CN115036416A - 基于core-shell的MTJ、磁存储器件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于core‑shell的MTJ、磁存储器件及方法，MTJ包括：重金属环层和依次层叠设置的固定层、间隔层和自由层；重金属环层套设于自由层的外侧壁上；固定层和自由层均采用铁磁性材料；间隔层采用非磁性金属材料或氧化物类绝缘材料；自由层和重金属环层的顶端为电流输入端，固定层的底部为电流输出端。所述的MTJ器件为双端口器件，基于重金属环层套设于自由层外围的结构，能够提高MTJ器件的翻转效率，并且能够利于MTJ器件进一步微缩，实现器件的小型化。

Description

基于core-shell的MTJ、磁存储器件及方法

技术领域

本发明涉及磁性存储器件技术领域，特别是涉及一种基于core-shell结构的MTJ、磁存储器件及存储方法。

背景技术

随着半导体器件的规模化，器件的工艺尺寸持续缩小，摩尔定律增速放缓，由晶体管漏电流引起的静态功耗增加的问题成为了传统CMOS器件进一步提升的瓶颈。基于自旋电子学及磁学的迅速发展，新兴的非易失性存储技术的出现有望化解上述器件中所存在的静态功耗严重的困局。其中，基于磁性隧道结(MTJ)的磁性随机存取存储器(MRAM)凭借其所具有的高读写速度、低静态功耗、无限制写入次数、兼容CMOS制造技术及工艺等优点一跃成为当前最具潜力的非易失性存储器件。当前，MRAM最为常见的写入机制是基于自旋转移力矩效应实现的，故又被称为STT-MRAM。然而，该类存储器所需的写入电流过大，写入功耗和写入电压过高，甚至会使得器件发生击穿。近期，一种新型的写入方式被提出，该方式是基于自旋轨道力矩效应实现的，故又被称为SOT-MRAM。其在磁性隧道结的铁磁层的下方增加了一层具有强自旋轨道耦合效应的重金属薄膜材料或反铁磁薄膜材料，当电流流经该层时，由于自旋霍尔效应或拉什巴效应，将产生自旋轨道力矩，并作用于相邻的铁磁层，促使其磁矩发生翻转，进而实现磁性隧道结的信息数据的写入功能。与STT-MRAM相比，该类器件具有更快的写入速度，更低的写入功耗，而且写入电流并不流经磁性隧道结结构，能够有效降低器件被击穿的风险。但是，该类器件是三端口器件，降低了集成密度，同时SOT本身不能独立的完成PMA MTJ的翻转，需要外加磁场或者特殊结构的辅助。还有一种新型的写入方式是STT和SOT协同作用，以此来完成PMA MTJ的翻转。这种方式克服了单独利用SOT写入需要外加磁场或者特殊结构辅助的缺点，但是由于其所需的写入电流无法随器件尺寸的缩小而减小，不利于器件的小型化，且其翻转效率也仍有提升的空间。因此，亟需一种翻转效率高且易小型化的MTJ器件、磁存储器件和存储方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于core-shell的MTJ、磁存储器件及方法，MTJ器件包括依次层叠设置的固定层、间隔层和自由层，通过在自由层的外围套设重金属环层，以自由层和重金属环层的顶端为电流输入端，实现了磁性隧道结的翻转效率和器件的热稳定系数的提高，进而能够使器件尺寸进一步微缩，利于器件小型化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于core-shell的MTJ，包括：重金属环层和依次层叠设置的固定层、间隔层和自由层；

所述重金属环层套设于所述自由层的外侧壁上；

所述固定层和所述自由层均采用铁磁性材料；

所述间隔层采用非磁性金属材料或氧化物类绝缘材料；

所述自由层和所述重金属环层的顶端为电流输入端，所述固定层的底部为电流输出端；

所述重金属环层，用于向所述自由层的顶端注入电流时，在自旋霍尔效应的作用下产生自旋极化电流，并将所述自旋极化电流扩散至所述自由层；

所述自由层，用于将所述自旋极化电流通入所述间隔层和所述固定层，基于自旋轨道力矩和所述自由层和间隔层的界面处产生的自旋转移力矩，对所述自由层的磁矩进行翻转。

可选的，所述重金属环层与所述间隔层之间相距有预设距离。

可选的，所述固定层的矫顽力大于所述自由层的矫顽力。

可选的，所述重金属环层的电阻小于所述自由层的电阻。

可选的，所述重金属环层的顶端和所述自由层的顶端处于同一水平面。

可选的，所述铁磁性材料为CoFeB，CoNiCo，CoFe或NiFe；所述非磁性金属材料为Cu或Au；所述氧化物类绝缘材料MgO或Al₂O₃；所述重金属环层采用的材料为Pt，Ta或W。

可选的，所述自由层和所述固定层的磁矩方向呈现平行状态时，所述MTJ器件呈现低阻态；所述自由层和所述固定层的磁矩方向呈现反平行状态时，所述MTJ器件呈现高阻态。

本发明还提供一种磁存储器件，包括至少一个存储单元；每个所述存储单元为所述的MTJ。

本发明还提供一种基于所述的MTJ的存储方法，所述方法包括：

获取MTJ器件的电阻态；所述电阻态包括高阻态和低阻态；当所述高阻态的逻辑数据为1时，所述低阻态的逻辑数据为0；当所述高阻态的逻辑数据为0时，所述低阻态的逻辑数据为1；

当所述电阻态为所述高阻态时，向所述MTJ器件的顶端通入正极性电流；

基于自旋轨道力矩效应和自旋转移力矩效应，所述自由层的磁矩发生翻转，所述MTJ器件的电阻态变为所述低阻态，实现低阻态逻辑数据的存储；

当所述电阻态为所述低阻态时，向所述MTJ器件的顶端通入负极性电流；

基于所述自旋轨道力矩效应和所述自旋转移力矩效应，所述自由层的磁矩发生翻转，所述MTJ器件的电阻态变为所述高阻态，实现高阻态逻辑数据的存储。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种基于core-shell的MTJ磁存储器件及方法，MTJ包括：重金属环层和依次层叠设置的固定层、间隔层和自由层；重金属环层套设于自由层的外侧壁上；固定层和自由层均采用铁磁性材料；间隔层采用非磁性金属材料或氧化物类绝缘材料；自由层和重金属环层的顶端为电流输入端，固定层的底部为电流输出端。所述的MTJ器件为双端口器件，基于重金属环层套设于自由层外围的结构，能够提高MTJ器件的翻转效率，并且能够利于MTJ器件进一步微缩，实现器件的小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种基于core-shell的MTJ器件结构图；

图2为本发明实施例1提供的重金属环层形成自旋极化流的原理图；

图3为本发明实施例1提供的MTJ器件的平行态与反平行态的示意图；

图4为本发明实施例1提供的MTJ器件的平行态与反平行态的翻转原理图。

附图标记：

1-重金属环层；2-自由层；3-间隔层；4-固定层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，由STT和SOT协同作用的新型写入方式，完成PMA MTJ的翻转，还存在使用时需要特别注意SOT和STT两股电流通入的先后次序以及电流的比例，不易操作，而且其写入电流的大小正比于能量势垒，无法随器件尺寸的缩小而减小的问题。

本发明的目的是提供一种基于core-shell的MTJ、磁存储器件及方法，MTJ器件包括依次层叠设置的固定层、间隔层和自由层，通过在自由层的外围套设重金属环层，以自由层和重金属环层的顶端为电流输入端，实现了磁性隧道结的翻转效率以及器件的热稳定系数的提高，进而能够使器件尺寸进一步微缩，利于器件小型化。并且使器件的写入电流能够随器件尺寸的缩小而进一步降低，并降低器件的功耗；还能进一步降低器件的翻转电流和翻转电压，避免击穿。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于core-shell的MTJ，其特征在于，包括：重金属环层1和依次层叠设置的固定层4、间隔层3和自由层2；其中固定层4、间隔层3和自由层2为三层薄膜结构。图1(a)为MTJ器件剖面图；图1(b)为MTJ器件平面图，图中FL/NM/RL表示从上到下依次为自由层、间隔层以及固定层。

所述重金属环层1套设于所述自由层2的外侧壁上。MTJ器件以三层薄膜结构中的自由层2的一部分作为core，以自由层2外围的重金属环层1(例如：Pt)作为shell。

其中，重金属环层1和间隔层3是绝缘的，重金属环层1和间隔层3不能接触连接，所以要求所述重金属环层1与所述间隔层3之间相距有预设距离。

为了便于对MTJ顶部通入电流，要求所述重金属环层1的顶端和所述自由层2的顶端处于同一水平面，这里的处于同一水平面不具有任何限定作用，也可以根据实际需求调整重金属环层1的顶端和自由层2的顶端的相对位置关系。

所述固定层4和所述自由层2均采用铁磁性材料。虽然自由层2与固定层4都采用铁磁性材料，但两种铁磁材料的性质并不完全相同，二者具有不同的矫顽力大小，其中固定层4的矫顽力较大，其磁矩方向不易被改变，而自由层2的矫顽力较小，其磁矩方向容易被改变。所述铁磁性材料为CoFeB，CoNiCo，CoFe或NiFe。

所述间隔层3采用非磁性金属材料或氧化物类绝缘材料；所述非磁性金属材料为Cu或Au；所述氧化物类绝缘材料MgO或Al₂O₃。

需要说明的是，在本器件结构中所涉及到的材料均可采用但不限于任何具有与之相似功能性质的材料。

所述重金属环层所采用的材料为Pt(铂)，Ta(钽)或W(钨)。

需要说明的是，重金属环层的材料可以用具有拉什巴效应的反铁磁薄膜材料，或具有自旋霍尔效应的拓扑绝缘体材料代替；所述反铁磁薄膜材料例如化合物PtMn，化合物IrMn等；所述拓扑绝缘体材料例如BiSb合金等。

其中，重金属环层1、自由层2、间隔层3以及固定层4所采用的材料上述仅是为了清楚说明本方案列举的部分材料，上述具体材料对本方案不具有任何限定作用，可根据实际需求采用满足条件的任何材料。

另外，对于本实施例中所述的各层结构所采用材料中，化合物中各元素的配比含量可根据实际需求做任意调整。

为了使得器件顶端通入的电流更多的流入重金属环层1，可以要求重金属环层1的电阻远小于自由层2电阻。

本实施例中的MTJ器件为双端口器件，其中所述自由层2和所述重金属环层1的顶端为电流输入端，所述固定层4的底部为电流输出端；

所述重金属环层1，用于向所述自由层2的顶端注入电流时，在自旋霍尔效应的作用下产生自旋极化电流，并将所述自旋极化电流扩散至所述自由层2；

所述自由层2，用于将所述自旋极化电流通入所述间隔层3和所述固定层4，基于自旋轨道力矩和所述自由层2和间隔层3的界面处产生的自旋转移力矩，对所述自由层2的磁矩进行翻转。

本实施例MTJ器件的原理：

在MTJ器件的顶端通入电流，电流将流经重金属环层1与三层薄膜结构中位于顶端的自由层2部分。由于重金属环层1的电阻远小于自由层2电阻，因此在开始部分，电流主要流经重金属环层1，产生SOT效应。在自旋霍尔效应(SHE)的作用下，重金属环层1将会产生一个垂直于电流方向的自旋极化流。自旋极化流经扩散，该自旋极化流将进入到与其相邻的自由层2中。随后重金属环层1中的电流与自由层2中的电流将一同流入到间隔层3和固定层4，在自旋转移力矩效应的作用下，在自由层2与间隔层3的界面处将会产生一个自旋转移矩。在自旋轨道力矩效应与自旋转移力矩效应的作用下，器件中将产生自旋轨道力矩(SOT)与自旋转移力矩(STT)，并共同作用于自由层2的磁矩，进而使其发生翻转。最终，MTJ器件将以电流作为输入参量，以磁性隧道结的电阻态作为输出参量，在单个器件内实现对逻辑数据的存储功能。

由于STT效应是一种界面效应，因此虽然电流只是在自由层2末端才流经自由层2，但是依然可以产生全部的STT效应。所以本设计利用一股电流可以同时产生SOT效应和STT效应。

自旋霍尔效应(SHE)：

如图2所示，在重金属环层1中，对于自旋取向不同的电子，自旋轨道耦合产生的散射力的方向相反，使得两种自旋取向不同的电子分别聚集在重金属环层1的两侧，进而形成一股纯的自旋流。

自旋轨道力矩(SOT)效应原理：

当电流流过重金属环层1时，由于存在自旋霍尔效应(SHE)，该层中将会产生一个垂直于电流方向的自旋极化流。经扩散，该自旋极化流将会进入到相邻的铁磁层，即自由层2中，并对该铁磁层中的磁矩施加一个力矩的作用，从而实现自由层2磁矩的翻转，该力矩被称为自旋轨道力矩。

磁性隧道结的电阻态根据自由层2和固定层4的磁矩方向确定。其中，如图3(a)所示，所述自由层2和所述固定层4的磁矩方向呈现平行状态时，所述MTJ器件呈现低阻态；如图3(b)所示，所述自由层2和所述固定层4的磁矩方向呈现反平行状态时，所述MTJ器件呈现高阻态。利用磁性隧道结的电阻态可以表征和存储逻辑信息。

自旋转移力矩(STT)效应原理：

如图4(a)所示，MTJ器件从平行状态翻转为反平行状态的过程。当从自由层2注入电子流时(即从自由层2顶端注入负极性电流)，由于存在自旋散射效应，则与固定层4磁矩方向相同的电子能够顺利通过，而与其磁矩方向相反的电子则会被反射回自由层2。此时，自由层2中只剩下了与固定层4磁矩方向相反的电子，这些电子将会对自由层2的磁矩产生一个力矩的作用，该力矩被称为自旋转移力矩，进而使得自由层2的磁矩发生翻转。

如图4(b)所示，MTJ器件从反平行态翻转为平行状态的过程。当从固定层4注入电子流时(即从自由层2顶端注入正极性电流)，电子的磁矩将被固定层4的磁矩所极化，随后，这些电子发生隧穿，通过间隔层3，到达自由层2，进而对自由层2的磁矩产生了一个力矩的作用，该力矩被称为自旋转移力矩，从而使得自由层2的磁矩发生翻转。

本实施例中，基于外部包覆的重金属环层1，最大限度的利用自旋轨道力矩效应，将流经重金属环层1的电流进行二次利用，在产生自旋轨道力矩效应的同时还可以产生自旋转移力矩效应，实现电流驱动下MTJ器件翻转效率的明显提升，提高器件的翻转效率。能够进一步降低器件的翻转电流和翻转电压，避免击穿；提高器件的热稳定系数，使器件尺寸能够进一步微缩，并提高器件的稳定性；使器件的写入电流能够随器件尺寸的缩小而进一步降低，并降低器件的功耗。

实施例2

本实施例提供一种磁存储器件，包括至少一个存储单元；每个所述存储单元为实施例1所述的MTJ。

实施例3

本实施例提供一种实施例1中所述的MTJ的存储方法，所述方法包括：

获取MTJ器件的电阻态；所述电阻态包括高阻态和低阻态；当所述高阻态的逻辑数据为1时，所述低阻态的逻辑数据为0；当所述高阻态的逻辑数据为0时，所述低阻态的逻辑数据为1；

当所述电阻态为所述高阻态时，向所述MTJ器件的顶端通入正极性电流；

基于自旋轨道力矩效应和自旋转移力矩效应，所述自由层2的磁矩发生翻转，所述MTJ器件的电阻态变为所述低阻态，实现低阻态逻辑数据的存储；

当所述电阻态为所述低阻态时，向所述MTJ器件的顶端通入负极性电流；

基于所述自旋轨道力矩效应和所述自旋转移力矩效应，所述自由层2的磁矩发生翻转，所述MTJ器件的电阻态变为所述高阻态，实现高阻态逻辑数据的存储。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于core-shell的MTJ，其特征在于，所述MTJ器件包括：重金属环层和依次层叠设置的固定层、间隔层和自由层；

所述重金属环层套设于所述自由层的外侧壁上；

所述固定层和所述自由层均采用铁磁性材料；

所述间隔层采用非磁性金属材料或氧化物类绝缘材料；

所述自由层和所述重金属环层的顶端为电流输入端，所述固定层的底部为电流输出端；

所述重金属环层，用于向所述自由层的顶端注入电流时，在自旋霍尔效应的作用下产生自旋极化电流，并将所述自旋极化电流扩散至所述自由层；

所述自由层，用于将所述自旋极化电流通入所述间隔层和所述固定层，基于自旋轨道力矩和所述自由层和间隔层的界面处产生的自旋转移力矩，对所述自由层的磁矩进行翻转。

2.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述重金属环层与所述间隔层之间相距有预设距离。

3.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述固定层的矫顽力大于所述自由层的矫顽力。

4.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述重金属环层的电阻小于所述自由层的电阻。

5.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述重金属环层的顶端和所述自由层的顶端处于同一水平面。

6.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述铁磁性材料为CoFeB，CoNiCo，CoFe或NiFe；所述非磁性金属材料为Cu或Au；所述氧化物类绝缘材料为MgO或Al₂O₃；所述重金属环层采用的材料为Pt，Ta或W。

7.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述自由层和所述固定层的磁矩方向呈现平行状态时，所述MTJ器件呈现低阻态；所述自由层和所述固定层的磁矩方向呈现反平行状态时，所述MTJ器件呈现高阻态。

8.一种磁存储器件，其特征在于，包括至少一个存储单元；每个所述存储单元为权利要求1至7任一项所述的MTJ。

9.一种基于权利要求1至7任一项所述的MTJ的存储方法，其特征在于，所述方法包括：

获取MTJ器件的电阻态；所述电阻态包括高阻态和低阻态；当所述高阻态的逻辑数据为1时，所述低阻态的逻辑数据为0；当所述高阻态的逻辑数据为0时，所述低阻态的逻辑数据为1；

当所述电阻态为所述高阻态时，向所述MTJ器件的顶端通入正极性电流；

基于自旋轨道力矩效应和自旋转移力矩效应，所述自由层的磁矩发生翻转，所述MTJ器件的电阻态变为所述低阻态，实现低阻态逻辑数据的存储；

当所述电阻态为所述低阻态时，向所述MTJ器件的顶端通入负极性电流；

基于所述自旋轨道力矩效应和所述自旋转移力矩效应，所述自由层的磁矩发生翻转，所述MTJ器件的电阻态变为所述高阻态，实现高阻态逻辑数据的存储。

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