[发明专利]三端自旋霍尔MRAM

说明书

提供了改进的自旋霍尔MRAM设计，其使得能够使用用于每个MTJ的单独的自旋霍尔线一起写入沿着给定字线的所有位。在一个方面，磁存储器单元包括：自旋霍尔线，其专用于磁存储器单元；MTJ，设置在自旋霍尔线上，其中MTJ包括通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层；以及一对选择晶体管，其连接到自旋霍尔线的相对端。还提供了一种MRAM器件及其操作方法。

技术领域

本发明涉及自旋霍尔磁性随机存取存储器(MRAM)，并且更具体地，涉及改进的自旋霍尔MRAM设计，其使得能够使用用于每个磁性隧道结的单独的自旋霍尔线一起写入沿着给定字线的所有位。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)装置使用磁性存储器单元来存储信息。与磁存储单元中的固定(或参考)层的磁化取向(orientation)相比，信息被存储在磁存储单元中，作为磁存储单元中的自由(或可切换)层的磁化取向。自由层的磁化取向可以平行于或反平行于固定层，表示逻辑1或逻辑0。当磁存储单元处于零外加磁场中时，磁存储单元的磁化是稳定的。然而，磁场的施加可以切换自由层的磁化以将信息写入磁存储器单元。

每一磁性存储器单元包含充当自由层的至少一个磁性金属层、充当固定层的至少一个其它磁性金属层，以及在磁性隧道结或MTJ堆叠中定向的隧道势垒。存在于自由层与固定层之间的隧道势垒用于使这些磁性金属层去耦，同时准许电子穿过隧道势垒。

在自旋扭矩MRAM中，自旋霍尔效应被用于写入数据，由此自旋极化电流通过自旋霍尔线，这使MTJ中的自由层沿着自旋霍尔线不稳定，使得它们更容易写入。然而，这种设计的问题在于自旋霍尔线具有高电阻率，从而限制了可以放置在同一线上的位数。

因此，将需要改进的自旋力矩MRAM设计。

发明内容

本发明提供了改进的自旋霍尔磁性随机存取存储器(MRAM)设计，其使得能够使用用于每个磁性隧道结(MTJ)的单独的自旋霍尔线一起写入沿着给定字线的所有位。在本发明的一个方面中，提供了一种磁存储器单元。该磁存储单元包括：自旋霍尔线，其专用于磁存储器单元；设置在自旋霍尔线上的MTJ，其中MTJ包括通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层；以及一对选择晶体管，其连接到自旋霍尔线的相对端。

在本发明的另一个方面，提供了一种MRAM器件。MRAM器件包括：位线；取向与位线正交的字线；以及在位线和字线之间的磁存储单元，其中每个磁存储单元包括：i)磁存储器单元专用的自旋霍尔线，ii)设置在自旋霍尔线上的MTJ，具有通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层，以及iii)连接到自旋霍尔线的相对端的一对选择晶体管。

在本发明的又一方面，提供了一种操作MRAM器件的方法。该方法包括以下步骤：将字线电压施加到MRAM器件的给定字线，其中MRAM器件包括：位线、取向与位线正交的字线、以及在位线和字线之间的磁存储器单元，其中每个磁存储器单元包括：i)磁存储器单元专用的自旋霍尔线，ii)设置在自旋霍尔线上的MTJ，其具有通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层，以及iii)连接到自旋霍尔线的相对端的一对选择晶体管；将第一电压Vdd施加到每个磁性存储器单元中的自旋霍尔线，以使每个磁性存储器单元的MTJ中的自由磁性层不稳定；将写入电压施加到与逻辑1或逻辑0对应的每个位线；以及将第二电压Vs施加到每个磁存储器单元中的自旋霍尔线，其中Vs<Vdd，并且其中在将第二电压Vs施加到自旋霍尔线的步骤之前执行将写入电压施加到每个位线的步骤。

通过参考以下详细描述和附图，将获得对本发明的更完整理解以及本发明的进一步特征和优点。

附图说明

图1是示出具有固定层、隧道势垒和自由层的传统磁隧道结(MTJ)的图，其中固定层的磁化指向左侧或右侧；

图2是示出垂直MTJ的图，其中固定层的磁化指向上或向下；