一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置制造方法及图纸

一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT‑MRAM装置，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和缓冲层；绝缘层位于磁性固定层和反铁磁自由层之间，一层缓冲层位于绝缘层与磁性固定层之间，另一缓冲层位于绝缘层与反铁磁自由层之间；磁性固定层和反铁磁自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。本发明专利技术的器件工作频率高，在THz量级，远高于基于铁磁性自由层的MRAM装置的工作频率。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置
本专利技术属于电磁结构
，特别涉及一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置。
技术介绍
磁性隧道结(magnetictunneljunction，MTJ)由两磁性金属(可以是铁磁性、亚铁磁性或反铁磁性金属)和夹在其间的超薄绝缘层组成。其中一磁性金属的磁序参量的取向固定，称为固定层；另一磁性金属的磁序参量的取向可以旋转，称为自由层。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，隧道电流的大小取决于固定层和自由层的磁序参量的相对取向(平行或反平行，分别称为平行磁结构和反平行磁结构，对应二进制状态的“1”和“0”。)，这种现象称为隧穿磁电阻(tunnelingmagnetoresistance，TMR)效应，其大小为体系的反平行磁结构的电阻R反平行与平行磁结构的电阻R平行的差值与平行磁结构的电阻的比值，既TMR＝(R反平行-R平行)/R平行。两磁性金属层的磁序参量的相对取向可通过施加外部磁场来改变，也可以通过施加电流来改变。磁性材料的取向可以由单一的磁各向异性场、外加磁场以及交换偏置场或者它们的组合来决定。由于外部磁场的施加不利于磁结构的微型化，通过外部磁场来改变磁性隧道结的自由层的磁序参量的取向这种方法在实验室里应用较多，而在真正的磁性器件上应用较少。通过电流改变磁结构的自由层的磁序参量的取向的方法具有良好的扩展性(scalability)，可以应用到低至几个纳米的磁结构中，是目前改变磁结构的自由层的磁序参量的优选方法。例如在具有两个铁磁金属层和超薄绝缘层的铁磁隧道结中，使电流通过具有固定磁化取向的第一铁磁金属层以实现自旋极化，然后自旋极化的电流可以被引导入自由层中并被局域磁矩吸收，引起角动量的转移，由此激发的自旋转矩(Spintransfertorque，STT)对自由层中的局部磁矩产生影响，当电流超过临界电流将导致自由层的磁化翻转，从而实现二进制信息“1”和“0”的擦和写。目前，MRAM中MTJ的磁性自由层一般采用铁磁材料。利用自旋极化电流(自旋转矩)实现基于铁磁材料的磁性自由层的MTJ(称为FM-MTJ)的数据擦写的自旋极化电流一般在106到107A/cm2，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度且同时消耗更多的电量，更大的问题是容易造成FM-MTJ的热击穿。为了解决该问题，可以在FM-MTJ的铁磁自由层下铺设一层重金属层，利用重金属层中的自旋霍尔效应实现FM-MTJ的自由铁磁层的磁化方向翻转。具体是就是横向流过重金属层的电流由于自旋霍尔效应产生垂直FM-MTJ的自由铁磁层和重金属层界面的自旋极化电流，该自旋极化电流被FM-MTJ的自由铁磁层吸收后产生自旋转矩驱动FM-MTJ的自由铁磁层的磁化方向翻转。横向流过重金属层的电流可以在107到108A/cm2，由于重金属的低电阻率和大热导系数，FM-MTJ的自由铁磁层和重金属层界面的局部热效应不会影响FM-MTJ的稳定性。由于铁磁材料易于受磁矩的影响，基于FM-MTJ的MRAM的稳定性会受到外部磁场和内部电流产生的磁场的影响，这会降低MRAM的可靠性，同时不利于MRAM集成度的提高。另外，电流驱动FM-MTJ的磁矩翻转的特征时间取决于磁性自由层的磁晶各向异性场。典型铁磁材料的磁矩翻转的特征频率在107到109Hz，提高基于FM-MTJ的MRAM的运算性能的一种方法就是尽量提高这个特征频率。反铁磁材料自发现以来便被认为是“有趣但无用”的，因为它净磁矩为零，具有无杂散磁场、对磁场和温度不敏感的优点，但难以被外磁场调控。因此，长期以来主要用于交换偏置效应中，在巨磁电阻或隧穿磁电阻器件中起硬磁层的作用。现有磁存储技术中未考虑有效利用反铁磁材料性能，在存储器件应用方面的研究亟待开展。例如，充分利用反铁磁净磁矩为零，无杂散场的特点，有望避免目前铁磁存储单元因为杂散场的存在，导致相邻铁磁存储单元不能太近的难题，从而进一步提高存储密度；充分利用反铁磁对温度及外磁场不敏感的特性，进一步提高器件的稳定性。零净磁矩的反铁磁材料具有优越的磁场稳定性、高达THZ(1012Hz)的超快自旋进动和极低的能量损耗。调控反铁磁序的有效方法有磁场、电流和热流。由于需要在极高的磁场下才能被有效调控，通过电流和热流来调控反铁磁序成为优选方法。研究表明大约106Acm-2的电流就可以改变四方CuMnAs的反铁磁序的方向(Wadley,P.etal.,Science351,587(2016))，大约107Acm-2的电流就可以改变四方Mn2Au的反铁磁序的方向(Bodnar,S.Yu.etal.,Nat.Commun.9,348(2018))。四方CuMnAs和Mn2Au具有中心反对称共线反铁磁结构，横向流过它们的电流会产生奈尔自旋轨道场(Néelspin-orbitfield，NSOF)，这个有效场的特别之处是其作用到两个反向的子晶格磁矩上的转矩(Néelspin-orbittorque，NSOT)方向相反。反铁磁序在NSOT作用下发生进动，当横向作用电流超过临界电流时会发生反铁磁序翻转。这些研究引发了反铁磁研究的热潮，促进了反铁磁自旋电子学的发展。四方Mn2Au具有高达1500K的奈尔温度和约6％的各向异性磁电阻。室温下四方Mn2Au和CuMnAs的电阻率分别为22μΩ·cm和160μΩ·cm。当电流流过时，在前者中较小的焦尔热更有利于器件的热稳定性和可靠性。除了横向电流外，纵向流经磁性隧道结的电流产生的自旋转矩也可以驱动反铁磁自由层的磁序参量进动。对于易面的四方反铁磁体，自旋转矩的场分量部分可以决定的使反铁磁自由层的磁序在两个磁构型之间来回翻转。纵向电流可以作为辅助以减小施加的横向写入电流的电流密度。与基于FM-MTJ的MRAM相比，基于反铁磁材料作为磁性自由层的MTJ(称为：AFM-MTJ)的磁随机存贮器通常利用流过反铁磁材料的横向电流产生的NOST来切换自由层与固定层磁序的相对取向，继而实现数据写入。由于AFM-MTJ的反铁磁自由层的磁矩翻转的特征频率在1010到1012Hz，远大于FM-MTJ的铁磁自由层的磁矩翻转的特征频率，基于AFM-MTJ的MRAM的运算速度远大于基于FM-MTJ的MRAM的运算速度。由于磁场对反铁磁自由层基本没有影响，基于AFM-MTJ的MRAM不受外部磁场和内部电流产生的磁场的影响，具有极高的磁稳定性。由于写电流横向流过低电阻率的反铁磁金属而不流过MTJ，读电流纵向流过MTJ，这种读写分离的结构提高了基于AFM-MTJ的MRAM热稳定性。但这种NSOT-MRAM的写入电流密度依赖于反铁磁金属的自旋转移效率和反铁磁材料的有效场，一般情况下写入的电流密度还是比较高，限制了存储单元阵列的排列密度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种磁性隧道结，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和缓冲层；绝缘层位于磁性固定层和反铁磁自由层之间，一层缓冲层位于绝缘层与磁性固定层之间，另一缓冲层位于绝缘层与反铁磁自由层之间；磁性固定层和反铁磁自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和缓冲层；绝缘层位于磁性固定层和反铁磁自由层之间，一层缓冲层位于绝缘层与磁性固定层之间，另一缓冲层位于绝缘层与反铁磁自由层之间；磁性固定层和反铁磁自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。


2.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结，其特征在于，反铁磁自由层为四方Mn2Au或CuMnAs，厚度为0.1nm～10nm。


3.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层的厚度大于反铁磁自由层的厚度或通过外接反铁磁钉扎层对磁矩进行固定；磁性固定层由铁磁性或亚铁磁性金属Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与元素B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种的合金制成。


4.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，具体为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。


5.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由半金属铁磁材料制成，具体包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X为Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z为Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。


6.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由反铁磁材料制成，具体为Mn2Au、CuMnAs、FeMn、IrMn或PtMn。


7.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾兴涛，王海伦，蔡小琳，王蕾，武苹苹，曹国华，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41