一种磁多层结构及SOT-MRAM制造技术

本发明专利技术公开了一种磁多层结构，一种自旋轨道矩

【技术实现步骤摘要】
一种磁多层结构及SOT
‑
MRAM


[0001]本专利技术涉及具有磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用，尤其涉及一种磁多层结构及自旋轨道矩
‑
磁性随机存储器(Spin
‑
Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT
‑
MRAM)。

技术介绍

[0002]以磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)为基本结构的新型磁性随机存储器的发展有望解决传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术功耗高、易失性等技术瓶颈；其具有非易失性、高速读写、工艺兼容良好、无限次擦写等优点成为新型存储器研究领域热点。
[0003]传统的MRAM是以自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)作为MTJ最普遍的写入方式，最新发展的以电流产生的自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)而不是电流产生的磁场来切换固定层与自由层的相对磁化取向，从而实现数据写入的SOT
‑
MRAM。与当前普遍采用的STT写入方式相比，SOT技术能够实现更快的速度与更低的功耗。同时，器件结构也不易在高电流密度下受到破坏。但这种SOT
‑
MRAM的写入电流密度还是很高，限制了存储单元阵列的排列密度。
[0004]因此，本领域技术人员致力于开发一种铁电层辅助电场调控人工反铁磁自由层的磁多层结构，利用铁电材料极化产生电场从而使得人工反铁磁结构翻转所需外加电场大大降低，从而降低能耗。
[0005]其次，本领域技术人员致力于开发一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的SOT
‑
MRAM，即利用铁电极化电场和电荷转移效应调控一种人工反铁磁结构由反铁磁态转变为铁磁态，使其作为磁性隧道结的自由层，结合电流直接切换自由层与固定层磁化的相对取向，实现数据写入，能够进一步减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种铁电层辅助电场调控人工反铁磁自由层的磁多层结构及自旋轨道矩磁随机存储器，利用铁电材料产生极化电场来调控人工反铁磁自由层，使其从反铁磁态转变为铁磁态，同时结合自旋轨道矩效应翻转自由层的磁化方向，从而使得人工反铁磁自由层翻转所需的外加电场大大降低，也减小了写入电流密度，降低能耗。
[0007]本专利技术提供了一种磁多层结构，其中包括：铁电层；形成在所述铁电层上的自旋轨道矩材料层；形成在所述自旋轨道矩材料层上的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；所述基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结包括：基于人工反铁磁结构的自由层即人工反铁磁自由层，包括：形成在所述自旋轨道矩材料层上的第二磁性层；形成在所述第二磁性层上的非磁耦合层；形成在所述非磁耦合层上的第一磁性层；形成在第一磁性层上的间隔层；形成在间隔层上的固定层。
[0008]所述铁电层在外加电场作用下会发生饱和极化，形成极化电场，在铁电层上表面聚积正(负)电荷，在下表面聚积负(正)电荷，此时与其接触的自旋轨道矩材料层在下表面聚集负(正)电荷，上表面聚集正(负)电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层与自旋轨道矩材料层之间发生显著电荷转移，(与纯电场调控相比)有效放大穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度，提升人工反铁磁结构的铁磁耦合状态性能。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与铁磁自由层界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层更加容易翻转。此外，铁电层与自旋轨道矩材料层之间的界面亦可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层的自旋轨道耦合效应，协同极化电场和电荷转移效应来共同调控人工反铁磁结构的铁磁耦合状态。
[0009]所述铁电层由绝缘或半导体铁电材料形成，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：
[0010]PMN
‑
PT((1
‑
x)[PbMg
1/3
Nb
2/3
O3]‑
x[PbTiO3])、
[0011]PZN
‑
PT((1
‑
x)Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O3]‑
x[PbTiO3])、PSN
‑
PT(Pb(Sc
1/2
Nb
1/2
)
‑
PbTiO3)、Pb(In
1/2
Nb
1/2
)
‑
PbTiO3，Pb(Yb
1/2
Nb
1/2
)
‑
PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf
(1
‑
x)
Zr
x
O2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1‑
x
Ti
x
)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、Ba
x
Sr1‑
x
TiO3(BST)、(Pb，La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O
12
(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1‑
x
Sr
x
MnO3、BaMnF4、α
‑
In2Se3、β
′‑
In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β
‑
GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF
‑
TrFE)、C
13
H
14
ClN5O2Cd、TiO2、C
u2
O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g
‑
C6N8H以及极性化学基团
‑
CH2F，
‑
CHO，
‑
COOH或
‑
CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
[0012]优选的，所述基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结，通过所述极化电场调控，所述磁性隧道结中的人工反铁磁自由层在所述极化电场的作用下实现从反铁磁态耦合到铁磁态耦合的翻转；
[0013]优选的，所述自旋轨道矩材料层由具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁多层结构，所述结构包括：铁电层；形成在所述铁电层上的自旋轨道矩材料层；形成在所述自旋轨道矩材料层上的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；其中，所述磁性隧道结包括基于人工反铁磁结构的自由层，所述自由层包括：形成在所述自旋轨道矩材料层上的第二磁性层；形成在所述第二磁性层上的非磁耦合层；形成在所述非磁耦合层上的第一磁性层；形成在所述第一磁性层上的间隔层；形成在所述间隔层上的固定层。2.如权利要求1所述的磁多层结构，其中，优选的，所述铁电层由绝缘材料或半导体铁电材料形成，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：PMN
‑
PT((1
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x)[PbMg
1/3
Nb
2/3
O3]
‑
x[PbTiO3])、PZN
‑
PT((1
‑
x)Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O3]
‑
x[PbTiO3])、PSN
‑
PT(Pb(Sc
1/2
Nb
1/2
)
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PbTiO3)、Pb(In
1/2
Nb
1/2
)
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PbTiO3，Pb(Yb
1/2
Nb
1/2
)
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PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf
(1
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x)
Zr
x
O2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1‑
x
Ti
x
)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、Ba
x
Sr1‑
x
TiO3(BST)、(Pb，La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O
12
(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1‑
x
Sr
x
MnO3、BaMnF4、α
‑
In2Se3、β
′‑
In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β
‑
GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF
‑
TrFE)、C
13
H
14
ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g
‑
C6N8H以及极性化学基团
‑
CH2F，
‑
CHO，
‑
COOH或
‑
CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物；所述铁电层用于在外加电场下铁电极化产生极化电场和界面电荷转移效应来辅助调控基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；所述磁性隧道结通过极化电场和界面电荷转移效应调控所述自由层实现反铁磁耦合到铁磁耦合的转变。3.如权利要求1所述的磁多层结构，其中，所述自旋轨道矩材料层由具有自旋霍尔效应的导电材料形成，与所述自由磁层的第二磁性层直接接触，选自Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg中的一种或多种重金属合金材料制成的材料；或选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1‑
x
Sb
x
、(Bi，Sb)2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、Bi2‑
x
Sb
x
Te3‑
y
Se
y
、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S，Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1‑
x
Sn
x
Te、Ag...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵泰，周雪，郭志新，李桃，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：