CN115020582A - 一种多阻型磁性器件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多阻型磁性器件及其制备方法和应用，对磁性器件的自由层进行特殊化处理：(1)拼接式生长自由层，拼接部分由不同的铁磁材料构成，在拼接处设置上述磁性器件；(2)自由层由单一铁磁材料构成，但在自由层表面且远离势垒层或空间层一侧均匀增添杂质，利用杂质使自由层磁畴自主分畴。两种处理方式可实现器件的多阻态特性，代表一个该器件可以存储超过一比特的信息，多个该器件可实现更多的随机数组合。本发明可通过全电学操控，具有多阻值、随机性、强拓展性、低能耗、与CMOS制程兼容等优点，只需在现有器件制备工艺基础上稍作改进，有效降低器件、阵列及其组成的芯片制造成本。

Description

一种多阻型磁性器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于信息存储领域，特别涉及一种多阻型磁性器件及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着信息化进程地稳步推进，越来越多的生产设备、工作配件、生活电器趋于智能化，而亟待解决的问题也随之出现——如何快速且长期稳定地存储如此海量的数据信息以及如何保护这些信息的关键技术、核心机密、个人隐私不被外泄。针对信息存储量的要求，人们主要通过改变原有的结构工艺或开发新兴存储技术来获取集成度高、存储稳定、读写迅速、能耗低、擦写能力强、非易失的存储器，如MRAM(Magnetic Random AccessMemory:磁性随机存取存储器)、RRAM(Resistance Random Access Memory:电阻型随机存取存储器)等。而这些存储器多用于实现二进制信息的存储。针对存储安全的要求，人们已研发出由编程软件生成的伪随机数发生器，但该类发生器生成的随机数仍存在某种预测的规律性，安全系数欠缺。而基于热噪音、振荡器频率抖动、光噪声等具有天热随机性信号源的CMOS真随机数发生器，安全系数虽有所提升，然而其占用面积普遍较大，且随机数产生效率不高。

基于上述背景，人们将更多的目光投向了磁性隧道结(Magnetic TunnelJunction,MTJ)和自旋阀(Spin Valve)等磁性器件。一方面，是因为该类磁性器件作为当代MRAM不可或缺的基本存储单元，制备工艺已相对成熟，另一方面，还因为器件自身具备的随机性特点。首先，从该类器件的结构入手，对其进行详细介绍。按写入方式不同，上述磁性器件主要可分为STT(Spin Transfer Torque:自旋转移矩)磁性器件和SOT(Spin OrbitTorque:自旋轨道矩)磁性器件，如图1。通过对比可发现，二者传统制程存在差异，STT磁性器件在衬底表面从下至上依次生长下电极、缓冲层、钉扎层、参考层、势垒层或空间层、自由层、覆盖层、上电极构成，而SOT磁性器件则是将自旋流产生层作为下电极，要求自由层紧挨着自旋流产生层，在其上再生长势垒层或空间层、参考层、钉扎层、覆盖层、上电极等部分。但该类器件最核心组成部分却是相同——参考层、势垒层或空间层、自由层，第一部分是由单层或多层铁磁层以及位于铁磁层之间的耦合层构成，铁磁材料的磁矩被钉扎层牢牢固定住；第二部分可由绝缘氧化物或导电金属构成，与磁电阻效应的大小密切相关；第三部分往往是由单层或双层铁磁层以及位于铁磁层之间的耦合层构成，其磁矩方向可变，如图2(根据自由层和参考层磁矩的磁各向异性不同，将上述器件细分为面内磁各向异性的STT磁性器件、垂直磁各向异性的STT磁性器件、面内磁各向异性的SOT磁性器件、垂直磁各向异性的SOT磁性器件)。

自由层和参考层通常是单畴，在自由层磁矩翻转过程中保持一致。于是，基于巨磁电阻效应或隧穿磁电阻效应，该类磁性器件主要有两种电阻状态：当自由层与参考层的磁矩方向一致时，该器件呈现稳定的低电阻态，可表示二进制逻辑状态“0”；反之，当二者磁矩方向相反时，该器件呈现稳定的高电阻态，可表示二进制逻辑状态“1”，如图3。可见，一个磁性器件拥有一比特的信息存储量，这便是该类器件的存储原理。另一方面，自由层磁矩具有随机翻转特性，即当给STT磁性器件上下电极(但要小于其击穿电压)时，自由层磁矩存在一定几率发生翻转，如图4。通过互惠外部电路调控该电压(或电流)脉冲幅值或极性，使自由层磁矩翻转概率保持在50％，即当输入调控后的脉冲电压或脉冲电流后，该器件电阻处于高阻态和低阻态的几率相同，这便是真随机数的产生原理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多阻型磁性器件及其制备方法和应用，通过不同磁性材料拼接出自由层或在由单一磁性材料构成的自由层表面且远离势垒层或空间层一侧均匀增添杂质，并给出该类器件阵列制备方法，尽可能降低制备成本和写入能耗；另外，可将该器件嵌入传统CMOS逻辑电路或概率调控反馈电路中，能够增大存储器的信息存储量或提升随机数序列质量。

本发明提供了第一种多阻型磁性器件，所述磁性器件的自由层厚度均匀且由两种及两种以上的铁磁材料拼接构成；不同铁磁材料的磁矩大小、阻尼系数或磁晶各向异性中的一项或多项不相同；不同铁磁材料的磁矩视为单畴，且其翻转时遵循一致翻转；不同铁磁材料拼接处的接触电阻大于其他位置的接触电阻(至少是其他位置的接触电阻的5倍以上)，使得电流从其他位置流过。

所述铁磁材料包括Co、Fe、Ni、Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、Al、Si、Ga、Ge、Zr、Hf及B中的至少一种；不同铁磁材料可选不同原子百分含量的上述合金材料，如Co₄₀Fe₄₀B₂₀、Co₆₀Fe₂₀B₂₀、Co₂₀Fe₆₀B₂₀等，也可选不同合金，如FePt、FePd、CoPt、CoHf、CoTb等。

所述自由层厚度为1～2nm，不超过2.5nm。

所述磁性器件还包括势垒层、空间层或自旋流产生层。

所述势垒层可由AlO_x、Al₂O₃、MgO等绝缘材料构成；所述空间层可由Cu等自旋扩散长度大的材料构成；所述自旋流产生层可由Ta、W、Mo、Pt、Pd、Ir、Ru、Nb、FeMn、IrMn、PdMn、PtMn、Bi₂Se₃等自旋霍尔角大的材料构成。

所述器件形状可为圆柱体、椭圆柱体、不规则圆柱体、正方体、长方体等。

本发明还提供了第一种多阻型磁性器件及其阵列的制备方法，包括如下步骤：

所述多阻型磁性器件为STT多阻型磁性器件；

(1)根据传统磁性器件制备工艺，利用磁控溅射技术、电子束蒸发技术或脉冲激光沉积技术制备下电极、缓冲层、钉扎层、参考层、势垒层或空间层的薄膜部分；

(2)在上述部分旋涂光刻胶，再利用光刻技术，刻出要生长第一类磁性材料的第一区域，而后用显影液洗去附于该区域之上的光刻胶，其余部分用光刻胶覆盖；

(3)利用磁控溅射技术将第一类磁性材料生长到该区域；

(4)利用剥离液将多余的光刻胶洗净；

(5)在上述部分旋涂光刻胶，再利用光刻技术，刻出要生长第二类磁性材料的第二区域，而后用显影液洗去附于该区域之上的光刻胶，第一区域用光刻胶覆盖；

(6)利用磁控溅射技术将第二类磁性材料生长到该区域；

(7)利用剥离液将多余的光刻胶洗净，自由层生长完成，保证不同区域的自由层厚度相同；

(8)利用磁控溅射技术，在自由层薄膜上继续生长覆盖层薄膜部分；

(9)对上述多层薄膜进行退火处理；

(10)通过微纳加工工艺，在第一区域和第二区域的拼接处刻蚀出磁性器件、器件阵列以及制备出相应的下电极；

(11)通过绝缘介质填充、平坦化或开孔技术将上述器件阵列的顶部露出；

(12)利用磁控溅射技术生长上电极薄膜部分；

(13)通过微纳加工工艺，制备出相应的上电极；

或者所述多阻型磁性器件为SOT多阻型磁性器件，参考步骤(2)-步骤(7)制备自由层薄膜。

本发明还提供了第二种多阻型磁性器件，所述磁性器件的自由层由单一铁磁材料构成，在自由层表面且远离势垒层或空间层一侧均匀添加杂质，利用杂质使自由层磁畴自主分畴。

所述杂质为磁性粒子、非磁性粒子或团簇。

所述器件形状可为圆柱体、椭圆柱体、不规则圆柱体、正方体、长方体等。

本发明还提供了第二种多阻型磁性器件及其阵列的制备方法，包括如下步骤：

所述多阻型磁性器件为STT多阻型磁性器件；

(1)根据传统磁性器件制备工艺，利用磁控溅射技术、电子束蒸发技术或脉冲激光沉积技术制备下电极、缓冲层、钉扎层、参考层、势垒层或空间层、自由层的薄膜部分；

(2)利用轻微溅射杂质或有机物包裹杂质的方式在上述自由层表面均匀附着杂质，杂质之间的间距为5-500nm；

(3)利用磁控溅射技术，在自由层薄膜上继续生长覆盖层薄膜部分；

(4)对上述多层薄膜进行退火处理；

(5)通过微纳加工工艺，刻蚀出磁性器件、器件阵列以及制备出相应的下电极；

(6)通过绝缘介质填充、平坦化或开孔技术将上述器件阵列的顶部露出；

(7)利用磁控溅射技术生长上电极薄膜部分；

(8)通过微纳加工工艺，制备出相应的上电极；

或者所述多阻型磁性器件为SOT多阻型磁性器件，参考步骤(2)制备杂质。

本发明还提供了一种多阻型磁性器件在多态存储器中的应用。

本发明还提供了一种多阻型磁性器件在随机数生成器中的应用。

有益效果

本发明通过两种处理方式可实现器件的多阻态特性，代表一个该器件可以存储超过一比特的信息，多个该器件可实现更多的随机数组合。本发明可通过全电学操控，具有多阻值、随机性、强拓展性、低能耗、与CMOS制程兼容等优点，只需在现有器件制备工艺基础上稍作改进，有效降低器件、阵列及其组成的芯片制造成本。因此，其应用相比于传统磁性器件更为广泛，尤其针对多态存储器以及随机数生成器。

附图说明

图1为现有技术STT磁性器件和SOT磁性器件的结构示意图；

图2为现有技术STT磁性器件和SOT磁性器件的核心部分示意图；

图3为现有技术STT磁性器件和SOT磁性器件的电阻状态；

图4为现有技术STT磁性器件给器件上下电极施加电压脉冲时自由层磁矩的翻转概率；

图5为本发明第一种多阻型磁性器件的核心部分示意图(以两种磁性材料拼接为例，还可以两种以上的磁性材料拼接构成)；

图6为本发明第一种多阻型磁性器件电学特性的测试设备连接示意图；

图7为本发明获取第一种多阻型磁性器件电阻与电压脉冲变化关系的测试示意图；

图8为本发明给第一种多阻型磁性器件施加写入/读出电压时产生的电流路径示意图；

图9为本发明第一种多阻型磁性器件的等效电阻示意图；

图10为本发明第一种多阻型磁性器件理想化条件下的电阻特性；

图11为本发明第一种多阻型磁性器件每种阻值对应的自由层和参考层磁矩状态；

图12为本发明第一种多阻型磁性器件特殊情况下的电阻特性；

图13为本发明第一种多阻型磁性器件自由层不同区域磁矩随机翻转特性的测试示意图；

图14为本发明第一种多阻型磁性器件自由层不同区域磁矩的翻转特性；

图15为本发明第一种多阻型磁性器件及其阵列的制备示意图；

图16为本发明第一种多阻型磁性器件制备时产生缝隙及其解决方案的示意图；

图17为本发明第一种多阻型磁性器件制备时产生交叠及其解决方案的示意图；

图18和19为本发明第一种多阻型磁性器件自由层由更多种磁性材料拼接而成的示意图；

图20和21为本发明第二种多阻型磁性器件的核心部分示意图(二者具有的垂直磁各向异性不同，前者是面内磁各向异性，后者是垂直磁各向异性)；

图22为本发明第二种多阻型磁性器件理想化条件下的电阻特性；

图23为本发明第二种多阻型磁性器件不同电阻下对应的参考层磁矩方向；

图24为本发明第二种多阻型磁性器件自由层磁矩的翻转特性；

图25为本发明第二种多阻型磁性器件及其阵列的制备示意图；

图26-28为本发明第二种多阻型磁性器件所具阻值个数或自由层磁畴个数的调控方法；

图29为本发明多阻型磁性器件在MRAM中的应用；

图30为本发明多阻型磁性器件构成的MRAM的核心结构单元示意图；

图31为本发明多阻型磁性器件构成的MRAM信息写入的电压脉冲实施方案；

图32为本发明多阻型磁性器件构成的MRAM信息读出的电压脉冲实施方案；

图33为本发明多阻型磁性器件在随机数生成器中的应用；

图34为本发明多阻型磁性器件构成的随机数生成器的核心结构单元示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例提供了一种可实现多阻态的磁性器件，其自由层厚度均匀且由两种及两种以上的铁磁材料拼接构成，每种铁磁材料的磁性不尽相同，即至少不同铁磁材料的磁矩大小、阻尼系数或磁晶各向异性中的一项或多项不相同；在该器件中自由层根据铁磁材料不同可分为许多小部分，每个小部分的磁矩可看作单畴且其翻转时遵循一致翻转原则，但不同小部分之间磁矩翻转过程中互不干涉；自由层和参考层磁矩可具有面内磁各向异性或垂直磁各向异性；不同磁性材料拼接处的接触电阻较大，电流很难从磁性材料1平行流经到磁性材料2中，也很难从拼接处经势垒层或空间层到达参考层处；其余组成部分可与传统磁性器件保持一致。以STT多阻型磁性器件为例，其核心结构和每一部分的磁矩如图5所示。

铁磁材料可由材质包括Co、Fe、Ni、Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、Al、Si、Ga、Ge、Zr、Hf及B中的至少一种；不同铁磁材料可选不同原子百分含量的上述合金材料，如Co₄₀Fe₄₀B₂₀、Co₆₀Fe₂₀B₂₀、Co₂₀Fe₆₀B₂₀等，也可选不同合金，如FePt、FePd、CoPt、CoHf、CoTb等；自由层厚度不超过2.5nm，一般在1～2nm之间。势垒层可由AlO_x、Al₂O₃、MgO等绝缘材料构成，空间层可由Cu等自旋扩散长度大的材料构成，自旋流产生层可由Ta、W、Mo、Pt、Pd、Ir、Ru、Nb、FeMn、IrMn、PdMn、PtMn、Bi₂Se₃等自旋霍尔角大的材料构成。

该类器件电学特性的测试设备连接示意图如图6所示，当通过脉冲电压源给STT磁性器件上下电极施加电压脉冲时，或通过脉冲电流源给SOT磁性器件自旋流产生层左右两端施加电流脉冲时，随着电压/电流脉冲幅值不断增大，即正向增大或负向增大，不同区域的自由层磁矩将陆续翻转，期间，在每发出一个脉冲信号后，通过直流电压源测得器件总电阻，监控器件总电阻的变化，上述测试过程如图7所示。值得注意的是，直流电压源提供较小的电压即可(～mV级，如10mV)，否则将导致自由层磁矩发生非正常翻转。对于STT磁性器件，在脉冲电压或直流电压施加过程中，脉冲电流或微小直流电流流经不同区域的自由层处及其附近时发生分流，其他位置基本不分流；对于SOT磁性器件，在脉冲电压施加过程中，基本上未有脉冲电流流经自由层，而在直流电压施加过程中，微小直流电流流在不同区域的自由层处及其附近将发生分流，其他位置基本不分流，如图8所示；另外，可给该器件施加一个附加磁场，以辅助不同区域的自由层磁矩发生定向翻转。

该器件的电阻特性如下所示。以两种铁磁材料为例，由第一种材料构成的第一区域，第一区域自由层、势垒层或空间层、参考层可看作可变电阻1，根据该部分自由层与参考层磁矩方向一致或相反，可变电阻1具体包括低阻态R1和高阻态R2，最优选地，R2为R1的一倍以上；由第二种材料构成的第二区域，第二区域自由层、势垒层或空间层、参考层可看作可变电阻2，根据该部分自由层与参考层磁矩方向一致或相反，可变电阻2具体包括低阻态R3和高阻态R4，最优选地，R4为R3的一倍以上；要想使可变电阻值发生变化，必须给该器件施加高于第一/第二区域自由层磁矩的翻转电压(或翻转电流)的电压脉冲(或电流脉冲)，且可变电阻1和可变电阻2的翻转电压(或翻转电流)不同；由钉扎层、缓冲层、覆盖层、电极等部分构成的恒定电阻，由于其制备工艺成熟且导电性好，该恒定电阻远小于可变电阻1和可变电阻2(最优选地，小十倍以上)，该部分的分压效应可被忽略，即该器件总电阻可近似看作是两个可变电阻并联后的电阻，如图9所示。

以STT四阻型磁性器件为例，假设可变电阻1的翻转电压绝对值大于可变电阻2，且器件总电阻的初始状态为电阻值1(R1//R3:R1与R3并联)，当给器件上下两电极施加极性为负的电压脉冲时，随着该幅值负向增大至V1，可变电阻2由R3变为R4，此时，器件总电阻变为电阻值2(R1//R4)；随着该幅值继续负向增大至V2时，可变电阻1由R1变为R2，此时，器件总电阻变为电阻值3(R2//R4)；而后电压脉冲正向增大至V3时，可变电阻2由R4变为R3，此时，器件总电阻变为电阻值4(R2//R3)；随着该幅值继续正向增大至V4时，可变电阻1由R2变为R1，此时，器件总电阻变回到电阻值1(R1//R3)；随着该幅值继续反向减小至0V时，器件总电阻将不发生变化，如图10所示。相应地，以面内各向异性STT四阻型磁性器件为例，给出每种阻值对应的自由层和参考层磁矩状态，如图11所示。SOT四阻型磁性器件也表现出如上特性，其自由层和参考层的层间设计虽与STT器件不同，但自由层和参考层磁矩状态与电阻值对应关系与STT器件一致，在此不做赘述。

由上述可知，理想化条件下，该多阻型器件能够表现出四种不同的阻态。如自由层与参考层间的耦合作用不为零或自由层受到其他铁磁层产生杂散场的作用时，器件电阻可能表现出非正常状态，在某一翻转方向上(即高阻态到低阻态、或低阻态到高阻态的过程中)，不会出现中间态的情况，如图12所示。

在磁性器件翻转特性测试过程中，是给器件单个电压脉冲后，测试多阻型磁性器件电阻状态，当反复给该器件施加相同幅值和宽度的电压脉冲时，由于自由层磁矩翻转存在随机性，不能保证自由层不同区域的磁矩每次都发生翻转。要注意，上述过程中，在每次电压脉冲发出前，器件电阻初态是相同的。例如，多阻型磁性器件初始态始终保持为电阻值1，给器件施加10000次V1的电压脉冲后，该器件最终状态可能只有5000次变为电阻值2，而剩下的5000次仍停留在电阻值1，此时，可认为在V1脉冲电压作用下，自由层第二区域的磁矩翻转概率为50％。为获得多阻型磁性器件中自由层不同区域的磁矩随机翻转概率随电压脉冲幅值的变化关系，设计如下的测试过程，如图13所示——通过脉冲电压源给该STT磁性器件上下电极施加两种电压脉冲(复位脉冲+驱动脉冲)，或通过脉冲电流源给SOT磁性器件自旋流产生层两端施加两种电流脉冲(复位脉冲+驱动脉冲)，其中，复位脉冲的作用是将自由层器件状态复位到同一初始状态(电阻值1或电阻值3)，驱动脉冲则是为了驱动器件自由层不同区域的磁矩发生翻转；1个循环包括一个复位脉冲和一个驱动脉冲，二者之间存在一定时间间隔(可选～μs量级)；通过给器件施加N个循环(N个相同同脉冲宽度和幅值的复位脉冲+N个相同同脉冲宽度和幅值的驱动脉冲)，同时利用直流电压源测试器件电阻，或利用电流放大器和示波器监控器件电阻，便可计算出某一固定驱动脉冲电压或脉冲电流下，自由层不同区域的磁矩发生翻转的概率；随后更改驱动脉冲电压或脉冲电流的脉冲宽度、幅值或极性，可得到另一固定驱动脉冲电压或脉冲电流下，自由层不同区域的磁矩发生翻转的概率。

该器件自由层磁矩随机翻转特性如下。以STT四阻型磁性器件为例，其翻转特性如图14所示。当初始电阻始终为电阻值1时，随着驱动电压脉冲负向增大至V1附近时，自由层第二区域的磁矩开始发生翻转，即该器件总电阻处于电阻值2的几率逐渐增加；当驱动电压脉冲负向增大至某一数值V1(50％)时，电阻值2出现的几率达到50％；当驱动电压脉冲负向增大至某一数值V1(100％)时，电阻值2出现的最大几率达到某一数值(最优选地，为100％)；随着电压脉冲负向继续增大至V2附近时，自由层第一区域的磁矩开始发生翻转，即该器件总电阻处于电阻值3的几率逐渐增加，期间，电阻值2出现的几率却逐渐减小；随着电压脉冲负向继续增大至V2(50％)，电阻值3出现的几率达到50％；随着电压脉冲负向继续增大至V2(100％)，电阻值3出现的最大几率达到100％，如图14所示。当初始电阻始终为电阻值3时，随着电压脉冲正向增大，同样是自由层第二区域的磁矩先开始发生翻转，而后才是自由层第一区域的磁矩开始发生翻转，整个过程与负向脉冲情况相似，在此不做详述。

上述磁性器件及其阵列制备方法如下。

对于STT多阻型磁性器件及其阵列，(1)根据传统磁性器件制备工艺，利用磁控溅射技术、电子束蒸发技术或脉冲激光沉积技术等制备下电极、缓冲层、钉扎层、参考层、势垒层或空间层的薄膜部分；(2)在上述部分旋涂光刻胶，再利用光刻技术，刻出要生长第一类磁性材料的第一区域，而后用显影液洗去附于该区域之上的光刻胶，其余部分用光刻胶覆盖；(3)利用磁控溅射技术将第一类磁性材料生长到该区域；(4)利用剥离液将多余的光刻胶洗净；(5)在上述部分旋涂光刻胶，再利用光刻技术，刻出要生长第二类磁性材料的第二区域，而后用显影液洗去附于该区域之上的光刻胶，第一区域用光刻胶覆盖；(6)利用磁控溅射技术将第二类磁性材料生长到该区域；(7)利用剥离液将多余的光刻胶洗净，自由层生长完成，期间，要保证不同区域的自由层厚度相同；(8)利用磁控溅射技术，在自由层薄膜上继续生长覆盖层薄膜部分；(9)对上述多层薄膜进行退火处理；(10)通过光刻技术、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等微纳加工工艺，在第一区域和第二区域的拼接处刻蚀出磁性器件、器件阵列以及制备出相应的下电极；(11)通过绝缘介质填充、平坦化、开孔等技术，将上述器件阵列的顶部露出；(12)利用磁控溅射技术生长上电极薄膜部分；(13)通过光刻技术、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等微纳加工工艺，制备出相应的上电极，如图15所示。其中，只有该器件自由层薄膜部分((2)-(7))与传统自由层制备方法不同，其余部分与传统磁性器件制备工艺均一致。

对于SOT多阻型磁性器件及其阵列，(1)利用磁控溅射技术制备自旋流产生层的薄膜部分；(2)利用上述STT多阻型磁性器件自由层薄膜部分的制备方法(步骤(2)-(7))，完成其薄膜生长过程；(3)利用磁控溅射技术、电子束蒸发技术或脉冲激光沉积技术等制备势垒层或空间层、参考层、钉扎层、覆盖层的薄膜部分；(4)对上述多层薄膜进行退火处理；(5)通过光刻技术、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等微纳加工工艺，在第一区域和第二区域的拼接处刻蚀出磁性器件、器件阵列以及制备出由自旋流产生层形成的下电极；(6)通过绝缘介质填充、平坦化、开孔等技术，将上述器件阵列的顶部露出；(7)利用磁控溅射技术生长上电极薄膜部分；(8)通过光刻技术、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等微纳加工工艺，制备出相应的上电极。其中，只有该器件自由层薄膜部分(步骤(2))与传统自由层制备方法不同，其余部分与传统磁性器件制备工艺均一致。

在自由层生长过程中，可能遇到两种情况：

第一种——拼接处出现缝隙，这种情况需要在上述生长过程中增添两步，将在缝隙处填充绝缘材料后，对绝缘材料进行平坦化，恰使自由层平面露出，如图16所示；第二种——拼接处出现交叠，交叠处比其他平面位置高，即接触电阻大，需利用平坦化等技术，将高出的部分去除，使其与其他自由层部分的厚度保持一致，如图17所示。

多阻型磁性器件所具阻值数的调控方法如下——自由层由更多种磁性材料拼接而成，如图18(六阻型：6个电阻值)和如图19(八阻型：8个电阻值)所示。

实施例2

本实施例提供了另一种可实现多阻态的磁性器件，自由层由单一铁磁材料构成，在自由层表面且远离势垒层或空间层一侧均匀添加杂质，利用杂质使自由层磁畴自主分畴；每个磁畴区域内的磁矩可看作是单畴，不同磁畴区域内的磁矩发生翻转，对相邻区域的磁矩影响较小；不同磁畴区域的磁矩被杂质钉扎的程度不同，靠近杂质的磁畴区域的磁矩更容易被钉扎，也就表示，被钉扎的程度越大的磁矩，更难发生翻转；自由层和参考层磁矩可具有面内磁各向异性或垂直磁各向异性；其余组成部分可与传统磁性器件保持一致；器件形状可为圆柱体、椭圆柱体、不规则圆柱体、正方体、长方体等。以STT磁性器件为例，第三磁畴区域的磁矩被钉扎的强度>第二磁畴区域的磁矩被钉扎的强度>第一磁畴区域的磁矩被钉扎的强度，如图20和图21所示。

该器件的电阻特性与实施例1第一种多阻型器件相似。以面内磁各向异性的STT磁性器件为例，如器件总电阻的初始状态为电阻值5，当给器件上下两电极施加极性为负的电压脉冲时，随着该幅值负向增大至V5，第一磁畴区域的磁矩率先翻转，此时，器件总电阻变为电阻值6；随着该幅值继续负向增大至V6时，第二磁畴区域的磁矩发生翻转，此时，器件总电阻变为电阻值7；随着该幅值继续负向增大至V7时，第三磁畴区域的磁矩发生翻转，此时，器件总电阻变为电阻值8；随后，电压脉冲正向增大至V8时，第一磁畴区域的磁矩发生翻转，此时，器件总电阻变为电阻值9；随着该幅值继续正向增大至V9时，第二磁畴区域的磁矩发生翻转，此时，器件总电阻变为电阻值10；随着该幅值继续正向增大至V10时，第三磁畴区域的磁矩发生翻转，此时，器件总电阻恢复到电阻值5；随着该幅值继续反向减小至0V时，器件总电阻将不发生变化。该器件每个阻值对应的自由层磁矩方向如图23所示。

在上述过程中，各个磁畴区域的磁矩受到的STT作用不完全相同，与参考层磁矩的夹角越大，受到STT作用越强，但同时，该磁矩受到杂质的钉扎作用也更强，总体来说，钉扎作用占主导，因而，第三磁畴区域的磁矩翻转比第一磁矩区域更难。

该器件自由层磁矩随机翻转特性与第一种多阻型器件相似，分析可作类推。以STT磁性器件为例，如图24所示。

该磁性器件及其阵列的制备方案如下。

与传统磁性器件制备工艺的区别仅在于：对于STT器件，生长自由层薄膜后以及生长覆盖层之前，制造杂质即可——利用轻微溅射杂质或有机物包裹杂质的方式在自由层表面均匀附着杂质(可为磁性/非磁性粒子或团簇等)，保证杂质之间的间距一定，范围在5～500nm之间；对于SOT器件，在生长自旋流产生层后和生长自由层之前，制造杂质即可，制造方式如上。值得注意的是，在微纳加工制备完成器件及其阵列结构时，要在杂质附近进行，如图25所示。

该磁性器件所具阻值个数的调控方法如下——(1)改变杂质位置或个数；(2)改变环境温度；(3)改变驱动脉冲的宽度，如图26、27和28所示。

上述两种磁性器件方案，有利于降低器件工作能耗。原因在于，当器件尺寸、自由层厚度相同时，逐个翻转上述多阻型磁性器件自由层各个小区域的磁矩比翻转传统器件自由层的整体磁矩更容易，(1)各个小区域的自由层体积减小；(2)各个小区域的磁各向异性各不相同，可能小于传统器件。

实施例3

将实施例1或实施例2多阻型磁性器件嵌入到传统的CMOS逻辑电路中，即可构成大存储量、高集成度、非易失性、快速读写、低能耗的MRAM。以STT多阻型磁性器件为例，其在MRAM中应用的具体实施方案，如图29所示。MRAM电路设计还包括地址译码电路、存储阵列、时序/脉冲控制电路、参考部分以及灵敏放大器等构造。该存储器的核心结构单元为一个多阻型磁性器件和一个金属-氧化物-半导体场效应晶体管构成，前者主要用于存储信息，后者主要起到开关电路的作用，如图30所示。由许多上述基本结构单元规则排列，并设置字线、位线和源线，即可形成存储阵列——字线和源线平行，二者与位线正交排列；纵横交错的位线和源线可作为核心结构单元的上下电极，在二者交叉处附近则是多阻型磁性器件所处位置；字线可控制金属-氧化物-半导体场效应晶体管的开启和关闭；字线、位线和源线的材质可为Cu、Au、Al等高电导率的金属材料，用于室温和高温MRAM，也可为Nb、NbN、NbTi、NbTiN、Nb₃Sn、高温超导等超导材料，用于低温和超低温MRAM。

(1)信息写入：输入行地址信号和列地址信号，通过地址行译码电路和列译码电路选择和地址对应的字线、源线和位线通电，其它字线、源线和位线不通电，基于时序和电压控制，即给选中的位线(或源线)通入幅值不同且宽度较长的电压脉冲，选中的源线(或位线)接地(即0V)，给选中的字线通入幅值和宽度均相同的电压脉冲(该电压要高于金属-氧化物-半导体场效应晶体管阈值)，且该脉冲宽度较短，使STT多阻型磁性器件自由层不同区域的磁矩发生翻转，完成信息写入。其中，通入字线的脉冲宽度决定了信息写入的速度，进而影响写入能耗。以STT四阻型磁性器件为例，“电阻值1”、“电阻值2”、“电阻值4”、“电阻值3”能够分别代表“00”、“01”、“10”、“11”，即一个器件可携带两比特的二进制逻辑信息，给出一种信息写入的电压脉冲实施方案，如图31所示。

(2)信息读出：主要目的是检测多阻型磁性器件的电阻，确定器件携带的存储信息。但考虑到磁性器件电阻会随环境温度和相对位置等因素发生漂移，一般情况下，读出电路需要囊括一些已被提前写成高阻态、中间态、低阻态的磁性器件作为参考部分。具体读出过程如下，通过地址行译码电路和列译码电路选择和地址对应的字线、源线和位线通电，其它字线、源线和位线不通电，基于时序和电压控制，即给选中的位线通入幅值远小于器件翻转电压的电压脉冲，选中的源线接地(即0V)，给选中的字线通入高于金属-氧化物-半导体场效应晶体管阈值的电压脉冲，则可获得被选中的磁性器件电阻，再使用灵敏放大器来比较被选中的磁性器件和参考部分的电阻，即可确定选中的磁性器件电阻处于哪种状态，最后，将该被选中的磁性器件所携带的二进制信息输出。其中，通入字线的脉冲宽度决定了信息读取的速度，进而影响读出能耗。以STT四阻型磁性器件为例，给出一种信息读出的电压脉冲实施方案，如图32所示。

实施例4

利用多阻型磁性器件自由层磁矩随机翻转特性，将其作为随机数生成器的核心组件，可获得更高质量的随机数序列，信息安全性得以保证。以STT多阻型磁性器件为例，其在随机数生成器中应用的具体实施方案，如图33所示。该随机数生成器设置有地址译码电路、随机数生成阵列、电压控制电路等构造，其中，随机数生成阵列中的每一个多阻型磁性器件都配有灵敏放大器、概率计算电路、电压反馈电路，同时还设置了位线和源线，如图34所示。由于制程导致各个器件之间存在细微差异，主要利用上述配置电路将各个磁性器件中自由层磁矩翻转概率调整到50％。以STT四阻型磁性器件为例，多阻型磁性器件可以通过上述电压反馈电路有四种模式——第一种，器件电阻初始态为电阻值1，将自由层第二区域磁矩翻转概率调整到50％，即V1(50％)附近；第二种，器件电阻初始态为电阻值3，将自由层第二区域磁矩翻转概率调整到50％，即V3(50％)附近；第三种，器件电阻初始态为电阻值2，将自由层第一区域磁矩翻转概率调整到50％，即V2(50％)附近；第四种，器件电阻初始态为电阻值4，将自由层第一区域磁矩翻转概率调整到50％，即V4(50％)附近。也就表示，通过调控器件电阻的初始状态以及电压反馈电路的工作模式，一个器件可输出4种不同的结果。如随机数生成阵列中有N位序列(如N>10)，则输出结果可达到4^N种，远比传统磁性器件构成的随机数发生器输出结果(2^N种)大得多。如随机数序列位数要求更高，继续增加列地址位数(即随机数生成阵列中磁性器件及其匹配电路)，或增加行地址位数和行地址译码电路即可。

Claims (10)

1.一种多阻型磁性器件，其特征在于：所述磁性器件的自由层厚度均匀且由两种及两种以上的铁磁材料拼接构成；不同铁磁材料的磁矩大小、阻尼系数或磁晶各向异性中的一项或多项不相同；不同铁磁材料的磁矩视为单畴，且其翻转时遵循一致翻转；不同铁磁材料拼接处的接触电阻大于其他位置的接触电阻，使得电流从其他位置流过。

2.根据权利要求1所述的多阻型磁性器件，其特征在于：所述铁磁材料包括Co、Fe、Ni、Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、Al、Si、Ga、Ge、Zr、Hf及B中的至少一种；不同铁磁材料选择不同原子百分含量的上述合金材料。

3.根据权利要求1所述的多阻型磁性器件，其特征在于：所述自由层厚度为1～2nm。

4.根据权利要求1所述的多阻型磁性器件，其特征在于：所述磁性器件还包括势垒层、空间层或自旋流产生层。

5.一种如权利要求1所述的多阻型磁性器件及其阵列的制备方法，包括如下步骤：

所述多阻型磁性器件为STT多阻型磁性器件；

(1)根据传统磁性器件制备工艺，利用磁控溅射技术、电子束蒸发技术或脉冲激光沉积技术制备下电极、缓冲层、钉扎层、参考层、势垒层或空间层的薄膜部分；

(2)在上述部分旋涂光刻胶，再利用光刻技术，刻出要生长第一类磁性材料的第一区域，而后用显影液洗去附于该区域之上的光刻胶，其余部分用光刻胶覆盖；

(3)利用磁控溅射技术将第一类磁性材料生长到该区域；

(4)利用剥离液将多余的光刻胶洗净；

(5)在上述部分旋涂光刻胶，再利用光刻技术，刻出要生长第二类磁性材料的第二区域，而后用显影液洗去附于该区域之上的光刻胶，第一区域用光刻胶覆盖；

(6)利用磁控溅射技术将第二类磁性材料生长到该区域；

(7)利用剥离液将多余的光刻胶洗净，自由层生长完成，保证不同区域的自由层厚度相同；

(8)利用磁控溅射技术，在自由层薄膜上继续生长覆盖层薄膜部分；

(9)对上述多层薄膜进行退火处理；

(10)通过微纳加工工艺，在第一区域和第二区域的拼接处刻蚀出磁性器件、器件阵列以及制备出相应的下电极；

(11)通过绝缘介质填充、平坦化或开孔技术将上述器件阵列的顶部露出；

(12)利用磁控溅射技术生长上电极薄膜部分；

(13)通过微纳加工工艺，制备出相应的上电极；

或者所述多阻型磁性器件为SOT多阻型磁性器件，参考步骤(2)-步骤(7)制备自由层薄膜。

6.一种多阻型磁性器件，其特征在于：所述磁性器件的自由层由单一铁磁材料构成，在自由层表面且远离势垒层或空间层一侧均匀添加杂质，利用杂质使自由层磁畴自主分畴。

7.根据权利要求6所述的多阻型磁性器件，其特征在于：所述杂质为磁性粒子、非磁性粒子或团簇。

8.一种如权利要求5所述的多阻型磁性器件及其阵列的制备方法，包括如下步骤：

所述多阻型磁性器件为STT多阻型磁性器件；

(1)根据传统磁性器件制备工艺，利用磁控溅射技术、电子束蒸发技术或脉冲激光沉积技术制备下电极、缓冲层、钉扎层、参考层、势垒层或空间层、自由层的薄膜部分；

(2)利用轻微溅射杂质或有机物包裹杂质的方式在上述自由层表面均匀附着杂质，杂质之间的间距为5-500nm；

(3)利用磁控溅射技术，在自由层薄膜上继续生长覆盖层薄膜部分；

(4)对上述多层薄膜进行退火处理；

(5)通过微纳加工工艺，刻蚀出磁性器件、器件阵列以及制备出相应的下电极；

(6)通过绝缘介质填充、平坦化或开孔技术将上述器件阵列的顶部露出；

(7)利用磁控溅射技术生长上电极薄膜部分；

(8)通过微纳加工工艺，制备出相应的上电极；

或者所述多阻型磁性器件为SOT多阻型磁性器件，参考步骤(2)制备杂质。

9.一种如权利要求1或6所述的多阻型磁性器件在多态存储器中的应用。

10.一种如权利要求1或6所述的多阻型磁性器件在随机数生成器中的应用。

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