CN117500282B - 磁存储器及其制备方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种磁存储器及其制备方法、电子设备，涉及半导体技术领域，用于解决存储密度较低的技术问题。该磁存储器包括自旋轨道转矩层、磁隧道结、选择器和隔离层。磁隧道结与自旋轨道转矩层耦接，磁隧道结两侧分别设置有选择器，且磁隧道结与选择器之间设置隔离层，以将磁隧道结与选择器隔开。两个选择器与磁隧道结在自旋轨道转矩层同侧间隔设置，两个选择器均与自旋轨道转矩层耦接，且被配置为允许电流在自旋轨道转矩层沿第一方向或者第二方向流动。通过两个选择器可以改变自旋轨道转矩层内电流的流动方向，无需设置晶体管，可以降低其所占用面积，从而提升磁存储器的存储密度。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种磁存储器及其制备方法、电子设备。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，磁存储器（Magnetic Random Access Memory，简称MRAM）成为下一代存储器技术的主要候选者之一。磁存储器包括磁隧道结（MagneticTunnel Junction，简称MTJ），其通常为两个铁磁层夹着一个势垒层而形成的三明治结构。两个铁磁层中的一个铁磁层磁化方向不变，被称为固定层。另一个铁磁层的磁化方向可以被外界激励改变，被称为自由层。当自由层的磁化方向与固定层平行或反平行时，磁隧道结分别处于低电阻态或高电阻态，这两种阻态分别代表二进制数据“0”和“1”。
自旋轨道矩磁存储器（Spin-orbit Torque MRAM，简称SOT-MRAM）具有非易失性、高速低功耗数据写入和高器件耐久性等优点，有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈。自旋轨道矩磁存储器通过自旋电流能够翻转自由层的磁化方向，从而实现数据写入。然而，自旋轨道矩磁存储器作为三端口器件，每个磁隧道结至少需要耦合两个晶体管，磁存储器的存储密度较低。
发明内容
鉴于上述问题，本申请实施例提供一种磁存储器及其制备方法、电子设备，提高其存储密度。
根据一些实施例，本申请提供一种，其包括：自旋轨道转矩层、与所述自旋轨道转矩层耦接的磁隧道结、两个选择器，以及设置在所述两个选择器和所述磁隧道结之间的隔离层；
所述两个选择器与所述磁隧道结在所述自旋轨道转矩层同侧间隔设置，且分别位于所述磁隧道结的两侧，所述两个选择器均与所述自旋轨道转矩层耦接，且被配置为允许电流在所述自旋轨道转矩层沿第一方向或者第二方向流动，所述第二方向与所述第一方向相反。
在一些可能的实现方式中，所述磁存储器还包括源极线、第一字线和第二字线，所述源极线和所述第一字线分别与两个所述选择器耦接，所述第二字线与所述磁隧道结耦接；
所述源极线和所述第一字线中的一者被配置为施加写入电压，另一者被配置为接地，所述第二字线被配置为浮空，以使所述两个选择器均导通，向所述磁隧道结写入数据。
在一些可能的实现方式中，所述磁存储器还包括源极线、第一字线和第二字线，所述源极线和所述第一字线分别与两个所述选择器耦接，所述第二字线与所述磁隧道结耦接；
所述源极线被配置为施加读取电压，所述第二字线被配置为接地，所述第一字线被配置为浮空，以使一个所述选择器导通，另一个所述选择器截止，读取所述磁隧道结中的数据。
在一些可能的实现方式中，所述磁存储器还包括衬底、设置在所述衬底上的介质层，以及设置在所述介质层内的第一互连结构、第二互连结构和第三互连结构；
所述第一互连结构连接所述第一字线与一个所述选择器，所述第二互连结构连接所述第二字线与所述磁隧道结，所述第三互连结构连接所述源极线与另一个所述选择器。
在一些可能的实现方式中，所述介质层的材质与所述隔离层的材质相同；
和/或，所述自旋轨道转矩层包括重金属材料、拓扑绝缘体和二维材料的一个或者多个层；
和/或，所述选择器的材质包括相变材料、氧化铌、铜锗硒铪的氧化物、砷碲锗硅的氮化物或者其他可在绝缘态和导电态之间转变的材料。
在一些可能的实现方式中，所述磁隧道结包括：
第一磁层，所述第一磁层与所述自旋轨道转矩层耦接；
势垒层，所述势垒层设置在所述第一磁层远离所述自旋轨道转矩层的一侧；
第二磁层，所述第二磁层设置在所述势垒层远离所述第一磁层的一侧，且与所述第二字线耦接。
在一些可能的实现方式中，所述磁隧道结具有至少两个，每两个所述磁隧道结形成一组，同组的两个所述磁隧道结之间具有一个所述选择器；
同组的两个所述磁隧道结之间的所述选择器与所述源极线耦接，同组的两个所述磁隧道结彼此背离一侧的所述选择器分别与两条所述第一字线耦接，同组的两个所述磁隧道结分别与两条所述第二字线耦接，且同组的两个所述磁隧道结择一地写入数据或者读取数据。
在一些可能的实现方式中，同组的两个所述磁隧道结，以及同组的两个所述磁隧道结之间的所述选择器均位于一个所述自旋轨道转矩层上；
或者，同组的两个所述磁隧道结分别位于两个所述自旋轨道转矩层上，同组的两个所述磁隧道结之间的所述选择器位于两个所述自旋轨道转矩层之间，且与两个所述自旋轨道转矩层均接触。
在一些可能的实现方式中，所述两个选择器和所述隔离层均设置在所述自旋轨道转矩层上，所述两个选择器彼此背离的一侧分别与所述自旋轨道转矩层的两端对齐。
本申请实施例提供的磁存储器至少具有如下优点：
本申请实施例提供的磁存储器包括自旋轨道转矩层、磁隧道结、选择器和隔离层。磁隧道结设置在自旋轨道转矩层上且与自旋轨道转矩层耦接，磁隧道结两侧分别设置有选择器，且磁隧道结与选择器之间设置隔离层，以将磁隧道结与选择器隔开。两个选择器与磁隧道结在自旋轨道转矩层同侧间隔设置，两个选择器均与自旋轨道转矩层耦接，且被配置为允许电流在自旋轨道转矩层沿第一方向或者第二方向流动。通过两个选择器可以改变自旋轨道转矩层内电流的流动方向，无需设置晶体管，可以降低其所占用面积，从而提升磁存储器的存储密度。
本申请实施例还提供一种电子设备，包括如上所述的磁存储器，因而至少具有存储密度较大的优点，具体效果参照上文，在此不再赘述。
本申请实施例还提供一种磁存储器的制备方法，其包括：
形成叠置的初始自旋轨道转矩层和磁隧道结堆叠层；
去除部分所述磁隧道结堆叠层，形成多个间隔设置的磁隧道结；
在所述磁隧道结的侧壁上形成隔离层，并在每个所述隔离层背离所述磁隧道结的一侧形成选择器，各所述选择器间隔设置；
去除暴露在所述选择器之间的所述初始自旋轨道转矩层，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层。
在一些可能的实现方式中，形成多个间隔设置的所述自旋轨道转矩层之后，还包括：
形成覆盖所述自旋轨道转矩层、所述隔离层、所述选择器和所述磁隧道结的介质层，以及位于所述介质层内的第一字线、第二字线、第一互连结构、第二互连结构和第三互连结构；其中，所述第一互连结构连接所述第一字线与一个所述选择器，所述第二互连结构连接所述第二字线与所述磁隧道结，所述第三互连结构连接另一个所述选择器，且暴露在所述介质层背离所述自旋轨道转矩层的表面；
在所述介质层上形成源极线，所述源极线与所述第三互连结构连接。
本申请实施例提供的磁存储器的制备方法至少具有如下优点：
本申请实施例中的磁存储器的制备方法中，形成初始自旋轨道转矩层，并在初始自旋轨道转矩层上形成磁隧道结堆叠层；去除部分磁隧道结堆叠层，形成多个间隔设置的磁隧道结；在磁隧道结的侧壁上形成隔离层，并在每个隔离层背离磁隧道结的一侧形成选择器，各选择器相间隔；并去除暴露在相邻选择器之间的初始自旋轨道转矩层，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层，无需设置晶体管，可以降低其所占用面积，从而提升磁存储器的存储密度。
本申请实施例还提供一种磁存储器的制备方法，其包括：
形成叠置的初始自旋轨道转矩层和磁隧道结堆叠层；
去除部分所述磁隧道结堆叠层，形成多个间隔设置的磁隧道结；
在磁隧道结的侧壁上分别隔离层，并在每个所述隔离层背离所述磁隧道结的一侧形成选择器，部分所述选择器填满相邻的所述磁隧道结之间，其余所述选择器间隔设置，且填充在所述磁隧道结之间的所述选择器彼此不相邻；
去除暴露在所述选择器之间的所述初始自旋轨道转矩层，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层。
在一些可能的实现方式中，各排在奇数位的所述磁隧道结和同一侧相邻的所述磁隧道结之间填满所述选择器。
本申请实施例提供的磁存储器的制备方法至少具有如下优点：
本申请实施例中的磁存储器的制作方法中，形成初始自旋轨道转矩层，并在初始自旋轨道转矩层上形成磁隧道结堆叠层；去除部分磁隧道结堆叠层，形成多个间隔设置的磁隧道结；在磁隧道结的侧壁上形成隔离层，并在每个隔离层背离磁隧道结的一侧形成选择器，部分选择器填满相邻的磁隧道结之间，其余选择器间隔设置，且填充在磁隧道结之间的选择器与未填满磁隧道结之间的选择器相邻；并去除暴露在相邻选择器之间的初始自旋轨道转矩层，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层，无需设置晶体管，且两个相邻的磁隧道结共用中间的一个选择器，并与其他磁隧道结彼此独立，在实现数据写入和数据读取的同时，进一步提高磁存储器的存储密度。
附图说明
图1为本申请一实施例中的磁存储器的第一种结构示意图；
图2为本申请一实施例中的磁存储器的第二种结构示意图；
图3为本申请一实施例中的磁存储器的第三种结构示意图；
图4为本申请一实施例中的磁隧道结的阵列示意图；
图5为本申请一实施例中的磁存储器的第四种结构示意图；
图6为本申请一实施例中的磁存储器的第五种结构示意图；
图7为本申请一实施例中的磁存储器的制备方法的流程图；
图8为本申请一实施例中的形成磁隧道结堆叠层后的示意图；
图9为本申请一实施例中的形成磁隧道结后的示意图；
图10为本申请一实施例中的形成隔离层后的示意图；
图11为本申请一实施例中的形成选择器后的一种示意图；
图12为本申请一实施例中的形成自旋轨道转矩层后的一种示意图；
图13为本申请一实施例中的形成第一分层后的示意图；
图14为本申请一实施例中的形成第一孔洞和第二孔洞后的示意图；
图15为本申请一实施例中的形成第一互连结构和第二互连结构后的示意图；
图16为本申请一实施例中的形成第一字线和第二字线后的示意图；
图17为本申请一实施例中的形成第二分层后的示意图；
图18为本申请一实施例中的形成第三孔洞后的示意图；
图19为本申请一实施例中的形成第三互连结构后的示意图；
图20为本申请一实施例中的形成源极线后的示意图；
图21为本申请一实施例中的形成选择器后的另一种示意图；
图22为本申请一实施例中的第一沟槽延伸后的示意图；
图23为本申请一实施例中的形成选择器后的又一种示意图；
图24为本申请一实施例中的形成自旋轨道转矩层后的另一种示意图；
图25为本申请一实施例中的形成自旋轨道转矩层后的又一种示意图。
附图标记说明：
10-衬底； 20-介质层；
21-第一分层； 22-第二分层；
23-第一孔洞； 24-第二孔洞；
25-第三孔洞； 31-第一互连结构；
32-第二互连结构； 33-第三互连结构；
40-自旋轨道转矩层； 41-初始自旋轨道转矩层；
50-磁隧道结； 51-第一磁层；
52-势垒层； 53-第二磁层；
54-磁隧道结堆叠层； 55-第一沟槽；
60-隔离层； 70-选择器；
81-第一字线； 82-第二字线；
83-源极线； 90-过渡层。
具体实施方式
本申请实施例提供一种磁存储器，通过在自旋轨道转矩层上设置磁隧道结，并在磁隧道结两侧分别设置选择器，两个选择器与磁隧道结之间通过隔离层隔开，且均与磁隧道结耦接，以实现自旋轨道转矩层内电流的双向流动，无需设置晶体管，减少自旋轨道转矩层、磁隧道结、选择器和隔离层所占空间，提高磁存储器的存储密度。
为了使本申请实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。
参阅图1，本申请实施例提供一种磁存储器，包括自旋轨道转矩层40、磁隧道结50、选择器70和隔离层60。自旋轨道转矩层40在电流流经时可以产生自旋流，以产生力矩，改变磁隧道结50的阻态。其中，自旋轨道转矩层40包括重金属材料、拓扑绝缘体和二维材料的一个或者多个层。即自旋轨道转矩层40可以包括至少一个膜层，膜层的材质可以为重金属材料、拓扑绝缘体和二维材料中的一者。
在一些可能的示例中，重金属材料包括铂（Pt）、钯（Pd）、铪（Hf）、金（Au）、钽（Ta）、钨（W）、铱（Ir）、金铂合金（AuPt）、铂铪合金（PtHf）、铂铬合金（PtCr）、铂锰合金（PtMn）、铱锰合金（IrMn）、、铁锰合金（FeMn）、镍锰合金（NiMn）、氧化钨（WO2）、氮化钨（W2N）、氮氧化钨（WON）、氮化钽（TaN）、硼化钽（TaB）等。拓扑绝缘体包括BixSe1-x，BixSb1-x，（Bi,Sb）2Te3等，各拓扑绝缘体中的x独立地满足取值为0.1-0.9。二维材料包括MoS2、WTe2等。
继续参阅图1，磁隧道结50用于存储数据，其与自旋轨道转矩层40耦接，例如磁隧道结50设置在自旋轨道转矩层40上且与自旋轨道转矩层40彼此相对的表面接触。磁隧道结50可以呈柱状，例如圆柱、椭圆柱或者矩形柱等。
在一些可能的示例中，磁隧道结50包括：第一磁层51、势垒层52和第二磁层53。第一磁层51与自旋轨道转矩层40耦接，势垒层52设置在第一磁层51远离自旋轨道转矩层40的一侧，第二磁层53设置在势垒层52远离第一磁层51的一侧，即第一磁层51、势垒层52和第二磁层53沿远离自旋轨道转矩层40的方向依次层叠设置。
其中，第二磁层53作为固定层，其磁化方向固定。势垒层52将第一磁层51和第二磁层53隔开。第一磁层51作为自由层，其磁化方向可以改变。当第一磁层51和第二磁层53的磁化方向一致（即平行）时，磁隧道结50的隧道磁阻（Tunnel Magneto Resistance，简称TMR）为低，磁隧道结50处于低电阻态，以存储第一数据（例如，存储“1”）。当第一磁层51和第二磁层53的磁化方向不一致（即反平行）时，磁隧道结50的隧道磁阻为高，磁隧道结50处于高电阻态，以存储第二数据（例如，存储“0”）。
第一磁层51和第二磁层53的材质为铁磁材料，例如包括钴（Co）、铁（Fe）、硼（B）、镍（Ni）、钌（Ru）、铱 （Ir）、铂（Pt）中的至少一者。势垒层52的材质为绝缘材料，例如包括氧化镁（MgO）、氧化铝 （Al2O3）氧化硅（SiO2）中的至少一者。
在一些可能的示例中，磁隧道结50还可以包括插入层和/或钉扎层等。插入层设置在第一磁层51背离势垒层52的一侧，即插入层设置在第一磁层51和自旋轨道转矩层40之间。插入层用于调节第一磁层51和自旋轨道转矩层40之间的交换耦合，使这两层可以保持其特定的磁各向异性。
插入层的材质可以为非铁磁材料或者绝缘材料。非铁磁材料为金属材料，例如钨（W）、钌（Ru）、铂（Pt）、钼（Mo）、钛（Ti）、镁（Mg）等。绝缘材料包括金属氧化物，例如氧化镁（MgO）、氧化钴（Co2O3）、氧化铝（Al2O3）等。
钉扎层设置在第二磁层53背离势垒层52的一侧，用于在固定方向上钉扎第二磁层53的磁化方向，例如将第二磁层53的磁化方向钉扎其长轴方向。钉扎层可以为叠层，包括铁磁材料层和非铁磁材料层，铁磁材料层和非铁磁材料层交替堆叠设置。例如，钉扎层包括相对的两个铁磁材料层，以及设置在两个铁磁材料层之间的非铁磁材料层。
继续参阅图1，磁隧道结50两侧分别设置有两个选择器70，即磁隧道结50每侧设置有一个选择器70。选择器70与磁隧道结50位于自旋轨道转矩层40同侧，且间隔设置，以避免选择器70和磁隧道结50侧面接触，从而避免选择器70和磁隧道结50侧向连通。
两个选择器70被配置为允许电流在自旋轨道转矩层40内沿第一方向或者第二方向流动，实现对磁隧道结50的阻态的改变。通过两个选择器70可以改变自旋轨道转矩层40内电流的流动方向，无需设置晶体管，可以降低存储单元占用面积，从而提升磁存储器的存储密度。
其中，第一方向与第二相反。电流在自旋轨道转矩层40内沿第一方向流动时和电流在自旋轨道转矩层40内沿第二方向流动时，自旋轨道转矩层40产生的自旋流使得磁隧道结50中的第一磁层51的磁化方向不同（例如相反），从而改变第一磁层51的磁化方向，实现数据的写入。
具体的，选择器70具有阈值开关特性，可以双向导通，既可以在正向电压下开启，也可以在负向电压下开启。当两个选择器70中位于磁隧道结50第一侧的选择器70在正向电压下开启，位于磁隧道结50第二侧的选择器70在负向电压下开启，电流以第一方向流过自旋轨道转矩层40。当两个选择器70中位于磁隧道结50第一侧的选择器70在负向电压下开启，位于磁隧道结50第二侧的选择器70在正向电压下开启，电流以第二方向流过自旋轨道转矩层40。
在一些可能的实现方式中，选择器70的材质包括相变材料，氧化铌、铜锗硒铪的氧化物、砷碲锗硅的氮化物或者其他可在绝缘态和导电态之间转变的材料。其中，相变材料包括锗、锑、碲的硫化物或氧化物，可在绝缘态和导电态之间转变的材料包括氧化铌（NbO2）、氧化钛（TiO2）、氧化钒（VO2）、氧化钨（WO2）等。
在一些可能的示例中，参阅图1，两个选择器70均设置在自旋轨道转矩层40上，且与自旋轨道转矩层40彼此相对的端面接触，以实现两个选择器70与自旋轨道转矩层40之间的耦接。其中，两个选择器70彼此背离的一侧分别与自旋轨道转矩层40的两端对齐，如图1所示，位于左侧的选择器70的左端与自旋轨道转矩层40的左端对齐，位于右侧的选择器70的右端与自旋轨道转矩层40的右端对齐，以便于选择器70和自旋轨道转矩层40的制作。
在另一些可能的示例中，参阅图2，两个选择器70中的一个选择器70位于自旋轨道转矩层40上，另一个选择器70位于自旋轨道转矩层40一侧，即一个选择器70与自旋轨道转矩层40彼此相对的端面接触，另一个选择器70与自旋轨道转矩层40彼此相对的侧面接触，以实现两个选择器70与自旋轨道转矩层40之间的耦接。如图2所示，位于左侧的选择器70设置在自旋轨道转矩层40上，两者左端可以相对齐，位于右侧的选择器70设置在自旋轨道转矩层40的一侧，且该选择器70的左端与自旋轨道转矩层40的右端接触。
在又一些可能的示例中，参阅图3，自旋轨道转矩层40的两侧分别设置有过渡层90，两个选择器70分别位于两个过渡层90上。过渡层90的材质为铁磁材料或者低阻材料，以降低磁存储器的功耗。
在上述示例的基础上，两个选择器70背离自旋轨道转矩层40的表面（图1所示的顶面）低于或者齐平于磁隧道结50背离自旋轨道转矩层40的表面（图1所示的顶面），以避免两个选择器70的顶面凸出，从而保证隔离层60对选择器70和磁隧道结50的侧向隔离效果。
继续参阅图1至图3，隔离层60设置在两个选择器70和磁隧道结50之间，即磁隧道结50每侧设置有一个隔离层60，以隔离相对应的选择器70。隔离层60的两端分别与磁隧道结50和选择器70对应接触，即隔离层60填充在选择器70和磁隧道结50之间。隔离层60可以设置在自旋轨道转矩层40上，例如隔离层60和两个选择器70均设置在自旋轨道转矩层40上。
隔离层60至少覆盖磁隧道结50的侧壁，例如，隔离层60背离自旋轨道转矩层40的表面与磁隧道结50背离自旋轨道转矩层40的表面对齐。隔离层60还可以覆盖磁隧道结50背离自旋轨道转矩层40的表面（图1所示的顶面），例如，隔离层60随形覆盖磁隧道结50。隔离层60的材质为绝缘材料，例如氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅等。
为了实现数据的存取，在一些可能的实现方式中，磁存储器还包括源极线83、第一字线81和第二字线82，源极线83和第一字线81分别与两个选择器70耦接，即源极线83与其中一个选择器70耦接，第一字线81与另一个选择器70耦接，第二字线82与磁隧道结50耦接。其中，第一字线81可以为写字线，第二字线82为读字线。利用源极线83、第一字线81和第二字线82，可以实现向磁隧道结50写入数据，或者读取磁隧道结50中的数据。
在数据写入阶段，源极线83和第一字线81中的一者被配置为施加写入电压，另一者被配置为接地，第二字线82被配置为浮空，以使两个选择器70均导通，向磁隧道结50写入数据。其中，写入电压大于两个选择器70的临界电压的两倍，使得两个选择器70均。源极线83施加写入电压时与第一字线81施加写入电压时，自旋轨道转矩层40内的电流流动的方向不同，从而对磁隧道结50的阻态进行切换，磁隧道结50中写入不同的数据。
示例性的，源极线83施加写入电压，第一字线81接地，第二字线82被配置为浮空，使两个选择器70均导通，磁隧道结50对应存储数据“1”。第一字线81施加写入电压，源极线83接地，第二字线82被配置为浮空，使两个选择器70均导通，磁隧道结50对应存储数据“0”。
在另一些可能的实现方式中，磁存储器还包括源极线83、第一字线81和第二字线82，源极线83和第一字线81分别与两个选择器70耦接，即源极线83与其中一个选择器70耦接，第一字线81与另一个选择器70耦接，第二字线82与磁隧道结50耦接。其中，第一字线81可以为写字线，第二字线82为读字线。利用源极线83、第一字线81和第二字线82，可以实现向磁隧道结50写入数据，或者读取磁隧道结50中的数据。
在数据读取阶段，源极线83被配置为施加读取电压，第二字线82被配置为接地，第一字线81被配置为浮空，以使一个选择器70导通，另一个选择器70截止，读取磁隧道结50中的数据。其中，与源极线83耦接的选择器70导通，与第一字线81耦接的选择器70截止，电流从源极线83流向第二字线82，以读出磁隧道结50的阻态。磁隧道结50高电阻态时，读出数据“0”，磁隧道结50低电阻态时，读出数据“1”。
继续参阅图1至图3，磁存储器还包括衬底10、设置在衬底10上的介质层20，以及设置在介质层20内的第一互连结构31、第二互连结构32和第三互连结构33。衬底10上设置有自旋轨道转矩层40，为其提供支撑。衬底10可以为硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底、锗化硅衬底、绝缘体上锗（Germanium on Insulator，简称GOI）衬底或者绝缘体上硅（Silicon onInsulator，简称SOI）衬底等。
如图1至图3所示，介质层20设置在衬底10上，且覆盖自旋轨道转矩层40、磁隧道结50、选择器70、隔离层60、第一字线81和第二字线82，以对其进行隔离和支撑，介质层20上设置有源极线83。其中，介质层20的材质可以与隔离层60的材质相同，以减少介质层20和隔离层60之间的层间分离。
第一字线81和第二字线82可以同层间隔设置，并均沿第一方向延伸，以便于第一字线81和第二字线82的制作。第一字线81和第二字线82还均位于磁隧道结50远离衬底10的一侧，且与磁隧道结50和选择器70均间隔设置。介质层20远离衬底10的表面高于第一字线81和第二字线82远离衬底10的表面，以将第一字线81和源极线83隔离，并将第二字线82与源极线83隔离。源极线83沿第二方向延伸，第二方向与第一方向交叉，例如垂直。
第一互连结构31连接第一字线81与一个选择器70，第二互连结构32连接第二字线82与磁隧道结50，第三互连结构33连接源极线83与另一个选择器70，以实现第一字线81和相对应的选择器70、第二字线82和磁隧道结50，以及源极线83与相对应的选择器70之间的耦接。
如图1所示，第一互连结构31的一端连接第一字线81，另一端连接相对的选择器70。第二互连结构32的一端连接第二字线82，另一端连接磁隧道结50。第三互连结构33的一端连接源极线83，另一端连接相对的选择器70。在一些可能的示例中，第一互连结构31、第二互连结构32和第三互连结构33可以为过孔或者接触插塞。第一互连结构31和第二互连结构32可以同时制作。
参阅图4，磁隧道结50、两侧的隔离层60、相对应的选择器、和自旋轨道转矩层40形成一个存储单元，磁存储器包括多个存储单元，多个存储单元阵列排布。示例性的，多个存储单元沿第一方向间隔排布，且沿第二方向间隔排布，以便于沿第一方向相对的多个存储单元中的各第一字线81连成一体结构，且各第二字线82连成一体结构，并便于沿第二方向相对的多个存储单元中的各源极线83连成一体结构，实现各存储单元的外接。
在数据写入阶段，通过选通相对应的第一字线81和源极线83，向相应的一个存储单元中的磁隧道结50写入数据。在数据读取阶段，通过选通相对应的第二字线82和源极线83，读取相应的一个存储单元中的磁隧道结50中的数据。
为了进一步提高磁存储器的存储密度，在一些可能的示例中，参阅图5和图6，磁隧道结50具有至少两个，每两个磁隧道结50形成一组，同组的两个磁隧道结50之间具有一个选择器70。同组的两个磁隧道结50对应三个选择器70，其中一个选择器70位于这两个磁隧道结50之间，其余两个选择器70分别位于这两个磁隧道结50彼此背离的一侧，以使同组的两个磁隧道结50共用中间的选择器70，减少选择器70的数量，进一步减少其所占面积。同组的两个侧隧道结，以及相应的隔离层60和选择器70可以呈轴对称分布，对称轴可以为中间的选择器70的中心线。
可以理解的是，同组的两个磁隧道结50共用一个选择器70，其形成的存储结构节省了一个选择器70，所占空间更小，有利于提高存储密度。磁存储器可以同时存在两个磁隧道结50和三个选择器70所形成的存储单元结构，以及一个磁隧道结50和两个选择器70所形成的存储单元结构。磁存储器还可以只存在两个磁隧道结50和三个选择器70所形成的存储单元结构，其存储密度更高。
在一些可能的示例中，同组的两个磁隧道结50之间的选择器70与源极线83耦接，同组的两个磁隧道结50彼此背离一侧的选择器70分别与两条第一字线81耦接，同组的两个磁隧道结50分别与两条第二字线82耦接，且同组的两个磁隧道结50择一地写入数据或者读取数据。
为了便于描述，将同组的两个磁隧道结50所对应的三个选择器70分别定义为第一选择器、第二选择器和第三选择器。第一选择器和第二选择器分别位于这两个磁隧道结50彼此背离的一侧，第三选择器位于这两个磁隧道结50之间。
第一选择器和第二选择器分别连接有一条第一字线81，两个磁隧道结50分别连接有一条第二字线82，第三选择器连接源极线83。同组的两条第一字线81择一导通，同组的两条第二字线82择一导通，且导通的第一字线81和第二字线82对应同一个磁隧道结50，以向该磁隧道结50写入数据或者读取数据，其写入和读取数据方式与上文中单个磁隧道结50的写入和读取数据方式类似。
具体的，导通第一选择器和第三选择器，通过源极线83和相对应的第一字线81向相对应的磁隧道结50（图5所示左侧的磁隧道结50）写入数据，通过源极线83和相应的第二字线82读取该磁隧道结50内的数据。导通第二选择器和第三选择器，通过源极线83和相对应的第一字线81向相对应的磁隧道结50（图5所示右侧的磁隧道结50）写入数据，通过源极线83和相应的第二字线82读取该磁隧道结50内的数据。
在一些可能的实施方式中，如图5所示，同组的两个磁隧道结50，以及同组的两个磁隧道结50之间的选择器70均位于一个自旋轨道转矩层40上，即自旋轨道转矩层40为一体结构，同组的两个磁隧道结50之间的选择器70与衬底10间隔设置。
在另一些可能的实施方式中，如图6所示，同组的两个磁隧道结50分别位于两个自旋轨道转矩层40上，同组的两个磁隧道结50之间的选择器70位于两个自旋轨道转矩层40之间，且与两个自旋轨道转矩层40均接触。每个磁隧道结50对应设置有一个自旋轨道转矩层40，且这两个自旋轨道转矩层40间隔设置，两个磁隧道结50之间的选择器70位于磁隧道结50之间，且位于两个自旋轨道转矩层40之间，并与两个自旋轨道转矩层40均接触，以减少这两个磁隧道结50之间的干扰。示例性的，两个磁隧道结50之间的选择器70（即第三选择器70）延伸至衬底10。
综上，本申请实施例中的磁存储器包括自旋轨道转矩层40、磁隧道结50、选择器70和隔离层60。磁隧道结50与自旋轨道转矩层40耦接，磁隧道结50两侧分别设置有选择器70，且磁隧道结50与选择器70之间设置隔离层60，以将磁隧道结50与选择器70隔开。两个选择器70与磁隧道结50在自旋轨道转矩层40同侧间隔设置，两个选择器70均与自旋轨道转矩层40耦接，且被配置为允许电流在自旋轨道转矩层40沿第一方向或者第二方向流动。通过两个选择器70可以改变自旋轨道转矩层40内电流的流动方向，无需设置晶体管，可以降低其所占用面积，从而提升磁存储器的存储密度。
本申请实施例还提供一种电子设备，其包括上述磁存储器，至少具有存储密度较大的优点，具体效果参照上文，在此不再赘述。在一些可能的示例中，电子设备还包括与磁存储器耦接的处理器。处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，简称CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC）等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
本申请实施例还提供一种磁存储器的制备方法，参阅图7，该制备方法具体包括以下步骤：
步骤S100：形成叠置的初始自旋轨道转矩层磁隧道结堆叠层。
参阅图8，初始自旋轨道转矩层41形成在衬底10上，衬底10可以为半导体衬底，其材质包括硅、锗、碳化硅、锗化硅、绝缘体上锗或者绝缘体上硅等。初始自旋轨道转矩层41沉积形成在衬底10上，其可以为单层或者叠层，其材质包括重金属材料、拓扑绝缘体或者二维材料，以较低的写入功耗实现数据写入。
磁隧道结堆叠层54沉积形成在初始自旋轨道转矩层41上，其与衬底10相间隔。在一些示例中，磁隧道结堆叠层54可以包括依次层叠设置的第一磁层51、势垒层52和第二磁层53。在另一些示例中，磁隧道结堆叠层54还可以包括间隔层、钉扎层、反铁磁层等，这些膜层与第一磁层51、势垒层52和第二磁层53堆叠设置，形成层叠结构。
步骤S200：去除部分磁隧道结堆叠层，形成多个间隔设置的磁隧道结。
参阅图9，利用光刻刻蚀或其他工艺去除部分磁隧道结堆叠层54，剩余的磁隧道结堆叠层54形成多个间隔设置的磁隧道结50。去除的部分磁隧道结堆叠层54形成多个间隔设置的第一沟槽55，相邻两个磁隧道结50之间具有一个第一沟槽55，即第一沟槽55将相邻的两个磁隧道结50隔开，各第一沟槽55暴露衬底10。
步骤S300：在磁隧道结的侧壁上形成隔离层，并在每个隔离层背离磁隧道结的一侧形成选择器，各选择器间隔设置。
参阅图10和图11，利用沉积工艺在磁隧道结的侧壁上形成隔离层60，隔离层60覆盖相对应的侧壁，即在第一沟槽55相对的两个侧壁上分别形成隔离层60。各隔离层60间隔设置，即隔离层60未填满第一沟槽55。其中，每个第一沟槽55内具有两个隔离层60，且这两个隔离层60彼此间隔。两个隔离层60均与初始自旋轨道转矩层41接触，且背离衬底10的表面可以与磁隧道结50背离衬底10的表面齐平。隔离层60的材质包括氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。
利用沉积工艺每个隔离层60背离磁隧道结50的一侧形成选择器70，且选择器70间隔设置。如图11所示，各第一沟槽55内的两个选择器70均围合成第二沟槽，第二沟槽暴露初始自旋轨道转矩层41。两个选择器70均与初始自旋轨道转矩层41接触，其背离衬底10的表面可以与磁隧道结50背离衬底10的表面齐平。选择器70的材质包括相变材料，氧化铌、铜锗硒铪的氧化物、砷碲锗硅的氮化物或者可在绝缘态和导电态之间转变的材料。
步骤S400：去除暴露选择器之间的初始自旋轨道转矩层，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层。
参阅图11和图12，通过光刻刻蚀或其他工艺去除暴露的初始自旋轨道转矩层41，即去除第二沟槽内的初始自旋轨道转矩层41，剩余的初始自旋轨道转矩层41形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层40。多个自旋轨道转矩层40彼此之间相间隔，可以减少彼此之间的干扰。
在一些可能的实施例中，参阅图13至图19，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层40（步骤S400）之后，还包括：
步骤S500：形成覆盖自旋轨道转矩层40、隔离层60、选择器70和磁隧道结50的介质层20，以及位于介质层20内的第一字线81、第二字线82、第一互连结构31、第二互连结构32和第三互连结构33；其中，第一互连结构31连接第一字线81与一个选择器70，第二互连结构32连接第二字线82与磁隧道结50，第三互连结构33连接另一个选择器70，且暴露在介质层20背离自旋轨道转矩层40的表面。
利用沉积工艺形成介质层20，介质层20覆盖自旋轨道转矩层40、隔离层60、选择器70和磁隧道结50的介质层20，介质层20还覆盖衬底10。介质层20内还形成有第一字线81、第二字线82、第一互连结构31、第二互连结构32和第三互连结构33。
第一字线81与一个选择器70相对，第二字线82与磁隧道结50相对，第一互连结构31的两端分别连接第一字线81和相对应的选择器70，第二互连结构32的两端分别连接第二字线82与磁隧道结50。第三互连结构33的一端连接另一个选择器70，另一端暴露在介质层20背离衬底10的表面。
在一些可能的实现方式中，形成覆盖自旋轨道转矩层40、隔离层60、选择器70和磁隧道结50的介质层20，以及位于介质层20内的第一字线81、第二字线82、第一互连结构31、第二互连结构32和第三互连结构33，包括以下过程：
参阅图13，沉积介质材料，形成覆盖自旋轨道转矩层40、隔离层60、选择器70和磁隧道结50的第一分层21，第一分层21填满第一沟槽55，其背离自旋轨道转矩层40的表面高于隔离层60、选择器70和磁隧道结50背离衬底10的表面。
参阅图14，刻蚀第一分层21，形成第一孔洞23和第二孔洞24，第一孔洞23和第二孔洞24分别暴露一个选择器70和磁隧道结50。
参阅图15，在第一孔洞23内沉积第一互连结构31，并在第二孔洞24内沉积第二互连结构32。第一互连结构31填平第一孔洞23，第二互连结构32填平第二孔洞24，第一互连结构31和第二互连结构32可以同时沉积。
参阅图16，在第一分层21上沉积第一字线81和第二字线82，第一字线81与第一互连结构31接触，第二字线82与第二互连结构32接触。第一字线81和第二字线82可以同时沉积
参阅图17，沉积介质材料，形成覆盖第一字线81、第二字线82和第一分层21的第二分层22，第二分层22背离衬底10的表面高于第一字线81和第二字线82背离衬底10的表面，第二分层22和第一分层21形成介质层20。
参阅图18和图19，刻蚀第二分层22和第一分层21，形成第三孔洞25，第三孔洞25暴露另一个选择器70，并在第三孔洞25内沉积第三互连结构33，第三互连结构33填平第三孔洞25。
步骤S600：在介质层20上形成源极线83，源极线83与第三互连结构33连接。
参阅图20，利用沉积工艺形成源极线83，源极线83与第三互连结构33接触，以与相对应的选择器70耦接。源极线83的延伸方向与第一字线81的延伸方向交叉，且与第二字线82的延伸方向交叉，第一字线81的延伸方向和第二字线82的延伸方向可以平行。
综上，本申请实施例中的磁存储器的制作方法中，形成初始自旋轨道转矩层41，并在初始自旋轨道转矩层41上形成磁隧道结堆叠层54；去除部分磁隧道结堆叠层54，多个间隔设置的磁隧道结50；在第一沟槽55相对的两个侧壁上分别形成隔离层60，并在每个隔离层60背离磁隧道结50的一侧形成选择器70，各选择器70间隔设置；并去除暴露在相邻选择器70之间的初始自旋轨道转矩层41，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层40，无需设置晶体管，可以降低其所占用面积，从而提升磁存储器的存储密度。
本申请实施例还提供一种磁存储器的制备方法，参阅图2，该制备方法具体包括以下步骤：
步骤S100’：形成叠置的初始自旋轨道转矩层41和磁隧道结堆叠层54。
步骤S200’：去除部分磁隧道结堆叠层54，形成多个间隔设置的磁隧道结50。
参阅图21和图22上述步骤S100’和步骤S200’可以分别参照上文实施例中的步骤S100和步骤S200，在此不再赘述。
步骤S300’：在磁隧道结50的侧壁上形成隔离层60，并在每个隔离层60背离磁隧道结50的一侧形成选择器70，部分选择器70填满相邻的磁隧道结50之间，其余选择器70间隔设置，且填满在磁隧道结50之间的选择器70彼此相邻。
参阅图22，利用沉积工艺在磁隧道结50的侧壁上形成隔离层60，隔离层60覆盖相对应的侧壁，即在第一沟槽55相对的两个侧壁上分别形成隔离层60。各隔离层60间隔设置，即隔离层60未填满第一沟槽55。其中，每个第一沟槽55内具有两个隔离层60，且这两个隔离层60彼此间隔。两个隔离层60均与初始自旋轨道转矩层41接触，且背离衬底10的表面可以与磁隧道结50背离衬底10的表面齐平。隔离层60的材质包括氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。
利用沉积工艺每个隔离层60背离磁隧道结50的一侧形成选择器70，选择器70均与初始自旋轨道转矩层41接触，其背离衬底10的表面可以与磁隧道结50背离衬底10的表面齐平。选择器70的材质包括相变材料，氧化铌、铜锗硒铪的氧化物、砷碲锗硅的氮化物或者可在绝缘态和导电态之间转变的材料。
部分选择器70填满相邻的磁隧道结50之间，其余选择器70间隔设置，即部分第一沟槽55内填满选择器70，部分第一沟槽55内的两个选择器70彼此间隔，这两个选择器70围合成第二沟槽，第二沟槽暴露初始自旋轨道转矩层41。填充在磁隧道结50之间的选择器70彼此不相邻，以避免两个以上的磁隧道结50共用选择器70，从而保证磁存储器的正常使用。
如图22所示，填满选择器70的第一沟槽55与其余第一沟槽55相邻，例如相邻的两个填满选择器70的第一沟槽55之间具有至少一个未被填满的第一沟槽55（即第二沟槽），以使两个相邻的磁隧道结50共用中间的一个选择器70，且这两个磁隧道结50与其他磁隧道结50彼此独立，在实现数据写入和数据读取的同时，进一步提高磁存储器的存储密度。
在一些可能的示例性中，排在奇数位的磁隧道结50和同一侧相邻的磁隧道结50之间填满选择器70，例如第一个磁隧道结50和第二个磁隧道结50之间、第三个磁隧道结50和第四个磁隧道结50之间、……、第2n个磁隧道结50和第2n+1个磁隧道结50之间分别填满选择器70。如此设置，每相邻的两个磁隧道结50共用一个选择器70，且与其他磁隧道结50彼此独立，使得选择器70的数量可以减至最少，磁存储器的存储密度较大。
其中，在形成隔离层60之后，在形成选择器70之间，参阅图22和图22，对部分第一沟槽55内暴露的初始自旋轨道转矩层41进行刻蚀，以使相对应的第一沟槽55延伸至衬底10，再后续制备过程中，参阅图23，该部分第一沟槽55中填满选择器70。如此设置，选择器70将其两侧的自旋轨道转矩层40隔开，避免其两侧的磁隧道结50相互干扰。
步骤S400’：去除暴露在第一沟槽55内的初始自旋轨道转矩层41，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层40。
参阅图24和图25，本步骤可以参照上文实施例中的步骤S400，在此不再赘述。
综上，本申请实施例中的磁存储器的制作方法中，形成初始自旋轨道转矩层41，并在初始自旋轨道转矩层41上形成磁隧道结堆叠层54；去除部分磁隧道结堆叠层54，剩余的磁隧道结堆叠层54形成多个间隔设置的磁隧道结50，相邻磁隧道结50由第一沟槽55隔开；在第一沟槽55相对的两个侧壁上分别形成隔离层60，并在每个隔离层60背离磁隧道结50的一侧形成选择器70，部分第一沟槽55内填满选择器70，其余第一沟槽55内具有间隔设置的两个选择器70，且被填满第一沟槽55与未被填满的第一沟槽55相邻；去除暴露在相邻选择器70之间的初始自旋轨道转矩层41，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层40，无需设置晶体管，且两个相邻的磁隧道结50共用中间的一个选择器70，并与其他磁隧道结50彼此独立，在实现数据写入和数据读取的同时，进一步提高磁存储器的存储密度。
本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种磁存储器，其特征在于，包括：自旋轨道转矩层、与所述自旋轨道转矩层耦接的磁隧道结、两个选择器，以及设置在所述选择器和所述磁隧道结之间的隔离层；
所述两个选择器与所述磁隧道结在所述自旋轨道转矩层同侧间隔设置，所述两个选择器均与所述自旋轨道转矩层耦接，且被配置为允许电流在所述自旋轨道转矩层沿第一方向或者第二方向流动，所述第二方向与所述第一方向相反；
所述磁隧道结具有至少两个，每两个所述磁隧道结形成一组，同组的两个所述磁隧道结之间具有一个所述选择器。
2.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述磁存储器还包括源极线、第一字线和第二字线，所述源极线和所述第一字线分别与两个所述选择器耦接，所述第二字线与所述磁隧道结耦接；
所述源极线和所述第一字线中的一者被配置为施加写入电压，另一者被配置为接地，所述第二字线被配置为浮空，以使所述两个选择器均导通，向所述磁隧道结写入数据。
3.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述磁存储器还包括源极线、第一字线和第二字线，所述源极线和所述第一字线分别与两个所述选择器耦接，所述第二字线与所述磁隧道结耦接；
所述源极线被配置为施加读取电压，所述第二字线被配置为接地，所述第一字线被配置为浮空，以使一个所述选择器导通，另一个所述选择器截止，读取所述磁隧道结中的数据。
4.根据权利要求2或3所述的磁存储器，其特征在于，所述磁存储器还包括衬底、设置在所述衬底上的介质层，以及设置在所述介质层内的第一互连结构、第二互连结构和第三互连结构；
所述第一互连结构连接所述第一字线与一个所述选择器，所述第二互连结构连接所述第二字线与所述磁隧道结，所述第三互连结构连接所述源极线与另一个所述选择器。
5.根据权利要求4所述的磁存储器，其特征在于，所述介质层的材质与所述隔离层的材质相同；
和/或，所述自旋轨道转矩层包括重金属材料、拓扑绝缘体和二维材料的一个或者多个层；
和/或，所述选择器的材质包括相变材料、氧化铌、铜锗硒铪的氧化物、砷碲锗硅的氮化物或者其它可在绝缘态和导电态之间转变的材料。
6.根据权利要求4所述的磁存储器，其特征在于，所述磁隧道结包括：
第一磁层，所述第一磁层与所述自旋轨道转矩层耦接；
势垒层，所述势垒层设置在所述第一磁层远离所述自旋轨道转矩层的一侧；
第二磁层，所述第二磁层设置在所述势垒层远离所述第一磁层的一侧，且与所述第二字线耦接。
7.根据权利要求2或3所述的磁存储器，其特征在于，同组的两个所述磁隧道结之间的所述选择器与所述源极线耦接，同组的两个所述磁隧道结彼此背离一侧的所述选择器分别与两条所述第一字线耦接，同组的两个所述磁隧道结分别与两条所述第二字线耦接，且同组的两个所述磁隧道结择一地写入数据或者读取数据。
8.根据权利要求7所述的磁存储器，其特征在于，同组的两个所述磁隧道结，以及同组的两个所述磁隧道结之间的所述选择器均位于一个所述自旋轨道转矩层上；
或者，同组的两个所述磁隧道结分别位于两个所述自旋轨道转矩层上，同组的两个所述磁隧道结之间的所述选择器位于两个所述自旋轨道转矩层之间，且与两个所述自旋轨道转矩层均接触。
9.根据权利要求1-3任一项所述的磁存储器，其特征在于，所述两个选择器和所述隔离层均设置在所述自旋轨道转矩层上，所述两个选择器彼此背离的一侧分别与所述自旋轨道转矩层的两端对齐。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的磁存储器。
11.一种磁存储器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-9任一项所述的磁存储器，包括：
形成叠置的初始自旋轨道转矩层和磁隧道结堆叠层；
去除部分所述磁隧道结堆叠层，形成多个间隔设置的磁隧道结；
在磁隧道结的侧壁上分别隔离层，并在每个所述隔离层背离所述磁隧道结的一侧形成选择器，部分所述选择器填满相邻的所述磁隧道结之间，其余所述选择器间隔设置，且填充在所述磁隧道结之间的所述选择器彼此不相邻；
去除暴露在所述选择器之间的所述初始自旋轨道转矩层，形成多个间隔设置的自旋轨道转矩层。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，各排在奇数位的所述磁隧道结和同一侧相邻的所述磁隧道结之间填满所述选择器。
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