基于自旋轨道矩的磁性存储器件制造技术

本发明专利技术提供一种基于自旋轨道矩的磁性存储器件，包括：沿第一方向延伸的第一直流电流通路、在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸的第二直流电流通路以及设置在所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路交叉位置上的磁隧道结；所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均采用重金属材料制成；其中，通过在所述第一直流电流通路或所述第二直流电流通路两端电极通入直流电产生自旋轨道矩效应使被施加VCMA控制电压的磁隧道结的磁矩翻转，即利用SOT实现PMA

【技术实现步骤摘要】
基于自旋轨道矩的磁性存储器件


[0001]本专利技术涉及半导体存储
，尤其涉及一种基于自旋轨道矩的磁性存储器件。

技术介绍

[0002]随着工艺节点的不断缩小，传统基于互补金属氧化物半导体晶体管的存储器件的漏电流现象逐渐加重，导致静态功耗增加。此外，在典型的计算机体系架构中，逻辑计算单元与存储器之间、各级存储器之间的访问速度严重不匹配，极大地降低了数据处理带宽。近年来，以磁隧道结(Magnetic tunnel junction,MTJ)为核心器件的磁性随机存取存储器(Magneticrandomaccessmemory,MRAM)因具有低功耗、非易失性存储、写入速度快等优点，有望解决上述性能瓶颈，成为下一代通用存储器。
[0003]MRAM的写入方式主要经历了三代变革。第一代MRAM利用磁场实现数据写入，但所需电流较高，功耗问题随着磁隧道结尺寸的缩小而加剧，因此应用前景有限。第二代MRAM使用电流产生自旋转移矩(Spin transfer torque,STT)实现数据写入，解决了第一代磁场写入方式存在的弊端，但STT
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MRAM的写入过程有着较长的弛豫延迟(Incubation delay)，严重制约了写入速度。此外，STT写入电流与读取电流均直接经过磁隧道结，极易引起读取干扰(Read disturb)和势垒击穿(Barrierbreakdown)等可靠性问题。第三代MRAM采用自旋轨道矩(Spinorbit torque,SOT)写入技术，可以避免弛豫延迟，有效突破STT/>‑
MRAM的性能瓶颈。因为写电流不经过磁隧道结，SOT
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MTJ几乎没有势垒击穿的风险，可靠性和擦写次数大大提高，且读写路径分离使得读写性能可独立优化。对于目前普遍采用的具有垂直磁各向异性(Perpendicular magnetic anisotropy,PMA)磁隧道结而言，SOT
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MRAM的写入速度可以达到亚纳秒级。
[0004]但是，为利用SOT实现PMA
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MTJ状态的确定性翻转，普遍需要施加额外的磁场人为地破坏体系对称性。然而，磁场的使用将使MRAM电路的面积和功耗开销；另外，现有SOT
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MRAM的电极端口数量多。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于自旋轨道矩的磁性存储器件，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于自旋轨道矩的磁性存储器件，包括：沿第一方向延伸的第一直流电流通路、在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸的第二直流电流通路以及设置在所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路交叉位置上的磁隧道结；所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均采用重金属材料制成；
[0008]其中，通过在所述第一直流电流通路或所述第二直流电流通路两端电极通入直流电产生自旋轨道矩效应使被施加VCMA控制电压的磁隧道结的磁矩翻转；
[0009]所述磁隧道结具有垂直磁各向异性或水平各向异性；所述磁隧道结至少具有两种电阻状态。
[0010]进一步地，所述磁隧道结由下至上依次包括：强自旋耦合层、自由层、介电层、参考层以及顶电极，所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均通过所述强自旋耦合层。
[0011]进一步地，所述介电层的厚度大于1.4纳米，电阻面积乘积大于1000欧姆
·
平方微米。
[0012]进一步地，所述介电层的材料为介电常数大于8的金属氧化物。
[0013]进一步地，所述氧化物为氧化镁或氧化铝或二者构成的多层结构。
[0014]进一步地，所述自由层的厚度为1～2纳米，所述介电层两端施加0.6V的电压，所述自由层被改变状态所需的强自旋耦合层电流减少一半。
[0015]进一步地，所述自由层的材料为铁磁混合金属材料。
[0016]进一步地，所述参考层由铁磁混合材料和反铁磁混合材料构成。
[0017]进一步地，所述铁磁混合金属材料为钴铁、钴铁硼或镍铁。
[0018]进一步地，所述反铁磁混合材料为：由钽/钴铂多层膜/钌/钴铂多层膜构成混合层，或者由钽/钴钯多层膜/钌/钴钯多层膜构成的混合层，或由钌/钴铁/铂锰构成的混合层，或者由钌/钴铁硼/铂锰构成的混合层，或者由钌/钴铁/铱锰构成的混合层，或者由钌/钴铁硼/铱锰构成的混合层。
[0019]进一步地，所述强自旋轨道耦合层的材料为：反铁磁性材料或重金属材料。
[0020]进一步地，所述磁隧道结顶电极连接MOS管的源极或漏极，MOS管的栅极施加VCMA控制电压。
[0021]本专利技术提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件，包括：沿第一方向延伸的第一直流电流通路、在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸的第二直流电流通路以及设置在所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路交叉位置上的磁隧道结；所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均采用重金属材料制成；其中，通过在所述第一直流电流通路或所述第二直流电流通路两端电极通入直流电产生自旋轨道矩效应使被施加VCMA控制电压的磁隧道结的磁矩翻转，磁隧道结具有垂直磁各向异性或水平各向异性；磁隧道结至少具有两种电阻状态，即利用SOT实现PMA
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MTJ状态的确定性翻转，且不需要施加额外的磁场人为地破坏体系对称性，减少面积和功耗开销，减少电极端口数量。
[0022]另外，本专利技术实施例的磁隧道结由下至上依次包括：强自旋耦合层、自由层、介电层、参考层以及顶电极，所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均通过所述强自旋耦合层；介电层使磁隧道结可以被门电压调控垂直磁各向异性场，从而调制写入难度。
[0023]为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0025]图1为本专利技术实施例提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件的结构示意图一；
[0026]图2为本专利技术实施例提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件的结构示意图二；
[0027]图3为本专利技术实施例提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件的结构示意图三；
[0028]图4为本专利技术实施例提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件的结构示意图四；
[0029]图5为本专利技术实施例提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件的结构示意图五；
[0030]图6示出了本专利技术实施例提供的基于自旋轨道矩的磁性存储器件的脉冲波形图一；
[0031]图7示出了本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自旋轨道矩的磁性存储器件，其特征在于，包括：沿第一方向延伸的第一直流电流通路、在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸的第二直流电流通路以及设置在所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路交叉位置上的磁隧道结；所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均采用重金属材料制成；其中，通过在所述第一直流电流通路或所述第二直流电流通路两端电极通入直流电产生自旋轨道矩效应使被施加VCMA控制电压的磁隧道结的磁矩翻转；所述磁隧道结具有垂直磁各向异性或水平各向异性；所述磁隧道结至少具有两种电阻状态。2.根据权利要求1所述的基于自旋轨道矩的磁性存储器件，其特征在于，所述磁隧道结由下至上依次包括：强自旋耦合层、自由层、介电层、参考层以及顶电极，所述第一直流电流通路与所述第二直流电流通路均通过所述强自旋耦合层。3.根据权利要求2所述的基于自旋轨道矩的磁性存储器件，其特征在于，所述介电层的厚度大于1.4纳米，电阻面积乘积大于1000欧姆
·
平方微米。4.根据权利要求3所述的基于自旋轨道矩的磁性存储器件，其特征在于，所述介电层的材料为介电常数大于8的金属氧化物。5.根据权利要求4所述的基于自旋轨道矩的磁性存储器件，其特征在于，所述氧化物为氧化镁或氧化铝或二者构成的多层结构。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝，王昭昊，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：