專利名稱：制造磁阻元件的制造方法和磁阻元件的制造設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造磁阻元件的方法和設(shè)備，更具體地，涉及磁性隧道結(jié)(MTJ) 器件以及用于制造適用于例如磁讀頭和磁性隨機存取存儲器(MRAM)的MTJ器件的技術(shù)。
背景技術(shù)：
磁性隧道結(jié)(MTJ)器件本質(zhì)上是可變電阻器，包括兩個鐵磁性層和夾在它們之間 的隧道勢壘(卜 > 彳、)。兩個鐵磁性層的相對磁化取向在電子穿過隧道勢壘時使自 旋極化電子產(chǎn)生不同的隧穿幾率，并且這導(dǎo)致電阻的改變。隧道勢壘通常由電介質(zhì)材料制成、必須非常薄且具有極均勻的厚度和組成。隧道 勢壘的化學組成或厚度的不均勻性顯著劣化了器件性能。自從MTJ器件的發(fā)明以來，在室溫下具有高TMR比率的MTJ器件的開發(fā)已成為一 個為實現(xiàn)自旋電子應(yīng)用例如非易失性磁性隨機存取存儲器和面密度高于lOOGb/in2的硬盤 讀頭的熱門產(chǎn)業(yè)話題(Moodera 等，Phys. Rev. Lett.，74 (1995)，3273 頁)。起初，通過具有高自旋極化的鐵磁性電極層和非晶態(tài)AlOx隧道勢壘獲得高TMR比 率。在室溫下用這種構(gòu)造獲得的最高TMR比率為約70%。然后，通過理論計算提出了通過具 有NaCl結(jié)構(gòu)的單晶MgO隧道勢壘獲得的自旋過濾效應(yīng)(Butler等，Phys. Rev.，B63 (2001)， 054416頁)。關(guān)于這項提議，預(yù)期在室溫下獲得高達6，000%的TMR比率。這種預(yù)期基于的事實是單晶MgO的晶體結(jié)構(gòu)具有四重(回)對稱性，因此表現(xiàn)出 足以穿過MgO的隧穿幾率的電子狀態(tài)僅是具有四重對稱性的Δ1狀態(tài)。因此，在具有單晶 Fe/MgO/Fe結(jié)構(gòu)的MTJ中，Δ 1帶的傳導(dǎo)是主要的。但是Fe中的Δ 1帶在費米能級是100% 自旋極化的，因此在MTJ具有逆平行磁化時不可獲得足夠的隧穿幾率。換言之，MgO具有取 決于磁化狀態(tài)的自旋過濾效應(yīng)。這允許相干隧穿并進而獲得巨大的TMR比率。為實現(xiàn)這種巨大的TMR比率，進行 通過分子束外延生長單晶Fe/MgO/CoFe的實驗。該實驗結(jié)果在室溫下顯示出180%的TMR 比率(Yuasa 等，Appl. Phys. Lett.，87 (2005)，222508 頁)。據(jù)報導(dǎo)，由多晶CoFe鐵磁性電極和MgO隧道勢壘的組合制成的MTJ器件在室溫下 具有220%的TMR比率(Parkin等，Nat. Mater.，3 (2004)，862頁)。此外，據(jù)報導(dǎo)，由通過 在硅基材上沉積非晶態(tài)CoFeB和MgO隧道勢壘的組合形成的MTJ具有較高的TMR比率，所 述硅基材具有通過磁控濺射法即實際沉積法沉積于其上的熱氧化的硅(Djayaprawira等， Appl. Phys. Lett.，86 (2005)，092502 頁)。已進行大量努力以形成非常薄且具有極均勻的厚度和組成的MTJ隧道勢壘。為了 形成氧化物隧道勢壘，重要之處是如何避免隧道勢壘層下方的鐵磁性電極層的表面氧化， 以及氧化物隧道勢壘中氧分布的不均勻性。一般而言，沉積隧道勢壘的方法分為直接沉積氧化物的方法和沉積金屬并然后對 該金屬進行氧化處理的方法。使用氧化物靶材的RF-濺射或者在氧氣氛中使金屬靶材濺射 的反應(yīng)性濺射例示了直接沉積方法。在沉積金屬并然后對該金屬進行氧化處理的方法中，自然氧化、等離子體氧化、自由基氧化或臭氧氧化例示了所述的氧化處理。發(fā)明概述技術(shù)問題難以制造在室溫下具有足夠高的TMR比率且RXA乘積落入自旋電子應(yīng)用的容限 內(nèi)的MTJ器件。這是因為自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM應(yīng)用的制造需要小于50 Ω μ m2的RXA乘積和大 于150%的TMR比率，并且面密度為約250Gb/in2的硬盤讀頭的制造需要在室溫下大于30% 的TMR比率和等于或小于2 Ω μ m2的RXA乘積。MTJ開發(fā)中的重要瓶頸之一是難以將隧道勢壘均勻地控制到非常小、均勻的厚度。 如果隧道勢壘過薄，則由于例如電針孔更有可能產(chǎn)生無助于自旋相關(guān)隧穿的泄露電流。這 顯著劣化了信噪比(S/N)。另一個瓶頸是由于下方鐵磁性電極層的過氧化或欠氧化或氧化偏離隧道勢壘材 料的化學計量。當通過下方鐵磁性層(其表面得到氧化)自旋散射而提高隧道勢壘的厚 度時，這些因素導(dǎo)致相同的效應(yīng)，并且這產(chǎn)生作為所施加電壓的函數(shù)的不均勻特性、RXA乘 積的異常提高以及TMR比率的異常降低(Park等，J. Magn. Magn. Mat.，226-230 (2001) 926 頁)。圖2顯示了在形成隧道勢壘時的各種氧化狀態(tài)。參照圖2，參考符號“RL”表示在隧 道勢壘下方形成的鐵磁性參照層；而“FL”表示在隧道勢壘上形成的鐵磁性自由層。最近證實，通過RF-濺射由燒結(jié)陶瓷靶材直接沉積隧道勢壘，如在含MgO的MTJ 中，使得能夠獲得所有自旋電子應(yīng)用所需的RXA乘積，以及非常高的TMR比率而沒有任何 針孔結(jié)構(gòu)(日本專利申請No. 2006-058748)。然而，對于大規(guī)模生產(chǎn)，RF-濺射具有難以解 決的問題，其中MR比率和RXA乘積由于與腔室狀態(tài)和顆粒產(chǎn)生有關(guān)的因素而很可能發(fā)生 變化(Oh等，IEEE Trans. Magn. ,42(2006)2642頁)。此外，據(jù)報導(dǎo)，具有通過RF-濺射形 成的MgO隧道勢壘的MTJ器件具有10%以上的最終RXA乘積均勻度(1σ)。與此相反，具 有通過沉積Mg然后對Mg進行氧化處理而形成的MgO隧道勢壘的MTJ器件具有小于3%的 RXA乘積均勻度(1σ)(美國授權(quán)前公開No. 2007/0111332)。同時，沉積金屬然后對該金屬進行等離子體氧化的方法廣泛地用于制造具有AlOx 隧道勢壘的MTJ器件。然而，在等離子體氧化中沉積的金屬的反應(yīng)性如此之高使得難以僅 氧化超薄的金屬層。特別是在形成MgO中Mg的氧化速率非?？煲员氵_到必定氧化下方鐵磁 性層的界面的程度。下方鐵磁性層的氧化產(chǎn)生與臭氧氧化相比明顯提高的RXA乘積，盡管 TMR比率與后者氧化保持幾乎相同。當在具有AlOx隧道勢壘的MTJ上進行等離子體氧化處 理時，RXA 乘積和 TMR 比率分別為 10，000 Ω μ m2 禾Π 45% (Tehrani 等，IEEE Trans. Magn.， 91 (2003) 703頁)。在另一方面，當在MTJ上進行臭氧氧化處理時，RX A乘積和TMR比率分 別為 1, 000 Ω μπι2 和 30% (Park 等，J. Magn. Magn. Mat.，226-230 (2001)，926 頁)。為了應(yīng)對這種情況，提出了需要較低能量的氧化處理例如自由基氧化和臭氧氧化 作為形成MgO隧道勢壘的方法。然而，通過自由基氧化8人Mg獲得的RXA乘積和TMR比 率分別為230 Ω μπι2和90%，而通過臭氧-氧化13人Mg獲得的RXA乘積和TMR比率為 1,000 Ω μπι2和10%。自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM應(yīng)用必須具有小于50 Ω μ m2的RXA乘積和超過 150%的TMR比率，因此這些方法產(chǎn)生過低的TMR比率和過大的RXA乘積以應(yīng)用于這些產(chǎn) 品。這意味著Mg的自由基氧化處理和臭氧氧化處理不能是能量較小的并且足夠慢從而控 制Mg氧化形成MgO隧道勢壘。可通過自然氧化實現(xiàn)比上述氧化處理需要較低能量的氧化處理。然而，結(jié)電阻極低，推測是不均勻氧化導(dǎo)致了結(jié)區(qū)域中的不均勻電流(Park等，J. Magn. Magn. Mat.，226-230(2001)，926 頁)。問題的解決方案本發(fā)明的發(fā)明人從例如下面的發(fā)現(xiàn)中設(shè)計出本發(fā)明。在金屬界面上形成氧化物的單層隔開兩種反應(yīng)物(金屬和氧)，該隔開隨著氧化 進行而變大。這意味著必須將所述反應(yīng)物之一或其二者移動以繼續(xù)氧化處理。根據(jù)金屬氧化的理論，Mott和Carbrera提出了離子遷移率在室溫下降低的趨勢 通過在氧化物中建立的電場得到加強(Mott, Trans. Faraday Soc.，35 (1939)，1175頁和 Cabrera, Phil. Magaz.，40(1949) 175 頁)。在該模型中，如圖3(a)中所示，使電子隧穿通過初始形成在金屬表面上的薄氧化 物層，并將化學吸附在氧化物表面上的氧原子電離。這形成了跨氧化物的均勻電場，這導(dǎo)致 了費米能級的移動，如圖3(b)中所示。Mott和Carbrera假設(shè)金屬離子在氧化物中是可遷移物質(zhì)，并通過躍遷過在金屬/ 氧化物界面或氧化物/金屬界面處的缺陷而使金屬離子通過所述氧化物。[數(shù)學式1] -WvexpW…⑴
,-{W-qaE)v exP(--T^-)
k^r ... (2)表達式(1)給出了當沒有建立電場時的金屬離子的躍遷幾率，其中ν是振動頻率， W是從金屬躍遷到氧化物所需的活化能，kB是玻爾茲曼(Boltzmarm)常數(shù)，T是溫度。表達 式(2)給出了在建立跨氧化物的電場時金屬離子的躍遷幾率，其中q是電子電荷，而a是躍 遷距離，如圖4中所示。在驅(qū)動跨氧化物建立的電場時顯著提高了離子的躍遷幾率，這說明了在室溫下首 先發(fā)生金屬的氧化的事實。Mott和Carbrera模型假定可遷移物質(zhì)是從離子金屬/氧化物 界面產(chǎn)生的金屬離子。然而，近來，氧化物中沿深度方向的氧分布揭示了氧離子通過氧化物 晶格缺陷的遷移來輸運(Starodub等，Surf. Scie. (2004) 199頁)。此外，Mott和Carbrera模型假定均勻、平坦的氧化物和金屬的層。然而，實際上 通過物理氣相沉積(PVD)沉積的薄金屬膜是由具有與晶粒結(jié)構(gòu)有關(guān)的表面形態(tài)的納米級 晶粒形成的。[數(shù)學式2]Φ (eV) = Φ + Δ Φ... (3)如方程(3)，這種晶粒結(jié)構(gòu)修正金屬表面的功函數(shù)，其中Φ 是同質(zhì)金屬的功函 數(shù)，而△ Φ是與晶粒結(jié)構(gòu)有關(guān)的形態(tài)所致的功函數(shù)變化。[數(shù)學式3]
_]脅=^…⑷ 其中R是晶粒的半徑，Stl是真空介電常數(shù)，而ε,是相對介電常數(shù)(Wood，Phys.Rev. Lett.，46 (1981)，749 頁)。功函數(shù)控制跨氧化物的驅(qū)動電場，因此還能夠以指數(shù)形式修正氧化速率。隨著金 屬層的晶粒尺寸變小而因此表面變得平滑，功函數(shù)相應(yīng)地提高，并且跨氧化物的電場平衡 和電勢差異相應(yīng)地顯著降低，因此氧化速率顯著降低。因此，為了解決實現(xiàn)MTJ隧道勢壘的均勻厚度控制和隧道勢壘的化學計量組成的 均勻性的問題，必須修飾金屬層的顯微組織以將其氧化并同時保持低的氧化速率。如上所述，在本發(fā)明中，在氧化處理之前用離子轟擊形成隧道勢壘的金屬層以修 飾待氧化的金屬的表面顯微組織，因此降低了晶粒尺寸并進一步使金屬表面平坦化。這使 得能夠降低跨氧化物建立的驅(qū)動電場以相應(yīng)地保持低的氧化速率，從而使氧分布均勻化。本發(fā)明的有利效果根據(jù)本發(fā)明，可獲得具有高的TMR比率和低的RXA乘積的MTJ器件。附圖簡述并入且構(gòu)成說明書的一部分的


了本發(fā)明的實施方案，并且與說明書一起 用于解釋本發(fā)明的原理。圖1是磁性隧道結(jié)的示意圖；圖2顯示了在金屬沉積后接著的氧化之后隧道勢壘的各種氧化狀態(tài)的示意圖，其 中(a)顯示了理想勢壘，(b)顯示了欠氧化，(c)顯示了過氧化，(d)顯示了不均勻氧化；圖3顯示了跨氧化物層建立的電場的示意圖，其中(a)顯示了初始狀態(tài)；其中02p 等級的該狀態(tài)低于金屬的Ef，(b)顯示了在由于電子從金屬隧穿到氧而跨氧化物層建立的 電場中處于平衡的能級；圖4顯示了金屬離子作出第一次躍遷所需要的活化能的示意圖，其中(a)顯示了 其中沒有建立跨氧化物的電場的狀態(tài)，而(b)顯示了其中建立跨氧化物的電場的狀態(tài)；圖5A顯示了具有通過本發(fā)明的方法制備的MgO隧道勢壘的MTJ的沉積順序示意 圖；圖5B顯示了具有通過本發(fā)明的另一方法制備的MgO隧道勢壘的MTJ的沉積順序 示意圖；圖6顯示了通過不同的濺射方法產(chǎn)生的顆粒數(shù)量的對比；圖7是例示當Mg層經(jīng)受等離子體處理時和當Mg層沒有經(jīng)受等離子體處理時晶粒 尺寸之間的對比圖；圖8是顯示效果檢查試驗的結(jié)果的圖；圖9是例示MTJ制造設(shè)備的圖；和圖10顯示了 MgO隧道勢壘的厚度的對比圖，其中(a)顯示了其中Mg層經(jīng)受等離 子體處理的情況，而(b)顯示了 Mg沒有經(jīng)受等離子體處理的情況。照片通過高-分辨率電 子顯微鏡獲得。實施方案描述下面將更為詳細地描述本發(fā)明的實施方案。這些實施方案中所描述的構(gòu)成要素僅 是例子。本發(fā)明的技術(shù)范圍由所附權(quán)利要求來限定，而不受以下單獨實施方案限制。(第一實施方案)圖1顯示了隧道磁阻(TMR)傳感器或存儲器元件的典型疊置體結(jié)構(gòu)。大多數(shù)MTJ各包括鐵磁性釘扎層110，合成的反鐵磁性被釘扎層120，隧道勢壘130，和鐵磁性自由層 140。在圖1所示的疊置體結(jié)構(gòu)中，合成的反鐵磁性被釘扎層120是包括鐵磁性被釘扎層 121，無磁性的分隔體122，和鐵磁性參照層123而形成的。首先，通過等離子體處理蝕刻基材101的表面以清除任何雜質(zhì)。在經(jīng)受等離子體 處理的基材101的表面上沉積下方層102 (例如Ta/CuN/Ta/CuN/Ru)，并在下方層102上沉 積反鐵磁性釘扎層110(例如IrMn)。其后，在反鐵磁性釘扎層110上沉積鐵磁性被釘扎層 121 (例如Co7tlFe3tl)。在鐵磁性被釘扎層121上沉積金屬分隔體122 (例如Ru)，并且在金屬 分隔體122上沉積鐵磁性參照層123 (例如CoFeB)。在鐵磁性參照層123上沉積金屬Mg以 具有比Mg的最終靶材厚度更大的厚度。使用Ar離子對金屬Mg進行等離子體處理以除去 任何過量的Mg從而形成具有靶材厚度的Mg層。在已經(jīng)受等離子體處理的Mg層上進行自由基氧化以形成含有MgO的隧道勢壘 130。在隧道勢壘130上沉積CoFeB鐵磁性自由層140，并且在CoFeB鐵磁性自由層140上 沉積含有Ta/Cu/Ta/Ru的覆蓋層150。將基材轉(zhuǎn)移到退火爐并進行退火。圖9例示了第一實施方案中的MTJ器件制造設(shè)備，并且該圖顯示了用于處理磁性 隧道結(jié)器件的真空處理系統(tǒng)的示意性平面圖。圖9中所示的真空處理系統(tǒng)是簇型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個可使用物理氣相沉積來 沉積薄膜的沉積室230、240和250。所述多個沉積室230、240和250連接到在其中心包括 機器手裝載機(未示出)的真空輸運室280。同樣，兩個用于裝載或卸載基材的裝載鎖定室 (口一 K 口 7夕f ~ > ) 210均連接到真空輸運室280，并且裝載鎖定室210可將基材供 給到機器手進料器并回收通過機器手進料器輸運的基材。真空處理系統(tǒng)還包括脫氣室270和預(yù)蝕刻/蝕刻室220。該真空處理系統(tǒng)還包括 氧化室260。真空處理系統(tǒng)的各個室通過用于打開/關(guān)閉它們之間通道的閘閥彼此連接。真空處理系統(tǒng)的各個室還包括泵送系統(tǒng)、氣體引入系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。此外，氣體引 入系統(tǒng)包括流量控制器件例如質(zhì)量流量控制器，而泵送系統(tǒng)包括電導(dǎo)調(diào)節(jié)裝置例如位于泵 與室之間且調(diào)節(jié)電導(dǎo)的閥門。雖然未示出，但各個室還包括用于測量室內(nèi)壓力的壓力計?？?通過基于壓力計的輸出結(jié)果操作流量控制器件和電導(dǎo)調(diào)節(jié)裝置將所述室控制到預(yù)定壓力 并持續(xù)預(yù)定時間段。在真空處理系統(tǒng)的各沉積室230、240和250中，通過濺射方法在基材上逐一沉積 磁性層和非磁性層。例如，將含CoFe的靶材、含Ru的靶材、含CoFeB的靶材和含Mg的靶材 置于這些沉積室的每個中。同樣，將充當反鐵磁性材料、籽晶材料、覆蓋材料的靶材置于這 些沉積室的至少一個中。此外，將充當頂部電極材料和底部電極材料的靶材置于至少一個沉積室中。在預(yù) 蝕刻/蝕刻室220中進行預(yù)蝕刻和等離子體處理。在氧化室260中進行氧化處理。下面將描述形成MTJ方法的更詳細的實施例。圖5A顯示了具有MgO隧道勢壘的MTJ的沉積順序的實施例。通過由控制真空處 理系統(tǒng)的構(gòu)成元件的控制器執(zhí)行程序來實施這些沉積順序。圖5A_a顯示了其中在合成的反鐵磁性被釘扎層120上沉積金屬Mg層131 (厚度 1. 6nm)的狀態(tài)。在該實施方案中，通過DC-濺射形成金屬Mg層131。對于MRAM的大規(guī)模 生產(chǎn)，顆粒產(chǎn)生是要檢查的事項。這種現(xiàn)象可能發(fā)生于使用MgO陶瓷靶材通過RF-濺射形成MgO隧道勢壘時。由圖6可見，RF-濺射和DC-濺射產(chǎn)生不同的顆粒數(shù)目。當在使用金屬 Mg靶材的DC-濺射與使用MgO陶瓷靶材的RF-濺射之間比較在沉積室之間輸運基材的過程 中產(chǎn)生的機械顆粒的數(shù)目時，在RF-濺射中與在DC-濺射中相比尺寸大于0. 16 μ m的顆粒 數(shù)目高出一個數(shù)量級。顆粒的數(shù)目通過KLA Tencor SPl系統(tǒng)就200_mm基材進行測量。通 過DC-濺射沉積金屬Mg層的過程是自由(7 U —)顆粒過程。參考圖5A_b，進行等離子體處理。在第一實施方案中，在基材夾具側(cè)上的電極以及 與其相對的對電極中，通過向基材夾具側(cè)上的電極供給功率來產(chǎn)生電容耦合的等離子體， 通過供給30W的RF功率作為等離子體發(fā)生功率以30sCCm的Ar氣流速產(chǎn)生Ar氣的等離子 體。在這種等離子體處理條件下，以0. 02nm/s的Mg蝕刻速率進行等離子體處理20秒以將 1. 6nm金屬Mg層131蝕刻去0. 4nm從而成為1. 2nm金屬Mg層131'。這種等離子體處理 不僅蝕刻了 Mg層的表面而且還修飾了剩余Mg層的表面顯微組織?？紤]到碰撞Mg層(Mg 的原子質(zhì)量24. 31g/mol)的Ar離子的原子質(zhì)量(Ar的原子質(zhì)量39. 95g/mol)，大部分碰 撞能轉(zhuǎn)移到靶材Mg層。因此，顯著修飾了表面形態(tài)和顯微組織，因而降低晶粒尺寸并且使 表面平坦化。換言之，如圖7中所示，具有1.2nm的厚度且經(jīng)受等離子體處理的Mg層(圖 7(b))，與具有與前者相同的厚度且沒有進行處理的Mg層(圖7(a))相比，具有較小的晶粒 尺寸和較平坦的表面。在第一實施方案中，在氧化室260中進行圖5A-c中所示的自由基氧化，所述氧化 室包括在上方離子化電極和基材之間的電接地噴淋板(〉^ 7 — l·—卜)。在eOOsccm 的氧流速下通過例如向上方離子化電極供給800W RF功率產(chǎn)生氧等離子體。因為噴淋板 電接地，所以帶電粒子例如離子或電子不能夠穿過該噴淋板，但是氧自由基可穿過該噴淋 板并且撞擊基材。在1.2nm的Mg層131'上進行自由基氧化90秒鐘以形成MgO隧道勢壘 132。參照圖5A_d，在Mg隧道勢壘132上沉積CoFeB鐵磁性自由層140、覆蓋層150和 上部電極層。在完成各層的沉積之后，在180°C和3K0e的磁場強度下進行2小時，然后在 360°C和3K0e的磁場強度下進行磁場退火2小時。以這種方式，在該兩步驟退火中，MgO隧 道勢壘130的結(jié)晶首先通過在相對低的溫度下退火得到加速。然后，通過在較高的溫度下 退火，使用MgO隧道勢壘130的晶體作為模板使CoFeB鐵磁性自由層140結(jié)晶。因此，形成 了獲得高TMR比率的令人滿意的晶體結(jié)構(gòu)。下面將描述根據(jù)本發(fā)明的效果檢查試驗。出于對比目的，制備在該實施方案中和在其中沒有進行等離子體處理的常規(guī)實施 例中的具有MgO隧道勢壘的MTJ。使用CIPT(面內(nèi)電流隧穿(平面電流卜 > 彳、&法))法測 量了具有MgO隧道勢壘的MTJ的磁輸運性能。圖8顯示了結(jié)果。如圖8(b)中所示，在該實施方案中的MTJ (其含有MgO且通過根 據(jù)第一實施方案的方法形成)使其RXA乘積很大地降低到350Ω μπι2，因此獲得高至160% 的TMR比率。相反，如圖8 (a)中所示，常規(guī)實施例中的MTJ具有580 Ω μ m2的RXA乘積和 160%的TMR比率。同樣，使用HRTEM (高分辨率透射電子顯微鏡法)進行該實施方案和常規(guī)實施例中 的MTJ的結(jié)構(gòu)分析。其結(jié)果是，如圖10中所示，該實施方案中具有MgO隧道勢壘的MTJ的厚 度為1. 48nm，而常規(guī)實施例中具有MgO隧道勢壘的MTJ的厚度為2. Olnm0應(yīng)注意的是，在該實施方案與常規(guī)實施例之間Mg厚度和在自由基氧化之前的自由基氧化條件是相同的。本 發(fā)明的發(fā)明人檢測了這種結(jié)果并且推斷MgO厚度的差異產(chǎn)生大的RXA乘積差異。對于第一實施方案，通過進一步調(diào)節(jié)有望獲得具有小于50 Ω μ m2的RXA乘積和 高于160%的TMR比率的MTJ。通過第一實施方案所展示的方法制備的MTJ適合于高密度 /高性能的自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM應(yīng)用。(第二實施方案)圖5Β顯示了根據(jù)第二實施方案的MgO的沉積順序。在第二實施方案中，在CoFeB鐵磁性參照層123上沉積金屬Mg層131至具有1. 6nm 的厚度。將金屬Mg層蝕刻去0. 4nm并立刻通過等離子體處理對其顯微組織進行修飾以形 成MgO隧道勢壘132。其后，在MgO隧道勢壘132上沉積0. 3nm的Mg覆蓋層139。 如上所述，優(yōu)選通過DC-濺射進行金屬Mg沉積，這可抑制顆粒產(chǎn)生。同樣，在等離 子體處理中，通過例如供給30W的RF功率作為等離子體發(fā)生功率以30sCCm的Ar氣流速產(chǎn) 生Ar氣的等離子體。在這種等離子體處理條件下，以0. 02nm/sec的Mg蝕刻速率進行等離 子體處理20秒鐘以將1. 6nm金屬Mg層131蝕刻去0. 4nm從而成為1. 2nm金屬Mg層131 ‘。 在自由基氧化中，再次如在第一實施方案中，通過例如向上方離子化電極供給800W RF功率 以600sCCm的氧流速來產(chǎn)生等離子體。對1. 2nm Mg層131 ‘進行自由基氧化例如90秒鐘 以形成MgO隧道勢壘132。圖5B_i中所示，在MgO隧道勢壘132上沉積CoFeB鐵磁性自由層140、覆蓋層150 和頂部電極層。在完成各層的沉積之后，在180°C和3K0e的磁場強度下進行磁場退火2小 時，然后在360°C和3K0e的磁場強度下進行磁場退火2小時。以這種方式，在該兩步驟退 火中，MgO隧道勢壘130的結(jié)晶首先通過在相對低的溫度下退火得到加速。然后，通過在較 高的溫度下退火，使用MgO隧道勢壘130的晶體作為模板使CoFeB鐵磁性自由層140結(jié)晶。 因此，形成了獲得高TMR比率的令人滿意的晶體結(jié)構(gòu)。如上所述，通過在MgO隧道勢壘132上形成Mg覆蓋層139，可防止CoFeB鐵磁性自 由層140的界面氧化，因此獲得高的TMR比率。對于第一實施方案，通過進一步調(diào)節(jié)有望獲得具有小于50 Ω μ m2的RXA乘積和 高于160%的TMR比率的MTJ。通過第一實施方案所展示的方法制備的MTJ適合于高密度 /高性能的自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM應(yīng)用。雖然上面已描述本發(fā)明的實施方案，但本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述實施方案。例如，具有MTJ器件的疊置體結(jié)構(gòu)不限于圖1中所示的結(jié)構(gòu)。同樣，氧化處理不限于自由基氧化，例如還可采用等離子體氧化、臭氧氧化和自然氧化。此外，用于形成隧道勢壘的金屬層可含有Mg、Al、Cr、Ni、Ta、Ti、Hf、Si、Zr和Ga 中的至少一種。類似地，覆蓋層不限于Mg，且可含有例如Al、Cr、Ni、Ta、Ti、Hf、Si、&和Ga 中的至少一種。鐵磁性層例如鐵磁性自由層和鐵磁性參照層不限于由CoFeB形成的那些，且可由 例如C0Fe、Fe、NiFe或含有它們中之一的材料作為主要組分和添加劑制成。同樣，可使用含 有除1 1 1外的組成比(例如60 20 20)的Co、Fe和B的材料。此外，可以使用 含有不同元素的材料。
同樣，鐵磁性層不限于單層，而可以包括兩個以上具有不同矯頑磁力的鐵磁性層， 或者無磁性的分隔體可以夾在具有不同矯頑磁力的鐵磁性層之間。在這種鐵磁性層的示例性結(jié)構(gòu)中，與隧道勢壘的界面是含CoFeB的層，且在含有 CoFeB層的隧道勢壘的相對側(cè)上形成含NiFe的層。在其中無磁性分隔體夾在鐵磁性層之間的示例性結(jié)構(gòu)中，與隧道勢壘的界面是含 CoFeB的層，在相對側(cè)上于CoFeB層的界面處進而形成Ru層和NiFe層。雖然在基材的側(cè)部上相對于鐵磁性自由層形成了鐵磁性參照層，但可以相反地在 基材側(cè)部上形成鐵磁性自由層。在上述磁場退火中，使用隧道勢壘作為結(jié)晶模板使在與隧道勢壘的界面處為非晶 態(tài)的層進行結(jié)晶。這獲得了高的TMR比率?？梢圆粌H通過DC-濺射而且還通過RF-濺射來形成鐵磁性層。還可以通過外延生 長替代濺射來形成鐵磁性層。使用濺射方法允許低成本、快速的MTJ器件制造。等離子體處理不限于使用氬氣，且可使用惰性氣體例如原子質(zhì)量重于Mg的A、Kr 或Xe。還可使用兩種或更多種類型的惰性氣體的混合物。用于進行等離子體處理的等離 子體可以是例如感應(yīng)耦合的等離子體。等離子體處理之前金屬Mg層131的厚度(第一厚 度)優(yōu)選為10 A (包括端值)至20 A (包括端值)。等離子體處理之后金屬Mg層131的 厚度(第二厚度)優(yōu)選為6 A (包括端值)至14 A (包括端值)。應(yīng)注意的是，第二厚度 與第一厚度之比率優(yōu)選為例如3/10 (包括端值)至5/7 (包括端值)。過高的厚度比率阻礙 發(fā)明效果的顯現(xiàn)，而過低的厚度比率即過大的蝕刻量劣化MTJ的性能。雖然上文參考附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但本發(fā)明不限于這些實施方 案，并且可在從權(quán)利要求范圍的描述中理解的技術(shù)范圍內(nèi)進行各種形式的改變。本申請要求基于2008年3月7日提交的日本專利申請No. 2008-58404的權(quán)益，因 此通過引用將其全文并入本文。
權(quán)利要求
一種制造磁阻元件的方法，該方法的隧道勢壘形成步驟包括形成具有第一厚度的金屬層的金屬層形成步驟；進行等離子體處理的等離子體處理步驟，所述等離子體處理將所述金屬層暴露于惰性氣體的等離子體中以蝕刻所述金屬層從而具有比第一厚度小的第二厚度；和對經(jīng)受過等離子體處理的金屬層進行氧化以形成金屬氧化物的氧化步驟，這形成隧道勢壘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，其中所述第一厚度為10人(包括端值)至 20 A (包括端值)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，其中所述第二厚度為6A (包括端值)至 14 A (包括端值)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，其中所述金屬層含有鎂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，該方法還包括 在隧道勢壘上形成金屬覆蓋層的金屬覆蓋層形成步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，其中所述金屬覆蓋層具有2人(包括端值) 至5人(包括端值)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，其中所述惰性氣體包括選自Ar氣、Kr氣和 Xe氣中的至少一種氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制造磁阻元件的方法，其中在隧道勢壘形成步驟中，在非晶態(tài)鐵磁性層上形成隧道勢壘，以及 隧道勢壘形成步驟包括 使隧道勢壘結(jié)晶的第一退火步驟，和在溫度高于第一退火步驟的溫度下使鐵磁性層結(jié)晶的第二退火步驟。
9.一種用于制造磁阻元件的設(shè)備，該設(shè)備包含 薄膜沉積室，其包含經(jīng)配置以沉積薄膜的薄膜沉積設(shè)備；蝕刻室，其包含用于引入惰性氣體的氣體引入裝置和具有用于等離子體產(chǎn)生的電極的 干式蝕刻設(shè)備；氧化室，其包含經(jīng)配置以進行氧化處理的氧化處理設(shè)備； 基材輸運設(shè)備，其經(jīng)配置以在所述室中輸運基材；和控制設(shè)備，其經(jīng)配置以控制所述薄膜沉積設(shè)備、所述干式蝕刻設(shè)備、所述氧化處理設(shè)備 和所述基材輸運設(shè)備，其中所述控制設(shè)備進行以下操作在所述薄膜沉積室中進行形成金屬層的操作，在所 述蝕刻室中進行將金屬層暴露于惰性氣體的等離子體中以蝕刻金屬層從而具有比第一厚 度小的第二厚度的等離子體處理的操作，以及在所述氧化室中對經(jīng)受過等離子體處理的金 屬層進行氧化的操作。
全文摘要
公開了制造磁阻元件的方法，其包括隧道勢壘形成步驟。所述隧道勢壘形成步驟包括形成具有第一厚度的金屬層的金屬層形成步驟，進行等離子體處理的等離子體處理步驟，其中將所述金屬層暴露于惰性氣體的等離子體中以蝕刻所述金屬層從而具有比第一厚度小的第二厚度，以及氧化經(jīng)受等離子體處理的金屬層以形成金屬氧化物的氧化步驟，這形成隧道勢壘。
文檔編號G11B5/39GK101960631SQ20098010774
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者崔永碩 申請人:佳能安內(nèi)華股份有限公司