专利名称：制造热稳定mtj单元的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造具有更好耐热性和更高温度稳定性的MTJ单元的方法。
背景技术：
磁性随机访问存储器(MRAM)器件基于具有磁隧道结(MTJ)型磁材料的半导体电路的集成。在1998年3月31日发布，标题为″Multi-Layer Magnetic Tunneling Junction Memory Cells″的专利5,702,831中可以发现关于MTJ单元的制造和操作的更多信息，这里参考引用了该专利。普通半导体工艺有时需要高达400℃或更高的处理温度。当前在MTJ单元中使用的材料在高于300℃的环境下通常不稳定，并且不能在工作特性不受根本损伤或退化的情况下承受这种高温。于是期望得到能够承受这种高处理温度的MTJ材料。否则必须开发出低温度特殊处理模块。在某些特殊环境中这是可行的。但是如果需要特殊低温处理模块，则肯定会增加MRAM芯片或器件的产生成本。
并且，根据可以向普通CMOS流程插入MTJ层的时间，存储器单元的尺寸有所不同。向CMOS流程中可以插入MTJ层的时间越早，则存储器单元的尺寸就越小，因为随着CMOS处理中层数的增加，最小尺寸变得更大。于是，期望得到可以较早插入CMOS流程中的耐热MTJ材料，以便存储器单元尺寸可以较小。对于较小的单元尺寸，存储器密度会更高，并且存储器成本会更低。
在诸如CMOS等等的普通半导体制造工艺中集成MTJ单元和半导体电路的另一个问题是，在高温加热处理步骤期间诸如铝和铝合金的公共金属电极向磁层的扩散。当铝向磁层扩散时，会根本降低MTJ单元的工作特性，或者单元会完全失效。MTJ单元的许多应用可以从MTJ耐热性的提高得到益处，例如存储器单元，诸如盘读取头的场传感器，和其它电磁混合系统。
发明内容
因此非常期望提供制造具有更好耐热性和更高温度稳定性的MTJ单元的方法，并且提供相应的装置。
参照附图图1是MTJ单元的简化剖视图；图2至图5根据本发明图解了制造MTJ单元过程的顺序步骤；而图6和7是MTJ单元的简化剖视图，其中在根据本发明的制造工艺中还包含其它步骤。
具体实施例方式
现在参照附图，尤其是图1，其中为简要描述MTJ单元的操作，图解了磁隧道结(MTJ)单元10的简化剖视图。MTJ单元10包含一对磁材料层11和12。在层11和12之间夹有一个隧道隔离材料层14。如本领域中所知的，层11和12通常由多个磁材料层组成，例如钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)等等。层14由某些诸如氧化铝、氮化铝等等的绝缘材料组成。
一个磁材料层，即本说明书中的层11具有较大的反转磁场，使得在施加的磁场小于其反转磁场时，其磁向量(如箭头16所示，此后称作向量16)始终指向相同方向。层12的磁向量(如箭头17所示，此后称作向量17)具有较小反转磁场，并且在施加的磁场大于其反转磁场时，自由指向2个方向中的任意一个，但受到层12的物理尺寸的约束。以将其连接到电路中的方式使用单元10，使得电流从层11或12中的一个通过单元10垂直流动到另一个。单元10可以被电等效地表示成电阻器，并且电阻的大小取决于磁向量16和17的取向。本领域的技术人员可以理解，当磁向量16和17未对齐(指向相反方向)时，单元10具有相对较高的电阻，当磁向量16和17对齐时，单元10具有相对较低的电阻。
当然期望具有远高于低电阻(对齐的向量16和17)的高电阻(未对齐的向量16和17)，使得可以在相关电子电路中方便地检测到变化。高和低电阻之间的差通常被称作磁致电阻(MR)，该磁致电阻(MR)具有通常被表示成百分比(％)的差值，此后表示成MR％。
在当今制造MTJ单元或单元阵列的实践中，制造过程通常如下所述。底部接触金属被沉积在支持基底上。包含磁材料底层和薄铝层的多层被沉积在底部接触金属上。接着氧化铝金属以形成隧道屏蔽。接着，磁材料顶层和顶部接触金属被沉积在氧化铝上。问题在于，处理与MTJ单元阵列相关的半导体电路可能需要一或多个高温加热步骤(即400℃或更高)。这些高温加热步骤导致单元性质和性能的根本退化。
由于其它金属向磁层/隧道屏蔽界面的扩散和紧邻隧道屏蔽的磁层的最终氧化，高温加热下单元的退化肯定会出现。氧化磁材料或具有杂质的磁材料具有非常不良的磁偏振，这种磁偏振对MR％产生根本的影响。在某些情况下，人们发现通过上述处理生产的MTJ单元具有很小的MR％或没有MR％，并且在经过350℃至400℃的处理之后实际上无法使用。
为了生产具有耐热性的MTJ单元，即可以承受连续高温热处理的MTJ单元，已经开发出以下过程。现在参照图2，提供支持基底20，支持基底20可以是半导体基底等等。下部或底部金属电极22以任何众所周知的方式沉积在基底20的表面上。在许多应用中，金属电极22可以是相关半导体电路处理中的金属化步骤的一部分。正如下面详细说明的，金属电极22可以包含各种被用来优化沉积处理的材料层(或子层)。然而为了简化说明，这里只图解和描述一个单层。
现在参照图3，磁材料层24被沉积在金属电极22的上表面上。当然应当理解，磁材料层24还可以包含多个磁材料层，这些磁材料层具体被用来提高最终单元的磁性质和质量。然而，由于这些特征不是本发明的一部分，并且由于本发明会涉及一或多个磁材料层(或子层)，这里为了简单只图解了一个单层。在这个实施例中，通过某些适宜的方法使层24的上部25(如虚线所示)氧化，例如使用等离子体氧化、UV光激励氧化、反应溅射、氧原子氧化、自然氧化等等。这里应当注意，除了氧之外的材料与基材料一起被用于产生所需的隧道屏蔽，并且这里包含所有这种材料，其中氧的使用只是为了举例说明。例如，氮可用于产生氮化物，而不是使用氧产生氧化物。
参照图4，铝金属层26被沉积在层24的表面上。本领域的技术人员应当理解，由于在集成电路等等中的使用非常普遍，在这个例子使用铝金属。还应当理解，使用使用其它基材料，这些基材料可以和诸如氧和氮的材料配合以产生隧道隔离材料，这里包含了所有这种基材料。可选地，并且根据被引入层24和要描述的其它层的氧的数量，在这里铝层26可以被部分氧化。然而应当理解，即使向层26引入一些氧，层26的铝金属应当是缺氧的。也就是说，层26的铝金属没有全部氧化。
现在参照图5，将磁材料薄层(如27和虚线所示)沉积在层26上，并且通过任何适宜的方法(参见上面)使其氧化。在氧化之后，沉积剩余的磁材料以形成磁材料的上层28。顶部金属电极29被沉积在层28上以完成MTJ结构30。在许多应用中，金属电极29可以是相关半导体电路处理中的金属化步骤的一部分。这里应当理解，所描述的处理是简化版本，并且可以包含许多附加步骤，例如形成连接线、位线等等。此外，通常在相对较大的阵列中生产MTJ单元，并且描述的处理可以包含生产整个阵列的步骤，其中具有这里为了方便而省略的附加掩模和蚀刻步骤以便将覆盖沉积分割成各个单元。
由于氧化磁层24和28具有接近零的磁偏振，从而导致接近零的MR％，所以上述非加热处理的MTJ结构30会具有接近零的MR％。当在后续处理步骤中加热MTJ结构30时，缺氧铝(或AlOx)具有更大的趋势(绝对值更高的负生成焓，或更高的亲合力)以吸引层24的上部25和层28的下部27中存留的氧，使得从磁层24和28得到氧，以致层26被完全氧化，并且形成隧道隔离材料。控制磁层24和28，以及层26(如果包含)中的氧的数量，和400℃和更高温度上的处理时间，使得在完成400℃和更高温度的处理之后，磁层24和28中所有的氧已经被吸收到铝层26中。
这里应当注意，由于磁层24和28中任意一个或两个的全部或任何部分可以被初始氧化以提供使铝层26氧化所需数量的氧，可以非常精确地控制此处理。此外，如果后面的处理步骤包含时间非常短的高温处理，层26可以被部分氧化。可以精确控制氧的数量和氧相对于层26的位置，从而最终提供在磁层中具有很少的氧或没有氧的MTJ结构30，和完全或几乎完全氧化的屏蔽层。于是，MTJ结构30经历了后续的高温处理步骤，并且在处理结束时具有最优的MR％。
通常通过以下方式形成用于MRAM的MTJ磁存储元件，其中沉积导电基金属层(例如半导体制造工艺中的金属化步骤)，接着沉积包含种子和模板层的底部电极，接着沉积隧道屏蔽，接着沉积包含至少一个磁层的顶部电极，接着沉积导电顶部金属层(例如半导体制造工艺中的另一个金属化步骤)。在加热时，以半导体制造工艺中的退火或活化步骤为例，MTJ结构的一个故障机理是导电基和顶部金属层中使用的材料扩散到顶部和底部电极中。电极中使用的重要材料，例如钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)和钌(Ru)易于和某些金属电极，例如铝形成合金，并且已知会扩散到铜(Cu)中。由于铝和铜在半导体制造的金属化步骤中的使用非常广泛，这种合金成为严重的问题。
具体参照图6，其中图解了根据本发明的MTJ磁性元件50的简化剖视图。在支持基底52上形成元件50，支持基底52可以是半导体基底等等，并且可以包含相关的晶体管和其它控制电子器件(未示出)。在基底52的表面上形成基电极54，并且如下所述，基电极54可以包含若干层。在电极54上形成诸如IrMn的反铁磁性栓固层56，并且磁层58被沉积在层56上，其中磁层58具有被层56栓固在固定取向上的磁向量。在层58上形成层60，并且在层60上形成磁层62。层60通常由钌或若干其它已知具有在磁层58和62之间产生耦合的性质的非磁性金属中的一种组成，根据层的厚度，耦合在反铁磁体(AF)和铁磁体(FM)之间振荡。层58被称作栓固层，层60被称作间隔层，而层62被称作固定层。通常在5到10的范围内选择间隔层的对应于一阶AF峰值的厚度，这使得层58和62在相反方向上强耦合。如这里引证的、转让给相同受让人、＿，＿，＿提交、标题为“Magnetic Element with ImprovedField Response and Fabrication Method therefor”的美国专利申请09/＿，＿中所述，这种结构具有优化磁性元件的磁响应的优点。由于在被加热到高于300℃时层的结构退化并且耦合开始具有FM分量，厚度范围为5至10的极薄间隔层60导致不良的耐热性。除了上述合金问题之外，这个问题也必须克服，以便提供更高的热稳定性和耐热性。在磁层62的表面上形成隧道屏蔽64，并且在屏蔽64上形成磁层66。在这个优选实施例中，磁层58、62和66包含CoFe以作为磁材料，尽管也可以使用其它材料。并且，氧化铝是形成隧道屏蔽64的优选材料。通过在磁层66上沉积顶部电极68，或可选地，在层66和68之间包含扩散屏蔽层67，完成构成元件50的堆叠。如下所述，扩散屏蔽层67可以由诸如AlOx或TaNx的材料组成。
如上所述，当执行后续高温处理步骤，出现导致基电极和/或顶部电极中的金属与某些磁层形成合金的问题。参照图7，为了克服这个问题，在金属化层72的上表面上形成扩散屏蔽层74。在这个优选实施例中，扩散屏蔽层74包含诸如氧化钽、氮化钽或氧化铝、氮化铝等等的稳定复合物。虽然氧化钽、氧化铝和氮化铝通常是非导电材料，然而如果层74被形成得极薄，使得其电阻小于隧道屏蔽电阻(层64)，则在对磁性元件50的操作没有根本影响的情况下形成扩散屏蔽。人们发现，通常情况下如果使用与隧道屏蔽相同的材料，则在层74的形成厚度小于隧道屏蔽64时，层74可以有效工作。此外，屏蔽64必须非常平滑，以允许在其上沉积磁材料，而对于低粗糙度要求，非晶质或非常小的微晶材料是优选的。在指定例子中，隧道屏蔽64由接近7至20厚的氧化铝组成，层74由接近5到100埃厚的氮化钽组成。使氮化钽扩散屏蔽薄且平滑的优选方法是在金属化层72的上表面上沉积10至40厚的金属Ta层，并且接着将Ta层暴露在氮离子或自由基中。这个方法产生薄的扩散屏蔽，这种薄的扩散屏蔽比反应溅射产生的较厚的传统屏蔽更加有效。
在图7图解的实施例中，在扩散屏蔽层74的上表面上形成种子层76，并且在种子层76的上表面上形成模板78。当然应当理解，层76和78是可选的，并且在本说明中层76和78被包含成基电极54(如果包含)的一部分。通常，扩散屏蔽层74位于金属电极72和下一个磁材料层(在这个实施例中为层56)之间。通过这种方式，扩散屏蔽层74防止在后续高温处理步骤期间层72中的金属与层56和58中的磁材料发生合金化或扩散。
除了通常不包含种子和模板层之外，可以按照某种程度上类似于基电极54的方式形成顶部电极68，其中扩散屏蔽层位于上面和/或下面。在某些制造处理中，可以相对容易地安排处理，使得在沉积顶部电极68之前全部完成高温步骤。在这样的实例中，顶部电极68和磁层66之间的上部扩散屏蔽层67可以是可选的。在某些相对普通的温度下会出现受到某种限制的合金化，并且可能期望引入扩散屏蔽层以防止这种有限的合金化。在某些实施例和某些制造处理中，可以在磁性元件50之后制造相关的电子器件或附加的电子器件。在这样的实例中，除了基电极54中的扩散屏蔽层之外，或者取代基电极54中的扩散屏蔽层，可能期望在顶部电极68中形成一或多个扩散屏蔽层。并且，上部扩散屏蔽层67或各个层位于顶部电极68中的金属层和下一个磁材料层(在这个实施例中为层66)之间。
如果包含层60和62，选择层60的厚度以对应于第二AF峰值而不是如前所述的第一峰值。层60的厚度则会处于12至22而不是5至10的范围内，这是典型的一阶结构的情况。具有上述较厚的层60的结构在加热到大于350℃的温度之后仍会继续工作，而具有较薄的层60的一阶结构则会出现故障并且停止在层58和62之间提供全AF耦合。为了使层58和62之间的二阶AF耦合足够地强，为3个层58、60和62的生长提供种子以便在使用FCC材料的情况下具有强(111)取向，或在使用HCP材料的情况下具有(001)取向，并且磁层最好包含Co和Fe。选择可选种子层76和可选模板层78以便为适当薄膜生长提供种子，从而实现期望的取向。对于用于层56的AF栓固材料，例如FeMn的某些选择，TaNx扩散屏蔽层74会为适当取向提供种子，并且不需要种子层76和模板层78。
于是，公开了一种制造方法和装置，其中在形成层的堆叠的步骤期间，一或多个扩散屏蔽层被设置在一个或两个基金属电极和磁材料相邻层之间，以及顶部金属电极和磁材料相邻层之间。扩散屏蔽层防止在后续高温处理期间金属与磁材料相邻层发生扩散或合金化，并且为诸如MTJ单元的磁性元件提供改进的热稳定性。通过将具有适当取向的CoFe合金用于栓固和固定层，工作在二阶AF耦合峰值上的厚间隔层会提供强AF耦合和改进的热稳定性。此外，由于改进了热稳定性，更加标准的半导体工艺可被用于融合MRAM工艺，这简化了总体工艺，降低了成本，并且允许制造较小的MRAM器件。
上述耐热MTJ和热稳定MTJ的组合根本改进了制造工艺，并且允许容易地集成MRAM结构和相关半导体电路。这种容易的集成从根本上降低了加工成本。此外，由于具有耐热MTJ和热稳定MTJ，较早地向半导体(CMOS)处理流程中插入MTJ结构产生更高密度的MTJ结构(即较小的存储器单元大小)，并且降低了每个位的成本。
虽然已经示出和描述了本发明的具体实施例，然而本领域的技术人员会想到其它修改和改进。因此应当理解，本发明不局限于示出的具体形式，我们期望通过所附权利要求书覆盖不偏离本发明的宗旨和范围的所有修改。
权利要求
1.一种制造MTJ单元的方法，包括的步骤有形成材料层的堆叠，其中包含第一金属电极，与第一金属电极电连接的第一磁材料层，隧道材料层，第二磁材料层和与第二磁材料层电连接的第二金属电极；形成材料层的堆叠的步骤包含的步骤有将隧道材料层设置在第一磁材料层上，隧道材料层对第三材料的吸引力大于第一磁材料层对第三材料的吸引力，并且隧道材料层使用第三材料形成隧道隔离材料；将第二磁材料层设置在隧道材料层上，隧道材料层对第三材料的吸引力大于第二磁材料层对第三材料的吸引力；和在将隧道材料层设置在第一层上和将第二磁材料层设置在隧道材料层上的步骤期间，向第一磁材料层和第二磁材料层中的一个引入第三材料；在形成层的堆叠的步骤期间，将第一扩散屏蔽层设置在第一金属电极与第一磁材料层的一个之间，和第二金属电极与第二磁材料层之间；和加热层的堆叠以便将第三材料从第一磁材料层和第二磁材料层中的一个重新分布到隧道材料层。
2.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中设置隧道材料层的步骤包含设置铝层。
3.如权利要求2所述的制造MTJ单元的方法，其中提供第一磁材料层和设置第二磁材料层的步骤均包含使用无镍合金的磁材料。
4.如权利要求2所述的制造MTJ单元的方法，其中引入第三材料的步骤包含引入氧和氮中的一种。
5.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中向第一磁材料层和第二磁材料层中的一个引入第三材料的步骤包含向第一磁材料层和第二磁材料层中的两个引入第三材料。
6.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中还包含向隧道材料层引入第三材料，使得隧道材料层中第三材料不足。
7.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中引入第三材料的步骤包含等离子体氧化、UV光激励氧化、反应溅射、氧原子氧化和自然氧化中的一种。
8.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中加热的步骤包含加热到至少350℃的温度。
9.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中设置扩散屏蔽层的步骤包含在第一金属电极和第一磁材料层之间设置第一扩散屏蔽层，和在第二金属电极和第二磁材料层之间设置第二扩散屏蔽层。
10.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中设置扩散屏蔽层的步骤包含在第一金属电极和第一磁材料层之间设置含有钽的层。
11.如权利要求2所述的制造MTJ单元的方法，其中设置扩散屏蔽层的步骤包含形成其材料类似于隧道隔离材料的扩散屏蔽层，并且形成扩散屏蔽层的厚度比隧道层更薄。
12.如权利要求1所述的制造MTJ单元的方法，其中形成含有第一磁材料层的材料层的堆叠的步骤还包含形成第一CoFe层，在第一CoFe层上设置非磁性间隔层，并且在间隔层上设置第二CoFe层的步骤，以范围为12至22的厚度形成间隔层，使得在没有施加外部磁场时，第一和第二CoFe层被反铁磁性耦合，从而具有在基本相反的方向上的磁矩。
13.一种制造MTJ单元的方法，包括的步骤有提供第一金属电极；在第一金属电极上设置第一扩散屏蔽层；设置与第一金属电极电连接的第一磁材料层，使得第一扩散屏蔽层被设置在第一金属电极和第一磁材料层之间；在第一磁材料层上设置隧道材料层；在隧道材料层上设置第二磁材料层；和在与第二金属电极电连接的第二磁材料层上设置第二扩散屏蔽层，使得第二扩散屏蔽层被设置在第二金属电极和第二磁材料层之间。
14.一种制造MTJ单元的方法，包括的步骤有提供第一磁材料层；将隧道材料层设置在第一层上，隧道材料层吸引第三材料的趋势大于第一磁材料层吸引第三材料的趋势，并且隧道材料层使用第三材料形成隧道隔离材料；将第二磁材料层设置在隧道材料层上，隧道材料层吸引第三材料的趋势大于第二磁材料层吸引第三材料的趋势；在提供第一层的步骤期间，将隧道材料层设置在第一层上，并且将第二磁材料层设置在隧道材料层上，向第一磁材料层和第二磁材料层中的一个引入第三材料；和加热第一磁材料层、隧道材料层和第二磁材料层，以便将第三材料从第一磁材料层和第二磁材料层中的一个重新分布到隧道材料层。
15.一种制造MTJ单元的方法，包括的步骤有形成材料层的堆叠，其中包含第一金属电极，与第一金属电极电连接的第一磁材料层，隧道材料层，第二磁材料层和与第二磁材料层电连接的第二金属电极；和在形成层的堆叠的步骤期间，将扩散屏蔽层设置在第一金属电极与第一磁材料层的一个之间，和第二金属电极与第二磁材料层之间。
16.如权利要求15所述的制造MTJ单元的方法，其中设置第一扩散屏蔽层的步骤包含在第二金属电极和第二磁材料层之间设置含有钽的扩散屏蔽层。
全文摘要
MTJ单元(50)包含介于磁材料层(62、66)之间的隧道材料层(64)，其中隧道材料层对第三材料的吸引力大于磁材料层对第三材料的吸引力。第三材料被引入所述一个或两个层，使得当单元被加热时，第三材料从磁材料层重新分布到隧道层。在重新分配时，隧道层变成隧道隔离材料。并且，第一扩散屏蔽层(67)位于第一金属电极(68)和一个磁材料层(66)之间，并且/或者第二扩散屏蔽层位于第二金属电极和另一个磁材料层之间，从而防止电极中的金属扩散到磁材料层中。
文档编号H01L43/08GK1537336SQ01814496
公开日2004年10月13日 申请日期2001年8月9日 优先权日2000年8月21日
发明者乔恩·斯劳特, 塞德·泰雷尼, 俄杰尼·陈, 马克·杜拉拇, 马克·德赫仁雷, 雷纽·W·戴维, 陈, W 戴维, 乔恩 斯劳特, 德赫仁雷, 杜拉拇, 泰雷尼 申请人:摩托罗拉公司