CN112652706A - 一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，所述无需外部磁场辅助的自旋轨道矩。存储单元包括自旋轨道矩磁隧道结结构，该自旋轨道矩磁隧道结结构包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层、位于所述自由层上的隧道势垒层及位于所述隧道势垒层上的参考层、及位于所述参考层上的顶电极；其中，通过在所述重金属层中施加电流以产生自旋流。通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，使得磁性层在无外磁场下，实现由自旋轨道矩诱导的磁矩定向翻转，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术及微电子领域，尤其涉及一种自旋轨道矩存储单元，自旋轨道矩存储单元包含一种基于自旋轨道矩改变磁存储单元电阻态的磁隧道结。
背景技术
磁电阻随机存储器(MRAM)为一种非易失性存储器件，其基本单元为磁隧道结。目前商用自旋转移矩-磁电阻随机存储器(STT-MARM)基于由自旋转移矩引起的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。但是由于写入的大电流直接通过绝缘层，会影响器件的稳定性以及使用寿命。
基于自旋轨道矩的自旋轨道矩-磁电阻随机存储器(SOT-MRAM)读写路径分离，器件的可靠性大大增强，且读写速更快，能耗更低。利用自旋轨道矩翻转磁自由层的磁化方向，需要外加磁场。尽管已经有一些方法可以实现无外场下翻转磁自由层的磁化方向，例如在自由层一侧插入反铁磁层，利用面内的耦合场来代替外磁场。但是这种方案会降低自由层的垂直各向异性，不利于实际应用。利用楔形结构等方案工业上很难实现大规模生产，难以制备。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出了一种存储单元，以至少部分解决以上所提出的技术问题。本发明的核心之一在于利用反铁磁绝缘层(反铁磁绝缘层采用反铁磁绝缘体材料形成)，实现对磁隧道结结构中自由层中DMI的调控，从而实现无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，所述无需外部磁场辅助的自旋轨道矩存储单元包括自旋轨道矩磁隧道结结构，该自旋轨道矩磁隧道结结构包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层、位于所述自由层上的隧道势垒层及位于所述隧道势垒层上的参考层、及位于所述参考层上的顶电极；其中，通过在所述重金属层中施加电流以产生自旋流。
在一些实施例中，所述存储单元还包括保护层，所述保护层位于所述自由层的侧面，用于保护所述自由层。
在一些实施例中，所述参考层和自由层具有垂直磁各向异性。
在一些实施例中，该自旋轨道矩磁隧道结结构的形状为正方形、长方形、圆形、或椭圆形中的一种。
在一些实施例中，所述反铁磁绝缘层和所述自由层之间存在交换偏置，所述反铁磁绝缘层与所述自由层之间的交换偏置有效场为垂直方向。
在一些实施例中，所述自由层与所述重金属层之间存在DMI，通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。
在一些实施例中，该自旋轨道矩磁隧道结的数据写入，通过在重金属层中通入正负不同方向的电流，实现对自由层磁化状态的调控，实现数据“0”和“1”的写入。
在一些实施例中，所述自旋轨道矩磁隧道结通过比较一定电压下流过磁隧道结的读取电流和参考电流从而进行数据读取。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的存储单元至少具有以下有益效果其中之一：
(1)采用本发明存储单元结构，所述存储单元包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层，由此所述自由层与所述重金属层之间存在DMI，通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，使得磁性层在无外磁场下，实现由自旋轨道矩诱导的磁矩定向翻转，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。
(2)所述参考层和自由层具有垂直磁各向异性，可以提高存储密度。
(3)所述反铁磁绝缘层与所述自由层之间的耦合场为垂直方向，会增强所述自由层的垂直磁各向异性，有利于提高存储器的可靠性。
附图说明
图1为本发明存储单元结构示意图；
图2为本发明存储单元制作方法流程图。
具体实施方式
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。
在一具体实施例中，本发明提供了一种无需外部磁场辅助的自旋轨道矩存储单元，该存储单元包括自旋轨道矩磁隧道结结构，该自旋轨道矩磁隧道结结构包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层、位于所述自由层上的隧道势垒层及位于所述隧道势垒层上的参考层、及位于所述参考层上的顶电极；其中，通过在所述重金属层中施加电流以产生自旋流。
通过在所述重金属层上施加电流可产生垂直于所述重金属层表面方向的自旋流，自旋流可以改变磁矩翻转态。
所述自由层与所述重金属层之间存在DMI(Dzyaloshinskii-Moriya相互作用)，通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，DMI可以改变磁矩翻转态，实现由自旋轨道矩诱导的磁矩定向翻转，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。
通过自旋流及DMI调控磁矩翻转，可对信息进行写入，实现了一种新型的逻辑存储单元。
其中，所述重金属层可以使用自旋轨道耦合很强的重金属材料，例如Pt，Ta或W等，通过在所述重金属层上施加电流可产生垂直于所述重金属层表面方向的自旋流。具体的，在所述重金属层中通入电流，由于很强的自旋轨道耦合作用产生自旋流，利用此自旋流可以实现磁矩的翻转。
所述自由层为磁性自由层，所述自由层为具有垂直磁各向异性的磁性金属、合金和磁性金属多层膜、磁性半导体等具有铁磁性的材料形成，具体可以为Co或Co40Fe40B20等。
所述参考层可包括磁性钉扎层及位于所述磁性钉扎层上的反铁磁层，用于使磁矩固定在一方向上。
进一步的，所述存储单元还可以包括保护层，所述保护层位于所述自由层的侧面，用于保护所述自由层。
优选的，所述参考层和自由层具有垂直磁各向异性，以提高存储密度。所述反铁磁绝缘层与所述自由层之间的耦合场为垂直方向，会增强所述自由层的垂直磁各向异性，有利于提高存储器的可靠性。
根据上述制备的存储单元结构，可进行相应的信息存储和读取。其中，利用上述存储单元结构进行相应的信息存储的具体原理在于：在重金属层中通入脉冲电流I，由于强自旋轨道耦合会产生自旋流和有效场，自旋流扩散到自由层中，在自旋轨道矩的作用下可以实现对自由层中磁矩的方向的调控。通过反铁磁绝缘层对DMI的调控，当通入正负脉冲电压后磁矩的翻转状态不同。利用上述存储单元结构进行相应的信息读取的具体原理在于：自由层与参考层磁矩方向的平行与反平行会影响整个器件的隧穿磁电阻，通过隧穿磁电阻的阻值(通过一定电压下的电流来确定电阻)来进行数据读取。
接下来，通过对上述存储单元的制备方法进行说明以更加全面、清楚地公开本发明，该制备方法包括：
步骤S1：在衬底上生长反铁磁绝缘层；
步骤S3：在所述反铁磁绝缘层上生长重金属层(所述重金属层同时作为底电极)；
步骤S4：在所述重金属层上生长自由层；
步骤S5：在所述自由层上生长隧道势垒层；
步骤S6：在所述隧道势垒层上生长参考层；
步骤S7：在所述参考层上生长顶电极。此外，在生长顶电极之前需要图案化处理各层。
所述存储单元的各层可通过本领域所知的方式沉积，例如溅射或蒸发工艺，其中，生长所述重金属层和所述自由层优先采用磁控溅射的方式制备。层堆叠体一旦完成沉积，随后即可图案化为具体圆化(如椭圆形或圆形)、矩形或更一般的多边形横截面的柱状特征。制造工艺可进一步包括一个或多个退火步骤，用来引起各磁性层的晶化。退火步骤可包括将各层置于至少250℃的温度下，但优选不超过400℃。
所述顶电极可通过Au层、Ru层、Ta层、Pt层、Ta、Ti、TaN、TiN或者两种或更多种所述材料的合金或层堆叠体形成。
所述反铁磁绝缘层为具有反铁磁性的绝缘材料，例如CoO，NiO等。
所述参考层可通过铁磁层以及反铁磁钉扎层形成，用于参考层的铁磁材料包括但不限于Fe、Co、FeB、CoB、CoFe、CoFeB，铁磁材料层上方的钉扎层的反铁磁材料包括但不限于：IrMn、PtMn。参考层也可以为具有两种或多种材料的多层结构。
所述隧道势垒层可包括电介质材料层，例如MgO、AlOX、MgAlOX、MgTiOX。
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，所应理解的是，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 (8)
1.一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，所述无需外部磁场辅助的自旋轨道矩存储单元包括自旋轨道矩磁隧道结结构，该自旋轨道矩磁隧道结结构包括反铁磁绝缘层、位于所述反铁磁绝缘层上的重金属层、位于所述重金属层上的自由层、位于所述自由层上的隧道势垒层及位于所述隧道势垒层上的参考层、及位于所述参考层上的顶电极；其中，通过在所述重金属层中施加电流以产生自旋流。
2.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括保护层，所述保护层位于所述自由层的侧面，用于保护所述自由层。
3.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，所述参考层和自由层具有垂直磁各向异性。
4.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，该自旋轨道矩磁隧道结结构的形状为正方形、长方形、圆形、或椭圆形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，所述反铁磁绝缘层和所述自由层之间存在交换偏置，所述反铁磁绝缘层与所述自由层之间的交换偏置有效场为垂直方向。
6.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，所述自由层与所述重金属层之间存在DMI，通过所述反铁磁绝缘层对所述自由层与所述重金属层之间的DMI进行调节，从而实现自由层的无外磁场辅助的磁矩翻转。
7.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，该自旋轨道矩磁隧道结的数据写入，通过在重金属层中通入正负不同方向的电流，实现对自由层磁化状态的调控，实现数据“0”和“1”的写入。
8.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道矩存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁隧道结通过比较一定电压下流过磁隧道结的读取电流和参考电流从而进行数据读取。
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