[发明专利]基于镁靶的磁隧道结制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种基于镁靶的磁隧道结制备方法，可用于自旋随机存储器。

技术背景

近年来，随着微电子工业的爆炸式发展，传统Si基半导体电子器件的特征尺寸进入了微米、纳米数量级。这就要求存储器件除了具有高读取速率和非易失性等特点，还要实现低损耗。同时，工艺兼容性要求许多薄膜微电子器件在Si衬底上具有良好的集成性。作为新一代的存储器，自旋随机存储器不但能提高集成度和读取速度，而且能利用现有的半导体技术与逻辑电路集成，有效地降低互联延迟，实现超低功耗，进而可以推动一种全新的快速休眠和快速唤醒的VLSI系统的研制。

铁磁/绝缘/铁磁结构的磁隧道结MTJ因其在室温下表现出巨大的隧穿磁电阻TMR而备受人们关注。可将其应用在磁记录、纳米振荡器、传感器等自旋电子学装置中。1995年，Miyazaki和Tezukad以非晶A1₂O₃为绝缘势垒层，分别以多晶Fe或CoFe作为铁磁层，室温下TMR值约为20%。随后，Djayaprawira等用磁控溅射法制备出CoFeB/MgO/CoFeB MTJ，其TMR值大于200%。2007年，Lee等在磁控溅射CoFeB/MgO/CoFeB MTJ中得到高达500%的室温TMR值，5K时TMR值可达1010%。

MgO由于具有低损耗和高热稳定性，近年来在磁隧道结中作为隧穿层得到广泛应用。在基于CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结的自旋存储单元中，MgO作为隧穿层，其结晶质量直接影响到CoFeB合金铁磁层晶化质量，进而对整个器件的性能产生影响。

当前，磁隧道结中MgO薄膜是直接利用MgO靶的磁控溅射淀积得到。由于溅射过程中存在O原子的损耗，到达样品上的O原子少于Mg原子，使得MgO薄膜的结晶度不好，磁隧道结的隧穿磁电阻降低，最终影响到自旋存储器的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于镁靶的磁隧道结制备方法，以提高磁隧道结中MgO薄膜的结晶度，从而增大磁隧道结的隧穿磁电阻，提高自旋存储器的性能。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

1）清洗：对Si衬底基片进行清洗，以去除表面污染；

2）生长SiO₂：在清洗后的Si衬底基片上淀积一层300-700nm厚的SiO₂薄膜；

3）淀积金属层：利用磁控溅射法在SiO₂薄膜上淀积Ta/Ru/Ta/CoFeB金属层；

4）淀积MgO薄膜：利用金属Mg作为靶材，对磁控溅射腔抽真空，然后向该磁控溅射腔中通入一定量的O₂和Ar气，在CoFeB上淀积MgO薄膜；

5）在MgO薄膜上溅射CoFeB/Ta/Ru金属层，形成磁隧道结结构，再放入真空中在200-500℃下退火30-120min。

作为优选，所述步骤1）对Si衬底基片进行清洗，按如下步骤进行：

1a）对Si衬底基片使用NH₄OH+H₂O₂试剂浸泡样品10min，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；

1b）将去除表面有机残余物后的Si衬底基片再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡样品10min，取出后烘干，以去除离子污染物。

作为优选，所述步骤3）中的Ta/Ru/Ta/CoFeB金属层，其各层厚度分别是：Ta为3-10nm，Ru为5-15nm，Ta为3-10nm，CoFeB为3-9nm。

作为优选，所述步骤3）和步骤5）中的磁控溅射，其工艺条件为：溅射腔的真空度为5×10^-3Pa，腔内温度为30℃，溅射功率为50-110W，溅射过程中通入的Ar气流量为10-50sccm。

作为优选，所述步骤4）中的磁控溅射，其工艺条件为：溅射腔的真空度为5×10^-3Pa，腔内温度控制在30-300℃，通入O₂和Ar气的流量分别为3-30sccm和10-50sccm。

作为优选，所述步骤4）中淀积的MgO薄膜，其厚度为1-5nm；

作为优选，所述步骤5）中的CoFeB/Ta/Ru金属层，其各层厚度分别是：CoFeB为2-6nm，Ta为3-10nm，Ru为3-10nm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：