自旋轨道力矩磁器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及自旋轨道力矩磁器件及其制造方法。根据一实施例，一种磁器件可包括：磁偏置层；位于所述磁偏置层上的自旋霍尔层；位于所述自旋霍尔层上的自由磁层；位于所述自由磁层上的中间层；以及位于所述中间层上的参考磁层，其中，所述自旋霍尔层包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层分别由自旋霍尔角符号相反的材料形成。所述磁器件可以是磁随机存储器或者是自旋逻辑器件。旋逻辑器件。旋逻辑器件。

【技术实现步骤摘要】
自旋轨道力矩磁器件及其制造方法


[0001]本专利技术总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种具有高翻转效率的自旋轨道力矩磁器件及其制造方法，所述磁器件可包括磁随机存取存储器和自旋逻辑器件。

技术介绍

[0002]自旋轨道力矩(SOT)磁自旋阀或磁隧道结是一种新型的高速度、低能耗、长寿命非易失性磁器件，被视为下一代磁器件的候选，期望应用到诸如磁随机存取存储器和自旋逻辑器件之类的自旋电子学器件中。现阶段，对于具有垂直磁各向异性的薄膜而言，通过自旋霍尔效应引起的自旋流尚不能直接翻转垂直磁矩，通常还需要借助一个平行于电流的磁场或者等效磁场的辅助，才能实现SOT磁矩翻转。在零外加磁场的条件下，这一辅助的等效磁场可以通过交换偏置效应或者层间磁耦合效应来提供。例如，本申请人的题为“电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件”的在先专利技术专利CN105280214B就公开了利用等效磁场来辅助翻转自由磁层的磁随机存取存储器和自旋逻辑器件，其全文通过引用合并于此，作为参考。

技术实现思路

[0003]本专利技术的一实施例提供一种磁器件，包括：磁偏置层；位于所述磁偏置层上的自旋霍尔层；位于所述自旋霍尔层上的自由磁层；位于所述自由磁层上的中间层；以及位于所述中间层上的参考磁层，其中，所述自旋霍尔层包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层分别由自旋霍尔角符号相反的材料形成。
[0004]在一些实施例中，所述磁偏置层具有面内磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有垂直磁各向异性。
>[0005]在一些实施例中，所述磁偏置层具有垂直磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有面内磁各向异性。
[0006]在一些实施例中，所述自旋霍尔层具有一厚度，以诱导所述偏置磁层与所述自由磁层之间的铁磁耦合或反铁磁耦合。
[0007]在一些实施例中，所述第二自旋霍尔层接触所述自由磁层，且所述第一自旋霍尔层具有比所述第二自旋霍尔层更大的厚度。
[0008]在一些实施例中，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层每个的厚度在0.2nm至3nm的范围内。
[0009]在一些实施例中，所述磁器件是磁存储器或自旋逻辑器件。
[0010]本专利技术的另一实施例提供一种制造磁器件的方法，包括：a.在衬底上形成自旋霍尔层的图案；b.在所述衬底和所述自旋霍尔层的图案上形成光致抗蚀剂图案，所述光致抗蚀剂图案具有开口以暴露所述自旋霍尔层的一部分；c.在所述自旋霍尔层的暴露部分和所述光致抗蚀剂图案上沉积多层膜结构，所述多层膜结构包括依次沉积的自由磁层、中间层和参考磁层；d.去除所述光致抗蚀剂图案，从而去除所述多层膜结构的位于所述光致抗蚀
剂图案上的部分，留下所述多层膜结构的位于所述自旋霍尔层上的部分；e.在具有所述自旋霍尔层和所述多层膜结构的所述衬底上沉积绝缘材料层，并蚀刻所述绝缘材料层以至少暴露所述多层膜结构；以及f.形成与所述多层膜结构接触的顶电极。
[0011]在一些实施例中，所述衬底上形成有第一底电极和第二底电极，并且在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案连接所述第一底电极和第二底电极，在步骤b中通过所述光致抗蚀剂图案的开口暴露的所述自旋霍尔层的一部分位于所述第一底电极和所述第二底电极之间。
[0012]在一些实施例中，在步骤e中蚀刻所述绝缘材料层还包括所述自旋霍尔层的位于所述多层膜结构两侧的部分，在步骤f中还形成分别位于所述顶电极两侧并且与所述自旋霍尔层接触的第一底电极和第二底电极。
[0013]在一些实施例中，在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层。
[0014]在一些实施例中，在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案仅包括第一自旋霍尔层，在步骤c中沉积的多层膜结构还包括与所述第一自旋霍尔层接触的第二自旋霍尔层。
[0015]在一些实施例中，在步骤a中形成自旋霍尔层的图案时，还同时形成位于衬底和自旋霍尔层之间的偏置磁层的图案。
[0016]在一些实施例中，在形成自旋霍尔层的图案之前，在所述衬底中形成偏置磁层的图案，所述偏置磁层的图案对应于所述自旋霍尔层的图案的中部区域。
[0017]本专利技术的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
[0018]图1是一种现有技术的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。
[0019]图2是演示利用自旋霍尔效应来实现磁矩翻转的原理示意图。
[0020]图3是根据本专利技术一实施例的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。
[0021]图4至图10是根据本专利技术一实施例的制造自旋转移力矩磁器件的方法步骤的示意图。
[0022]图11是根据本专利技术另一实施例的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。
具体实施方式
[0023]下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。注意，附图可能不是按比例绘制的。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
[0024]图1示出一种现有技术的自旋转移力矩磁器件10。如图1所示，自旋转移力矩磁器件10包括依次形成在衬底(未示出)上的偏置磁层11、自旋霍尔层12、自由磁层13、间隔层14和参考磁层15。参考磁层15上还可以形成有顶电极16，在自旋霍尔层12的相对两侧可以形成有第一底电极17和第二底电极18。第一底电极17和第二底电极18可用于施加流过自旋霍尔层12的面内电流，并且第一底电极17和第二底电极18中的一个可以和顶电极16一起用于施加流过磁器件10的垂直电流。虽然图1仅示出了两个底电极，但是应理解，根据需要，例如
在用作自旋逻辑器件时，如本申请人的在先专利技术专利CN105280214B中论述的那样，还可以在自旋霍尔层12的图2所示的相对两侧或者另外(即垂直于纸面的)相对两侧形成更多的底电极，例如第三底电极和第四底电极。在图1中，参考磁层15示为具有固定的垂直磁化，自由磁层13具有可翻转的垂直磁化，偏置磁层11具有面内磁化以向自由磁层13提供辅助偏置磁场。但是应理解，参考磁层15和自由磁层13也可以具有面内磁化，此时偏置磁场11可以具有垂直磁化。
[0025]图2是演示利用自旋霍尔效应来对自由磁层进行磁矩翻转的原理示意图。参照图1和图2，当向自旋霍尔层12施加面内电荷流I
W
时，由于强的自旋轨道耦合，在自旋霍尔层12的各个表面上产生自旋流，如图2中的带圆球的箭头所示。自旋流的大小和方向由形成自旋霍尔层12的材料的自旋霍尔角决定。自旋霍尔角的大小定义为自旋流与电荷流的比值，其反映了电荷流与自旋流之间的转化效率。自旋轨道耦合越强，自旋霍尔角越大。自旋霍尔角的符号定义自旋流的自旋极化方向，当电荷流I
W
的方向固定时，具有相反符号的自旋霍尔角的材料产生的自旋流的自旋极化方向彼此相反。例如，当正的自旋霍尔角产生图2所示的逆时针自旋极化方向时，负的自旋霍尔角则会产生相反的顺时针自旋极化方向。当自旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁器件，包括：磁偏置层；位于所述磁偏置层上的自旋霍尔层；位于所述自旋霍尔层上的自由磁层；位于所述自由磁层上的中间层；以及位于所述中间层上的参考磁层，其中，所述自旋霍尔层包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层分别由自旋霍尔角符号相反的材料形成。2.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述磁偏置层具有面内磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有垂直磁各向异性，或者所述磁偏置层具有垂直磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有面内磁各向异性。3.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述自旋霍尔层具有一厚度，以诱导所述偏置磁层与所述自由磁层之间的铁磁耦合或反铁磁耦合。4.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层每个的厚度在0.2nm至3nm的范围内。5.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述磁器件是磁存储器或自旋逻辑器件。6.一种制造磁器件的方法，包括：a.在衬底上形成自旋霍尔层的图案；b.在所述衬底和所述自旋霍尔层的图案上形成光致抗蚀剂图案，所述光致抗蚀剂图案具有开口以暴露所述自旋霍尔层的一部分；c.在所述自旋霍尔层的暴露部分和所述光致抗蚀剂图案上沉积多层膜结构，所述多层膜结构包括依次沉积的自由磁层、中间层和参考磁层；d.去除所述光致抗蚀剂图案，从而去除所述多层膜结构的位于所述光致抗蚀剂图案上的部分，留下所述多层膜结构的位于所述自旋霍尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩秀峰，赵明堃，万蔡华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：