人工反铁磁多层膜结构及包括其的磁随机存储器

1.本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种人工反铁磁多层膜结构以及包括所述人工反铁磁多层膜结构的磁随机存储器。


背景技术：

2.人工反铁磁(synthetic antiferromagnetic，saf)结构，因具有抗外磁场干扰、零杂散场、高的热稳定性等特点，而被广泛地应用在自旋电子学领域。例如，在磁随机存储器(magnetic random access memory，mram)的存储单元中，人工反铁磁结构常被用作磁性隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)的自由层或参考层(也可称为固定层或被钉扎层)，以便提高器件的热稳定性和垂直磁各向异性。
3.目前，电流驱动型mram的数据写入方式一般可以分为两类。第一类是自旋转移力矩(spin transfer torque，stt)驱动型，即利用电流垂直流过参考层时发生的自旋极化效应，通过自旋极化电流产生的自旋转移力矩来翻转存储单元中自由层的磁矩，从而实现高低电阻态的变化，完成存储单元的数据写入。stt-mram存在的一个主要问题是数据写入的电流密度高，当频繁写入数据时，会很容易破坏例如击穿mtj中的势垒层，从而影响mram存储单元的使用寿命。第二类是自旋轨道力矩(spin-orbit torque，sot)驱动型，即利用电流流经具有强自旋轨道耦合效应的材料时产生的自旋流来翻转存储单元中自由层的磁矩，从而实现存储单元数据的写入。相比于前者，sot-mram中的写入电流可以是流经自旋轨道耦合材料的面内电流，而不需要垂直流经磁性隧道结，因而具有写入速度快和读写分离等特点，可以克服stt-mram中存在的器件寿命短的问题。因此，sot-mram在未来信息存储领域具有很大的应用潜力。然而，利用sot效应实现人工反铁磁结构中磁矩的翻转时，需要在面内方向上施加一个外磁场或者等效磁场，这严重阻碍了人工反铁磁结构在sot-mram中的应用。


技术实现要素：

4.针对以上以及其他技术问题，提出了本发明。在本发明中，利用面内场耦合层对自由磁层施加一层间交换耦合偏置磁场，并且偏置磁场的方向可以与翻转电流的方向平行或反平行，从而可以在不需要外磁场的情况下对自由磁层进行翻转。并且，面内场耦合层和自由磁层都可以具有人工反铁磁结构，在自由磁层中将自旋霍尔效应层用作人工反铁磁结构的中间间隔层，从而其既起到通过自旋轨道耦合产生自旋流的作用，又起到诱导反铁磁耦合的作用。本发明的全人工反铁磁结构能减小器件的净磁矩，从而提高器件密度，并且还改善了器件的热稳定性。
5.根据一实施例，提供一种人工反铁磁多层膜结构，其包括：面内场耦合层，包括由铁磁导电材料形成的第一铁磁层和第二铁磁层，以及位于所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的第一间隔层，所述第一间隔层由非磁导电材料形成并且诱导所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的反铁磁耦合；自由磁层，包括由铁磁导电材料形成的第三铁磁层和第四铁磁层，
以及位于所述第三铁磁层和第四铁磁层之间的自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层由具有自旋霍尔效应的材料形成并且诱导所述第三铁磁层和第四铁磁层之间的反铁磁耦合；以及中间层，位于所述面内场耦合层与所述自由磁层之间，所述中间层由非磁材料形成。
6.在一些实施例中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层具有面内磁各向异性，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层具有垂直磁各向异性。
7.在一些实施例中，所述中间层具有0.4-1.5nm范围内的厚度，使得所述面内场耦合层透过所述中间层向所述自由磁层施加层间耦合偏置磁场。
8.在一些实施例中，所述中间层由非磁绝缘材料形成。
9.在一些实施例中，所述自由磁层中的第三铁磁层比第四铁磁层更靠近所述面内场耦合层，并且所述第三铁磁层具有比所述第四铁磁层更大的厚度。
10.根据另一实施例，提供一种磁随机存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：上述人工反铁磁多层膜结构；隧道势垒层，形成在所述自由磁层上，并且由非磁绝缘材料形成；以及参考磁层，形成在所述隧道势垒层上，包括由铁磁导电材料形成的第五铁磁层和第六铁磁层，以及位于所述第五铁磁层和第六铁磁层之间的第二间隔层，所述第二间隔层由非磁导电材料形成并且诱导所述第五铁磁层和第六铁磁层之间的反铁磁耦合。
11.在一些实施例中，所述第五铁磁层和第六铁磁层具有垂直磁各向异性。
12.在一些实施例中，所述自由磁层配置为接收面内写入电流，以翻转所述自由磁层的磁矩，所述存储单元配置为接收垂直读取电流，以读取所述存储单元的电阻状态。
13.在一些实施例中，所述面内写入电流的方向与所述面内场耦合层向所述自由磁层施加的层间耦合偏置磁场的方向基本平行或反平行。
14.在一些实施例中，所述隧道势垒层的厚度大于所述中间层的厚度。
15.本发明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
16.图1是根据本发明一实施例的人工反铁磁多层膜结构的示意图。
17.图2是对根据本发明一实施例的人工反铁磁多层膜结构进行测量得到的反常霍尔磁电阻与电流密度之间的关系曲线。
18.图3是根据本发明一实施例的包括人工反铁磁多层膜结构的磁随机存储器存储单元的示意图。
19.图4是对图3的存储单元进行读写操作的示意图。
20.图5是在外磁场下对根据本发明一实施例的包括人工反铁磁多层膜结构的磁随机存储器存储单元进行测量得到的磁电阻与外磁场的曲线图。
21.图6是根据本发明一实施例的包括人工反铁磁多层膜结构的磁随机存储器存储单元的磁电阻与写入电流之间的关系曲线。
具体实施方式
22.下面，将参考附图详细地描述根据本技术的示例实施例。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技术的一部分实施例，而不是本技术的全部实施
例，本技术不受这里描述的示例实施例的限制。
23.图1是根据本发明一实施例的人工反铁磁多层膜结构100的示意图。参照图1，人工反铁磁多层膜结构100包括依次形成在衬底101上的种子层102、面内场耦合层(imf)110、中间层120、磁性自由层(fl)130和帽层140。
24.衬底101可以是常用的绝缘衬底，例如二氧化硅衬底、玻璃衬底、石英衬底等，也可以是半导体衬底，例如硅衬底、绝缘体上硅(soi)衬底等。
25.种子层102也可以称为缓冲层，其可包括单层或多层，用于提供与衬底101的紧密结合，并且为其上形成的层提供良好的生长或沉积表面。种子层102可以由具有良好导电性的非磁金属或合金材料形成，其示例包括ta、w、ru、pt等，厚度可以在大约1-10nm的范围，但不限于此。
26.面内场耦合层110和磁性自由层130每个都可具有人工反铁磁结构。具体而言，面内场耦合层110可包括第一铁磁层(fm1)112、第二铁磁层(fm2)116以及位于二者之间的间隔层114。第一铁磁层112和第二铁磁层116每个都可以由铁磁金属或合金材料形成，其厚度可以在0.5-10nm的范围，并且可具有面内磁化方向。间隔层114可包括由非磁性金属或合金材料制成的单层或多层薄膜，厚度可以在0.4-2.5nm的范围内。关于人工反铁磁结构的研究发现，当中间间隔层的厚度变化时，两侧的铁磁层可以在铁磁(平行)耦合和反铁磁(反平行)耦合之间变化。因此，可选择间隔层114的材料和厚度，以使得其在第一铁磁层112和第二铁磁层116之间诱导反铁磁耦合，从而第一铁磁层112和第二铁磁层116的磁矩彼此反平行，形成人工反铁磁结构。面内场耦合层110的结构示例包括但不限于co/ru/co、co/w/co、co/w/ir/co、co/ta/co、co/ta/co、co/ta/ir/co、co/pt/co、nife/ru/nife、nife/ir/nife、cofeb/ru/cofeb等。
27.磁性自由层130可包括第三铁磁层(fm3)132、第四铁磁层(fm4)136以及位于二者之间的自旋霍尔效应层(she)134。第三铁磁层132和第四铁磁层136每个也可以由铁磁金属或合金材料形成，其厚度可以在0.5-10nm的范围，并且可具有垂直磁化方向。其中，第三铁磁层132和第四铁磁层136的厚度可以彼此不同，例如靠近面内场耦合层110一侧的第三铁磁层132的厚度可以大于远离面内场耦合层110一侧的第四铁磁层136的厚度，从而能确保自由层130在面内场耦合层110施加的面内偏置磁场下被适当地翻转。自旋霍尔效应层134可由具有自旋霍尔效应，即具有强的自旋轨道耦合的非磁性金属材料形成，其示例包括但不限于诸如pt、ta、w、ir之类的重金属或它们的合金，其厚度可以在0.4-2.5nm的范围内。应注意的是，可以选择自旋霍尔效应层134的材料和厚度，以使得其在第三铁磁层132和第四铁磁层136之间诱导反铁磁耦合，从而第三铁磁层132和第四铁磁层136的磁矩彼此反平行，形成人工反铁磁结构。磁性自由层130的结构示例包括但不限于cofeb/w/cofeb、cofeb/ta/cofeb、cofeb/pt/cofeb等。
28.中间层120位于面内场耦合层110和磁性自由层130之间，其可以是非磁绝缘势垒层，例如由mgo、al2o3等绝缘势垒材料形成；也可以是非磁导电材料，例如ru、ir、cu、w、ta等。中间层120的厚度可以在大约0.4-1.5nm的范围内。可以适当地选择中间层120的材料，从而为其上形成的自由磁层中的铁磁材料提供界面，以便于形成垂直磁各向异性；另一方面，中间层120的厚度较薄，使得自由磁层130中的磁矩可受到面内场耦合层110中的面内磁各向异性铁磁层产生的层间耦合磁场的作用，从而自由磁层130中的垂直磁矩被偏置，产生面内
分量。
29.帽层140可包括具有良好导电性和耐腐蚀性的金属层，例如w、ta、ru、pt、au、ir等，其厚度可以在例如5-10nm的范围，从而保护其下的层免受氧化和湿气腐蚀等影响。在一些实施例中，帽层140还可包括位于金属帽层与自由层130之间的绝缘层，例如mgo、al2o3层，其厚度可以在0.5-3nm的范围。绝缘势垒帽层可以为下方相邻的磁层提供良好的界面，确保其垂直磁各向异性不受上面金属帽层的影响，同时由于其和中间层120一样厚度较薄，所以可允许垂直电流隧穿流过绝缘势垒层。
30.应注意，在人工反铁磁多层膜结构100中，全部磁性层均为人工反铁磁结构，因此其仅具有非常小的泄露磁场，不会对相邻的磁性元件产生影响，能够提高磁性元件的密度，而且改善其热稳定性等。
31.人工反铁磁多层膜结构100可用作霍尔器件。写入时，可以对人工反铁磁多层膜结构100施加面内电流，该面内电流的方向可以与面内场耦合层110对磁性自由层130施加的面内偏置磁场的方向平行或反平行。虽然未示出，但是在人工反铁磁多层膜结构100的两侧可以形成有电极以用于施加面内电流。流经自旋霍尔效应层134的电流会由于自旋轨道耦合而在其上下表面累积并且向相邻磁层132、136中注入自旋流，自旋流与磁层的磁矩相互作用产生自旋轨道力矩效应，其在面内场耦合层110对磁性自由层130施加的面内偏置磁场的共同作用下，翻转自由层130的磁矩方向。由于存在面内场耦合层110施加的面内偏置磁场，所以不需要对人工反铁磁多层膜结构100施加外磁场，仅通过面内电流即可实现自由层130的磁矩翻转。读取时，可以施加较小的面内电流，并且在与电流方向垂直的方向上测量人工反铁磁多层膜结构100的霍尔电压信号，根据所测量的霍尔电压即可确定自由磁层130的磁矩方向。
32.图2是对根据本发明一实施例的人工反铁磁多层膜结构100进行测量得到的反常霍尔磁电阻与电流密度之间的关系曲线，其中横坐标为电流密度j
x
，纵轴为反常霍尔磁电阻r
xy
，其可由测量得到的霍尔电压除以所施加的读取电流来计算得到。该人工反铁磁多层膜结构100从衬底侧起具有如下结构：w(1nm)/co(2.2nm)/ir(0.5nm)/w(0.4nm)/co(2nm)/mgo(0.8nm)/cofeb(1.3nm)/w(0.9nm)/cofeb(0.9nm)/mgo(2nm)/w(2nm)，其中co(2.2nm)/ir(0.5nm)/w(0.4nm)/co(2nm)用作面内场耦合层110，cofeb(1.3nm)/w(0.9nm)/cofeb(0.9nm)用作自由层130。在测量之前，可以在沿器件面内电流的方向上施加一个外磁场以使其初始化。从图2所示的曲线可以看出，当施加有+300oe或-300oe的外磁场h
x
时，由电流产生的自旋轨道力矩(sot)可以使具有垂直磁各向异性的人工反铁磁结构自由层的磁矩发生翻转，翻转回线的极性与外磁场的方向有关。当外磁场为零时，由电流产生的sot同样可以翻转自由层的磁矩，并且翻转回线的极性与初始态的极性相同，翻转电流密度比存在外磁场时更大。
33.图3是根据本发明一实施例的磁随机存储器存储单元200的示意图，其中包括图1所示的人工反铁磁多层膜结构。在图3中，与图1相同的层用相同的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述。
34.参照图3，在自由层130上，还可形成有隧道势垒层210、参考层220和帽层230，从而自由层130、隧道势垒层210和参考层220形成磁性隧道结(mtj)结构。如前所述，自由层130的磁矩可以被翻转，而参考层220的磁矩可以保持不变，从而可以形成平行和反平行配置，
其分别对应于低阻态和高阻态。
35.隧道势垒层210可由非磁绝缘材料形成，其示例包括但不限于mgo、al2o3等，厚度可以在1-4nm的范围内。在一些实施例中，隧道势垒层210的厚度可以大于中间层120的厚度。
36.参考层220可包括第五铁磁层(fm5)222、第六铁磁层(fm6)226以及位于二者之间的间隔层224。第五铁磁层222和第六铁磁层226每个可以由铁磁金属或合金材料形成，其厚度可以在1-15nm的范围内，并且可具有垂直磁化方向。间隔层224可由非磁性金属或合金材料形成，其厚度可以在0.4-2.5nm的范围内。应注意的是，可选择间隔层224的材料和厚度，以使得其在第五铁磁层222和第六铁磁层226之间诱导反铁磁耦合，从而第五铁磁层222和第六铁磁层226的磁矩彼此反平行，形成人工反铁磁结构。参考层220的结构示例包括但不限于cofeb/w/cofeb、cofeb/ta/cofeb等。
37.由于参考层220具有人工反铁磁结构，其净磁矩很小，因此不易被外磁场翻转，在mram存储单元200运行期间，参考层220的磁矩可保持不变。在一些实施例中，还可以在参考层220上形成反铁磁钉扎层，例如irmn层，来钉扎参考层220的磁矩。
38.帽层230可由具有良好导电性和耐腐蚀性的金属或合金材料形成，其示例包括但不限于w、ta、ru、pt、au、ir等，厚度可以在例如5-10nm的范围，从而保护其下的层免受氧化和湿气腐蚀等影响。帽层230也可用作顶电极，以用于向mram存储单元200施加垂直读取电流。
39.图4是对图3的存储单元200进行读写操作的示意图。如图3所示，存储单元200的顶层例如帽层230可连接到顶电极301，底层例如种子层102可连接到底电极303。自由层130的相对两侧可分别连接到中间电极305和307，其中中间电极305和307设置在面内场耦合层110向自由层130施加的面内偏置磁场的方向上。写入时，如前面参照图1描述的那样，通过中间电极305和307向自由层130施加面内电流，取决于面内电流的方向，即可在垂直向上和向下两个方向之间翻转自由层130的磁矩，使其相对于参考层220为平行态或者反平行态。读取时，通过顶电极301和底电极303施加流经mtj结构的垂直电流，可以读取mtj的电阻状态，从而确定其处于平形态还是反平行态。
40.应注意，在mtj存储单元200中，面内场耦合层110、自由层130和参考层220每个都具有人工反铁磁结构，因此mtj存储单元200具有小的净磁矩，这有助于提高器件密度。同时，人工反铁磁结构能够改善磁器件的热稳定性。此外，所述结构的mtj存储单元200在不需要外磁场的情况下即可实现翻转，大大提高了操作的便利性。
41.图5是在外磁场下对mram存储单元200进行测量得到的磁电阻与外磁场的关系曲线。在图5的实施例中，mram存储单元200具有如下结构：w(1nm)/co(2.2nm)/ir(0.5nm)/w(0.4nm)/co(2nm)/mgo(0.8nm)/cofeb(1.3nm)/w(0.9nm)/cofeb(0.9nm)/mgo(2nm)/cofeb(1.3nm)/w(0.9nm)/cofeb(0.9nm)/w(2nm)/pt(5nm)，其中co(2.2nm)/ir(0.5nm)/w(0.4nm)/co(2nm)用作面内场耦合层110，cofeb(1.3nm)/w(0.9nm)/cofeb(0.9nm)用作自由层130，mgo(2nm)用作隧道势垒层210，cofeb(1.3nm)/w(0.9nm)/cofeb(0.9nm)用作参考层220。如图5所示，外磁场hz的施加方向为垂直方向，测量得到的mram存储单元200隧穿磁电阻(tmr)值在840ω至1200ω的范围，相对变化量为大约43％。
42.图6是mram存储单元200的磁电阻与写入电流之间的关系曲线。如图6所示，当沿着电流方向施加一个稳定的外磁场hx时，通过写电流i
write
可以实现对存储信息的写入，即改
变器件的tmr值，实现高阻态和低阻态之间的切换。同时，通过读电流可以实现对信息的读出，即读取器件的电阻状态。
43.以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
44.本技术中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
45.还需要指出的是，在本技术的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
46.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
47.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。