[發(fā)明專利]一種STT-MRAM存儲(chǔ)單元

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611201099.7
• 申請(qǐng)日: 2016-12-22
• 公開（公告）號(hào): CN106783862B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王真;何岳巍;胡少杰;閔泰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/22
• 分類號(hào): H01L27/22
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

1.一種STT-MRAM存儲(chǔ)單元的制備方法，其特征在于，所述STT-MRAM存儲(chǔ)單元包括晶體管(101)和MTJ單元(200)；

晶體管(101)建立在基底(100)上，晶體管(101)的漏極(103b)與MTJ單元(200)通過(guò)金屬線(106)達(dá)到漏接觸；晶體管(101)包括源極(103a)、漏極(103b)和柵極迭層(102)；源極(103a)和漏極(103b)間隔設(shè)置在基底(100)上，源極(103a)和漏極(103b)通過(guò)柵極迭層(102)連接；柵極迭層(102)與第一字線(105)相連，漏極(103b)與MTJ單元(200)通過(guò)金屬線(106)達(dá)到漏接觸；

MTJ單元(200)由內(nèi)至外依次為內(nèi)電極(204)和包裹在內(nèi)電極(204)外周的種子層(212)、鐵磁性釘扎層(203)、非磁性勢(shì)壘層(202)、鐵磁性自由層(201)和外電極(205)，其中鐵磁性釘扎層(203)與鐵磁性自由層(201)能夠交換順序；

種子層(212)、鐵磁性釘扎層(203)、非磁性勢(shì)壘層(202)、鐵磁性自由層(201)和外電極(205)均與基底(100)所在平面不平行；種子層(212)、鐵磁性釘扎層(203)、非磁性勢(shì)壘層(202)、鐵磁性自由層(201)和外電極(205)與金屬線(106)間隔設(shè)置；

MTJ單元(200)位于晶體管(101)上方并通過(guò)金屬線(106)與晶體管(101)連接；金屬線(106)與內(nèi)電極(204)連接，其中內(nèi)電極(204)垂直于金屬線(106)且內(nèi)電極(204)為長(zhǎng)方體柱狀；通過(guò)保形沉積技術(shù)在內(nèi)電極(204)漏出部分側(cè)面制備MTJ單元；

MTJ結(jié)構(gòu)的內(nèi)電極長(zhǎng)為1-10nm，寬為1-10nm，高為1-100nm；種子層的厚度為0.5-3nm；鐵磁性釘扎層厚度為0.5-15nm；勢(shì)壘層厚度為0.5-5nm；自由層厚度為1-10nm；外電極厚度為0.5-10nm；

所述制備方法包括以下步驟：

MTJ單元(200)的制備過(guò)程：在制備好的內(nèi)電極上制備一層種子層，再刻蝕得到所需種子層(212)；之后，反復(fù)利用原子層沉積技術(shù)和離子束刻蝕或電子束刻蝕制備鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層(202)和鐵磁性自由層；

內(nèi)電極(204)的制備方法包括：利用原子層沉積技術(shù)在金屬線(106)上先覆蓋一層絕緣介質(zhì)(206)；利用離子束刻蝕或電子束刻蝕技術(shù)在絕緣介質(zhì)(206)上刻蝕出一個(gè)長(zhǎng)方體形狀的凹槽，深度直達(dá)金屬線(106)；然后再利用原子層沉積技術(shù)在凹槽中填滿制備內(nèi)電極(204)的材料；然后將內(nèi)電極(204)周邊的絕緣介質(zhì)刻蝕，得到內(nèi)電極(204)；或者，首先利用原子層沉積技術(shù)制備一層金屬電極；然后對(duì)金屬電極刻蝕，在刻蝕時(shí)，不完全將金屬電極刻完，得到倒T形電極；最后，再鍍一層絕緣層，將底部未刻蝕完部分埋在絕緣層之下；外露的長(zhǎng)方體柱狀金屬為內(nèi)電極(204)；

MTJ單元由內(nèi)向外表現(xiàn)為：長(zhǎng)方體柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)電極，鐵磁性釘扎層沿長(zhǎng)方體內(nèi)電極側(cè)面保形包圍內(nèi)電極，非磁性勢(shì)壘層沿側(cè)面保形包圍鐵磁性釘扎層，鐵磁性自由層沿側(cè)面保形包圍非磁性勢(shì)壘層，鐵磁性自由層外側(cè)為外電極；或者，MTJ單元由內(nèi)向外表現(xiàn)為：長(zhǎng)方體柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)電極，鐵磁性自由層沿長(zhǎng)方體內(nèi)電極側(cè)面保形包圍內(nèi)電極，非磁性勢(shì)壘層沿側(cè)面保形包圍鐵磁性自由層，鐵磁性釘扎層沿側(cè)面保形包圍非磁性勢(shì)壘層，鐵磁性釘扎層外側(cè)為外電極；

MTJ單元上部為介電保護(hù)層(207)，介電保護(hù)層(207)覆蓋種子層(212)、鐵磁性釘扎層(203)、非磁性勢(shì)壘層(202)和鐵磁性自由層(201)，外電極(205)部分暴露于介電保護(hù)層(207)外部；

基底(100)上設(shè)有包裹晶體管(101)和MTJ單元(200)的絕緣介質(zhì)；MTJ單元(200)暴露于介電保護(hù)層(207)外部的外電極(205)與第二字線(107)相連；

種子層(212)、鐵磁性釘扎層(203)、非磁性勢(shì)壘層(202)、鐵磁性自由層(201)和外電極(205)均與基底(100)所在平面垂直。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種STT-MRAM存儲(chǔ)單元的制備方法，其特征在于，內(nèi)電極的材料為Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、Ta、V、Cr、W、Nb及其合金，或者半導(dǎo)體材料；

種子層的材料為NiFe、NiCr、NiFeCr、Cu、Ti、TiN、Ta、Ru或Rh；

鐵磁性釘扎層由一層反鐵磁薄膜和一層鐵磁薄膜構(gòu)成，或由一層硬鐵磁薄膜和一層鐵磁薄膜構(gòu)成，或由一層反鐵磁、一層耦合層和一層鐵磁薄膜構(gòu)成，或由一層硬鐵磁薄膜、一層耦合層和一層鐵磁薄膜構(gòu)成；

反鐵磁薄膜為單層膜或者多層膜，每層膜的材料為IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、NiO或CoNiO；

制備硬鐵磁薄膜的材料為Co、Fe、Pt、Pd及其中兩種或兩種以上元素形成的合金，或CoPtB合金；

鐵磁薄膜為單層膜或者多層膜，每層膜的材料為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni及其合金，或者Fe、Co、Ni與B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb組成的合金；

鐵磁性自由層為單層膜或者多層膜，每層膜的材料為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni及其合金，或者Fe、Co、Ni與B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb組成的合金；

非磁性勢(shì)壘層的材料為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種或多種混合；或者，非磁性勢(shì)壘層的材料為氮化物；

外電極材料為Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、Ta、V、Cr、W、Nb及其合金，或半導(dǎo)體材料。