自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法。该自旋轨道矩磁性存储单元包括参考层、第一自由层、势垒层、磁化偏置层和自旋霍尔效应层，参考层具有固定的磁化方向；第一自由层设置于参考层的一侧，第一自由层具有可变的磁化方向，且第一自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；势垒层设置于参考层与第一自由层之间；磁化偏置层设置于第一自由层远离势垒层的一侧，或设置于参考层远离势垒层的一侧，用于向第一自由层提供偏置磁场，磁化偏置层与第一自由层之间的磁各向异性方向垂直；自旋霍尔效应层接触设置于第一自由层远离势垒层的一侧表面上，用于诱导第一自由层的磁矩翻转，且自旋霍尔效应层包括拓扑绝缘材料。材料。材料。

【技术实现步骤摘要】
自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法


[0001]本专利技术涉及数据存储
，具体而言，涉及一种自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法。

技术介绍

[0002]自旋轨道转矩磁性存储器(SOT-MRAM)是目前存储芯片行业被深入研究的磁器件之一。SOT-MRAM相对于自旋转移力矩磁性存储器(STT-MRAM)，具有较高的写入速度和较低的功耗，应用前景较好。
[0003]SOT-MRAM器件的核心结构包括自旋霍尔效应层(SHE层，一般为重金属材料)和磁性隧道结(MTJ)，其中MTJ包括自由层、势垒层和参考层。SOT-MRAM的原理利用自旋霍尔效应，当电流穿过SHE层，由于电子的自旋轨道耦合，实现自由层磁矩的翻转，从而电阻发生变化，实现数据存储。
[0004]目前SOT-MRAM的翻转电流密度较大，通常>107A/cm2。并且，由于目前SOT-MRAM的磁性隧道结还没有很好的优化，器件存在高温退火下稳定性差、垂直磁各向异性(PMA)低等问题，
[0005]因此，现有技术中亟需对SOT-MRAM的器件结构进行优化设计，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法，以解决现有技术中SOT-MRAM的翻转电流密度较大的问题。
[0007]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了自旋轨道矩磁性存储单元，包括：参考层，具有固定的磁化方向；第一自由层，设置于参考层的一侧，第一自由层具有可变的磁化方向，且第一自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；势垒层，设置于参考层与第一自由层之间；磁化偏置层，设置于第一自由层远离势垒层的一侧，或设置于参考层远离势垒层的一侧，用于向第一自由层提供偏置磁场，磁化偏置层与第一自由层之间的磁各向异性方向垂直；自旋霍尔效应层，接触设置于第一自由层远离势垒层的一侧表面上，用于诱导第一自由层的磁矩翻转，且自旋霍尔效应层包括拓扑绝缘材料。
[0008]进一步地，拓扑绝缘材料选自Bi
x1
Se
(1-x1)
、Sb
x
Te
(1-x1)
和Bi
x
Te
(1-x1)
中的任一种或多种，各拓扑绝缘材料中的x1独立地满足0.1～0.9。
[0009]进一步地，自旋霍尔效应层包括拓扑绝缘层和重金属层，重金属层位于拓扑绝缘层与第一自由层之间，拓扑绝缘材料构成拓扑绝缘层，优选重金属层中的重金属材料选自Ta、Pt、Pd和W中的任一种或多种。
[0010]进一步地，磁化偏置层设置于自旋霍尔效应层远离第一自由层的一侧，自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层，反铁磁层设置于磁化偏置层远离自旋霍尔效应层的一侧，优选形成反铁磁层的材料包括PtMn和/或IrMn。
[0011]进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一保护层，第一保护层设置于磁化
偏置层远离反铁磁层的一侧，优选形成第一保护层的材料包括Ta、Ru、Pt和Ta
x2
O
(1-x2)
中的任一种或多种，x2为0.1～0.9。
[0012]进一步地，磁化偏置层、反铁磁层和第一保护层构成偏置单元，自旋轨道矩磁性存储单元还包括绝缘层，绝缘层包裹偏置单元，并设置于自旋霍尔效应层远离第一自由层的一侧，优选形成绝缘层的材料包括SiO2、MgO、Si3N4和MgAl2O4中的任一种或多种。
[0013]进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一种子层，设置于自旋霍尔效应层与绝缘层之间，优选形成第一种子层的材料包括MgO和/或MgAl2O4。
[0014]进一步地，磁化偏置层设置参考层远离势垒层的一侧，自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层，反铁磁层设置于磁化偏置层远离参考层的一侧表面，优选反铁磁层的反铁磁性材料包括PtMn和/或IrMn。
[0015]进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括：第二自由层，设置于第一自由层远离自旋霍尔效应层的一侧，第二自由层具有可变的磁化方向，且第二自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；第一反铁磁耦合层，设置于第一自由层与第二自由层之间，用于诱导第一自由层与第二自由层之间反铁磁耦合。
[0016]进一步地，参考层具有垂直磁各向异性，自旋轨道矩磁性存储单元还包括：记录层，设置于参考层与第二自由层之间，记录层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；垂直强化层，设置于记录层与第二自由层之间，用于诱导记录层与第二自由层之间铁磁耦合。
[0017]进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括：合成反铁磁层，设置于参考层远离势垒层的一侧，合成反铁磁层包括沿远离参考层的方向顺序层叠的底部铁磁层、隔离层和顶部铁磁层，底部铁磁层与顶部铁磁层的磁化方向反平行，且底部铁磁层与顶部铁磁层中任一个的磁化方向与参考层的磁化方向平行；第二反铁磁耦合层，设置于合成反铁磁层与参考层之间，用于诱导参考层与合成反铁磁层之间反铁磁耦合。
[0018]进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括第二保护层，第二保护层设置于合成反铁磁层远离第二反铁磁耦合层的一侧，优选形成第二保护层的材料包括Ta、Ru、Pt和Ta
x3
O
(1-x3)
中的任一种或多种，x3为0.1～0.9。
[0019]根据本专利技术的另一方面，提供了一种上述的自旋轨道矩磁性存储单元的制备方法，包括以下步骤：在磁化偏置层一侧顺序形成自旋霍尔效应层、第一自由层、势垒层和参考层，以使磁化偏置层设置于第一自由层远离势垒层的一侧；或者在自旋霍尔效应层一侧顺序形成第一自由层、势垒层、参考层和磁化偏置层，以使磁化偏置层设置于参考层远离势垒层的一侧。
[0020]进一步地，形成磁化偏置层的步骤包括：在衬底上形成第二种子层，并在第二种子层上顺序沉积反铁磁性材料和偏置层材料，优选形成第二种子层的材料包括Ta和/或TaN，优选采用磁控溅射工艺沉积偏置层材料；对偏置层材料进行高温退火处理，以形成磁化偏置层。
[0021]应用本专利技术的技术方案，提供了一种自旋轨道矩磁性存储单元，包括MTJ、磁化偏置层和自旋霍尔效应层，MTJ包括参考层、第一自由层和势垒层，磁化偏置层设置于第一自由层远离势垒层的一侧，或设置于参考层远离势垒层的一侧，磁化偏置层与第一自由层之间的磁各向异性方向垂直，自旋霍尔效应层设置于第一自由层远离势垒层的一侧表面上，
磁化偏置层向第一自由层提供偏置磁场，以使第一自由层在自旋霍尔效应层的诱导下磁矩翻转。由于上述自旋霍尔效应层包括具有高自旋霍尔角的拓扑绝缘材料，从而提高了SOT效率，使翻转电流密度能够降低1-2个数量级；并且，上述自旋霍尔效应层与第一自由层直接接触，避免了现有技术中在第一自由层与自旋霍尔效应层之间设置Ta种子层而导致的自旋力矩转移的效率降低，提高了写入电流密度，能够充分利用拓扑绝缘材料所具有的高自旋霍尔角的优势。
附图说明
[0022]构成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，包括：参考层(40)，具有固定的磁化方向；第一自由层(100)，设置于所述参考层(40)的一侧，所述第一自由层(100)具有可变的磁化方向，且所述第一自由层(100)的磁化方向与所述参考层(40)的磁化方向平行或反平行；势垒层(50)，设置于所述参考层(40)与所述第一自由层(100)之间；磁化偏置层(150)，设置于所述第一自由层(100)远离所述势垒层(50)的一侧，或设置于所述参考层(40)远离所述势垒层(50)的一侧，用于向所述第一自由层(100)提供偏置磁场，所述磁化偏置层(150)与所述第一自由层(100)之间的磁各向异性方向垂直；自旋霍尔效应层(110)，接触设置于所述第一自由层(100)远离所述势垒层(50)的一侧表面上，用于诱导所述第一自由层(100)的磁矩翻转，且所述自旋霍尔效应层(110)包括拓扑绝缘材料。2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述拓扑绝缘材料选自Bi
x1
Se
(1-x1)
、Sb
x
Te
(1-x1)
和Bi
x
Te
(1-x1)
中的任一种或多种，各所述拓扑绝缘材料中的所述x1独立地满足0.1～0.9。3.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋霍尔效应层(110)包括拓扑绝缘层和重金属层，所述重金属层位于所述拓扑绝缘层与所述第一自由层(100)之间，所述拓扑绝缘材料构成所述拓扑绝缘层，优选所述重金属层中的重金属材料选自Ta、Pt、Pd和W中的任一种或多种。4.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述磁化偏置层(150)设置于所述自旋霍尔效应层(110)远离所述第一自由层(100)的一侧，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层(160)，所述反铁磁层(160)设置于所述磁化偏置层(150)远离所述自旋霍尔效应层(110)的一侧，优选形成所述反铁磁层(160)的材料包括PtMn和/或IrMn。5.根据权利要求4所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一保护层(140)，所述第一保护层(140)设置于所述磁化偏置层(150)远离所述反铁磁层(160)的一侧，优选形成所述第一保护层(140)的材料包括Ta、Ru、Pt和Ta
x2
O
(1-x2)
中的任一种或多种，x2为0.1～0.9。6.根据权利要求5所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述磁化偏置层(150)、所述反铁磁层(160)和所述第一保护层(140)构成偏置单元，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括绝缘层(130)，所述绝缘层(130)包裹所述偏置单元，并设置于所述自旋霍尔效应层(110)远离所述第一自由层(100)的一侧，优选形成所述绝缘层(130)的材料包括SiO2、MgO、Si3N4和MgAl2O4中的任一种或多种。7.根据权利要求6所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一种子层(120)，所述设置于所述自旋霍尔效应层(110)与所述绝缘层(130)之间，优选形成所述第一种子层(120)的材料包括MgO和/或MgAl2O4。8.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述磁化偏置层(150)设置所述参考层(40)远离所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李州，孟皓，迟克群，
申请(专利权)人：浙江驰拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：