[發明專利]MTJ器件

有效

• 申請號: 201810866682.2
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN109065704B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 王素梅;羅軍;趙超;王文武;葉甜春
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L43/06
• 分類號: H01L43/06;H01L43/10
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 韓建偉;謝湘寧

本發明提供了一種MTJ器件。該MTJ器件包括：重金屬層，形成重金屬層的材料具有自旋霍爾效應；第一磁性層，設置于重金屬層的一側表面，且第一磁性層具有垂直于重金屬層表面的磁各向異性；交換耦合控制層，設置于第一磁性層遠離重金屬層的一側表面，用于使第一磁性層與第二磁性層鐵磁耦合；第二磁性層，設置于交換耦合控制層遠離第一磁性層的一側表面，第二磁性層具有垂直于重金屬層的磁各向異性，且第二磁性層的矯頑力和飽和磁化強度高于第一磁性層的飽和磁化強度。通過使靠近重金屬層的第一磁性層具有低于第二磁性層的矯頑力和飽和磁化強度，從而能夠使器件的臨界反轉電流密度大大降低，并且包括第一磁性層和第二磁性層的復合自由層可增強結構的熱穩定性。

技術領域

本發明涉及磁性器件技術領域，具體而言，涉及一種MTJ器件。

背景技術

自選軌道轉矩(SOT)是指基于自選軌道耦合(SOC)，利用電荷誘導的自旋流來產生自旋軌道轉矩，進而達到調控磁性層的目的，即基于強SOC產生的自旋流會以力矩的方式來影響近鄰的磁性材料。

研究表明半導體GaAs、Ge、Si和金屬體系Al、Au、Pt、Ta等被證明存在自旋霍爾效應，并且重金屬中的自旋霍爾效應更加顯著。在現有技術中的鐵磁層與重金屬層的雙層膜結構中，由于重金屬層中的強SOC和自旋霍爾效應，流動于重金屬層中的電流會產生自旋流，自旋流造成界面自旋積聚，積聚的自旋對相鄰鐵磁層產生力矩作用，當電流密度達到一定閾值后，鐵磁層的磁化方向反轉。這一技術相對于傳統的使用磁場控制磁性材料磁化方向的手段，效率更高、局域性更強。

并且，對于現有技術中的單層磁化層而言，切換磁性層需要較高的臨界自旋電流密度，并且，單層磁化層也具有相對較低的熱穩定性(磁性層的厚度通常小于1nm)，高臨界自旋電流密度導致能耗增高，而低的熱穩定性則會縮短器件的使用壽命。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種MTJ器件，以解決現有技術中切換磁性層需要較高的臨界自旋電流密度且磁化層熱穩定性低的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種MTJ器件，包括：重金屬層，形成重金屬層的材料具有自旋霍爾效應；第一磁性層，設置于重金屬層的一側表面，且第一磁性層具有垂直于重金屬層表面的磁各向異性；交換耦合控制層，設置于第一磁性層遠離重金屬層的一側表面；第二磁性層，設置于交換耦合控制層遠離第一磁性層的一側表面，第二磁性層具有垂直于重金屬層的磁各向異性，且第二磁性層的矯頑力和飽和磁化強度高于第一磁性層的飽和磁化強度，交換耦合控制層用于使第一磁性層與第二磁性層鐵磁耦合。

進一步地，形成第一磁性層的材料選自Fe、Co和Ni中的任一種或多種元素的合金，形成合金的元素還包括Cu、Pt、Cr和V中的任一種或多種。

進一步地，第一磁性層的厚度為小于2nm。

進一步地，第一磁性層和第二磁性層的垂直磁各向異性常數分別在10⁶～10⁷erg/cm³的范圍內。

進一步地，形成第二磁性層的材料選自Fe、Co和Ni中的任一種或多種元素的合金，優選為CoNiCo、CoFeB、CoPt和FePt中的任一種。

進一步地，第二磁性層的厚度為0.4～1nm。

進一步地，形成交換耦合控制層的材料選自Ru、Ta、和Mo中的任一種元素。

進一步地，形成重金屬層的材料選自Pt、Ta和W中的任一種或多種元素。

進一步地，第一磁性層、交換耦合控制層和第二磁性層構成復合自由層，MTJ器件還包括非磁性勢壘層和磁性固定層，非磁性勢壘層設置于復合自由層與磁性固定層之間。