自旋轨道矩磁性存储单元的制作方法

1.本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种自旋轨道矩磁性存储单元。


背景技术：

2.基于自旋轨道矩(spin orbit torque，sot)的磁存储器(sot-mram)相对于自旋转移矩磁存储器(stt-mram)，具有较高的写入速度和较低的功耗，应用前景较好，被认为是是下一代mram的主要写入方式。
3.sot-mram存储单元的核心是磁性隧道结，其原理是利用自旋霍尔效应(spin hall effect,she)和rashba(拉什巴)效应，实现自由层磁矩的翻转，从而改变磁性隧道结电阻实现数据存储。但对于垂直磁化的磁性隧道结，仅使用自旋轨道矩不能够使自由层磁矩发生准确翻转。常见的解决方法是引入外磁场，但是实现起来比较复杂，因此有必要提出一种无需外部磁场即可实现自由层确定性翻转的磁性单元结构。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种自旋轨道矩磁性存储单元，自由层在无需外部磁场辅助的情况下可以确定性地翻转。
5.第一方面，本发明提供一种自旋轨道矩磁性存储单元，包括：
6.重金属层，所述重金属层的材料具有自旋轨道矩效应，且所述重金属层沿着第一方向或者第二方向为非中心对称结构，其中所述第一方向为所述重金属层中从一端流向相对的另一端的电流方向，所述第二方向为所述第一方向的反方向；
7.位于所述重金属层一侧的至少包括自由层、势垒层和参考层的磁性隧道结，其中所述自由层临近所述重金属层，所述自由层和所述参考层均具有垂直于所述重金属层表面的磁各向异性；
8.位于所述重金属层另一侧的分流电极，且所述分流电极与所述磁性隧道结存在正对的重叠区域。
9.可选地，所述分流电极与所述第一方向或者第二方向之间具有夹角θ，45
°
≤θ≤90
°
。
10.可选地，所述重金属层的横截面为梯形、矩形组成的非中心对称截面。
11.可选地，所述磁性隧道结的横截面形状为圆形，所述分流电极的横截面形状为矩形，且所述分流电极的宽度小于所述磁性隧道结的直径。
12.可选地，所述分流电极的材料为tan、cu、ti/tin组合、ta/tan组合和al中的任一种。
13.可选地，所述重金属层的材料为ta、pt、pd和w中的任一种。
14.可选地，所述自由层为铁磁材料，采用co、cofe和cofeb中的任一种。
15.可选地，所述势垒层为氧化镁薄膜。
16.可选地，所述参考层为铁磁材料，采用co、cofe和cofeb中的任一种。
17.第二方面，本发明提供一种磁性存储器，包括由第一方面所提供的自旋轨道矩磁性存储单元组成的存储阵列。
18.第三方面，本发明提供一种集成电路，包括由第二方面所提供的磁性存储器。
19.本发明提供的自旋轨道矩磁性存储单元，当重金属层从一侧通入电流后，电流从分流电极流出，不经过重金属层的另一侧，由于重金属层为非中心对称结构，能够诱导出非均匀自旋流。这种非对称自旋流下，自旋霍尔效应和rashba效应对于不同初始磁化方向具有不同属性，诱导出关于初始磁化方向的非对称性。此外重金属层只从单侧流入电流，还诱导出电流的非对称性。基于电流和磁化的两种非对称可以实现自由层的确定性翻转。
附图说明
20.图1为本发明一实施例提供的自旋轨道矩磁性存储单元的结构示意图；
21.图2为本发明一实施例提供的自旋轨道矩磁性存储单元的结构俯视图；
22.图3为本发明一实施例提供的自旋轨道矩磁性存储单元的结构俯视图；
23.图4为本发明一实施例提供的自旋轨道矩磁性存储单元的结构俯视图；
24.图5为本发明一实施例提供的自旋轨道矩磁性存储单元的结构俯视图；
25.图6为基于图1所示的自旋轨道矩磁性存储单元左侧通入电流j1的电流路径示意图；
26.图7为基于图1所示的自旋轨道矩磁性存储单元右侧通入电流j2的电流路径示意图。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
28.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
29.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
30.图1示出了本发明实施例提供的一种自旋轨道矩磁性存储单元的结构示意图，其中图1(a)为俯视图，图1(b)为侧视图。如图1所示，本发明实施例提供一种自旋轨道矩磁性存储单元，包括：重金属层101，形成重金属层101的材料具有自旋轨道矩效应(包括自旋霍尔效应和rashba效应)，例如，重金属层101可以是ta、pt、pd和w中的任一种。通过调整重金
属层的材料可以控制rashba效应产生的磁矩与自旋霍尔效应产生的磁矩之间的比值大于0.5。例如，当重金属层使用ta时，rashba效应较大。且重金属层101沿着第一方向或者第二方向为非中心对称结构，即重金属层101的横截面为非中心对称截面，其中第一方向为重金属层中从一端流向相对的另一端的电流方向，第二方向为第一方向的反方向。在图1(a)中，可以定义从左至右电流流过的方向为第一方向，从右至左电流流过的方向为第二方向。从图1(a)可以看出，重金属层101的横截面为梯形。当然，重金属层101也可以是其他的横截面形状，在后续的实施例中会具体介绍。
31.在重金属层101的一侧(本实施例中为重金属层101上方)设置磁性隧道结102，磁性隧道结102至少包括自由层1021、势垒层1022和参考层1023，其中自由层1021临近重金属层101设置，自由层1021和参考层1023均具有垂直于重金属层101表面的磁各向异性。材料选择上，自由层1021的材料与重金属层101的材料组合应具有较强的rashba效应，如co/ta组合、cofe/ta组合、cofeb/ta组合。势垒层1022为一层氧化镁薄膜，参考层1023为铁磁材料，采用co、cofe和cofeb中的任一种。
32.在重金属层101的另一侧(本实施例中为重金属层101下方)设置分流电极103，且分流电极103与磁性隧道结102存在正对的重叠区域。具体地，分流电极103可以设置成与第一方向或者第二方向之间具有夹角θ，45
°
≤θ≤90
°
，本实施例中，θ＝90
°
。分流电极103的端口位于磁性隧道结102的底部，作用在于重金属层101的一端通入电流后，电流从分流电极103流出，不会流过重金属层的另一端。为了使电流流向分流电极，需要保证分流电极的低阻特性，分流电极一般可以采用tan、cu、ti/tin组合、ta/tan组合和al中的任一种。重金属层和分流电极用于通入电流以激励自由层磁矩翻转。
33.磁性隧道结102的横截面形状为圆形，分流电极103的横截面形状为矩形，且分流电极103的宽度小于磁性隧道结102的直径。
34.图2至图5列举了本发明的自旋轨道矩磁性存储单元的几种实施方式。
35.图2所示的自旋轨道矩磁性存储单元，重金属层201横截面形状为梯形，磁性隧道结202横截面形状为圆形，分流电极203横截面形状为矩形，分流电极203的宽度小于磁性隧道结202的直径，二者存在正对的重叠区域。分流电极203作了适度的倾斜，与第一方向或第二方向之间的夹角θ《90
°
。
36.图3所示的自旋轨道矩磁性存储单元，重金属层301横截面形状为等腰梯形，磁性隧道结302横截面形状为圆形，磁性隧道结302不位于重金属层301的对称轴上，分流电极303横截面形状为矩形，分流电极303的宽度小于磁性隧道结302的直径，二者存在正对的重叠区域。分流电极303与第一方向或第二方向保持垂直。
37.图4所示的自旋轨道矩磁性存储单元，重金属层401横截面形状为宽度不等的矩形拼接而成，整体为非对称结构，磁性隧道结402横截面形状为圆形，分流电极403横截面形状为矩形，分流电极403的宽度小于磁性隧道结402的直径，二者存在正对的重叠区域。分流电极403与第一方向或第二方向保持垂直。
38.图5所示的自旋轨道矩磁性存储单元，重金属层501横截面形状为宽度不等的矩形拼接而成，整体为非对称结构，磁性隧道结502横截面形状为圆形，分流电极503横截面形状为矩形，分流电极503的宽度小于磁性隧道结502的直径，二者存在正对的重叠区域。分流电极503是倾斜的，与第一方向或第二方向保持一个锐角。
39.应用上述实施例提供的自旋轨道矩磁性存储单元，以图1所示的自旋轨道矩磁性存储单元为分析对象，参考图6，当重金属层左侧通入电流j1时，j1从分流电极向下流出，不经过重金属层的右侧。参考图7，当重金属层右侧通入电流j2时，j2从分流电极向下流出，不经过重金属层的左侧。通过分流电极可以向外引出重金属层的电流，由于重金属层为非中心对称结构，流过重金属层的电流会形成非均匀电流，能够诱导出非均匀自旋流。这种非对称自旋流下，自旋霍尔效应和rashba效应对于不同初始磁化方向具有不同属性，诱导出关于初始磁化方向的非对称性。此外重金属层只从单侧流入电流，还诱导出电流的非对称性。基于电流和磁化的两种非对称可以实现下面的翻转过程：j1会使自由层磁化翻转为负，j2会使自由层磁化翻转为正。这样自由层在无需外部磁场辅助的情况下可以确定性地翻转。另外，本实施例的自旋轨道矩磁性存储单元，对mtj结构没有特别要求，对mtj性能影响较小，重金层的结构不对称是面内的，相比于面外不对称更容易加工。
40.需要说明的是，j1的方向不影响写入的结果，即如果电流j1从分流电极流入，从重金属层左侧流出，效果一样。同样的，j2的方向不影响写入的结果，即如果电流j2从分流电极流入，从重金属层右侧流出，效果一样。实际应用中，j1和j2大小不一定相同，可以通过微调分流电极的位置使j1和j2大小相同。
41.另一方面，本发明另一实施例提供一种磁性存储器，该磁性存储器包括由上述实施例的自旋轨道矩磁性存储单元组成的存储阵列。
42.本实施例的磁性存储器可以应用于集成电路领域，为此，本发明另一实施例提供一种集成电路，该集成电路包括至少一个上述实施例中的磁性存储器。
43.在以上的描述中，对于各层的构图等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
44.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。