[发明专利]MTJ器件的制作方法、MTJ器件及STT-MRAM

说明书

技术领域

本申请涉及计算机存储技术领域，具体而言，涉及一种MTJ器件的制作方法、MTJ器件及STT-MRAM。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)利用材料的磁电阻效应来实现数据的存储，其核心的存储单元是磁隧道结(MTJ器件)。

MTJ器件主要由钉扎层、绝缘势垒层和自由层组成。钉扎层也称为参考层，它的磁化方向保持不变，仅改变自由层的磁化方向使之与钉扎层同向或反向。MTJ器件依靠量子隧穿效应使电子通过绝缘势垒层。极化电子的隧穿概率和钉扎层与自由层的相对磁化方向有关。当钉扎层与自由层的磁化方向相同时，极化电子的隧穿概率较高，此时，MTJ器件表现为低电阻状态(Rp)；而当钉扎层与自由层磁化方向相反时，极化电子的隧穿概率较低，此时，MTJ器件表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ器件的Rp状态和Rap状态来表示逻辑状态“0”和“1”，从而实现数据的存储。遂穿磁电阻值表示为：TMR＝100％×(R_ap-R_p)/R_p。

自旋转移力矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory，简称STT-MRAM)是一种新型非易失存储器，与传统的MRAM不同，STT-MRAM利用电流的自旋转移力矩效应(STT)对MRAM进行写入操作。当自旋极化电流经过一磁性薄膜时，极化电流会与磁性薄膜的局域电子发生交换相互作用，从而对磁性薄膜的局域磁矩施加一个力矩，使之倾向于与自旋极化电流的极化方向相同，这一现象称为自旋转移力矩效应(STT效应)。对磁性薄膜施加一个与之磁化方向相反的极化电流，当极化电流强度超过一定阈值时，磁性薄膜本身的磁矩即可发生翻转。利用自旋转移力矩效应可以使得MTJ器件的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向平行或反平行，从而实现“写”操作。

目前用于STT-MRAM的MTJ结构可以分为两类：一种是面内磁化MTJ(i-MTJ),其钉扎层和自由层的磁化方向位于薄膜平面内。另一种是垂直磁化MTJ(p-MTJ)，其钉扎层和自由层的磁化方向均垂直于薄膜平面(即各层的厚方向)。垂直磁化MTJ利用垂直磁各向异性使得薄膜的易磁化轴垂直于界面。垂直磁化MTJ和面内磁化MTJ相比可以更进一步地缩小MTJ位元尺寸，从而实现更高的存储密度，与磁化方向为面内的MTJ相比，磁化方向垂直于界面的MTJ所需要的临界翻转电流更小。

垂直磁各向异性对于p-MTJ的热稳定及读写性能有重要影响。随着工艺节点的缩小，热扰动对于MTJ位元的干扰导致其热稳定性下降，MTJ位元中存储的数据不能够长久保持。由于热稳定性与垂直磁各向异性正相关，因此，提高MTJ结构的垂直磁各向异性就能够提高MTJ位元的热稳定性，以保证芯片内存储的数据能够长久保持而不丢失。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种MTJ器件的制作方法、MTJ器件及STT-MRAM，以解决现有技术中的MTJ器件的热稳定性较差的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种MTJ器件的制作方法，该制作方法包括：依次设置钉扎层、绝缘势垒层与自由层的第一过程，或者依次设置自由层、绝缘势垒层与钉扎层的第二过程，上述自由层包括至少一个结构层，当上述制作方法包括上述第一过程时，上述制作方法还包括：在设置上述自由层之前，采用等离子体法对设置上述绝缘势垒层的裸露表面进行刻蚀，和/或，在设置上述自由层的过程中采用等离子体法对至少一个上述结构层的裸露表面进行刻蚀；当上述制作方法包括上述第二过程时，上述制作方法还包括：在设置上述自由层的过程中采用等离子体法对至少一个上述结构层的裸露表面进行刻蚀。

进一步地，控制上述刻蚀的速率小于0.02nm/s。

进一步地，上述绝缘势垒层和/或上述结构层被刻蚀的厚度在0.01～1nm之间。

进一步地，控制上述刻蚀的时间在0.1s～60s之间。

进一步地，控制上述刻蚀的温度在25～250℃之间。

进一步地，控制上述刻蚀的压力在50～150mTorr之间。

进一步地，上述等离子体法采用的刻蚀气体包括Ne、Ar、Kr与Xe中的一种。

进一步地，上述等离子体法采用的辅助气体包括He、N₂、H₂与O₂中的一种。