[发明专利]SOT-MRAM存储单元及其制备方法

说明书

本发明提供一种SOT‑MRAM存储单元及其制备方法，该SOT‑MRAM存储单元包括：磁性隧道结，包括从下至上依次层叠的自由层、势垒层和参考层，自由层具有方向可变的垂直磁化，参考层具有方向固定的垂直磁化；位于磁性隧道结下方的自旋轨道耦合层，与自由层接触，自旋轨道耦合层用于产生自旋轨道矩，以使自由层磁化翻转；位于自旋轨道耦合层上方且环绕于磁性隧道结四周侧壁的铁磁层，铁磁层为面内水平磁化，磁化方向平行于自旋轨道矩耦合层中通过的写电流方向，以对磁性隧道结产生一个水平磁场。本发明能够在无外加磁场的条件下，利用自旋轨道矩实现自由层确定性的磁化翻转。

技术领域

本发明涉及MRAM存储器技术领域，尤其涉及一种SOT-MRAM存储单元及其制备方法。

背景技术

随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应(Spin-Orbit Coupling，SOC)越来越受到人们的广泛关注，主要包括自旋霍尔效应和界面Edelstein效应及其逆效应，可实现电压可控的电流和自旋流的相互转化。而自旋轨道矩(Spin-Orbit Torque，SOT)基于SOC效应，利用电荷流诱导的自旋流产生自旋转移力矩，从而达到调控磁性存储单元的目的。由于其读写路径分开化，因此具有能耗低，写入速度快，磁矩翻转性强，效率高，稳定性高等优良性能，在磁存储器件等领域展现出巨大的前景。

自旋轨道矩型磁随机存储器(SOT-MRAM)是利用自旋流产生的SOT作为信息写入方式，既保持了MRAM高速度和低功耗等优异特性，又实现了读写路径的分离，更有利于提高器件的抗击穿和长寿命等性能。

目前对于采用性能优异的具有垂直磁各向异性的磁性隧道结作为基本存储单元的SOT-MRAM来说，单独的自旋轨道矩无法实现确定性的定向磁化翻转，一般需要在特定方向上的外加磁场帮助下，才能够实现磁性隧道结中垂直自由层的确定性磁矩翻转和信息写入。但是外加磁场的引入增加了电路复杂度和可靠性风险，不利于器件的集成。因此如何使自旋轨道矩能够在无外加磁场的条件下完成确定性的磁化翻转并实现与现有CMOS工艺兼容的集成应用，仍是本领域一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种SOT-MRAM存储单元，能够在无外加磁场的条件下，利用自旋轨道矩实现自由层确定性的磁化翻转。

一方面，本发明提供一种SOT-MRAM存储单元，包括：

磁性隧道结，包括从下至上依次层叠的自由层、势垒层和参考层，所述自由层具有方向可变的垂直磁化，所述参考层具有方向固定的垂直磁化；

自旋轨道耦合层，位于所述磁性隧道结下方，与所述自由层接触，所述自旋轨道耦合层用于产生自旋轨道矩，以使所述自由层磁化翻转；

位于所述自旋轨道耦合层上方且环绕于所述磁性隧道结四周侧壁的铁磁层，所述铁磁层为面内水平磁化，磁化方向平行于所述自旋轨道矩耦合层中通过的写电流方向，以对所述磁性隧道结产生一个水平磁场。

可选地，所述铁磁层的材料为Fe、FeCo和FeN中的一种。

可选地，所述自旋轨道矩耦合层的材料为重金属、掺杂重金属、重金属合金或者拓扑绝缘体。

可选地，还包括：

反铁磁层，环绕于所述铁磁层四周侧壁，用于钉扎所述铁磁层的磁化方向。

可选地，所述反铁磁层的材料为IrMn或者PtMn。

可选地，还包括：

保护层，环绕于所述反铁磁层四周侧壁。

可选地，所述保护层的材料为Ta或者Ru。

可选地，还包括：绝缘介质层，环绕于所述磁性隧道结四周侧壁和顶部，位于所述磁性隧道结和所述铁磁层之间并覆盖于所述自旋轨道耦合层表面。