具有复合种子层结构的磁性随机存储器存储单元制造技术

本申请提供公开了一种复合种子层结构及其磁性随机存储器存储单元。磁性随机存储器存储单元的复合种子层位于底电极与反平行铁磁超晶格层之间。为保证磁性随机存储器正常工作，要求其位于反平行铁磁超晶格层之下的复合种子层有超高的平整度的同时，其晶格常数要与反平行铁磁超晶格层高度匹配。在现有技术中，复合种子层通常采用经过PVD生长的Pt，其厚度大于5nm。本发明专利技术采用一种含金属铜或氮化铜的多层结构的复合种子层，增加反平行铁磁超晶格层的垂直磁性各向异性，同时在保证磁性随机存储器正常工作的前提下，降低了生产成本，避免了较厚的Pt难以刻蚀的问题。了较厚的Pt难以刻蚀的问题。了较厚的Pt难以刻蚀的问题。

【技术实现步骤摘要】
具有复合种子层结构的磁性随机存储器存储单元


[0001]本专利技术涉及存储器
，特别是关于一种含铜或氮化铜作为复合种子层的磁性随机存储器存储单元。

技术介绍

[0002]近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的垂直型自旋电子扭矩磁性存储器(pSTT-MRAM)具有非易失性，高速读写，大容量以及低能耗的特点，被人们认为是未来最有发展前途的存储器之一。磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的基本结构包括底电极、种子层、反平行铁磁超晶格层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层及顶电极。以上所有结构均使用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)的方法依序沉积而成。
[0003]隧穿磁阻效应(TMR)是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其隧穿电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化而变化的效应。磁性存储器TMR大小决定了磁性存储器的读取速度。低TMR会降低磁性存储器的读取速度，从而极大影响磁性存储器的性能。经过理论计算,以FeCoB/MgO/FeCoB为基本结构的磁性隧道结(MTJ)在RA＝10ohm.um2时，TMR超过2000％。但使用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)的方法，且以FeCoB/MgO/FeCoB为基本结构的垂直型磁性隧道结在RA＝10ohm.um2时，TMR一般不超过300％。2008年，日本东北大学的S.Ikeda,H.Ohno团队报道了平面型磁性隧道结CoFeB/MgO/CoFeB的电阻率变化在室温下达到604％。造成TMR理论值与实际值相差较大的原因有很多种，其中磁性隧道结的底电极，种子层和反平行铁磁超晶格层的平整度及晶格是否匹配对TMR有很大影响。
[0004]为保证磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)可以正常工作，所有层均需保证较高的平整度，而且层与层之间的晶体结构与晶格常数要匹配。为保证较高的平整度及晶体结构匹配，磁性隧道结最下面的底电极，种子层和反平行铁磁超晶格层的工艺尤为重要。底电极沉积在经过化学机械研磨工艺(CMP)的CMOS之上。采用化学机械研磨工艺的CMOS有较高的平整度。种子层沉积于底电极之上，反铁磁层之下，其晶体结构与晶格常数要基本匹配上下二层，才能得到器件存储元所需要的较高的垂直磁性各向异性(PMA)。反平行铁磁超晶格层对底电极和种子层的平整度及晶格匹配要求较高。
[0005]现有技术中，采用较厚的Pt，一般大于5nm，作为种子层。Pt与上层反平行铁磁超晶格层晶格常数匹配，但与下层底电极的晶格常数不匹配。故需要沉积一层较厚的Pt起晶格转换的作用。此方法一方面成本较贵，另一方面也给之后的刻蚀工艺带来难题。
[0006]TMR决定了磁性存储器的读取速度。低TMR会降低磁性存储器的读取速度，从而极大影响磁性存储器的性能。提高TMR已经成为目前的亟待解决的技术问题之一。优化种子层的材料及工艺条件是提高TMR的重要途经之一。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种含铜或氮化铜作为复合种子层的磁性随机存储器存储单元。
[0008]本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
[0009]依据本申请提出的一种含铜或氮化铜作为复合种子层的磁性随机存储器存储单元，包括底电极、复合种子层、反平行铁磁超晶格层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层及顶电极顺序依次沉积。
[0010]进一步地，所述底电极由TiN、Ti，Ta、TaN、W、WN或其组合材料制成；优选TiN/Ta。使用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)沉积的Ta具有体心立方(BCC)晶体结构，晶格常数为3.30埃。
[0011]进一步地，所述复合种子层包括：含铜层，设置于底电极上，为铜或氮化铜构成；晶格稳定层，设置于所述含铜层上；铂(Pt)或钯(Pd)金属层，设置于所述晶格稳定层层上。
[0012]进一步地，所述含铜层的厚度为1-20nm；所述铂或钯金属层的厚度为1-5nm。
[0013]进一步地，所述复合种子层由Cu/X/Pt、CuN/X/Pt、(Cu/X/Pt)n、(Cu/X)n/Pt或(CuN/X/Pt)n制成，n为2-6的整数。X(所述晶格稳定层)的材料为W、Mo、Nb、Hf、Ta、Ru、Rh或Ir，厚度为0-1.0nm。Cu或CuN(含铜层)具有面心立方(FCC)晶体结构，晶格常数为3.61-3.88埃。随着氮含量增加，CuN的晶格常数更趋近于3.88埃。Pt具有面心立方(FCC)晶体结构，晶格常数为3.9埃。反平行铁磁超晶格层中的Co同样具有面心立方(FCC)晶体结构，晶格常数为3.54埃。Cu或CuN设置于Ta底电极上，极容易生长为面心立方(FCC)晶体结构，其晶格常数与Pt，Co晶格常数较其接近，晶格较为匹配。较薄的X位于CuN与Pt之间也可以起晶格稳定及阻挡铜扩散的作用。
[0014]进一步地，所述含铜层和所述铂或钯(Pt或Pd)层均为物理气相沉积工艺腔体中进行沉积。
[0015]进一步地，所述所述铂或钯(Pt或Pd)层沉积后，进一步保持在真空中采用等离子体刻蚀表面处理，以提高表面平整度。
[0016]进一步地，所述晶格稳定层为物理气相沉积工艺腔体中进行沉积。
[0017]进一步地，所述复合种子层进一步包括多次重复的结构：(含铜层/晶格稳定层/铂或钯层)x或(含铜层/晶格稳定层)x/铂或钯层，x为不大于6的正整数。
[0018]进一步地，所述反平行铁磁超晶格层包括下铁磁超晶格层、反平行铁磁耦合层和上铁磁层，所述反平行铁磁超晶格层具有[Co/Pt]nCo/(Ru，Ir或Rh)、[Co/Pt]nCo/(Ru，Ir或Rh)/Co[Pt/Co]m、[Co/Pd]nCo/(Ru，Ir或Rh)、[Co/Pd]nCo/(Ru，Ir或Rh)/Co[Pd/Co]m、[Co/Ni]nCo/(Ru，Ir或Rh)或[Co/Ni]nCo/(Ru，Ir或Rh)/Co[Ni/Co]m超晶格结构，其中，n≥1，m≥0。优选的，结构为下述自下而上结构之一：(Co/(Pt或Pd))n/Co/(Ru或Ir)/Co/((Pt或Pd)/Co)m，或(Co/(Pt或Pd))nCo/Ru/(W,Mo或Cr)，n为1-6的整数，m为0-3的整数。
[0019]进一步地，所述参考层、反平行铁磁超晶格层之间，进一步包含一层晶格隔断层，所述晶格隔断层材料选为W、Mo、Nb、Hf、Ta。优选的，所述晶格隔断层由Ta，W，Mo，Hf，Fe，Co(Ta，W，Mo或Hf)，Fe(Ta，W，Mo或Hf)，FeCo(Ta，W，Mo或Hf)或FeCoB(Ta，W，Mo或Hf)制成，其厚度为0.15nm-0.4nm。主要起隔断反平行铁磁超晶格层和参考层的作用，由于反平行铁磁超晶格层具有面心立方(FCC)晶体结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性随机存储器存储单元，所述磁性随机存储单元由上至少下结构包括顶电极、所述磁性隧道结与底电极，所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层、自由层、势垒层、参考层、反平行铁磁超晶格层与复合种子层，其特征在于，所述复合种子层包括：含铜层，设置于底电极上，为铜或氮化铜构成；晶格稳定层，设置于所述含铜层上；铂或钯(Pt或Pd)金属层，设置于所述晶格稳定层上；其中，所述含铜层与所述铂或钯金属层皆为面心立方(FCC)晶体结构，所述含铜层的晶格常数为3.61-3.88埃，N2含量为0％-40％；所述复合种子层用于引导所述反平行铁磁超晶格层的生成，以使所述反平行铁磁超晶格层生成时形成面心立方FCC(111)晶向结构并具有垂直磁性各向异性。2.如权利要求1所述磁性随机存储器存储单元，其特征在于，所述含铜层的厚度为1-20nm；所述铂或钯金属层的厚度为1-5nm。3.如权利要求1所述磁性随机存储器存储单元，其特征在于，所述含铜层和所述铂或钯(Pt或Pd)层均为物理气相沉积工艺腔体中进行沉积。4.如权利要求3所述磁性随机存储器存储单元，其特征在于，所述所述铂或钯(Pt或Pd)层沉积后，进一步保持在真空中采用等离子体刻蚀表面处理，以提高表面平整度。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭一民，肖荣福，陈峻，麻榆阳，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：