CN109065704B

CN109065704B - Mtj器件

Info

Publication number: CN109065704B
Application number: CN201810866682.2A
Authority: CN
Inventors: 王素梅; 罗军; 赵超; 王文武; 叶甜春
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2038-08-01
Also published as: CN109065704A

Abstract

本发明提供了一种MTJ器件。该MTJ器件包括：重金属层，形成重金属层的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层，设置于重金属层的一侧表面，且第一磁性层具有垂直于重金属层表面的磁各向异性；交换耦合控制层，设置于第一磁性层远离重金属层的一侧表面，用于使第一磁性层与第二磁性层铁磁耦合；第二磁性层，设置于交换耦合控制层远离第一磁性层的一侧表面，第二磁性层具有垂直于重金属层的磁各向异性，且第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层的饱和磁化强度。通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，从而能够使器件的临界反转电流密度大大降低，并且包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。

Description

MTJ器件

技术领域

本发明涉及磁性器件技术领域，具体而言，涉及一种MTJ器件。

背景技术

自选轨道转矩(SOT)是指基于自选轨道耦合(SOC)，利用电荷诱导的自旋流来产生自旋轨道转矩，进而达到调控磁性层的目的，即基于强SOC产生的自旋流会以力矩的方式来影响近邻的磁性材料。

研究表明半导体GaAs、Ge、Si和金属体系Al、Au、Pt、Ta等被证明存在自旋霍尔效应，并且重金属中的自旋霍尔效应更加显著。在现有技术中的铁磁层与重金属层的双层膜结构中，由于重金属层中的强SOC和自旋霍尔效应，流动于重金属层中的电流会产生自旋流，自旋流造成界面自旋积聚，积聚的自旋对相邻铁磁层产生力矩作用，当电流密度达到一定阈值后，铁磁层的磁化方向反转。这一技术相对于传统的使用磁场控制磁性材料磁化方向的手段，效率更高、局域性更强。

并且，对于现有技术中的单层磁化层而言，切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度，并且，单层磁化层也具有相对较低的热稳定性(磁性层的厚度通常小于1nm)，高临界自旋电流密度导致能耗增高，而低的热稳定性则会缩短器件的使用寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种MTJ器件，以解决现有技术中切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度且磁化层热稳定性低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种MTJ器件，包括：重金属层，形成重金属层的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层，设置于重金属层的一侧表面，且第一磁性层具有垂直于重金属层表面的磁各向异性；交换耦合控制层，设置于第一磁性层远离重金属层的一侧表面；第二磁性层，设置于交换耦合控制层远离第一磁性层的一侧表面，第二磁性层具有垂直于重金属层的磁各向异性，且第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层的饱和磁化强度，交换耦合控制层用于使第一磁性层与第二磁性层铁磁耦合。

进一步地，形成第一磁性层的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，形成合金的元素还包括Cu、Pt、Cr和V中的任一种或多种。

进一步地，第一磁性层的厚度为小于2nm。

进一步地，第一磁性层和第二磁性层的垂直磁各向异性常数分别在10⁶～10⁷erg/cm³的范围内。

进一步地，形成第二磁性层的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，优选为CoNiCo、CoFeB、CoPt和FePt中的任一种。

进一步地，第二磁性层的厚度为0.4～1nm。

进一步地，形成交换耦合控制层的材料选自Ru、Ta、和Mo中的任一种元素。

进一步地，形成重金属层的材料选自Pt、Ta和W中的任一种或多种元素。

进一步地，第一磁性层、交换耦合控制层和第二磁性层构成复合自由层，MTJ器件还包括非磁性势垒层和磁性固定层，非磁性势垒层设置于复合自由层与磁性固定层之间。

应用本发明的技术方案，提供了一种MTJ器件，该MTJ器件中通过采用包括第一磁化层和第二磁化层的双磁化层来代替传统的垂直磁化层。在反转过程中，靠近重金属层的第一磁性层会在自旋轨道矩的作用下首先反转，而后第二磁性层将会在两磁性层的交换相互作用下实现反转，因自旋轨道矩形式为

从而能够通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，使器件的临界反转电流密度大大降低，而包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的一种MTJ器件的剖面结构示意图；

图2示出了本发明实施方式所提供的具有MTJ的MTJ器件的剖面结构示意图；

图3示出了本发明实施方式所提供的实施例中在(I)条件下磁化强度M_s1与临界自旋电流密度J_c的关系示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、重金属层；20、复合自由层；210、第一磁性层；220、交换耦合控制层；230、第二磁性层；30、非磁性势垒层；40、磁性固定层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中对于单层磁化层而言，切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度，并且，单层磁化层也具有相对较低的热稳定性(磁性层的厚度通常小于1nm)，高临界自旋电流密度导致能耗增高，而低的热稳定性则会缩短器件的使用寿命。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种MTJ器件，如图1所示，包括：重金属层10，形成重金属层10的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层210，设置于重金属层10的一侧，且第一磁性层210具有垂直于重金属层10表面的磁各向异性；交换耦合控制层220，设置于第一磁性层210远离重金属层10的一侧；第二磁性层230，设置于交换耦合控制层220远离第一磁性层210的一侧，第二磁性层230具有垂直于重金属层10的磁各向异性，且第二磁性层230的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层210的饱和磁化强度，上述交换耦合控制层220用于使第一磁性层210与第二磁性层230铁磁耦合。

上述MTJ器件中由于包括第一磁化层和第二磁化层的双磁化层来代替传统的垂直磁化层。在反转过程中，靠近重金属层的第一磁性层会在自旋轨道矩的作用下首先反转，而后第二磁性层将会在两磁性层的交换相互作用下实现反转，因自旋轨道矩形式为

从而能够通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，使器件的临界反转电流密度大大降低；进一步地，包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。

将本发明中的上述MTJ器件放入一个三维坐标系中第一磁性层210、第二磁性层230和重金属层10的长度方向和宽度方向分别对应坐标系的x轴和y轴，上述第一磁性层210和第二磁性层230的厚度方向对应坐标系的z轴。此时，上述第一磁性层210和第二磁性层230的磁各向异性垂直于重金属层10表面，即第一磁性层210和第二磁性层230的磁化方向为其厚度方向；而为了使上述重金属层10中产生自选轨道转矩(SOT)，使电流流经上述重金属层10，重金属层10中电流的流动方向为x轴与y轴组成的平面内的任意方向，流动的电荷电流会产生垂直于电荷流动方向的自旋流，被称为自旋霍尔效应，重金属层10中的电流方向和自旋流方向相互垂直，为重金属层10的长度方向或宽度方向。

本发明的上述MTJ器件中，为了使形成的重金属层10能够具有自旋霍尔效应，优选地，形成该重金属层10的材料选自Pt、Ta和W中的任一种或多种。以Ta为例，具有垂直磁各向异性的第一磁性层210设置于其一侧表面，由于Ta中的强SOC和自旋霍尔效应，流动于Ta中的电流会产生垂直于电流方向的自旋流，自旋流造成界面自旋积聚，积聚的自旋对相邻的第一磁性层210产生力矩作用，当电流密度达到一定阈值后，能够使第一磁性层210的磁化方向发生反转，同时第二磁性层230的磁化方向在与第一磁性层210之间的交换相互作用下反转。

在本发明的上述MTJ器件中，为了保证上述第一磁性层210具有上述饱和磁化强度，更为优选地，形成上述第一磁性层210的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，形成所述合金的元素还包括Cu、Pt、Cr和V中的任一种或多种；上述第一磁性层210根据材料的不同厚度有所不同，但由于第一磁性层210界面垂直各向异性和厚度是成反比的，所以在选择厚度时，太薄会导致矫顽力增加，太厚则可能导致器件不能作用到整个第一磁性层，因此优选地，上述第一磁性层210的厚度小于2nm。并且，为了与第一磁性层210的饱和磁化强度和矫顽力等性能参数相匹配，优选地，上述第一磁性层210的垂直磁各向异性常数在10⁶～10⁷erg/cm³的范围内。

在本发明的上述MTJ器件中，为了保证第二磁性层230具有上述饱和磁化强度，更为优选地，形成上述第二磁性层230的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，如CoNiCo、CoFeB、CoPt和FePt等；上述第二磁性层230根据材料的不同厚度有所不同，由于第二磁性层230的垂直各向异性与厚度成反比，厚度越小则会导致矫顽力越大，因此优选地，上述第二磁性层230的厚度为0.4～1nm。并且，为了与第二磁性层230的饱和磁化强度和矫顽力等性能参数相匹配，优选地，上述第二磁性层230的垂直磁各向异性常数在10⁶～10⁷erg/cm³的范围内。

在本发明的上述MTJ器件中，通过在第一磁性层210与第二磁性层230之间插入交换耦合控制层220，通过改变交换耦合控制层的厚度以增强各磁性层间的交换耦合力，从而在几乎不使热稳定性劣化的同时减小反转自旋电流密度。在利用交换耦合控制层220增强交换耦合力时，可以通过优化第一磁性层210和上述第二磁性层230之间的交换耦合力，使反转自旋电流密度达到最小值，交换耦合力的强度可以通过改变交换耦合控制层220的厚度和来进行控制。

本领域技术人员可以根据现有技术采用非磁性材料形成上述交换耦合控制层220，优选地，形成上述交换耦合控制层220的材料选自Ru、Ta、和Mo等元素中的任一种。

在一种优选的实施方式中，上述第一磁性层210、上述交换耦合控制层220和上述第二磁性层230构成复合自由层20，此时本发明的上述MTJ器件还包括非磁性势垒层30和磁性固定层40，非磁性势垒层30设置于复合自由层20与磁性固定层40之间，如图2所示。当具有上述第一磁性层210和上述第二磁性层230的复合自由层20的磁化方向发生反转，能够观测到复合自由层-非磁性势垒层30-磁性固定层40这一MTJ的低电阻态和高电阻态之间的转换。

下面举例解释临界自旋电流密度与第一磁性层210的饱和磁化强度、垂直磁各向异性常数以及交换常数A之间的关系。第二磁性层230的饱和磁化强度M_s2＝800emu/cc，垂直磁各向异性常数K₂＝2×10⁶erg/cm³；第一磁性层210的饱和磁化强度M_s1＝400emu/cc，或M_s1＝800emu/cc，垂直磁各向异性常数K₂＝0(I)，或K₂＝0.2×10⁶erg/cm³(II)，交换常数A为0.005～1.0×10^-6erg/cm，厚度d＝0.8nm。

首先，获取第一磁性层210的垂直磁各向异性常数K₂在上述(I)和(II)条件下不同磁化强度M_s1所对应的临界自旋电流密度J_c，如表1所示。

表1

条件	M<sub>s1</sub>＝400emu/cc	M<sub>s1</sub>＝800emu/cc
			I	16.5MA/cm<sup>2</sup>	33MA/cm<sup>2</sup>
II	21MA/cm<sup>2</sup>	38MA/cm<sup>2</sup>

从上表可以看出，在具有相同垂直磁各向异性常数K₂的条件下，饱和磁化强度M_s1越大，临界自旋电流密度J_c越大，即通过降低该磁化层的饱和磁化强度能够降低临界自旋电流密度。其中，在上述(I)条件下磁化强度M_s1与临界自旋电流密度J_c的关系如图3所示，横坐标为自旋电流密度J_s，纵坐标为<m_z>，是指第一磁性层210与第二磁性层230的平均磁矩在垂直方向的分量(并归一化)，图3(a)为饱和磁化强度M_s1＝400emu/cc，(b)为M_s1＝800emu/cc。

然后，获取在上述(I)条件下不同交换常数A所对应的<m_z>、θ以及临界自旋电流密度J_c，如表2所示，对于垂直磁化层，需要添加一个平行于电流的外磁场以实现定向反转，上述θ为只在外磁场作用下(未加反转电流)的磁矩与垂直方向的夹角。

表2

交换常数A	<m<sub>z</sub>>	θ(°)	J<sub>c</sub>(MA/cm<sup>2</sup>)
				0.005	0.9651	15.2	21.8
0.01	0.9732	13.3	19.5
				0.05	0.9787	11.9	18.0
0.1	0.9792	11.7	17.9
				0.5	0.9797	11.6	17.9
1.0	0.9797	11.6	17.9

从上表可以看出，当交换常数A大于0.05时，临界自旋电流密度J_c保持不变，由于交换常数A随交换耦合控制层220的厚度而变化，因此换耦合控制层220的厚度大小在一定范围内基本不会影响临界自旋电流密度J_c大小。

最后，获取第一磁性层210的垂直磁各向异性常数K₂在上述(I)和(II)条件下不同交换常数A所对应的第一磁性层210磁化方向的反转时间，如表3所示，其中，反转时间的定义是：第二磁性层230的磁矩符号发生变化(从+到-或者从-到+)所需要的时间。施加的自旋电流密度是周期变化的，只有在某些时间段存在，其余时间段为0，J_s0相当于振幅，即自旋电流密度的最大值。

表3

从上述测试结果可以看出，本发明的上述第二磁性层230磁化方向能够实现很快的反转。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明中的MTJ器件中通过采用双磁化层来代替传统的垂直磁化层，由于靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的饱和磁化强度，从而能够降低该MTJ器件的临界自旋电流密度；并且，双磁化层还能够增强结构的热稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种MTJ器件，其特征在于，包括：

重金属层（10），形成所述重金属层（10）的材料具有自旋霍尔效应；

第一磁性层（210），设置于所述重金属层（10）的一侧表面，且所述第一磁性层（210）具有垂直于所述重金属层（10）表面的磁各向异性；

交换耦合控制层（220），设置于所述第一磁性层（210）远离所述重金属层（10）的一侧表面；

第二磁性层（230），设置于所述交换耦合控制层（220）远离所述第一磁性层（210）的一侧表面，所述第二磁性层（230）具有垂直于所述重金属层（10）的磁各向异性，且所述第二磁性层（230）的矫顽力和饱和磁化强度高于所述第一磁性层（210）的饱和磁化强度，

所述交换耦合控制层（220）用于使所述第一磁性层（210）与所述第二磁性层（230）铁磁耦合，

所述第一磁性层（210）、所述交换耦合控制层（220）和所述第二磁性层（230）构成复合自由层（20），所述MTJ器件还包括非磁性势垒层（30）和磁性固定层（40），所述非磁性势垒层（30）设置于所述复合自由层（20）与所述磁性固定层（40）之间。

2.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，形成所述第一磁性层（210）的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，形成所述合金的元素还包括Cu、Pt、Cr和V中的任一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一磁性层（210）的厚度为小于2nm。

4.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，形成所述第二磁性层（230）的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金。

5.根据权利要求4所述的MTJ器件，其特征在于，形成所述第二磁性层（230）的材料为CoNiCo、CoFeB、CoPt和FePt中的任一种。

6.根据权利要求1、4和5中的任一项所述的MTJ器件，其特征在于，所述第二磁性层（230）的厚度为0.4~1nm。

7.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一磁性层（210）和所述第二磁性层（230）的垂直磁各向异性常数分别在10⁶~10⁷erg/cm³的范围内。

8.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，形成所述交换耦合控制层（220）的材料选自Ru、Ta、和Mo中的任一种元素。

9.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，形成所述重金属层（10）的材料选自Pt、Ta和W中的任一种或多种元素。