磁电阻器件以及改变其阻态的方法、突触学习模块技术

本发明专利技术属于存储器技术领域，主要涉及一种磁电阻器件以及改变其阻态的方法、突触学习模块；其中，该磁电阻器件，包括沿预设方向依次排列的顶电极、铁磁参考层、隧穿层、铁磁自由层、自旋轨道耦合层、底电极；其中自旋轨道耦合层包括交替分布的第一厚度区和第二厚度区，第一厚度区和第二厚度区的厚度不同；铁磁自由层中包括钉扎区，钉扎区的位置与第一厚度区的位置一一对应。

【技术实现步骤摘要】
磁电阻器件以及改变其阻态的方法、突触学习模块
本专利技术属于存储器
，主要涉及一种磁电阻器件以及改变其阻态的方法、突触学习模块。
技术介绍
近几十年，全球各国在磁性材料及自旋电子领域的研究有了长足的发展，尤其针对以自旋电子学为基础的磁随机存储器(MagneticRandomAccessMemory，简称MRAM)的研究逐渐成为热点。作为下一代高性能新型存储器之一，磁性存储器具有非易失性、高读写速率、低功耗、高密度及高耐久性等诸多优势。目前，主流研究包括基于自旋转移矩的磁性随机存储器(SpinTransferTorqueMRAM，简称STT-MRAM)和基于自旋轨道矩的磁性随机存储器(SpinOrbitTorqueMRAM，简称SOT-MRAM)。STT-MRAM通过参考层极化的电流对自由层产生的扭矩作用，使得自由层磁化方向发生偏转，再根据隧穿磁电阻效应(TunnelMagnetoresistanceEffect)来表征阻值的变化。但是，在写入的过程中需要较大的电流产生足够的扭矩来翻转自由层。SOT-MRAM是通过自旋轨道耦合层的自旋霍尔效应(SpinHallEffect)来诱导垂直方向注入自旋流，即在具有强自旋轨道耦合的自旋轨道耦合层中流动的电流转化为自旋流，自旋流向铁磁层中扩散，对铁磁层的磁矩施加力矩使之翻转。同时SOT-MRAM实现了读/写路径的分离，具有更高的可靠性。然而，传统的SOT-MRAM需要施加一个磁场，打破对称性，实现确定性的磁化翻转。然而，当前主要研究都是基于二值存储及相应的存算一体应用。为了进一步提升器件存储密度、简化电路复杂度、实现高效存算一体及类脑智能芯片应用，研发高性能、低功耗的多阻态隧穿磁电阻器件势在必行。现有的SOT-MTJ的技术，针对于SOT-MTJ的能耗，实现无外场翻转、差分多阻态等方面做了许多改进与完善。为了实现多阻态的SOT-MTJ以及无外场翻转，研究人员们采取了调控磁畴壁运动、反铁磁耦合、堆叠SAF层等措施。相关技术中，提供了一种三端MTJ，包括第一铁磁层(参考层)、势垒层、第二铁磁层(存储层)、缓冲层、第三铁磁层(翻转层)和自旋轨道耦合层。其中存储层与翻转层构成反铁磁耦合，垂直自旋极化电流切换翻转层后，在交换偏置作用下，实现存储层的翻转。另一相关技术中，阐述了基于具有反铁磁特性的Ir-Mn材料的SOT层的MTJ，SOT层在与自由层界面形成面内交换偏置场(100-500Oe)，辅助SOT切换，并且在参考层上方堆叠SAF层，消除杂散场的影响。另一相关技术中，阐述了通过刻蚀MTJ的自由层，使其形成沟槽以及向外拓展的一部分区域，并使其具有面内磁各向异性，实现MTJ无场切换。另一相关技术中，阐述了基于边界周期性缺口实现畴壁的钉扎，并通过自旋转移力矩实现畴壁的运动及阻态的切换。但其需要较大的电流进行写入，同时边界的缺口也会造成畴壁的变形，削弱了器件的可靠性。另一相关技术中，阐述了基于SOT的畴壁运动的四端突触器件，其缺陷在于：(1)畴壁需要在电流激发的磁场和自旋极化电流的共同驱动下运动，不利于器件的集成；(2)畴壁在器件宽的方向运动，且参考层仅在器件一端的局部区域，器件长方向存在一定尺寸浪费，不利于器件的集成；(3)器件中缺乏局部钉扎区域，不利于畴壁的精确控制和稳定，难以差分阻态。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种磁电阻器件以及改变其阻态的方法，可以部分解决现有技术中的上述问题。一种磁电阻器件，包括沿预设方向依次排列的顶电极、铁磁参考层、隧穿层、铁磁自由层、自旋轨道耦合层、底电极；其中自旋轨道耦合层包括交替分布的第一厚度区和第二厚度区，第一厚度区和第二厚度区的厚度不同；铁磁自由层中包括钉扎区，钉扎区的位置与第一厚度区的位置一一对应。根据本专利技术的实施例，第一厚度区的厚度大于第二厚度区的厚度。根据本专利技术的实施例，还包括DMI增强层，其中DMI增强层位于隧穿层和铁磁自由层之间。根据本专利技术的实施例，DMI增强层的材料包括以下至少之一：Ti、Cu、W、Ta、Al。根据本专利技术的实施例，铁磁自由层中包括N个钉扎区，磁电阻器件包括N+2个阻态。根据本专利技术的实施例，铁磁参考层的材料包括以下至少之一：CoFeB、CoFe、Co/Pt复合材料；铁磁自由层的材料包括以下至少之一：CoFeB、CoFe、Co/Pt复合材料；隧穿层的材料包括以下至少之一：MgO、Al2O3。根据本专利技术的实施例，自旋轨道耦合层的材料包括以下至少之一：W、Ta、Pt。一种改变上述磁电阻器件的阻态的方法，包括：对磁电阻器件通入调制驱动电流，其中调制驱动电流作用于自旋轨道耦合层；通过改变调制驱动电流特性改变磁电阻器件的阻态。根据本专利技术的实施例，改变调制驱动电流特性包括：改变调制驱动电流的以下至少之一：脉宽、脉冲幅值、脉冲数量、脉冲方向。一种包含上述磁电阻器件的突触学习模块，包括：训练单元，用于根据前神经元信号与后神经元信号的到达顺序、以及所述前神经元信号与所述后神经元信号之间的时间间隔产生写入脉冲；突触器件，包括磁电阻器件；其中磁电阻器件的顶电极、底电极与训练单元连接。本专利技术实施例提供的磁电阻器件，包括厚度不均匀分布的自旋轨道耦合层，在无外加磁场的情况下，利用自旋轨道矩高效驱动磁畴壁在铁磁自由层中的运动，由于自旋轨道耦合层厚度不均匀，使得自旋轨道耦合层和铁磁自由层之间形成强弱不同的反对称交换作用(DMI)，在不均匀分布的反对称交换作用下，铁磁自由层中形成多个与第一厚度区的位置一一对应的钉扎区，在调制驱动电流的驱动下，实现畴壁的运动和钉扎，便于形成较稳定的阻态，磁电阻器件性能更加稳定；并且本专利技术实施例提供的磁电阻器件，在无外加磁场的情况下，利用自旋轨道矩高效驱动磁畴壁在铁磁自由层中的运动，通过界面反对称交换作用在设定的钉扎区内钉扎畴壁，DMI有助于提升畴壁运动速率，相对于现有技术来讲，在写入的过程中不需要很大的电流产生足够的扭矩来翻转自由层，因此，降低了写入能耗；另外，本专利技术实施例提供的磁电阻器件，在无外加磁场的情况下，畴壁的运动仅依靠调制驱动电流驱动，无需在电流激发的磁场和自旋极化电流的共同驱动下运动，有利于器件的集成与兼容。综上，本专利技术实施例提供的磁电阻器件，实现了多阻态的差分，具有较低的功耗、较高的器件速率、较高可靠性与电路兼容性。本专利技术实施例提供的磁电阻器件，可以结合外围存储电路，实现多值存储阵列，提升数据的存储密度，该磁电阻器件还可以用于神经形态的突触器件，以及逻辑运算器件(半加器、全加器、AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR)，进一步实现存算一体。附图说明图1a是本专利技术实施例提供的磁电阻器件的结构示意图；图1b是图1a所示的磁电阻器件中的自旋轨道耦合层和铁磁自由层的结构示意图；图2a是本专利技术另一实施例提供的磁电阻器件的结构示意图；图2b是图2a所示的磁电阻器件中的自旋轨道耦合层和铁磁自由层的结构示意图；...

【技术保护点】
1.一种磁电阻器件，包括沿预设方向依次排列的顶电极(101)、铁磁参考层(102)、隧穿层(103)、铁磁自由层(104)、自旋轨道耦合层(105)、底电极(106)；其中/n所述自旋轨道耦合层(105)包括交替分布的第一厚度区(1051)和第二厚度区(1052)，所述第一厚度区(1051)和第二厚度区(1052)的厚度不同；/n所述铁磁自由层(104)中包括钉扎区(202)，所述钉扎区(202)的位置与所述第一厚度区(1051)的位置一一对应。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁电阻器件，包括沿预设方向依次排列的顶电极(101)、铁磁参考层(102)、隧穿层(103)、铁磁自由层(104)、自旋轨道耦合层(105)、底电极(106)；其中
所述自旋轨道耦合层(105)包括交替分布的第一厚度区(1051)和第二厚度区(1052)，所述第一厚度区(1051)和第二厚度区(1052)的厚度不同；
所述铁磁自由层(104)中包括钉扎区(202)，所述钉扎区(202)的位置与所述第一厚度区(1051)的位置一一对应。


2.根据权利要求1所述的磁电阻器件，其中所述第一厚度区(1051)的厚度大于所述第二厚度区(1052)的厚度。


3.根据权利要求1所述的磁电阻器件，还包括DMI增强层(107)，其中所述DMI增强层(107)位于所述隧穿层(103)和所述铁磁自由层(104)之间。


4.根据权利要求3所述的磁电阻器件，其中所述DMI增强层(107)的材料包括以下至少之一：Ti、Cu、W、Ta、Al。


5.根据权利要求1所述的磁电阻器件，其中所述铁磁自由层(104)中包括N个钉扎区(202)，所述磁电阻器件包括N+2个阻态。


6.根据权利要求1所述的磁电阻器件，其中：
所述铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢国忠，王迪，林淮，刘龙，刘宇，吕杭炳，谢常青，李泠，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11