CN116403624B - 一种轨道转移力矩磁性随机存储器件及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道转移力矩磁性随机存储器件及其实现方法。本发明采用场效应晶体管作为选择器，通过字线对栅极施加开关电压，被选中的存储单元导通；通过第一写入线对二维层状贝利曲率层施加写入电流，轨道转移力矩驱动自由铁磁层的垂直磁化翻转，实现全电控的信息写入，并具有非易失性；通过读取线对异质结施加读取电流，直流电压表读取隧穿电阻，实现全电控的信息读取；通过写入电流改变自由铁磁层的垂直磁化方向，分别将隧穿电阻的低和高电阻态作为“0”和“1”进行二元信息存储，实现全电控的信息写入和读取；本发明实现无需外磁场辅助的垂直磁化翻转，为磁性随机存储器走向实际应用提供了理想的技术路线，有望实现大规模商业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储芯片技术，具体涉及一种轨道转移力矩磁性随机存储器件及其实现方法。
背景技术
随着信息技术和互联网的发展，人类进入大数据时代，每天有海量的数据需要进行传输、存储和分析。根据美国国际数据集团(IDC)预测，全球数据容量呈现指数增长，到2025年，全球数据容量将高达163 ZB。此外，在摩尔定律的驱动下，晶体管集成度不断增加，芯片计算性能不断提升。然而在冯﹒诺伊曼架构下，计算机的计算性能不仅取决于中央处理器（central processing unit, CPU）的计算速度，也受到存储器速度的限制。因而，实现低功耗和高存取效率的存储器件是一件非常重要和迫切的任务。目前内存存储器的技术路线包括闪存（Flash）、静态随机存储器（Static random-access memory, SRAM）、动态随机存储器（Dynamic random-access memory, DRAM）和磁性随机存储器（Magnetoresistiverandom-access memory, MRAM）等等。SRAM和DRAM分别具有速度快和容量大的优势，但SRAM和DRAM都是通过电荷或电流进行数据的存储，往往具有较大的静态功耗，而且一旦断电，就会造成数据的损失；Flash具有非易失性，数据在断电后仍可保持，然而其使用较为复杂，数据的写入和读取必须按块进行，而不能逐个字节执行；而MRAM兼具SRAM速度快和DRAM大容量的优势，且MRAM利用磁存储单元进行数据的存储，具有非易失性，即使断电也可以维持数据，也消除了静态功耗，具有数据存储密度高以及耗电功率低的特点。因而MRAM被视为理想的下一代存储器件。
MRAM的基本存储单元是磁隧道结（Magnetic tunneling junction, MTJ），其中包含两个铁磁层，两个铁磁层之间通过一个绝缘层隔开。两个铁磁层中，其中一个铁磁层具有较强的磁各向异性，其磁化方向被固定，通常通过与反铁磁材料钉扎来实现，称为钉扎层；而另外一个铁磁层的磁化方向则可自由改变，称为自由层。当自由层和钉扎层的磁化方向相同时，MTJ的隧穿电阻处于低电阻态；而当自由层和钉扎层的磁化方向相反时，MTJ的隧穿电阻则处于高电阻态。因而通过调节MTJ中自由铁磁层的磁化方向，即可控制MTJ中的隧穿电阻，实现“0”和“1”的二元信息读写。
在MRAM中，需要通过电学的方式控制MTJ中自由铁磁层的磁化翻转。第一代MRAM主要依赖电流产生的奥斯特磁场实现自由铁磁层的翻转。写入时，被选中的磁隧道结的字线和位线分别通入电流以产生互相垂直的两个磁场，它们的大小均不足以使自由层完成磁化翻转，但二者能够将彼此方向上的矫顽场大小降低至所产生的磁场以下，因此，只有交叉处的磁隧道结能够完成状态的写入。由于电流产生的磁场只有在一个很小的区域内用于实现磁化翻转，这样的MRAM显然会产生较大的功耗，且其结构较为复杂，不利于实际应用。
第二代MRAM基于自旋转移力矩（Spin-transfer torque, STT）实现磁化翻转。电流流过磁性层时，电流将被极化，形成自旋极化电流。在STT-MRAM中，电流流经钉扎铁磁层形成自旋极化的电流。这一自旋极化的电流流经自由铁磁层，电子将自旋角动量传递给自由层的磁矩，使自旋磁性层的磁矩获得自旋角动量后改变方向，实现磁化的翻转。STT-MRAM器件结构简单，且极大的降低了功耗，具有存储单元的横截面积减小、存储密度高等优势。STT-MRAM虽有诸多优势，但其仍面临挑战。STT-MRAM中读写路径不分离，因而较大的写入电流会流经隧穿结，导致较强的焦耳热，造成器件耐用性较差；此外，在STT-MRAM写入数据前，两个铁磁层的磁化方向几乎共线，即平行或者反平行，自旋转移矩是相对微弱的，随着磁化翻转过程的进行，向量夹角才逐渐增大，自旋转移矩才得以增强。所以，前期微弱的自旋转移矩会导致一个初始延迟，会限制写入速度，不利于高速缓存应用。
基于此，科学家们进一步提出了利用材料的自旋轨道耦合（spin-orbitcoupling, SOC）效应实现自旋轨道力矩（spin-orbit torque, SOT），进行磁化的翻转，成功的实现了读写路径的分离，且相比于STT-MRAM，SOT-MRAM是一种速度更快、密度更高、效率更高的存储技术。基于SOT的MRAM的写入速度可以达到皮秒级，其未来的应用势必会加速高性能计算和存储器件的发展。一般材料中，电子是自旋简并的；材料中的SOC会起到局域的等效磁场的作用，导致不同自旋的电子能带发生劈裂。不同自旋方向的电子受到等效磁场方向不同进而产生分流，进而产生净的自旋流。SOT利用非磁材料中的SOC相关效应，如自旋霍尔效应、界面Rashba-Edelstein效应或者拓扑绝缘体的拓扑表面态，来通过电荷流来诱导自旋流。通过构筑非磁SOC材料和铁磁层的异质结，这一自旋流作用于自由铁磁层，产生力矩作用，实现磁化翻转，进而达到调控磁性存储单元的目的。
目前SOT-MRAM的实际应用仍面临众多挑战。其中最关键的科学问题在于无论是利用界面Rashba效应、自旋霍尔效应还是拓扑绝缘体表面态产生SOT，都和面内磁化翻转兼容，而和面外磁化翻转不兼容。这是因为SOT利用界面Rashba效应、自旋霍尔效应或拓扑绝缘体表面态产生的自旋流都具有面内自旋极化，从而产生面内的反阻尼力矩，自然和面内磁化翻转兼容。而要利用SOT实现垂直磁化翻转，必须要外加磁场辅助或设计不对称的器件结构，不利于实际应用。对于具有面内磁各向异性的材料，随着芯片工艺制程不断缩小，铁磁层薄膜会产生边缘磁化出现涡旋效应，不利于信息的读写，同时会增加功耗。这就导致随着工艺制程的缩小，其可靠性会不断降低。而对于具有垂直磁各向异性（perpendicularmagnetic anisotropy, PMA）的材料，则对于形状不敏感，其尺寸越小反而更有利于垂直磁化。因而，具有PMA的材料更容易实现大规模集成和快速翻转，稳定性更高，是未来MRAM应用的主流选择。要利用SOT实现PMA的磁化翻转，必须施加外磁场或引入结构的不对称性进行辅助翻转。SOT与PMA的磁化翻转不兼容为其实际应用带来了挑战。
综上所述，MRAM作为一种新型存储器，具有高密度集成、读写速度快和功耗低等优势，被视为理想的下一代存储器件。此外，MRAM由于其快速读写的特点，在存算一体器件应用中存在巨大优势。美国、日本和欧洲各国都投入大量资金用于加速MRAM器件的商业化。目前STT-MRAM已实现商业化并占据了部分市场份额，而更受期待的SOT-MRAM仍处于实验室研究阶段。STT-MRAM仍面临读写路径不分离、耐用性差、速度慢的缺点，而SOT-MRAM读写速度更快，功耗更低，但其与PMA翻转不兼容成为了其迈向实际应用的一大障碍。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种轨道转移力矩磁性随机存储器件及其实现方法，利用轨道转移力矩(orbit-transfer torque, OTT)实现全电控的垂直磁化翻转，无需外磁场辅助翻转，同时具有耐用性好、功耗低及高速翻转的优势，构建二维层状贝利曲率层与磁隧道结(MTJ)层的异质结，利用二维层状贝利曲率层实现轨道流驱动垂直磁化翻转。
本发明的一个目的在于提出一种轨道转移力矩磁性随机存储器件。
本发明的轨道转移力矩磁性随机存储器件包括：衬底、绝缘介质层和存储单元阵列；衬底为导电材料，绝缘介质层覆盖在衬底上，多个存储单元二维周期性排布形成存储单元阵列，存储单元阵列设置在绝缘介质层上；每一个存储单元包括：选择器、字线、第一写入线、第二写入线、异质结、读取线和绝缘封装层；其中，选择器设置在绝缘介质层上，每一个存储单元位于二维的存储单元阵列中的位置作为此存储单元的位点，选择器采用场效应晶体管，以场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别作为选择器的源极、漏极和栅极，通过选择器控制是否在对应位点的存储单元进行信息写入或读取；在绝缘介质层上分别形成三个金属电极，三个金属电极之间有距离且互相绝缘，其中一个金属电极作为字线，另外两个金属电极分别作为第一写入线和第二写入线，选择器的栅极与字线连接；第二写入线与选择器的源极连接，选择器的漏极接地；在绝缘介质层上形成异质结，且异质结的底部边缘分别接触第一写入线和第二写入线，异质结包括二维层状贝利曲率层和磁隧道结层，二维层状贝利曲率层采用具有轨道转移力矩的材料，具有非零的贝利曲率偶极矩，在二维层状贝利曲率层中存在电流驱动的轨道磁矩极化，即电流诱导轨道流，能够产生面外反阻尼力矩，实现电流驱动的垂直磁化翻转；磁隧道结层从下至上依次包括自由铁磁层、绝缘隧穿层和钉扎铁磁层，自由铁磁层与二维层状贝利曲率层直接接触，绝缘隧穿层处于自由铁磁层与钉扎铁磁层之间，将二者隔开，二维层状贝利曲率层的底部分别与第一和第二写入线接触，而磁隧道结层与第一和第二写入线之间无接触；在钉扎铁磁层上形成读取线；绝缘封装层覆盖读取线和钉扎铁磁层的表面，实现对整个轨道转移力矩磁性随机存储器件的保护；第一直流电压源的正极连接第一写入线，负极接地；第二直流电压源的正极连接字线，负极接地；直流电流源的正极连接读取线，负极接地，直流电压表正极连接读取线，负极接地；
选取存储单元的位点，利用第二直流电压源通过字线对选取的存储单元的位点对应的选择器的栅极施加开关电压，存储单元导通，能够进行信息写入或读取；对于选中的存储单元，利用第一直流电压源通过第一写入线对二维层状贝利曲率层施加写入电流，在二维层状贝利曲率层中通入电流，驱动二维层状贝利曲率层产生轨道流，造成面外反阻尼力矩，轨道流造成的面外反阻尼力矩为轨道转移力矩OTT，二维层状贝利曲率层产生的轨道转移力矩驱动磁隧道结层中自由铁磁层的垂直磁化翻转，实现全电控的信息写入；二维层状贝利曲率层中产生的轨道流与写入电流的方向密切相关，通过设置写入电流的正负控制产生的轨道流的方向：当写入电流反向时，产生的轨道流也会反向，从而产生的轨道转移力矩也会反向，能够分别造成自由铁磁层的垂直磁化方向实现由上到下或由下到上的翻转；利用写入电流实现自由铁磁层的垂直磁化翻转后，撤去写入电流，减少功耗，自由铁磁层具有非易失性，撤去写入电流后自由铁磁层的磁化状态保持不变，从而具有非易失性；利用直流电流源通过读取线对异质结施加读取电流IR，读取电流IR远小于写入电流；读取电流IR通过钉扎铁磁层，再利用隧穿效应通过绝缘隧穿层，再经由自由铁磁层进入二维层状贝利曲率层后返回直流电流源负极；直流电压表读取钉扎铁磁层与二维层状贝利曲率层之间的电势差VR，得到磁隧道结层的隧穿电阻R=VR/IR，实现全电控的信息读取；在自由铁磁层磁化翻转的过程中钉扎铁磁层的磁化保持固定，从而通过写入电流改变自由铁磁层的垂直磁化方向，分别实现自由铁磁层和钉扎铁磁层之间垂直磁化的平行和反平行，进而实现隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态，分别将隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态作为“0”和“1”进行二元信息存储，实现全电控的信息写入和读取。
二维层状贝利曲率层是指具有非零的贝利曲率偶极矩的二维层状材料。贝利曲率是描述固体中布洛赫电子波函数几何相位的物理量。贝利曲率和轨道磁矩密切相连，具有非零的贝利曲率的体系通常具有非零的轨道磁矩。贝利曲率偶极矩则描述了贝利曲率在动量空间的偶极矩，即描述了贝利曲率在动量空间的不对称分布。在电场作用下，电子费米面发生倾斜。在存在贝利曲率偶极矩的体系中，会引起净的贝利曲率。由于贝利曲率与轨道磁矩紧密联系，这又会进一步引起净的沿着面外方向的轨道磁矩极化，产生的轨道极化正比于所施加的电场E与贝利曲率偶极矩D的点乘。
轨道流是指具有轨道磁矩极化的电流，也即沿着电流方向运动的电子中轨道磁矩向上的电子和轨道磁矩向下的电子数目不同。轨道磁矩是固体中布洛赫电子的一个固有属性，其源于布洛赫电子自旋转所产生的轨道角动量。在晶体中，电子以布洛赫波包的形式存在。不同于自由电子，布洛赫电子实际上描述了大量电子的集体运动，在实空间的分布存在展宽，所以波包往往会绕着自身的质量中心自旋转，从而具有角动量，这一角动量被称为轨道角动量。我们已经知道，对于自由电子而言，电子的自旋角动量对应于自旋磁矩；同理，轨道角动量也对应于轨道磁矩。在二维材料中，二维平面的限制决定了轨道磁矩必定沿着面外方向排列。
面外反阻尼力矩是指可实现垂直磁化翻转的反阻尼力矩。当电流驱动磁矩极化时，可对近邻的铁磁层产生反阻尼力矩，其形式为, 其中是铁磁层的磁化方向矢量，是反阻尼系数，是电流驱动的磁矩极化矢量。在自旋轨道力矩SOT中，沿着面内方向，所产生的反阻尼力矩为面内反阻尼力矩，和垂直磁化翻转不兼容。而当磁矩极化沿着面外方向时，即沿着面外方向时，所产生的反阻尼力矩即面外反阻尼力矩，此时可实现无需外磁场辅助的垂直磁化翻转。在二维层状贝利曲率层中存在贝利曲率偶极矩，利用电流产生轨道流，由于轨道磁矩的极化沿着面外方向，此时产生的反阻尼力矩即面外反阻尼力矩，因而可实现无需外磁场辅助的垂直磁化翻转。轨道转移力矩OTT即指在二维层状贝利曲率层中利用电流产生轨道流，对近邻的铁磁层所产生的面外反阻尼力矩。
衬底采用导电材料，如重电子掺杂的硅衬底。绝缘介质层采用绝缘材料，如SiO2。
选择器采用硅基场效应晶体管。
字线、第一和第二写入线以及读取线均采用导电金属，如金或铂。
二维层状贝利曲率层的材料采用二碲化钨WTe2，厚度为2nm ~10 nm，在二碲化钨中，由于表面对称性破缺，其存在沿着晶体a轴的贝利曲率偶极矩；磁隧道结层中自由铁磁层采用具有垂直磁各向异性的铁磁材料，厚度为1nm ~1.3 nm；钉扎铁磁层采用具有垂直磁各向异性的铁磁材料或者具有垂直磁各向异性铁磁材料与反铁磁材料的异质结，厚度为1nm ~1.3 nm；磁隧道结层中绝缘隧穿层采用绝缘材料，厚度为0.5nm ~2nm。
绝缘封装层采用绝缘材料，厚度为5nm ~20 nm。
写入电流需要大于二维层状贝利曲率层与磁隧道结层的异质结中能够实现自由铁磁层垂直磁化翻转的临界电流Ic~ 1 mA。读取电流IR远小于临界电流Ic，通常取μA量级。
存储单元阵列的周期1μm~2μm。
本发明的另一个目的在于提出一种轨道转移力矩磁性随机存储器件的实现方法。
本发明的轨道转移力矩磁性随机存储器件的实现方法，包括以下步骤：
1) 制备轨道转移力矩磁性随机存储器件；
2) 选取存储单元的位点，利用第二直流电压源通过字线对选取的存储单元的位点对应的选择器的栅极施加开关电压，存储单元导通，能够进行信息写入或读取；
3) 对于选中的存储单元，利用第一直流电压源通过第一写入线对二维层状贝利曲率层施加写入电流，在二维层状贝利曲率层中通入电流，驱动二维层状贝利曲率层产生轨道流，造成面外反阻尼力矩，轨道流造成的面外反阻尼力矩为轨道转移力矩OTT，二维层状贝利曲率层产生的轨道转移力矩驱动磁隧道结层中自由铁磁层的垂直磁化翻转，实现全电控的信息写入；
二维层状贝利曲率层中产生的轨道流与写入电流的方向密切相关，通过分别设置正向写入电流IW和反向写入电流-IW，分别产生沿着相反方向的轨道转移力矩：当写入电流反向时，产生的轨道流也会反向，从而产生的轨道转移力矩也会反向，能够分别造成自由铁磁层的垂直磁化方向实现由上到下或由下到上的翻转；
4) 利用写入电流实现自由铁磁层的垂直磁化翻转后，撤去写入电流，减少功耗，自由铁磁层具有非易失性，撤去写入电流后自由铁磁层的磁化状态保持不变，从而具有非易失性；
5) 利用直流电流源通过读取线对异质结施加读取电流IR，读取电流IR远小于写入电流；读取电流IR通过钉扎铁磁层，再利用隧穿效应通过绝缘隧穿层，再经由自由铁磁层进入二维层状贝利曲率层后返回直流电流源负极；直流电压表读取钉扎铁磁层与二维层状贝利曲率层之间的电势差VR，得到磁隧道结层的隧穿电阻R=VR/IR，实现全电控的信息读取；6)在自由铁磁层磁化翻转的过程中钉扎铁磁层的磁化保持固定，轨道转移力矩和写入电流之间呈线性关系，通过将写入电流反向，步骤3）中正向写入电流IW与反向写入电流 -IW为反向，导致二者产生的轨道转移力矩反向，从而分别通过正向写入电流IW与反向写入电流-IW控制自由铁磁层的垂直磁化方向，分别实现自由铁磁层和钉扎铁磁层之间垂直磁化的平行和反平行，分别对应隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态；分别将隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态作为“0”和“1”进行二元信息存储，实现全电控的信息写入和读取。
其中，在步骤1）中，制备轨道转移力矩磁性随机存储器件，包括以下步骤：
a) 提供导电材料作为衬底，在衬底的正面形成绝缘介质层；
b) 利用半导体工艺在绝缘介质层上形成选择器阵列，选择器阵列包括二维周期性排布的多个选择器，选择器采用场效应晶体管，以场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别作为选择器的源极、漏极和栅极；
c) 对应每一个选择器，利用光刻技术和镀膜技术在绝缘介质层上形成分别形成三个金属电极，三个金属电极之间有距离且互相绝缘，其中一个金属电极作为字线，另外两个金属电极分别作为第一写入线和第二写入线，选择器的栅极与字线连接；第二写入线与选择器的源极连接，选择器的漏极接地；
d) 利用脉冲激光沉积的方法在绝缘介质层上且位于第一写入线、第二写入线及二者之间的区域上方生长二维层状贝利曲率层，二维层状贝利曲率层的底部边缘分别接触第一写入线和第二写入线；
e) 利用磁控溅射镀膜技术在二维层状贝利曲率层上依次形成自由铁磁层、绝缘隧穿层以及钉扎铁磁层，从而形成磁隧道结层，二维层状贝利曲率层和磁隧道结层构成异质结；
f) 利用光刻技术和刻蚀技术刻蚀异质结的多余部分，仅保留覆盖在第一写入线和第二写入线之间的部分；
g) 利用光刻技术和镀膜技术在钉扎铁磁层上形成读取线；
h) 利用磁控溅射镀膜技术在钉扎铁磁层上形成绝缘封装层，绝缘封装层覆盖读取线和钉扎铁磁层的表面，实现对整个轨道转移力矩磁性随机存储器件的保护；
i) 第一直流电压源的正极连接第一写入线，负极接地；第二直流电压源的正极连接字线，负极接地；直流电流源的正极连接读取线，负极接地，直流电压表正极连接读取线，负极接地。
在步骤2）中，对选择器的栅极施加的开关电压为0.4 V~1 V。
在步骤3）中，正向写入电流需要大于二维层状贝利曲率层与磁隧道结层的异质结中能够实现自由铁磁层垂直磁化翻转的临界电流Ic~ 1 mA；
在步骤5）中，读取电流IR远小于临界电流Ic，通常取μA量级。
本发明的优点：
本发明利用轨道磁矩极化产生轨道转移力矩OTT，从而无需外磁场辅助即可实现垂直磁化翻转，并实现了新一代磁性随机存储器件，即OTT-MRAM；不同于自旋转移力矩STT和自旋轨道力矩SOT利用材料中电子自旋自由度，OTT利用布洛赫电子的轨道磁矩实现无需外磁场辅助的垂直磁化翻转；OTT-MRAM结合了STT-MRAM和SOT-MRAM的优势而避免了其缺点；OTT-MRAM和SOT-MRAM一样是三端器件，避免了STT-MRAM中读写电流路径不分离的问题；此外，OTT-MRAM利用OTT效应可实现无需外磁场辅助的垂直磁化翻转，突破了SOT-MRAM目前所面临的障碍；在二维材料中，自旋仍可位于面内，而布洛赫电子的轨道磁矩由于维度限制只能沿着面外方向；因而在二维材料中若能实现轨道磁矩极化，即可实现面外的反阻尼力矩，其作用于近邻的铁磁层即可实现无需外磁场辅助的垂直磁化翻转；OTT-MRAM为MRAM走向实际应用提供了理想的技术路线，有望实现大规模商业化应用。
附图说明
图1为本发明的轨道转移力矩磁性随机存储器件的一个实施例的剖面图；
图2为本发明的轨道转移力矩磁性随机存储器件的一个实施例的流程图，其中，（a）~（f）分别为每一个步骤的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的轨道转移力矩磁性随机存储器件包括：衬底1、绝缘介质层2和存储单元阵列；衬底1为导电材料，绝缘介质层2覆盖在衬底上，多个存储单元二维周期性排布形成存储单元阵列，存储单元阵列设置在绝缘介质层2上；每一个存储单元包括：选择器3、字线4、第一写入线5、第二写入线6、异质结、读取线11和绝缘封装层12；其中，选择器3设置在绝缘介质层上，每一个存储单元位于二维的存储单元阵列中的位置作为此存储单元的位点，选择器3采用场效应晶体管，以场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别作为选择器3的源极S、漏极D和栅极G，通过选择器3控制是否在对应位点的存储单元进行信息写入或读取；在绝缘介质层上分别形成三个金属电极，三个金属电极之间有距离且互相绝缘，其中一个金属电极作为字线4，另外两个金属电极分别作为第一写入线5和第二写入线6，选择器3的栅极G与字线4连接；第二写入线6与选择器3的源极S连接，选择器3的漏极D接地，通过第一写入线5和第二写入线6为二维层状贝利曲率层中通入电流；在绝缘介质层上形成异质结，且异质结的底部边缘分别接触第一写入线5和第二写入线6，异质结包括二维层状贝利曲率层7和磁隧道结层，二维层状贝利曲率层7采用具有轨道转移力矩的材料，具有非零的贝利曲率偶极矩，在二维层状贝利曲率层7中存在电流驱动的轨道磁矩极化，即电流诱导轨道流，能够产生面外反阻尼力矩，实现电流驱动的垂直磁化翻转；磁隧道结层从下至上依次包括自由铁磁层8、绝缘隧穿层9和钉扎铁磁层10，自由铁磁层8采用具有垂直磁各向异性的铁磁材料，与二维层状贝利曲率层7直接接触，绝缘隧穿层9采用绝缘材料，处于自由铁磁层8和钉扎铁磁层10之间，将二者隔开，钉扎铁磁层10采用具有垂直磁各向异性的铁磁材料或者具有垂直磁各向异性铁磁材料与反铁磁材料的异质结，二维层状贝利曲率层7的底部分别与第一和第二写入线5和6接触，而磁隧道结层与第一和第二写入线5和6之间无接触；在钉扎铁磁层10上形成读取线11；绝缘封装层12覆盖读取线11和钉扎铁磁层10的表面，实现对整个轨道转移力矩磁性随机存储器件的保护；第一直流电压源的正极连接第一写入线5，负极接地；第二直流电压源的正极连接字线4，负极接地；直流电流源的正极连接读取线11，负极接地，直流电压表正极连接读取线11，负极接地。
在本实施例中，衬底采用重电子掺杂的硅衬底；绝缘介质层采用285 nm厚的SiO2；选择器3采用标准硅基场效应晶体管；字线4、第一写入线5，第二写入线6和读取线11采用厚度3 nm的Au；二维层状贝利曲率层7采用厚度4nm的WTe2；磁隧道结层中自由铁磁层8和钉扎铁磁层10选择具有垂直磁各向异性的厚度1 nm的铁磁材料钴铁硼Co20Fe60B20；磁隧道结层中绝缘隧穿层9采用厚度1 nm的绝缘隧穿材料氧化镁MgO；绝缘封装层12采用厚度12 nm的绝缘材料氧化镁MgO。
本实施例的轨道转移力矩磁性随机存储器件的实现方法，包括以下步骤：
1) 制备轨道转移力矩磁性随机存储器件：
a) 提供硅作为衬底1，在衬底的正面形成绝缘介质层2；
b) 利用半导体工艺在绝缘介质层上形成选择器阵列，选择器阵列包括二维周期性排布的多个选择器3，选择器3采用场效应晶体管，以场效应晶体管的源极S、漏极D和栅极G分别作为选择器3的源极S、漏极D和栅极G；
c) 对应每一个选择器3，利用光刻技术和电子束蒸镀或磁控溅射的镀膜技术在绝缘介质层上形成分别形成三个金属电极，三个金属电极之间有距离且互相绝缘，其中一个金属电极作为字线4，另外两个金属电极分别作为第一写入线5和第二写入线6，选择器3的栅极G与字线4连接；第二写入线6与选择器3的源极S连接，选择器3的漏极D接地，如图2中（a）所示；
d) 利用脉冲激光沉积的方法或者化学气相沉积的方法在绝缘介质层上对应每一组第一写入线5和第二写入线6，大面积生长二维层状贝利曲率层77，二维层状贝利曲率层7的底部边缘分别接触对应的第一写入线5和第二写入线6，如图2中（b）所示；
e) 利用磁控溅射镀膜技术在二维层状贝利曲率层7上依次形成自由铁磁层8、绝缘隧穿层9以及钉扎铁磁层10，从而形成磁隧道结层，二维层状贝利曲率层7和磁隧道结层构成异质结，如图2中（c）所示；
f) 利用光刻技术和刻蚀技术刻蚀异质结的多余部分，仅保留覆盖在第一写入线5和第二写入线6之间的部分，如图2中（d）所示；
g) 利用光刻技术和镀膜技术在钉扎铁磁层10上形成读取线11，如图2中（e）所示；
h) 利用磁控溅射镀膜技术在钉扎铁磁层10上形成绝缘封装层12，绝缘封装层12覆盖读取线11和钉扎铁磁层10的表面，实现对整个轨道转移力矩磁性随机存储器件的保护，如图2中（f）所示；
i) 第一直流电压源的正极连接第一写入线5，负极接地；第二直流电压源的正极连接字线4，负极接地；直流电流源的正极连接读取线11，负极接地，直流电压表正极连接读取线11，负极接地；
2) 选取存储单元的位点，利用第二直流电压源通过字线4对选取的存储单元的位点对应的选择器3的栅极G施加约0.5 V的开关电压，存储单元导通，能够进行信息写入或读取；3) 对于选中的存储单元，利用第一直流电压源通过第一写入线5对二维层状贝利曲率层7施加约1.5 mA的写入电流，在二维层状贝利曲率层7中通入电流，驱动二维层状贝利曲率层7产生轨道流，造成面外反阻尼力矩，轨道流造成的面外反阻尼力矩为轨道转移力矩OTT，二维层状贝利曲率层7产生的轨道转移力矩驱动磁隧道结层中自由铁磁层8的垂直磁化翻转，实现全电控的信息写入；
二维层状贝利曲率层7中产生的轨道流与写入电流的方向密切相关，通过分别设置正向写入电流IW和反向写入电流-IW，分别产生沿着相反方向的轨道转移力矩：当写入电流反向时，产生的轨道流也会反向，从而产生的轨道转移力矩也会反向，能够分别造成自由铁磁层8的垂直磁化方向实现由上到下或由下到上的翻转；
4) 利用写入电流实现自由铁磁层8的垂直磁化翻转后，撤去写入电流，减少功耗，自由铁磁层8具有非易失性，撤去写入电流后自由铁磁层8的磁化状态保持不变，从而具有非易失性；
5) 利用直流电流源通过读取线11对异质结施加约1μA读取电流IR，读取电流IR远小于写入电流；读取电流IR通过钉扎铁磁层10，再利用隧穿效应通过绝缘隧穿层9，再经由自由铁磁层8进入二维层状贝利曲率层7后返回直流电流源负极；直流电压表读取钉扎铁磁层10与二维层状贝利曲率层7之间的电势差VR，得到磁隧道结层的隧穿电阻R=VR/IR，实现全电控的信息读取；
6) 在自由铁磁层8磁化翻转的过程中钉扎铁磁层10的磁化保持固定，轨道转移力矩和写入电流之间呈线性关系，通过将写入电流反向，步骤3）中正向写入电流IW与反向写入电流 -IW为反向，导致二者产生的轨道转移力矩反向，从而分别通过正向写入电流IW与反向写入电流-IW控制自由铁磁层8的垂直磁化方向，分别实现自由铁磁层8和钉扎铁磁层10之间垂直磁化的平行和反平行，分别对应隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态；分别将隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态作为“0”和“1”进行二元信息存储，实现全电控的信息写入和读取。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述轨道转移力矩磁性随机存储器件包括：衬底、绝缘介质层和存储单元阵列；衬底为导电材料，绝缘介质层覆盖在衬底上，多个存储单元二维周期性排布形成存储单元阵列，存储单元阵列设置在绝缘介质层上；每一个存储单元包括：选择器、字线、第一写入线、第二写入线、异质结、读取线和绝缘封装层；其中，选择器设置在绝缘介质层上，每一个存储单元位于二维的存储单元阵列中的位置作为此存储单元的位点，选择器采用场效应晶体管，以场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别作为选择器的源极、漏极和栅极，通过选择器控制是否在对应位点的存储单元进行信息写入或读取；在绝缘介质层上分别形成三个金属电极，三个金属电极之间有距离且互相绝缘，其中一个金属电极作为字线，另外两个金属电极分别作为第一写入线和第二写入线，选择器的栅极与字线连接；第二写入线与选择器的源极连接，选择器的漏极接地；在绝缘介质层上形成异质结，且异质结的底部边缘分别接触第一写入线和第二写入线，异质结包括二维层状贝利曲率层和磁隧道结层，二维层状贝利曲率层采用具有轨道转移力矩的材料，具有非零的贝利曲率偶极矩，在二维层状贝利曲率层中存在电流驱动的轨道磁矩极化，即电流诱导轨道流，能够产生面外反阻尼力矩，实现电流驱动的垂直磁化翻转；磁隧道结层从下至上依次包括自由铁磁层、绝缘隧穿层和钉扎铁磁层，自由铁磁层与二维层状贝利曲率层直接接触，绝缘隧穿层处于自由铁磁层与钉扎铁磁层之间，将二者隔开，二维层状贝利曲率层的底部分别与第一和第二写入线接触，而磁隧道结层与第一和第二写入线之间无接触；在钉扎铁磁层上形成读取线；绝缘封装层覆盖读取线和钉扎铁磁层的表面，实现对整个轨道转移力矩磁性随机存储器件的保护；第一直流电压源的正极连接第一写入线，负极接地；第二直流电压源的正极连接字线，负极接地；直流电流源的正极连接读取线，负极接地，直流电压表正极连接读取线，负极接地；
选取存储单元的位点，利用第二直流电压源通过字线对选取的存储单元的位点对应的选择器的栅极施加开关电压，存储单元导通，能够进行信息写入或读取；对于选中的存储单元，利用第一直流电压源通过第一写入线对二维层状贝利曲率层施加写入电流，在二维层状贝利曲率层中通入电流，驱动二维层状贝利曲率层产生轨道流，造成面外反阻尼力矩，轨道流造成的面外反阻尼力矩为轨道转移力矩，二维层状贝利曲率层产生的轨道转移力矩驱动磁隧道结层中自由铁磁层的垂直磁化翻转，实现全电控的信息写入；二维层状贝利曲率层中产生的轨道流与写入电流的方向密切相关，通过设置写入电流的正负控制产生的轨道流的方向：当写入电流反向时，产生的轨道流也会反向，从而产生的轨道转移力矩也会反向，能够分别造成自由铁磁层的垂直磁化方向实现由上到下或由下到上的翻转；利用写入电流实现自由铁磁层的垂直磁化翻转后，撤去写入电流，减少功耗，自由铁磁层具有非易失性，撤去写入电流后自由铁磁层的磁化状态保持不变，从而具有非易失性；利用直流电流源通过读取线对异质结施加读取电流IR，读取电流IR小于写入电流；读取电流IR通过钉扎铁磁层，再利用隧穿效应通过绝缘隧穿层，再经由自由铁磁层进入二维层状贝利曲率层后返回直流电流源负极；直流电压表读取钉扎铁磁层与二维层状贝利曲率层之间的电势差VR，得到磁隧道结层的隧穿电阻R=VR/IR，实现全电控的信息读取；在自由铁磁层磁化翻转的过程中钉扎铁磁层的磁化保持固定，从而通过写入电流改变自由铁磁层的垂直磁化方向，分别实现自由铁磁层和钉扎铁磁层之间垂直磁化的平行和反平行，进而实现隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态，分别将隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态作为“0”和“1”进行二元信息存储，实现全电控的信息写入和读取。
2.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述衬底采用导电材料。
3.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述选择器采用硅基场效应晶体管。
4.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述二维层状贝利曲率层的材料采用二碲化钨，厚度为2~10 nm。
5.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述自由铁磁层采用具有垂直磁各向异性的铁磁材料，厚度为1 nm ~1.3 nm。
6.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述钉扎铁磁层采用具有垂直磁各向异性的铁磁材料或者具有垂直磁各向异性铁磁材料与反铁磁材料的异质结，厚度为1 nm ~1.3 nm。
7.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述磁隧道结层中绝缘隧穿层采用绝缘材料，厚度为0.5 nm ~2 nm。
8.如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件，其特征在于，所述绝缘封装层采用绝缘材料，厚度为5 nm ~20 nm。
9.一种如权利要求1所述的轨道转移力矩磁性随机存储器件的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1) 制备轨道转移力矩磁性随机存储器件；
2) 选取存储单元的位点，利用第二直流电压源通过字线对选取的存储单元的位点对应的选择器的栅极施加开关电压，存储单元导通，能够进行信息写入或读取；
3) 对于选中的存储单元，利用第一直流电压源通过第一写入线对二维层状贝利曲率层施加写入电流，在二维层状贝利曲率层中通入电流，驱动二维层状贝利曲率层产生轨道流，造成面外反阻尼力矩，轨道流造成的面外反阻尼力矩为轨道转移力矩OTT，二维层状贝利曲率层产生的轨道转移力矩驱动磁隧道结层中自由铁磁层的垂直磁化翻转，实现全电控的信息写入；
二维层状贝利曲率层中产生的轨道流与写入电流的方向密切相关，通过分别设置正向写入电流IW和反向写入电流-IW，分别产生沿着相反方向的轨道转移力矩：当写入电流反向时，产生的轨道流也会反向，从而产生的轨道转移力矩也会反向，能够分别造成自由铁磁层的垂直磁化方向实现由上到下或由下到上的翻转；
4) 利用写入电流实现自由铁磁层的垂直磁化翻转后，撤去写入电流，减少功耗，自由铁磁层具有非易失性，撤去写入电流后自由铁磁层的磁化状态保持不变，从而具有非易失性；
5) 利用直流电流源通过读取线对异质结施加读取电流IR，读取电流IR小于写入电流；读取电流IR通过钉扎铁磁层，再利用隧穿效应通过绝缘隧穿层，再经由自由铁磁层进入二维层状贝利曲率层后返回直流电流源负极；直流电压表读取钉扎铁磁层与二维层状贝利曲率层之间的电势差VR，得到磁隧道结层的隧穿电阻R=VR/IR，实现全电控的信息读取；
6) 在自由铁磁层磁化翻转的过程中钉扎铁磁层的磁化保持固定，轨道转移力矩和写入电流之间呈线性关系，通过将写入电流反向，步骤3）中正向写入电流IW与反向写入电流-IW为反向，导致二者产生的轨道转移力矩反向，从而分别通过正向写入电流IW与反向写入电流-IW控制自由铁磁层的垂直磁化方向，分别实现自由铁磁层和钉扎铁磁层之间垂直磁化的平行和反平行，分别对应隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态；分别将隧穿电阻R的低电阻态和高电阻态作为“0”和“1”进行二元信息存储，实现全电控的信息写入和读取。
10.如权利要求9所述的实现方法，其特征在于，在步骤1）中，制备轨道转移力矩磁性随机存储器件，包括以下步骤：
a) 提供导电材料作为衬底，在衬底的正面形成绝缘介质层；
b) 利用半导体工艺在绝缘介质层上形成选择器阵列，选择器阵列包括二维周期性排布的多个选择器，选择器采用场效应晶体管，以场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别作为选择器的源极、漏极和栅极；
c) 对应每一个选择器，利用光刻技术和镀膜技术在绝缘介质层上形成分别形成三个金属电极，三个金属电极之间有距离且互相绝缘，其中一个金属电极作为字线，另外两个金属电极分别作为第一写入线和第二写入线，选择器的栅极与字线连接；第二写入线与选择器的源极连接，选择器的漏极接地；
d) 利用脉冲激光沉积的方法在绝缘介质层上且位于第一写入线、第二写入线及二者之间的区域上方生长二维层状贝利曲率层，二维层状贝利曲率层的底部边缘分别接触第一写入线和第二写入线；
e) 利用磁控溅射镀膜技术在二维层状贝利曲率层上依次形成自由铁磁层、绝缘隧穿层以及钉扎铁磁层，从而形成磁隧道结层，二维层状贝利曲率层和磁隧道结层构成异质结；
f) 利用光刻技术和刻蚀技术刻蚀异质结的多余部分，仅保留覆盖在第一写入线和第二写入线之间的部分；
g) 利用光刻技术和镀膜技术在钉扎铁磁层上形成读取线；
h) 利用磁控溅射镀膜技术在钉扎铁磁层上形成绝缘封装层，绝缘封装层覆盖读取线和钉扎铁磁层的表面，实现对整个轨道转移力矩磁性随机存储器件的保护；
i) 第一直流电压源的正极连接第一写入线，负极接地；第二直流电压源的正极连接字线，负极接地；直流电流源的正极连接读取线，负极接地，直流电压表正极连接读取线，负极接地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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