[发明专利]一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩(Spin-Orbit Torque，简称SOT)磁存储器，它包含一种基于SOT改变存储器件电阻状态的新型磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，简称MTJ)结构，即SOT-MTJ，属于非易失性存储器技术领域。

背景技术

传统磁存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)的核心存储部分是磁隧道结MTJ，它是一个由多层膜组成的两端口结构器件。其核心部分主要由三层薄膜组成，两个铁磁层被一个隧穿势垒层分隔开。其中一个铁磁层的磁化方向是固定不变的，被称为参考层；另一个铁磁层的磁化方向可以改变成同参考层平行(Parallel，简称P)或反平行(Anti-Parallel，简称AP)，被称为自由层。当两个铁磁层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态R_P(平行磁化方向时的电阻)；反之，当两个铁磁层的磁化方向反平行时，MTJ呈现高电阻状态R_AP(反平行磁化方向时的电阻)。这两种截然不同的电阻状态在信息存储的时候可以分别用来表征二进制数据“0”和“1”。MTJ的高低两种电阻状态之间的差异度用隧穿磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，简称TMR)来描述，TMR＝(R_AP-R_P)/R_P。

基于自旋轨道动量矩磁存储器(Spin-Orbit Torque MRAM，简称SOT-MRAM)的核心存储部分SOT-MTJ具有非易失性、高速读写、低功耗、接近无限次的反复擦写次数等诸多优点。然而，目前SOT-MRAM的写入需要外部磁场来决定其自由层的磁化翻转极性，同时写入电流相对过高，从而影响了其纳米加工工艺，且阻碍了其继续小型化的发展。

发明内容

1.发明目的：

针对上述背景中提到的目前SOT-MRAM存在的问题，本发明提供了一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，它是一种新型的SOT-MRAM，其核心存储部分是不同于传统MTJ的新型三端口结构的器件，也即SOT-MTJ。本发明提出的基于新型SOT-MTJ的SOT-MRAM无需外部磁场即可进行写入操作，因而较之前的SOT-MRAM能耗更低，随工艺节点降低的等比微缩性也更优秀。

2.技术方案：

本发明一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器，其核心存储器件SOT-MTJ基于垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，简称PMA)。该SOT-MTJ结构除了包含有传统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。如图1所示，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(自由层)，楔形隧穿势垒层，铁磁金属层二(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(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可以不一样，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(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可以不一样；

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。

其中，该SOT-MTJ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(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(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。