一种磁存储器及其制备方法与流程

1.本发明实施例涉及磁存储领域，涉及一种磁存储器及其制备方法。


背景技术：

2.自旋轨道矩磁存储器(sot-mram，spin orbit torque magnetic random access memory)具有非易失性、高速低功耗数据写入和高器件耐久性等优点，是有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈技术的关键器件。
3.然而，在对sot-mram实际应用中发现，sot-mram使用寿命较短，难以满足现阶段使用需求，常用的提升器件使用寿命的方式是增加磁存储器自由层的厚度，但自由层厚度增加的同时也对其翻转速率造成负向影响，体现在存储器上主要为对数据的读取或者写入的速率下降。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种磁存储器件及制备方法，以改善磁存储器在数据读取或写入的写入速度不满足实际应用需求，以及存储器使用寿命低的问题。
5.为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了一种磁存储器，所述磁存储器包括：电流写入层、晶格转换层以及反铁磁耦合自由层，
6.所述晶格转换层设置于所述电流写入层之上，所述反铁磁耦合自由层设置于所述晶格转换层之上，
7.所述反铁磁耦合自由层包括：反铁磁耦合层、第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层，所述第一铁磁翻转层厚度小于所述第二铁磁翻转层，
8.所述第一铁磁翻转层设置于所述反铁磁耦合层与所述晶格转换层之间，所述第二铁磁翻转层设置于所述反铁磁耦合层之上，
9.所述晶格转换层用以使所述反铁磁耦合自由层具有所述反铁磁耦合效应，
10.所述第一铁磁翻转层通过所述电流写入层产生的自旋累积实现翻转，翻转过程由于所述反铁磁耦合效应带动所述第二铁磁翻转层进行翻转。
11.在一些实施例中，所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层初始状态设置有磁矩方向，所述磁矩方向包括：
12.所述第一铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第一磁矩方向，所述第二铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第二磁矩方向，
13.所述第一磁矩方向与所述第二磁矩方向相反。在一些实施例中，所述电流写入层用以产生自旋流，所述自旋流聚集形成所述自旋累积，
14.所述第一铁磁翻转层响应于所述自旋累积，磁矩方向由第一磁矩方向转变为第二磁矩方向，
15.所述反铁磁耦合层用于建立所述第一铁磁翻转层与所述第二铁磁翻转层之间的反铁磁耦合联系，使所述第一铁磁翻转层与第二铁磁翻转层响应反铁磁耦合效应，
16.所述第二铁磁翻转层响应于所述反铁磁耦合效应以及所述第一磁矩方向转变，磁矩方向由第二磁矩方向改变为第一磁矩方向，
17.所述磁存储器响应于所述第一铁磁层以及所述第二铁磁层磁矩方向的转变，其阻态发生转变。
18.在一些实施例中，所述反铁磁耦合自由层实现方式还包括：所述反铁磁耦合自由层内部设置铁磁耦合复合结构，用以增加所述反铁磁耦合自由层厚度，提高所述磁存储器寿命，
19.所述铁磁耦合复合结构包括：铁磁耦合层以及铁磁层，所述铁磁耦合层设置于所述铁磁层上方，
20.所述铁磁耦合结构设置于所述反铁磁耦合层以及所述第二铁磁翻转层之间。
21.在一些实施例中，所述晶格转换层包括：钽ta、w钨以及钼mo构成的体心立方结构、铂pt、铅pb以及au构成的面心立方结构以及铪hf构成的六方密堆积结构。
22.在一些实施例中，组成所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层的材料由以下金属或以下金属的不同原子量组成的合金，以下金属包括：钴铁硼cofeb、钴铁cofe以及钴co，
23.所述cofeb的原子配比包括：co
20
fe
60b20
、co
40
fe
40b20
以及co
60
fe
20b20
，
24.所述cofe的原子配比包括：co
70
fe
30
、co
75
fe
25
或co
85
fe
15
。
25.在一些实施例中，组成所述反铁磁耦合层的材料由以下金属单质组成，包括：钽ta，钌ru，钨w，钼mo，铱ir，钒v，铜cu以及铬cr。
26.在一些实施例中，组成所述电流写入层的材料可以由能够产生自选霍尔角的金属组成，所述能够产生自选霍尔角的金属包括：w，ta，pt。
27.在一些实施例中，组成所述电流写入层的材料还可以由所述能够产生自选霍尔角金属的氧化物或氮化物组成，包括：wo、wn以及wo/wn。
28.在一些实施例中，组成所述电流写入层的材料还包括重金属但年至及相互不同原子比的合金，所述重金属单质包括：钯pd、hf、au、mo以及钛ti，
29.所述不同原子比的合金包括：au
0.93w0.07
、au
0.9
ta
0.1
以及au
x
pt
1-x
，x为原子数，x范围小于1。
30.在一些实施例中，所述电流写入层的材料还包括：反铁磁材料、晶体薄膜、非晶体薄膜、单晶外耳半金属、多晶外耳半金属、非晶外耳半金属、二维电子气等，
31.所述反铁磁材料包括：irmn、ptmn、femn、pdmn、l10-irmn、poly-irmn，
32.所述晶体薄膜包括：bi2se3、bi2te3、sb2te3或(bi
x
sb
1-x
)2te3，
33.所述多晶薄膜包括：bi
x
se
1-x
，x为原子数，x范围小于1，
34.所述单晶、多晶或非晶外耳半金属包括：wte2、mote2以及mo
xw1-x
te2。
35.在本技术的另一方面，还提出了一种磁存储器的制备方法，应用于磁存储器，其特征在于，所述磁存储器包括：电流写入层以及反铁磁耦合自由层，
36.所述反铁磁耦合自由层包括：反铁磁耦合层、第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层，
37.采用溅射的方式构建电流写入层；
38.采用溅射的方式在所述电流写入层上方顺次构建第一铁磁翻转层，反铁磁耦合层以及第二铁磁翻转层；
39.分别设置所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层的初始磁矩方向，包括：所述第一铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第一磁矩方向，所述第二铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第二磁矩方向，
40.所述第一磁矩方向与所述第二磁矩方向相反。
41.在一些实施例中，所述电流写入层、第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层的溅射过程中，通入气体成分包括：氩气ar2、ar2和氮气n2的混合气体、ar2和氧气o2的混合气体。
42.在一些实施例中，所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层溅射过程所用的材料由以下金属或以下金属的不同原子量组成的合金，以下金属包括：钴铁硼cofeb、钴铁cofe以及钴co，
43.所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层溅射厚度范围包括：0.5mm至5.0mm。
44.在一些实施例中，所述反铁磁层溅射过程所用的材料由以下金属单质组成，包括：钽ta，钌ru，钨w，钼mo，铱ir，钒v，铜cu，铬cr，
45.所述反铁磁层溅射厚度范围包括：0.1mm至1.0mm。
46.本发明的实施例提供了一种磁存储器及其制备方法，通过对磁存储器设置有反铁磁耦合自由层的结构，响应于电流写入层的自旋累积，反铁磁耦合自由层中处于电流写入层以及反铁磁耦合层之间的第一铁磁翻转层首先实现翻转，翻转过程由于所述反铁磁耦合自由层结构产生的反铁磁耦合效应，带动第二铁磁翻转层进行翻转。通过第一铁磁翻转层和第二铁磁翻转层的翻转，实现了磁存储器的读取和写入功能。由于所述第一铁磁翻转层与所述第二铁磁翻转层的厚度之和较现阶段自由层厚度高，因此提升了存储器的使用寿命，并且由于反铁磁耦合自由层的第一铁磁翻转层的厚度小于第二铁磁翻转层的厚度，可以实现优先翻转，并且带动第二铁磁翻转层翻转，翻转速度大于现阶段自由层的翻转速度，以此实现了提高磁存储器寿命的同时，提高了磁存储器对数据的读取和写入速度。
附图说明
47.为了更清楚地说明本技术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，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例。
48.图1为根据本技术一实施方式的现有技术磁存储器主要器件结构示意图；
49.图2为根据本发明一实施方式的带有反铁磁耦合自由层的磁存储器主要器件结构示意图；
50.图3为根据本发明一实施方式的带有铁磁耦合复合结构的磁存储器主要器件结构示意图；
51.图4a为根据本发明一实施方式的无晶格转换层磁存储器主要器件退火前磁性测试图；
52.图4b为根据本发明一实施方式的无晶格转换层磁存储器主要器件退火后磁性测试图；
53.图5a为根据本发明一实施方式的有晶格转换层磁存储器主要器件退火前磁性测试图；
54.图5b为根据本发明一实施方式的有晶格转换层磁存储器主要器件退火后磁性测
试图。
具体实施方式
55.为使得本技术的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施例，而非全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
56.本领域技术人员可以理解，本技术中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
57.自旋轨道矩磁存储器(sot-mram，spin orbit torque magnetic random access memory)具有非易失性、高速低功耗数据写入和高器件耐久性等优点，是有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈技术的关键器件，其主要器件结构如图1所示。
58.然而，在对sot-mram实际应用中发现，sot-mram使用寿命较短，难以满足现阶段使用需求，常用的提升器件使用寿命的方式是增加磁存储器自由层的厚度，
59.通常的，存储器的使用寿命和热稳定的关系为：t＝t0exp(δ)其中δ为热稳定因子，提高热稳定因子可以提高存储器的使用寿命，通常提高热稳定因子的方式可以采用增加自由层厚度的方式进行，
60.但自由层厚度增加的同时也对其翻转速率造成负向影响，体现在存储器上主要为对数据的读取或者写入的速率下降。
61.在本技术的一个实施例中，提出了一种磁存储器，所述磁存储器主要器件结构如图2所示，所述存储器包括：
62.电流写入层以及设置在之上的反铁磁耦合自由层，
63.所述磁存储器包括：电流写入层、晶格转换层以及反铁磁耦合自由层，
64.所述晶格转换层设置于所述电流写入层之上，所述反铁磁耦合自由层设置于所述晶格转换层之上，
65.所述反铁磁耦合自由层包括：反铁磁耦合层、第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层，所述第一铁磁翻转层厚度小于所述第二铁磁翻转层，
66.所述第一铁磁翻转层设置于所述反铁磁耦合层与所述晶格转换层之间，所述第二铁磁翻转层设置于所述反铁磁耦合层之上，
67.所述晶格转换层用以使所述反铁磁耦合自由层具有所述反铁磁耦合效应，
68.所述第一铁磁翻转层通过所述电流写入层产生的自旋累积实现翻转，翻转过程由于所述反铁磁耦合效应带动所述第二铁磁翻转层进行翻转。
69.明显的，所述第一铁磁翻转层厚度小于所述第二铁磁翻转层，厚度更小的所述第一铁磁翻转层更容易优先发生翻转，
70.所述第一铁磁翻转层通过所述电流写入层产生的自旋累积实现翻转，翻转过程由于反铁磁耦合效应带动所述第二铁磁翻转层进行翻转，以此提高所述磁存储器阻态转变速度。
71.可选的，所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层初始状态设置有磁矩方向，所述磁矩方向包括：
72.所述第一铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第一磁矩方向，所述第二铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第二磁矩方向，
73.所述第一磁矩方向与所述第二磁矩方向相反。
74.可选的，所述电流写入层用以产生自旋流，所述自旋流聚集形成所述自旋累积，
75.所述第一铁磁翻转层响应于所述自旋累积，磁矩方向由第一磁矩方向转变为第二磁矩方向，
76.所述反铁磁耦合层用于建立所述第一铁磁翻转层与所述第二铁磁翻转层之间的反铁磁耦合联系，使所述第一铁磁翻转层与第二铁磁翻转层响应反铁磁耦合效应，
77.所述第二铁磁翻转层响应于所述反铁磁耦合效应以及所述第一磁矩方向转变，磁矩方向由第二磁矩方向改变为第一磁矩方向，
78.所述磁存储器响应于所述第一铁磁层以及所述第二铁磁层磁矩方向的转变，其阻态发生转变。
79.可选的，所述反铁磁耦合自由层实现方式还包括：所述反铁磁耦合自由层内部设置铁磁耦合复合结构，结构如图3所示，用以增加所述反铁磁耦合自由层厚度，提高所述磁存储器寿命，
80.所述铁磁耦合复合结构包括：铁磁耦合层以及铁磁层，所述铁磁耦合层设置于所述铁磁层上方，
81.所述铁磁耦合结构设置于所述反铁磁耦合层以及所述第二铁磁翻转层之间，
82.明显的，在所述反铁磁耦合自由层内部增设铁磁耦合结构，增加了所述反铁磁耦合层厚度可提高所述磁存储器的热稳定因子，提高了所述磁存储器的使用寿命，并且由于铁磁耦合的影响，所述第一铁磁翻转层的翻转可带动所述第二铁磁翻转层的翻转，相对于原所述反铁磁耦合自由层结构在器件使用寿命提升的同时，未造成翻转速率的损失。
83.可选的，当所述磁存储器未设置晶格转换层的时候，所述磁存储器关键器件磁隧道结(mtj，magnetic tunnel junction)器件退火前磁性测试图如图4a所示，显示结果无晶格转换层的mtj为反铁磁耦合，经过退火制程后，所述mtj磁性测试结果如图4b所示，显示结果所述mtj无反铁磁耦合，当所述磁存储器设置有晶格转换层的时候，所述mtj退火前磁性测试图如图5a所示，显示结果为铁磁耦合，经过退火制程后，所述mtj磁性测试结果如图5b所示，显示结果所述mtj有反铁磁耦合，
84.明显的，反铁磁耦合现象对于本技术来说是必然需要的，同时，退火制程对于所述磁存储器的磁电阻性能有明显提高，因此退火后制程也是必然需要的，所以，设置晶格转换层对于本技术而言，具有强需求并且具有明显改善效果。
85.可选的，所述晶格转换层包括：钽ta、w钨以及钼mo构成的体心立方结构、铂pt、铅pb以及au构成的面心立方结构以及铪hf构成的六方密堆积结构。
86.可选的，组成所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层的材料由以下金属或以下金属的不同原子量组成的合金，以下金属包括：钴铁硼cofeb、钴铁cofe以及钴co。
87.所述cofeb的原子配比包括：co
20
fe
60b20
、co
40
fe
40b20
以及co
60
fe
20b20
，
88.所述cofe的原子配比包括：co
70
fe
30
、co
75
fe
25
或co
85
fe
15
。
89.可选的，组成所述反铁磁耦合层的材料由以下金属单质组成，包括：钽ta，钌ru，钨w，钼mo，铱ir，钒v，铜cu，铬cr。
90.在一些实施例中，组成所述电流写入层的材料可以由能够产生自选霍尔角的金属组成，所述能够产生自选霍尔角的金属包括：w，ta，pt。
91.在一些实施例中，组成所述电流写入层的材料还可以由所述能够产生自选霍尔角金属的氧化物或氮化物组成，包括：wo、wn以及wo/wn。
92.在一些实施例中，组成所述电流写入层的材料还包括重金属但年至及相互不同原子比的合金，所述重金属单质包括：钯pd、hf、au、mo以及钛ti，
93.所述不同原子比的合金包括：au
0.93w0.07
、au
0.9
ta
0.1
以及au
x
pt
1-x
，x为原子数，x范围小于1。
94.在一些实施例中，所述电流写入层的材料还包括：反铁磁材料、晶体薄膜、非晶体薄膜、单晶外耳半金属、多晶外耳半金属、非晶外耳半金属、二维电子气等，
95.所述反铁磁材料包括：irmn、ptmn、femn、pdmn、l10-irmn、poly-irmn，
96.所述晶体薄膜包括：bi2se3、bi2te3、sb2te3或(bi
x
sb
1-x
)2te3，
97.所述多晶薄膜包括：bi
x
se
1-x
，x为原子数，x范围小于1，
98.所述单晶、多晶或非晶外耳半金属包括：wte2、mote2以及mo
xw1-x
te2。
99.在本技术的另一个实施例中，还提出了一种磁存储器的制备方法，应用于磁存储器，其特征在于，所述磁存储器包括：电流写入层以及反铁磁耦合自由层，
100.所述反铁磁耦合自由层包括：反铁磁耦合层、第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层，
101.采用溅射的方式构建电流写入层；
102.采用溅射的方式在所述电流写入层上方顺次构建第一铁磁翻转层，反铁磁耦合层以及第二铁磁翻转层；
103.分别设置所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层的初始磁矩方向，包括：所述第一铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第一磁矩方向，所述第二铁磁翻转层初始磁矩方向设置为第二磁矩方向，
104.所述第一磁矩方向与所述第二磁矩方向相反。
105.可选的，所述电流写入层、第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层的溅射过程中，通入气体成分包括：
106.氩气ar2、ar2和氮气n2的混合气体、ar2和氧气o2的混合气体，
107.用以降低自身粗糙度。
108.可选的，所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层溅射过程所用的材料由以下金属或以下金属的不同原子量组成的合金，以下金属包括：钴铁硼cofeb、钴铁cofe以及钴co，
109.所述第一铁磁翻转层以及第二铁磁翻转层溅射厚度范围包括：0.5mm至5.0mm。
110.可选的，所述反铁磁层溅射过程所用的材料由以下金属单质组成，包括：钽ta，钌ru，钨w，钼mo，铱ir，钒v，铜cu，铬cr，
111.所述反铁磁层溅射厚度范围包括：0.1mm至1.0mm。
112.本发明的实施例提供了一种磁存储器及其制备方法，通过对磁存储器设置有反铁磁耦合自由层的结构，响应于电流写入层的自旋累积，反铁磁耦合自由层中处于电流写入层以及反铁磁耦合层之间的第一铁磁翻转层首先实现翻转，翻转过程由于所述反铁磁耦合自由层结构产生的反铁磁耦合效应，带动第二铁磁翻转层进行翻转。通过第一铁磁翻转层
和第二铁磁翻转层的翻转，实现了磁存储器的读取和写入功能。由于所述第一铁磁翻转层与所述第二铁磁翻转层的厚度之和较现阶段自由层厚度高，因此提升了存储器的使用寿命，并且由于反铁磁耦合自由层的第一铁磁翻转层的厚度小于第二铁磁翻转层的厚度，可以实现优先翻转，并且带动第二铁磁翻转层翻转，翻转速度大于现阶段自由层的翻转速度，以此实现了提高磁存储器寿命的同时，提高了磁存储器对数据的读取和写入速度。
113.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。