基于人工反铁磁固定层的磁性结构及SOT-MRAM制造技术

本发明专利技术公开了一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构及自旋轨道矩‑随机磁存储器(Spin‑Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT‑MRAM)，其包含一个电场调控的基于人工反铁磁装置的固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层；其中基于人工反铁磁装置的固定层可以通过电场调控，实现其反铁磁耦合增强。所述装置可以在电场和电流的共同作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有密度高、功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于人工反铁磁固定层的磁性结构及SOT-MRAM
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，涉及一种电场调控的基于人工反铁磁装置的固定层以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩-磁性随机存储器(Spin-OrbitTorqueMagneticRandomAccessMemory,SOT-MRAM)。
技术介绍
磁性隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)由两磁性金属层和夹在其间的超薄绝缘层组成。如果在两磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/隧穿电阻的大小取决于两铁磁层中磁化的相对取向(平行或反平行，分别对应二进制状态的“1”和“0”。)，这种现象称为隧穿磁阻(TunnelingMagnetoresistance，TMR)。两铁磁层中磁化的相对取向可通过施加磁场来改变。与传统MRAM相比，SOT-MRAM装置利用电流产生自旋轨道矩(而不是由电流产生的磁场)来切换自由层与固定层磁化的相对取向，继而实现数据写入。同时，器件结构也不易在高电流密度下受到破坏。但这种SOT-MRAM的写入电流密度还是很高，限制了存储单元阵列的排列密度。因此，提供一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM，即利用电场调控一种人工反铁磁装置用以增强其反铁磁耦合，使其作为磁性隧道结的固定层，结合电流与电压共同作用切换自由层与固定层磁化的相对取向，实现数据写入，能够减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。
技术实现思路
本专利技术目的之一在于提供一种磁性结构，该磁性结构包含了基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和自旋轨道矩材料层，将该磁性结构用于SOT-MRAM中，从而实现减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗的效果。本专利技术目的之二在于提供一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储器，该装置利用电场辅助实现数据写入，具有写入响应快的优点。本专利技术目的之三在于提供一种读写分离的自旋轨道矩-磁性随机存储器的写入方法，该方法极大程度降低了电流密度对MRAM工作寿命的影响。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磁性结构，包括一个基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层，且磁性隧道结固定层的反铁磁耦合受电场调控，磁化方向垂直指向面外或平行于面内。优选的，所述磁性隧道结为一个三明治结构，由一个基于人工反铁磁装置的固定层、一个自由层和一个非磁性势垒层构成，其中基于人工反铁磁装置的固定层和自由层为磁性层，磁化方向垂直指向面外或平行于面内，非磁性势垒层位于二者之间；人工反铁磁装置的直径为1nm～100nm，且处于反铁磁态；将其置于外电场中，在0.1V～15V范围内，通过调节外加电场的电压来改变电场强度，使其反铁磁耦合强度增强。优选的，所述基于人工反铁磁装置的固定层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的垂直三明治堆叠结构；所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；优选的，所述铁磁层材料选自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；所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。优选的，所述自由层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，包括铁磁层与间隔层，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。优选的，所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，除O、N外，其组成元素选自Mg、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，其组成元素选自但不限于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；或选自SiC、C或陶瓷材料。优选的，所述自旋轨道矩材料层与自由层近邻且与非磁性势垒层相对；所述自旋轨道矩材料层在流经电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。优选的，所述自旋轨道矩材料层由重金属材料制成，选自Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种；或由拓扑绝缘体材料制成，选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。本专利技术进而给出了一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储器，包括一个电场调控的基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层构成的磁性结构；还包括四个电极，第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层近邻并与自由层相对；通过调节第三电极与第四电极电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。或第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与第三电极近邻并与固定层外侧相对；通过调节第一电极或第二电极与第四电极电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。优选的，所述电极材料为金属或合金材料，选自Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性结构，其特征在于：包括一个基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层，且磁性隧道结固定层的反铁磁耦合受电场调控，磁化方向垂直指向面外或平行于面内。

【技术特征摘要】
1.一种磁性结构，其特征在于：包括一个基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层，且磁性隧道结固定层的反铁磁耦合受电场调控，磁化方向垂直指向面外或平行于面内。2.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：所述磁性隧道结为一个三明治结构，由一个基于人工反铁磁装置的固定层、一个自由层和一个非磁性势垒层构成，其中基于人工反铁磁装置的固定层和自由层为磁性层，磁性层磁化方向垂直指向面外或平行于面内，非磁性势垒层位于二者之间；人工反铁磁装置的直径为1nm～100nm，且处于反铁磁态；将其置于外电场中，在0.1V～15V范围内，通过调节外加电场的电压来改变电场强度，使其反铁磁耦合强度增强。3.根据权利要求2所述的磁性结构，其特征在于：所述基于人工反铁磁装置的固定层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的垂直三明治堆叠结构；所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；所述铁磁层材料选自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；所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。4.根据权利要求2所述的磁性结构，其特征在于：所述自由层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，包括铁磁层与间隔层，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。5.根据权利要求2所述的磁性结构，其特征在于：所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，除O、N外，其组成元素选自Mg、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，其组成元素选自但不限于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；或选自SiC、C或陶瓷材料。6.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵泰，周学松，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