一种实现无需外部磁场自旋轨道矩的方法及多层膜结构、霍尔棒与磁随机存储器

本发明涉及磁随机存储器，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、霍尔棒与磁随机存储器。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种实现无需外部磁场自旋轨道矩的全新方法，该方法是利用氧化工程效应以实现无磁场磁矩翻转。

2、为实现上述目的，本发明一方面提供了一种实现无需外部磁场自旋轨道矩的方法，其中，该方法是对多层膜结构利用氧化工程效应改变自旋轨道矩中类场力矩与类阻尼矩的比值大小，其中：

3、所述多层膜结构包括依次设置的氧化物层、铁磁层和非铁磁层；

4、所述利用氧化工程效应改变自旋轨道矩中类场力矩与类阻尼矩的比值大小是通过利用氧原子和/或氧离子影响非铁磁层实现的，具体包括：在制备得到多层膜结构之后进行静置，使氧原子和/或氧离子迁移至非铁磁层和铁磁层之间的界面上，或者，在氧化物层和铁磁层之间施加电压，使氧原子和/或氧离子迁移至非铁磁层和铁磁层之间的界面上。

5、根据本发明的具体实施方案，由于较薄的铁磁层(厚度约为1-1.2nm)会存在较厚的磁死层(厚度约为0.1-0.3nm)，因此，在这种情况下，在制备得到多层膜结构之后进行静置的过程中，氧原子和/或氧离子能够迁移至非铁磁层和铁磁层之间的界面上。

6、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述氧原子和/或氧离子的迁移包括氧化物层在溅射过程中的高能氧离子的迁移、氧化物层中的氧原子的迁移和退火后引起的氧迁移中的一种或两种以上的组合。

7、根据本发明的具体实施方案，随着氧原子/氧离子的掺杂作用在非铁磁层，影响非铁磁层的轨道杂化，进一步影响非铁磁层和铁磁层之间的界面，进而调控类场力矩/类阻尼力矩的比值，优选地，所述自旋轨道矩中类场力矩与类阻尼矩的比值为-8至+8，更优选为+3至+5。

8、根据本发明的具体实施方案，优选地，当采用施加电压的方式使氧原子和/或氧离子迁移时，所施加的电压为-20v至20v；施加电压的时间为5s-60s。

9、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述静置的时间为7天左右，例如7天-30天。

10、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述非铁磁层的厚度为0.1-10nm，优选为2-10nm，更优选为5-10nm。

11、根据本发明的具体实施方案，所述非铁磁层的材料可以选自重金属材料或者拓扑绝缘材料中的一种或两种以上的组合，优选为强自旋轨道耦合材料。

12、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述重金属材料选自ta，pt，w，ir，mo中的一种或两种以上的组合；更优选为ta。

13、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述拓扑绝缘材料选自bi2se3，bi2te3，bixsb1-x，sb2te3和(bixsb1-x)2te3中的一种或两种以上的组合，其中，bixsb1-x中的x可以约为0.9；所述(bixsb1-x)2te3中的x值的范围约为0-1。

14、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述非铁磁层材料附着于衬底材料之上。

15、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述铁磁层的厚度为0.2-2nm，优选为0.2-1.3nm，更优选为1-1.3nm。

16、根据本发明的具体实施方案，所述铁磁层的材料可以选自cofeb，feb，cofe中的一种或两种以上的组合。

17、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述cofeb包括co20fe60b20，co40fe40b20或co60fe20b20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。优选地，所述cofeb为co20fe60b20。

18、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述feb包括fe80b20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。

19、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述cofe包括co50fe50，co20fe80或co80fe20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。

20、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述氧化物层的厚度为0.01-3.5nm，优选为1-2.5nm，更优选为2-2.5nm。

21、根据本发明的具体实施方案，所述氧化物层的材料可以选自mgo，al2o3，mgal2o4中的一种或两种以上的组合；优选为mgo。

22、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述多层膜结构的铁磁层和氧化物层之间设置有超薄金属插入层。通过设置超薄金属插入层可以调节氧原子的迁移量。

23、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述超薄金属插入层的厚度为0.01-0.8nm，更优选为0.2-0.8nm，进一步优选为0.2-0.6nm。通过控制超薄金属插入层的厚度可以进一步影响氧原子的含量对非铁磁层的作用。

24、根据本发明的具体实施方案，所述超薄金属插入层的材料可以选自mg，ti，al，hf中的一种或两种以上的组合；优选为mg。

25、根据本发明的具体实施方案，铁磁层、非铁磁层、超薄金属插入层、氧化物层的生长可以采用磁控溅射技术，分子束外延或原子层沉积等方法。

26、本发明还提供了上述实现无需外部磁场自旋轨道矩的方法在制备具有多层膜结构的电子器件中的应用；优选地，所述电子器件为磁随机存储器件。

27、根据本发明的一些具体实施方案，所述应用包括在氧化硅上生长多层薄膜，进一步通过微纳加工操作方法制备电子器件。

28、根据本发明的一些具体实施方案，将各层材料按照从下到上的顺序生长在衬底上或者其他多层膜上，后通过传统微纳加工工艺来制备器件，每一薄膜层的横截面积基本相等。

29、本发明还提供了一种多层膜结构，其包括依次设置的非铁磁层、铁磁层和氧化物层；优选地，所述铁磁层和氧化物层之间设有超薄金属插入层；该多层膜结构是利用上述实现无需外部磁场自旋轨道矩的方法制备的。

30、本发明还提供了一种霍尔棒，其包括依次设置的衬底、非铁磁层、铁磁层、氧化物层、电极薄膜层；优选地，所述铁磁层和氧化物层之间设有超薄金属插入层；该霍尔棒是利用上述实现无需外部磁场自旋轨道矩的方法制备的。

31、本发明还提供了一种磁随机存储器，其含有上述多层膜结构或上述霍尔棒。

32、根据本发明的一些具体实施方案，将各层材料按照从下到上的顺序生长在衬底上或者其他多层膜上，后通过传统微纳加工工艺来制备器件，每一薄膜层的横截面积基本相等。所述微纳加工工艺操作方法包括光刻、离子束刻蚀和电子束蒸发中的一种或两种以上的组合。

33、本发明利用氧化工程效应改变自旋轨道矩中类场力矩与类阻尼矩的比值大小，同时利用额外的面外自旋轨道矩以产生面内偏置场，最终实现无磁场磁矩翻转，结构简单且操作简便。