CN114695647A - 一种磁性存储单元及其的制备方法、磁性存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性存储单元的制备方法，通过在预设的自旋轨道矩金属基体表面，向外依次设置磁性自由层、绝缘隧道层、磁性参考层及掩膜层，得到待刻蚀单元；对所述掩膜层、所述磁性参考层及所述绝缘隧道层进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件；在所述刻蚀工件表面设置保护层；对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物；去除所述存储单元预置物的掩膜层上方的保护层，得到磁性存储单元。本发明使所述磁性自由层起到了所述自旋轨道矩金属基体的保护层的作用，保障了所述自旋轨道矩金属基体的厚度均匀性不会被破坏。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的磁性存储单元及磁性存储器。

Description

一种磁性存储单元及其的制备方法、磁性存储器
技术领域
本发明涉及存储技术领域，特别是涉及一种磁性存储单元及其的制备方法、磁性存储器。
背景技术
相比于传统的STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存储器)，SOT-MRAM(自旋轨道矩磁性随机存储器)既保持了MRAM高速度和低功耗等优异特性，又实现了低写入电压及读写路径分离。有望取代STT-MRAM，利用自旋轨道矩实现快速而可靠的磁化翻转。然而，基于MTJ(磁性隧道结)的自旋轨道磁存储器，自由层与自旋轨道矩提供线直接接触。但需要注意的是，由于通过其内部的电流大小将直接控制其上的存储单元，因此超薄自旋轨道矩材料表面平整度要求极高，不同位置薄厚偏差过大会导致内部电流不同，进而导致存储器件的可靠性下降。
而现有技术中在器件制备的刻蚀及化学机械抛光过程中，不可避免地会对自旋轨道矩金属基体造成影响，而刻蚀与抛光的不均匀性会进一步增加所述自旋轨道矩金属基体的不均匀性。
因此，如何找到一种避免刻蚀与抛光过程对自旋轨道矩金属基体的破坏，提高自旋轨道矩金属基体厚度均匀性的方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁性存储单元及其的制备方法、磁性存储器，以解决现有技术中刻蚀与抛光过程对自旋轨道矩金属基体造成破坏，进而导致自旋轨道矩金属基体厚度均匀性不佳的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁性存储单元的制备方法，包括：
在预设的自旋轨道矩金属基体表面，向外依次设置磁性自由层、绝缘隧道层、磁性参考层及掩膜层，得到待刻蚀单元；
对所述掩膜层、所述磁性参考层及所述绝缘隧道层进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件；
在所述刻蚀工件表面设置保护层；
对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物；
去除所述存储单元预置物的掩膜层上方的保护层，得到磁性存储单元。
可选地，在所述的磁性存储单元的制备方法中，所述对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物包括：
对柱状外围区的磁性自由层进行掺杂形成高电阻率区，得到存储单元预置物。
可选地，在所述的磁性存储单元的制备方法中，所述对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物包括：
对柱状外围区的磁性自由层进行定向氧化形成高电阻率区，得到存储单元预置物。
可选地，在所述的磁性存储单元的制备方法中，在对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区之前，还包括：
去除所述磁性自由层表面的保护层，保留所述柱状凸起侧壁的保护层。
可选地，在所述的磁性存储单元的制备方法中，在所述刻蚀工件表面设置保护层之前，还包括：
对所述柱状凸起的侧壁进行物理清洁。
可选地，在所述的磁性存储单元的制备方法中，所述物理清洁包括等离子体清洗或离子束刻蚀。
可选地，在所述的磁性存储单元的制备方法中，所述保护层通过溅射沉积或离子束沉积或化学气相沉积或原子层沉积中任一种方法设置于所述刻蚀工件表面。
一种磁性存储单元，从下至上依次包括自旋轨道矩金属基体、磁性自由层、柱状凸起及保护层；
所述柱状凸起从下至上依次包括绝缘隧道层、磁性参考层及掩膜层；
所述磁性自由层包括位于柱状外围区的高电阻率区及位于柱状区的低电阻率区；
所述保护层设置于所述柱状凸起的侧表面及所述磁性自由层的上表面。
可选地，在所述的磁性存储单元中，所述保护层为氮化硅层、氧化硅层或氮氧化硅层中任一种。
一种磁性存储器，所述磁性存储器包括如上述任一种所述的磁性存储单元。
本发明所提供的磁性存储单元的制备方法，通过在预设的自旋轨道矩金属基体表面，向外依次设置磁性自由层、绝缘隧道层、磁性参考层及掩膜层，得到待刻蚀单元；对所述掩膜层、所述磁性参考层及所述绝缘隧道层进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件；在所述刻蚀工件表面设置保护层；对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物；去除所述存储单元预置物的掩膜层上方的保护层，得到磁性存储单元。
与现有技术不同，本发明并没有将所述磁性自由层在刻蚀过程中直接刻进所述柱状凸起，换句话说，本发明中的刻蚀在刻蚀过所述绝缘隧道层后就停止了，所述磁性自由层在经过刻蚀后仍旧覆盖了所述自旋轨道矩金属基体的表面，使所述磁性自由层起到了所述自旋轨道矩金属基体的保护层的作用，蚀刻过程及后续的抛光过程均不会直接作用于所述自旋轨道矩金属基体，也就保障了所述自旋轨道矩金属基体的厚度均匀性不会被破坏，此外，本申请通过将所述柱状外围区对应的磁性自由层氧掺杂，使所述柱状外围区的磁性自由层电阻提高，仅留下柱状区的磁性自由层导电，完成了磁性隧道结的制备。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的磁性存储单元及磁性存储器。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为磁性存储单元工作时与外部电路的连接结构示意图；
图2为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图3为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的另一种具体实施方式的流程示意图；
图4至图6为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的一种具体实施方式的中间工艺流程图；
图7为本发明提供的磁性存储单元的一种具体实施方式的结构示意图；
图8为本发明提供的磁性存储单元的一种具体实施方式的信号路径图；
图9为本发明提供的磁性存储单元的另一种具体实施方式的信号路径图。
具体实施方式
所述磁性存储单元与外部电路的连接方式如图1所示，所述磁性存储单元的第1端口和写字线晶体管漏极连接，第2端口和位线连接，第3端口和读字线晶体管漏极连接。读字线晶体管的源极，写字线晶体管源极和源线连接。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种磁性存储单元的制备方法，其一种具体实施方式的流程示意图如图2所示，称其为具体实施方式一，包括：
S101：在预设的自旋轨道矩金属基体10表面，向外依次设置磁性自由层20、绝缘隧道层30、磁性参考层40及掩膜层50，得到待刻蚀单元。
S102：对所述掩膜层50、所述磁性参考层40及所述绝缘隧道层30进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件。
经过刻蚀后的刻蚀工件的结构示意图如图4所示，需要注意的是，本发明中保留所述磁性自由层20的目的在于保护下方的自旋轨道矩金属基体10，因此在本步骤中即便刻蚀面没有完美提留在所述绝缘隧道层30与所述磁性自由层20的分界线，而是刻蚀了一定厚度的磁性自由层20也可。
S103：在所述刻蚀工件表面设置保护层60。
设置过所述保护层60的所述刻蚀工件的结构还示意图如图5所示，作为一种优选实施方式，在所述刻蚀工件表面设置保护层60之前，还包括：
对所述柱状外延层的侧壁进行物理清洁，以修复隧道结附近的损伤进行修复，同时也避免所述柱状外延层在刻蚀过程中的边缘不规则或残留药液影响所述保护层60设置。更进一步地，所述物理清洁包括等离子体清洗或离子束刻蚀。
再进一步地，所述保护层60通过溅射沉积或离子束沉积或化学气相沉积或原子层沉积中任一种方法设置于所述刻蚀工件表面，当然，也可根据实际情况选择其他设置方式。
S104：对柱状外围区的磁性自由层20进行定向处理形成高电阻率区21，得到存储单元预置物。
所述柱状外围区指不在所述柱状凸起下方，而是所述柱状凸起在所述磁性自由层20上的投影区域之外的区域，具体可参考图6，图6中没有位于所述柱状凸起下方的区域即为所述柱状外围区，当然，实际生产中进行氧掺杂的高电阻自由层可能部分延伸到所述柱状凸起下方，这对本发明的有益效果影响不大。
S105：去除所述存储单元预置物的掩膜层50上方的保护层60，得到磁性存储单元。
本发明所提供的磁性存储单元的制备方法，通过在预设的自旋轨道矩金属基体10表面，向外依次设置磁性自由层20、绝缘隧道层30、磁性参考层40及掩膜层50，得到待刻蚀单元；对所述掩膜层50、所述磁性参考层40及所述绝缘隧道层30进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件；在所述刻蚀工件表面设置保护层60；对柱状外围区的磁性自由层20进行定向处理形成高电阻率区21，得到存储单元预置物；去除所述存储单元预置物的掩膜层50上方的保护层60，得到磁性存储单元。与现有技术不同，本发明并没有将所述磁性自由层20在刻蚀过程中直接刻进所述柱状凸起，换句话说，本发明中的刻蚀在刻蚀过所述绝缘隧道层30后就停止了，所述磁性自由层20在经过刻蚀后仍旧覆盖了所述自旋轨道矩金属基体10的表面，使所述磁性自由层20起到了所述自旋轨道矩金属基体10的保护层60的作用，蚀刻过程及后续的抛光过程均不会直接作用于所述自旋轨道矩金属基体10，也就保障了所述自旋轨道矩金属基体10的厚度均匀性不会被破坏，此外，本申请通过将所述柱状外围区对应的磁性自由层20氧掺杂，使所述柱状外围区的磁性自由层20电阻提高，仅留下柱状区的磁性自由层20导电，完成了磁性隧道结的制备。
在具体实施方式一的基础上，进一步在对柱状外围区的磁性自由层20进行氧掺杂之前对所述保护层60进行处理，得到具体实施方式二，其结构示意图如图3所示，包括：
S201：在预设的自旋轨道矩金属基体10表面，向外依次设置磁性自由层20、绝缘隧道层30、磁性参考层40及掩膜层50，得到待刻蚀单元。
S202：对所述掩膜层50、所述磁性参考层40及所述绝缘隧道层30进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件。
S203：在所述刻蚀工件表面设置保护层60。
S204：去除所述磁性自由层20表面的保护层60，保留所述柱状凸起侧壁的保护层60。
S205：对柱状外围区的磁性自由层20进行定向处理形成高电阻率区21，得到存储单元预置物。
S206：去除所述存储单元预置物的掩膜层50上方的保护层60，得到磁性存储单元。
本具体实施方式中，在对设置过保护层60的所述刻蚀工件进行氧掺杂之前，先去除了所述柱状外围区的保护层60，使位于所述柱状外围区的磁性自由层20的上表面直接暴露，使后续的氧掺杂更快速、充分、均匀，在提升生产效率的同时，提升了最终成品的被氧化的高电阻率自由区的质量，本具体实施方式对应的磁性存储单元的结构示意图可参考图7。
本发明同时还提供了一种磁性存储单元，其一种具体实施方式的结构示意图如图7所示，称其为具体实施方式三，从下至上依次包括自旋轨道矩金属基体10、磁性自由层20、柱状凸起及保护层60；
所述柱状凸起从下至上依次包括绝缘隧道层30、磁性参考层40及掩膜层50；
所述磁性自由层20包括位于柱状外围区的高电阻率区21及位于柱状区的低电阻率区22；
所述保护层60设置于所述柱状凸起的侧表面及所述磁性自由层20的上表面。
作为一种优选实施方式，所述保护层60为氮化硅层、氧化硅层或氮氧化硅层中任一种。
另外，所述自旋轨道矩金属基体10为铂、钨、金、钼或钽金属的基体。
更进一步地，所述自旋轨道矩金属基体10的厚度范围为1纳米至10纳米，包括端点值，如1.0纳米、5.0纳米或10.0纳米中任一个；所述磁性自由层20的厚度范围为1纳米至5纳米，包括端点值，如1.0纳米、3.2纳米或5.0纳米中任一个。
本发明提供的磁性存储单元适用于两端口器件及三端口器件，其信号传输图如图8及图9所示。
其中图8为两端口器件，器件包括2端口，分别为与自旋轨道金属一侧连接的第1端口和与MTJ顶部连接的第2端口。数据写入时，电流通过自旋轨道金属材料和MTJ，通过改变电流方向分别实现写0/1，即写入电流从第1端口流向第2端口，或写入电流从第2端口流向第1端口。数据读取时，读取电流经过MTJ，通过端口1和2之间的电阻值进行数据读取。
图9为三端口器件，器件包括3个端口，位于自旋轨道金属MTJ柱子两侧的第1，第2端口和位于MTJ顶部的第3端口。数据写入时，电流通过自旋轨道金属材料，通过改变电流方向分别实现写0/1，即写入电流从第1端口流向第2端口，或写入电流从第2端口流向第1端口。数据读取时，读取电流经过MTJ，通过端口1和3，或者端口2和3之间的电阻值进行数据读取。
本发明所提供的磁性存储单元，从下至上依次包括自旋轨道矩金属基体10、磁性自由层20、柱状凸起及保护层60；所述柱状凸起从下至上依次包括绝缘隧道层30、磁性参考层40及掩膜层50；所述磁性自由层20包括位于柱状外围区的高电阻率区21及位于柱状区的低电阻率区22；所述保护层60设置于所述柱状凸起的侧表面及所述磁性自由层20的上表面。与现有技术不同，本发明并没有将所述磁性自由层20在刻蚀过程中直接刻进所述柱状凸起，换句话说，本发明中的刻蚀在刻蚀过所述绝缘隧道层30后就停止了，所述磁性自由层20在经过刻蚀后仍旧覆盖了所述自旋轨道矩金属基体10的表面，使所述磁性自由层20起到了所述自旋轨道矩金属基体10的保护层60的作用，蚀刻过程及后续的抛光过程均不会直接作用于所述自旋轨道矩金属基体10，也就保障了所述自旋轨道矩金属基体10的厚度均匀性不会被破坏，此外，本申请通过将所述柱状外围区对应的磁性自由层20氧掺杂，使所述柱状外围区的磁性自由层20电阻提高，仅留下柱状区的磁性自由层20导电，完成了磁性隧道结的制备。
本发明还提供了具有上述有益效果的一种磁性存储器，所述磁性存储器包括如上述任一种所述的磁性存储单元。本发明所提供的磁性存储单元的制备方法，通过在预设的自旋轨道矩金属基体10表面，向外依次设置磁性自由层20、绝缘隧道层30、磁性参考层40及掩膜层50，得到待刻蚀单元；对所述掩膜层50、所述磁性参考层40及所述绝缘隧道层30进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件；在所述刻蚀工件表面设置保护层60；对柱状外围区的磁性自由层20进行定向处理形成高电阻率区21，得到存储单元预置物；去除所述存储单元预置物的掩膜层50上方的保护层60，得到磁性存储单元。与现有技术不同，本发明并没有将所述磁性自由层20在刻蚀过程中直接刻进所述柱状凸起，换句话说，本发明中的刻蚀在刻蚀过所述绝缘隧道层30后就停止了，所述磁性自由层20在经过刻蚀后仍旧覆盖了所述自旋轨道矩金属基体10的表面，使所述磁性自由层20起到了所述自旋轨道矩金属基体10的保护层60的作用，蚀刻过程及后续的抛光过程均不会直接作用于所述自旋轨道矩金属基体10，也就保障了所述自旋轨道矩金属基体10的厚度均匀性不会被破坏，此外，本申请通过将所述柱状外围区对应的磁性自由层20氧掺杂，使所述柱状外围区的磁性自由层20电阻提高，仅留下柱状区的磁性自由层20导电，完成了磁性隧道结的制备。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的磁性存储单元及其的制备方法、磁性存储器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁性存储单元的制备方法，其特征在于，包括：
在预设的自旋轨道矩金属基体表面，向外依次设置磁性自由层、绝缘隧道层、磁性参考层及掩膜层，得到待刻蚀单元；
对所述掩膜层、所述磁性参考层及所述绝缘隧道层进行刻蚀，得到包括柱状凸起的刻蚀工件；
在所述刻蚀工件表面设置保护层；
对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物；
去除所述存储单元预置物的掩膜层上方的保护层，得到磁性存储单元。
2.如权利要求1所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，所述对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物包括：
对柱状外围区的磁性自由层进行掺杂形成高电阻率区，得到存储单元预置物。
3.如权利要求1所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，所述对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区，得到存储单元预置物包括：
对柱状外围区的磁性自由层进行定向氧化形成高电阻率区，得到存储单元预置物。
4.如权利要求1所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，在对柱状外围区的磁性自由层进行定向处理形成高电阻率区之前，还包括：
去除所述磁性自由层表面的保护层，保留所述柱状凸起侧壁的保护层。
5.如权利要求1所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，在所述刻蚀工件表面设置保护层之前，还包括：
对所述柱状凸起的侧壁进行物理清洁。
6.如权利要求5所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，所述物理清洁包括等离子体清洗或离子束刻蚀。
7.如权利要求1所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，所述保护层通过溅射沉积或离子束沉积或化学气相沉积或原子层沉积中任一种方法设置于所述刻蚀工件表面。
8.一种磁性存储单元，其特征在于，从下至上依次包括自旋轨道矩金属基体、磁性自由层、柱状凸起及保护层；
所述柱状凸起从下至上依次包括绝缘隧道层、磁性参考层及掩膜层；
所述磁性自由层包括位于柱状外围区的高电阻率区及位于柱状区的低电阻率区；
所述保护层设置于所述柱状凸起的侧表面及所述磁性自由层的上表面。
9.如权利要求8所述的磁性存储单元，其特征在于，所述保护层为氮化硅层、氧化硅层或氮氧化硅层中任一种。
10.一种磁性存储器，其特征在于，所述磁性存储器包括如权利要求8至9任一项所述的磁性存储单元。
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