用于磁体切换的具有手性反铁磁材料的磁存储器制造技术

提供了一种装置，包括：具有带有磁化(例如，相对于装置的x‑y平面的垂直磁化)的磁体的磁性结；以及与磁性结相邻的互连，其中，所述互连包括手性反铁磁(AFM)材料(例如，Mn3X，其中'X'包括Ge、Sn、Ga、Ir、Rh或Pt中的一种；1类kagomi反铁磁材料、2类超kagomi反铁磁材料，或金属有机物)。

Magnetic memory with chiral antiferromagnetic materials for magnet switching

【技术实现步骤摘要】
用于磁体切换的具有手性反铁磁材料的磁存储器
技术介绍
具有状态保持的嵌入式存储器可以实现能量和计算效率。然而，领先的自旋电子存储器选项，例如，基于自旋传递转矩(spintransfertorque)的磁随机存取存储器(STT-MRAM)，在位单元编程(例如，写入)期间遇到高电压和高写入电流的问题。例如，写入基于隧道结的磁隧道结(MTJ)需要大的写入电流(例如，大于100μA)和电压(例如，大于0.7V)。有限的写入电流还导致基于MTJ的MRAM中的高写入错误率或缓慢的切换时间(例如，超过20ns)。流过隧道势垒的大电流的存在导致磁隧道结中的可靠性问题。附图说明根据下面给出的详细描述和本公开内容的各种实施例的附图，将更全面地理解本公开内容的实施例，然而，附图不应被理解为将本公开内容限制于特定实施例，而是仅供解释和理解。图1A示出了对铁磁体而言的对施加的磁场的磁化响应。图1B示出了对顺磁体而言的对施加的磁场的磁化响应。图2A-B分别示出了具有耦合到自旋轨道耦合(SOC)互连的平面内磁隧道结(MTJ)堆叠体的器件的三维(3D)视图和相应的顶视图。图2C示出了SOC互连的横截面，其中电子的自旋在平面内极化并且由于电荷电流流动而上下偏转。图3A-B分别示出了具有耦合到SOC互连的平面内MTJ堆叠体的器件的3D视图和相应的顶视图，其中平面内磁化与电流方向共线。图4A-B分别示出了具有耦合到SOC互连的平面外MTJ堆叠体的器件的3D视图和相应的顶视图。图5A-C示出了用于切换形成在自旋轨道转矩电极上的平面外MTJ存储器件(例如图4A的器件)的机制(mechanism)。图6A示出了曲线图，该曲线图示出与传统MTJ相比的一个晶体管和具有自旋霍尔效应(SHE)材料的一个MTJ(例如，图2-3的器件)的写入能量延迟条件(condition)。图6B示出了比较自旋霍尔MRAM和自旋转矩MRAM的可靠写入时间的曲线图。图6C示出了根据一些实施例的用于实现SOC互连的手性(chiral)反铁磁(AFM)材料Mn3Sn的晶格结构。图7A-B分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及手性AFM互连的器件的3D视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化。图7C-D分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及手性AFM互连的器件的3D视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有平面内磁化。图7E-F分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结、手性AFM互连以及过孔的器件的3D视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括与手性AFM互连相邻的平面内磁体。图7G-H分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结、手性AFM互连以及过孔的器件的3D视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括平面内磁体和AFM，平面内磁体和AFM之一与手性AFM互连相邻。图8A示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与手性AFM互连相邻。图8B示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与手性AFM互连相邻。图8C示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构和自由磁体结构的一个自由磁体包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连相邻。图8D示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与手性AFM互连相邻。图8E示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构和自由磁体结构的一个自由磁体包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与手性AFM互连相邻。图9A示出了根据本公开内容的一些实施例的示出自由磁体结构的自旋极化捕获切换的曲线图，该自由磁体结构在手性AFM互连下由磁过孔交换耦合或偏置。图9B示出了根据本公开内容的一些实施例的与图9A相关联的磁化图。图9C示出了根据本公开内容的一些实施例的示出自由磁体结构的自旋极化捕获切换的曲线图，该自由磁体结构在手性AFM互连下由磁过孔交换耦合或偏置。图9D示出了根据本公开内容的一些实施例的与图9C相关联的磁化图。图10A-C示出了根据一些实施例的耦合到第一晶体管和位线的SOT存储器件(例如，图7-8的器件中的任何一个)的横截面图。图11示出了根据一些实施例的用于形成图7-8的器件的方法的流程图。图12示出了根据本公开内容的一些实施例的带有具有手性AFM互连的基于磁性结的存储器的智能设备或计算机系统或SoC(片上系统)。具体实施方式垂直自旋轨道转矩(PSOT)MRAM使用来自重金属、二维(2D)材料、反铁磁体(AFM)或拓扑绝缘体(TI)的自旋轨道转矩(SOT)，也称为自旋轨道耦合(SOC)，来切换耦合到SOT电极的垂直磁体。通常，通过SOT电极的平面内磁场用于PSOTMRAM的自由磁体的确定性双向切换。该平面内磁场可以通过作为SOT电极或磁掺杂重金属电极或磁过孔的AFM材料或通过设计复杂的自由磁体层堆叠体来产生。诸如三角形、手性、六边形、kagomi和/或立方体的反铁磁材料显示出用作PSOT器件中的SOT电极层的巨大前景。可以使用几种机制之一来切换耦合到SOC电极的磁性器件的自由磁体。例如，诸如IrMn的交换偏置过孔材料(exchangebiasviamaterialsuchasIrMn)、使用诸如像MoS2的二维材料(2D)的硫属化物的Rashba-Bychkov效应可用于切换垂直自由磁体。通常，AFM材料具有大的自旋轨道转矩，并且可以使用界面交换偏置效应将平面内偏置磁场施加到PSOT器件的自由磁体层。来自交换偏置的平面内磁场是可以打破对称性以实现PSOTMRAM的可重复且确定性的双向切换的方式之一。各种实施例使用替代方案来有效地切换存储器件的自由磁体。在一些实施例中，手性反铁磁材料用作切换磁性结(例如，磁隧道结或自旋阀)的自由磁体的源。手性AFM材料也称为Kagomi手性AFM材料或简称为KagomiAFM材料。KagomiAFM材料由手性AFM形成，其中磁性遵循手性排序。手性排序的一个好处是可以不再需要使用被需要用以使得附接到磁性结的SOT电极导致磁性结的自由磁体切换的传统的辅助电流。因此，使用用于SOC电极的KagomiAFM材料实现磁性结的自由磁体的低功率且高效的切换(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于储存数据的装置，所述装置包括：磁性结，所述磁性结包括：结构堆叠体，所述结构堆叠体包括：第一结构，所述第一结构包括具有相对于器件的x‑y平面的非固定垂直磁各向异性(PMA)的磁体；第二结构，所述第二结构包括电介质或金属中的一种；以及第三结构，所述第三结构包括具有固定PMA的磁体，其中，所述第三结构具有垂直于所述器件的所述平面的各向异性轴，并且其中，所述第三结构与所述第二结构相邻，使得所述第二结构位于所述第一结构和所述第三结构之间；以及互连，所述互连与所述第三结构相邻，其中，所述互连包括手性反铁磁(AFM)材料。

【技术特征摘要】
2018.04.02 US 15/943,4251.一种用于储存数据的装置，所述装置包括：磁性结，所述磁性结包括：结构堆叠体，所述结构堆叠体包括：第一结构，所述第一结构包括具有相对于器件的x-y平面的非固定垂直磁各向异性(PMA)的磁体；第二结构，所述第二结构包括电介质或金属中的一种；以及第三结构，所述第三结构包括具有固定PMA的磁体，其中，所述第三结构具有垂直于所述器件的所述平面的各向异性轴，并且其中，所述第三结构与所述第二结构相邻，使得所述第二结构位于所述第一结构和所述第三结构之间；以及互连，所述互连与所述第三结构相邻，其中，所述互连包括手性反铁磁(AFM)材料。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述手性反铁磁材料包括Mn以及Ge、Sn、Ga、Ir、Rh或Pt中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述手性反铁磁材料包括1类kagomi反铁磁材料、2类超kagomi反铁磁材料、或金属有机物中的一种。4.根据权利要求3所述的装置，其中：1类kagomi反铁磁材料包括Cs、Cu、Zr、Hf、Sn、F、Rb或X中的一种或多种；2类超kagomi反铁磁材料包括Na、Ir、O、Cu、Fe、Na、Mn、Br、Sr、Cr或Ga中的一种或多种；并且金属有机物包括Na、Ba、Fe、C、O、Sn、Zr、H或Al中的一种或多种。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，包括与所述互连相邻的第四结构，使得所述第三结构和所述第四结构在所述互连的相对表面上，其中，所述第四结构包括具有相对于所述器件的x-y平面的平面内磁化的磁体。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述磁性结包括：第五结构，所述第五结构在所述第一结构和所述第二结构之间，其中，所述第五结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一种或多种；或者第六结构，所述第六结构在第二结构和所述第三结构之间，其中，所述第六结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一种或多种。7.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，包括：第七结构，所述第七结构在所述互连和所述第四结构之间，其中，所述第七结构包括AFM材料，并且其中，所述互连包括自旋轨道材料。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述AFM材料包括Ir、Pt、Mn、Pd或Fe中的一种。9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述AFM材料是包括Ni(1-x)MxGa2S4的准二维三角形AFM，其中“M”包括Mn、Fe、Co或Zn中的一种。10.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中：所述第一结构或所述第三结构包括堆叠体，所述堆叠体包括第一材料和不同于所述第一材料的第二材料；所述第一材料包括Co、Ni、Fe或赫斯勒合金中的一种；所述赫斯勒合金包括Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、Ni、Pd、Ru或V中的一种或多种；所述第二材料包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni中的一种；其中，所述第一材料的厚度在0.6nm至2nm的范围内，并且其中，所述第二材料的厚度在0.1nm至3nm的范围内。11.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述电介质包括：Mg和O。12.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述第一结构或所述第三结构包括超晶格，所述超晶格包括第一材料和第二材料，其中，所述第一材料包括Co、Ni、Fe或赫斯勒合金中的一种；并且其中，所述第二材料包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni中的一种。13.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述第一结构或所述第三结构包括三种材料的堆叠体，所述三种材料包括与所述第四结构相邻的第一材料，与所述第一材料相邻但不与所述第四结构接触的第二材料，以及与所述第二材料和所述第二结构相邻的第三材料，其中，所述第一材料包括Co、Ni、Fe或赫斯勒合金中的一种或多种；其中，所述第二材料包括Ru；并且其中，所述第三材料包括Co、...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·马尼帕特鲁尼，T·戈萨维，D·尼科诺夫，I·扬，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US