[發(fā)明專利]基于底電極平行向電壓控制的SOT-MRAM及制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110453425.8
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113178518B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊美音;羅軍;崔巖;許靜
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/04;H01L43/08;H01L43/12;H01L43/14
• 代理公司: 北京天達知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11386
• 代理人: 龐許倩

本發(fā)明涉及一種基于底電極平行向電壓控制的SOT?MRAM及制造方法，屬于半導(dǎo)體器件及其制造技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)中SOT?MRAM難以實現(xiàn)便于集成和產(chǎn)業(yè)化的磁矩定向翻轉(zhuǎn)的問題。包括鐵電薄膜層，設(shè)置有兩個金屬電極，通過兩個金屬電極向鐵電薄膜層施加第一電壓；底電極，位于鐵電薄膜層之上并設(shè)置于鐵電薄膜層中部，呈長條形，在底電極兩端施加第二電壓；隧道結(jié)，位于底電極之上并設(shè)置于底電極中部，包括由下至上依次層疊的自由層、隧穿層和參考層；其中，兩個金屬電極相對設(shè)置在鐵電薄膜層相對的兩個邊緣上，并位于所在邊緣中線的一側(cè)，且兩個邊緣位于底電極短邊方向的兩側(cè)，通過所述兩個金屬電極施加第一電壓的方向與底電極長邊方向平行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于底電極平行向電壓控制的SOT-MRAM及制造、寫入方法。

背景技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，更小、更快、更節(jié)能依然是現(xiàn)在數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的發(fā)展需求，在半導(dǎo)體存儲器領(lǐng)域中，使用電子自旋實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的磁性隨機存儲器(MagneticRandom Access Memories，MRAM)由于具有高速、低電壓、高密度、非易失性等優(yōu)點成為研究熱點。其中，自旋軌道矩磁阻式隨機存儲器(Spin-Orbit Torque MagnetoresistiveRandom Access Memory，SOT-MRAM)具有讀寫分離、寫入速度快等優(yōu)點，被認為是下一代磁隨機存儲器，并且由于寫入電流不通過隧道結(jié)，具有極高的耐久度，適合應(yīng)用于存算一體器件中。

在SOT-MRAM中，利用自旋軌道耦合產(chǎn)生自旋流，進而誘導(dǎo)磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，但是磁矩在電流作用下翻轉(zhuǎn)方向是隨機的，這不利于進行有效的數(shù)據(jù)存取，需要一個外加磁場，打破對稱性實現(xiàn)磁矩的定向翻轉(zhuǎn)，但是外加磁場不利于器件的集成。

因此，目前的SOT-MRAM難以實現(xiàn)便于集成和產(chǎn)業(yè)化的磁矩定向翻轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述的分析，本發(fā)明實施例旨在提供一種基于底電極平行向電壓控制的SOT-MRAM及制造、寫入方法，用以解決現(xiàn)有的SOT-MRAM難以實現(xiàn)便于集成和產(chǎn)業(yè)化的磁矩定向翻轉(zhuǎn)的問題。

一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于底電極平行向電壓控制的SOT-MRAM，包括：

鐵電薄膜層，設(shè)置有兩個金屬電極，通過所述兩個金屬電極向鐵電薄膜層施加第一電壓；

底電極，位于所述鐵電薄膜層之上并設(shè)置于所述鐵電薄膜層中部，呈長條形，在所述底電極兩端施加第二電壓；

隧道結(jié)，位于所述底電極之上并設(shè)置于所述底電極中部，包括由下至上依次層疊的自由層、隧穿層和參考層；

其中，所述兩個金屬電極相對設(shè)置在所述鐵電薄膜層相對的兩個邊緣上，并位于所在邊緣中線的一側(cè)，且所述兩個邊緣位于所述底電極短邊方向的兩側(cè)，通過所述兩個金屬電極施加第一電壓的方向與所述底電極長邊方向平行；通過第一電壓與第二電壓的正負，控制磁化的定向翻轉(zhuǎn)。

進一步地，所述鐵電薄膜層的材料為HfZrO或PZT，厚度為3～10nm。

進一步地，所述金屬電極材料為Al、Cu或者W，厚度為100～400nm。

進一步地，所述第一電壓和第二電壓的范圍為-2～2V。

進一步地，所述隧道結(jié)包括由下至上依次層疊的自由層、隧穿層和參考層，其中，所述自由層與底電極連接。

進一步地，所述隧道結(jié)為圓形、橢圓形或矩形。

另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于底電極平行向電壓控制的SOT-MRAM的制造方法，其特征在于，包括：

在電路片上生長鐵電薄膜形成鐵電薄膜層；

在所述鐵電薄膜層上生長底電極，所述底電極呈長條形；