[发明专利]一种STT-MRAM存储器单元及其制备方法

权利要求书

1.一种STT-MRAM存储器单元，其特征在于，包括底电极层、MTJ和顶电极层，所述MTJ包括钉扎层、隧穿层和自由层，所述顶电极层和自由层的侧面沉积有MgO薄膜；

所述底电极层包括Ta金属层和Ru金属层；钉扎层包括CoFeB合金层；隧穿层包括MgO层；自由层包括CoFeB合金层、W金属层、MgO层、Ta金属层和Ru金属层；顶电极层为Ta金属层；

所述存储器单元还包括衬底晶圆、种子层、反铁磁层和保护层，衬底晶圆、底电极层、种子层、反铁磁层、钉扎层、隧穿层、自由层、顶电极层和保护层从下至上依次设置；

所述种子层包括Ta金属层和Pt金属层；反铁磁层包括Co金属层、Pt金属层、Ru金属层和W金属层；保护层为SiN。

2.根据权利要求1所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在衬底晶圆上形成底电极层，种子层，反铁磁层，钉扎层，隧穿层，自由层，顶电极层及硬掩模层；

步骤2.进行光刻和刻蚀，把图形转移到硬掩模层上；

步骤3.用硬掩模层做掩模刻蚀顶电极层；

步骤4.用顶电极层作为掩模刻蚀自由层；

步骤5.采用PVD溅射的方法沉积MgO薄膜；

步骤6.刻蚀步骤5中的MgO薄膜及隧穿层；

步骤7.刻蚀钉扎层、反铁磁层和种子层；

步骤8.沉积保护层；

步骤9.刻蚀底电极层；

步骤10.将顶电极和底电极进行互连。

3.根据权利要求2所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，硬掩模层为SOC/SOG，SOG厚度为20-120nm，SOC厚度为50-150nm。

4.根据权利要求3所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用光刻胶做掩模刻蚀SOG，刻蚀温度为室温，压力为30-90mTorr，刻蚀气体为Ar、CHF₃和CF₄，Ar的流量为100-300sccm，CHF₃的流量为2-10sccm，CF₄的流量为10-60sccm；27MHz射频电源为100-500W；2MHz射频电源为50-150W；

用SOG做掩模刻蚀SOC，刻蚀温度为室温，压力为5-20mTorr，刻蚀气体为Ar、O₂和CH₄，Ar的流量为100-300sccm，O₂的流量为20-80sccm，CH₄的流量为10-30sccm；射频电源为150-350W；偏压电源为100-200W。

5.根据权利要求2所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，用SOC做掩模刻蚀顶电极层，分为两阶段刻蚀：

第一阶段，温度为20-60℃，压力为5-15mTorr，刻蚀气体为O₂和CF₄，O₂的流量为2-10sccm，CF₄的流量为50-150sccm，射频电源为200-400W；偏压电源为20-50W，刻蚀时间10-30秒；

第二阶段，温度为20-60℃，压力为5-15mTorr；刻蚀气体为Ar、Cl₂和CH₂F₂，Ar的流量为100-300sccm，Cl₂的流量为30-50sccm；CH₂F₂的流量为50-150sccm，射频电源为100-300W，偏压电源为20-50W。

6.根据权利要求2所述的STT-MRAM存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，采用IBE直接刻蚀掉自由层的Ru层，刻蚀气体为NH₃和Ar，NH₃流量为5-15sccm，Ar流量为20-40ccm；

然后采用纯Ar的IBE方法刻蚀自由层CoFeB/W/CoFeB/MgO/Ta膜层，停在隧穿层表面。