[发明专利]基于楔形钴铂组分梯度薄膜的磁性随机存储器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于楔形钴铂组分梯度薄膜的磁性随机存储器及制备方法。本发明从上到下依次为保护层、薄膜层、缓冲层，并在四周设有电极。其中保护层、薄膜层和缓冲层经过刻蚀微纳加工成的结构为十字结构，所述的薄膜层从下到上由Pt、Co、Pt、Co、Pt、Co、MgO结构构成，其中最下层的Pt和最上层的Co为楔形结构。在沿着垂直楔形层变化方向通入的调控电流Is，器件另外两电极检测薄膜层的电阻值的变化，当连续通入同一方向脉冲电流时电阻会连续改变至极值。本发明可以通过电流调控，实现高效存储。

技术领域

本发明属于磁性随机存储器领域，具体涉及一种基于楔形钴铂组分梯度薄膜的磁性随机存储器及制备方法。

技术背景

磁性随机存储(Magnetic Random Accessory Memory，MRAM)未来一类极具发展前景的存储技术。MRAM兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等优点，原则上可取代各类存储器的应用。目前，如何实现高可靠性，高速度，以及低功耗的信息写入技术是MRAM设计研发的关键问题。近年来发展起来的通过自旋轨道转矩(spin orbit torque,SOT)，为MRAM提供了一种新的信息写入技术。相比于传统的利用自旋转移力矩(Spintransfer torque,STT-)写入技术，SOT驱动磁矩翻转比STT效应有更快的速度，更低的功耗，更高的耐久性。

目前对于SOT-MRAM的研究，主要聚焦在以下三个方面，一是对磁性层厚度的限制(一般限制在2nm)而导致的器件热稳定性问题。第二是如何实现对垂直各向异性薄膜实现无辅助磁场化翻转。第三是如何降低器件动态写入功耗。近年来在单层磁性薄膜体系中的自旋轨道力矩效应，为解决这些效应提供了新的思路。相比于传统铁磁/重金属双层膜结构中，其主要有以下优势：(1)磁性单层膜结构中的SOT效应属于体效应(而非向铁磁/重金属双层膜结构局限在界面)，因此可以将铁磁层厚度增加，从而提高器件热稳定性。(2)磁性单层膜结构避免了双层膜结构中电流的分流效应，因此有更高的电流自旋流转化效率，从而可以进一步降低临界翻转电流。之前的研究已经证实了具有成分梯度的CoPt薄膜结构，存在SOT效应，在外磁场存在的情况下，可以实现磁矩的翻转。要实现无磁场翻转，必须添加额外的膜层结构来实现(利用磁层之间的耦合作用产生一个内建磁场，比如添加CoFe/Ru膜层)，然而膜层的增加不但增加了器件的复杂性，同时由于电流分流效应，器件功耗也会增加。如何进一步实现在不增加额外膜层的情况下，实现CoPt薄膜中SOT驱动磁矩翻转的无磁场化，目前还没有实现。本发明通过楔形结构，破坏CoPt使其对称性破缺从而实现无外磁场辅助的SOT驱动磁矩翻转。本发明证实基于楔形钴铂组分梯度薄膜的电流调控磁性随机存储器的优势在于具有更大的阻态的变化、更低的功耗，更小的噪声，且是一种具有大规模制备的工艺比较容易实现的磁性随机存储器。

发明内容

本发明属于磁性随机存储器领域，具体涉及一种基于楔形钴铂组分梯度薄膜的磁性随机存储器及制备方法。

一种基于楔形钴铂组分梯度薄膜的电流调控磁性随机存储器，结构为：从上到下依次为保护层、薄膜层、缓冲层。其中保护层、薄膜层、缓冲层经过微纳加工，制作成为结构为十字型Hall Bar结构，并制作4个电极用于电学测试。所述的薄膜层从下到上由Pt、Co、Pt、Co、Pt、Co、MgO结构构成，三层不同厚度的Co\Pt双层膜共同构建了器件本身的磁垂直各向异性。其中最下层Pt层和最上层Co层在制备时采取了反向的楔形结构，造成了结构上的磁性对称性的破缺。MgO层进一步加强了薄膜层的垂直各向异性。沿垂直于于传感器件厚度变化方向的电极，通入的脉冲调控电流Is，存储器件另外两平行电极检测薄膜层的电阻值的变化，随着调控电流的增加器件电阻发生变化，实现信息的存储。

作为优选，所述电极应为导电材料，为Al、Pt或Au，厚度为40nm。

作为优选，所述保护层应为保护材料，为Ru厚度为3nm。

作为优选，所述的缓冲层为缓冲材料，为Ru厚度为3nm。