製造熱穩定mtj單元的方法和裝置的製作方法

2023-04-24 03:36:16

專利名稱：製造熱穩定mtj單元的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造具有更好耐熱性和更高溫度穩定性的MTJ單元的方法。
背景技術：
磁性隨機訪問存儲器(MRAM)器件基於具有磁隧道結(MTJ)型磁材料的半導體電路的集成。在1998年3月31日發布，標題為″Multi-Layer Magnetic Tunneling Junction Memory Cells″的專利5,702,831中可以發現關於MTJ單元的製造和操作的更多信息，這裡參考引用了該專利。普通半導體工藝有時需要高達400℃或更高的處理溫度。當前在MTJ單元中使用的材料在高於300℃的環境下通常不穩定，並且不能在工作特性不受根本損傷或退化的情況下承受這種高溫。於是期望得到能夠承受這種高處理溫度的MTJ材料。否則必須開發出低溫度特殊處理模塊。在某些特殊環境中這是可行的。但是如果需要特殊低溫處理模塊，則肯定會增加MRAM晶片或器件的產生成本。
並且，根據可以向普通CMOS流程插入MTJ層的時間，存儲器單元的尺寸有所不同。向CMOS流程中可以插入MTJ層的時間越早，則存儲器單元的尺寸就越小，因為隨著CMOS處理中層數的增加，最小尺寸變得更大。於是，期望得到可以較早插入CMOS流程中的耐熱MTJ材料，以便存儲器單元尺寸可以較小。對於較小的單元尺寸，存儲器密度會更高，並且存儲器成本會更低。
在諸如CMOS等等的普通半導體製造工藝中集成MTJ單元和半導體電路的另一個問題是，在高溫加熱處理步驟期間諸如鋁和鋁合金的公共金屬電極向磁層的擴散。當鋁向磁層擴散時，會根本降低MTJ單元的工作特性，或者單元會完全失效。MTJ單元的許多應用可以從MTJ耐熱性的提高得到益處，例如存儲器單元，諸如盤讀取頭的場傳感器，和其它電磁混合系統。

發明內容
因此非常期望提供製造具有更好耐熱性和更高溫度穩定性的MTJ單元的方法，並且提供相應的裝置。


參照附圖圖1是MTJ單元的簡化剖視圖；圖2至圖5根據本發明圖解了製造MTJ單元過程的順序步驟；而圖6和7是MTJ單元的簡化剖視圖，其中在根據本發明的製造工藝中還包含其它步驟。
具體實施例方式
現在參照附圖，尤其是圖1，其中為簡要描述MTJ單元的操作，圖解了磁隧道結(MTJ)單元10的簡化剖視圖。MTJ單元10包含一對磁材料層11和12。在層11和12之間夾有一個隧道隔離材料層14。如本領域中所知的，層11和12通常由多個磁材料層組成，例如鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)等等。層14由某些諸如氧化鋁、氮化鋁等等的絕緣材料組成。
一個磁材料層，即本說明書中的層11具有較大的反轉磁場，使得在施加的磁場小於其反轉磁場時，其磁向量(如箭頭16所示，此後稱作向量16)始終指向相同方向。層12的磁向量(如箭頭17所示，此後稱作向量17)具有較小反轉磁場，並且在施加的磁場大於其反轉磁場時，自由指向2個方向中的任意一個，但受到層12的物理尺寸的約束。以將其連接到電路中的方式使用單元10，使得電流從層11或12中的一個通過單元10垂直流動到另一個。單元10可以被電等效地表示成電阻器，並且電阻的大小取決於磁向量16和17的取向。本領域的技術人員可以理解，當磁向量16和17未對齊(指向相反方向)時，單元10具有相對較高的電阻，當磁向量16和17對齊時，單元10具有相對較低的電阻。
當然期望具有遠高於低電阻(對齊的向量16和17)的高電阻(未對齊的向量16和17)，使得可以在相關電子電路中方便地檢測到變化。高和低電阻之間的差通常被稱作磁致電阻(MR)，該磁致電阻(MR)具有通常被表示成百分比(％)的差值，此後表示成MR％。
在當今製造MTJ單元或單元陣列的實踐中，製造過程通常如下所述。底部接觸金屬被沉積在支持基底上。包含磁材料底層和薄鋁層的多層被沉積在底部接觸金屬上。接著氧化鋁金屬以形成隧道屏蔽。接著，磁材料頂層和頂部接觸金屬被沉積在氧化鋁上。問題在於，處理與MTJ單元陣列相關的半導體電路可能需要一或多個高溫加熱步驟(即400℃或更高)。這些高溫加熱步驟導致單元性質和性能的根本退化。
由於其它金屬向磁層/隧道屏蔽界面的擴散和緊鄰隧道屏蔽的磁層的最終氧化，高溫加熱下單元的退化肯定會出現。氧化磁材料或具有雜質的磁材料具有非常不良的磁偏振，這種磁偏振對MR％產生根本的影響。在某些情況下，人們發現通過上述處理生產的MTJ單元具有很小的MR％或沒有MR％，並且在經過350℃至400℃的處理之後實際上無法使用。
為了生產具有耐熱性的MTJ單元，即可以承受連續高溫熱處理的MTJ單元，已經開發出以下過程。現在參照圖2，提供支持基底20，支持基底20可以是半導體基底等等。下部或底部金屬電極22以任何眾所周知的方式沉積在基底20的表面上。在許多應用中，金屬電極22可以是相關半導體電路處理中的金屬化步驟的一部分。正如下面詳細說明的，金屬電極22可以包含各種被用來優化沉積處理的材料層(或子層)。然而為了簡化說明，這裡只圖解和描述一個單層。
現在參照圖3，磁材料層24被沉積在金屬電極22的上表面上。當然應當理解，磁材料層24還可以包含多個磁材料層，這些磁材料層具體被用來提高最終單元的磁性質和質量。然而，由於這些特徵不是本發明的一部分，並且由於本發明會涉及一或多個磁材料層(或子層)，這裡為了簡單只圖解了一個單層。在這個實施例中，通過某些適宜的方法使層24的上部25(如虛線所示)氧化，例如使用等離子體氧化、UV光激勵氧化、反應濺射、氧原子氧化、自然氧化等等。這裡應當注意，除了氧之外的材料與基材料一起被用於產生所需的隧道屏蔽，並且這裡包含所有這種材料，其中氧的使用只是為了舉例說明。例如，氮可用於產生氮化物，而不是使用氧產生氧化物。
參照圖4，鋁金屬層26被沉積在層24的表面上。本領域的技術人員應當理解，由於在集成電路等等中的使用非常普遍，在這個例子使用鋁金屬。還應當理解，使用使用其它基材料，這些基材料可以和諸如氧和氮的材料配合以產生隧道隔離材料，這裡包含了所有這種基材料。可選地，並且根據被引入層24和要描述的其它層的氧的數量，在這裡鋁層26可以被部分氧化。然而應當理解，即使向層26引入一些氧，層26的鋁金屬應當是缺氧的。也就是說，層26的鋁金屬沒有全部氧化。
現在參照圖5，將磁材料薄層(如27和虛線所示)沉積在層26上，並且通過任何適宜的方法(參見上面)使其氧化。在氧化之後，沉積剩餘的磁材料以形成磁材料的上層28。頂部金屬電極29被沉積在層28上以完成MTJ結構30。在許多應用中，金屬電極29可以是相關半導體電路處理中的金屬化步驟的一部分。這裡應當理解，所描述的處理是簡化版本，並且可以包含許多附加步驟，例如形成連接線、位線等等。此外，通常在相對較大的陣列中生產MTJ單元，並且描述的處理可以包含生產整個陣列的步驟，其中具有這裡為了方便而省略的附加掩模和蝕刻步驟以便將覆蓋沉積分割成各個單元。
由於氧化磁層24和28具有接近零的磁偏振，從而導致接近零的MR％，所以上述非加熱處理的MTJ結構30會具有接近零的MR％。當在後續處理步驟中加熱MTJ結構30時，缺氧鋁(或AlOx)具有更大的趨勢(絕對值更高的負生成焓，或更高的親合力)以吸引層24的上部25和層28的下部27中存留的氧，使得從磁層24和28得到氧，以致層26被完全氧化，並且形成隧道隔離材料。控制磁層24和28，以及層26(如果包含)中的氧的數量，和400℃和更高溫度上的處理時間，使得在完成400℃和更高溫度的處理之後，磁層24和28中所有的氧已經被吸收到鋁層26中。
這裡應當注意，由於磁層24和28中任意一個或兩個的全部或任何部分可以被初始氧化以提供使鋁層26氧化所需數量的氧，可以非常精確地控制此處理。此外，如果後面的處理步驟包含時間非常短的高溫處理，層26可以被部分氧化。可以精確控制氧的數量和氧相對於層26的位置，從而最終提供在磁層中具有很少的氧或沒有氧的MTJ結構30，和完全或幾乎完全氧化的屏蔽層。於是，MTJ結構30經歷了後續的高溫處理步驟，並且在處理結束時具有最優的MR％。
通常通過以下方式形成用於MRAM的MTJ磁存儲元件，其中沉積導電基金屬層(例如半導體製造工藝中的金屬化步驟)，接著沉積包含種子和模板層的底部電極，接著沉積隧道屏蔽，接著沉積包含至少一個磁層的頂部電極，接著沉積導電頂部金屬層(例如半導體製造工藝中的另一個金屬化步驟)。在加熱時，以半導體製造工藝中的退火或活化步驟為例，MTJ結構的一個故障機理是導電基和頂部金屬層中使用的材料擴散到頂部和底部電極中。電極中使用的重要材料，例如鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)和釕(Ru)易於和某些金屬電極，例如鋁形成合金，並且已知會擴散到銅(Cu)中。由於鋁和銅在半導體製造的金屬化步驟中的使用非常廣泛，這種合金成為嚴重的問題。
具體參照圖6，其中圖解了根據本發明的MTJ磁性元件50的簡化剖視圖。在支持基底52上形成元件50，支持基底52可以是半導體基底等等，並且可以包含相關的電晶體和其它控制電子器件(未示出)。在基底52的表面上形成基電極54，並且如下所述，基電極54可以包含若干層。在電極54上形成諸如IrMn的反鐵磁性栓固層56，並且磁層58被沉積在層56上，其中磁層58具有被層56栓固在固定取向上的磁向量。在層58上形成層60，並且在層60上形成磁層62。層60通常由釕或若干其它已知具有在磁層58和62之間產生耦合的性質的非磁性金屬中的一種組成，根據層的厚度，耦合在反鐵磁體(AF)和鐵磁體(FM)之間振蕩。層58被稱作栓固層，層60被稱作間隔層，而層62被稱作固定層。通常在5到10的範圍內選擇間隔層的對應於一階AF峰值的厚度，這使得層58和62在相反方向上強耦合。如這裡引證的、轉讓給相同受讓人、＿，＿，＿提交、標題為「Magnetic Element with ImprovedField Response and Fabrication Method therefor」的美國專利申請09/＿，＿中所述，這種結構具有優化磁性元件的磁響應的優點。由於在被加熱到高於300℃時層的結構退化並且耦合開始具有FM分量，厚度範圍為5至10的極薄間隔層60導致不良的耐熱性。除了上述合金問題之外，這個問題也必須克服，以便提供更高的熱穩定性和耐熱性。在磁層62的表面上形成隧道屏蔽64，並且在屏蔽64上形成磁層66。在這個優選實施例中，磁層58、62和66包含CoFe以作為磁材料，儘管也可以使用其它材料。並且，氧化鋁是形成隧道屏蔽64的優選材料。通過在磁層66上沉積頂部電極68，或可選地，在層66和68之間包含擴散屏蔽層67，完成構成元件50的堆疊。如下所述，擴散屏蔽層67可以由諸如AlOx或TaNx的材料組成。
如上所述，當執行後續高溫處理步驟，出現導致基電極和/或頂部電極中的金屬與某些磁層形成合金的問題。參照圖7，為了克服這個問題，在金屬化層72的上表面上形成擴散屏蔽層74。在這個優選實施例中，擴散屏蔽層74包含諸如氧化鉭、氮化鉭或氧化鋁、氮化鋁等等的穩定複合物。雖然氧化鉭、氧化鋁和氮化鋁通常是非導電材料，然而如果層74被形成得極薄，使得其電阻小於隧道屏蔽電阻(層64)，則在對磁性元件50的操作沒有根本影響的情況下形成擴散屏蔽。人們發現，通常情況下如果使用與隧道屏蔽相同的材料，則在層74的形成厚度小於隧道屏蔽64時，層74可以有效工作。此外，屏蔽64必須非常平滑，以允許在其上沉積磁材料，而對於低粗糙度要求，非晶質或非常小的微晶材料是優選的。在指定例子中，隧道屏蔽64由接近7至20厚的氧化鋁組成，層74由接近5到100埃厚的氮化鉭組成。使氮化鉭擴散屏蔽薄且平滑的優選方法是在金屬化層72的上表面上沉積10至40厚的金屬Ta層，並且接著將Ta層暴露在氮離子或自由基中。這個方法產生薄的擴散屏蔽，這種薄的擴散屏蔽比反應濺射產生的較厚的傳統屏蔽更加有效。
在圖7圖解的實施例中，在擴散屏蔽層74的上表面上形成種子層76，並且在種子層76的上表面上形成模板78。當然應當理解，層76和78是可選的，並且在本說明中層76和78被包含成基電極54(如果包含)的一部分。通常，擴散屏蔽層74位於金屬電極72和下一個磁材料層(在這個實施例中為層56)之間。通過這種方式，擴散屏蔽層74防止在後續高溫處理步驟期間層72中的金屬與層56和58中的磁材料發生合金化或擴散。
除了通常不包含種子和模板層之外，可以按照某種程度上類似於基電極54的方式形成頂部電極68，其中擴散屏蔽層位於上面和/或下面。在某些製造處理中，可以相對容易地安排處理，使得在沉積頂部電極68之前全部完成高溫步驟。在這樣的實例中，頂部電極68和磁層66之間的上部擴散屏蔽層67可以是可選的。在某些相對普通的溫度下會出現受到某種限制的合金化，並且可能期望引入擴散屏蔽層以防止這種有限的合金化。在某些實施例和某些製造處理中，可以在磁性元件50之後製造相關的電子器件或附加的電子器件。在這樣的實例中，除了基電極54中的擴散屏蔽層之外，或者取代基電極54中的擴散屏蔽層，可能期望在頂部電極68中形成一或多個擴散屏蔽層。並且，上部擴散屏蔽層67或各個層位於頂部電極68中的金屬層和下一個磁材料層(在這個實施例中為層66)之間。
如果包含層60和62，選擇層60的厚度以對應於第二AF峰值而不是如前所述的第一峰值。層60的厚度則會處於12至22而不是5至10的範圍內，這是典型的一階結構的情況。具有上述較厚的層60的結構在加熱到大於350℃的溫度之後仍會繼續工作，而具有較薄的層60的一階結構則會出現故障並且停止在層58和62之間提供全AF耦合。為了使層58和62之間的二階AF耦合足夠地強，為3個層58、60和62的生長提供種子以便在使用FCC材料的情況下具有強(111)取向，或在使用HCP材料的情況下具有(001)取向，並且磁層最好包含Co和Fe。選擇可選種子層76和可選模板層78以便為適當薄膜生長提供種子，從而實現期望的取向。對於用於層56的AF栓固材料，例如FeMn的某些選擇，TaNx擴散屏蔽層74會為適當取向提供種子，並且不需要種子層76和模板層78。
於是，公開了一種製造方法和裝置，其中在形成層的堆疊的步驟期間，一或多個擴散屏蔽層被設置在一個或兩個基金屬電極和磁材料相鄰層之間，以及頂部金屬電極和磁材料相鄰層之間。擴散屏蔽層防止在後續高溫處理期間金屬與磁材料相鄰層發生擴散或合金化，並且為諸如MTJ單元的磁性元件提供改進的熱穩定性。通過將具有適當取向的CoFe合金用於栓固和固定層，工作在二階AF耦合峰值上的厚間隔層會提供強AF耦合和改進的熱穩定性。此外，由於改進了熱穩定性，更加標準的半導體工藝可被用於融合MRAM工藝，這簡化了總體工藝，降低了成本，並且允許製造較小的MRAM器件。
上述耐熱MTJ和熱穩定MTJ的組合根本改進了製造工藝，並且允許容易地集成MRAM結構和相關半導體電路。這種容易的集成從根本上降低了加工成本。此外，由於具有耐熱MTJ和熱穩定MTJ，較早地向半導體(CMOS)處理流程中插入MTJ結構產生更高密度的MTJ結構(即較小的存儲器單元大小)，並且降低了每個位的成本。
雖然已經示出和描述了本發明的具體實施例，然而本領域的技術人員會想到其它修改和改進。因此應當理解，本發明不局限於示出的具體形式，我們期望通過所附權利要求書覆蓋不偏離本發明的宗旨和範圍的所有修改。
權利要求
1.一種製造MTJ單元的方法，包括的步驟有形成材料層的堆疊，其中包含第一金屬電極，與第一金屬電極電連接的第一磁材料層，隧道材料層，第二磁材料層和與第二磁材料層電連接的第二金屬電極；形成材料層的堆疊的步驟包含的步驟有將隧道材料層設置在第一磁材料層上，隧道材料層對第三材料的吸引力大於第一磁材料層對第三材料的吸引力，並且隧道材料層使用第三材料形成隧道隔離材料；將第二磁材料層設置在隧道材料層上，隧道材料層對第三材料的吸引力大於第二磁材料層對第三材料的吸引力；和在將隧道材料層設置在第一層上和將第二磁材料層設置在隧道材料層上的步驟期間，向第一磁材料層和第二磁材料層中的一個引入第三材料；在形成層的堆疊的步驟期間，將第一擴散屏蔽層設置在第一金屬電極與第一磁材料層的一個之間，和第二金屬電極與第二磁材料層之間；和加熱層的堆疊以便將第三材料從第一磁材料層和第二磁材料層中的一個重新分布到隧道材料層。
2.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中設置隧道材料層的步驟包含設置鋁層。
3.如權利要求2所述的製造MTJ單元的方法，其中提供第一磁材料層和設置第二磁材料層的步驟均包含使用無鎳合金的磁材料。
4.如權利要求2所述的製造MTJ單元的方法，其中引入第三材料的步驟包含引入氧和氮中的一種。
5.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中向第一磁材料層和第二磁材料層中的一個引入第三材料的步驟包含向第一磁材料層和第二磁材料層中的兩個引入第三材料。
6.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中還包含向隧道材料層引入第三材料，使得隧道材料層中第三材料不足。
7.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中引入第三材料的步驟包含等離子體氧化、UV光激勵氧化、反應濺射、氧原子氧化和自然氧化中的一種。
8.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中加熱的步驟包含加熱到至少350℃的溫度。
9.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中設置擴散屏蔽層的步驟包含在第一金屬電極和第一磁材料層之間設置第一擴散屏蔽層，和在第二金屬電極和第二磁材料層之間設置第二擴散屏蔽層。
10.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中設置擴散屏蔽層的步驟包含在第一金屬電極和第一磁材料層之間設置含有鉭的層。
11.如權利要求2所述的製造MTJ單元的方法，其中設置擴散屏蔽層的步驟包含形成其材料類似於隧道隔離材料的擴散屏蔽層，並且形成擴散屏蔽層的厚度比隧道層更薄。
12.如權利要求1所述的製造MTJ單元的方法，其中形成含有第一磁材料層的材料層的堆疊的步驟還包含形成第一CoFe層，在第一CoFe層上設置非磁性間隔層，並且在間隔層上設置第二CoFe層的步驟，以範圍為12至22的厚度形成間隔層，使得在沒有施加外部磁場時，第一和第二CoFe層被反鐵磁性耦合，從而具有在基本相反的方向上的磁矩。
13.一種製造MTJ單元的方法，包括的步驟有提供第一金屬電極；在第一金屬電極上設置第一擴散屏蔽層；設置與第一金屬電極電連接的第一磁材料層，使得第一擴散屏蔽層被設置在第一金屬電極和第一磁材料層之間；在第一磁材料層上設置隧道材料層；在隧道材料層上設置第二磁材料層；和在與第二金屬電極電連接的第二磁材料層上設置第二擴散屏蔽層，使得第二擴散屏蔽層被設置在第二金屬電極和第二磁材料層之間。
14.一種製造MTJ單元的方法，包括的步驟有提供第一磁材料層；將隧道材料層設置在第一層上，隧道材料層吸引第三材料的趨勢大於第一磁材料層吸引第三材料的趨勢，並且隧道材料層使用第三材料形成隧道隔離材料；將第二磁材料層設置在隧道材料層上，隧道材料層吸引第三材料的趨勢大於第二磁材料層吸引第三材料的趨勢；在提供第一層的步驟期間，將隧道材料層設置在第一層上，並且將第二磁材料層設置在隧道材料層上，向第一磁材料層和第二磁材料層中的一個引入第三材料；和加熱第一磁材料層、隧道材料層和第二磁材料層，以便將第三材料從第一磁材料層和第二磁材料層中的一個重新分布到隧道材料層。
15.一種製造MTJ單元的方法，包括的步驟有形成材料層的堆疊，其中包含第一金屬電極，與第一金屬電極電連接的第一磁材料層，隧道材料層，第二磁材料層和與第二磁材料層電連接的第二金屬電極；和在形成層的堆疊的步驟期間，將擴散屏蔽層設置在第一金屬電極與第一磁材料層的一個之間，和第二金屬電極與第二磁材料層之間。
16.如權利要求15所述的製造MTJ單元的方法，其中設置第一擴散屏蔽層的步驟包含在第二金屬電極和第二磁材料層之間設置含有鉭的擴散屏蔽層。
全文摘要
MTJ單元(50)包含介於磁材料層(62、66)之間的隧道材料層(64)，其中隧道材料層對第三材料的吸引力大於磁材料層對第三材料的吸引力。第三材料被引入所述一個或兩個層，使得當單元被加熱時，第三材料從磁材料層重新分布到隧道層。在重新分配時，隧道層變成隧道隔離材料。並且，第一擴散屏蔽層(67)位於第一金屬電極(68)和一個磁材料層(66)之間，並且/或者第二擴散屏蔽層位於第二金屬電極和另一個磁材料層之間，從而防止電極中的金屬擴散到磁材料層中。
文檔編號H01L43/08GK1537336SQ01814496
公開日2004年10月13日 申請日期2001年8月9日 優先權日2000年8月21日
發明者喬恩·斯勞特, 塞德·泰雷尼, 俄傑尼·陳, 馬克·杜拉拇, 馬克·德赫仁雷, 雷紐·W·戴維, 陳, W 戴維, 喬恩 斯勞特, 德赫仁雷, 杜拉拇, 泰雷尼 申請人:摩託羅拉公司