[发明专利]基于竞争自旋流控制磁随机存储器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于竞争自旋流控制磁随机存储器及其制备方法，通过对自旋轨道耦合层施加脉冲电压，由竞争自旋流产生的自旋轨道矩效应，控制磁隧道结中磁自由层磁矩产生180°翻转，实现信息的写入；通过测量磁隧道结两端电压的变化，得到隧穿电阻的变化，实现信息的读取。

技术领域

本发明涉及信息技术及微电子领域，尤其涉及一种基于竞争自旋流控制磁随机存储器及其制备方法。

背景技术

当今信息社会，人们对信息处理和存储的要求越来越高，寻找新型的非挥发存储器件和信息处理器件成为了当前的研究热点和产业趋势。其中利用电子的自旋，而不仅仅是电子电荷来进行信息的处理和存储，有可能是最具前景的技术之一。当前商业上大力发展的自旋转移矩-磁随机存储器(STT-MARM)和还处于实验室研究的自旋轨道矩-磁随机存储器(SOT-MRAM)，都是基于存储单元中磁自由层磁化的翻转，导致磁电阻的改变，从而实现信息的存储功能，具有高速和非易失等优点。基于自旋转移矩-磁随机存储器中磁自由层的磁化翻转靠电流实现，通常需要非常高的电流密度(10⁶-10⁷A/cm²)，由于大电流通过存储器结区，不仅导致能耗过大，而且热效应也会极大地降低存储器的使用寿命。

为了降低整个器件的能耗，提高器件的工作寿命，通常有两个途径来实现：第一是利用电压实现隧穿结中磁自由层的磁化翻转，这需要引入比较厚的铁电材料；第二是利用自旋轨道矩效应使存储器中磁自由层发生磁化翻转实现磁性信息的电学写入。由于信息的写和读在不同的通道上，大电流不通过存储器结区，因此存储器的能耗大大降低，使用寿命也大大延长。但通常基于自旋轨道矩效应磁性存储需要外加磁场的辅助，不利于存储器件的微型化，会制约信息技术的进一步发展，因此如何利用自旋轨道矩效应在无外磁场下调控磁化的翻转，实现信息存储和处理是信息领域的迫切需要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种基于竞争自旋流控制磁随机存储器及其制备方法，由于基于自旋转移矩-磁随机存储器和还处于实验室研究的自旋轨道矩-磁随机存储器中磁自由层的磁化翻转靠电流实现，通常需要非常高的电流密度(10⁶-10⁷A/cm²)，由于大电流通过存储器结区，不仅导致能耗过大，而且热效应也会极大地降低存储器的使用寿命，且基于自旋轨道矩-磁随机存储器需要外加磁场的辅助，不利于存储器件的微型化，会制约信息技术的进一步发展，因此如何利用自旋轨道矩效应在无外磁场下调控磁化的翻转，同时降低能耗并提升存储器使用寿命，实现信息存储和处理是信息领域的迫切需要。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于竞争自旋流控制磁随机存储器的多层膜结构，包括：

衬底；

缓冲层，形成于所述衬底上；

自旋轨道耦合层，形成于所述缓冲层上，自旋轨道耦合层包括两个自旋霍尔角相反的第一自旋轨道耦合层和第二自旋轨道耦合层，所述第一自旋轨道耦合层形成于缓冲层上，所述第二自旋轨道耦合层形成于第一自旋轨道耦合层上；

磁隧道结层，形成于自旋轨道耦合层上，包括：磁自由层、隧穿绝缘层、磁钉扎层和反铁磁层，所述磁自由层形成于自旋轨道耦合层上，所述隧穿绝缘层形成于磁自由层上，所述磁钉扎层形成于隧穿绝缘层上，所述反铁磁层形成于磁钉扎层上；

保护层，形成于反铁磁层上。

一种基于竞争自旋流控制磁随机存储器的多层膜结构的制备方法，步骤如下：

步骤S1：在衬底上生长缓冲层；

步骤S2：在缓冲层上生长自旋轨道耦合层；

步骤S3：在自旋轨道耦合层上生长磁隧道结层；