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CN111490156A - 自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法 - Google Patents

自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法 Download PDF

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CN111490156A
CN111490156A CN202010319956.3A CN202010319956A CN111490156A CN 111490156 A CN111490156 A CN 111490156A CN 202010319956 A CN202010319956 A CN 202010319956A CN 111490156 A CN111490156 A CN 111490156A
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magnetic
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orbit torque
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孙一慧
孟皓
孟凡涛
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Hikstor Technology Co Ltd
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Hikstor Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法。所述器件包括：衬底、衬底上方的介电层、位于介电层通孔内部的导电材料层、位于介电层通孔内部或者介电层通孔上方的磁性偏置层、位于磁性偏置层上方的自旋轨道矩材料层以及自旋轨道矩材料层上方的磁性隧道结堆叠件。本发明的器件，导电材料层、磁性偏置层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构，能够利用该底电极结构实现SOT‑MRAM自由层确定方向的翻转。

Description

自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁存储器件技术领域，尤其涉及一种自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法。
背景技术
基于自旋轨道力矩磁存储器(Spin-Orbit Torque MRAM，简称SOT-MRAM)利用自旋轨道矩对磁性隧道结进行翻转，避免了写入电流频繁穿过磁性隧道结的势垒层，能够提高器件耐久性，真正实现MRAM接近无限次擦写的目标。因而SOT-MRAM有望替代传统的STT-MRAM成为未来主流存储器。
但是，SOT-MRAM实际应用依然有几个瓶颈，其中一个瓶颈就是SOT-MRAM写入时需要外加磁场来实现垂直型磁性隧道结p-MTJ的自由层的确定方向的翻转，这一需求影响了SOT-MRAM的纳米加工工艺，且阻碍了其继续小型化的发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法，改进器件底电极结构，利用改进的底电极结构实现SOT-MRAM自由层确定方向的翻转。
第一方面，本发明提供一种自旋轨道力矩磁存储器件，包括：
衬底；
介电层，所述介电层位于所述衬底上方，所述介电层中设置有间隔设置的多个通孔；
导电材料层，位于所述通孔内，与所述衬底接触；
磁性偏置层，位于所述通孔内，并且设置在所述导电材料层上方，所述磁性偏置层的磁化方向为面内磁化；
自旋轨道矩材料层，位于所述介电层上方，与所述磁性偏置层接触；
磁性隧道结堆叠件，位于所述自旋轨道矩材料层上方，且处于两个相邻通孔之间的位置，所述磁性隧道结堆叠件的磁化方向为垂直磁化；
其中，所述导电材料层、磁性偏置层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
可选地，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
可选地，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
可选地，还包括：非磁性隔离层，所述非磁性隔离层位于所述通孔内，并且设置在所述磁性偏置层上方；
对应地，所述自旋轨道矩材料层与所述非磁性隔离层接触，所述导电材料层、磁性偏置层、非磁性隔离层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
可选地，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
第二方面，本发明提供一种自旋轨道力矩磁存储器件，包括：
衬底；
介电层，所述介电层位于所述衬底上方，所述介电层中设置有间隔设置的多个通孔；
导电材料层，位于所述通孔内并充满所述通孔，与所述衬底接触；
磁性偏置层，位于所述通孔上方，与所述通孔一一对应，所述磁性偏置层的磁化方向为面内磁化；
自旋轨道矩材料层，位于所述磁性偏置层上方；
磁性隧道结堆叠件，位于所述自旋轨道矩材料层上方，且处于两个相邻通孔之间的位置，所述磁性隧道结堆叠件的磁化方向为垂直磁化；
其中，所述导电材料层、磁性偏置层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
可选地，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
可选地，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
可选地，还包括：非磁性隔离层，所述非磁性隔离层与所述磁性偏置层一一对应，所述非磁性隔离层位于所述磁性偏置层和所述自旋轨道矩材料层之间，所述导电材料层、磁性偏置层、非磁性隔离层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
可选地，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
第三方面，本发明提供一种自旋轨道力矩磁存储器件的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上方沉积介电层，并在所述介电层中刻蚀出间隔设置的多个通孔；
在所述通孔内依次形成导电材料层和磁性偏置层；
在所述介电层上方形成自旋轨道矩材料层；
在所述自旋轨道矩材料层上方形成磁性隧道结堆叠件；
对所述磁性偏置层进行面内磁化，以及，对所述磁性隧道结堆叠件进行垂直磁化。
可选地，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
可选地，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
可选地，在所述介电层中刻蚀出通孔后，在所述通孔内依次形成导电材料层、磁性偏置层和非磁性隔离层，之后在所述介电层上方形成自旋轨道矩材料层。
可选地，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
第四方面，本发明提供一种自旋轨道力矩磁存储器件的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上方沉积介电层，并在所述介电层中刻蚀出间隔设置的多个通孔；
在所述通孔内形成导电材料层，所述导电材料层充满所述通孔；
在所述通孔上方一一对应地形成磁性偏置层；
在所述磁性偏置层上方形成自旋轨道矩材料层；
在所述自旋轨道矩材料层上方形成磁性隧道结堆叠件；
对所述磁性偏置层进行面内磁化，以及，对所述磁性隧道结堆叠件进行垂直磁化。
可选地，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
可选地，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
可选地，形成导电材料层之后，在所述通孔上方一一对应地形成磁性偏置层和非磁性隔离层；之后，在所述非磁性隔离层上方形成自旋轨道矩材料层。
可选地，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
本发明提供的自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法，改进器件底电极结构，在底电极结构中引入磁性偏置层，利用改进的底电极结构实现SOT-MRAM自由层确定方向的翻转。
附图说明
图1为本发明一实施例的自旋轨道力矩磁存储器件的结构示意图；
图2为本发明一实施例的自旋轨道力矩磁存储器件的结构示意图；
图3为本发明一实施例的自旋轨道力矩磁存储器件的结构示意图；
图4为本发明一实施例的自旋轨道力矩磁存储器件的结构示意图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种自旋轨道力矩磁存储器件，如图1所示，图1示出了两个存储单元的截面结构，该器件包括：衬底101、介电层102、导电材料层104、磁性偏置层105、自旋轨道矩材料层107以及磁性隧道结堆叠件108，其中，
介电层102位于衬底101上方，且介电层102中设置有间隔设置的多个通孔，导电材料层104和磁性偏置层105位于该多个通孔内，其中导电材料层104与衬底101接触，磁性偏置层105位于导电材料层104上方，且磁性偏置层105的磁化方向为面内磁化，导电材料层104为导电金属，例如采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种，最常用的Cu，磁性偏置层105为一层磁性导电金属薄膜，例如采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。自旋轨道矩材料层107位于介电层102上方，本实施中，自旋轨道矩材料层107与磁性偏置层105接触，磁性隧道结堆叠件108位于自旋轨道矩材料层107上方，且每个磁性隧道结堆叠件108处于两个相邻的通孔之间的位置，本实施例中，磁性隧道结堆叠件108的磁化方向为垂直磁化。需要说明的是，本发明不对磁性隧道结堆叠件的实现形式进行限定，图1中仅示出了磁性隧道结堆叠件108的自由层、势垒层和参考层，其中自由层靠近自旋轨道矩材料层107。
本实施例提供的自旋轨道力矩磁存储器件，导电材料层、磁性偏置层和自旋轨道矩材料层共同构成器件的底电极结构，与现有技术相比，在底电极结构中引入了面内磁化的磁性偏置层，在磁性隧道结的自由层产生一个水平的杂散磁场，无需外部磁场即可实现SOT-MRAM自由层确定方向的翻转。同时，将磁性偏置层作为底电极的一部分，只需磁性偏置层的磁化方向一致，则一个自由层对应的磁性偏置层对其他自由层的杂散磁场方向就一致，能够避免偏置层在自由层上引起的近邻效应(近邻位元杂散场与本身位元杂散场方向不一致)。
实施例2
图2是本发明另一实施例的自旋轨道力矩磁存储器件的结构示意图。在图1结构的基础上增加了一层非磁性隔离层106，非磁性隔离层106位于通孔内，设置在磁性偏置层105上方，此时，自旋轨道矩材料层107与非磁性隔离层106接触。非磁性隔离层106为一层非磁性导电金属薄膜，例如采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
在磁性偏置层105(如Co)和自旋轨道矩材料层107之间插入一层非磁性隔离层106，能够阻隔SOT效应，提升磁性偏置层105的稳定性。另外，磁性偏置层105(如Co)容易被氧化，在其上覆盖非磁金属层能有效隔绝Co与空气的接触，减小氧化。
对于实施例1和实施例2的自旋轨道力矩磁存储器件，按照如下工艺流程进行制备：
步骤1：提供衬底；
步骤2：在衬底上沉积介电层，并在介电层中通过刻蚀形成间隔设置的多个通孔；
步骤3：在通孔内依次形成导电材料层、磁性偏置层和非磁性隔离层(如果没有非磁性隔离层，则只形成导电材料层和磁性偏置层)；
具体地，可以先依次沉积导电材料层、磁性偏置层和非磁性隔离层，然后进行CMP(化学机械剖光)工艺，剖光终点控制在介电层表面。
步骤4：在介电层上方形成自旋轨道矩材料层，一般通过沉积工艺；
步骤5：在自旋轨道矩材料层上方形成磁性隧道结堆叠件；
具体地，先沉积磁性隧道结各层材料，然后通过光刻和刻蚀，可形成磁性隧道结堆叠件。
步骤6：对磁性偏置层进行面内磁化，以及，对磁性隧道结堆叠件进行垂直磁化。
对于各层使用的材料，可参照实施例1和实施例2中的描述，不再赘述。
采用上述制备工艺，磁性偏置层和非磁性隔离层生长在通孔内部，工艺实现简单，省掉了磁性偏置层和非磁性隔离层的刻蚀。
实施例3
本实施例提供一种自旋轨道力矩磁存储器件，如图3所示，图3示出了两个存储单元的截面结构，该器件包括：衬底301、介电层302、导电材料层304、磁性偏置层305、自旋轨道矩材料层307以及磁性隧道结堆叠件308，其中，
介电层302位于衬底301上方，且介电层302中设置有间隔设置的多个通孔，导电材料层304位于通孔内并充满通孔，与衬底301接触。导电材料层304为导电金属，例如采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种，最常用的Cu。磁性偏置层305位于通孔上方，与通孔一一对应，且磁性偏置层305的磁化方向为面内磁化。磁性偏置层305为一层磁性导电金属薄膜，例如采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。自旋轨道矩材料层307位于磁性偏置层305上方，磁性隧道结堆叠件308位于自旋轨道矩材料层307上方，且每个磁性隧道结堆叠件308处于两个相邻的通孔之间的位置，本实施例中，磁性隧道结堆叠件308的磁化方向为垂直磁化。需要说明的是，本发明不对磁性隧道结堆叠件的实现形式进行限定，图3中仅示出了磁性隧道结堆叠件308的自由层、势垒层和参考层，其中自由层靠近自旋轨道矩材料层307。
相比于实施例1，实施例1的磁性偏置层生长在通孔内，而实施例3的磁性偏置层生长在通孔外，只是工艺有所区别，能够实现相同的技术效果，即无需外部磁场即可实现SOT-MRAM自由层确定方向的翻转。
实施例4
图4是本发明另一实施例的自旋轨道力矩磁存储器件的结构示意图。在图3结构的基础上增加了一层非磁性隔离层306，非磁性隔离层306与磁性偏置层305一一对应，非磁性隔离层306位于磁性偏置层305和自旋轨道矩材料层307之间。非磁性隔离层306为一层非磁性导电金属薄膜，例如采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
在磁性偏置层305(如Co)和自旋轨道矩材料层307之间插入一层非磁性隔离层306，能够阻隔SOT效应，提升磁性偏置层305的稳定性。另外，磁性偏置层305(如Co)容易被氧化，在其上覆盖非磁金属层能有效隔绝Co与空气的接触，减小氧化。
对于实施例3和实施例4的自旋轨道力矩磁存储器件，按照如下工艺流程进行制备：
步骤1：提供衬底；
步骤2：在衬底上沉积介电层，并在介电层中通过刻蚀形成间隔设置的多个通孔；
步骤3：在通孔内形成导电材料层，所述导电材料层充满通孔；
步骤4：在通孔上方一一对应地形成磁性偏置层和非磁性隔离层(如果没有非磁性隔离层，则只形成磁性偏置层)；
具体地，先沉积磁性偏置层和非磁性隔离层的金属材料，然后通过光刻和刻蚀工艺得到磁性偏置层和非磁性隔离层，然后沉积介电质并进行CMP(化学机械剖光)工艺。
步骤5：在非磁性隔离层上方形成自旋轨道矩材料层，一般通过沉积工艺；
步骤6：在自旋轨道矩材料层上方形成磁性隧道结堆叠件；
具体地，先沉积磁性隧道结各层材料，然后通过光刻和刻蚀，可形成磁性隧道结堆叠件。
步骤7：对磁性偏置层进行面内磁化，以及，对磁性隧道结堆叠件进行垂直磁化。
对于各层使用的材料，可参照实施例3和实施例4中的描述，不再赘述。
采用上述制备工艺，磁性偏置层和非磁性隔离层生长在通孔外，需要增加对应的光刻和刻蚀，得到的磁性薄膜性能更加优良，表面更平整。
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。

Claims (20)

1.一种自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，包括：
衬底；
介电层，所述介电层位于所述衬底上方，所述介电层中设置有间隔设置的多个通孔；
导电材料层，位于所述通孔内，与所述衬底接触；
磁性偏置层，位于所述通孔内，并且设置在所述导电材料层上方，所述磁性偏置层的磁化方向为面内磁化；
自旋轨道矩材料层，位于所述介电层上方，与所述磁性偏置层接触；
磁性隧道结堆叠件，位于所述自旋轨道矩材料层上方，且处于两个相邻通孔之间的位置，所述磁性隧道结堆叠件的磁化方向为垂直磁化；
其中，所述导电材料层、磁性偏置层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，还包括：非磁性隔离层，所述非磁性隔离层位于所述通孔内，并且设置在所述磁性偏置层上方；
对应地，所述自旋轨道矩材料层与所述非磁性隔离层接触，所述导电材料层、磁性偏置层、非磁性隔离层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
5.根据权利要求4所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
6.一种自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，包括：
衬底；
介电层，所述介电层位于所述衬底上方，所述介电层中设置有间隔设置的多个通孔；
导电材料层，位于所述通孔内并充满所述通孔，与所述衬底接触；
磁性偏置层，位于所述通孔上方，与所述通孔一一对应，所述磁性偏置层的磁化方向为面内磁化；
自旋轨道矩材料层，位于所述磁性偏置层上方；
磁性隧道结堆叠件，位于所述自旋轨道矩材料层上方，且处于两个相邻通孔之间的位置，所述磁性隧道结堆叠件的磁化方向为垂直磁化；
其中，所述导电材料层、磁性偏置层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
7.根据权利要求6所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，还包括：非磁性隔离层，所述非磁性隔离层与所述磁性偏置层一一对应，所述非磁性隔离层位于所述磁性偏置层和所述自旋轨道矩材料层之间，所述导电材料层、磁性偏置层、非磁性隔离层以及自旋轨道矩材料层共同构成自旋轨道力矩磁存储器件的底电极结构。
10.根据权利要求9所述的自旋轨道力矩磁存储器件，其特征在于，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
11.一种自旋轨道力矩磁存储器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上方沉积介电层，并在所述介电层中刻蚀出间隔设置的多个通孔；
在所述通孔内依次形成导电材料层和磁性偏置层；
在所述介电层上方形成自旋轨道矩材料层；
在所述自旋轨道矩材料层上方形成磁性隧道结堆叠件；
对所述磁性偏置层进行面内磁化，以及，对所述磁性隧道结堆叠件进行垂直磁化。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述介电层中刻蚀出通孔后，在所述通孔内依次形成导电材料层、磁性偏置层和非磁性隔离层，之后在所述介电层上方形成自旋轨道矩材料层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
16.一种自旋轨道力矩磁存储器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上方沉积介电层，并在所述介电层中刻蚀出间隔设置的多个通孔；
在所述通孔内形成导电材料层，所述导电材料层充满所述通孔；
在所述通孔上方一一对应地形成磁性偏置层；
在所述磁性偏置层上方形成自旋轨道矩材料层；
在所述自旋轨道矩材料层上方形成磁性隧道结堆叠件；
对所述磁性偏置层进行面内磁化，以及，对所述磁性隧道结堆叠件进行垂直磁化。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述导电材料层采用Cu、W、Ti、Ta、Co及其合金中的至少一种。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述磁性偏置层采用Co、CoFe、Ni、CoFeB及其合金中的至少一种。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，形成导电材料层之后，在所述通孔上方一一对应地形成磁性偏置层和非磁性隔离层；之后，在所述非磁性隔离层上方形成自旋轨道矩材料层。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述非磁性隔离层采用Pt、Ta、Ti、W中的一种或几种的组合。
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