CN105633111A - 一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法 - Google Patents

一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法；电场辅助磁隧道结单元具有双势垒结构，包括第一电极层，以及依次形成在第一电极层上的第一磁性层、第一绝缘隧穿层、第二磁性层、第一金属层、第二绝缘层和第二电极层。第一磁性层为参照层RL，第一绝缘层为隧穿层I，第二磁性层为自由层FL，第一金属层为非磁金属层NM，第二绝缘层为介电层I*；当在磁隧道结单元的两端施加电压时，电场通过两个绝缘层引入到I/FL和FL/NM界面，从而调控I/FL的界面磁各向异性，并控制FL/NM的界面磁各向异性。写入方法应用了连续施加的双脉冲，能够在写入时利用所施加的电场来降低磁各向异性的大小，从而减小写入难度，极大降低器件功耗。

Description

一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法
技术领域
本发明属于微纳电子学技术领域，更具体地，涉及一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法。
背景技术
自旋力矩转移磁随机存储器(Spin-Torque-TransferMRAM，STT-MRAM)具有抗辐射、非易失性、快速和无限擦写循环特性，是最接近理想通用存储器的新型存储技术。它既可以用于非易失性存储(Non-VolatileMemory，NVM)也可以用于替代SRAM和DRAM，是最有希望满足下一代高性能计算机需求的新型存储技术，得到了科研机构和产业界的广泛关注。STT-MRAM利用了磁隧道结的隧道磁电阻效应(TunnelMagnetoresistence，TMR)来存储信息，利用自旋力矩传输效应(SpinTorqueTansfer，STT)对MTJ单元进行擦写。因而，STT-MRAM的存储性能主要取决于MTJ的特性。
磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)是由铁磁金属层/隧穿层/铁磁金属层(FM/I/FM)形成的三明治结构。其中一层磁性薄膜为参考层(也称为钉扎层)，其磁化方向固定；另外一层为自由层(也称为存储层)，其磁化方向可通过外加磁场或极化电流编程改变。当两磁性层磁化方向平行时，两个铁磁层材料能带中多数电子的自旋取向相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，隧穿电流最大，隧穿电阻最小；反之，当磁化方向反平行时，电子的隧穿行为发生在一个铁磁层的多数电子态和另一个铁磁层的少数电子态之间，这种态密度之间的不匹配造成了最小的隧穿电流和最大的隧穿电阻。MTJ中这种自旋相关隧穿现象也称之为隧穿磁电阻(TunnelMagnetoResistance，TMR)效应。MTJ中自旋极化电流的电子自旋与自由层磁矩发生散射，由此带来由电子自旋到磁性薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而使自由层产生进动，可其磁化方向翻转，这种效应被称为自旋角动量转移效应，简称STT效应。
在目前已知的磁电阻效应中，磁隧道结尤其是单晶MgO势垒的磁隧道结具有最大的磁电阻变化率，室温磁电阻变化率已超过600％。由于其巨大的室温TMR效应，磁隧道结在磁随机存储器(MRAM)、磁逻辑、高密度硬盘读头、磁性传感器、纳米微波振荡器、纳米微波检测器、自旋随机数字发生器及自旋忆阻器等领域都有着重要的应用。
在摩尔定律等比缩小的驱动下，集成电路特征尺寸越来越小，出于数据存储安全性和逻辑操作稳定性的考虑，必须使用高磁晶各向异性材料以保持一定的热稳定因子(Δ＝KUV/KBT)以抵抗热扰动。然而使用高磁各向异性材料势必会增大临界写入电流，在技术上增加写入难度，并且将大大增加器件的能耗，同时在自旋力矩转移过程中大电流通过MTJ的隧穿势垒层，会引起势垒层老化，减短写寿命。
通过电场控制磁性是一种能辅助磁化翻转的超低功耗技术。其利用了磁隧道结器件内部电场对界面磁各向异性的调控作用，可辅助STT效应诱导MTJ自由层完成磁化翻转，是一种新型辅助写入方法。由于MTJ写入电流的大小正比于自由层的磁各向异性常数，因而使用电场控制磁各向异性辅助STT效应能有效降低STT-MRAM写入功耗。在STT-MRAM中，目前的研究大多集中在电场对氧化物隧穿层(I)/自由层(FL)的界面磁各向异性的调控作用。然而，氧化物隧穿层/自由层的界面决定了器件的自旋选择特性，同时也决定了MTJ的隧道磁阻变化率(TMR)的大小。而MTJ作为存储器件，其TMR大小必须得到保证。因此，无法通过大幅裁剪I/FL界面特性有效地调控电场效应大小，电场辅助写入会受到极大的约束。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电场辅助写入型磁隧道结单元结构及其相应写入方法；其目的在于解决TMR与电场效应之间的矛盾，通过增加非磁金属层(None-magneticMetal,NM)及增加介电层I*(绝缘材料)，使得自由层的磁各向异性除了能够被I/FL界面电场调控外，还能被NM/I*界面电场有效地调控。由此解决了保持TMR与增强电场调制磁各向异性作用之间的矛盾，可进一步降低STT-MRAM的写入功耗。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁隧道结结构，包括第一电极层，以及依次形成在第一电极层上的第一磁性层、第一绝缘隧穿层、第二磁性层、第一金属层、第二绝缘层和第二电极层。其中第一磁性层为参照层RL，第一绝缘层为隧穿层I，第二磁性层为自由层FL，第一金属层为非磁金属层NM，第二绝缘层为介电层I*。当磁隧道结两端施加电压时，电场通过两个绝缘层引入到隧穿层与自由层之间的(I/FL)界面和自由层与非磁金属层之间(FL/NM)的界面。从而电场不仅可以调控隧穿层与自由层之间(I/FL)的界面磁各向异性，还可有效控制隧穿层与自由层之间(FL/NM)的界面磁各向异性。于是，上述器件结构能增强电场对自由层磁各向异性的调控，进一步降低MTJ的写入电流。
优选地，所述金属层厚度在0.2nm～5nm，材料为Pt、Au、Ta、Ru、W或Ti。使用不同的金属层材料，能有效改变电场的对自由层磁各向异性调控作用，满足各种应用对MTJ器件的性能要求。使用Pt能使电场对磁各向异性的调控作用非常强，而使用Ta能获得负的电场调控效应。(如图7所示)
优选地，所述第二绝缘层厚度在0.5nm～5nm，材料为氧化铝、氧化钽、氧化锆或者铁氧体。第二绝缘层的介电常数决定了FL/NM界面的强度。改变它的材料类型，能实现改变电场的对自由层磁各向异性调控作用的目的。
优选地，所述的磁隧道结单元还包括形成于所述第一电极层和所述第一磁性层之间的种子层和/或形成于所述第二电极层和所述第二绝缘层之间的覆盖层。增加覆盖层和种子层能改善薄膜的平整度，提高器件的品质；也能削弱电极对功能层(磁性层、绝缘层等)的不利影响，例如电极原子的扩散。
优选地，所述的磁隧道结单元还包括形成于所述第一电极层和所述第一磁性层之间的第三磁性层。第三磁性层具有高磁各向异性，与参照层发生铁磁耦合作用，可用于增强参照层的磁各向异性，以提高磁化状态的稳定性。
优选地，所述的磁隧道结结构还包括形成于所述第二电极层和所述第二绝缘层之间的第四磁性层。增加第四磁性层就构造了双隧穿层磁隧道结器件，相比单隧穿层其隧道磁阻变化率更大，可提升器件的信噪比。
优选地，所述的磁隧道结结构还包括形成于所述第一电极层和所述第一磁性层之间的反铁磁层。反铁磁层通过反铁磁耦合作用，可有效钉扎参照层的磁化状态，以提高其磁化状态的稳定性。
优选地，所述的磁隧道结单元还包括形成于所述第一磁性层和所述绝缘隧穿层之间的铁磁耦合层，所述铁磁耦合层由第五磁性层和金属层叠加而成，所述第五磁性层较所述金属层靠近所述绝缘隧穿层，所述第一磁性层与所述第五磁性层通过所述金属层形成反铁磁耦合结构。通过增加铁磁耦合层，可形成人工反铁磁耦合，以提高参照层磁化状态的稳定性。
按照本发明的另一方面，本发明还提供了一种磁隧道结的写入方法，包括下述步骤先在器件两端施加第一电压脉冲，随后施加第二电压脉冲；所述第一电压脉冲，方向不随写入信息改变，电压幅值0.4～1V、脉冲宽度为0.2～5ns；通过第一脉冲可以改变自由层的磁各向异性强度，诱导自由层磁矩发生强烈的进动。所述第二电压脉冲，方向随写入信息改变，电压幅值0.3～1V、脉冲宽度1～40ns。其中，第二电压脉冲比第一电压脉冲的幅值小，脉冲宽度宽。第二脉冲通过STT效应诱导磁矩发生翻转，完成信息写入。这种结合第一脉冲和第二脉冲的写入方法，可充分利用磁隧道结中电场对自由层磁各向异性的调控作用，降低写入功耗。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)采用电场辅助写入，在技术上降低写入难度，并且极大降低器件的能耗。
(2)采用电场辅助写入，有效减小写入电流，避免在自旋力矩转移过程中大电流通过MTJ的隧穿势垒层引起的势垒层老化，延长器件寿命。
(3)采用双势垒结构和增加金属层，解决了TMR与电场效应之间的矛盾，使得电场调制效应大为增强。
附图说明
图1是本发明一个实施例的磁隧道结的结构示意图；
图2是本发明又一个实施例的磁隧道结的结构示意图；
图3是本发明又一个实施例的磁隧道结的结构示意图；
图4是本发明又一个实施例的磁隧道结的结构示意图；
图5是本发明又一个实施例的磁隧道结的结构示意图；
图6是本发明又一个实施例的磁隧道结的结构示意图；
图7是本发明实施例的电场与自由层磁各向异性变化的关系。图中横坐标为电场强度，纵坐标为磁各向异性常数。
图8是本发明实施例的磁隧道结的写入示意图。(a)从高阻(反平行态)到低阻(平行态)；(b)从低阻(平行态)到高阻(反平行态)。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：01-衬底、02-第一电极层、03-第一磁性层、04-第一绝缘隧穿层、05-第二磁性层、06-第一金属层、07-第二绝缘层、08-第二电极层、021-种子层、081-覆盖层、031-第三磁性层、071-第四磁性层、032-反铁磁层、033-铁磁耦合层、0331-第五磁性层、0332-第二金属层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的磁隧道结包括：形成于衬底01上的第一电极层02，以及依次形成在第一电极层02上的第一磁性层03、第一绝缘隧穿层04、第二磁性层05、第一金属层06、第二绝缘层07和第二电极层08。
优选地，第一金属层06材料为Pt，厚度为0.5nm，以写入脉冲产生的电场/电压能极大地降低第二磁性层的磁各向异性，从而降低写入功耗。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，上述磁隧道结还包括形成于所述第一电极层02和所述第一磁性层之间的种子层021和/或形成于所述第二电极层08和所述第二绝缘层07之间的覆盖层081。
如图3所示，在本发明的另一个实施例中，上述磁隧道结还包括形成于所述第一电极层02和所述第一磁性层03之间的第三磁性层031。
如图4所示，在本发明的另一个实施例中，上述磁隧道结还包括形成第二电极层08和所述第二绝缘层07之间的第四磁性层071。
如图5所示，在本发明的另一个实施例中，上述磁隧道结还包括形成所述第一电极层02和所述第一磁性层03之间的反铁磁层032。
如图6所示，在本发明的另一个实施例中，上述磁隧道结同时包括形成于所述第一磁性层03和所述第一绝缘隧穿层04之间的铁磁耦合层033，所述铁磁耦合层由第五磁性层0331和第二金属层0332叠加而成，所述第五磁性层较所述金属层靠近所述绝缘隧穿层，所述第一磁性层与所述第五磁性层通过所述金属层形成反铁磁耦合结构。
如图8所示，本发明还涉及了一种电场辅助写入型磁隧道结的写入方法，其特征在于，先在器件两端施加第一电压脉冲，紧接着施加第二电压脉冲；
所述第一电压脉冲，方向不变，电压高、脉冲宽度窄；
所述第二电压脉冲，方向随写入信息改变，电压较第一电压低、脉冲宽度宽；
其中图8(a)中的写入脉冲可以使器件由低阻态转变到高阻态，图8(b)的写入方法可以使器件由低阻态转变到高阻态。
实施例1：
结合图1，上述磁隧道结的结构包括：衬底上的第一电极层Cu，以及依次形成在第一电极层上的第一磁性层CoFeB、第一绝缘隧穿层MgO、第二磁性层CoFeB、第一金属层Pt、第二绝缘层MgO和第二电极层Cu。
其中，第一金属层Pt厚度为0.5nm，以写入脉冲产生的电场/电压能极大地降低第二磁性层的磁各向异性，从而降低写入功耗。衬底为表面热氧化的Si片或是CMOS芯片
实施例2：
结合图2，上述磁隧道结的结构包括：衬底上的第一电极层Cu，以及依次形成在第一电极层上的种子层Ta，第一磁性层CoFeB、第一绝缘隧穿层MgO、第二磁性层CoFeB、第一金属层Pt、第二绝缘层MgO、覆盖层Ta和第二电极层Cu。
其中，第一金属层Pt厚度为0.5nm，衬底为表面热氧化的Si片或是CMOS芯片。
实施例3：
结合图3，上述磁隧道结的结构包括：衬底上的第一电极层Cu，以及依次形成在第一电极层上的种子层Ta，第三磁性层(Co/Pt)n(下标n表示为多层膜结构)、第一磁性层CoFeB、第一绝缘隧穿层MgO、第二磁性层CoFeB、第一金属层Pt、第二绝缘层MgO、和第二电极层Cu。
其中，第一金属层Pt厚度为0.5nm；第三磁性层具有高垂直各向异性，与第一磁性层发生铁磁耦合；衬底为表面热氧化的Si片或是CMOS芯片。
实施例4：
结合图5，上述磁隧道结的结构包括：衬底上的第一电极层Cu，以及依次形成在第一电极层上的种子层Ta，反铁磁层FeMn、第一磁性层CoFeB、第一绝缘隧穿层MgO、第二磁性层CoFeB、第一金属层Pt、第二绝缘层MgO、和第二电极层Cu。
其中，第一磁性层磁矩被反铁磁层钉扎；第一金属层Pt厚度为0.5nm，衬底为表面热氧化的Si片或是CMOS芯片。
实施例5：
结合图6，上述磁隧道结的结构包括：衬底上的第一电极层Cu，以及依次形成在第一电极层上的种子层Ta，铁磁耦合层、第一磁性层CoFeB、第一绝缘隧穿层MgO、第二磁性层CoFeB、第一金属层Pt、第二绝缘层MgO、和第二电极层Cu。
比较例：
第一金属层为0.5nm的Au或Ta层，其他步骤同实施例1。
利用第一性原理计算实施例1及比较例的磁电效应，结果如图7所示。图中横坐标为电场强度，纵坐标为磁各向异性常数。而其斜率代表着电场对磁各向异性调控作用的强弱。通过对比三种不同第一金属层的实施例，发现Pt作为第一金属层的磁各向异性随着电场的变化最大，系数为33.25fJV-1m-1。更强的磁电效应能减小写入过程中的改变磁矩方向所需的能量壁垒，因而实施例1能更有效的降低器件写入功耗。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电场辅助写入型磁隧道结单元，其特征在于，包括第一电极层，以及依次形成在第一电极层上的第一磁性层、第一绝缘隧穿层、第二磁性层、第一金属层、第二绝缘层和第二电极层；
所述第一磁性层为参照层RL，所述第一绝缘层为隧穿层I，所述第二磁性层为自由层FL，所述第一金属层为非磁金属层NM，所述第二绝缘层为介电层I*；
当在磁隧道结单元的两端施加电压时，电场通过两个绝缘层被引入到隧穿层与自由层之间的界面和自由层与非磁金属层之间的界面，从而调控隧穿层与自由层之间的界面磁各向异性，并控制自由层与非磁金属层之间的界面磁各向异性。
2.如权利要求1所述的电场辅助写入型磁隧道结单元，其特征在于，所述第一金属层的厚度为0.2nm～5nm；材料为Pt、Au、Ta、Ru、W、Cu或Ti。
3.如权利要求1所述的电场辅助写入型磁隧道结单元，其特征在于，所述第二绝缘层的厚度为0.5nm～5nm，材料为氧化铝、氧化钽、氧化锆或者铁氧体。
4.如权利要求1所述的电场辅助写入型磁隧道结单元，其特征在于，所述电场辅助写入型磁隧道结单元还包括形成于所述第一电极层和所述第一磁性层之间的种子层和/或形成于所述第二电极层和所述第二绝缘层之间的覆盖层。
5.如权利要求1所述的电场辅助写入型磁隧道结单元，其特征在于，所述电场辅助写入型磁隧道结单元还包括形成于所述第一电极层和所述第一磁性层之间的第三磁性层、铁磁耦合层或反铁磁层。其中，所述铁磁耦合层由第五磁性层和金属层叠加而成，所述第五磁性层较所述金属层靠近所述绝缘隧穿层，所述第一磁性层与所述第五磁性层通过所述金属层形成反铁磁耦合结构。
6.如权利要求1所述的电场辅助写入型磁隧道结单元，其特征在于，所述电场辅助写入型磁隧道结单元还包括形成于所述第二电极层和所述第二绝缘层之间的第四磁性层。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的电场辅助写入型磁隧道结单元的写入方法，其特征在于，包括下述步骤：
通过先在磁隧道结单元两端施加第一电压脉冲，再施加第二电压脉冲来实现磁隧道结单元的写入；
其中，所述第一电压脉冲的方向不随写入信息改变，所述第二电压脉冲的方向随写入信息改变，且所述第二电压脉冲的电压小于所述第一电压脉冲的电压，所述第二电压脉冲的宽度大于所述第一电压脉冲的宽度。
8.如权利要求7所述的写入方法，其特征在于，所述第一电压脉冲电压大小为0.4V～1V；所述第一电压脉冲电压宽度为0.2ns～5ns；所述第二电压脉冲电压大小为0.3V～1V；所述第一电压脉冲电压宽度为1ns～40ns。
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