一种垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元的制作方法

本发明属于电子存储器领域，具体涉及一种垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元。

背景技术：

磁随机存储器(mram)指以磁电阻值或磁化状态变化来存储数据的随机存储器，它采用磁化状态的不同或由其产生的磁电阻值的不同来记录0和1，只要不施加外磁场或输入控制电流，其磁化状态不变，所记录的信息也不变。磁随机存储器具有高速读写能力和高集成度，可无限次擦写，并具有非易失性、低功耗、抗辐射等优点，在计算机、工业自动化、航空航天以及国防工业中有重要应用。现有的磁随机存储器有两类：一类是磁场驱动型的mram，另一类电流驱动型的自旋转移矩驱动的mram，简称stt-mram。在电流驱动型中还有另一类，就是电流在重金属中由于自旋轨道耦合，产生垂直于电流方向的自旋流，该自旋流的转矩也会作用在临近的磁层上，改变磁层的磁化状态，简称为自旋轨道转矩驱动的mram(sot-mram)。在过去，磁层通常选用铁磁材料或亚铁磁材料，其磁化翻转或探测都比较确定和容易实现。

技术实现要素：

本发明目的是为了进一步提高传统磁存储器的磁矩翻转速度和存储稳定性，而提供一种基于反铁磁材料的存储器单元。

一种垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元，它包括反铁磁层、重金属层、以及与重金属层连接的第一组端点以及第二组端点，第一组端点用于连接脉冲电流源，第二组端点用于连接电压源。

所述的信息存储点中反铁磁层，为稀土-过渡族金属非晶合金，其稀土元素为tb,gd,ho元素中的一种，过渡族金属为co,fe,ni元素中的一种。

所述的信息存储点中重金属层，为自旋霍尔角大的重金属元素层，其元素为ta，w，pt,au,ir等非磁性重金属中的一种，或它们与其它过渡族金属形成的非磁性合金。

一种垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元，使用其进行数据存储时，包括以下步骤：

1)将反铁磁信息存储点中重金属层的第一端点与脉冲电流源连接；

2)在需要改写反磁铁信息存储点中的磁化状态时，在第一端点中通入脉冲电流；

3)使脉冲电流所产生的自旋流从重金属层中进入反铁磁层中，促使反铁磁层中磁矩翻转。

持续通入脉冲电流，使脉冲电流产生持续的自旋流进入反磁铁层中，这样使反铁磁层中的过渡族金属的磁矩向上或向下变化，从而时磁电阻值rah在正或负值之间变化，将磁电阻值rah为正值时，存储单元的状态值定义为1；将磁电阻值rah为负值时，存储单元的状态值定义为0。

在获取反铁磁信息存储点中的存储数据时，将重金属层的第二端点与电压源连接，在第一端点通入测试电流，并在第二端点测量其反常霍尔电阻值，通过判断该值的正负变化，从而获取存储单元的状态值。

在反铁磁层上设有覆盖保护层；覆盖保护层的材质为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、五氧化二钽等氧化物，或为氮化硅、氮化铝、氮化钛等氮化物。

所述第一组端点以及第二组端点相互垂直设置，并与重金属层相连。

采用上述技术方案，使得本专利具有以下技术效果；

该垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元，具有更高的磁矩翻转速度，并具有更好的存储稳定性，同时具有非易失性，无外磁场，易小型化，能耗低，抗干扰，耐久性好的特性，本存储单元尤其在读写速度上更快。另外，相比第一代mram、stt-mram，功能膜只有两层，也不存在制备超薄绝缘层的难点，制作过程更简化。

附图说明

图1和图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明中反铁磁层反常霍尔电阻随垂直外磁场变化示意图；

图4为本发明中垂直磁化反铁磁膜中磁矩方向与重金属中电流和自旋流方向示意图；

图5为本发明中脉冲电流变化示意图；

图6为本发明中反常霍尔电阻随脉冲电流变化示意图；

图7为本发明中非共线反铁磁re-tm磁化翻转示意图。

具体实施方式

一种垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元，它包括反铁磁层4、重金属层3、以及与重金属层3连接的第一组端点6以及第二组端点7，第一组端点6用于连接脉冲电流源，第二组端点7用于连接电压源。

具体的，信息存储点1中反铁磁层4，为稀土-过渡族金属(re-tm)非晶合金，其稀土(re)元素为tb,gd,ho元素中的一种，过渡族金属(tm)为co,fe,ni元素中的一种，反铁磁层4厚度为1nm-100nm，它用于存储信息；重金属层3材料为ta，w，pt,au,ir等非磁性重金属中的一种，或它们与其它过渡族金属形成的非磁性合金,其厚度为1nm-500nm，它的作用是产生大的自旋流；信息存储点1中覆盖保护层5为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、五氧化二钽等氧化物，或氮化硅、氮化铝、氮化钛等氮化物，用于防止稀土-过渡族金属合金层氧化，其厚度为1nm-20nm；信息存储点1的几何尺度为3nm-3000nm。

一种反铁磁磁随机存储器存储单元，使用其进行数据存储时，包括以下步骤：

1)将反铁磁信息存储点1中重金属层3的第一端点6与脉冲电流源连接；

2)在需要改写反磁铁信息存储点1中的磁化状态时，在第一端点6中通入脉冲电流；

3)使脉冲电流所产生的自旋流从重金属层3中进入反铁磁层4中，促使反铁磁层4中磁矩翻转。

持续通入脉冲电流，使脉冲电流产生持续的自旋流进入反磁铁层4中，这样使反铁磁层4中的过渡族金属的磁矩向上或向下变化，从而使得磁电阻值rah在正或负值之间变化，将磁电阻值rah为正值时，存储单元的状态值定义为1；将磁电阻值rah为负值时，存储单元的状态值定义为0。

在获取反铁磁信息存储点1中的存储数据时，将重金属层3相连的第二端点7与电压源连接，在第一端点6通入测试电流，并在第二端点7测量其反常霍尔电阻值，通过判断该值的正负变化，从而获取存储单元的状态值。

在反铁磁层4上设有覆盖保护层5；覆盖保护层5的材质为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、五氧化二钽等氧化物，或为氮化硅、氮化铝、氮化钛等氮化物，用于防止稀土-过渡族金属合金层氧化。

所述第一组端点6以及第二组端点7相互垂直设置，并与重金属层3相连。

所述重金属层3为由非磁性重金属中的一种形成的金属层，或者为由非磁性重金属中的一种与过渡族金属形成的金属层，其厚度为1nm-500nm，非磁性重金属包括ta、w、pt、au、ir。

在第一组端点6以及第二组端点7中部的另一侧面设有衬底2。其中，信息存储点1的其长、宽尺寸范围为3nm-3000nm。

在重金属层3的另一侧设置有衬底2。

本发明中反铁磁存储单元在无外场情况下，通过脉冲电流，可调控其磁化状态，完成信息的写入，同时，其磁化状态也可通过反常霍尔电阻检测出，完成信息的读出，达到信息的写入和读出的目的，实现信息存储的功能。

实施例

在热氧化硅基片上制作反铁磁磁随机存储器存储单元。垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元的制备：把长10mm、宽10mm、厚0.5mm的热氧化硅基片用丙酮超声波清洗后，用去离子水超声波清洗，最后用无水乙醇超声波清洗。清洗后的基片用高纯氮气吹干。在基片上涂覆光刻胶正胶，用电子束曝光出图1所示的十字线图形，将曝光部分洗掉后，将基片放到磁控溅射镀膜设备的镀膜室内，把镀膜室抽到1×10^-5帕斯卡的真空度。然后充入工作气体到0.8帕斯卡的氩气，用磁控溅射方法在基片上沉积10纳米厚的ta薄膜，随后取出，洗掉光刻胶，此时形成了写入电流线和读出测量线。在基片上再次涂覆光刻胶正胶，用电子束曝光出图1所示的信息存储点(1)图形，将曝光部分洗掉后，将基片放到磁控溅射镀膜设备的镀膜室内，在基片法线方向加磁场1000奥斯特，把镀膜室抽到1×10^-5帕斯卡的真空度。然后充入工作气体到0.8帕斯卡的氩气，施加偏压200伏，用直流磁控溅射方法在基片上沉积6纳米厚的垂直磁化的tbco薄膜和1纳米厚的氧化铝薄膜，取出后洗掉光刻胶，此时，十字形写入电流线和读出测量线，以及信息存储点均已制备完成，构成了反铁磁磁随机存储器存储单元。

在写入电流线通入脉冲电流，其大小为1ma,宽度1μs，通入一个脉冲后，在写入电流线通0.1μa的探测电流，在读出测量线测量其电压，其电阻为反常霍尔电阻(电压除以探测电流值)，其结果如图6所示。反常霍尔电阻由正逐步变为负，然后改变脉冲电流方向，继续翻转tbco膜中的磁矩方向。通入脉冲电流过程，为信息的写入过程，通入探测电流过程，为信息的读出过程，反常霍尔电阻的正与负，分别对应信息的0或1。