MTJ器件制造技术

本发明专利技术提供了一种MTJ器件。该MTJ器件包括：重金属层，形成重金属层的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层，设置于重金属层的一侧表面，且第一磁性层具有垂直于重金属层表面的磁各向异性；交换耦合控制层，设置于第一磁性层远离重金属层的一侧表面，用于使第一磁性层与第二磁性层铁磁耦合；第二磁性层，设置于交换耦合控制层远离第一磁性层的一侧表面，第二磁性层具有垂直于重金属层的磁各向异性，且第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层的饱和磁化强度。通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，从而能够使器件的临界反转电流密度大大降低，并且包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
MTJ器件
本专利技术涉及磁性器件
，具体而言，涉及一种MTJ器件。
技术介绍
自选轨道转矩(SOT)是指基于自选轨道耦合(SOC)，利用电荷诱导的自旋流来产生自旋轨道转矩，进而达到调控磁性层的目的，即基于强SOC产生的自旋流会以力矩的方式来影响近邻的磁性材料。研究表明半导体GaAs、Ge、Si和金属体系Al、Au、Pt、Ta等被证明存在自旋霍尔效应，并且重金属中的自旋霍尔效应更加显著。在现有技术中的铁磁层与重金属层的双层膜结构中，由于重金属层中的强SOC和自旋霍尔效应，流动于重金属层中的电流会产生自旋流，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，当电流密度达到一定阈值后，铁磁层的磁化方向反转。这一技术相对于传统的使用磁场控制磁性材料磁化方向的手段，效率更高、局域性更强。并且，对于现有技术中的单层磁化层而言，切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度，并且，单层磁化层也具有相对较低的热稳定性(磁性层的厚度通常小于1nm)，高临界自旋电流密度导致能耗增高，而低的热稳定性则会缩短器件的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种MTJ器件，以解决现有技术中切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度且磁化层热稳定性低的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种MTJ器件，包括：重金属层，形成重金属层的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层，设置于重金属层的一侧表面，且第一磁性层具有垂直于重金属层表面的磁各向异性；交换耦合控制层，设置于第一磁性层远离重金属层的一侧表面；第二磁性层，设置于交换耦合控制层远离第一磁性层的一侧表面，第二磁性层具有垂直于重金属层的磁各向异性，且第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层的饱和磁化强度，交换耦合控制层用于使第一磁性层与第二磁性层铁磁耦合。进一步地，形成第一磁性层的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，形成合金的元素还包括Cu、Pt、Cr和V中的任一种或多种。进一步地，第一磁性层的厚度为小于2nm。进一步地，第一磁性层和第二磁性层的垂直磁各向异性常数分别在106～107erg/cm3的范围内。进一步地，形成第二磁性层的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，优选为CoNiCo、CoFeB、CoPt和FePt中的任一种。进一步地，第二磁性层的厚度为0.4～1nm。进一步地，形成交换耦合控制层的材料选自Ru、Ta、和Mo中的任一种元素。进一步地，形成重金属层的材料选自Pt、Ta和W中的任一种或多种元素。进一步地，第一磁性层、交换耦合控制层和第二磁性层构成复合自由层，MTJ器件还包括非磁性势垒层和磁性固定层，非磁性势垒层设置于复合自由层与磁性固定层之间。应用本专利技术的技术方案，提供了一种MTJ器件，该MTJ器件中通过采用包括第一磁化层和第二磁化层的双磁化层来代替传统的垂直磁化层。在反转过程中，靠近重金属层的第一磁性层会在自旋轨道矩的作用下首先反转，而后第二磁性层将会在两磁性层的交换相互作用下实现反转，因自旋轨道矩形式为从而能够通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，使器件的临界反转电流密度大大降低，而包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了本专利技术实施方式所提供的一种MTJ器件的剖面结构示意图；图2示出了本专利技术实施方式所提供的具有MTJ的MTJ器件的剖面结构示意图；图3示出了本专利技术实施方式所提供的实施例中在(I)条件下磁化强度Ms1与临界自旋电流密度Jc的关系示意图。其中，上述附图包括以下附图标记：10、重金属层；20、复合自由层；210、第一磁性层；220、交换耦合控制层；230、第二磁性层；30、非磁性势垒层；40、磁性固定层。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术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专利技术。为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。正如
技术介绍
中所介绍的，现有技术中对于单层磁化层而言，切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度，并且，单层磁化层也具有相对较低的热稳定性(磁性层的厚度通常小于1nm)，高临界自旋电流密度导致能耗增高，而低的热稳定性则会缩短器件的使用寿命。本专利技术的专利技术人针对上述问题进行研究，提出了一种MTJ器件，如图1所示，包括：重金属层10，形成重金属层10的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层210，设置于重金属层10的一侧，且第一磁性层210具有垂直于重金属层10表面的磁各向异性；交换耦合控制层220，设置于第一磁性层210远离重金属层10的一侧；第二磁性层230，设置于交换耦合控制层220远离第一磁性层210的一侧，第二磁性层230具有垂直于重金属层10的磁各向异性，且第二磁性层230的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层210的饱和磁化强度，上述交换耦合控制层220用于使第一磁性层210与第二磁性层230铁磁耦合。上述MTJ器件中由于包括第一磁化层和第二磁化层的双磁化层来代替传统的垂直磁化层。在反转过程中，靠近重金属层的第一磁性层会在自旋轨道矩的作用下首先反转，而后第二磁性层将会在两磁性层的交换相互作用下实现反转，因自旋轨道矩形式为从而能够通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，使器件的临界反转电流密度大大降低；进一步地，包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。将本专利技术中的上述MTJ器件放入一个三维坐标系中第一磁性层210、第二磁性层230和重金属层10的长度方向和宽度方向分别对应坐标系的x轴和y轴，上述第一磁性层210和第二磁性层230的厚度方向对应坐标系的z轴。此时，上述第一磁性层210和第二磁性层230的磁各向异性垂直于重金属层10表面，即第一磁性层210和第二磁性层230的磁化方向为其厚度方向；而为了使上述重金属层10中产生自选轨道转矩(SOT)，使电流流经上述重金属层10，重金属层10中电流的流动方向为x轴与y轴组成的平面内的任意方向，流动的电荷电流会产生垂直于电荷流动方向的自旋流，被称为自旋霍尔效应，重金属层10中的电流方向和自旋流方向相互垂直，为重金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MTJ器件，其特征在于，包括：重金属层(10)，形成所述重金属层(10)的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层(210)，设置于所述重金属层(10)的一侧表面，且所述第一磁性层(210)具有垂直于所述重金属层(10)表面的磁各向异性；交换耦合控制层(220)，设置于所述第一磁性层(210)远离所述重金属层(10)的一侧表面；第二磁性层(230)，设置于所述交换耦合控制层(220)远离所述第一磁性层(210)的一侧表面，所述第二磁性层(230)具有垂直于所述重金属层(10)的磁各向异性，且所述第二磁性层(230)的矫顽力和饱和磁化强度高于所述第一磁性层(210)的饱和磁化强度，所述交换耦合控制层(220)用于使所述第一磁性层(210)与所述第二磁性层(230)铁磁耦合。

【技术特征摘要】
1.一种MTJ器件，其特征在于，包括：重金属层(10)，形成所述重金属层(10)的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层(210)，设置于所述重金属层(10)的一侧表面，且所述第一磁性层(210)具有垂直于所述重金属层(10)表面的磁各向异性；交换耦合控制层(220)，设置于所述第一磁性层(210)远离所述重金属层(10)的一侧表面；第二磁性层(230)，设置于所述交换耦合控制层(220)远离所述第一磁性层(210)的一侧表面，所述第二磁性层(230)具有垂直于所述重金属层(10)的磁各向异性，且所述第二磁性层(230)的矫顽力和饱和磁化强度高于所述第一磁性层(210)的饱和磁化强度，所述交换耦合控制层(220)用于使所述第一磁性层(210)与所述第二磁性层(230)铁磁耦合。2.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，形成所述第一磁性层(210)的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，形成所述合金的元素还包括Cu、Pt、Cr和V中的任一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一磁性层(210)的厚度为小于2nm。4.根据权利...

【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