CN113314166A - 控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法及多态存储器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法以及一种多态存储器。其中，该方法包括：在所述自旋产生层中通入电流产生自旋流，从而产生自旋轨道力矩效应；基于所述产生的自旋轨道力矩效应改变所述反铁磁钉扎层中反铁磁磁序的数量、大小和方向中的至少一种，从而影响所述铁磁被钉扎层中磁畴的数量、大小和方向中的至少一种；控制所述电流的大小，从而使得所述反铁磁磁序产生多次不同程度的偏转；基于磁电阻效应读出所述偏转，进而实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。
Description
技术领域
本申请涉及数据存储技术领域，具体涉及一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法以及一种多态存储器。
背景技术
为满足消费类电子产品和大数据存储对非易失、高密度、低功耗等优良特点数据存储与与日俱增的需求，对多态非易失存储器件的需求更为迫切。在多态存储器件中，一个存储单元可以记录多个数值，而非“0”和“1”两个数值，可以极大的提高数据存储密度，而且对人工智能、神经网络等新兴产业也有极大的帮助。目前实现多态非易失存储的办法有：第一，利用材料本身的相变，制备多态相变存储器件。第二，控制写入磁场的大小，在隧穿磁电阻结构中通过控制自由层畴结构的办法实现多态存储。第三，在多铁异质结中，利用磁电耦合，实现器件的多态存储。
目前，对于多态存储实现稳定的4个态仍是一个难题。在巨/隧穿磁电阻结构中自由层和钉扎层的平行和反平行排列只能导致高、低两个稳定的组态。通过控制写入磁场大小改变自由层畴结构的办法虽然可以实现高达十个甚至更多的组态，但是对写入磁场的控制要求极高，每个写入磁场的控制精度达到了0.1Oe，并且每个态阻值不稳定极易受到外界的影响。其次是利用材料本身的相变，由于能够有稳定相变的材料是少数而且只能够提供两个稳定的状态。阻变也是存在同样的问题，导通和关断是最稳定的2个状态，获得稳定的中间态比较困难。最后是在磁性隧道结中，利用磁电耦合实现多组态，由于绝缘层既要用来做隧穿磁电阻的隧穿层又要用作实现电场调控的铁电材料，这对材料本身的要求就极为苛刻，并且这种方法也只能获得4个阻态。对于实现4个以上的稳定态成为一个重要挑战。因此需要有一个改进的来克服如上所述的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本申请实施例提出了一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，以解决现有技术中多态存储稳定的4个态难以实现的问题。
为实现上述目的，本发明的第一个方面，提出了一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，所述巨/隧穿磁电阻结构具有磁阻单元，所述磁阻单元由磁阻膜堆制成，包括基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁间层、软磁自由层、覆盖层，在一些实施例中，包括步骤如下：
在所述自旋产生层中通入电流(偏压)产生自旋流，从而产生自旋轨道力矩效应；
基于所述产生的自旋轨道力矩效应改变所述反铁磁钉扎层中反铁磁磁序的数量、大小和方向，从而影响所述铁磁被钉扎层中磁畴的数量、大小和方向；
控制所述电流(偏压)的大小，从而使得所述反铁磁磁序产生多次不同程度的偏转；
基于磁电阻效应读出所述偏转，进而实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。
在一些实施例中，所述铁磁被钉扎层包括合成反铁磁结构或自旋阀结构。
在一些实施例中，所述自旋产生层至少包括两个凸出端。
在一些实施例中，所述自旋产生层中的凸出端分别与电极相连。
在一些实施例中，所述自旋产生层包括自旋产生部。
在一些实施例中，所述自旋产生部包括可以产生自旋流的结构。
本申请实施例的第二方面提供了一种多态存储器，其中，所述多态存储器具有多层薄膜结构，从下至上依次包括基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁间层、软磁自由层、覆盖层。
在一些实施例中，所述铁磁被钉扎层包括合成反铁磁结构或自旋阀结构。
在一些实施例中，所述自旋产生层至少包括两个凸出端。
在一些实施例中，所述自旋产生层中的凸出端分别与电极相连。
在一些实施例中，所述自旋产生层包括自旋产生部。
在一些实施例中，所述自旋产生部包括可产生自旋流的结构。
在一些实施例中，所述基底层的材质包括硅Si或二氧化硅SiO2；所述反铁磁钉扎层的材质包括铱锰合金IrMn；所述铁磁被钉扎层的材质包括钴铁CoFe；所述非磁间隔层的材质包括铜Cu；所述软磁自由层的材质包括钴铁CoFe或镍铁NiFe；所述覆盖层的材质包括钽Ta。
本申请的实施例通过在自旋层中通入电流，基于自旋轨道力矩效应，并利用磁电阻效应，实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：
图1是是本申请实施例的巨/隧穿磁电阻结构示意图；
图2是本申请实施例的巨磁电阻测试结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本申请范围。如本申请说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，而该类表述并不构成一个排它性的罗列，其他特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件也可以包含在内。
参看下面的说明以及附图，本申请的这些或其他特征和特点、操作方法、结构的相关元素的功能、部分的结合以及制造的经济性可以被更好地理解，其中说明和附图形成了说明书的一部分。然而，可以清楚地理解，附图仅用作说明和描述的目的，并不意在限定本申请的保护范围。可以理解的是，附图并非按比例绘制。
本申请中使用了多种结构图用来说明根据本申请的实施例的各种变形。应当理解的是，前面或下面的结构并不是用来限定本申请。本申请的保护范围以权利要求为准。
在本发明的第一实施例中，本发明提供了一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，其中所述巨/隧穿磁电阻结构，如图1所示，由磁阻膜堆制成，包括基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁间层、软磁自由层、覆盖层；其中，在所述种子层和覆盖层中间，自下而上依次包括自旋产生层、反铁磁钉扎层、非磁间层、软磁自由层；或者在所述种子层和覆盖层中间，自下而上依次包括软磁自由层、非磁间层、铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层、自旋产生层；其中，自旋产生层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，包含Ta、W、Pt、Hf、Au、Hf、Ta、Mo等重金属或Ti非磁金属；或是，Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3或(BixSb1-x)2Te3晶体薄膜；或是，BixSe1-x多晶或非晶薄膜；或是，WTe2、MoTe2或MoxW1-xTe2单晶、多晶或非晶外尔半金属；或是任何可以产生自旋流的结构如二维电子气等，用于产生具有自旋力矩的自旋流；铁磁被钉扎层由铁磁材料制成，其磁畴状态在自旋流和外加平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得多态存储器的电阻值发生改变，其中铁磁被钉扎层可以是合成反铁磁结构或自旋阀结构；覆盖层用于保护其下各层薄膜。
在本发明的一些实施例中，包括步骤如下：在所述自旋产生层中通入电流产生自旋流，从而产生自旋轨道力矩效应；基于所述产生的自旋轨道力矩效应改变所述反铁磁钉扎层中反铁磁磁序的数量、大小和方向，从而影响所述铁磁被钉扎层中磁畴的数量、大小和方向；控制所述电流的大小，从而使得所述反铁磁磁序产生多次不同程度的偏转；基于磁电阻效应读出所述偏转，进而实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。本发明主要是在自旋产生层/反铁磁钉扎层/铁磁被钉扎层中，在自旋产生层中通入电流，利用其产生的SOT效应改变反铁磁磁序的数量、大小和方向，从而影响铁磁被钉扎层的磁畴数量、大小和方向。通过控制电流的大小，使反铁磁磁序产生不同程度偏转，利用磁电阻效应读出，实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。
在图1所示的实施例中，基于SOT(Spin-Orbit Torque，自旋轨道力矩)效应，在自旋产生层施加电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋产生层时，由于自旋霍尔效应，自旋产生层层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于铁磁层，使得铁磁层的磁畴状态发生变化；其中，磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴之间的过渡区称为磁畴壁。改变外加磁场的大小，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化，从而改变多态存储器的电阻值，磁畴壁的连续运动对应多态存储器阻值的连续变化，使多态存储器阻值不再只具有“0”和“1”两个态，而是具有一系列准连续的、稳定的电阻态，从而实现多态存储器的功能。
在本发明的第二实施例中，本发明提供了一种多态存储器，在如图1所示的实施例中，自旋产生层的材料包含Ta、W、Pt、Hf、Au、Hf、Ta、Mo等重金属或Ti非磁金属；或是，Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3或(BixSb1-x)2Te3晶体薄膜；或是，BixSe1-x多晶或非晶薄膜；或是，WTe2、MoTe2或MoxW1-xTe2单晶、多晶或非晶外尔半金属；或是任何可以产生自旋流的结构如二维电子气等；基底层的材质包括硅Si或二氧化硅SiO2中的一种；反铁磁钉扎层的材质包括铱锰合金IrMn；铁磁被钉扎层的材质包括钴铁CoFe；非磁间隔层的材质包括铜Cu；软磁自由层的材质包括钴铁CoFe或镍铁NiFe；覆盖层的材质包括钽Ta。
进一步地，在本发明的第三实施例中，本发明提供了一种巨磁阻自旋阀结构，具有多层薄膜结构，由下至上依次包括：基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁间隔层、软磁自由层、覆盖层；其中，所述基底的材料包括Si或SiO2；所述种子层的材料包括厚度为2nm的Ta；所述自旋产生层的材料包括厚度为8nm的Pt；所述反铁磁钉扎层的材料包括厚度为8nm的IrMn；所述铁磁被钉扎层的材料包括厚度为5nm的CoFe；所述非磁间隔层的材料包括厚度为1.8nm的Cu；所述软磁自由层的材料包括厚度为1nm的CoFe或厚度为2nm的NiFe；所述覆盖层的材料包括厚度为2nm的Ta。
在一些实施例中，还包括通过微加工将所述巨磁阻自旋阀结构加工成长80μm，宽10μm的长条状，在长条两端加一大脉冲电压(16V)，持续时间10μs，使其初始化，然后用0.1mA电流测量，获得初态，如图2所示。通过反向施加电压，并依次增加，在反向电压14V(-14V)时，获得第二个阻态，继续反向施加电压达到15V(-15V)，获得第三个阻态，当反向施加电压达到16V(-16V)，达到饱和，在增加电压将保持第4阻态值不变。通过以上办法获得4阻态。由于此处MR值仅有2％，获得阻态值较少，将MR增大或者换为隧穿磁电阻，阻态值数量将大幅增加。
综上所述，本申请提出了一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法以及一种多态存储器，本发明主要是在自旋产生层/反铁磁钉扎层/铁磁被钉扎层中，在自旋产生层中通入电流，利用其产生的SOT效应改变反铁磁磁序的数量、大小和方向，从而影响铁磁被钉扎层的磁畴数量、大小和方向。通过控制电流的大小，使反铁磁磁序产生不同程度偏转，利用磁电阻效应读出，实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (12)
1.一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，所述巨/隧穿磁电阻结构由磁阻膜堆制成，包括基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁间层、软磁自由层、覆盖层，其特征在于，包括步骤如下：
在所述自旋产生层中通入电流产生自旋流，从而产生自旋轨道力矩效应；
基于所述产生的自旋轨道力矩效应改变所述反铁磁钉扎层中反铁磁磁序的数量、大小和方向中的至少一种，从而影响所述铁磁被钉扎层中磁畴的数量、大小和方向中的至少一种；
控制所述电流的大小，从而使得所述反铁磁磁序产生多次不同程度的偏转；
基于磁电阻效应读出所述偏转，进而实现一个物理存储单元直接存储多个阻态。
2.根据权利要求1所述的一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，其特征在于，所述铁磁被钉扎层包括合成反铁磁结构或自旋阀结构。
3.根据权利要求1所述的一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，其特征在于，所述自旋产生层至少包括两个凸出端。
4.根据权利要求3所述的一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，其特征在于，所述自旋产生层中的凸出端分别与电极相连。
5.根据权利要求1所述的一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，其特征在于，所述自旋产生层包括自旋产生部。
6.根据权利要求5所述的一种控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法，其特征在于，所述自旋产生部包括可产生自旋流的结构。
7.一种支持如权利要求1-6任一项所述的控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法的多态存储器，其特征在于，所述多态存储器具有多层薄膜结构，包括:基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁间层、软磁自由层、覆盖层。
8.根据权利要求7所述的多态存储器，其特征在于，所述铁磁被钉扎层包括合成反铁磁结构或自旋阀结构。
9.根据权利要求7所述的多态存储器，其特征在于，所述自旋产生层至少包括两个凸出端。
10.根据权利要求9所述的多态存储器，其特征在于，所述自旋产生层中的凸出端分别与电极相连。
11.根据权利要求7所述的多态存储器，其特征在于，所述自旋产生层包括自旋产生部。
12.根据权利要求11所述的多态存储器，其特征在于，所述自旋产生部包括可以产生自旋流的结构。
根据权利要求7所述的多态存储器，其特征在于，所述基底层的材质包括硅Si或二氧化硅SiO2；所述反铁磁钉扎层的材质包括铱锰合金IrMn；所述铁磁被钉扎层的材质包括钴铁CoFe；所述非磁间隔层的材质包括铜Cu；所述软磁自由层的材质包括钴铁CoFe或镍铁NiFe；所述覆盖层的材质包括钽Ta。
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