[发明专利]磁性随机存储器单元的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种磁存储器单元的形成方法。

背景技术

近年来，由于磁性随机存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）具有短的读写时间，非易失性和功耗低的特点，磁存储器作为适用于计算机或通讯机器等信息处理设备上的存储装置而备受关注。

现有技术的磁性随机存储器的存储单元包括：顶部导电层、磁性隧道结（Magnetic tunnel junction,MTJ）、底部导电层，其中，磁隧道结由固定磁性层（PL）、隧道绝缘层和自由磁性层（FL）交替堆叠而成。

请参考图1至图2，为现有技术中上述磁性随机存储器的存储单元形成方法的示意图。

请参考图1，在衬底10表面依次形成底部导电材料层11、固定磁性材料层12、隧道绝缘材料层13、自由磁性材料层14和顶部导电材料层15。然后在所述顶部导电材料层15表面形成掩膜层16，所述掩膜层16的位置定义了磁性隧道结的位置和尺寸。

请参考图2，以所述掩膜层16为掩膜依次刻蚀所述顶部导电层15、自由磁性材料层14、隧道绝缘材料层13和固定磁性材料层12、底部导电材料层11，形成顶部导电层15a、自由磁性层14a、隧道绝缘层13a、固定磁性层12a和底部导电层11a，所述自由磁性14a、隧道绝缘层13a和固定磁性层12a构成磁性隧道结。

所述固定磁性层12a的磁化方向被固定，自由磁性层14a的磁化方向可以在与固定磁性层12a的磁化方向相同或相反的方向变化。在对磁性存取存储器进行写入操作时，自由磁性层14a的磁化方向与固定磁性层12a的磁化方向平行时（逻辑“0”状态），表现为低阻态；自由磁性层14a的磁化方向与固定磁性层12a的磁化方向相反时（逻辑“1”状态），表现为高阻态，从而实现两个存储状态。

随着工艺节点的进一步减小，现有技术形成的磁存储器的性能有待进一步的提高。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种磁性随机存储器单元的形成方法，提高磁性随机存储器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种磁性随机存储器单元的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面具有介质层；在所述介质层内形成凹槽，所述凹槽暴露出衬底的部分表面；依次形成位于凹槽内壁和介质层表面的底部导电材料层、位于底部导电材料层表面的隧道结材料层、位于隧道结材料层表面的顶部导电材料层，并且位于凹槽底部正上方的顶部导电材料层的表面低于所述介质层的表面；在所述顶部导电材料层表面形成盖帽层；以所述介质层为研磨停止层，进行平坦化处理，暴露出介质层的表面和沿凹槽侧壁方向的底部导电材料层、隧道结材料层、顶部导电材料层的部分表面；去除所述介质层；以所述剩余的盖帽层为掩膜，刻蚀所述顶部导电材料层、隧道结材料层和底部导电材料层，暴露出衬底的部分表面，形成顶部导电层、隧道结层和底部导电层。

可选的，采用化学气相沉积或物理气相沉积工艺形成所述底部导电材料层、隧道结材料层和顶部导电材料层。

可选的，采用溅射工艺形成所述底部导电材料层、隧道结材料层和顶部导电材料层。

可选的，与凹槽侧壁方向平行的底部导电材料层厚度小于与凹槽底部方向平行的底部导电材料层厚度的20%、与凹槽侧壁方向平行的隧道结材料层厚度小于与凹槽底部方向平行的隧道结材料层厚度的20%、与凹槽侧壁方向平行的顶部导电材料层厚度小于与凹槽底部方向平行的顶部导电材料层厚度的20%。

可选的，与凹槽底部方向平行的底部导电材料层厚度为

可选的，与凹槽底部方向平行的隧道结材料层厚度为

可选的，与凹槽底部方向平行的顶部导电材料层厚度为

可选的，采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺刻蚀所述顶部导电材料层、隧道结材料层和底部导电材料层。

可选的，所述干法刻蚀工艺采用的刻蚀气体为CHClF₂，流量为5sccm～50sccm，工作压强为1Pa～20Pa，功率为200W～500W。

可选的，还包括在所述顶部导电层、隧道结层和底部导电层侧壁表面形成侧墙。

可选的，所述隧道结材料层包括：位于底部导电层表面的固定磁性材料层、位于所述固定磁性材料层表面的隧道绝缘材料层和位于所述隧道绝缘材料层表面的自由磁性材料层。

可选的，所述固定磁性材料层的材料包括CoFe、CoFeB、Ru中的一种或多种。

可选的，所述隧道绝缘材料层的材料包括Al₂O₃、MgO中的一种或两种。