩翻转效 应。当电流流经具有固定磁矩的参考磁层时，相应自旋的电子可W通过，而相反自旋的电子 将会被反射，从而产生自旋极化电流。自旋极化电流与纳米尺寸的自由磁层的磁矩发生相 互作用，自旋极化电子所携带的自旋角动量转矩转移给自由磁层的磁矩，从而使得自由磁 层的磁矩方向发生翻转。STT诱导的翻转的优点在于无需使用外磁场，从而可W消除例如字 线130,实现磁随机存取存储器的进一步小型化，并且降低了制造成本。其缺点是功耗较大， 并且远大于读取电流的写入电流可能会导致磁性隧道结的意外击穿，从而对存储器造成永 久性伤害。
[0007] 又一种写入方式是利用自旋霍尔效应（S肥）。参照图2,其演示了自旋霍尔效应。 当电子201流经特定导体200时，由于自旋轨道禪合，在导体200的各个表面202、204、206 和208上的电子是自旋极化的，分别如箭头203、205、207和209所示。应理解，取决于不同 的材料，自旋极化方向可能在与图示方向相反的方向上。当导体200与磁性隧道结的自由 层直接接触时，所述自旋极化的电子流可促进自由层的磁矩的翻转。不过，为了实现自由层 的磁矩翻转，该方案仍需要施加沿电流方向的辅助磁场。虽然也有研究表明，对于合适的模 形自由磁层，磁矩可W在无外加辅助磁场的条件下仅由电流实现翻转，但是模形自由磁层 难W加工制造，因此不适于大规模工业化生产。
[000引此外，上述问题也限制了磁性隧道结在自旋逻辑器件领域的实际应用。
【发明内容】
[0009] 为了实现在零磁场条件下用纯电流来实现磁矩翻转，需要有电流产生的自旋转矩 W及在合适的方向上施加的等效磁场。该等效磁场的方向需要平行于产生自旋转矩的电流 的方向。本发明的实施例提供运样的自旋电子器件，其可W仅用电流来驱动，利用自旋转矩 和等效磁场来实现磁矩翻转，而不需要施加外磁场。本发明的自旋电子器件可W是磁随机 存取存储器或自旋逻辑器件。本发明还提供包括运样的自旋电子器件的电子设备。
[0010] 根据本发明一实施例，一种电流驱动型磁随机存取存储器可包括多个存储单元， 每个存储单元可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层W及位于二者之间的势垒层，所 述参考磁层禪接到第一端子；W及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应甜E层， 所述甜E层在其周边禪接到第二、第Ξ、第四和第五端子，连接所述第二和第四端子的假想 线与连接所述第Ξ和第五端子的假想线彼此交叉。
[0011] 在一些实施例中，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第Ξ和第五端子 的假想线的交叉角度在60度至120度的范围。优选地，连接所述第二和第四端子的假想线 与连接所述第Ξ和第五端子的假想线彼此垂直。
[0012] 在一些实施例中，所述自由磁层具有沿垂直方向的易磁化轴，并且所述自由磁层 的磁矩能在所述垂直方向上翻转，所述参考磁层具有沿所述垂直方向的易磁化轴，并且所 述参考磁层具有固定磁矩。
[0013] 在一些实施例中，所述磁随机存取存储器还包括：钉扎层，其形成在所述参考磁层 的与所述势垒层相反的一侧W固定所述参考磁层的磁矩。
[0014] 在一些实施例中，所述甜E层由选自包括W下材料的组的材料形成：Pt、Au、Ta、 Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、BizSes、BizTes、Υ、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、化和 Tm，W及它们的任意组合。所述甜E层的厚度在0.5皿至30皿的范围。优选地，所述甜E层的厚度可W在0.6皿至10皿的范围。
[0015] 在一些实施例中，所述第一端子连接到位线，所述甜E层经所述第二和第四端子 连接到第一字线并且用作所述第一字线的一部分，所述甜E层还经所述第Ξ和第五端子连 接到第二字线并且用作所述第二字线的一部分。所述第二、第Ξ、第四和第五端子中的一个 还经选择晶体管连接到源级线，所述选择晶体管的控制端子连接到选择线。
[0016] 根据本发明另一实施例，一种电流驱动型磁随机存取存储器可包括多个存储单 元，每个存储单元可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层W及位于二者之间的势垒层， 所述自由磁层具有从垂直方向偏移预定角度的易磁化轴，所述参考磁层禪接到第一端子； W及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应甜E层，所述甜E层在其周边禪接到第 二和第Ξ端子，所述第二和第Ξ端子关于所述甜E层彼此相对，并且连接所述第二和第Ξ 端子的假想线垂直于由所述参考磁层的易磁化轴和所述自由磁层的易磁化轴限定的平面。
[0017] 在一些实施例中，所述自由磁层的易磁化轴从所述垂直方向的偏移角度在5度至 80度的范围。优选地，所述自由磁层的易磁化轴从所述垂直方向的偏移角度可W在25度至 45度的范围。
[0018] 在一些实施例中，所述参考磁层具有沿所述垂直方向的易磁化轴。
[0019] 在一些实施例中，所述第一端子连接到位线，所述甜E层经所述第二和第Ξ端子 连接到字线并且用作所述字线的一部分。所述第二和第Ξ端子中的一个还经选择晶体管连 接到源级线，所述选择晶体管的控制端子连接到选择线。
[0020] 根据本发明又一实施例，一种电流驱动型磁随机存取存储器可包括多个存储单 元，每个存储单元可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层W及位于二者之间的势垒层， 所述参考磁层禪接到第一端子；与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应甜E层，所 述甜E层在其周边禪接到第二和第Ξ端子，所述第二和第Ξ端子关于所述甜E层彼此相对； W及偏置磁层，其设置在所述甜E层的与所述自由磁层相反的一侧，并且通过所述甜E层与 所述自由磁层铁磁或反铁磁禪合。
[0021] 在一些实施例中，所述偏置磁层具有固定的面内磁矩。所述的磁随机存取存储器 还可包括：钉扎层，设置在所述偏置磁层的与所述甜E层相反的一侧W固定所述偏置磁层 的磁矩。
[0022] 在一些实施例中，连接所述第二和第Ξ端子的假想线平行于所述偏置磁层的面内 磁矩方向。
[0023] 在一些实施例中，所述自由磁层和所述参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。
[0024] 在一些实施例中，所述甜E层的厚度在0. 5nm至15nm的范围。
[0025] 根据本发明再一实施例，一种自旋逻辑器件可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参 考磁层W及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层禪接到第一端子；W及与所述自由磁层 相邻并且接触的自旋霍尔效应甜E层，所述甜E层在其周边禪接到第二、第Ξ、第四和第五 端子，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第Ξ和第五端子的假想线彼此交叉。
[0026] 在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑"与"口，所述自由磁层和所述 参考磁层初始处于平行状态，所述第二和第四端子用于施加第一输入电流，所述第Ξ和第 五端子用于施加第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于 施加读取电流。
[0027] 在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑"非"口，所述自由磁层和所述 参考磁层初始处于反平行状态，所述第二和第四端子用于施加控制电流，所述第Ξ和第五 端子用于施加输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读 取电流。
[0028] 在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑"与非"Π，所述自由磁层和所 述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二和第四端子用于施加第一输入电流，所述第Ξ 和第五端子用于施加第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子 用于施加读取电流。
[0029] 在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑"或"口，所述自由磁层和所述 参考磁层初始处于平行状态，所述第二和第四端子用于施加控制电流，所述第Ξ和第五端 子用于施加第一输入电流W及第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述 第一端子用于施加读取电流。
[0030] 在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑"或非"Π，所述自由磁层和所 述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二和第四端子用于施加控制电流，所述第Ξ和第 五端子用于施加第一输入电流W及第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和 所述第一端子用于施加读取电流。
[0031] 根据本发明又另一实施例，一种自旋逻辑器件包括：磁隧道结，具有第一磁层、第 二磁层W及位于二者之间的势垒层；与所述第一磁层相邻并且接触