基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件及随机存储装置的制作方法

本发明涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及一种电辅助控制的基于人工反铁磁固定层以及使用电场进行辅助擦写的磁性随机存储器。

背景技术：

磁性隧道结(magnetictunneljunction，称为mtj)由两层磁性金属(例如铁，钴，镍)和夹在两磁性金属层之间的超薄绝缘层(例如氧化铝，或氧化镁)组成。如果在两个磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可以通过遂穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/遂穿电阻的大小取决于两个铁磁层中磁化的相对取向，这种现象称为隧穿磁阻(tunnelingmagnetoresistance，称为tmr)，这是自旋依赖的隧穿效应的体现。两个铁磁层中磁化的相对取向可以通过施加的磁场来改变。

现今，磁性结(magneticjunction，称为mj，包括mtj和自旋阀)通常用于磁性随机存取存储器中。磁性随机存取存储器由于具有非易失性，优异的耐久性，高读/写速度，低功耗等优点而引起工业领域极大关注。磁性随机存储器(magneticrandomaccessmemory，称为mram)中的磁阻元件可以是包括两个或更多个铁磁性薄膜的磁性结。mj的电阻取决于固定磁性层和自由磁性层的磁化的相对取向，自由磁性层(freemagneticlayer，称为fl)的磁矩可以在两个稳定取向之间切换，mj的电阻在固定磁性层和自由磁性层的两个相对磁取向情况下呈现两个值，可用于表示数据存储的二进制状态“1”和“0”，并应用于二进制逻辑。可以通过外加磁场改变磁性结的自由层磁化取向，从而得到自由磁性层与固定磁性层磁化平行或反平行时对应的低阻态(“1”)或高阻态(“0”)，进而得到逻辑电路需要的1/0态。

一种类型的mram是自旋转移矩-磁性随机存储器(stt-mram)。利用自旋极化电流(自旋转矩)对磁矩的作用，达到改变自由磁性层磁化方向的目的，并通过改变电流方向来切换自由磁性层的磁化方向，从而完成stt-mram中mj的数据写入。但是应用于自旋转移矩-随机存储器的自旋极化电流一般在10⁷a/cm²左右，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度，为了提高存储单元阵列的排列密度，可将固定层厚度减小，此时较大的电流可能造成固定层铁磁态的变化，无法稳定写入数据。

为了解决该问题，提供一种电场辅助控制的基于人工反铁磁固定层的磁性随机存储装置，即利用电场调控一种人工合成反铁磁，用以增强其反铁磁耦合，使其作为磁性隧道结的固定层，在电流作用下可以保持反铁磁态，利用其靠近势垒层的铁磁层与自由层作用，实现数据稳定写入，减小靠近势垒层的铁磁层厚度，减小存储单元体积，提高存储单元阵列排列密度，成为目前本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种类型的自旋转移矩-磁性随机存储器(stt-mram)。根据naturecommunication发表的一篇题名为“lowvoltageswitchingofmagnetismthroughionicliquidgatingcontrolofrkkyinteractioninfecob/ru/fecoband(pt/co)2/ru/(co/pt)2multilayers”的文章，该文章报道通过电场调控一种人工合成反铁磁saf(syntheticantiferromagnetic)多层结构，使该saf多层结构的反铁磁耦合增强。本发明提供的一种自旋转移矩-磁性随机存储器通过将人工反铁磁与磁性隧道结结合，将人工反铁磁saf作为磁性隧道结的固定磁性层，通过电场调控增强人工反铁磁saf的反铁磁耦合，保证其在施加电流的同时固定层保持反铁磁态，此时靠近势垒层的铁磁层厚度可以较小。因此，该自旋转移矩-磁性随机存储器称为电场辅助控制的基于人工反铁磁固定层的磁性随机存储装置，该装置是在电场和电流共同作用下完成数据的稳定写入。另外，电场辅助控制增强固定层的反铁磁耦合，具有密度高，速度快，功耗低的优点。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明给出了基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件，包括一个自由磁性层、一个基于人工反铁磁装置的固定磁性层和一个非磁性势垒层构成的磁性隧道结，非磁性势垒层位于自由磁性层和基于人工反铁磁装置的固定磁性层之间；所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面；

由第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构构成的人工反铁磁装置作为基于人工反铁磁装置的固定磁性层；

还包括第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极分别与自由磁性层和基于人工反铁磁装置的固定磁性层最下层的铁磁层接触，使电流在磁性隧道结器件中导通。

优选的，所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层包括：

第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层，所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构，所述堆叠结构即为人工反铁磁装置；

所述人工反铁磁装置处于反铁磁态，当组成人工反铁磁装置的材料种类不同、厚度不同、界面无序不同时，随着外加电场强度的增加，反铁磁耦合强度可以增强，此时在外加电流作用下铁磁层不易发生翻转。

优选的，所述人工反铁磁装置为圆形，其直径为1nm-100nm；外加电场的电压在0.1-15v；

其第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于cofeb、pt/co，非磁性间隔层的材料包括但不限于ru，且ru的厚度在0.1nm-10nm。

优选的，第一层及第二层铁磁层磁化方向可以垂直于面。

优选的，第一层及第二层铁磁层磁化方向可以平行于面。

优选的，构成所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于fe、co、cofe、ni、cocrpt、cofeb、(co/ni)p、(co/pd)m或(co/pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；

构成所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层的非磁性间隔层材料选自但不限于nb、ta、cr、mo、w、re、ru、os、rh、ir、pt、cu、ag和au中的一种或多种。

优选的，所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述自由磁性层选自但不限于fe、co、ni、mn、nife、fepd、fept、cofe、copd、copt、yco、laco、prco、ndco、smco、cofeb、bimn或nimnsb，及其与b、al、zr、hf、nb、ta、cr、mo、pd或pt中的一种或多种金属的结合。

优选的，所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构co/ir、co/pt、co/pd、cocr/pt、co/au或ni/co。

优选的，所述自由磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为xyz或x2yz的heusler合金，其中x选自但不限于mn、fe、co、ni、pd或cu中的一种或多种，y选自但不限于ti、v、cr、mn、fe、co或ni中的一种或多种，z选自但不限于al、ga、in、si、ge、sn或sb中的一种或多种。

优选的，所述自由磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成，构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于fe、co、cofe、ni、cocrpt、cofeb、(co/ni)p、(co/pd)m或(co/pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于nb、ta、cr、mo、w、re、ru、os、rh、ir、pt、cu、ag或au中的一种或多种。

优选的，所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于mg、b、al、ca、sr、la、ti、hf、v、ta、cr、w、ru、cu、in、si或eu中的一种或多种。

优选的，所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于cu、ag、au、al、pt、ta、ti、nb、os、ru、rh、y、mg、pd、cr、w、mo或v中的一种或多种。

优选的，所述非磁性间隔层选自但不限于sic和陶瓷材料。

优选的，所述电极材料选自但不限于下述金属或合金材料，li、mg、al、ca、sc、ti、v、mn、cu、zn、ga、ge、sr、y、zr、nb、mo、tc、ru、rh、pd、ag、cd、in、sn、sb、ba、hf、ta、w、re、os、ir、pt、au、tl、pb、bi、po、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb中的一种或多种。

优选的，所述电极材料为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳米管或竹炭。

本发明进而给出了一种基于人工反铁磁固定层的磁性随机存储装置，包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，所述磁性隧道结器件包括一个自由磁性层、一个基于人工反铁磁装置的固定磁性层和位于基于人工反铁磁装置的固定磁性层和自由磁性层之间的非磁性势垒层；所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面，人工反铁磁装置通过电场调控增强其反铁磁耦合；

还包括一对可以产生电场的平行电极板，所述平行电极板置于磁性隧道结两端，并且在平行电极板与电极之间存在一种绝缘层；所述平行电极板通过外接电源产生电场，所述人工反铁磁装置可以在电场作用下增强其反铁磁耦合。

本发明的有益效果在于：

利用人工反铁磁装置作为磁性隧道结的固定层，形成“自由磁性层-非磁性势垒层-人工反铁磁装置”的堆叠结构，基于人工反铁磁装置的固定磁性层在电场调控下实现反铁磁耦合的增强，保证在外界条件作用下，基于人工反铁磁装置的固定层靠近势垒层的铁磁层不进行翻转。

将该磁性隧道结应用于磁性随机存储装置中，由于电场调控增强其基于人工反铁磁的固定层的反铁磁耦合强度，在电流作用下不会改变其磁化方向，实现数据稳定写入，此时可以减小固定层的铁磁层的厚度，从而减小器件体积，提高存储单元阵列排列密度。通过电场和电流的共同作用达到稳定写入数据的目的，其结构简单，具有密度高、功耗低、速度快、抗辐射和非易失性的优点。

本发明的特点是：①通过电场增强人工反铁磁固定层的反铁磁耦合强度，从而减小固定层的厚度来减小器件体积，提高存储单元阵列排列密度；②本发明使用一种人工合成反铁磁装置作为磁性隧道结的固定层，抗干扰能力强，将进一步开拓自旋电子器件的应用空间，推动新型存储器行业的发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1展示出人工合成反铁磁装置，通过电压调控时反铁磁耦合强度j的变化情况。

图2展示出一种基于人工合成多层膜固定层的垂直磁各向异性的磁性隧道结装置示意图。

图3(a)展示出施加电场时，人工合成反铁磁固定层反铁磁耦合增强，在第一种方向电流作用下磁性隧道结自由层翻转，固定层保持反铁磁态，从而实现数据稳定写入的示意图；图3(b)展示出在无电场作用下一种方向电流读取该磁性隧道结数据的示意图。

图4(a)展示出施加电场时，人工合成反铁磁固定层反铁磁耦合增强，在第二种方向电流作用下磁性隧道结自由层翻转，固定层保持反铁磁态，从而实现数据稳定写入的示意图；图4(b)展示出在无电场作用下一种方向电流读取该磁性隧道结数据的示意图。

图5展示出一种电场辅助控制的基于人工合成反铁磁固定层的磁性随机存储装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明技术方案做详细说明，以下实施例涉及一种通过电场调控增强人工反铁磁固定层反铁磁耦合的磁随机存储装置，但不构成对本发明做任何限制的依据。

图1展示出论文“lowvoltageswitchingofmagnetismthroughionicliquidgatingcontrolofrkkyinteractioninfecob/ru/fecoband(pt/co)2/ru/(co/pt)2multilayers”中通过电压调控人工反铁磁装置时反铁磁耦合强度j的变化情况。当铁磁层为[pt(0.88nm)|co(0.70nm)]2，界面无序程度为0.5，ru的厚度为0.66nm时，人工反铁磁装置在初始状态下存在相对较弱的反铁磁耦合，并且可以在外加电场增强至4v时变换为强反铁磁耦合。从图中可以看出，随着电压的增加，反铁磁耦合强度j从初始的-1.9erg/cm²变化到-4erg/cm²，即电压作用下其反铁磁耦合增强，此时在外加电流作用下铁磁层不易发生翻转。

如图2所示，由一种垂直各向异性的磁性隧道结与一种合成多层膜装置共同组成一种基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件20。图2和本发明的任何其它图示未按比例画出。该磁性隧道结器件20包括一个自由磁性层21、一个基于人工反铁磁装置组成的固定磁性层23以及位于自由磁性层21和基于人工反铁磁装置的固定磁性层23之间的一种非磁性势垒层22，自由磁性层21和基于人工反铁磁装置的固定磁性层23的磁化方向大致垂直于面。

在本实施例中，基于人工反铁磁装置的固定磁性层23由合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic，称为saf)材料制成，该基于人工反铁磁装置的固定磁性层23由“第一层铁磁层11-非磁性间隔层12-第二层铁磁层13”构成。人工反铁磁装置为圆形，其直径为1nm-100nm；外加电场的电压在0.1-15v。第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于cofeb、pt/co，非磁性间隔层的材料包括但不限于ru，且ru的厚度在0.1nm-10nm。第一层及第二层铁磁层磁化方向可以垂直于面或平行于面。

构成所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于fe、co、cofe、ni、cocrpt、cofeb、(co/ni)p、(co/pd)m或(co/pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述基于人工反铁磁装置的固定磁性层的间隔层材料选自但不限于nb、ta、cr、mo、w、re、ru、os、rh、ir、pt、cu、ag或au中的一种或多种。

在本实施例中，自由磁性层21由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述自由磁性层选自但不限于fe、co、ni、mn、nife、fepd、fept、cofe、copd、copt、yco、laco、prco、ndco、smco、cofeb、bimn或nimnsb，及其与b、al、zr、hf、nb、ta、cr、mo、pd或pt中的一种或多种金属的结合。

在另一些实施例中，自由磁性层21由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为xyz或x2yz的heusler合金，其中x选自但不限于mn、fe、co、ni、pd或cu中的一种或多种，y选自但不限于ti、v、cr、mn、fe、co或ni中的一种或多种，z选自但不限于al、ga、in、si、ge、sn或sb中的一种或多种。

在另一些实施例中，自由磁性层21由合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic，称为saf)材料制成，所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于fe、co、cofe、ni、cocrpt、cofeb、(co/ni)p、(co/pd)m或(co/pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于nb、ta、cr、mo、w、re、ru、os、rh、ir、pt、cu、ag或au中的一种或多种。

在本实施例中，所述自由磁性层21和基于人工反铁磁装置的固定磁性层23是导电的。

在一些实施例中，非磁性层22是绝缘隧道势垒层，所述非磁性层为氧化物，氮化物，或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于mg、b、al、ca、sr、la、ti、hf、v、ta、cr、w、ru、cu、in、si或eu中的一种或多种。

在另一些实施例中，非磁性层22是导电层，所述非磁性层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于cu、ag、au、al、pt、ta、ti、nb、os、ru、rh、y、mg、pd、cr、w、mo或v中的一种或多种。

在另一些实施例中，非磁性层22选自但不限于sic、c和陶瓷材料。

在另一些实施例中，非磁性层22可以为其它结构，例如在“methodandsystemforprovidingamagnetictunnelingjunctionusingspin-orbitinteractionbasedswitchingandmemoriesutilizingthemagnetictunnelingjunction”(美国专利，专利号为9,076,537)中提出的在绝缘体系中加入导电通道的粒状层(agranularlayerincludingconductivechannelsinaninsulatingmatrix)。

上述实施例采用不同材料制成的自由磁性层21和固定磁性层23是铁磁性的，而绝缘隧道势垒层22是非磁性的。

如图2所示，第一电极25与基于人工反铁磁装置的固定磁性层23接触，第二电极24与自由磁性层21接触，两个电极24、25与控制电路连接，为磁性隧道结结构提供读取或者写入电流，同时，电极24、25也将该磁性隧道结装置20与控制电路连接。电极24、25可以由一种导电材料组成，该导电材料选自但不限于li、mg、al、ca、sc、ti、v、mn、cu、zn、ga、ge、sr、y、zr、nb、mo、tc、ru、rh、pd、ag、cd、in、sn、sb、ba、hf、ta、w、re、os、ir、pt、au、tl、pb、bi、po、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb中的一种或多种。在另一些实施例中，导电层材料可以为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳米管或竹炭等。

图3(a)展示出施加电场时，基于人工反铁磁装置的固定层反铁磁耦合增强，在第一种方向电流作用下磁性隧道结自由层翻转，固定层保持反铁磁态，从而实现数据稳定写入的示意图；当电流i通过电极由基于人工反铁磁装置的固定磁性层23到自由磁性层21方向穿过磁性隧道结，导致基于人工反铁磁装置的固定磁性层23中的铁磁层11的磁化方向与自由磁性层21的磁化方向相反，写入数据状态“0”。图3(b)展示出在无电场作用下一种方向的电流读取基于人工反铁磁装置的固定层23的磁性隧道结数据的示意图，此时磁性隧道结中铁磁层11与自由层21之间的tmr起主导作用，铁磁层11与自由层21磁化方向相反，读出数据状态“0”。

图4(a)展示出施加电场时，基于人工反铁磁装置的固定层反铁磁耦合增强，在第二种方向电流作用下磁性隧道结自由层翻转，固定层保持反铁磁态，从而实现数据稳定写入的示意图；当电流i通过电极由自由磁性层21到基于人工反铁磁装置的固定磁性层23方向穿过磁性隧道结，导致基于人工反铁磁装置的固定磁性层23中的铁磁层11的磁化方向与自由磁性层21的磁化方向相同，写入数据状态“1”。图4(b)展示出在无电场作用下一种方向的电流读取基于人工反铁磁固定层23的磁性隧道结数据的示意图，此时磁性隧道结中铁磁层11与自由层21之间的tmr起主导作用，铁磁层11与自由层21磁化方向相同，读出数据状态“1”。

图5展示由磁性隧道结20、金属电极24、25以及平行电极板组成的磁性随机存储装置，该装置包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，磁性隧道结器件包括一个自由磁性层21、一个基于人工反铁磁装置的固定磁性层23和位于基于人工反铁磁装置的固定磁性层23和自由磁性层21之间的非磁性势垒层22；固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面，人工反铁磁装置通过电场调控增强其反铁磁耦合。

还包括一对可以产生电场的平行电极板，平行电极板置于磁性隧道结两端，并且在平行电极板与电极之间存在一种绝缘层；平行电极板通过外接电源产生电场，人工反铁磁装置可以在电场作用下实现反铁磁耦合的增强。

装置可以由电场控制基于人工反铁磁装置的固定磁性层23的反铁磁耦合增强。平行电极板与外电路电压控制器26连接。磁性隧道结20包括自由磁性层21，非磁性势垒层22，和基于人工反铁磁装置的固定磁性层23，磁性隧道结20通过金属电极24与位线(bitline)连接，通过金属电极25与字线(wordline)以及晶体管27连接。在电流穿过磁性隧道结的同时，电压控制器26可以快速为平行电极板提供电压，产生电场，使得基于人工反铁磁装置的固定磁性层23的反铁磁耦合增强，达到减小铁磁层11的厚度且保持其磁化方向不变的目的，从而减小存储单元的体积，提高存储单元阵列排列密度。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。