[发明专利]一种磁多层膜结构及自旋转移矩磁随机存储器

说明书

本发明公开了一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的磁多层膜结构及自旋转移矩磁随机存储器(STT‑MRAM)。磁多层膜结构包括：自由层，间隔层，人工反铁磁固定层，铁电层。其中铁电层产生极化电场和电荷转移效应使人工反铁磁固定层反铁磁耦合增强，保证固定层中靠近间隔层的磁性层不进行翻转，实现数据的稳定写入。所述磁性随机存储器，具有隐定性高、功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

技术领域

本发明涉及具有磁性/铁磁性材料、电性/铁电性材料或结构的电路和器件及其应用技术领域，更具体的说涉及一种铁电辅助电场调控的磁多层膜以及使用自旋转移矩进行数据擦写的自旋转移矩-磁性随机存储器(Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory，STT-MRAM)。

背景技术

磁随机存储器MRAM的核心存储单元是磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)或自旋阀(Spin Valve)。MTJ由参考层、间隔层、自由层组成，参考层和自由层一般是铁磁性材料，间隔层是绝缘体，又称为隧穿层，位于参考层和自由层中间，电子主要以隧穿形式通过MTJ。参考层的磁化方向不变，自由层的磁化方向可以改变。数据以磁化状态的形式写入MTJ：当自由层与参考层的磁化方向平行时MTJ呈现低阻态，用于表示数据存储的二进制状态“1”。

自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)利用自旋极化电流(自旋转移矩)对磁矩的作用，达到改变自由层磁化方向的目的，但是较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度。为了提高存储单元阵列的排列密度，可将固定层厚度减小，但此时较大的电流可能造成固定层铁磁态的变化，无法稳定写入数据。

为了解决该问题，提供一种铁电辅助电场控制的基于人工反铁磁固定层的磁性随机存储装置，可以减小靠近磁性层厚度，进而减小存储单元体积，提高存储单元阵列排列密度，是本领域研究需要解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出一种铁电辅助电场调控的新型自旋转移矩-磁性随机存储器，将人工反铁磁结构作为磁性隧道结的固定层，用铁电层作为电场辅助层，通过电场调控人工反铁磁固定层反铁磁耦合增强，同时施加电流直接调控自由层翻转方向，此时由于铁电层的存在，该装置所需的外部电场大大减小。在铁电极化电场和电荷转移效应作用下，人工反铁磁固定层反铁磁态耦合增强，整体具有电场小，稳定性高，功耗低，速度快等优点。

为解决上述问题，本发明提供了一种铁电层辅助调控的磁多层膜结构，包括：自由层；位于所述自由层下的间隔层；位于所述间隔层下的人工反铁磁固定层；位于所述人工反铁磁固定层下的铁电层。

优选的，所述自由层和所述固定层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；

优选的，所述铁电层在外加电场中可发生铁电极化产生极化电场和电荷转移效应；所述铁电层与所述固定层中间可添加绝缘层削弱极化电场。

优选的，所述人工反铁磁固定层为第一磁性层-非磁性耦合层-第二磁性层的堆叠结构；所述第一及第二磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；所述固定层处于反铁磁态，将所述固定层置于电场中，当组成固定层的材料种类不同、厚度不同、界面无序不同时，随着外加电场强度的增加，反铁磁耦合强度可以增强，此时在外加电流作用下固定层中的磁性层不易发生翻转。

优选的，所述第一磁性层、第二磁性层由铁磁材料形成，包括但不限于：Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、CoCrPt结构材料，或(Co/Ni)m、(Co/Pd)n、(Co/Pt)q多层重复堆叠磁性结构材料，其中m、n、q是指多层堆叠的重复次数；或者可由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，包括但不限于Fe、Fe-4％Si、Co、CoFe、CoFe₂O₄、BaFe₁₂O₁₉等；所述第一磁性层、第二磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；