一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置制造方法及图纸

技术编号:19748533 阅读:17 留言:0更新日期:2018-12-12 05:18
本发明专利技术公开了一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置,装置涉及到一种可以辅助自由磁性层翻转的人工反铁磁装置及一种固定磁性层,人工反铁磁装置可以通过电场调控,实现反铁磁态到铁磁态的转变,与固定磁性层共同作用,辅助自由磁性层的翻转。磁性随机存储装置包括一种磁性隧道结,当电流穿过磁性隧道结,在电场辅助作用下,自由磁性层实现翻转。自由磁性层翻转后,去掉电场,合成多层膜结构由铁磁态退回到反铁磁态,而自由磁性层保持翻转后的状态,从而实现数据的写入。合成多层膜结构与磁性隧道结共同构成磁性随机存储装置,通过电场和电流的共同作用达到写入数据的目的,具有速度快、功耗低、非易失性的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置
本专利技术涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用,更具体地说,涉及一种电场辅助控制的人工反铁磁以及使用其进行辅助擦写的磁性随机存储器。
技术介绍
磁性隧道结(magnetictunneljunction,称为MTJ)由两层磁性金属(例如铁,钴,镍)和夹在两磁性金属层之间的超薄绝缘层(例如氧化铝,或氧化镁)组成。如果在两个磁性金属层之间施加偏置电压,由于绝缘层很薄,电子可以通过遂穿效应通过其势垒。在给定偏压下,隧道电流/遂穿电阻的大小取决于两个铁磁层中磁化的相对取向,这种现象称为隧穿磁阻(tunnelingmagnetoresistance,称为TMR),这是自旋依赖的隧穿效应的体现。两个铁磁层中磁化的相对取向可以通过施加的磁场来改变。自旋阀是由两个或更多个导电磁性材料组成的器件,其电阻可以根据不同层中磁化的相对取向在两个值(高阻值和低阻值)之间变化。电阻变化是巨磁阻(giantmagnetoresistive,称为GMR)效应的结果。在最简单的情况下,自旋阀由两个铁磁体和夹在两个铁磁体之间的非磁性材料组成,其中一个铁磁体(称为第一铁磁体)由反铁磁体固定,用于提高第一铁磁体的磁矫顽力,使其表现为“硬”磁层,而另一个铁磁体(称为第二铁磁体)的磁化取向是可以改变,表现为“软”磁层。非磁性层把两个铁磁层隔开,使得它们中有一个保持磁化取向自由(软磁性)。由于矫顽力的差异,软磁层可以在较低的外加磁场强度下改变极性,此时硬磁层磁化保持不变。因此,通过施加适当强度的外加磁场,可以使软磁层切换其极性,从而自旋阀具有两个不同的状态:两磁性层磁化平行的低电阻状态和两磁性层磁化反平行的高电阻状态。现今,磁性结(magneticjunction,称为MJ,包括MTJ和自旋阀)通常用于磁性随机存取存储器中。磁性随机存取存储器由于具有非易失性,优异的耐久性,高读/写速度,低功耗等优点而引起越来越多科研人员的兴趣。磁性随机存储器(magneticrandomaccessmemory,称为MRAM)中的磁阻元件可以是包括两个或更多个铁磁性薄膜的磁性结。MJ的电阻取决于固定磁性层和自由磁性层的磁化的相对取向,自由磁性层(freemagneticlayer,称为FL)的磁矩可以在两个稳定取向之间切换,MJ的电阻在固定磁性层和自由磁性层的两个相对磁取向情况下呈现两个值,可用于表示数据存储的二进制状态“1”和“0”,并应用于二进制逻辑。可以通过外加磁场改变磁性结的自由层磁化取向,从而得到自由磁性层与固定磁性层磁化平行或反平行时对应的低阻态(“1”)或高阻态(“0”),进而得到逻辑电路需要的1/0态。但利用电流提供外加磁场需要较大的电流密度,能耗较高,且会限制存储单元阵列即磁性结阵列的排列密度。一种类型的MRAM是自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)。利用自旋极化电流(自旋转矩)对磁矩的作用,达到改变自由磁性层磁化方向的目的,并通过改变电流方向来切换自由磁性层的磁化方向,从而完成STT-MRAM中MJ的数据写入。但是应用于自旋转移矩-随机存储器的自旋极化电流一般在106到107A/cm2,较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度,同时消耗更多的电量。为了解决该问题,一种辅助自由磁性层磁化方向翻转的方法值得应用,本专利技术介绍了一种电场辅助控制的磁性随机存储装置,即利用电场调控一种人工合成反铁磁,使其由反铁磁态转变为铁磁态,辅助自由磁性层磁化方向的翻转,减小自旋极化电流,提高存储单元阵列排列密度,节约能耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种类型的自旋转移矩-磁性随机存储装置(STT-MRAM)。根据NatureCommunication发表的一篇题名为“LowvoltageswitchingofmagnetismthroughionicliquidgatingcontrolofRKKYinteractioninFeCoB/Ru/FeCoBand(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2multilayers”的文章,该文章报道通过电场调控一种人工(合成)反铁磁SAF(syntheticantiferromagnetic)多层结构,使该SAF多层结构从反铁磁态转变为铁磁态。根据JianxinZhu提出的一种应力辅助自由磁性层翻转的专利(专利号为US8.406,042B2)以及Jian-GangZhu提出的一种热辅助自由磁性层翻转的专利(专利号为US8,211,557B2),本专利提供的一种自旋转移矩-磁性随机存储装置通过将人工反铁磁与磁性隧道结结合,通过电场调控人工反铁磁SAF由反铁磁态转变为铁磁态,辅助磁性隧道结自由磁性层的翻转,从而达到减小自由磁性层翻转所需要自旋极化电流的目的。因此,该自旋转移矩-磁性随机存储装置称为电场辅助控制的磁性随机存储装置,该装置是在电场和自旋极化电流共同作用下完成数据的写入。另外,电场控制反铁磁态与铁磁态的转变,具有速度快,功耗低的优点。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。本专利技术给出了一种人工反铁磁装置,包括:第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层,所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构,所述堆叠结构即为人工反铁磁装置;所述人工反铁磁装置处于反铁磁态,将人工反铁磁装置置于电场中,所述人工反铁磁装置实现反铁磁态到铁磁态的转变;去掉电场,所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态,即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。优选的,所述人工反铁磁装置的第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于FeCoB、Co/Pt,非磁性间隔层的材料包括但不限于Ru,且Ru的厚度在0.1nm-10nm。优选的,电场调控所需的电压在0.1-15V范围内。本专利技术进而给出了一种基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件,包括一固定磁性层、一个自由磁性层和一个非磁性势垒层构成的磁性隧道结,非磁性势垒层位于一固定磁性层和自由磁性层之间;包括第二固定磁性层、人工反铁磁装置和磁性隧道结,以及第一电极和第二电极,所述人工反铁磁装置位于第二固定磁性层和自由磁性层之间;还包括第一电极、第二电极,且第一电极和第二电极分别与第一固定磁性层和第二固定磁性层接触,使电流可以在磁性隧道结器件中导通。优选的,包括所述第一固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或所述固定磁性层和自由磁性层的磁化方向平行于面内;包括所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向垂直指向面外或所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向平行于面内。优选的,所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成,所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb,及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。优选的,所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成,所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种人工反铁磁装置,其特征在于,包括:第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层,所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层‑非磁性间隔层‑第二层铁磁层的堆叠结构,所述堆叠结构即为人工反铁磁装置;所述人工反铁磁装置处于反铁磁态,将人工反铁磁装置置于电场中,所述人工反铁磁装置实现反铁磁态到铁磁态的转变;去掉电场,所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态,即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。

【技术特征摘要】
1.一种人工反铁磁装置,其特征在于,包括:第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层,所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构,所述堆叠结构即为人工反铁磁装置;所述人工反铁磁装置处于反铁磁态,将人工反铁磁装置置于电场中,所述人工反铁磁装置实现反铁磁态到铁磁态的转变;去掉电场,所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态,即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。2.根据权利要求1所述的人工反铁磁装置,其特征在于,所述人工反铁磁装置的第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于FeCoB、Co/Pt,非磁性间隔层的材料包括但不限于Ru,且Ru的厚度在0.1nm-10nm。3.根据权利要求1所述的人工反铁磁装置,其特征在于,电场调控所需的电压在0.1V-15V范围内。4.一种基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件,其特征在于,包括一固定磁性层、一个自由磁性层和一个非磁性势垒层构成的磁性隧道结,非磁性势垒层位于第一固定磁性层和自由磁性层之间;包括第二固定磁性层、人工反铁磁装置和磁性隧道结,以及第一电极和第二电极,所述人工反铁磁装置位于第二固定磁性层和自由磁性层之间;还包括第一电极、第二电极,且第一电极和第二电极分别与第一固定磁性层和第二固定磁性层接触,使电流可以在磁性隧道结器件中导通。5.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件,其特征在于,包括所述第一固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或所述固定磁性层和自由磁性层的磁化方向平行于面内;包括所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向垂直指向面外或所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向平行于面内。6.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件,其特征在于,所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成,所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb,及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合;或所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成,所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于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、Ni/Co;或所述自由磁性层由半金属铁磁材料制成,所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金,其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种,Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种,Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种;或所述自由磁性层由合成反铁磁材料制成,所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成;构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n,其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数;构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。7.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件,其特征在于,所述固定磁性层由铁磁性或...

【专利技术属性】
技术研发人员:闵泰张林周雪王蕾
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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