CN102931342A

CN102931342A - 一种霍尔自旋天平材料及元器件

Info

Publication number: CN102931342A
Application number: CN2012104210315A
Authority: CN
Inventors: 于广华; 王守国; 张石磊; 刘洋; 张静言; 滕蛟; 冯春
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及磁性功能薄膜和以磁性多层膜材料为基础的新型材料及其元器件。一种霍尔自旋天平材料，所述材料包括多层薄膜，由两个具有垂直磁各向异性的磁性层，中间被非磁性绝缘层隔离所组成；其中一磁性层被反铁磁层钉扎，另外一磁性层与一功能层相连；材料制成Hallbar的形状。此发明保留了MTJ的优点，以低成本实现NVM，并具有与晶体管媲美的状态变化比率，能够实现3D存储阵列，且具有复杂逻辑处理的能力。解决了NVM现存的主要问题。

Description

一种霍尔自旋天平材料及元器件

技术领域

本发明涉及磁性功能薄膜和以磁性多层膜材料为基础的新型材料及其元器件。

背景技术

当前的半导体工业处于“新旧”交替并存的阶段。互补型金属氧化物半导体器件（CMOS）是一种以电子的电荷属性为信息载体（二进制）的用若干场效应晶体管构成的元件；以CMOS为基础的逻辑存储模式（例如，动态随机存储器DRAM）和逻辑运算模式(例如，MOSFET逻辑门)在大型集成电路中仍然占据着主导地位。但是，在集成电路长远规划（2019-2026）的蓝图中，高集成密度（3D存储模式）、低能耗、和高运算效率的电路模式将占据最高的优先级并成为产业化和商业化的首选。

近期，非易失型存储器（nonvolatile memory, NVM），即数据像硬盘一样不随断电而转瞬即逝的研究取得了巨大的进展。NVM可以大致分为两类，第一类是最早出现的以电子电荷为基础的非易失型存储器（charge-based nonvolatile memory）。例如：闪存（flash）-执行数据存储的NAND flash和执行代码存储的NOR flash，目前已经成功的投产并成为NVM在市场上的主要商品。第二类是新生的以其他物理状态为基础的非易失型存储器件(non-charge-based nonvolatile memory)，包括磁随机存储器(magnetic RAM, MRAM)，铁电存储器(ferroelectric RAM, FeRAM)，相变存储器(phase-change RAM, PCRAM)，和阻变存储器(resistance-change RAM, RRAM)等。

在所有NVM之中，MRAM是最有望实现“统一存储器”（即存储器将硬盘和内存统一）的模式，继而在近几年成为各大信息产业公司（例如，Advanced Micro Devices Inc., Freescale Semiconductor Inc., IBM Corporation等）重点关注和投资研究的对象。MRAM是以磁性隧道结（MTJ）为基元的阵列，每一个MTJ承载一个比特的二进制信息。二进制的信息（1或0）被编译成为MTJ中两个磁性层（约几纳米厚）的排列状态(平行或反平行)，分别对应于隧穿电流的高/低状态（即MTJ中隧穿电阻的低/高态）。读数据时则采用测量MTJ的磁电阻值的方式；写数据可以采用外加电流产生的磁场来翻转自由层的磁化方向，即传统的MRAM原理。近年来发展的写数据可以采用外加自旋极化电流、利用自旋转移矩效应来翻转其中一层的磁化方向从而改变两磁性层的排列状态，即自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）。虽然MRAM预计将会在2015-2016年试投产，但是对于其单独的元件MTJ而言，依然有无法克服的困难，将阻碍其在2020年后更长远的发展。首先，MTJ不得不面对室温下平均仅约200%的磁电阻比值(MR)，使得其读数据效率较低。其次，由于MTJ需要电流垂直流入元件，无法实现3D的阵列，大大降低了其集成密度的可发展性。第三，MTJ的性能强烈的依赖于用于隔离两铁磁层材料的绝缘层质量(早先用的是非晶的Al₂O₃薄膜、近期开始使用具有(001)取向的MgO薄膜），因此其材料的制备条件要求很高、造价昂贵且效率较低。此外，磁性隧道结的微加工工艺复杂，包括精细紫外曝光和刻蚀条件，使得MTJ的生产成本很高。第四，为了实现32 纳米（理论上证明为目前MRAM的尺寸极限）甚至更低的尺寸，磁垂直各向异性，热稳定性和噪音的控制都要求有质的飞跃。第五，MRAM有望成为“逻辑植入型存储器”（即在存储器中实现逻辑运算），但是MTJ仅有两种物理状态（磁电阻高和低），无法高效率地实现复杂逻辑的运算。纵观其他的NVM (flash, FeRAM, PCRAM，RRAM)，没有任何器件能够同时包容MRAM的优点并解决上述所有的问题。因此，寻求新的MRAM基元的材料和元件，或者采用新的物理机制来实现MRAM功能，并能够在未来5到10年内产业化的解决方案成为当前的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种磁性功能薄膜和以磁性多层膜材料为基础的新型材料，并以Hall1 bar的形式制成元件。此发明保留了MTJ的优点，以低成本实现NVM，并具有与晶体管媲美的状态变化比率，能够实现3D存储阵列，且具有复杂逻辑处理的能力。解决了NVM现存的主要问题。

为了实现本发明，提出以反常霍尔效应(extraordinary Hall effect, EHE)为基础的新型自旋电子材料-霍尔自旋天平(extraordinary Hall balance, EHB)材料，具体技术方案如下：

一种霍尔自旋天平材料，所述材料包括多层薄膜，由两个具有垂直磁各向异性的磁性层，中间被非磁性绝缘层隔离所组成；其中一磁性层被反铁磁层钉扎，另外一磁性层与一功能层相连；材料制成Hall bar的形状。

进一步的，所述磁性层是含有Fe、Co或Ni的且具有垂直各向异性的磁性单层膜或者多层膜，磁性层中至少包含一种磁性元素。

进一步的，所述材料中间的隔离层以及最顶层的功能层为绝缘材料包括NiO薄膜、Al₂O₃薄膜、MgO薄膜等。

进一步的，所述反铁磁层为氧化物薄膜或金属合金薄膜。

进一步的，所述氧化物薄膜为NiO薄膜等；所述金属合金薄膜为IrMn薄膜、 FeMn薄膜、 NiMn薄膜等。

一种元器件，其特征在于：由权利要求1-5任一权利要求所述的材料制作。

本发明的优点在于：EHB不仅包含了MTJ的优点，还包括（1）该装置利用霍尔电压为输出信号，具有很高的灵敏度和信噪比；（2）EHB实现了极高的状态比率，解决了MTJ应用中面临的主要挑战；（3）由于EHB的电流平行于膜面，能够实现3D存储阵列结构；（4）EHB的材料能够可以采用大型磁控溅射设备生长、通过简单的微加工工艺制备为Hall bar结构，大大提升了制备效率并减少了生产成本；（5）EHB具有很强的垂直各向异性，有利于提高信息存储的密度；（6）EHB能够输出3到4种物理状态，具有复杂逻辑运算的能力。

附图说明

图1为本发明霍尔自旋天平材料的示意图。

图2为本发明霍尔自旋天平工作示意图。

图3为本发明霍尔自旋天平原理示意图，两铁磁层的磁化方向平行，获得高的霍尔电压。

图4为本发明霍尔自旋天平原理示意图，两铁磁层的磁化方向反平行，获得接近为0的霍尔电压。

图5为本发明霍尔自旋天平原理示意图，两铁磁层的磁化方向反向平行，获得高的反向霍尔电压。

具体实施方式

图1所示，EHB材料是一种磁性多层薄膜材料，包括两个具有垂直磁各向异性的磁性层（如L10结构的FePt单层薄膜、CoFeB单层膜、Co/Pt多层膜、Fe/Pt多层膜等）和一个非磁隔离层（如Al2O3薄膜、MgO薄膜等），其中一磁性层被反铁磁层（如NiO薄膜、 IrMn薄膜、 FeMn薄膜、 NiMn薄膜等）所钉扎，另外一磁性层与一功能层(如：NiO、Al2O3、MgO薄膜等)相连。EHB材料在生长之后通过简单微加工制成标准Hall bar的形状。工作方式如图2所示：沿面内纵向方向外加电流，垂直方向施加外磁场，在面内横向方向可以输出霍尔电压并用作输出信号。EHB的原理如图3所示。字母I代表施加电流的方向。由于输出信号是体系的EHE电压，而EHE的效果是让自旋向上的电子偏转至“天平”一端，而自旋向下的电子偏转至“天平”的另一端。当两铁磁层的磁化方向为平行状态时，“天平”两端的自旋数目的差异最大；因此能够测量到较高的霍尔电压。相反，当两铁磁层的磁化强度方向为反平行时，“天平”两端的自旋电子数目大致相等，测量到的电压信号几乎被抵消为零。这样，理论上，如果两铁磁层具有相同的EHE效应，系统的高电压状态为单层的霍尔电压的两倍；而低电压状态理论上为零。EHB实现了近无限大的状态比，类似于MTJ中的MR无穷大。另一方面，当两铁磁层不对称的时候，则能够获得四个状态的霍尔电压，能够实现复杂逻辑的能力。

如图4所示，是利用磁控溅射制备的样品NiO(50)/Pt(0.6)/[Co(0.4)/Pt(1.2)]₃/MgO(8)/Pt(0.6)/[Co(0.4)/Pt(1.2)]₃/NiO(1) (in nm)在室温下的霍尔效应随磁场变化曲线，在-50 Oe至+50 Oe的磁场范围内，输出的霍尔信号由低状态变为高状态，状态变化率高达31400%，比现今最好的MTJ 磁电阻比值高出几个量级。例如：在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中，室温的磁电阻比值最高为600%左右(S. Ikeda, J. Hayakawa, H. Ohno et al. 2006 Appl. Phys. Lett. 93, 082508）。

Claims

1.一种霍尔自旋天平材料，所述材料包括多层薄膜，由两个具有垂直磁各向异性的磁性层，中间被非磁性绝缘层隔离所组成；其中一磁性层被反铁磁层钉扎，另外一磁性层与一功能层相连；材料制成Hall bar的形状。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述磁性层是含有Fe、Co或Ni的且具有垂直各向异性的磁性单层膜或者多层膜，磁性层中至少包含一种磁性元素。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述材料中间的隔离层以及最顶层的功能层为绝缘材料包括NiO薄膜、Al₂O₃薄膜、MgO薄膜等。

4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述反铁磁层为氧化物薄膜或金属合金薄膜。

5.根据权利要求所述的材料，其特征在于：所述氧化物薄膜为NiO薄膜等；所述金属合金薄膜为IrMn薄膜、 FeMn薄膜、 NiMn薄膜等。

6.一种元器件，其特征在于：由权利要求1-5任一权利要求所述的材料制作。