CN111697130B

CN111697130B - 具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元和逻辑器件

Info

Publication number: CN111697130B
Application number: CN202010583152.4A
Authority: CN
Inventors: 王开友; 张楠; 曹易
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2040-06-23
Also published as: CN111697130A

Abstract

一种具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元和逻辑器件；其中，具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元包括：磁性自由层，所述磁性自由层包括：垂直磁化的铁磁性区域和功能性区域；其中，所述铁磁性区域和功能性区域形成水平不对称结构；当电流流经磁性自由层，功能性区域及功能性区域与铁磁性区域的界面处产生作用于铁磁性区域的一自旋轨道矩，使铁磁性区域发生定向翻转。本发明可以实现无外磁场下的磁矩定向翻转，可以简化器件结构和工艺难度，降低器件制造成本，降低能耗，实现器件的小型化、提高器件的集成度。

Description

具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元和逻辑器件

技术领域

本发明涉及信息技术及微电子领域，尤其涉及一种具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元和逻辑器件。

背景技术

当今信息社会，利用电子自旋进行信息的处理和存储受到全世界广泛关注和研究，包括磁纳米逻辑、全自旋逻辑、磁隧道结作为逻辑运算和存储等。当前商业上大力发展的自旋转移矩-磁随机存储器(STT-MARM)和还处于实验室研究的自旋轨道矩-磁随机存储器(SOT-MRAM)，都是基于存储单元中磁自由层磁化的翻转，导致磁电阻的改变，从而实现信息的存储功能，具有速度快和非易失等优点。

基于自旋转移矩-磁随机存储器中磁自由层的磁化翻转靠电流实现，通常需要非常高的电流密度(10⁶-10⁷A/cm²)，由于大电流通过存储单元结区，不仅导致能耗过大，而且热效应也会极大地降低存储单元的使用寿命。

为了降低整个器件的能耗，提高器件的工作寿命，通常有两个途径来实现：第一是利用电压实现隧穿结中磁自由层的磁化翻转；第二是利用自旋轨道矩效应使存储单元中磁自由层发生磁化翻转实现磁性信息的电学写入。由于信息的写和读在不同的通道上，大电流不通过存储单元结区，因此存储单元的能耗大大降低，使用寿命也大大延长。但通常基于自旋轨道矩效应磁性存储需要外加磁场的辅助，不利于存储器件的微型化，会制约信息技术的进一步发展，因此如何利用自旋轨道矩效应在无外磁场下调控磁化的翻转，实现信息存储和处理是信息领域发展的迫切需要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元和逻辑器件，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一方面，提供一种具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，包括：

磁性自由层，所述磁性自由层包括：垂直磁化的铁磁性区域和功能性区域；

其中，所述铁磁性区域和功能性区域形成水平不对称结构；当电流流经磁性自由层，功能性区域及功能性区域与铁磁性区域的界面处产生作用于铁磁性区域的一自旋轨道矩，使铁磁性区域发生定向翻转。

作为本发明的另一个方面，提供一种逻辑器件，包括若干个上述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元组合形成逻辑门。

从上述技术方案可以看出，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明磁性自由层包括垂直磁化的铁磁性区域和具有较强自旋轨道耦合作用的功能性区域，两者在水平方向上因材料种类、磁各向异性的大小和/或方向等方面的不同形成不对称结构。这样可以使得在电流流经磁性自由层时，其中的功能性区域产生及功能性区域与铁磁性区域的界面处会产生一个作用于铁磁性区域的自旋轨道矩，使铁磁性区域的磁矩发生定向翻转；可实现面内电流对磁性自由层的定向磁化翻转操作；

(2)本发明通过对磁性自由层的形成水平不对称结构，通过其中的具有较强自旋轨道耦合作用功能性区域及功能性区域与铁磁性区域的界面处产生的作用于铁磁性区域的自旋轨道矩，它也可以与来自自旋轨道耦合层的自旋轨道矩作用叠加，使得铁磁性区域的磁矩发生定向翻转，即可实现无外磁场下调控磁化的翻转，由于不再使用高密度电流通过磁存储单元的结区，可有效降低能耗，热效应得到有效控制，进而延长器件的工作寿命；

(3)磁性自由层内部水平不对称结构的相对位置，决定了铁磁性区域的磁矩定向翻转的方向；在电流流经磁性自由层时，其中功能性区域由于自旋霍尔效应或界面Rashba作用产生的自旋流极化方向垂直于膜面，且其具体指向，即垂直于膜面向上、还是垂直于膜面向下，取决于磁性自由层中功能性区域和铁磁性区域的相对位置；由于铁磁性区域接受到的电子自旋方向相反时，自旋轨道矩的作用也会相反，相应的，铁磁性区域的磁矩发生定向翻转的方向也会相反；因此，对于固定的电流方向，可以通过控制水平不对称结构的相对位置，得到特定的定向翻转的方向；

(4)本发明还可以实现同一衬底上多个具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元的同时制备，简化了工艺、提高了生产效率；

(5)本发明在-50℃～200℃零磁场下施加电流产生可控的磁化定向翻转实现磁存储单元的功能；

(6)利用磁存储单元构建可编译逻辑功能以及磁存储器，可以非常方便快捷，只用控制水平不对称结构的相对位置，通过单个或多个磁存储单元的组合，实现不同功能的逻辑门，包括但不限于与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等；

(7)本发明通过设计水平不对称结构可以实现无外磁场的定向翻转，而通过控制施加逻辑电流和辅助编译电流的大小和方向就可以实现器件不同功能，使单个或者多个存储单元组成的器件可编译，从而实现存储单元、逻辑器件具有工作在-50℃～200℃环境下，无外加磁场依赖、可编译、低功耗等优点；可应用于非易失高密度存储、高速非易失逻辑计算等领域。

附图说明

图1为本发明一实施例的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元的结构示意图。

以上附图中，附图标记含义如下：

1、衬底；2、自旋轨道耦合层；3、功能性区域；4、铁磁性区域；5、中间非磁性绝缘势垒层；6、磁性钉扎层；7、反铁磁层；8、读出电极层；9、电流方向。

具体实施方式

本发明具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，磁性自由层内部具有水平不对称结构，包括垂直磁化的铁磁性区域，和具有较强自旋轨道耦合作用的功能性区域。通过电流流经磁性自由层时，使其中的功能性区域及功能性区域与铁磁区域的界面处产生的作用于铁磁性区域的自旋轨道矩，使得铁磁性区域的磁矩发生定向翻转；上述自旋轨道矩的作用也可以与来源于强自旋轨道耦合层的自旋轨道矩作用叠加，使铁磁性区域的磁矩发生高效的定向翻转。由于不再使用高密度电流通过磁存储单元的结区，可有效降低能耗，热效应得到有效控制，进而延长器件的工作寿命。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。为清楚起见，附图中的元器件可能并未依照比例绘示。此外，可能从附图中省略一些元器件。可以预期的是，一实施例中的元器件和特征，可以有利地纳入于另一实施例中，而未再加以阐述。

作为本发明的一个方面，如图1和图2所示，提供一种具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，包括：

磁性自由层，磁性自由层包括：垂直磁化的铁磁性区域4和功能性区域3；

其中，铁磁性区域4和功能性区域3形成水平不对称结构；当电流流经磁性自由层，功能性区域3及功能性区域3与铁磁性区域4的界面处产生作用于铁磁性区域4的一自旋轨道矩，使铁磁性区域4发生定向翻转。

在本发明的实施例中，铁磁性区域包括铁磁性材料；功能性区域包括非磁性材料或者铁磁性材料；

当功能性区域为铁磁性材料时，功能性区域与铁磁性区域的材料种类和磁各向异性不相同；更为具体的，其功能性区域与铁磁性区域的磁各向异性的大小和方向各不相同。

在本发明的实施例中，磁存储单元还包括自旋轨道耦合层2，自旋轨道耦合层2与磁性自由层相邻设置，用于向磁性自由层的铁磁性区域3作用一源自自旋轨道耦合层2的另一自旋轨道矩。

其作用原理为：

在自旋轨道耦合层2中施加电流，使电流部分流经磁性自由层，使其中的功能性区域3及功能性区域3与铁磁性区域4的界面处产生一个作用于铁磁性区域4的自旋轨道矩，并与铁磁性区域4中来源于自旋轨道耦合层2的自旋轨道矩相叠加，使铁磁性区域4的磁矩发生高效的定向翻转。这种定向翻转不需要外加磁场的辅助，并且可以通过控制水平不对称结构的相对位置来控制定向翻转的方向及比例。更为具体的，指在同一方向电流下，磁化方向发生由下到上或者是由上到下翻转取决于磁性自由层中功能性区域和铁磁性区域的相对位置；以及，铁磁性区域中有多大面积比例的区域发生了翻转取决于磁性自由层中功能性区域和铁磁性区域的相对位置。

在本发明的实施例中，如图1和图2所示，磁性自由层的功能性区域3与铁磁性区域4的界面的延伸方向与自旋轨道耦合层2中施加的电流方向9相同或相反。

在本发明的实施例中，磁存储单元还包括两个第一电极，两个第一电极形成于自旋轨道耦合层2上；自旋轨道耦合层2上施加的电流流经磁性自由层在自旋轨道耦合层2的投影区域。

另外，两个第一电极的形成并不局限于此，在本发明的其他实施例中，还可以在自旋轨道耦合层2的未设置磁性自由层的另一相邻侧再设置一层导电层，其两个第一电极形成于该导电层上。

在本发明的实施例中，磁存储单元还包括读出电极层8和第二电极；

其中，读出电极层8位于磁性自由层的与自旋轨道耦合层2相对的一侧；

第二电极形成于读出电极层8上。

在本发明的实施例中，磁存储单元还依次包括：中间非磁性绝缘势垒层5、磁性钉扎层6和反铁磁层7，其与磁性自由层形成磁隧道结；

其中，中间非磁性绝缘势垒层5、磁性钉扎层6、反铁磁层7位于磁性自由层与读出电极层8之间；且中间非磁性绝缘势垒层5位于磁性自由层与磁性钉扎层6之间。

在本发明的实施例中，磁存储单元还包括衬底1，衬底1位于自旋轨道耦合层2一侧或者衬底1位于读出电极层8的一侧。

在本发明的实施例中，自旋轨道耦合层2在衬底1上的投影为长条形或者包含长条形的形状。

在本发明的实施例中，其磁存储单元的具体结构如图1所示，由下至上依次包括衬底1、自旋轨道耦合层2，磁性自由层、中间非磁性绝缘势垒层5、磁性钉扎层6、反铁磁层7以及读出电极层8，其中，磁性自由层内部包括水平不对称的功能性区域3和铁磁性区域4；在图1所示的结构中，两个第一电极位于自旋轨道耦合层2的两端，第二电极位于读出电极层8。

在读出电极层8上引出有第二电极。在自旋轨道耦合层2的两端引出两个第一电极。两个第一电极中的一个或两个为输出端的一端，读出电极层8所引出的第二电极为输出端的另一端，从输出端的一端和另一端检测磁隧道结的隧穿磁电阻(TMR)的电压输出信号。

在本发明的其他实施例中，磁存储单元的结构如图2所示，由下至上依次包括衬底1、读出电极层8、反铁磁层7、磁性钉扎层6、中间非磁性绝缘势垒层5、磁性自由层以及自旋轨道耦合层2，其中，磁性自由层内部包括水平不对称的功能性区域3和铁磁性区域4。在图2所示的结构中，第二电极位于读出电极层8，两个第一电极位于自旋轨道耦合层2的两端。

在本发明的实施例中，当信息写入时，两个第一电极为输入端，第二电极为输出端；或者，其中一个第一电极和第二电极为输入端，另外一个第一电极为输出端；当信息读取时，其中一个第一电极为输出端的一端，第二电极为输出端的另一端。

根据上述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，可利用磁电阻效应进行相应的信息写入和读取。以具体原理在于：

在自旋轨道耦合层2所引出的两个第一电极之间通入脉冲电压(产生脉冲电流)，使部分电流流经磁性自由层，使其中的功能性区域3及功能性区域3与铁磁性区域4的界面处产生一个作用于铁磁性区域4的自旋轨道矩，并与铁磁性区域4中来源于自旋轨道耦合层2的自旋轨道矩相叠加，使铁磁性区域4的磁矩发生高效的定向翻转，从而实现对信息的写入。当磁性自由层的磁矩方向和反铁磁层7的磁矩方向平行或者反平行时，由于磁电阻效应，磁性自由层和反铁磁层7之间的隧穿磁电阻会发生变化，通过在第一电极和第二电极之间通入一个小电流，即可读出输出信号。

作为本发明的另一个方面，还提供一种逻辑器件，包括若干个上述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元组合形成逻辑门。

更为具体的，利用磁存储单元，通过单个或多个磁存储单元的组合，可以实现功能可编程的逻辑门，包括但不限于与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。

至此本发明实施例介绍完毕。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，包括：

磁性自由层，所述磁性自由层包括：垂直磁化的铁磁性区域和功能性区域；其中，所述铁磁性区域和功能性区域形成水平不对称结构；当电流流经磁性自由层，功能性区域及功能性区域与铁磁性区域的界面处产生作用于铁磁性区域的一自旋轨道矩，使铁磁性区域发生定向翻转；

自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层与所述磁性自由层相邻设置，用于向所述磁性自由层的铁磁性区域作用一源自所述自旋轨道耦合层的另一自旋轨道矩；

其中，所述磁性自由层的功能性区域与铁磁性区域的界面的水平延伸方向与所述自旋轨道耦合层中施加的电流的方向相同或相反。

2.如权利要求1所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，所述铁磁性区域包括铁磁性材料；所述功能性区域包括非磁性材料或者铁磁性材料；

当功能性区域为铁磁性材料时，所述功能性区域与铁磁性区域的材料种类和磁各向异性不相同。

3.如权利要求1所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，所述磁存储单元还包括两个第一电极，所述两个第一电极形成于所述自旋轨道耦合层上；所述自旋轨道耦合层上施加的电流流经所述磁性自由层在所述自旋轨道耦合层的投影区域。

4.如权利要求3所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，所述磁存储单元还包括读出电极层和第二电极；

其中，所述读出电极层位于所述磁性自由层的与所述自旋轨道耦合层相对的一侧；

所述第二电极形成于所述读出电极层上。

5.如权利要求4所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，所述磁存储单元还包括衬底，所述衬底位于所述自旋轨道耦合层一侧或者所述衬底位于所述读出电极层的一侧；

所述自旋轨道耦合层在所述衬底上的投影为长条形或者包含长条形的形状。

6.如权利要求4所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，所述磁存储单元还依次包括：中间非磁性绝缘势垒层、磁性钉扎层和反铁磁层，其与磁性自由层形成磁隧道结；

其中，所述中间非磁性绝缘势垒层、磁性钉扎层、反铁磁层位于磁性自由层与读出电极层之间；且所述中间非磁性绝缘势垒层位于磁性自由层与磁性钉扎层之间。

7.如权利要求6所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元，其特征在于，当信息写入时，两个第一电极为输入端，第二电极为输出端；或者，其中一个第一电极和第二电极为输入端，另外一个第一电极为输出端；

当信息读取时，其中一个第一电极为输出端的一端，第二电极为输出端的另一端。

8.一种逻辑器件，其特征在于，包括若干个如权利要求1至7任一项所述的具有水平不对称结构磁性自由层的磁存储单元组合形成逻辑门。