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1所示，常规SOT-MRAM的核心结构包括：自下而上的重金属层，自由层，非磁性势垒层，固定层，反铁磁耦合层，钉扎层和覆盖层。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)。

通常的，所述固定层由于磁矩沿一个方向固定，不易被外接刺激改变，而所述自由层的磁矩方向可以被SOT电流诱导的自旋流激励而改变，从而在易磁化轴的两个方向上切换。方向上的变化表征为MTJ的高低阻态，在此行存储领域，MTJ的高低阻态可以用来相应得表示存储数据“1”或“0”的状态。

通常的，在实际器件自造过程中SOT-MRAM存在很多问题，常见的包括：1)衬底粗糙度不满足标准，为器件性能带来负向影响；2)现阶段所述重金属层厚度微小，刻蚀工艺精度要求高，难度大，易发生刻蚀窗口小引起的产品不良，如图3a和3b所示，表现为刻蚀超过预定精度引起的过刻现象。但由于SOT-MRAM本身器件结构微小，例如传统重金属层通常厚度为3纳米(nm)至5nm，因此，对于两种问题工艺能力上的改善的难度较大。

在本申请的一个实施例中，为保证所述磁隧道结在刻蚀制程中的良率，降低刻蚀精度异常引发产品不良的风险，采用多层式重金属层构建所述SOT-MRAM。

如图2a所示的SOT-MRAM刻蚀前结构示意图，该SOT-MRAM是多层式重金属层的SOT-MRAM，包括底电极层和设置于所述底电极层之上的磁隧道结3。其中，所述底电极层包括衬底和顺次覆盖于所述衬底之上的底部重金属层(BHM，Bottom Heavy Metal)1和顶部重金属层(THM，Top Heavy Metal)2。

由于所述多层式重金属层结构的引入，相较于传统重金属层结构厚度更大。因此在刻蚀过程中，相同刻蚀工艺能力的情况下，刻蚀误差对于所述多层式重金属层结构的影响较传统重金属层影响更小。因此，所述多层式重金属层相对于传统重金属层具有更大的刻蚀厚度和刻蚀时间的调整范围，即具有更大的产品规格上下限。换言之，所述多层式重金属层的引入，强化了产品本身抗刻蚀精度异常影响的能力，从而使因刻蚀精度异常造成的产品不良的风险降低。

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粗糙度改善，对重金属层的构建材料进行了筛选限定。

可选的，所述底部重金属层1由可产生自旋霍尔角的金属得到，即，底部重金属层1材质可以是具有自旋霍尔角的金属材料制备的非晶材料。此种材料仍保持金属性质，退火后保持非晶特性，非晶特性会降低自身粗糙度，从而降低衬底粗糙度较大带来的对器件性能的影响。

可选的，所述具有自旋霍尔角的金属材料至少包括：W，Pt，Ta。

可选的，所述底部重金属层1的构建可采用溅射手段，溅射过程可通入N₂用以得到被溅射金属的非晶材料。

可选的，所述底部重金属层1材料电阻率与溅射过程N₂通入量呈指数表现关系，如图5所示。

可选的，所述底部重金属层1溅射厚度1～10nm。

在本申请的一个实施例中，所述顶部重金属层2的材料选取包括：

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为重金属单质以及非磁性金属单质，至少包括：Ta、W、Pt、Pd(钯)、Hf(铪)、Au(金)、Mo(钼)以及Ti(钛)。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为重金属氧化物、氮化物以及金属混合层结构，至少包括：WO(氧化钨)，WN(氮化钨)以及混合层结构WO/WN。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为可产生自旋霍尔角的金属不同原子比的合金，至少包括：Au_0.93W_0.07、Au_0.9Ta_0.1、Au_xPt_100-x。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为反铁磁磁性材料，至少包括：IrMn、PtMn、FeMn、PdMn、L10-IrMn、poly-IrMn。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为晶体薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，外尔半金属或其它可产生自旋流的结构，至少包括：Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、(Bi_xSb_1-x)₂Te₃、Bi_xSe_1-x、WTe₂、MoTe₂、Mo_xW_1-xTe₂以及二维电子气。

在本申请的一个实施例中，所述底部重金属层1方阻值大小至少为所述顶部重金属层2方阻值大小的2倍，即R_BHM>2R_THM。以此保证电流更多得通过所述顶部重金属层2，如图4所示，从而产生更大的自旋霍尔角。

可选的，通过所述顶部重金属层2的电流I_s和通过所述底部重金属层的电流I_c关系为：I_s/I_c＝ρ_BHMt_THM/ρ_THMt_BHM，其中ρ_BHM表示所述底部重金属层1材料电阻率，t_BHM表示所述底部顶部重金属层1薄膜厚度(单位：nm)，ρ_THM表示所述顶部重金属层2材料电阻率，t_THM表示所述顶部重金属层2薄膜厚度(单位：nm)。

可选的，对于所述底部重金属层1以及所述顶部重金属层2材料电阻率选取规则可以为：ρ_BHM>2ρ_THM。

可选的，对于所属底部重金属层1以及所述顶部重金属层2材料厚度选取规则可以为：t_THM<2t_BHM。

进一步的，其中，磁隧道结3设置于所述顶部重金属层之上，一些实施例中，所述磁隧道结3包括自由层，非磁性势垒层、固定层和覆盖层。所述自由层设置于所述顶部重金属层之上，所述非磁性势垒层设置于所述自由层之上、所述固定层自由层非磁性势垒层，所述覆盖层设置于所述磁隧道结顶层。

另一些实施例中，所述磁隧道结3的膜层结构如图2b所示，自下而上分别为：自由层(FL，Free Layer)，非磁性势垒层(MgO，氧化镁)，人工反铁磁耦合层(SAF，Syntheticantiferromagnetic layer)以及覆盖层(Top，Mental)。其中，所述人工反铁磁耦合层4的结构如图1所示，结构包括固定层(RL，Reference Layer)，反铁磁层以及钉扎层。

可选的，SOT-MRAM整膜溅射完成后，退火方向需要与SOT电流方向垂直，如图2c所示，使固定磁矩方向与SOT电流方向垂直，可以实现无外场磁矩翻转。

可选的，所述底部重金属层2通入电流时，电流大部分流入所述顶部重金属层2，在所述顶部重金属层2产生垂直于电流方向的自旋极化流，进入所述自由层诱导磁矩发生翻转。

可选的，所述自由层或固定层铁磁材料可以选用CoFeB、CoFe、Co以及上述三种材料的不同成分组合，至少包括：Co₂₀Fe₆₀B₂₀、Co₄₀Fe₄₀B₂₀、Co₆₀Fe₂₀B₂₀、Co₇₀Fe₃₀、Co₇₅Fe₂₅或Co₈₅Fe₁₅。

可选的，所述非磁性势垒层材料至少包括：MgO、Al₂O₃。

在本申请的一个实施例中，提供了一种多层重金属层结构的SOT-MRAM制备方法，包括步骤：

在底电极层之上构建底部重金属层。

其中，所述底部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可选溅射工艺，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，所述具有自旋霍尔角的金属材料至少包括：W，Pt，Ta；

可选的，所述底部金属层1的构建可采用溅射手段，溅射过程可通入N₂用以得到被溅射金属的非晶材料；

可选的，所述底部重金属层1溅射厚度1～10nm。

在所述底部重金属层之上构建所述顶部重金属层。

其中，所述底部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可选溅射工艺，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，所述顶部重金属层2的材料选取可以为重金属单质以及非磁性金属单质，至少包括：Ta、W、Pt、Pd(钯)、Hf(铪)、Au(金)、Mo(钼)以及Ti(钛)。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为重金属氧化物、氮化物以及金属混合层结构，至少包括：WO(氧化钨)，WN(氮化钨)以及混合层结构WO/WN。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为可产生自旋霍尔角的金属不同原子比的合金，至少包括：Au_0.93W_0.07、Au_0.9Ta_0.1、Au_xPt_100-x。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为反铁磁磁性材料，至少包括：IrMn、PtMn、FeMn、PdMn、L10-IrMn、poly-IrMn。

可选的，所述顶部重金属层2的材料选取可以为晶体薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，外尔半金属或其它可产生自旋流的结构，至少包括：Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、(Bi_xSb_1-x)₂Te₃、Bi_xSe_1-x、WTe₂、MoTe₂、Mo_xW_1-xTe₂以及二维电子气。

在所述顶部重金属层构建磁隧道结。

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2a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。

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2b所示。常用加工步骤包括：涂胶、显影、刻蚀。

在本申请的一个可选实施例中，选用已经做好的BEOL的CMOS晶圆作为衬底，在其上溅射所述底部重金属层1和所述顶部重金属层2，其中所述底部重金属层1材料为TaN(氮化钽)，膜层厚度为5nm，所述顶部重金属层2材料为W(钨)，膜层厚度为3nm，以确保底部重金属层的方阻值是所述顶部重金属层方阻值的2倍。

可选的，所述TaN溅射过程中N₂的通入量选择为35sccm(标准毫升/分钟)；

可选的，所述自由层材料选取材料为CoFeB，溅射厚度为1.2nm。

可选的，所述非磁性势垒层选取材料为MgO，溅射厚度为1.5nm。

可选的，所述固定层选取材料为CoFeB，溅射厚度为1.9nm；

可选的，所述固定层选取材料还可以为CoFe，溅射厚度为0.5nm；

可选的，所述反铁磁耦合层选取材料为Ru，溅射厚度为0.8nm；

可选的，所述钉扎层选取材料为IrMn，溅射厚度为7.5nm；

可选的，所述覆盖层选取材料为Ta，溅射厚度为2nm；

可选的，所述覆盖层选取材料还可以为Ru溅射厚度为5nm；

可选的，所述磁隧道结3膜堆溅射完成后，进行退火处理，退火条件包括：温度300℃，磁场强度1T，退火时间1h；

可选的，退火方向同重金属层中电流方向垂直；

可选的，退火后针对所述膜堆结构进行涂胶，显影，刻蚀等操作；

可选的，MTJ构建成截面为椭圆式结构，截面长短轴尺寸比例为3/1；

最终，经过霍尔器件进行测试得出结果如图6所示，数据处理后得出自旋霍尔角0.46，现阶段单层重金属层材料同样选取为W的自旋霍尔角为0.1，比较而言多层结构重金属层自旋霍尔角远大于单层结构重金属层自旋霍尔角，由此可理论计算表征于SOT-MRAM中翻转电流密度降低4至5倍，翻转密度的降低将利于器件的集成。进而言之，此结构的调整利于器件的集成。

本发明的实施例提供了一种多层重金属层结构的SOT-MRAM结构及其制备方法，通过对SOT-MRAM结构的重金属层进行多层设计，将原重金属层的单层结构变更为多层结构，底层结构选取具有非晶特性的重金属材料，以此保证构建后的表面粗糙度达到需求标准。上层结构选取具备自旋霍尔角的材料，实现通电后的磁场翻转功能。由于多层重金属层结构的引入，使所述多层重金属层结构厚度增加，增大了刻蚀制程中对刻蚀厚度和刻蚀时间的调节范围，降低了因刻蚀精度异常引发的制程不良的风险。并且由于多层金属层结构在实际应用中也具有更大的自旋霍尔角，电荷流与自旋流之间的转换效率更高，更利于降低电流翻转密度，利于器件的集成。

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。