МАГНИТНЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ ТУННЕЛЬНЫМ БАРЬЕРОМ Российский патент 2016 года по МПК H01F10/32 H01L43/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу изготовления магнитного туннельного перехода, подходящего для ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM), имеющей низкую дефектность и более высокое напряжение пробоя.

Уровень техники

Фиг. 1 представляет собой традиционную ячейку 1 магнитной оперативной памяти (MRAM). Ячейка 1 MRAM содержит магнитный туннельный переход 2, образованный из первого ферромагнитного слоя 21, второго ферромагнитного слоя 23 и туннельного барьерного слоя 22, имеющего произведение RA сопротивление перехода-площадь. В примере Фиг. 1 ячейка MRAM может записываться, используя операцию термической (ТА) записи, и магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит второй антиферромагнитный слой 25, устанавливающий обменную связь со вторым ферромагнитным слоем 23. Во время операции записи, ток 32 нагрева может проходить через линию 4 тока в магнитный туннельный переход 2 для того, чтобы нагревать магнитный туннельный переход 2 до высокотемпературной пороговой величины, при которой намагничивание запоминающего устройства может свободно переключаться. Первый ферромагнитный слой 21 может иметь намагничивание, являющееся свободным для переключения, или также быть обменно-связан посредством первого антиферромагнитного слоя 24 так, чтобы иметь постоянное намагничивание.

Туннельный барьерный слой 22 часто выполнен из слоя оксида магния (MgO). В действительности, большое туннельное магнитное сопротивление (TMR), например, вплоть до 200%, может быть получено для магнитного туннельного перехода 2, содержащего туннельный барьерный слой 22 на основе кристаллического MgO. Такой туннельный барьерный слой 22, выполненный из MgO, может быть получен посредством использования способа ВЧ магнетронного напыления. Однако способ образования MgO посредством ВЧ магнетронного напыления может вызывать разброс нормализованного туннельного резистивного значения (RA) и возможно ухудшение коэффициента выхода во время изготовления устройства.

В US6841395 барьерный слой MgO образуется посредством способа, содержащего этапы образования пленки слоя металлического Mg, образования легированных кислородом слоев металлического Mg и образования уложенных слоев в процессе окисления. Однако, во время этапа окисления слоя Mg, на поверхности слоя MgO могут образовываться дефекты, такие как маленькие отверстия. Образование дефектов может возникать вследствие того, что оксид MgO имеет больший объем, чем металлический Mg. В результате, может возникать утечка тока, приводя к меньшему сопротивлению и меньшему напряжению пробоя туннельного барьера 22 MgO, особенно для низких значений RA, ниже 50 ОмЧмкм². Такая утечка тока может возникать, когда ток проходит в магнитном туннельном переходе 2 для нагревания магнитного туннельного перехода 2 во время операции ТА записи ячейки 1 MRAM и для считывания сопротивления перехода во время операции считывания ячейки 1 MRAM. Наличие дефектов, таким образом, может уменьшить сопротивление туннельного барьера 22 MgO, и туннельное магнитное сопротивление TMR магнитного туннельного перехода 2, содержащего такой туннельный барьер 22 MgO, также уменьшается. Кроме того, может наблюдаться меньшее напряжение пробоя барьерного слоя 22.

Уменьшение влияния маленьких отверстий требует наличия относительно толстого слоя Mg и/или выращивания относительно толстых оксидных слоев. Увеличение толщины туннельного барьерного слоя 22 MgO может привести к RA, которое является слишком большим, таким образом напряжение для приведения в действие устройства магнитного туннельного перехода становится слишком высоким. Также, если начальный слой Mg является слишком толстым, окисление за один этап не полностью окисляет этот слой Mg. Слой Mg будет в таком случае недостаточно окислен, с меньшим RA, меньшим TMR и меньшим напряжением пробоя.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее описание изобретения относится к способу изготовления магнитного туннельного перехода, подходящего для ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM) и содержащего первый ферромагнитный слой, туннельный барьерный слой и второй ферромагнитный слой, при этом способ содержит: образование первого ферромагнитного слоя; образование туннельного барьерного слоя; и образование второго ферромагнитного слоя; в котором упомянутое образование туннельного барьерного слоя содержит осаждение слоя металлического Mg; и окисление осажденного слоя металлического Mg для того, чтобы преобразовать металлический Mg в MgO; при этом этап образования туннельного барьерного слоя выполняется, по меньшей мере, дважды, таким образом туннельный барьерный слой содержит, по меньшей мере, два слоя MgO.

Способ, раскрытый здесь, обеспечивает возможность образования туннельного барьера, имеющего низкую дефектность и более высокое напряжение пробоя по сравнению с традиционным туннельным барьером.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет лучше понятно с помощью описания варианта осуществления, данного в качестве примера и показанного посредством фигур, на которых:

На Фиг. 1 показана традиционная ячейка магнитной оперативной памяти (MRAM), содержащая магнитный туннельный переход;

На Фиг. 2 проиллюстрирован магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьерный слой в соответствии с вариантом осуществления; и

На Фиг. 3 представлен туннельный барьерный слой, содержащий два последовательно осажденных слоя металлического Mg в соответствии с вариантом осуществления.

Подробное описание возможных вариантов осуществления

На Фиг. 2 показан магнитный туннельный переход 2 ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM) в соответствии с вариантом осуществления. Магнитный туннельный переход 2 содержит первый ферромагнитный слой 21, туннельный барьерный слой 22 и второй ферромагнитный слой 23. В случае когда ячейка MRAM должна быть записана посредством операции записи с термическим переключением (TAS), магнитный туннельный переход 2 может содержать первый антиферромагнитный слой (не представлен), обменно-связанный с первым ферромагнитным слоем 21 таким образом, что намагничивание первого слоя 21 для хранения может быть легко ориентировано при первой высокотемпературной пороговой величине и закреплено ниже этой температуры. Магнитный туннельный переход 2 может дополнительно содержать второй антиферромагнитный слой (также не представлен), обменно-связанный со вторым ферромагнитным слоем 23 таким образом, чтобы закреплять его намагничивание при второй низкотемпературной пороговой величине и освобождать его при второй высокотемпературной пороговой величине. Первый и второй антиферромагнитный слой могут быть выполнены из сплава на основе марганца, такого как IrMn, NiMn, PtMn или FeMn, или любых других подходящих материалов.

Ферромагнитный материал первого и второго ферромагнитных слоев 21, 23 может содержать элементы из группы, состоящей из кобальта Со, железа Fe, бора В, никеля Ni, например никель-железо-бор NiFeB и, предпочтительно, кобальт-железо-бор CoFeB, который обеспечивает превосходную магниторезистивную (TMR) характеристику. Предпочтительно, первый и второй ферромагнитные слои 21, 23 выполнены из сплава на основе CoFeB. Туннельный барьерный слой 22 может представлять собой изолирующий слой, например, выполненный из оксида, выбранного из группы, включающей в себя, среди прочих, оксиды алюминия Al₂O₃. Предпочтительно, туннельный барьерный слой 22 выполнен из оксида на основе MgO. Использование оксида на основе MgO в магнитном туннельном переходе делает возможным достижение увеличения доступного магниторезистивного сигнала вплоть до около 200% изменения сопротивления при комнатной температуре (Parkin и другие, 2004, Nat.Mater.3, 862).

В соответствии с вариантом осуществления, способ изготовления магнитного туннельного перехода 2 содержит:

образование первого ферромагнитного слоя 21;

образование туннельного барьерного слоя 22; и

образование второго ферромагнитного слоя 23;

в котором упомянутое образование туннельного барьерного слоя 22 содержит осаждение слоя металлического Mg; и окисление осажденного слоя металлического Mg для того, чтобы преобразовать металлический Mg в MgO и получить слой 22а MgO. Этап образования туннельного барьерного слоя 22 выполняется, по меньшей мере, дважды, таким образом туннельный барьерный слой 22 содержит, по меньшей мере, два слоя 22а MgO.

В варианте осуществления, образование первого и второго ферромагнитных слоев 21, 23 и осаждение слоя металлического Mg выполняются посредством использования метода осаждения напылением. Некоторые этапы осаждения могут выполняться в той же самой камере для напыления или в других камерах для напыления. В качестве альтернативы, некоторые этапы осаждения выполняются посредством использования любого другого способа вакуумного осаждения пленок, например ионно-пучкового осаждения или импульсного лазерного осаждения. Слой металлического Mg, предпочтительно, осаждается с толщиной, составляющей от 0 до 1,5 нм и, предпочтительно, от 0,3 нм до 1,2 нм.

Окисление осажденного слоя металлического Mg для того, чтобы преобразовать металлический Mg в оксид MgO, может содержать окисление посредством воздействия плазмы или потока кислорода (естественное окисление). Существует оптимальная толщина, которая может окисляться при заданных условиях окисления. Например, если слой Mg толще, чем это оптимальное значение, он будет недостаточно окисляться для этих конкретных условий окисления (меньшее RA и меньшее TMR). Если он тоньше, он будет чрезмерно окисляться (большее RA и меньшее TMR). Здесь плазма, которая содержит ионы кислорода, применяется к слою металлического Mg. Плазменное окисление может выполняться с или без ускорения ионов кислорода в направлении, нормальном относительно поверхности подвергающегося воздействию слоя металлического Mg, для имплантации ионов кислорода в него. Плазменное окисление также может выполняться как с, так и без направленного ускорения для имплантации. Плазменное окисление может выполняться при или ниже комнатной температуры. Для более быстрого и более основательного преобразования металлического Mg в оксид MgO, плазменное окисление также может выполняться при повышенных температурах, вплоть до таких, которые позволят сохранить целостность туннельного перехода (приблизительно, 300-400°С). В процессе плазменного окисления, параметры, которые регулируют окисление, представляют собой энергию ионов (мощность, прикладываемая источником плазмы), время процесса и количество кислорода, вводимого в камеру, обычно, 500 см³/мин. Этот способ быстрее, чем процесс естественного окисления, описанный ниже, но может приводить к включению некоторых дефектов в слой MgO. Возможный способ ограничить образование дефектов в слое MgO может содержать использование процесса естественного окисления. В процессе естественного окисления, некоторое количество газообразного кислорода вводится в присутствии металлического слоя Mg, и в этом случае, только "время" и "давление" являются параметрами процесса окисления. Типичное время процесса варьируется от 100 до 500 сек и типичное давление процесса варьируется от 0,1 до 50 Торр. Атомы кислорода переходят в слой Mg, и MgO образуется до тех пор, пока не будет достигнута толщина пассивирующего слоя. Процесс отжига будет реорганизовывать или кристаллизировать этот слой MgO. В качестве альтернативы, окисление осажденного слоя металлического Mg может выполняться посредством окисления металла с помощью радикального окисления (ROX). Этап окисления осажденного слоя металлического Mg типично выполняется в другой камере, нежели чем в камерах для напыления.

В варианте осуществления, осаждение слоя металлического Mg дополнительно содержит использование инертного газа, такого как N, во время операции осаждения. Инертный газ, предпочтительно, используется для выравнивания, или сглаживания, слоя металлического Mg, и для избежания сжатия молекул MgO во время этапа окисления.

В другом варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап осаждения дополнительного слоя 27 металлического Mg до и после образования туннельного барьерного слоя 22. Дополнительные слои 27 металлического Mg не окисляются, таким образом, после изготовления магнитного туннельного перехода 2, последний содержит дополнительный слой 27 металлического Mg между туннельным барьерным слоем 22 и первым ферромагнитным слоем 21 и между туннельным барьерным слоем 22 и вторым ферромагнитным слоем 23, при этом дополнительные слои 27 металлического Mg располагаются рядом с туннельным барьерным слоем 22. Дополнительные слои 27 металлического Mg являются предпочтительными для предотвращения перехода кислорода из туннельного барьерного слоя 22 MgO в первый и/или второй ферромагнитный слой 21, 23. Дополнительные слои 27 металлического Mg, предпочтительно, наносятся с толщиной меньше чем около 0,5 нм.

В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап осаждения слоя 26 CO_xFe_1-x после образования первого ферромагнитного слоя 21 и до образования второго ферромагнитного слоя 23. Магнитный туннельный переход 2, образованный таким образом, содержит слои 26 CoFe между первым ферромагнитным слоем 21 и туннельным барьерным слоем 22 и между многослойным барьерным слоем 22 и вторым ферромагнитным слоем 23. Слои 26 CoFe типично осаждают с толщиной вплоть до около 1 нм и, предпочтительно, вплоть до около 0,5 нм. Тонкие слои 26 CoFe являются применимыми для предотвращения перехода В из первого и второго ферромагнитного слоя 21, 23 в барьерный слой 22.

Во время этапа окисления слоя металлического Mg, маленькие отверстия 29 (см. Фиг. 3) могут создаваться при образовании слоя 22а MgO. Здесь, термин маленькие отверстия может включать любой тип дефектов, образованных в слое 22а MgO, включая непересекающие полости, щели, пересекающие поры или тому подобное. Маленькие отверстия 29 типично образуются во время этапа окисления вследствие того, что оксид MgO имеет больший объем, чем металлический Mg, вызывая некоторое расширение слоя 22а MgO. Конечная толщина слоя 22а MgO, таким образом, может быть локально меньше в местах маленьких отверстий. В действительности, эффективная толщина е слоя 22а MgO соответствует толщине слоя 22а MgO без маленького отверстия минус глубина d маленького отверстия 29, как показано в примере Фиг. 3.

Вследствие механизмов роста MgO во время процесса окисления, вероятно, что распределение маленьких отверстий изменяется от одного слоя 22а MgO к другому. Следовательно, при образовании многослойного барьерного слоя 22, очень немногие или ни одно из маленьких отверстий 29, образованных в ранее осажденном слое 22а' MgO, не выравниваются с маленькими отверстиями, образованными в следующем осажденном слое 22а'' Mg. Это схематично проиллюстрировано на Фиг. 3, показывающей два последовательно осажденных и окисленных слоя 22а', 22a'' MgO в соответствии со способом, описанным выше. В этом примере, маленькие отверстия 29, образованные на первично осажденном слое 22а' MgO, не выровнены с маленькими отверстиями 29, образованными на вторично осажденном слое 22а'' MgO.

Чем больше количество осажденного слоя 22а', 22а'' MgO, образующего многослойный барьерный слой 22, тем меньше вероятность того, что барьерный слой 22 содержит маленькие отверстия 29, выровненные по всем слоям 22а Mg и, таким образом, того, что барьерный слой 22 содержит пересекающие поры.

Это, в свою очередь, может привести к меньшему напряжению пробоя барьерного слоя 22. Уменьшение влияния маленьких отверстий требует наличия относительно толстого слоя Mg и/или выращивания относительно толстых оксидных слоев.

Другое преимущество барьерного слоя 22 и способа образования такого барьерного слоя 22 заключается в выравнивающем эффекте вследствие множества слоев 22а Mg. На Фиг. 3, этот выравнивающий эффект проиллюстрирован посредством эффективной толщины Е многослойного барьерного слоя 22, соответствующей суммарной толщине множества слоев 22а', 22а'' Mg минус глубина d маленького отверстия 29 в последнем осажденном слое 22а'' Mg. Из Фиг. 3 можно увидеть, что увеличение количества осажденных слоев 22а', 22a'' Mg уменьшает отношение d/Е глубины d маленького отверстия к эффективной толщине Е барьерного слоя (эффективная толщина Е барьерного слоя приближается к толщине Т барьерного слоя в отсутствие маленького отверстия). Следовательно, барьерный слой 22 образован способом, раскрытым здесь.

Увеличение количества осажденных слоев 22а', 22а'' Mg уменьшает влияние маленьких отверстий и обеспечивает сопротивление многослойного барьерного слоя 22 и TMR магнитного туннельного перехода 2, содержащего многослойный барьерный слой 22, по существу, аналогичное сопротивлениям, полученным для барьерного слоя 22 той же самой толщины без маленького отверстия.

В варианте осуществления, многослойный барьерный слой 22 может быть образован посредством использования способа, раскрытого здесь, с более высоким напряжением пробоя (больше чем 1 В), чем у традиционного барьерного слоя 22, имеющего один слой MgO, для того же значения RA.

Ссылочные позиции и обозначения

1 ячейка MRAM

2 магнитный туннельный переход

21 первый ферромагнитный слой

22 туннельный барьерный слой

22а слой Mg, слой MgO

23 второй ферромагнитный слой

26 слой CoFe

27 дополнительный слой Mg

29 маленькие отверстия

3 транзистор выбора

d глубина маленького отверстия

е эффективная толщина слоя Mg

Е эффективная толщина барьерного слоя

Т толщина барьерного слоя без маленького отверстия

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении дефектности и повышении напряжения пробоя. Способ изготовления магнитного туннельного перехода для ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM), содержащего первый ферромагнитный слой, туннельный барьерный слой и второй ферромагнитный слой, содержит: образование первого ферромагнитного слоя; образование туннельного барьерного слоя; и образование второго ферромагнитного слоя; в котором упомянутое образование туннельного барьерного слоя содержит осаждение слоя металлического Mg; и окисление осажденного слоя металлического Mg для того, чтобы преобразовать металлический Mg в MgO. Этап образования туннельного барьерного слоя выполняют, по меньшей мере, дважды, таким образом туннельный барьерный слой содержит, по меньшей мере, два слоя MgO. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления магнитного туннельного перехода, подходящего для ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM) и содержащего первый ферромагнитный слой, туннельный барьерный слой и второй ферромагнитный слой, при этом способ содержит:
образование первого ферромагнитного слоя;
образование туннельного барьерного слоя; и
образование второго ферромагнитного слоя;
причем упомянутое образование туннельного барьерного слоя содержит осаждение слоя металлического Mg; и окисление осажденного слоя металлического Mg для того, чтобы преобразовать металлический Mg в MgO; при этом этап образования туннельного барьерного слоя выполняют более чем дважды, таким образом туннельный барьерный слой содержит более чем два слоя MgO для уменьшения вероятности содержания в барьерном слое маленьких отверстий, которые выровнены по всем слоям MgO,
при этом упомянутый способ дополнительно содержит осаждение дополнительного слоя металлического Mg до и после образования туннельного барьерного слоя.

2. Способ по п. 1, в котором осаждение слоя металлического Mg дополнительно содержит использование инертного газа для выравнивания осажденного слоя металлического Mg.

3. Способ по п. 1, в котором толщина осажденного слоя металлического Mg составляет от 0 нм до 1,5 нм, предпочтительно от 0,3 нм до 1,2 нм.

4. Способ по п. 1, дополнительно содержащий осаждение слоя CoFe после упомянутого образования первого ферромагнитного слоя и до упомянутого образования второго ферромагнитного слоя.

5. Ячейка MRAM (магнитной оперативной памяти), содержащая магнитный туннельный переход, содержащий первый ферромагнитный слой, туннельный барьерный слой и второй ферромагнитный слой, причем магнитный туннельный переход изготавливается посредством способа, содержащего:
образование первого ферромагнитного слоя;
образование туннельного барьерного слоя; и
образование второго ферромагнитного слоя;
при этом упомянутое образование туннельного барьерного слоя содержит осаждение слоя металлического Mg; и окисление осажденного слоя металлического Mg для того, чтобы преобразовать металлический Mg в MgO; при этом этап образования туннельного барьерного слоя выполнен более чем дважды, таким образом туннельный барьерный слой содержит больше чем два слоя MgO для уменьшения вероятности содержания в барьерном слое маленьких отверстий, которые выровнены по всем слоям MgO,
при этом упомянутый способ дополнительно содержит осаждение дополнительного слоя металлического Mg до и после образования туннельного барьерного слоя.

6. Ячейка MRAM, содержащая магнитный туннельный переход, содержащий первый ферромагнитный слой, туннельный барьерный слой и второй ферромагнитный слой; при этом туннельный барьерный слой содержит более чем два слоя MgO, при этом упомянутый магнитный туннельный переход дополнительно содержит слой металлического Mg между туннельным барьерным слоем и первым ферромагнитным слоем; и слой металлического Mg между туннельным барьерным слоем и вторым ферромагнитным слоем.

7. Ячейка MRAM по п. 6, в которой упомянутый слой металлического Mg имеет толщину меньше чем около 0,5 нм.

8. Ячейка MRAM по п. 6, в которой упомянутый магнитный туннельный переход дополнительно содержит слой Co_xFe_1-x между первым ферромагнитным слоем и туннельным барьерным слоем; и слой Co_xFe_1-x между многослойным барьерным слоем и вторым ферромагнитным слоем.

9. Ячейка MRAM по п. 8, в которой упомянутые слои Co_xFe_1-x имеют толщину вплоть до около 1 нм.

10. Ячейка MRAM по п. 8, в которой упомянутые слои Co_xFe_1-x имеют толщину вплоть до около 0,5 нм.