CN114583046A

CN114583046A - 一种自旋轨道矩磁存储器及其制备方法

Info

Publication number: CN114583046A
Application number: CN202210171412.6A
Authority: CN
Inventors: 卢世阳; 宁小白; 商显涛; 刘宏喜; 曹凯华; 王戈飞
Original assignee: Zhizhen Storage Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Qingdao Haicun Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-06-03

Abstract

本发明公开了一种自旋轨道矩磁存储器及其制备方法，涉及电子领域，该自旋轨道矩磁存储器包括：复合式重金属层以及设置于复合式重金属层之上的磁隧道结，其中，所述复合式金属层包括至少两层薄膜结构：第一重金属层结构以及第二重金属层结构，至少两层薄膜结构中的任一一层由β相结构材料得到。可见，将原重金属层的材料选取为β相结构材料，由于β相结构材料自身属性是具有较大的自旋霍尔角，可以使SOT‑MRAM具有较大的翻转效率，同时β相结构材料与具有相同自旋电导率的其它材料相比，具有更小的电阻率，可以减小器件运行过程中因电阻率造成的损耗。

Description

一种自旋轨道矩磁存储器及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及电子领域，特别是一种磁性随机存储器的制备方法。

背景技术

随着新兴存储器研发工艺的不断发展成熟，自旋轨道矩磁存储器（SOT-MRAM，SpinOrbit Torque -Magnetic Access Memory）得到越发广泛的应用。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（Spain Orbit Coupling，SOC）作用，因此SOT往往被需求具有很大的自旋-电荷转换效率，以提高SOT-MRAM的翻转效率；还被需要具有较大的自旋电导率以此降低SOT-MRAM器件使用过程中因电阻率过大带来的功率损耗。

因此，在实际制备以及应用过程中，对于SOT-MRAM而言，提升其翻转效率，降低电阻率成为本领域中常见的技术探究方向。

发明内容

本发明实施例提供一种自旋轨道矩磁存储器及其制备方法，可以提高SOT-MRAM器件的翻转效率，并降低电阻率带来的损耗。

为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了一种自旋轨道矩磁存储器包括：复合式重金属层以及设置于复合式重金属层之上的磁隧道结，

其中，所述复合式金属层包括至少两层薄膜结构：第一重金属层结构以及第二重金属层结构，所述第一重金属层结构设置于所述第二重金属层结构之下；

至少两层薄膜结构中的任一一层由β相结构材料得到。在一些实施例中，所述自旋轨道矩磁存储器，所述β相结构材料至少包括：贝塔钨β-W、贝塔钽β-Ta以及βA₃B式化合物，

对于所述βA₃B式化合物，A元素选取范围至少包括：钒、铌、钽以及第六周期过渡金属元素；

B元素选取范围至少包括：第五副族元素以及第六副族元素；

所述第六周期过渡金属元素至少包括：铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂以及金；

所述第五副族元素至少包括：钒、铌、钽以及𬭊；

所述第六副族元素至少包括：铬、钼、钨以及𨭎。

在一些实施例中，所述复合式重金属层数为1~10层，所述复合式金属层厚度为1~10nm。

在一些实施例中，所述磁隧道结包括：自由层、非磁性势垒层以及固定层，其中，所述自由层设置于所述复合式重金属层之上，所述非磁性势垒层设置于所述自由层之上，所述固定层设置于所述非磁性势垒层之上。

在一些实施例中，所述自由层和/或固定层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：钴铁硼合金、钴化铁合金以及钴，

所述钴铁硼合金的原子配比至少包括以下一种：Co₂₀Fe₆₀B₂₀、Co₄₀Fe₄₀B₂₀以及Co₆₀Fe₂₀B₂₀;

所述钴化铁合金的原子配比至少包括以下一种：Co₇₀Fe₃₀、Co₇₅Fe₂₅以及Co₈₅Fe₁₅；

所述非磁性势垒层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：氧化镁以及三氧化二铝。

在一些实施例中，所述自由层和/或所述固定层厚度选取范围包括：0.5nm~5nm。

在本申请的第二方面，还提供了一种自旋轨道矩磁存储器的制备方法，

适用于自旋轨道矩磁存储器，所述自旋轨道矩磁存储器包括复合式重金属层，所述方法包括：

在底电极层之上构建复合式重金属层；

在所述底部重金属层之上构建磁隧道结；

在所述磁隧道结之上构建覆盖层。

在一些实施例中，所述复合式重金属层包括第一重金属层以及第二重金属层，所述在底电极层之上构建第一重金属层包括：

通过溅射的方式在底电极层之上构建第一重金属层；

通过溅射的方式在所述第一重金属层之上构建所述第二重金属层。

在一些实施例中，所述第一重金属层以及第二重金属层通过β相结构材料溅射得到，

所述β相结构材料至少包括：贝塔钨β-W、贝塔钽β-Ta以及βA₃B式化合物，

B元素选取范围至少包括：第五副族元素以及第六副族元素；

所述第五副族元素至少包括：钒、铌、钽以及𬭊；

所述第六副族元素至少包括：铬、钼、钨以及𨭎。

在一些实施例中，所述将磁隧道结膜层结构加工成磁隧道结过程，可通过以下三种方式构建：涂胶、显影、刻蚀。

本发明的实施例提供了一种复合式重金属层结构的SOT-MRAM及其制备方法，通过对SOT-MRAM结构的重金属层进行多层设计，将原重金属层的单层结构变更为多层薄膜结构可以降低对后续刻蚀过程中因精度误差对器件造成的不良率，并且应用具有β相结构材料进行制备得到的重金属层，由于β相结构材料自身属性是具有较大的自旋霍尔角，可以使SOT-MRAM具有较大的翻转效率，同时β相结构材料与具有相同自旋电导率的其它材料相比，具有更小的电阻率，可以减小器件运行过程中因电阻率造成的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例。

图1为根据本申请常规技术的SOT-MRAM的结构示意图；

图2为根据本申请一实施方式的复合式重金属层结构的磁隧道结结构示意图；

图3为根据本申请一实施方式的β相结构材料晶胞结构示意图；

图4为根据本申请一实施方式的W₃Ta中Ta不同溅射比例的电阻率分布示意图；

图5为根据本申请一实施方式的不同β相结构材料自旋电导率数据图；

图6为根据本发明一实施方式的具有多层复合式重金属层的磁隧道结结构示意图。

具体实施方式

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本领域技术人员可以理解，本申请中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

如图1所示，常规SOT-MRAM的核心结构包括：自下而上的重金属层，自由层，非磁性势垒层，固定层，反铁磁耦合层，钉扎层和覆盖层。其中重金属层产生自旋霍尔效应。自旋（spin）是电子与生俱来的一个角动量，自旋霍尔效应是指在无外加磁场的条件下，通入电场，注入非极化电流，自旋向上与自旋向下的电子会往反方向移动，然而往上和往下运动的电荷数目相等，因此并不会有净电流流动，自旋霍尔效应的主要成因是基于材料中电子自旋轨道耦合（SOC，Spin Orbit Coupling），即电子的“自旋角动量”和“轨道角动量”的交互作用结果，因此，自旋霍尔效应结果程度的强弱同所用样品材料的选取具备强相关关系。在SOT-MRAM领域应用中，SOT-MRAM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有道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。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作用，自旋源往往具有一定的自旋转换效率，即自旋霍尔角（SHA，SpinHall Angle）,

通常的，自旋霍尔角越大，其自旋转换率越大，器件更易发生翻转。

通常的，所述固定层由于磁矩沿一个方向固定，不易被外接刺激改变，而所述自由层的磁矩方向可以被SOT电流诱导的自旋流激励而改变，从而在易磁化轴的两个方向上切换。方向上的变化表征为MTJ的高低阻态，在此行存储领域，MTJ的高低阻态可以用来相应得表示存储数据“1”或“0”的状态。

通常的，在实际器件使用过程中SOT-MRAM存在一些问题，例如：在使用过程中自旋转换率不足造成翻转困难，或者由于材料选取或结构设计导致器件电阻率较大，运行过程中功率损耗较大。

在本申请的一个实施例中，为保证所述磁隧道结在在使用过程中的反转效率以及降低电阻率带来的损耗，采用复合式重金属层构建所述SOT-MRAM。

如图2所示的具有复合式重金属层结构磁隧道结结构示意图，

所述自旋轨道矩磁存储器包括：复合式重金属层以及设置于复合式重金属层之上的磁隧道结，

其中，所述复合式金属层包括至少两层薄膜结构：第一重金属层结构以及第二重金属层结构，

至少两层薄膜结构中的任一一层由β相结构材料得到。

由于所述复合式重金属层结构的引入，并且构建薄膜的材料选取为β相结构材料，相比较目前现有技术中广泛应用制备重金属层的材料（铂Pt、钽Ta、钨W、铪Hf、铜Cu、铱Ir以及锰化铂PtMn等），β相结构材料（例如贝塔钨β-W）具有较大的自选霍尔角（约等于-0.3），因此具有更大的自选转换率。并且β相结构材料晶胞为体心立方晶系，如图3所示，每个阵点和体心处包含一个原子，在体心立方的六个表面各有两个原子，这种结构的材料具有更大的自选转换率。

并且由于复合式结构的存在，相比较于现有技术的单层结构中，所述复合式重金属层的厚度更大，因此在刻蚀过程中，相同刻蚀工艺能力的情况下，刻蚀误差对于所述多层式重金属层结构的影响较传统重金属层影响更小。因此，所述复合式重金属层相对于传统重金属层具有更大的刻蚀厚度和刻蚀时间的调整范围，即具有更大的产品规格上下限。换言之，所述复合式重金属层的引入，强化了产品本身抗刻蚀精度异常影响的能力，从而使因刻蚀精度异常造成的产品不良的风险降低。

在本申请的一个实施例中，为实现对所述SOT-MRAM自旋转换率的改善以及电阻率带来的损耗的降低，对所述复合式重金属层的构建材料进行了筛选限定。

可选的，所述β相结构材料至少包括：贝塔钨β-W、贝塔钽β-Ta以及β相A₃B式化合物，

对于所述β相A₃B式化合物，A元素选取范围至少包括：钒（V）、铌（Nb）、钽（Ta）、硅（Si）以及第六周期过渡金属元素；

B元素选取范围至少包括：第五副族元素以及第六副族元素；

所述第六周期过渡金属元素至少包括：铪（Hf）、钽、钨（W）、铼（Re）、锇（Os）、铱（Ir）、铂（Pt）以及金（Au）；

所述第五副族元素至少包括：钒、铌、钽以及𬭊（Db）；

所述第六副族元素至少包括：铬、钼、钨以及𨭎（Sg）。

所述β相A₃B式化合物至少包括：W₃Ta、W₃W、Ta₃Sb、Cr₃Ir、Nb₃Au、W₃Re、Ta₃Ta以及W₃Si。

在本申请的一个实施方式中，对于β相A₃B式化合物的生成，通常采用共同溅射的方式对A元素材料以及B元素材料进行溅射，使目标的物质的量比例为A:B=3:1，并形成β相A₃B式化合物。

可选的，在所述共同溅射过程中，为保证以β相A₃B式化合物结构生成的概率更大，可以通过对溅射的速率进行调控，实现对溅射比例的调控，

示例性的，以W₃Ta为例，为得到β相结构，β相W₃Ta结构的电阻率范围是100μΩcm~300μΩcm。实际测试过程中如图4所示，通过调整对W和Ta的所述共同溅射速率实现对Ta的占比的改变：

当Ta的比例小于等于30%时，对其进行电阻率测试，电阻率满足β相电阻率的范围；

当Ta的比例大于30%时，电阻率下降，超出β相电阻率范围（即此时结构不是β相结构），

因此，对于W₃Ta而言，Ta物质的量所占的比例范围可以选取为0~30%，其它材料同理，此处不进行一一赘述。

示例性的，通过计算模拟不同材料的β相A₃B式化合物的自旋电导率结果如图5所示，由此可知对于W₃Ta与列举的材料而言，其自旋电导率绝对值最大，由于电阻率与自选电导率成反比例关系，因此W₃Ta的自旋霍尔角较大的同时，其自身的电阻率最小（即用此材料进行SOT-MRAM的制备，得到的器件较其它表内材料制备得到的器件在运行中具有更小的损耗）。

可选的，所述复合式重金属层数为1~10层，所述复合式金属层厚度为1~10nm，这样，所述复合式重金属层的引入，强化了产品本身抗刻蚀精度异常影响的能力，从而使因刻蚀精度异常造成的产品不良的风险降低。

可选的，所述磁隧道结包括：自由层、非磁性势垒层以及固定层，其中，所述自由层设置于所述复合式重金属层之上，所述非磁性势垒层设置于所述自由层之上，所述固定层设置于所述非磁性势垒层之上。

可选的，所述自由层和/或固定层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：钴铁硼合金、钴化铁合金以及钴，

可选的，所述自由层和/或所述固定层厚度选取范围包括：0.5nm~5nm。

具体的，如图6，以反铁磁耦合的面内隧穿磁电阻为例，自下而上分别为底端电极，复合式重金属层，自由层，非磁性势垒层，固定层，饭铁磁曾，钉扎层以及覆盖层；

其中底端电极选用硅或二氧化硅；

复合式重金属层采用4层重金属层结构，具体包括：β-W（即第一重金属层结构），β-W₃Ta（即第二重金属层结构），设置在β-W₃Ta之上的β-W（即第三重金属层结构）以及β-Ta（即第四重金属层结构）；

自由层材料选用：钴铁硼合金；

非磁性势垒层材料选用：氧化镁；

固定层材料选用：钴铁硼合金或钴化铁合金；

反铁磁层材料选用：钌；

钉扎层材料选用：钴化铁合金或锰化铱；

覆盖层材料选用：钌。

可选的，对于所述复合式重金属层，溅射完成后进行退火操作，退火条件包括：温度300℃，磁场强度1T，退火时间1h。

可选的，退火方向同重金属层中电流方向垂直。

可选的，后续对上述生产的膜堆进行涂胶，显影，刻蚀等操作得到完整器件。

在本申请的另一个实施例中，还介绍了一种自旋轨道矩磁存储器的制备方法，适用于自旋轨道矩磁存储器，所述自旋轨道矩磁存储器包括复合式重金属层，所述方法包括：

在底电极层之上构建复合式重金属层；

在所述底部重金属层之上构建磁隧道结；

在所述磁隧道结之上构建覆盖层。

可选的，所述复合式重金属层包括第一重金属层以及第二重金属层，所述在底电极层之上构建第一重金属层包括：

通过溅射的方式在底电极层之上构建第一重金属层；

通过溅射的方式在所述第一重金属层之上构建所述第二重金属层，

其中，溅射工艺是一种以一定能量的粒子（粒子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺，溅射工艺只可在一定的真空状态下进行，此处所述混合式重金属层生长构建可选溅射工艺，但并非局限于此方案，其它模式同样可适用。

可选的，所述复合式重金属层数为1~10层，所述复合式金属层厚度为1~10nm。

可选的，所述第一重金属层以及第二重金属层通过β相结构材料溅射得到，

所述β相结构材料至少包括：贝塔钨β-W、贝塔钽β-Ta以及β相A₃B式化合物，

对于所述β相A₃B式化合物，A元素选取范围至少包括：钒、铌、钽以及第六周期过渡金属元素；

B元素选取范围至少包括：第五副族元素以及第六副族元素；

所述第五副族元素至少包括：钒、铌、钽以及𬭊；

所述第六副族元素至少包括：铬、钼、钨以及𨭎。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自旋轨道矩磁存储器，其特征在于，所述自旋轨道矩磁存储器包括：复合式重金属层以及设置于复合式重金属层之上的磁隧道结，

至少两层薄膜结构中的任一一层由β相结构材料得到。

2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁存储器，其特征在于，所述β相结构材料至少包括：贝塔钨β-W、贝塔钽β-Ta以及β相A₃B式化合物，

对于所述β相A₃B式化合物，A元素选取范围至少包括：钒、铌、钽、硅以及第六周期过渡金属元素；

B元素选取范围至少包括：第五副族元素以及第六副族元素；

所述第五副族元素至少包括：钒、铌、钽以及𬭊；

所述第六副族元素至少包括：铬、钼、钨以及𨭎。

3.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁存储器，其特征在于，所述复合式重金属层数为1~10层，所述复合式金属层厚度为1~10nm。

4.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁存储器，其特征在于，所述磁隧道结包括：自由层、非磁性势垒层以及固定层，其中，所述自由层设置于所述复合式重金属层之上，所述非磁性势垒层设置于所述自由层之上，所述固定层设置于所述非磁性势垒层之上。

5.根据权利要求或4所述的自旋轨道矩磁存储器，其特征在于，所述自由层和/或固定层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：钴铁硼合金、钴化铁合金以及钴，

6.根据权利要求4或5所述的自旋轨道矩磁存储器，其特征在于，所述自由层和/或所述固定层厚度选取范围包括：0.5nm~5nm。

7.一种自旋轨道矩磁存储器的制备方法，其特征在于，适用于自旋轨道矩磁存储器，所述自旋轨道矩磁存储器包括复合式重金属层，所述方法包括：

在底电极层之上构建复合式重金属层；

在所述底部重金属层之上构建磁隧道结；

在所述磁隧道结之上构建覆盖层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合式重金属层包括第一重金属层以及第二重金属层，所述在底电极层之上构建第一重金属层包括：

通过溅射的方式在底电极层之上构建第一重金属层；

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合式重金属层数为1~10层，所述复合式金属层厚度为1~10nm。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一重金属层以及第二重金属层通过β相结构材料溅射得到，

B元素选取范围至少包括：第五副族元素以及第六副族元素；

所述第五副族元素至少包括：钒、铌、钽以及𬭊；

所述第六副族元素至少包括：铬、钼、钨以及𨭎。