CN112018231A - 一种振荡器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种振荡器及其制造方法，在重金属层的第一表面上形成有第一磁性层，在重金属层第二表面上依次层叠有隔离层和第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层的磁化方向均位于面内。这样，第一磁性层在重金属层中的自旋轨道转矩作用下可以发生振荡，第二磁性层与重金属层由隔离层隔开，第二磁性层在第一磁性层产生杂散场，通过该杂散场可以实现振荡频率的调节。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种振荡器及其制造方法。
背景技术
振荡器作为频率源，在各领域都有广泛的应用，而随着对集成度要求的不断提高，片上实现振荡器成为振荡器的主流方向。自旋轨道转矩(SOT，Spin-Orbit Torque)振荡器，其利用自旋轨道转矩实现振荡，为片上实现振荡器提供了可行的解决方案，而进一步实现片上实现频率可调的SOT振荡器成为另一个需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种振荡器，实现频率可调的振荡器。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种振荡器，包括：
重金属层；
所述重金属层第一表面上的第一磁性层，所述重金属第二表面上依次层叠的隔离层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层的磁化方向位于面内，所述第一磁性层耦合至所述重金属层产生振荡，所述第二磁性层产生杂散场。
可选的，所述重金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。
可选的，所述隔离层的材料可以为绝缘材料。
可选的，还包括：位于所述第二磁性层上的钉扎层。
可选的，所述钉扎层的材料可以为IrMn、PtMn或CoPt。
可选的，所述第一磁性层或所述第二磁性层的材料为Fe、Co、Ni或它们的合金。
可选的，所述第一磁性层横截面的形状为圆形、椭圆形或方形。
可选的，所述杂散场的分布与所述第二磁性层的面积呈正相关。
可选的，所述振荡器的振荡频率根据以下至少一种调节方式进行调节，所述调节方式包括：
所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的距离、所述第二磁性层的饱和磁化强度、所述第二磁性层的尺寸以及所述第二磁性层的厚度进行调节。
一种振荡器的制造方法，包括：
在第二磁性层上依次形成隔离层、重金属层，所述第二磁性层的磁化方向位于面内，所述第二磁性层产生杂散场；
在重金属层上形成第一磁性层，所述第一磁性层的磁化方向位于面内，所述第一磁性层耦合至所述重金属层产生振荡。
本发明实施例提供的振荡器，在重金属层的第一表面上形成有第一磁性层，在重金属层第二表面上依次层叠有隔离层和第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层的磁化方向均位于面内。这样，第一磁性层在重金属层中的自旋轨道转矩作用下可以发生振荡，第二磁性层与重金属层由隔离层隔开，第二磁性层产生杂散场，通过该杂散场可以实现振荡频率的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出了根据本发明实施例的振荡器的立体结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的振荡器的制造方法的流程示意图；
图3-6示出了根据本发明实施例的振荡器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术中的描述，自旋轨道转矩(SOT，Spin-Orbit Torque)振荡器，其利用自旋轨道转矩实现振荡，为片上实现振荡器提供了可行的解决方案，而进一步实现片上实现频率可调的SOT振荡器成为另一个需要解决的问题。
基于此，本申请提供了一种振荡器，参考图1所示，包括：
重金属层100；
重金属层100第一表面上的第一磁性层102，重金属100第二表面上依次层叠的隔离层104和第二磁性层106，第一磁性层102和第二磁性层106的磁化方向位于面内，第一磁性层102耦合至重金属层100产生振荡，第二磁性层106产生杂散场。
在本申请实施例中，重金属层100为具有强自旋-轨道耦合效应，该层可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料，例如可以为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、铪(Hf)、铱(Ir)、铜铋合金(CuBi)、铜铱合金(CuIr)或金钨合金(AuW)等。本实施例中，可以通过调节重金属层100的电流来调节重金属层100的自旋轨道转矩。
第一磁性层102位于重金属层100的第一表面上，重金属层100的第一表面和第二表面分别为相对两侧的表面，第一磁性层102与重金属层100相比，基本为柱状，柱状的横截面的形状可以为圆形、椭圆形或方形等，重金属层100的形状可以为方形，方形包括长方形和正方形。
重金属层100的第二表面上依次形成有隔离层104和第二磁性层106，第一磁性层102和第二磁性层106都为面内(in-plane)磁性层，也就是说，它们的磁化方向位于磁性层所在平面之内，第二磁性层106的面内磁化方向可以通过高面内各向异性(high in-planemagnetic anisotropy)、反铁磁材料进行钉扎(pinned by an anti-ferromagneticpermanent magnetic material)或者二者的组合实现。与重金属层100第二表面由隔离层隔开的第二磁性层106产生杂散场，通过作用于第一磁性层102的杂散场可以影响第一磁性层102的振荡，以调节振荡器的振荡频率。第二磁性层106产生的杂散场的方向可以根据第二磁性层106的磁化方向确定。第一磁性层102和第二磁性层106可以为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，或者它们的合金，也可以为Fe、Co、Ni或它们的合金与硼(B)或铂(Pt)或其他元素组成的合金材料。
在本申请实施例中，第一磁性层102和第二磁性层106可以采用相同或不同的材料形成，二者的厚度和/或尺寸可以相同，也可以不同。第二磁性层106与重金属层100可以为相同的形状例如可以为方形，第二磁性层106的面积可以与重金属层100的面积相同，也可以不同。杂散场的分布与第二磁性层106的面积成正相关，增大第二磁性层106的面积可以改变杂散场的分布。
重金属层100和第二磁性层106由隔离层104分隔开，隔离层104为可以采用绝缘材料，绝缘材料例如可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪等。
此外，第二磁性层106下表面还可以有钉扎层(anti-ferromagnetic permanentmagnetic layer)120，该钉扎层120用于固定第二磁性层106的磁化方向，钉扎层120的材料例如可以为铱锰合金(IrMn)、铂锰合金(PtMn)、钴铂合金(CoPt)、多层膜人工反铁磁等。
在本申请的应用中，在重金属层100中通入电流，重金属层100上表面将产生自旋-轨道矩，第一磁性层102的磁矩与重金属层100的自旋-轨道矩耦合，在重金属层100产生的一定自旋流作用下，第一磁性层102可以发生振荡，而隔离层104可减弱甚至消除重金属层100的自旋流对第二磁性层106的影响，第二磁性层106产生杂散场，作用于第一磁性层102的杂散场将会影响振荡的频率，从而实现振荡频率的调节。在具体的应用中，可以通过调节第二磁性层106的饱和磁化强度、第一磁性层102与第二磁性层106之间的间距、第二磁性层106的厚度中的一种或多种，即可以改变第二磁性层106作用于第一磁性层的杂散场实现不同频率的振荡器。
本实施例中，振荡器的振荡频率可以根据公式(1)计算：
式中，Hstray表示用于调节振荡频率的第二磁性层所产生的杂散场(stray field)；Hstray与第二磁性层的饱和磁化强度成正比，Hstray与第二磁性层的尺寸、第一磁性层和第二磁性层之间的距离以及第二磁性层的厚度有关；
Hc表示面内矫顽力(in-plane coercivity)；
在具体的应用中，可以根据第二磁性层106产生的杂散场、第一磁性层102的面内矫顽力以及有效垂直退磁场获取振荡频率。
以上对本申请实施例提供的振荡器进行了详细的描述，在重金属层的第一表面上形成有第一磁性层，在重金属层第二表面上依次层叠有隔离层和第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层的磁化方向均位于面内。这样，第一磁性层在重金属层中的自旋轨道转矩作用下可以发生振荡，第二磁性层与重金属层由隔离层隔开，第二磁性层可以产生杂散场，通过该层作用于第一磁性层的杂散场可以影响第一磁性层的振荡，实现振荡频率的调节。
本申请实施例还提供一种振荡器的制造方法，参考图2-图6所示，包括：在步骤S01中，在第二磁性层106上依次形成隔离层104、重金属层100，第二磁性层106的磁化方向位于面内，第二磁性层106产生杂散场。
第二磁性层106产生杂散场，通过作用于后续形成的第一磁性层102的杂散场影响第一磁性层102的振荡，从而实现振荡频率的调节。第二磁性层106为面内磁性层，磁化方向可以通过高面内各向异性、反铁磁材料进行钉扎或者二者的组合实现。在第二磁性层106上形成隔离层104，参考图3所示，隔离层104将后续形成的重金属层100和第二磁性层106隔离开，隔离层104可以采用绝缘材料，绝缘材料例如可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪等。
在隔离层104上形成重金属层100，参考图4所示，重金属层100具有强自旋-轨道耦合效应，重金属层100可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料，例如可以为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW等。
重金属层100中的强自旋轨道耦合，使得流动于重金属层100中的电流会产生竖直方向的自旋流，自旋流造成界面自旋积累，积累的自旋对重金属层100上形成的第一磁性层102产生力矩作用，在重金属层100产生的一定自旋流作用下，第一磁性层102发生振荡。
本实施例中，可以在钉扎层120上形成第二磁性层106，参考图6所示，钉扎层120用于固定第二磁性层106的磁化方向，钉扎层的材料例如可以为IrMn、PtMn、CoPt、多层膜人工反铁磁等。
在步骤S02中，在重金属层100上形成第一磁性层102，第一磁性层102的磁化方向位于面内，第一磁性层102耦合至重金属层100产生振荡。
在重金属层100上形成第一磁性层102，参考图5所示，为了便于理解，将重金属层100与第一磁性层102接触的表面称为第一表面，将重金属层100与隔离层104接触的表面称为第二表面。第一磁性层102的磁化方向位于面内，第一磁性层102耦合至重金属层100产生振荡。
第一磁性层102为面内磁性层。第一磁性层102和第二磁性层106可以为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，或者它们的合金，也可以为Fe、Co、Ni或它们的合金与硼(B)或铂(Pt)或其他元素组成的合金材料。第一磁性层102与第二磁性层106的材料可以相同，也可以不同，第一磁性层102与第二磁性层106的厚度和/或尺寸可以相同，也可以不同。
在具体的应用中，可以通过调节第二磁性层106的饱和磁化强度、第一磁性层102与第二磁性层106之间的间距、第二磁性层106的厚度中的一种或多种，即可以改变作用于第一磁性层102的杂散场实现不同频率的振荡器。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其具有与振荡器实施例相同的部分，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种振荡器，其特征在于，包括：
重金属层；
所述重金属层第一表面上的第一磁性层，所述重金属第二表面上依次层叠的隔离层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层的磁化方向位于面内，所述第一磁性层耦合至所述重金属层产生振荡，所述第二磁性层产生杂散场。
2.根据权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述重金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。
3.根据权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述隔离层的材料可以为绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的振荡器，其特征在于，还包括：位于所述第二磁性层上的钉扎层。
5.根据权利要求4所述的振荡器，其特征在于，所述钉扎层的材料可以为IrMn、PtMn或CoPt。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的振荡器，其特征在于，所述第一磁性层或所述第二磁性层的材料为Fe、Co、Ni或它们的合金。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的振荡器，其特征在于，所述第一磁性层横截面的形状为圆形、椭圆形或方形。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的振荡器，其特征在于，所述杂散场的分布与所述第二磁性层的面积呈正相关。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的振荡器，其特征在于，所述振荡器的振荡频率根据以下至少一种调节方式进行调节，所述调节方式包括：
所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的距离、所述第二磁性层的饱和磁化强度、所述第二磁性层的尺寸以及所述第二磁性层的厚度进行调节。
10.一种振荡器的制造方法，其特征在于，包括：
在第二磁性层上依次形成隔离层、重金属层，所述第二磁性层的磁化方向位于面内，所述第二磁性层产生杂散场；
在重金属层的上形成第一磁性层，所述第一磁性层的磁化方向位于面内，所述第一磁性层耦合至所述重金属层产生振荡。
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