CN113611793B - 一种磁性随机存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性随机存储器，涉及计算机存储设备技术领域；所述磁性随机存储器至少包括：覆盖层、钉扎层、反铁磁耦合层、固定层、势垒层、自由层、自旋轨道矩效应重金属层和衬底层，所述自旋轨道矩效应重金属层自上而下包括重金属气体掺杂层和无掺杂重金属层；所述重金属气体掺杂层为单层和/或多层结构；其中，在所述自旋轨道矩效应重金属层执行溅射操作时通入气体，生成所述重金属气体掺杂层；自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属材料组成，无需考虑分流；通过改变重金属层厚度，实现单一材料中的β相，而且利用气体对β相进行调控，机理简单极易实现。
Description
技术领域
本公开涉及计算机存储设备技术领域，具体涉及一种磁性随机存储器。
背景技术
磁随机存储器(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)是一种非易失性存储器，主要利用核心结构MTJ的磁化特性进行数据记录。在外场或电流驱动下，驱使自由层中的磁矩发生翻转，与钉扎层铁磁磁矩方向相同或相反，进而表现为“1”或“0”的高低阻态进行数据存储，而且MRAM兼具高密度，高速度，低能耗等优点，已被广泛应用到各电子器件中。传统MRAM需要通过施加外磁场才可实现自由层磁矩翻转，STT-MRAM和SOT-MRAM均是由电流驱动翻转的新型MRAM器件，但STT-MARM存在读写同通道、响应延迟等缺陷，需要施加大电流密度才可实现快速翻转，然而较大的电流密度会导致氧化物势垒层的击穿，相对较高的功耗成为STT-MRAM持续面临的挑战之一。
近年来，研究人员发现利用自旋轨道矩(spin-orbit torque,SOT)的作用在没有外磁场的条件下也可以引起磁矩翻转。SOT-MRAM是在原有三层膜中的自由层下方加一重金属层，形成重金属层/自由层/氧化层的基础结构。通过在重金属层中通入一个面内电流，利用电子自旋和轨道之间的相互作用诱导产生非平衡的自旋积累，从而形成垂直于电流方向的自旋流。进入自由层(FL)的自旋极化电流迅速与局部磁矩作用产生自旋轨道力矩(或者一个场)，如果达到临界电流，就会诱发磁矩实现翻转。相比于STT,三端SOT-MRAM比特单元分离了读写电流路径，避免了读内存时隧道屏障暴露在较大的写入电流和不需要的写入中，从而提高了设备的耐力和可靠性，同时具有非波动性、可逆性、高速性、低功耗性和与传统半导体工业兼容性好的典型特征。
SOT-MRAM能够产生翻转源于自旋轨道矩效应重金属层的强自旋轨道耦合(SpinOrbit Coupling,SOC)作用，因此SOT的自旋源往往具有很大的自旋-电荷转换效率，即大的自旋霍尔角(Spin Hall Angle,SHA)。现有技术中，自旋轨道矩效应重金属层广泛应用的重金属材料主要有：Pt、Ta、W、Hf、Cu、Ir和PtMn等，其中β-W的自旋霍尔角最大，可达-0.3左右。对重金属材料而言，相比于α相，β相在较薄的薄膜中才可形成，但过薄会导致自旋轨道矩效应重金属层电阻过高，且不利于MTJ器件加工，容易导致器件击穿。目前对重金属层的修饰手段比较多样，如采用不同重金属材料形成复合自旋霍尔效应层，但复合层会导致电流分流，对于提升SHA并无实质性帮助；WB合金往往会因为高的退火温度导致β-W转变成α-W，从而降低自旋-电荷转换效率。此外，薄膜电阻率是一个与功耗密切相关的参数，高电阻率意味着高欧姆损耗，导致器件低效率。因此，亟需一种新型的磁性随机存储器。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本公开实施例提出了一种磁性随机存储器，能够解决现有技术中存在的存储器材耗能高、电荷流-自旋流转换效率低等问题。
本公开实施例提供了一种磁性随机存储器，至少包括：覆盖层、钉扎层、反铁磁耦合层、固定层、势垒层、自由层、自旋轨道矩效应重金属层和衬底层，所述自旋轨道矩效应重金属层自上而下包括重金属气体掺杂层和无掺杂重金属层；所述重金属气体掺杂层为单层和/或多层结构；
其中，在所述自旋轨道矩效应重金属层执行溅射操作时通入气体，生成所述重金属气体掺杂层；
所述自旋轨道矩效应重金属层由单一金属材料组成。
在一些实施例中，通过改变通入气体的流速和/或不同气体的通入比例，生成一种或多种重金属气体掺杂层。
在一些实施例中，所述气体包括氮气、氩气或氧气中的一种或多种。
在一些实施例中，所述重金属气体掺杂层具体为掺氧重金属层或掺氮重金属层。
在一些实施例中，所述重金属气体掺杂层具体是掺氧重金属层/无掺杂重金属层或掺氧重金属层/掺氮重金属层或[掺氧重金属层/掺氮重金属层]n的多层结构；其中，n是大于零的自然数，代表重复周期。
在一些实施例中，所述自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属修饰。
在一些实施例中，对所述重金属气体掺杂层执行退火微纳加工操作，生成预设尺寸的霍尔器件，用于电阻率和自旋霍尔角的测定。
本公开实施例的有益效果是：自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属材料组成，无需考虑分流；通过改变重金属层厚度，实现单一材料中的β相，而且利用气体对β相进行调控，机理简单极易实现；此外多层结构设计可以增强电荷流/自旋流的层间散射，从而产生更多自旋流；同时，自旋轨道矩效应重金属层退火温度低，利于形成β相，自旋霍尔角更大，可以提升电荷流-自旋流转换效率。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本公开的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本公开进行任何限制，在附图中：
图1是根据本公开的一些实施例所示的现有技术中的一种磁随机存储器结构示意图；
图2是根据本公开的一些实施例所示的一种磁随机存储器结构示意图；
图3是根据本公开的一些实施例所示的一种自旋轨道矩效应重金属层电阻率调控的示意图；
图4是根据本公开的一些实施例所示的对自旋霍尔角调控的示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例阐述了本公开的许多具体细节，以便提供对相关披露的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来讲，本公开显而易见的可以在没有这些细节的情况下实施。应当理解的是，本公开中使用“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”术语，是用于区分在顺序排列中不同级别的不同部件、元件、部分或组件的一种方法。然而，如果其他表达式可以实现相同的目的，这些术语可以被其他表达式替换。
应当理解的是，当设备、单元或模块被称为“在……上”、“连接到”或“耦合到”另一设备、单元或模块时，其可以直接在另一设备、单元或模块上，连接或耦合到或与其他设备、单元或模块通信，或者可以存在中间设备、单元或模块，除非上下文明确提示例外情形。例如，本公开所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列条目的任何一个和所有组合。
本公开所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本公开范围。如本公开说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，而该类表述并不构成一个排它性的罗列，其他特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件也可以包含在内。
参看下面的说明以及附图，本公开的这些或其他特征和特点、操作方法、结构的相关元素的功能、部分的结合以及制造的经济性可以被更好地理解，其中说明和附图形成了说明书的一部分。然而，可以清楚地理解，附图仅用作说明和描述的目的，并不意在限定本公开的保护范围。可以理解的是，附图并非按比例绘制。
本公开中使用了多种结构图用来说明根据本公开的实施例的各种变形。应当理解的是，前面或下面的结构并不是用来限定本公开。本公开的保护范围以权利要求为准。
磁随机存储器(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)是一种非易失性存储器，主要利用核心结构MTJ的磁化特性进行数据记录，如图1所示，在外场或电流驱动下，驱使自由层中的磁矩发生翻转，与钉扎层铁磁磁矩方向相同或相反，进而表现为“1”或“0”的高低阻态进行数据存储。且MRAM兼具高密度，高速度，低能耗等优点，已被广泛应用到各电子器件中。传统MRAM需要通过施加外磁场才可实现自由层磁矩翻转，STT-MRAM和SOT-MRAM均是由电流驱动翻转的新型MRAM器件，但STT-MARM存在读写同通道、响应延迟等缺陷，需要施加大电流密度才可实现快速翻转，然而较大的电流密度会导致氧化物势垒层的击穿，相对较高的功耗成为STT-MRAM持续面临的挑战之一。
近年来，研究人员发现利用自旋轨道矩(spin-orbit torque,SOT)的作用在没有外磁场的条件下也可以引起磁矩翻转。SOT-MRAM是在原有三层膜中的自由层下方加一重金属层，形成重金属层/自由层/氧化层的基础结构。通过在重金属层中通入一个面内电流，利用电子自旋和轨道之间的相互作用诱导产生非平衡的自旋积累，从而形成垂直于电流方向的自旋流。进入自由层(FL)的自旋极化电流迅速与局部磁矩作用产生自旋轨道力矩(或者一个场)，如果达到临界电流，就会诱发磁矩实现翻转。相比于STT,三端SOT-MRAM比特单元分离了读写电流路径，避免了读内存时隧道屏障暴露在较大的写入电流和不需要的写入中，从而提高了设备的耐力和可靠性，同时具有非波动性、可逆性、高速性、低功耗性和与传统半导体工业兼容性好的典型特征。
SOT-MRAM能够产生翻转源于自旋轨道矩效应重金属层的强自旋轨道耦合(SpinOrbit Coupling,SOC)作用，因此SOT的自旋源往往具有很大的自旋-电荷转换效率，即大的自旋霍尔角(Spin Hall Angle,SHA)。现有技术中，自旋轨道矩效应重金属层广泛应用的重金属材料主要有：Pt、Ta、W、Hf、Cu、Ir和PtMn等，其中β-W的自旋霍尔角最大，可达-0.3左右。对重金属材料而言，相比于α相，β相在较薄的薄膜中才可形成，但过薄会导致自旋轨道矩效应重金属层电阻过高，且不利于MTJ器件加工，容易导致器件击穿。目前对重金属层的修饰手段比较多样，如采用不同重金属材料形成复合自旋霍尔效应层，但复合层会导致电流分流，对于提升SHA并无实质性帮助；WB合金往往会因为高的退火温度导致β-W转变成α-W，从而降低自旋-电荷转换效率。此外，薄膜电阻率是一个与功耗密切相关的参数，高电阻率意味着高欧姆损耗，导致器件低效率。因此，亟需一种新型的磁性随机存储器。
为了解决上述问题，本公开实施例对自旋轨道矩效应重金属层进行厚度、掺杂、多层修饰，能够提升重金属自旋霍尔系数，降低写入电流；同时，还通过改变自旋轨道矩效应重金属层溅射气体种类(O2，N2和Ar气等)及比例，实现不同气体掺杂的重金属层，如HM(O)，HM(N)等；此外在同种重金属材料中进行多层设计，形成[HM(O)/HM(N)]n多层膜结构，提供更多界面，增强散射以产生更多自旋流，从而降低翻转电流密度等。在保证材料单一β相的前提下，同时实现了高SHA和低电阻，并且在较大厚度窗口均可实现重金属层β相，方法简便，转换效率高。
具体地，一种磁性随机存储器，具体如图2所示，至少包括：覆盖层、钉扎层、反铁磁耦合层、固定层、势垒层、自由层、自旋轨道矩效应重金属层和衬底层；
所述自旋轨道矩效应重金属层自上而下包括重金属气体掺杂层和无掺杂重金属层；所述重金属气体掺杂层为单层和/或多层结构；其中，在自旋轨道矩效应重金属层执行溅射操作时通入气体，生成所述重金属气体掺杂层。
具体的，重金属气体掺杂层位于无掺杂重金属层的上方1nm，与无掺杂重金属层共同组成自旋轨道矩效应重金属层。
在一些实施例中，通过改变通入气体的流速和/或不同气体的通入比例，生成一种或多种重金属气体掺杂层。
在一些实施例中，所述气体包括氮气、氩气或氧气中的一种或多种。
在一些实施例中，所述重金属气体掺杂层具体为HM(O)或HM(N)，分别代表掺氧的重金属层和掺氮的重金属层。
在一些实施例中，所述重金属气体掺杂层具体是HM(O)/HM(掺氧重金属层/重金属层)或HM(O)/HM(N)(掺氧重金属层/掺氮重金属层)或[HM(O)/HM(N)]n([掺氧重金属层/掺氮重金属层]n，其中，n为大于0的自然数，代表重复周期)的多层结构。
在一些实施例中，所述自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属修饰。
在一些实施例中，对所述重金属气体掺杂层执行退火微纳加工操作，生成预设尺寸的霍尔器件，用于电阻率和自旋霍尔角的测定。
在一些实施例中，无掺杂重金属层通常执行溅射操作，通常为了保持真空度只通入氩气；而重金属气体掺杂层实际上是自旋轨道矩效应重金属层溅射的过程中通入氧气和/或氮气和/或氩气。
具体地，一种磁性随机存储器自上而下膜层结构包括覆盖层、钉扎层、反铁磁耦合层、固定层、势垒层、自由层、自旋轨道矩效应重金属层以及衬底层；其中，覆盖层多为Ta，Ru等材料；钉扎层通常用于实现对所述参考层磁化方向的钉扎；势垒层常用MgO、MgAl2O4等材料；自由层一般为Co、Fe、B的化合物；衬底层通常由Si/SiO2组成；自旋轨道矩效应重金属层可以包括以下其中一种材料：Pt、Ta、W、Hf、Cu等这类材料具有较强的自旋轨道耦合作用，用于将电流转换成自旋流，厚度一般为1-10nm，目前也有拓扑绝缘体，二维电子气等。
更具体地，自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属修饰，通过在自旋轨道矩效应重金属层溅射过程中通入N2、Ar气或O2中的一种或多种气体,通过改变气体流速及不同气体通入比例，形成重金属气体掺杂层HM(O)、HM(N)等，在更大厚度窗口内实现β相。
溅射完成后，膜层在一定温度下退火后进行微纳加工，做成预设尺寸的霍尔器件，可分别进行电阻率和自旋霍尔角的测定。
进一步地，在霍尔器件中利用四探针测量电阻，因为在膜层结构中，势垒层和覆盖层的分流可忽略,自旋霍尔效应层和自由层均可导电，自由层有一定的分流作用。
根据膜层总电阻率及CoFeB电阻率可以得到自旋轨道矩效应重金属层的电阻率，如图3所示，展示了自旋轨道矩效应重金属层对电阻率的调控示意图。其中，HM、HM(O)、HM(N)分别代表Pt、Ta、W、Hf、Cu等重金属材料层及氧气、氮气掺杂的重金属层，1HM/[xHM(O)/(1-x)HM(N)]4、1HM/[yHM(O)/(1-y)HM(N)]4、1HM/[zHM(O)/(1-z)HM(N)]4分别代表先溅射1纳米的纯重金属材料层，再分别溅射氧气和氮气掺杂重金属层(其中HM(O)的厚度为x,y,z纳米；相对应地，HM(N)的厚度为1-x,1-y,和1-z纳米)，重复周期为4。通过改变重金属层溅射气体种类及比例，获取不同种类的自旋轨道矩效应重金属层，经过电阻率测量，可以得出：纯重金属层HM具有较薄(约4nm)的稳定β相，但不利于工艺集成；进一步地，通过气体掺杂或者多层膜设计，可以得到较厚的、稳定的β相，可以降低工艺集成的难度。
更进一步地，将重金属气体掺杂层设计成多层结构，例如HM(O)/HM或HM(O)/HM(N)或[HM(O)/HM(N)]n的多层结构，并结合物性测试，进一步获取到接近1.0的自旋霍尔角，可以更高效地将电荷流转换为自旋流，实现更小写电流密度(～106A/cm2)下的翻转。
具体地，本公开实施例中，利用不同实验手段对不同自旋轨道矩效应重金属层的自旋霍尔角进行了标定，如图4所示，相比于纯重金属层HM,氧气和氮气掺杂的重金属层HM(O)和HM(N)贡献的自旋霍尔角均有很大提升。此外，通过改变溅射气体对重金属层修饰，形成多层掺杂重金属层，自旋霍尔角的极大值可以达到-0.9以上，远高于现有技术中在重金属材料层得到的最大转换效率(β-W中获得-0.3)，并且在不同溅射气体间可以实现自旋转换效率的连续调控，为高效率SOT-MRAM的材料研究提供了更多的可能性。
在本公开实施例中，自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属材料组成，无需考虑分流；通过改变重金属层厚度，实现单一材料中的β相，而且利用气体对β相进行调控，机理简单极易实现；而且多层结构设计可以增强电荷流/自旋流的层间散射，从而产生更多自旋流；同时，自旋轨道矩效应重金属层退火温度低，利于形成β相，自旋霍尔角更大，可以提升电荷流-自旋流转换效率。
应当理解的是，本公开的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本公开的原理，而不构成对本公开的限制。因此，在不偏离本公开的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。此外，本公开所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种磁性随机存储器，至少包括：覆盖层、钉扎层、反铁磁耦合层、固定层、势垒层、自由层、自旋轨道矩效应重金属层和衬底层，其特征在于，
所述自旋轨道矩效应重金属层自上而下包括重金属气体掺杂层和无掺杂重金属层；所述重金属气体掺杂层为单层和/或多层结构；
其中，在所述自旋轨道矩效应重金属层执行溅射操作时通入气体，生成所述重金属气体掺杂层，所述气体包括氮气或氧气中的一种或两种；
所述自旋轨道矩效应重金属层由单一金属材料组成。
2.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，通过改变通入气体的流速和/或不同气体的通入比例，生成一种或多种重金属气体掺杂层。
3.根据权利要求1或2所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述重金属气体掺杂层具体为掺氧重金属层或掺氮重金属层。
4.根据权利要求1或2所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述重金属气体掺杂层具体是掺氧重金属层/掺氮重金属层或[掺氧重金属层/掺氮重金属层]n的多层结构；其中，n是大于零的自然数，代表重复周期。
5.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述自旋轨道矩效应重金属层由单一重金属修饰。
6.根据权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，对所述重金属气体掺杂层执行退火微纳加工操作，生成预设尺寸的霍尔器件，用于电阻率和自旋霍尔角的测定。
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