[发明专利]一种STT-MRAM存储单元

权利要求书

1.一种STT-MRAM存储单元的制备方法，其特征在于，所述STT-MRAM存储单元包括晶体管(101)和MTJ单元(200)；

晶体管(101)建立在基底(100)上，晶体管(101)的漏极(103b)与MTJ单元(200)通过金属线(106)达到漏接触；晶体管(101)包括源极(103a)、漏极(103b)和栅极迭层(102)；源极(103a)和漏极(103b)间隔设置在基底(100)上，源极(103a)和漏极(103b)通过栅极迭层(102)连接；栅极迭层(102)与第一字线(105)相连，漏极(103b)与MTJ单元(200)通过金属线(106)达到漏接触；

MTJ单元(200)由内至外依次为内电极(204)和包裹在内电极(204)外周的种子层(212)、铁磁性钉扎层(203)、非磁性势垒层(202)、铁磁性自由层(201)和外电极(205)，其中铁磁性钉扎层(203)与铁磁性自由层(201)能够交换顺序；

种子层(212)、铁磁性钉扎层(203)、非磁性势垒层(202)、铁磁性自由层(201)和外电极(205)均与基底(100)所在平面不平行；种子层(212)、铁磁性钉扎层(203)、非磁性势垒层(202)、铁磁性自由层(201)和外电极(205)与金属线(106)间隔设置；

MTJ单元(200)位于晶体管(101)上方并通过金属线(106)与晶体管(101)连接；金属线(106)与内电极(204)连接，其中内电极(204)垂直于金属线(106)且内电极(204)为长方体柱状；通过保形沉积技术在内电极(204)漏出部分侧面制备MTJ单元；

MTJ结构的内电极长为1-10nm，宽为1-10nm，高为1-100nm；种子层的厚度为0.5-3nm；铁磁性钉扎层厚度为0.5-15nm；势垒层厚度为0.5-5nm；自由层厚度为1-10nm；外电极厚度为0.5-10nm；

所述制备方法包括以下步骤：

MTJ单元(200)的制备过程：在制备好的内电极上制备一层种子层，再刻蚀得到所需种子层(212)；之后，反复利用原子层沉积技术和离子束刻蚀或电子束刻蚀制备铁磁性钉扎层、非磁性势垒层(202)和铁磁性自由层；

内电极(204)的制备方法包括：利用原子层沉积技术在金属线(106)上先覆盖一层绝缘介质(206)；利用离子束刻蚀或电子束刻蚀技术在绝缘介质(206)上刻蚀出一个长方体形状的凹槽，深度直达金属线(106)；然后再利用原子层沉积技术在凹槽中填满制备内电极(204)的材料；然后将内电极(204)周边的绝缘介质刻蚀，得到内电极(204)；或者，首先利用原子层沉积技术制备一层金属电极；然后对金属电极刻蚀，在刻蚀时，不完全将金属电极刻完，得到倒T形电极；最后，再镀一层绝缘层，将底部未刻蚀完部分埋在绝缘层之下；外露的长方体柱状金属为内电极(204)；

MTJ单元由内向外表现为：长方体柱状结构的内电极，铁磁性钉扎层沿长方体内电极侧面保形包围内电极，非磁性势垒层沿侧面保形包围铁磁性钉扎层，铁磁性自由层沿侧面保形包围非磁性势垒层，铁磁性自由层外侧为外电极；或者，MTJ单元由内向外表现为：长方体柱状结构的内电极，铁磁性自由层沿长方体内电极侧面保形包围内电极，非磁性势垒层沿侧面保形包围铁磁性自由层，铁磁性钉扎层沿侧面保形包围非磁性势垒层，铁磁性钉扎层外侧为外电极；

MTJ单元上部为介电保护层(207)，介电保护层(207)覆盖种子层(212)、铁磁性钉扎层(203)、非磁性势垒层(202)和铁磁性自由层(201)，外电极(205)部分暴露于介电保护层(207)外部；

基底(100)上设有包裹晶体管(101)和MTJ单元(200)的绝缘介质；MTJ单元(200)暴露于介电保护层(207)外部的外电极(205)与第二字线(107)相连；

种子层(212)、铁磁性钉扎层(203)、非磁性势垒层(202)、铁磁性自由层(201)和外电极(205)均与基底(100)所在平面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种STT-MRAM存储单元的制备方法，其特征在于，内电极的材料为Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、Ta、V、Cr、W、Nb及其合金，或者半导体材料；

种子层的材料为NiFe、NiCr、NiFeCr、Cu、Ti、TiN、Ta、Ru或Rh；

铁磁性钉扎层由一层反铁磁薄膜和一层铁磁薄膜构成，或由一层硬铁磁薄膜和一层铁磁薄膜构成，或由一层反铁磁、一层耦合层和一层铁磁薄膜构成，或由一层硬铁磁薄膜、一层耦合层和一层铁磁薄膜构成；

反铁磁薄膜为单层膜或者多层膜，每层膜的材料为IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、NiO或CoNiO；

制备硬铁磁薄膜的材料为Co、Fe、Pt、Pd及其中两种或两种以上元素形成的合金，或CoPtB合金；

铁磁薄膜为单层膜或者多层膜，每层膜的材料为过渡金属Fe、Co、Ni及其合金，或者Fe、Co、Ni与B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金；

铁磁性自由层为单层膜或者多层膜，每层膜的材料为过渡金属Fe、Co、Ni及其合金，或者Fe、Co、Ni与B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb组成的合金；

非磁性势垒层的材料为MgO、Al₂O₃、Al₂MgO₄、ZnO、ZnMgO₂、TiO₂、HfO₂、TaO₂、Cd₂O₃、ZrO₂、Ga₂O₃、Sc₂O₃、V₂O₅、Fe₂O₃、Co₂O₃及NiO，以及以上化合物中的一种或多种混合；或者，非磁性势垒层的材料为氮化物；

外电极材料为Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、Ta、V、Cr、W、Nb及其合金，或半导体材料。