具有改進的隧穿勢壘的磁隧道結的製作方法

2023-11-04 11:22:42

專利名稱：具有改進的隧穿勢壘的磁隧道結的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造適合於磁隨機存取存儲器(MRAM)單元的磁隧道結的方法，所述磁隨機存取存儲器單元具有低缺陷率(defectivity)和較高的擊穿電壓。
背景技術：
圖1示出了傳統的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元I。MRAM單元I包括磁隧道結2，該磁隧道結2由第一鐵磁層21、第二鐵磁層23和具有結電阻-面積乘積RA的隧穿勢壘層22形成。在圖1的實例中，MRAM單元打算使用熱輔助(TA)寫操作來被寫入，而且磁隧道結2進一步包括交換耦合第二鐵磁層23的第二反鐵磁層25。在寫操作期間，加熱電流
32可以經由電流線4在磁隧道結2中被傳遞以便在高溫閾值加熱磁隧道結2，在所述高溫閾值，存儲裝置的磁化可以被自由轉換。第一鐵磁層21可具有自由轉換的磁化或者也可由第一反鐵磁層24交換耦合以便具有固定磁化。隧穿勢壘層22通常由氧化鎂(MgO)層製成。實際上，大的例如高達200%的隧穿磁阻(TMR)可被獲得用於包括結晶的基於MgO的隧穿勢壘層22的磁隧道結2。這種由MgO製成的隧穿勢壘層22可以通過使用射頻磁控濺射法而被獲得。然而，通過射頻磁控濺射的MgO形成方法可在設備製造時引起標準化的隧穿電阻值(RA)的分散和產量因子的可能的退化。在US6841395中，MgO勢壘層由包括下列步驟的方法形成金屬鎂層的膜形成，形成摻雜氧的金屬鎂層，以及使層壓的層進入氧化過程。然而，在對鎂層進行氧化的步驟期間，例如針孔的缺陷可能形成在MgO層表面上。缺陷形成可能是由於MgO氧化物具有比金屬鎂更大的體積的事實而發生的。因此，屈服於MgO隧穿勢壘22的較低的電阻和較低的擊穿電壓，尤其是對於低於50ohmym2的RA值，可能出現電流洩漏。當電流在磁隧道結2中被傳遞用於在MRAM單元I的TA寫操作期間加熱磁隧道結2，或者用於在MRAM單元I的讀操作期間讀取結電阻時，這種電流洩漏可能出現。缺陷的存在可能由此降低MgO隧穿勢壘22的電阻，且包括這種MgO隧穿勢壘22的磁隧道結2的隧穿磁阻TMR也會被降低。此外，還可以觀察到勢壘層22的較低的擊穿電壓。減小針孔效應需要具有相對厚的鎂層和/或生長相對厚的氧化層。增加MgO隧穿勢壘層22的厚度可能產生太大以致於用於驅動磁隧道結設備的電壓變得太高的RA。而且，如果原始鎂層太厚，則單步氧化不會將該鎂層完全氧化。於是該鎂層將是氧化不足的(under oxidized),具有較低的RA,較低的TMR和較低的擊穿電壓。

發明內容
本公開涉及製造適合於磁隨機存取存儲器(MRAM)單元的磁隧道結的方法，該磁隧道結包括第一鐵磁層，隧穿勢壘層，以及第二鐵磁層，該方法包括形成該第一鐵磁層；形成該隧穿勢壘層；以及形成該第二鐵磁層；其中所述形成該隧穿勢壘層包括沉積金屬鎂層；以及將沉積的金屬鎂層進行氧化以便將金屬鎂轉化為MgO ;形成隧穿勢壘層的步驟被執行至少兩次，使得隧穿勢壘層包括至少兩層MgO。這裡公開的方法允許形成具有和傳統隧穿勢壘相比更高的擊穿電壓和低缺陷率的隧穿勢壘。


藉助於作為實例給出並通過圖說明的實施例的描述，能夠更好地理解本發明，在所述圖中圖1示出了傳統的包括磁隧道結的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元；圖2說明了根據實施例的包括隧穿勢壘層的磁隧道結；以及
圖3表示根據實施例的包括兩個隨後沉積的金屬鎂層的隧穿勢壘層。
具體實施例方式圖2說明了根據實施例的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元的磁隧道結2。該磁隧道結2包括第一鐵磁層21，隧穿勢壘層22，以及第二鐵磁層23。在MRAM單元將採用熱輔助切換(TAS)寫操作被寫入的情況下，該磁隧道結2可包括交換耦合第一鐵磁層21的第一反鐵磁層(未示出)，使得第一存儲層21的磁化在第一高溫閾值可以被自由地定向，以及在該溫度以下被釘扎。磁隧道結2可進一步包括交換耦合第二鐵磁層23的第二反鐵磁層(也未示出)，以便在第二低溫閾值釘扎它的磁化，並在第二高溫閾值釋放它。該第一和第二反鐵磁層可以由錳基合金製成，例如IrMn，NiMn，PtMn或者FeMn，或由任何其它合適的金屬製成。該第一和第二鐵磁層21、23的鐵磁材料可包括來自由鈷Co、鐵Fe、硼B、鎳Ni構成的組的元素，例如鎳鐵硼NiFeB，且優選為鈷鐵硼CoFeB，其提供極好的磁阻(TMR)響應。優選地，該第一和第二鐵磁層21、23由基於CoFeB的合金製成。隧穿勢壘層22可以是例如由在除了別的以外還包括氧化鋁Al2O3的組中選擇的氧化物製成的絕緣層。優選地，隧穿勢壘層22由基於MgO的氧化物製成。在磁隧道結中使用基於MgO的氧化物使得在室溫下實現可用的磁阻信號的增加高達200%電阻變化成為可能(Parkin等人，2004，Nat.Mater. 3, 862)。根據實施例，製造磁隧道結2的方法包括形成第一鐵磁層21 ；形成隧穿勢壘層22;以及形成第二鐵磁層23;其中所述形成隧穿勢壘層22包括沉積金屬鎂層；以及氧化沉積的金屬鎂層以便將金屬鎂轉化為MgO並且獲得MgO層22a。形成所述隧穿勢壘層22的步驟被執行至少兩次，使得隧穿勢壘層22包括至少兩層MgO層22a。在實施例中，通過使用濺射沉積法來執行形成所述第一和第二鐵磁層21、23以及沉積金屬鎂層。幾個沉積步驟可以在同一濺射室中被執行，或者在不同的濺射室中被執行。可替換地，通過使用任何其它的真空膜沉積技術，例如離子束沉積或者脈衝雷射沉積，來執行幾個沉積步驟。金屬鎂層優選地被沉積為所包括的厚度在Onm和1. 5nm之間，且優選地在O. 3nm和1. 2nm之間。
氧化沉積的金屬鎂層以便將金屬鎂轉化為MgO氧化物可包括通過暴露於等離子體或氧流的氧化(自然氧化)。存在可以在給定的氧化條件下被氧化的最佳厚度。例如，如果鎂層比該最佳厚度更厚，那麼對於那些特定的氧化條件(較低的RA和較低的TMR)，其將是氧化不足的。如果其更薄，那麼其將被過氧化(較高的RA和較低的TMR)。在此，包含氧離子的等離子體被施加到金屬鎂層。等離子體氧化可以在垂直於所暴露的金屬鎂層的表面的方向上、在加速氧離子的情況下或者在沒有加速氧離子的情況下被執行，以將氧離子注入其中。等離子體氧化還可以被執行，無論是否伴有定向加速，用於進行注入。等離子體氧化可以在室溫下或者低於室溫被執行。為了更快速且更徹底地將金屬鎂轉變為MgO氧化物，等離子體氧化還可以在升高的溫度下被執行，所述升高的溫度高達隧道結的完整性將允許的溫度(大約300-400°C )。在等離子體氧化過程中，控制氧化的設置是離子能量(利用等離子體源施加的功率)、處理時間，和被注入室中的氧的量，通常為500sCCm。該方法比下面描述的自然氧化過程更快，但是可能導致在MgO層中嵌入一些缺陷。限制MgO層中的缺陷形成的一種可能的方式可包括使用自然氧化過程。在自然氧化過程中，在存在鎂金屬層的情況下引入一定量的氧氣，並且在該情況下，「時間」和「壓強」是氧化過程的唯一設置。典型的處理時間從IOOs變動到500s，且典型的處理壓強從O.1Torr變動到50Torr。氧原子遷移到鎂層中，並且形成MgO直到達到鈍化層的厚度為止。退火過程將重組該MgO層或使該MgO層結晶。可替換地，對沉積的金屬鎂層進行氧化可通過利用自由基氧化(ROX)氧化金屬來被執行。對沉積的金屬鎂層進行氧化的步驟通常在不同於濺射室的室中被執行。在實施例中，沉積金屬鎂層進一步包括在沉積操作期間使用惰性氣體，例如N。惰性氣體有利地用於使金屬鎂層平整或平坦化，以及在氧化步驟期間避免MgO分子的壓縮。在另一實施例中，該方法進一步包括在形成隧穿勢壘層22之前和之後沉積附加的金屬鎂層27的步驟。該附加的金屬鎂層27不被氧化，使得在製造磁隧道結2之後，磁隧道結2包括在隧穿勢壘層22和第一鐵磁層21之間以及在隧穿勢壘層22和第二鐵磁層23之間的附加的金屬鎂層27，所述附加的金屬鎂層27和隧穿勢壘層22相鄰。附加的金屬鎂層27有利於防止氧從MgO隧穿勢壘層22遷移到第一和/或第二鐵磁層21、23中。附加的金屬鎂層27優選地被沉積為厚度低於大約O. 5nm。在又一實施例中，該方法進一步包括在形成第一鐵磁層21之後以及在形成第二鐵磁層23之前沉積C0xFei_x層26的步驟。由此形成的磁隧道結2包括在第一鐵磁層21和隧穿勢壘層22之間以及在多層勢壘層22和第二鐵磁層23之間的CoFe層26。CoFe層26通常被沉積為厚度高達大約Inm且優選地高達大約O. 5nm。薄的CoFe層26有益於防止硼從第一和第二鐵磁層21、23遷移到勢壘層22中。在氧化金屬鎂層的步驟期間，針孔29 (見圖3)可在形成MgO層22a的過程中被生成。此處，術語針孔可包括在MgO層22a中產生的任何類型的缺陷，包括非穿越式空洞(non-traversing cavity)、裂縫、穿越式孔等等。由於MgO氧化物具有比金屬鎂更大的體積的事實，針孔29通常在氧化步驟期間被形成，引起MgO層22a的某些擴張。MgO層22a的最終厚度可能由此在針孔位置處會局部較小。實際上，MgO層22a的有效厚度e對應於沒有針孔的MgO層22a的厚度減去針孔29的深度d，如在圖3的實例中所示的。由於在氧化過程期間的MgO生長機制，針孔分布 有可能從一個MgO層22a變化到另一個MgO層22a。因此，在形成多層勢壘層22時，在先前沉積的MgO層22a'中形成的針孔29中的非常少的針孔或者沒有一個針孔與在隨後沉積的鎂層22a"中形成的針孔對齊。這在圖3中被示意性地說明，圖3示出根據上述方法的兩個隨後沉積和氧化的MgO層22a' ,22a"。在該實例中，在首先沉積的MgO層22a'上形成的針孔29沒有與在其次沉積的MgO層22a"上形成的針孔29對齊。形成多層勢壘層22的沉積的MgO層22a,、22a"的數目越大，勢壘層22包括通過所有鎂層22a被對齊的針孔29的概率越低，並由此勢壘層22包括穿越式孔的概率越低。這又會導致勢壘層22的更低的擊穿電壓。減少針孔的影響需要具有相對厚的鎂層和/或生長相對厚的氧化層。勢壘層22和形成這種勢壘層22的方法的另一優點是由於多個鎂層22a引起的平整效應。在圖3中，這種平整效應通過多層勢壘層22的有效厚度E被說明，該有效厚度 E對應於多個鎂層22a'、22a"的累積厚度減去最後沉積的鎂層22a"中的針孔29的深度d。從圖3中可以看到，增加沉積的鎂層22a'、22a"的數目降低了針孔深度d和有效勢壘層厚度E的比率d/E(該有效勢壘層厚度E接近在沒有針孔情況下的勢壘層的厚度T)。從而，通過這裡公開的方法形成勢壘層22。增加沉積的鎂層22a'、22a"的數目減小了針孔的影響，並允許多層勢壘層22的電阻以及包括該多層勢壘層22的磁隧道結2的TMR與對於沒有針孔的相同厚度的勢壘層22獲得的電阻和TMR基本上類似。在實施例中，可以使用這裡公開的方法形成多層勢壘層22，對於相同的RA值，其具有比具有單個MgO層的傳統勢壘層22更高的擊穿電壓(大於IV)。
參考數字和符號
IMRAM單元
2磁隧道結
21第一鐵磁層
22隧穿勢壘層
22a鎂層，MgO層
23第二鐵磁層
26CoFe層
27附加的鎂層
29針孔
3選擇電晶體
d針孔深度
e鎂層的有效厚度
E勢壘層的有效厚度
T沒有針孔的勢壘層的厚度
權利要求
1.一種製造適合於磁隨機存取存儲器(MRAM)單元的磁隧道結的方法，該磁隧道結包括第一鐵磁層，隧穿勢壘層和第二鐵磁層，該方法包括形成第一鐵磁層；形成隧穿勢壘層；以及形成第二鐵磁層；所述形成隧穿勢壘層包括沉積金屬鎂層；以及氧化沉積的金屬鎂層，以便將金屬鎂轉化為MgO ;形成隧穿勢壘層的步驟被執行兩次以上，使得隧穿勢壘層包括兩個以上的MgO層，以便減小勢壘層包含通過所有MgO層被對齊的針孔的概率。
2.根據權利要求1所述的方法，其中沉積金屬鎂層進一步包括使用惰性氣體以便使沉積的金屬鎂層平整。
3.根據權利要求1所述的方法，其中沉積的金屬鎂層的厚度被包括在Onm和1.5nm之間，且優選在O. 3nm和1. 2nm之間。
4.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在所述形成第一鐵磁層之後以及在所述形成第二鐵磁層之前，沉積CoFe層。
5.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在形成隧穿勢壘層之前和之後沉積附加的金屬鎂層。
6.一種包括磁隧道結的MRAM單元，該磁隧道結包括第一鐵磁層，隧穿勢壘層和第二鐵磁層，該磁隧道結是通過包括下述的方法來被製造的形成第一鐵磁層；形成隧穿勢壘層；以及形成第二鐵磁層；所述形成隧穿勢壘層包括沉積金屬鎂層，以及氧化沉積的金屬鎂層，以便將金屬鎂轉化為MgO;形成隧穿勢壘層的步驟被執行兩次以上，使得隧穿勢壘層包括兩個以上的MgO層，以便減小勢壘層包含通過所有MgO層被對齊的針孔的概率。
7.一種包括磁隧道結的MRAM單元，該磁隧道結包括第一鐵磁層，隧穿勢壘層和第二鐵磁層；該隧穿勢壘層包括兩個以上的MgO層。
8.根據權利要求7所述的MRAM單元，其中所述磁隧道結進一步包括在隧穿勢壘層和第一鐵磁層之間的金屬鎂層；以及在隧穿勢壘層和第二鐵磁層之間的金屬鎂層。
9.根據權利要求8所述的MRAM單元，其中所述金屬鎂層具有低於大約O.5nm的厚度。
10.根據權利要求7所述的MRAM單元，其中所述磁隧道結進一步包括在第一鐵磁層和隧穿勢壘層之間的C0xFei_x層；以及在多層勢壘層和第二鐵磁層之間的C0xFei_x層。
11.根據權利要求10所述的MRAM單元，其中所述C0xFei_x層具有高達大約Inm的厚度。
12.根據權利要求10所述的MRAM單元，其中所述C0xFei_x層具有高達大約O.5nm的厚
全文摘要
具有改進的隧穿勢壘的磁隧道結。本發明涉及一種製造適合於磁隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結的方法，該磁隧道結包括第一鐵磁層，隧穿勢壘層以及第二鐵磁層，該方法包括形成第一鐵磁層；形成隧穿勢壘層；以及形成第二鐵磁層；其中所述形成隧穿勢壘層包括沉積金屬鎂層；以及氧化沉積的金屬鎂層，以便將金屬鎂轉化為MgO；形成隧穿勢壘層的步驟被執行至少兩次，使得隧穿勢壘層包括至少兩層MgO。
文檔編號H01L43/08GK103000805SQ20121040168
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月7日 優先權日2011年9月9日
發明者I·L·普雷貝亞努, C·波特蒙, C·迪克呂埃 申請人:克羅科斯科技公司