[发明专利]一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用

说明书

本发明公开了一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用，所述梯度合成反铁磁包括：衬底、第一梯度层、反铁磁耦合层、第二梯度层；所述反铁磁耦合层位于所述第一梯度层与所述第二梯度层之间；通过所述反铁磁耦合层对所述第一梯度层与所述第二梯度层反铁磁耦合；所述第一梯度层与所述第二梯度层梯度相反。自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁的热稳定性有极大提高，且翻转电流密度相比传统磁隧道结显著降低，能够实现超高密度、超低功耗信息存储。

技术领域

本发明属于半导体存储器技术领域，特别是涉及一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用。

背景技术

存储器是计算机体系结构中的重要组成部分,对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。然而，由于晶体管的尺寸已经逼近物理极限，传统的基于互补金属氧化物半导(CMOS)工艺的存储器遭遇了性能瓶颈。基于自旋轨道矩(Spin-orbit torque,SOT)的磁随机存储器(SOT-MRAM)由于具有非易失性、可无限擦写和快速写入等优点，有望成为下一代低功耗通用存储器。

磁随机存储器(MRAM)的核心结构是磁隧道结(MTJ)，由自旋轨道耦合材料(如Ta，W，Pt)和两个铁磁金属层(如CoFeB)夹着一个隧穿势垒层(如MgO)而形成的三明治结构组成。其中一个铁磁层被称为参考层(Reference layer，RL)，它的磁化沿易轴方向固定不变，另一个铁磁层被称为自由层(Free layer，FL)，它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行，相应的，由于隧穿磁阻效应(TMR)，MTJ将处于低阻态或高阻态。这两个阻态可以分别代表二进制数据中的“0”和“1”，因此，MRAM可以实现数据存储或运算。自旋轨道矩(SOT)是目前研究最为广泛和深入的控制磁体磁化状态的方式，利用电流产生的SOT实现磁化翻转(而不是电流产生的磁场)来切换自由层和磁化层的相对取向，继而实现数据写入，已经成为当下研究的热点。在MTJ中，参考层一般有人工反铁磁结构(syntheticantiferromagnets，SAF)，用于固定参考层磁化方向且消除杂散场；而自由层一般只有单个铁磁层来保证有效翻转。当前应用最为广泛是CoFeB/MgO结构。由于自由层只有单个CoFeB结构，导致热稳定性较差，导致器件横向尺寸难以降低，制约着MRAM的实际应用。

现有技术一的技术方案：2018年，清华大学的科研人员提出一种完全补偿的合成反铁磁结构，上下两层Co/Pd/Co通过Ru形成反铁磁耦合，后成一个整体，利用底层Pt的自旋霍尔效应，实现整体磁矩的翻转。现有技术一的缺点：当前基于铁磁Co的TMR较低，难以满足MRAM实际需求；需要使用Pt来翻转整个反铁磁，由于自旋流扩散长度有限，导致所需功耗仍然较高。

现有技术二的技术方案：2021年，中国科学院大学的科研人员提出了一种双层SAF-FL的磁性结构，通过重金属W将两个CoFeB反铁磁耦合到一块，形成PMA-SAF；下方的两层铁磁Co通过Ir/W也反铁磁耦合到一起，形成IMA-SAF；之后，PMA-SAF和IMA-SAF通过MgO耦合到一起，形成双层SAF-FL结构。最后将该膜堆加工成MTJ器件，并成功观测到了TMR信号。该结构不仅提高了CoFeB的垂直磁各向异性和热稳定性，还可以实现无磁场翻转。现有技术二的缺点：仅中间的W提供自旋霍尔效应翻转铁磁磁矩，由于需要反铁磁耦合，限制了自旋轨道耦合材料W的厚度，因而提供的自旋流有限，导致翻转功耗较高。

发明内容

为了解决现有技术中存在MTJ器件热稳定性较差及翻转功耗较高等问题，本发明的目的是提供一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁，所述梯度合成反铁磁包括：衬底、第一梯度层、反铁磁耦合层、第二梯度层；所述反铁磁耦合层位于所述第一梯度层与所述第二梯度层之间；通过所述反铁磁耦合层对所述第一梯度层与所述第二梯度层反铁磁耦合；所述第一梯度层与所述第二梯度层梯度相反。

优选地，所述第一梯度层及所述第二梯度层均采用具有磁性且具有梯度的多层膜或合金材料。