專利名稱：提高磁隧道結(jié)中擊穿電壓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁隧道結(jié)如自旋相關(guān)隧道貫穿(“SDT”)結(jié)。本發(fā)明還涉及信息存儲器件如磁隨機存取存儲(“MRAM”)器件。
背景技術(shù)：
典型的MRAM器件包括存儲單元陣列、沿存儲單元的行延伸的字線、以及沿存儲單元的列延伸的位線。每個存儲單元位于字線與位線的交叉點處。
在一類MRAM器件中，每個存儲單元包括SDT結(jié)。在任何給定的時刻，SDT結(jié)的磁化呈現(xiàn)兩種穩(wěn)定方向中的一種。這兩種穩(wěn)定方向，平行或者反向平行，代表‘0’和‘1’的邏輯值。磁化方向又影響SDT結(jié)的電阻。如果磁化方向是平行的，則SDT結(jié)的電阻是第一個值(R)，如果磁化方向是反向平行的，則SDT結(jié)的電阻是第二個值(R+ΔR)。SDT結(jié)的磁化方向、因而其邏輯狀態(tài)可以通過檢測其電阻狀態(tài)而讀出。
SDT結(jié)可能由于靜電放電、處理誤差(在制造過程中)以及電路異常如電壓尖峰而被短路。這類短路的SDT結(jié)會導致位差錯。
在不用開關(guān)或者二極管使存儲單元彼此絕緣的電阻式交叉點陣列中，短路的SDT結(jié)還可能使同一列和行中的其他存儲單元不可用。因此，單個短路的SDT結(jié)也會導致列寬和行寬差錯。
當從MRAM器件中讀回數(shù)據(jù)時，可能會使用誤碼校正來恢復來自不可用SDT結(jié)的全部行和列的數(shù)據(jù)。但是，校正單個列或行中一千或一千以上的比特從時間的觀點和計算的觀點來看都是代價很高的。而且，MRAM很可能具有一個以上的短路的SDT結(jié)。
如果MRAM器件含有太多不可用的SDT結(jié)，在制造階段就要拋棄該器件。因此，靜電放電、處理誤差和電路異常會降低制造的成品率。
希望防止由處理誤差和電路異常導致的破壞。還希望防止靜電放電引起的破壞。但是，靜電放電的防止是昂貴且難以實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個方面，磁隧道結(jié)包括具有被不完全處理(例如欠氧化、欠氮化)的基底材料的隧道層。不完全處理的基底材料相當大地提高了結(jié)的擊穿電壓。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點將會從下列結(jié)合附圖、以示例的方式說明本發(fā)明的原理的詳細描述中變得清楚。
具體實施例方式
如用于說明的各圖中所示，以包括具有不完全處理的基底材料的隧道層的SDT結(jié)來實施本發(fā)明。不完全處理的基底材料相當大地提高了擊穿電壓并且減小了由靜電放電、處理誤差和電路異常引起破壞的機會。較高的擊穿電壓提高了SDT結(jié)的健壯性，提高了制造成品率并且降低了校正位差錯的費用。這些SDT結(jié)可用于MRAM器件中。
參照

圖1，SDT結(jié)30包括多層材料疊層。所述疊層包括第一和第二籽晶層32和34。第一籽晶層32使第二層34能以(111)晶體結(jié)構(gòu)取向生長。第二籽晶層34為隨后的反鐵磁(“AF”)牽制層(pinninglayer)36建立(111)晶體結(jié)構(gòu)取向。AF牽制層36提供大交換場，它把隨后的受牽制(底部)鐵磁(“FM”)層38的磁化保持在一個方向。在受牽制FM層38的頂部是具有不完全處理的基底材料的絕緣隧道層40。任選的界面層42和44可把絕緣隧道層40夾在中間。在絕緣隧道層40的頂部是具有在外加磁場中能自由旋轉(zhuǎn)的磁化的感測(頂部)FM層46。保護蓋層48在感測FM層46的上面。
受牽制層38具有定向于平面內(nèi)、但固定的、使得在感興趣的范圍內(nèi)的外加磁場下不能旋轉(zhuǎn)的磁化。感測層46具有不受牽制的磁化方向。更準確地說，可以把磁化定向在沿軸(“易磁化”軸)的兩個方向中的任一個。如果受牽制層38和感測層46的磁化在同一方向，則該取向為平行。如果受牽制層38和感測層46的磁化在相反方向，則該方向為反平行。
絕緣隧道層40使量子隧道效應(yīng)能在受牽制層38和感測層46之間發(fā)生。這種隧道貫穿現(xiàn)象是電子自旋相關(guān)的，使SDT結(jié)30的電阻隨自由和受牽制層38和46的磁化的相對方向而變。
例如，如果受牽制層38和感測層46的磁化方向是平行的，則SDT結(jié)30的電阻是第一個值(R)。如果所述磁化方向從平行變?yōu)榉雌叫?，則存儲單元12的電阻增大為第二個值(R+ΔR)。一般第一個值(R)大約為一兆歐。
第一籽晶層32和保護蓋層48可用鈦(Ti)或鉭(Ta)來制造，而第二籽晶層34可用鎳鐵(NiFe)來制造。AF牽制層36可用錳鐵(MnFe)、鎳錳(NiMn)、氧化鎳(NiO)或者銥錳(IrMn)來制造。FM層38和46可用NiFe、或者氧化鐵(Fe3O4)、或者氧化鉻(CrO2)或者鈷合金(例如CoFe)、或者其他鐵磁或亞鐵磁材料制成。界面層42和44可用鐵制成。對于界面層42和44，盡管高自旋極化材料是最好的，但是也可以使用其他材料。
絕緣隧道層40的基底材料可以是例如，鋁、硼、鉿、鎂、硅、鉭或者鎢。當處理后，這些基底材料被氧化或者氮化成氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鉿(HfO2)、氧化鎂(MgO)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN4)、氧化鉭(Ta2O5)以及氧化鎢(WO2、WO3)。
可通過對基底材料進行欠處理來形成絕緣隧道層40。例如，淀積基底材料，然后通過將其暴露在氮或氧中、通過遠程等離子體(remote plasma)(低能量的氧或氮離子)、通過全等離子體(full plasma)、或者通過離子束方法來處理。
如果通過欠處理形成所述隧道層，則可從上至下氧化或者氮化該隧道層40。因此，不完全處理的基底材料的密度大體上在隧道層40的底面高于其頂面。
在可供選擇的方案中，可通過淀積未處理的基底材料層并且在未處理的基底材料層上淀積充分處理的基底材料來形成絕緣隧道層40。例如，濺射一薄層(1-2埃)未處理的基底材料，然后在其頂部高頻(r-f)淀積氧化物或者氮化物。
絕緣隧道層40具有微量的未處理基底材料，這足以相當大地增加SDT結(jié)30的擊穿電壓并且減小隧道貫穿磁阻(TMR)，其中TMR＝ΔR/R。如果隧道層40是通過欠處理來形成的，所需的未處理基底材料的量可由SDT結(jié)30的TMR表示，并且可以通過減小氧化或者氮化時間來控制該量。
例如，具有完全處理的隧道層的SDT結(jié)可能具有大約30％至40％的TMR和在1.75伏至2伏之間的擊穿電壓。與此對比，所述SDT結(jié)30可具有13％至20％之間的TMR，而擊穿電壓在4伏至4.5伏之間。
通過以下三種制造的樣品來說明這些差異。SDT結(jié)的第一個樣品是通過在清洗過的晶片上淀積5nm的Ta的第一籽晶層，然后是6nm的NiFe的第二籽晶層、10nm的MnFe的AF層、4nm的NiFe的底部FM層、Al2O3的絕緣隧道層、4nm的NiFe的頂部FM層以及5nm的Ta的保護蓋層而形成的。絕緣隧道層是通過淀積1.25nm的鋁層、然后通過等離子體氧化把淀積的鋁氧化150秒而形成的。結(jié)尺寸為5微米×10微米。第一個樣品具有大約2伏的擊穿電壓和大約30％的TMR。
除了隧道層被氧化120秒之外，第二個樣品是用與第一個樣品同樣的方式制備的。第二個樣品具有大約4伏的擊穿電壓和大約20％的TMR。
除了隧道層被氧化90秒之外，第二個樣品是用與第一個樣品同樣的方式制備的。第二個樣品具有大約4.5伏的擊穿電壓和大約13％的TMR。
圖2說明擊穿電壓對用于具有氧化鋁隧道層的SDT結(jié)的氧化時間的曲線。圓代表平均值，而條代表標準偏差。氧化所需的準確時間是由用于生產(chǎn)該樣品的實驗設(shè)備、等離子體的電壓、氣體的壓強和等離子體到晶片的接近程度等來決定的。
現(xiàn)在參考圖3，它說明了包括SDT結(jié)存儲單元12的陣列10的MRAM器件。存儲單元12排列成行和列，行沿X方向延伸而列沿Y方向延伸。僅表示出相對少量的存儲單元12以簡化對器件8的描述。實際上，可以使用任何大小的陣列。
起字線作用的跡線14沿著在存儲單元陣列10的一側(cè)的面內(nèi)的X方向延伸。起位線作用的跡線16沿著在存儲單元陣列10的相反側(cè)的面內(nèi)的Y方向延伸。對于陣列10的每一行可有一條字線14，并且對于陣列10的每一列可有一條位線16。每個存儲單元12位于字線14和位線16的交叉點處。
MRAM器件8還包括用于在讀寫操作期間選擇字線14的行解碼器18?？稍谧x操作期間通過把字線14接地來選擇該字線14。
MRAM器件8還包括用于每一組(例如十六)列的控制電路20和讀/寫電路22。在讀操作期間，讀/寫電路22感測所選存儲單元12的電阻，并且在寫操作期間，它定出所選存儲單元12的磁化方向。每個讀/寫電路22經(jīng)寄存器24耦合到器件I/O板26。
MRAM器件8可使用二極管或者開關(guān)來阻擋在讀操作期間的潛通路電流。在可供選擇的方案中，MRAM器件8可通過在2000年3月3日提交的序列號為09/564308的受讓人的美國專利申請中公開的等電位法來阻擋潛通路電流。
MRAM器件8可包括多層陣列。可以把這些層疊加在襯底上，并且用絕緣材料如二氧化硅來分隔?？砂炎x/寫電路制造在襯底上。讀/寫電路可包括用于選擇要從其讀出或者寫入其中的各個層的另外的多路轉(zhuǎn)接器。
圖4表示制造MRAM器件8的方法。在襯底上制造讀/寫電路、行解碼器和其他電路(方框102)。然后在襯底上淀積導體材料并且將其作成位線圖案(方框104)。位線16(以及后來的字線14)可由導電材料如銅、鋁或者金或其合金制成。然后在位線之間淀積介質(zhì)。逐一地淀積第一籽晶層、第二籽晶層和AF層(方框106)。在AF層上淀積底部FM層(方框108)。
然后可淀積任選的底部界面層，隨后是具有不完全處理的基底材料的絕緣隧道層(方框110)?？稍诮^緣隧道層上淀積任選的頂部界面層(方框110)。
然后淀積頂部FM層(方框112)。在頂部FM層上淀積保護蓋層(方框114)。
然后把產(chǎn)生的疊層作成單元圖案(方框118)?？赏ㄟ^在保護蓋層上淀積光致抗蝕劑層、用光刻在光致抗蝕劑上形成圖案、并且去掉未被光致抗蝕劑保護的材料來完成構(gòu)成圖案的操作。還可制造通孔以便建立與底層電路的連接。
然后在圖案結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)薄層(方框118)。填充在圖案結(jié)構(gòu)之間的空間中的介質(zhì)防止磁性薄膜的邊緣之間短路。它還防止導體造成短路。然后在介質(zhì)中形成對于字線連接的開口。然后在介質(zhì)上淀積導體材料并且將其作成字線的圖案(方框120)。
然后可把產(chǎn)生的陣列平面化。新陣列可形成于平面化后的陣列之上。
這些方框102至120描述了單個MRAM器件的制造。但是，實際上是在單個晶片上同時制造許多MRAM器件。
盡管損失了信號，但是SDT結(jié)更加健壯。更加健壯的SDT結(jié)更有可能不被靜電放電、處理誤差和電路異常損壞。因此，提高了制造成品率并且減小了校正被短路的位的費用。
SDT結(jié)對于高壓應(yīng)用特別有用。高壓應(yīng)用可包括平板發(fā)射極器件、大電流器件、以及含有在能量高于費米能量的條件下具有高極化的材料的器件(這些高壓器件要在與自旋極化中的峰值相對應(yīng)的電壓下工作)。
盡管已經(jīng)公開了圖1的SDT結(jié)的具體結(jié)構(gòu)，但是SDT結(jié)不限于此?？梢允褂闷渌Y(jié)構(gòu)。例如，可以使用硬磁體或者人造反鐵磁體代替AF牽制層?？梢园袮F牽制層設(shè)置在接收疊層的頂部而不是疊層的底部，由此頂部FM層是受牽制層而底部FM層是感測層。
隧道層的基底材料不限于上面描述的材料?？梢园哑渌橘|(zhì)或者某些半導體材料用于絕緣隧道層。
盡管已經(jīng)把磁隧道結(jié)描述成SDT結(jié)，但是他們不限于此。例如，磁隧道結(jié)可以是Josephson結(jié)。
本發(fā)明不限于以上描述和說明的特定實施例。而是按照下列權(quán)利要求書來解釋本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種磁隨機存取存儲器件(8)，它包括含有磁隧道結(jié)(30)的存儲單元(12)的陣列，所述磁隧道結(jié)(30)包括具有不完全處理的基底材料的隧道層(40)。
2.權(quán)利要求1的器件，其特征在于所述不完全處理的基底材料是欠氧化的。
3.權(quán)利要求1的器件，其特征在于所述不完全處理的基底材料是欠氮化的。
4.權(quán)利要求1的器件，其特征在于在所述隧道層(40)的第一表面的所述基底材料的密度大體上低于在所述隧道層(40)的第二表面上的所述基底材料的密度。
5.權(quán)利要求1的器件，其特征在于所述不完全處理的基底材料把所述擊穿電壓增加到具有完全處理的基底材料的結(jié)的擊穿電壓的至少兩倍。
6.權(quán)利要求1的器件，其特征在于所述磁隧道結(jié)(30)是自旋相關(guān)的隧道貫穿結(jié)。
全文摘要
一種磁隧道結(jié)(30)包括具有不完全處理(例如欠氧化)的基底材料的隧道層(40)。這種磁隧道結(jié)(30)可用于磁隨機存取存儲(“MRAM”)器件(8)中。
文檔編號H01L21/8246GK1354519SQ0114085
公開日2002年6月19日 申請日期2001年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月18日
發(fā)明者J·H·尼克爾 申請人:惠普公司