[发明专利]一种提高多层膜结构自旋轨道矩翻转效率的方法及多层膜结构、磁隧道结与磁随机存储器

说明书

本发明涉及一种提高多层膜结构自旋轨道矩翻转效率的方法及多层膜结构、磁隧道结与磁随机存储器。上述方法是在多层膜结构的铁磁层和氧化物层之间设置第一金属插入层，增强界面自旋轨道耦合强度。本发明还提供了一种多层膜结构，包括非铁磁层、铁磁层、第一金属插入层和氧化物层。本发明还提供了一种磁隧道结，包括非铁磁层、第一铁磁层、第一金属插入层、势垒层、第二铁磁层；或者非铁磁层、第二金属层、第一铁磁层、第一金属插入层、势垒层、第二铁磁层。本发明还提供了含有上述多层膜结构或磁隧道结的磁随机存储器。本发明通过插入超薄金属的方式，利用氧化工程效应改变非铁磁层和铁磁层的界面，以增强界面自旋轨道耦合效应，提高翻转效率。

技术领域

本发明涉及磁随机存储器技术领域，具体涉及一种提高多层膜结构自旋轨道矩翻转效率的方法及多层膜结构、磁隧道结与磁随机存储器。

背景技术

随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)技术的不断发展，基于半导体的传统存储器遇到了功耗瓶颈，由于漏电流，不可避免地会产生很大的静态功耗。具有非易失性、高性能、低功耗的磁随机存储器(MagneticRandom Access Memory,MRAM)被认为是一种高效且有前途的解决方案。此外，由于该存储器与CMOS后道工艺具有良好的兼容性，因此，该存储器不仅可以应用在传统的计算机存储系统中，还可以扩展到其他新兴计算领域，如深度学习、概率计算等。磁随机存储器中的基本存储单元被称为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)，它由两层铁磁层组成，中间夹有隧穿势垒层。其中一层铁磁层被称为参考层，其磁化方向不变；另一层铁磁层被称为自由层，磁化方向与参考层平行或者反平行，进而实现磁隧道结的低阻态和高阻态，可用二进制数“0”和“1”表示。

目前，主流的磁随机存储器写入方式为：自旋转移矩(Spin-Transfer Torque,STT)和自旋轨道矩(Spin-Orbit Torque,SOT)。自旋轨道矩是在铁磁层下方增加一层非铁磁层，向非铁磁层输入电荷流，通过自旋轨道耦合效应在非铁磁层产生自旋流，利用其引发的自旋轨道矩使铁磁层中的磁矩达到发生磁性翻转的目的。与自旋转移矩相比，自旋轨道矩具有更快的速度，更高的耐用性以及更低的功耗等优势，满足在纳秒甚至亚纳秒级范围下实现磁性的翻转。

目前，提高自旋轨道矩翻转效率的方法有两种：一种是通过调控非铁磁层的电阻率来提高翻转效率，另一种是在非铁磁层与铁磁层之间插入超薄轻金属层以修饰界面自旋透明度的效果，进而增强自旋注入。但是，以上调控方法在引入高阻材料时会由于焦耳热造成功耗增加，优势较为单一。此外，在溅射生长过程中，通常很难避免铁磁层材料的氧化，其中该氧化主要来自氧化物层在溅射过程中的高能氧离子，以及退火后引起的氧迁移。因此，与理想界面相比存在较大的差异。鉴于此，一种优异界面的方式以及提高磁存储器自旋轨道矩翻转效率的方法的提出尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能有效提高自旋轨道矩翻转效率的方法，该方法在铁磁层和氧化物层之间插入超薄金属，利用氧化工程效应增强界面自旋轨道耦合强度，进一步提高翻转效率。

为达到上述目的，本发明提供了一种提高多层膜结构自旋轨道矩翻转效率的方法，其中，该方法是在多层膜结构的铁磁层和氧化物层之间设置第一金属插入层，增强界面自旋轨道耦合强度，以提高自旋轨道距的翻转效率；其中，所述第一金属插入层的厚度为0.01-0.8nm。

根据本发明的具体实施方案，优选地，当所述多层膜结构还包括非铁磁层时，所述非铁磁层与所述铁磁层之间可以设置第二金属层，其中，所述第二金属层的厚度为0.01-0.8nm。

根据本发明的具体实施方案，优选地，铁磁层、非铁磁层、第一金属插入层、第二金属层的生长可以磁控溅射技术，分子束外延或原子层沉积等方法。

上述方法中将铁磁层和氧化物层之间插入超薄金属，利用氧化工程效应增强界面效应，提高翻转效率。