一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术的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。本发明专利技术制备的MTJ的TMR大于等于150％。

STT-MRAM memory cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法
本专利技术属于微电子制造
，特别涉及一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法。
技术介绍
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，MagneticRadomAccessMemory)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。
技术实现思路
鉴于以上分析，本专利技术旨在提供一种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。本专利技术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。步骤2中，采用光刻胶做掩模刻蚀SOG，刻蚀温度为室温，压力为30-90mTorr，刻蚀气体为Ar、CHF3和CF4，Ar的流量为100-300sccm，CHF3的流量为2-10sccm，CF4的流量为10-60sccm；27MHz射频电源为100-500W；2MHz射频电源为50-150W；用SOG做掩模刻蚀SOC，刻蚀温度为室温，压力为5-20mTorr，刻蚀气体为Ar、O2和CH4，Ar的流量为100-300sccm，O2的流量为20-80sccm，CH4的流量为10-30sccm；射频电源为150-350W；偏压电源为100-200W。步骤3中，用SOC做掩模刻蚀顶电极层，分为两阶段刻蚀：第一阶段，温度为20-60℃，压力为5-15mTorr，刻蚀气体为O2和CF4，O2的流量为2-10sccm，CF4的流量为50-150sccm，射频电源为200-400W；偏压电源为20-50W，刻蚀时间10-30秒；第二阶段，温度为20-60℃，压力为5-15mTorr；刻蚀气体为Ar、Cl2和CH2F2，Ar的流量为100-300sccm，Cl2的流量为30-50sccm；CH2F2的流量为50-150sccm，射频电源为100-300W，偏压电源为20-50W。步骤4中，首先采用IBE直接刻蚀掉自由层的Ru层，刻蚀气体为NH3和Ar，NH3流量为5-15sccm，Ar流量为20-40ccm；然后采用纯Ar的IBE方法刻蚀自由层CoFeB/W/CoFeB/MgO/Ta膜层，停在隧穿层表面。步骤5中，射频为300-400W，Ar流量为20-50ccm，靶材到衬底晶圆的距离120-200mm，压力为1-5mTorr。步骤7中，SOC被刻蚀掉。与现有技术相比，本专利技术至少能实现以下技术效果之一：1)本专利技术的底电极层包括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，通过结合不同材料的刻蚀选择性特点，设计出了高TMR磁性隧道结(MTJ)结构；磁性隧道结(MTJ)薄膜TMR大于等于180％。2)增加了PVD溅射沉积MgO薄膜步骤，降低了刻蚀钉扎层，反铁磁层时对隧穿层和自由层的影响，消除了刻蚀过程对STT-MRAM磁性隧道结(MTJ)TMR的影响；磁性隧道结(MTJ)TMR大于等于150％。3)利用PVD溅射的方法沉积MgO薄膜，MgO薄膜将SOC层、顶电极层Ta、自由层包裹，并在隧穿层MgO表面再沉积了一层MgO薄膜，将自由层、隧穿层保护起来，消除了刻蚀钉扎层、反铁磁层、种子层时对隧穿层和自由层的影响，提高了STT-MRAM隧道结的TMR；PVD溅射沉积为低温工艺，不会对自由层性能造成影响。4)用SOC做掩模刻蚀顶电极层Ta时分为两阶段进行刻蚀，第一阶段去掉SOC与Ta的反应界面物质，增加对SOC掩模的选择比；第二阶段用来刻蚀形成形貌笔直的Ta掩模图形，且对SOC有较高的选择比。CH2F2可以有助于形成一定比例的聚合物，有助于消除Cl2对金属Ta的各向同性刻蚀，通过调整两者的比例，形成笔直的形貌。5)Ta(3-7)/Ru(10-40)叠加层一方面形成底电极层,另一方面提供了原子级别的平整度；通过工艺调试Co(0.4)/Pt(0.25)具有非常好的垂直磁各项异性，Ru(0.7-0.8)可以使[Co(0.4)/Pt(0.25)]4-7/Co(0.6)/Ru(0.7-0.8)/Co(0.6)/[Pt(0.25)/Co(0.4)]2-4Pt(0.25)/Co(0.6)形成很好的反铁磁耦合，W(0.4)可以使钉扎层CoFeB(1.0)与合成反铁磁层的顶层形成很好的铁磁耦合，并具有垂直磁各项异性，从而使合成反铁磁层可以很好的固定钉扎层CoFeB(1.0)的磁化方向，不容易进行磁极的反转，起到钉扎层的作用；自由层CoFeB/W/CoFeB/MgO/Ta/Ru与隧穿层MgO形成双界面MgO结构，两层MgO、两层CoFeB中间用W(0.4)分割，形成铁磁耦合。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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。/n

【技术特征摘要】
1.一种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。


2.根据权利要求1所述的STT-MRAM存储器单元，其特征在于，所述底电极层包括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。


3.根据权利要求2所述的STT-MRAM存储器单元，其特征在于，所述存储器单元还包括衬底晶圆、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；
所述种子层包括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。


4.根据权利要求3所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，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。


5.根据权利要求4所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，硬掩模层为SOC/SOG，SOG厚度为20-120nm，SOC厚度为50-150nm。


6.根据权利要求5所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用光刻胶做掩模刻蚀SOG，刻蚀温度为室温，压力为30-90mTorr，刻蚀气体为A...

【专利技术属性】
技术研发人员：高建峰，刘卫兵，李俊杰，李俊峰，王文武，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11