[發(fā)明專利]垂直磁化自旋軌道磁性元件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610951574.6
• 申請日: 2016-10-27
• 公開（公告）號: CN107689415B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設計）人: 李欣翰;楊姍意;陳佑昇;張耀仁
• 申請（專利權）人: 財團法人工業(yè)技術研究院
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08
• 代理公司: 北京律誠同業(yè)知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國;梁揮

本發(fā)明涉及一種垂直磁化自旋軌道磁性元件，包括重金屬層、磁隧道結、第一反鐵磁層、第一阻絕層以及第一外漏場施加層。磁隧道結設置于重金屬層上。第一阻絕層設置于磁隧道結與第一反鐵磁層之間。第一外漏場施加層設置于第一反鐵磁層與第一阻絕層之間。第一外漏場施加層產生平行于膜面的外漏磁場。第一反鐵磁層接觸所述第一外漏場施加層以定義第一外漏場施加層所產生的磁矩方向。

技術領域

本發(fā)明涉及磁存儲器領域，特別涉及一種垂直磁化自旋軌道磁性元件。

背景技術

磁存儲器(Magnetic Random Access Memory；MRAM)具有速度快、低耗能、高密度、非易失性和幾乎可無限次讀寫的優(yōu)勢，被預測為下一代存儲器的主流。磁存儲器中存儲元件的主要結構是由磁/非磁性金屬/磁三層材料的固定層(Pinned Layer)、隧穿阻擋層(Tunneling Barrier Layer)及磁性材料的自由層(Free Layer)所堆棧組成的堆棧結構。此種堆棧結構可被稱為磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)元件。由于寫入電流僅通過被選擇的磁隧元件，而磁化翻轉取決于寫入電流的強度以及外部磁場的強度，因此在磁隧道結元件縮小之后反而有利于寫入電流的下降，理論上，能夠同時解決寫入選擇性的提高以及寫入電流的降低的問題。

以自旋軌道力矩(Spin-Orbit-Torque；SOT)機制來進行讀寫的磁隧道結元件可分為水平式MJT元件(In-plane MTJ)以及垂直式MTJ元件(Perpendicular MTJ)。垂直式MTJ相對于水平式MTJ具備較低的操作電流、較高的元件密度以及較佳的數據保存性。垂直式磁自旋翻轉存儲器(Perpendicular Spin Torque Transfer Random Access Memory；PSTT-RAM)被認為是新一代磁存儲器，其通過自旋傳輸翻轉(Spin Transfer Switching)作為記錄0和1的數字信息，且以垂直式MTJ作為主要的磁存儲單元結構，因而具備較佳的熱穩(wěn)定性，且具備比其他類型磁存儲器操作電流更小的特性。

若利用自旋軌道力矩(Spin-Orbit-Torque；SOT)的機制來實現磁存儲器結構，可使操作速度及寫入可靠度得到提升。SOT在垂直膜面磁矩中的翻轉原理機制為：將鐵磁材料形成的重金屬層(Heavy Metal Layer)施加寫入電流，重金屬層因為自旋霍爾效應以及外部磁場而產生自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque；STT)。此外，寫入電流在經過材料界面處的垂直電場以及外部磁場后會產生拉什巴力矩(Rashba Torque；RT)。由于STT以及RT這兩種力矩皆與寫入電流的方向垂直且平行于膜面，這兩種力矩相互疊加而成為SOT。因此，在與磁矩垂直的膜面上的鐵磁材料施加磁場，可產生SOT而使得磁層的磁矩翻轉，達到寫入存儲元件的目的。然而，上述機制需要另外輸入寫入電流以及外加磁場。

發(fā)明內容

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種垂直磁化自旋軌道磁性元件，在通過SOT機制來做為讀寫磁存儲單元機制的情況下，能夠簡化用于控制磁存儲單元結構的設計復雜度，且能自發(fā)性地對磁隧道結中的自由層產生磁場，進而替代外加磁場，在輸入電流輸入時可對存儲單元結構中的磁矩產生翻轉效果。

具體地說，本發(fā)明公開了一種垂直磁化自旋軌道磁性元件，包括：

重金屬層；

磁隧道結，設置于該重金屬層上；

第一反鐵磁層；

第一阻絕層，設置于該磁隧道結與該第一反鐵磁層之間；

第一外漏場施加層，設置于該第一反鐵磁層與該第一阻絕層之間，產生平行于膜面的外漏磁場，其中該第一反鐵磁層接觸該第一外漏場施加層以定義該第一外漏場施加層所產生的磁矩方向。

所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，該重金屬層設置在該第一阻絕層上，該第一阻絕層設置在該第一外漏場施加層上。