CN103280234A - 电场驱动的磁性元件及磁性随机存储器 - Google Patents

Abstract

一种电场驱动的磁性元件及磁性随机存储器。该磁性元件包括底电极层，形成在底电极层上的第一磁性层，形成在第一磁性层上的非磁性隔离层，形成在非磁性隔离层上的第二磁性层和形成在第二磁性层上的保护层或顶电极层，第一或第二磁性层的厚度在设定临界厚度以下，以使第一或第二磁性层的磁化方向可通过施加在保护层或顶电极层和底电极层之间并垂直于磁性层的电场进行切换。该磁性随机存储器包含所述磁性元件。本发明的磁性元件利用电压或电场进行磁性自由层的磁化方向转换，从而实现数据的存储，排除了通过移动大量电子的必要性，因此将大大提高能效，同时存储密度也显著提高，而且由于不使用复杂铁电氧化物层和额外特殊设计，其结构亦非常简单。

Description

电场驱动的磁性元件及磁性随机存储器

技术领域

本发明特别涉及一种电场驱动的磁性元件及磁性随机存储器，属于磁性随机存储技术领域。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)由于具有高密度、高速度、低功耗、寿命长和非易失性等优点，被认为是下一代具有广泛应用的“通用”存储器。它的核心工作单元是一个“磁性固定层/隔离层/磁性自由层”的三明冶结构叠层的磁性元件。目前流行的MRAM是基于一种名叫“自旋转移力矩(STT)效应的技术，STT技术是利用电流产生的STT效应来改变自由层的磁化方向，从而在存储单元中产生高、低两个阻态，实现数据的存取(如图1A所示)。尽管STT技术在许多方面优于其他存储技术，但它基于电流的写入机制仍然需要一定的电量，这意味着它在写入数据时会产生热量，目前信息写入所需的电流强度仍然比较高。而且，其存储容量也受到大的写入电流强度的限制，从而限制了STT技术的应用范围。

此外，由于在STT技术中，隔离层的厚度需要控制在1nm左右，这给工程技术上带来巨大的挑战，同时，由于电流垂直通过存储单元使得较薄的隔离层(通常为隧穿势垒层，比如MgO)发生介电击穿现象的风险提高，进而影响器件的寿命。

近年来，人们又提出了一种铁电氧化层和磁性层的复合结构(如图1B所示)，其通过铁电层与磁性层之间在电场作用下产生的磁电耦合效应对磁性自由层的磁化方向进行调制，从而实现电场信息进行信息写入。此外，也有人提出，将磁性元件设置在电场中，通过增加电场强度并结合STT技术来实现信息的写入(如图1C-1和图1C-2所示)。然而以上两种技术分别需要增加额外的铁电氧化物层或设计特殊的电场产生装置，使结构复杂化，这给工程技术带来了巨大的挑战。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的之一在于提出一种电场驱动的磁性元件，该磁性元件利用磁电效应原理，通过在垂直于磁性元件薄膜层方向施加电压(电场直接施加在顶电极和底电极之间)调控磁性自由层的磁化方向，从而使其磁电阻发生变化。

本发明的目的之二在于提供一种磁性随机存储器。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电场驱动的磁性元件，包括：

底电极层，

形成在底电极层上的第一磁性层，

形成在第一磁性层上的非磁性隔离层，

形成在非磁性隔离层上的第二磁性层，以及

形成在第二磁性层上的保护层或顶电极层，

其中，所述第一磁性层或第二磁性层的厚度在设定临界厚度以下，以使所述第一磁性层或第二磁性层的磁化方向可通过施加在保护层或顶电极层和底电极层之间并垂直于第一或第二磁性层的电场进行切换。进一步的讲，亦可理解为，第一、二磁性层中有一层系磁性自由层，当电场方向垂直于磁性层时，所述磁性自由层的磁化方向在电场的作用下发生变化，进而使得所述磁性元件的磁电阻发生变化。

作为优选的实施方案之一，所述非磁性隔离层可选用包括厚度为1.0nm～6.0nm的非磁性金属层和/或厚度为0.8nm～3.0nm的隧道绝缘层，且不限于此。

作为优选的实施方案之一，所述非磁性隔离层可选用金属薄膜和/或非金属薄膜，所述金属薄膜可选用铜、银、铬薄膜中的一种或多种，所述非金属薄膜可选用氧化物绝缘膜、类金刚石薄膜和石墨烯中的一种或多种，所述氧化物绝缘膜可选用氧化铝、氧化镁绝缘膜中的一种或多种，且均不限于此。

作为优选的实施方案之一，用于形成所述第一磁性层和第二磁性层的磁性材料可选自过渡族磁性金属、过渡族磁性金属合金、稀土过渡合金、稀磁金属合金、半金属磁性材料中的一种或多种，但不限于此。

作为优选的实施方案之一，所述过渡族磁性金属可选自铁、钴、镍中的一种或多种，所述过渡族磁性金属合金可选自含有铁、钴、镍中的任意一种或两种以上的合金，如，钴铁合金、镍铁合金、钴镍合金、钴铁硼合金等。

作为优选的实施方案之一，所述稀土过渡金属合金可选自TbFe、TbFeCo，但不限于此。

作为优选的实施方案之一，所述半金属磁性材料可选自Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃、Heussler合金，但不限于此。

作为优选的实施方案之一，所述稀磁金属合金可选自GaMnAs、GeMn，但不限于此。

作为优选的实施方案之一，所述电场驱动的磁性元件还可包含形成于第一磁性层下方或第二磁性层上方的反铁磁性材料层，

用于形成所述反铁磁性层的材料可选自反铁磁合金和/或反铁磁化合物，但不限于此。

其中，所述反铁磁合金可选自Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn、Rh-Mn，但不限于此。

一种磁性随机存储器，包含前述电场驱动的磁性元件。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：该电场驱动的磁性元件以电压取代STT技术的电流，把数据写入存储器，排除了通过移动大量电子的必要性，而是利用电压或电场进行磁性自由层的磁化方向转换，从而实现数据的存储，因此将大大提高能效，同时存储密度也将显著提高，而且由于不使用复杂的铁电氧化物层和额外的特殊设计，其结构亦非常简单。

附图说明

图1A是现有常规磁性自旋阀的结构示意图；

图1B是现有基于铁电氧化层的磁性元件结构示意图；

图1C-1和图1C-2是现有基于特殊结构设计的磁性元件结构示意图；

图2A是本发明一典型实施例中电场驱动的磁性元件的结构示意图；

图2B是本发明一较佳实施例中电场驱动的磁性元件的结构示意图；

图3A是本发明另一典型实施例中电场驱动的磁性元件的结构示意图；

图3B是本发明另一较佳实施例中电场驱动的磁性元件的结构示意图；

附图标记说明：常规自由层1’、常规隔离层2’、常规固定层3’、铁电氧化层4’、特殊电场产生装置8’、磁性自由层1、非磁性隔离层2、磁性固定层3、底电极层4、顶电极层5、人工反铁磁性层6、反铁磁性层61、被钉扎磁性层62、非磁性隔离层63、电流写入I_s、电压写入V_s、电场写入V。

具体实施方式

以下结合若干实施例及相应附图对本发明的技术方案进行说明。

请参阅图2A，其描述了依据本发明的电场驱动的磁性元件的第一个实施例，该磁性元件优选用在磁性存储器中，如MRAM。因此，磁性元件可用于包括隔离晶体管(未示出)的存储单元中以及磁性存储的其他构造中。

进一步的讲，本实施例的电场驱动的磁性元件包括：底电极层4；可通过电场调控磁化方向的第一磁性层，也称之为磁性自由层1(如下简称自由层)；形成于前述磁性层之上的非磁性隔离层2，当隔离层为非磁性金属层时，其厚度在1.0～6.0nm之间，而当隔离层为隧道绝缘层时，其典型厚度在0.8nm～3.0nm之间；以及形成于隔离层之上的第二磁性层，其平衡磁化方向是固定的且位于薄膜平面内(也称为磁性固定层3，简称固定层)；形成第二磁性层之上的顶电极层5。需要指出的是，本发明的磁性自由层1的厚度选择必需满足一定的条件，即其厚度小于电压驱动切换的临界厚度，在临界厚度以下，当电压垂直施加在顶电极和底电极之间通过所述磁性元件时，由于电场作用引起自由层的磁化方向发生改变，进而导致磁性元件的输出电阻发生改变。

以下进一步结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作详细说明。

实施例1参阅图2B，该磁性元件结构如下：首先在基片上形成一个Cr10nm/Au50nm的底电极层(或种子层)4；然后在底电极层上形成一个0.7nm厚的铁磁性Co₂₀Fe₈₀自由层(磁性自由层1)，且该层的磁化方向可在电场作用下进行切换；一个形成于铁磁性Co₂₀Fe₈₀层之上的隔离层(非磁性隔离层2)，优选1.5nm的MgO势垒层；一个形成于隔离层2之上的另一个磁性Fe层(10nm)以及一个形成于该另一个磁性Fe层(磁性固定层3)之上的Au(20nm)顶电极层(或保护层)5。势垒层2允许电荷载流子在磁性自由层1和磁性固定层3之间隧穿。磁性自由层的厚度必需小于一定的临界厚度以满足电场能切换其磁化方向，比如本实施例的Co₂₀Fe₈₀的厚度小于1.0nm。这样，垂直施加在磁性元件上的电场可以调控磁性自由层1的磁化方向来调控磁性元件的电阻输出高、低，从而实现信息的写入和存储。与现有技术利用STT技术，即电流技术进行数据写入和信息相比，本技术不需要大的电流，同时势垒的厚度也不需要小于1nm，使磁性存储器的功耗、存储密度和寿命提高。

与利用铁电氧化层/磁性层之间的磁电耦合效应的技术相比，本实施例不涉及复杂氧化物层的生长及其界面控制。与基于特殊电场产生装置的技术相比，本实施例不涉及额外特殊电场产生装置，因此基于本发明的磁性存储器结构简单、成本低。

上述实施例中，前述种子层1可使用但不限于Ta、Ru、Cu、CuN等非磁性金属。前述隔离层优选MgO势垒材料，也可选用Au、Cu和Cr等非磁性金属、或金属氧化物绝缘膜、或类金刚石薄膜、石黑烯等材料。磁性自由层1优选于具有较小矫顽力的过渡族铁磁性金属及其合金，如：Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB及其合金材料；磁性自由层1的材料也可由诸如La_0.7Sr_0.3MnO₃、Heussler合金的半金属，TeFeCo等稀土过渡金属合金以及GaMnAs等稀磁合金构成；保护层5也可由Ta、Pt等金属材料构成。

实施例2在前述实施例中，磁性固定层的平衡磁化方向由材料的面内磁化决定，其方向是相对固定的。但当其矫顽力较小时，其磁化方向在可以在较小的外场作用发生翻转，进而影响磁性存储器的性能。针对上述问题，本实施例进一步提出一种属于钉扎型磁性元件，其结构如图3A所示，在磁性固定层3之上形成人工反铁磁性层6，磁性固定层3的平衡磁化方向由于反铁磁性的钉扎作用而相对固定的。本实施例中的种子层4、下部磁性自由层1、非磁性隔离层2、磁性固定层3和保护层5的材料与第一实施例相似，故省略其描述。前述人工反铁磁性层6可由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn、Rh-Mn或NiO等反铁磁合金构成。前述人工反铁磁性层6也可由反铁磁性层与铁磁性层/非磁性金属层/铁磁性层(简称，FM/NM/FM)复合多层膜构成，其中FM/NM/FM复合多层膜形成人工反铁磁性耦合层，从而使磁性固定层3的磁化方向固定。这里FM与实施例1中的下部磁性自由层1材料类似，NM由Ru、Cu、Ag等非磁性金属构成，其厚度在0.8nm左右，满足FM/NM/FM复合多层膜形成人工反铁磁性耦合的条件，其基本结构如图3B所示。

这里给出一个具体材料的实施例，在Si/SiO₂衬底上，通过磁控溅射方法自而下依次沉淀种子层4(3nm Ta/10nm CuN/5nm Ta)、铁磁性自由层1(1.0nmCo₂₀Fe₆₀B₂₀)、非磁性隔离层2(1.2nm MgO)、人工反铁磁耦合层FM/NM/NM(2.5nm Co₂₀Fe₆₀B₂₀/0.85nm Ru/2.5nm Co₇₀Fe₃₀)、反铁磁性层(15nm IrMn)、以及保护层(50nm Cu/10nm Au)。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场驱动的磁性元件，其特征在于，包括：

底电极层；

形成在底电极层上的第一磁性层(1)，

形成在第一磁性层(1)上的非磁性隔离层(2)，

形成在非磁性隔离层(2)上的第二磁性层(3)，以及

形成在第二磁性层(3)上的保护层或顶电极层，

其中，所述第一磁性层(1)或第二磁性层(3)的厚度在设定临界厚度以下，以使所述第一磁性层(1)或第二磁性层(3)的磁化方向可通过施加在保护层或顶电极层和底电极层之间并垂直于所述第一磁性层(1)或第二磁性层(3)的电场进行切换。

2.根据权利要求1所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，所述非磁性隔离层(2)包括厚度为1.0nm～6.0nm的非磁性金属层和/或厚度为0.8nm～3.0nm的隧道绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，所述非磁性隔离层(2)包括金属薄膜和/或非金属薄膜，所述金属薄膜包括铜、银或铬薄膜，所述非金属薄膜包括氧化物绝缘膜、类金刚石薄膜或石墨烯，所述氧化物绝缘膜包括氧化铝或氧化镁绝缘膜。

4.根据权利要求1所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，用于形成所述第一磁性层(1)和第二磁性层(3)的磁性材料包括过渡族磁性金属、过渡族磁性金属合金、稀土过渡合金、稀磁金属合金或半金属磁性材料。

5.根据权利要求4所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，所述过渡族磁性金属包括铁、钴或镍，所述过渡族磁性金属合金包括含有铁、钴、镍中的任意一种或两种以上的合金。

6.根据权利要求4所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，所述稀土过渡金属合金包括TbFe或TbFeCo。

7.根据权利要求4所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，所述半金属磁性材料包括Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃或Heussler合金。

8.根据权利要求4所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，所述稀磁金属合金包括GaMnAs或GeMn。

9.根据权利要求4所述的电场驱动的磁性元件，其特征在于，它还包含形成于第一磁性层(1)下方或第二磁性层(3)上方的反铁磁性材料层，

用于形成所述反铁磁性层的材料包括反铁磁合金和/或反铁磁化合物，

其中，所述反铁磁合金包括Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn。

10.一种磁性随机存储器，其特征在于，包含权利要求1-9中任一项所述电场驱动的磁性元件。

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