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CN109742229A - 一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法 - Google Patents

一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法 Download PDF

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CN109742229A CN201811654324.1A CN201811654324A CN109742229A CN 109742229 A CN109742229 A CN 109742229A CN 201811654324 A CN201811654324 A CN 201811654324A CN 109742229 A CN109742229 A CN 109742229A
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magnetic layer
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杨美音
罗军
杨腾智
许静
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Abstract

本发明提供一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法，自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，在磁阻隧道结沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧中存在有缺陷，该缺陷由离子注入产生。这样，由于磁阻隧道结一侧存在局部的非均匀的缺陷分布，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁阻隧道结结构，当自旋轨道耦合层中通入电流时，实现磁性层磁矩的定向翻转。

Description

一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法。
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
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法，实现存储器中磁矩的定向翻转。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器，包括：
自旋轨道耦合层；
位于所述自旋轨道耦合层之上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
其中，沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结中存在缺陷，所述缺陷由离子注入产生。
可选地，所述离子注入的离子包括N、As、Ar、Be或P。
可选地，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
可选地，在所述磁阻隧道结中，所述第一磁性层和所述第二磁性层较其他层具有更多的缺陷分布。
可选地，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB或FePt。
一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制造方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成自旋轨道耦合层；
在所述自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
利用离子注入，在沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结中产生缺陷。
可选地，所述利用离子注入，在沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结中产生缺陷，包括：
在沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结上形成掩膜层；
进行离子注入，以在未覆盖有掩膜层的一侧的磁阻隧道结中产生缺陷，而后，去除所述掩膜层。
可选地，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
可选地，所述离子注入的离子包括N、As、Ar、Be或P。
可选地，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB或FePt。
本发明实施例提供的自旋轨道矩磁阻式随机存储器及其制造方法，自旋轨道耦合层上设置有磁阻隧道结，在磁阻隧道结沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧中存在有缺陷，该缺陷由离子注入产生。这样，由于磁阻隧道结一侧存在局部的非均匀的缺陷分布，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁阻隧道结结构，当自旋轨道耦合层中通入电流时，实现磁性层磁矩的定向翻转。
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示出了根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的立体结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的俯视结构示意图；
图3示出了图2中AA向的剖面结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制造方法的流程示意图；
图5-8示出了根据本发明实施例的制造方法形成存储器的过程中存储器的剖面结构示意图。
具体实施方式
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。
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，即SOT-MRAM，在磁阻隧道结沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧中存在有缺陷，该缺陷由离子注入产生。这样，由于磁阻隧道结一侧存在局部的非均匀的缺陷分布，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁阻隧道结结构，当自旋轨道耦合层中通入电流时，使得磁性层的磁矩为非对称，进而实现磁性层磁矩的定向翻转。
参考图1-图3所示，该SOT-MRAM包括：
自旋轨道耦合层100；
位于所述自旋轨道耦合层100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第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，所述第一磁性层102和所述第二磁性层106具有垂直各向异性；
其中，沿所述自旋轨道耦合层100中的电流I方向一侧的磁阻隧道结110中存在缺陷112，所述缺陷由离子注入产生。
在本申请实施例中，自旋轨道耦合层100为具有自旋-轨道耦合效应的材料制成，通常地，自旋轨道耦合层100可以为具有自旋耦合效应的金属层或拓扑绝缘体层，优选地，可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料，金属层的材料例如可以为Ta、Pt、W、Hf、Ir、CuBi、CuIr或AuW等，拓扑绝缘体层的材料例如可以为BiSn、SnTe、BiSe，等或其他IVA、VA及VIA族化合物中的一种。
其中，磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，第一磁性层102和第二磁性层106由具有垂直各向异性的铁磁材料形成，铁磁材料可以为单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物等，例如可以为Co、Fe、CoFeB或FePt等硬磁材料。根据具体的需要，第一磁性层102和第二磁性层106可以为相同或不同的材料。
遂穿层104位于第一磁性层102和第二磁性层106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还可以包括第二磁性层106之上的钉扎层108，钉扎层108用于固定磁化方向，为了便于描述，该第二磁性层106之上的钉扎层108可以记做顶部钉扎层，还可以在第一磁性层102与可以磁阻隧道结110之间也设置底部钉扎层，钉扎层的材料例如可以为CoPt多层膜人工反铁磁等。
进一步地，磁阻隧道结110还可以包括扎顶层108上的保护层109，保护层109起到防止磁性层110被氧化的作用，保护层109通常可以为金属材料，例如Ta、Ru等。
为了便于描述，将该电流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，自旋轨道耦合层100可以为条形通道结构，沿自旋轨道耦合层100的长度方向，磁阻隧道结110可以设置于自旋轨道耦合层100的中部，且磁阻隧道结110可以沿旋轨道耦合层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，该条形可以与自旋轨道耦合层100具有基本相同或不同的宽度。
在本申请实施例中，沿自旋轨道耦合层100中的电流I方向一侧的磁阻隧道结110中存在缺陷112，该缺陷112由离子注入产生。也就是说，参考图1所示，以自旋轨道耦合层100中的电流I方向为参考方向，在该参考方向上磁阻隧道结110仅一侧中形成有缺陷112。其中，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。
缺陷112由离子注入产生，在离子注入时，注入的离子在一定的能量下进入到磁阻隧道结110中，使得被注入了离子这一侧的磁阻隧道结110的结构和成分发生改变，这种改变即为缺陷112，该缺陷112的分布是不均匀的，之后并不进行缺陷修复的工艺，修复工艺例如热退火工艺等，该缺陷112将会保留在一侧的磁阻隧道结110中。这样，由于磁阻隧道结一侧存在局部的非均匀的缺陷分布，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁阻隧道结结构，当自旋轨道耦合层中通入电流时，使得磁性层的磁矩为非对称，进而实现磁性层磁矩的定向翻转。
在具体的应用中，离子注入的离子可以是任何能够产生缺陷的离子，优选地，注入的离子可以采用N、As、Be、Ar、P或B等，任意可以由现有的离子注入机提供注入的离子。此外，在注入时，可以根据具体的需要来选择所需注入的离子以及剂量，在一些应用中，可以选用原子半径小的离子，这样，可以减轻对隧道结晶格的损害，同时，可以采用较高的注入剂量，以增强翻转效果。在另一些应用中，可以选用原子半径大的离子，这会造成隧道结晶格破坏严重，但具有较好的翻转效果，此时，可以采用较小的注入剂量，以减小晶格破坏。
磁阻隧道结110中各层中的缺陷分布的数量可以有所不同，更优地，在第一磁性层102和第二磁性层106中存在更多的缺陷，也就是说，第一磁性层102和第二磁性层106较其他层具有更多的缺陷分布。这样，可以使得注入的浓度峰值在磁性层中，更好地保证磁性层的横向不对称结构，从而实现磁性层磁矩的定向翻转。
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。
以上对本申请实施例的磁阻式随机存储器的结构进行了描述，可以理解的是，在具体的应用中，磁阻式随机存储器还可以包括其他必要的部件。
此外，本申请还提供了上述磁阻式随机存储器的制造方法，以下将结合流程图4对不同的实施例进行详细的描述。
在步骤S01，提供衬底10，参考图6所示。
在本申请实施例中，衬底10主要起到支撑作用，可以为半导体衬底或其他衬底，半导体衬底例如可以为为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon OnInsulator)或GOI(绝缘体上锗，Germanium On Insulator)等。本实施例中，衬底10可以为硅衬底。
在步骤S02，在所述衬底10上形成自旋轨道耦合层100，参考图6所示。
在步骤S03，在所述自旋轨道耦合层100上形成磁阻隧道结110，所述磁阻隧道结110包括由下至上依次层叠的第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，所述第一磁性层102和所述第二磁性层106具有垂直各向异性，参考图6所示。
在具体的实施例中，可以采用PVD(物理气相沉积)的方法生长例如Ta、Pt等金属材料的自旋轨道耦合层100，其厚度例如可以为3-5nm。在另一些实施例中，还可以采用MBE(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100，其厚度例如可以为3-10nm。在一些实施例中，而后，可以利用刻蚀技术对所述自旋轨道耦合层100进行图案化，形成自旋轨道耦合层100的通道结构。
在另一些实施例中，也可以在生长自旋轨道耦合层100之后，参考图5所示，继续生长磁阻隧道结110的材料，而后，先进行自旋轨道耦合层100，再进行磁阻隧道结110的图案化，参考图6所示。
具体的，首先，依次生长自旋轨道耦合层100、第一磁性层102、遂穿层104和第二磁性层106，以及钉扎层108、保护层109，参考图5所示。
可以采用溅射或其他合适的方式，依次生长例如Co/CoFeB等的第一磁性层102、MgO的遂穿层104、Co/CoFeB等的第二磁性层102，以及CoPt多层膜的人工反铁磁钉扎层108，以及Ta的保护层109，厚度依次可以为1nm左右，0.8nm，1nm，4-6nm，4-6nm。
而后，进行保护层109、钉扎层108、第二磁性层104、遂穿层104、第一磁性层102、自旋轨道耦合层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，继续进行保护层109、钉扎层108、第二磁性层104、遂穿层104、第一磁性层102的刻蚀，从而，在自旋轨道耦合层100上形成图案化的磁阻隧道结110，参考图6所示。
在步骤S04，利用离子注入，在沿所述自旋轨道耦合层100中的电流I方向一侧的磁阻隧道结110中产生缺陷，参考图8所示。
在离子注入过程中，在一定的注入能量作用下，离子注入至一侧的磁阻隧道结110中，使得被注入了离子这一侧的磁阻隧道结110的结构和成分发生改变，这种改变即为缺陷112，该缺陷112的分布是不均匀的。在本申请中，在注入离子之后，并不进行修复工艺，修复工艺例如热退火工艺等，这样，缺陷112将会保留至一侧的磁阻隧道结110中，从而，形成磁阻隧道结一侧存在局部的非均匀的缺陷分布的隧道结结构。
具体的，可以通过以下步骤来在沿所述自旋轨道耦合层100中的电流I方向一侧的磁阻隧道结110中产生缺陷。
首先，可以在沿自旋轨道耦合层110中电流I方向一侧的磁阻隧道结110上形成掩膜层130，参考图7所示。
该掩膜层130可以为光刻胶，可以通过旋涂光刻胶材料，而后利用光刻技术，来形成该光刻胶的掩膜层130，在具体的应用中，沿电流I方向，该掩膜层130至少覆盖磁阻隧道结110的一侧，也可以进一步覆盖暴露的自旋轨道耦合层100以及衬底10表面。
而后，进行离子注入，以在未覆盖有掩膜层130的一侧的磁阻隧道结110中产生缺陷112，而后，去除所述掩膜层130，参考图7-8所示。可以理解的是，在进行离子注入时，根据不同的工艺控制，自旋轨道耦合层110中可能也会同时被注入而具有缺陷。
在具体的应用中，离子注入的离子可以是任何能够产生缺陷的离子，优选地，注入的离子可以采用N或As、Be、P、B、Ar等，根据具体的需要，通过工艺控制，如注入能量、浓度和角度等，使得在未覆盖有掩膜层130的一侧的磁阻隧道结110中产生缺陷。
具体地，可以调节离子注入的角度为，使得注入的离子深度浓度峰值在磁性层中，从而，在第一磁性层102和第二磁性层106中存在更多的缺陷，也就是说，第一磁性层102和第二磁性层106较其他层具有更多的缺陷分布。
这样，就形成了本申请实施例的SOT-MRAM，根据需要，还可以进行其他部件的加工
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：
自旋轨道耦合层；
位于所述自旋轨道耦合层之上的磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
其中，沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结中存在缺陷，所述缺陷由离子注入产生。
2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述离子注入的离子包括N、As、Ar、Be或P。
3.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所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的存储器，其特征在于，在所述磁阻隧道结中，所述第一磁性层和所述第二磁性层较其他层具有更多的缺陷分布。
5.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB或FePt。
6.一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成自旋轨道耦合层；
在所述自旋轨道耦合层上形成磁阻隧道结，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层具有垂直各向异性；
利用离子注入，在沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结中产生缺陷。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用离子注入，在沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结中产生缺陷，包括：
在沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向一侧的磁阻隧道结上形成掩膜层；
进行离子注入，以在未覆盖有掩膜层的一侧的磁阻隧道结中产生缺陷，而后，去除所述掩膜层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层之上的钉扎层以及所述钉扎层之上的保护层。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述离子注入的离子包括N、As、Ar、Be或P。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料可以为Co、Fe、CoFeB或FePt。
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