CN112186099B

CN112186099B - 磁性隧道结

Info

Publication number: CN112186099B
Application number: CN201910589072.7A
Authority: CN
Inventors: 何世坤; 杨晓蕾
Original assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Current assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: WO2021000748A1; CN112186099A

Abstract

本发明提供一种磁性隧道结，包括：依次堆叠设置的参考层、隧道层、自由层、覆盖层、极化层以及第一耦合层，其中，所述参考层沿垂直方向磁化；所述自由层沿垂直方向磁化；所述第一耦合层沿水平方向磁化；所述第一耦合层与所述极化层直接耦合，所述极化层的磁化方向偏离垂直方向一个角度，并且在垂直方向上的分量与所述参考层的磁化方向处于反平行，在水平方向上的分量与所述第一耦合层的磁化方向平行；所述参考层和所述极化层同时为所述自由层提供自旋极化电子，以提供所述自由层磁化翻转的自旋转移矩。本发明能够降低磁性隧道结的写入电流。

Description

磁性隧道结

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结。

背景技术

MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器)的核心存储器件是MTJ(Magnetic Tunnel Junctions，磁性隧道结)，MTJ基于磁性隧道磁阻(TMR)效应，最典型的结构包括两层磁性层和介于两层磁性层之间的隧道层，其中一个磁性层的磁化方向固定，称为参考层，另一个磁性层的磁化方向可以通过磁场或电流改变，称为自由层。实际应用中，当自由层磁化反平行于参考层磁化时，MTJ呈现高阻态，可以代表“1”，当自由层磁化方向平行于参考层磁化方向时，MTJ呈现低阻态，可以代表“0”，反之亦然。

要改变MTJ的存储状态，需要对MTJ进行写操作：在MTJ中通入写入电流，自由层将受到来自参考层的极化电流作用，该作用表现为自由层感受到来自于参考层的力矩，称为自旋转移矩STT，这个力矩的大小与自由层和参考层的磁化方向之间的夹角、写入电流、自旋极化率等有关。其中，自由层和参考层的磁化方向之间的夹角越大，STT越大，在STT一定的情况下，可以适当降低写入电流。

但是，实际对MTJ进行写操作时，自由层和参考层的磁化方向之间的夹角是由随机热扰动引起的，为一个随机夹角，该随机夹角一般为0°～0.5°。正是因为存在这样一个随机夹角，才使得MTJ写操作时自由层的磁化方向能够翻转。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

由于随机夹角的大小和方向的不确定性，自由层的磁化翻转时间是一个概率分布事件，也具有不确定性，为了保证同样的写入速度，必然需要通入更大的写入电流。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结，能够降低磁性隧道结的写入电流。

本发明提供一种磁性隧道结，包括：依次堆叠设置的参考层、隧道层、自由层、覆盖层、极化层以及第一耦合层，其中，

所述参考层沿垂直方向磁化；

所述自由层沿垂直方向磁化；

所述第一耦合层沿水平方向磁化；

所述第一耦合层与所述极化层直接耦合，所述极化层的磁化方向偏离垂直方向一个角度，并且在垂直方向上的分量与所述参考层的磁化方向处于反平行，在水平方向上的分量与所述第一耦合层的磁化方向平行；

所述参考层和所述极化层同时为所述自由层提供自旋极化电子，以提供所述自由层磁化翻转的自旋转移矩。

可选地，所述极化层的磁化方向偏离垂直方向的角度介于0°～30°之间。

可选地，所述极化层包括交替生长的Co/Ni多层薄膜、交替生长的Co/Pt多层薄膜和交替生长的Co/Pd多层薄膜中的一种。

可选地，所述参考层包括CoFeB和交替生长的Co/Pt多层薄膜中的一种。

可选地，所述极化层的垂直翻转磁场强度大于所述参考层的垂直翻转磁场强度，以实现在磁场初始化时所述极化层和所述参考层磁化方向垂直分量反平行排列。

可选地，所述第一耦合层包括NiFe。

可选地，所述覆盖层包括MgO、Mg、Mo、Ta和MgAlO中的一种或者几种的组合。

可选地，还包括：耦合调制层，位于所述第一耦合层和所述极化层之间，所述耦合调制层用于调节所述第一耦合层和所述极化层之间的耦合作用。

可选地，所述耦合调制层包括Ru、Cr、Mo、Ir、Hf和Ta中的一种。

可选地，所述自由层包括CoFeB，所述隧道层包括MgO、Mg、Mo、Ta和MgAlO中的一种或者几种的组合，所述参考层包括CoFeB、CoB和FeB中的一种或者几种的组合，或者包括Ta、Mo、Ir和Ru单层薄膜中的一种，或者包括交替生长的Co/Ni多层薄膜、交替生长的Co/Pt多层薄膜和交替生长的Co/Pd多层薄膜中的一种。

可选地，还包括：

第二耦合层，位于所述第一耦合层的与所述耦合调制层相对的一侧，所述第二耦合层沿水平方向磁化，且磁化方向与所述第一耦合层的磁化方向相反；

隔离层，位于所述第二耦合层和所述第一耦合层之间。

可选地，所述第二耦合层包括NiFe，所述隔离层包括Ru。

本发明提供的磁性隧道结，通过第一耦合层和极化层的耦合作用，使极化层磁化方向偏离垂直方向一个角度，在写入过程中，由于参考层和极化层都能够提供自旋极化电子，即偏离垂直方向一定角度的极化层为自由层提供第二转移力矩，使得自由层磁化方向翻转速度加快，进而在保持当前写入速度不变的情况下，可以通入更小的写入电流。同时，由于极化层存在一个偏转角度，能够显著降低自旋转移力矩的初始延时。

附图说明

图1为本发明一实施例的磁性隧道结的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的磁性隧道结的结构示意图；

图3为图2所示MTJ从反平行态翻转到平行态的示意图；

图4为图2所示MTJ从平行态翻转到反平行态的示意图；

图5为仿真得到的归一化的垂直方向磁化强度随时间的动态翻转变化曲线；

图6为翻转时间随极化层偏转角的变化曲线；

图7为本发明另一实施例的磁性隧道结的结构示意图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明一实施例提供一种磁性隧道结，如图1所示，该磁性隧道结10包括：依次堆叠设置的参考层101、隧道层102、自由层103、覆盖层104、极化层105以及第一耦合层107，其中，

所述参考层101沿垂直方向磁化；

所述自由层103沿垂直方向磁化；

所述第一耦合层107沿水平方向磁化；

所述第一耦合层107与所述极化层105直接耦合，所述极化层105的磁化方向偏离垂直方向一个角度，并且在垂直方向上的分量与所述参考层101的磁化方向处于反平行，在水平方向上的分量与所述第一耦合层107的磁化方向平行；

所述参考层101和所述极化层105同时为所述自由层103提供自旋极化电子，以提供所述自由层103磁化翻转的自旋转移矩。

可选地，如图2所示，所述磁性隧道结10还包括：耦合调制层106，位于位于所述第一耦合层107和所述极化层105之间，所述耦合调制层106用于调节所述第一耦合层107和所述极化层105之间的耦合作用。

图1和图2所示的磁性隧道结在写入时，能够降低通入的写入电流。以图2所示的磁性隧道结来分析写入过程，具体分析如下：

MTJ从反平行态(AP)翻转到平行态(P)时，如图3所示，对MTJ施加写电压，正端连接到第一耦合层107，负端连接到参考层101，电流通过MTJ，电子运动方向为从参考层101流经自由层103到极化层105，在这个过程中，参考层101为自由层103提供透射自旋极化电子注入；极化层105为自由层103提供反射自旋极化电子注入；其中，参考层101提供的透射自旋极化电子的极化方向与参考层磁化方向相同；极化层105提供的反射自旋极化电子的极化方向与极化层磁化方向相反，即相对于参考层101提供的透射自旋极化电子的极化方向偏转一定角度，在两部分自旋极化电子的共同作用下，提供自旋转移矩实现自由层磁化方向发生翻转。相对于现有的MTJ，翻转速度加快。

MTJ从平行态(P)翻转到反平行态(AP)时，如图4所示，对MTJ施加写电压，正端连接到参考层101，负端连接到第一耦合层107，电流通过MTJ，电子运动方向为从极化层105流经自由层103到参考层101，在这个过程中，极化层105为自由层103提供透射自旋极化电子注入；参考层101为自由层103提供反射自旋极化电子注入；其中，参考层101提供的反射自旋极化电子的极化方向与参考层磁化方向相反；极化层105提供的透射自旋极化电子的极化方向与极化层磁化方向相同，即相对于参考层101提供的反射自旋极化电子的极化方向偏转一定角度，在两部分自旋极化电子的共同作用下，提供自旋转移矩实现自由层磁化方向发生翻转。相对于现有的MTJ，翻转速度加快。

通过上面的分析可知，本发明实施例的磁性隧道结，在写入过程中，由于参考层和极化层都能够提供自旋极化电子，即偏离垂直方向一定角度的极化层为自由层提供第二转移力矩，使得自由层磁化方向翻转速度加快，进而在保持当前写入速度不变的情况下，可以通入更小的写入电流。同时，由于极化层存在一个偏转角度，能够显著降低自旋转移力矩的初始延时。

为了找到翻转速度最快时的偏转角度，发明人还进行了物理仿真论证。利用基于LLG方程的理论模型进行仿真：

模型如下：

上式中，α为阻尼系数，γ为旋磁比，

为自由层的归一化磁化强度，

为参考层的归一化磁化强度，

为有效场，P为极化率，I为通过MTJ的电流，

为约化普朗克常数，A为面积，t为自由层厚度，Ms为自由层饱和磁化强度。

应用到本发明实施例，对模型进行修正，修正后的模型如下：

上式中，考虑随机热扰动场，H_thermal均值为0，标准差sigma为

STT项进行修正，加入参考层和极化层分别引入的STT项。

改变极化层磁化方向偏转角度0°～90°，其中0°代表垂直磁化方向极化层，90°代表水平磁化方向极化层；通过翻转特性仿真，得到仿真结果如图5所示，图5表示极化层105磁化方向的偏转角为0°，15°，30°，90°的情况下，归一化的垂直方向磁化强度随时间的动态翻转变化曲线，通过该动态翻转曲线可以提取翻转时间，得到的翻转时间随极化层偏转角的变化曲线如图6所示，分析图6可得到，相比于磁化方向完全垂直或者完全水平的极化层，极化层磁化方向偏转角度0°～30°，翻转时间均得到降低，其中25°为最佳；极化层磁化方向偏转25°，其翻转时间相比垂直极化改善10％，相比水平极化改善17％。

上述磁性隧道结在物理实现时，极化层105和参考层101都选择矫顽力Hc较大的材料，例如，极化层105可以采用交替生长的Co/Ni多层薄膜、交替生长的Co/Pt多层薄膜和交替生长的Co/Pd多层薄膜中的一种。参考层101可以采用CoFeB、CoB和FeB中的一种或者几种的组合，还可以采用Ta、Mo、Ir和Ru单层薄膜中的一种，或者采用交替生长的Co/Ni多层薄膜、交替生长的Co/Pt多层薄膜和交替生长的Co/Pd多层薄膜中的一种。而自由层103可以采用CoFeB，隧道层102包括MgO、Mg、Mo、Ta和MgAlO中的一种或者几种的组合。位于极化层105和自由层103之间的覆盖层104和隧道层102可以使用相同的材料，包括MgO、Mg、Mo、Ta和MgAlO中的一种或者几种的组合，但二者厚度不同，覆盖层104不仅能增强界面处的垂直磁各向异性，还起到自旋过滤的作用。隧道层102不仅能增强界面处的垂直磁各向异性，还起到自旋过滤的作用，也是形成隧穿电流的势垒层。

而第一耦合层107要和极化层105发生层间耦合作用，第一耦合层107的材料包括NiFe。位于第一耦合层107和极化层105之间的耦合调制层106包括Ru、Cr、Mo、Ir、Hf和Ta中的一种。经验证，第一耦合层107采用NiFe，极化层105采用交替生长的Co/Pd多层薄膜，能够实现极化层105的磁化方向发生可控倾斜。

上述的磁性隧道结在磁化前，由于极化层105和参考层101对应的垂直翻转磁场(Hc)都为一个较大的值，但二者不相等，如极化层105对应的Hc为5000Oe，参考层101对应的Hc为3000Oe。通过磁场初始化时，首先施加第一垂直磁场，使得极化层105和参考层101都沿垂直方向磁化，且磁化方向平行；然后施加第二垂直磁场，磁场方向与第一垂直磁场的方向相反，该第二垂直磁场只能使极化层和参考层中的其中一层的磁化方向发生翻转，使得极化层105的磁化方向和参考层101的磁化方向处于反平行状态。通过磁场初始化使得极化层和参考层磁化方向相反，能够消除自由层感受到的杂散场(stray field)。

进一步地，在第一耦合层107产生的水平磁场的作用下，使得极化层105的磁化方向偏离垂直方向一个小角度，可以向左偏，也可以向右偏，取决于第一耦合层107的水平磁化方向，图1中，由于第一耦合层107水平磁化方向为左，因此极化层磁化方向左偏离垂直方向一个小角度，如图1中的θ，介于0°～30°。通过该夹角，能够显著降低自旋转移力矩的初始延时。但在垂直方向极化层磁化方向大致上还是和参考层的磁化方向处于反平行。

另外补充说明的是，所述极化层的磁化方向之所以和垂直方向之间存在一个夹角，是由于极化层和第一耦合层之间存在层间的直接耦合作用，该夹角的大小与极化层以及第一耦合层的厚度有关，通过改变极化层以及第一耦合层的厚度，可以改变极化层的磁化方向偏离垂直方向的夹角。

本发明另一实施例提供一种磁性隧道结，如图7所示，在图2所示磁性隧道结的基础上，磁性隧道结20还包括：第二耦合层109，位于所述第一耦合层107的与所述耦合调制层106相对的一侧，所述第二耦合层109沿水平方向磁化，且磁化方向与所述第一耦合层107的磁化方向相反；

隔离层108，位于所述第二耦合层109和所述第一耦合层107之间。

其中，第二耦合层109的材料包括NiFe，隔离层108的材料包括Ru。

第一耦合层107、隔离层108、第二耦合层109形成一合成反铁磁结构，能够抵消杂散场(stray field)对其它层磁性的影响，还能够基本消除自由层感受到的等效水平偏转场(dipole field)，防止尺寸进一步微缩后导致的偏置场不可控。

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。

Claims

1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：依次堆叠设置的参考层、隧道层、自由层、覆盖层、极化层以及第一耦合层，其中，

所述参考层沿垂直方向磁化；

所述自由层沿垂直方向磁化；

所述第一耦合层沿水平方向磁化；

所述第一耦合层与所述极化层直接耦合，在所述第一耦合层的耦合作用下所述极化层的磁化方向偏离垂直方向一个角度，角度大小与所述极化层以及所述第一耦合层的厚度有关，并且在垂直方向上的分量与所述参考层的磁化方向处于反平行，在水平方向上的分量与所述第一耦合层的磁化方向平行；

2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述极化层的磁化方向偏离垂直方向的角度介于0°~30°之间。

3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述极化层包括交替生长的Co/Ni多层薄膜、交替生长的Co/Pt多层薄膜和交替生长的Co/Pd多层薄膜中的一种。

4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述极化层的垂直翻转磁场强度大于所述参考层的垂直翻转磁场强度，以实现在磁场初始化时所述极化层和所述参考层磁化方向垂直分量反平行排列。

5.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一耦合层包括NiFe。

6.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述覆盖层包括MgO、Mg、Mo、Ta和MgAlO中的一种或者几种的组合。

7.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，还包括：耦合调制层，位于所述第一耦合层和所述极化层之间，所述耦合调制层用于调节所述第一耦合层和所述极化层之间的耦合作用。

8.根据权利要求7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述耦合调制层包括Ru、Cr、Mo、Ir、Hf和Ta中的一种。

9.根据权利要求1或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述自由层包括CoFeB，所述隧道层包括MgO、Mg、Mo、Ta和MgAlO中的一种或者几种的组合，所述参考层包括CoFeB、CoB和FeB中的一种或者几种的组合，或者包括Ta、Mo、Ir和Ru单层薄膜中的一种，或者包括交替生长的Co/Ni多层薄膜、交替生长的Co/Pt多层薄膜和交替生长的Co/Pd多层薄膜中的一种。

10.根据权利要求7所述的磁性隧道结，其特征在于，还包括：

隔离层，位于所述第二耦合层和所述第一耦合层之间。

11.根据权利要求10所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第二耦合层包括NiFe，所述隔离层包括Ru。