CN110993782A - 基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，该自旋轨道动量矩磁存储器由上到下包括顶电极、反铁磁金属层、SOT‑MTJ和衬底，所述SOT‑MTJ包括由上至下依次设置的参考层、隧穿势垒层、重金属层Ru、自由层，所述隧穿势垒层为两层氧化物混合的不均称锯齿结构，衬底为两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。通过在基板上生长双分子层，可以控制磁易轴稍微偏离z方向，从而实现电流诱导的无场磁化。通过读写分离的操作，解决了传统的MRAM所存在的问题，实现了无需外部磁场即可进行读写，加快了非易失存储器领域发展的步伐。

Description

基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动 量矩磁存储器
技术领域
本发明涉及一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，可用于非易失性存储器技术领域。
背景技术
磁隧道结(MTJ)是磁阻随机存取存储器(MRAM)的基本元件，由两个铁磁金属层和隔开铁磁金属层隧穿势垒层三层组成。当两个铁磁金属层之间的磁化方向平行时，MTJ的电阻较低；当它们处于反平行结构时，MTJ的电阻较高。低阻和高阻状态可以像其他类型的存储器一样用于记录信息。并联和反并联是MRAM中典型的写操作，它是通过逆转一个铁磁电极(自由层或存储层)的磁化方向，同时保持另一个铁磁电极(参考层)的磁化方向不变来实现的。
现阶段SOT-MRAM的实际应用依然存在困难，一个原因是用于提供SOT的底电极材料的自旋霍尔电导率需要进一步的提高。自旋霍尔角电导率越高，翻转磁隧道结所需的电流越低，多年以来，各国致力于寻找高自旋霍尔电导率的底电极材料。
一种基于钙钛矿氧化物异质结为衬底的SOT-MRAM的核心部分SOT-MTJ具有非易失性、高速读写、低功耗、接近无限次的反复擦写次数等诸多优点。然而，目前SOT-MRAM的写入需要外部磁场来决定其自由层的磁化翻转极性，同时写入电流相对过高，从而影响了其纳米加工工艺，且阻碍了其继续小型化的发展。
在一个典型的自旋霍尔材料/磁性材料异质结中，SOT不是来源于自旋霍尔效应就是来源于Rashba-Edelstein效应，最近，从理论上提出了钙钛矿氧化物可以产生较大的本征自旋霍尔效应，这使得钙钛矿氧化物称为很好的候选材料。考虑到可扩展性和功耗，磁性材料的强垂直磁各向异性(PMA)和有效的无磁场确定性开关是可取的。在传统的SOT结构中，超薄铁磁层具有良好的PMA，实现确定性无场切换需要特定的器件设计，这使设备结构复杂化，阻碍了大规模生产。另外，由于钙钛矿氧化过程中电荷、轨道、自旋和晶格自由度的相互作用，可从本质上实现垂直磁化的低功率、高效率的确定性无场开关。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，由上到下包括顶电极、反铁磁金属层、SOT-MTJ和衬底，所述SOT-MTJ包括由上至下依次设置的参考层、隧穿势垒层、重金属材料Ru、自由层，所述隧穿势垒层为两层氧化物混合的不均称锯齿结构，衬底为两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。
优选地，所述衬底材料为SrTiO3、SrIrO3、SrRuO3中的任意两种。
优选地，所述重金属材料为Ru，重金属材料Ru设置在铁磁金属层和隧穿势垒层中间，Ru层能够吸收入射的自旋电流作为自旋阱，增强铁磁体对自选电流的吸收，Ru层材料结构的厚度1nm。
优选地，所述自由层为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，用于存储数据，自由层即铁磁金属层，厚度为1-3nm。
优选地，所述隧穿势垒层的两种氧化物材料分别为氧化镁和三氧化二铝，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上层为氧化层，氧化物为锯齿形，下层为矩形的三氧化二铝，该不匀称的结构用于代替外部偏置磁场的作用，隧穿势垒层的厚度为2-3nm的非匀称锯齿结构。
优选地，所述参考层指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，参考层为厚度为2-3nm的反锯齿结构。
优选地，所述反铁磁金属层材料为混合金属材料钴钯CoPd，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转。
优选地，所述顶电极材料是钽Ta、铜Cu、铝Al、zr、Pt中的一种。
优选地，所述衬底厚度为10-100nm，反铁磁金属层的厚度为1-2nm，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-100nm，自旋轨道动量矩磁存储器的形状为长方形。
优选地，该自旋轨道动量矩磁存储器结构的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负双向电流Iwrite来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入；该自旋轨道动量矩磁存储器结构的数据读取操作，是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流Iread与基准参考电流来进行比较来判断存储在其中的数据信息。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该技术方案与传统的重金属/铁磁体双分子层不同，钙钛矿型氧化物异质结双分子层提供了操纵磁晶各向异性的可能性。通过在衬底上生长双分子层，可以控制磁易轴稍微偏离z方向，从而实现电流诱导的无场磁化。
基于传统的SOT-MTJ基础上，对隧穿势垒层的结构进行了改进，采用非匀称的锯齿结构，通过结构的不对称，来实现通过电流产生强的SOT以改变自由层磁化方向，从而达到改变存储器件的读写的目的，减少翻转时间，加快翻转速度。衬底采用两种钙钛矿型氧化物异质结构成的结构，这种结构的好处是它与传统的重金属/铁磁体双分子层不同，钙钛矿氧化物异质结双分子层提供了操纵磁晶各向异性的可能性。通过在衬底上生长双分子层，可以控制磁易轴稍微偏离z方向，从而实现电流诱导的无场磁化。通过读写分离的操作，解决了传统的MRAM所存在的问题，实现了无需外部磁场即可进行读写，加快了非易失存储器领域发展的步伐。
附图说明
图1为本发明的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器结构示意图。
图2为本发明的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，如图1和图2所示，该自旋轨道动量矩磁存储器它包含一种基于SOT改变存储器件电阻状态的新型磁隧道结结构，即SOT-MTJ。该自旋轨道动量矩磁存储器由上到下包括顶电极、反铁磁金属层、SOT-MTJ和衬底，所述SOT-MTJ包括由上至下依次设置的参考层、隧穿势垒层材料、重金属层Ru、自由层，所述隧穿势垒层为两层氧化物混合的不均称锯齿结构，衬底为两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。SOT-MTJ的中文名称为自旋轨道动量扭矩磁隧道结。
隧穿势垒层采用两层氧化物不均称锯齿结构，衬底采用两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。所述衬底材料为SrTiO3、SrIrO3、SrRuO3中的任意两种。在铁磁金属层和隧穿势垒层中间加了一层重金属材料Ru，主要作用是Ru层可以吸收入射的自旋电流作为自旋阱，增强铁磁体对自选电流的吸收，提高了自旋霍尔角，从而增强PMA，提高TMR，达到降低功耗的目的。
所述自由层是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样，用于存储数据。所述隧穿势垒层和传统的相比有了进一步的优化，采用两种氧化物混合的锯齿结构，材料使用氧化镁和三氧化二铝，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上层氧化物为锯齿形，下层为矩形的三氧化二铝，这种不匀称的结构用于代替外部偏置磁场的作用。
所述参考层是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样，用于存储数据。所述反铁磁金属层材料是混合金属材料钴钯CoPd，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转。所述顶电极材料是钽Ta、铜Cu、铝Al、Zr、Pt中的一种。
该SOT-MRAM结构的衬底厚度为10-100nm，非铁磁金属层的厚度为1-2nm，自由层即铁磁金属层的厚度为1-3nm，自由层与隧穿势垒层中间添加一层1nm的Ru材料结构。隧穿势垒层是厚度为2-3nm的非匀称锯齿结构，参考层是厚度为2-3nm的反锯齿结构，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-100nm。其中，该SOT-MRAM的制作步骤，首先在基板上经旋涂工艺依次涂覆钙钛矿氧化物，经烘干、退火工序制成的衬底，然后通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序堵在衬底上，最后进行光刻、刻蚀等传统加工工艺来进行制备。
该SOT-MTJ结构是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序堵在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的。该SOT-MTJ结构是通过特殊的后端工艺集成在传统的半导体器件之上。该SOT-MTJ结构的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负双向电流Iwrite来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入。该SOT-MTJ结构的数据读取操作，是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流Iread与基准参考电流来进行比较来判断存储在其中的数据信息。
这种存储器可以实现电流诱导的无场磁化。为了实现无场SOT切换，本技术方案对隧穿势垒层进行了优化，使用不规则的锯齿结构在整个氧化膜中产生不均匀的PMA。不均匀的PMA会导致垂直磁化的轻微倾斜，类似于SOT切换过程中应用的平面内磁场引起的效应。在自由层和隧穿势垒层添加了一层Ru的作用是来自衬底的横向自旋电流不能被铁磁体完全吸收，然后反射到铁磁体/Mgo界面上。在衬底/铁磁/Ru结构中，Ru层可以吸收入射的自旋电流作为自旋阱，增强铁磁体对自旋电流的吸收。最后衬底采用两种钙钛矿氧化物异质结构成的结构，这种结构的好处是它与传统的重金属/铁磁体双分子层不同，钙钛矿氧化物异质结双分子层提供了操纵磁晶各向异性的可能性。通过在衬底上生长双分子层，可以控制磁易轴稍微偏离z方向，从而实现电流诱导的无场磁化。
图1为本发明的一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的SOT-MRAM，基于增强PMA，提高TMR，达到降低功耗的目的，对隧穿势垒层和衬底进行了进一步的改进。隧穿势垒层采用非匀称的锯齿结构，通过结构的不对称，来实现通过电流产生强的SOT以实现自由层磁化方向的改变，从而达到改变存储器件的读写的目的，减少翻转时间，加快翻转速度。
衬底采用两种钙钛矿氧化物异质结构成的结构，这种结构的好处是它与传统的重金属/铁磁体双分子层不同，钙钛矿氧化物异质结双分子层提供了操纵磁晶各向异性的可能性。通过在衬底上生长双分子层，可以控制磁易轴稍微偏离z方向，从而实现电流诱导的无场磁化。通过读写分离的操作，解决了传统的MRAM所存在的问题，实现了无需外部磁场即可进行读写，加快了非易失存储器领域发展的步伐。
图二为本发明的一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的SOT-MRAM的结构示意图。其中，该SOT-MRAM结构的衬底厚度为10-100nmm，非铁磁金属层的厚度为1-2nm，自由层即铁磁金属层的厚度为1-3nm，自由层与隧穿势垒层中间添加一层1nm的Ru材料结构。隧穿势垒层是厚度为2-3nm的非匀称锯齿结构，参考层是厚度为2-3nm的反锯齿结构，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-100nm。
在该实例中，所述底电极即使用SrIrO3、SrRuO3两种材料组合的异质结；所述铁磁金属一(自由层)材料是混合金属材料钴铁硼CoFeB，在自由层和隧穿势垒层中添加1nm材料Ru；隧穿势垒层是氧化镁和三氧化二铝混合的非匀称锯齿结构，参考层即铁磁金属二材料是混合金属材料钴铁硼CoFeB，材料的元素组成是不一样的。
所述反铁磁金属层材料是混合金属材料钴钯CoPd，所述顶电极材料是Ta，通过采用磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的，其形状为长方形。
基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器具有加快读写速度、降低写入功耗、存储密度高及可靠性高等特点，因此可以采用该SOT-MRAM结构通过一定的集成方式建立新型的非易失存储器。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：由上到下包括顶电极、反铁磁金属层、SOT-MTJ和衬底，所述SOT-MTJ包括由上至下依次设置的参考层、隧穿势垒层、重金属层Ru、自由层，所述隧穿势垒层为两层氧化物混合的不均称锯齿结构，衬底为两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。
2.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述衬底材料为SrTiO3、SrIrO3、SrRuO3中的任意两种。
3.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述重金属材料为Ru，重金属材料Ru设置在铁磁金属层和隧穿势垒层中间，Ru层能够吸收入射的自旋电流作为自旋阱，增强铁磁体对自选电流的吸收，Ru层材料结构的厚度1nm。
4.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述自由层为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，用于存储数据，自由层即铁磁金属层，厚度为1-3nm。
5.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述隧穿势垒层的两种氧化物材料分别为氧化镁和三氧化二铝，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上层为氧化层，氧化物为锯齿形，下层为矩形的三氧化二铝，该不匀称的结构用于代替外部偏置磁场的作用，隧穿势垒层的厚度为2-3nm的非匀称锯齿结构。
6.根据权利要求5所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述参考层指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，参考层为厚度为2-3nm的反锯齿结构。
7.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述反铁磁金属层材料为混合金属材料钴钯CoPd，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转。
8.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述顶电极材料是钽Ta、铜Cu、铝Al、Zr、Pt中的一种。
9.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：所述衬底厚度为10-100nm，反铁磁金属层的厚度为1-2nm，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-100nm，自旋轨道动量矩磁存储器的形状为长方形。
10.根据权利要求1所述的基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该自旋轨道动量矩磁存储器结构的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负双向电流Iwrite来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入；该自旋轨道动量矩磁存储器结构的数据读取操作，是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流Iread与基准参考电流来进行比较来判断存储在其中的数据信息。
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