CN110212087A - 一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件 - Google Patents

Abstract

一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，包括：驱动区、钉扎区一、钉扎区二、读出区，钉扎区一、读出区和钉扎区二依次排列设置，且均设置在驱动区上方。通过畴壁结构在电流驱动下的移动，实现了在没有外场条件下磁矩方向的改变。这一结构可以通过层间耦合的方式使电流驱动的磁性层与氧化物势垒层接触，因而解决了过去很多无场翻转方案无法与现有磁性存储隧道结整合的问题。同时，这一器件结构中不存在梯度结构，也更符合现有晶圆生产的实际工艺技术。

Description

一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件

技术领域

本发明涉及自旋电子学技术领域，具体地说，本发明涉及一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件。

背景技术

自旋轨道扭矩是可应用于自旋电子学器件中的重要现象。它来自于具有强自旋轨道耦合的重金属或合金对流经的电流中电子产生的自旋相关散射，即自旋霍尔效应(SHE)。自旋霍尔效应将面内电流转化为自旋流并注入临近的磁性层，可造成磁性层磁化方向的翻转，实现磁性存储的写入。利用自旋轨道扭矩可以构建具有三端结构的磁性隧道结存储器件。在保持磁性存储非易失性好、读写速度快、写入功耗低的优点的同时，这一器件结构能有效避免现行自旋转移扭矩型磁随机存储器(MRAM)在写入信息时较大写入电流流经氧化物隧穿层易造成隧穿层失效的弊端。

然而，由于作用于磁性层上的自旋轨道扭矩方向垂直于面外易轴的磁性层，因此需要一个沿电流方向的静磁场打破磁结构的对称性才能实现确定性的翻转。这一对外磁场的依赖是目前自旋轨道扭矩实用化的一大障碍，因为在高度集成化，并竭力避免任何电磁干扰的芯片和电路结构中，整合外磁场是非常不现实的。目前研究者们所构思的解决方案包括通过楔形结构引入具有梯度的垂直各向异性或者电场梯度打破对称性；利用反铁磁重金属层引入交换偏置效应提供等效场；利用另一面内磁性层的层间耦合效应。这些方法在实验器件中能够通过等效场的引入实现无场电流驱动翻转，然而所使用的工艺有以下两个方面的问题。一，使用了楔形膜结构，这一工艺不能在大规模晶圆制造中实现。二，为了引入等效场使磁性层两个表面均被占据，没有给通过隧道磁电阻效应(TMR)读出信号所需的氧化物隧穿层留下空间。

因此，期望提供一种自旋电子学器件，在实现无场翻转的同时，符合实际应用所需的技术条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种无须外场辅助的自旋轨道扭矩磁性多层膜存储器件。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用电流产生的自旋轨道扭矩推动磁畴壁移动，进而实现磁矩翻转的自旋电子学磁性多层膜结构器件。磁性多层膜结构包括驱动区100，钉扎区一101，钉扎区二102和读出区103四部分。钉扎区一101中的磁性层一205通过驱动区100表层具有振荡耦合性质的交换耦合层204与驱动层100产生磁性耦合。钉扎区二102中的磁性层二207通过驱动区100表层具有振荡耦合性质的交换耦合层204与驱动层100产生磁性耦合。通过生长条件控制使得钉扎区一101和钉扎区二102矫顽力不同，就可以通过外磁场磁化使驱动区100的驱动磁性层203被钉扎的两个区域具有相反的磁化方向。驱动区100的驱动磁性层203被钉扎区域与相邻区域磁化方向不同时会由于DzyAlOxshinskii-Moriya作用出现Néel型磁畴壁，这种磁畴壁在电流的驱动下会向另一被钉扎区域运动，实现磁矩的翻转。同一时刻器件内只会存在一个磁畴壁，保证了翻转次序的稳定。

所述驱动区包括重金属层202、驱动磁性层203和交换耦合层204三部分，还可以包括缓冲层201。

重金属层202材料选自Pt、Pd、Ta、W或Hf的一种，厚度在1～10nm之间。驱动磁性层203材料选自Co单质、CoNi多层膜、FeCo合金、CoPt合金、TbCo合金、GdFeCo合金、TbCo多层膜，厚度在0.5～10nm之间。优选地，所述驱动磁性层203材料为Co-Ni-Co三层膜结构。所述交换耦合层204材料选自Ru、Ir、Rh、Cr、Cu、Pt、Ta的单质或多层膜，其中多层膜的每层均为单质，厚度在0.3～3nm之间。优选地，所述交换耦合层204使用0.65nm厚度的Ru与0.3nm厚度的Pt的双层膜结构。其中，所述重金属层202和基片之间为缓冲层201，缓冲层201厚度为0.3～10nm，其制作材料可从Ti、Ta、W、Mo、Ru、Cr、Au中选择一种或多种。

所述钉扎区一101包括磁性层一205和覆盖层一206两部分。磁性层一205厚度在0.5～40nm之间。磁性层一205为GdCo、GdFeCo、TbCo、FePt、CoPt、DyCo或HoCo其中一种合金，或由该合金所有组成元素的单质形成的多层膜。优选地，磁性层一205材料为Co/Tb多层膜结构。所述覆盖层一206厚度为2～50nm。所述覆盖层一206材料选自Ta、Ti、Al、Au其中的一种或多种。

所述钉扎区二102与钉扎区一101具有相同的基本结构。钉扎区二102中的铁磁层二207与钉扎区一中的磁性层一205成分比例具有一定差异，造成两个钉扎区的矫顽力不同。

所述读出区包括磁性层三209和覆盖层三210。所述磁性层三209厚度为0.5～10nm。所述磁性层三209材料选自FeCo，CoFeB，CoFeSiB合金或CoNi多层膜或Fe、Co单质。所述覆盖层三210厚度为0.5～30nm可从Pt、Pd、Ta、AlOx、MgO、MgAlOx中选择。在磁性隧道结应用中覆盖层三210起到势垒层作用，供高的隧穿磁电阻效应。

进一步地，驱动区100，钉扎区一102，钉扎区二103和读出区104为长方体形状，但实际应用中，各个区域的形状可以为其他，比如正方体、棱柱体、椭圆柱、圆柱等等任何合适的形状，其尺寸可以按照实际需求进行设计。

进一步地，实现驱动层两个被钉扎区域磁矩方向相反的方式是采用矫顽力不同的钉扎区一101和钉扎区二102，但实际应用中，可以采用在沉积钉扎区时生长具有振荡耦合性质的Ru、Ir、Rh、Cr、Cu、Ta金属或合金，使钉扎区一101和钉扎区二102交换耦合的符号相反的方式获得。

进一步地，本发明还提供一种磁随机存储器的存储单元，即磁性隧道结，包括从下到上依次设置的自由层1101、中间层1102和参考层1103。其中，自由层1101选用具有垂直各向异性和高自旋极化率的铁磁或亚铁磁薄膜，中间层1102选用具有高隧道磁电阻的氧化物薄膜，参考层1103中的磁性层具有垂直各向异性、高矫顽力和高自旋极化率的复合磁性多层膜。无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件用于构建电流驱动的磁随机存储器存储单元的自由层1101部分。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用局部层间耦合形成磁畴壁，进而利用磁畴壁在电流驱动下的运动实现读出层磁矩的翻转。相比目前利用楔形结构、交换偏置以及层间耦合造成确定性翻转的方案，本发明所提出的方法对制备工艺的要求更低，且与基于半导体芯片的生产技术更加匹配。

(2)本发明通过合理选择贵金属耦合层，使耦合层兼具临时充当覆盖层抵抗氧化的效果，因而可以通过多步光刻工艺完成器件制备。本发明通过耦合层使驱动区和读出区的铁磁层以铁磁耦合或者反铁磁耦合的方式产生磁性连接，解决了过去无场翻转方案占用铁磁层两个表面，造成无法配置氧化物势垒层的困难。

附图说明

图1器件按生长步骤区分的结构示意图。

图2器件按功能区分的各个膜层示意图。

图3器件在光学显微镜下的结构。

图4器件顶扎区的磁滞回线。

图5器件驱动区的磁滞回线。

图6器件驱动区在电流驱动下的翻转曲线。

图7器件在图6中磁化状态一所示状态下的磁畴结构示意图。

图8器件在图6中磁化状态二所示状态下的磁畴结构示意图。

图9器件在图6中磁化状态三所示状态下的磁畴结构示意图。

图10器件在图6中磁化状态四所示状态下的磁畴结构示意图。

图11磁随机存储器存储单元的结构示意图。

附图标记：100-驱动区；101-钉扎区一；102-钉扎区二；103-读出区；201-缓冲层；202-重金属层；203-驱动磁性层；204-交换耦合层；205-磁性层一；206-覆盖层一；207-磁性层二；208-覆盖层二；209-磁性层三；210-覆盖层三；301-电极一；302-电极二；303-电极三；304-电极四；305-电极五；306-电极六；307-电极七；308-电极八；601-磁化状态一；602-磁化状态二；603-磁化状态三；604-磁化状态四；701-磁矩状态一；801-磁矩状态二；901-磁矩状态三；1001-磁矩状态四；1101-自由层；1102-中间层；1103-参考层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

1)如图1所示，一种利用本发明操控铁磁层磁矩并探测磁矩状态的实施例按照驱动区100，钉扎区一101，钉扎区二102，读出区103的顺序在表面热氧化硅基片上生长。驱动区100通过高真空磁控溅射依次沉积，即Ta(2nm)作为缓冲层201，Pt(4nm)作为重金属层202、Co(0.3nm)/Ni(0.6nm)/Co(0.3nm)作为驱动磁性层203，Ru(0.7nm)作为交换耦合层204。

2)将步骤1)沉积完成后的样品涂覆紫外光刻胶，经过烘烤、对准、曝光、显影的紫外光刻工艺在光刻胶上去除方块形区域用于生长钉扎区一101。

3)将步骤2)光刻后的样品送入氧等离子清洗机清洗20-40s，去除残胶以保证磁性薄膜层间耦合。

4)将步骤3)处理过的样品送入高真空磁控溅射，依次生长钉扎区一101各层，即以[Co(0.7nm)/Tb(1nm)]₈/Co(0.8nm)作为磁性层一205，以Au(10nm)作为覆盖层一206。

5)将步骤4)沉积后的样品利用除胶剂去除光刻胶和多余薄膜。

6)将步骤5)获得的样品按照步骤2)到步骤5)的流程生长钉扎区二102各层，即以[Co(0.7nm)/Tb(0.7nm)]₈/Co(0.8nm)作为磁性层二207，以Au(10nm)作为覆盖层二208。

7)将步骤6)制备后的样品送入高真空磁控溅射生长读出区各层，即以Co(1.2nm)为磁性层三209，以Pt(1nm)作为覆盖层三210。

8)将步骤将步骤7)制备后的样品利用紫外光刻、等离子体刻蚀和物理气相沉积制成如图3所示的霍尔器件，通过电极一301/电极五305通入驱动样品的电流，钉扎区一101的霍尔电阻通过电极二302和电极八308获得，钉扎区二102的霍尔电阻通过电极四304和电极六306获得，读出区103的霍尔电阻通过电极三303和电极七307获得。

9)将步骤8)制备得到的器件置于垂直磁场中进行测量，获得钉扎区一101和钉扎区二102的磁滞回线如图4所示。

10)将完成步骤获得的结构将器件按照沿垂直方向正向加场6000Oe之后反向加场2000Oe进行预磁化，或沿垂直方向反向加场6000Oe之后正向加场2000Oe。

11)去除磁场后将按照步骤10)磁化后的器件利用长度1ms的脉冲电流驱动器件，所获得的读出区霍尔电阻值曲线如图6所示，实现了无外磁场辅助的电流驱动磁矩翻转，且霍尔电阻差值与图5中反铁磁耦合状态下霍尔电阻的差值相符，证明驱动区100的Co/Ni/Co磁性层一203翻转时带动了读出区103的磁性层四209。其中，当磁化状态分别处于磁化状态一601、磁化状态二602、磁化状态三603和磁化状态四604位置时，Co/Ni/Co磁性层中辅助磁畴壁中面内磁矩的状态分别如图7中的磁矩状态一701，图8中的磁矩状态二801，图9中的磁矩状态三901，图10中的磁矩状态四1001所示，这种手性结构是由于磁性多层膜中存在Dzyaloshinskii-Moriya导致的。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，以Ta(10nm)作为重金属层202、以TbCo多层膜(10nm)作为驱动磁性层203，以Ir(0.5nm)作为交换耦合层204，以[Co(0.7nm)/Ho(1.2nm)]₈/Co(0.8nm)作为磁性层一205，以[Co(0.7nm)/Ho(0.8nm)]₈/Co(0.8nm)作为磁性层二207。以Al(5nm)作为覆盖层一206和覆盖层二208。以CoFeB(0.6nm)为磁性层三209。以MgO(2nm)为覆盖层三210。此时由于Ta与Pt具有相反的自旋霍尔角，因此翻转顺序会发生改变。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，以Mo(5nm)作为缓冲层201，以Pd(10nm)作为重金属层202、以GdFeCo合金膜(10nm)作为驱动磁性层203，以Rh(2nm)作为交换耦合层204，以[Co(0.7nm)/Gd(1nm)]₈/Co(0.8nm)作为磁性层一205，以[Co(0.7nm)/Gd(0.7nm)]₈/Co(0.8nm)作为磁性层二207。以Ti(30nm)作为覆盖层一206和覆盖层二208。以Fe₅₀Co₅₀合金膜(3nm)为磁性层三209。以AlOx(5nm)作为覆盖层三210。

实施例4

与实施例1的不同之处在于，以Ti(10nm)作为缓冲层201，以Pt₇₅Pd₂₅合金膜(2nm)作为重金属层202、以FeCo合金膜(1nm)作为驱动磁性层203，以Cr(3nm)作为交换耦合层204，以Tb₃₀Co₇₀合金膜(30nm)作为磁性层一205，以Tb₄₀Co₆₀合金膜(30nm)作为磁性层二207。以Ta(5nm)作为覆盖层一206和覆盖层二208。以Fe₅₀Pt₅₀合金膜(5nm)为磁性层三209。以MgAlOx(2nm)作为覆盖层三210。

实施例5

本实施例根据本发明构造磁随机存储器的存储单元，即磁性隧道结。该隧道结构建于实施例1、实施例2、实施例3和实施例4提供的器件结构的基础上。图10给出了此种磁性隧道结在读出区的结构示意图，这一结构为从下到上依次为自由层1101、中间层1102、参考层1103。其中自由层1101对应实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中的磁性层三209，中间层1102对应实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中的覆盖层三210，参考层1103中的磁性层具有垂直各向异性、高矫顽力和高自旋极化率的复合磁性多层膜。在读取时，电流依次流经自由层1101，中间层1102，参考层1103。由于参考层1103具有较大矫顽力或被反铁磁层的交换偏置作用钉扎，因而参考层1103的磁矩不随写入电流改变。而当自由层1101的磁性层磁矩因面内驱动电流的翻转作用而与参考层1103的磁矩成平行或者反平行排列时，与之对应的读取电流所读出的隧道磁电阻分别为低阻态和高阻态，从而实现数据“0”或“1”的读出操作。结合实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所提供的自由层写入功能，该隧道结器件可实现无外场辅助的完整电流读写功能。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，包括：驱动区(100)、钉扎区一(101)、钉扎区二(102)、读出区(103)，钉扎区一(101)、读出区(103)和钉扎区二(102)依次排列设置，且均设置在驱动区(100)上方。

2.根据权利要求1所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，所述驱动区(100)包括由下至上依次设置的重金属层(202)、驱动磁性层(203)和交换耦合层(204)；

重金属层(202)的材料为Pt、Pd、Ta、W、Hf中的一种；

驱动磁性层(203)的材料为Co单质、CoNi多层膜、FeCo合金、CoPt合金、TbCo合金、GdFeCo合金、TbCo多层膜中的一种或多种；

交换耦合层(204)为Ru、Ir、Rh、Cr、Cu、Pt、Ta的单质或多层膜，其中多层膜的每层均为单质。

3.根据权利要求2所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，重金属层(202)厚度为1～10nm；驱动磁性层(203)厚度为0.5～10nm；交换耦合层(204)厚度为0.3～3nm。

4.根据权利要求1所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，所述驱动区(100)还包括缓冲层(201)，缓冲层(201)厚度为0.3～10nm，且缓冲层(201)的材料为Ti、Ta、W、Mo、Ru、Cr、Au中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，钉扎区一(101)由下至上依次包括磁性层一(205)和覆盖层一(206)；

磁性层一(205)厚度为2～50nm，且磁性层一(205)为GdCo、GdFeCo、TbCo、FePt、CoPt、DyCo、HoCo中一种合金，或由该合金所有组成元素的单质形成的多层膜；

覆盖层一(206)的材料为Ta、Ti、Al、Au中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，钉扎区二(102)由下至上依次包括磁性层二(207)和覆盖层二(208)；

磁性层二(207)厚度为2～50nm，且磁性层二(207)为GdCo、GdFeCo、TbCo、FePt、CoPt、DyCo、HoCo中的一种合金，或由该合金所有组成元素的单质形成的多层膜；

覆盖层二(208)的材料为Ta、Ti、Al、Au中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件，其特征在于，读出区(103)由下至上依次包括磁性层三(209)和覆盖层三(210)；

磁性层三(209)厚度为0.5～10nm，且磁性层三(209)的材料为FeCo合金、CoFeB合金、CoFeSiB合金、CoNi多层膜、Fe单质、Co单质中的一种；

覆盖层三(210)厚度为0.5～30nm，且覆盖层三(210)的材料为Pt、Pd、Ta、AlOx、MgO、MgAlOx中的一种。

8.一种权利要求1-7任意项所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件的应用，其特征在于，所述无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件用于构建电流驱动的磁随机存储器存储单元的自由层(1101)部分。

9.根据权利要求8所述的无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件的应用，其特征在于，所述磁随机存储器存储单元，包括从下到上依次设置的自由层(1101)、中间层(1102)和参考层(1103)；

自由层(1101)为铁磁或亚铁磁薄膜；中间层(1102)为氧化物薄膜；参考层(1103)中的磁性层为复合磁性多层膜。