CN111952438A - 一种磁性随机存储器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种磁随机存储器及其制造方法，包括自旋轨道耦合层，自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料，自旋轨道耦合层上的堆叠层，堆叠层包括依次层叠的磁性自由层、遂穿层和磁性固定层，自旋轨道耦合层控制磁性自由层的磁化方向，磁性固定层的磁化方向是固定的。这样，选择钨合金材料作为自旋轨道耦合层，电流通入自旋轨道耦合层后，由于钨合金材料的自旋霍尔角大，电流与自旋流之间的转化效率较高，产生的垂直于电流方向的自旋流较高，使得能够自旋轨道耦合层能够更快的翻转磁性自由层的磁化方向，提高读取速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种磁性随机存储器及其制造方法。
背景技术
基于自旋轨道矩的磁性随机存储器(Spin Orbit Torque Magnetic RandomAccess Memory，SOT-MRAM)因其较快的写入速度、较低的写入电流以及较好的兼容性，称为自旋电子学与磁信息存储领域研究的热点。
在磁性随机存储器的自旋轨道耦合层中通入电流，自旋轨道耦合层中自旋方向不同的电子向电流的垂直方向移动产生自旋流，自旋流诱导磁性自由层的磁矩翻转。
但是目前的自旋轨道耦合层的材料的自旋霍尔角较小，即电流与自旋流之间的转化效率较低，能量损耗较大，使得产生的自旋流较小，难以诱导磁性自由层的磁矩发生翻转，导致读取速度降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁性存储器及其制造方法，增大电流与自旋流的转化效率，提高读取速度。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种磁随机存储器，包括：
自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料；
所述自旋轨道耦合层上的堆叠层，所述堆叠层包括依次层叠的磁性自由层、遂穿层和磁性固定层，所述自旋轨道耦合层控制所述磁性自由层的磁化方向，所述磁性固定层的磁化方向是固定的；
所述堆叠层上的顶电极层。
可选的，所述钨合金材料为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金，或，所述钨与所述重金属、所述过渡金属、所述半导体、所述镧系中的至少一种形成的多层膜结构。。
可选的，所述重金属包括金、银、铅和镓中的至少一种，所述过渡金属包括钽、铪、钌、铂、钯、铬、铑、钼、铌、铱、钇、锝、铼、锇、锰、锆和钒中的至少一种，所述半导体包括砷、锗和硅中的至少一种，所述镧系包括钆、钐、铽、镝和钬中的至少一种。
可选的，还包括：
钉扎层和保护层，所述钉扎层位于所述磁性固定层上，所述保护层位于所述钉扎层上。
可选的，所述自旋轨道耦合层的面积大于或等于所述磁性自由层的面积。
可选的，所述磁性自由层和所述磁性固定层的材料为铁、钴、镍或它们的合金。
可选的，所述遂穿层的材料为非磁性金属材料或绝缘材料。
一种磁随机存储器的制造方法，包括：
在基片上形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料；
在所述自旋轨道耦合层上依次形成磁性自由层、遂穿层和磁性固定层，所述自旋轨道耦合层控制所述磁性自由层的磁化方向，所述磁性固定层的磁化方向是固定的；
在所述磁性固定层上形成顶电极层。
可选的，所述钨合金材料为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金；
所述在基片上形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料，包括：
采用共溅射或溅射合金靶在基片上生长钨合金材料；
对生长的钨合金材料进行平坦化工艺，以形成自旋轨道耦合层。
可选的，所述钨合金材料为钨与所述重金属、所述过渡金属、所述半导体、所述镧系中的至少一种形成的多层膜结构；
所述在基片上形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料，包括：
在基片上形成由第一材料层和第二材料层交替层叠的叠层；
所述第一材料层为钨，所述第二材料层为重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种。
本发明实施例提供的磁随机存储器，包括自旋轨道耦合层，自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料，自旋轨道耦合层上的堆叠层，堆叠层包括依次层叠的磁性自由层、遂穿层和磁性固定层，自旋轨道耦合层控制磁性自由层的磁化方向，磁性固定层的磁化方向是固定的。这样，选择钨合金材料作为自旋轨道耦合层，电流通入自旋轨道耦合层后，由于钨合金材料的自旋霍尔角较高，电流与自旋流之间的转化效率较高，产生的垂直于电流方向的自旋流较高，使得能够自旋轨道耦合层能够更快的翻转磁性自由层的磁化方向，提高读取速度。
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它的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种磁性存储器的立体结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种磁性存储器的制造方法的流程示意图；
图3-6示出了根据本发明实施例一种磁性存储器的结构示意图。
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它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，目前的自旋轨道耦合层的材料的自旋霍尔角较小，即电流与自旋流之间的转化效率较低，能量损耗较大，使得产生的自旋流较小，难以诱导磁性自由层的磁矩发生翻转，导致读取速度降低。
基于此，本申请提供了一种磁性随机存储器，参考图1所示，包括：
自旋轨道耦合层100，自旋轨道耦合层100的材料为钨合金材料；
自旋轨道耦合层100上的堆叠层，堆叠层包括依次层叠的磁性自由层121、遂穿层122和磁性固定层123，自旋轨道耦合层100控制磁性自由层121的磁化方向，磁性固定层123的磁化方向是固定的；
堆叠层上的顶电极层130。
本申请实施例中，自旋轨道耦合层100具有强自旋-轨道耦合(Spin-OrbitCoupling，SOC)效应，当自旋轨道耦合层100中注入电流后，自旋轨道耦合层100中自旋向上的电子与自旋向下的电子分别在自旋轨道耦合层100的两侧等量聚集，产生垂直于电流方向的自旋流，即自旋霍尔效应(Spin Hall Effect，SHE)。自旋流流经磁性自由层121时，会对磁性自由层121产生力矩的作用，即自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)，自旋轨道矩使得磁性自由层121发生磁化翻转。
本申请实施例中，自旋轨道耦合层100的材料可以为钨合金材料，由于自旋轨道耦合层110的材料为钨合金材料时，自旋轨道耦合层110的电流与自旋流之间的转化效率较高，产生的垂直于电流方向的自旋流较高，使得能够自旋轨道耦合层能够更快的翻转磁性自由层的磁化方向。钨合金材料可以为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金，也可以为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种形成的多层膜结构。
例如，钨合金材料可以为钨与重金属组成的合金，重金属可以为金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、镓(Ga)等中的一种或多种。钨合金材料可以为钨与过渡金属组成的合金，过渡金属可以为钽(Ta)、铪(Hf)、钌(Ru)、铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、铑(Rh)、钼(Mo)、铌(Nb)、铱(Ir)、钇(Y)、锝(Tc)、铼(Re)、锇(Os)、锰(Mn)、锆(Zr)、钒(V)中的一种或多种。钨合金材料可以为钨与半导体组成的合金，半导体可以为砷(As)、锗(Ge)和硅(Si)中的一种或多种。钨合金材料可以为钨与镧系组成的合金材料，镧系可以为钆(Gd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)和钬(Ho)中的一种或多种。
钨金属材料还可以为钨与重金属形成的多层膜结构，钨与过渡金属组成的多层膜结构，钨与半导体形成的多层膜结构，或者钨与镧系材料形成的多层膜结构。
堆叠层位于自旋轨道耦合层110上，可以称之为磁隧道结(Magnetic TunnelJunction，MTJ)，堆叠层包括磁性自由层121、遂穿层122和磁性固定层123，磁性自由层121用于进行信息的存储或写入，磁性自由层121的磁化方向是可以变化的，自旋轨道耦合层110控制磁性自由层121的磁化方向，自旋轨道耦合层110中通入电流后，产生垂直电流方向的自旋流，自旋流流经磁性自由层121，当自旋流达到一定值时，诱导磁性自由层121的磁化方向发生翻转。磁性固定层123的磁化方向是固定不变的，例如固定向上或固定向下。
磁性自由层121的磁化方向与磁性固定层123的磁化方向可以相同或者相反。磁化方向相同可以是磁性自由层121与磁性固定层123的磁化方向均垂直于电流方向向上，或者均垂直于电流方向向下。磁化方向相反可以是磁性自由层121的磁化方向垂直于电流方向向上，磁性固定层123的磁化方向垂直于电流方向向下。也可以是磁性自由层121的磁化方向垂直于电流方向向下，磁性固定层123的磁化方向垂直于电流方向向上。当磁性自由层121和磁性固定层123的磁化方向相同时，磁隧道结呈现低阻态，当磁性自由层121和磁性固定层123的磁化方向相反时，磁隧道结呈现高阻态。在信息存储时，当磁隧道结呈现低阻态时，表征二进制数据“0”，当磁隧道结呈现高阻态时，表征二进制数据“1”。
本实施例中，磁性自由层121和磁性固定层123可以采用相同或不同的材料形成，例如可以为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，或者它们的合金。磁性自由层121和磁性固定层123的厚度和/或尺寸可以相同，也可以不同。磁性自由层121的面积可以小于或等于自旋轨道耦合层110的面积。
遂穿层122起到隔离磁性自由层121和磁性固定层123的作用，当磁性自由层121和磁性固定层123的磁化方向相同时，电子隧穿过隧穿层122的可能性较大，使得磁隧道结呈现低阻态，当磁性自由层121和磁性固定层123的磁化方向相反时，电子隧穿过遂穿层122的可能性较小，使得磁隧道结呈现高阻态。在具体的实施例中，可以通过调整遂穿层122的厚度调节磁隧道结的阻值。遂穿层122可以采用非磁性金属材料或绝缘材料，非磁性金属材料例如可以为Cu或Ag，绝缘材料例如可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪等。
本实施例中，可以在磁性固定层123上形成钉扎层124(anti-ferromagneticpermanent magnetic layer)，钉扎层124用于固定磁性固定层123的磁化方向，钉扎层的材料例如可以为铱锰合金(IrMn)、钴铂合金(CoPt)等。还可以在钉扎层124上形成保护层125，保护层125用于保护磁隧道结不受损害，保护层125可以为钽(Ta)、钌(Ru)等。
堆叠层上的顶电极130，顶电极130可以为金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、钕(Nd)、钛(Ti)、Al及其合金或半导体材料。
以上对本申请提供的磁性随机存储器进行了详细的描述，本申请实施例还提供一种磁性随机存储器的制造方法，参考图2-图6所示，包括：
在步骤S01中，在基片100上形成自旋轨道耦合层110，自旋轨道耦合层110的材料为钨合金材料，参考图2和图3所示。
基片100起到支撑作用，基片100可以为半导体材料，例如可以为Si、Ge等。本实施例中，可以利用物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)在基片100生长钨合金材料，钨合金材料为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金。可以采用共溅射，同时轰击多个溅射靶材，以在基片100上形成钨合金材料，多个溅射靶材可以为金、银、铅、镓中的一种或多种。也可以采用溅射合金靶，以在基片100上形成钨合金材料，合金靶例如可以为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金靶。在基片100上生长钨合金材料之后，可以对生长的钨合金材料进行平坦化工艺，例如可以机械研磨工艺，以形成自旋轨道耦合层110。自旋轨道耦合层110的面积可以小于基片100的面积，
本实施例中，钨合金材料还可以为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的一种或多种形成的多层膜结构，例如可以在基片100上形成第一材料层和第二材料层交替层叠的叠层，第一材料层可以为钨，第二材料层可以为重金属、过渡金属、半导体、镧系中的一种或多种。例如，第二材料层为过渡金属层中的钽，可以利用化学气相沉积工艺在基片100交替形成钨金属层和钽金属层。
在步骤S02中，在自旋轨道耦合层110上依次形成磁性自由层121、遂穿层122和磁性固定层123，自旋轨道耦合层110控制磁性自由层121的磁化方向，磁性固定层123的磁化方向是固定的，参考图4所示。
在自旋轨道耦合层110上形成磁性自由层121，可以在自旋轨道耦合层110上沉积铁、钴、镍或者他们的合金材料，而后进行平坦化工艺形成磁性自由层121。磁性自由层121的面积可以小于自旋轨道耦合层110的面积，例如可以在磁性自由层121上方形成硬掩模层，将磁性自由层121的图案转移至硬掩模层中，以硬掩模层为遮蔽，刻蚀磁性自由层121，以使得磁性自由层121的面积小于自旋轨道耦合层110的面积。随后，在磁性自由层121上沉积非磁性金属材料或绝缘材料，形成遂穿层122。在遂穿层122上沉积铁、钴、镍或者它们的合金材料，形成磁性固定层123。还可以在磁性固定层123上形成钉扎层124，钉扎层124用于固定磁性固定层123的磁化方向，在钉扎层124的上方形成保护层125。
在步骤S03中，在磁性固定层123上形成顶电极130，参考图6所示，图6为图1沿AA方向的剖面结构示意图。
本实施例中，在磁性固定层123上沉积金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、钕(Nd)、钛(Ti)、Al及其合金或半导体材料。在具体的实施例中，可以在保护层125上沉积金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、钕(Nd)、钛(Ti)、Al及其合金或半导体材料，以在磁性固定层123上形成顶电极。顶电极123的尺寸可以大于磁性固定层123的尺寸，也可以等于或者小于磁性固定层123的尺寸。
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它实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其具有与存储器件实施例相同的部分，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)
1.一种磁随机存储器，其特征在于，包括：
自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料；
所述自旋轨道耦合层上的堆叠层，所述堆叠层包括依次层叠的磁性自由层、遂穿层和磁性固定层，所述自旋轨道耦合层控制所述磁性自由层的磁化方向，所述磁性固定层的磁化方向是固定的；
所述堆叠层上的顶电极层。
2.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述钨合金材料为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金，或，所述钨与所述重金属、所述过渡金属、所述半导体、所述镧系中的至少一种形成的多层膜结构。
3.根据权利要求2所述的磁随机存储器，其特征在于，所述重金属包括金、银、铅和镓中的至少一种，所述过渡金属包括钽、铪、钌、铂、钯、铬、铑、钼、铌、铱、钇、锝、铼、锇、锰、锆和钒中的至少一种，所述半导体包括砷、锗和硅中的至少一种，所述镧系包括钆、钐、铽、镝和钬中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的磁随机存储器，其特征在于，还包括：
钉扎层和保护层，所述钉扎层位于所述磁性固定层上，所述保护层位于所述钉扎层上。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的磁随机存储器，其特征在于，所述自旋轨道耦合层的面积大于或等于所述磁性自由层的面积。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的磁随机存储器，其特征在于，所述磁性自由层和所述磁性固定层的材料为铁、钴、镍或它们的合金。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的磁随机存储器，其特征在于，所述遂穿层的材料为非磁性金属材料或绝缘材料。
8.一种磁随机存储器的制造方法，其特征在于，包括：
在基片上形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料；
在所述自旋轨道耦合层上依次形成磁性自由层、遂穿层和磁性固定层，所述自旋轨道耦合层控制所述磁性自由层的磁化方向，所述磁性固定层的磁化方向是固定的；
在所述磁性固定层上形成顶电极层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述钨合金材料为钨与重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种组成的合金；
所述在基片上形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料，包括：
采用共溅射或溅射合金靶在基片上生长钨合金材料；对生长的钨合金材料进行平坦化工艺，以形成自旋轨道耦合层。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述钨与所述重金属、所述过渡金属、所述半导体、所述镧系中的至少一种形成的多层膜结构；
所述在基片上形成自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层的材料为钨合金材料，包括：
在基片上形成由第一材料层和第二材料层交替层叠的叠层；
所述第一材料层为钨，所述第二材料层为重金属、过渡金属、半导体、镧系中的至少一种。
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| EP4006999A1 (en) * | 2020-11-20 | 2022-06-01 | Korea University Research and Business Foundation | Spin-orbit torque (sot)-based magnetic tunnel junction and method of fabricating the same |
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| CN109449285A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-08 | 中国科学院微电子研究所 | 一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及其制造方法 |
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2020
- 2020-08-21 CN CN202010849181.0A patent/CN111952438A/zh active Pending
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