[发明专利]一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法

说明书

本发明公开了一种STT‑MRAM存储器单元及其制备方法，属于微电子制造技术领域，解决现有技术中磁性隧道结TMR(隧穿磁阻)低、MTJ刻蚀过程对STT‑MRAM的TMR性能影响大的问题。本发明的STT‑MRAM存储器单元，其特征在于，包括底电极层、MTJ和顶电极层，所述MTJ包括钉扎层、隧穿层和自由层，所述顶电极层和自由层的侧面沉积有MgO薄膜。本发明制备的MTJ的TMR大于等于150％。

技术领域

本发明属于微电子制造技术领域，特别涉及一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadom Access Memory)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

现在的STT-MRAM制造工艺中，磁性隧道结(MTJ)薄膜结构，硬掩模层结构，及MTJ刻蚀过程都会对STT-MRAM的性能，尤其TMR造成很大的影响，现有的磁性隧道结(MTJ)仅在100％左右。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法，用以解决现有技术中磁性隧道结TMR(隧穿磁阻)低、MTJ刻蚀过程对STT-MRAM的TMR性能影响大等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种STT-MRAM存储器单元，包括底电极层、MTJ和顶电极层，MTJ包括钉扎层、隧穿层和自由层，顶电极层和自由层的侧面沉积有MgO薄膜。

底电极层包括Ta金属层和Ru金属层；钉扎层包括CoFeB合金层；隧穿层包括MgO层；自由层包括CoFeB合金层、W金属层、MgO层、Ta金属层和Ru金属层；顶电极层为Ta金属层。

还包括衬底晶圆、种子层、反铁磁层和保护层，衬底晶圆、底电极层、种子层、反铁磁层、钉扎层、隧穿层、自由层、顶电极层和保护层从下至上依次设置；

种子层包括Ta金属层和Pt金属层；反铁磁层包括Co金属层、Pt金属层、Ru金属层和W金属层；保护层为SiN。

一种STT-MRAM存储器单元的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.在衬底晶圆上形成底电极层，种子层，反铁磁层，钉扎层，隧穿层，自由层，顶电极层及硬掩模层；

步骤2.进行光刻和刻蚀把图形转移到硬掩模层上；

步骤3.用硬掩模层做掩模刻蚀顶电极层；

步骤4.用顶电极层作为掩模刻蚀自由层；

步骤5.采用PVD溅射的方法沉积MgO薄膜；

步骤6.刻蚀步骤5中的MgO薄膜及隧穿层；

步骤7.刻蚀钉扎层、反铁磁层和种子层；

步骤8.沉积保护层；

步骤9.刻蚀底电极层；

步骤10.将顶电极和底电极进行互连。

步骤1中，硬掩模层为SOC/SOG，SOG厚度为20-120nm，SOC厚度为50-150nm。