一种自旋轨道转矩磁阻式随机存储器及其制造方法与流程

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-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory)，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。

技术实现要素：

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的制造方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成自旋轨道耦合层以及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，所述磁阻隧道结中存在缺陷，所述缺陷由离子注入产生，所述离子注入时，暴露出磁阻隧道结，且注入方向与所述衬底的垂直方向具有夹角、所述注入方向在所述衬底上的投影与所述自旋耦合层中的电流方向为非平行。

可选地，所述注入方向在所述衬底上的投影与所述自旋耦合层中的电流方向基本垂直。

可选地，所述离子注入工艺的注入离子为n、as、be、ar、p或b。

可选地，所述夹角的范围为30°-60°。

可选地，形成所述磁阻隧道结的步骤包括：

依次进行磁阻隧道结的各材料层的生长；

进行所述磁阻隧道结的各材料层的图案化，以形成磁阻隧道结；

沿所述注入方向进行所述离子注入工艺。

可选地，在所述衬底上形成自旋轨道耦合层，包括：

在依次进行磁阻隧道结的各材料层的生长之前，在所述衬底上生长自旋轨道耦合层的材料层；则，

所述进行所述磁阻隧道结的各材料层的图案化，包括：进行所述自旋轨道耦合层的材料层的图案化以及所述磁阻隧道结的各材料层的图案化，以分别形成自旋轨道耦合层以及磁阻隧道结。

可选地，所述磁阻隧道结还包括：所述第二磁性层上的钉扎层以及所述钉扎层上的保护层。

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，所述磁阻隧道结中存在缺陷，且沿所述自旋轨道耦合层中的电流方向磁阻隧道结一侧中的缺陷多于另一侧中的缺陷，所述缺陷由离子注入工艺产生。

可选地，所述离子注入工艺的注入离子为n、as、be、ar、p或b。

可选地，所述磁阻隧道结还包括：所述第二磁性层上的钉扎层以及所述钉扎层上的保护层。

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，在磁阻隧道结中存在有缺陷，该缺陷由暴露磁阻隧道结时，进行离子注入工艺产生，且注入方向在衬底上的投影与自旋轨道耦合层中的电流方向不平行，这样，由于磁阻隧道结自身存在遮挡，离子注入后磁阻隧道结一侧缺陷会多于另一侧的缺陷，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制造方法的流程示意图；

图2-4a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俯视及剖面结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的立体结构示意图。

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。此外，本发明可以在不同实施例中重复参考数字和/或字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

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的制造方法，参考图1-4a所示，该制造方法包括：

s01，提供衬底10；

s02，在所述衬底10上依次形成自旋轨道耦合层100以及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，所述磁阻隧道结110中存在缺陷，所述缺陷由离子注入产生，所述离子注入时，暴露出磁阻隧道结110，且注入方向与所述衬底10的垂直方向具有夹角、所述注入方向在所述衬底10上的投影与所述自旋耦合层100中的电流i方向为非平行。

在本申请中，为了便于描述，定义了自旋轨道矩磁阻式随机存储器的各方向，参考图5所示，其中，所述自旋轨道耦合层100中电流i方向为第一方向x，与衬底10，也即与自旋轨道耦合层100所在平面垂直的方向为第二方向z，在衬底所在平面内与第一方向x垂直的方向为第三方向y。

需要说明的是，自旋轨道耦合层中电流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。

在本申请实施例中，磁阻隧道结110中存在缺陷，且该缺陷由离子注入工艺产生的，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，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。

而在该离子注入工艺中，缺陷由离子注入产生，离子注入时，暴露出磁阻隧道结110，离子注入的注入方向与衬底10的垂直方向具有夹角，且所述注入方向在所述衬底10上的投影与所述自旋耦合层100中的电流i方向为非平行。也就是说，该注入方向与平面xz之间具有夹角，该夹角为锐角，为了便于描述，将该平面xz一侧记做注入侧。在离子注入过程中，磁阻隧道结110上并未覆盖有掩膜层，处于完全暴露状态，完全依靠带角度离子注入时，被注入结构自身的遮挡特性，这样，由于磁阻隧道结自身存在遮挡，离子注入后磁阻隧道结朝向注入侧的一侧会比另一相对侧注入更多的离子，因此，磁阻隧道结注入侧缺陷会多于另一侧的缺陷，从而在垂直于电流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。

在本申请实施例中，参考图4和图4a所示，沿所述自旋轨道耦合层100中的电流i方向磁阻隧道结110一侧110-1中的缺陷多于另一侧110-2中的缺陷，也就是说，以自旋轨道耦合层100中的电流i方向为参考轴，一边的磁阻隧道结110中的缺陷112数量大于另一边的磁阻隧道结110中的缺陷112数量。

进一步地，注入方向在衬底10上的投影可以与自旋轨道耦合层100中电流i方向垂直，也就是说，该注入方向与平面yz平行。这样，垂直于电流源方向上形成更好的横向不对称的磁阻隧道结结构，更利于磁性层磁矩的定向翻转。

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、p、as、b等，这些离子可以由传统的离子注入设备提供，与现有的设备和工艺兼容，无需增加加工成本。

在具体的应用中，可以根据需要来设置注入方向与平面xz之间的夹角的锐角角度，更优地，夹角的范围可以30°-60°，有利于使得注入的浓度峰值在磁性层中。

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具有基本相同或更小的宽度。

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。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图，对具体的实施例的制造方法进行详细的描述。

需要说明的是，在具体的应用中，可以在衬底上形成图案化后的自旋轨道耦合层之后，进行磁阻隧道结的形成；也可以在衬底上依次生长自旋轨道耦合层的材料层以及磁阻隧道结的各材料层之后，一并对这些材料层进行图案化，分别形成图案化的自旋轨道耦合层以及磁阻隧道结。以下将以后者为例进行详细的说明。

在步骤s101，提供衬底10，参考图2(俯视图)和图2a(图2的aa向剖视图)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，silicononinsulator)或goi(绝缘体上锗，germaniumoninsulator)等。本实施例中，衬底10可以为硅衬底。

在步骤s102，所述衬底10上生长自旋轨道耦合层的材料层100’，以及依次进行磁阻隧道结的各材料层110’的生长，参考图2和图2a所示。

在本申请实施例中，所述磁阻隧道结至少包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，本实施例中，还包括第二磁性层之上的钉扎层以及钉扎层之上的保护层。

具体的，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的材料层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材料层100’，其厚度例如可以为3-10nm。

可以采用溅射或其他合适的方式，依次生长例如co/cofeb等的第一磁性层的材料层102’、mgo的遂穿层的材料层104’、co/cofeb等的第二磁性层的材料层106’，以及copt多层膜的人工反铁磁钉扎层的材料层108’，以及ta的保护层的材料层109’，厚度依次可以为1nm左右，0.8nm，1nm，4-6nm，4-6nm。

在步骤s103，进行所述自旋轨道耦合层的材料层100’的图案化以及所述磁阻隧道结的各材料层110’的图案化，以分别形成自旋轨道耦合层110以及磁阻隧道结110，参考图3(俯视图)和图3a(图3的aa向剖视图)所示。

可以根据自旋轨道耦合层与磁阻隧道结的图案形状，进行图案化工艺，图案化工艺的次数可以为多次。通常地，自旋轨道耦合层与磁阻隧道结具有不同的图案，自旋轨道耦合层可以为通道结构，磁阻隧道结沿通道中电流源方向呈轴对称分布，磁阻隧道结可以为条形结构。

在本实施例中，自旋轨道耦合层与磁阻隧道结具有不同的图案，可以通过两次图案化工艺，来分别形成自旋轨道耦合层100与磁阻隧道结110。具体的，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，如图3和图3a所示。

在步骤s204，进行倾角离子注入工艺，所述注入方向与平面xz一侧的夹角为锐角，参考图5所示。

在具体的应用中，注入的离子可以是任何能够产生缺陷的离子，优选地，注入的离子可以是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。

在注入时，注入方向与平面xz一侧的夹角为锐角，也就是进行一侧的倾角注入，注入过程中注入角度可以保持不变，也可以有变化但始终保持与平面xz同一侧的夹角为锐角。更优地，夹角的范围可以为30°-60°。

此外，进一步地，注入方向可以与平面yz平行。这样，垂直于电流源方向上形成更好的横向不对称的磁阻隧道结结构，更利于磁性层磁矩的定向翻转。

在注入能量的作用下，注入的离子进入磁阻隧道结之中，使得其结构和成分发生改变，这种改变即为缺陷，由于是倾角注射，磁阻隧道结自身存在遮挡，离子注入后磁阻隧道结一侧缺陷会多于另一侧的缺陷。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，缺陷将会保留至一侧的磁阻隧道结各材料层中。

至此，形成了本实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器，之后，可以根据需要形成其他的结构，例如电极等。

以上对本申请实施例的自旋轨道矩磁阻式随机存储器的制造方法进行了详细的描述，此外，本申请还提供了由上述制造方法形成的自旋轨道矩磁阻式随机存储器，参考图5所示，该自旋轨道矩磁阻式随机存储器包括：

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，所述磁阻隧道结110中存在缺陷，且沿所述自旋轨道耦合层100中的电流i方向磁阻隧道结110一侧110-1中的缺陷多于另一侧110-2中的缺陷，所述缺陷由离子注入工艺产生。

磁阻隧道结110上还可以形成有电极120。

其中，注入的离子可以是任何能够产生缺陷的离子，可以是由现有的离子注入机提供任意的注入离子，注入离子例如可以为n、p、as、b等。

进一步地，磁阻隧道结110还可以包括：所述第二磁性层106上的钉扎层108以及所述钉扎层108上的保护层109。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于器件结构的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

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。