CN113488583A - 一种存储模式可切换的磁随机存储器及制造方法 - Google Patents

一种存储模式可切换的磁随机存储器及制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种存储模式可切换的随机存储器，应用于数据存储技术领域，包括：两个电磁部，用于接入电流，磁记录部，设置在该两个电磁部之间，该磁记录部包括自旋轨道耦合层和磁性隧道结，该自旋轨道耦合层，用于在该电流的作用下，产生自旋流，该两个电磁部，还用于在该自旋流的作用下，产生两个磁矩指向相反的磁畴，该磁性隧道结，用于基于该两个磁矩指向相反的磁畴产生磁畴壁，钉扎区，设置在每个该电磁部与该磁记录部之间，截断区，设置在每个所述电磁部，位于与所述钉扎区相对的一侧，该磁性隧道结，还用于在该自旋流的作用下，驱动该磁畴壁进行往复运动，实现磁矩的定向反转，该电磁部还用于在该电流的作用下，使磁畴壁在其中湮灭。

Description

一种存储模式可切换的磁随机存储器及制造方法
技术领域
本公开涉及数据存储技术领域，尤其涉及一种存储模式可切换的随机存储器及其制造方法。
背景技术
随着信息技术的不断发展，所产生的以及所依赖的数据量成爆炸式增长。作为数据载体的存储器因而得到了广泛的应用。存储器的性能包括：写入和读取速度、能耗、耐久性、存储密度以及安全性。
自旋轨道矩磁电阻式随机存储器(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、高集成度以及接近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，而有效的数据存储需要磁矩的定向翻转，现有技术无法实现磁矩的定向翻转。
发明内容
本公开的主要目的在于提供一种存储模式可切换的随机存储器及其制造方法，可实现存储器中磁矩的定向翻转，即数据的写入，实现存储器中磁性状态的读取，即数据的读取，实现可擦写模式到只读模式的电控切换，即模式可切换。
为实现上述目的，本公开实施例第一方面提供一种存储模式可切换的随机存储器，包括：
两个电磁部，用于接入电流；
磁记录部，设置在所述两个电磁部之间，所述磁记录部包括自旋轨道耦合层和磁性隧道结；
所述自旋轨道耦合层，用于在所述电流的作用下，产生自旋流；
所述两个电磁部，还用于在所述自旋流的作用下，产生两个磁矩指向相反的磁畴；
所述磁性隧道结，用于基于所述两个磁矩指向相反的磁畴产生磁畴壁；
钉扎区，设置在每个所述电磁部与所述磁记录部之间；
截断区，设置在每个所述电磁部，位于与所述钉扎区相对的一侧；
所述磁电阻隧道结，还用于在所述自旋流的作用下，驱动所述磁畴壁进行往复运动，实现磁矩的定向翻转。
在本公开一实施例中，所述磁电阻隧道结包括：第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
所述第一磁性层，设置在所述自旋轨道耦合层上，用于产生所述磁畴壁；
所述隧穿层，设置在所述第一磁性层上，用于与第一磁性层和所述第二磁性层形成隧穿磁电阻；
所述第二磁性层，设置在所述隧穿层上，用于记录所述第一磁性层磁性的变化。
在本公开一实施例中，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。
在本公开一实施例中，所述磁电阻隧道结还包括：
固化层，设置于所述第二磁性层上，用于固定所述第二磁性层的磁化方向。
在本公开一实施例中，所述自旋轨道耦合层的材料为具有自旋耦合效应的金属材料或拓扑绝缘体材料。
在本公开一实施例中，所述随机存储器的形状为U形。
本公开实施例第二方面提供一种随机存储器的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
刻蚀出两个钉扎区，所述两个钉扎区之间为磁记录部，两边为电磁部；
刻蚀出两个截断区，所述两个截断区与两个钉扎区之间为电磁部。
刻蚀所述第二磁性层，形成磁性隧道结。
在本公开一实施例中，所述在所述衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层之后，还包括：
对所述自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀，形成U型结构，所述U型结构包括弯曲部分和两个相对的部分。
在本公开一实施例中，所述刻蚀出两个钉扎区，所述两个钉扎区之间为磁记录部，两边为电磁部包括：
在所述U型结构的弯曲部分和相对部分交界处，刻蚀出两个钉扎区，所述弯曲部分为磁记录部，所述两个相对的部分为电磁部。
在本公开一实施例中，所述刻蚀出两个截断区，所述两个截断区与两个钉扎区之间为电磁部包括：
在所述U型结构的两个相对的部分的顶端部分，刻蚀出两个截断区，所述两个相对的部分为电磁部，所述顶端部分为两个电磁部中远离所述钉扎区的一端。
从上述本公开实施例可知，本公开提供的存储模式可切换的随机存储器及其制造方法，在对随机存储器写入信息时，电流通入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和磁性隧道结的界面积累，自旋流会扩散到磁性隧道结中，使其中的磁畴壁运动。设置在每个电磁部与磁记录部之间的钉扎区可以使磁畴壁停住。此时通入反向电流，磁畴壁反向运动，在另一个钉扎区处停下。改变电流方向，实现磁畴壁的往复运动，产生磁矩定向翻转的效果。通入一能使磁畴壁越过钉扎区势垒并且在电磁部中运动的电流，磁畴壁运动至截断区并最终湮灭，使器件进入只读模式。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本公开一实施例提供的存储模式可切换的随机存储器的结构示意图；
图2为本公开一实施例提供的存储模式可切换的随机存储器的剖面示意图；
图3为本公开一实施例提供的存储模式可切换的随机存储器的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本公开的公开目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
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、高集成度以及接近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电阻式随机存储器的集成和产业化。并且，以电流为控制手段，将数据由可擦写状态切换为只读状态，可以有效地禁止数据被篡改，保护系统稳定运行和数据安全。
为此，本公开提供了一种随机存储器，包括两个电磁部，设置在该两个电磁部之间的磁记录部，磁记录部包括自旋轨道耦合层和磁性隧道结，钉扎区，设置在每个该电磁部与该磁记录部之间，截断区，设置于该电磁部中远离钉扎区的一侧。当随机存储器通入电流时，会在自旋轨道耦合层中产生自旋流，自旋流产生的力矩推动磁性隧道结内磁畴壁运动，引起磁记录部中磁矩的翻转，翻转的方向可以通过通入电流的方向来控制。当增大电磁部接入电流时可使磁畴壁湮灭，使器件丧失电流擦写数据的能力，从而实现可擦写功能到只读功能。
请参阅图1，图1为本公开一实施例提供的存储模式可切换的随机存储器的示意图，图2为本公开一实施例提供的图1所示存储模式可切换的随机存储器的剖面示意图，该随机存储器包括：
两个电磁部10，用于接入电流；
磁记录部20，设置在该两个电磁部10之间，该磁记录部20包括自旋轨道耦合层100和磁性隧道结；
该自旋轨道耦合层100，用于在该电流的作用下，产生自旋流；
该两个电磁部10，还用于在该自旋流的作用下，产生两个磁矩指向相反的磁畴；
该磁性隧道结，用于基于该两个磁矩指向相反的磁畴产生磁畴壁；
钉扎区30，设置在每个该电磁部10与该磁记录部20之间；
截断区40，设置在每个该电磁部10中远离钉扎区30的一侧；
该磁性隧道结，还用于在该自旋流的作用下，驱动该磁畴壁进行往复运动，实现磁矩的定向翻转。
在本公开中，随机存储器的形状以U型为例进行示意性说明，该U型的弧形部分为电磁部10，矩形部分为磁记录部20，可理解的，其还可以为其它任意形状，例如，折线型，半圆形等等。
为了更好地理解本公开的技术效果，以下将结合图1对本公开实施例所示的随机存储器的磁矩翻转的原理进行描述，在对随机存储器写入信息时，电流通入至自旋轨道耦合层100中，由于自旋霍尔效应或Rashba效应，自旋轨道耦合层100中的自旋向上或自旋向下的电子会在自旋轨道耦合层100和磁性隧道结的界面积累，自旋流会扩散到磁性隧道结中，使其中第一磁性层的磁畴壁运动。设置在每个电磁部10与磁记录部20之间的钉扎区30可以使磁畴壁停住。此时通入反向电流，磁畴壁反向运动，在另一个钉扎区30处停下。改变电流方向，实现磁畴壁的往复运动，产生磁矩定向翻转的效果。通入一能使磁畴壁越过钉扎区30并且在电磁部10中运动的电流，磁畴壁运动至截断区40并最终湮灭，使器件进入只读模式。
根据本公开中，当在自旋轨道耦合层100中通入电流时，会在自旋轨道耦合层100中产生自旋流，所产生地自旋轨道耦合矩推动磁畴壁运动，实现磁矩的定向翻转，翻转的方向可以通过电流的方向来控制，从而，实现了随机存储器中磁矩的定向翻转。进一步增大电流使磁畴壁湮灭，使器件丧失电流擦写数据的能力，从而实现可擦写功能到只读功能的功能切换。
在本公开一实施例中，自旋轨道耦合层100为具有自旋-轨道耦合效应的材料制成，自旋轨道耦合层100为具有自旋耦合效应的金属层或拓扑绝缘体层，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。优选的，可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料。
在本公开一实施例中，磁性隧道结包括：第一磁性层102、隧穿层104和第二磁性层106，该第一磁性层102，设置在该自旋轨道耦合层100上，用于产生该磁畴壁，该隧穿层104，设置在该第一磁性层102上，用于使该第一磁性层102和该第二磁性层106之间产生隧穿磁电阻，该第二磁性层106，设置在该隧穿层104上，用于记录该第一磁性层102磁性的变化。
可理解的，电流通入至自旋轨道耦合层100中，由于自旋霍尔效应或Rashba效应，自旋轨道耦合层100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的界面积累，自旋流会扩散到第一磁性层102中，使其中的磁畴壁运动。
在本公开一实施例中，该第一磁性层102和该第二磁性层106具有垂直各向异性。
在本公开中，第一磁性层102和第二磁性层106得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。
在本公开中，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。
在本公开一实施例中，磁性隧道结还可以包括设置于第二磁性层106之上的固化层，用于固定第二磁性层106的磁化方向，其材料例如可以为CoPt多层膜人工反铁磁等。
在具体的应用中，上述的随机存储器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。
以上对本公开实施例的随机存储器及其原理进行了详细的描述，此外，本公开还提供了上述随机存储器的制造方法，以下将结合流程图3对具体的实施例进行详细的描述。
请参阅图3，图3为本公开一实施例提供的存储模式可切换的随机存储器的制作方法的示意图，该随机存储器为图1或图2所示的存储器，该方法包括：
S401、提供衬底；
S402、在该衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
在本公开中，可以采用PVD(物理气相沉积)的方法生长材料例如Ta、Pt等金属材料的自旋轨道耦合层，其厚度例如可以为3-5nm。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，其厚度例如可以为3-10nm。
在本公开中，可以采用溅射或其他合适的方式，依次生长例如第一磁性层、隧穿层、第二磁性层，厚度依次可以为1nm左右，0.8nm，1nm。随后，进行刻蚀直到衬底以形成U形器件。
S403、刻蚀该第二磁性层，形成磁性隧道结。
S404、刻蚀出两个钉扎区，该两个钉扎区之间为磁记录部，两边为电磁部；
在本公开中，钉扎区的形成方法为离子刻蚀、离子注入、几何结构的缺口、局域热处理等。
S405、刻蚀出两个截断层，该两个截断区与两个钉扎区之间为电磁部；
在本公开中，截断区的形成方法为离子刻蚀、离子注入、局域热处理等。
在本公开中，利用光刻和离子刻蚀技术，可以将薄膜转变为任意形状，例如U形薄膜。U形薄膜自下而上包括自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层。
在本公开中，根据需要，还可以进行其他部件的加工，例如保护层、电极等。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种存储模式可切换的随机存储器及其制造方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种存储模式可切换的随机存储器，其特征在于，包括：
两个电磁部，用于接入电流；
磁记录部，设置在所述两个电磁部之间，所述磁记录部包括自旋轨道耦合层和磁性隧道结；
所述自旋轨道耦合层，用于在所述电流的作用下，产生自旋流；
所述两个电磁部，还用于在所述自旋流的作用下，产生两个磁矩指向相反的磁畴；
所述磁性隧道结，用于基于所述两个磁矩指向相反的磁畴产生磁畴壁；
钉扎区，设置在每个所述电磁部与所述磁记录部之间；
截断区，设置在每个所述电磁部，位于与所述钉扎区相对的一侧；
所述磁性隧道结，还用于在所述自旋流的作用下，驱动所述磁畴壁进行往复运动，实现磁矩的定向反转。
2.根据权利要求1所述的随机存储器，其特征在于，所述磁性隧道结包括：第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
所述第一磁性层，设置在所述自旋轨道耦合层上，用于产生所述磁畴壁；
所述隧穿层，设置在所述第一磁性层上，用于隔离所述第一磁性层和所述第二磁性层；
所述第二磁性层，设置在所述隧穿层上，用于记录所述第一磁性层磁性的变化。
3.根据权利要求2所述的随机存储器，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性。
4.根据权利要求1所述的随机存储器，其特征在于，所述磁性隧道结还包括：
固化层，设置于所述第二磁性层上，用于固定所述第二磁性层的磁化方向。
5.根据权利要求1所述的随机存储器，其特征在于，所述自旋轨道耦合层的材料为具有自旋耦合效应的金属材料或拓扑绝缘体材料。
6.根据权利要求1所述的随机存储器，其特征在于，所述随机存储器的形状为U形。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的存储模式可切换的随机存储器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
刻蚀出两个钉扎区，所述两个钉扎区之间为磁记录部，两边为电磁部；
刻蚀出两个截断区，所述两个钉扎区与所述两个截断区之间为电磁部；
刻蚀所述第二磁性层，形成磁性隧道结。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层之后，还包括：
对所述自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀，形成U型结构，所述U型结构包括弯曲部分和两个相对的部分。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刻蚀出两个钉扎区，所述两个钉扎区之间为磁记录部，两边为电磁部包括：
在所述U型结构的弯曲部分和两个相对的部分的交界处，刻蚀出两个钉扎区，所述弯曲部分为磁记录部，所述两个相对的部分为电磁部。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刻蚀出两个截断区，所述两个截断区与两个钉扎区之间为电磁部包括：
在所述U型结构的两个相对的部分的顶端部分，刻蚀出两个截断区，所述两个相对的部分为电磁部，所述顶端部分为两个电磁部中远离所述钉扎区的一端。
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