CN109449285A - 一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及其制造方法，将磁阻隧道结设置于沿自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，这样，当在自旋轨道耦合层中通入自旋电流源时，会在自旋轨道耦合层的两侧产生奥斯特场，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，而在奥斯特场的作用下实现磁矩的上下定向翻转，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SOT‑MRAM中磁矩的定向翻转。

Description

一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及其制造方法

技术领域

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转矩磁阻式随机存储器及其制造方法。

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。

自旋轨道转矩磁阻式随机存储器(SOT-MRAM，Spin-Orbit TorqueMagnetoresistive Random Access Memory)，是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。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。

发明内容

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

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器，包括：

自旋轨道耦合层；

磁阻隧道结，位于所述自旋轨道耦合层中部且沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。

可选地，所述自旋轨道耦合层为金属层或拓扑绝缘体层。

可选地，所述金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。

可选地，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB或FePt。

可选地，所述磁阻隧道结为条形，且所述条形沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源的方向延伸。

一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的制造方法，包括：

形成自旋轨道耦合层；

在所述自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，所述磁阻隧道结位于所述自旋轨道耦合层中部且沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，所述磁阻隧道结由下至上依次包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。

可选地，所述在所述自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，包括：

在所述自旋轨道耦合层上依次生长第一磁性层、遂穿层和第二磁性层；

进行所述第一磁性层、遂穿层和第二磁性层的刻蚀，以形成磁阻隧道结。

可选地，所述自旋轨道耦合层为金属层或拓扑绝缘体层。

可选地，所述金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。

可选地，所述磁阻隧道结为条形，且所述条形沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源的方向延伸。

本发明实施例提供的自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及其制造方法，将磁阻隧道结设置于沿自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，这样，当在自旋轨道耦合层中通入自旋电流源时，会在自旋轨道耦合层的两侧产生奥斯特场，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，而磁阻隧道结放置于自旋轨道耦合层的边缘处，该处的奥斯特场最强，在奥斯特场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SOT-MRAM中磁矩的定向翻转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的俯视结构示意图；

图2示出了图1中AA向的剖面结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的工作原理示意图；

图4示出了根据本发明实施例自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的制造方法的流程示意图；

图5-7示出了根据本发明实施例的制造方法形成存储器的过程中存储器的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

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，更利于自旋轨道转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转矩磁阻式随机存储器，即SOT-MRAM，将磁阻隧道结设置于沿自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，这样，当在自旋轨道耦合层中通入自旋电流源时，会在自旋轨道耦合层的两侧产生奥斯特场，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，而在奥斯特场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SOT-MRAM中磁矩的定向翻转。

参考图1和图2所示，该SOT-MRAM包括：

自旋轨道耦合层100；

磁阻隧道结110，位于所述自旋轨道耦合层100中部且沿所述自旋轨道耦合层100中的自旋电流源I方向一侧的边缘上，所述磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106。

其中，自旋轨道耦合层100为具有自旋-轨道耦合效应的材料制成，通常地，自旋轨道耦合层100可以为具有自旋耦合效应的金属层或拓扑绝缘体层，优选地，可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料，金属层的材料例如可以为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW等，拓扑绝缘体层的材料例如可以为BiSn、SnTe、BiSe，等或其他IVA、VA及VIA族化合物中的一种。

在本申请中，磁阻隧道结110位于自旋轨道耦合层100中部且沿所述自旋轨道耦合层100中的自旋电流源I方向一侧的边缘上，也就是说，磁阻隧道结110沿着自旋轨道耦合层100的一个边沿设置，且该边沿为自旋轨道耦合层100中的自旋电流源I方向一侧的边沿，同时，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100，参考图1所示。其中，自旋电流源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。

可以根据需要设置磁阻隧道结110的形状和大小，在优选的实施例中，阻隧道结110的形状可以为条形，该条形沿自旋轨道耦合层中的自旋电流源I的方向延伸，也就是说，条形中具有较大尺寸的边沿着自旋轨道耦合层中的自旋电流源I的方向延伸。需要说明的是，此处自旋电流源I方向是指该自旋电流源I的电流方向所在的维度。

在本申请实施例中，磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，第一磁性层102和第二磁性层106由具有垂直各向异性的铁磁材料形成，铁磁材料可以为单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物等，例如可以为Co、Fe、CoFeB或FePt等硬磁材料。根据具体的需要，第一磁性层102和第二磁性层106可以为相同或不同的材料。

遂穿层104位于第一磁性层102和第二磁性层106之间，可以由非磁金属或绝缘材料制成，非磁金属例如可以为Cu或Ag，绝缘材料例如可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪等。

进一步地，磁阻隧道结110还可以包括第二磁性层106之上的钉扎层108，钉扎层108用于固定磁化方向，为了便于描述，该第二磁性层106之上的钉扎层108可以记做顶部钉扎层，还可以在第一磁性层102与可以磁阻隧道结110之间也设置底部钉扎层，钉扎层的材料例如可以为CoPt多层膜人工反铁磁等。

以上对本申请实施例的SOT-MRAM结构进行了描述，可以理解的是，在具体的应用中，SOT-MRAM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。

为了更好地理解本申请的技术效果，以下将结合图3对本申请实施例的SOT-MRAM的磁矩翻转的原理进行描述，图3示出了根据本发明实施例自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的工作原理示意图，在对SOT-MRAM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奥斯特场B的作用，在断电的同时磁矩翻转到和奥斯特场相同的方向，实现定向翻转。

在随机存储器利用电流写入的过程中，仅在奥斯特场的作用下，写入电流会非常大，能耗高，存储密度非常低。而仅仅仅在自旋轨道耦合作用下，利用较小的电流可以使磁矩翻转到水平方向，但在撤掉电流的时候，磁矩会随机翻转到上或下两个方向，不能定向翻转。本发明实施例中，当自旋轨道耦合层通入电流时，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，同时在自旋轨道耦合层产生奥斯特场，由于将磁阻隧道结放置于自旋轨道耦合层的边缘处，在该边缘的奥斯特场处为垂直方向，该处的奥斯特场最强，由于该奥斯特场的存在，在电流撤掉时，磁矩会倾向于翻转到沿奥斯特场的方向，实现磁矩在较小电流下的定向翻转。

在具体的应用中，上述的SOT-MRAM可以以阵列形式排布，形成SOT-MRAM的存储阵列，该存储阵列可以独立或集成于使用SOT-MRAM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。

以上对本申请实施例的SOT-MRAM结构及其原理进行了详细的描述，此外，本申请还提供了上述SOT-MRAM的制造方法，以下将结合流程图4对具体的实施例进行详细的描述。

参考图4所示，在步骤S201，形成自旋轨道耦合层100，参考图5所示。

在具体的实施例中，可以采用PVD(物理气相沉积)的方法生长例如Ta、Pt等金属材料的自旋轨道耦合层100，其厚度例如可以为3-5nm。

在另一些实施例中，还可以采用MBE(分子束外延生长)的方法生长例如BiSn、SnTe等拓扑绝缘体材料的自旋轨道耦合层100，其厚度例如可以为3-10nm。

在步骤S202，在所述自旋轨道耦合层100上形成磁阻隧道结110，所述磁阻隧道结110位于所述自旋轨道耦合层100中部且沿所述自旋轨道耦合层100中的自旋电流源I方向一侧的边缘上，所述磁阻隧道结110由下至上依次包括第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，参考图7所示。

在具体的实施例中，首先，在所述自旋轨道耦合层100上依次生长第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108，参考图6所示。

可以采用溅射或其他合适的方式，依次生长例如Co/CoFeB等的第一磁性层102、MgO的遂穿层104、Co/CoFeB等的第二磁性层102，以及CoPt多层膜的人工反铁磁钉扎层108，厚度依次可以为1nm左右，0.8nm，1nm，4-6nm。

而后，进行第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108的刻蚀，直至自旋轨道耦合层100，在自旋轨道耦合层100中部的一侧边缘处形成磁阻隧道结110，参考图7所示。

具体的，可以在上述钉扎层108上形成光刻胶层，利用光刻技术将磁阻隧道结110的图案转移至光刻胶层中，例如可以为条形的磁阻隧道结110的图案，该图案设置于自旋轨道耦合层100中部的一侧边缘处，而后，可以利用离子束刻蚀技术，对第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108依次进行刻蚀，并以自旋轨道耦合层100为刻蚀停止层，而后，利用酸法刻蚀将光刻胶层去除。

这样，就形成了本申请实施例的SOT-MRAM，根据需要，还可以进行其他部件的加工，例如保护层、电极等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器，其特征在于，包括：

自旋轨道耦合层；

磁阻隧道结，位于所述自旋轨道耦合层中部且沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。

2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述自旋轨道耦合层为金属层或拓扑绝缘体层。

3.根据权利要求2所述的存储器，其特征在于，所述金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。

4.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB或FePt。

5.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述磁阻隧道结为条形，且所述条形沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源的方向延伸。

6.一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器的制造方法，其特征在于，包括：

形成自旋轨道耦合层；

在所述自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，所述磁阻隧道结位于所述自旋轨道耦合层中部且沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源方向一侧的边缘上，所述磁阻隧道结由下至上依次包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述在所述自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，包括：

在所述自旋轨道耦合层上依次生长第一磁性层、遂穿层和第二磁性层；

进行所述第一磁性层、遂穿层和第二磁性层的刻蚀，以形成磁阻隧道结。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述自旋轨道耦合层为金属层或拓扑绝缘体层。

9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述金属层的材料为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW。

10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述磁阻隧道结为条形，且所述条形沿所述自旋轨道耦合层中的自旋电流源的方向延伸。