无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件及制备方法

本发明涉及磁存储器技术领域，尤其是涉及一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件及制备方法。

背景技术：

随着计算机技术的发展，单纯依靠半导体工艺的进步已很难维系摩尔定律。为此通过结构变革、引入新的原理与器件来弥补当前计算机体系中的短板来提升性能，已成为一种公认可行的方法。当前计算机体系结构中，限制计算性能提高的主要瓶颈就是存储器。为此大量的新型存储器技术被提出并正被广泛地研究中，例如相变存储器(pram)，铁电存储器(feram)，阻变存储器(rram)，还有本发明所涉及的领域磁存储器(mam)。

当前的磁硬盘存储技术，逐步由开始的低效率的磁带或磁碟，通过提高读写磁头的灵敏度和效率发展而来。这种利用磁记录信息的模式一直进化，发展成了现今的硬盘(hdd)。近年来，hdd在速度上被采用nandflash的固态硬盘(ssd)大大地反超，甚至因工艺制程的缩小，其原本大容量高密度的优势也大有被追上的趋势。随后，使用电流产生的奥斯特场来改变自旋阀(svs)或磁性遂道结(mtj)中自由层磁化方向的mram结构被提出，其读取方式则是利用巨磁阻效应(gmr)或隧穿磁电阻效应(tmr)产生的电阻差来实现。但由于奥斯特场的作用范围过大而难以限制，容易影响附近单元的磁化方向，其面临着微缩性的问题。而后来利用自旋流的自旋转移矩效应(stt)翻转自由层的方法克服了这一缺陷。由于读取与写入都需要经过mtj的一层约1nm的超薄遂道势垒层，由此带来了势垒层的一系列问题。首先，过厚的势垒层会让为满足写入电流的偏压大大增加，耗能过大。然后是过薄的势垒层会减弱自由层的垂直各自异性(pma)和隧道磁阻(tmr)效应，引起mram的不稳定。自旋轨道转矩(sot)技术的研究很好地解决stt-mram的上述缺点。sot-mram利用在重金属中的自旋霍尔效应(she)和边界的rashba效应(自旋轨道耦合效应)产生的自旋流(或自旋积累)使邻近的自由层发生翻转，因而不需要刻意地将电流通过mtj，进而可以将写入与读取路径分开。但是，传统的sot结构需要额外增加一个外磁场，才能在外磁场的作用下实现磁翻转。

技术实现要素：

为了解决上述技术方案，本发明公开了一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件，可以无需额外设置外场辅助sot结构实现磁翻转，减小工作电流，降低功耗，具体方案如下。

本发明公开一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件，所述器件自下而上依次包括：

基片；

功能层，包括cofe2o4层，所述cofe2o4层利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场；

自旋轨道转矩层，用于在所述磁各向异性场的作用下翻转磁遂道结内自由层的磁化方向；

所述磁遂道结，包括所述自由层和参考层，所述自由层和所述参考层之间设置有势垒隧穿层，所述磁遂道结用于通过所述自由层的磁化方向记录信息；

保护层，用于防止所述磁遂道结被氧化或被腐蚀；

其中，所述cofe2o4层用于减少所述自旋轨道转矩层在写入过程中的电流分流效应。

根据本发明的一些实施例，所述功能层还包括应力增强层，所述应力增强层包括以下任一或组合：bifeo3层、srtio3层、或sigex层，所述应力增强层用于提高所述cofe2o4层的热稳定性，以及提高所述磁各向异性场的强度。

根据本发明的一些实施例，所述功能层的厚度为1nm-600nm，所述cofe2o4层的厚度为1nm-500nm。

根据本发明的一些实施例，所述基片的厚度为300μm-500μm，所述基片包括以下任一：si、sio2、mgo、al2o3、bifeo3、或srtio3。

根据本发明的一些实施例，所述自旋轨道转矩层包括以下任一或合金：pt、ta、w、bisex、bitex或wptx。

根据本发明的一些实施例，所述参考层包括cofeb层，所述自由层包括cofeb层，所述势垒隧穿层包括mgo层，所述mgo层的厚度为1nm-5nm。

本发明还公开一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的制备方法，包括：

在基片上生长功能层，所述功能层包括cofe2o4层，所述cofe2o4层用于利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场；

在所述功能层上生长自旋轨道转矩层，所述自旋轨道转矩层用于在所述磁各向异性场的作用下翻转磁遂道结内铁磁层的磁化方向；

在所述自旋轨道转矩层上生长所述磁遂道结，其中，所述磁遂道结包括所述自由层和参考层，所述自由层和所述参考层之间设置有势垒隧穿层，所述磁遂道结用于通过所述自由层的磁化方向记录信息；

在所述磁遂道结上沉积保护层，所述保护层用于防止所述磁遂道结被氧化或被腐蚀；

在所述保护层上匀胶、光刻或通过电子束曝光系统曝光、以及显影后制作出预设图形的掩膜；

基于所述掩膜刻蚀出所述器件的结构，二次沉积所述保护层，以及沉积电极结构。

根据本发明的一些实施例，所述功能层还包括应力增强层，所述应力增强层包括以下任一或组合：bifeo3层、srtio3层、或sigex层，所述应力增强层用于提高所述cofe2o4层的热稳定性，以及提高所述磁各向异性场的强度。

根据本发明的一些实施例，在所述基片上通过物理气相沉积的方法生长所述功能层。

根据本发明的一些实施例，在生长所述cofe2o4层后，对所述cofe2o4层进行退火处理，以加强所述cofe2o4层提供的平面内磁各向异性场的强度。

本发明通过上述技术方案，利用cofe2o4材料具有较大的磁致伸缩性能，通过在cofe2o4上施加荷载，利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场，用以给自旋轨道转矩层提供磁翻转的动力，实现无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩，减小了翻转电流，降低功耗。此外，cofe2o4为绝缘材料，可以减少自旋轨道转矩层写入过程中的电流分流效应，减小工作电流，降低功耗。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的结构示意图；

图2示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的制备方法的流程图；

图3示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的制备方法的流程示意图；

图4示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件sem图；

图5示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的电学测试结果图；

图6示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的电流驱动翻转测试结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释，例如，磁致伸缩，是指物体在磁场中磁化时，在磁化方向会发生伸长或缩短，当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著的变化；磁致伸缩效应，是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应；磁致伸缩逆效应，是指磁性物质在荷载的作用下时其尺寸发生变化进而产生磁场；又例如，钴铁氧体(化学式为cofe2o4)，是一种磁致伸缩材料，矫顽力和电阻率可达到比磁性合金高几十倍的水平，高频磁导率较高，磁晶各向异性常熟高达2.7×105j·m^-3。

为了实现sot-mram，一方面提高自旋霍尔效应的霍尔角与rashba界面效应，另一方面替代sot结构翻转过程中施加的与电流平行的外场。

为了解决上述技术方案，本发明公开了一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件，可以无需额外设置外场辅助sot结构实现对mtj磁翻转，减小工作电流，降低功耗，具体方案如下。

图1示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的结构示意图。

根据本发明的一些实施例，本发明公开一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件，如图1所示，器件自下而上依次包括：基片、功能层、自旋轨道转矩层、磁遂道结和保护层。

根据本发明的一些实施例，基片包括陶瓷基片、树脂基片、以及金属或金属基复合材料等。

根据本发明的一些实施例，基片具有良好的电绝缘性，为承载器件结构的衬底。

根据本发明的一些实施例，基片包括以下任一：si、sio2、mgo、al2o3、bifeo3、或srtio3。

根据本发明的一些实施例，基片的厚度为300μm-500μm。

根据本发明的一些实施例，功能层包括cofe2o4层，cofe2o4层利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场。

根据本发明的一些实施例，在荷载的作用下，cofe2o4层基于磁致伸缩的逆效应产生磁场，也即提供平面内磁各向异性场。

根据本发明的一些实施例，自旋轨道转矩层用于在磁各向异性场的作用下翻转磁遂道结内自由层的磁化方向。

根据本发明的一些实施例，磁遂道结包括自由层和参考层，自由层和参考层之间设置有势垒隧穿层，磁遂道结用于通过自由层的磁化方向记录信息。

根据本发明的一些实施例，通过功能层配合sot层实现自由层的磁化方向的改变，也即实现了数据的写入。

根据本发明的一些实施例，通过读取自由层的磁化方向来实现数据的读取。

根据本发明的一些实施例，基于cofe2o4层的绝缘性，可以减少sot层在写入过程中的电流分流效应，降低了sot-mram的能耗。

根据本发明的一些实施例，cofe2o4层和sot层的制备工艺与mtj的制备工艺兼容，提高了生产效率，降低了生产成本。

根据本发明的一些实施例，基于cofe2o4层的磁致伸缩的逆效应，能钉扎铁磁层的磁矩方向，更稳定提供磁场，因此，也可以提高磁遂道结中自由层的稳定性。

根据本发明的一些实施例，采用热退火设备对cofe2o4层进行热退火处理，用于提高cofe2o4层的矫顽力，进一步提高平面内磁各向异性场的强度。

根据本发明的一些实施例，参考层包括cofeb层，自由层包括cofeb层，势垒隧穿层包括mgo层。其中，磁遂道结翻转的具体原理为现有技术，且并非是本申请的发明点，本领域技术人员可通过查阅相关资料获得，在此不进行过多的赘述。

根据本发明的一些实施例，mgo层的厚度为1nm-5nm，用以保证磁遂道结的电阻在供电控制电路所能读取的范围内。

根据本发明的一些实施例，可选的，mgo层的厚度为1nm的时候效果较佳，读取的磁遂道结的电阻精度较高。

根据本发明的一些实施例，保护层用于防止磁遂道结层被氧化或被腐蚀。

根据本发明的一些实施例，保护层包括以下任一或组合物：sio2、alox、tan、tin或mgo。

根据本发明的一些实施例，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积保护层。

根据本发明的一些实施例，保护层的厚度为1-500nm。

根据本发明的一些实施例，保护层的厚度为50nm效果较佳，可以再保证足够的保护能力的同时，尽可能的节省材料以及降低加工工艺难度。

根据本发明的一些实施例，功能层还包括应力增强层。

根据本发明的一些实施例，应力增强层包括以下任一或组合：bifeo3层、srtio3层、或sigex层。

根据本发明的一些实施例，应力增强层用于提高cofe2o4层的热稳定性。

根据本发明的一些实施例，应力增强层用于辅助cofe2o4层提供磁各向异性场，具体体现在可以提高磁各向异性场的强度，从而提高sot层翻转自由层磁化方向的能力。

根据本发明的一些实施例，功能层的厚度为1nm-600nm，cofe2o4层的厚度为1nm-500nm。

根据本发明的一些实施例，cofe2o4层的厚度越薄则应力效应越明显，但是，过于薄的cofe2o4层无法保证其的磁致伸缩效应。

根据本发明的一些实施例，cofe2o4层的厚度为15nm的时候效果较佳。

根据本发明的一些实施例，cofe2o4层与应力增强层的总厚度不大于600nm。

根据本发明的一些实施例，应力增强层的厚度为10nm的时候效果较佳，既能保证足够的增幅作用，与能保持较低的生产成本。

根据本发明的一些实施例，自旋轨道转矩层包括以下任一或合金：pt、ta、w、bisex、bitex或wptx。

根据本发明的一些实施例，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长自旋轨道转矩层。

根据本发明的一些实施例，图4示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件sem图，图4所示为器件的电镜图，从图中可以看出，本发明提供的器件的尺寸在微米级。

图2示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的制备方法的流程图，图3示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的制备方法的流程示意图。

本发明还公开一种无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的制备方法，如图2及图3所示，包括步骤s1至s6。

根据本发明的一些实施例，步骤s1：在基片上生长功能层。

根据本发明的一些实施例，基片包括陶瓷基片、树脂基片、以及金属或金属基复合材料等。

根据本发明的一些实施例，基片具有良好的电绝缘性，为承载器件的结构的衬底。

根据本发明的一些实施例，基片包括以下任一：si、sio2、mgo、al2o3、bifeo3、或srtio3。

根据本发明的一些实施例，基片的生长厚度为300μm-500μm。

根据本发明的一些实施例，功能层包括cofe2o4层，cofe2o4层用于利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场。

根据本发明的一些实施例，功能层包括cofe2o4层，cofe2o4层利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场。

根据本发明的一些实施例，在荷载的作用下，cofe2o4层基于磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场。

根据本发明的一些实施例，步骤s2：在功能层上生长自旋轨道转矩层。

根据本发明的一些实施例，自旋轨道转矩层用于在磁各向异性场的作用下翻转磁遂道结内铁磁层的磁化方向。

根据本发明的一些实施例，步骤s3：在自旋轨道转矩层上生长磁遂道结。

根据本发明的一些实施例，磁遂道结包括自由层和参考层，自由层和参考层之间设置有势垒隧穿层，磁遂道结用于通过自由层的磁化方向记录信息。

根据本发明的一些实施例，通过功能层配合sot层实现自由层的磁化方向的改变，也即实现了数据的写入。

根据本发明的一些实施例，通过读取自由层的磁化方向来实现数据的读取。

根据本发明的一些实施例，基于cofe2o4层的绝缘性，可以减少sot层在写入过程中的电流分流效应，降低了sot-mram的能耗。

根据本发明的一些实施例，cofe2o4层和sot层的制备工艺与mtj层的制备工艺兼容，提高了生产效率，降低了生产成本。

根据本发明的一些实施例，基于cofe2o4层的磁致伸缩的逆效应，可以提高磁遂道结中自由层的稳定性。

根据本发明的一些实施例，采用热退火设备对cofe2o4层进行热退火处理，用于提高cofe2o4层的矫顽力，进一步提高平面内磁各向异性场的强度。

根据本发明的一些实施例，步骤s4：在磁遂道结上沉积保护层，保护层用于防止磁遂道结被氧化或被腐蚀。

根据本发明的一些实施例，保护层用于防止磁遂道结层被氧化或被腐蚀。

根据本发明的一些实施例，保护层包括以下任一或组合物：sio2、alox、tan、tin或mgo。

根据本发明的一些实施例，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积保护层。

根据本发明的一些实施例，保护层的厚度为1-500nm。

根据本发明的一些实施例，保护层的厚度为200nm、300nm或400nm。

根据本发明的一些实施例，步骤s5：在保护层上匀胶、光刻或通过电子束曝光系统曝光、以及显影后制作出预设图形的掩膜。

根据本发明的一些实施例，步骤s6：基于掩膜刻蚀出器件的结构，二次沉积保护层，以及沉积电极结构。

根据本发明的一些实施例，为了防止器件在生产制备过程中结构被破坏，先后两次沉积保护层。

根据本发明的一些实施例，功能层还应力增强层，应力增强层包括以下任一或组合：bifeo3层、srtio3层、或sigex层，应力增强层用于提高cofe2o4层的热稳定性，以及提高磁各向异性场的强度。

根据本发明的一些实施例，在基片上通过物理气相沉积的方法生长功能层。

图5示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的电学测试结果图；图6示意性示出了本发明实施例的无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩的器件的电流驱动翻转测试结果图。

根据本发明的一些实施例，如图5所示，为本发明提供的器件cofe2o4材料上生长的cofeb铁磁层的各向异性磁电阻测试结果，具体的，采用四探针测电阻和面内外磁场的变化，通过图5的结果可以看出，cofe2o4材料在cofeb层中诱导一个面内磁场。

根据本发明的一些实施例，如图6所示，为本发明提供的器件进行电流驱动磁翻转的测试结果(利用如图4中所示的霍尔棒结构)，具体的，即在横向的霍尔棒上施加电流，在纵向的霍尔棒上测量电压，测试的结果表明通过sot层的电流在无外磁场的情况下驱动了铁磁层的磁化方向的翻转。

为本发明提供的器件在电流作用下磁化强度的曲线图，采用电流对mtj中的自由层的磁化方向进行翻转。

本发明通过上述技术方案，利用cofe2o4材料具有较大的磁致伸缩性能，通过在cofe2o4上施加荷载，利用磁致伸缩的逆效应提供平面内磁各向异性场，用以给自旋轨道转矩层提供磁翻转的动力，实现无外场自旋轨道矩驱动磁翻转磁矩，减小了翻转电流，降低功耗。此外，cofe2o4为铁磁性材料，且为绝缘材料，可以减少自旋轨道转矩层写入过程中的电流分流效应，减小工作电流，降低功耗。

使用cofe2o4的磁致伸缩逆效应能钉扎铁磁层的磁矩方向，更稳定提供磁场，可以提高器件的整体的鲁棒性。

利用本发明的提出的器件结构和工艺流程，可以很好的与当前的半导体工艺进行兼容，实用性更强。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。