本發(fā)明涉及STT-MRAM(Spin Transfer Torque-Magnetic Random Access Memory，自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器)存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)結(jié)構(gòu)和STT-MRAM器件的制備方法。

背景技術(shù)：

磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)是一種可取代傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)。具有良好的非揮發(fā)性，即斷電后數(shù)據(jù)不丟失，良好的熱穩(wěn)定性，存儲(chǔ)信息可保存超過(guò)十年，以及良好的讀寫(xiě)穩(wěn)定性，讀寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10¹⁶次。早期的MRAM是利用電流產(chǎn)生外磁場(chǎng)來(lái)改變自由層的磁性狀態(tài)，由于所需寫(xiě)入電流大，能耗高而限制了小型化。而通過(guò)自旋電流來(lái)控制磁性狀態(tài)的自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM)，可有效避免這種狀況，對(duì)存儲(chǔ)器件的小型化具有重要意義。

STT-MRAM存儲(chǔ)器件的讀寫(xiě)功能由其存儲(chǔ)單元和自旋極化電流來(lái)控制，典型的STT-MRAM存儲(chǔ)器件由MTJ存儲(chǔ)單元和選擇性晶體管組成。而MTJ存儲(chǔ)單元又包括鐵磁性釘扎層，絕緣隧穿層，鐵磁性自由層。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前已有MTJ的結(jié)構(gòu)是平面結(jié)構(gòu)，即MTJ各層平面平行于圓晶襯底表面，電流沿垂直膜面方向流動(dòng)。隨著納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷的按比例縮小，MTJ單元各部分的尺寸在不斷減小，其熱穩(wěn)定性受到巨大挑戰(zhàn)。MTJ的熱穩(wěn)定性可由公式Δ＝KAt/kT表征。其中，Δ表示熱穩(wěn)定性因子，K表示各向異性常數(shù)，A表示磁自由層的面積，t表示自由層的厚度，k為玻爾茲曼常量，T為溫度[A.V.Khvalkovskiy.J.Phys.D:Appl.Phys.2013]。一般要求存儲(chǔ)單元對(duì)信息的存儲(chǔ)具有10年以上的熱穩(wěn)定性，即要求熱穩(wěn)定性因子Δ必須保持在60-70左右。隨著器件尺寸的減小，即MTJ面積A在縮小，要保持熱穩(wěn)定性Δ的值，需要通過(guò)增大各向異性常數(shù)K或/和薄膜的厚度t來(lái)保持。根據(jù)上述熱穩(wěn)定性公式，當(dāng)器件尺寸減小時(shí)，自由層面積A將隨器件尺寸以平方形式減小，此時(shí)為了保證熱穩(wěn)定性，Kt必須隨器件尺寸以平方關(guān)系增加。一方面，各向異性常數(shù)K通常由磁性薄膜自由層和氧化物勢(shì)壘層的界面工藝和材料類型決定，在MTJ中很難調(diào)節(jié)各向異性常數(shù)K，要使K按照MTJ尺寸的減小而增加去補(bǔ)償，在技術(shù)上非常困難。另一方面，通過(guò)增加自由層的厚度t來(lái)增加Δ同樣低效，因?yàn)棣るSt變化是線性的比MTJ尺寸的平方變化要緩慢很多，而且翻轉(zhuǎn)電流密度與薄膜厚度t成正比，增加t使寫(xiě)入能量急劇升高[A.Goyal.Appl.Phys.Lett.1996]，所以通過(guò)調(diào)節(jié)t來(lái)補(bǔ)償也不可行。因此，在小尺寸10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，MTJ要保持好的熱穩(wěn)定性，就需要對(duì)MTJ結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種STT-MRAM存儲(chǔ)單元，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種STT-MRAM存儲(chǔ)單元，包括晶體管和MTJ單元；晶體管建立在基底上，晶體管的漏極與MTJ單元通過(guò)金屬線達(dá)到漏接觸；MTJ單元包括內(nèi)電極和包裹在內(nèi)電極外周的種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層、鐵磁性自由層和外電極；金屬線與內(nèi)電極連接；種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層、鐵磁性自由層和外電極均與基底所在平面不平行；種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層、鐵磁性自由層和外電極與金屬線間隔設(shè)置。

進(jìn)一步的，MTJ單元由內(nèi)至外依次為內(nèi)電極、種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層、鐵磁性自由層和外電極，或者由內(nèi)至外依次為內(nèi)電極、種子層、鐵磁性自由層、非磁性勢(shì)壘層、鐵磁性釘扎層和外電極。

進(jìn)一步的，晶體管包括源極、漏極和柵極迭層；源極和漏極間隔設(shè)置在基底上，源極和漏極通過(guò)柵極迭層連接；柵極迭層與第一字線相連，漏極與MTJ單元通過(guò)金屬線達(dá)到漏接觸。

進(jìn)一步的，MTJ單元為長(zhǎng)方體柱狀結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，金屬線與內(nèi)電極為一體式結(jié)構(gòu)，或者內(nèi)電極制備在金屬線上。

進(jìn)一步的，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。

進(jìn)一步的，MTJ單元上部為介電保護(hù)層，介電保護(hù)層覆蓋種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層和鐵磁性自由層，外電極部分暴露于介電保護(hù)層外部。

進(jìn)一步的，MTJ頂部介電保護(hù)層由Al₂O₃、CrO、TaO中的一種或多種構(gòu)成，其厚度為0.5-2nm。

進(jìn)一步的，基底上設(shè)有包裹晶體管和MTJ單元的絕緣介質(zhì)；MTJ單元暴露于介電保護(hù)層外部的外電極與第二字線相連。

進(jìn)一步的，種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢(shì)壘層、鐵磁性自由層和外電極均與基底所在平面垂直。

進(jìn)一步的，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。

進(jìn)一步的，內(nèi)電極的材料為Au、Ag、Cu、Nd、Ti、Al、Ru、Rh、Mo、Zr、Hf、Ta、V、Cr、W、Nb、poly-Si及其合金或半導(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；制備反鐵磁薄膜的材料為IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、NiO、CoNiO合金及包含上述元素的合金形成的多層膜；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；制備鐵磁薄膜的材料為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni及其合金，以及與B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb組成的合金，以及上述元素或合金形成的多層膜；

制備鐵磁性自由層的材料為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni及其合金，以及與B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb組成的合金，以及上述元素或合金形成的多層膜；

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、poly-Si及其合金或半導(dǎo)體材料。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明中，STT-MRAM存儲(chǔ)單元將MTJ單元設(shè)計(jì)為垂直型或與基底不平行的形式，即MTJ的各層與圓晶襯底表面垂直，且各層為封閉的，呈回字型的長(zhǎng)方體柱狀結(jié)構(gòu)，MTJ單元長(zhǎng)、寬分別為5-50nm，高為1-100nm之間。在本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)中，隨著MTJ尺寸的減小，熱穩(wěn)定系數(shù)Δ＝2LK(a+b)t/kT，其中a、b、L分別為MTJ的長(zhǎng)、寬、高，則Δ將隨平面尺寸長(zhǎng)、寬a、b線性變化，且隨高度也是線性變化。這種MTJ結(jié)構(gòu)可將Δ隨原本的平面結(jié)構(gòu)尺寸的平方變化關(guān)系減弱為線性變化，可以用高度補(bǔ)償，有利于MTJ單元結(jié)構(gòu)的小型化。當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)已經(jīng)相當(dāng)完善的自對(duì)準(zhǔn)雙圖案技術(shù)(Self-Alignment Double Patterning,SADP)制出的圖案是長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)[Zigang Xiao,IEEE,IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2013]，因此，在本發(fā)明中的方形MTJ單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很容易用SADP技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

MTJ結(jié)構(gòu)的最中間為長(zhǎng)方體柱狀內(nèi)電極，由內(nèi)向外橫向沿內(nèi)電極側(cè)面向周?chē)Ｐ窝由?，依次為鐵磁性釘扎層，非磁性勢(shì)壘層，鐵磁性自由層和外電極；或者為鐵磁性自由層，非磁性勢(shì)壘層，鐵磁性釘扎層和外電極。在此MTJ結(jié)構(gòu)中，自由電子沿橫向由內(nèi)電極通過(guò)釘扎層產(chǎn)生自旋極化電流，然后通過(guò)勢(shì)壘層，到達(dá)自由層，引起自由層磁化方向轉(zhuǎn)向電子自旋極化方向，達(dá)到兩磁性層磁矩為平行態(tài)，即數(shù)據(jù)“1”。自由電子沿橫向由外電極通過(guò)自由層產(chǎn)生，然后通過(guò)勢(shì)壘層，到達(dá)釘扎層，與釘扎層極化方向一致的電子通過(guò)，極化相反的反射回然后作用于自由層，達(dá)到兩磁性層磁矩為反平行態(tài)，即數(shù)據(jù)“0”。

STT-MRAM的磁性存儲(chǔ)單元的長(zhǎng)方體柱狀內(nèi)電極形成于底電極之上，沿內(nèi)電極側(cè)面橫向制備長(zhǎng)方體柱狀MTJ結(jié)構(gòu)，再沿側(cè)面制備外電極。發(fā)明內(nèi)容還包括內(nèi)電極的制備方法，在金屬線上制備長(zhǎng)方體柱狀內(nèi)電極，之后覆蓋一層絕緣介質(zhì)并使內(nèi)電極部分外露，再沿外露部分的側(cè)面制備MTJ結(jié)構(gòu)，MTJ具體結(jié)構(gòu)要均勻沿內(nèi)電極側(cè)面橫向由內(nèi)向外包括種子層、釘扎層、勢(shì)壘層和自由層或種子層、自由層、勢(shì)壘層和釘扎層，在MTJ外側(cè)制備外電極。

本發(fā)明存儲(chǔ)單元表現(xiàn)為長(zhǎng)方體柱狀的三維磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)、寬分別為5-50nm，高度為1-100nm；三維磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)外形為長(zhǎng)方體柱狀結(jié)構(gòu)，其中釘扎層(自由層)，勢(shì)壘層和自由層(釘扎層)圍繞內(nèi)電極側(cè)面組成三維的MTJ結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于可有效的利用空間，保證良好的熱穩(wěn)定性，提高存儲(chǔ)密度，提供多種存儲(chǔ)模式，對(duì)20nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下的存儲(chǔ)器具有應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

附圖用于輔助描述實(shí)施例，僅用于說(shuō)明而非對(duì)其加以限制。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中提出的三維STT-MRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖；

圖2為MTJ200的示意圖；其中，圖2(a)為俯視圖，圖2(b)為剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中提出的MTJ內(nèi)電極示意圖；其中，圖3(a)為俯視圖，圖3(b)為剖面示意圖；

圖4-13為本發(fā)明實(shí)施例中提出的MTJ單元的具體制備過(guò)程示意圖。

圖14為MTJ200第二種形式的示意圖；其中，圖14(a)為俯視圖，圖14(b)為剖面示意圖；

圖15為MTJ200第二種形式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖16-19為本發(fā)明實(shí)施例中提出的MTJ內(nèi)電極的一種制備方法示意圖；

圖20-22為本發(fā)明實(shí)施例中提出的MTJ內(nèi)電極的另一種制備方法示意圖。

具體實(shí)施方式

在針對(duì)本發(fā)明具體實(shí)例的如下描述以及相關(guān)圖式中揭示本發(fā)明的實(shí)施例方面。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下設(shè)想替代實(shí)施例。另，眾所周知的技術(shù)方法將不做出詳述說(shuō)明，以避免與本發(fā)明發(fā)生混淆。本文使用詞語(yǔ)“示范性”來(lái)表示“用作實(shí)例、例子、或說(shuō)明”。在此，描述為“示范性”的任何實(shí)例均不一定解釋為比其他實(shí)施例優(yōu)選或有利。同樣，術(shù)語(yǔ)“本發(fā)明的實(shí)施例”不要求本發(fā)明的所有實(shí)施例均包含所述的特征、優(yōu)點(diǎn)或操作模式。

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明描述了一種自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)器STT-MRAM的磁存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。

一種STT-MRAM存儲(chǔ)單元，包括一個(gè)磁隧道結(jié)MTJ結(jié)構(gòu)單元(磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction))，MTJ單元包括釘扎層、勢(shì)壘層和自由層，其幾何結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方柱狀體。信息的寫(xiě)入和更改是通過(guò)自旋極化電流改變MTJ單元中自由層磁矩的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。磁矩的變化引起MTJ單元電阻的變化，電阻態(tài)的差異可用于程序編入或擦掉記憶單元中的信息。

實(shí)施例1

圖1是STT-MRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)圖。包含一個(gè)晶體管101和MTJ單元200。晶體管101建立在基底100上，包括源極103a，漏極103b和柵極迭層102。柵極迭層102與字線105相連，漏極103b與MTJ單元200通過(guò)金屬線106達(dá)到漏接觸，源極103a與源節(jié)點(diǎn)區(qū)104實(shí)現(xiàn)源接觸。MTJ單元200與字線107相連。MTJ單元200由釘扎層和自由層之間加一層隧穿層形成，且垂直于金屬線106的上平面。

與此相關(guān)的各種技術(shù)描述表明，制備MTJ單元可通過(guò)保形沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如原子層沉積技術(shù)(ALD)來(lái)制備MTJ單元結(jié)構(gòu)。圖1-2揭示了磁記錄元件相關(guān)發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。第一部分發(fā)明為晶體管101，晶體管101制備于基底100上，包括源極103a、漏極103b和柵極迭層102。柵極迭層102與字線105相連，漏極103b與磁記錄單元200通過(guò)金屬線106達(dá)到漏接觸，源極103a與源節(jié)點(diǎn)區(qū)104實(shí)現(xiàn)源接觸。第二部分發(fā)明為MTJ單元200，位于晶體管101上方并通過(guò)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，內(nèi)電極204底部被埋于206內(nèi)。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結(jié)構(gòu)，由內(nèi)向外依次為種子層212，釘扎層203，勢(shì)壘層202，自由層201。自由層外是外電極205。MTJ單元200上部是介電保護(hù)層207。圖2(a)是MTJ單元200的俯視圖。

圖2中的MTJ單元，電子通過(guò)釘扎層203自旋極化，然后通過(guò)勢(shì)壘層202到達(dá)自由層201，引起自由層201的磁矩方向發(fā)生改變。這個(gè)過(guò)程就是自旋轉(zhuǎn)移矩開(kāi)關(guān)(Spin-transfer Torque Switching,STS)，可將信息由釘扎層203通過(guò)自旋極化電流傳遞到自由層201。在這個(gè)過(guò)程中，釘扎層203起到自旋過(guò)濾的作用，自旋過(guò)濾的電子隧穿勢(shì)壘層202，然后自旋電子作用于自由層201的磁矩上，使MTJ的狀態(tài)由反平行“1”變?yōu)槠叫小?”。反之，使電流反向，可以使MTJ的狀態(tài)由平行“0”變?yōu)榉雌叫小?”。再利用晶體管101作為選擇器件，就可通過(guò)控制電流在STT-MRAM芯片上寫(xiě)入或更改二進(jìn)制存儲(chǔ)信息。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中提出的MTJ內(nèi)電極制備示意圖。首先利用磁控濺射或原子層沉積技術(shù)(ALD)制備一層金屬電極，其厚度約為10-50nm。然后利用離子束刻蝕或電子束刻蝕按照?qǐng)D3(a)對(duì)金屬層刻蝕。在刻蝕時(shí)，不完全將金屬層刻完，得到圖3(b)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。

圖4-12為本發(fā)明實(shí)施例中提出的MTJ單元的具體制備過(guò)程。在制備好的內(nèi)電極上制備種子層212，利用磁控濺射或原子層沉積技術(shù)(ALD)制備一層種子層如圖4。再通過(guò)離子束刻蝕或電子束刻蝕得到所需種子層212如圖5。之后，反復(fù)利用磁控濺射或原子層沉積技術(shù)(ALD)和離子束刻蝕或電子束刻蝕制備鐵磁性釘扎層201、絕緣勢(shì)壘層202、自由層203。

實(shí)施例2

圖14是另一種三維STT-MRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)圖。包含一個(gè)晶體管101和MTJ單元200。晶體管結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。在MTJ單元200處進(jìn)行了部分調(diào)整：MTJ的相應(yīng)結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外改為內(nèi)電極，自由層，勢(shì)壘層，釘扎層和外電極。各層結(jié)構(gòu)所采用的材料以及制備方法與實(shí)施例1中類似。其MTJ具體結(jié)構(gòu)如圖15所示。

MTJ200內(nèi)電極204的兩種制備方法。

第一種制備方法，利用離子束刻蝕或電子束刻蝕直接在106上制備內(nèi)電極204，如圖16、17所示。再利磁控濺射或原子層沉積技術(shù)(ALD)在圖17基礎(chǔ)上制備一層絕緣介質(zhì)206，得到圖18結(jié)構(gòu)。離子束刻蝕或電子束刻蝕將204周邊的絕緣介質(zhì)去除，得到如圖19所示，然后經(jīng)過(guò)實(shí)施例1和2中制備MTJ的過(guò)程制備器件。

第二種制備方法，利磁控濺射或原子層沉積技術(shù)(ALD)在106上先覆蓋一層絕緣介質(zhì)206，如圖20所示。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)106。然后再利磁控濺射或原子層沉積技術(shù)(ALD)在凹槽中填滿制備內(nèi)電極204的材料，如圖21所示。利用離子束刻蝕或電子束刻蝕技術(shù)將內(nèi)電極204周邊的絕緣介質(zhì)刻蝕成如圖22結(jié)構(gòu)，即得到所需電極。然后經(jīng)過(guò)實(shí)施例1和2中制備MTJ的過(guò)程制備器件。