单向写入磁电耦合磁存储器、制备方法及磁存储器的阵列连接电路

本公开涉及磁性存储，尤其涉及一种单向写入磁电耦合磁存储器、制备方法及磁存储器的阵列连接电路。

背景技术：

1、磁性存储器作为新型存储器之一，具有高速高、高稳定性、高耐久等优势。但磁隧道结的翻转过程需要双极性电流，通过由于晶体管源极退化，导致较大的写入不对称性。例如现有的sot-mram的技术，针对于sot-mram高能效翻转等方面做了许多改进与完善。专利（us11264562）公开了一种通过磁电耦合效应翻转自由层mtj（磁性隧道结）的技术，用电压翻转多铁层极性带动自由层翻转，但器件串入绝缘多铁层无法实现阻值正常读取。专利（us11600659）公开了一种压电调控自由层势垒的mtj技术。但应变传递效果有限，通过金属层较难传递，且增加额外电极，不利于集成。专利（us20240023347）公开了采用共自旋轨道耦合层的mtj技术。但stt选通对器件耐久有损失，且器件需要双极性写入。专利（cn115802871）公开了一种磁电耦合选通的mtj技术，能耗低，但器件需要双极性写入，且无法正常读取阻值。

技术实现思路

1、有鉴于此，需要研究一种单向写入的磁电耦合磁存储器、制备方法及磁存储器的阵列连接电路，至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一，提高器件的可靠性，同时兼顾磁存储器的读取裕度和高密度高能效发展需求。

2、为了实现上述目的，本公开的技术方案如下：

3、根据本公开一个方面的实施例，提供了一种单向写入磁电耦合磁存储器，包括：自旋轨道耦合层；磁电耦合层单元，包括分别对称形成于自旋轨道耦合层上下两侧的第一磁电耦合层和第二磁电耦合层；自由层单元，包括分别对称形成于第一磁电耦合层外的第一自由层和第二磁电耦合层外的第二自由层；势垒层单元，包括分别对称形成于第一自由层外的第一势垒层和第二自由层外的第二势垒层；参考层单元，包括分别对称形成于第一势垒层外的第一参考层和第二势垒层外的第二参考层；钉扎层单元，包括分别对称形成于第一参考层外的第一钉扎层和第二参考层外的第二钉扎层；顶电极单元，包括分别形成于第一钉扎层和第二钉扎层外的顶电极；读电极单元，包括分别形成于第一自由层和第二自由层两端的读电极；以及写电极单元，包括分别形成于自旋轨道耦合层两端的写电极。

4、根据本公开实施例，势垒层单元、参考层单元、钉扎层单元、以及顶电极单元均为分段设置以使得形成多个mtj单元。

5、根据本公开实施例，所述自旋轨道层的厚度为1-20nm，制备材料选自pt、ta、w、irmn、femn、ptmn、pdmn、cuox、tiox、bise、bi0.9sb0.1、(bi,sb)2te3、srtio3/laalo3、srtio3/alox、ktao3/laalo3、ktao3/lavo3、sriro3、mote2、ptse2、ptte2、wte2；

6、第一磁电耦合层和第二磁电耦合层的厚度为2-100nm，制备材料选自bifeo3、bilafeo3、tbmno3、mbtio3、camno3、lumno3、basrmno3；

7、自由层单元、参考层单元均具有垂直磁各向异性，各层厚度为0.5-10nm；制备材料选自cofeb、cofe、co/pt、cofeal、co/pd；

8、第一势垒层和第二势垒层的厚度为0.5-3nm，制备材料选自mgo、al2o3、mgalo；

9、第一钉扎层和第二钉扎层的厚度为1-10nm，具有强垂直磁各向异性，制备材料选自co/pt，cofeb、cofe、cofeal、co/pd、irmn、femn、ptmn；

10、顶电极单元、读电极单元、写电极单元的厚度为2-200nm，制备材料选自ru，ta，ti，cr，pt，au，cun，tin。

11、根据本公开实施例，通过mtj单元的压控可以翻转局部磁电耦合层单元的极性，调制交换偏置场的方向，实现单向写入；自旋轨道耦合层产生的自旋流可以通过磁电耦合层单元中的磁振子传递到自由层单元。

12、根据本公开实施例，磁电耦合层单元的极化方向通过顶电极和写电极间加电压翻转，同时改变交换偏置场方向。

13、根据本公开实施例，磁存储器可以通过自旋轨道耦合层单向电流一步写入阻态。

14、根据本公开实施例，磁存储器共用自由层单元实现mtj阻态的正常读取。

15、根据本公开实施例，读取时可以在mtj单元对应的顶电极和自由层单元两端的读电极之间施加小电流，通过tmr效应读取。

16、本公开的另一方面，提供一种以上任一项所述的磁存储器的制备方法，包括：在设计好互连的晶圆上磁控溅射沉积膜堆，包括：金属、第二钉扎层、第二参考层、第二势垒层；离子束/反应离子束刻蚀柱状结构，并磁控溅射沉积绝缘材料隔离；离子束/反应离子束刻蚀槽状结构，并磁控溅射/电子束蒸发金属电极；磁控溅射沉积第二自由层、第二磁电耦合层、自旋轨道耦合层、第一磁电耦合层、第一自由层、第一势垒层、第一参考层、第一钉扎层、金属电极；离子束/反应离子束刻蚀柱状结构，并磁控溅射沉积绝缘材料隔离；离子束/反应离子束刻蚀通孔结构，并磁控溅射/电子束蒸发金属电极；离子束/反应离子束刻通孔结构，并磁控溅射沉积绝缘材料隔离；离子束/反应离子束刻蚀通孔结构，并磁控溅射/电子束蒸发金属电极。

17、本公开的又一方面，还提供一种磁存储器的阵列连接电路，包括：以上所述的磁存储器；写控制晶体管、读控制晶体管；以及字线、写字线、读字线、位线、写位线、源线。

18、根据本公开的实施例，通过磁电耦合层可以调控mtj单元的交换偏置场，实现单极性写入。除此之外，对称复用自旋轨道耦合层可以大幅度提高器件的存储密度。通过上述技术方案，本发明可以达到如下技术效果：

19、首先，在自旋轨道耦合层和自由层之间，沉积磁电耦合层，通过mtj单元的压控可以翻转局部磁电耦合层的极性，调制交换偏置场的方向，实现单向写入；自旋轨道耦合层产生的自旋流可以通过磁电耦合层中的磁振子传递到自由层。

20、第二，对称制备多mtj单元，提高存储密度。

21、第三，共用自由层，使mtj单元阻值可以正常读取。

技术特征：

1.一种单向写入磁电耦合磁存储器，包括：

2.根据权利要求1所述的磁存储器，势垒层单元、参考层单元、钉扎层单元、以及顶电极单元均为分段设置以使得形成多个mtj单元。

3.根据权利要求1所述的磁存储器，其中：

4.根据权利要求1-3任一项所述的磁存储器，通过mtj单元的压控可以翻转局部磁电耦合层单元的极性，调制交换偏置场的方向，实现单向写入；自旋轨道耦合层产生的自旋流可以通过磁电耦合层单元中的磁振子传递到自由层单元。

5.根据权利要求4所述的磁存储器，磁电耦合层单元的极化方向通过顶电极和写电极间加电压翻转，同时改变交换偏置场方向。

6.根据权利要求1所述的磁存储器，可以通过自旋轨道耦合层单向电流一步写入阻态。

7.根据权利要求1所述的磁存储器，共用自由层单元实现mtj阻态的正常读取。

8.根据权利要求7所述的磁存储器，读取时可以在mtj单元对应的顶电极和自由层单元两端的读电极之间施加小电流，通过tmr效应读取。

9.一种权利要求1-8任一项所述的磁存储器的制备方法，包括：

10.一种磁存储器的阵列连接电路，包括：

技术总结本公开提供了一种单向写入磁电耦合磁存储器，包括：自旋轨道耦合层；磁电耦合层单元，包括分别对称形成于自旋轨道耦合层上下两侧的第一磁电耦合层和第二磁电耦合层；自由层单元，包括分别对称形成于第一磁电耦合层外的第一自由层和第二磁电耦合层外的第二自由层；势垒层单元，包括分别对称形成于第一自由层外的第一势垒层和第二自由层外的第二势垒层；参考层单元，包括分别对称形成于第一势垒层外的第一参考层和第二势垒层外的第二参考层；钉扎层单元，包括分别对称形成于第一参考层外的第一钉扎层和第二参考层外的第二钉扎层；顶电极单元，读电极单元，以及写电极单元。同时还提供上述磁存储器的制备方法及磁存储器的阵列连接电路。技术研发人员：邢国忠,王迪,刘龙,罗庆,李泠受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所技术研发日：技术公布日：2024/12/2