自旋轨道转矩驱动器件制造技术

本公开涉及一种自旋轨道转矩驱动器件，包括顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性。

【技术实现步骤摘要】
自旋轨道转矩驱动器件
本公开涉及一种磁存储器器件，尤其涉及一种自旋轨道转矩驱动器件。
技术介绍
磁存储器和磁逻辑器件利用其磁体的状态来确定了其存储的是逻辑零还是逻辑一。磁存储器的示例是自旋转移矩(STT)磁随机存取存储器(MRAM)和自旋轨道转矩(SOT)随机存取存储器(MRAM)。自旋转移矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)利用自旋极化的自旋流，在自旋转移力矩的作用下实现数据存储单元的读写。但是SST-MRAM受到若干限制。自旋轨道转矩(Spin-OrbitTorque，SOT)是指基于自旋轨道耦合(Spin-OrbitCoupling，SOC)，利用电荷流诱导的自旋流来产生自旋轨道矩，进而达到调控磁性存储单元的目的。基于SOT的MRAM(SOT-MRAM)克服了STT-MRAM的缺点，特别是SOT-MRAM将读写路径分开，因此有着比STT-MRAM更快的读写速度和更低的功耗。图1是示出了现有技术的具有单层磁性层的自旋轨道转矩驱动器件的透视图。其中，由重金属层(HM)1001和层叠在其上的磁性层(FM)1002构成一种用作自旋轨道转矩驱动器件的HM/FM结构。重金属层1001一般由铂(Pt)、钽(Ta)或钨(W)中的任意一种材料制成，例如，重金属层1001由铂(Pt)制成。磁性层1001例如可以被面内磁化或垂直磁化，优选地，如图1所示，磁性层1001被垂直磁化，即，是垂直各向异性的。垂直磁化层在自旋轨道转矩器件中是优选的，因为相应的器件是能量高效的且可按比例缩放的。其中，当重金属层中的接通电流密度达到反转电流密度时，垂直磁性层中的磁化方向发生反转。一般情况下，反转电流密度是高的。也就是说，在对磁性层进行磁体状态切换时需要高临界自旋电流密度。
技术实现思路
有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种具有改进性能和降低功耗的自旋轨道转矩驱动器件以及包括这种自旋轨道转矩驱动器件的存储器件。本公开的一个方面公开了一种自旋轨道转矩驱动器件，包括顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性。其中，所述重金属层包括铂、钽或钨。其中，当在重金属层中接通电流密度大于反转电流密度时，所述第一磁性层内的磁化方向和所述第二磁性层的磁化方向均反向。其中，所述电流方向与第一磁性层的面内各向异性方向各自所在的平面彼此大致平行，且这两个方向彼此垂直。其中，所述第一磁性层与所述第二磁性层交换相互作用，所述交换相互作用是铁磁的或反铁磁的。其中，所述交换相互作用的强度通过改变重金属层的厚度来调节。自旋轨道转矩驱动器件还包括叠置在第二磁性层上的交换偏置结构，所述交换偏置结构用于形成对称破坏场。其中，所述第一磁性层的初始磁化方向由第二磁性层的初始磁化方向和对称破坏场决定。其中，所述交换偏置结构包括顺序堆叠的金属层和第三磁性层。其中，所述第一磁性层包括面内各向异性的磁性材料，所述第二磁性层包括垂直各向异性的磁性材料。其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包括铁磁材料。其中，根据需要调整所述第一磁性层和所述第二磁性层的饱和磁化强度和各向异性常数。本公开的另一个方面还公开了一种存储器件，其包括上述的自旋轨道转矩驱动器件。附图说明通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1是示出了现有技术的具有单层垂直各向异性磁性层的自旋轨道转矩驱动器件的透视图；图2是示出了根据本公开实施例的具有三明治结构的自旋轨道转矩驱动器件的透视图；图3(a)和3(b)是根据本公开实施例的自旋轨道转矩驱动器件中的磁化方向变化示意图；图4是示出了根据本公开实施例的附加有交换偏置结构的自旋轨道转矩驱动器件的透视图。具体实施方式以下，将参照附图来描述本公开实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了在实现SOT结构的驱动器件的同时减小反转电流密度，即，减小高临界自旋电流密度，从而减小器件功耗，本公开设想了一种三明治夹层结构，例如，FM/HM/FM夹层结构。其中在重金属层(HM)的上方和下方都分别设置有不同磁各向异性的磁性层，例如，在重金属层的上方层叠有垂直各向异性的磁性层，在重金属层的下方层叠有面内各向异性的磁性层。由此，形成三明治夹层的自旋轨道转矩驱动器件。重金属层可以采用例如铂、钽或钨制成。磁性层可以是例如铁磁层。由于重金属层下方的面内各向异性的磁性层的作用，使得具有三明治夹层的自旋轨道转矩驱动器件反转电流密度小于如图1所示的仅具有具有单层垂直各向异性磁性层的自旋轨道转矩驱动器件的反转电流密度。具体地，图2示出了根据本公开实施例的具有三明治结构的自旋轨道转矩驱动器件。该自旋轨道转矩驱动器件可以包括例如顺序堆叠的下部磁性层1003、重金属层1001和上部磁性层1002的堆叠结构，即，一种重金属层1001被下部磁性层1003和上部磁性层1002夹住的三明治夹层结构FM/HM/FM。下部磁性层1003和上部磁性层1002可以例如由磁性材料制成，优选地，可以例如由铁磁材料制成。铁磁材料可以是本领域常用的铁磁材料，诸如：Fe、Co、Ni及其合金，尤其是上述材料与B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金。优选地，铁磁材料可以例如采用CoFeB合金。下部磁性层1003和上部磁性层1002的饱和磁化强度和各向异性常数(矫顽力)可以根据需要进行调整。重金属层1001属于一种具有强自旋轨道耦合的非磁性材料。具体地，重金属层1001可以例如由铂(Pt)、钽(Ta)或钨(W)中的任意一种材料制成。其中，钨(W)可以采用Beta-W。在本实施例中，以钽(Ta)为例进行描述。在图3(a)中，在铁磁层CoFeB(图2中示出为下部磁性层1003和上部磁性层1002)和重金属层Ta(图2中示出为重金属层1001)的三明治夹层结构中，由于重金属层Ta中的强SOC和自旋霍尔效应，重金属层Ta中的电子会产生竖直方向的自旋流，自旋流造成界面自旋积聚，积聚的自旋对相邻铁磁层产生力矩作用。如图3(a)所示，在状态(a)中，分别积聚于重金属层1001的上部界面和下部界面的自旋流的自旋极化方向相反，位于上部界面处的自旋流极化方向透过纸面向外，位于下部界面处的自旋流极化方向透过纸面向里。如图3(b)所示，当重金属层1001中接通电流且当电流密度达到一定阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋轨道转矩驱动器件，包括顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性。

【技术特征摘要】
1.一种自旋轨道转矩驱动器件，包括顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性。2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述重金属层包括铂、钽或钨。3.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，当在重金属层中接通电流密度大于反转电流密度时，所述第一磁性层内的磁化方向和所述第二磁性层的磁化方向均反向。4.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述电流方向与第一磁性层的面内各向异性方向各自所在的平面彼此大致平行，且这两个方向彼此垂直。5.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述第一磁性层与所述第二磁性层交换相互作用，所述交换相互作用是铁磁的或反铁磁的。6.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述交换相互作用的强度通过改变重金属层的厚度来调节。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素梅，罗军，赵超，王文武，叶甜春，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11