阅读说明：本技术 基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件 (Spin orbit torque-based magnetic field-free overturning cobalt-platinum-ruthenium-cobalt magnetic memory device ) 是由 樊浩东 冯重舒 庄燕山 周铁军 李文钧 骆泳铭 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件。结构从下到上依次为：衬底层、缓冲层、导电层、薄膜层、保护层；所述的薄膜层由CoPtRuCoPt五层构成。当所述导电层Pt将通入的电荷流转换为自旋流,通过Pt的强自旋轨道耦合将自旋流注入到铁磁层中,从而对铁磁层施加转矩。改变直角梯形Ru的厚度,可打破空间反演对称性,并调控双层钴铂之间的层间交换耦合,从而实现无磁场的磁化翻转。当接入脉冲电流且没有面内辅助磁场时,每增加一次脉冲电流的大小,就记录一次霍尔电阻的值,当霍尔电阻的值随着脉冲电流增大而跳变进而形成回路时,即可理解为磁存储状态的切换,进而实现无磁场的磁存储操作。(The invention discloses a spin orbit torque magnetic field-free overturning-based cobalt-platinum-ruthenium-cobalt-platinum magnetic memory device. The structure from bottom to top is as follows: the substrate layer, the buffer layer, the conducting layer, the thin film layer and the protective layer; the thin film layer is composed of five layers of CoPtRuCoPt. When the conductive layer Pt converts an introduced charge current into a spin current, the spin current is injected into the ferromagnetic layer by strong spin-orbit coupling of Pt, thereby applying a torque to the ferromagnetic layer. The thickness of the right-angle trapezoid Ru is changed, the symmetry of space inversion can be broken, and interlayer exchange coupling between double layers of cobalt and platinum is regulated and controlled, so that magnetization overturning without a magnetic field is realized. When the pulse current is switched in and the in-plane auxiliary magnetic field does not exist, the value of the Hall resistor is recorded once when the pulse current is increased once, and when the value of the Hall resistor jumps along with the increase of the pulse current to form a loop, the switching of the magnetic storage state can be understood, so that the magnetic storage operation without the magnetic field is realized.)

基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件

技术领域

本发明属于磁存储领域，具体涉及一种基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件。

技术背景

由于垂直磁各向异性(PMA)铁磁体在低功耗、非易失性存储器和逻辑器件中的潜在应用，通过自旋轨道转矩(SOT)来使其磁化翻转，已是当下磁存储领域研究热点之一。典型的SOT器件由重金属/铁磁/重金属组成，在这种结构中，当面内电荷电流在重金属层流动时，由自旋霍尔效应或界面Rashba效应产生纯自旋电流并注入铁磁层中并对铁磁层施加SOT，从而拉动其磁矩翻转。通过调整薄膜厚度，双层钴铂(CoPtCoPt)薄膜具有较强的PMA，目前可以实现有磁场辅助的磁化翻转。然而，通常需要平面内的外部磁场来辅助垂直磁化翻转，这对实际应用是一个极大的障碍。为了实现无磁场SOT翻转，必须设计本身具有额外转矩的薄膜结构，在实验上已经证明了引入有效面内场的几种设计：引入楔形结构；通过面内各向异性与另一个铁磁层耦合；与面内反铁磁层的交换偏压等。

相比于传统的存储器件，基于自旋轨道转矩无磁场翻转的磁存储器件的优势在于更高的存储密度，更好的热稳定性和更低的功耗。并且，不需要面内辅助磁场，只需要电流控制其磁化翻转，这对低功耗、非易失性存储器和逻辑器件有重大意义。

发明内容

本发明属于磁存储领域，具体涉及一种基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件。

基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件，该磁存储器件具有多层膜结构，结构从下到上依次为：衬底层、缓冲层、导电层、薄膜层、保护层；所述的薄膜层结构从下到上依次为Co层、Pt层、Ru层、Co层、Pt层；所述的两层Co的厚度皆为0.8nm，两层Pt的厚度皆为0.2nm，所述的Ru层为直角梯形结构，Ru层的厚度为0.6-1.4nm；直角梯形结构两侧高度差为0.1-0.2nm。

作为优选，所述的缓冲层材料应为Ta，厚度应为1nm，使薄膜层与衬底层之间更好地黏附，提高薄膜的平整度。

作为优选，所述导电层应为Pt，厚度为5.5nm，其作用是将通入的电荷流转换为自旋流，通过Pt的强自旋轨道耦合将自旋流注入到薄膜层的Co中。

作为优选，所述的保护层材料为Ta，厚度应为3nm，保护底部的薄膜不被氧化，提高器件的稳定性。

作为优选，所述衬底层应为Si/SiO₂，Si表面有500nm的SiO₂覆盖以隔离衬底与薄膜，防止器件漏电。

作为优选，所述的磁存储器件为Hall Bar结构。

作为优选，当所述导电层用于接入脉冲电流且没有面内辅助磁场时，每加大一次脉冲电流的大小，就记录一次霍尔电阻的值，当霍尔电阻的值随着脉冲电流增大而跳变且形成回路时，即可理解成磁存储状态的切换，进而实现无磁场的磁存储操作。

基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器件的制备方法为：先在Si/SiO₂衬底上磁控溅射Ta/Pt/Co/Pt/Ru/Co/Pt/Ta层；然后经过光刻、刻蚀、套刻的微纳加工工艺做成Hall Bar；最后再磁控溅射上50nm的铂电极。之后测试器件的磁化翻转。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、相比于传统的存储器件，基于自旋轨道转矩无磁场翻转的磁存储器件的优势在于更高的存储密度，更好的热稳定性和更低的功耗。

2、相比于传统的磁存储器件，设计的先进薄膜层，使得本磁存储器件不需要面内辅助磁场，只需要电流控制就能实现其磁化翻转，这对低功耗非易失性存储器和逻辑器件有重大意义。

附图说明

图1基于SOT磁存储器结构示意图；

图2薄膜结构剖面图；

图3Hall Bar结构图；

图4所测器件的磁滞回线图；

图5所测器件的无磁场磁化翻转图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器。本发明利用自旋轨道转矩的原理，将通入的电荷流转换为自旋流，通过Pt的强自旋轨道耦合将自旋流注入到铁磁层中，从而对铁磁层施加转矩。并设计先进的多层薄膜结构，通过直接梯形Ru来调控双层钴铂之间的层间交换耦合，实现无磁场的磁化翻转。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、基于自旋轨道转矩无磁场翻转的钴铂钌钴铂磁存储器

1)给器件X方向通入交流电，在器件面外上通入控制电压，令待测磁场方向与器件X方向保持一致，可在Y方向两电极处可采集到电压，即可得相应器件的磁滞回线。

2)给器件X方向通入幅值不断增大的脉冲电流，每增加一次脉冲电流的大小，就记录一次霍尔电阻的值，当霍尔电阻的值随着脉冲电流增大而跳变进而形成回路时，即可理解为磁存储状态的切换，进而实现无磁场的磁存储操作。

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，基于SOT磁随机存储器采用的是三端式读/写方法：两个写入端和一个读取端。其中读取路径和写入路径是相互独立且相互垂直的，互不干扰且可以分别对写入路径和读取路径进行优化，实现更小、更快、更高效、更稳定的存储。

如图2所示，所述的缓冲层为缓冲材料Ta，厚度应为1nm，使薄膜层与衬底层之间更好地黏附，提高薄膜的平整度。所述导电层应为导电材料Pt，厚度为5.5nm。作用是将通入的电荷流转换为自旋流，通过Pt的强自旋轨道耦合将自旋流注入到铁磁层中，从而对铁磁层施加转矩。所述的薄膜层由CoPtRuCoPt五层构成，Co的厚度为0.8nm，Pt的厚度为0.2nm，Ru层为直角梯形结构，Ru层的厚度为0.6-1.4nm，直角梯形结构两侧高度差为0.1-0.2nm。双层钴铂Co(0.8)Pt(0.2)Co(0.8)Pt(0.2)薄膜具有较强的PMA，在它们之间加一层直角梯形Ru，改变直角梯形Ru的厚度，可调整双层钴铂之间的层间交换耦合，并打破空间反演对称性，从而实现无磁场的磁化翻转。所述的保护层材料为Ta，厚度应为3nm，保护底部的薄膜不被氧化，提高器件的稳定性。

如图3所示，所述Hall Bar结构为中央十字架部分，电流端(X)和电压端(Y)的长度均为10×100μm。还有四个电极区域用来引线绑定接至测试端口。所长薄膜经光刻工艺仅留在中间十字架部分，这种结构设计有利于磁化翻转。

如图4所示，所述器件CoPtRuCoPt的磁滞回线。当施加面外方向的磁场时，所施加的磁场先由-3500(Oe)增大至3500(Oe)，再由350O(Oe)减小至-3500(Oe)。可以明显的观测到，样品具有非常强的垂直磁各向异性，表明该器件适合作为磁存储器的候选者。

如图5所示，当器件X方向上施加幅值不断增大的脉冲电流时，电压电流两端采集到的霍尔电阻信号。可以观察到，当施加脉冲电流大小到±35mA时，霍尔电阻发生了剧烈的变化，磁存储状态在自旋向上和自旋向下之间转变。此外，此次磁化翻转是在没有外加面内场辅助的情况下完成的，即无磁场翻转。可以推测无磁场翻转是通过Ru来调控双层钴铂之间的层间交换耦合，并打破空间反演对称性实现的。