磁性随机存储器件的形成方法和磁性随机存储器件与流程

本发明涉及磁性随机存储器件，具体涉及一种磁性随机存储器件的形成方法和磁性随机存储器件。

背景技术：

1、此外，随着物理与电子科学的发展，电子的自旋属性被发现并在多种新奇材料中观测到了新颖奇异的物理现象，这也为自旋电子学器件的研发提供了坚实的基础。相较于传统器件的电荷操控，自旋操控所需的能量要低两到三个数量级。且诸如巨磁电阻效应（gmr）、隧穿磁电阻（tmr）、自旋转移矩（stt）、自旋轨道矩（sot）等多种自旋相关现象的研究极大推动了对于高密度存储设备的研发进展，并且目前市面上已经出现了成熟的基于电子自旋的高性能存储设备，主要采用磁性随机存储器件。在传统的重金属/铁磁体的研究中，受限于重金属经典自旋散射机制，自旋流转化效率有限；而基于传统磁性材料的隧道结一方面受限于自身有限的tmr信号，另一方面被界面扩散、杂质等缺陷所影响，导致自旋流注入效率低下，驱动电流密度较大，功耗较高，而在纳米级尺寸下器件的热稳定同样是值得担忧的问题，此外这些问题也限制了其在高密度集成存储芯片的应用。因此亟需一种方案解决磁性随机存储器件自旋流转化效率有限，驱动电流密度大，功耗高，热稳定性差的问题。

技术实现思路

1、因此，本发明提供一种半导体磁性磁性随机存储器件的形成方法和磁性随机磁性随机存储器件，以解决传统磁性随机存储器件自旋流转化效率有限，驱动电流密度大，功耗高，热稳定性差的问题。

2、本发明提供一种磁性随机存储器件的形成方法，包括以下步骤：形成存储器件阵列层，所述存储器件阵列层包括若干阵列设置的存储器件单元，形成所述存储器件单元的步骤包括：形成拓扑层；在所述拓扑层表面依次形成全范德华层间关系的磁性隧道结各层以及第三电极层；所述磁性隧道结至少包括所述拓扑层表面的第一磁性层和远离所述拓扑层的第二磁性层；刻蚀所述拓扑层表面的结构，使之形成纳米柱形状；在所述拓扑层的两端形成第一电极和第二电极；其中，所述全范德华层间关系的磁性隧道结的各层中，任意相邻层之间的界面均为范德华界面，任意相邻层之间的结合力均为范德华力；所述拓扑层和所述磁性隧道结中的各层的材料为二维材料；所述拓扑层、所述磁性隧道结中的各层和所述第三电极层，均使用分子束外延生长的方式形成；所述拓扑层的材料为二维的拓扑材料；所述磁性隧道结中的各层和所述第三电极层的材料包括二维的范德华磁性绝缘材料、范德华铁磁金属/铁磁半金属/铁磁半导体材料。

3、可选的，形成所述磁性隧道结的过程中，包括以下步骤：步骤一：以第一变温速率至待生长膜层的生长温度范围；以第一调压速率调整环境气压至10-10mbar量级，静置第一等待时间至系统稳定；步骤二：引入待生长膜层的材料，以第二调压速率调整环境气压至生长气压，生长所述待生长膜层；重复所述步骤一和所述步骤二，直至完成所述磁性隧道结的各膜层的生长；其中所述待生长膜层包括所述磁性隧道结中的各层；所述第一变温速率为2k/s~5k/s；所述第一调压速率为1×10-9~5×10-9mbar/s；所述第一等待时间为2min~5min；所述第二调压速率为1×10-9~5×10-9mbar/s。

4、可选的，刻蚀所述拓扑层表面的结构，使之形成纳米柱形状的步骤包括：在所述拓扑层表面的结构背向所述拓扑层一侧表面形成图形化的第一光刻胶层，以图形化的所述第一光刻胶层为掩模，刻蚀所述拓扑层表面的结构，使之形成与图形化的第一光刻胶层形状一致的图形层；去除所述第一光刻胶层。

5、可选的，刻蚀所述拓扑层表面的结构，所述在所述拓扑层的两端形成第一电极和第二电极的步骤包括：形成第二光刻胶层作为遮蔽层，遮蔽所述拓扑层表面的结构，以及同侧的所述拓扑层的表面；使用磁控溅射或蒸镀的方式在所述拓扑层的两端，分别形成第一电极和第二电极；去除所述第二光刻胶层。

6、可选的，完成所述形成存储器件阵列层的步骤之后，在所述存储器件阵列层表面，重复所述形成存储器件阵列层的步骤，形成存储器件阵列层的堆叠结构。

7、本发明还提供一种磁性随机存储器件，包括：存储器件阵列层，所述存储器件阵列层包括若干阵列设置的存储器件单元，所述存储器件单元包括：拓扑层；位于所述拓扑层表面依次设置的磁性隧道结和第三电极层；所述磁性隧道结至少包括所述拓扑层表面的第一磁性层和远离所述拓扑层的第二磁性层；第一电极，所述第一电极接触所述拓扑层的一端；第二电极，所述第二电极接触所述拓扑层与所述第一电极相对的一端；其中，所述拓扑层和所述磁性隧道结中的各层的材料为范德华材料；所述拓扑层和所述磁性隧道结之间的界面，所述磁性隧道结中各层之间的层界面为范德华界面；所述磁性隧道结中各层之间的结合力为范德华力；所述拓扑层的材料为二维的拓扑材料；所述磁性隧道结中的各层和所述第三电极层的材料包括二维的范德华磁性绝缘材料、范德华铁磁金属/铁磁半金属/铁磁半导体材料。

8、可选的，所述第一磁性层为磁性绝缘层或铁磁层；所述第二磁性层为磁性绝缘层或铁磁层；所述磁性绝缘层的材料为范德华磁性绝缘材料，包括过渡金属卤化物、过渡金属三硫磷化物或其中两种及以上的组合；所述铁磁层的材料为二维铁磁金属/铁磁半金属/铁磁半导体材料，包括过渡金属卤化物、cr的化合物、过渡金属硼化物、过渡金属锗化物、过渡金属镓化物、逆heusler合金、1t-tmdcs或其中两种及以上的组合。

9、可选的，所述范德华铁磁金属/铁磁半金属/铁磁半导体材料包括：lacl、ycl、sccl、crse2、crsbr，cr3x4、crmte3、mnb、crb2、cr2ge2te6、crgete3、fe3gete2、fe4gete2、fe5gete2、fe3gate2、mxtas2、mn2cosi、hg2cuz、vs2、vse2、crse2、mos2、vte2；其中：cr3x4中的x为s、se、te中的一种；crmte3中的m为si、sn、ge中的一种；mxtas2中的m为fe、cr、mn中的一种；hg2cuz 中的z为al、ga、in、 si、ge、sn、sb中的一种；所述范德华磁性绝缘材料包括：crxn、vxn、mnxn、nb3x8、mpx3、mnsex、crsite3、mnbin2te4、cas、cobr2、nicl2、eux；其中，crxn中的x为i、cl、br中的一种且n=1或2或3；vxn中的x为i、cl、br中的一种且n=1或2或3；mnxn中的x为i、cl、br中的一种且n=1或2或3；nb3x8中的x为i、cl、br中的一种；mpx3中的m为mn、ni、fe中的一种且x为s、se中的一种；eux中的x为s、se中的一种。

10、可选的，所述第一磁性层为磁性绝缘层；所述第二磁性层为磁性绝缘层。

11、所述第三电极层设置于所述第二磁性层背向所述拓扑层一侧的表面。

12、可选的，所述第一磁性层为铁磁层；所述第二磁性层为铁磁层；所述第一磁性层和所述第二磁性层之间还设置有间隔层，所述间隔层为非磁性绝缘层或基于范德华作用而产生的真空层；所述第二磁性层同时作为所述第三电极层。

13、可选的，所述第一磁性层为铁磁层；所述第二磁性层为磁性绝缘层；所述第三电极层设置于所述第二磁性层背向所述拓扑层一侧的表面。

14、可选的，所述第一磁性层为磁性绝缘层；所述第二磁性层为铁磁层；所述第二磁性层同时作为所述第三电极层。

15、可选的，所述第一磁性层为磁性绝缘层；所述第二磁性层为磁性绝缘层；所述第二磁性层设置于所述第一磁性层背向所述拓扑层一侧表面；所述第二磁性层背向所述拓扑层一侧表面还设置有磁性钉扎层，所述磁性钉扎层用于与所述第二磁性层产生交换耦合场以稳定所述第二磁性层的磁矩；所述第三电极层设置于所述磁性钉扎层背向所述拓扑层一侧表面。

16、可选的，所述第一磁性层为磁性绝缘层；所述第二磁性层为磁性绝缘层；所述第二磁性层设置于所述第一磁性层背向所述拓扑层一侧表面；所述第三电极层设置于所述第二磁性层背向所述拓扑层一侧的表面；所述第三电极层和所述第二磁性层共同连接调节电路，所述调节电路适于向所述第三电极层和所述第二磁性层之间施加栅压，以稳定所述第二磁性层的磁矩。

17、可选的，所述拓扑层的厚度为0~10nm；所述第一磁性层的厚度为0~10nm；所述第二磁性层的厚度为0~10nm；所述第三电极的厚度为2nm~8nm。

18、可选的，所述拓扑层的材料可选的包括拓扑绝缘体，所述拓扑绝缘体包括：bi2se3，bi2te3，sb2te3、sb2se3、(bixsb1-x)2te3，(bixsb1-x)2se3、smb6、cdhgte、mnbin2nte3n+1、febi2te4、mnsb4te7、wte2、crsite3、cabi2、mtl4te3m为cd、hg中的一种、tl5te、hosbte、cutlse2、cutls2、kaus、kause、和csaus，以及他们掺杂v、cr、mn、ge、ca之后的产物、衍生物或其中两种及以上的组合；其中，mtl4te3中的m为cd、hg中的一种；所述拓扑层的材料还可选的包括拓扑晶体绝缘体，所述拓扑晶体绝缘体包括：iva-via族化合物，包括：snte、snse、pbte、pbse、pbxsn1-xte、pbxsn1-xse、gese、nbp、pbpo、oss2、bi4br4、srpb、npsb、bi4br4、x2y、bahgsn、sn1-xmnxte、nacd4as3、thtan3、naznbi、lasbte、tlbis2、tlsbs2、khgx、a3bx，以及它们的掺杂产物、衍生物或其中两种及以上的组合；其中，x2y中的x为ca、sr、ba中的一种且y为sb、as、bi中的一种；khgx中的x为as、sb、bi中的一种；a3bx 中a为ca、sr、ba中的一种且b为sn、pb中的一种且x为c、n、o中的一种；所述拓扑层的材料还可选的包括拓扑半金属，所述拓扑半金属包括： na3bi、cd3as2、cumnas、fesn、iro2、inbi、laalge、mop、pbtase2、ptsn4、eucd2as、eucd2sb、hgcr2se4、mn3sn、co3sn2s2、y2ir2o、msis、amnsb2、amnbi2、taas、nbp、tap、nbas、wte2、mote2、crse2、mos2、mose2、ptse2、ptte2、pdte2，以及它们的掺杂产物、衍生物或其中两种及以上的组合；其中msis中的m为zr、hf中的一种；amnsb2和amnbi2中的a为ca、sr、ba、yb中的一种。

19、本发明的技术方案有益效果在于：

20、本发明提供的磁性随机存储器件的形成方法，通过分子束外延生长的方式，在拓扑层上外延生长形成。首先，采用分子束外延方式制备磁性隧道结结构，相较于传统的金属/铁磁体异质结通过磁性组装压合形成的方式，可以更稳定的形成全范德华异质结结构，即结构中各层均为二维结构层的异质结结构。现有技术较难以形成稳定的全范德华结构。全范德华异质结结构的异质结层间作用力较弱，对晶格匹配要求不高，因此磁性随机存储器件整体的晶体质量高，能够避免缺陷带来的额外的电子散射对整体输运性质的破坏，充分发挥材料的本征性质。并且相较于目前主流的使用机械剥离法制备的二维异质结，使用分子束外延生长得到的全范德华结构的异质结结构具有面积大、均匀性好、原子级清晰的界面，性质稳定。其次，使用拓扑层作为磁性隧道结之下两个电极之间的连接结构进行自旋流转化，相较于传统重金属中经典自旋散射机制主导的自旋流转化，拓扑材料的特殊的能带结构使其具备极高的自旋流转化效率，相较于重金属材料要高两个数量级，所需的极限翻转电流小两个数量级，转化相同强度的自旋流（即翻转磁矩的自旋流）所需的电流较小，对应的电流密度得到显著降低，从而功耗相较于常规器件得到了显著下降。再次，全范德华结构的磁性隧道结各层均为二维结构层，相较于传统的磁性隧道结，基于范德华磁性材料的二维结构层的磁性隧道结能够实现更大的tmr值，而在其高晶体与界面质量的前提下，磁性层整体磁矩的进动能够保持高度的一致性，最终获得更高的开关比，产生更强的信号，对功耗的要求也因此得到极大降低。因此基于本发明提供的形成方法形成的磁性随机存储器件性能参数的精确调控能力强、热稳定性高、使用寿命长。基于上述优势，本发明提供的磁性随机存储器件在新一代存储芯片具备极大的潜力。首先，分子束外延生长的结构为基于范德华结构的单晶薄膜异质结，其良好的晶体质量保证了能够充分利用高精度微加工工艺；本发明采用的范德华材料，能实现单原子层极限，使得器件极限尺寸足够小，有利于大幅度提高芯片集成度；同时基于拓扑材料与范德华磁性材料的搭配带来的低功耗，能有效缓解高集成度芯片中由发热带来的性能降低问题；此外基于范德华结构的磁性隧道结的巨大tmr响应以及高开关比产生的大响应信号能够带来足够大的级联信号，为芯片不同模块之间的信号传输提供了极大的便利，同时对输入信号的能耗要求也得到降低，整体功耗将得到显著下降。因此基于本发明提供的形成方法形成的磁性随机存储器件性能参数的精确调控能力强、热稳定性高、使用寿命长，能够广泛应用于低功耗高性能的芯片集成。

21、本发明提供的磁性随机存储器件，首先，所述拓扑层和所述磁性隧道结中的各层的材料为范德华磁性材料；所述拓扑层和所述磁性隧道结之间的界面，以及所述磁性隧道结中各层之间的层界面为范德华界面，因此磁性隧道结结构中各层均为二维结构层的全范德华异质结结构。全范德华异质结结构的异质结层间作用力较弱，对晶格匹配要求不高，因此磁性随机存储器件整体的晶体质量高，能够避免缺陷带来的额外的电子散射对整体输运性质的破坏，充分发挥材料的本征性质。其次，使用拓扑层作为磁性隧道结之下两个电极之间的连接结构进行自旋流转化，相较于传统重金属中经典自旋散射机制主导的自旋流转化，拓扑材料的特殊的能带结构使其具备极高的自旋流转化效率，相较于重金属材料要高两个数量级，所需的极限翻转电流小两个数量级，转化相同强度的自旋流（即翻转磁矩的自旋流）所需的电流较小，对应的电流密度得到显著降低，从而功耗相较于常规器件得到了显著下降。再次，全范德华结构的磁性隧道结各层均为二维结构层，相较于传统的磁性隧道结，基于二维磁性材料的二维结构层的磁性隧道结能够实现更大的tmr值，而在其高晶体与界面质量的前提下，磁性层整体磁矩的进动能够保持高度的一致性，最终获得更高的开关比，产生更强的信号，对功耗的要求也因此得到极大降低。基于上述优势，本发明提供的磁性随机存储器件在新一代存储芯片具备极大的潜力。首先，分子束外延生长的结构为基于范德华结构的单晶薄膜异质结，其良好的晶体质量保证了能够充分利用高精度微加工工艺；本发明采用的范德华材料，能实现单原子层极限，使得器件极限尺寸足够小，有利于大幅度提高芯片集成度；同时基于拓扑材料与范德华磁性材料的搭配带来的低功耗，能有效缓解高集成度芯片中由发热带来的性能降低问题；此外基于范德华结构的磁性隧道结的巨大tmr响应以及高开关比产生的大响应信号能够带来足够大的级联信号，为芯片不同模块之间的信号传输提供了极大的便利，同时对输入信号的能耗要求也得到降低，整体功耗将得到显著下降。因此基于本发明提供的形成方法形成的磁性随机存储器件性能参数的精确调控能力强、热稳定性高、使用寿命长，能够广泛应用于低功耗高性能的芯片集成。