CN111697127B - 自旋轨道矩磁性器件、磁性隧道结器件及磁存储器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种自旋轨道矩磁性器件、磁性隧道结器件及磁存储器，该自旋轨道矩磁性器件包括：第一磁性自由层、金属耦合层以及第二磁性自由层，所述金属耦合层设置在所述第一磁性自由层的上方，所述第二磁性自由层设置在所述金属耦合层上方；所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层具有垂直磁各向异性；所述金属耦合层用于提供交换相互作用以使所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层实现反铁磁耦合。
Description
技术领域
本申请涉及磁存储器技术领域，特别涉及一种自旋轨道矩磁性器件、磁性隧道结器件及磁存储器。
背景技术
磁存储器是一种新型非易失性存储器，采用磁矩磁化方向向上或向下来存储数据的“0”或“1”，是后摩尔时代解决芯片功耗瓶颈问题的关键技术之一。自旋轨道矩(SpinOrbit Torque，SOT)是利用电流操作磁存储器磁化翻转的重要方式之一。现有的SOT翻转利用了重金属引线层中的强自旋轨道耦合效应(Spin Orbit Coupling，SOC)，将横向外加电流转化为自旋流，在重金属层或磁性层界面处形成自旋累积，并在外加面内磁场的作用下实现翻转垂直磁各向异性磁隧道结。现有的这种方式仅利用了单界面自旋累积，磁化翻转效率存在进一步提升的空间，因此研究更高效的磁化翻转方式是本领域的研究重点。
发明内容
本申请提供一种自旋轨道矩磁性器件、磁性隧道结器件及磁存储器。
本申请的一个方面，提供了一种自旋轨道矩磁性器件，该自旋轨道矩磁性器件包括：第一磁性自由层、金属耦合层以及第二磁性自由层，所述金属耦合层设置在所述第一磁性自由层的上方，所述第二磁性自由层设置在所述金属耦合层的上方；所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层具有垂直磁各向异性；所述金属耦合层用于提供交换相互作用以使所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层实现反铁磁耦合。
可选的，当所述自旋轨道矩磁性器件通入大致平行于面内方向的电流时，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层内部产生垂直方向的自旋流，所述自旋流于所述第一磁性自由层的下表面和所述第二磁性自由层的上表面产生极化方向相反的自旋累积，所述自旋累积用于驱动所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向翻转。
可选的，本申请的自旋轨道矩磁性器件还包括：设置在所述第一磁性自由层下方的衬底层；所述衬底层用于吸收并散射所述第一磁性自由层产生的自旋流。
可选的，所述衬底层具有反铁磁性，用于形成对称破坏场。
本申请的另一个方面，提供了一种磁性隧道结器件，该磁性隧道结器件包括：由隧穿层、固定磁性层和磁性钉扎层组成的器件部分以及上述任意之一所述的自旋轨道矩磁性器件组成的引线层部分；所述隧穿层设置在所述第二磁性自由层的上方，所述固定磁性层设置在所述隧穿层的上方，所述磁性钉扎层设置在所述固定磁性层的上方；
所述隧穿层用于增加所述固定磁性层、所述隧穿层以及所述第二磁性自由层共同提供的隧穿磁阻比率，用以读取所述第二磁性自由层的磁化状态；所述固定磁性层和所述磁性钉扎层具有垂直磁各向异性。
可选的，所述磁性钉扎层与所述固定磁性层反铁磁耦合，所述磁性钉扎层用于固定所述固定磁性层的磁化方向。
可选的，在外加大致平行于面内方向的磁场的条件下，若在所述引线层部分的两端之间通入大于翻转所需阈值电流的电流，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向均翻转。
可选的，若在所述引线层部分的两端之间通入大于翻转所需阈值电流的电流，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向均翻转。
可选的，若在所述磁性钉扎层的上端与所述引线层部分的任意一端之间通入大于翻转所需阈值电流的电流，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向均翻转。
可选的，若在所述磁性钉扎层的上端与所述引线层部分的任意一端之间通入小于翻转所需阈值电流的电流，读取电阻，可根据电阻的大小判断所述第二磁性自由层磁化方向。
本申请的另一个方面，提供了一种磁存储器，该磁存储器包括上述任意之一所述的自旋轨道矩磁性器件。
本申请的另一个方面，提供了另一种磁存储器，该磁存储器包括上述任意之一所述的磁性隧道结器件。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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。在附图中：
图1是本申请一个实施例自旋轨道矩磁性器件的结构示意图；
图2是本申请另一个实施例自旋轨道矩磁性器件的结构示意图；
图3是本申请一个实施例磁性隧道结器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。
本申请的目的在于提供一种具有高翻转效率的自旋轨道矩磁性器件，有助于提高磁存储器的读写效率。
图1是本申请一个实施例自旋轨道矩磁性器件的结构示意图，在图1所示的实施例中，本申请的自旋轨道矩磁性器件包括：第一磁性自由层101、金属耦合层102以及第二磁性自由层103。所述金属耦合层102设置在所述第一磁性自由层101的上方，所述第二磁性自由层103设置在所述金属耦合层102的上方。
在图1所示的实施例中，第一磁性自由层101和第二磁性自由层103具有铁磁性或亚铁磁性，并且均具有垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)，垂直磁各向异性为垂直于第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的薄膜平面的磁各向异性。所述金属耦合层102提供交换相互作用，使所述第一磁性自由层101和所述第二磁性自由层103实现反铁磁耦合。第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的反铁磁耦合强度可以通过金属耦合层102的材料和厚度进行调节。
在本申请的可选实施例中，第一磁性自由层101和第二磁性自由层103采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：钴Co、镍Ni、铁Fe、任意组分比例的钴铁硼CoFeB、任意组分比例的钴铽CoTb以及组分比例大致为Co2XAl的赫斯勒合金，其中元素X包括：铁Fe、锰Mn。优选的，采用的材料为任意组分比例的钴铁硼CoFeB、任意组分比例的钴铽CoTb以及组分比例大致为Co2XAl的赫斯勒合金中的一种。
在本申请的可选实施例中，第一磁性自由层101和第二磁性自由层103可以采用多层膜结构，多层膜结构中的各膜层采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：钴Co、铁Fe、镍Ni、钴铂多层膜[Co/Pt]n以及钴镍多层膜[Co/Ni]n，优选采用钴铂多层膜[Co/Pt]n或钴镍多层膜[Co/Ni]n，其中n为自然数。
在本申请的可选实施例中，第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的厚度小于等于10nm。
在本申请的可选实施例中，金属耦合层102采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：钌Ru、钨W、铪Hf、铱Ir、钽Ta、钼Mo、铂Pt、钛Ti、钯Pd、铬Cr，优选为钌Ru、铱Ir。
在本申请的可选实施例中，金属耦合层102也可以采用多层膜结构，多层膜结构中的各膜层采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：钌Ru、钨W、铪Hf、铱Ir、钽Ta、钼Mo、铂Pt、钛Ti、钯Pd、铬Cr。
在本申请的可选实施例中，金属耦合层102的厚度小于等于2nm。
在图1实施例的自旋轨道矩磁性器件中，第一磁性自由层101和第二磁性自由层103具有垂直磁各向异性，所述金属耦合层102提供交换相互作用使所述第一磁性自由层101和所述第二磁性自由层103实现反铁磁耦合。当在图1实施例的自旋轨道矩磁性器件中通入大致平行于面内方向的电流时，由第一磁性自由层101以及第二磁性自由层103内部的自旋轨道耦合(Spin Orbit Coupling，SOC)产生垂直方向的自旋流，自旋流于第一磁性自由层101的下表面和第二磁性自由层103的上表面产生极化方向相反的自旋累积。第一磁性自由层101的下表面和第二磁性自由层103的上表面的自旋累积共同驱动第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的磁化方向均翻转。与现有技术的通过单界面自旋累积进行磁化翻转的方法，本发明的通过上下两层界面的自旋累积进行磁化翻转的方案具有更高的磁化翻转效率和速度。
在本发明可选实施例中，还可以在自旋轨道矩磁性器件外施加大致平行于面内方向的外加磁场，进一步提高第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的磁化翻转效率和速度。在施加面内方向外加磁场辅助的条件下，第一磁性自由层101的下表面和第二磁性自由层103的上表面自旋累积共同驱动第一磁性自由层和第二磁性自由层的磁化方向均翻转。在本发明可选实施例中，所述外加磁场小于等于1T。
需要说明的是，本申请的面内方向指的是平行于第一磁性自由层101、金属耦合层102和第二磁性自由层103的薄膜表面的方向，大致平行于面内方向指的是与面内方向之间的夹角小于预设值，该预设值可以为30度。本申请的垂直方向指的是垂直于面内方向的方向。
图2是本申请另一个实施例自旋轨道矩磁性器件的结构示意图，如图2所示，图2实施例的自旋轨道矩磁性器件在图1实施例的自旋轨道矩磁性器件的基础上增加了衬底层201，该衬底层201设置在第一磁性自由层101的下方。
在图2所示的实施例中，衬底层201用于自旋吸收和自旋散射，其作用为可以调节第一磁性自由层101下表面的自旋累积，即吸收并散射所述第一磁性自由层101产生的自旋流。
在本申请的可选实施例中，衬底层201还具有反铁磁性，其作用为提供交换偏置，用以形成对称破坏场。在衬底层具有反铁磁性的情况下，无需施加大致平行于面内方向的外加磁场，仅在在图2实施例的自旋轨道矩磁性器件中通入大致平行于面内方向的电流且该电流大于翻转所需阈值电流，第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的磁化方向均翻转。
在本申请的可选实施例中，衬底层201采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：钨W、钽Ta、钼Mo、铂Pt、钛Ti、钯Pd、铬Cr、钌Ru、铪Hf、铱Ir、铁Fe、锰Mn、金Au、银Ag，优选为钌Ru，钽Ta，钼Mo。
在本申请的可选实施例中，衬底层201也可以采用多层膜结构，多层膜结构中的各膜层采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：钨W、钽Ta、钼Mo、铂Pt、钛Ti、钯Pd、铬Cr、钌Ru、铪Hf、铱Ir、铁Fe、锰Mn、金Au、银Ag。
本申请的另一个方面，还提供了一种磁性隧道结器件。图3是本申请一个实施例磁性隧道结器件的结构示意图，如图3所示，本申请的磁性隧道结器件包括：由隧穿层301、固定磁性层302和磁性钉扎层303组成的器件部分以及由上述图1实施例的自旋轨道矩磁性器件10或者图2实施例的自旋轨道矩磁性器件20组成的引线层部分。
在图3所示的实施例中，隧穿层301设置在引线层部分10或20中的第二磁性自由层103的上方，固定磁性层302设置在隧穿层301的上方，磁性钉扎层303设置在固定磁性层302的上方。
隧穿层301用于分隔固定磁性层302与第二磁性自由层103，并用于增加固定磁性层302、隧穿层301以及第二磁性自由层103共同提供的隧穿磁阻比率，使读取的电阻大小更为明显，更容易读取出第二磁性自由层103的磁化状态。
在本申请的可选实施例中，隧穿层301采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：铝Al、镁Mg、铜Cu、氟F、锂Li以及氧化镁MgO，优选为氧化镁MgO。在本申请的其他可选实施例中，隧穿层301可以采用多层膜结构，多层膜结构中的各膜层采用的材料可以为以下材料的至少一种或者为由以下材料的至少一种构成的合金：铝Al、镁Mg、氧化镁MgO、铜Cu、氟F以及锂Li，优选为镁Mg或氧化镁MgO。
固定磁性层302具有垂直磁各向异性，固定磁性层302与隧穿层301和第二磁性自由层103共同提供隧穿磁阻效应，用于读取第二磁性自由层103层的磁化状态。
磁性钉扎层303具有垂直磁各向异性，磁性钉扎层303与固定磁性层302反铁磁耦合，其目的在于固定所述固定磁性层302的磁化方向。
在本申请可选实施例中，固定磁性层302和磁性钉扎层303的结构以及材料的选择可以与第一磁性自由层101和第二磁性自由层103的相同。
在本申请可选实施例中，隧穿层301、固定磁性层302以及磁性钉扎层303的形状可以为圆形、椭圆形、矩形、菱形、三角形以及多边形。其制备流程包含本领域公知的沉积、光刻、刻蚀、剥离等工艺。
在图3所示的实施例中，本申请可以采用图1实施例的自旋轨道矩磁性器件10或者图2实施例的自旋轨道矩磁性器件20作为磁性隧道结器件的引线层部分，可以利用第一磁性自由层101与第二磁性自由层103之间的反耦合，提升了磁性隧道结的隧穿磁阻比率，使得磁性器件的数据更易读取。
本申请磁性隧道结器件的数据读取方式为读取磁性钉扎层303的上端和引线层部分的左右两端中的任意一端之间电阻，通过电阻值的高低判断数据的“0”或“1”。
本申请磁性隧道结器件的写入方式包括：在引线层部分的两端之间通入电流，同时可以选择施加大致平行于面内方向的外磁场，外磁场的大小可以为大于等于0且小于等于1T，当所通入电流大于翻转所需阈值电流时，第一磁性自由层101与第二磁性自由层103的磁化方向均翻转。在本申请可选实施例中，若衬底层具有反铁磁性，无需施加外磁场，即外磁场的大小等于0，仅在引线层部分的两端之间通入电流大于翻转所需阈值电流时，第一磁性自由层101与第二磁性自由层103的磁化方向均翻转。在引线层部分的两端之间通入电流进行翻转的机理为自旋轨道矩翻转(Spin Orbit Torque，SOT)。
本申请磁性隧道结器件的写入方式还包括：在磁性钉扎层303的上端和引线层部分的左右两端中的任意一端之间通入电流，当所通入电流大于翻转所需阈值电流时，第一磁性自由层101与第二磁性自由层103的磁化方向均翻转。此外，还可以选择同时施加大致平行于面内方向的外磁场，外磁场的大小可以为大于等于0小于等于1T，提升第一磁性自由层101与第二磁性自由层103翻转的速度和效率。本部分翻转的机理为自旋轨道矩(SpinOrbit Torque，SOT)、自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)与压控磁各向异性(Voltage Controlled Magnetic Anisotropy，VCMA)协同驱动翻转。由此可见，本申请可以利用SOT、STT与VCMA协同驱动翻转，可以实现无外加磁场翻转，并且提高了SOT器件的翻转效率和速度。
在本申请一个具体实施例中，磁性隧道结器件的引线层部分采用图1实施例的自旋轨道矩磁性器件10的结构，其自旋轨道矩磁性器件10的具体结构为：第一磁性自由层101为具有L10晶向的铁铂FePt(3nm)，具有垂直磁各向异性；金属耦合层102为铱Ir，其厚度为0.4nm；第二磁性自由层103为钴铁硼Co20Fe60B20，其厚度为1nm，具有垂直磁各向异性。
隧穿层301为氧化镁MgO，其厚度为1nm；固定磁性层302为钴铁硼Co20Fe60B20，其厚度为1.3nm，具有垂直磁各向异性，初始磁化方向向上；磁性钉扎层303为由钴Co铂Pt多层膜和钌Ru耦合层构成的磁性钉扎层[Co(0.35nm)/Pt(0.6nm)]×5/Ru(0.4nm)/[Co(0.35nm)/Pt(0.6nm)]×3/Ru(0.4nm)，具有垂直磁各向异性。
隧穿层301、固定磁性层302以及磁性钉扎层303为圆形，其直径为20nm，所述引线层宽度为30nm。在外加方向为面内大致平行于引线层方向的200Oe外磁场的情况下，在磁性钉扎层303上端和引线层部分的一端之间通入电流，当通入电流大于翻转所需阈值电流时，第一磁性自由层101与第二磁性自由层103的磁性均会翻转至或保持在某一方向，当所通入电流或外加磁场方向反向时，第一磁性自由层101与第二磁性自由层103的磁性均翻转至或保持在另一方向。两种平衡状态对应的磁性隧道结器件的阻值不同，通过读取在磁性钉扎层303上端和引线层部分的一端之间的电阻，可以用来读取第二磁性自由层的磁化状态。
本申请的另一个方面，还提供了一种磁存储器，该磁存储器包括上述任一实施例所述的自旋轨道矩磁性器件。
本申请的另一个方面，还提供了另一种磁存储器，该磁存储器包括上述任一实施例所述的磁性隧道结器件。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种自旋轨道矩磁性器件，其特征在于，包括：第一磁性自由层、金属耦合层以及第二磁性自由层，所述金属耦合层设置在所述第一磁性自由层的上方，所述第二磁性自由层设置在所述金属耦合层的上方；
所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层具有垂直磁各向异性；
所述金属耦合层用于提供交换相互作用以使所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层实现反铁磁耦合；
当由所述第一磁性自由层、所述金属耦合层以及所述第二磁性自由层组成的整体通入大致平行于面内方向的电流时，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层内部产生垂直方向的自旋流，所述自旋流于所述第一磁性自由层的下表面和所述第二磁性自由层的上表面产生极化方向相反的自旋累积，所述自旋累积用于驱动所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向翻转。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性器件，其特征在于，还包括：设置在所述第一磁性自由层下方的衬底层；所述衬底层用于吸收并散射所述第一磁性自由层产生的自旋流。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道矩磁性器件，其特征在于，所述衬底层具有反铁磁性，用于形成对称破坏场。
4.一种磁性隧道结器件，其特征在于，包括：由隧穿层、固定磁性层和磁性钉扎层组成的器件部分以及由权利要求1至3任意之一所述的自旋轨道矩磁性器件组成的引线层部分；所述隧穿层设置在所述第二磁性自由层的上方，所述固定磁性层设置在所述隧穿层的上方，所述磁性钉扎层设置在所述固定磁性层的上方；
所述隧穿层用于增加所述固定磁性层、所述隧穿层以及所述第二磁性自由层共同提供的隧穿磁阻比率，用以读取所述第二磁性自由层的磁化状态；所述固定磁性层和所述磁性钉扎层具有垂直磁各向异性。
5.根据权利要求4所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述磁性钉扎层与所述固定磁性层反铁磁耦合，所述磁性钉扎层用于固定所述固定磁性层的磁化方向。
6.根据权利要求5所述的磁性隧道结器件，其特征在于，在外加大致平行于面内方向的磁场的条件下，若在所述引线层部分的两端之间通入大于翻转所需阈值电流的电流，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向均翻转。
7.根据权利要求5所述的磁性隧道结器件，其特征在于，若在所述引线层部分的两端之间通入大于翻转所需阈值电流的电流，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向均翻转。
8.根据权利要求5所述的磁性隧道结器件，其特征在于，若在所述磁性钉扎层的上端与所述引线层部分的任意一端之间通入大于翻转所需阈值电流的电流，所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的磁化方向均翻转。
9.一种磁存储器，其特征在于，包括根据权利要求1至3任意之一所述的自旋轨道矩磁性器件。
10.一种磁存储器，其特征在于，包括根据权利要求4至8任意之一所述的磁性隧道结器件。
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