[发明专利]人工反铁磁多层膜结构及包括其的磁随机存储器

说明书

本发明涉及人工反铁磁多层膜结构及包括其的磁随机存储器。根据一实施例，一种人工反铁磁多层膜结构可包括：面内场耦合层，包括由铁磁导电材料形成的第一铁磁层和第二铁磁层，以及位于所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的第一间隔层，所述第一间隔层由非磁导电材料形成并且诱导所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的反铁磁耦合；自由磁层，包括由铁磁导电材料形成的第三铁磁层和第四铁磁层，以及位于所述第三铁磁层和第四铁磁层之间的自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层由具有自旋霍尔效应的材料形成并且诱导所述第三铁磁层和第四铁磁层之间的反铁磁耦合；以及中间层，位于所述面内场耦合层与所述自由磁层之间，所述中间层由非磁材料形成。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种人工反铁磁多层膜结构以及包括所述人工反铁磁多层膜结构的磁随机存储器。

背景技术

人工反铁磁(Synthetic Antiferromagnetic，SAF)结构，因具有抗外磁场干扰、零杂散场、高的热稳定性等特点，而被广泛地应用在自旋电子学领域。例如，在磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)的存储单元中，人工反铁磁结构常被用作磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的自由层或参考层(也可称为固定层或被钉扎层)，以便提高器件的热稳定性和垂直磁各向异性。

目前，电流驱动型MRAM的数据写入方式一般可以分为两类。第一类是自旋转移力矩(Spin Transfer Torque，STT)驱动型，即利用电流垂直流过参考层时发生的自旋极化效应，通过自旋极化电流产生的自旋转移力矩来翻转存储单元中自由层的磁矩，从而实现高低电阻态的变化，完成存储单元的数据写入。STT-MRAM存在的一个主要问题是数据写入的电流密度高，当频繁写入数据时，会很容易破坏例如击穿MTJ中的势垒层，从而影响MRAM存储单元的使用寿命。第二类是自旋轨道力矩(spin-orbit torque，SOT)驱动型，即利用电流流经具有强自旋轨道耦合效应的材料时产生的自旋流来翻转存储单元中自由层的磁矩，从而实现存储单元数据的写入。相比于前者，SOT-MRAM中的写入电流可以是流经自旋轨道耦合材料的面内电流，而不需要垂直流经磁性隧道结，因而具有写入速度快和读写分离等特点，可以克服STT-MRAM中存在的器件寿命短的问题。因此，SOT-MRAM在未来信息存储领域具有很大的应用潜力。然而，利用SOT效应实现人工反铁磁结构中磁矩的翻转时，需要在面内方向上施加一个外磁场或者等效磁场，这严重阻碍了人工反铁磁结构在SOT-MRAM中的应用。

发明内容

针对以上以及其他技术问题，提出了本发明。在本发明中，利用面内场耦合层对自由磁层施加一层间交换耦合偏置磁场，并且偏置磁场的方向可以与翻转电流的方向平行或反平行，从而可以在不需要外磁场的情况下对自由磁层进行翻转。并且，面内场耦合层和自由磁层都可以具有人工反铁磁结构，在自由磁层中将自旋霍尔效应层用作人工反铁磁结构的中间间隔层，从而其既起到通过自旋轨道耦合产生自旋流的作用，又起到诱导反铁磁耦合的作用。本发明的全人工反铁磁结构能减小器件的净磁矩，从而提高器件密度，并且还改善了器件的热稳定性。

根据一实施例，提供一种人工反铁磁多层膜结构，其包括：面内场耦合层，包括由铁磁导电材料形成的第一铁磁层和第二铁磁层，以及位于所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的第一间隔层，所述第一间隔层由非磁导电材料形成并且诱导所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的反铁磁耦合；自由磁层，包括由铁磁导电材料形成的第三铁磁层和第四铁磁层，以及位于所述第三铁磁层和第四铁磁层之间的自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层由具有自旋霍尔效应的材料形成并且诱导所述第三铁磁层和第四铁磁层之间的反铁磁耦合；以及中间层，位于所述面内场耦合层与所述自由磁层之间，所述中间层由非磁材料形成。

在一些实施例中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层具有面内磁各向异性，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层具有垂直磁各向异性。

在一些实施例中，所述中间层具有0.4-1.5nm范围内的厚度，使得所述面内场耦合层透过所述中间层向所述自由磁层施加层间耦合偏置磁场。