磁阻元件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁阻元件的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，磁阻變化元件已主要用作用于從硬盤驅(qū)動(dòng)器的介質(zhì)在磁場中讀取的元件。磁阻元件利用通過將磁場施加至元件來改變電阻的磁阻效果，并且硬盤驅(qū)動(dòng)器工業(yè)使用用與使用巨磁阻(GMR)效果的GMR磁頭相比顯示更大的電阻變化率的隧道磁阻(TMR)效果的TMR磁頭，其進(jìn)而實(shí)現(xiàn)記錄密度的顯著改進(jìn)。同時(shí)，作為通過將該TMR技術(shù)與半導(dǎo)體元件融合獲得的集成磁性存儲器的MRAM(磁性隨機(jī)存取存儲器)已經(jīng)開始其商品化。MRAM不同于迄今僅由半導(dǎo)體元件形成的SRAM (靜態(tài)RAM)或DRAM (動(dòng)態(tài)RAM)，其包括在半導(dǎo)體器件的上部形成的由磁性材料制成的TMR元件。此外，MRAM由于其非揮發(fā)性使得能夠顯著改進(jìn)功耗，由此期望實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信市場中更大的容量。
[0003]MRAM使用，如非專利文獻(xiàn)I公開的作為TMR元件的，其中自由層和參照層的磁化方向沿與多層膜方向垂直的方向自旋的面內(nèi)(in-plane)磁化型的元件。MRAM提出由于用于存儲數(shù)據(jù)的大的存儲器單元使得沒有大的存儲容量的問題。然而，通過近幾年的研宄和開發(fā)，可期望使用自旋注入的STT(自旋轉(zhuǎn)移力矩)_MRAM以克服MRAM的固有缺陷，由此實(shí)現(xiàn)更大的容量。該技術(shù)可通過利用由電子的自旋生成的磁矩改變磁性材料的磁化方向，由此能夠使得微細(xì)化并且還能夠使寫入數(shù)據(jù)所需的電流值減小。因此，STT-MRAM即使具有小尺寸的元件也可操作，由此適用于更高的密度。STT-MRAM使用與使用MRAM的情況相同的面內(nèi)磁化型的元件，和其中自由層和參照層的磁化方向沿與多層膜的方向相同的方向自旋的垂直磁化型的元件。垂直磁化型的代表的多層膜結(jié)構(gòu)在非專利文獻(xiàn)2中公開。此外，加快材料和結(jié)構(gòu)的研宄和開發(fā)，從而即使在具有小尺寸元件的情況下磁化也可反轉(zhuǎn)，并且如非專利文獻(xiàn)3中記載，還報(bào)道了其中在自由層的上部形成氧化物層的結(jié)構(gòu)。
[0004]TMR元件的制造不僅使用非專利文獻(xiàn)I和2中記載的結(jié)構(gòu)，而且還廣泛使用其中包括濺射由期望的沉積材料制成的靶從而在對面基板上沉積膜的濺射沉積(以下，也僅稱濺射)方法(參考專利文獻(xiàn)I)。此外，需要用于改進(jìn)元件的電阻變化率的結(jié)晶退火裝置，退火后的基板冷卻裝置和用于形成氧化層的氧化裝置，以及濺射裝置。在將來，為了實(shí)現(xiàn)STT-RAM的實(shí)用化，充分使用這些裝置以開發(fā)高性能元件結(jié)構(gòu)以及材料是必須的。
[0005]引f列表
[0006]專利f獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:國際專利公開N0.W0/2012/086183_8] 非專利文獻(xiàn)
[0009]非專利文獻(xiàn)I:Young-suk Choi 等人,Journal of App1.Phys.48(2009) 120214
[0010]非專利文獻(xiàn)2:D.C.Worledge 等人，Appl.Phys.Lett.98 (2011) 022501
[0011]非專利文獻(xiàn)3:Kubota 等人，Journal of Appl.Phys.111，07C723 (2012)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]對于制造上述MRAM，為了實(shí)現(xiàn)低成本化，尋求改進(jìn)生產(chǎn)量。此外，例如，當(dāng)作為MRAM的結(jié)構(gòu)元件的金屬膜氧化以形成阻擋層時(shí)，不存在金屬膜的快速氧化導(dǎo)致雜質(zhì)的混入，進(jìn)而元件的可靠性或特性劣化。還為了減少雜質(zhì)的混入的目的，尋求改進(jìn)生產(chǎn)量。
[0013]此外，迄今為止，作為阻擋層形成用金屬膜的氧化處理，有時(shí)采用其中包括將具有在其上形成的金屬膜的基板加熱至預(yù)定溫度從而使金屬膜氧化的方法。在該情況下，在氧化處理室內(nèi)將具有在其上形成的金屬膜的基板加熱至目標(biāo)溫度，然后，將氧導(dǎo)入至氧化處理室以進(jìn)行氧化處理。
[0014]然而，在用于形成阻擋層的金屬膜的材料為鎂(Mg)的情況下，當(dāng)將Mg加熱至目標(biāo)溫度時(shí)，Mg隨著溫度上升而升華，因?yàn)樘貏e是Mg為易升華材料。因此，在氧導(dǎo)入開始時(shí)，Mg的膜厚度通過Mg的升華量而降低。因此，氧化處理完成后，通過氧化處理生成的氧化鎂(MgO)的膜厚度小于設(shè)計(jì)值。同時(shí)，考慮到在Mg沉積期間的升華，Mg可以預(yù)先可想象地形成比設(shè)計(jì)值更大的厚度；然而，這包括相對于設(shè)計(jì)值Mg的過量沉積，由此導(dǎo)致成本提高。
[0015]鑒于上述問題而進(jìn)行本發(fā)明。本發(fā)明的目的為提供一種磁阻元件的制造方法，其在形成金屬氧化物的隧道勢皇層時(shí)改進(jìn)生產(chǎn)量的同時(shí)，能夠降低在金屬氧化期間的金屬的升華。
[0016]為了獲得上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種磁阻元件的制造方法，其包括:形成磁化自由層和磁化固定層之一的步驟；在形成的磁化自由層和磁化固定層之一上形成隧道勢皇層的步驟；以及在隧道勢皇層上形成磁化自由層和磁化固定層中的另一者的步驟，其中隧道勢皇層的形成步驟包括在基板上沉積金屬膜的沉積步驟，和使金屬膜進(jìn)行氧化處理的氧化步驟，其中氧化步驟包括將具有其上形成的金屬膜的基板保持在進(jìn)行氧化處理的處理容器內(nèi)的基板保持件上的基板保持步驟，通過在金屬膜不升華的溫度下將氧氣導(dǎo)入至處理容器內(nèi)而將氧氣供給至基板的供給步驟，和在導(dǎo)入氧氣的同時(shí)或其后加熱基板的加熱步驟。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種磁阻元件的制造方法，其包括:形成磁化自由層和磁化固定層之一的步驟；在形成的磁化自由層和磁化固定層之一上形成隧道勢皇層的步驟；以及在隧道勢皇層上形成磁化自由層和磁化固定層中的另一者的步驟，其中隧道勢皇層的形成步驟包括在基板上沉積金屬膜的沉積步驟，和使金屬膜進(jìn)行氧化處理的氧化步驟，其中氧化步驟包括將具有其上形成的金屬膜的基板保持在進(jìn)行氧化處理的處理容器內(nèi)的基板保持件上的保持步驟，通過在金屬膜不升華的溫度下將氧氣導(dǎo)入至處理容器內(nèi)而將氧氣供給至基板的供給步驟，和在導(dǎo)入氧氣的同時(shí)或其后加熱基板的加熱步驟，其中氧化步驟進(jìn)一步包括，在保持步驟后，通過改變基板保持件相對于處理容器的相對位置，在處理容器內(nèi)形成由基板保持件的基板保持面和處理容器內(nèi)設(shè)置的包圍部形成的空間的步驟，其中形成空間使得基板保持面由包圍部包圍并且在包圍部與基板保持件之間形成間隙，其中導(dǎo)入至空間的氧氣通過間隙從空間排出。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，可在改進(jìn)形成金屬氧物的隧道勢皇層的生產(chǎn)量的同時(shí)，降低在金屬氧化期間金屬的升華。
【附圖說明】
[0019]圖1為作為應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理的元件的一個(gè)實(shí)例的面內(nèi)磁化型元件的多層結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0020]圖2為作為應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理的元件的一個(gè)實(shí)例的垂直磁化型元件的多層結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0021]圖3為作為應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理的元件的一個(gè)實(shí)例的面內(nèi)磁化型元件的多層結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0022]圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理設(shè)備在基板輸送狀態(tài)下和在氧化處理狀態(tài)下的概略構(gòu)造的示意圖。
[0023]圖5為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理設(shè)備在氧化處理狀態(tài)下的概略構(gòu)造的不意圖。
[0024]圖6為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理設(shè)備在基板輸送狀態(tài)下的概略構(gòu)造的不意圖。
[0025]圖7為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的磁阻元件的制造方法的過程的流程圖。
[0026]圖8為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的隧道勢皇層的形成步驟中的氧化處理過程的流程圖。
[0027]圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理的時(shí)間圖。
[0028]圖10為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的Mg的蒸汽壓的溫度依賴性的圖。
[0029]圖11為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氧化處理設(shè)備在氧化處理狀態(tài)下的概略構(gòu)造的的不意圖。
[0030]圖12為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的隧道勢皇層的形成步驟中的氧化處理過程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]盡管以下將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方案，但應(yīng)理解本發(fā)明不限于這些實(shí)施方案。在下述附圖中，具有相同功能的部分由相同的附圖標(biāo)記表示，并且省略該部分的重復(fù)描述。
[0032]圖1為非專利文獻(xiàn)I中公開的面內(nèi)磁化型元件(以下稱為MTJ(磁性隧道結(jié))元件)的多層結(jié)構(gòu)的示意圖。在MTJ元件100中，作為處理基板上的下部電極層108，例如，首先層疊包含鉭(Ta)和銅(Cu)的化合物。下部電極層108具有例如作為Ta(5nm)/CuN(20nm) /Ta(5nm)的結(jié)構(gòu)。上部Ta還用作底層膜，并且，除了 Ta之外，可使用如鉿(Hf)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉬(Mo)或鎢(W)等金屬。此外，可以在Ta等上沉積例如，包含鎳(Ni)、鐵(Fe)、絡(luò)(Cr)和釕(Ru)的至少一種元素的層。
[0033]在下部電極層108上沉積，例如，以3-20nm的程度的厚度沉積包含IrMn、PtMn,FeMn、NiMruRuRhMn或CrPtMn等的反鐵磁性層107。在反鐵磁性層107上沉積參照層106、非磁性中間層105和參照層104。參照層106包含例如，CoFe等的磁性膜，并且厚度為l_5nm的程度。非磁性中間層105包含選自釕(Ru)、鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)和錸(Re)的至少一種元素，或者這些金屬的兩種以上的合金，并且厚度為0.85nm的程度。參照層104包含例如，CoFe或CoFeB等的磁性膜，并且厚度為l_5nm的程度。反鐵磁性層107、固定磁性層106、非磁性中間層105和固定磁性層104形成合成型的參照層。該參照層可構(gòu)造為具有反鐵磁性層和參照層106的雙層結(jié)構(gòu)。參照層為其中將磁化方向固定的層。
[0034]在參照層104上形成阻擋層103。優(yōu)