CN113299822A - 一种磁存储器及其制备方法 - Google Patents

一种磁存储器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113299822A
CN113299822A CN202110406826.8A CN202110406826A CN113299822A CN 113299822 A CN113299822 A CN 113299822A CN 202110406826 A CN202110406826 A CN 202110406826A CN 113299822 A CN113299822 A CN 113299822A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
spin
insertion layer
orbit coupling
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110406826.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113299822B (zh
Inventor
彭文林
刘峻
杨海波
付志成
刘广宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yangtze River Advanced Storage Industry Innovation Center Co Ltd
Original Assignee
Yangtze River Advanced Storage Industry Innovation Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yangtze River Advanced Storage Industry Innovation Center Co Ltd filed Critical Yangtze River Advanced Storage Industry Innovation Center Co Ltd
Priority to CN202110406826.8A priority Critical patent/CN113299822B/zh
Publication of CN113299822A publication Critical patent/CN113299822A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113299822B publication Critical patent/CN113299822B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

本发明实施例公开了一种磁存储器，包括：依次堆叠的自旋轨道耦合层、插入层和磁隧道结；所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；所述磁隧道结包括自由铁磁层；且所述自由铁磁层与所述插入层相邻；其中，所述插入层具有面内磁各向异性且所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。所述插入层在所述磁存储器中起到了自旋流开关的作用，可以有效地降低非写入状态下漏电流对磁隧道结的影响，保护已存储的信息，提高器件的稳定性。另外，采用具有面内磁各向异性的材料作为插入层，可以实现无外加辅助场下自由铁磁层的磁化翻转，有助于器件的微型化和功耗的降低。

Description

一种磁存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及存储器技术领域，尤其涉及一种磁存储器及其制备方法。
背景技术
磁存储器(Magnetoresistance Random Access Memory，MRAM)，是根据磁电阻效应得到的一种新颖的非挥发性固态磁存储器，是目前最具商业前景的自旋电子产品之一。随着自旋隧道结(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)的穿隧磁电阻技术日渐成熟，研究人员对于MRAM的期待越来越大。
然而，现有的MRAM在信息存储的稳定性上还有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种磁存储器及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种磁存储器，包括：依次堆叠的自旋轨道耦合层、插入层和磁隧道结；
所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；所述磁隧道结包括自由铁磁层；且所述自由铁磁层与所述插入层相邻；
其中，所述插入层具有面内磁各向异性且所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
上述方案中，所述插入层的厚度小于所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度。
上述方案中，所述插入层的厚度在0.5nm至2.5nm之间。
上述方案中，所述插入层包括NiFe。
上述方案中，所述磁存储器还包括辅助场，所述辅助场用于改变所述插入层的磁矩方向，以使所述插入层的磁化的方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致相同或相反。
上述方案中，所述辅助场包括磁场或电场。
上述方案中，所述自旋轨道耦合层包括重金属、金属氧化物、二维半金属材料和反铁磁材料中的至少一种材料；和/或，所述磁隧道层还包括势垒层和固定铁磁层，且所述自由铁磁层、所述势垒层和所述固定铁磁层依次堆叠。
本发明实施例提供了一种磁存储器的制备方法，所述方法包括：形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；
在所述自旋轨道耦合层上形成具有面内磁各向异性的插入层，且控制所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行；在所述插入层上形成磁隧道结，所述磁隧道结中的自由铁磁层与所述插入层相邻设置。
上述方案中，所述在所述自旋轨道耦合层上形成具有面内磁各向异性的插入层的过程中还包括如下步骤：设置诱导场，所述诱导场控制所述插入层的所述易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
上述方案中，所述在所述自旋轨道耦合层上形成插入层，包括：
根据所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度来确定所述插入层的厚度，且使所述插入层的厚度小于所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度。
上述方案中，所述插入层包括NiFe。
上述方案中，所述方法包括：在所述插入层的周围设置辅助场，所述辅助场用于改变所述插入层的磁矩的方向，以使所述插入层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致相同或相反。
上述方案中，所述辅助场包括磁场或电场。
本发明实施例提供的磁存储器及其制备方法，其中，所述磁存储器包括：包括：依次堆叠的自旋轨道耦合层、插入层和磁隧道结；所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；所述磁隧道结包括自由铁磁层；且所述自由铁磁层与所述插入层相邻；其中，所述插入层具有面内磁各向异性且所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。所述插入层在所述磁存储器中起到了自旋流开关的作用，可以有效地降低非写入状态下漏电流对磁隧道结的影响，保护已存储的信息，提高器件的稳定性。另外，采用具有面内磁各向异性的材料作为插入层，可以实现无外加辅助场下的自由铁磁层的磁化翻转，有助于器件的微型化和功耗的降低。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为相关技术中提供基于SOT的MRAM的示意图；
图2为本发明实施例提供的磁存储器的示意图；
图3a和图3b为本发明实施例提供的插入层作为自旋流开关的示意图；
图4为本发明实施例提供的磁存储器的制备方法的流程框图；
图5a-图5c为本发明实施例提供的磁存储器的在制备过程中的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
目前，主流的MRAM是基于自旋转移力矩(STT)效应设计的STT-MRAM；但是由于其读写路径是统一的，因此经常会导致大的写入电流下器件隧穿氧化层的失效。随着自旋轨道力矩(SOT)的发现，研究人员惊奇地发现基于SOT的MRAM可以把两端器件变成了三端器件，从而把读和写的路径很好地区分开，因此解决了STT-MRAM所存在的问题，大大地提高了器件的使用寿命。
基于SOT的MRAM利用重金属材料的强自旋轨道耦合作用(SOC)，使得电荷流诱导产生自旋极化电流，所述自旋极化电流会产生自旋转移力矩作用在磁性层的磁矩上，进而操控磁性单元的磁矩翻转。基于SOT的MRAM采用三端式隧道结(MTJ)结构，将器件读和写的路径分离开，不仅保护了MTJ隧穿层，延长了器件的使用寿命，而且相比于STT-MRAM具有更快的读写速度以及更低的能耗。因此，基于SOT的MRAM也成为了目前主流半导体存储器的潜在替代者。
图1为相关技术中提供基于SOT的MRAM的示意图，如图所示，所述MRAM包括自旋轨道耦合层11，以及形成在所述自旋轨道耦合层11上方的磁隧道结12；所述磁隧道结12包括自由铁磁层121，隧道层122和固定铁磁层123。
所述基于SOT的MRAM在写入状态时，通过字线WL1开启晶体管Q1，使写入电流流经自旋轨道耦合层11，所述自旋轨道耦合层11由于自旋霍尔效应以及界面Rashba效应，会产生垂直于电流方向的自旋极化电流。构成所述自旋极化电流的电子通过其自旋角动量与自由铁磁层121的磁矩相互作用，诱导所述自由铁磁层121的磁矩发生翻转，实现信息的写入。
所述基于SOT的MRAM在读取状态时，通过字线WL2开启晶体管Q2，使读取电流流经磁隧道结，通过读取所述磁隧道结的隧穿电阻，实现信息的读取。
然而，基于SOT的磁存储器在诱导所述自由铁磁层实现磁化反转时首先需要打破体系的空间反演对称性，才能实现明确的磁化翻转行为。在现有技术中，打破体系的空间反演对称性的常用方法是在体系中植入一些外加辅助场，所述外加辅助场例如是面内奥斯特磁场或者是一些反铁磁的交换偏置场，这些外加辅助场会增加功耗，影响操作速度。
此外，所述MRAM在非写入状态下，也一直会有漏电流流经所述自旋轨道耦合层11，所述流经所述自旋轨道耦合层11的漏电流会产生自旋极化电流，所述自旋极化电流不断作用在所述自由铁磁层121的磁矩上，会影响信息存储的稳定性。
基于上述问题，提出了本发明实施例的以下技术方案。
本发明实施例提供了一种磁存储器，所述磁存储器包括：依次堆叠的自旋轨道耦合层、插入层和磁隧道结；所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；所述磁隧道结包括自由铁磁层；且所述自由铁磁层与所述插入层相邻；
其中，所述插入层具有面内磁各向异性且所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
采用具有面内磁各向异性的材料作为插入层，其磁矩会与垂直磁各向异性的自由铁磁层的磁矩相互耦合，使所述自由铁磁层的磁矩方向偏离薄膜的法线方向，进而打破体系的空间反演对称性，增强了界面Rashba自旋轨道耦合场的作用，实现了无外加辅助场下的磁化翻转，有助于器件的微型化和功耗的降低。
此外，所述插入层在所述磁存储器中还起到了自旋流开关的作用。由于该插入层的易磁化轴和所述自旋轨道耦合层的与所述插入层相邻的界面处的自旋极化载流子的极化方向大致平行，则当使插入层的磁矩方向和所述自旋轨道耦合层的与所述插入层相邻的界面处的自旋极化载流子的极化方向大致相同时，所述插入层对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用几乎可以忽略不计，所述自旋极化载流子可以透过插入层到达所述自由铁磁层中；此时，所述插入层处在“on”的状态。
或者，当使该插入层的磁矩方向和所述自旋轨道耦合层的与所述插入层相邻的界面处的自旋极化载流子的极化方向大致相反时，所述插入层对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用很强，大部分的自旋极化载流子会被所述插入层反射回所述自旋轨道耦合层中；此时，所述插入层处在“off”的状态。
所述插入层的存在可以有效地降低非写入状态下漏电流对磁隧道结的影响，保护存储的信息，提高器件的稳定性。
需要说明的是，使插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向完全平行是本发明实施例追求的理想状态。但在实际工艺中，由于各种因素的影响，所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向之间可能会存在微小的角度，从而采用“大致平行”来描述所述易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向之间的关系。
图2为本发明实施例提供的磁存储器的示意图，如图所示，所述MRAM包括自旋轨道耦合层21，所述自旋轨道耦合层21用于产生自旋极化载流子；磁隧道结22，用于存储数据，所述磁隧道结包括自由铁磁层221；插入层23，位于所述自旋轨道耦合层21和所述自由铁磁层221之间，所述插入层23具有面内磁各向异性且所述插入层23的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层21的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
在一些实施例中，所述自旋轨道耦合层可以是重金属，所述重金属包括不限于铂(Pt)、钨(W)、铪(Hf)、金(Au)、铑(Rh)、钯(Pd)或其任何组合。
在其他的一些实施例中，所述自旋轨道耦合层还可以是掺杂重金属、重金属合金、金属氧化物、二维半金属材料、反铁磁材料或其任何组合。
所述磁隧道结22还包括位于所述自由铁磁层221上的势垒层222，及位于所述势垒层222上的固定铁磁层223。
所述自由铁磁层和所述固定铁磁层的材料包括但不限于钴铁硼(CoFeB)、钴(Co)或镍铁(NiFe)或其任何组合。
所述势垒层的材料包括但不限于氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)或其组合。
所述自由铁磁层的磁化方向垂直于所述自由铁磁层的所处平面，所述自旋轨道耦合层产生的自旋极化电流会诱导所述自由铁磁层的磁化方向实现翻转。
所述插入层的材料包括但不限于镍铁(NiFe)。可以理解的是，其他任何可以作为自旋流开关的材料都可以作为插入层而应用至本发明的实施例中。
在一实施例中，所述插入层的厚度小于所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度。换言之，所述插入层的厚度与所述自旋轨道耦合层选取的材料是相关的。在一具体的实施例中，所述自旋轨道耦合层的材料为铂(Pt)，则所述插入层的厚度应小于铂(Pt)的自旋扩散长度。
值得注意的是，所述插入层的厚度也不宜过薄，过薄的插入层的沉积均匀度很难保证，会影响磁存储器的性能。
在一些实施例中，所述插入层的厚度在0.5nm至2.5nm之间。在一具体的实施例中，所述插入层的厚度为2nm。
在一实施例中，所述磁存储器还包括辅助场(未图示)，所述辅助场用于改变所述插入层的磁矩的方向，以使所述插入层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致相同或相反。
在一实施例中，所述在所述插入层的周围设置辅助场，包括：沿所述插入层的所述易磁化轴所在的方向设置所述辅助场。
所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行，即所述插入层最容易被磁化的方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行；沿所述易磁化轴所在的方向设置所述辅助场，所述插入层会被最大程度的磁化。
所述辅助场可以控制所述插入层的磁矩方向，换言之，所述辅助场可以控制所述插入层的“on”或“off”。例如，通过所述辅助场使所述插入层的磁矩方向与自旋轨道耦合层处于界面处的自旋极化载流子的极化方向相反；此时，所述插入层对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用很强，大部分的自旋极化载流子会被所述插入层反射回所述自旋轨道耦合层中。所述插入层处于“off”的状态，可以降低漏电流对磁隧道结的影响。
或者，通过所述辅助场使所述插入层的磁矩方向与自旋轨道耦合层处于界面处的自旋极化载流子的极化方向相同；此时，所述插入层对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用几乎可以忽略不计，所述自旋极化载流子可以透过插入层到达所述自由铁磁层中。此时，所述插入层处于“on”的状态，可以实现信息的写入。
在一具体的实施例中，所述辅助场包括磁场或电场。当然，所述辅助场也可以是能够使插入层的磁矩方向与自旋轨道耦合层处于界面处的自旋极化载流子的极化方向相同或相反的其他任何场。
图3a和图3b为本发明实施例提供的插入层作为自旋流开关的示意图。在图3a中，通过上述辅助场使所述插入层23的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层21的与所述插入层23相邻的界面处的自旋极化载流子的极化方向相同，此时，所述插入层23对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用几乎可以忽略不计，自旋极化电流可以穿过所述插入层34到达磁隧道结22中。此时，所述插入层处在“on”的状态。
在图3b中，通过上述辅助场使所述插入层23的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层21的与所述插入层23相邻的界面处的自旋极化载流子的极化方向相反，此时，所述插入层23对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用很强，大部分的自旋极化载流子会被插入层23反射回所述自旋轨道耦合层21中，自旋极化电流无法穿过所述插入层34到达磁隧道结22，无法对所述磁隧道结22的磁矩进行操作。此时，所述插入层处在“off”的状态。
可以看出，所述插入层可以作为自旋流开关设置在所述自旋轨道耦合层和所述磁隧道结之间。在实际操作时，当所述磁存储器在写入状态下时，使所述插入层处于“on”的状态；当所述磁存储器在非写入状态下时，使所述插入层处于“off”的状态。如此，可以有效地降低漏电流对所述磁隧道结的影响，提高磁存储器的信息存储稳定性。
继续参见图2，所述磁存储器包括晶体管Q1，所述晶体管Q1的栅极与字线WL1电连接。所述磁存储器在写入状态时，通过字线WL1开启所述晶体管Q1，使写入电流流经自旋轨道耦合层21，所述自旋轨道耦合层21在与所述插入层23的界面处产生自旋极化载流子，所述自旋极化载流子会穿过所述插入层23进入自由铁磁层221，所述自由铁磁层221的磁矩在所述自旋极化载流子的作用下翻转，实现信息的写入。
所述磁存储器还包括晶体管Q2，所述晶体管Q2的栅极与字线WL2电连接。所述磁存储器在读取状态时，通过字线WL2开启所述晶体管Q2，使读取流经磁隧道结22，通过读取所述磁隧道结22的隧穿电阻，实现信息的读取。
本发明实施例还提供了一种磁存储器的制备方法，参见图4，所述方法包括如下步骤：
步骤401、形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；
步骤402、在所述自旋轨道耦合层上形成插入层，所述插入层具有面内磁各向异性且所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行；
步骤403、在所述插入层上形成磁隧道结，所述磁隧道结中的自由铁磁层与所述插入层相邻设置。
下面，结合图5a-5c对本发明实施例提供的磁存储器的制备方法再作进一步详细的说明。
首先，如图5a所示，执行步骤401，形成自旋轨道耦合层21，所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子。
在一实施例中，使用一种或多种薄膜沉积工艺沉积自旋轨道耦合层，所述薄膜沉积工艺包括但不限于物理气相沉积(PVD)、磁控溅射或其组合。
在一些实施例中，所述自旋轨道耦合层可以是重金属，所述重金属包括不限于铂(Pt)、钨(W)、铪(Hf)、金(Au)、铑(Rh)、钯(Pd)或其任何组合。
在其他的一些实施例中，所述自旋轨道耦合层还可以是掺杂重金属、重金属合金、金属氧化物、双重金属层、二维半金属材料、反铁磁材料或其任何组合。
接着执行步骤402，如图5b所示，在所述自旋轨道耦合层21上形成插入层23，所述插入层23的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层21的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
在一实施例中，所述在所述自旋轨道耦合层上形成具有面内磁各向异性的插入层的过程中还包括如下步骤：设置诱导场，所述诱导场控制所述插入层的所述易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。换言之，在插入层的形成过程中，设置诱导场，所述诱导场作用于所述插入层，使插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
在一实施例中，所述诱导场包括磁场。
所述诱导场设置在制备所述插入层的装置内部，或者是设置在制备所述插入层的装置的外部。例如，采用磁控溅射法沉积所述插入层时，在所述磁控溅射设备内，或在所述磁控溅射设备外设置所述诱导场。
所述插入层的形成方法包括但不限于物理气相沉积(PVD)、磁控溅射法或其组合。
所述插入层的材料包括但不限于镍铁(NiFe)。可以理解的是，其他任何具有面内磁各向异性且可以作为自旋流开关的材料都可以作为插入层而应用至本发明的实施例中。
在一实施例中，所述在所述自旋轨道耦合层上形成插入层，包括：
根据所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度来确定所述插入层的厚度；
其中，所述插入层的厚度小于所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度。换言之，所述插入层的厚度与所述自旋轨道耦合层选取的材料是相关的。在一具体的实施例中，所述自旋轨道耦合层的材料为铂(Pt)，则所述插入层的厚度应小于铂(Pt)的自旋扩散长度。
值得注意的是，所述插入层的厚度也不宜过薄，过薄的插入层的沉积均匀度很难保证，会影响磁存储器的性能。
在一些实施例中，所述插入层的厚度在0.5nm至2.5nm之间。在一具体的实施例中，所述插入层的厚度为2nm。
接下来，执行步骤403，如图5c所示，在所述插入层23上形成用于存储数据的磁隧道结22，所述磁隧道结22包括自由铁磁层221，所述自由铁磁层221与所述插入层23相邻设置。
在一实施例中，使用一种或多种薄膜沉积工艺沉积磁隧道结22，所述沉积工艺包括但不限于磁控溅射、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或其任何组合。
在一实施例中，所述磁隧道结22还包括位于所述自由铁磁层221上的势垒层222，及位于所述势垒层222上的固定铁磁层223。
所述自由铁磁层和所述固定铁磁层的材料包括但不限于钴铁硼(CoFeB)、钴(Co)或镍铁(NiFe)或其任何组合。
所述势垒层的材料包括但不限于氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)或其组合。
所述自由铁磁层的磁化方向垂直于所述自由铁磁层的所处平面，所述自旋轨道耦合层产生的自旋极化电流会诱导所述自由铁磁层的磁化方向实现翻转。
在一实施例中，所述方法还包括：在所述插入层的周围设置辅助场，所述辅助场用于改变所述插入层的磁矩的方向，以使所述插入层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致相同或相反。
在一实施例中，所述在所述插入层的周围设置辅助场，包括：沿所述插入层的所述易磁化轴所在的方向设置所述辅助场。
所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行，即所述插入层最容易被磁化的方向与所述旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行；沿所述易磁化轴所在的方向设置所述辅助场，所述插入层会被最大程度的磁化。所述辅助场可以控制所述插入层的磁矩方向，换言之，所述辅助场可以控制所述插入层的“on”或“off”。例如，通过所述辅助场使所述插入层的磁矩方向与自旋轨道耦合层处于界面处的自旋极化载流子的极化方向相反；此时，所述插入层对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用很强，大部分的自旋极化载流子会被所述插入层反射回所述自旋轨道耦合层中。所述插入层处于“off”的状态，可以降低漏电流对磁隧道结的影响。
或者，通过所述辅助场使所述插入层的磁矩方向与自旋轨道耦合层处于界面处的自旋极化载流子的极化方向相同；此时，所述插入层对所述界面处的自旋极化载流子的散射作用几乎可以忽略不计，所述自旋极化载流子可以透过插入层到达所述自由铁磁层中。此时，所述插入层处于“on”的状态，可以实现信息的写入。
在一具体的实施例中，所述辅助场包括磁场或电场。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种磁存储器，其特征在于，包括：依次堆叠的自旋轨道耦合层、插入层和磁隧道结；
所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；
所述磁隧道结包括自由铁磁层；且所述自由铁磁层与所述插入层相邻；
其中，所述插入层具有面内磁各向异性，且所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
2.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述插入层的厚度小于所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度。
3.根据权利要求2所述的磁存储器，其特征在于，所述插入层的厚度在0.5nm至2.5nm之间。
4.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述插入层包括NiFe。
5.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述磁存储器还包括辅助场，所述辅助场用于改变所述插入层的磁矩方向，以使所述插入层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致相同或相反。
6.根据权利要求5所述的磁存储器，其特征在于，所述辅助场包括磁场或电场。
7.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述自旋轨道耦合层包括重金属、金属氧化物、二维半金属材料和反铁磁材料中的一种或多种材料；和/或，所述磁隧道层还包括势垒层和固定铁磁层，且所述自由铁磁层、所述势垒层和所述固定铁磁层依次堆叠。
8.一种磁存储器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层用于产生自旋极化载流子；
在所述自旋轨道耦合层上形成具有面内磁各向异性的插入层，且控制所述插入层的易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行；
在所述插入层上形成磁隧道结，所述磁隧道结中的自由铁磁层与所述插入层相邻设置。
9.根据权利要求8所述的磁存储器的制备方法，其特征在于，所述在所述自旋轨道耦合层上形成具有面内磁各向异性的插入层的过程中还包括如下步骤：设置诱导场，所述诱导场控制所述插入层的所述易磁化轴与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致平行。
10.根据权利要求8所述的磁存储器的制备方法，其特征在于，所述在所述自旋轨道耦合层上形成插入层，包括：
根据所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度来确定所述插入层的厚度，且使所述插入层的厚度小于所述自旋轨道耦合层的自旋扩散长度。
11.根据权利要求8所述的磁存储器的制备方法，其特征在于，所述插入层包括NiFe。
12.根据权利要求8所述的磁存储器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在所述插入层的周围设置辅助场，所述辅助场用于改变所述插入层的磁矩方向，以使所述插入层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的自旋极化载流子的极化方向大致相同或相反。
13.根据权利要求12所述的磁存储器的制备方法，其特征在于，所述辅助场包括磁场或电场。
CN202110406826.8A 2021-04-15 2021-04-15 一种磁存储器及其制备方法 Active CN113299822B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110406826.8A CN113299822B (zh) 2021-04-15 2021-04-15 一种磁存储器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110406826.8A CN113299822B (zh) 2021-04-15 2021-04-15 一种磁存储器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113299822A true CN113299822A (zh) 2021-08-24
CN113299822B CN113299822B (zh) 2023-06-09

Family

ID=77319829

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110406826.8A Active CN113299822B (zh) 2021-04-15 2021-04-15 一种磁存储器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113299822B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170104150A1 (en) * 2015-10-09 2017-04-13 Jing Shi Spin Current Devices and Methods of Fabrication Thereof
US20170148978A1 (en) * 2015-11-19 2017-05-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Cross-point architecture for spin-transfer torque magnetoresistive random access memory with spin orbit writing
US20170178705A1 (en) * 2014-07-17 2017-06-22 Cornell University Circuits and devices based on enhanced spin hall effect for efficient spin transfer torque
WO2019125366A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Intel Corporation Spin orbit coupling based memory with resistivity modulation
WO2019125384A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Intel Corporation Spin orbit coupling based memory with insulating magnet
US20200152252A1 (en) * 2018-11-09 2020-05-14 Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences Spin-orbit torque magnetoresistive randon access memory and method and apparatus for writing the same
CN112186094A (zh) * 2020-09-30 2021-01-05 北京航空航天大学 磁性随机存储器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170178705A1 (en) * 2014-07-17 2017-06-22 Cornell University Circuits and devices based on enhanced spin hall effect for efficient spin transfer torque
US20170104150A1 (en) * 2015-10-09 2017-04-13 Jing Shi Spin Current Devices and Methods of Fabrication Thereof
US20170148978A1 (en) * 2015-11-19 2017-05-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Cross-point architecture for spin-transfer torque magnetoresistive random access memory with spin orbit writing
WO2019125366A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Intel Corporation Spin orbit coupling based memory with resistivity modulation
WO2019125384A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Intel Corporation Spin orbit coupling based memory with insulating magnet
US20200152252A1 (en) * 2018-11-09 2020-05-14 Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences Spin-orbit torque magnetoresistive randon access memory and method and apparatus for writing the same
CN112186094A (zh) * 2020-09-30 2021-01-05 北京航空航天大学 磁性随机存储器

Also Published As

Publication number Publication date
CN113299822B (zh) 2023-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8546896B2 (en) Magnetic tunneling junction elements having magnetic substructures(s) with a perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
US7821086B2 (en) Semiconductor memory device
US8670271B2 (en) Magnetic stack having assist layers
KR102226572B1 (ko) 스핀 축적을 이용하여 스위치될 수 있고, 자기전기 장치들을 이용하여 선택 가능한 자기 메모리들을 제공하는 방법 및 시스템
CN107039583B (zh) 分层结构和存储装置
US20140151829A1 (en) Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having improved performance through capping layer induced perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
US10439133B2 (en) Method and system for providing a magnetic junction having a low damping hybrid free layer
JP6244617B2 (ja) 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
US20060128038A1 (en) Method and system for providing a highly textured magnetoresistance element and magnetic memory
US20120175717A1 (en) Storage element and storage device
US10431275B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions having hybrid oxide and noble metal capping layers
KR20130006375A (ko) 반-금속성 강자성체들을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템
JP7475057B2 (ja) 磁性積層膜、磁気メモリ素子及び磁気メモリ
JP2013115400A (ja) 記憶素子、記憶装置
US10205092B2 (en) Method and system for providing a diluted free layer magnetic junction usable in spin transfer or spin-orbit torque applications
JP2013115399A (ja) 記憶素子、記憶装置
US10297301B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions utilizing high crystallization temperature-containing insertion layer(s)
JP2013115412A (ja) 記憶素子、記憶装置
CN110890458A (zh) 一种提高磁性随机存储器写入效率的方法
CN113299822B (zh) 一种磁存储器及其制备方法
US10003015B2 (en) Method and system for providing a diluted free layer magnetic junction usable in spin transfer torque applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant