[发明专利]一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器

权利要求书

1.一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该存储器SOT-MTJ基于垂直磁各向异性，除了包含有传统MTJ结构中的自由层、隧穿势垒层、参考层和反铁磁金属层，还额外添加了一层非铁磁金属层，并且优化了反铁磁金属层的材料，以及改进了隧穿势垒层的形状；该SOT-MTJ结构从下到上依次为底电极，非铁磁金属层，铁磁金属层一即自由层，楔形隧穿势垒层，铁磁金属层二即参考层，反铁磁金属层及顶电极共七层：

所述底电极材料是钽Ta、铂Pt、钨W或铜Cu中的一种；

所述非铁磁金属层材料是铜Cu,金Au,钌Ru,钽Ta,铪Hf中的一种，目的是增强自旋极化电流的传递，降低写入功耗；

所述铁磁金属层一即自由层材料是混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样，用于存储数据；

所述楔形隧穿势垒层材料是氧化镁MgO或三氧化二铝Al₂O₃中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号，上界面为楔形，用于代替外部偏置磁场的作用；

所述铁磁金属层二即参考层材料是混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成不一样；

所述反铁磁金属层材料是混合金属材料钴钯CoPd，用于提供对于参考层的扎钉作用，并有助于自由层完成磁化翻转；

所述顶电极材料是钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的底电极的厚度为10-200nm，非铁磁金属层的厚度为0-1nm，铁磁金属层一即自由层的厚度为0-3nm，楔形隧穿势垒层是厚度为1至2nm的楔形物，铁磁金属层二即参考层是厚度为2至3nm的反楔形物，反铁磁金属层的厚度为0-20nm，顶电极的厚度为10-200nm。

3.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的。

4.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构是通过特殊的后端工艺集成在传统的半导体器件之上。

6.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负双向电流I_write来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入。

7.根据权利要求1所述的一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其特征在于：该SOT-MTJ结构的数据读取操作，是通过将流经该SOT-MTJ的读取电流I_read与基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息。