一种基于反铁磁的多态存储器单元制造技术

本发明专利技术公开一种基于反铁磁的多态存储器单元，本发明专利技术涉及自旋电子器件技术领域，用于解决现有技术中无法实现单器件的多bit存储以及难以实现数据写入的问题。包括：磁隧道结、作为电流写入线的底电极层；磁隧道结用于存储数据，底电极层用于提供自旋轨道矩对数据进行写入；磁隧道结至少包括：固定层、势垒层和自由层；自由层与反铁磁层相邻，且反铁磁层和自由层之间形成交换偏置；在对应的底电极上施加电流，以将自由层和交换偏置的方向翻转至与电流垂直方向；通过在不同角度的电流写入线中施加电流来调控自由层和交换偏置翻转角度，以在整个磁阻范围内获得更多中间态。不仅可以实现数据的无磁场写入，还能实现极其稳定的多bit存储。储。储。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反铁磁的多态存储器单元


[0001]本专利技术涉及自旋电子器件
，尤其涉及一种基于反铁磁的多态存储器单元。

技术介绍

[0002]自旋轨道矩磁存储器(SpinOrbitTorque
‑
MagneticRandomAccessMemory:SOT
‑
MRAM)具有非易失性、高速低功耗数据写入(<1ns，<～0.1pJ/bit)和高器件耐久性等优点，是有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈的关键技术。当前的多态MRAM存储器主要根据STT效应、热辅助、磁场辅助等手段实现数据写入，相关操作比较繁杂；PMA
‑
MTJ的多bit存储方案主要使用堆叠或串联多个MTJ的方式实现，一方面并未真正实现单器件的多bit存储，另一方面其多bit存储的实现需要特定的阵列和电路配合，设计复杂，难以实现数据的一步写入。
[0003]因此，亟需提供一种更为可靠的基于反铁磁的多态存储器单元。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于反铁磁的多态存储器单元，用于解决现有技术中无法实现单器件的多bit存储以及难以实现数据写入的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种基于反铁磁的多态存储器单元，多态存储器单元至少包括：
[0007]磁隧道结、作为电流写入线的底电极层；所述磁隧道结用于存储数据，所述底电极层用于提供自旋轨道矩对数据进行写入；所述磁隧道结至少包括：固定层、势垒层和自由层；所述自由层与反铁磁层相邻，且所述反铁磁层和所述自由层之间形成交换偏置；在对应的所述底电极层上施加电流，以将所述自由层和所述交换偏置的方向翻转至与电流垂直方向；通过在不同角度的电流写入线中施加电流来调控所述自由层和交换偏置翻转角度，以在整个磁阻范围内获得更多中间态。
[0008]可选的，所述磁隧道结可以为圆柱状、椭圆柱状或长方体状；所述磁隧道结为椭圆柱状或长方体状时，所述自由层磁矩的易磁化轴是椭圆或长方形的长轴。
[0009]可选的，所述磁隧道结的自由层为CoFeB合金；所述势垒层为金属氧化物；所述固定层为CoFeB合金，在所述固定层上方生长有合成反铁磁结构或反铁磁材料，从而将所述固定层磁矩方向固定。
[0010]可选的，通过控制同时施加在底电极两条电流写入线的电流大小，通过自旋轨道矩的等效场矢量相加将所述自由层和交换偏置翻转至任意角度形成多态；
[0011]或者，通过增加所述底电极层的底电极角度数量，以实现所述自由层和交换偏置更多的翻转角度。
[0012]可选的，所述底电极层中的底电极结构为：
[0013]重金属材料、生长在金属缓冲层上的反铁磁层或者重金属、铁磁、反铁磁结构双界面交换偏置；
[0014]通过控制电流的正负方向，以控制所述自由层及交换偏置翻转角度。
[0015]可选的，所述磁隧道结为双势垒层磁隧道结；所述双势垒层磁隧道结包括：
[0016]第一自由层、第一势垒层、固定层、第二势垒层以及第二自由层；
[0017]每个自由层分别被反铁磁层的交换偏置作用钉扎，所述钉扎的钉扎方向由磁场退火方向决定；总体磁阻范围由两个叠加的磁隧道结决定。
[0018]可选的，采用所述重金属材料作为顶电极层以及底电极层；在完成多角度底电极电流写入线和双势垒磁隧道结的制备后，经过平坦化工艺，沉积顶电极并图形化为多角度顶电极电流写入线。
[0019]可选的，顶、底电流写入线为多角度电流写入线；通过在底电极中施加正负电流，驱动电流将所述第一自由层以及第一反铁磁层交换偏置方向翻转至垂直该底电极的正负方向；通过在顶电极中施加正负电流，驱动电流将所述第二自由层以及第二反铁磁层交换偏置方向翻转至垂直该顶电极的正负方向。
[0020]可选的，所述双势垒层磁隧道结的上、下电流写入电极采用正交或通过增加所述顶、底电极层的角度数量来调控自由层和交换偏置角度。
[0021]可选的，所述双势垒层磁隧道结和顶、底正交电极结构下的电流自旋轨道矩的矢量场叠加，以调控自由层和交换偏置角度。
[0022]与现有技术相比，本专利技术提供一种基于反铁磁的多态存储器单元。多态存储器单元包括磁隧道结、作为电流写入线的底电极层；磁隧道结用于存储数据，底电极层用于提供自旋轨道矩对数据进行写入；磁隧道结至少包括：固定层、势垒层和自由层；自由层与反铁磁层相邻，且反铁磁层和自由层之间形成交换偏置；在对应的底电极上施加电流，以将自由层和交换偏置的方向翻转至与电流垂直方向；通过在不同角度的电流写入线中施加电流来调控自由层和交换偏置翻转角度，以在整个磁阻范围内获得更多中间态。通过基于电流写入方式翻转交换偏置场和自由层磁矩方向，不仅可以实现数据的无磁场写入，并且采用多角度设计的写入底电极或者控制正交方向电流大小形成特定角度的多态存储器单元等效场来精确控制交换偏置场和自由层相对固定层的角度，实现极其稳定的多bit存储；此外还可以利用双MTJ结构以及堆叠MTJ结构扩展更多的存储状态。
附图说明
[0023]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0024]图1(a)为本专利技术提供的当自由层具备IMA时SOT器件的结构示意图；
[0025]图1(b)为本专利技术提供的MTJ为圆柱时，SOT器件的俯视图；
[0026]图1(c)为本专利技术提供的MTJ为椭圆柱时，SOT器件的俯视图；
[0027]图2(a)为本专利技术实施例1提供的基本正交底电极结构示意图；
[0028]图2(b)为本专利技术实施例1提供的多角度底电极结构示意图；
[0029]图3(a)为本专利技术实施例1提供的采用重金属作为底电极驱动反铁磁交换偏置和自由层翻转的结构示意图；
[0030]图3(b)为本专利技术实施例1提供的采用生长在金属缓冲层上的反铁磁层作为底电极驱动反铁磁交换偏置和自由层翻转的结构示意图；
[0031]图3(c)为本专利技术实施例1提供的采用“重金属/铁磁/反铁磁”双界面交换偏置作为底电极驱动反铁磁交换偏置和自由层翻转的结构示意图；
[0032]图4(a)为本专利技术实施例2提供的双势垒层磁隧道结基本正交顶底电极结构示意图；
[0033]图4(b)为本专利技术实施例2提供的双势垒层磁隧道结多角度顶底电极结构示意图；
[0034]图5(a)为本专利技术实施例2提供的双势垒层磁隧道结中采用重金属作为底电极驱动自由层/反铁磁交换偏置的示意图；
[0035]图5(b)为本专利技术实施例2提供的双势垒层磁隧道结中采用生长在金属缓冲层上的反铁磁层作为底电极驱动自由层/反铁磁交换偏置的示意图；
[0036]图5(c)为本专利技术实施例2提供的双势垒层磁隧道结中采用“重金属/铁磁/反铁磁”双界面交换偏置作为底电极驱动自由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反铁磁的多态存储器单元，其特征在于，多态存储器单元至少包括：磁隧道结、作为电流写入线的底电极层；所述磁隧道结用于存储数据，所述底电极层用于提供自旋轨道矩对数据进行写入；所述磁隧道结至少包括：固定层、势垒层和自由层；所述自由层与反铁磁层相邻，且所述反铁磁层和所述自由层之间形成交换偏置；在对应的所述底电极层上施加电流，以将所述自由层和所述交换偏置的方向翻转至与电流垂直方向；通过在不同角度的电流写入线中施加电流来调控所述自由层和交换偏置翻转角度，以在整个磁阻范围内获得更多中间态。2.根据权利要求1所述的多态存储器单元，其特征在于，所述磁隧道结为圆柱状、椭圆柱状或长方体状；所述磁隧道结为椭圆柱状或长方体状时，自由层磁矩的易磁化轴是椭圆或长方形的长轴。3.根据权利要求1所述的多态存储器单元，其特征在于，所述磁隧道结的自由层为CoFeB合金；所述势垒层为金属氧化物；所述固定层为CoFeB合金，在所述固定层上方生长有合成反铁磁结构或反铁磁材料，从而将所述固定层磁矩方向固定。4.根据权利要求1所述的多态存储器单元，其特征在于，通过设置所述底电极层的底电极角度数量，以实现所述自由层和交换偏置翻转角度；或者，通过控制同时施加在底电极两条电流写入线的电流大小，自旋轨道矩的等效场矢量相加将所述自由层和交换偏置翻转至任意角度形成多态。5.根据权利要求1所述的多态存储器单元，其特征在于，所述底电极层中的底电极结构为：重金属材料、...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宗夏，张洪超，刘宏喜，曹凯华，王戈飞，
申请(专利权)人：致真存储北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：