磁存储单元及SOT-MRAM存储器制造技术

本发明专利技术提供一种磁存储单元，包括：底电极，用于提供自旋轨道矩；磁性隧道结，包括依次堆叠的自由层、隧穿势垒层和参考层，所述自由层靠近所述底电极；分离层，位于所述磁性隧道结的参考层上并与所述参考层接触；偏置层，位于所述分离层上并与所述分离层接触，用于提供一个磁矩，所述磁矩的初始方向与所述磁性隧道结的磁化方向平行；压电层，位于所述偏置层上并与所述偏置层接触，用于在控制电压的作用下，产生一个使所述偏置层的磁矩改变方向的应力，所述偏置层的磁矩在改变方向后，用于辅助所述自由层翻转；顶电极，位于所述压电层上并与所述压电层接触，用于在写入数据时接入所述控制电压。本发明专利技术能够提高磁存储单元的稳定性。

Magnetic memory cell and sot-mram memory

【技术实现步骤摘要】
磁存储单元及SOT-MRAM存储器
本专利技术涉及磁存储器
，尤其涉及一种磁存储单元及SOT-MRAM存储器。
技术介绍
研究发现，在具有自旋轨道矩效应(SpinOrbitTorque，SOT)的材料中通入电流时，会在材料的界面处产生自旋极化的自旋电流，该自旋电流可以用于翻转纳米磁铁，例如磁性隧道结MTJ中的自由层。基于自旋轨道矩和MTJ的新型磁存储器件(可以称为SOT-MRAM存储器)具有读写分离、写入速度快、写电流密度低等优点，被认为是未来的发展趋势。对于垂直结构的磁性隧道结，自旋霍尔效应诱导的自旋轨道力矩无法实现自由层的定向翻转。目前主要有两种手段，即通过外加偏置磁场、结构的不对称性来实现垂直各向异性材料的自旋轨道力矩翻转。如图1所示，是现有的一种磁存储单元的结构示意图，在磁性隧道结的参考层上方增加面内磁化的偏置磁场提供层，写入数据时通过偏置磁场提供层对自由层产生的水平偏置磁场来打破自由层自旋向上和向下时受到自旋轨道力矩的对称性，能够有效的辅助写入数据。但是偏置磁场提供层带来的偏置磁场对应的杂散场会严重影响磁存储单元的稳定性，进而影响数据的存储。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种磁存储单元及SOT-MRAM存储器，使偏置磁场在写入数据的时候，能够有效地辅助写入，而其他时刻不影响数据的存储，能够提高磁存储单元的稳定性。第一方面，本专利技术提供一种磁存储单元，包括：底电极，用于提供自旋轨道矩；磁性隧道结，包括依次堆叠的自由层、隧穿势垒层和参考层，所述自由层靠近所述底电极；分离层，位于所述磁性隧道结的参考层上并与所述参考层接触；偏置层，位于所述分离层上并与所述分离层接触，用于提供一个磁矩，所述磁矩的初始方向与所述磁性隧道结的磁化方向平行；压电层，位于所述偏置层上并与所述偏置层接触，用于在控制电压的作用下，产生一个使所述偏置层的磁矩改变方向的应力，所述偏置层的磁矩在改变方向后，用于辅助所述自由层翻转；顶电极，位于所述压电层上并与所述压电层接触，用于在写入数据时接入所述控制电压。可选地，所述压电层，用于在控制电压的作用下产生一个使所述偏置层的磁矩发生90度定向翻转的应力。可选地，所述压电层产生的应力在去掉所述控制电压后消失。可选地，所述压电层的材料为硫化镉、铌镁酸铅-钛酸铅、锆钛酸铅或者钛酸钡。可选地，所述压电层的厚度为1～3纳米。可选地，所述磁性隧道结为垂直于膜平面磁化或者膜平面内磁化。可选地，所述偏置层为单层膜结构或者多层膜结构。可选地，所述底电极的材料为重金属、拓扑绝缘体或者反铁磁合金。可选地，所述顶电极的材料为钽Ta、铝Al或者铜Cu中的一种。第二方面，本专利技术提供一种SOT-MRAM存储器，所述SOT-MRAM存储器包括上述磁存储单元。本专利技术的磁存储单元，当顶电极施加控制电压时，压电层产生一个应力，应力使偏置层的磁矩实现水平和垂直方向的90度定向翻转，从而控制偏置磁场的方向，与现有技术相比，通过外加电压控制偏置磁场，写入数据时，偏置磁场能有效的辅助写入，而其他时刻，偏置磁场不影响数据的存储，能够提高磁存储单元的稳定性。附图说明图1为现有的一种磁存储单元的层叠结构示意图；图2为本专利技术的磁存储单元的一个实施例的层叠结构示意图；图3为本专利技术的磁存储单元的另一个实施例的层叠结构示意图；图4为图2所示磁存储单元的写入数据“0”的过程示意图；图5为图2所示磁存储单元的写入数据“1”的过程示意图；图6为图2所示磁存储单元的读出数据的过程示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供一种磁存储单元，如图2所示，包括：从下至上依次堆叠的底电极、自由层、隧穿势垒层、参考层、分离层、偏置层、压电层和顶电极，其中，自由层、隧穿势垒层和参考层构成磁性隧道结MTJ，自由层和参考层材料为CoFeB，隧穿势垒层材料为MgO；MTJ磁化方向与底电极的长方向(即通入电流的方向)垂直，或者夹角>60°；MTJ的自由层与底电极接触，底电极用于提供自旋轨道矩，底电极可选择的材料包括重金属，如Pt，Ta，W，Ir，Hf，Ru，Tl，Bi，Au，Os，也可以采用拓扑绝缘体，如BiSe合金，BiTe合金，如Bi2Se3，BiSeTe合金，TlBiSe，还可以采用反铁磁合金，如PtMn，IrMn等；分离层位于磁性隧道结MTJ的参考层上并与参考层接触，用于隔离参考层和偏置层，分离层使用非磁性金属，材料包括但不限于Ta、Ru等，有助于偏置层磁矩的特定取向；偏置层位于分离层上并与分离层接触，用于提供一个磁矩，该磁矩的初始方向与磁性隧道结MTJ的磁化方向平行；压电层位于偏置层上并与偏置层接触，用于在控制电压的作用下，产生一个使偏置层的磁矩改变方向的应力，偏置层的磁矩在改变方向后，用于辅助磁性隧道结的自由层翻转；顶电极位于压电层上并与压电层接触，用于在写入数据时接入控制电压，顶电极的材料为钽Ta、铝Al或者铜Cu中的一种。具体地，在外加控制电压的作用下，压电层会产生较大的应力，因此需要压电层具有较大的压电系数，压电层的材料可以是硫化镉(CdS)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO3)等。压电层产生的应力能够使偏置层的磁矩发生90度定向翻转，例如从垂直方向翻转到水平方向，从而来改变偏置场的方向。此外，压电层还具有良好的易失性，即去掉控制电压之后，产生的应力消失，从而使偏置层的磁矩又回到初始状态，MTJ的自由层中磁化强度的方向回复到初始状态，从而提高了器件的稳定性。压电层的厚度可以根据压电层所使用的压电材料的压电系数以及电阻率来设计，通常其厚度在1～3nm的范围内变化。磁性隧道结的自由层和参考层可以是单层膜，也可以是多层膜结构，比如人工合成的反铁磁结构等。其中磁性材料选自铁、钴、镍中的一种或多种，用于存储数据。偏置层可以是单层膜，也可以是多层膜结构，比如人工合成的反铁磁结构等。其中材料选自混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样。如图3所示，为本专利技术的磁存储单元的另一个实施例，偏置层为多层膜结构，是一个包括磁性层1/非磁性层/磁性层2的多层膜结构，非磁性层位于两个磁性层之间，其中磁性层1接触分离层，磁性层2接触压电层。另外说明的是，磁性隧道结MTJ可以是垂直结构的，也可以是水平结构的。MTJ为垂直结构，其磁化方向垂直于膜平面；MTJ为水平结构，其在膜平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：/n底电极，用于提供自旋轨道矩；/n磁性隧道结，包括依次堆叠的自由层、隧穿势垒层和参考层，所述自由层靠近所述底电极；/n分离层，位于所述磁性隧道结的参考层上并与所述参考层接触；/n偏置层，位于所述分离层上并与所述分离层接触，用于提供一个磁矩，所述磁矩的初始方向与所述磁性隧道结的磁化方向平行；/n压电层，位于所述偏置层上并与所述偏置层接触，用于在控制电压的作用下，产生一个使所述偏置层的磁矩改变方向的应力，所述偏置层的磁矩在改变方向后，用于辅助所述自由层翻转；/n顶电极，位于所述压电层上并与所述压电层接触，用于在写入数据时接入所述控制电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：
底电极，用于提供自旋轨道矩；
磁性隧道结，包括依次堆叠的自由层、隧穿势垒层和参考层，所述自由层靠近所述底电极；
分离层，位于所述磁性隧道结的参考层上并与所述参考层接触；
偏置层，位于所述分离层上并与所述分离层接触，用于提供一个磁矩，所述磁矩的初始方向与所述磁性隧道结的磁化方向平行；
压电层，位于所述偏置层上并与所述偏置层接触，用于在控制电压的作用下，产生一个使所述偏置层的磁矩改变方向的应力，所述偏置层的磁矩在改变方向后，用于辅助所述自由层翻转；
顶电极，位于所述压电层上并与所述压电层接触，用于在写入数据时接入所述控制电压。


2.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，所述压电层，用于在控制电压的作用下产生一个使所述偏置层的磁矩发生90度定向翻转的应力。


3.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，所述压电层产生的应力在去掉所述控制电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成成，何世坤，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，浙江驰拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33