磁隧道结单元、磁存储单元以及存储器的制作方法

本发明涉及磁性电子器件，具体涉及一种磁隧道结单元、磁存储单元以及存储器。

背景技术：

1、随着电子信息产业的发展，信息存储设备与人们生活日益相关，在各类存储设备中，存储器件以及芯片是该类器件的重要组成部分。对于存储器件而言，不同存储原理所设计的信息存储性能也有所不同。

2、如自旋轨道矩(spin-orbit torque，sot)相较于自旋转移矩(spin-transfertorque，stt)而言，它的器件写入速度和功耗可以提升约一个数量级，同时器件的耐久度问题也得到解决，为磁存储器件带来更广阔的应用空间。如图1所示，sot-mram目前包括三种不同类型的自旋轨道矩器件，type z型、type y型以及type x型，根据自旋层易轴方向分别有不同类型。其中typey型器件无需外磁场辅助，直接可以通过自旋轨道矩效应实现自由层翻转，但是其他类型器件中自由层易轴方向均垂直于自旋积累的方向，因此这两种器件需要不同方向的外加磁场辅助来打破自旋轨道矩的反演对称性，进而实现自由层磁矩发生定向翻转。但是存储器件的发展趋势趋于集成化与微型化，器件中如果需要外加磁场，存储器件尺寸则难以微缩，不利于高密度集成。因此对于这两类器件，需要新的手段解决附加外磁场这一问题。

3、现有的实现无场翻转的方法主要包括通过调控各向异性场的方向来达到目的，例如制备具有倾斜的各向异性薄膜体系，该薄膜将具有垂直各向异性以及面内的各向异性有效场，实现无场翻转。但是该类薄膜的制备困难，难以与半导体工艺相兼容。即现有的实现无场翻转的方法工艺复杂。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁隧道结单元、磁存储单元以及存储器，解决了现有的实现无场翻转的方法工艺复杂的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、第一方面，本发明提供一种磁隧道结单元，包括依次堆叠的自旋轨道转矩层、翻转场提供层、插入层、自由层、隧穿层势垒层和参考层；

6、其中，所述插入层采用非磁性材料；

7、所述翻转场提供层为磁性膜，通过改变磁性膜材料改变翻转场提供层的磁矩方向；翻转场提供层打破自由层磁矩的反演对称性，对磁隧道结单元施加电压，自由层的磁矩在电压和翻转场提供层的辅助下发生翻转。

8、优选的，所述磁隧道结单元包括type x型磁隧道结单元和type z型磁隧道结单元。

9、优选的，所述type x型磁隧道结单元的翻转场提供层为磁矩垂直膜面的磁性膜，所述磁性膜为多层膜或双层膜结构。

10、优选的，当磁性膜为双层膜结构时，上层膜的厚度为10nm至100nm，材料为磁性材料；下层膜的厚度5nm至500nm，材料为金属氧化物；

11、当磁性膜为多层膜时，上层的多膜层包括依次由磁性材料、非磁性材料、磁性材料形成的多层薄膜，厚度为10nm至100nm；底膜层为金属氧化物形成的薄膜，厚度5nm至500nm。

12、优选的，type z型磁隧道结单元的翻转场提供层为磁矩位于面内的磁性膜，所述磁性膜为多层膜或双层膜结构。

13、优选的，当磁性膜为双层膜结构时，上层膜的厚度为50nm至200nm，材料为磁性材料；下层膜的厚度1nm至30nm，材料为非金属材料；

14、当磁性膜为多层膜时，上层的多膜层包括依次由磁性材料、非磁性材料、磁性材料形成的多层薄膜，厚度为50nm至200nm；底膜层为金属氧化物形成的薄膜，厚度1nm至30nm。

15、优选的，所述磁隧道结单元通过自由层和参考层磁矩的方向来判断磁隧道结单元状态，自由层和参考层磁矩的方向一致时，为低阻态；方向相反时，为高阻态。

16、第二方面，本发明提供一种磁存储单元，所述磁存储单元包括至少一个如上述所述的磁隧道结单元。

17、第三方面，本发明提供一种存储器，所述存储器包括至少一个如上述所述的磁存储单元。

18、(三)有益效果

19、本发明提供了一种磁隧道结单元、磁存储单元以及存储器。与现有技术相比，具备以下有益效果：

20、本发明的磁隧道结单元，包括依次堆叠的自旋轨道转矩层、翻转场提供层、插入层、自由层、隧穿层势垒层和参考层。其中，所述插入层采用非磁性材料；所述翻转场提供层为磁性膜，通过改变磁性膜材料改变翻转场提供层的磁矩方向；翻转场提供层打破自由层磁矩的反演对称性，对磁隧道结单元施加电压，自由层的磁矩在电压和翻转场提供层的辅助下发生翻转。本发明通过不同磁矩方向的翻转场提供层来辅助存储器件实现无场翻转，可以适用于晶圆尺寸且膜层制备简单，通过翻转场提供层使自由层的磁矩更易发生翻转，减小翻转电压，从而达到工作电流减小的目的，降低功耗，无需外磁场辅助，利于器件集成，减小器件尺寸，实现微型化。同时，在翻转场提供层与自由层之间加入非磁性材料作为插入层，在降低分流的同时可以起到阻挡扩散的目的。

技术特征：

1.一种磁隧道结单元，其特征在于，包括依次堆叠的自旋轨道转矩层、翻转场提供层、插入层、自由层、隧穿层势垒层和参考层；

2.如权利要求1所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述磁隧道结单元包括typex型磁隧道结单元和typez型磁隧道结单元。

3.如权利要求2所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述typex型磁隧道结单元的翻转场提供层为磁矩垂直膜面的磁性膜，所述磁性膜为多层膜或双层膜结构。

4.如权利要求3所述的磁隧道结单元，其特征在于，当磁性膜为双层膜结构时，上层膜的厚度为10nm至100nm，材料为磁性材料；下层膜的厚度5nm至500nm，材料为金属氧化物；

5.如权利要求2所述的磁隧道结单元，其特征在于，typez型磁隧道结单元的翻转场提供层为磁矩位于面内的磁性膜，所述磁性膜为多层膜或双层膜结构。

6.如权利要求5所述的磁隧道结单元，其特征在于，当磁性膜为双层膜结构时，上层膜的厚度为50nm至200nm，材料为磁性材料；下层膜的厚度1nm至30nm，材料为非金属材料；

7.如权利要求1～6所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述磁隧道结单元通过自由层和参考层磁矩的方向来判断磁隧道结单元状态，自由层和参考层磁矩的方向一致时，为低阻态；方向相反时，为高阻态。

8.一种磁存储单元，其特征在于，所述磁存储单元包括至少一个如权利要求1～7任一所述的磁隧道结单元。

9.一种存储器，其特征在于，所述存储器包括至少一个如权利要求8所述的磁存储单元。

技术总结
本发明提供一种磁隧道结单元、磁存储单元以及存储器，涉及磁性电子器件技术领域。本发明的磁隧道结单元，包括依次堆叠的自旋轨道转矩层、翻转场提供层、插入层、自由层、隧穿层势垒层和参考层。其中，翻转场提供层为磁性膜，通过改变磁性膜材料改变翻转场提供层的磁矩方向；翻转场提供层打破自由层磁矩的反演对称性，对磁隧道结单元施加电压，自由层的磁矩在电压和翻转场提供层的辅助下发生翻转。通过不同磁矩方向的翻转场提供层来辅助存储器件实现无场翻转。可以适用于晶圆尺寸且膜层制备简单，通过翻转场提供层减小工作电流，降低功耗。同时，在翻转场提供层与自由层之间加入非磁性材料作为插入层，在降低分流的同时可以起到阻挡扩散的目的。

技术研发人员：张洪超,吕术勤,王乐,刘宏喜,曹凯华,王戈飞
受保护的技术使用者：致真存储（北京）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12