[發明專利]磁電阻器件以及改變其阻態的方法、突觸學習模塊

有效

• 申請號: 202011637866.5
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112864314B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 邢國忠;王迪;林淮;劉龍;劉宇;呂杭炳;謝常青;李泠;劉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12;G11C11/16
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 鄢功軍

本發明屬于存儲器技術領域，主要涉及一種磁電阻器件以及改變其阻態的方法、突觸學習模塊；其中，該磁電阻器件，包括沿預設方向依次排列的頂電極、鐵磁參考層、隧穿層、鐵磁自由層、自旋軌道耦合層、底電極；其中自旋軌道耦合層包括交替分布的第一厚度區和第二厚度區，第一厚度區和第二厚度區的厚度不同；鐵磁自由層中包括釘扎區，釘扎區的位置與第一厚度區的位置一一對應。

技術領域

本發明屬于存儲器技術領域，主要涉及一種磁電阻器件以及改變其阻態的方法、突觸學習模塊。

背景技術

近幾十年，全球各國在磁性材料及自旋電子領域的研究有了長足的發展，尤其針對以自旋電子學為基礎的磁隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，簡稱MRAM)的研究逐漸成為熱點。作為下一代高性能新型存儲器之一，磁性存儲器具有非易失性、高讀寫速率、低功耗、高密度及高耐久性等諸多優勢。

目前，主流研究包括基于自旋轉移矩的磁性隨機存儲器(Spin Transfer TorqueMRAM，簡稱STT-MRAM)和基于自旋軌道矩的磁性隨機存儲器(Spin Orbit Torque MRAM，簡稱SOT-MRAM)。STT-MRAM通過參考層極化的電流對自由層產生的扭矩作用，使得自由層磁化方向發生偏轉，再根據隧穿磁電阻效應(Tunnel Magnetoresistance Effect)來表征阻值的變化。但是，在寫入的過程中需要較大的電流產生足夠的扭矩來翻轉自由層。SOT-MRAM是通過自旋軌道耦合層的自旋霍爾效應(Spin Hall Effect)來誘導垂直方向注入自旋流，即在具有強自旋軌道耦合的自旋軌道耦合層中流動的電流轉化為自旋流，自旋流向鐵磁層中擴散，對鐵磁層的磁矩施加力矩使之翻轉。同時SOT-MRAM實現了讀/寫路徑的分離，具有更高的可靠性。然而，傳統的SOT-MRAM需要施加一個磁場，打破對稱性，實現確定性的磁化翻轉。然而，當前主要研究都是基于二值存儲及相應的存算一體應用。為了進一步提升器件存儲密度、簡化電路復雜度、實現高效存算一體及類腦智能芯片應用，研發高性能、低功耗的多阻態隧穿磁電阻器件勢在必行。

現有的SOT-MTJ的技術，針對于SOT-MTJ的能耗，實現無外場翻轉、差分多阻態等方面做了許多改進與完善。為了實現多阻態的SOT-MTJ以及無外場翻轉，研究人員們采取了調控磁疇壁運動、反鐵磁耦合、堆疊SAF層等措施。

相關技術中，提供了一種三端MTJ，包括第一鐵磁層(參考層)、勢壘層、第二鐵磁層(存儲層)、緩沖層、第三鐵磁層(翻轉層)和自旋軌道耦合層。其中存儲層與翻轉層構成反鐵磁耦合，垂直自旋極化電流切換翻轉層后，在交換偏置作用下，實現存儲層的翻轉。

另一相關技術中，闡述了基于具有反鐵磁特性的Ir-Mn材料的SOT層的MTJ，SOT層在與自由層界面形成面內交換偏置場(100-500Oe)，輔助SOT切換，并且在參考層上方堆疊SAF層，消除雜散場的影響。

另一相關技術中，闡述了通過刻蝕MTJ的自由層，使其形成溝槽以及向外拓展的一部分區域，并使其具有面內磁各向異性，實現MTJ無場切換。

另一相關技術中，闡述了基于邊界周期性缺口實現疇壁的釘扎，并通過自旋轉移力矩實現疇壁的運動及阻態的切換。但其需要較大的電流進行寫入，同時邊界的缺口也會造成疇壁的變形，削弱了器件的可靠性。

另一相關技術中，闡述了基于SOT的疇壁運動的四端突觸器件，其缺陷在于：(1)疇壁需要在電流激發的磁場和自旋極化電流的共同驅動下運動，不利于器件的集成；(2)疇壁在器件寬的方向運動，且參考層僅在器件一端的局部區域，器件長方向存在一定尺寸浪費，不利于器件的集成；(3)器件中缺乏局部釘扎區域，不利于疇壁的精確控制和穩定，難以差分阻態。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種磁電阻器件以及改變其阻態的方法，可以部分解決現有技術中的上述問題。