CN112864315A - Mtj器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MTJ器件的制作方法，所述方法包括：在衬底上沉积参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜；在所述自由层薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积第一金属氧化物薄膜；在所述第一金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第一金属薄膜；对所述第一金属薄膜进行氧化处理，以形成第二金属氧化物薄膜。本发明能够在自由层薄膜和第一金属氧化物薄膜之间形成均匀氧化的界面结构，使得自由层的矫顽力比较均匀。

Description

MTJ器件的制作方法
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种MTJ器件的制作方法。
背景技术
自旋转移力矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory，简称STT-MRAM)是一种新型非易失存储器，其核心存储单元为磁性隧道结(MTJ器件)。典型的MTJ器件主要由参考层、绝缘势垒层和自由层组成，其中参考层的磁化方向保持不变，仅改变自由层的磁化方向使之与参考层同向或反向。当参考层与自由层的磁化方向相同时，MTJ器件表现为低电阻状态(Rp)；而当参考层与自由层磁化方向相反时，MTJ器件表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ器件的Rp状态和Rap状态来表示逻辑状态“1”和“0”，从而实现数据的存储。
MRAM的存储单元普遍采用垂直磁化MTJ(p-MTJ)，p-MTJ的自由层和参考层磁化方向均垂直于薄膜表面。随着p-MTJ尺寸的缩小，为保证p-MTJ器件中数据能够长时间保存，需要在自由层顶部增加一层氧化物覆盖层(如MgO)，来增强自由层与势垒层和氧化物覆盖层之间界面的垂直磁各向异性(PMA)，从而增强自由层的热稳定性。
目前制作MTJ器件的氧化物覆盖层，普遍选用金属氧化的方式，在自由层上先沉积一层金属，然后通入O2使得金属氧化，形成氧化物覆盖层。这种方法存在的问题是，很难保证金属均匀氧化，特别是在金属层与自由层的界面处的氧化程度难以保证均匀性，在刻蚀成器件后，导致自由层的矫顽力(Hc)分布较大，影响器件良率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种MTJ器件的制作方法，能够提高MTJ器件自由层矫顽力的均一性，从而提高器件良率。
本发明提供一种MTJ器件的制作方法，包括：
在衬底上沉积参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜；
在所述自由层薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积第一金属氧化物薄膜；
在所述第一金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第一金属薄膜；
对所述第一金属薄膜进行氧化处理，以形成第二金属氧化物薄膜。
可选地，所述射频磁控溅射工艺的条件为：沉积功率为200～400W，压力为5～10mTorr，Ar流量为20～50sccm，沉积速率为0.005～0.01A/s。
可选地，所述直流磁控溅射工艺的条件为：沉积功率为200～600W，压力为6～20mTorr，Ar流量为25～40sccm，沉积速率为0.008～0.02A/s。
可选地，所述对所述第一金属薄膜进行氧化处理，包括：通入氧气(O2)使所述第一金属薄膜发生氧化，或者，利用等离子体产生的氧原子使所述第一金属薄膜发生氧化。
可选地，所述第一金属氧化物薄膜的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的一种，厚度为0.1～0.5nm。
可选地，用于形成所述第二金属氧化物薄膜的所述第一金属薄膜的材料包括Mg、Al、Ti、Ta、Ga和Fe中的一种，厚度为0.3～1nm。
可选地，所述方法还包括：
在所述第二金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第二金属薄膜，或者，在所述第二金属氧化物薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积第三金属氧化物薄膜并在所述第三金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第二金属薄膜。
可选地，所述第二金属薄膜的材料包括Mg、Al、Ti、Ta、Ga和Fe中的一种。
可选地，所述第二金属薄膜的厚度为0.1～0.5nm。
本发明提供的一种MTJ器件的制作方法，先采用射频磁控溅射工艺在自由层薄膜上沉积一层金属氧化物薄膜，由于射频磁控溅射沉积的金属氧化物薄膜可以很好地控制金属和氧原子的比例以及氧原子的均匀性，使得自由层与氧化物覆盖层之间形成氧化均匀的界面结构，较好地控制界面处的氧原子含量，形成均匀分布的杂化键，在刻蚀成器件后，有利于提高器件矫顽力(Hc)的均一性，从而提高器件良率。同时，在射频磁控溅射沉积的金属氧化物的基础上利用直流磁控溅射沉积一层金属，然后再氧化，改用该方法可降低器件RA，同时在较大范围内调节自由层的垂直磁各向异性(Hk)。
附图说明
图1为本发明一实施例的MTJ器件的制作方法的流程示意图；
图2A-图2E为本发明一实施例的MTJ器件的制作方法的各步骤器件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供一种MTJ器件的制作方法，如图1所示，所述方法包括：
S101、在衬底上沉积参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜；
S102、在所述自由层薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积第一金属氧化物薄膜；
S103、在所述第一金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第一金属薄膜；
S104、对所述第一金属薄膜进行氧化处理，以形成第二金属氧化物薄膜。
如图2A所示，在衬底(未图示)上依次沉积参考层薄膜201、势垒层薄膜202和自由层薄膜203，可以使用物理气相沉积或者化学气相沉积。
本实施例中，可以选择任何满足MTJ器件参考层性能要求的材料作为参考层薄膜201的材料。例如可以选择Co、Ni、Fe、CoFe、CoNi、NiFe、CoFeNi、CoB、FeB、CoFeB、NiFeB、Pt、Pd、PtPd、FePt、Ir、Re、Rh、B、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W与Hf中的一种或多种。参考层薄膜201通常是多层膜结构，需要调节各层薄膜的种类和厚度使其磁化方向垂直于其界面，且每层膜结构的厚度均在0.1～1.5nm之间。
本实施例中，可以选择任何满足MTJ器件绝缘势垒层性能要求的材料作为绝缘势垒层202的材料。例如可以选择MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx与FeOx中的一种或几种。实际制备过程中这些氧化物的氧含量是有波动的，所以用x表示一个分子里氧原子与其他原子的个数比。绝缘势垒层202的厚度在0.2～2nm之间。这样可以实现较低的MTJ结电阻(RA)，同时保证高的TMR值。
本实施例中，可以选择任何满足MTJ器件自由层性能要求的材料作为自由层203的材料。例如可以选择Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB、CoFeNiB、FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoFePt、CoFePd、FePtPd、CoPtPd与CoFePtPd中的一种或几种。
如图2B所示，在自由层薄膜203上采用射频磁控溅射工艺沉积第一金属氧化物薄膜204。为了保证较好的沉积效果，本申请的一个实施例中，射频磁控溅射工艺沉积功率为200～400W，压力为5～10mTorr，Ar流量为20～50sccm，沉积速率为0.005～0.01A/s，采用较小的功率和较慢的沉积速率更有利于控制界面的结构。第一金属氧化物薄膜204用于增强自由层203界面处的垂直磁各向异性，可以选择的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的一种。第一金属氧化物薄膜204的厚度在0.1～0.5nm之间。由于射频磁控溅射沉积的金属氧化物结构缺陷比较少，会导致器件RA偏高，因此，需要控制射频磁控溅射沉积金属氧化物的厚度。
如图2C所示，在第一金属氧化物薄膜204上采用直流磁控溅射工艺沉积第一金属薄膜2051，直流磁控溅射工艺沉积功率为200～600W，压力为6～20mTorr，Ar流量为25～40sccm，沉积速率为0.008～0.02A/s。第一金属薄膜2051的材料包括Mg、Al、Ti、Ta、Ga和Fe中的一种。第一金属薄膜2051的厚度在0.3～1nm之间。接着，对第一金属薄膜2051进行氧化处理，氧化处理后的结构如图2D所示。本申请的一个实施例中，在沉积腔室中通入氧气(O2)的方法使第一金属薄膜2051发生氧化，形成第二金属氧化物薄膜2052，通过控制氧气通入量和时间控制第二金属氧化物薄膜的氧化程度；本申请的另一个实施例中，利用等离子体产生的氧原子使第一金属薄膜2051发生氧化，形成第二金属氧化物薄膜2052。具体地，在沉积腔室中通入氩气(Ar)和氧气(O2)，利用射频电源使其解离成氧原子，或者在别的腔室中将氧气解离形成氧原子，然后通入沉积腔室内。
最终，第二金属氧化物薄膜2052和第一金属氧化物薄膜204一起构成自由层上方的氧化物覆盖层。
在射频磁控溅射沉积的金属氧化物的基础上利用直流磁控溅射沉积一层金属，然后再氧化，改用该方法可降低MTJ器件的RA，同时在较大范围内调节自由层的垂直磁各向异性(Hk)。
列举一个实际工艺中常用的例子进行举例说明，在自由层薄膜沉积完成后，先利用射频磁控溅射沉积一层MgO(记为RF MgO)，使界面形成均匀的Fe-O杂化键，然后再利用直流磁控溅射沉积Mg，通入适量O2使其氧化，形成MgO(记为DC MgO)。通过在DC MgO和自由层之间插入一层RF MgO，使得自由层薄膜与MgO之间形成良好的界面结构，较好地控制界面处的氧原子含量，形成均匀的Fe-O键，在刻蚀成器件后，有利于提高自由层Hc的均一性，从而提高器件良率。
应用本发明实施例的技术方案，提供了一种MTJ器件的制作方法，先采用射频磁控溅射工艺在自由层薄膜上沉积一层金属氧化物薄膜，由于射频磁控溅射沉积的金属氧化物薄膜可以很好地控制金属和氧原子的比例以及氧原子的均匀性，使得自由层与氧化物覆盖层之间形成氧化均匀的界面结构，较好地控制界面处的氧原子含量，形成均匀分布的杂化键，在刻蚀成器件后，有利于提高器件矫顽力(Hc)的均一性，从而提高器件良率。然后再采用直流磁控溅射工艺和氧化工艺在第一金属氧化物薄膜上形成第二金属氧化物薄膜，可以通过控制氧气通入量和时间控制第二金属氧化物薄膜的氧化程度，从而调节MTJ的RA(RA为MTJ器件的电阻面积乘积，用于反映MTJ器件中势垒层厚度的参数)。
可选地，本申请的另一个实施例中，如图2E所示，在第二金属氧化物薄膜2052上采用直流磁控溅射工艺沉积第二金属薄膜206，第二金属薄膜206的材料包括Mg、Al、Ti、Ta、Ga和Fe中的一种，第二金属薄膜206的厚度为0.1～0.5nm。通过沉积第二金属薄膜206，能够避免位于氧化物覆盖层以上的其他金属层发生氧化。
另外说明的是，在第二金属氧化物薄膜2052上采用直流磁控溅射工艺沉积第二金属薄膜206之前，还可以在第二金属氧化物薄膜2052上再利用射频磁控溅射沉积第三层金属氧化物薄膜，然后在第三层金属氧化物薄膜上沉积一层第二金属薄膜。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种MTJ器件的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上沉积参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜；
在所述自由层薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积第一金属氧化物薄膜；
在所述第一金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第一金属薄膜；
对所述第一金属薄膜进行氧化处理，以形成第二金属氧化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频磁控溅射工艺的条件为：沉积功率为200～400W，压力为5～10mTorr，Ar流量为20～50sccm，沉积速率为0.005～0.01A/s。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流磁控溅射工艺的条件为：沉积功率为200～600W，压力为6～20mTorr，Ar流量为25～40sccm，沉积速率为0.008～0.02A/s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一金属薄膜进行氧化处理，包括：通入氧气(O2)使所述第一金属薄膜发生氧化，或者，利用等离子体产生的氧原子使所述第一金属薄膜发生氧化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属氧化物薄膜的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的一种，厚度为0.1～0.5nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于形成所述第二金属氧化物薄膜的所述第一金属薄膜的材料包括Mg、Al、Ti、Ta、Ga和Fe中的一种，厚度为0.3～1nm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第二金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第二金属薄膜，或者，在所述第二金属氧化物薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积第三金属氧化物薄膜并在所述第三金属氧化物薄膜上采用直流磁控溅射工艺沉积第二金属薄膜。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二金属薄膜的材料包括Mg、Al、Ti、Ta、Ga和Fe中的一种。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二金属薄膜的厚度为0.1～0.5nm。
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