自旋轨道矩磁性存储器器件及其制造工艺

本发明涉及一种新结构的自旋轨道矩磁性存储器器件及其制造工艺，具体为利用自旋轨道矩控制电子自旋方向变化的器件，亦可称为自旋电子器件，主要可作为集成电路领域中的磁性存储器芯片的器件，亦可作为信息科学领域中利用电子自旋方向变化而产生电磁波发射与吸收的器件。

背景技术：

1、自旋电子科学与技术在信息科学领域有越来越广的应用，控制电子的自旋方向变化，主要用于集成电路领域中的磁性存储器芯片的器件(比如基于自旋电子器件磁隧道结(magneti tunnel junction，mtj)的磁性存储器(magnetic random access memory，mram))。自旋电子器件又可应用于信息科学领域中利用电子自旋方向变化而产生电磁波发射与接受的器件。在上述应用中，改变电子自旋的方向很多，其中用自旋轨道矩(spinorbit torque，sot)进行电子自旋方向改变能够在相对较低的能量下获得非常高(太赫兹级)的变化速度，即在较低的能量下，可以获得很高的mram下信息写入速度或者获得高频率的电磁波发射与吸收。

2、传统的利用sot进行电子自旋方向改变的器件通常实在重金属(pt、ta等)薄膜的上方沉积磁性薄膜(铁磁性或反铁磁性薄膜)，再在重金属膜的面内方向通入电流，利用自旋霍尔效应，在重金属膜中自旋极化(自旋分极)的电子自旋会进入与之相邻的磁性薄膜中，产生的自旋轨道矩会使磁性薄膜中的自旋方向发生改变。然而，电子自旋从重金属进入磁性薄膜的方向与重金属中的外加电流方向是垂直的，因此进入磁性薄膜的自旋电子的数量与在重金属中产生的自旋电子的数量之比较小，亦即效率较低。

技术实现思路

1、鉴于上述背景，本发明提案了以下结构及其制备工艺，用于提高传统sot方式中的进入磁性薄膜的自旋电子的数量与在重金属中产生的自旋电子的数量之比。

2、本发明提出了下述结构，具体为：

3、一种自旋轨道矩磁性存储器器件，其磁性薄膜结构体位于重金属薄膜结构体之上，所述磁性薄膜结构体底部有嵌入所述重金属薄膜结构体的部分，且嵌入深度不超过所述重金属薄膜结构体厚度的一半。

4、对上述内容做如下补充说明：

5、上述结构特征中最重要的是磁性薄膜体嵌入重金属薄膜结构体之中，而传统的器件的结构是磁性薄膜结构体只是与重金属薄膜结构体相互接触。另外磁性薄膜结构体可以是可由一层磁性薄膜层构成，或者由多层磁性薄膜层构成，或者由一层磁性薄膜层与一层非磁性薄膜层构成，或者由多层磁性薄膜层与非磁性薄膜层构成。磁性薄膜层包括铁磁性薄膜层与反铁磁性薄膜层。重金属薄膜结构体包括纯的重金属或者掺杂的重金属以及重金属的合金。电流流经重金属薄膜结构体时由于自旋霍尔效应产生自旋分极，要求磁性薄膜结构体嵌入重金属薄膜结构体的深度不超过重金属薄膜结构体的厚度的一半，旨在充分利用分极了的自旋电子，从而高效地对磁性薄膜结构体的自旋方向进行反转。需要指出的是，前述信息科学领域中利用电子自旋方向变化而产生电磁波发射与吸收的器件，可以认为是本发明的推广应用。

6、在前述结构的自旋轨道矩磁性存储器器件中，进一步提出了下列结构特征，具体为：

7、所述磁性薄膜结构体的之上含有绝缘薄膜结构体，且所述绝缘薄膜结构体底部有嵌入所述重金属薄膜结构体的部分。

8、对上述内容做如下补充说明：

9、在绝缘薄膜结构体也有嵌入重金属薄膜结构体的情况下，磁性薄膜结构体被完全嵌入重金属薄膜结构体之中。绝缘薄膜结构体可以为氧化镁、氧化铝等氧化物及其以它们为主体的绝缘物质。

10、在前述结构的自旋轨道矩磁性存储器器件中，进一步提出了下列结构特征，具体为：

11、所述磁性薄膜结构体的侧面与底面为具有垂直角度关系或者光滑曲面关系的任一种。

12、对上述内容做如下补充说明：

13、因为在重金属薄膜结构体上面制备凹陷图案，可能需要根据工艺进行侧面与底面夹角的调节，其潜在应用是使重金属薄膜结构体中的自旋电子能够更多更容易地进入磁性薄膜结构体中，从而更低能量更有效地实现自旋轨道矩对磁性薄膜结构体中的电子自旋方向的变化。

14、在前述结构的自旋轨道矩磁性存储器器件中，进一步提出了下列结构特征，具体为：

15、所述磁性薄膜结构体的俯视图为椭圆、圆、长方形、正方形、四个角被磨平的长方形或四个角被磨平的正方形的任一种。

16、对上述内容做如下补充说明：

17、磁性结构体的形状能够影响自旋轨道矩对磁性薄膜结构体中的电子自旋方向的改变效率。

18、在前述结构的自旋轨道矩磁性存储器器件中，进一步提出了下列结构特征，具体为：

19、所述磁性薄膜结构体的俯视图投影与所述重金属薄膜结构体的俯视图的投影存在被包含与不被包含关系的任一种，且所述磁性薄膜结构体的俯视图投影的长对称轴线与所述重金属薄膜结构体的俯视图的投影的长对称轴线的夹角是0°到90°的任意角度。

20、对上述内容做如下补充说明：

21、通常通过调节上述角度有望影响自旋轨道矩对磁性薄膜结构体中的电子自旋方向的改变效率。

22、在前述结构的自旋电子器件中，进一步提出了下列结构特征，具体为：

23、所述绝缘薄膜结构体体之上含有第二层磁性薄膜结构体，且所述第二层磁性薄膜结构体、以及所述重金属薄膜结构体的两端都有导线与外界连接形成三端子器件。

24、对上述内容做如下补充说明：

25、上述结构是结合传统的sot器件与本发明的特征(嵌入)结构形成的新结构的sot器件，其中重金属薄膜结构体的两端的导线是用来产生自旋霍尔效应，进而产生自旋流来对磁性薄膜结构体进行自旋方向的反转。而第二层磁性薄膜结构体的导线则与重金属薄膜结构体的两端的导线的任一端可以形成通路，进行磁隧道结mtj的电阻的读取。

26、本发明还对上述结构的自旋轨道矩磁性存储器器件提出了制造方法，具体如下：

27、所述自旋轨道矩磁性存储器器件包括以下主要步骤：

28、(1.1)对基板进行预处理，并沉积相应的基底层薄膜；

29、(1.2)沉积重金属薄膜结构体；

30、(1.3)利用光刻技术，在重金属薄膜结构体上形成图案；

31、(1.4)再在上述图案中沉积磁性薄膜结构体，其厚度控制可采用直接沉积至所需厚度或先沉积到一定厚度后再回蚀刻到所需厚度的任一种方法。

32、对上述内容做如下补充说明：

33、上述制造方法是针对前述器件中的最基本结构(磁性薄膜结构体位于重金属薄膜结构体之上，且所述磁性薄膜结构体底部有嵌入所述重金属薄膜结构体的部分)的制备方法之一，由于本发明的器件既可应用于集成电路领域中的磁性存储器芯片的器件，又可应用与于信息科学领域中利用电子自旋方向变化而产生电磁波发射与吸收的器件，后续的制造方法可根据实际应用进行调整。另外，实际的半导体工艺中的每一个步骤会更加复杂，都可以归属到以上方法。

34、本发明还对上述结构的自旋轨道矩磁性存储器器件提出了另外制造方法，具体如下：

35、所述自旋轨道矩磁性存储器器件包括以下主要步骤：

36、(1.1)对基板进行预处理，并沉积相应的基底层薄膜；

37、(1.2)沉积重金属薄膜结构体；

38、(1.3)沉积磁性薄膜结构体，并根据光刻技术形成所需磁性薄膜结构体图案；

39、(1.4)再在上述磁性薄膜结构体图案上沉积重金属薄膜结构体，之后回蚀刻去掉磁性薄膜结构体上方的重金属薄膜结构体以及多余厚度的磁性薄膜结构体，至表面露出所需厚度的磁性薄膜结构体。

40、对上述内容做如下补充说明：

41、同前面制造方法，后续的制造方法可根据实际应用进行调整。