[发明专利]铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器

说明书

本发明涉及铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器。一种自旋转移矩磁随机存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：固定磁层；形成在所述固定磁层上的间隔层；形成在所述间隔层上的具有人工反铁磁结构的自由磁层，所述自由磁层包括：形成在所述间隔层上的第一磁层；形成在所述第一磁层上的非磁耦合层；以及形成在所述非磁耦合层上的第二磁层；以及形成在所述自由磁层上的铁电层。本发明通过铁电层导致的电荷转移及极化电场来调控自由层的人工反铁磁结构从反铁磁耦合转变到铁磁耦合，降低了写入过程所需的电流密度，从而节省了存储器件的功耗。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种包括铁电调控的人工反铁磁自由层结构的自旋转移矩磁随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory,STT-MRAM)。

背景技术

磁随机存储器(MRAM)通过改变自由磁层相对于固定磁层(也称为参考磁层)的磁化方向，形成分别与平行态和反平行态对应的不同磁电阻态来完成数据的存储。MRAM具有高速读写、高集成度、低能耗、以及近乎无限次擦写等优点，因此被视为下一代存储器件的候选之一。MRAM可包括自旋阀(Spin Valve)或磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，其均包括自由磁层、固定磁层、以及夹在二者之间的间隔层，其中自旋阀的间隔层可包括非磁金属材料例如Ru、Cu等，磁性隧道结的间隔层可包括非磁绝缘材料例如诸如MgO、Al₂O₃之类的金属氧化物等。当自由层的磁化方向平行于固定层的磁化方向时，自旋阀或磁性隧道结具有低电阻；当自由层的磁化方向反平行于固定层的磁化方向时，自旋阀或磁性隧道结具有高电阻。自旋阀和磁性隧道结的低阻态和高阻态可分别对应于二进制数据的“0”和“1”，或者反之亦可。为了简单起见，下面将主要以磁性隧道结为例来进行描述，但是应理解，这里描述的磁性隧道结的实施例也可以应用到自旋阀器件。

传统的MRAM借助电流产生的磁场来改变两磁层的相对磁化取向，以实现“0”和“1”的写入。然而，这需要较高的电流密度和功耗。后来，提出了利用由电流产生的自旋转移矩(STT)来切换自由层和固定层的相对磁化取向的STT-MRAM，其能在一定程度上减小用于写操作的电流密度和功耗。但是，进一步降低操作电流密度和减小功耗，一直是磁存储器件的重要发展方向。

发明内容

针对上述以及其他现有技术中存在的问题，本发明提供一种铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器，所述铁电层在偏置电压作用下会发生饱和极化，形成铁电增强的极化电场。同时，铁电层极化后在上表面聚积正(负)电荷，在下表面聚积负(正)电荷，此时在其上方并与其接触的中间电极层在下表面聚集负(正)电荷，上表面聚集正(负)电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层与中间电极层之间发生显著电荷转移，与纯电场调控相比，其能有效放大穿透中间电极层的电场强度，协同铁电极化电场效应来共同调控作为自由层的人工反铁磁结构在反铁磁耦合状态和铁磁耦合状态之间切换，可以实现减小的写入电流密度，从而节约能耗，并且提高响应速度，还能将存储单元形成得更小，从而可以提高存储密度。

根据一实施例，一种自旋转移矩磁随机存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：固定磁层；形成在所述固定磁层上的间隔层；形成在所述间隔层上的具有人工反铁磁结构的自由磁层，所述自由磁层包括：形成在所述间隔层上的第一磁层；形成在所述第一磁层上的非磁耦合层；以及形成在所述非磁耦合层上的第二磁层；以及形成在所述自由磁层上的铁电层。

在一些实施例中，所述铁电层由绝缘或半导体铁电材料形成。

在一些实施例中，所述第一磁层的磁矩大于所述第二磁层的磁矩。