[发明专利]一种STT-MRAM存储单元

说明书

本发明公开一种STT‑MRAM存储单元，包括晶体管和MTJ单元；晶体管建立在基底上，晶体管的漏极与MTJ单元通过金属线达到漏接触；MTJ单元包括内电极和包裹在内电极外周的种子层、铁磁性钉扎层、非磁性势垒层、铁磁性自由层和外电极；金属线与内电极连接；种子层、铁磁性钉扎层、非磁性势垒层、铁磁性自由层和外电极均与基底所在平面不平行；种子层、铁磁性钉扎层、非磁性势垒层、铁磁性自由层和外电极与金属线间隔设置。本发明中MTJ单元的设置形式将热稳定系数Δ随原本的平面结构尺寸的平方变化关系减弱为线性变化，可以用高度补偿，有利于MTJ小型化。本发明可有效的利用空间，保证良好的热稳定性，提高存储密度，提供多种存储模式，对20nm技术节点以下的存储器具有应用前景。

技术领域

本发明涉及STT-MRAM(Spin Transfer Torque-Magnetic Random AccessMemory，自旋转移矩-磁随机存储器)存储器件技术领域，尤其涉及一种磁隧道结(MagneticTunnel Junction，MTJ)结构和STT-MRAM器件的制备方法。

背景技术

磁随机存储器(MRAM)是一种可取代传统存储器的先进存储技术。具有良好的非挥发性，即断电后数据不丢失，良好的热稳定性，存储信息可保存超过十年，以及良好的读写稳定性，读写次数可达10¹⁶次。早期的MRAM是利用电流产生外磁场来改变自由层的磁性状态，由于所需写入电流大，能耗高而限制了小型化。而通过自旋电流来控制磁性状态的自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)，可有效避免这种状况，对存储器件的小型化具有重要意义。

STT-MRAM存储器件的读写功能由其存储单元和自旋极化电流来控制，典型的STT-MRAM存储器件由MTJ存储单元和选择性晶体管组成。而MTJ存储单元又包括铁磁性钉扎层，绝缘隧穿层，铁磁性自由层。随着半导体技术的进步，当前已有MTJ的结构是平面结构，即MTJ各层平面平行于圆晶衬底表面，电流沿垂直膜面方向流动。随着纳米技术节点不断的按比例缩小，MTJ单元各部分的尺寸在不断减小，其热稳定性受到巨大挑战。MTJ的热稳定性可由公式Δ＝KAt/kT表征。其中，Δ表示热稳定性因子，K表示各向异性常数，A表示磁自由层的面积，t表示自由层的厚度，k为玻尔兹曼常量，T为温度[A.V.Khvalkovskiy.J.Phys.D:Appl.Phys.2013]。一般要求存储单元对信息的存储具有10年以上的热稳定性，即要求热稳定性因子Δ必须保持在60-70左右。随着器件尺寸的减小，即MTJ面积A在缩小，要保持热稳定性Δ的值，需要通过增大各向异性常数K或/和薄膜的厚度t来保持。根据上述热稳定性公式，当器件尺寸减小时，自由层面积A将随器件尺寸以平方形式减小，此时为了保证热稳定性，Kt必须随器件尺寸以平方关系增加。一方面，各向异性常数K通常由磁性薄膜自由层和氧化物势垒层的界面工艺和材料类型决定，在MTJ中很难调节各向异性常数K，要使K按照MTJ尺寸的减小而增加去补偿，在技术上非常困难。另一方面，通过增加自由层的厚度t来增加Δ同样低效，因为Δ随t变化是线性的比MTJ尺寸的平方变化要缓慢很多，而且翻转电流密度与薄膜厚度t成正比，增加t使写入能量急剧升高[A.Goyal.Appl.Phys.Lett.1996]，所以通过调节t来补偿也不可行。因此，在小尺寸10nm技术节点以下，MTJ要保持好的热稳定性，就需要对MTJ结构进行新的设计。

发明内容

本发明目的在于提供一种STT-MRAM存储单元，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种STT-MRAM存储单元，包括晶体管和MTJ单元；晶体管建立在基底上，晶体管的漏极与MTJ单元通过金属线达到漏接触；MTJ单元包括内电极和包裹在内电极外周的种子层、铁磁性钉扎层、非磁性势垒层、铁磁性自由层和外电极；金属线与内电极连接；种子层、铁磁性钉扎层、非磁性势垒层、铁磁性自由层和外电极均与基底所在平面不平行；种子层、铁磁性钉扎层、非磁性势垒层、铁磁性自由层和外电极与金属线间隔设置。