CN109904309B - 一种多态磁存储器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多态磁存储器及其制造方法，自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，沿磁阻隧道结一侧注入掺杂离子之后，进行热退火，从而，在自旋轨道耦合层所在平面内、垂直于电流方向上，在磁阻隧道结内的掺杂离子具有浓度的梯度变化，进而，在垂直于电流方向上形成对称性的破坏，当自旋轨道耦合层中通入电流时，无需外加磁场，磁阻随电流线性多态输出，实现多态存储，可以满足神经网络突触的硬件需求，应用至神经网络计算中。

Description

一种多态磁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，特别涉及一种多态磁存储器及其制造方法。
背景技术
随着人工智能技术的广泛应用，将存储技术应用于神经网络中成为研究的热点，神经网络中，依靠系统的复杂性，通过调整内部大量突触之间的相互连接关系，从而达到处理信息的目的。而通常的存储器只具有0和1两态的数据存储，若存储器具有更多数据状态的存储，即能够实现多态存储，则可以满足神经网络突触的硬件需求，进而应用至神经网络计算中。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多态磁存储器及其制造方法，实现存储器多态数据存储。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种多态磁存储器的制造方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上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；
沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子；
进行热退火。
可选地，所述沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子，包括：
在所述磁阻隧道结一侧上形成掩膜层；
进行离子注入，而后，去除所述掩膜层。
可选地，所述沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子，包括：
暴露出所述磁阻隧道结进行掺杂离子的注入，且注入方向与所述衬底的垂直方向具有夹角、所述注入方向在所述衬底上的投影与所述自旋耦合层中的电流方向为非平行。
可选地，所述热退火为焦耳热退火、退火炉退火或快速热退火。
可选地，所述掺杂离子包括N、As、Ar、Be或P。
可选地，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
一种多态磁存储器，包括：
自旋轨道耦合层；
位于所述自旋轨道耦合层之上的磁阻隧道结，所述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，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
其中，所述磁阻隧道结中具有掺杂离子，沿所述自旋轨道耦合层所在平面内电流方向的垂直方向，磁阻隧道结中掺杂离子的浓度由高变低。
可选地，所述掺杂离子包括N、As、Ar、Be或P。
可选地，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
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。
本发明实施例提供的多态磁存储器及其制造方法，自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，沿磁阻隧道结一侧注入掺杂离子之后，进行热退火，这样，在自旋轨道耦合层所在平面内、垂直于电流方向上，在磁阻隧道结内的掺杂离子具有浓度的梯度变化，进而，在垂直于电流方向上形成对称性的破坏，当自旋轨道耦合层中通入电流时，无需外加磁场，磁阻随电流线性多态输出，实现多态存储，可以满足神经网络突触的硬件需求，应用至神经网络计算中。
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的多态磁存储器的制造方法的流程图；
图2-6A示出了根据本发明实施例一的制造方法形成存储器的过程中存储器的结构示意图；
图7和图7A示出了根据本发明实施例二的制造方法形成存储器的过程中存储器的结构示意图；
图8示出了无离子注入的存储器以及根据本申请实施例制造方法形成的存储器的磁阻-电流曲线示意图。
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。
本申请提出了一种多态磁存储器的制造方法，基于自旋轨道耦合产生自旋流，进而诱导磁体的磁矩翻转，实现多态输出。为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合流程图对具体的实施例进行详细的描述。
实施例一
在本实施例中，在一侧的磁阻隧道结上形成掩膜层之后，进行离子注入，从而在磁阻隧道结一侧中注入离子，而后，进行热退火，使得磁阻隧道结中未注入掺杂离子的另一侧也扩散有少量的掺杂离子，从而，在自旋轨道耦合层所在平面内、垂直于电流方向上，在磁阻隧道结内的掺杂离子具有浓度的梯度变化。
参考图1所示，在步骤S01，提供衬底10，参考图2所示。
在本申请实施例中，衬底10主要起到支撑作用，可以为半导体衬底或其他衬底，半导体衬底例如可以为为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon OnInsulator)或GOI(绝缘体上锗，Germanium On Insulator)等。本实施例中，衬底10可以为硅衬底。
在步骤S02，在所述衬底上形成自旋轨道耦合层100，以及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，所述第一磁性层102和所述第二磁性层106具有垂直各向异性，参考图3所示。
在本申请实施例中，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。
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，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。
隧穿层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，进一步地，磁阻隧道结110还可以包括钉扎层108上的保护层109，保护层109起到防止磁性层被氧化的作用，保护层109通常可以为金属材料，例如Ta、Ru等。
在具体的实施例中，可以在生长自旋轨道耦合层100之后，参考图2所示，继续生长磁阻隧道结110的材料，而后，先进行自旋轨道耦合层100，再进行磁阻隧道结110的图案化，参考图3所示。
具体的，首先，依次生长自旋轨道耦合层100、第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108、保护层109，参考图2所示。
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。
而后，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的隧穿层104、Co/CoFeB等的第二磁性层106，以及CoPt多层膜的人工反铁磁钉扎层108，以及Ta的保护层109，厚度依次可以为1nm左右，0.8nm，1nm，4-6nm，4-6nm。
而后，进行保护层109、钉扎层108、第二磁性层106、隧穿层104、第一磁性层102、自旋轨道耦合层100的刻蚀，直至衬底10表面，形成图案化后的自旋轨道耦合层100；而后，继续进行保护层109、钉扎层108、第二磁性层106、隧穿层104、第一磁性层102的刻蚀，从而，在自旋轨道耦合层100上形成图案化的磁阻隧道结110，参考图3所示。
需要说明的是，在本申请中，自旋轨道耦合层100中的电流I为诱导磁阻隧道结110中磁矩翻转时通入的电流，也就是写入数据信息时通入的电流，此处电流I方向是指该电流I方向所在的维度。
为了便于描述，将该电流I方向记做自旋轨道耦合层的长度方向，在自旋轨道耦合层所在平面内，与电流I垂直的方向记做宽度方向Y。在具体的实施例中，自旋轨道耦合层100可以为条形通道结构，沿自旋轨道耦合层100的长度方向，磁阻隧道结110可以设置于自旋轨道耦合层100的中部，且磁阻隧道结110可以沿旋轨道耦合层100长度方向的中心轴对称设置。在具体的应用中，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，磁阻隧道结110的形状可以为条形，该条形可以与自旋轨道耦合层100具有基本相同或不同的宽度。
在步骤S03，沿所述磁阻隧道结110一侧注入掺杂离子112，参考图5(俯视图)和图5A(图5中AA向剖视图)所示。
在该步骤中，注入的掺杂离子可以是任何离子，优选地，注入的离子可以采用N、As、Be、Ar、P或B等，任意可以由现有的离子注入机提供注入的离子。此外，在注入时，可以根据具体的需要来选择所需注入的离子以及剂量，在一些应用中，可以选用原子半径小的离子，这样，可以减轻对隧道结晶格的损害，同时，可以采用较高的注入剂量，以增强翻转效果。在另一些应用中，可以选用原子半径大的离子，这会造成隧道结晶格破坏严重，但具有较好的翻转效果，此时，可以采用较小的注入剂量，以减小晶格破坏。
本实施例中，该步骤中，沿磁阻隧道结110一侧注入了离子，而另一侧中并没有注入离子，注入侧为自旋轨道耦合层中的电流I方向的侧向中的一侧。具体的，可以通过以下步骤进行离子注入。
首先，可以在沿自旋轨道耦合层100中电流I方向一侧的磁阻隧道结110上形成掩膜层130，参考图4(俯视图)和图4A(图4中AA向剖视图)所示。
该掩膜层130可以为光刻胶，可以通过旋涂光刻胶材料，而后利用光刻技术，来形成该光刻胶的掩膜层130，在具体的应用中，沿电流I方向，该掩膜层130至少覆盖磁阻隧道结110的一侧，也可以进一步覆盖暴露的自旋轨道耦合层100以及衬底10表面。
而后，进行离子注入，这样，在未覆盖有掩膜层130的一侧的磁阻隧道结110中会注入掺杂离子112，而后，去除所述掩膜层130，参考图5和图5A所示，这样，沿自旋轨道耦合层的宽度方向，部分磁阻隧道结110中注入有掺杂离子，部分磁阻隧道结110中没有注入掺杂离子。可以理解的是，在进行离子注入时，根据不同的工艺控制，自旋轨道耦合层100中可能也会同时被注入掺杂离子。具体进行注入时，可以采用垂直注入或者带角度的离子注入，通过工艺控制，如注入能量、浓度和角度等，可以使得注入的离子深度浓度峰值在磁性层中，从而，在第一磁性层102和第二磁性层106中沿宽度方向具有更深的注入深度。
在步骤S04，进行热退火，参考图6(俯视图)和图6A(图6中AA向剖视图)所示。
在热退火工艺中，注入的掺杂离子会进一步的扩散，这样，使得磁阻隧道结中未注入掺杂离子的另一侧也扩散有少量的掺杂离子，这样，从自旋轨道耦合层宽度方向Y上看，磁阻隧道结110中掺杂离子的浓度由高变低后转变为无掺杂离子，无掺杂离子也就是基本为零的掺杂浓度。其中，低浓度的掺杂是由注入离子一侧中的掺杂离子扩散后的掺杂离子，位于注入离子一侧和未注入离子一侧的交界处，高浓度的掺杂是离子注入一侧的掺杂离子。
在具体的应用中，热退火工艺可以为焦耳热退火、退火炉退火或快速热退火等，具体的工艺条件可以根据具体需要进行。在一个示例中，对器件通2ⅹ107A/cm2的电流15s加热退火。
在本申请实施例中，在自旋轨道耦合层所在平面内、垂直于电流方向上，在磁阻隧道结内的掺杂离子具有浓度的梯度变化，进而，在垂直于电流方向上形成对称性的破坏，当自旋轨道耦合层中通入电流时，无需外加磁场，磁阻随电流线性多态输出，实现多态存储，可以满足神经网络突触的硬件需求，应用至神经网络计算中。
这样，就形成了本申请实施例的多态磁存储器，该多态磁存储器基于SOT-MRAM器件结构，根据需要，还可以进行其他部件的加工。
实施例二
与实施例一不同的是，在本实施例中，暴露磁阻隧道结的状态下，进行带角度的离子注入之后，进行热退火，通过控制离子注入的角度，在自旋轨道耦合层所在平面内、垂直于电流方向上，在磁阻隧道结内的掺杂离子具有浓度的梯度变化。以下将重点描述与实施例一不同的地方，相同的地方将不再赘述。
在步骤S201，提供衬底10，参考图2所示。
在步骤S202，在所述衬底10上形成自旋轨道耦合层100，以及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，所述第一磁性层102和所述第二磁性层106具有垂直各向异性，参考图3所示。
同实施例一中步骤S01和步骤S02。
在步骤S203，沿所述磁阻隧道结110一侧注入掺杂离子，参考图7和图7A(图7的AA向剖视图)。
在步骤S204，进行热退火。
在本实施例中，暴露出所述磁阻隧道结进行掺杂离子的注入，且注入方向与所述衬底的垂直方向具有夹角、所述注入方向在所述衬底上的投影与所述自旋耦合层中的电流I方向为非平行。
为了便于描述，将与自旋轨道耦合层100所在平面垂直的方向记做Z方向，在注入时，注入方向与平面IZ一侧的夹角可以为锐角，也就是进行一侧的倾角注入，注入过程中注入角度可以保持不变，也可以有变化但始终保持与平面IZ同一侧的夹角为锐角。更优地，夹角的范围可以为30°-60°。
进一步地，注入方向在所述衬底上的投影与所述自旋耦合层中的电流I方向为垂直。垂直于电流I方向上，磁阻隧道结内的掺杂离子具有更好的浓度的梯度变化。
同实施例一，注入的掺杂离子可以是任何离子，优选地，注入的离子可以采用N、As、Be、Ar、P或B等，任意可以由现有的离子注入机提供注入的离子。此外，在注入时，可以根据具体的需要来选择所需注入的离子以及剂量。热退火工艺可以为焦耳热退火、退火炉退火或快速热退火等，具体的工艺条件可以根据具体需要进行。
在离子注入过程中，磁阻隧道结110上并未覆盖有掩膜层，处于完全暴露状态，完全依靠带角度离子注入时，被注入结构自身的遮挡特性，这样，由于磁阻隧道结自身存在遮挡，离子注入后磁阻隧道结朝向注入侧的一侧会比另一相对侧注入更多的掺杂离子，这样，在热退火之后，在在自旋轨道耦合层所在平面内、垂直于电流方向上，在磁阻隧道结内的掺杂离子具有浓度的梯度变化，进而，在垂直于电流方向上形成对称性的破坏，当自旋轨道耦合层中通入电流时，无需外加磁场，磁阻随电流线性多态输出，实现多态存储，可以满足神经网络突触的硬件需求，应用至神经网络计算中。
以上对本申请实施例的多态磁存储器的制作方法进行了详细的描述，此外，本申请还提出了由上述方法形成的多态磁存储器，参考图6和图6A所示，包括：
自旋轨道耦合层100；
位于所述自旋轨道耦合层100之上的磁阻隧道结110，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、隧穿层104和第二磁性层106，所述第一磁性层102和所述第二磁性层106具有垂直各向异性；
其中，所述磁阻隧道结110中具有掺杂离子112，沿所述自旋轨道耦合层100所在平面内电流I方向的垂直方向Y，磁阻隧道结110中掺杂离子112的浓度由高变低。
在一些实施例中，磁阻隧道结110中掺杂离子112的浓度由高变低后转变为无掺杂离子。
在另一些实施例中，磁阻隧道结110中一侧的掺杂离子112的浓度高于另一侧的掺杂离子的浓度。
进一步地，所述掺杂离子包括N、As、Ar、Be或P。
进一步地，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
进一步地，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。
在具体的应用中，上述的多态磁存储器可以以阵列形式排布，形成存储阵列，该存储阵列可以独立或集成于使用存储阵列的设备中，设备例如处理器、专用集成电路或片上系统等。
为了更好地理解本申请技术方案的技术效果，还提供了多态输出的实验数据进行说明。参考图8所示，其中，图8中的(A)为普通的磁阻存储器的磁阻-电流曲线示意图，磁阻存储器的磁阻隧道结内并不存在梯度变化的掺杂离子，图8中(B)和(C)为根据本申请实施例的多态磁存储器的磁阻(R)-电流(I)曲线示意图，其磁阻隧道结内存在梯度变化的掺杂离子，可以看到，普通的磁阻存储器随电流I变化，磁阻R仅有两个状态输出，而本申请实施例的多态磁存储器，随电流I变化，磁阻R有线性变化的多态输出。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于器件实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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)

1.一种多态磁存储器的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上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；
沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子，注入侧为自旋轨道耦合层中的电流方向的侧向中的一侧；
进行热退火，使得沿所述自旋轨道耦合层所在平面内电流方向的垂直方向，磁阻隧道结中掺杂离子的浓度由高变低，高浓度的掺杂是离子注入一侧。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子，包括：
在所述磁阻隧道结一侧上形成掩膜层；
进行离子注入，而后，去除所述掩膜层。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子，包括：
暴露出所述磁阻隧道结进行掺杂离子的注入，且注入方向与所述衬底的垂直方向具有夹角、所述注入方向在所述衬底上的投影与所述自旋轨道耦合层中的电流方向为非平行。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述热退火为焦耳热退火、退火炉退火或快速热退火。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述掺杂离子包括N、As、Ar、Be或P。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
7.一种多态磁存储器，其特征在于，包括：
自旋轨道耦合层；
位于所述自旋轨道耦合层之上的磁阻隧道结，所述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，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
其中，所述磁阻隧道结中具有掺杂离子，其由沿所述磁阻隧道结一侧注入掺杂离子，注入侧为自旋轨道耦合层中的电流方向的侧向中的一侧，进行热退火，使得沿所述自旋轨道耦合层所在平面内电流方向的垂直方向，磁阻隧道结中掺杂离子的浓度由高变低，高浓度的掺杂是离子注入一侧。
8.根据权利要求7所述的存储器，其特征在于，所述掺杂离子包括N、As、Ar、Be或P。
9.根据权利要求7所述的存储器，其特征在于，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
10.根据权利要求7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为Co、Fe、CoFeB或FePt。
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