CN110349609A - 一种三维磁性器件及磁存储器 - Google Patents

一种三维磁性器件及磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自旋霍尔效应的三维磁性器件，三维磁性器件包括内电极、磁性结和外电极，内电极、磁性结和外电极是柱状结构；磁性结包括磁性自由层、磁性参考层，和在磁性自由层和磁性参考层之间的非磁性间隔层；磁性自由层与内电极接触，磁性参考层与外电极接触。三维磁性器件可以在垂直于内电极的底面的方向上堆叠；内电极由重金属/类金属或其合金/化合物制成；可以由自旋‑轨道矩和自旋转移矩共同作用实现三维磁性器件的磁化翻转。该结构不仅能够减少发热，提高其可靠性和稳定性，而且能够在保证热稳定性的情况下，成倍提高存储密度，实现器件小型化。

Description

一种三维磁性器件及磁存储器
技术领域
本发明涉及具有磁性材料或结构的器件和电路及其应用，更具体地说，涉及基于自旋霍尔效应的数据写入机制、三维磁性器件及其电路。
背景技术
磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，称为MRAM)具有非易失性(断电后数据不丢失，而且可以保留10年以上)、随机存取(数据访问和存储需要的时间不受其在存储器中的物理位置影响)、近无限次读写、不受高能粒子辐射干扰(利用电荷存储数据的存储器在太空中工作时，可靠性受到挑战)、宽的工作温度区间和成本低等优点。
MRAM的核心存储单元是磁性结(Magnetic Junction，称为MJ)。MJ由参考层RL(reference layer)、非磁性间隔层SL(spacer layer)和自由层FL(free layer)组成，参考层和自由层一般是铁磁性材料，比如CoFeB，非磁性间隔层位于参考层和自由层中间。参考层的磁化方向不变，自由层的磁化方向可以改变。数据以磁化状态的形式写入MJ：当自由层与参考层的磁化方向平行时MJ呈现低阻态，用于表示数据存储的二进制状态“1”，当自由层与参考层的磁化方向反平行时MJ呈现高阻态，用于表示二进制状态“0”。
如果非磁性间隔层是金属，MJ又称为自旋阀(spin valve，称为SV)；如果非磁性间隔层是绝缘体，电子主要以隧穿形式通过，非磁性间隔层又称为隧穿层，MJ又称为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，称为MTJ)。
第二代磁随机存储器STT-MRAM的写入方式是利用自旋转移矩(Spin-TransferTorque，称为STT)，自旋转移矩TSTT∝JP/(tMS)(m×mP×m)。该方式的缺点是：①临界写入电流IC与写入时间成反比变化，因此提高写入速度需要增大写入电流，会增加能耗；②读写电流的路径相同，写入电流需要经过MTJ的遂穿层，容易击穿遂穿层；③低功耗写入时间一般是10ns以上，此写入速度难以满足高速缓存的要求(<5ns)。
基于STT-MRAM发展中的不足之处，部分研究人员提出利用自旋-轨道矩(Spin-Orbit Torque,称为SOT)实现快速可靠、低能耗的磁化翻转(L.Liu et al.,Science,vol.336,no.6081,p.555-558,2012)。这项技术是将MTJ的自由层与非磁性重金属Ta层接触，电荷流(电荷流由具有各种自旋取向的带电粒子组成，电荷流中不同自旋取向的带电粒子数量相等。以下所述带电粒子是电子)沿Ta层所在平面流动(电荷流密度Jq＝Iq/STa＝Iq/(wd)，其中Iq表示电荷流的大小，STa为垂直于电荷流流向的Ta层的侧面积，w为垂直于电荷流流向的Ta层的侧面积的宽度，d为Ta层的厚度)时，自旋向上的电子和自旋向下的电子分别在垂直于电荷流流向和自旋方向的正反方向移动，称为自旋霍尔效应(Spin HallEffect,称为SHE)；自旋向上的电子和自旋向下的电子分别沿相反方向运动可以产生自旋流(自旋流的电流密度JS＝IS/A，其中IS表示自旋流的大小，A为磁性自由层的面积)。自旋流JS和电荷流Jq的关系是JS＝Jqθ，其中，θ是自旋霍尔角，θ反映了Ta层的自旋转换效率(12％～15％)。自旋流扩散进入自由层，可以翻转其磁化。这项技术的磁化翻转时间短，并且写入电流(电荷流)和自旋流都不经过遂穿层，可以免除其被击穿的风险。
此外，与上述Ta层相比，拓扑绝缘体(topological insulator，称为TI)具有更高的自旋转换效率，电荷流经过TI可以产生更大的自旋流，因此翻转自由层磁化需要的写入电流(电荷流)可以更小，进一步降低能耗。王康隆课题组发现的室温TI(Q.Shao et al.,2018IEEE Int.Electron Devices Meet.,p.36.3.1-36.3.4,2018)(BiSb)2Te3的自旋转换效率可以达到266％，为基于SOT的新型低能耗MRAM的发展提供了更多可能，同时不会带来击穿问题。
但是对于二维结构的MRAM(MTJ只在面内排布)，非磁性重金属层和MTJ各层均平行于圆晶衬底面，所占面积大，使MTJ阵列难以实现小型化。因此，利用SOT实现写操作的MRAM面临存储密度不够大的问题。
随着半导体技术节点不断减小，MTJ尺寸需要不断减小，这导致其热稳定性降低，不利于数据的长时间保留，因此需要对MTJ的结构进行改进。在不施加电流等外界作用来进行写操作的情况下，MTJ处于某种磁化状态(平行态或反平行态)的持续时间(数据保留时间)可以用热稳定性因子来表示，其中，K为磁各向异性常数，V为磁性自由层的体积，A为磁性自由层的面积，t为磁性自由层的厚度，kB为Boltzmann常数，T为温度(A.VKhvalkovskiy et al.,J.Phys.D.Appl.Phys.,vol.46,no.7,p.74001,2013)。Δ＝40对应的数据保留时间约为10年。
如果兼顾热稳定性，只在圆晶衬底面内排布的二维MTJ阵列的缩放(scaling)存在极限，无法进一步提高MRAM的存储密度。减小MTJ尺寸使磁性自由层的面积A减小，而为了保持热稳定性因子Δ值不变，需要增大磁各向异性常数K或磁性自由层的厚度t。而磁各向异性常数K由材料、制备工艺、磁性自由层和遂穿层的界面等多个因素决定，实现对K的自由调节很困难；另一方面，考虑到磁性自由层的面积A随MTJ尺寸的减小以平方形式减小，Δ随t的变化是线性的、相对缓慢的。此外，由于写入电流沿MTJ各层的法线方向注入，临界写入电流密度JC0与磁性自由层的厚度t成正比，其中，e为元电荷，h为普朗克常数，μ0为真空磁导率，MS为饱和磁化强度，α为阻尼系数，HC为矫顽场，因此增加t会增加能耗(A.Goyal et al.,Appl.Phys.Lett.,vol.69,no.12,pp.1795–1797,1996)。因此，对于半导体CMOS工艺的小尺寸(10nm)技术节点，为了保证热稳定性，MTJ结构需要新的设计。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种三维磁性器件，所述三维磁性器件基于自旋霍尔效应，其单元阵列不仅可以在圆晶衬底平面上展开，还可以分布于圆晶衬底平面的垂直方向，能够在保证热稳定性的情况下，成倍提高存储密度，实现器件小型化；提出利用自旋-轨道矩翻转磁化，读写过程分离、互不影响；或利用自旋-轨道矩和自旋转移矩共同翻转磁化，能够减少发热，提高其可靠性和稳定性。
本发明的第二目的在于提供一种基于所述三维磁性器件的控制电路，该控制电路可以推进所述三维磁性器件的实际应用。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明首先给出一种三维磁性器件，三维磁性器件包括内电极、磁性结和外电极；所述内电极外侧包裹磁性结，所述磁性结外侧包裹外电极；
所述磁性结在垂直于所述内电极的底面的方向上堆叠；
所述内电极、磁性结和外电极是柱状结构；
所述三维磁性器件的擦写机制基于自旋霍尔效应；
所述磁性结包括磁性自由层、磁性参考层和在所述磁性自由层和所述磁性参考层之间的非磁性间隔层，所述磁性自由层用于数据存储，所述磁性自由层与所述内电极接触，所述磁性参考层与所述外电极接触。
进一步，本发明给出一种三维磁存储器，包括三维磁性器件，及其操作电路，所述操作电路包括第一电端子、第二电端子、第三电端子和操作模块；
所述三维磁性器件的内电极两端分别设有所述第一电端子和所述第二电端子，所述三维磁性器件的外电极与所述第三电端子连接；所述第一、第二和第三电端子与所述操作模块连接，所述操作模块用于切换和/或感应所述三维磁性器件的磁性结的电阻态。
优选的，所述内电极由重金属/类金属或其合金/化合物制成，所述重金属/类金属或其合金/化合物包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Ir、Pd、Pt、Au、Cd、Hg、B、Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、Se、Te、Cl、Sm、TaN、WN、Sb2Te3、BiSb、Bi2Se3、Bi2Te3、(BiSb)2Te3、HgTe、BiSe、(Bi0.57Sb0.43)2Te3、TlBiSe2、Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2、SnTe、Bi2-xCrxSe3、SmB6、BiTeCl、HgTe/CdTe中的一种或多种。
优选的，所述磁性结中磁性自由层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金包括Fe、Co、Ni、Mn、FeCo、FeNi、FePd、FePt、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、MnBi、CoFeB、MnNiSb中的一种或多种，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种材料的组合；
或所述磁性自由层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料包括3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属的多层堆叠结构Co/Ir、Co/Pd、Co/Pt、Co/Au、Co/Ni或CrCo/Pt；
或所述磁性自由层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X包括Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z包括Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
或所述磁性自由层由合成反铁磁材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的磁性自由层由铁磁层与间隔层构成，构成所述磁性自由层的铁磁层的材料包括Fe、Co、Ni、FeCo、CrCoPt或CoFeB；或多层堆叠的铁磁层的材料(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n中的一种或多种，其中m、n、p指多层堆叠的重复次数；构成所述磁性自由层的间隔层的材料包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
优选的，所述磁性结的非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物的组成元素包括Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素包括Mg、Al、Cu、Ag、Au、Y、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ru、Os、Rh、Pd或Pt中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为SiC或陶瓷材料。
优选的，所述外电极选自下述金属或合金材料：Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种。
优选的，所述磁性结的磁性自由层的磁化在所述磁性自由层的法线方向；
或所述磁性自由层的磁化在所述磁性自由层的切线方向。
优选的，所述磁性结的磁性自由层的磁化翻转由至少自旋-轨道矩来完成，所述自旋-轨道矩由电流经过所述内电极产生的自旋极化电流提供；无电流经过所述内电极时，不产生自旋极化电流。
优选的，所述磁性自由层的磁化翻转由自旋-轨道矩和自旋转移矩的共同作用来完成，所述自旋-轨道矩由电流经过所述内电极产生的自旋极化电流提供，所述自旋转移矩通过沿所述磁性结的径向方向注入写电流提供。
优选的，所述磁性结的电阻态可以是低阻态或高阻态，对所述磁性结的电阻态的判断通过沿所述磁性结的径向方向注入读电流来完成。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
对于本发明给出的上述三维磁性器件，
①其单元阵列不仅可以在圆晶衬底平面上展开，还可以分布于圆晶衬底平面的垂直方向，从而成倍提高存储密度，实现器件小型化；
②对于本发明所提供的柱状结构的MTJ，其热稳定性因子可表示为其中，D＝(D1+D2)/2，D1和D2分别为柱状结构的磁性自由层的环形底面的内边界直径和外边界直径，l为柱状结构的磁性自由层的高度，t＝(D2-D1)/2为柱状结构的磁性自由层的厚度。
所述MTJ在垂直方向延伸增大了l(增大了磁性自由层的体积V)，因而可以增大热稳定性因子Δ；
③写操作可以通过沿柱状结构的内电极的底面的法线方向注入电荷流Jq，利用自旋霍尔效应(SHE)产生沿内电极的侧面的法线方向的自旋流JS，扩散进入柱状结构的磁性自由层来完成，其单元在垂直方向延伸增大了磁性自由层的侧面积，但不影响需要的自旋流的电流密度JS，根据自旋转换效率θ＝JS/Jq，需要的电荷流的电流密度Jq(临界写入电流密度)不会增大，因此缩小MTJ的面内尺寸、在垂直方向延伸不仅能够提高存储密度，而且不会增加能耗；
④提出利用自旋-轨道矩翻转磁化，读写过程分离、互不影响，或利用自旋-轨道矩和自旋转移矩共同作用来翻转磁化，能够减少发热，提高上述三维磁性器件的可靠性和稳定性；
⑤目前半导体行业已有相当完善的技术可以制出圆柱状内电极，因此本发明具有很高的可实现性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1A所示是重金属材料中的自旋霍尔效应，图1B所示是在柱状重金属材料外面包覆一层铁磁材料，其中的自旋霍尔效应，图1C所示是在方形柱状重金属材料外面包覆一层铁磁材料，其中的自旋霍尔效应。
图2A所示是根据本发明公开的一个实施例的一种三维磁存储器，以框图形式表示，图2B所示是图2A所示三维磁性器件210的正视图，图2C所示是图2A所示三维磁性器件210的俯视图。
图3A所示是图2A所示三维磁存储器的存储单元，图3B所示是图3A所示存储单元的俯视图。
图4A所示是图3A所示存储单元的一种写入方式，图4B所示是图4A所示一种写入方式的俯视图。
图5A所示是图3A所示存储单元的另一种写入方式，图5B所示是图5A所示另一种写入方式的俯视图。
图6A所示是图3A所示存储单元的读取方式，图6B所示是图6A所示读取方式的俯视图。
图7所示是图3B所示存储单元(图3A所示存储单元的俯视图)的控制电路，以框图形式表示。
图8A所示是图2A所示三维磁性器件210的一种写入方式，图8B所示是图8A所示一种写入方式的俯视图。
图9A所示是图2A所示三维磁性器件210的读取方式，图9B所示是图9A所示读取方式的俯视图。
图10A所示是基于图4A所示的一种写入方式，磁性自由层202的微磁学模型，图10B所示是磁性自由层202中一点的磁化随电荷流JSOT的变化的微磁学模拟结果，图10C所示是磁性自由层202的临界翻转电流密度JSOT,C随自旋霍尔角θ的变化的微磁学模拟结果。
具体实施方式
以下实施例涉及具有磁性材料或结构的器件和电路及其应用，更具体地说，涉及基于自旋霍尔效应的数据写入、磁性器件及其电路，但不作为对本发明做任何限制的依据。
图1A所示是重金属材料(如Pt)中的自旋霍尔效应。沿+x方向通入电荷流Jq(电荷流由具有各种自旋取向的带电粒子组成，电荷流中不同自旋取向的带电粒子数目相等)。以带电粒子是电子为例，由于自旋霍尔效应，其中自旋取向沿+y方向的电子受到+z方向的作用力(F＝σ×v)，自旋取向沿-y方向的电子受到-z方向的作用力，从而在z方向产生自旋流JS，在Pt的上下表面会分别积聚不同自旋取向的电子。
自旋流JS的计算是由在一个方向上，一种自旋取向的电流(JU)与相反自旋取向的电流(JD)相减得到：JS＝JU-JD，自旋流JS和电荷流Jq的关系是：JS＝Jqθ，θ是自旋霍尔角。
图1B所示是在柱状重金属材料外面包覆一层铁磁材料，其中的自旋霍尔效应(从柱状结构的截面看)。在重金属材料中通入+x方向的电荷流Jq，以带电粒子是电子为例，由于自旋霍尔效应，自旋取向沿重金属材料圆形截面的切线方向(逆时针方向)的电子受到沿径向方向(向外)的作用力，从而在径向方向产生自旋流JS，自旋极化的电子扩散进入铁磁层后，与其交换自旋角动量，可以使铁磁层的磁化取向呈逆时针方向。改变电荷流Jq的方向(沿-x方向通入电荷流Jq)，可以使铁磁层的磁化取向变为顺时针方向。
图1C所示是在方形截面的柱状重金属材料外面包覆一层铁磁材料，其中的自旋霍尔效应(从柱状结构的截面看)。
图2A所示是根据本发明公开的一个实施例的一种三维磁存储器，以框图形式表示。所述操作电路包括三维磁性器件210、第一电端子、第二电端子、至少一个第三电端子和操作模块。
图2B和图2C所示是所述三维磁性器件210的正视图和俯视图，为清楚起见，图2A、图2B、图2C和本发明的任何其它图示未按比例画出。如图2B所示，其是柱状结构，包括内电极201、至少一个磁性结206和至少一个外电极205。所述内电极201被所述至少一个磁性结206共有。所述至少一个磁性结206包括磁性自由层202、磁性参考层204、位于磁性自由层202和磁性参考层204之间的非磁性间隔层203。
所述三维磁性器件210的内电极201两端分别设有所述第一电端子和所述第二电端子，所述三维磁性器件210的至少一个外电极205分别与所述至少一个第三电端子连接。所述第一、第二和至少一个第三电端子与操作模块连接，操作模块用于切换和感应所述三维磁性器件210的至少一个磁性结206的电阻态，以实现数据读取和写入功能。
对于图2A所示的一种三维磁存储器，其数据读写方式如下。
所述三维磁性器件210的至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结的磁性自由层202的磁化翻转由操作模块通过第一和第二电端子给所述三维磁性器件210的内电极201注入电荷流，从而产生自旋极化电流，同时由操作模块通过所述第二和至少一个第三电端子中的一个第三电端子给所述三维磁性器件210的至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结注入写电流(电荷流)来完成。
操作模块通过所述第二和至少一个第三电端子中的一个第三电端子给所述三维磁性器件210的至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结注入读电流，可以感应所述三维磁性器件210的至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的电阻态。
以下对图2A、图2B和图2C所示的三维磁性器件210的结构、材料、制备工艺、数据读写原理等展开描述。
以图1B所示的圆柱结构为例，对本发明提出的三维磁性器件及其电路进行描述，以下所述组成、结构、材料、制备流程、读写方式等同样适用于基于图1C所示的方形截面的柱状结构的三维磁性器件及其电路。
图3A所示是图2A所示三维磁存储器的存储单元，为清楚起见，图3A和本发明的任何其它图示未按比例画出。其是柱状结构，包括内电极201、磁性结206和外电极205。
在一些实施例中，所述磁性结206可以在垂直于内电极201的底面的方向(垂直于圆晶衬底平面的方向)上堆叠。
可以利用共形沉积(conformal deposition)技术如原子层沉积(atomic layerdeposition,称为ALD)、磁控溅射沉积(magnetron sputter deposition)或者亚大气压(sub-atmospheric)化学气相沉积(chemical vapor deposition,称为CVD)来制备磁性结206。在本实施例中，磁性结206包括磁性自由层202、磁性参考层204、位于磁性自由层202和磁性参考层204之间的非磁性间隔层203。磁性自由层202用于数据存储。在另外一些实施例中，磁性结206还包括用于固定磁性参考层204的磁化方向的钉扎层(未示出)。在另外一些实施例中，磁性参考层204的磁化方向以其它方式固定(未示出)。图3A所示存储单元还可以包括晶体管等选择装置和其它磁性结。
在一些实施例中，磁性自由层202和磁性参考层204的磁化取向在面内，就是沿内电极201的切线方向呈顺时针方向或者逆时针方向。在另外一些实施例中，磁性自由层202和磁性参考层204的磁化取向在面外，就是沿内电极201的径向方向向外或向内。
在本实施例中，内电极201与磁性自由层202直接接触。
在本实施例中，外电极205与磁性参考层204直接接触。
在一些实施例中，所述内电极201由重金属/类金属或其合金/化合物制成，所述重金属/类金属或其合金/化合物选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Ir、Pd、Pt、Au、Cd、Hg、B、Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、Se、Te、Cl、Sm、TaN、WN、Sb2Te3、BiSb、Bi2Se3、Bi2Te3、(BiSb)2Te3、HgTe、BiSe、(Bi0.57Sb0.43)2Te3、TlBiSe2、Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2、SnTe、Bi2-xCrxSe3、SmB6、BiTeCl、HgTe/CdTe中的一种或多种。
在一些实施例中，所述磁性自由层202由铁磁性或亚铁磁性金属或其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁性金属或其合金选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、FeCo、FeNi、FePd、FePt、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、MnBi、CoFeB或MnNiSb中的一种或多种，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种材料的组合。
在另外一些实施例中，所述磁性自由层202由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属的多层堆叠结构Co/Ir、Co/Pd、Co/Pt、Co/Au、Co/Ni或CrCo/Pt。
在另外一些实施例中，所述磁性自由层202由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。
在另外一些实施例中，所述磁性自由层202由合成反铁磁材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的磁性自由层由铁磁层与间隔层构成，构成所述磁性自由层的铁磁层的材料选自但不限于Fe、Co、Ni、FeCo、CrCoPt或CoFeB，或多层堆叠的铁磁层的材料(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n中的一种或多种，其中m、n、p指多层堆叠的重复次数，构成所述磁性自由层的间隔层的材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
在一些实施例中，所述非磁性间隔层203为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。
在另外一些实施例中，所述非磁性间隔层203为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Mg、Al、Cu、Ag、Au、Y、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ru、Os、Rh、Pd或Pt中的一种或多种。
在另外一些实施例中，所述非磁性间隔层203选自但不限于SiC或陶瓷材料。
在本实施例中，所述外电极205选自下述金属或合金：Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种。
为了制备出在垂直于圆晶衬底平面的方向上延伸(以实现图3A所示存储单元可以在垂直于内电极201的底面的方向(垂直于圆晶衬底平面的方向)上堆叠)的、环形截面的结构/壳结构，可以利用共形沉积(conformal deposition)技术如原子层沉积(atomic layerdeposition,称为ALD)、磁控溅射沉积(magnetron sputter deposition)或者亚大气压(sub-atmospheric)化学气相沉积(chemical vapor deposition,称为CVD)制备内电极201、磁性结206和外电极205；而对内电极201、磁性结206和外电极205的图案化处理可以采用离子束刻蚀(ion beam etching，称为IBE)或者电子束刻蚀(electron beamlithography，称为EBL)。
原子层沉积(ALD)具有①可以生产原子级别厚度(埃米级别)的薄膜，②保形性(可以生产高纵横比结构)，③薄膜组成易于调控，④适用于沉积各种材料(贵金属如Pt，金属氧化物如Zn1-xSnxOy，ZrO2，Y2O3，等)等优点。
磁控溅射沉积(magnetron sputter deposition)不需要熔化和蒸发源材料，具有①几乎所有材料都可以通过磁控溅射沉积，即使它们的熔点很高，②根据基板和涂层的要求，可以对源进行缩放和定位，③沉积的合金或化合物薄膜的组成与源材料的相似，或者溅射沉积的薄膜与源材料的组成差异是恒定的，④溅射沉积的薄膜在基材上具有更好的粘附性(与蒸发沉积的薄膜相比)，⑤靶材包含大量源材料并且免维护，可以应用于超高真空环境，⑥溅射源不包含热部件(水冷)，并且与氧气等反应气体相容，⑦溅射可以自上而下进行(而蒸发必须自下而上进行)，可以实现外延生长的先进工艺等优点。
亚大气压化学气相沉积(sub-atmospheric chemical vapor deposition,称为SACVD)具有①减少不需要的气相反应，②改善整个晶片的膜均匀性，③可以生长高纵横比薄膜，④良好的薄膜特性等优点。
离子束蚀刻(IBE)是最通用和最高效的干式等离子蚀刻技术之一，其使用中性离子束，通过纯物理过程去除任何不需要的材料，具有①蚀刻速率和蚀刻停止精确可控，能够将表面特征定义在几十微米或者纳米级别，②各向异性，③对刻蚀材料无选择性，④对基板厚度和形状没有要求，可以刻蚀高纵横比的材料，⑤可以通过倾斜样品来改变离子束的作用方向，⑥能够控制侧壁轮廓、优化径向均匀性、进行纳米图案化过程中的特征整形(feature shaping)，⑦刻蚀后的材料均匀性好，⑧基板受损情况小(因为基板未浸入大量等离子体中，可以使基板受辐射损伤的风险最小化；定向光束使基板免受射频(RF)偏压控制)，⑨对人员健康、安全和环境的影响较小等优点。
电子束刻蚀(EBL)是一种超高分辨率光刻技术，用于制造由于太小而无法使用传统光刻法的纳米结构，其工作原理是将高度聚焦的电子束在样品上方移动，以写出所设计的图案，具有①直接利用CAD设计图案，不需要物理蒙版，可以对图案进行频繁、免费的更改，适合进行优化、精炼和原型设计，②直接在晶圆上打印复杂图案，③消除衍射问题，④高分辨率，可以创建尺寸小于10nm的纳米结构等优点。
以下以内电极201为Ta，磁性自由层202为CoFeB，非磁性间隔层203为MgO，磁性参考层204为CoFeB，外电极205为Cu为例，对图3A所示存储单元的制备流程进行描述，以下所述制备技术等同样适用于选择其它材料制备图3A所示存储单元。
制备内电极201时，首先利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)生长一层Ta，然后进行离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)，得到柱状结构的内电极201。
在另外一些实施例中，内电极201的制备过程如下：首先利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)生长一层绝缘材料(如SiO2)，然后利用离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)在绝缘材料层上刻蚀一个凹槽，接着再利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)在凹槽中填满Ta，最后再利用离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)将Ta周边的绝缘材料刻蚀掉，得到柱状结构的内电极201。
磁性结206的制备流程如下：
内电极201制备完成后，首先利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)，以柱状结构的内电极201的侧面为基底，生长一层CoFeB，然后利用离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)，得到环状截面的柱状结构的磁性自由层202。
磁性自由层202制备完成后，首先利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)，以柱状结构的磁性自由层202的侧面为基底，生长一层MgO，然后利用离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)，得到环状截面的柱状结构的非磁性间隔层203。
非磁性间隔层203制备完成后，首先利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)，以柱状结构的非磁性间隔层203的侧面为基底，生长一层CoFeB，然后利用离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)，得到环状截面的柱状结构的磁性参考层204。
外电极205的制备：磁性参考层204制备完成后(磁性结206制备完成后)，首先利用原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积或者亚大气压化学气相沉积(SACVD)，以柱状结构的磁性参考层204的侧面为基底，生长一层Cu，然后利用离子束刻蚀(IBE)或电子束刻蚀(EBL)，得到环状截面的柱状结构的外电极205。
图3B所示是图3A所示存储单元的俯视图。
下面给出图3A所示存储单元的读写方式。
在一些实施例中，所述磁性自由层202的磁化翻转由至少自旋-轨道矩来完成，所述自旋-轨道矩由电荷流经过所述内电极201产生的自旋极化电流提供，无电荷流经过所述内电极201时，不产生自旋极化电流。
如图4A所示，给所述内电极201通入沿其圆形截面的法线方向(±x方向)的电荷流JSOT，由于自旋霍尔效应，JSOT被自旋极化，其中自旋极化的电子或其它带电粒子扩散进入所述磁性自由层202，对所述磁性自由层202的磁化产生自旋-轨道矩的作用，翻转其磁化。电荷流JSOT的方向可以决定所述磁性自由层202的磁化取向。
图4B所示是图4A所示一种写入方式的俯视图。
在另外一些实施例中，所述磁性自由层202的磁化翻转由自旋-轨道矩和自旋转移矩的共同作用来完成，所述自旋-轨道矩由电荷流经过所述内电极201产生的自旋极化电流提供，所述自旋转移矩通过沿内电极201的径向方向给所述磁性结206注入写电流(电荷流)提供。
如图5A所示，给所述内电极201通入沿其圆形截面的法线方向(±x方向)的电荷流JSOT，由于自旋霍尔效应，JSOT被自旋极化，其中自旋极化的电子或其它带电粒子扩散进入所述磁性自由层202，对所述磁性自由层202的磁化产生自旋-轨道矩的作用，同时沿内电极201的径向方向给所述磁性结206注入写电流JSTT(JSTT是电荷流)，JSTT与所述磁性参考层204发生相互作用被自旋极化，其中自旋极化的电子或其它带电粒子进入所述磁性自由层202，对其磁化产生自旋转移矩的作用，自旋-轨道矩和自旋转移矩的共同作用使所述磁性自由层202的磁化翻转。电荷流JSOT和写电流JSTT的方向共同决定所述磁性自由层202的磁化取向。
图5B所示是图5A所示另一种写入方式的俯视图。
图6A所示是图3A所示存储单元的读取方式。所述磁性结206的电阻态可以是低阻态或高阻态，对应二进制状态“1”或“0”，对所述磁性结206的电阻态的判断通过沿内电极201的径向方向给所述磁性结206注入读电流JR(JR是电荷流)来完成。
图6B所示是图6A所示读取方式的俯视图。
图7所示是图3B所示存储单元(图3A所示存储单元的俯视图)的控制电路，以框图形式表示。所述控制电路包括图3B所示存储单元、第一电端子、第二电端子、第三电端子和控制模块。图3B所示存储单元的内电极201两端分别设有所述第一电端子和所述第二电端子，图3B所示存储单元的外电极205设有所述第三电端子。第一、第二和第三电端子与控制模块连接，控制模块用于切换和感应图3B所示存储单元的磁性结206的电阻态，以实现数据读取和写入功能。
在一些实施例中，图3B所示存储单元的磁性自由层202的磁化翻转由控制模块通过第一和第二电端子给图3B所示存储单元的内电极201注入电荷流，从而产生自旋极化电流来完成。在另外一些实施例中，图3B所示存储单元的磁性自由层202的磁化翻转由控制模块通过第一和第二电端子给图3B所示存储单元的内电极201注入电荷流，从而产生自旋极化电流，同时由控制模块通过第二和第三电端子给图3B所示存储单元的磁性结206注入写电流(电荷流)来完成。
对图3B所示存储单元的磁性结206的电阻态的判断由控制模块通过第二和第三电端子给图3B所示存储单元的磁性结206注入读电流来完成。
下面给出图2B和图2C所示的三维磁性器件210的读写方式。
在本实施例中，对所述至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结的磁性自由层202的磁化翻转由自旋-轨道矩和自旋转移矩的共同作用来完成，所述自旋-轨道矩由电荷流经过所述内电极201产生的自旋极化电流提供，所述自旋转移矩通过沿所述至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的径向方向注入写电流(电荷流)提供。
如图8A和图8B所示，给所述内电极201通入沿所述内电极201圆形截面的法线方向的电荷流JSOT，由于自旋霍尔效应，JSOT被自旋极化，其中自旋极化的电子或其它带电粒子扩散进入所述至少一个磁性结206的磁性自由层202，对磁性自由层202的磁化产生自旋-轨道矩的作用，同时沿所述至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的径向方向注入写电流JSTT(JSTT是电荷流)，JSTT与所述至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的磁性参考层204发生相互作用被自旋极化，其中自旋极化的电子或其它带电粒子进入所述至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的磁性自由层202，对其磁化产生自旋转移矩的作用，自旋-轨道矩和自旋转移矩的共同作用使所述至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的磁性自由层202的磁化翻转。电荷流JSOT和写电流JSTT的方向共同决定所述至少一个磁性结206中的所述选定的磁性结的磁性自由层202的磁化取向。
图8B所示是图8A所示对所述至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结的一种写入方式的俯视图。
图9A所示是对所述至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结的读取方式。所述至少一个磁性结206的电阻态可以是低阻态或高阻态，对应二进制状态“1”或“0”，通过沿所述至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结的径向方向注入读电流JR(JR是电荷流)，可以判断其电阻态。
图9B所示是图9A所示对所述至少一个磁性结206中的一个选定的磁性结的读取方式的俯视图。
图10A所示是基于图4A所示一种写入方式，所述磁性自由层202的微磁学模型。所述磁性自由层202内径为20nm，外径为40nm，x方向长度为10nm，其由金属钴(Co)制成，其室温的自旋扩散长度λ＝38nm，自旋极化电流JS与电荷流JSOT的关系为JS＝JSOTθe-r/λ，θ为自旋霍尔角，取θ＝0.08，r为所述磁性自由层202环形截面上的点到圆心的距离。所述磁性自由层202的初始磁化方向是逆时针方向。
图10B所示是基于图10A所示磁性自由层202的微磁学模型的几何参数和材料参数，所述磁性自由层202中一点(点B)的磁化随电荷流JSOT的变化的微磁学模拟结果。过内电极201的圆心作平行于y轴的直线l，与磁性自由层202的环形截面交于线段mn和线段pq，线段mn在线段pq的+y方向，取线段pq的中点B，观察其磁化随电荷流JSOT的变化。可以看出，磁化翻转需要的电荷流的电流密度(临界翻转电流密度)JSOT,C＝1.7×107A/cm2。当JSOT＞JSOT,C时，所述磁性自由层202的磁化方向从逆时针变为顺时针方向。
图10C所示是基于图10A所示磁性自由层202的微磁学模型的几何参数和材料参数，临界翻转电流密度JSOT,C随θ的变化的微磁学模拟结果。可以看出，JSOT,C随θ的增大而减小。θ足够大(θ＞0.3)时，JSOT,C可以达到0.5×107A/cm2以下，有望大幅降低写操作能耗，提高图3A所示存储单元的可靠性和稳定性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维磁性器件，其特征在于，三维磁性器件包括内电极、磁性结和外电极；所述内电极外侧包裹磁性结，所述磁性结外侧包裹外电极；
所述磁性结在垂直于所述内电极的底面的方向上堆叠；
所述内电极、磁性结和外电极是柱状结构；
所述三维磁性器件的擦写机制基于自旋霍尔效应；
所述磁性结包括磁性自由层、磁性参考层和在所述磁性自由层和所述磁性参考层之间的非磁性间隔层，所述磁性自由层用于数据存储，所述磁性自由层与所述内电极接触，所述磁性参考层与所述外电极接触。
2.一种三维磁存储器，其特征在于，包括三维磁性器件，及其操作电路，所述操作电路包括第一电端子、第二电端子、第三电端子和操作模块；
所述三维磁性器件的内电极两端分别设有所述第一电端子和所述第二电端子，所述三维磁性器件的外电极与所述第三电端子连接；所述第一、第二和第三电端子与所述操作模块连接，所述操作模块用于切换和/或感应所述三维磁性器件的磁性结的电阻态。
3.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述内电极由重金属/类金属或其合金/化合物制成，所述重金属/类金属或其合金/化合物包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Ir、Pd、Pt、Au、Cd、Hg、B、Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、Se、Te、Cl、Sm、TaN、WN、Sb2Te3、BiSb、Bi2Se3、Bi2Te3、(BiSb)2Te3、HgTe、BiSe、(Bi0.57Sb0.43)2Te3、TlBiSe2、Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2、SnTe、Bi2- xCrxSe3、SmB6、BiTeCl、HgTe/CdTe中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述磁性结中磁性自由层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金包括Fe、Co、Ni、Mn、FeCo、FeNi、FePd、FePt、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、MnBi、CoFeB或MnNiSb中的一种或多种，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种材料的组合；
或所述磁性自由层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料包括3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属的多层堆叠结构Co/Ir、Co/Pd、Co/Pt、Co/Au、Co/Ni或CrCo/Pt；
或所述磁性自由层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X包括Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z包括Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
或所述磁性自由层由合成反铁磁材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的磁性自由层由铁磁层与间隔层构成，构成所述磁性自由层的铁磁层的材料包括Fe、Co、Ni、FeCo、CrCoPt或CoFeB，或多层堆叠的铁磁层的材料(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n中的一种或多种，其中m、n、p指多层堆叠的重复次数；构成所述磁性自由层的间隔层的材料包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述磁性结的非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物的组成元素包括Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素包括Mg、Al、Cu、Ag、Au、Y、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ru、Os、Rh、Pd或Pt中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为SiC或陶瓷材料。
6.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述外电极选自下述金属或合金材料：Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述磁性结的磁性自由层的磁化在所述磁性自由层的法线方向；
或所述磁性自由层的磁化在所述磁性自由层的切线方向。
8.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述磁性结的磁性自由层的磁化翻转由至少自旋-轨道矩来完成，所述自旋-轨道矩由电流经过所述内电极产生的自旋极化电流提供；无电流经过所述内电极时，不产生自旋极化电流。
9.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述磁性自由层的磁化翻转由自旋-轨道矩和自旋转移矩的共同作用来完成，所述自旋-轨道矩由电流经过所述内电极产生的自旋极化电流提供，所述自旋转移矩通过沿所述磁性结的径向方向注入写电流提供。
10.根据权利要求2所述的三维磁存储器，其特征在于，所述磁性结的电阻态可以是低阻态或高阻态，对所述磁性结的电阻态的判断通过沿所述磁性结的径向方向注入读电流来完成。
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