一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及制备方法与流程

本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法。

背景技术：

随着存储技术以及电子技术的不断发展，随机存取存储器得到了广泛的应用，可以独立或集成于使用随机存取存储器的设备中，如处理器、专用集成电路或片上系统等。

自旋轨道矩磁阻式随机存储器(spin-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory，sot-mram)，是利用磁矩翻转进行随机存储的磁性随机存取存储器，具有高速读写能力、高集成度以及无限次重复写入的优点。在该器件中，利用自旋轨道耦合产生自旋流，进而诱导磁体的磁矩翻转，然而，磁矩在电流作用下的翻转方向是随机的，而有效的数据存取需要磁矩的定向翻转，如何实现磁矩的定向翻转是sot-mram的研究重点。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法，实现存储器中磁矩的定向翻转。

(二)技术方案

本发明提供了一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及制备方法，该存取器的结构包括：

一楔形自旋轨道耦合层；

一磁阻隧道结，位于所述楔形自旋轨道耦合层上，包括由下至上依次层叠的第一磁性层、隧穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。

优选地，楔形自旋轨道耦合层为金属层或拓扑绝缘体层，厚度为3nm-10nm。金属层采用的材料为ta、pt、w、hf、ir、cubi、cuir或auw，拓扑绝缘体层采用的材料为bisn、snte或bise。

优选地，磁阻隧道结为圆形、椭圆形或矩形。第一磁性层和第二磁性层采用的材料为co、fe、cofeb或fept，厚度为0.8nm-1.1nm。

优选地，隧穿层采用的材料为非磁金属或绝缘材料，厚度为0.5nm-3.0nm。非磁金属为cu或ag，绝缘材料al2o3、mgo或hfo2。

此外，磁阻隧道结还包括钉扎层，形成于所述第二磁性层之上，用于固定磁化方向。钉扎层采用的材料为mn基反铁磁性材料irmn或femn，或者为多层膜人工反铁磁co/pd材料，厚度为4nm-6nm。

同时，本发明还提供了一种制备该自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制备方法，具体包括：

形成一自旋轨道耦合层；

在自旋轨道耦合层上形成一磁阻隧道结；以及

对自旋轨道耦合层进行刻蚀，形成楔形自旋轨道耦合层；

其中，磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、隧穿层和第二磁性层，且第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。

其中，在自旋轨道耦合层上形成一磁阻隧道结，包括：在自旋轨道耦合层上依次形成第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；对所述第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀，形成磁阻隧道结。

优选地，第一磁性层和第二磁性层是通过溅射法形成；隧穿层是通过溅射法、原子层沉积或物理气相沉积形成；对第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀的步骤中，采用离子束刻蚀技术实现。

此外，该方法还包括：形成一钉扎层于所述第二磁性层之上，用于固定磁化方向。该钉扎层是通过溅射法形成；在形成磁阻隧道结的步骤中，采用离子束刻蚀技术对所述钉扎层进行刻蚀。

优选地，自旋轨道耦合层通过溅射法、物理气相沉积法或分子束外延方法形成于一衬底之上，该衬底为氧化硅衬底。

同时，首先形成一自旋轨道耦合层，对该自旋轨道耦合层进行刻蚀形成楔形自旋轨道耦合层，再在楔形自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，也可得到本发明提出的自旋轨道巨磁阻式随机存储器。

(三)有益效果

本发明提供的自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法，将磁阻隧道结设置于楔形的自旋轨道耦合层中，当在自旋轨道耦合层中通入电流源时，会在自旋轨道耦合层中产生自旋流及自旋流密度梯度，自旋流密度梯度引起一个自旋矩，该自旋矩在电流的作用下引起磁矩的定向翻转，翻转的方向可以通过自旋电流源的方向来控制，从而，实现了自旋轨道矩磁阻式随机存储器中磁矩的定向翻转。

附图说明

图1是根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的俯视结构示意图；

图2是沿图1中虚线的剖面结构示意图；

图3是根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制备流程图；

图4-6是根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的工艺流程图；

图7是根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的工作原理示意图。

【附图标记说明】

000：衬底

100：楔形自旋轨道耦合层

102：第一磁性层

104：隧穿层

106：第二磁性层

108：钉扎层

110：磁阻隧道结

i：自旋电流源

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术中的描述，利用磁矩翻转进行随机存储的磁性随机存取存储器，其具有高速读写能力、高集成度以及无限次重复写入的优点。然而，利用自旋轨道耦合产生自旋流，进而诱导磁体的磁矩翻转，磁矩在电流作用下的翻转方向是随机的，有效控制磁矩的定向翻转，才能有效的数据存取，更利于自旋轨道矩磁阻式随机存储器的集成和产业化。

为此，本申请提供了一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法，将磁阻隧道结设置于楔形的自旋轨道耦合层上。为进一步说明本发明提出的一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法，特举实施例进行说明。

首先，参考图1和图2所示，该自旋轨道矩磁阻式随机存储器包括楔形自旋轨道耦合层100和磁阻隧道结110，其中，磁阻隧道结110位于楔形自旋轨道耦合层100之上，包括由下至上依次层叠的第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106，其中第一磁性层102和第二磁性层106具有垂直各向异性。

其中，楔形自旋轨道耦合层100可以为金属层或拓扑绝缘体层，厚度为3nm-10nm。金属层采用的材料可以为ta、pt、w、hf、ir、cubi、cuir或auw，所述拓扑绝缘体层采用的材料可以为bisn、snte或bise。磁阻隧道结110可以为圆形、椭圆形或矩形。第一磁性层102和第二磁性层106采用的材料可以为co、fe、cofeb或fept，厚度为0.8nm-1.1nm；隧穿层104采用的材料可以为非磁金属或绝缘材料，厚度为0.5nm-3.0nm。非磁金属可以为cu或ag，绝缘材料可以为al2o3、mgo或hfo2。

磁阻隧道结110还包括钉扎层108，形成于第二磁性层106之上，用于固定磁化方向。钉扎层采用的材料可以为mn基反铁磁性材料irmn或femn，或者为多层膜人工反铁磁co/pd材料，厚度为4nm-6nm。

由于磁阻隧道结110位于楔形自旋轨道耦合层100中部，在沿自旋电流源i方向上，磁阻隧道结110的端部并没有完全的覆盖自旋轨道耦合层100。如图1所示，电流源i为诱导磁阻隧道结110中磁矩翻转时通入的电流，也就是写入信息时通入的电流，该电流通入至自旋轨道耦合层100中，这会在楔形自旋轨道耦合层中产生自旋流密度梯度，同时自旋轨道耦合层中产生自旋流，使得磁阻隧道结中的磁矩导向自旋轨道耦合层的平面内，而在自旋流密度梯度的作用下实现磁矩的定向翻转，翻转的方向可以通过自旋电流源的方向来控制，从而，实现了自旋轨道矩磁阻式随机存储器中磁矩的定向翻转。

以上对本申请实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器结构进行了描述，可以理解的是，在具体的应用中，自旋轨道矩磁阻式随机存储器还可以包括其他必要的部件，例如电极、磁阻隧道结110上的保护层等。

基于上述图1和2所示的自旋轨道矩磁阻式随机存储器，本发明还提供了一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制备方法，参照图3-6，具体包括以下步骤：

形成自旋轨道耦合层100；

在自旋轨道耦合层100上形成磁阻隧道结110；以及

对自旋轨道耦合层进行刻蚀，形成楔形自旋轨道耦合层；

其中，磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106，其中第一磁性层102和第二磁性层106具有垂直各向异性。

其中，在自旋轨道耦合层100上形成磁阻隧道结110步骤中，包括：在自旋轨道耦合层100上依次形成第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106；对第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106进行刻蚀，形成磁阻隧道结110。其中，第一磁性层102和第二磁性层106是通过溅射法形成；隧穿层104是通过溅射法、原子层沉积或物理气相沉积形成；对第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106进行刻蚀的步骤中，采用离子束刻蚀技术实现。

此外，该方法还包括：在第二磁性层106之上形成一钉扎层108，用于固定磁化方向。该钉扎层108是通过溅射法形成；在形成磁阻隧道结110的步骤中，采用离子束刻蚀技术对所述钉扎层108进行刻蚀。

其中，自旋轨道耦合层100通过溅射法、物理气相沉积法或分子束外延方法形成于一衬底000之上，该衬底为氧化硅衬底。

其中，在对自旋轨道耦合层100进行刻蚀，形成楔形自旋轨道耦合层的步骤中，楔形梯度(如图1所示的x、y，此处的楔形梯度用x/y表征)越大，定向翻转的效果越好。但是越大导致细端容易被电流烧坏，所以要优化楔形的梯度。

至此，本实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器制备完成，根据需要，还可以进行其他部件的加工，例如保护层、电极等。

上述图3-6所示的制备自旋轨道矩磁阻式随机存储器的实施例中，是先形成一自旋轨道耦合层，然后在自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，再对自旋轨道耦合层进行刻蚀形成楔形自旋轨道耦合层。在实际应用中，还可以首先形成一自旋轨道耦合层，对该自旋轨道耦合层进行刻蚀形成楔形自旋轨道耦合层，再在楔形自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结；或者，依次形成一自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层，先对自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀形成一楔形结构，再对楔形结构中的第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀形成磁阻隧道结，也可得到本发明提出的自旋轨道巨磁阻式随机存储器。

为了更好地理解本申请的技术效果，以下将结合图7对本申请实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的磁矩翻转的原理进行描述，图7示出了根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的工作原理示意图，在对自旋轨道矩磁阻式随机存储器写入信息时，自旋电流源i提供至自旋轨道耦合层中，由于自旋霍尔效应或rashba效应，自旋轨道耦合层中的自旋向上或自旋向下的电子会在自旋轨道耦合层100和第一磁性层102界面积累，自旋流会扩散到第一磁性层102中，使铁磁的磁矩翻转到面内。这时第一磁性层还受到自旋轨道耦合层产生的自旋流密度梯度的力矩的作用，实现定向翻转。

在具体的应用中，上述的自旋轨道矩磁阻式随机存储器可以以阵列形式排布，形成自旋轨道矩磁阻式随机存储器的存储阵列，该存储阵列可以独立或集成于使用自旋轨道矩磁阻式随机存储器存储阵列的设备中，设备例如处理器、专用集成电路或片上系统等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。