一种基于隧道磁电阻的压控存储单元的实现方法

技术领域

本发明涉及磁存储技术领域，更具体地是涉及一种基于隧道磁电阻的压控存储单元的实现方法技术领域。

背景技术

磁存储技术是以磁性薄膜存储单元为核心实现的。在同一存储单元上通过适当手段调制可以得到高/低不同的两种磁电阻状态，则可利用该效应实现存储信息“1”、“0”。而磁性薄膜的磁电阻值可随外磁场变化呈现出高、低不同的磁电阻状态的现象被称为磁电阻效应。目前常见的磁电阻效应有各向异性磁电阻、巨磁电阻、隧道磁电阻等，利用这些磁电阻效应已实现了多种磁存储。

其中，以隧道磁电阻为核心的磁性随机存储器具有高密度、快速读写、非易失性等优势，已经成为目前最具潜力的存储器件。磁性隧道结的基本结构为自由层/氧化物势垒层/固定层。在该结构中，自由层磁性材料为一层具有较小矫顽场的磁性薄膜，通过改变外场可调控自由层磁矩的取向，而固定层可选用矫顽场大的磁性材料或采用铁磁/反铁磁交换双层膜作为固定层，使得固定层中的磁矩在存储过程中不被外场所调制。

由此，可分别得到自由层与固定层之间平行和反平行的取向状态。根据隧道磁电阻效应规律，隧道结可分别得到低电阻态和高电阻态，从而实现信息存储。目前，磁性随机存储器的信息写入采用电流产生的磁场或自旋流实现磁矩取向的调制。利用电流产生的磁场实现写入的技术面临功耗大和难以实现高密度的挑战。利用穿过隧道结的自旋流写入的方法面临大的写电流通过隧道结时的发热问题带来的写入寿命降低问题。这些都阻碍了上述磁存储芯片器件的发展。

为解决这一问题，可用电压代替电流来调控存储单元自由层取向，在隧道结中实现信息的写入。这一方式可以有效降低信息写入过程中的功耗，具有广阔的应用前景。目前基于磁电异质结引入的磁电耦合作用，是实现电场调控磁矩翻转的最简单方法。但根据磁弹耦合作用机理，电场调控铁磁层磁矩的转动角度被限制在90°以内,目前许多基于该效应的专利(如中国台湾专利TWI665667B、中国发明专利CN110137344A等)都仅能实现90°以内的磁矩翻转。而对于磁性隧道结，两层铁磁层的平行态和反平行态的调制需要自由层实现180°磁化翻转。因而目前基于磁电耦合效应需要外加辅助磁场或自旋流辅助才能使磁矩实现180°翻转。但这些辅助场的引入仍会带来一定的能耗，如能完全应用磁电耦合机制，实现全电压模式调控磁性层磁矩的180°翻转，将进一步推进隧道结磁存储单元的超低能耗发展，满足应用的需求。

因此，本发明正是着手解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于隧道磁电阻的压控存储单元的实现方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于隧道磁电阻的压控存储单元的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：选用压电磁存储的压电伸缩层，所述压电伸缩层能实现在其上下表面加电压时，无论是正电压还是负电压，该压电伸缩层的晶轴方向均产生负应变，[001]晶轴方向设为x方向；

步骤2：在压电伸缩层上表面制备磁性隧道结薄膜，从压电伸缩层上依次制备缓冲层、自由层、氧化物势垒层、固定层和反铁磁层；其中，在施加电压时自由层磁矩由于磁电耦合效应会根据磁弹耦合能的大小发生转动，而固定层磁矩则基本不受影响；

步骤3：在压电伸缩层上表面制备一对电极D1、D2，两个电极大小相同，相互平行并分布在隧道结两侧，两个电极中心连线为x’方向，在面内偏离x 轴45°方向，与x’垂直的方向设为y’方向，偏离x轴135°方向；

同时，在压电伸缩层下电极板表面制备另一电极D3，电极材料可以选择Cu、 Ag、Au；其中电极板及电极材料的选择应遵循具有良好导电性和较小的剪切强度，以减小对压电伸缩层性能的影响；

步骤4：当用于隧道结制备的自由层磁性材料磁致伸缩系数为正时，在初始状态下，将自由层磁性薄膜的初始磁矩设置在x轴正方向,通过对D1、D3这一对电极施加电压，因为逆磁电耦合效应自由层的初始磁矩可转向y轴方向，对D1、D2这一对电极施加正、负电压可使自由层的初始磁矩分别转向x’、y’方向；

当用于隧道结制备的自由层磁性材料磁致伸缩系数为负时，在初始状态下，将自由层磁性薄膜的初始磁矩设置在y轴正方向，通过对D1、D3这一对电极施加电压，因为逆磁电耦合效应自由层的初始磁矩可转向x轴方向，对D1、D2 这一对电极施加正、负电压可使自由层的初始磁矩分别转向y’、x’方向。

作为一种可选的技术方案，所述步骤1中，压电伸缩层采用的压电材料包括但不限于PMN-PT、PZN-PT。

作为一种可选的技术方案，采用真空镀膜工艺在该压电伸缩层的下电极板表面适当位置沉积Au，作为对压电伸缩层施加电压的底电极D3；对压电伸缩层施加电压时，压电伸缩层产生的应变是易失性的。

作为一种可选的技术方案，所述步骤2中，在薄膜制备过程中可施加诱导磁场H以设定自由层的易磁化轴方向，设自由层的易轴沿x轴方向。

作为一种可选的技术方案，所述步骤3中，采用标准lift-off光刻工艺制备面内电极D1和D2，两个电极中心线方向为面内偏离x轴45°方向，设为x’方向，y’方向垂直于x’方向，为面内偏离x轴135°方向；

采用磁控溅射设备制备Au作为电极薄膜，薄膜溅射完成后采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶。

作为一种可选的技术方案，自由层和固定层为磁性材料，可选材料包括但不限于CoFe、Co、CoFeB、NiFe，其中，自由层的矫顽场应小于固定层，且自由层应选用具有大磁滞伸缩的磁性材料保证磁电耦合的响应。

作为一种可选的技术方案，当自由层磁性薄膜的初始磁矩设置在x轴正方向；当对压电伸缩层上的D1、D2这一对电极施加正电压时，闭合开关K1及K2；负极接D3，这时D1、D2这对电极之间的区域会产生局域正应变，使得磁矩偏离x轴方向取向两个电极中心连线x’方向，即偏离x轴45°方向；而后断开电极D2的连接，打开开关K2，对D1、D3电极施加正电压，根据所选压电伸缩层的压电效应，此时会沿压电伸缩层晶轴方向产生负应变，通过逆磁电耦合效应，此时自由层磁矩会受到该应变的作用转向y方向，即偏离x轴90°；

而后对D1、D2这一对电极施加负电压，闭合开关K1及K2，正极接D3，这时D1、D2这对电极之间的区域会产生局域负应变，使得磁矩转向垂直于D1、 D2电极中心线的方向y’方向，即偏离x轴135°；而后断开电极D1、D2的连接，去掉电压，此时自由层磁矩会回到初始易磁化轴的负方向，即180°方向，由此实现了自由层磁矩从0°到180°的翻转。

作为一种可选的技术方案，当要实现自由层磁矩180°到0°翻转时，首先对电极D1、D2施加正电压，负极接D3，这时D1、D2这对电极之间的局域正应变使磁矩偏离x轴负方向取向两个电极中心连线x’方向，即225°方向；而后断开电极D2的连接，对D1、D3电极施加正电压，此时x方向产生负应变，自由层磁矩会转向y轴方向，即270°方向；

然后对D1、D2这一对电极施加负电压，正极接D3，这时D1、D2这对电极之间的局域负应变使得磁矩转向y’方向，即315°方向；而后断开电极D1、 D2的连接，去掉电压，此时自由层磁矩会回到初始易磁化轴的正方向，即360°或0°方向；由此实现了自由层磁矩可逆、可重复的180°翻转。

作为一种可选的技术方案，当自由层磁性薄膜的初始磁矩设置在y轴正方向，即面内90°方向；当对基片上D1、D2这一对电极施加正电压时，负极接 D3，这时D1、D2这对电极之间的区域会产生局域正应变，使得磁矩偏离y轴方向取向垂直于电极中心连线的y’方向，即135°方向；而后断开电极D2的连接，对D1、D3电极施加正电压，此时沿压电伸缩层晶轴方向产生负应变，通过逆磁电耦合效应，此时自由层磁矩会受到该应变的作用转向x方向，即180°方向；

然后对D1、D2这一对电极施加负电压，正极接D3，这时D1、D2这对电极之间的区域会产生局域负应变，使得磁矩转向电极中心线x’方向，即225°方向；而后断开电极D1、D2的连接，去掉电压，此时自由层磁矩会回到初始易磁化轴的负方向，即270°方向，由此实现了自由层磁矩180°翻转。

作为一种可选的技术方案，对电极D1、D2施加正电压，负极接D3，这时 D1、D2这对电极之间的局域正应变使磁矩偏离y轴负方向取向y’方向，即 315°方向；而后断开电极D2的连接，对D1、D3电极施加正电压，此时x方向产生负应变，自由层磁矩会转向x轴方向，即0°方向；

然后对D1、D2这一对电极施加负电压，正极接D3，这时D1、D2这对电极之间的局域负应变使得磁矩转向x’方向，即45°方向；而后断开电极D1、D2 的连接，去掉电压，此时自由层磁矩会回到初始易磁化轴的正方向，即90°方向；由此实现了自由层磁矩可逆、可重复的180°翻转；

因此，通过利用这对电极施加不同序列的电压可使磁矩达到不同的调控效果，实现自由层磁矩在面内180°翻转，由此获得高/低磁电阻态的切换。

本发明的有益效果如下：

1.本发明利用铁磁/铁电之间的逆磁电耦合效应调控铁磁层的磁矩，并通过施加逆磁电耦合效应电极对的有效配合，实现了纯电压调控的超低功耗磁存储单元。

2.基于磁性隧道结/压电伸缩层组成的多铁异质结构，在压电伸缩层上表面即隧道结同一平面内设计一对面内电极，且在基片下表面制备一底电极，利用上表面内单个电极及底电极对压电伸缩层垂直方向施加电压，利用逆磁电耦合效应可使隧道结自由层磁矩实现偏离初始磁矩取向90°内的转动；在此基础上利用面内一对电极施加正、负电压从而引入局域应变，可使磁矩分别转向初始磁矩45°和135°方向，以此辅助磁矩克服90°方向的翻转势垒。由此，以一定规律施加电压即可实现磁矩可逆、可重复的180°翻转，得到自由层与固定层之间平行态与反平行态的调制，实现最大的隧道磁电阻调控，有利于发展低功耗的压控磁存储器件。

3.本发明在压电伸缩层的上表面引入一对小尺寸面内电极，仅占用较小的面积，有利于后续匹配集成磁性随机存储器的结构，在超低功耗的压控磁存储的实际应用方面具有巨大的潜力。

附图说明

图1是实施例磁性隧道结多层膜的结构截面示意图；

图2是实施例磁性隧道结存储单元的三维结构示意图；

图3是磁性隧道结平行态和反平行态切换过程中自由层磁矩的转动示意图；

图4是施加不同电压得到的高/低磁电阻态；

附图标记：1-下电极板；2-压电伸缩层；3-缓冲层；4-自由层；5-氧化物势垒层；6-固定层；7-反铁磁层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1到4所示，本实施例提供一种基于隧道磁电阻的压控存储单元的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：选用常规PMN-PT(011)压电材料作为压电伸缩层2。采用真空镀膜工艺在该基片的下电极板表面适当位置沉积Au(300nm)，作为对基片施加电压的底电极D3。对压电伸缩层2施加电压时，压电伸缩层2产生的应变是易失性的。

步骤2：将基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片的上表面沉积Ta(5nm)/CoFeB(3nm)/MgO(2nm)/CoFeB(3nm)/IrMn(15nm)隧道结薄膜层，分别是缓冲层3/自由层4/氧化物势垒层5/固定层6/反铁磁层7，结构如图1所示。在薄膜沉积过程中沿基片晶轴[001]方向施加诱导磁场H，使自由层 3的易磁化轴和反铁磁层7的钉扎方向诱导在[001]方向(设为x轴方向)。将制备完成的样品采用光刻技术微加工成小尺寸圆形隧道结，直径为10μm。

步骤3：采用标准lift-off光刻工艺制备面内电极D1和D2，两个电极中心线方向为面内偏离x轴45°方向，设为x’方向，y’方向垂直于x’方向，为面内偏离x轴135°方向。采用磁控溅射设备制备Au(50nm)作为电极薄膜，薄膜溅射完成后采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶，其结构示意图如图2所示，图 2是实施例磁性隧道结存储单元的结构示意图；其中，基片中间位置的圆柱是隧道结MTJ，D1，D2，D3是对基片施加电压E的电极。

步骤4：图3是磁性隧道结平行态和反平行态之间切换的示意图，当从平行态调控到反平行态时，首先对电极D1、D2施加+200V电压，负极接D3，D1、 D2两电极中间区域会产生正应变，因为选用的铁磁层为CoFeB，具有正磁致伸缩系数，沿x’方向会产生一个等效磁场，隧道结自由层3的磁矩受到有效磁场的影响转向x’方向，即面内偏离x轴45°方向；随后断开电极D2的连接，对D1、D3施加+400V电压，根据压电伸缩层的逆压电效应，沿x方向会产生负应变，通过逆磁电耦合效应，自由层3磁矩会转向y方向(即偏离x轴90°)；然后对D1、D2这一对电极施加-200V电压，正极接D3，这时D1、D2这对电极之间的区域会产生局域负应变，使得磁矩转向y’方向，即偏离x轴135°；而后断开电极D1、D2的连接，去掉电压，此时自由层3磁矩会回到初始易磁化轴的负方向，即180°方向，由此实现了自由层3磁矩从0°到180°的翻转，与固定层5成为反平行态。接着，对电极D1、D2施加+200V电压，负极接D3，这时D1、D2这对电极之间的局域正应变使磁矩偏离x轴负方向取向x’方向(即 225°方向)；而后断开电极D2的连接，对D1、D3施加+400V电压，此时沿x 方向产生负应变，自由层3磁矩会转向y轴方向(即270°方向)；然后对D1、 D2这一对电极施加-200V电压，正极接D3，这时D1、D2这对电极之间的局域负应变使得磁矩转向y’方向，即315°方向；而后断开电极D1、D2的连接，去掉电压，此时自由层3磁矩会回到初始易磁化轴的正方向，即360°(0°)方向。自由层3重新回到与固定层5平行的状态，实现反平行态切换为平行态。图4展示了施加不同电压隧道磁电阻低/高阻态的切换，由此可实现压控隧道磁电阻存储，图4是施加不同电压得到的高/低磁电阻态；其中，对电极D1，D2， D3施加±200V电压，对电极D1，D3施加+400V电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。