CN113097379B - 包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置及其制造方法。自旋转移矩纳米振荡器是一种利用自旋极化电流流过自由磁层时引起的磁矩进动来产生振荡信号的磁器件，其相对于传统的电子振荡器具有体积小、频率高等优点，但是单个自旋振荡器的输出功率较低。当使用自旋振荡器的阵列以提高输出功率时，阵列同步是一个难题。本发明利用共振增强单元将相邻的自旋振荡器彼此磁性耦合，使自由磁层的自旋进动彼此共振耦合到相同频率和相位，实现了阵列的同步输出，提高了输出功率。本发明具有结构简单，耦合强度大，耦合性能显著，易于制造等优点。
Description
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种包括磁性耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置及其制造方法。
背景技术
自旋转移矩纳米振荡器(Spin-transfer Torque Nano Oscillator，STTNO)，也简称为自旋振荡器，具有频率可调、纳米级尺寸、结构简单、对温度不敏感等优点，因此受到广泛关注，在航空航天、通信、测量、医学成像以及神经形态学计算等领域中均有应用前景。目前，单个自旋转移矩纳米振荡器的微波输出功率较低，并伴随着较高相位噪声，阻碍了其进一步发展。提高自旋振荡器性能的一种备选解决方案是将多个自旋转移矩纳米振荡器组合成一个阵列，共同输出微波，从而提高总功率。对于自旋转移矩纳米振荡器组成的阵列，面临着相位同步问题。针对该问题，目前业界已有多种尝试，例如设置锁相环电路。设置锁相环电路需要复杂的电路及设备以确保多个自旋转移矩纳米振荡器保持在同一相位，而且自旋转移矩纳米振荡器的振荡频率较高，能达到上百GHz甚至THz的水平，这对锁相环电路提出了更高的挑战。因此，设置锁相环电路这种方式不仅相位调制范围受限，还会提高装置复杂度。
发明内容
针对上述难以将多个自旋转移矩纳米振荡器锁定到同一频率的问题，本发明的实施例提供一种磁性耦合的自旋转移矩纳米振荡器阵列，其能够通过磁性耦合而使各个自旋转移矩纳米振荡器更有效地共振到同一频率。该装置结构简单，耦合强度大，耦合性能显著，且相比于锁相环电路更容易制造。
根据一实施例，提供一种振荡器装置，包括：底电极层；形成在所述底电极层上的自旋振荡器的阵列，所述自旋振荡器包括自由磁层、固定磁层、以及位于所述自由磁层和所述固定磁层之间的中间层；以及形成在每个自旋振荡器上的顶电极，其中，每个自旋振荡器的自由磁层通过共振增强单元与一个或多个相邻的自旋振荡器的自由磁层相连接，使得所述自旋振荡器的阵列磁性耦合到一起。
在一些示例中，所述共振增强单元包括连接相邻的自旋振荡器的自由磁层的磁性绝缘层。
在一些示例中，所述共振增强单元的磁性绝缘层直接接触底电极或通过非磁绝缘层与所述底电极层分隔开。
在一些示例中，各个自旋振荡器通过所述底电极层彼此电连接，各个自旋振荡器的顶电极彼此分隔开或者形成连续的顶电极层。
在一些示例中，当各个自旋振荡器的顶电极形成连续的顶电极层时，所述共振增强单元的磁性绝缘层通过非磁绝缘层与所述顶电极层分隔开。
在一些示例中，所述自旋振荡器的中间层包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料，所述自旋振荡器具有三棱柱、正方体、长方体、正五边形棱柱体、正六边形棱柱体、圆柱、椭圆柱、圆环柱或椭圆环柱形状。
根据一实施例，提供一种制造振荡器装置的方法，包括：在衬底上依次沉积底电极层、自旋振荡器层和顶电极层，所述自旋振荡器层包括自由磁层、固定磁层、以及位于所述自由磁层和所述固定磁层之间的中间层；在所述顶电极层上形成第一光掩模图案，并利用所述第一光掩模图案对所述顶电极层和所述自旋振荡器层进行第一刻蚀，以获得位于所述底电极层上的自旋振荡器的阵列；在所述底电极层和所述自旋振荡器的阵列上依次沉积非磁绝缘层和磁性绝缘层，使得各个自旋振荡器的自由磁层通过所述磁性绝缘层彼此连接；以及在所述磁性绝缘层上形成第二光掩模图案，并利用所述光掩模图案对所述磁性绝缘层和所述非磁绝缘层进行第二刻蚀，直到暴露所述顶电极层和部分所述底电极层。
在一些示例中，所述制造振荡器装置的方法还包括：在各个自旋振荡器之间形成非磁绝缘材料形成的保护层，所述保护层暴露各个自旋振荡器的顶电极；以及在所述保护层和各个自旋振荡器的顶电极上形成导电覆盖层，以使得各个自旋振荡器的顶电极彼此电连接。
本发明的实施例实现了许多有益的技术效果，例如：
1、微磁学模拟结果显示，在相同的激励电流条件下，本发明的含有共振增强单元自旋转移矩纳米振荡器阵列耦合距离能够达到50nm，远高于单纯退磁耦合的自旋转移矩纳米振荡器阵列。
2、在本发明中，连接相邻两个自旋转移矩的共振增强单元属于绝缘体，对于部分结构，如顶电极彼此分隔开情况下，每个自旋转移矩纳米振荡器都可以独立地读取电学信号，为相关的理论研究提供了方便。另外通过选择不同的磁性绝缘体，可以改变自旋转移矩纳米振荡器之间的耦合强度，例如在不同的共振距离下选择不同耦合强度，从而达到最好的共振效果。
3、在本发明中，由于磁性纳米振荡器之间存在自旋波，提升了能量传递效率，该特性使得自旋转移矩纳米振荡器阵列对于输入电流密度有了更好的鲁棒性，拓宽了自旋转移矩纳米振荡器的工作电流密度范围。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的两个相邻的自旋振荡器的结构示意图。
图2为根据本发明一实施例的包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置的整体结构示意图。
图3为根据本发明另一实施例的两个相邻的自旋振荡器的结构示意图。
图4为根据本发明另一实施例的两个相邻的自旋振荡器的结构示意图。
图5A至5D为根据本发明一实施例的制造振荡器装置的工艺示意图。
图6A至6B为根据本发明另一实施例的制造振荡器装置的工艺示意图。
图7为传统的无磁性绝缘体共振增强单元的振荡器装置与本发明的有磁性绝缘体共振增强单元的磁性耦合振荡器装置的工作区域微磁学模拟曲线图。
图8为传统的无磁性绝缘体共振增强单元的振荡器装置与本发明的有磁性绝缘体共振增强单元的磁性耦合振荡器装置的工作输出曲线图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的示例性实施例。应理解，附图不是按比例绘制的。
图1为根据本发明一实施例的两个相邻的自旋振荡器的结构示意图，示出了两个相邻的自旋振荡器通过共振增强单元磁性耦合在一起而形成了基本的耦合单元。图2示出了根据本发明一实施例的包括磁性耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置的整体结构示意图。
参照图1，根据本发明一实施例的振荡器装置包括形成在底电极层107上的自旋振荡器的阵列，其中底电极层107可以形成在衬底108上，底电极层可彼此连接，如图1中的a和b所示，也可彼此分离，如图1中的c所示，或者可以一部分例如一行或一列的自旋振荡器的底电极彼此连接(未示出)。可以理解，当自旋振荡器的底电极彼此分离时，各个底电极可以在衬底108上延伸以便于引出相应的用于施加电流的电极。每个自旋振荡器包括依次形成在底电极层107上的自由磁层104、中间磁层103和固定磁层102。在图1所示的实施例中，每个自旋振荡器还包括形成在固定磁层102上的彼此分隔开的顶电极101。虽然图1示出了长方形形状的自旋振荡器，但是可以理解，自旋振荡器可以具有各种形状，其示例包括但不限于三棱柱、正方体、长方体、正五边形棱柱体、正六边形棱柱体、圆柱、椭圆柱、圆环柱或椭圆环柱形状等。在图1的实施例中，各个自旋振荡器通过底电极层107彼此电连接，但是各个自旋振荡器的顶电极101可以彼此分离，以便于独立地读取各个自旋振荡器的电信号。
衬底108可以是半导体衬底或者绝缘衬底，半导体衬底的材料示例包括但不限于Si、Ge、Ga或者它们与B、C、N、P、In、Sb组成的半导体化合物等，绝缘衬底的材料示例包括但不限于玻璃、石英、蓝宝石、铝镁尖晶石、MgO等。
底电极层107和顶电极101每个可由具有良好导电性的非磁金属或合金材料形成，其示例包括但不限于Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、V、Cr、Nb、W、Ta、Pt、或者它们的合金。优选地，顶电极101由具有耐腐蚀性的导电金属材料形成。
自由磁层104和固定磁层102可由铁磁材料形成，其示例包括但不限于Co、Fe、Ni、以及它们的合金例如CoFe、NiFe、CoFeB等。如图1所示，固定磁层102可具有固定垂直磁矩，虽然未示出，但是在固定磁层102与顶电极101之间可形成反铁磁钉扎层以钉扎固定磁层102的磁矩，可用于形成反铁磁钉扎层的材料示例包括但不限于Fe2O3、NiO、CoxNi1-xO等氧化物及IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn等Mn系化合物。在一些实施例中，也可以不采用反铁磁钉扎结构，而是代替地采用自钉扎方案，例如固定磁层102由具有较高矫顽力的材料形成，并且形成为具有比自由磁层104更大的厚度，或者可以由人工反铁磁(SAF)结构形成等。自由磁层104可具有面内磁矩，并且在自旋极化电流流经自由磁层104时，对自由磁层104施加的自旋转移矩使得自由磁层104的磁矩向垂直方向偏转，并且产生进动，从而输出微波信号。在一些实施例中，固定磁层102也可以具有面内磁矩，而自由磁层104可以具有垂直磁矩。虽然图1未示出，在底电极层107与自由磁层104之间还可以形成有缓冲层。
中间层103可由非磁导电材料形成以构成自旋阀振荡器(Spin-ValveOscillator，SVO)，或者由非磁绝缘材料形成以构成磁性隧道结振荡器(Magnetic TunnelJunction Oscillator，MTJO)。非磁导电材料的示例包括但不限于Ti、V、Zn、Cu、Ag、Au、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Hf、Cd、Zr、Sc中的一种或多种，非磁绝缘材料的示例包括但不限于MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、TiO2、HfO2、TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、CuO中的一种或多种。应理解的是，自旋阀和磁性隧道结的各种结构、材料等是本领域已知的，本发明不限于上面描述的实施例，而是涵盖其各种变型。
继续参照图1，相邻自旋振荡器的自由磁层104之间通过共振增强单元相互连接，共振增强单元包括连接相邻自由磁层104的磁性绝缘层105，其可直接与底电极层107接触，如图1中的a所示，也可通过非磁绝缘层106与底电极层107分隔开，如图1中的b和c所示。利用磁性绝缘层105，可以将相邻自由磁层104磁性耦合在一起。当自旋极化电流流过自由磁层104并且在其中产生磁矩进动时，其向磁性绝缘层105中注入自旋流，该自旋流进而可以影响相邻自由磁层104的磁矩进动频率，从而使二者倾向于稳定在共振频率，实现了锁相的效果。此外，由于磁性绝缘层105是绝缘的，因此在自旋振荡器之间不会产生电流干扰，可以独立地读取每个自旋振荡器的电学信号。
在一些实施例中，用于形成磁性绝缘层105的材料示例包括但不限于Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Bi、Ba、Sr、Pb、Mn、Y等金属材料及Nd、Sm等稀土材料的氧化物中的一种或多种，这些氧化物的示例包括Y3Fe5O12、Fe3O4、Co3O4、BiFeO3、BaFe12O19、SrFe12O19、PbFe12O19、MnO·ZnO·Fe2O3、NiO·ZnO·Fe2O3、BaO·Fe2O3。在一些实施例中，用于形成非磁绝缘体层106的材料示例包括但不限于MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、TiO2、HfO2、TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、SiO2、Si3N4、BN、AlN中的一种或多种。
当电流(量级约为1×107A/cm2)由顶电极101通入每个自旋振荡器，由底电极107流出时，电子流动方向与电流方向相反，为从底电极107流向顶电极101。在运行时，由于自旋振荡器的自由磁层104中的磁矩方向发生进动变化，与其相接触的共振增强单元的磁性绝缘层105中会激发自旋波，自旋波可在相邻自旋振荡器之间传递能量，由于当自旋振荡器之间发生共振时，系统总能量最低，因此多个自旋振荡器经过一段时间(约1ns左右)的演化，最后会稳定工作在耦合态。
具体而言，参见图1，当没有电流时，自由磁层的磁化方向保持在薄膜面内方向；当自旋极化电流通入后，会引入一个面外分量，使得自由磁层的磁化方向与薄膜平面之间存在一个小的角度。随后，在电流作用下磁化方向在面内发生进动。携带自由磁层磁化信息的电子流随后进入固定磁层，由于巨磁阻效应或隧穿磁阻效应，自由磁层与固定磁层的磁化方向平行时，自旋振荡器等效电阻较小；自由磁层与固定磁层的磁化方向反平行时，自旋振荡器等效电阻较大。若通入的电流是恒定直流电流，那么自旋振荡器上的电压降将会随着自由磁层与固定磁层的相对磁化状态发生变化，由于自由磁层的磁矩绕面内方向进动，该电压降会呈现出振荡信息。
上面通过相邻两个自旋振荡器的磁性耦合结构说明了本发明的原理。图2示出包括自旋振荡器的阵列的振荡器装置，其中每个自旋振荡器的自由磁层通过共振增强单元与至少一个相邻自旋振荡器的自由磁层相连接，使得整个阵列都磁性耦合到一起。参照图2，其示出了全连接结构，即自旋振荡器与每个相邻的自旋振荡器都磁性耦合连接。
在图1-2所示的实施例中，各个自旋振荡器的顶电极彼此分隔开，以便于独立地读取各个自旋振荡器的电信号。在另一些实施例中，各个自旋振荡器的顶电极也可以彼此连接以形成连续的顶电极层，这有助于获得大功率的微波信号，图3示出了这样的实施例。参照图3，各个自旋振荡器之间可以形成有保护层109，其可以由非磁绝缘材料形成，并且保护层109暴露各个自旋振荡器的顶电极101。在保护层109和顶电极101上可以形成导电覆盖层110，其可用作连续的顶电极层。图3所示的实施例的其他方面与之前描述的实施例相似，这里不再重复描述。
还应理解的是，虽然图1-3中示出了自由磁层104位于固定磁层102下方的实施例，但是自由磁层104也可以位于固定磁层102的上方，图4示出了这样的实施例。参照图4，在各个自旋振荡器中自由磁层104位于固定磁层102上方，此时非磁绝缘层106可具有较大的厚度，使得其上的共振增强单元的磁性绝缘层105可以与自由磁层104对准并且连接相邻的自由磁层104。图4所示的实施例的其他方面与之前描述的实施例相似，这里不再重复描述。
下面参照图5A-5D来描述根据本发明一实施例的制造包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置的方法。在下面描述的方法中，为了制备出在晶圆衬底上的垂直延伸的自旋振荡器和连接不同自旋振荡器的共振增强单元结构，可以利用原子层沉积、磁控溅射沉积或者化学气相沉积等工艺，此外可以采用光刻、电子束刻蚀、离子束刻蚀等工艺来进行刻蚀以得到期望的图案。这些工艺各自的特点是相关领域已知的，因此可以根据其特点在下面描述的步骤中选择性使用。
参照图5A，首先在晶圆衬底108上依次沉积Cu底电极层107、CoFeB自由磁层104、Cu中间层103(用于自旋阀振荡器)或者MgO中间层103(用于磁性隧道结振荡器)、CoFeB固定磁层102、Cu顶电极层101。优选的，在CoFeB固定磁层102和Cu顶电极层101之间还可以沉积IrMn反铁磁钉扎层(未示出)以钉扎CoFeB固定磁层102的磁矩。
参照图5B，在顶电极层101上形成第一光掩模图案111，并利用其作为保护图案来进行刻蚀，直到暴露底电极层107，从而获得多个自旋振荡器的阵列。然后，可以用溶剂去除第一光掩模图案111。
参照图5C，可以在所得结构上依次沉积MgO非磁绝缘层106和YIG磁性绝缘层105。此时，应注意选择MgO非磁绝缘层106和YIG磁性绝缘层105的厚度，使得YIG磁性绝缘层105与自由磁层104对准并且连接相邻的自由磁层104。可以理解的是，在图5C的步骤中，采用定向沉积工艺，从而可以避免非磁绝缘层106和磁性绝缘层105沉积在自旋振荡器的侧壁上。
参照图5D，在所得结构上形成第二光掩模图案112，以保护磁性绝缘层105的期望保留的部分，即磁性耦合相邻自由磁层104的部分。然后，利用第二光掩模图案112作为保护图案来进行刻蚀，去除未被保护的磁性绝缘层105和非磁绝缘层106，直到暴露底电极层107和顶电极101。然后，可以用溶剂去除第二光掩模图案112，从而得到图1所示的振荡器装置。
图6A和6B示出根据本发明另一实施例的制造包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置的方法。该方法包括图5A-5D所示的步骤，从而得到图5D所示的去除了第二光掩模图案112的结构。接下来，该方法还包括图6A和6B所示的步骤。
参照图6A，在所得结构上沉积非磁绝缘材料形成的保护层109，例如SiO2层或MgO层，可以采用共形沉积工艺来沉积保护层109，使其填充自旋振荡器之间的间隙并且覆盖整个自旋振荡器的阵列。然后，可进行研磨工艺，获得暴露各个分离的顶电极101的平坦表面。
参照图6B，在所得平坦表面上沉积导电覆盖层110，例如Cu层或Ta层，以使得各个顶电极101彼此电连接。可以理解，导电覆盖层101可以用作整个自旋振荡器阵列的顶电极层。利用顶电极层110和底电极层107，可以对整个自旋振荡器阵列进行信号读取，以获得所需的输出功率。
图7展示了微磁学模拟的一对由磁性绝缘层加强的磁性耦合自旋振荡器的工作区域曲线图，并与没有磁性绝缘层共振加强单元的情况进行对比。横轴是距离(纳米)，(a)和(b)的纵轴是两个自旋振荡器之间的相位差，(c)和(d)的纵轴是两个自旋振荡器相位差稳定时波动的极值差。(a)和(c)图展示的是有磁性绝缘层共振加强单元时的情况，(b)和(d)展示的是没有磁性绝缘层共振加强单元时的情况，其中白色背景区域为共振区域，灰色背景区域为非共振区域。从图7的模拟结果可以看出，磁性绝缘层共振加强单元有着显著的磁性耦合和频率锁定效果。
图8展示了微磁学模拟得到的磁性绝缘层加强的磁性耦合自旋振荡器的工作输出曲线图，并与没有磁性绝缘层共振加强单元时的情况进行了对比，其中横轴为时间(纳秒)，纵轴为自由磁层的正方向分量。两条曲线Mag X1和Mag X2分别表示两个自旋振荡器的输出曲线，这两条曲线的靠近表示了共振的发生。其中，(b)图中为有磁性绝缘层共振加强单元的情况，其共振速度显著快于(a)图的没有磁性绝缘层共振加强单元的情况。从图8的模拟结果可以看出，磁性绝缘层共振加强单元能够使自旋振荡器阵列更快地进入稳定工作状态。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明的保护范围并不局限于上面描述的实施例。对本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。
Claims (8)
1.一种振荡器装置，包括：
底电极层；
形成在所述底电极层上的自旋振荡器的阵列，所述自旋振荡器包括自由磁层、固定磁层、以及位于所述自由磁层和所述固定磁层之间的中间层；以及
形成在每个自旋振荡器上的顶电极，
其中，每个自旋振荡器的自由磁层通过共振增强单元与一个或多个相邻的自旋振荡器的自由磁层相连接，使得所述自旋振荡器的阵列磁性耦合到一起，其中，所述共振增强单元包括连接相邻的自旋振荡器的自由磁层的磁性绝缘层，所述共振增强单元的磁性绝缘层直接接触所述底电极层或通过非磁绝缘层与所述底电极层分隔开。
2.如权利要求1所述的振荡器装置，其中，所述共振增强单元的磁性绝缘层包括Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Bi、Ba、Sr、Pb、Mn、Y金属材料及Nd、Sm稀土材料的氧化物中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的振荡器装置，其中，所述非磁绝缘层包括MgO、Al2O3、Al2MgO4、ZnO、ZnMgO2、TiO2、HfO2、TaO2、Cd2O3、ZrO2、Ga2O3、Sc2O3、V2O5、Fe2O3、Co2O3、NiO、SiO2、Si3N4、BN、AlN中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的振荡器装置，其中，各个自旋振荡器通过所述底电极层彼此电连接，且各个自旋振荡器的顶电极彼此分隔开或者形成连续的顶电极层。
5.如权利要求4所述的振荡器装置，其中，当各个自旋振荡器的顶电极形成连续的顶电极层时，所述共振增强单元的磁性绝缘层通过非磁绝缘层与所述顶电极层分隔开。
6.如权利要求1所述的振荡器装置，其中，所述自旋振荡器的中间层包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料，所述自旋振荡器具有三棱柱、正方体、长方体、正五边形棱柱体、正六边形棱柱体、圆柱、椭圆柱、圆环柱或椭圆环柱形状。
7.一种制造振荡器装置的方法，包括：
在衬底上依次沉积底电极层、自旋振荡器层和顶电极层，所述自旋振荡器层包括自由磁层、固定磁层、以及位于所述自由磁层和所述固定磁层之间的中间层；
在所述顶电极层上形成第一光掩模图案，并利用所述第一光掩模图案对所述顶电极层和所述自旋振荡器层进行第一刻蚀，以获得位于所述底电极层上的自旋振荡器的阵列；
在所述底电极层和所述自旋振荡器的阵列上依次沉积非磁绝缘层和磁性绝缘层，使得各个自旋振荡器的自由磁层通过所述磁性绝缘层彼此连接；以及
在所述磁性绝缘层上形成第二光掩模图案，并利用所述光掩模图案对所述磁性绝缘层和所述非磁绝缘层进行第二刻蚀，直到暴露所述顶电极层和部分所述底电极层。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
在所得结构上沉积非磁绝缘材料形成的保护层；
对所述保护层进行研磨，以暴露各个自旋振荡器的顶电极；以及
在所述保护层和各个自旋振荡器的顶电极上沉积导电覆盖层，以使得各个自旋振荡器的顶电极彼此电连接。
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