CN112509619A - 一种用电流完全翻转人工合成反铁磁结构中磁畴的方法、磁性存储单元及存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用电流完全翻转人工合成反铁磁结构中磁畴的方法，所述反铁磁结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述方法包括如下步骤：S1、将所述反铁磁结构接入电路中，对所述反铁磁结构加第一方向电流，所述第一磁性层和所述第二磁性层中的磁畴仅部分翻转；S2、对所述反铁磁结构加第二方向电流，所述第一磁性层和所述第二磁性层中的磁畴完全翻转；其中，所述第一方向与所述第二方向相反。本发明提供的方法可以在不施加外磁场的情况下仅通过正负电流组合的方式即可实现磁畴完全翻转，相对于现有技术减少了施加磁场的装置，大大降低了器件的尺寸，提高了器件的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及磁性存储器件技术领域，具体涉及一种用电流完全翻转人工合成反铁磁结构中磁畴的方法、磁性存储器及其存储单元。
背景技术
自旋轨道扭矩磁随机存储器(spin orbital torque MRAM，SOT-MRAM)和自旋迁移扭矩磁随机存储器(spin transfer torque MRAM，STT-MRAM)都是用电流来翻转磁性隧道结中的磁性层，从而实现信息的写入操作。两者对比，自旋轨道扭矩磁随机存储器更具优势，写入操作时电流不流经隧穿层，显著降低了热效应导致的器件击穿等问题。自旋轨道扭矩磁随机存储器是利用重金属如Pt或者Ta的自旋轨道耦合性质，将电流转换为自旋流，利用自旋流来翻转磁性层的。然而要实现磁性层的翻转必须打破磁矩在面内的对称性，需要额外加一个面内磁场，这导致器件无法实现高集成度。后来研究人员提出了多种打破磁矩对称性的办法如利用交换偏置或者是加一个面内磁性层等，也可以将磁性层或者重金属层长成楔形膜产生不均匀的自旋流来打破磁矩在面内的对称性。
目前提出的几种机制都需要额外的引入打破对称性破缺的影响，这些影响在微米尺度被验证是有效的，然而要实现器件的高集成度需要到纳米尺度，器件尺寸通常是40nm左右，这时候热扰动就会破坏额外引入的影响如交换偏置等，楔形膜的工艺在纳米尺度也不再适用。目前SOT-MRAM仍需要额外的面内磁场源，严重制约了器件集成度的提升，也导致能耗无法降低。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种无需施加外磁场即可实现磁矩翻转的方法及据此制备的磁性器件，以解决现有技术需要提供额外的面内磁场源的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种用电流完全翻转人工合成反铁磁结构中磁畴的方法，所述反铁磁结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述非磁性金属层位于所述第一磁性层和第二磁性层之间，所述第一磁性层和第二磁性层处于反铁磁耦合状态，所述方法包括如下步骤：
S1、将所述反铁磁结构接入电路中，对所述反铁磁结构加第一方向电流，所述第一磁性层和所述第二磁性层中的磁畴仅部分翻转；
S2、对所述反铁磁结构加第二方向电流，所述第一磁性层和所述第二磁性层中的磁畴完全翻转；
其中，所述第一方向与所述第二方向相反。
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层均为垂直磁化层，即所述第一磁性层和第二磁性层的净磁矩方向垂直于薄膜表面。
优选的是，所述非磁性金属层包括Ru；
优选的是，所述非磁性金属层的厚度范围为1.25-1.75nm。
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层包括Co/Pt人工超晶格结构；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt/Co]n人工超晶格结构，其中，n为大于1的自然数；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co/Pt]m人工超晶格结构，其中，m为大于1的自然数；
优选的是，m＝n；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]n人工超晶格结构；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]m人工超晶格结构；
优选的是，在步骤S1和步骤S2中外磁场强度为-52mT至52mT；
优选的是，在步骤S1和步骤S2中外磁场强度为零。
优选的是，所述第一方向电流大小与所述第二方向电流大小相同；
优选的是，所述第一方向电流和第二方向电流大小范围为30mA以上；
优选的是，所述第一方向电流和第二方向电流大小范围为30-50mA。
优选的是，所述部分翻转包括使10％-90％的所述第一磁性层中的磁畴翻转；
所述翻转为将所述第一磁性层中的磁畴的磁矩方向由第三方向翻转到第四方向，所述第四方向与所述第三方向相差180角度。
优选的是，所述第二磁性层中的磁畴的磁矩方向不变；
所述第一方向电流和所述第二方向电流流经所述第一磁性层的面内。
本发明还提供一种人工合成反铁磁结构，所述反铁磁结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述非磁性金属层位于所述第一磁性层和第二磁性层之间，所述第一磁性层和第二磁性层处于反铁磁耦合状态，
其中，所述非磁性金属层的厚度范围为1.25-1.75nm。
优选的是，所述非磁性金属层包括Ru；
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层均为垂直磁化层，即所述第一磁性层和第二磁性层的净磁矩方向垂直于所述第一磁性层和第二磁性层；
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层包括Co/Pt人工超晶格结构；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt/Co]n人工超晶格结构，其中，n为大于1的自然数；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co/Pt]m人工超晶格结构，其中，m为大于1的自然数；
优选的是，m＝n；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]n人工超晶格结构；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]m人工超晶格结构；
优选的是，在第一磁性层远离所述非磁性金属层的一侧设置有保护层；
优选的是，在第二磁性层远离所述非磁性金属层的一侧设置有保护层；
优选的是，所述保护层包括Ta。
本发明还提供一种磁性存储单元，所述磁性存储单元包括上述任一种的反铁磁结构。
本发明还提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述的磁性存储单元；
优选的是，所述磁性存储器包括自旋轨道扭矩磁随机存储器SOT-MRAM。
本发明提供的反铁磁器件可以在正(或负)电流的作用下首先形成倾斜的磁畴壁，器件处于两种磁畴共存的状态，然后再施加负(或正)电流可以使得倾斜的磁畴反向运动，从而实现磁畴的完全翻转。本发明提供的方法可以在不施加外磁场的情况下仅通过正、负两种电流即可达到磁畴翻转，大大降低了功耗；并且由于相对于现有技术减少了施加磁场的磁性层的设置，大大降低了器件的尺寸，提高了器件的集成度。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明的薄膜结构图(侧视图)(a)、器件的磁滞回线(b)、器件磁畴随外磁场变化情况示意图(c)。
图2显示为本发明霍尔巴器件形状(俯视图)，A和B电极接电流源用于提供电流，C和D电极接纳伏表用于检测霍尔电压。
图3显示为器件的外场从+200mT降到-42mT(外场指向纸面内)，器件磁畴随所加电流的变化情况示意图。
图4显示为在-52mT的外场下(外场指向纸面内)，器件磁畴随所加电流的变化情况示意图。
图5、图6显示了在同样是-52mT的外场下，不同电流大小对畴壁形状的影响。
图7显示为浅色的磁畴和深色的磁畴可以只在电流作用下扩张或者收缩的示意图。
图8显示为霍尔巴在电流脉冲产生的全深色磁畴和全浅色磁畴状态下的霍尔信号的变化示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了利用自旋轨道扭矩来翻转弱耦合的反铁磁层，通过施加正电流和负电流交替的办法可以实现磁矩的完全翻转。图1(a)显示为本发明的薄膜结构图(侧视图)，如图1(a)所示，所述薄膜的具体结构为Ta(5)/[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3/Ru(1.3nm)/[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3/Ta(5)，其中[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3和[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3为两个垂直磁化层，即两个磁性层的磁畴的净磁矩方向垂直于膜面；Ru的厚度为1.3nm，使得两个垂直磁化层(即第一磁性层和第二磁性层)处于反铁磁耦合状态，在制备成器件之后两个磁性层的磁畴也会呈现单畴反铁磁耦合状态。下文中提到的磁畴指的是这两种状态B1(↑↓)和B2(↓↑)，也分别对应图中的黑色和白色，其中，B1(↑↓)和B2(↓↑)括号中的第一个箭头指示第一磁性层中的某个磁畴的净磁矩方向，而第二个箭头指示第二磁性层中与上述第一磁性层中的某个磁畴在垂直方向重叠的磁畴的净磁矩方向。虽然图1(a)中的Ru层厚度示意为1.3nm，但是其厚度只要处于1.25-1.75nm的范围内均可以使得两个磁性层之间处于反铁磁耦合状态。人工反铁磁结构是指在两个铁磁层中间夹一个非磁性金属层，使得两个铁磁层的磁矩形成反平行。
在一个具体的实施例中，两个处于反铁磁耦合的磁性层的磁矩未完全抵消，即第一磁性层的净磁矩大于第二磁性层的净磁矩，从而使得所述薄膜呈现第一方向的净磁矩；在完全翻转之后，第一磁性层和第二磁性层仍然处于反铁磁耦合状态，且所述薄膜呈现与上述第一方向相反的净磁矩。
器件的制备
器件的具体结构为Ta(5)/[Pt(0.5)/Co(0.5)]3/Ru(1.3)/[Co(0.5)/Pt(0.5)]3/Ta(5)，单位为纳米，Ta是用来做打底层和保护层。
器件生长在已经光刻好器件(图2所示)的硅片(300nm热氧化层)上面，采用AJA公司的超高真空磁控溅射仪先镀5纳米的Ta作为缓冲层，然后是Pt/Co周期结构，最后镀5nm的Ta作为保护层。
生长完毕后，使用丙酮超声波清洗硅片表面的光刻胶，使硅片只留下如图2形状的器件。这里需要强调的是该器件的功能对于Ru的厚度要求非常严格，厚度变化范围必须控制在1.25-1.75nm之间。
器件特性的表征
磁光克尔是一种可用于探测磁性薄膜的磁畴成像的技术，有精确、实时的优点。此样品使用磁光克尔显微镜来表征其磁畴分布状况，图1(c)展示了在没有通电流的情况下，器件磁畴随外磁场的变化。
如图2所示，在器件的A、B电极分别接上电流源的正电极和负电极，C和D电极接纳伏表用于检测霍尔电压。器件被放在磁光克尔显微镜的可控的匀强磁场中间，通过磁滞回线测试的结果得知此器件的磁畴的两次翻转的磁场大小大概是±126mT和±138mT，如图1(b)所示。手动调整磁场，从正饱和200mT开始，逐渐减小加外磁场，如图1(c)所示，在200mT时样品为黑色(磁畴A)，当磁场降低到126mT时，某个磁性层开始翻转，出现白色磁畴B；随着磁场的继续降低，B磁畴占据了整个器件，这里需要注意的是测试过程中有一个扣背景的处理，黑和白都是相对来说的，例如当磁场降到-135mT时，此时的黑白分别对应磁畴B和C，而随着磁场降到-138mT，C磁畴基本占据了整个器件。在这里我们提到的电流翻转磁畴是从磁畴B翻转到C。将磁场设置为-42mT，样品外接的电流源向样品两侧电极通正反方向的30mA电流。值得注意的是，磁壁是非易失性的，并不需要继续外加电流去保持这个状态，电流变为零以后依然可以保持原来的斜畴壁的形状。
如图3所示，磁畴在霍尔桥中形成斜的畴壁，通过改变通的电流和外磁场，可以改变畴壁的位置和形状。如图3(a)所示，在未通电流时，磁畴为B1磁畴，而先通入30mA正方向电流时，部分B1磁畴(约占整个磁畴比例的60％-70％)翻转成B2磁畴；当进一步通入-30mA反方向电流时，全部B1磁畴翻转成B2磁畴，即通过通入正方向电流-反方向电流实现了全部磁畴的翻转。类似地，先通入反方向电流再通入正方向电流同样可以实现B1磁畴全部磁畴的翻转，如图3(b)所示。在一个具体的实施例中，所述通电流时间为秒量级，正反两个方向通电流的时间大致在一个量级即可。在一个可选的实施例中，通入正方向电流的时间为1-10s，通入反方向电流的时间为1-10s。
器件磁畴的行为和外磁场的强度和电流大小也有关系。如图4所示，器件在外磁场从+200mT降到-52mT时候，通30mA电流的时候，畴壁的形状发生变化，撤销电流后依然保持同样形状。如图4所示，在-52mT的外场下(External field is-52mT into the plane，-52mT外场指向纸面内)，当向霍尔桥先通入30mA正方向电流再通入-30mA反方向电流的时候，在通入30mA正方向电流时，约70％-80％的B1磁畴翻转为B2磁畴(如图4(a)所示)；在先通入-30mA反方向电流再通入30mA正方向电流时，在通入-30mA正方向电流时，约80％-90％的B1磁畴翻转为B2磁畴(如图4(b)所示)，并且可以看见有反向的V型出现在图4(b)中，但是通入30mA正方向电流之后可以完全翻转霍尔桥的磁畴磁矩。
图5、图6则显示了在同样是-52mT的场下，不同电流对畴壁形状的影响。如图5、6所示，正方向电流和反方向电流大小为31mA、32mA时同样可以使B1磁畴完全翻转为B2磁畴。
如图7所示，当器件用-200mT的外场达到了负饱和状态之后，将外场调整到60mT，通入-30mA的电流，会产生类似的图4的斜磁壁。这时候关闭外场，用反向电流30mA，可让白色的磁畴扩张并占满整个霍尔巴。当再次通入-30mA的电流的时候，可让深色的磁畴扩张。这个过程可以在没有外场的状态，只靠电流的作用下发生。而产生的磁壁的运动，也是非易失的。这两种状态测出来的霍尔信号记录于图8。用-30mA电流在霍尔巴上推出全深色磁畴的时候(信号约为0.448)，测得的霍尔信号和全白色磁畴状态(信号约为0.256)下的霍尔电阻的差值约为0.192。
该发明实现了无需外加面内磁场即可实现SOT完全翻转人工反铁磁结构中的磁畴，人工反铁磁结构是磁存储元件磁隧道结的钉扎层，也是SOT-MRAM中的钉扎层。不同于SOT-MRAM中用电流翻转自由层的方式，该发明提出电流翻转人工反铁磁结构可同样实现高低组态的全电流写入和读取。相比于翻转自由层，该发明无需额外的面内磁场打破对称性，有利于大幅度提升器件的集成度，也有利于降低能耗。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种用电流完全翻转人工合成反铁磁结构中磁畴的方法，其特征在于，所述反铁磁结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述非磁性金属层位于所述第一磁性层和第二磁性层之间，所述第一磁性层和第二磁性层处于反铁磁耦合状态，所述方法包括如下步骤：
S1、将所述反铁磁结构接入电路中，对所述反铁磁结构加第一方向电流，所述第一磁性层和所述第二磁性层中的部分磁畴发生翻转；
S2、对所述反铁磁结构加第二方向电流，所述第一磁性层和所述第二磁性层中的所有磁畴完全翻转；
其中，所述第一方向与所述第二方向相反。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一磁性层和第二磁性层均为垂直磁化层，即所述第一磁性层和第二磁性层的净磁矩方向垂直于薄膜表面。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非磁性金属层包括Ru；
优选的是，所述非磁性金属层的厚度范围为1.25-1.75 nm，使得两个磁性层处于反铁磁耦合状态。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一磁性层和第二磁性层包括Co/Pt多层膜结构；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt/Co]n多层膜结构，其中，n为大于1的自然数；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co/Pt]m人工超晶格结构，其中，m为大于1的自然数；
优选的是，m=n；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]n多层膜结构；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]m多层膜结构。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S1和步骤S2中外磁场强度范围为-52mT至52mT；
优选的是，在步骤S1和步骤S2中外磁场强度为零。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述部分翻转包括使10%-90%的磁畴翻转；
所述翻转为将磁畴的磁矩方向由第三方向翻转到第四方向，所述第四方向与所述第三方向相差180角度。
7.一种人工合成反铁磁结构，其特征在于，所述反铁磁结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述非磁性金属层位于所述第一磁性层和第二磁性层之间，所述第一磁性层和第二磁性层处于反铁磁耦合状态，
其中，所述非磁性金属层的厚度范围为1.25-1.75 nm。
8.根据权利要求7所述的反铁磁结构，其特征在于，所述非磁性金属层包括Ru；
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层均为垂直磁化层，即所述第一磁性层和第二磁性层的净磁矩方向垂直于所述第一磁性层和第二磁性层；
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层包括Co/Pt人工超晶格结构；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt/Co]n人工超晶格结构，其中，n为大于1的自然数；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co/Pt]m人工超晶格结构，其中，m为大于1的自然数；
优选的是，m=n；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]n人工超晶格结构；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]m人工超晶格结构；
优选的是，在第一磁性层远离所述非磁性金属层的一侧设置有第一保护层；
优选的是，在第二磁性层远离所述非磁性金属层的一侧设置有第二保护层；
优选的是，所述第一保护层和第二保护层包括Ta。
9.一种磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元包括权利要求7或8所述的反铁磁结构。
10.一种磁性存储器，其特征在于，所述磁性存储器包括权利要求9所述的磁性存储单元；
优选的是，所述磁性存储器包括自旋轨道扭矩磁随机存储器SOT-MRAM。
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|---|---|---|---|---|
| CN113889151A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-01-04 | 郑州云海信息技术有限公司 | 一种基于铁磁材料的机械硬盘数据读写方法及系统 |
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2020
- 2020-11-27 CN CN202011361147.5A patent/CN112509619A/zh active Pending
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| CN113889151A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-01-04 | 郑州云海信息技术有限公司 | 一种基于铁磁材料的机械硬盘数据读写方法及系统 |
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