一种磁性随机存储器及其制备方法和控制方法
阅读说明：本技术 一种磁性随机存储器及其制备方法和控制方法 (Magnetic random access memory and preparation method and control method thereof ) 是由 卢世阳 刘宏喜 曹凯华 王戈飞 赵巍胜 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁性随机存储器及其制备方法和控制方法,涉及隧穿磁电阻领域,步骤包括：构建所述磁性随机存储器的底部层级结构；构建混合式重金属层；构建剩余隧穿磁隧道结膜层结构；构建加工隧穿磁隧道结。所述方法通过在底层衬底结构上表面构建混合式重金属层,在不同材质金属层上表面溅射生成完整磁隧道结,针对重金属层通入电流,利用不同材质的自旋霍尔角角度和大小不同的性质,使所述重金属层在通入电流时实现多模态翻转动作。结合其磁性随机存储器本身良好的存储性能,可实现计算机的“逻辑存储一体化”,从而实现对计算机运算速度的提升。(The invention discloses a magnetic random access memory and a preparation method and a control method thereof, relating to the field of tunneling magnetoresistance, comprising the following steps: building a bottom hierarchy of the magnetic random access memory; constructing a mixed heavy metal layer; constructing a residual tunneling magnetic tunnel junction film layer structure; and constructing and processing the tunneling magnetic tunnel junction. The method comprises the steps of constructing a mixed heavy metal layer on the upper surface of a bottom substrate structure, sputtering the upper surfaces of metal layers made of different materials to generate a complete magnetic tunnel junction, and leading current to the heavy metal layer, wherein the heavy metal layer realizes multi-mode turning action when the current is led in by utilizing the properties of different spinning Hall angle angles and different sizes of the different materials. The magnetic random access memory has good storage performance, and can realize logic storage integration of the computer, thereby realizing the improvement of the operation speed of the computer.)
技术领域
本发明涉及磁性电子器件领域，特别是一种磁性随机存储器的制备方法。
背景技术
随着电子设备软硬件性能的不断更新升级，市场针对计算机的运行速度和存储速度提出了更高的要求。在传统的冯·诺伊曼计算机架构中，处理器和存储器是两个单独的器件，现阶段技术中处理器的计算速度比存储器的读写速度快很多，而要将存储器中的信息进行运算，就需要不断地在处理器和存储器进行信息传输，这样极大限制了计算机的运算速度，即通常意义上所讲的“存储墙”问题。
为解决上述问题，现阶段所公开可提高计算机运算速度的系统结构，如图1所示，该系统结构包括：根组件201，和三个芯片202，203，204以及转换器205，其中：至少两个芯片中的芯片上设有两个PCIe(peripheral component interconnect express，高速串行计算机扩展总线标准)接口，至少两个芯片通过PCIe接口与转换器连接，并且至少两个芯片中的芯片或转换器与跟组件连接。该实施方式通过至少两个芯片，实现了增加运算能力，提高运算速度。由于该技术仍采用“逻辑存储分体化”的模态，未从根本解决“存储墙”的问题，故在未来应用中，随着对计算即运行速度需求的进一步提高，仍会陷入瓶颈状态。
当前，随着磁性存储开发制备技术的不断成熟，磁性随机存储器(MRAM，MagneticRandom Access Memory)，包括自旋轨道矩-磁性随机存储器(SOT-MRAM，Spin-orbittorque MRAM)，由于其本身存储密度大，能耗低，信息非易失性等优势，已成为最有潜力替代嵌入式闪存的存储器。并且这种基于磁性材料的存储器具有可电学操控和天生的信息非易失特性，是实现“逻辑存储一体化”的理想体系。
因此，对基于磁性材料和自旋电子学技术的自旋逻辑器件进行更深一步得发掘并利用，根本解决计算机“存储墙”问题，实现“逻辑存储一体化”，以此提升计算机运行速度显得尤为重要。
发明内容
本发明实施例提供一种磁性随机存储器的制备方法，可以准确且稳定实现数据的逻辑运算和多模态存储。
为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了一种磁性随机存储器的制备方法，包括步骤：
S1：构建所述磁性随机存储器的底部层级结构；
S2：构建混合式重金属层；
S3：构建隧穿磁隧道结膜层结构；
S4：构建加工隧穿磁隧道结。
在一些实施例中，所述磁性随机存储器的制备方法，可使用于重金属层为Via(互连通孔)式连接结构和接触连接式结构的SOT-MRAM单元。
在一些实施例中，所述混合式重金属层，结构为同一层面内具备至少两种可产生自旋流结构的材料。
在一些实施例中，所述混合式重金属层材料类别选取包括：重金属单质，重金属氧化物，重金属氮化物，合金，反铁磁磁性材料，晶体薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，外尔半金属，二维电子气。
在一些实施例中，所述混合式重金属层中，构成材料应保持选取的材料彼此间自旋霍尔角方向相反，自旋霍尔角绝对值大小不同。
在一些实施例中，所述构建混合式重金属层方法，包括步骤：
G1：于底层结构上表面构建第一部分重金属层；
G2：于底层结构上表面清除多余所述构建的第一部分重金属层，预留后续待构建重金属层区域；
G3：于底层结构上表面构建后续部分重金属层；
G4：清除各金属层上表面无相关构建废料。
在一些实施例中，所述构建混合式重金属层方法中，所述金属层构建可采用溅射方式进行。
在一些实施例中，所述构建混合式重金属层方法中，所述清除多余金属层和所述清除金属层上表面无相关构建废料手段可采用刻蚀方式进行。
在一些实施例中，所述构建重金属层上方剩余MTJ(隧穿磁隧道结，MagneticTunnel Junction)结构采用溅射方式进行。
在一些实施例中，所述将MTJ膜层结构加工成MTJ隧道结过程，可实施步骤包括：涂胶、显影、蚀刻。
在一些实施例中，所述待构建重金属层区域数量大于等于2个，需循环执行G2，G3，G4所述步骤，至完成所述混合式金属层构建。
本申请的第二方面还提供了一种磁性随机存储器，一种磁性随机存储器，其特征在于，所述磁性随机存储器包括：具有混合式重金属层的磁隧道结；其中，
所述混合式重金属层包括自旋霍尔角相反且绝对值大小不同的至少两种重金属材料。
在一些实施例中，所述混合式重金属层材料选取包括至少两种可产生自旋流结构的材料。
在一些实施例中，所述磁性随机存储器隧穿磁隧道结结构为顶钉扎结构。
在本申请的第三个方面还提供了一种磁性随机存储器的多态控制方法，其特征在于，所述方法应用于所述的磁性随机存储器中，包括：
向所述磁性随机存储器的磁隧道结的底电极中分别通入不同方向和/或不同大小的电流，使所述磁隧道结中混合式重金属层的多种重金属材料的自旋霍尔角方向构成多个不同的方向组；
所述多个不同的方向组使所述磁隧道结形成多个不同阻态；
分别识别所述多个不同阻态，并将不同阻态分别代表不同的二进制数据进行存储和/或读取。
本发明的实施例提供了一种可逻辑运算的磁性随机存储器的制备方法，通过在底层衬底结构上表面构建混合式重金属层，在不同材质金属层上表面溅射生成完整磁隧道结，针对重金属层通入电流，利用不同材质的自旋霍尔角方向和绝对值大小不同的性质，使所述重金属层在通入电流时实现多模态翻转动作。结合其磁性随机存储器本身良好的存储性能，可实现计算机的“逻辑存储一体化”，从而实现对计算机运算速度的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例。
图1为根据本发明现阶段技术公开系统结构示意图；
图2为根据本发明一实施方式的隧穿磁隧道结结构示意图；
图3-a为根据本发明一实施方式的重金属层以Via连接式的SOT-MRAM结构单元示意图；
图3-b为根据本发明一实施方式的重金属层以接触连接式的SOT-MRAM结构单元示意图；
图4为根据本发明一实施方式的混合式重金属层电流输入波形及模态输出示意图；
图5为根据本发明一实施方式的可逻辑运算的磁性随机存储器的制备流程示意图；
图6为根据本发明一实施方式的所述构建混合式重金属层的流程示意图；
图7为根据本发明一实施方式的磁性随机存储器的衬底层结构示意图；
图8为根据本发明一实施方式的所述构建混合式重金属层过程产品结构变化示意图；
图9-a为根据本发明一实施方式的构建隧穿磁隧道结金属层后膜层生长过程产品结构示意图；
图9-b为根据本发明一实施方式的隧穿磁隧道结完成品产品结构示意图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本领域技术人员可以理解，本申请中的“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。
如图2所示，SOT-MRAM核心结构——隧穿磁隧道结结构自下而上区分，主要包括：衬底层(基底)，重金属层，自由层，非磁性层，固定层，反铁磁耦合层，钉扎层，覆盖层。其中重金属层产生自旋霍尔效应。自旋(spin)是电子与生俱来的一个角动量，自旋霍尔效应是指在无外加磁场的条件下，通入电场，注入非极化电流，自旋向上与自旋向下的电子会往反方向移动，然而往上和往下运动的电荷数目相等，因此并不会有净电流流动，自旋霍尔效应的主要成因是基于材料中电子自旋轨道耦合(SOC，Spin Orbit Coupling)，即电子的“自旋角动量”和“轨道角动量”的交互作用结果，因此，自旋霍尔效应结果程度的强弱同所用样品材料的选取具备强相关关系。在SOT-MRAM领域应用中，SOT-MRAM通过在重金属层中通入一个面内电流，利用电子自旋和轨道之间的相互作用有道产生非平衡的自旋积累，从而形成垂直于电流方向的自旋流。进入自由层的自旋极化电流迅速与局部磁矩作用产生自旋轨道力矩(或者一个场)，如果达到临界电流，就会诱发磁矩实现翻转。SOT-MRAM能够产生翻转源于自旋轨道矩效应重金属层的强自旋轨道耦合作用，自旋源往往具有一定的自旋-电荷转换效率，即自旋霍尔角(SHA，Spin Hall Angle)。
在本申请的一个实施例中，为实现对所述磁性存储器的可逻辑运算功能，基于不同重金属层材料的自旋霍尔角不同的原理，构建所述混合式重金属层选取自旋霍尔角相反且绝对值大小不等的两种材料。如图3-a和3-b所述的两种重金属层连接方式的SOT-MRAM结构单元说明，此处以W(钨)和Pt(铂)为例，W的自旋霍尔角和Pt的自旋霍尔角方向相反，W的自旋霍尔角为负，Pt的自旋霍尔角为正，且在数量关系上，W的自旋霍尔角的绝对值大于Pt的自旋霍尔角的绝对值，即|θW|＞|θPt|，所用写入电流大小的关系为：IW＜IPt，因此在通入相同大小电流时，两金属对应隧穿其隧道翻转结存在逻辑上的是非关系以及时序上的先后关系，可按照需求实现逻辑状态的描述，具备逻辑运算的能力。
在本申请的一个实施例中，为实现对所述混合式重金属层的逻辑状态运算，如图4所示，提出了一种所述隧穿磁隧道结翻转状态的表达逻辑。在所述磁隧道结底电极通入电流，电流通过重金属层，由于两层重金属层自旋霍尔角相反且大小不相等，会对上层MTJ结电阻状态产生不同影响。以所述重金属层材料为W和P为例，当在底电极通入正电流时，由于W和Pt的自旋霍尔角度相反，W的自旋霍尔角的绝对值大于Pt的自旋霍尔角的绝对值，即|θW|＞|θPt|，所用写入电流大小的关系为：IW＜IPt。通入电流后SOT-MRAM状态表现为(01)，随着正向电流增大，由于W和Pt的写入电流大小关系为：IW＜IPt，因此在电流增大过程中W首先实现翻转，翻转后SOT-MRAM状态表现为(11)。当在底点击通入负电流时，由于W和Pt的自旋霍尔角度相反，通入电流后SOT-MRAM状态表现为(10)，随着负向电流增大，由于W和Pt的写入电流大小关系为：IW＜IPt，因此在电流增大过程中W首先实现翻转，翻转后SOT-MRAM状态表现为(00)。由此，实现了SOT-MRAM的多态逻辑运算和表达。
在本申请的一个实施例中，提供了一种可逻辑运算的磁性随机存储器的制备方法，如图5所示，包括步骤：
S1：构建所述磁性随机存储器的底部层级结构。
底层衬底结构如图7所示，采用常规半导体光刻后道工序(BEOL，back end ofline)的互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)集成晶圆作为衬底。所述衬底片又称wafer(晶圆衬底)，晶圆加工现阶段工艺手段较为成熟，所述方法中可直接使用如上述制成品或依据特殊需求进行单独制备，常见的200mm CMOS的晶圆制造工艺流程包括：
1)拉单晶，2)切片，3)磨片，4)抛光，5)增层，6)光刻，7)掺杂，8)热处理，9)针测，10)划片。
S2：构建混合式重金属层。
重金属层的构建可采用溅射工艺手段。溅射工艺是一种以一定能量的粒子(粒子或中性原子、分子)轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺，溅射工艺只可在一定的真空状态下进行，此处所述混合式重金属层生长构建优选溅射工艺，但并非局限于此方案，其它模式同样可适用。
可选的，所述混合式重金属层生长构建的溅射工艺包括但不局限二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料选取包括以下至少一种材料：Ta(钽)、W、Pt、Pd(铅)、Hf(铪)、Au(金)等重金属以及Ti(钛)为代表的非磁性金属；
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料还可以选取为WO或WN；及其WO/WN的多层结构，厚度限定1—10nm；
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料还可以选取为上述金属的材料的不同原子比的合金，包括但不限于：Au0.93W0.07、Au0.9Ta0.1、AuxPt100-x，厚度一般为1-10nm；
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料还可以选取为反铁磁磁性材料，包括但不限于：IrMn、PtMn、FeMn、PdMn、L10-IrMn、poly-IrMn；
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料还可以选取为晶体薄膜，多晶薄膜或非晶薄膜包括但不限于：Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3、(BixSb1-x)2Te3或BixSe1-x；
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料还可以选取为外尔半金属，包括但不限于WTe2、MoTe2或MoxW1-xTe2；
可选的，所述混合式重金属层生长构建材料还可以选取为任何可以产生自旋流的结构，包括但不限于二维电子气。
S3：构建隧穿磁隧道结膜层结构。
隧穿磁隧道结膜层结构构建可采用溅射工艺手段，构建效果如图9-a所示。
可选的，所述隧穿磁隧道结膜层生长构建的溅射工艺包括但不局限二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
S4：构建加工隧穿磁隧道结。
隧穿磁隧道结膜层结构生长完整后，进行隧穿磁隧道结结构加工，加工效果如图9-b所示。常用加工步骤包括：涂胶、显影、刻蚀。
其中，根据重金属层连接类型不同，SOT-MRAM结构单元金属层可分为Via式连接和接触式连接，典型结构可参见图3-a和3-b中结构的示例。本申请实施例的技术方案主要是通过在所述底层衬底表面构建所述混合式重金属层，利用不同材料间自旋霍尔角度大小和方向的差异，实现对逻辑状态的拆分描述，实现了SOT-MRAM逻辑运算功能的附加，且过程中未改变SOT-MRAM的整体结构，对于多种模态结构的SOT-MRAM单元具备兼容性。
在本申请的一个优选实施例中，以重金属层Via式连接模式的SOT-MRAM结构为例，底层衬底结构选取Via式连接类型，所述混合式重金属层构建流程如图6所示，包括步骤：
G1：于底层结构上表面构建第一部分重金属层；
其中，构建手段可采用溅射生长手段。此处所述混合式重金属层生长构建优选溅射工艺，但并非局限于此方案，其它模式同样可适用。
可选的，所述混合式重金属层生长构建的溅射工艺包括但不局限二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
G2：于底层结构上表面清除多余所述构建的第一部分重金属层，预留后续待构建重金属层区域。
构建所述混合式重金属层常规理解可为两种构建思路1)指定区域溅射，2)第一道溅射完整区域后进行清除，预留第二道溅射区域。第一种思路对于溅射精度需求更高，操作难度更大。通常为保证溅射区域完全，实际溅射生长过程中溅射效果范围大于溅射目标区域，因而此处更优选得采用第二种构建思路。
可选的，所述清除多余所述构建得第一部分重金属层，步骤包括：涂胶、显影、刻蚀等工艺操作。
G3：于底层结构上表面构建后续部分重金属层。
其中，构建手段可采用溅射生长手段。此处所述混合式重金属层生长构建优选溅射工艺，但并非局限于此方案，其它模式同样可适用。
可选的，所述混合式重金属层生长构建的溅射工艺包括但不局限二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
G4：清除各金属层上表面无相关构建废料。
所述后续部分重金属层溅射生长完成后，对于产品上表面结构而言会出现废料覆盖的现象，具体表现为图8中G3步骤所示产品状态。状态下产品上表面表现仍为非混合式重金属层，需要对其上表面无关废料进行处理，处理后状态如图8中G4步骤所示产品状态。
可选的，所述清除多余所述构建得第一部分重金属层，步骤包括：涂胶、显影、刻蚀等工艺操作。
其中对应所述混合式重金属层构建流程各步骤的产品状态变化如图8所示。从图中可以看出，制备过程实现了所述混合式金属层的构造，在原重金属层区域内构建了新类别材料区域。对于产品堆叠状态而言未造成明显影响。因而在本申请实施例技术方案可以保证原SOT-MRAM存储性能不受负向影响前提下，具备了所述混合式重金属层结构，实现了“逻辑存储一体化”。
可选的，所述构建混合式重金属层方法中，所述金属层构建可采用溅射方式进行。
可选的，所述构建混合式金属层方法中，所述清除多余金属层和所述清除金属层上表面无相关构建废料手段可采用刻蚀方式进行。
本发明的实施例提供了一种可逻辑运算的磁性随机存储器的制备方法，通过在底层衬底结构上表面构建混合式重金属层，在不同材质金属层上表面溅射生成完整磁隧道结，针对重金属层通入电流，利用不同材质的自旋霍尔角角度和大小不同的性质，使所述重金属层在通入电流时实现多模态翻转动作。结合其磁性随机存储器本身良好的存储性能，可实现计算机的“逻辑存储一体化”，从而实现对计算机运算速度的提升。
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。