CN114824062B - 一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用，所述梯度合成反铁磁包括：衬底、第一梯度层、反铁磁耦合层、第二梯度层；所述反铁磁耦合层位于所述第一梯度层与所述第二梯度层之间；通过所述反铁磁耦合层对所述第一梯度层与所述第二梯度层反铁磁耦合；所述第一梯度层与所述第二梯度层梯度相反。自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的热稳定性有极大提高，且翻转电流密度相比传统磁隧道结显著降低，能够实现超高密度、超低功耗信息存储。
Description
技术领域
本发明属于半导体存储器技术领域，特别是涉及一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用。
背景技术
存储器是计算机体系结构中的重要组成部分,对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。然而，由于晶体管的尺寸已经逼近物理极限，传统的基于互补金属氧化物半导(CMOS)工艺的存储器遭遇了性能瓶颈。基于自旋轨道矩(Spin-orbit torque,SOT)的磁随机存储器(SOT-MRAM)由于具有非易失性、可无限擦写和快速写入等优点，有望成为下一代低功耗通用存储器。
磁随机存储器(MRAM)的核心结构是磁隧道结(MTJ)，由自旋轨道耦合材料(如Ta，W，Pt)和两个铁磁金属层(如CoFeB)夹着一个隧穿势垒层(如MgO)而形成的三明治结构组成。其中一个铁磁层被称为参考层(Reference layer，RL)，它的磁化沿易轴方向固定不变，另一个铁磁层被称为自由层(Free layer，FL)，它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行，相应的，由于隧穿磁阻效应(TMR)，MTJ将处于低阻态或高阻态。这两个阻态可以分别代表二进制数据中的“0”和“1”，因此，MRAM可以实现数据存储或运算。自旋轨道矩(SOT)是目前研究最为广泛和深入的控制磁体磁化状态的方式，利用电流产生的SOT实现磁化翻转(而不是电流产生的磁场)来切换自由层和磁化层的相对取向，继而实现数据写入，已经成为当下研究的热点。在MTJ中，参考层一般有人工反铁磁结构(syntheticantiferromagnets，SAF)，用于固定参考层磁化方向且消除杂散场；而自由层一般只有单个铁磁层来保证有效翻转。当前应用最为广泛是CoFeB/MgO结构。由于自由层只有单个CoFeB结构，导致热稳定性较差，导致器件横向尺寸难以降低，制约着MRAM的实际应用。
现有技术一的技术方案：2018年，清华大学的科研人员提出一种完全补偿的合成反铁磁结构，上下两层Co/Pd/Co通过Ru形成反铁磁耦合，后成一个整体，利用底层Pt的自旋霍尔效应，实现整体磁矩的翻转。现有技术一的缺点：当前基于铁磁Co的TMR较低，难以满足MRAM实际需求；需要使用Pt来翻转整个反铁磁，由于自旋流扩散长度有限，导致所需功耗仍然较高。
现有技术二的技术方案：2021年，中国科学院大学的科研人员提出了一种双层SAF-FL的磁性结构，通过重金属W将两个CoFeB反铁磁耦合到一块，形成PMA-SAF；下方的两层铁磁Co通过Ir/W也反铁磁耦合到一起，形成IMA-SAF；之后，PMA-SAF和IMA-SAF通过MgO耦合到一起，形成双层SAF-FL结构。最后将该膜堆加工成MTJ器件，并成功观测到了TMR信号。该结构不仅提高了CoFeB的垂直磁各向异性和热稳定性，还可以实现无磁场翻转。现有技术二的缺点：仅中间的W提供自旋霍尔效应翻转铁磁磁矩，由于需要反铁磁耦合，限制了自旋轨道耦合材料W的厚度，因而提供的自旋流有限，导致翻转功耗较高。
发明内容
为了解决现有技术中存在MTJ器件热稳定性较差及翻转功耗较高等问题，本发明的目的是提供一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁，所述梯度合成反铁磁包括：衬底、第一梯度层、反铁磁耦合层、第二梯度层；所述反铁磁耦合层位于所述第一梯度层与所述第二梯度层之间；通过所述反铁磁耦合层对所述第一梯度层与所述第二梯度层反铁磁耦合；所述第一梯度层与所述第二梯度层梯度相反。
优选地，所述第一梯度层及所述第二梯度层均采用具有磁性且具有梯度的多层膜或合金材料。
优选地，所述反铁磁耦合层采用Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且反铁磁耦合层的厚度在0.1nm～10nm之间。
优选地，施加一个大于临界翻转电压值的电压VDD1产生写入电流，所述写入电流经过梯度合成反铁磁产生自旋轨道矩(SOT)以实现磁性结构的磁矩翻转。
为了更好的实现上述技术目的，本发明还提供一种基于自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器应用，所述存储器包括：梯度反铁磁层、自由层、非磁性势垒层及参考层；
所述非磁性势垒层位于所述梯度反铁磁层与所述参考层之间；
所述梯度反铁磁层的第二梯度层与自由层相耦合；
所述参考层与所述自由层磁化方向平行或反平行，其中所述参考层的磁化方向固定。
优选地，所述铁磁层采用Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数。
优选地，所述非磁性势垒层采用氧化物、氮化物、氮氧化物、金属、合金、SiC、C或陶瓷材料。
优选地，所述参考层采用铁磁性或亚铁磁性金属及铁磁性或亚铁磁性金属的合金。
优选地，，若所述参考层与所述自由层磁化方向平行，则所述磁性结构处于低阻态；若所述参考层与所述自由层磁化方向反平行，则所述磁性结构处于高阻态；其中低阻态用于代表二进制数据中的“0”，高阻态用于代表二进制数据中的“1”。
优选地，施加电压VDD2产生读取电流，VDD2提供的电流垂直经过磁性结构，通过读取电流大小判断磁矩状态，若读取电流大于电流阈值时，则所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向平行；若读取电流不大于电流阈值，则所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向反平行。
本发明的技术效果为：本发明基于人工合成梯度反铁磁层，可以通过电流产生的SOT效应实现自身磁矩翻转，本发明结构不需要传统的自旋轨道耦合材料，可以在电流产生的SOT作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有功耗低、速度快、存储密度高、热稳定性好、抗辐射、非易失性等优点。在信息写入方面，当电流经过梯度反铁磁层，会产生SOT作用于自身，实现磁矩翻转，实现信息写入；在信息读取方面，VDD2提供的电流垂直经过铁磁材料后通过TMR效应即可读取铁磁材料的磁化状态，实现信息读取。梯度反铁磁层的磁隧道结的热稳定性有极大提高，且翻转电流密度相比传统磁隧道结显著降低，能够实现超高密度、超低功耗信息存储。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的梯度反铁磁层的示意图，其中图1(a)为面外磁矩，图1(b)为面内磁矩；
图2为本发明实施例中的梯度反铁磁层的存储器示意图；其中11-衬底，12-第一个梯度层，13-反铁磁耦合层，14-第二个梯度层，15-自由层，16-非磁性势垒层，17-参考层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1(a)所示，本实施例中提供一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁，具体包括：衬底11、第一梯度层12、反铁磁耦合层13、第二梯度层14；其中反铁磁耦合层13位于第一梯度层12与第二梯度层14之间；通过反铁磁耦合层13对第一梯度层12与第二梯度层14反铁磁耦合；第一梯度层12与第二梯度层14梯度相反。
此外，该方案还可以简化为如图1(b)所示结构，其基本思路与图1(a)相似。
如图2所示，本实施例中提供一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用，以三端SOT-MTJ为例，该说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。
各部分材料说明：
衬底11，所选材料可以是半导体工艺中通用的衬底材料，如Si/SiO2、Si/Si3N4等。
第一个梯度层12，所选材料可以是一切具有磁性(磁化方向垂直指向面外或平行于面内)且具有梯度的多层膜或合金材料，包括但不限于基于Pt/Co、Pd/Co、Pt/Fe、Pd/Fe的梯度合金膜或多层膜。
反铁磁耦合层13，使上下两个磁性材料层反铁磁耦合到一起，构成人工合成反铁磁，所选材料可以是Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm之间。
第二个梯度层14，通过反铁磁耦合层13与第一个梯度层12反铁磁耦合在一起，所选材料与12类似，但梯度相反，即在相同的测试条件下，SOT翻转的手性是相反的。
自由层15，用于提高器件TMR，所选材料可以是Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数，例如，(Co/Ni)p当p＝3时，指的是(Co/Ni)这样的膜层结构重复了3次，即Co/Ni/Co/Ni/Co/Ni。
非磁性势垒层16，所选材料可以为氧化物、氮化物或氮氧化物，其组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；或为金属或合金，其组成元素选自Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种；或为SiC、C以及陶瓷材料等。
参考层17，所选材料可以由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种；或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；或由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；或由合成反铁磁材料制成，包括自由层与间隔层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
①施加足够大的电压VDD1产生写入电流后，第一个梯度层12与第二个梯度层14由于梯度相反且反铁磁耦合的原因，在SOT作用下能够实现超快且有效的磁矩翻转；
②自由层15与第二个梯度层14是铁磁性耦合的，因而能够在第二个梯度层14翻转的同时实现一致翻转；
③固定层17的磁化方向是固定，从而实现与自由层15磁化方向平行或反平行；
④施加电压VDD2产生读取电流，通过读取电流大小即可判断磁矩状态，当电流大于电流阈值时，说明所述磁性结构处于低阻态，即参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向平行；当电流不大于电流阈值时，说明所述磁性结构处于高阻态，即参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向反平行。
其中，梯度合成反铁磁层可以通过电流产生的SOT效应实现自身磁矩翻转。该结构不需要传统的自旋轨道耦合材料，可以在电流产生的SOT作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有功耗低、速度快、存储密度高、热稳定性好、抗辐射、非易失性等优点。
具体而言：在信息写入方面，当电流经过梯度合成反铁磁层，会产生SOT作用于自身，实现磁矩翻转，实现信息写入；在信息读取方面，VDD2提供的电流垂直经过铁磁材料后通过TMR效应即可读取铁磁材料的磁化状态，实现信息读取。
综上，梯度合成反铁磁层的磁隧道结的热稳定性有极大提高，且翻转电流密度相比传统磁隧道结显著降低，能够实现超高密度、超低功耗信息存储。
本发明方案的有益效果如下：本发明提出的梯度合成反铁磁层能够实现超快且有效的翻转，实现超低功耗信息存储；本发明提出的梯度合成反铁磁层可以取代传统的自旋轨道耦合材料，使器件结构简单，降低工艺难度；本发明提出的梯度合成反铁磁层具有很高的热稳定性，有利于降低器件尺寸，增大器件密度，节省器件的制造成本。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁，其特征在于，包括：
所述梯度合成反铁磁包括：衬底(11)、第一梯度层(12)、反铁磁耦合层(13)、第二梯度层(14)；所述反铁磁耦合层(13)位于所述第一梯度层(12)与所述第二梯度层(14)之间；通过所述反铁磁耦合层(13)对所述第一梯度层(12)与所述第二梯度层(14)反铁磁耦合；
所述第一梯度层(12)与所述第二梯度层(14)梯度相反，所述梯度相反为在相同的测试条件下，自旋轨道矩翻转的手性是相反的；
所述第一梯度层(12)及所述第二梯度层(14)均采用具有磁性且具有梯度的多层膜或合金材料；
施加一个大于临界翻转电压值的电压VDD1产生写入电流，所述写入电流经过梯度合成反铁磁产生自旋轨道矩(SOT)以实现梯度合成反铁磁的磁矩翻转；其中所述写入电流产生的电流密度大于Jc，所述Jc的取值范围为1×101～1×1010A/cm2。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁，其特征在于，所述反铁磁耦合层(13)采用Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且反铁磁耦合层(13)的厚度在0.1nm～10nm之间。
3.根据权利要求1所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器，其特征在于，所述存储器包括：梯度合成反铁磁、自由层(15)、非磁性势垒层(16)及参考层(17)；
所述非磁性势垒层(16)位于所述梯度合成反铁磁与所述参考层(17)之间；
所述梯度合成反铁磁的第二梯度层(14)与自由层(15)相耦合；
所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向平行或反平行，其中所述参考层(17)的磁化方向固定。
4.根据权利要求3所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器，其特征在于，所述自由层(15)采用Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数。
5.根据权利要求3所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器，其特征在于，所述非磁性势垒层(16)采用氧化物、氮化物、氮氧化物、金属、合金、SiC、C或陶瓷材料。
6.根据权利要求3所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器，其特征在于，所述参考层(17)采用铁磁性或亚铁磁性金属及铁磁性或亚铁磁性金属的合金。
7.根据权利要求3所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器，其特征在于，若所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向平行，则所述梯度合成反铁磁处于低阻态；若所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向反平行，则所述梯度合成反铁磁处于高阻态；其中低阻态用于代表二进制数据中的“0”，高阻态用于代表二进制数据中的“1”。
8.根据权利要求7所述的自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的存储器，其特征在于，施加电压VDD2产生读取电流，VDD2提供的电流垂直经过梯度合成反铁磁，通过读取电流大小判断磁矩状态，若读取电流大于电流阈值时，则所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向平行；若读取电流不大于电流阈值，则所述参考层(17)与所述自由层(15)磁化方向反平行。
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| Title |
|---|
| 低功耗自旋电子器件技术路线及展望;白月 等;《微纳电子与智能制造》;20210315;第3卷(第1期);全文 * |
Also Published As
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