CN114843394A - 自旋轨道力矩磁器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自旋轨道力矩磁器件及其制造方法。根据一实施例，一种磁器件可包括：磁偏置层；位于所述磁偏置层上的自旋霍尔层；位于所述自旋霍尔层上的自由磁层；位于所述自由磁层上的中间层；以及位于所述中间层上的参考磁层，其中，所述自旋霍尔层包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层分别由自旋霍尔角符号相反的材料形成。所述磁器件可以是磁随机存储器或者是自旋逻辑器件。

Description

自旋轨道力矩磁器件及其制造方法

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种具有高翻转效率的自旋轨道力矩磁器件及其制造方法，所述磁器件可包括磁随机存取存储器和自旋逻辑器件。

背景技术

自旋轨道力矩(SOT)磁自旋阀或磁隧道结是一种新型的高速度、低能耗、长寿命非易失性磁器件，被视为下一代磁器件的候选，期望应用到诸如磁随机存取存储器和自旋逻辑器件之类的自旋电子学器件中。现阶段，对于具有垂直磁各向异性的薄膜而言，通过自旋霍尔效应引起的自旋流尚不能直接翻转垂直磁矩，通常还需要借助一个平行于电流的磁场或者等效磁场的辅助，才能实现SOT磁矩翻转。在零外加磁场的条件下，这一辅助的等效磁场可以通过交换偏置效应或者层间磁耦合效应来提供。例如，本申请人的题为“电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件”的在先发明专利CN105280214B就公开了利用等效磁场来辅助翻转自由磁层的磁随机存取存储器和自旋逻辑器件，其全文通过引用合并于此，作为参考。

发明内容

本发明的一实施例提供一种磁器件，包括：磁偏置层；位于所述磁偏置层上的自旋霍尔层；位于所述自旋霍尔层上的自由磁层；位于所述自由磁层上的中间层；以及位于所述中间层上的参考磁层，其中，所述自旋霍尔层包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层分别由自旋霍尔角符号相反的材料形成。

在一些实施例中，所述磁偏置层具有面内磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有垂直磁各向异性。

在一些实施例中，所述磁偏置层具有垂直磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有面内磁各向异性。

在一些实施例中，所述自旋霍尔层具有一厚度，以诱导所述偏置磁层与所述自由磁层之间的铁磁耦合或反铁磁耦合。

在一些实施例中，所述第二自旋霍尔层接触所述自由磁层，且所述第一自旋霍尔层具有比所述第二自旋霍尔层更大的厚度。

在一些实施例中，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层每个的厚度在0.2nm至3nm的范围内。

在一些实施例中，所述磁器件是磁存储器或自旋逻辑器件。

本发明的另一实施例提供一种制造磁器件的方法，包括：a.在衬底上形成自旋霍尔层的图案；b.在所述衬底和所述自旋霍尔层的图案上形成光致抗蚀剂图案，所述光致抗蚀剂图案具有开口以暴露所述自旋霍尔层的一部分；c.在所述自旋霍尔层的暴露部分和所述光致抗蚀剂图案上沉积多层膜结构，所述多层膜结构包括依次沉积的自由磁层、中间层和参考磁层；d.去除所述光致抗蚀剂图案，从而去除所述多层膜结构的位于所述光致抗蚀剂图案上的部分，留下所述多层膜结构的位于所述自旋霍尔层上的部分；e.在具有所述自旋霍尔层和所述多层膜结构的所述衬底上沉积绝缘材料层，并蚀刻所述绝缘材料层以至少暴露所述多层膜结构；以及f.形成与所述多层膜结构接触的顶电极。

在一些实施例中，所述衬底上形成有第一底电极和第二底电极，并且在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案连接所述第一底电极和第二底电极，在步骤b中通过所述光致抗蚀剂图案的开口暴露的所述自旋霍尔层的一部分位于所述第一底电极和所述第二底电极之间。

在一些实施例中，在步骤e中蚀刻所述绝缘材料层还包括所述自旋霍尔层的位于所述多层膜结构两侧的部分，在步骤f中还形成分别位于所述顶电极两侧并且与所述自旋霍尔层接触的第一底电极和第二底电极。

在一些实施例中，在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层。

在一些实施例中，在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案仅包括第一自旋霍尔层，在步骤c中沉积的多层膜结构还包括与所述第一自旋霍尔层接触的第二自旋霍尔层。

在一些实施例中，在步骤a中形成自旋霍尔层的图案时，还同时形成位于衬底和自旋霍尔层之间的偏置磁层的图案。

在一些实施例中，在形成自旋霍尔层的图案之前，在所述衬底中形成偏置磁层的图案，所述偏置磁层的图案对应于所述自旋霍尔层的图案的中部区域。

本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。

附图说明

图1是一种现有技术的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。

图2是演示利用自旋霍尔效应来实现磁矩翻转的原理示意图。

图3是根据本发明一实施例的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。

图4至图10是根据本发明一实施例的制造自旋转移力矩磁器件的方法步骤的示意图。

图11是根据本发明另一实施例的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。注意，附图可能不是按比例绘制的。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

图1示出一种现有技术的自旋转移力矩磁器件10。如图1所示，自旋转移力矩磁器件10包括依次形成在衬底(未示出)上的偏置磁层11、自旋霍尔层12、自由磁层13、间隔层14和参考磁层15。参考磁层15上还可以形成有顶电极16，在自旋霍尔层12的相对两侧可以形成有第一底电极17和第二底电极18。第一底电极17和第二底电极18可用于施加流过自旋霍尔层12的面内电流，并且第一底电极17和第二底电极18中的一个可以和顶电极16一起用于施加流过磁器件10的垂直电流。虽然图1仅示出了两个底电极，但是应理解，根据需要，例如在用作自旋逻辑器件时，如本申请人的在先发明专利CN105280214B中论述的那样，还可以在自旋霍尔层12的图2所示的相对两侧或者另外(即垂直于纸面的)相对两侧形成更多的底电极，例如第三底电极和第四底电极。在图1中，参考磁层15示为具有固定的垂直磁化，自由磁层13具有可翻转的垂直磁化，偏置磁层11具有面内磁化以向自由磁层13提供辅助偏置磁场。但是应理解，参考磁层15和自由磁层13也可以具有面内磁化，此时偏置磁场11可以具有垂直磁化。

图2是演示利用自旋霍尔效应来对自由磁层进行磁矩翻转的原理示意图。参照图1和图2，当向自旋霍尔层12施加面内电荷流I_W时，由于强的自旋轨道耦合，在自旋霍尔层12的各个表面上产生自旋流，如图2中的带圆球的箭头所示。自旋流的大小和方向由形成自旋霍尔层12的材料的自旋霍尔角决定。自旋霍尔角的大小定义为自旋流与电荷流的比值，其反映了电荷流与自旋流之间的转化效率。自旋轨道耦合越强，自旋霍尔角越大。自旋霍尔角的符号定义自旋流的自旋极化方向，当电荷流I_W的方向固定时，具有相反符号的自旋霍尔角的材料产生的自旋流的自旋极化方向彼此相反。例如，当正的自旋霍尔角产生图2所示的逆时针自旋极化方向时，负的自旋霍尔角则会产生相反的顺时针自旋极化方向。当自旋霍尔层12与自由磁层13直接接触时，自旋霍尔层12中的自旋流向自由磁层13扩散，对自由磁层13施加自旋轨道力矩(SOT)，在由偏置磁层11施加的偏置磁场的共同作用下，使自由磁层13的磁矩方向发生翻转。

为了实现自由磁层13的磁矩翻转，需要偏置磁层11施加足够的偏置磁场，同时在自旋霍尔层12中有足够大的电流密度以向自由磁层13施加足够大的自旋轨道力矩。为了提高自旋霍尔层12中的电流密度，一般会把自旋霍尔层12形成得很薄，例如在1-4nm的范围。然而，这会导致许多问题，例如增大了制造难度，而且翻转能耗较高等。下面，将参照附图详细论述本发明的一些示例性实施例，其能够解决或减轻现有技术中的上述及其他问题，但是本发明不限于此。

图3是根据本发明一实施例的自旋转移力矩磁器件的结构示意图。如图3所示，自旋转移力矩磁器件20包括依次形成在绝缘衬底(未示出)上的偏置磁层21、第一自旋霍尔层22A、第一自旋霍尔层22B、自由磁层23、间隔层24和参考磁层25。参考磁层25上还可以形成有顶电极26，在第一和第二自旋霍尔层22A、22B的相对两侧可以形成有第一底电极27和第二底电极28。第一底电极27和第二底电极28可用于施加流过第一和第二自旋霍尔层22A和22B的面内电流，并且第一底电极27和第二底电极28中的一个可以和顶电极26一起用于施加流过磁器件20的垂直电流。虽然图3仅示出了两个底电极，但是应理解，根据需要，例如在用作自旋逻辑器件时，如本申请人的在先发明专利CN105280214B中论述的那样，还可以在自旋霍尔层22的图3所示的相对两侧或者另外(即垂直于纸面的)相对两侧形成更多的底电极，例如第三底电极和第四底电极。在图3中，参考磁层25示为具有固定的垂直磁化，自由磁层23具有可翻转的垂直磁化，偏置磁层21具有面内磁化以向自由磁层23提供辅助偏置磁场。但是应理解，参考磁层25和自由磁层23也可以具有面内磁化，此时偏置磁场21可以具有垂直磁化。

偏置磁层21可以由铁磁材料形成，包括但不限于Co、Fe、Ni以及包括它们中的一种或多种的合金。偏置磁层21的磁化在磁器件20的运行期间保持不变，因此偏置磁层21可以使用具有较大矫顽力的材料形成，或者可以形成为具有较大的厚度。在本发明的一些实施例中，偏置磁层21的厚度可以在1nm至30nm的范围，优选在2nm至20nm的范围。在另一些实施例中，还可以在偏置磁层21与衬底之间设置反铁磁钉扎层来钉扎偏置磁层21的磁化方向，或者偏置磁层21可以采用人工反铁磁(SAF)结构。在偏置磁层21具有垂直磁化时，还可以在偏置磁层21与衬底之间形成一个或多个缓冲层。

第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B都由具有强的自旋轨道耦合属性的导体材料形成，其也可以合称为自旋霍尔层22。如前面参照图1和2描述的那样，当电流流过具有强的自旋轨道耦合属性的导体材料时，由于自旋霍尔效应，能在该导体材料的表面上形成自旋流。这样的导体材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn之类的金属或合金，诸如Bi₂Se₃和Bi₂Te₃之类的拓扑绝缘体、以及诸如Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi、Lu之类的稀土材料等，其中优选Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm，因为它们具有较强的自旋轨道耦合，因此具有较大的自旋霍尔角。如前所述，为了实现较大的电流密度，自旋霍尔层22的厚度可以很小，例如在0.4nm至10nm的范围内，优选地在0.4nm至6nm的范围内，更优选地在0.5nm至4nm的范围内。此外，优选地，第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B每个的厚度可以在0.2nm至5nm的范围内，优选地在0.2nm至3nm的范围内，并且第二自旋霍尔层22B的厚度可以小于第一自旋霍尔层22A的厚度。在一些实施例中，可以选择第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B的厚度，使得其在偏置磁层21与自由磁层23之间诱导反铁磁耦合或者铁磁耦合。

应注意，在本发明中，形成第一自旋霍尔层22A的材料与形成第二自旋霍尔层22B的材料具有相反的自旋霍尔角，即自旋霍尔角的符号彼此相反。也就是说，当在第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B中施加相同电流时，第一自旋霍尔层22A的表面上积累的自旋流的自旋极化方向与第二自旋霍尔层22B的表面上积累的自旋流的自旋极化方向相反。例如，第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B之一可由Pt或Ir形成，另一个可由Ta或W形成。当然，它们也可以由上面列出的或者未来开发的其他具有自旋霍尔效应的材料形成，只要二者的自旋霍尔角的符号彼此相反即可。

虽然图3示出了第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B具有相同的形状，但是本发明不限于此。例如，在一些实施例中，第二自旋霍尔层22B可以与其上的自旋阀或隧道结结构一起沉积和蚀刻，从而具有与自旋阀或隧道结相同的形状，而第一自旋霍尔层22A可单独沉积和蚀刻，从自旋阀或隧道结两侧或者四个侧面延伸以电连接到底电极。此外，偏置磁层21可以具有与第一自旋霍尔层22A相同的形状，例如偏置磁层21可以与第一自旋霍尔层22A一起沉积和蚀刻。

位于第二自旋霍尔层22B上方的是自由磁层23、中间层24和参考磁层25组成的自旋阀或隧道结结构，其中自由磁层23与第二自旋霍尔层22B直接接触。自由磁层23和参考磁层25可以都由铁磁材料形成，其中自由磁层23具有可翻转的磁矩，而参考磁层25具有固定磁矩。对于自旋阀而言，中间层24由非磁导电材料形成；对于隧道结而言，中间层24由非磁绝缘体例如金属氧化物形成。由于自旋阀和隧道结的结构是本领域已知的，这里不再详细描述。应理解，现有的或者未来开发的自旋阀和隧道结结构都可以应用于本发明的实施例中，只要自由层与自旋霍尔层接触即可，本发明不限于任何特定的自旋阀和隧道结结构。

下面描述一些可用于本发明的结构示例，其中材料后面括号中的数值是材料层的厚度，单位为纳米。

示例1：Ta(5)/Co(2)/Ir(1)/W(0.6)/CoFeB(0.9)/MgO(2)/CoFeB(1.1)/W(0.4)/[Co0.4)/Pt(0.8)]₃/Pt(3)

其中，5nm的Ta为缓冲层，也称为打底层，2nm的Co为偏置磁层，其具有面内磁各向异性，1nm的Ir为第一自旋霍尔层，0.6nm的W为第二自旋霍尔层，二者的自旋霍尔角符号相反，0.9nm的CoFeB为自由磁层，具有垂直磁各向异性，2nm的MgO为中间层，即非磁绝缘隧穿层，1.1nm的CoFeB为参考磁层，0.4nm的W层用于诱导反铁磁耦合，[Co0.4)/Pt(0.8)]₃多层结构用作钉扎层，包括0.4nm的Co层和0.8nm的Pt层且重复三次，具有垂直磁各向异性，并且通过W层诱导的反铁磁耦合来钉扎CoFeB参考磁层的磁矩，3nm的Pt层可用作保护帽层。

示例2：Ta(5)/Co(2)/Ir(1)/Ta(0.8)/CoFeB(0.9)/MgO(2)/CoFeB(1.1)/W(0.4)/[Co0.4)/Pt(0.8)]₃/Ru(0.85)/[Co0.4)/Pt(0.8)]₅/Pt(3)

示例2与示例1基本类似，除了以下几点之外：第二自旋霍尔层为0.8nm的Ta层；钉扎层具有人工反铁磁(SAF)结构，中间的0.85nm的Ru层用于诱导反铁磁耦合，使得两侧的铁磁多层膜彼此反铁磁耦合。

下面通过对比图1所示的磁器件10和图3所示的磁器件20，来说明本发明实施例的特点和原理。在磁器件10中，单个自旋霍尔层12位于自由磁层13和偏置磁层11之间，为了使自由磁层13发生翻转，必须克服其磁各向异性能k1，其中偏置磁层11的磁各向异性能k2大于自由磁层13的磁各向异性能k1，从而自由磁层13发生翻转而偏置磁层11不会翻转。本发明人发现，由于自旋霍尔层12的上表面和下表面上累积的自旋流的自旋极化方向彼此相反，因此自旋霍尔层12对上面的自由磁层13施加的转矩与对下面的偏置磁层11施加的转矩的方向彼此相反。例如，当自旋霍尔层12中的自旋流对自由磁层13施加的转矩为ΔT时，对偏置磁层11施加的转矩则为-ΔT。进而，当偏置磁层11通过交换偏置或层间耦合对自由磁层13施加辅助偏置磁场时，自旋霍尔层12对偏置磁层11施加的相反转矩-ΔT会对自由磁层13的翻转产生负面影响，不利于自由磁层13的磁矩翻转。因此，需要在自旋霍尔层12上提供更大的电流密度，才能成功实现自由磁层13的磁矩翻转，这也要求偏置磁层11具有大的磁各向异性能k2。

与磁器件10不同的是，在本发明一实施例的磁器件20中，第一自旋霍尔层22A和第二自旋霍尔层22B由自旋霍尔角的符号彼此相反的材料形成。也就是说，第二自旋霍尔层22B对自由磁层23施加的转矩和第一自旋霍尔层22A对偏置磁层21施加的转矩的方向是彼此相同的。因此，当偏置磁层21通过交换偏置或层间耦合对自由磁层23施加辅助偏置磁场时，第一自旋霍尔层22A对偏置磁层21施加的转矩会对自由磁层23的翻转产生正面影响，进一步促进自由磁层23的磁矩翻转。因此，与磁器件10相比，本发明的磁器件20能够减小向自旋霍尔层22(包括22A和22B)施加的电流密度，同时还能减小偏置磁层21的磁各向异性要求。

作为上述磁器件的制造工艺，一般包括各个膜层的沉积以及相应的光刻蚀刻工艺，一般可采用电子束刻蚀、反应离子刻蚀、化学反应刻蚀、化学分辨刻蚀等。蚀刻工艺的一个难点是准确蚀刻到期望的深度，这一般可通过利用蚀刻停止层、控制蚀刻时间和速率、或选择特定的化学反应蚀刻溶液来实现。如上所述，在磁器件10和20中，为了提高电流密度，自旋霍尔层一般具有非常薄的厚度，例如在1-6nm的范围内。半导体工艺采用的晶圆可达12英寸的尺寸，在如此大的晶圆上，难以控制蚀刻工艺而准确地停止在例如自旋霍尔层处。例如，在晶圆的某些部分，在蚀刻自旋阀或隧道结时，可能因为过蚀刻而将其下方的自旋霍尔层也蚀刻掉，这可能导致电极与自旋阀或磁性隧道结之间的电路连接被断开，使得存储单元或逻辑器件失效。因此，如何以高的良率制造上述磁器件，仍是一个难题。下面将论述制造磁器件的方法的实施例，其能够解决上述问题中的一个或多个，但是本发明不限于此。

图4至图10是根据本发明一实施例的制造自旋转移力矩磁器件的方法步骤的示意图，其中左侧为剖视图，右侧为俯视图。参照图4，首先可以在衬底30上形成第一底电极31和第二底电极32。例如，可以在衬底30上形成光致抗蚀剂的掩模图案，蚀刻掉衬底30的一部分，然后在被蚀刻部分中沉积电极金属层，通过浮脱(lift-off)工艺去除掩模图案上的电极金属层，留下第一底电极31和第二底电极32，产生图4所示的结构。在另一实施例中，替代地，可以在衬底30上沉积电极金属层，在电极金属层上形成光致抗蚀剂的掩模图案，蚀刻掉电极金属层的一部分以生成第一底电极31和第二底电极32，然后在衬底30和掩模图案上沉积绝缘材料例如SiO₂等以填充第一底电极31和第二底电极32的周围区域，最后去除掩模图案以得到图4所示的结构。当然，也可以通过其他方法形成第一底电极31和第二底电极32。虽然未示出，但是第一底电极31和第二底电极32可以例如延伸连接到其他电路结构。在一些实施例中，如下面将要进一步详细论述的那样，形成第一底电极31和第二底电极32的步骤可以被省略。

参照图5，在具有第一底电极31和第二底电极32的衬底30上沉积自旋霍尔层33。在一些实施例中，自旋霍尔层33可包括自旋霍尔角彼此符号相反的两个自旋霍尔层。虽然未示出，在一些实施例中，偏置磁层可以和自旋霍尔层33一起沉积在衬底30上并且位于自旋霍尔层33下方。在一些实施例中，替代地，可以在沉积自旋霍尔层33之前单独地沉积和蚀刻偏置磁层，例如可以将其形成在第一底电极31和第二底电极32之间的衬底30上，然后再沉积自旋霍尔层33。继续参照图5，可以在自旋霍尔层33上形成光致抗蚀剂的掩模图案34。

参照图6，利用光致抗蚀剂的掩模图案34对覆盖衬底30的自旋霍尔层33进行蚀刻，以得到期望形状的自旋霍尔层33。在图6中，自旋霍尔层33从第一底电极31延伸到第二底电极32，从而可以利用第一底电极31和第二底电极32向自旋霍尔层33施加面内电流。

继续参照图7，在具有自旋霍尔层33的衬底30上形成光致抗蚀剂的掩模图案35，仅暴露自旋霍尔层33的位于第一底电极31和第二底电极32之间的一部分，例如其可以具有椭圆形或者矩形形状。然后，可以在自旋霍尔层33的暴露部分以及掩模图案35上沉积自旋阀或隧道结结构层36。优选地，通过定向沉积工艺来沉积自旋阀或隧道结结构层36，并且掩模图案35具有比结构层36更大的厚度，使得位于掩模图案35上的结构层36不会连接到位于自旋霍尔层33上的结构层36。

这样，参照图8，可以在去除掩模图案35时，同时去除位于掩模图案35上的自旋阀或隧道结结构层36，这就是所谓的浮脱(lift-off)工艺，留下位于自旋霍尔层33上的自旋阀或隧道结结构层36。由于通过定向沉积工艺来沉积结构层36，使得掩模图案35的部分侧壁不被结构层26覆盖，而是暴露到外界，因此可以容易地执行浮脱工艺，例如利用适当的化学溶液比如丙酮来溶解掩模图案35，从而去除掩模图案35及位于其上的结构层36。

在一些实施例中，自旋阀或隧道结结构层36可包括与自旋霍尔层33直接接触的自由层、位于自由层上的中间层、以及位于中间层上的参考磁层，如前面参照图1和图3描述的那样。在一些实施例中，当在图6中沉积的自旋霍尔层33仅包括单个第一自旋霍尔层时，自旋阀或隧道结结构层36还可以包括位于自由层下方以与该第一自旋霍尔层接触的第二自旋霍尔层。也就是说，第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层可分别沉积和蚀刻以具有不同的形状。当然，如前所述，第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层也可以连续沉积并且在同一步骤中被蚀刻以具有相同的形状。

继续参照图9，在所得结构上沉积非磁绝缘材料层37，并且利用掩模图案(未示出)蚀刻掉绝缘材料层37的一部分以暴露自旋阀或隧道结结构层36。虽然图9示出了绝缘层37比结构层36更高，但是二者也可以具有基本相同的高度。

最后，参照图10，在绝缘层37上沉积顶电极金属层38，并且利用掩模图案(未示出)蚀刻掉金属层38的一部分，留下顶电极38的图案。

在上面的制造方法中，自旋阀或隧道结结构层36和自旋霍尔层33(可包括单层或者双层)是分别沉积和图案化的，自旋霍尔层33可以利用常规的掩模图案和蚀刻工艺来图案化，而自旋阀或隧道结结构层36利用浮脱工艺来图案化，从而在对结构层36进行图案化时不会影响例如蚀刻掉其下的自旋霍尔层33，降低了工艺难度，提高了产品良率。

如前所述，第一底电极31和第二底电极32也可以不形成在衬底30中，图11示出了这样的实施例。参照图11，在沉积自旋霍尔层33之前，可以在衬底30中形成偏置磁层40。然后，其他制造方法可以与上面参照图4-8描述的基本相同。在沉积非磁绝缘层37之后，可以通过掩模蚀刻工艺来去除绝缘层37的多个部分，暴露出自旋阀或隧道结结构层36以及自旋霍尔层33的用于形成底电极的部分。由于绝缘层37可使用氧化物例如SiO₂，而自旋阀或隧道结结构层36和自旋霍尔层33都是金属，因此可以利用例如各向异性干法或湿法蚀刻，使得氧化物绝缘层37的部分被蚀刻掉，而到达金属层时蚀刻停止。然后，可以采用共形沉积工艺来沉积电极层，使其接触自旋霍尔层33和自旋阀或隧道结结构层36。最后，利用掩模图案对电极金属层进行蚀刻，获得顶电极38、第一底电极41和第二底电极42，如图11所示。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种磁器件，包括：

磁偏置层；

位于所述磁偏置层上的自旋霍尔层；

位于所述自旋霍尔层上的自由磁层；

位于所述自由磁层上的中间层；以及

位于所述中间层上的参考磁层，

其中，所述自旋霍尔层包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层分别由自旋霍尔角符号相反的材料形成。

2.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述磁偏置层具有面内磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有垂直磁各向异性，或者

所述磁偏置层具有垂直磁各向异性，所述自由磁层和参考磁层具有面内磁各向异性。

3.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述自旋霍尔层具有一厚度，以诱导所述偏置磁层与所述自由磁层之间的铁磁耦合或反铁磁耦合。

4.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层每个的厚度在0.2nm至3nm的范围内。

5.如权利要求1所述的磁器件，其中，所述磁器件是磁存储器或自旋逻辑器件。

6.一种制造磁器件的方法，包括：

a.在衬底上形成自旋霍尔层的图案；

b.在所述衬底和所述自旋霍尔层的图案上形成光致抗蚀剂图案，所述光致抗蚀剂图案具有开口以暴露所述自旋霍尔层的一部分；

c.在所述自旋霍尔层的暴露部分和所述光致抗蚀剂图案上沉积多层膜结构，所述多层膜结构包括依次沉积的自由磁层、中间层和参考磁层；

d.去除所述光致抗蚀剂图案，从而去除所述多层膜结构的位于所述光致抗蚀剂图案上的部分，留下所述多层膜结构的位于所述自旋霍尔层上的部分；

e.在具有所述自旋霍尔层和所述多层膜结构的所述衬底上沉积绝缘材料层，并蚀刻所述绝缘材料层以至少暴露所述多层膜结构；以及

f.形成与所述多层膜结构接触的顶电极。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述衬底上形成有第一底电极和第二底电极，并且在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案连接所述第一底电极和第二底电极，在步骤b中通过所述光致抗蚀剂图案的开口暴露的所述自旋霍尔层的一部分位于所述第一底电极和所述第二底电极之间，或者

在步骤e中蚀刻所述绝缘材料层还包括所述自旋霍尔层的位于所述多层膜结构两侧的部分，在步骤f中还形成分别位于所述顶电极两侧并且与所述自旋霍尔层接触的第一底电极和第二底电极。

8.如权利要求6所述的方法，其中，在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案包括第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层，或者

在步骤a中形成的自旋霍尔层的图案仅包括第一自旋霍尔层，在步骤c中沉积的多层膜结构还包括与所述第一自旋霍尔层接触的第二自旋霍尔层。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一自旋霍尔层和第二自旋霍尔层每个的厚度在0.2nm至3nm的范围内。

10.如权利要求6所述的方法，其中，在步骤a中形成自旋霍尔层的图案时，还同时形成位于衬底和自旋霍尔层之间的偏置磁层的图案，或者

在形成自旋霍尔层的图案之前，在所述衬底中形成偏置磁层的图案，所述偏置磁层的图案对应于所述自旋霍尔层的图案的中部区域。

Images