CN108695431B - 一种磁性隧道结的平坦化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁性隧道结的平坦化方法，其中，所述磁性隧道结包括非晶态的铁钴硼层，其特征在于，包括以下步骤：采用离子或等离子束轰击所述非晶态铁钴硼层。采用低功率离子或等离子束轰击，使表面原子获得一定动能但不至于逃离，从而将材料由粗糙凸起移至低谷，最终得到原子级平滑度的MTJ多层膜沉积。

Description

一种磁性隧道结的平坦化方法
技术领域
本发明涉及磁性随机存储器(MRAM,Magnetic Radom Access Memory)制造技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结(MTJ,Magnetic Tunnel Junction)的平坦化方法。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的磁电阻效应的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态相应为低阻态或高阻态。因此，测量磁电阻元件的电阻即可得到存储在其中的信息。
一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM，其在写操作时，采用两条交叉的电流线的交汇处产生的磁场，来改变磁电阻元件中的磁性记忆层的磁化强度方向。为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在垂直式自旋转移力矩磁性随机存储器(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面，为此在同样的条件下，该器件的尺寸可以做得比面内型器件更小。
相关的控制电路产生的写电流流过磁元件的堆叠方向，从而达到记录信息或改变电阻态(以下称为“垂直自旋转移法”)。通过电阻的改变完成存储器件信息记录时，通常采用恒定电压进行写操作。在pSTT-MRAM中，电压主要作用在约10埃米厚的薄氧化物层(即隧道势垒层)上，如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使在正常电压工作下，如果隧道势垒层从原子级来看是粗糙的，则某些点位的势垒也会变的更薄，此时隧道势垒层仍可能被击穿。再者，即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻元件也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有足够的电压或自旋电流。所以在隧道势垒被击穿前也会出现记录不完全的问题。
一般来讲，根据磁参考层和记忆层的相对位置，pSTT-MRAM可以进一步分为底部固定(BOTTOM-PINNED)，即磁固定层和磁参考层在记忆层的下方，和顶部(TOP-PINNED)即磁固定层和磁参考层在记忆层的上方。无论底部固定还是顶部固定，如图1、图2所示的1、2处，MTJ三明治结构中的磁参考层和记忆层都需要生长一层高质量的铁钴硼(CoFeB)材料。
通常情况下，刚生长的MTJ三明治结构中的CoFeB都是非晶态的，并且表面较为粗糙，尽管CoFeB材料通过高温退火可以从非晶态转变为一定程度的体心立方晶态结构，但其表面的粗糙度并不会因此改进，甚至出现劣坏的状况，极大地影响磁性隧道结的磁电阻性能。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种磁性隧道结的平坦化方法，改进铁钴硼表面的平整度和晶体结构，进而改进磁隧道结的磁电阻性能。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种磁性隧道结的平坦化方法，其中，所述磁性隧道结包括非晶态的铁钴硼层，包括以下步骤：采用离子或等离子束轰击所述非晶态铁钴硼层。
进一步地，所述离子或等离子束的电源功率小于等于100瓦特。
进一步地，所述非晶态铁钴硼层的钴元素含量为15～40％，铁元素含量为35～70％，硼元素含量为10-40％。
进一步地，所述离子或等离子采用变化的入射角入射至所述非晶态铁钴硼层表面。
进一步地，所述入射角的可变化范围为0～90°。
进一步地，所述非晶态铁钴硼层为磁性隧道结的磁记忆层和/或磁参考层中的一层或多层。
进一步地，采用电离惰性气体的方法获得所述离子或等离子束。
本发明还提供了一种磁性隧道结的制备方法，包括以下步骤：
形成包括至少一层非晶态铁钴硼的磁参考层；
形成势垒层；
形成包括至少一层非晶态铁钴硼的磁记忆层；
其中，在完成所述含有非晶态铁钴硼层的磁参考层和/或磁记忆层的制备后，采用离子或等离子束对所述非晶态铁钴硼表面进行轰击。
进一步地，所述离子或等离子束的电源功率小于等于100瓦特。
进一步地，所述非晶态铁钴硼层的钴元素含量为15～40％，铁元素含量为35～70％，硼元素含量为10％-40％。
进一步地，所述离子或等离子采用变化的入射角入射至所述非晶态铁钴硼层表面。
进一步地，所述入射角的可变化范围为0～90°。
进一步地，所述非晶态铁钴硼层为磁性隧道结的磁记忆层和/或磁参考层中的一层或多层。
进一步地，采用电离惰性气体的方法获得所述离子或等离子束。
进一步地，在完成磁性隧道结多层膜的生长之后，对所述磁性隧道结多层膜进行退火处理。
本发明还提供了一种利用上述方法制备的磁性随机存储器，其特征在于，包括一层或一层以上的铁钴硼层，所述铁钴硼层经过离子或等离子束轰击。
进一步地，所述离子或等离子束的电源功率小于等于100瓦特。
进一步地，所述非晶态铁钴硼层的钴元素含量为15～40％，铁元素含量为35～70％，硼元素含量为10％-40％。
进一步地，所述离子或等离子采用变化的入射角入射至所述非晶态铁钴硼层表面。
进一步地，所述入射角的可变化范围为0～90°。
进一步地，所述非晶态铁钴硼层为磁性隧道结的磁记忆层和/或磁参考层中的一层或多层。
进一步地，采用电离惰性气体的方法获得所述离子或等离子束。
技术效果
1、采用低功率离子或等离子束轰击，使表面原子获得一定动能但不至于逃离，从而将材料由粗糙凸起移至低谷，最终得到原子级平滑度的MTJ多层膜沉积。
2、低能离子束的入射角度相对于样品表面的角度可变，范围从接近于0度的垂直入射到大入射角(GLAZING ANGLE)轰击，使材料由粗糙凸起移至低谷。
3、对生长完成的STT-MRAM磁性隧道结多层膜进行高温退火，使平坦化的铁钴硼层和其邻近的MgO隧道结彻底晶化，形成体心立方晶体结构，得到最大的磁电阻性能和最佳的磁稳定性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术中底部固定的STT-MRAM多层膜结构示意图；
图2是现有技术中顶部固定的STT-MRAM多层膜结构示意图；
图3-图7是本发明的一个优选实施例中STT-MRAM生长过程中铁钴硼层平台加工工艺示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种了在物理沉积MTJ磁隧道结过程中用低能量等离子轰击磁隧道结中的铁钴硼(CoFeB)表面来改进其平整度和晶体结构的工艺方法，确保获得原子级平滑度的MTJ多层膜沉积。该工艺方法为一种新型的STT-MRAM制造过程中的平坦化方法，该方法适用于含N(N≥1)层铁钴硼(CoFeB)的自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM)，包括面内型(IN-PLANE)和垂直型(PERPENDICULAR)STT-MRAM。
该平坦化方法包括以下步骤：在沉积非晶态CoFeB层后，立即用低能量离子来轰击该非晶态层，为表面原子扩散提供动能，使其从高点移动到低谷，从而达到平坦化的目的。
如图3-7所示，在上述对铁钴硼层表面的平坦化方法中，所用低能离子束的入射角度相对于样品表面的角度可变，范围从接近于0度的垂直入射到大入射角(GLAZING ANGLE)轰击，使材料由粗糙凸起移至低谷。如果使用等离子溅射轰击，所用功率不能过高，最好不超过100瓦特，使表面原子获得一定动能但不至于逃离，从而将材料由粗糙凸起移至低谷。所述离子束和等离子源是用Ar,、Ne、Xe、Kr等惰性原子通过电离而获得。
实施例2
本实施例提供了一种磁性隧道结多层膜的制备方法，适用于底部固定(BUTTOM-PINNED)的磁性隧道结多层膜，该多层膜结构包括：
种子层之上的磁性参考层，磁性参考层具有固定磁化方向的磁各向异性，所述磁性参考层含一铁钴硼层。
磁性参考层之上的隧道势垒层；
隧道势垒层之上的磁记忆层，磁性记忆层具有可变磁化方向的磁各向异性，磁性记忆层含一层或双层铁钴硼层。
上述铁钴硼层的成分为CoxFeyB1-x-y，其中x的范围为15％-40％，y的范围为35％-70％，硼的浓度为10％-40％。
该多层膜的制备方法包括以下步骤：
S1制备包括一层非晶态铁钴硼的磁参考层多层膜；
S2用低能离子或等离子束对非晶态铁钴硼表面进行轰击；
S3完成STT-MRAM中剩余的其他多层膜生长，包括隧道结势垒层和磁记忆层.
本发明还提供了一种对磁性记忆层中的铁钴硼层也进行平坦化处理的工艺方法，其步骤如下：
S1制备包括一层非晶态铁钴硼层的磁参考层多层膜；
S2用低能离子或等离子对非晶态铁钴硼表面进行轰击；
S3继续隧道势垒层和磁性记忆层生长；
S4用低能离子或等离子对磁性记忆层的非晶态铁钴硼表面进行轰击；
S5继续并完成STT-MRAM中剩余的其他多层膜生长。
S6最后对生长完成的STT-MRAM磁性隧道结多层膜进行高温退火，使平坦化的铁钴硼层和其邻近的MgO隧道结彻底晶化，形成体心立方晶体结构，得到最大的磁电阻性能和最佳的磁稳定性。
在本发明的其他较优实施例中，磁性参考层与磁记忆层还可以相互交换位置，将该方法应用于制备顶部固定(TOP-PINNED)的磁性隧道结。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种对磁性记忆层中的铁钴硼层进行平坦化处理的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备包括一层非晶态铁钴硼层的磁参考层多层膜；
S2.用低能离子或等离子对非晶态铁钴硼表面进行轰击；
S3.继续隧道势垒层和磁性记忆层生长；
S4.用低能离子或等离子对磁性记忆层的非晶态铁钴硼表面进行轰击；
S5.继续并完成STT-MRAM中剩余的其他多层膜生长；
S6.最后对生长完成的STT-MRAM磁性隧道结多层膜进行高温退火，使平坦化的铁钴硼层和其邻近的MgO隧道结彻底晶化，形成体心立方晶体结构，得到最大的磁电阻性能和最佳的磁稳定性。
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