專利名稱：具有改進(jìn)的隧穿勢(shì)壘的磁隧道結(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造適合于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元的磁隧道結(jié)的方法，所述磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元具有低缺陷率(defectivity)和較高的擊穿電壓。
背景技術(shù)：
圖1示出了傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元I。MRAM單元I包括磁隧道結(jié)2，該磁隧道結(jié)2由第一鐵磁層21、第二鐵磁層23和具有結(jié)電阻-面積乘積RA的隧穿勢(shì)壘層22形成。在圖1的實(shí)例中，MRAM單元打算使用熱輔助(TA)寫操作來(lái)被寫入，而且磁隧道結(jié)2進(jìn)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(jīng)由電流線4在磁隧道結(jié)2中被傳遞以便在高溫閾值加熱磁隧道結(jié)2，在所述高溫閾值，存儲(chǔ)裝置的磁化可以被自由轉(zhuǎn)換。第一鐵磁層21可具有自由轉(zhuǎn)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(shì)壘層22通常由氧化鎂(MgO)層制成。實(shí)際上，大的例如高達(dá)200%的隧穿磁阻(TMR)可被獲得用于包括結(jié)晶的基于MgO的隧穿勢(shì)壘層22的磁隧道結(jié)2。這種由MgO制成的隧穿勢(shì)壘層22可以通過(guò)使用射頻磁控濺射法而被獲得。然而，通過(guò)射頻磁控濺射的MgO形成方法可在設(shè)備制造時(shí)引起標(biāo)準(zhǔn)化的隧穿電阻值(RA)的分散和產(chǎn)量因子的可能的退化。在US6841395中，MgO勢(shì)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(jìn)入氧化過(guò)程。然而，在對(duì)鎂層進(jìn)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。缺陷形成可能是由于MgO氧化物具有比金屬鎂更大的體積的事實(shí)而發(fā)生的。因此，屈服于MgO隧穿勢(shì)壘22的較低的電阻和較低的擊穿電壓，尤其是對(duì)于低于50ohmym2的RA值，可能出現(xiàn)電流泄漏。當(dāng)電流在磁隧道結(jié)2中被傳遞用于在MRAM單元I的TA寫操作期間加熱磁隧道結(jié)2，或者用于在MRAM單元I的讀操作期間讀取結(jié)電阻時(shí)，這種電流泄漏可能出現(xiàn)。缺陷的存在可能由此降低MgO隧穿勢(shì)壘22的電阻，且包括這種MgO隧穿勢(shì)壘22的磁隧道結(jié)2的隧穿磁阻TMR也會(huì)被降低。此外，還可以觀察到勢(shì)壘層22的較低的擊穿電壓。減小針孔效應(yīng)需要具有相對(duì)厚的鎂層和/或生長(zhǎng)相對(duì)厚的氧化層。增加MgO隧穿勢(shì)壘層22的厚度可能產(chǎn)生太大以致于用于驅(qū)動(dòng)磁隧道結(jié)設(shè)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(huì)將該鎂層完全氧化。于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(fā)明內(nèi)容
本公開涉及制造適合于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元的磁隧道結(jié)的方法，該磁隧道結(jié)包括第一鐵磁層，隧穿勢(shì)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(shì)壘層；以及形成該第二鐵磁層；其中所述形成該隧穿勢(shì)壘層包括沉積金屬鎂層；以及將沉積的金屬鎂層進(jìn)行氧化以便將金屬鎂轉(zhuǎn)化為MgO ;形成隧穿勢(shì)壘層的步驟被執(zhí)行至少兩次，使得隧穿勢(shì)壘層包括至少兩層MgO。這里公開的方法允許形成具有和傳統(tǒng)隧穿勢(shì)壘相比更高的擊穿電壓和低缺陷率的隧穿勢(shì)壘。


借助于作為實(shí)例給出并通過(guò)圖說(shuō)明的實(shí)施例的描述，能夠更好地理解本發(fā)明，在所述圖中圖1示出了傳統(tǒng)的包括磁隧道結(jié)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元；圖2說(shuō)明了根據(jù)實(shí)施例的包括隧穿勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)；以及
圖3表示根據(jù)實(shí)施例的包括兩個(gè)隨后沉積的金屬鎂層的隧穿勢(shì)壘層。
具體實(shí)施例方式圖2說(shuō)明了根據(jù)實(shí)施例的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元的磁隧道結(jié)2。該磁隧道結(jié)2包括第一鐵磁層21，隧穿勢(shì)壘層22，以及第二鐵磁層23。在MRAM單元將采用熱輔助切換(TAS)寫操作被寫入的情況下，該磁隧道結(jié)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(chǔ)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(jié)2可進(jìn)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，并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制成，例如IrMn，NiMn，PtMn或者FeMn，或由任何其它合適的金屬制成。該第一和第二鐵磁層21、23的鐵磁材料可包括來(lái)自由鈷Co、鐵Fe、硼B(yǎng)、鎳Ni構(gòu)成的組的元素，例如鎳鐵硼NiFeB，且優(yōu)選為鈷鐵硼CoFeB，其提供極好的磁阻(TMR)響應(yīng)。優(yōu)選地，該第一和第二鐵磁層21、23由基于CoFeB的合金制成。隧穿勢(shì)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制成的絕緣層。優(yōu)選地，隧穿勢(shì)壘層22由基于MgO的氧化物制成。在磁隧道結(jié)中使用基于MgO的氧化物使得在室溫下實(shí)現(xiàn)可用的磁阻信號(hào)的增加高達(dá)200%電阻變化成為可能(Parkin等人，2004，Nat.Mater. 3, 862)。根據(jù)實(shí)施例，制造磁隧道結(jié)2的方法包括形成第一鐵磁層21 ；形成隧穿勢(shì)壘層22;以及形成第二鐵磁層23;其中所述形成隧穿勢(shì)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(zhuǎn)化為MgO并且獲得MgO層22a。形成所述隧穿勢(shì)壘層22的步驟被執(zhí)行至少兩次，使得隧穿勢(shì)壘層22包括至少兩層MgO層22a。在實(shí)施例中，通過(guò)使用濺射沉積法來(lái)執(zhí)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(gè)沉積步驟可以在同一濺射室中被執(zhí)行，或者在不同的濺射室中被執(zhí)行?？商鎿Q地，通過(guò)使用任何其它的真空膜沉積技術(shù)，例如離子束沉積或者脈沖激光沉積，來(lái)執(zhí)行幾個(gè)沉積步驟。金屬鎂層優(yōu)選地被沉積為所包括的厚度在Onm和1. 5nm之間，且優(yōu)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(zhuǎn)化為MgO氧化物可包括通過(guò)暴露于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，那么對(duì)于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，那么其將被過(guò)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于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(méi)有加速氧離子的情況下被執(zhí)行，以將氧離子注入其中。等離子體氧化還可以被執(zhí)行，無(wú)論是否伴有定向加速，用于進(jìn)行注入。等離子體氧化可以在室溫下或者低于室溫被執(zhí)行。為了更快速且更徹底地將金屬鎂轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO氧化物，等離子體氧化還可以在升高的溫度下被執(zhí)行，所述升高的溫度高達(dá)隧道結(jié)的完整性將允許的溫度(大約300-400°C )。在等離子體氧化過(guò)程中，控制氧化的設(shè)置是離子能量(利用等離子體源施加的功率)、處理時(shí)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(guò)程更快，但是可能導(dǎo)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(guò)程。在自然氧化過(guò)程中，在存在鎂金屬層的情況下引入一定量的氧氣，并且在該情況下，“時(shí)間”和“壓強(qiáng)”是氧化過(guò)程的唯一設(shè)置。典型的處理時(shí)間從IOOs變動(dòng)到500s，且典型的處理壓強(qiáng)從O.1Torr變動(dòng)到50Torr。氧原子遷移到鎂層中，并且形成MgO直到達(dá)到鈍化層的厚度為止。退火過(guò)程將重組該MgO層或使該MgO層結(jié)晶?？商鎿Q地，對(duì)沉積的金屬鎂層進(jìn)行氧化可通過(guò)利用自由基氧化(ROX)氧化金屬來(lái)被執(zhí)行。對(duì)沉積的金屬鎂層進(jìn)行氧化的步驟通常在不同于濺射室的室中被執(zhí)行。在實(shí)施例中，沉積金屬鎂層進(jìn)一步包括在沉積操作期間使用惰性氣體，例如N。惰性氣體有利地用于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(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括在形成隧穿勢(shì)壘層22之前和之后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，使得在制造磁隧道結(jié)2之后，磁隧道結(jié)2包括在隧穿勢(shì)壘層22和第一鐵磁層21之間以及在隧穿勢(shì)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(shì)壘層22相鄰。附加的金屬鎂層27有利于防止氧從MgO隧穿勢(shì)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(yōu)選地被沉積為厚度低于大約O. 5nm。在又一實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括在形成第一鐵磁層21之后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(jié)2包括在第一鐵磁層21和隧穿勢(shì)壘層22之間以及在多層勢(shì)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(dá)大約Inm且優(yōu)選地高達(dá)大約O. 5nm。薄的CoFe層26有益于防止硼從第一和第二鐵磁層21、23遷移到勢(shì)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(guò)程中被生成。此處，術(shù)語(yǔ)針孔可包括在MgO層22a中產(chǎn)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。由于MgO氧化物具有比金屬鎂更大的體積的事實(shí)，針孔29通常在氧化步驟期間被形成，引起MgO層22a的某些擴(kuò)張。MgO層22a的最終厚度可能由此在針孔位置處會(huì)局部較小。實(shí)際上，MgO層22a的有效厚度e對(duì)應(yīng)于沒(méi)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(shí)例中所示的。由于在氧化過(guò)程期間的MgO生長(zhǎng)機(jī)制，針孔分布 有可能從一個(gè)MgO層22a變化到另一個(gè)MgO層22a。因此，在形成多層勢(shì)壘層22時(shí)，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(méi)有一個(gè)針孔與在隨后沉積的鎂層22a"中形成的針孔對(duì)齊。這在圖3中被示意性地說(shuō)明，圖3示出根據(jù)上述方法的兩個(gè)隨后沉積和氧化的MgO層22a' ,22a"。在該實(shí)例中，在首先沉積的MgO層22a'上形成的針孔29沒(méi)有與在其次沉積的MgO層22a"上形成的針孔29對(duì)齊。形成多層勢(shì)壘層22的沉積的MgO層22a,、22a"的數(shù)目越大，勢(shì)壘層22包括通過(guò)所有鎂層22a被對(duì)齊的針孔29的概率越低，并由此勢(shì)壘層22包括穿越式孔的概率越低。這又會(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘層22的更低的擊穿電壓。減少針孔的影響需要具有相對(duì)厚的鎂層和/或生長(zhǎng)相對(duì)厚的氧化層。勢(shì)壘層22和形成這種勢(shì)壘層22的方法的另一優(yōu)點(diǎn)是由于多個(gè)鎂層22a引起的平整效應(yīng)。在圖3中，這種平整效應(yīng)通過(guò)多層勢(shì)壘層22的有效厚度E被說(shuō)明，該有效厚度 E對(duì)應(yīng)于多個(gè)鎂層22a'、22a"的累積厚度減去最后沉積的鎂層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(shù)目降低了針孔深度d和有效勢(shì)壘層厚度E的比率d/E(該有效勢(shì)壘層厚度E接近在沒(méi)有針孔情況下的勢(shì)壘層的厚度T)。從而，通過(guò)這里公開的方法形成勢(shì)壘層22。增加沉積的鎂層22a'、22a"的數(shù)目減小了針孔的影響，并允許多層勢(shì)壘層22的電阻以及包括該多層勢(shì)壘層22的磁隧道結(jié)2的TMR與對(duì)于沒(méi)有針孔的相同厚度的勢(shì)壘層22獲得的電阻和TMR基本上類似。在實(shí)施例中，可以使用這里公開的方法形成多層勢(shì)壘層22，對(duì)于相同的RA值，其具有比具有單個(gè)MgO層的傳統(tǒng)勢(shì)壘層22更高的擊穿電壓(大于IV)。
參考數(shù)字和符號(hào)
IMRAM單元
2磁隧道結(jié)
21第一鐵磁層
22隧穿勢(shì)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選擇晶體管
d針孔深度
e鎂層的有效厚度
E勢(shì)壘層的有效厚度
T沒(méi)有針孔的勢(shì)壘層的厚度
權(quán)利要求
1.一種制造適合于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元的磁隧道結(jié)的方法，該磁隧道結(jié)包括第一鐵磁層，隧穿勢(shì)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(shì)壘層；以及形成第二鐵磁層；所述形成隧穿勢(shì)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(zhuǎn)化為MgO ;形成隧穿勢(shì)壘層的步驟被執(zhí)行兩次以上，使得隧穿勢(shì)壘層包括兩個(gè)以上的MgO層，以便減小勢(shì)壘層包含通過(guò)所有MgO層被對(duì)齊的針孔的概率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中沉積金屬鎂層進(jìn)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(jù)權(quán)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(yōu)選在O. 3nm和1. 2nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述形成第一鐵磁層之后以及在所述形成第二鐵磁層之前，沉積CoFe層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在形成隧穿勢(shì)壘層之前和之后沉積附加的金屬鎂層。
6.一種包括磁隧道結(jié)的MRAM單元，該磁隧道結(jié)包括第一鐵磁層，隧穿勢(shì)壘層和第二鐵磁層，該磁隧道結(jié)是通過(guò)包括下述的方法來(lái)被制造的形成第一鐵磁層；形成隧穿勢(shì)壘層；以及形成第二鐵磁層；所述形成隧穿勢(shì)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(zhuǎn)化為MgO;形成隧穿勢(shì)壘層的步驟被執(zhí)行兩次以上，使得隧穿勢(shì)壘層包括兩個(gè)以上的MgO層，以便減小勢(shì)壘層包含通過(guò)所有MgO層被對(duì)齊的針孔的概率。
7.一種包括磁隧道結(jié)的MRAM單元，該磁隧道結(jié)包括第一鐵磁層，隧穿勢(shì)壘層和第二鐵磁層；該隧穿勢(shì)壘層包括兩個(gè)以上的MgO層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MRAM單元，其中所述磁隧道結(jié)進(jìn)一步包括在隧穿勢(shì)壘層和第一鐵磁層之間的金屬鎂層；以及在隧穿勢(shì)壘層和第二鐵磁層之間的金屬鎂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MRAM單元，其中所述金屬鎂層具有低于大約O.5nm的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MRAM單元，其中所述磁隧道結(jié)進(jìn)一步包括在第一鐵磁層和隧穿勢(shì)壘層之間的C0xFei_x層；以及在多層勢(shì)壘層和第二鐵磁層之間的C0xFei_x層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MRAM單元，其中所述C0xFei_x層具有高達(dá)大約Inm的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MRAM單元，其中所述C0xFei_x層具有高達(dá)大約O.5nm的厚
全文摘要
具有改進(jìn)的隧穿勢(shì)壘的磁隧道結(jié)。本發(fā)明涉及一種制造適合于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)的磁隧道結(jié)的方法，該磁隧道結(jié)包括第一鐵磁層，隧穿勢(shì)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(shì)壘層；以及形成第二鐵磁層；其中所述形成隧穿勢(shì)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(zhuǎn)化為MgO；形成隧穿勢(shì)壘層的步驟被執(zhí)行至少兩次，使得隧穿勢(shì)壘層包括至少兩層MgO。
文檔編號(hào)H01L43/08GK103000805SQ20121040168
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者I·L·普雷貝亞努, C·波特蒙, C·迪克呂埃 申請(qǐng)人:克羅科斯科技公司