[发明专利]一种制备SOT-MRAM底电极的方法

说明书

本发明公开一种制备SOT‑MRAM底电极的方法，该方法是通过制备多层膜而非生长单一材料来制备SOT‑MRAM的底电极。所述的多层膜，每一层材料的选择为：具备强自旋‑轨道耦合的非磁材料的一种，或具备弱自旋‑轨道耦合的非磁材料中的一种，或铁磁材料中的一种。本发明方法制备工艺简单，与现有磁存储技术完全兼容。一方面，通过结合不同材料的优点，可制备高自旋霍尔电导率的材料，从而克服传统SOT‑MRAM底电极电阻率过高的问题，有利于降低SOT‑MRAM的功耗并提高器件集成度；另一方面，不同材料之间的界面可产生含有垂直方向分量的自旋流，从而有望实现垂直磁隧道结的无场翻转。

技术领域

本发明涉及一种制备SOT-MRAM底电极的方法，尤其是一种通过制备多层膜而非生长单一材料来制备SOT-MRAM底电极的方法。属于非易失性存储器技术领域。

背景技术

利用自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)对磁隧道结进行翻转的方式，理论上具有高速、低功耗的特点，并且在这一方式下，磁隧道结可以进行无限次擦写。因而基于此的磁随机存储器SOT-MRAM有望替代STT-MRAM成为未来主流存储器。

但是SOT-MRAM的实际应用依然有几个瓶颈。一个瓶颈是用于提供SOT的底电极材料的自旋霍尔电导率有待提升。自旋霍尔电导率是材料自旋霍尔角与电导率的乘积，其中自旋霍尔角是电流转化为自旋流的效率，效率越高，翻转磁隧道结所需的电流越低；而电导率则反映的是材料的导电性能，电导率越高，在一定外加电压下，底电极可以制备的长度越长，从而可以在其上集成更多的磁隧道结。因此，对于底电极材料而言，高自旋霍尔角和高电导率最好兼得，从而可以得到更高的自旋霍尔电导率，降低磁隧道结的翻转功耗并提高器件集成度。多年以来，各国研究者致力于寻找高自旋霍尔电导率的底电极材料，但是在同一种材料中，高自旋霍尔角和高电导率往往不可兼得。例如，金属钽和钨，只有在电阻率达到～200μΩ·cm时才呈现出较高的自旋霍尔角(分别为～-0.15和～-0.3)；而对于拓扑绝缘体，目前报道的自旋霍尔角可以超过1，但是其电阻率高达～1000μΩ·cm。

另一个瓶颈是需要外加面内磁场来实现垂直磁隧道结的决定性翻转，这一需求严重阻碍了SOT-MRAM的实际应用。多年来各国研究者提出了多种方案来解决这一问题，例如用楔形结构的器件、铁电材料或者层间耦合等，但是这些技术手段难于与现有的磁存储技术兼容。

发明内容

针对上述背景提到的SOT-MRAM底电极材料自旋霍尔电导率以及同一种材料中高自旋霍尔角和高电导率往往不可兼得以及需要外加磁场实现SOT决定性翻转的问题。本发明提供了一种制备SOT-MRAM底电极的方法。该方法制备工艺简单，与现有磁存储技术完全兼容。一方面，通过结合不同材料的优点，可制备高自旋霍尔电导率的材料，从而克服传统SOT-MRAM底电极电阻率过高的问题，有利于降低SOT-MRAM的功耗并提高器件集成度；另一方面，不同材料之间的界面可产生含有垂直方向分量的自旋流，从而有望实现垂直磁隧道结的无场翻转。

本发明是一种制备SOT-MRAM底电极的方法，通过制备多层膜而非生长单一材料来制备SOT-MRAM的底电极。

所述的多层膜，每一层材料的选择为：钽、钨、铂、拓扑绝缘体、MX₂等具备强自旋-轨道耦合的非磁材料的一种；或者铜、银、金、钛、石墨烯等具备弱自旋-轨道耦合的非磁材料中的一种；或者钴、镍、铁镍合金等铁磁材料中的一种。其中，MX₂是分子式形如MX₂的具备强自旋-轨道耦合的二维非磁材料，如二硫化钼、二硫化钨、碲化钨等；

所述的多层膜的层数为不少于2层。

所述的多层膜结构，每一层的厚度在0至40纳米之间，且每一层材料的厚度无需保持一致。

所述的多层膜的生长方式是磁控溅射、分子束外延、原子层沉积、电子束蒸发和物理/化学气相沉积中的一种。