包括擴散阻擋層的磁致電阻器件的製作方法
2023-06-01 16:33:41 1
專利名稱：包括擴散阻擋層的磁致電阻器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁致電阻器件，更特別地，涉及具有置於襯層和反鐵磁之間的擴散阻擋層的磁致電阻器件，從而用於防止當形成該磁致電阻器件時高溫熱處理工藝導致的磁層材料的會惡化該器件的磁性能的擴散。
背景技術：
許多工藝技術例如薄膜沉積技術、表面處理技術等已被發展用於製造小型化結構。因此，可以精確地生長磁薄膜至數納米(nm)的厚度，其與電子自旋之間相互作用距離相等，從而製造小型化器件。相應地，以前在比數納米厚的磁材料中未被發現的許多不同特性已被發現且隨後被用於製造電子裝置和工業部件。結果，磁致電阻器件變得流行，現在廣泛應用於磁記錄頭以寫數據在超高密度數據記錄器件、介質、以及磁隨機存取存儲器(MRAM)。
已被廣泛研究和開發的磁致電阻器件的示例是巨磁致電阻(GMR)器件和隧穿磁致電阻(TMR)器件。GMR是一種現象，其中當電子流過兩磁層時，電阻根據兩磁層的磁化布置而改變，這可以根據自旋相關散射來解釋。TMR是這樣一種現象，其中當絕緣體置於兩磁層之間時，隧穿電流根據鐵磁材料的磁化方向而改變。另外，TMR頭利用磁隧道結原理，其中隧穿電流根據鐵磁材料的磁化方向而改變。
圖1是可應用於GMR頭和TMR頭的常規磁致電阻器件的剖視圖。
參照圖1，磁致電阻器件包括襯層12、反鐵磁層13、第一鐵磁層14、非磁層15、第二鐵磁層16和覆層17，其順序堆疊在襯底11例如Si晶片上。
襯層12可以是單層或多層，且通常由鉭(Ta)形成。反鐵磁層13通常由包括Mn的合金形成，例如IrMn、FeMn、NiMn等。第一鐵磁層14通常由鐵磁材料例如CoFe合金形成，且被稱為被釘扎層，因為其磁化方向被反鐵磁層13所施加的磁場釘扎。在GMR器件中，非磁層15可以是Cu形成的間隔層，在TMR器件中，其可以是Al2O3、MgO等形成的隧穿勢壘層。第二鐵磁層16可以由與第一鐵磁層14相同的鐵磁材料形成，且被稱為自由層，因為其磁化方向可根據所施加的磁場而移動。這裡，反鐵磁層13、第一鐵磁層14、非磁層15和第二鐵磁層16可以全被稱為傳感器部件。覆層17保護形成在其下的傳感器部件，通常由Ta形成。
下面將描述當用作磁致電阻頭時圖1所示磁致電阻器件的操作。當外磁場施加到該磁致電阻器件時，第一鐵磁層14的磁化方向相對於第二鐵磁層16的磁化方向改變。因此，第一鐵磁層14和第二鐵磁層16之間的磁致電阻改變。該磁滯電阻的改變允許存儲在磁記錄介質例如硬碟驅動器(HDD)上的磁數據的檢測。以此方式，利用第一和第二鐵磁層14和16之間磁致電阻的改變，可以從磁記錄介質讀取數據。這裡，當使用該磁致電阻器件時，磁致電阻的改變與最小磁致電阻的磁滯電阻(MR)比值和交換耦合力(Hex，即反鐵磁層釘扎第二鐵磁層的磁化方向所需的力)應被穩定地維持。
圖1所示的磁致電阻器件在製造和使用期間經歷高熱。例如，由於高速旋轉馬達的運行而溫度上升，在絕緣層沉積期間高溫熱被施加，以及在MRAM製造工藝期間用於電路的金屬化(metalization)而使用高溫熱處理。另外，當使用磁致電阻器件時，磁滯電阻器件由於外電流而被加熱到150℃。在製造工藝期間，磁致電阻器件被加熱到約300℃，這高於使用期間的溫度。
如果磁致電阻器件被加熱到高溫，每層中的原子開始非常活躍地移動，因此在相鄰層之間產生原子的相互擴散和相互混合。原子的相互擴散或相互混合很大程度上受相鄰層之間邊界的粗糙度以及晶粒尺寸的影響。另外，磁致電阻器件的基本特性，例如MR比值或交換耦合力，會由於相互擴散或相互混合而退化。尤其是，在Mn用於形成反鐵磁層13的情況下，Mn特別易於擴散，由此惡化磁致電阻器件的磁特性。
如果上述常規磁致電阻器件被加熱到高溫，其基本特性例如MR比值或交換耦合力由於非常活躍的相互擴散或相互混合而極大地減小。另外，在使用期間磁信息的錯誤檢測經常發生。尤其是，在高密度磁記錄介質的情況下，從高密度磁記錄介質施加的磁場減小，從而發生更嚴重的問題。
發明內容
本發明提供一種用於磁致電阻器件的結構，能在該磁致電阻器件的高溫製造工藝期間以及在使用該磁致電阻器件的環境下可靠地維持該磁致電阻器件的磁特性例如磁致電阻比值，並且可用於寬範圍的電阻器件。
根據本發明的一個方面，提供一種磁致電阻器件，具有襯底、形成在該襯底上的襯層、以及形成在該襯層上的磁致電阻結構，該磁致電阻器件包括形成在該襯層與該磁致電阻結構之間的擴散阻擋層。
該擴散阻擋層可以由Ru形成。
該磁致電阻結構可包括反鐵磁層、形成在該反鐵磁層上且具有被該反鐵磁層釘扎的磁化方向的第一鐵磁層、形成在該第一鐵磁層上的非磁間隔層、以及形成在該間隔層上且具有可變磁化方向的第二鐵磁層。
該反鐵磁層可以由含Mn合金形成。
該磁致電阻結構可包括反鐵磁層、形成在該反鐵磁層上且具有被該反鐵磁層釘扎的磁化方向的第一鐵磁層、形成在該第一鐵磁層上的隧穿勢壘層、以及形成在該隧穿勢壘層上且通過磁場的施加而具有可變磁化方向的第二鐵磁層。
該反鐵磁層可以由含Mn合金形成。
該襯層可以是單層即籽層以及包括籽層和緩衝層的多層中的一種。
該籽層可由Ta和含Ta合金中的一種形成。
該緩衝層可由Ta/Ru化合物和NiFeCr中的一種形成。
通過參照附圖詳細描述其示例性實施例，本發明的上述和其他特徵和優點將變得更加明顯，附圖中圖1是常規磁致電阻器件的示意性剖視圖；圖2是根據本發明一實施例的磁致電阻器件的示意性剖視圖；圖3A是根據本發明一實施例應用於GMR構造的磁致電阻器件的剖視圖；圖3B是根據本發明一實施例應用於TMR構造的磁致電阻器件的剖視圖；圖4A是曲線圖，示出當沒有擴散阻擋層的磁致電阻器件在沉積狀態時的M-H特性；圖4B是曲線圖，示出當根據本發明一實施例包括擴散阻擋層的磁致電阻器件被形成且然後在600℃的溫度下被加熱32.5秒時的M-H特性；圖5A是曲線圖，示出當根據本發明一實施例的磁致電阻器件在沉積階段時的M-H特性；圖5B是曲線圖，示出當根據本發明一實施例的磁致電阻器件在600℃的溫度下被加熱32.5秒時的M-H特性；圖6A是曲線圖，示出在形成沒有擴散阻擋層的常規磁致電阻器件且然後在600℃的溫度下熱處理後通過SIMS測量的成分分布的結果；以及圖6B是曲線圖，示出在形成根據本發明一實施例的包括擴散阻擋層的磁致電阻器件且然後在600℃的溫度下熱處理後通過SIMS測量的成分分布的結果。
具體實施例方式
現在將參照附圖更全面地描述本發明，附圖中示出本發明的示例性實施例。在附圖中，為了清晰起見而放大了層的厚度和區域。
圖2是根據本發明一實施例的磁致電阻器件的示意性剖視圖。
參照圖2，磁致電阻器件包括擴散控制層和磁致電阻器件襯底(未示出)，其上形成襯層21、擴散阻擋層、以及磁致電阻結構20。當磁致電阻器件是磁致電阻頭時，磁致電阻結構20可以是傳感器，當磁致電阻器件是MRAM或存儲器件時，磁致電阻結構20可以是存儲單元。
如圖2所示，磁致電阻器件可以是GMR結構或TMR結構。圖3A是根據本發明一實施例應用於GMR構造的磁致電阻器件的剖視圖，圖3B是根據本發明一實施例應用於TMR構造的磁致電阻器件的剖視圖。圖3A和3B示出自旋閥型磁致電阻器件。
參照圖3A，襯底(未示出)包括順序形成在其上的襯層21、擴散阻擋層22、反鐵磁層23、第一鐵磁層24、間隔層25、以及第二鐵磁層26。這裡，襯層22可以選擇性地形成為包括籽層和緩衝層的多層。另外，第二鐵磁層26還可包括覆層。
襯底使用在一般磁致電阻器件中，可以被使用而沒有限制。例如，Si襯底可被使用，且在Si襯底上可以被氧化從而形成SiO2。襯層21可以是單籽層或者是包括籽層和緩衝層的多層。籽層和緩衝層用於在其上生長磁層。籽層可以由Ta或Ta合金形成，緩衝層可以由Ta/Ru化合物或NiFeCr等形成。
擴散阻擋層22防止緩衝層或反鐵磁層23的過渡金屬(Mn、Fe、Co、Ni等)的擴散，且可以由非磁材料形成從而它不會影響在其上形成的反鐵磁層23的生長。具體地，諸如Ru的材料可用於形成擴散阻擋層22至數納米到數十納米的厚度。當形成磁層的材料擴散超過邊界時，磁滯回線改變，使得讀頭的解析度降低。因此，通過使用擴散阻擋層22，當經歷熱處理工藝時，讀取介質可保持其讀取特性。將在下面給出此現象的詳細描述。
反鐵磁層23固定形成在其上的第一鐵磁層24的磁化。這樣，反鐵磁層23可以由諸如IrMn的Mn型化合物形成。第一和第二鐵磁層24和26可由CoFe、NiFe或其他鐵磁材料形成。間隔層25可以由Cu或其他非磁材料形成。
圖3B示出一結構，具有順序堆疊在襯底(未示出)上的襯層21、擴散阻擋層22、反鐵磁層23、第一鐵磁層24、隧穿勢壘層25′、以及第二鐵磁層26。襯層22可以選擇性地為包括籽層和緩衝層的多層，覆層還可包括在第二鐵磁層26上方。
襯底使用在一般磁致電阻器件中，可以被使用而沒有限制。Si襯底可被使用，且Si襯底頂部可以被氧化從而形成SiO2。襯層21可以是單籽層或者是包括籽層和緩衝層的多層。例如，籽層可以由Ta或Ta合金形成，緩衝層可以由Ta/Ru化合物或NiFeCr等形成。擴散阻擋層22防止形成緩衝層或反鐵磁層的過渡金屬(Mn、Fe、Co、Ni等)的擴散，且可以由非磁材料形成從而它不會影響在其上形成的反鐵磁層23的生長。具體地，諸如Ru的材料可用於形成擴散阻擋層22至數納米到數十納米的厚度。反鐵磁層23固定形成在其上的第一鐵磁層24的磁化方向。這樣，反鐵磁層23可以由諸如IrMn的Mn型化合物形成。第一和第二鐵磁層24和26可由CoFe、NiFe或其他鐵磁材料形成。隧穿勢壘層25′可以由非磁材料例如Al2O3或MgO形成。
下面簡要說明製造根據本發明一實施例包括擴散控制層的磁致電阻器件的工藝。這裡，圖3A所示具有GMR結構的磁致電阻器件通過濺射工藝形成，說明如下。
準備Si襯底，具有預定厚度的氧化層可選擇性地形成在襯底的表面上。然後，為了在襯底上形成襯層21，形成Ta籽層，緩衝層可選擇性地形成在其上。當合金材料將被沉積時，可以沉積合金靶，或者單獨的靶可以安裝在反應腔內，通過共濺射沉積合金材料。然後，Ru在襯層21上沉積至數納米到數十納米的厚度，由此形成擴散阻擋層22。然後，反鐵磁層23、第一鐵磁層24、間隔層25和第二鐵磁層26順序形成在擴散阻擋層22上。磁致電阻器件的上述製造工藝是現有技術中所使用的一種。
圖4A和4B是曲線圖，分別示出當沒有擴散阻擋層的垂直磁致電阻器件在沉積狀態的M-H特性，和當根據本發明一實施例的包括擴散阻擋層的磁致電阻器件被形成且然後在600℃的溫度下加熱32.5秒時的M-H特性。這裡，用於測量的樣品是沒有擴散阻擋層的磁致電阻器件。具有約5納米厚度的Ta籽層形成在玻璃襯底上，具有約5納米厚度的NiFeCr緩衝層形成在籽層上。另外，具有10納米厚度的IrMn反鐵磁層形成在緩衝層上，40納米厚的CoZrNb層形成在其上。
參照圖4A和4B，在沒有擴散阻擋層的磁致電阻器件的情況下，交換耦合力(Hex)在沒有熱處理的沉積狀態等於35Oe，在600℃環境下熱處理之後交換耦合力(Hex)急劇減小至0Oe。這是因為材料例如反鐵磁層中的Mn和其下的緩衝層中的Co擴散到其他層中，負面地影響了磁致電阻器件的總體特性。因此，沒有擴散阻擋層的磁致電阻器件是非常熱不穩定的。
圖5A和5B是曲線圖，分別示出當根據本發明一實施例的磁致電阻器件在沉積階段時的M-H特性，和當根據本發明一實施例的磁致電阻器件在600℃的溫度下被加熱32.5秒時的M-H特性。這裡，用於進行測量的樣品是包括擴散阻擋層的磁致電阻器件。具有約5納米厚度的Ta籽層形成在玻璃襯底上，具有約5納米厚度的NiFeCr緩衝層形成在籽層上。另外，具有10納米厚度的Ru擴散阻擋層形成在緩衝層上，具有10納米厚度的IrMn反鐵磁層和40納米厚的CoZrNb層順序形成在其上。
參照圖5A和5B，在具有擴散阻擋層的磁致電阻器件的情況下，雖然在沒有熱處理的沉積狀態下交換耦合力(Hex)等於35Oe，但是在600℃的環境下熱處理之後交換耦合力(Hex)為24Oe。雖然交換耦合力減小，但是與沒有擴散阻擋層的情況相比，交換耦合力仍具有較大值。
圖6A是曲線圖，示出在形成沒有擴散阻擋層的常規磁致電阻器件且然後在600℃的溫度下熱處理後通過SIMS測量的成分分布的結果。具體地，圖4B所示樣品的成分分布被測量。
參照圖6A，每種元素通過熱處理而寬地擴散。尤其是對於Mn，其在水平軸1500s處顯示最高的峰，通過擴散，高成分分布保持在其他層上。
圖6B是曲線圖，示出在形成根據本發明一實施例的包括擴散阻擋層的磁致電阻器件且然後在600℃的溫度下熱處理後通過SIMS測量的成分分布的結果。具體地，圖5B所示的樣品的成分分布被測量。
參照圖6B，當與圖6A的結果比較時，每種元素的擴散顯著減小。尤其是對於Mn和Cr，當存在擴散阻擋層且進行熱處理時，擴散減小到原始值的約1/10。擴散阻擋層的使用防止了形成磁層的金屬的擴散，從而維持了熱穩定性。
如上所述，在本發明的磁致電阻器件中，通過在襯層和反鐵磁層之間設置擴散阻擋層，當形成磁致電阻器件時，熱處理和器件使用(產生熱)期間重要元素的擴散可被防止，從而器件的磁特性能被可靠地維持。
雖然已經參照其示例性實施例特別顯示和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不偏離所附權利要求定義的本發明的思想和範圍的情況下，能進行形式和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種磁致電阻器件，具有襯底、形成在該襯底上的襯層、以及形成在該襯層上的磁致電阻結構，該磁致電阻器件包括擴散阻擋層，形成在該襯層和該磁致電阻結構之間。
2.根據權利要求1所述的磁致電阻器件，其中該擴散阻擋層由Ru形成。
3.根據權利要求1所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻結構包括反鐵磁層；形成在該反鐵磁層上且具有被該反鐵磁層釘扎的磁化方向的第一鐵磁層；形成在該第一鐵磁層上的非磁間隔層；以及形成在該間隔層上且具有可變磁化方向的第二鐵磁層。
4.根據權利要求3所述的磁致電阻器件，其中該反鐵磁層由含Mn合金形成。
5.根據權利要求1所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻結構包括反鐵磁層；形成在該反鐵磁層上且具有被該反鐵磁層釘扎的磁化方向的第一鐵磁層；形成在該第一鐵磁層上的隧穿勢壘層；以及形成在該隧穿勢壘層上且具有通過施加磁場而可變的磁化方向的第二鐵磁層。
6.根據權利要求5所述的磁致電阻器件，其中該反鐵磁層由含Mn合金形成。
7.根據權利要求1所述的磁致電阻器件，其中該襯層是籽層以及包括籽層和緩衝層的多層中的一種。
8.根據權利要求7所述的磁致電阻器件，其中該籽層由Ta和含Ta合金中的一種形成。
9.根據權利要求7所述的磁致電阻器件，其中該緩衝層由Ta/Ru化合物和NiFeCr中的一種形成。
10.根據權利要求2所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻結構包括反鐵磁層；形成在該反鐵磁層上且具有被該反鐵磁層釘扎的磁化方向的第一鐵磁層；形成在該第一鐵磁層上的非磁間隔層；以及形成在該間隔層上且具有可變磁化方向的第二鐵磁層。
11.根據權利要求2所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻結構包括反鐵磁層；形成在該反鐵磁層上且具有被該反鐵磁層釘扎的磁化方向的第一鐵磁層；形成在該第一鐵磁層上的隧穿勢壘層；以及形成在該隧穿勢壘層上且具有通過施加磁場而可變的磁化方向的第二鐵磁層。
12.根據權利要求2所述的磁致電阻器件，其中該襯層是籽層以及包括籽層和緩衝層的多層中的一種。
全文摘要
本發明涉及一種磁致電阻器件，具有襯底、襯層、磁致電阻結構、以及擴散阻擋層。該襯層形成在該襯底上。該磁致電阻結構形成在該襯層上。該擴散阻擋層形成在該襯層和該磁致電阻結構之間。
文檔編號H01L43/08GK101017667SQ200610148660
公開日2007年8月15日 申請日期2006年11月22日 優先權日2006年2月9日
發明者尹成龍, 李在喆, 金庸洙, 吳薰翔 申請人:三星電子株式會社