纯电读写的磁性随机存储器及其制备方法与流程

1.本公开涉及数据存储技术领域，尤其涉及一种纯电读写的磁性随机存储器及其制备方法。


背景技术：

2.随着信息技术的不断发展，所产生的以及所依赖的数据量呈爆炸式增长。作为数据载体的存储器因而得到了广泛的应用。存储器的性能包括：写入和读取速度、能耗、耐久性、存储密度。
3.自旋轨道矩磁电阻式随机存储器(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、高集成度以及接近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，而有效的数据存储需要磁矩的定向翻转，现有技术无法实现磁矩的定向翻转。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开提供了一种纯电读写的磁性随机存储器及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
5.本公开的一个方面提供了一种纯电读写的磁性随机存储器，包括：
6.衬底；
7.磁记录部，包括：
8.自旋轨道耦合层，设置在上述衬底上，适用于产生自旋流；
9.磁性隧道结，设置在上述自旋轨道耦合层上，用于读取磁化信息；
10.两个电磁部，包括第一电磁部和第二电磁部，分别形成于上述磁记录部的两端，用于产生两个磁矩指向相反的磁畴；
11.其中，上述第一电磁部包括相互垂直的第一端部和第二端部；其中，上述第二端部由上述磁记录部的一端延伸形成；
12.其中，上述第二电磁部包括相互垂直的第三端部和第四端部；以及其中，上述第四端部由上述磁记录部的另一端延伸形成。
13.根据本公开的实施例，上述磁畴壁形成在第一端部和第二端部相交的部位、或者第三端部和第四端部相交的部位。
14.根据本公开的实施例，上述第一电磁部和上述第二电磁部用于向上述磁记录部输入或输出电流；以及
15.其中，上述第一端部和第四端部形成第一导电通道，上述第二端部和第三端部形成第二导电通道。
16.根据本公开的实施例，上述磁性隧道结包括：第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
17.其中，上述第一磁性层，设置在上述自旋轨道耦合层上，用于产生上述磁畴壁；
18.其中，上述隧穿层，设置在上述第一磁性层上，用于隔离上述第一磁性层和上述第二磁性层；
19.其中，上述第二磁性层，设置在上述隧穿层上，用于记录上述第一磁性层磁性的变化。
20.根据本公开的实施例，上述第一磁性层和上述第二磁性层具有垂直各向异性。
21.根据本公开的实施例，上述磁性隧道结还包括：
22.固化层，设置于上述第二磁性层上，用于固定上述第二磁性层的磁化方向。
23.根据本公开的实施例，上述自旋轨道耦合层是由具有自旋轨道耦合效应的材料制成；
24.其中，上述具有自旋轨道耦合效应的材料包括具有自旋轨道耦合效应的金属材料或拓扑绝缘体材料；
25.其中，上述金属材料包括ta、pt、w、hf、ir、cubi、cuir或auw 中的其中之一；
26.其中，上述拓扑绝缘体材料包括bisn、snte、bise或iva、va、via 族化合物材料中的其中之一。
27.根据本公开的实施例，其中，制备上述第一磁性层或上述第二磁性层的材料包括单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物中的其中之一。
28.本公开的另一方面提供了一种存储器的制备方法，包括：
29.提供衬底；
30.在上述衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
31.在上述第二磁性层上形成图案化的第一光刻胶；
32.对上述自旋轨道耦合层、上述第一磁性层、上述隧穿层和上述第二磁性层进行刻蚀，形成磁记录部和两个电磁部；
33.在上述第二磁性层上形成图案化的第二光刻胶；
34.刻蚀上述第二磁性层，以形成磁性隧道结。
35.根据本公开的实施例，上述自旋轨道耦合层的制备方法包括物理气相沉积法或分子束外延生长法；
36.其中，上述第二磁性层、上述隧穿层、上述第一磁性层的制备方法包括溅射法；
37.其中，上述刻蚀方法包括离子刻蚀技术。
38.根据本公开的实施例，在对随机存储器写入信息时，电流通入至自旋轨道耦合层中产生自旋流，该自旋流会扩散到磁性隧道结中，使其中的磁畴壁运动。通过在磁记录部的两端分别设置具有两个相互垂直端部的电磁部，能够使第一磁性层中的磁畴壁在电磁部两个端部的交界处停止，通过改变电流通入的导电通道和方向，能够使磁畴壁在第一磁性层中进行往复运动，进而产生磁矩定向翻转的效果。
附图说明
39.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
40.图1示意性示出了根据本公开一实施例的磁性随机存储器的立体示意图；
41.图2示意性示出了根据本公开实施例的在磁性隧道结的第一磁性层中形成磁畴壁的示意图；
42.图3示意性示出了图2中的磁畴壁在第一磁性层中往复运动的过程示意图；
43.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的磁性随机存储器的立体示意图；以及
44.图5示意性示出了根据本公开实施例的制备磁性随机存储器的方法流程图。
45.上述附图中，附图标记含义具体如下：
46.100、衬底；
47.200、磁记录部；
48.210、自旋轨道耦合层；
49.220、磁性隧道结；
50.221、第一磁性层；
51.222、隧穿层；
52.223、第二磁性层；
53.230、固化层；
54.300、电磁部；
55.310、第一电磁部；
56.311、第一端部；
57.312、第二端部；
58.320、第二电磁部；
59.321、第三端部；以及
60.322、第四端部。
具体实施方式
61.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。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。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。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。
62.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/ 或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
63.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
64.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少
一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
65.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、高集成度以及接近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，才能有效的进行数据存取，更利于自旋轨道矩磁电阻式随机存储器的集成和产业化。
66.根据本公开总体上的发明构思，本公开的一个方面提供了一种纯电读写的磁性随机存储器，包括：
67.衬底；
68.磁记录部，包括：
69.自旋轨道耦合层，设置在衬底上，适用于产生自旋流；
70.磁性隧道结，设置在自旋轨道耦合层上，用于读取磁化信息；
71.两个电磁部，包括第一电磁部和第二电磁部，分别形成于磁记录部的两端，用于产生两个磁矩指向相反的磁畴；
72.其中，第一电磁部包括相互垂直的第一端部和第二端部；其中，第二端部由磁记录部的一端延伸形成；
73.其中，第二电磁部包括相互垂直的第三端部和第四端部；以及其中，第四端部由磁记录部的另一端延伸形成。
74.本公开的另一方面提供一种存储器的制备方法，其中，包括
75.提供衬底；
76.在衬底上依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层；
77.在第二磁性层上形成图案化的第一光刻胶；
78.对自旋轨道耦合层、第一磁性层、隧穿层和第二磁性层进行刻蚀，形成磁记录部和两个电磁部；
79.在第二磁性层上形成图案化的第二光刻胶；
80.刻蚀第二磁性层，以形成磁性隧道结。
81.以下，将参照附图来描述本发明的实施例。
82.图1示意性示出了根据本公开一实施例的磁性随机存储器的立体示意图。
83.根据本公开的实施例，参见图1，本公开提供了一种纯电读写的磁性随机存储器，可以包括衬底100、磁记录部200、两个电磁部。
84.磁记录部200可以包括：自旋轨道耦合层210，自旋轨道耦合层210 设置在衬底100上，适用于产生自旋流。磁性隧道结220设置在自旋轨道耦合层210上，用于读取磁化信息。
85.两个电磁部可以包括第一电磁部310和第二电磁部320，分别形成于磁记录部200的两端，用于产生两个磁矩指向相反的磁畴。
86.第一电磁部310可以包括相互垂直的第一端部311和第二端部312，第二端部312由磁记录部200的一端延伸形成。
87.第二电磁部320可以包括相互垂直的第三端部321和第四端部322，第四端部322由磁记录部200的另一端延伸形成。
88.根据本公开的实施例，电流通入至自旋轨道耦合层210中，由于自旋霍尔效应或
rashba效应，自旋轨道耦合层210中的自旋向上或自旋向下的电子会在自旋轨道耦合层210和第一磁性层221的界面积累，自旋流会扩散到第一磁性层221中，对其中的磁矩产生自旋轨道矩的作用，从而实现磁化翻转。
89.图2示意性示出了根据本公开实施例的在磁性隧道结的第一磁性层中形成磁畴壁的示意图。
90.根据本公开的实施例，参见图1和2，在实现磁化定向翻转之前，需要在第一端部311和第二端部312相交部位的第一磁性层221上、或者第三端部321和第四端部322相交部位的第一磁性层221上形成一预置磁畴壁。
91.在一示例性实施例中，参见图1和2，本公开的存储器形成预置磁畴壁的步骤包括步骤s21、步骤s22、步骤s23：
92.步骤s21：首先在外加面内磁场的作用下，由第一电磁部310的第一端部311输入第一输入电流至自旋轨道耦合层210中，自旋轨道耦合层210 中的自旋向上或自旋向下的电子会在自旋轨道耦合层210和磁性隧道结 220中的第一磁性层221的界面积累，之后第一自旋流会扩散到磁性隧道结220的第一磁性层221中并使其中电流经过区域的磁矩方向向下，最后第一输入电流由第二电磁部320的第四端部322端输出。
93.步骤s22：在同一外加面内磁场的作用下，由第二电磁部320的第三端部321输入第二输入电流至自旋轨道耦合层210中并从第一电磁部310 的第二端部312流出，会使磁性隧道结220的第一磁性层221中电流经过区域的磁矩方向向上，与步骤s21中的磁矩方向相反。
94.步骤s23：在步骤s22中的磁性隧道结220的第一磁性层221中电流经过区域的磁矩发生翻转的同时，在第二电磁部320的第四端部322和磁记录部200中形成了磁矩方向相反的两个磁畴，因而在第二电磁部320的第三端部321与第四端部322相交的部位会形成预置磁畴壁。
95.图3示意性示出了图2中的磁畴壁在第一磁性层中往复运动的过程示意图。
96.根据本公开的实施例，以下详细介绍本公开的存储器中的磁畴壁在第一磁性层221中进行往复运动，并使得存储器的磁矩发生反转的过程。
97.在一示例性实施例中，参见图1-3，存储器的磁矩发生翻转的步骤包括步骤s31、步骤s32、步骤s33。
98.步骤s31：在图2中的第二电磁部320的第三端部321和第四端部322 相交部位的第一磁性层221上形成有预置磁畴壁的基础上，撤除图2中的外加面内磁场，由第一电磁部310的第二端部312输入第三输入电流，流经磁记录部200并由第二电磁部320的第三端部321流出，此时磁畴壁不发生运动，存储器的磁矩方向保持向上。
99.步骤s32：在步骤s31的基础上，由第二电磁部320的第四端部322 向存储器的磁记录部200输入第四输入电流，流经磁记录部200并由第一电磁部310的第一端部311流出，由于自旋轨道矩驱动畴壁运动的方向和电流方向相同，从而推动磁畴壁向磁记录部200移动，并停在第一端部311 和第二端部312相交的部位，从而使磁记录部200中第一磁性层的磁矩方向由向上翻转向下，实现存储器的磁矩翻转。
100.步骤s33：在步骤s32的基础上，采用与步骤s31相同的方式输入第五电流，此时磁畴壁会再次运动到第二电磁部320的第三端部321与第四端部322相交的部位，并使存储器的磁矩再次由向下翻转为向上。
101.根据本公开的实施例，在对随机存储器写入信息时，电流通入至自旋轨道耦合层210中产生自旋流，该自旋流会扩散到磁性隧道结220中，使其中的磁畴壁运动。通过在磁记录部200的两端分别设置具有两个相互垂直端部的电磁部300，能够使第一磁性层221中的磁畴壁在电磁部300两个端部的交界处停止，通过改变电流通入的导电通道和方向，能够使磁畴壁在第一磁性层221中进行往复运动，进而产生磁矩定向翻转的效果。
102.根据本公开的实施例，参见图1和2，磁畴壁形成在第一端部311和第二端部312相交的部位、或者第三端部321和第四端部322相交的部位。
103.根据本公开的实施例，第一电磁部310和第二电磁部320用于向磁记录部200输入或输出电流。
104.第一端部311和第四端部322形成第一导电通道，第二端部312和第三端部321形成第二导电通道。
105.根据本公开的实施例，磁性隧道结220可以包括第一磁性层221、隧穿层222和第二磁性层223。
106.第一磁性层221设置在自旋轨道耦合层210上，用于产生磁畴壁。
107.隧穿层222设置在第一磁性层221上，用于隔离第一磁性层221和第二磁性层223。
108.第二磁性层223，设置在隧穿层222上，用于记录第一磁性层221磁性的变化。
109.根据本公开的实施例，第一磁性层221和第二磁性层223具有垂直各向异性。
110.根据本公开的实施例，自旋轨道耦合层210是由具有自旋轨道耦合效应的材料制成。
111.具有自旋轨道耦合效应的材料可以包括具有自旋轨道耦合效应的金属材料或拓扑绝缘体材料。
112.金属材料可以包括ta、pt、w、hf、ir、cubi、cuir或auw中的其中之一。
113.拓扑绝缘体材料可以包括bisn、snte、bise或iva、va、via族化合物材料中的其中之一。
114.根据本公开的实施例，自旋轨道耦合层210适宜选择具有较大自旋轨道耦合强度的材料。
115.根据本公开的实施例，制备第一磁性层221或第二磁性层223的材料可以包括单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物中的其中之一。
116.根据本公开的实施例，第一磁性层221的材料和第二磁性层223的材料可以为co、fe、cofeb或fept等硬磁材料。第一磁性层221的材料与第二磁性层223的材料可以相同也可以不同。
117.根据本公开的实施例，制备隧穿层222的材料可以包括非磁金属材料或绝缘材料。
118.在一示例性实施例中，非磁金属可以包括cu或ag，绝缘材料可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪中的其中之一。
119.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的磁性随机存储器的立体示意图。
120.根据本公开的实施例，磁性隧道结220还可以包括：固化层230。固化层230设置于第二磁性层223上，用于固定第二磁性层223的磁化方向。
121.根据本公开的实施例，参见图1和图4，与图1中的存储器相比，图 4中的存储器的第二磁性层223上设置有固化层230，能够起到固定第二磁性层223的磁化方向的作用。
122.根据本公开的实施例，制备固化层230的材料可以为copt多层膜人工反铁磁。
123.根据本公开的实施例，本公开的磁性随机存储器的排布方式可以为阵列式，形成sot-mram(spin-orbit torque magnetoresistive random accessmemory，自旋轨道转矩磁性随机存储器)的存储阵列。
124.根据本公开的实施例，本公开的磁性随机存储器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中等。
125.图5示意性示出了根据本公开实施例的制备磁性随机存储器的方法流程图。
126.根据本公开的实施例，参见图5，本公开的另一方面提供了一种存储器的制备方法，可以包括步骤s501、步骤s502、步骤s503、步骤s504、步骤s505、步骤s506。
127.步骤s501：提供衬底100。
128.步骤s502：在衬底100上依次生长自旋轨道耦合层210、第一磁性层 221、隧穿层222和第二磁性层223。
129.步骤s503：在第二磁性层223上形成图案化的第一光刻胶。
130.步骤s504：对自旋轨道耦合层210、第一磁性层221、隧穿层222和第二磁性层223进行刻蚀，形成磁记录部200和两个电磁部300。
131.根据本公开的实施例，可以采用pvd(physical vapor deposition，物理气相沉积)的方法生长材料例如ta、pt等金属材料的自旋轨道耦合层 210，其厚度可以包括3nm-5nm。还可以采用mbe(molecular beam epitaxy，分子束外延生长)的方法生长例如bisn、snte等拓扑绝缘体材料的自旋轨道耦合层210，其厚度可以包括3nm-10nm。
132.根据本公开的实施例，可以采用溅射方法依次生长厚度为1nm左右的第一磁性层221、厚度为0.8nm左右的隧穿层222、厚度为1nm左右的第二磁性层223。
133.步骤s505：在第二磁性层223上形成图案化的第二光刻胶。
134.步骤s506：刻蚀第二磁性层223，以形成磁性隧道结220。
135.根据本公开的实施例，本公开的存储器可以根据具体的需要还可以进行其他装置的加工，例如保护层、电极等。
136.根据本公开的实施例，自旋轨道耦合层的制备方法可以包括物理气相沉积法或分子束外延生长法。
137.第二磁性层223、隧穿层222、第一磁性层221的制备方法可以包括溅射法。
138.刻蚀方法可以包括离子刻蚀技术。
139.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
140.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词
″
包含
″
不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
141.类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保
护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。
142.更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
143.以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。