SOT-MRAM存储单元及其制备方法与流程

sot
‑
mram存储单元及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及mram存储器技术领域，尤其涉及一种sot
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mram存储单元及其制备方法。


背景技术：

2.随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应(spin
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orbit coupling，soc)越来越受到人们的广泛关注，主要包括自旋霍尔效应和界面edelstein效应及其逆效应，可实现电压可控的电流和自旋流的相互转化。而自旋轨道矩(spin
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orbit torque，sot)基于soc效应，利用电荷流诱导的自旋流产生自旋转移力矩，从而达到调控磁性存储单元的目的。由于其读写路径分开化，因此具有能耗低，写入速度快，磁矩翻转性强，效率高，稳定性高等优良性能，在磁存储器件等领域展现出巨大的前景。
3.自旋轨道矩型磁随机存储器(sot
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mram)是利用自旋流产生的sot作为信息写入方式，既保持了mram高速度和低功耗等优异特性，又实现了读写路径的分离，更有利于提高器件的抗击穿和长寿命等性能。
4.目前对于采用性能优异的具有垂直磁各向异性的磁性隧道结作为基本存储单元的sot
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mram来说，单独的自旋轨道矩无法实现确定性的定向磁化翻转，一般需要在特定方向上的外加磁场帮助下，才能够实现磁性隧道结中垂直自由层的确定性磁矩翻转和信息写入。但是外加磁场的引入增加了电路复杂度和可靠性风险，不利于器件的集成。因此如何使自旋轨道矩能够在无外加磁场的条件下完成确定性的磁化翻转并实现与现有cmos工艺兼容的集成应用，仍是本领域一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种sot
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mram存储单元，能够在无外加磁场的条件下，利用自旋轨道矩实现自由层确定性的磁化翻转。
6.一方面，本发明提供一种sot
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mram存储单元，包括：
7.磁性隧道结，包括从下至上依次层叠的自由层、势垒层和参考层，所述自由层具有方向可变的垂直磁化，所述参考层具有方向固定的垂直磁化；
8.自旋轨道耦合层，位于所述磁性隧道结下方，与所述自由层接触，所述自旋轨道耦合层用于产生自旋轨道矩，以使所述自由层磁化翻转；
9.位于所述自旋轨道耦合层上方且位于所述磁性隧道结两侧的第一铁磁层和第二铁磁层，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层均具有面内水平磁化，磁化方向平行于所述自旋轨道矩耦合层中通过的写电流方向，以对所述磁性隧道结产生一个水平磁场。
10.可选地，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的材料为fe、feco和fen中的一种。
11.可选地，所述自旋轨道矩耦合层的材料为重金属、掺杂重金属、重金属合金或者拓扑绝缘体。
12.可选地，还包括：
13.第一反铁磁层，位于所述第一铁磁层上方，用于钉扎所述第一铁磁层的磁化方向；
14.第二反铁磁层，位于所述第二铁磁层上方，用于钉扎所述第二铁磁层的磁化方向。
15.可选地，所述第一反铁磁层和所述第二反铁磁层的材料为irmn或者ptmn。
16.可选地，还包括：
17.第一保护层，位于所述第一反铁磁层上方；
18.第二保护层，位于所述第二反铁磁层上方。
19.可选地，所述第一保护层和所述第二保护层的材料为ta或者ru。
20.可选地，还包括：绝缘介质层，环绕于所述磁性隧道结四周侧壁和顶部，并覆盖所述自旋轨道耦合层表面。
21.另一方面，本发明提供一种sot
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mram存储单元的制备方法，包括：
22.提供基底；
23.在所述基底上沉积形成自旋轨道耦合层；
24.在所述自旋轨道矩耦合层上形成磁性隧道结，所述磁性隧道结包括从下至上依次层叠的自由层、势垒层和参考层，所述自由层具有方向可变的垂直磁化，所述参考层具有方向固定的垂直磁化；
25.在所述自旋轨道矩耦合层表面以及所述磁性隧道结表面依次共形地沉积形成绝缘介质层、铁磁层、反铁磁层和保护层；
26.分别在所述磁性隧道结的两侧进行光刻和刻蚀，以在所述磁性隧道结两侧分别形成从下至上依次包括铁磁层/反铁磁层/保护层的层叠结构；
27.在真空条件下进行磁场退火，使得所述磁性隧道结两侧的铁磁层的磁化方向为水平方向且平行于所述自旋轨道矩耦合层中通过的写电流方向。
28.可选地，所述铁磁层的材料为fe、feco和fen中的一种；
29.所述反铁磁层的材料为irmn或者ptmn；
30.所述保护层的材料为ta或者ru。
31.本发明提供的sot
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mram存储单元，在磁性隧道结的两侧分别设置铁磁层，两侧铁磁层的磁化方向平行于自旋轨道耦合层中流过的写电流方向，从而两侧铁磁层对磁性隧道结产生了一个平行于写电流方向的水平磁场，写电流的正负方向可以实现对自由层的磁矩进行上下地定向翻转。
附图说明
32.图1为本发明一实施例提供的sot
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mram存储单元的结构示意图；
33.图2至图5为本发明一实施例提供的sot
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mram存储单元制备方法各步骤的剖面结构示意图。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。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。此外，
在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
35.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
36.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
37.图1示出了本发明实施例提供的一种sot
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mram存储单元的立体视图。如图1所示，该sot
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mram存储单元包括磁性隧道结101、自旋轨道耦合层102以及位于磁性隧道结101两侧的第一铁磁层1041和第二铁磁层1042。具体地，磁性隧道结101包括最基本的三明治结构，即包括从下至上依次层叠的自由层、势垒层和参考层(图中为示出)，其中自由层具有方向可变的垂直磁化，参考层具有方向固定的垂直磁化。自旋轨道耦合层102位于磁性隧道结101下方，与磁性隧道结101的自由层接触，自旋轨道耦合层102用于利用自旋霍尔效应产生自旋轨道矩，以使自由层磁化翻转。第一铁磁层1041和第二铁磁层1042位于自旋轨道矩耦合层102上方且分别位于磁性隧道结101两侧，两个铁磁层均具有面内水平磁化，磁化方向平行于自旋轨道矩耦合层102中在写数据时通过的写电流方向，以对磁性隧道结101产生一个水平磁场。
38.可选地，参考图1，作为一种实施方式，该sot
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mram存储单元还可以包括第一反铁磁层1051和第二反铁磁层1052，第一反铁磁层1051位于第一铁磁层1041上方，用于钉扎第一铁磁层1041的磁化方向，第二反铁磁层1052位于第二铁磁层1042上方，用于钉扎第二铁磁层1042的磁化方向。
39.进一步地，在第一反铁磁层1051上方还可以设置第一保护层1061，用于防止第一反铁磁层1051发生氧化。同理，在第二反铁磁层1052上方还可以设置第二保护层1062，用于防止第二反铁磁层1052发生氧化。
40.在上述实施例中，磁性隧道结101的自由层和参考层使用铁磁材料，如fe，feco，fecob。势垒层较常用的是mgo。自旋轨道矩耦合层102的材料为重金属、掺杂重金属、重金属合金或者拓扑绝缘体。第一铁磁层1041和第二铁磁层1042的材料为fe、feco和fen中的一种。第一反铁磁层1051和第二反铁磁层1052的材料为irmn或者ptmn。第一保护层1061和第二保护层1062的材料为ta或者ru。
41.另外说明的是，考虑到器件的制备工艺，会存在绝缘介质层(图中未示出)环绕于磁性隧道结101四周侧壁和顶部，并覆盖自旋轨道耦合层102表面。
42.本发明提供的sot
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mram存储单元，在磁性隧道结的两侧分别设置铁磁层，两侧铁磁层的磁化方向固定地平行于自旋轨道耦合层中流过的写电流方向，从而两侧铁磁层对磁性隧道结产生了一个平行于写电流方向的水平磁场，写电流的正负方向可以实现对自由层的磁矩进行上下地定向翻转。
43.对于上述实施例提供的sot
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mram存储单元，本发明实施例还提供一种sot
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mram存
储单元的制备方法，图2～图5示出了制备过程中各步骤的结构剖面图。
44.如图2所示，提供基底201，在基底201上沉积形成自旋轨道耦合层202。可利用利用pvd等薄膜生长工艺生长ta、pt等，得到自旋轨道耦合层。接着在在自旋轨道矩耦合层202上生长磁性隧道结各层薄膜，利用光刻和刻蚀把磁性隧道结各层薄膜加工成磁性隧道结203，磁性隧道结203一般为圆柱形，磁性隧道结203至少包括从下至上依次层叠的自由层、势垒层和参考层，自由层具有方向可变的垂直磁化，参考层具有方向固定的垂直磁化。
45.如图3所示，在自旋轨道矩耦合层202暴露的表面以及磁性隧道结203表面共形地形成绝缘介质层204，该绝缘介质层204可以是sin，用于保护磁性隧道结203。
46.接着，参考图4，在绝缘介质层204上依次沉积形成高磁化强度的铁磁层205、反铁磁层206和保护层207，其中铁磁层205可以是fe、feco和fen中的一种，反铁磁层206的材料可以是irmn或者ptmn，保护层207的材料可以是ta或者ru等。
47.然后，如图5所示，分别在磁性隧道结203的两侧进行光刻和刻蚀，以在磁性隧道结203两侧分别形成从下至上依次包括铁磁层/反铁磁层/保护层的层叠结构。在图5中，铁磁层2051/反铁磁层2061/保护层2071构成一个层叠结构，铁磁层2052/反铁磁层2062/保护层2072构成一个层叠结构。可以理解的是，这两个层叠结构可以通过合适的曝光图案得到。
48.最后，在真空条件下进行磁场退火，使得铁磁层2051和铁磁层2052的磁化方向为水平方向且平行于自旋轨道矩耦合层中在写数据时通过的写电流方向，对磁性隧道结形成一个外加水平磁场。具体地，在磁场退火下，铁磁层2051被反铁磁层2061钉扎到一个水平方向，铁磁层2052被反铁磁层2062钉扎到一个水平方向，铁磁层2051和铁磁层2052共同对磁性隧道结形成一个水平磁场，从而导致自旋轨道耦合层中正负电流写入时产生的自旋轨道矩可以定向翻转自由层磁矩。
49.另外，可以再沉积sio2绝缘介质，保护形成的器件结构。
50.在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
51.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。