[发明专利]一种MTJ纳米柱阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳电子学技术领域，更具体地，涉及一种MTJ纳米柱阵列的制备方法。

背景技术

1996年，Slonczewski和Berger通过理论计算预测，当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜或金属磁性多层膜时，极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而对铁磁薄膜磁矩产生自旋矩，引起铁磁薄膜磁矩的不平衡，使之发生转动，进动甚至使磁化方向翻转。这种效应被称为自旋角动量转移效应（Spin-Torque-Transfer，简称STT效应）。

自旋角动量转移磁随机存储器（STT-MRAM）是基于STT效应的新型MRAM（Magnetic Random Access Memory），它通过自旋极化电流产生的自旋转移力矩来翻转存储单元铁磁层的磁矩，进而实现存储单元数据（比特）“1”、“0”的写入。与其他各类存储器相比，STT-MRAM具有很明显的优势：非易失性、高密度、高速读写能力、低功耗、抗辐射、寿命长、结构简单等。

STT-MRAM存储单元的核心部分是磁性隧道结（Magnetic tunnel junction，MTJ）。一个MTJ通常由三层薄膜组成：两层铁磁性薄膜被一层极薄的非磁绝缘薄膜（隧穿势垒层）隔开，其中一个磁性层用附加的反铁磁层钉扎住，该铁磁层被称为被钉扎层（也叫参考层），附加的反铁磁层被称为钉扎层，而另一层铁磁层被称为自由层，因为它的磁化方向可以自由改变。根据被钉扎层的磁矩方向，自由层的磁矩取向被称作“平行”或者“反平行”态。其中，平行态是指自由层和被钉扎层的磁矩排列方向相同，而反平行态是指自由层和参考层之间的磁矩排列方向相反。根据自由层的磁化状态（“平行”或者“反平行”），MTJ单元对加在其两端的电压呈现两种不同的电阻值，即表示了不同的存储信息。

MTJ单元不仅可以应用在STT-MRAM中，还可以应用在磁性纳米线、磁逻辑、磁性传感器、纳米微波器件、自旋矩二极管等新型器件中。

目前MTJ纳米柱常用的制备方法是“自上而下”法：（1）在超高真空溅射系统中，在洁净的Si/SiO₂基板上按照MTJ的结构顺序溅射出金属磁性多层膜；（2）利用电子束曝光或者光刻、离子束刻蚀等工艺，在金属磁性多层膜上制备定标符，定标符即一系列的十字形金属标记，在后面的几次电子束曝光“套刻”过程中对器件的精确定位起到至关重要的作用；（3）利用电子束曝光或者光刻、刻蚀或者剥离等工艺，在金属磁性多层膜上制备Ti金属掩膜；（4）利用离子束刻蚀金属磁性多层膜，没有Ti掩膜的金属磁性多层膜部分被刻蚀掉，留下Ti掩膜下面的金属磁性多层膜，形成MTJ纳米柱；（5）在整个器件上面沉积SiO₂绝缘层，并进行平坦化，通过离子束刻蚀将MTJ纳米柱上面的SiO₂刻蚀掉，露出Ti金属；（6）通过电子束曝光或者光刻、刻蚀或者剥离等工艺，制备电极。

上述制备方法中多次涉及到干法刻蚀（离子束刻蚀），干法刻蚀的缺点是容易形成侧壁，使纳米柱的实际尺寸偏大，而且此方法过程繁琐复杂，成本较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种MTJ纳米柱阵列的制备方法，其目的在于减少工艺步骤，大大降低成本，减小工艺误差，由此解决现有的制备工艺过程繁琐复杂，实验误差大的技术问题。

本发明提供了一种MTJ纳米柱阵列的制备方法，包括下述步骤：

S1：在基底上表面制备电子束光刻对准所需要的定标符；

S2：根据所述定标符在基底上表面制备底电极层，所述底电极层包括多条平行的底电极线；

S3：在附着有底电极层的基底上表面涂覆一层HSQ，通过电子束曝光对HSQ层进行图形化，在每一条底电极线上形成多个绝缘单元；每一个绝缘单元的中间具有一个孔；

S4：依次通过光刻、溅射和剥离工艺在所述绝缘单元的孔内形成磁性多层膜层；所述磁性多层膜层从下往上依次为自由层、隧穿势垒层、被钉扎层、钉扎层；

S5：在所述磁性多层膜层上制备顶电极层并形成MTJ纳米柱阵列。

更进一步地，在步骤S1中依次通过电子束曝光、蒸发和剥离的方法制备所述定标符。

更进一步地，所述定标符为多个十字形重金属标记。

更进一步地，所述定标符有4个，分别位于基底上表面的四个角落。

更进一步地，在步骤S5中，所述顶电极层包括多条平行的顶电极线；所述顶电极线与所述底电极线交叉垂直，