專利名稱：磁致電阻元件及其在存儲單元裝置中作為存儲元件的應(yīng)用的制作方法
磁致電阻元件，也稱為磁電阻元件，日益增長地作為傳感器元件或作為存儲單元裝置所謂MRAM的存儲元件，應(yīng)用(參閱S.Mengel著，Technologieanalyse Magnetismus(技術(shù)分析磁學(xué))卷2，XMR-Technologien(XMR技術(shù))，出版社VDI TechnologiezentrumPhysikalische Technologien,97年8月)。在學(xué)術(shù)界對磁致電阻元件了解為一種結(jié)構(gòu)，它具有至少兩層鐵磁層和其間安排的一層非磁性層。這時各按層結(jié)構(gòu)的建立區(qū)分為GMR元件、TMR元件和CMR元件。
在學(xué)術(shù)界GMR元件的概念用于具有至少兩層鐵磁層和其間安排一層非磁性的，導(dǎo)電層并顯示所謂的GMR(巨大磁致電阻)效應(yīng)的層結(jié)構(gòu)。所謂GMR效應(yīng)可理解為GMR元件的電阻與以下事實有關(guān)，即是否在兩鐵磁層內(nèi)的磁化平行或逆平行取向。GMR效應(yīng)比所謂AMR(各向異性磁致電阻)效應(yīng)大。AMR效應(yīng)可理解為磁化導(dǎo)線內(nèi)的電阻在平行和垂直于磁化方向是不同的。在AMR效應(yīng)涉及在鐵磁單層內(nèi)出現(xiàn)的體效應(yīng)。
TMR元件的慨念在學(xué)術(shù)界用于隧道磁致電阻層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有至少兩層鐵磁層和一層安排其間的、絕緣非磁性層。這時絕緣層是如此薄，以致它導(dǎo)致在兩鐵磁層之間的隧道電流。這些層結(jié)構(gòu)同樣顯示磁致電阻效應(yīng)，該效應(yīng)是由通過安排在兩鐵磁層之間的絕緣非磁性層的自旋極化隧道電流引起的。在這種情況下TMR元件的電阻也與以下事實有關(guān)，即是否在兩鐵磁層內(nèi)的磁化平行或逆平行取向。這時相對電阻變化約為6～30％。
另一磁致電阻效應(yīng)，由于其大小(室溫時相對電阻變化為100～400％)稱為特大(Collosal)磁致電阻效應(yīng)(CMR效應(yīng))，由于其高的矯頑力為了在磁化狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變必需高磁場。
已提出建議(參閱例如S.Tehrani等，IEDM 96-193和D.D.Tang等，IEDM 95-997)GMR元件用作存儲單元裝置內(nèi)的存儲元件。存儲元件經(jīng)讀出線串聯(lián)。與其垂直的是字線，該字線無論對讀出線或?qū)Υ鎯υ冀^緣。加在字線上的信號通過在字線內(nèi)流過的電流產(chǎn)生磁場，該磁場在足夠強度時影響處于其下的存儲元件。X/Y線用于寫入信息，這些線在將說明的存儲單元之上彼此正交。對它們加信號，該信號在交叉點上引起足夠改變磁化的磁場。這時磁化方向在兩鐵磁層之一內(nèi)轉(zhuǎn)換。相反在兩鐵磁層的另一層內(nèi)磁化方向保持不變。在最后所述的鐵磁層內(nèi)保持磁化方向是通過相鄰的反鐵磁層實現(xiàn)的，該反鐵磁層保持磁化方向，或通過以下方式，即通過其它材料或其它尺寸例如與在先提到的鐵磁層相比的層厚來增大該鐵磁層的開關(guān)閾值。
在US 5 541 868內(nèi)提出以GMR效應(yīng)為基礎(chǔ)的環(huán)形存儲元件。存儲元件包含一疊層，它具有至少兩層環(huán)形鐵磁層元件和安排其中的一層非磁性導(dǎo)電層元件。這些鐵磁層元件的材料成分不同。鐵磁層元件之一是硬磁性的，而另一是較軟磁性的。為了寫入信息在較軟磁性層元件內(nèi)的磁化方向應(yīng)轉(zhuǎn)換，而在較硬磁性層元件內(nèi)的磁化方向保持不變。
考慮到磁致電阻元件的大量技術(shù)上的應(yīng)用，例如作為集成磁致電阻存儲單元裝置(所謂MRAM)或作為集成傳感器裝置，集成磁致電阻元件在半導(dǎo)體工藝技術(shù)內(nèi)是必需的。在半導(dǎo)體工藝技術(shù)內(nèi)，尤其在晶片面上在所謂的后端工藝也稱為BEOL生產(chǎn)線的后端工藝(Back endof line)中制造半導(dǎo)體器件時，出現(xiàn)溫度至少約450℃(參閱例如D.Widmann等，Technologie integrierter Schaltungen集成電路工藝，Springer出版社1996,58頁)，使磁致電阻元件也經(jīng)受此溫度。在該溫度范圍，基于在磁致電阻層系包含的元素，尤其是Fe、Co、Ni、Cu等的擴散遷移率應(yīng)估算擴散，該擴散這樣改變鐵磁層元件特性，使得具有由不同材料成分組成的鐵磁層元件的磁致電阻元件不再起作用?；诹钊藫?dān)心的擴散導(dǎo)致界面區(qū)內(nèi)材料組成的變化，它妨礙與自旋有關(guān)的電子輸運，在這些元件中的磁致電阻效應(yīng)是建立在此種電子輸運基礎(chǔ)上的。因此必須估計到以越過這界面1～5nm范圍的有效距離的、擴散制約的、少量材料遷移已經(jīng)導(dǎo)致電和磁特性的顯著變化。幾納米的擴散長度已經(jīng)可能引起完全改變的界面特性，這種改變的界面特性導(dǎo)致磁致電阻元件的特性漂移，甚至整個失效。(參閱I.Kaur,W.Gust,“Fundamentals of Grain an Interphase BoundaryDiffusion,”Ziegler出版社，斯圖加特(1989),16～26,287,316～318頁和I.Kaur,W.Gust,L.Kozma,Handbook of Grain andInterphase Boundary Data，卷1和2,Ziegler出版社，斯圖加特(1989),8～13,220～224,403,515,528,530,776,952～953,966～998頁)。
在半導(dǎo)體工藝技術(shù)內(nèi)集成磁致電阻元件問題及其可能出現(xiàn)的困難在文獻內(nèi)迄今尚未研究討論。
作為本發(fā)明基礎(chǔ)的問題是提供可在半導(dǎo)體工藝技術(shù)框架內(nèi)制造的磁致電阻元件。
根據(jù)本發(fā)明，該問題通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻元件解決。本發(fā)明的進一步擴展參照從屬權(quán)利要求。
磁致電阻元件具有第1鐵磁層元件，非磁性層元件和第2鐵磁性層元件，其中在第1鐵磁性層元件和第2鐵磁性層元件之間安排了非磁性層元件。非磁性層元件在制造磁致電阻元件必需的溫度范圍具有擴散壁疊作用。在制造時該磁致電阻元件經(jīng)受這溫度區(qū)的溫度。
在本發(fā)明的磁致電阻元件中，基于在過程中出現(xiàn)的溫度負(fù)荷通過以下方式避免鐵磁層元件特性的改變，即非磁性層元件由具有擴散壁壘作用的材料構(gòu)成，并且本身不擴散入相鄰的鐵磁層元件中去。
非磁性層元件優(yōu)先由在溫度范圍20～450℃內(nèi)具有擴散壁壘作用的材料構(gòu)成。因此保證在硅工藝技術(shù)中在制造包含磁致電阻元件的裝置內(nèi)出現(xiàn)的溫度負(fù)荷情況下，尤其在金屬化系統(tǒng)的處理過程可達(dá)到450℃，在第1鐵磁層元件、第2鐵磁層元件和非磁性層元件之間沒有引起擴散。
非磁性層元件至少包含具有或不具有添加物N、Si或B的Ti、Ta、W、Nb、Mo元素之一。
非磁性層元件的厚度主要處于2～4nm之間。
第1鐵磁層元件和第2鐵磁層元件各主要至少包含F(xiàn)e、Ni、Co、Gd、Dy元素之一。第1和第2鐵磁層元件的厚度主要處于2～20nm之間。鐵磁層元件的截面任意地與層面平行，它可以尤其是圓形、橢圓形、角形或環(huán)形。
第1鐵磁層元件和第2鐵磁層元件在其材料組成或/和其尺寸方面彼此不同。
磁致電阻元件或適宜作傳感器元件或適宜作存儲單元裝置的存儲單元。
本發(fā)明的實施例依靠附圖詳細(xì)說明如下。圖內(nèi)的圖形是并不按比例的。


圖1示出通過磁致電阻元件的剖面。
圖2示出存儲單元裝置的俯視圖。
磁致電阻元件具有由Fe、Ni、Co、Gd、Dy或其合金構(gòu)成的第1鐵磁層元件1和具有包含或不包含添加物N,Si或B的Ti、Ta、W、Nb、Mo構(gòu)成的非磁性層元件3和由Fe、Ni、Co、Gd、Ry或其合金構(gòu)成的第2鐵磁層元件2。第1鐵磁層元件1具有主要呈直角截面，其尺寸約為100nm×150nm而厚度約為20nm。第2鐵電層元件具有主要呈直角截面，其尺寸為100nm×150nm，而厚度約為5nm。非磁性層元件3也主要呈直角截面，其尺寸為100nm×150nm，而其厚度約為2～4nm。在該磁致電阻元件內(nèi)通過由具有或不具有添加物N,Si或B的Ti、Ta、W、Nb、Mo構(gòu)成的非磁性層元件3，一直到溫度450℃有效地阻止擴散。
為了建立存儲單元裝置，具有磁致電阻元件作為其存儲元件S，正如依靠圖1描述所建立的那樣，存儲元件S按照網(wǎng)格式排列。這時每一存儲元件S連接在第1導(dǎo)線L1和第2導(dǎo)線L2之間。第1導(dǎo)線L1彼此平行并對也彼此平行的第2導(dǎo)線L2正交(參閱圖2)。為了寫入存儲元件S，分別經(jīng)從屬的第1導(dǎo)線L1和從屬的導(dǎo)線L2流過這樣一種電流，使得在其上安排了存儲元件的第1導(dǎo)線L1和第2導(dǎo)線L2的交叉點上形成足夠的磁場，以便轉(zhuǎn)換第2鐵磁層元件的磁化方向。這時在有關(guān)交叉點上的有效磁場是由通過在第1導(dǎo)線L1內(nèi)的電流感應(yīng)的磁場和通過在第2導(dǎo)線L2內(nèi)的電流感應(yīng)的磁場的疊加。
在存儲單元裝置內(nèi)給磁致電阻元件的電阻值分配第1邏輯值，該電阻值相當(dāng)于在第1鐵磁層元件內(nèi)的磁化方向取向平行于在第2鐵磁層元件內(nèi)的磁化方向取向，而第2邏輯值分配給相當(dāng)于在第1鐵磁層元件內(nèi)磁化取向逆平行于第2鐵磁層元件內(nèi)磁化方向取向時的電阻值。
權(quán)利要求
1．磁致電阻元件，-具有第1鐵磁層元件(1)，非磁性層元件(3)和第2鐵磁層元件(2)，-其中，非磁性層元件(3)安排在第1鐵磁層元件(1)和第2鐵磁層元件(2)之間，-其中，非磁性層元件(3)包含一種材料，它在制造磁致電阻元件時必須的溫度范圍內(nèi)具有擴散壁壘作用，而本身不擴散入鐵磁層元件(1,2)內(nèi)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻元件，其中，非磁性層元件(3)的材料在溫度范圍20～450℃之間有擴散壁壘作用。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁致電阻元件，其中，第1鐵磁層元件(1)和第2鐵磁層元件(2)其材料組成不同。
4．根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的磁致電阻元件，其中，非磁性層元件(3)至少包含元素Ti、Ta、W、Mo之一，這些元素的氮化物，這些元素的硅化物，這些元素的硼化物或至少由兩種這些元素構(gòu)成的合金。
5．根據(jù)權(quán)利要求1到4之一所述的磁致電阻元件，其中，第1鐵磁層元件(1)和第2鐵磁層元件(2)各自至少包含元素Fe、Ni、Co、Gd、Dy之一。
6．根據(jù)權(quán)利要求1到5之一所述的磁致電阻元件作為在存儲單元裝置內(nèi)的存儲元件應(yīng)用。
全文摘要
在磁致電阻元件內(nèi)，在第1鐵磁層元件(1)和第2鐵磁層元件(2)之間安排了非磁性層元件(3)。非磁性層元(3)由一種材料組成，它在制造磁致電阻元件時必需的溫度范圍內(nèi)具有擴散壁壘作用，而本身不會向相鄰的鐵磁層元內(nèi)擴散。磁致電阻元件既適用作傳感器元件也適用作存儲單元裝置的存儲元件。
文檔編號H01F10/16GK1317141SQ99810669
公開日2001年10月10日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月7日
發(fā)明者S·施瓦茨爾 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司