SOT-MRAM存储单元及其制备方法

sot-mram存储单元及其制备方法
技术领域
1.本技术属于存储器件技术领域，具体涉及一种sot-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-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-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-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-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。


技术实现要素：

5.本技术的技术目的是至少解决了sot-mram器件在无外加磁场下无法在有效集成下实现驱动自由层磁化翻转的问题。
6.该目的是通过以下技术方案实现的：
7.第一方面，本技术提供了一种sot-mram存储单元，包括：
8.衬底；
9.重金属层，设于所述衬底表面；
10.硬掩膜，位于所述重金属层上方；
11.磁性隧道结，设于所述重金属层与所述硬掩膜之间；
12.所述磁性隧道结包含层叠的自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层；
13.所述参考层、钉扎参考层及硬掩膜构成柱体，所述柱体外周形成有保护层。
14.该存储单元具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，方便注入掺杂离子，更易驱动自由层的磁化翻转。
15.在本技术的一些实施方式中，所述柱体为圆柱、椭圆柱或多边形棱柱中的至少一种；
16.优选为圆柱。
17.在本技术的一些实施方式中，所述磁性隧道结中存在缺陷，所述缺陷沿重金属层中电流方向在磁性隧道结一侧的含量多于另一侧。
18.在本技术的一些实施方式中，所述缺陷由注入掺杂离子产生。
19.在本技术的一些实施方式中，所述掺杂离子包含氮、砷、氩、磷、硼或铍中的至少一种。
20.在本技术的一些实施方式中，所述存储单元还包括在衬底上设置用于容纳外电路的通道。
21.在本技术的一些实施方式中，所述自由层与参考层为磁性层，所述磁性层材料包含钴、铁、钴钯、铁钯、锰镓、钴铁硼、铁铂中的一种或两种以上组合；
22.所述势垒层为氧化层，所述氧化层材料包含氧化镁；
23.所述钉扎参考层采用锰基反铁磁性材料或多层膜人工反铁磁材料，所述锰基反铁磁性材料包含铱锰和/或铁锰，所述多层膜人工反铁磁材料包含钴、钯、铜、钌、钴钯、钴铜或钴钌中的一种或两种以上组合。
24.在本技术的一些实施方式中，所述重金属层为金属层或拓扑绝缘体层；
25.所述金属层材料包含钽、铂、钨、铪、铱、铜铋、铜铱或金钨中的一种或两种以上组合；
26.所述拓扑绝缘体层材料包含铋锡、锡碲或铋硒中的一种或两种以上组合；
27.所述硬掩膜材料包含钽和/或钌；
28.所述保护层材料包含氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氮碳化硅中的一种或两种以上组合。
29.第二方面，本技术提供了一种sot-mram存储单元的制备方法，包括：
30.提供衬底；
31.在所述衬底上形成重金属层；
32.在所述重金属层上形成自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层；
33.在所述钉扎参考层表面形成硬掩膜；
34.自所述硬掩膜表面朝自由层方向图案化至势垒层表面停止，以形成磁性隧道结；
35.沿所述磁性隧道结一侧注入掺杂离子；
36.在所述参考层、钉扎参考层及硬掩膜外周形成保护层。
37.本技术设计的制备方法在势垒层表面停止图案化处理，有效缓解了由于势垒层附着金属进而容易引起器件短路的概率，有利于器件集成，与此同时，由于具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，该自由层方便完成注入掺杂离子，离子注入后磁性隧道结一侧缺陷会多余另一侧缺陷，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁性隧道结结构，当重金属层中通入电流时，容易实现驱动自由层的磁化翻转。
38.在本技术的一些实施方式中，所述掺杂离子的注入方向与所述衬底的垂直方向之间具备夹角α，优选为0
°
＜α＜90
°
。
39.在本技术的一些实施方式中，所述衬底的垂直方向为坐标轴z方向。
40.在本技术的一些实施方式中，所述图案化包含光刻工艺，所述光刻工艺包含在硬掩膜表面形成光刻胶，光刻至势垒层表面停止。
41.在本技术的一些实施方式中，所述自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层的形成方式包含溅射法、沉积法中的任意一种；所述沉积法包含原子层沉积或物理气相沉积。
42.在本技术的一些实施方式中，所述制备方法还包括自所述保护层表面朝重金属层
方向刻蚀用于形成用于容纳外电路的通道。
43.本技术公开技术方案的有益效果主要体现在如下：
44.1、本技术提供的存储单元具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，方便注入掺杂离子，更易实现驱动自由层的磁化翻转。
45.2、本技术提供的存储单元制备方法在势垒层表面停止图案化处理，有效缓解了由于势垒层附着金属进而容易引起器件短路的概率，更方便器件集成。
附图说明
46.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
47.图1示意性地示出了现有技术sot-mram器件的结构示意图；其中，在坐标轴y方向施加磁场；
48.图2示意性地示出了现有技术sot-mram器件的结构示意图；其中，刻蚀工艺停止在重金属层上；
49.图3示意性地示出了根据本技术实施方式的sot-mram存储单元的结构示意图；
50.图4示意性地示出了根据本技术实施方式的sot-mram存储单元的结构示意图；
51.图5示意性地示出了图4的俯视图；
52.图6示意性地示出了根据本技术实施方式的sot-mram存储单元的结构示意图；
53.图7示意性地示出了根据本技术实施方式的sot-mram存储单元的制备工艺流程图。
54.附图中各标号表示如下：
55.100、衬底；
56.200、重金属层；
57.300、磁性隧道结；310、自由层；320、势垒层；330、参考层；340、钉扎参考层；
58.400、硬掩膜；
59.500、保护层；
60.600、通道；
61.a、柱体；a’、柱体所在区域；b、离子注入区域；c、未注入离子区域。
62.坐标轴x方向：存储单元的长度或宽度方向；
63.坐标轴y方向：存储单元的宽度或长度方向；
64.坐标轴z方向：存储单元的厚度或高度方向。
65.简写及术语解释：
66.sot-mram：基于自旋轨道矩的磁性随机存储器；
67.mtj：磁性隧道结；
68.sub：衬底；heavy metal：重金属；barc：底部抗反射涂层；pr：光刻胶图形。
具体实施方式
69.现有技术中为实现自旋轨道矩的定向磁化翻转，一般需要在特定方向上施加外加
磁场，如图1所述，在x轴方向施加磁场，用于打破结构对称性，流经重金属层的电流引发力矩以驱动自由层的磁化翻转，然而这种方式增加了电路复杂度，降低了铁磁层的热稳定性，故不利于集成。
70.为解决上述问题，图2公开了，现有技术中通过向磁性隧道结中进行离子注入引起缺陷，由于磁性隧道结自身存在遮挡，离子注入后磁性隧道结一侧缺陷会多余另一侧缺陷，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁性隧道结结构，当重金属层中通入电流时，实现驱动自由层的磁化翻转。
71.上述离子注入方式虽然驱动了自由层的磁化翻转，但具体制备时，刻蚀工艺主要停止在重金属层上，刻蚀过程中氧化镁势垒层中极易附着金属，容易造成器件短路，且磁性隧道结中的自由层被硬掩膜遮盖，并不能实现十分有效的离子注入，故自由层的磁化翻转也是有限的。
72.为解决上述技术问题，本技术提供了一种sot-mram存储单元，该存储单元包含衬底、重金属层、磁性隧道结及硬掩膜，其中，硬掩膜与磁性隧道结中的参考层与钉扎参考层构成柱体，以使自由层不被硬掩膜遮盖，方便有效注入掺杂离子。其中，参考层具有方向固定的垂直磁化，自由层具有方向可变的垂直磁化，该自由层的磁矩由位于其下方的重金属层提供，该重金属层在通入电流后能产生自旋轨道矩，当离子注入在磁性隧道结中形成的缺陷含量不一致而带来磁性隧道结结构不对称，自旋轨道矩驱使自由层发生定向翻转，该定向翻转使自由层或参考层的磁化方向相同或者相反，将存储数据“0”或者“1”写入存储器件，用于实现数据的有效存储。由于该存储单元具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，能有效注入掺杂离子，更易实现驱动自由层的定向磁化翻转。
73.包含上述sot-mram存储单元的电子设备可以是手机、计算机、媒体播放器、个人数字助理、工业物联网、机器人、医疗设备、人工智能、汽车和便携式设计以及穿戴式电子设备中的任意一种。
74.本技术为实现上述技术效果的第一方面是提供了一种sot-mram存储单元，结合图3、图4、图5可知，该存储单元包含衬底100，设于衬底100表面的重金属层200，在重金属层200上形成的磁性隧道结300，以及位于磁性隧道结300上方的硬掩膜400，该磁性隧道结300包含层叠的自由层310、势垒层320、参考层330及钉扎参考层340，其中，参考层330、钉扎参考层340及硬掩膜400构成柱体a，在柱体a外周还形成有保护层500。结合图5可明显看出，只有磁性隧道结300遮挡的部分区域，即区域c未离子掺杂，自由层上除此以外的其他区域均离子掺杂，故本技术设计的存储单元具备大面积不被硬掩膜遮挡的自由层。
75.在一些实施例中，磁性隧道结中存在缺陷，且缺陷沿重金属层中电流方向在磁性隧道结一侧的含量多于另一侧。
76.上述缺陷由注入掺杂离子产生，常规的掺杂离子包含但不限于氮、砷、氩、磷、硼或铍中的至少一种，通过控制注入掺杂离子方向用于实现沿重金属层中电流方向的磁性隧道结中一侧缺陷含量多于另一侧，进而打破自由层的空间对称性以实现自旋轨道矩驱使自由层发生定向翻转。由于本技术设计的存储单元具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，方便注入掺杂离子，更易实现驱动自由层的定向磁化翻转。
77.在一些实施例中，柱体a可以是圆柱、椭圆柱或多边形棱柱中的至少一种，本技术优选为圆柱，且柱体a的形状受制备工艺及器件集成影响，本技术不作赘述。
78.在一些实施例中，存储单元还包括在衬底上设置用于容纳外电路的通道。结合图4、图6可知，本技术优选通道600为保护层500与重金属层200之间形成的沟槽，在该沟槽通过刻蚀形成，且经后续沉积正硅酸乙酯(teos)后有利于光刻形成通孔，在通孔内填充金属电极用于与外电路相连，这种设计方式既能降低器件短路风险，又方便器件集成。
79.在一些实施例中，自由层与参考层为磁性层，该磁性层材料包含但不限于钴、铁、钴钯、铁钯、锰镓、钴铁硼、铁铂中的任意一种。
80.在一些实施例中，势垒层为氧化层，该氧化层材料包含但不限于氧化镁，本技术优选为氧化镁。
81.在一些实施例中，钉扎参考层采用锰基反铁磁性材料或多层膜人工反铁磁材料，其中，锰基反铁磁性材料包含但不限于铱锰或铁锰，而多层膜人工反铁磁材料包含但不限于钴、钯、铜、钌、钴钯、钴铜或钴钌中的任意一种。
82.在一些实施例中，重金属层为金属层或拓扑绝缘体层，其中，金属层材料包含但不限于钽、铂、钨、铪、铱、铜铋、铜铱或金钨中的任意一种，而拓扑绝缘体层材料包含但不限于铋锡、锡碲或铋硒中的任意一种。
83.在一些实施例中，硬掩膜材料包含但不限于钽、钌中的任意一种，且硬掩膜可以是单层结构或多层复合结构。
84.在一些实施例中，保护层材料包含但不限于氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氮碳化硅中的任意一种。
85.在一些实施例中，衬底材料为本领域常规材料，优选为二氧化硅。
86.本技术的第二方面是提供了一种上述sot-mram存储单元的制备方法，该制备方法包含如下工艺步骤：
87.s01，提供衬底；
88.s02，在衬底上形成重金属层；
89.s03，在重金属层上形成自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层；
90.s04，在钉扎参考层表面形成硬掩膜；
91.s05，自硬掩膜表面朝自由层方向图案化至势垒层表面停止，以形成磁性隧道结；
92.s06，沿磁性隧道结一侧注入掺杂离子；
93.s07，在参考层、钉扎参考层及硬掩膜外周形成保护层。
94.本技术设计的制备方法在势垒层表面停止图案化处理，有效缓解了由于势垒层附着金属进而容易引起器件短路的概率，有利于器件集成，与此同时，由于具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，该自由层方便完成注入掺杂离子，离子注入后磁性隧道结一侧缺陷会多余另一侧缺陷，从而在垂直于电流源方向上形成横向不对称的磁性隧道结结构，当重金属层中通入电流时，容易实现驱动自由层的磁化翻转。
95.在一些实施例中，掺杂离子的注入方向与衬底的垂直方向之间具备夹角α，其中，衬底的垂直方向优选为坐标轴z方向，该夹角α如图4所示，优选为0
°
＜α＜90
°
，比如40
°
、45
°
、50
°
、60
°
或者满足范围值的任意数值。
96.在一些实施例中，图案化包含光刻工艺，光刻工艺包含在硬掩膜表面形成光刻胶，光刻至势垒层表面停止。
97.在一些实施例中，自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层的形成方式包含溅射法、
沉积法中的任意一种；其中，沉积法包含原子层沉积或物理气相沉积。
98.在一些实施例中，重金属层的形成方式包含但不限于溅射法、物理气相沉积或分子束外延方法，优选的，在二氧化硅衬底上采用上述方法形成重金属层。
99.溅射法、沉积法及分子束外延方法包含本领域常规的任意形式。
100.在一些实施例中，上述制备方法还包括自保护层表面朝重金属层方向刻蚀用于形成用于容纳外电路的通道。
101.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
102.实施例1
103.提供了一种sot-mram存储单元的制备方法，结合图7可知，该制备方法包含如下工艺步骤：
104.(a)提供二氧化硅衬底；
105.(b)在二氧化硅衬底的一面沉积生长重金属层，该重金属层的厚度满足上述范围值即可；
106.(c)在重金属层上形成自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层，
107.(d)在钉扎参考层表面形成硬掩膜；
108.(e)在硬掩膜表面涂覆底部反射涂层，在底部反射涂层表面涂覆光刻胶；
109.(f)自硬掩膜表面朝自由层方向光刻至势垒层表面停止，以形成磁性隧道结；其中，参考层、钉扎参考层及硬掩膜构成柱体a，而自由层具备大面积不被硬掩膜遮挡的区域；
110.(g)沿磁性隧道结一侧注入掺杂离子，掺杂离子的注入方向与衬底的垂直方向之间具备夹角α，该夹角α满足0
°
＜α＜90
°
，本实施例可以选择其中的任一角度；
111.(h)在参考层、钉扎参考层及硬掩膜外周形成氮化硅保护层，且氮化硅保护层的形成方式包含本领域常规的任意形式；
112.(i)沿氮化硅保护层朝向重金属层方向，在氮化硅保护层、势垒层、自由层及重金属层的两侧刻蚀用于形成用于容纳外电路的通道；其中，刻蚀工艺包含本领域常规的任意形式。
113.还包括经后续沉积正硅酸乙酯(teos)在存储单元表面包裹形成薄膜，以及继续进行光刻形成通孔，该通孔用于填充金属电极用于与外电路相连，从而完成器件的互联，该互联过程包含本领域任意的常规形式。因此，本技术提供的存储单元制备方法在势垒层表面停止图案化处理，有效缓解了由于势垒层附着金属进而容易引起器件短路的概率，更方便器件集成。
114.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应
当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
115.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种sot-mram存储单元，其特征在于，包括：衬底；重金属层，设于所述衬底表面；硬掩膜，位于所述重金属层上方；磁性隧道结，设于所述重金属层与所述硬掩膜之间；所述磁性隧道结包含层叠的自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层；所述参考层、钉扎参考层及硬掩膜构成柱体，所述柱体外周形成有保护层。2.根据权利要求1所述存储单元，其特征在于，所述柱体为圆柱、椭圆柱或多边形棱柱中的至少一种；优选为圆柱。3.根据权利要求1所述存储单元，其特征在于，所述磁性隧道结中存在缺陷，所述缺陷沿重金属层中电流方向在磁性隧道结一侧的含量多于另一侧；所述缺陷由注入掺杂离子产生。4.根据权利要求3所述存储单元，其特征在于，所述掺杂离子包含氮、砷、氩、磷、硼或铍中的至少一种。5.根据权利要求1～4中任一项所述存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括在衬底上设置用于容纳外电路的通道。6.根据权利要求1～4中任一项所述存储单元，其特征在于，所述自由层与参考层为磁性层，所述磁性层材料包含钴、铁、钴钯、铁钯、锰镓、钴铁硼、铁铂中的一种或两种以上组合；所述势垒层为氧化层，所述氧化层材料包含氧化镁；所述钉扎参考层采用锰基反铁磁性材料或多层膜人工反铁磁材料，所述锰基反铁磁性材料包含铱锰和/或铁锰，所述多层膜人工反铁磁材料包含钴、钯、铜、钌、钴钯、钴铜或钴钌中的一种或两种以上组合。7.根据权利要求1～4中任一项所述存储单元，其特征在于，所述重金属层为金属层或拓扑绝缘体层；所述金属层材料包含钽、铂、钨、铪、铱、铜铋、铜铱或金钨中的一种或两种以上组合；所述拓扑绝缘体层材料包含铋锡、锡碲或铋硒中的一种或两种以上组合；所述硬掩膜材料包含钽和/或钌中的任意一种；所述保护层材料包含氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氮碳化硅中的一种或两种以上组合。8.一种sot-mram存储单元的制备方法，其特征在于，包括：提供衬底；在所述衬底上形成重金属层；在所述重金属层上形成自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层；在所述钉扎参考层表面形成硬掩膜；自所述硬掩膜表面朝自由层方向图案化至势垒层表面停止，以形成磁性隧道结；沿所述磁性隧道结一侧注入掺杂离子；在所述参考层、钉扎参考层及硬掩膜外周形成保护层。9.根据权利要求8所述存储单元的制备方法，其特征在于，所述掺杂离子的注入方向与
所述衬底的垂直方向之间具备夹角α，优选为0
°
＜α＜90
°
。10.根据权利要求8～9中任一项所述存储单元的制备方法，其特征在于，所述图案化包含光刻工艺，所述光刻工艺包含在硬掩膜表面形成光刻胶，光刻至势垒层表面停止；所述自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层的形成方式包含溅射法、沉积法中的任意一种；所述沉积法包含原子层沉积或物理气相沉积；所述制备方法还包括自所述保护层表面朝重金属层方向刻蚀用于形成用于容纳外电路的通道。

技术总结
本申请属于存储器件技术领域，具体涉及一种SOT-MRAM存储单元及其制备方法。本申请中的存储单元包含衬底，设于衬底表面的重金属层，在重金属层上形成的磁性隧道结，以及位于磁性隧道结上方的硬掩膜，该磁性隧道结包含层叠的自由层、势垒层、参考层及钉扎参考层，其中，参考层、钉扎参考层及硬掩膜构成柱体，在柱体外周还形成有保护层。该存储单元具备大面积的不被硬掩膜遮盖的自由层，方便注入掺杂离子，在不需要额外增加电路复杂度及不易造成器件短路前提下，能够有效驱动自由层的磁化翻转。能够有效驱动自由层的磁化翻转。能够有效驱动自由层的磁化翻转。


技术研发人员：杨美音 舒敬坤 罗军 李彦如
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/22