CN109301063B

CN109301063B - 自旋轨道转矩驱动器件

Info

Publication number: CN109301063B
Application number: CN201811135828.2A
Authority: CN
Inventors: 王素梅; 罗军; 赵超; 王文武; 叶甜春
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: CN109301063A

Abstract

本公开涉及一种自旋轨道转矩驱动器件，包括顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性。

Description

自旋轨道转矩驱动器件

技术领域

本公开涉及一种磁存储器器件，尤其涉及一种自旋轨道转矩驱动器件。

背景技术

磁存储器和磁逻辑器件利用其磁体的状态来确定了其存储的是逻辑零还是逻辑一。磁存储器的示例是自旋转移矩(STT)磁随机存取存储器(MRAM)和自旋轨道转矩(SOT)随机存取存储器(MRAM)。自旋转移矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)利用自旋极化的自旋流，在自旋转移力矩的作用下实现数据存储单元的读写。但是SST-MRAM受到若干限制。自旋轨道转矩(Spin-Orbit Torque，SOT)是指基于自旋轨道耦合(Spin-Orbit Coupling，SOC)，利用电荷流诱导的自旋流来产生自旋轨道矩，进而达到调控磁性存储单元的目的。基于SOT的MRAM(SOT-MRAM)克服了STT-MRAM的缺点，特别是SOT-MRAM将读写路径分开，因此有着比STT-MRAM更快的读写速度和更低的功耗。

图1是示出了现有技术的具有单层磁性层的自旋轨道转矩驱动器件的透视图。其中，由重金属层(HM)1001和层叠在其上的磁性层(FM)1002构成一种用作自旋轨道转矩驱动器件的HM/FM结构。重金属层1001一般由铂(Pt)、钽(Ta)或钨(W)中的任意一种材料制成，例如，重金属层1001由铂(Pt)制成。磁性层1001例如可以被面内磁化或垂直磁化，优选地，如图1所示，磁性层1001被垂直磁化，即，是垂直各向异性的。垂直磁化层在自旋轨道转矩器件中是优选的，因为相应的器件是能量高效的且可按比例缩放的。其中，当重金属层中的接通电流密度达到反转电流密度时，垂直磁性层中的磁化方向发生反转。一般情况下，反转电流密度是高的。也就是说，在对磁性层进行磁体状态切换时需要高临界自旋电流密度。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种具有改进性能和降低功耗的自旋轨道转矩驱动器件以及包括这种自旋轨道转矩驱动器件的存储器件。

本公开的一个方面公开了一种自旋轨道转矩驱动器件，包括顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性。

其中，所述重金属层包括铂、钽或钨。

其中，当在重金属层中接通电流密度大于反转电流密度时，所述第一磁性层内的磁化方向和所述第二磁性层的磁化方向均反向。

其中，所述电流方向与第一磁性层的面内各向异性方向各自所在的平面彼此大致平行，且这两个方向彼此垂直。

其中，所述第一磁性层与所述第二磁性层交换相互作用，所述交换相互作用是铁磁的或反铁磁的。

其中，所述交换相互作用的强度通过改变重金属层的厚度来调节。

自旋轨道转矩驱动器件还包括叠置在第二磁性层上的交换偏置结构，所述交换偏置结构用于形成对称破坏场。

其中，所述第一磁性层的初始磁化方向由第二磁性层的初始磁化方向和对称破坏场决定。

其中，所述交换偏置结构包括顺序堆叠的金属层和第三磁性层。

其中，所述第一磁性层包括面内各向异性的磁性材料，所述第二磁性层包括垂直各向异性的磁性材料。

其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包括铁磁材料。

其中，根据需要调整所述第一磁性层和所述第二磁性层的饱和磁化强度和各向异性常数。

本公开的另一个方面还公开了一种存储器件，其包括上述的自旋轨道转矩驱动器件。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是示出了现有技术的具有单层垂直各向异性磁性层的自旋轨道转矩驱动器件的透视图；

图2是示出了根据本公开实施例的具有三明治结构的自旋轨道转矩驱动器件的透视图；

图3(a)和3(b)是根据本公开实施例的自旋轨道转矩驱动器件中的磁化方向变化示意图；

图4是示出了根据本公开实施例的附加有交换偏置结构的自旋轨道转矩驱动器件的透视图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

为了在实现SOT结构的驱动器件的同时减小反转电流密度，即，减小高临界自旋电流密度，从而减小器件功耗，本公开设想了一种三明治夹层结构，例如，FM/HM/FM夹层结构。其中在重金属层(HM)的上方和下方都分别设置有不同磁各向异性的磁性层，例如，在重金属层的上方层叠有垂直各向异性的磁性层，在重金属层的下方层叠有面内各向异性的磁性层。由此，形成三明治夹层的自旋轨道转矩驱动器件。重金属层可以采用例如铂、钽或钨制成。磁性层可以是例如铁磁层。由于重金属层下方的面内各向异性的磁性层的作用，使得具有三明治夹层的自旋轨道转矩驱动器件反转电流密度小于如图1所示的仅具有具有单层垂直各向异性磁性层的自旋轨道转矩驱动器件的反转电流密度。

具体地，图2示出了根据本公开实施例的具有三明治结构的自旋轨道转矩驱动器件。该自旋轨道转矩驱动器件可以包括例如顺序堆叠的下部磁性层1003、重金属层1001和上部磁性层1002的堆叠结构，即，一种重金属层1001被下部磁性层1003和上部磁性层1002夹住的三明治夹层结构FM/HM/FM。

下部磁性层1003和上部磁性层1002可以例如由磁性材料制成，优选地，可以例如由铁磁材料制成。铁磁材料可以是本领域常用的铁磁材料，诸如：Fe、Co、Ni及其合金，尤其是上述材料与B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金。优选地，铁磁材料可以例如采用CoFeB合金。下部磁性层1003和上部磁性层1002的饱和磁化强度和各向异性常数(矫顽力)可以根据需要进行调整。重金属层1001属于一种具有强自旋轨道耦合的非磁性材料。具体地，重金属层1001可以例如由铂(Pt)、钽(Ta)或钨(W)中的任意一种材料制成。其中，钨(W)可以采用Beta-W。在本实施例中，以钽(Ta)为例进行描述。

在图3(a)中，在铁磁层CoFeB(图2中示出为下部磁性层1003和上部磁性层1002)和重金属层Ta(图2中示出为重金属层1001)的三明治夹层结构中，由于重金属层Ta中的强SOC和自旋霍尔效应，重金属层Ta中的电子会产生竖直方向的自旋流，自旋流造成界面自旋积聚，积聚的自旋对相邻铁磁层产生力矩作用。如图3(a)所示，在状态(a)中，分别积聚于重金属层1001的上部界面和下部界面的自旋流的自旋极化方向相反，位于上部界面处的自旋流极化方向透过纸面向外，位于下部界面处的自旋流极化方向透过纸面向里。如图3(b)所示，当重金属层1001中接通电流且当电流密度达到一定阈值，即达到反转电流密度后，发生状态(b)，分别积聚于重金属层1001的上部界面和下部界面的自旋流的自旋极化方向反转，从而分别对相邻的上部磁性层1002和下部磁性层1003的磁化方向产生力矩作用，因此，上部磁性层1002和下部磁性层1003的磁化方向同时反转。重金属层1001中接通电流方向与第一磁性层的面内各向异性方向各自所在的平面彼此大致平行，且这两个方向彼此异面垂直。由此，通过控制重金属层1001中的电流，可以控制上部磁性层1002和下部磁性层1003在如图3(a)和3(b)所示的状态(a)和状态(b)之间切换，即，可以控制上部磁性层1002和下部磁性层1003的磁化方向切换。

相较于具有单层磁性层的自旋轨道转矩驱动器件，FM/HM/FM三明治夹层结构中的上部磁性层1002和下部磁性层1003之间可以存在交换相互作用，该交换相互作用可以是铁磁的或反铁磁的。也就是说，上部磁性层1002和下部磁性层1003之间可以存在铁磁耦合或反铁磁耦合。通过该交换相互作用，可以减小导致上部磁性层1002和下部磁性层1003的磁化方向反转的电流密度。该磁性层之间的交换相互作用受重金属层的厚度影响，因此，通过调整重金属层1001的厚度可以调整该交换相互作用的强度。综上，上部磁性层和下部磁性层之间的交换相互作用强度根据上部磁性层和下部磁性层重金属层的厚度而变化。同时，也应注意到，上部磁性层和下部磁性层之间的反转过程也与上部磁性层和下部磁性层的阻尼有关，从而影响该多层膜结构的反转电流大小。

具体地，通过实验模拟可以知道，对于相同厚度的重金属层，在具有单层垂直各向异性磁化层的HM/FM结构的自旋轨道转矩驱动器件的反转电流密度为J_c＝36.3mA/cm²的情况下，使用FM/HM/FM结构的自旋轨道转矩驱动器件的反转电流密度为J_c＝28.6mA/cm²。也就是说，在FM/HM/FM结构中，通过上部磁性层1002和下部磁性层1003之间的交换相互作用，自旋轨道转矩驱动器件的反转电流密度可以下降21％左右。此时，上部磁性层1002和下部磁性层1003之间的反铁磁交换相互作用强度为大约A＝1×10^-2erg/cm²。

由上述内容可知，本公开了给出了一种FM/HM/FM三明治结构的自旋轨道转矩驱动器件，其通过在上部磁性层与下部磁性层之间的交换相互作用来减小中间的重金属层中的反转电流密度，由此在提高磁性层的磁化方向反转速度的情况下进一步降低重金属层中的反转电流密度，由此进一步减小自旋轨道转矩驱动器件的切换功率，从而显著降低了自旋轨道转矩驱动器件的功耗。

在实际的设计中，针对上部磁性层和重金属层(即，垂直各向异性的磁性层和重金属层)，选择适当的下部磁性层(即，面内各向异性层)来最优化器件设计，以实现反转电流密度的显著降低。

在工艺实践中，针对具有单层垂直各向异性磁性层的HM/FM结构，通过在重金属底部沉积一个面内各向异性磁性层来实现本公开的FM/HM/FM三明治结构的自旋轨道转矩驱动器件。

为了实现上部磁性层的定向反转，在沉积下部磁性层之前，可以在上部磁性层上方沉积对称偏置结构以形成对称破坏场。具体地，如图4所示，在上部磁性层1002的上方沉积金属层1004，金属层1004可以例如由钌(Ru)制成，然后在金属层1004上方沉积第三磁性层1005，第三磁性层1005具有面内各向异性。第三磁性层1005可以采用通常的铁磁材料。即第三磁性层1005的材料可以选择与上部磁性层1002和下部磁性层1003相同的材料。金属层1004和第三磁性层1005构成了偏置结构，以形成对称破坏场。对称破坏场使上部磁性层在反转电流作用下实现可预测的定向反转。此外，由于在沉积下部磁性层1003之前形成偏置结构，因此，在沉积下部磁性层时，下部磁性层的初始磁化方向由上部磁性层的初始磁化方向和对称破坏场的方向共同决定。

本领域技术人员可以明白，位于上部磁性层上方的对称偏置结构用于形成对称破坏场。可以通过其他方式来形成对称破坏场，因此，对称偏置结构并非是制造根据本公开实施例的自旋轨道转矩驱动器件所必需的结构。在另外的实施例中，可以省略对称偏置结构。

为了形成根据本公开实施例的自旋轨道转矩驱动器件，公开了一种制造自旋轨道转矩驱动器件的方法，包括：在重金属层上沉积第一磁性层；在第一磁性层上沉积金属层；在金属层上沉积第三磁性层；在重金属层底部沉积第二磁性层。

根据本公开实施例的自旋轨道转矩驱动器件可以应用于各种存储器件和逻辑器件。例如，通过集成多个这样的自旋轨道转矩驱动器件以及其他器件，可以形成随机存取存储器，并由此构建电子设备。

在以上的描述中，对于各层的构图、沉积等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种自旋轨道转矩驱动器件，包括：

顺序堆叠的第一磁性层、重金属层和第二磁性层的堆叠结构，其中，所述第一磁性层具有面内各向异性，所述第二磁性层具有垂直各向异性，

叠置在第二磁性层上的交换偏置结构，所述交换偏置结构包括顺序堆叠的金属层和第三磁性层；所述第三磁性层具有面内各向异性。

2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述重金属层包括铂、钽或钨。

3.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，当在重金属层中接通电流密度大于反转电流密度时，所述第一磁性层内的磁化方向和所述第二磁性层的磁化方向均反向。

4.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，电流方向与第一磁性层的面内各向异性方向各自所在的平面彼此平行，且这两个方向彼此垂直。

5.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述第一磁性层与所述第二磁性层交换相互作用，所述交换相互作用是铁磁的或反铁磁的。

6.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述交换相互作用的强度通过改变重金属层的厚度来调节。

7.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述第一磁性层的初始磁化方向由第二磁性层的初始磁化方向和对称破坏场决定。

8.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述第一磁性层包括面内各向异性的磁性材料，所述第二磁性层包括垂直各向异性的磁性材料。

9.根据权利要求8所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包括铁磁材料。

10.根据权利要求8所述的自旋轨道转矩驱动器件，其中，根据需要调整所述第一磁性层和所述第二磁性层的饱和磁化强度和各向异性常数。

11.一种存储器件，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的自旋轨道转矩驱动器件。