本发明专利技术提供一种MTJ膜及其制造方法。用于制造MTJ膜的方法包括形成第一铁磁层；在该第一铁磁层上形成隧道势垒层；以及在该隧道势垒层上形成第二铁磁层。第一铁磁层是具有垂直磁各向异性的Co/Ni堆叠膜。用于形成隧道势垒层的步骤包括将单位膜形成处理重复n次(n是2或更大的整数)。该单位膜形成处理包括步骤：通过溅射法沉积Mg膜；以及氧化沉积的Mg膜。在第一次单位膜形成处理中沉积的Mg膜的膜厚度是0.3nm或更大且是0.5nm或更小。在第二次单位膜形成处理或之后的处理中沉积的Mg膜的膜厚度是0.1nm或更大且是0.45nm或更小。
【技术实现步骤摘要】
MTJ膜及其制造方法相关申请的交叉引用将2011年2月7日提交的，包括说明书、附图和摘要的日本专利申请No. 2011-24227的公开内容以整体引入的方式并入本文中。
技术介绍
本专利技术涉及一种用于制造MTJ(Magnetic Tunnel Junction :磁性隧道结)膜的方法。特别地，本专利技术涉及一种用于制造在其中通过多步氧化方法形成隧道势垒层的MTJ膜的方法。从高集成度和高操作速度的角度，磁性随机存取存储器(MRAM)承诺了一种非易失性存储器。在MRAM中，显示出磁阻效应的磁阻元件用作存储器单元。作为典型的磁阻元件，其中隧道势垒层夹在两个铁磁层之间的MTJ(磁性隧道结)是已知的。 图I示意性地示出了一种典型的MTJ膜的结构。该典型的MTJ膜包括堆叠的层结构，在该堆叠的层结构中第一铁磁层110、隧道势垒层120和第二铁磁层130按顺序堆叠。隧道势垒层120是具有l_2nm膜厚度的薄的绝缘层，其材料是Al和Mg的氧化物。第一铁磁层110和第二铁磁层130的每一个都具有磁化强度(在图I的实例中，二者的磁化强度沿表面方向)。在这里，第一铁磁层110和第二铁磁层130中的一个是其中的磁化强度方向固定的磁化强度固定层(钉扎层)，并且另一个是其中的磁化强度方向可以反转的磁化强度自由层(自由层)。由于磁阻效应，当磁化强度固定层和磁化强度自由层的磁化强度方向是“反平行的”时，该MTJ的电阻值大于它们是“平行的”情况下的电阻值。通过使用这种电阻值的变化，MTJ膜非易失地存储数据。通过反转磁化强度自由层的磁化强度方向而向MTJ膜写入数据。MRAM的写入特性和读出特性由MTJ的膜特性决定。例如，隧道势垒层的覆盖特性和膜的质量显著地影响读出特性。主要的读出特性包括电阻-面积的乘积，即，标准化的结电阻(RXA ；R :元件电阻，A :结面积)，以及磁阻比(MR比)。可通过CIPT (Current In-PlaneTunneling:面内电流穿隧)法获得这些RXA和MR比。隧道势垒层的覆盖特性和膜的质量的下降会导致RXA的降低(短路)和MR比的降低。因此，希望形成优良的隧道势垒层。形成隧道势垒层的方法之一包括使用氧化物靶(一个实例MgO)的RF溅射。然而，当通过RF溅射形成隧道势垒层时，在晶片表面中的结电阻的一致性不好是已知的。另夕卜，从颗粒产生和靶污染的角度，对于批量生产MRAM，RF射频是不能胜任的。作为用于形成隧道势垒层的方法，“后氧化法”是已知的。根据后氧化法，⑴首先执行沉积通过溅射方法沉积的金属膜(Al膜和Mg膜)的金属沉积步骤，并且然后(2)执行通过引入氧基团等来氧化沉积的金属膜的氧化步骤。因而，形成由Al2O3或MgO制成的隧道势垒层。后氧化法具有获得了优秀的晶片表面中的结电阻的一致性的特点，并且被认为是MRAM批量生产的重要技术。“多步氧化法”是后氧化法的一种并且将上面所述的金属沉积步骤和氧化步骤重复两次或更多次。换句话说，当将一组金属沉积步骤和氧化步骤定义为“单位膜形成处理”时，不只一次地重复执行该单位膜形成处理。日本未审专利申请公开No. 2000-357829公开了一种涉及多步氧化法的技术。根据相关技术，在第一次单位膜形成处理中，沉积的金属膜的膜厚度设定在0. 3nm或更大且小于lnm。在第二次单位膜形成处理或之后的处理中，沉积的金属膜的膜厚度设定在0. Inm至1.5nm。描述了因此形成的一种具有不存在过量和不足的氧化状态的隧道势垒层。
技术实现思路
近来，从降低电流驱动的畴壁运动MRAM中的写入电流的角度，具有垂直磁各向异性的垂直磁化强度膜已受到关注。目前最有前途的一种垂直磁化强度膜是Co/Ni堆叠膜，在其中Co薄膜和Ni薄膜交替堆叠。为了在Co/Ni堆叠膜中产生垂直磁各向异性，使用适当的衬层控制晶向是重要的。通过在适当的衬层上形成Co/Ni堆叠膜，该Co/Ni堆叠膜成为具有强fcc(lll)取向的微晶膜。在这种情况下，可以实现强垂直磁性各向异性。这里，本专利技术的专利技术人通过实验首先发现了下列问题。该问题是，当通过上面描述的后氧化法和多步氧化法，在具有垂直磁性各向异性的Co/Ni堆叠层上形成作为隧道势垒层的MgO膜时，读出特性(RXA和MR比)可能会下降。例如，为了满足在上述的日本未审专利申请公开No. 2000-357829(并且参考下述的图SB)中描述的膜厚度的条件，分别在第一次单位膜形成处理和第二次单位膜形成处理中形成沉积了具有0. 7nm的厚度的Mg膜的样品。已经证实了关于这一样品的RXA和MR比的下降(并且参考下述的图11和图12)。并且，本专利技术的专利技术人实验性地证实了这一问题是后氧化法和多步氧化法特有的且不会发生在RF溅射的情况中。更具体地，上面描述的问题不会发生在通过使用MgO靶的RF溅射而在Co/Ni垂直磁化强度膜上形成作为隧道势垒层的MgO膜的时候。从这些结果来看，本专利技术的本专利技术人认为上述问题是由“晶粒的生长”引起的。参考图2说明了本专利技术的专利技术人考虑的该问题的发生机制。图2不出了一个方面,其中具有大约l_2nm厚度的Mg膜沉积在具有垂直磁各向异性的Co/Ni堆叠层上。如上所述，具有垂直磁各向异性的Co/Ni堆叠膜是具有强fee (111)取向的微晶膜。这种具有高晶向的堆叠膜被认为起到了 Mg晶体生长的基底的作用并加速了外延Mg晶体生长。因此Mg晶粒开始生长，即便该膜厚度是大约l-2nm。如图2所示，当Mg晶粒生长时，产生了局部具有薄的膜厚度的部分。换句话说，隧道势垒层的覆盖特性下降了。当如上所述在Mg沉积步骤中产生了局部具有薄的膜厚度的部分时，在后续的氧化步骤中，较低的层的Co/Ni堆叠膜也可能通过具有薄的膜厚度的部分而被氧化。这会引起MR比的降低。另外，当通过热处理进行界面处的元素扩散时，局部具有薄的膜厚度的部分会成为泄漏点。这会引起结短路(RXA降低)以及MR比降低。可以说，由于热处理降低了 RXA和MR比，因而MTJ膜的热阻下降了(并且参考下述的图9和图10)。 如上所述，在以类似的方式满足在日本未审专利申请公开No. 2000-357829中描述的膜厚度的条件(在第一次单位膜形成处理和第二次单位膜形成处理中沉积每个具有0.7nm厚度的Mg膜)的样品中观察到了 RXA和MR比的降低。从这个结果来看，即使当膜厚度是大约0.7nm时，可能产生类似的现象。换句话说，在日本未审专利申请公开No. 2000-357829中限定的膜厚度的范围内，读出特性可能下降。这是因为在日本未审专利申请公开No. 2000-357829中并未意识到“晶粒的生长”。如上所述，当通过后氧化法和多步氧化法形成隧道势垒层时，读出特性(RXA和MR比)可能下降。这里，较低的层的铁磁层不限于具有垂直磁各向异性的Co/Ni堆叠膜。从晶粒的生长的角度，当通过后氧化法和多步氧化法在具有高晶向的铁磁层上形成隧道势垒层时，认为也会产生类似的问题。当通过在具有高晶向的铁磁层上形成隧道势垒层来形成MTJ膜时,希望抑制读出特性的下降。在本专利技术的一个方面，提供一种用于制造MTJ膜的方法。该制造方法包括步骤形成第一铁磁层、在该第一铁磁层上形成隧道势垒层、以及在该隧道势垒层上形成第二铁磁层。该第一铁磁层是具有垂直磁各向异性的Co/Ni本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：森馨，刈屋田英嗣，末光克巳，大岛则和，
申请(专利权)人：瑞萨电子株式会社，
类型：发明
国别省市：
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