一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法 专利技术说明

电子电路装置的制造及其应用技术1.本发明属于磁性随机存储器领域，具体涉及一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法。技术背景2.上世纪80年代，john slonczewski和luc berger提出了自旋轨道转矩的概念：利用自旋霍尔效应，使得在具有强自旋轨道耦合的重金属层中流动的具有自旋极化的电子流转化为自旋流，自旋流向铁磁层中扩散，对铁磁层的磁矩施加力矩使之翻转。采用自旋轨道力矩效应驱动垂直磁矩的翻转，对高密度磁记录等新型器件具有重要研究价值。然而，要使这种技术走向产业化应用，必须克服需要施加外部偏置磁场这一关键问题，因为片上磁场的存在，不但使得器件更加复杂化，同时限制了器件的微型化。3.copt多层膜结构是磁性存储器制备的关键材料，目前研究发现copt仅依靠自身产生的自旋轨道力矩效应就可以实现翻转，而不需要像传统材料那样需要添加非磁的重金属层，从而可以实现器件膜层的简化，并避免了由分流效应带来的功耗增加问题，受到了广泛的关注。然而，目前采用的无磁场翻转方法，包括添加额外的面内磁性层，通过高温控制copt的晶向，以及通过设计楔形膜层结构等方法，都不能实现copt磁矩的完全翻转，翻转比率一般低于70％。磁矩的翻转比率低会直接导致存储单元的写入错误率。因此，亟需找到一种更好的翻转表现(更高的翻转比率)，高持久性，且适合于产业化应用的无磁场自旋轨道力矩驱动的copt多层膜磁矩翻转技术。技术实现要素：4.本发明属于磁性随机存储器领域，具体涉及一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法。5.一种基于自旋轨道转矩的通过电流驱动的磁性随机存储器，磁性随机存储器选择斜切衬底且具有多层膜结构，多层膜结构从上到下依次为：导电层、保护层、薄膜层；所述薄膜层采用hall bar器件。6.所述导电层接入调控电流和测量电压，从而通过不断施加脉冲电流来得到其变化的电阻大小；保护层隔绝薄膜磁性层与空气接触导致的氧化；薄膜层经过光刻、刻蚀等工艺微纳加工成的hall bar器件为十字结构的，薄膜层结构从上到下依次为co、pt、co、pt、co、pt，上层中co的厚度为0.8-1nm，pt的厚度为0.3-0.6nm，中间层co的厚度为0.3-0.5nm，pt的厚度同样为0.5-0.6nm，最下层的co的厚度为0.3-0.5nm，pt厚度为0.7-1nm；沿垂直于衬底斜切方向的hall bar两端电极中通入一个直流脉冲电流ipluse，器件垂直于电流方向上的两端电极通入测量电压vac；施加直流脉冲电流后，电流会转换成自旋流注入薄膜层中的磁性层中诱导磁矩发生翻转，随着薄膜层的磁矩的翻转，自旋轨道转矩电阻值也在逐渐变化。通入反方向的脉冲电流之后磁畴逐渐回到初始状态，形成自旋轨道转矩回路，得到自旋轨道转矩电阻。比较薄膜反常霍尔电阻值和自旋轨道电阻值的比值从而可以判断出无磁场情况下的磁矩翻转程度。7.作为优选，所述薄膜层中co层膜和pt层膜的厚度呈梯度变化；8.作为优选，所述的斜切衬底选择氧化铝斜切衬底。9.作为优选，所述的斜切角度为3°‑10°。10.作为优选，所述的斜切角度为5°。11.作为优选，所述导电层应为导电材料，为al、pt或ru，厚度为20nm。12.作为优选，所述保护层应为保护材料，为ta，厚度为1-3nm。13.薄膜层中上两层pt层的作用是隔开上下相邻的co层，形成具有垂直各向异性及不同各向异性场的co/pt薄膜。同时多层co/pt薄膜由于每层厚度不同形成成分梯度获得垂直磁各向异性梯度从而打破垂直方向上的对称性，使其当通过电流时无需外加磁场就会使得磁畴根据自旋流的方向而慢慢发生偏转。薄膜层中下层的pt的作用是为上层的co/pt薄膜磁畴翻转提供必要的自旋流。同时使用氧化铝斜切衬底，在斜切衬底上会由于磁各向异性场和杂散场的共同作用导致薄膜的磁矩倾斜，帮助电流磁矩翻转。14.一种基于反常霍尔效应的磁性随机存储器件的制备方法为：先在斜切氧化铝上依次通过磁控溅射方法溅射pt层、co层、pt层、co层、pt层、co层、ta层；然后经过光刻、刻蚀等工艺微纳加工制备成十字型hall bar结构器件；最后在hall bar的四个引脚预留的位置上镀上电极。15.与背景技术：相比，本发明具有的有益效果是：16.1、利用斜切衬底，可以实现copt多层膜各向异性向沿着衬底斜切方向倾斜。17.2.利用倾斜各向异性，能够实现在无外加辅助磁场条件下，电流驱动copt多层膜的磁矩100％完全翻转；18.3、相比于现有的磁性存储器，基于斜切氧化铝衬底上的自旋轨道转矩磁性随机存储器能够实现完全的无外加辅助磁场下的基于自旋轨道转矩电流驱动的磁矩翻转，大大降低了存储单元的写入错误率。附图说明19.图1是磁性存储器的结构图；20.图2是薄膜结构剖面图；21.图3是斜切衬底诱导磁矩倾斜的原理图；22.图4是薄膜本身的磁滞回线图；23.图5是十字结构图；24.图6通入脉冲直流电流后斜切角度为7度的器件的自旋轨道转矩电阻值与反常霍尔电阻值的比较。25.图7通入脉冲直流电流后斜切角度为5度的器件的自旋轨道转矩电阻值与反常霍尔电阻值的比较。26.图8通入脉冲直流电流后斜切角度为10度的器件的自旋轨道转矩电阻值与反常霍尔电阻值的比较。具体实施方式27.本发明的目的在于提供一种在斜切氧化铝衬底上的基于自旋轨道转矩的通过电流驱动的磁性随机存储器。本发明：在斜切氧化铝衬底上生长co/pt多层结构，co/pt多层结构的垂直成分梯度获得垂直磁各向异性梯度打破垂直方向对称性以及在斜切衬底上由于磁各向异性场和杂散场的共同作用使薄膜的易轴发生倾斜，通过施加电流产生自旋流时co层的磁矩发生确定性翻转，实现无外加辅助磁场的自旋轨道转矩完全翻转，完成信息写入。28.本发明的目的是通过如下技术方案实现的：29.一种基于自旋轨道转矩的通过电流驱动的磁性随机存储器30.1)给器件y方向两电极通入脉冲电流ipluse，可在x方向两电极处可采集到电压vac，即可得薄膜反常霍尔电阻的数值。31.2)在沿着固定方向上施加直流脉冲电流后，电流会转换成自旋流注入薄膜层中的磁性层中诱导磁矩发生翻转，随着薄膜层的磁矩的翻转，自旋轨道转矩电阻值也在逐渐变化。通入反方向的脉冲电流之后磁畴逐渐回到初始状态，形成自旋轨道转矩回路。32.下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：33.如图1所示，器件从下到上分别是pt层、co层、pt层、co层、pt层、co层、ta层。当设初始通入脉冲电流的方向为y方向时，可以在x方向通过采集到的电压v计算相应的电阻。34.如图2所示，①最下方的pt层可以为上方薄膜提供自旋流。②co/pt多层膜具有不同的厚度，具有垂直成分梯度和垂直各向异性梯度。③最上方的ta具有良好的抗氧化性充当保护层。④衬底为氧化铝斜切衬底，使得薄膜易轴倾斜，促进磁矩的翻转。35.如图3所示，为该器件的原理图。36.如图4所示，为该器件的磁滞回线。37.如图5所示，标号为1、2、3、4的四个区域为电极区域，5为薄膜样品区域。38.如图6所示，给器件y方向上持续通入脉冲电流后，磁矩在自旋电流的诱导下发生翻转，随着磁矩翻转其电阻值在电流的作用下改变形成自旋轨道转矩回路。通过比较沿电流方向施加大小为200oe和0oe外加磁场h后，得到的自旋轨道转矩电阻值与薄膜自身的反常霍尔电阻值大小相同，证明器件在斜切角度为7度时能够实现无磁场条件下copt多层膜磁矩的完全翻转，实现信息的存储。39.给器件y方向上持续通入脉冲电流后，磁矩在自旋电流的诱导下发生翻转，随着磁矩翻转其电阻值在电流的作用下改变形成自旋轨道转矩回路。通过比较沿电流方向施加大小为200oe和0oe外加磁场h后，得到的自旋轨道转矩电阻值与薄膜自身的反常霍尔电阻值大小相同，证明器件在斜切角度为5度时能够实现无磁场条件下copt多层膜磁矩的完全翻转，实现信息的存储40.如图7所示，给器件y方向上持续通入脉冲电流后，磁矩在自旋电流的诱导下发生翻转，随着磁矩翻转其电阻值在电流的作用下改变形成自旋轨道转矩回路。通过比较沿电流方向施加大小为200oe和0oe外加磁场h后，得到的自旋轨道转矩电阻值与薄膜自身的反常霍尔电阻值大小相同，薄膜改变厚度：从下到上分别是pt层(0.7nm)、co层(0.3nm)、pt层(0.5nm)、co层(0.5nm)、pt层(0.3nm)、co层(1.0nm)、ta层(1.5nm)时器件在斜切角度为5度时能够实现无磁场条件下copt多层膜磁矩的完全翻转，实现信息的存储。41.如图8所示，给器件y方向上持续通入脉冲电流后，磁矩在自旋电流的诱导下发生翻转，随着磁矩翻转其电阻值在电流的作用下改变形成自旋轨道转矩回路。通过比较沿电流方向施加大小为200oe和0oe外加磁场h后，得到的自旋轨道转矩电阻值与薄膜自身的反常霍尔电阻值大小相同，薄膜厚度：从下到上分别是pt层(1nm)、co层(0.3nm)、pt层(0.6nm)、co层(0.5nm)、pt层(0.3nm)、co层(1.0nm)、ta层(3nm)；证明器件在斜切角度为10度时能够实现无磁场条件下copt多层膜磁矩的完全翻转，实现信息的写入。









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