CN115697023A - 一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法与应用。本发明自旋轨道矩磁阻式随机存储器,包括:衬底和在衬底上依次层叠的非共线反铁磁层和磁阻隧道结;其中,磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的遂穿层和铁磁性层。本发明制备方法中,采用磁控溅射方法依次形成非共线反铁磁层的材料层、磁阻隧道结的各材料层,对各材料层采用光刻技术和电子束曝光技术进行图案化,形成非共线反铁磁层以及磁阻隧道结,即得到自旋轨道矩磁阻式随机存储器。本发明当电流通入具有应力梯度的非共线反铁磁层中,将产生自旋轨道耦合,从而改变非共线反铁磁层的的磁矩方向,实现隧道结的无外场写入功能。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件及其制造领域,涉及一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法与应用。
背景技术
随着存储技术以及电子技术的不断发展,随机存取存储器得到了广泛的应用,可以独立或集成于使用随机存取存储器的设备中,如处理器、专用集成电路或片上系统等。
自旋轨道矩磁阻式随机存储器(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,而有效的数据存取需要磁矩的定向翻转,如何实现磁矩的定向翻转是SOT-MRAM的研究重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制备方法与应用。
为实现上述目的,本发明提供了一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器,包括:
衬底和在所述衬底上依次层叠的非共线反铁磁层和磁阻隧道结;
其中,所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的遂穿层和铁磁性层。
上述的存储器中,所述磁阻隧道结还包括在所述铁磁层上依次层叠的保护层和连接层;
所述遂穿层与所述铁磁层之间或所述铁磁层与所述保护层之间设置钉扎层;
所述非共线反铁磁层的厚度可为10~100nm,具体可为10nm、10~30nm、10~50 nm或10~80nm;
所述遂穿层的厚度可为0.5~1.5nm,具体可为0.8nm、0.5~0.8nm、0.8~1.5nm 或0.5~1.0nm;
所述铁磁层的厚度可为5~10nm,具体可为7.5nm、5~7.5nm、7.5~10nm、5.5~8.5nm;
所述钉扎层的厚度可为10~20nm,具体可为15nm、10~15nm、15~20nm;
所述保护层的厚度可为1~3nm,具体可为2nm;
所述连接层的厚度可为4~6nm,具体可为5nm。
上述的存储器中,所述非共线反铁磁层和所述铁磁性层具有垂直各向异性;
其中,所述衬底对所述非共线反铁磁层产生结构应力,写入电流通入所述非共线反铁磁层对自身的磁矩进行写入。
上述的存储器中,所述衬底的单晶材料选自Si、Ge、MgO、SrTiO3和Al2O3中至少一种;
制成所述非共线反铁磁层的材料选自Mn3Ge、Mn3Sn和Mn3Ga中的至少一种。
上述的存储器中,所述铁磁层采用具有垂直各向异性的铁磁材料制成;
所述隧穿层采用非磁金属和/或绝缘材料制成;
制成所述钉扎层的材料选自CoPt多层膜人工反铁磁;
制成所述钉扎层的材料选自CoPt多层膜人工反铁磁;
所述保护层采用金属材料制成。
上述的存储器中,制成所述铁磁层的材料选自单质铁磁材料、合金铁磁材料和具有磁性的金属氧化物中的至少一种;
制成所述铁磁层的材料具体选自Co、Fe、CoFeB和FePt中的至少一种。
所述非磁金属选自Cu和/或Ag,所述绝缘材料选自氧化铝、氧化镁和氧化铪中的至少一种;
所述金属材料选自Ta和/或Ru。
上述的存储器中,所述非共线反铁磁层为通道结构;
所述磁阻隧道结沿所述非共线反铁磁层的通道中电流源方向呈轴对称分布;
所述磁阻隧道结为条形结构。
本发明还提供了上述的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制备方法,包括如下步骤:
1)在单晶衬底上采用磁控溅射的方法形成非共线反铁磁层的材料层;
2)在所述非共线反铁磁层的材料层上采用磁控溅射的方法依次生长所述磁阻隧道结的各材料层;
3)对所述非共线反铁磁层和所述磁阻隧道结的各材料层采用光刻技术和电子束曝光技术进行图案化,形成所述非共线反铁磁层以及所述磁阻隧道结,即得到所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器。
本发明中,步骤1)中所述非共线反铁磁层的材料层采用磁控溅射的方法条件为本领域公知的常规条件即可实现。
本发明进一步提供了一种SOT-MRAM的存储阵列,采用所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器以阵列形式排布制得。
本发明所述SOT-MRAM的存储阵列独立或集成应用于使用SOT-MRAM存储阵列的设备中。
上述应用中,所述设备具体包括处理器、专用集成电路和片上系统中的至少一种。
本发明具有以下优点:
非共线反铁磁层上设置有磁阻隧道结,非共线反铁磁层中存在结构应力梯度,该应力梯度源于非共线反铁磁层与单晶衬底的晶格不匹配。当电流通入具有应力梯度的非共线反铁磁层中,将产生自旋轨道耦合,从而改变非共线反铁磁层的的磁矩方向,实现隧道结的无外场写入功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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为本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制备方法的流程示意图;
图2和图3分别为本发明实施例1中制备方法得到的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的俯视及剖面结构示意图;
图4和图5分别为本发明实施例1中制备方法得到的图案化的存储器的过程中存储器的俯视及剖面结构示意图;
图6和图7分别为本发明实施例1中制备方法得到的图案化的存储器的过程中存储器的俯视及剖面结构示意图;
图8为本发明实施例1制备得到的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的立体结构示意图。
图中各个标记如下:
S01表示步骤(1);S02表示步骤(2);
10衬底;
100非共线反铁磁层;102隧穿层;104铁磁层;106钉扎层;108保护层;109 连接层;110磁阻隧道结;
120电极。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,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。此外,本发明可以在不同实施例中重复参考数字和/或字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
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阻式随机存储器的集成和产业化。
为此,本申请提供了一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器,参考图2-7所示,包括:
衬底10;
在所述衬底10上依次形成非共线反铁磁层100以及所述非共线反铁磁层之上的磁阻隧道结110,所述磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的隧穿层102、铁磁层 104和钉扎层106,所述非共线反铁磁层100和所述铁磁层104具有垂直各向异性;
其中,所述非共线反铁磁层100中存在应力梯度,所述应力梯度由离子单晶衬底。
需要说明的是,共线反铁磁层中电流I为诱导磁阻隧道结110中磁矩翻转时通入的电流,也就是写入数据信息时通入的电流,此处电流I方向是指该电流I方向所在的维度。在具体的应用中,可以根据需要来设置注入方向与平面XZ之间的夹角的锐角角度,更优地,夹角的范围可以30°-60°,有利于使得注入的浓度峰值在磁性层中。
在本申请实施例中,非共线反铁磁层100为具有自旋-轨道耦合效应的材料制成,通常地,非共线反铁磁层100可以为具有自旋耦合效应的金属层,优选地,可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料,金属层的材料可选自Mn3Ge、Mn3Sn或Mn3Ga等合金化合物中的一种。
其中,磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的隧穿层102、铁磁层104和钉扎层106,铁磁层104由具有垂直各向异性的铁磁材料形成,铁磁材料可为单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物等,可选自Co、Fe、CoFeB或FePt等硬磁材料。
隧穿层102位于非共线反铁磁层100和铁磁层104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。
进一步地,磁阻隧道结110还可包括设置在铁磁层104之上的保护层108,保护层108起到防止磁性层110被氧化的作用,保护层108通常可以为金属材料,例如 Ta、Ru等。
进一步地,磁阻隧道结110还可以包括钉扎层106,钉扎层106可设置在遂穿层 102与铁磁层104之间,或者如图3所示钉扎层106设置在铁磁层104与保护层108 之间,钉扎层106用于固定磁化方向,钉扎层的材料例如可为CoPt多层膜人工反铁磁等。
为了便于描述,将电流I方向记做自旋轨道耦合层的长度方向,在具体的实施例中,非共线反铁磁层100可以为条形通道结构,沿非共线反铁磁层100的长度方向,磁阻隧道结110可以设置于非共线反铁磁层100的中部,且磁阻隧道结110可以沿非共线反铁磁层100长度方向的中心轴对称设置。在具体的应用中,可以根据需要设置磁阻隧道结110的形状和大小,在优选的实施例中,磁阻隧道结110的形状可以为条形,该条形可以与非共线反铁磁层100具有基本相同或更小的宽度。
在具体的应用中,上述的SOT-MRAM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。
需要说明的是,在具体的应用中,可以在衬底上形成图案化后的自旋轨道耦合层之后,进行磁阻隧道结的形成;也可以在衬底上依次生长自旋轨道耦合层的材料层以及磁阻隧道结的各材料层之后,一并对这些材料层进行图案化,分别形成图案化的自旋轨道耦合层以及磁阻隧道结。
实施例1、
如图8所示,为一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器的立体结构示意图。它包括衬底10,以及在衬底上依次层叠的非共线反铁磁层100和磁阻隧道结110;磁阻隧道结110由从下至上层叠的遂穿层102和铁磁层104、钉扎层106、保护层108和连接层 109组成。
非共线反铁磁层100和铁磁层104具有垂直各向异性;
其中,非共线反铁磁100中存在垂直的应力提出。
如图1所示,其制备方法,包括如下步骤:
步骤(1),选择Al2O3材料制成的衬底10。衬底10主要起到支撑和引入应力作用。
步骤(2),在衬底10上采用磁控溅射的方法生长非共线反铁磁层100的材料,以及依次进行磁阻隧道结110的各材料层的生长。如图2和图3所示,为一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器的俯视及剖面结构示意图。
采用磁控溅射的方法生长厚度为10nm的Mn3Ge生成非共线反铁磁层100。然后采用溅射或其他合适的方式,依次生长厚度为0.8nm MgO材料的隧穿层102、厚度为7.5nm的铁磁层104、厚度为15nm的钉扎层106,以及厚度为2nm的保护层108,以及厚度为5nm的连接层109。
步骤(3),进行非共线反铁磁层100的图案化以及磁阻隧道结110的各材料层的图案化,以分别形成图案化的非共线反铁磁层110以及磁阻隧道结110,如图图4 (俯视图)和图5(图4的AA向剖视图)所示。
根据自旋轨道耦合层与磁阻隧道结的图案形状,进行图案化工艺,图案化工艺的次数可以为多次。通常地,自旋轨道耦合层与磁阻隧道结具有不同的图案,自旋轨道耦合层可以为通道结构,磁阻隧道结沿通道中电流源方向呈轴对称分布,磁阻隧道结可以为条形结构。
在本实施例中,自旋轨道耦合层与磁阻隧道结具有不同的图案,可以通过两次图案化工艺,来分别形成非共线反铁磁层100与磁阻隧道结110。具体的,进行连接层 109、保护层108、钉扎层104、铁磁层104、隧穿层102、非共线反铁磁100的刻蚀,直至衬底10表面,形成图案化后的自旋轨道耦合层100;而后,继续进行连接层109、保护层108、钉扎层104、铁磁层104、隧穿层102的刻蚀,从而,在非共线反铁磁层100上形成图案化的磁阻隧道结110,即得到自旋轨道矩磁阻式随机存储器,如图 4和图5所示。
本实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器上可以根据需要形成其他的结构,例如电极等。如磁阻隧道结110上还可以形成有电极120。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于器件结构的实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,虽然本发明已以较佳实施例披露如上,然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器,其特征在于,包括:
衬底和在所述衬底上依次层叠的非共线反铁磁层和磁阻隧道结;
其中,所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的遂穿层和铁磁层。
2.根据权利要求1所述的存储器,其特征在于,所述磁阻隧道结还包括在所述铁磁层上依次层叠的保护层和连接层;
所述遂穿层与所述铁磁层之间或所述铁磁层与所述保护层之间设置钉扎层;
所述非共线反铁磁层的厚度为10~100nm;
所述遂穿层的厚度为0.5~1.5nm;
所述铁磁层的厚度为5~10nm;
所述钉扎层的厚度为10~20nm;
所述保护层的厚度为1~3nm;
所述连接层的厚度为4~6nm。
3.根据权利要求1或2所述的存储器,其特征在于,所述非共线反铁磁层和所述铁磁性层具有垂直各向异性;
其中,所述衬底对所述非共线反铁磁层产生结构应力,写入电流通入所述非共线反铁磁层对自身的磁矩进行写入。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的存储器,其特征在于,所述衬底的单晶材料选自Si、Ge、MgO、SrTiO3和Al2O3中至少一种;
制成所述非共线反铁磁层的材料选自Mn3Ge、Mn3Sn和Mn3Ga中的至少一种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的存储器,其特征在于,所述铁磁层采用具有垂直各向异性的铁磁材料制成;
所述隧穿层采用非磁金属和/或绝缘材料制成;
制成所述钉扎层的材料选自CoPt多层膜人工反铁磁;
制成所述钉扎层的材料选自CoPt多层膜人工反铁磁;
所述保护层采用金属材料制成。
6.根据权利要求5所述的存储器,其特征在于,制成所述铁磁层的材料选自单质铁磁材料、合金铁磁材料和具有磁性的金属氧化物中的至少一种;
制成所述铁磁层的材料具体选自Co、Fe、CoFeB和FePt中的至少一种。
所述非磁金属选自Cu和/或Ag,所述绝缘材料选自氧化铝、氧化镁和氧化铪中的至少一种;
所述金属材料选自Ta和/或Ru。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的存储器,其特征在于,所述非共线反铁磁层为通道结构;
所述磁阻隧道结沿所述非共线反铁磁层的通道中电流源方向呈轴对称分布;
所述磁阻隧道结为条形结构。
8.权利要求1-7中任一项所述的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制备方法,包括如下步骤:
1)在单晶衬底上采用磁控溅射的方法形成非共线反铁磁层的材料层;
2)在所述非共线反铁磁层的材料层上采用磁控溅射的方法依次生长所述磁阻隧道结的各材料层;
3)对所述非共线反铁磁层和所述磁阻隧道结的各材料层采用光刻技术和电子束曝光技术进行图案化,形成所述非共线反铁磁层以及所述磁阻隧道结,即得到所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器。
9.一种SOT-MRAM的存储阵列,其特征在于,采用权利要求1-7中任一项所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器以阵列形式排布制得。
10.权利要求9所述SOT-MRAM的存储阵列独立或集成在使用SOT-MRAM存储阵列的设备中的应用;
所述设备具体包括处理器、专用集成电路和片上系统中的至少一种。
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CN116056551A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 北京航空航天大学 | 一种反铁磁隧道结及其制备方法 |
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