CN115595541A - 一种可基于溅射功率调整ra值原理的隧穿磁电阻和磁性随机存储器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可基于溅射功率调控RA值原理的隧穿磁电阻的制备方法，涉及隧穿磁电阻领域，内容包括：构建所述隧穿磁电阻底部层级结构，根据RA值需求控制腔室正式片靶材料溅射功率，在完成吸附的腔室中，构建所述底部层级结构之上的非磁性层，在所述非磁性层之上构建顶部层级结构。所述方法通过搭建非磁性层前预先在腔室内部进行离子吸附清洁，优化腔室内部环境中粒子纯净度和真空度，并且通过正式片靶材料溅射功率和隧穿磁电阻的RA值得一一匹配关系，实现对隧穿电阻结构的耐用性和数据读取功能无负向影响的精准调控。
Description
技术领域
本发明涉及磁性电子器件领域，特别是隧穿磁电阻领域。
背景技术
随着新兴存储器研发工艺的不断发展升级，对嵌入式磁性随机存储器 (eMRAM，embedded Magnetic Random Access Memory)成为嵌入式闪存 (eFlash，embedded Flash)的替代也成为了当前研究发展的趋势。eMRAM作为替代eFlash的一个重要指标是要具有很高的数据保持能力，换言之需求 eMRAM自身核心结构磁隧道结(MTJ，Magnetic TunnelJunction)自由层具备较高的能量势垒。但在自旋转移扭矩(STT，Spin Transfer Torque)效率一定的情况下，高的能量势垒会增加自由层的翻转电压，降低eMRAM的写入次数，使其写入次数处于106次水平，低于现阶段需求水平1012次。同时，此替代过程还需攻克MgO(氧化镁)隧道结可靠性问题，影响MgO隧道结可靠性的重要因素是MTJ的电阻面积(RA，Resistance Area)，RA的主要影响因子为MgO 隧穿层的厚度，经实际检证，若单纯通过提高MgO厚度来提高击穿电压来增强MgO隧道结可靠性，在一定厚度下可能会导致MTJ自由层实现翻转之前 MgO已被击穿的现象。
因此，在不改变MgO隧道结厚度，保证eMRAM的写入次数和数据保持能力，且提升MgO可靠性能力的前提下，寻求精准调控RA值得方法显得尤为重要。
发明内容
本发明实施例提供一种新型遂穿磁电阻的制备方法，可以准确且对磁隧道结的耐久性，数据保留能力和数据写入次数无折损的调整其阻值。
为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了一种新型隧穿电阻的制备方法，包括步骤：
S1：构建所述隧穿磁电阻的底部层级结构；
S2：根据RA值需求控制腔室靶材料溅射功率；
S3：在完成溅射的腔室中，构建所述底部层级结构之上的非磁性层；
S4：在所述非磁性层之上构建顶部层级结构。
在一些实施例中，所述隧穿磁电阻包括顶钉扎结构或底钉扎结构。
在一些实施例中，所述方法还包括：在开始腔室靶材料溅射前，可进行粒子吸附和预溅射处理。
在一些实施例中，所述方法中，选用非磁性层相同靶材料对腔室内部进行预溅射处理。
在一些实施例中，所述方法中，通过溅射工艺进行各层的构建。
在一些实施例中，所述方法还包括在进行腔室粒子吸附时，在所述腔室中填充低压惰性气体。
在一些实施例中，所述方法中在构建得到的所述非磁性层厚度相同的情况下，所述溅射功率与所述隧穿磁电阻的RA值具有连续对应关系。
在一些实施例中，所述方法中在构建得到的所述非磁性层厚度相同的情况下，所述溅射功率与所述隧穿磁电阻的MR值具有连续对应关系。
在一些实施例中，所述方法中可采用增加气体排出装置加速氧气逃逸过程。
本申请的第二方面还提供了一种磁性随机存储器的制备方法，采用如上述任一实施例所述的方法制备所述磁性随机存储器中磁隧道结的隧穿磁电阻。
本发明的实施例提供了一种隧穿磁电阻的制备方法，搭建非磁性层前预先在腔室内部进行离子吸附清洁，优化腔室内部环境中粒子纯净度和真空度，并且通过MgO溅射功率和隧穿磁电阻的RA值的一一匹配关系，实现对磁隧道结的耐久性，数据保留能力和数据写入次数无负向影响的精准调控，且方法具备可实施性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为根据本发明一实施方式的隧穿磁电阻结构；
图2为根据本发明一实施方式的顶钉扎结构实施流程图；
图3为根据本发明一实施方式的底钉扎结构实施流程图；
图4为根据本发明一实施方式的溅射功率与RA和MR值对应关系图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
本领域技术人员可以理解，本申请中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
如图1所示，隧穿磁电阻结构主要有底钉扎结构和顶钉扎结构两类，底钉扎结构自底部基底起，由下至上结构分别为基底层、种子层、钉扎层、反铁磁耦合层、固定层、非磁性层、自由层和覆盖层；顶钉扎结构自底部基底起，由下至上结构分为基底层、种子层、自由层、非磁性层、固定层、反铁磁耦合层、钉扎层和覆盖层。在磁性随机存储器(MRAM MagneticRandom Access Memory) 器件中，比较重要的参数是磁电阻率(MR，MagneticResistivity)和电阻面积 (RA)；在实际应用中通常希望MR保持较大值(大于100％)，且RA可精确控制，以满足不同的应用需求。在现有技术中，非磁性层的材料、厚度和工艺直接决定了MTJ中的RA值，在一些已知的结构中，当非磁性层材料是MgO 时，非磁性层的厚度与RA为指数关系，但如背景技术部分所说，在一定厚度范围内改变MgO厚度可能会导致MTJ自由层实现翻转之前MgO已被击穿的现象，并不是一种理想的调控RA值的方式。
在本申请的一个实施例中，为实现精准的RA值调控，在实现腔室MgO溅射过程中，通过控制溅射功率来控制溅射速率，因而实现了溅射过程中氧气逃逸速度的控制，进而达到控制MgO在晶圆(wafer)上形成薄膜的组分比例的目的，使得系统隧穿磁电阻的RA值可对应地被精确调控(即最终RA值呈现出与溅射功率对应关系)，从而在不改变MgO隧穿势垒层厚度和不改变MTJ 尺寸的情况下，可根据需求自由且精准地调控RA值，得到具有理想化性能的 MTJ结构。
在本申请的一个实施例中，提供了一种隧穿电阻的制备方法，包括步骤：
构建所述隧穿磁电阻的底部层级结构；
根据RA值需求控制腔室靶材料溅射功率；
在完成吸附的腔室中，构建所述底部层级结构之上的非磁性层；
在所述非磁性层之上构建顶部层级结构。
其中，根据隧穿磁电阻的类型不同，底部层级结构和顶部层级结构有一定区别，典型结构可参见图1中底钉扎结构和顶钉扎结构的示例。本申请实施例的技术方案主要是通过在构建非磁性层之前，按照RA值与MgO溅射功率的对应关系，精确控制MgO的溅射功率，从而制备得到RA值可精确控制的隧穿磁电阻。
在本申请的一个优选实施例中，MgO溅射功率和RA值对应关系如图4所示。从图中可以看出，随着MgO溅射功率增加，RA值和MR值单调增加，直至饱和；具体地，MgO溅射功率和RA值有明确的连续对应关系，当溅射功率处于100W～400W之间时，RA值在101～104Ωμm2量级之间变化，当溅射功率＞400W时(截取数据400W～500W)，RA值水平仍处于103～104Ωμm2量级，且上升程度较之前平缓，RA值变化程度趋于饱和。从图4中还可以看出，采用本申请实施例的制备方法，当溅射功率处于100W～300W之间时，MR值呈显著上升状态，水平处于101～104Ωμm2量级，当溅射功率＞300W时(截取数据 300～500W)，MR水平处于103～104Ωμm2量级，变化程度平缓，MR值趋于饱和状态。因而本申请实施例的技术方案可以在维持非磁性层厚度不变的情况下获得可量化的MR值和按需制备的RA值，保证了MTJ的稳定性。
优选地，如图2所示，在本申请的一个实施例中，以顶钉扎结构为例，所述隧穿电阻的制备方法具体包括如下步骤：
S201，在基底上依次构建所述隧穿电阻的种子层和自由层。
其中，种子层和自由层的生长搭建常用现阶段较为成熟的溅射工艺制备完成，溅射工艺是一种以一定能量的粒子(粒子或中性原子、分子)轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺，溅射工艺只可在一定的真空状态下进行，此处种子层和自由层生长构建优选溅射工艺，但并非局限于此方案，其它模式同样可适用。种子层和自由层的材料在现有技术中已有较多的研究，比如种子层常用钽Ta，自由层则一般是磁性复合材料，本申请实施例对各层采用的具体材料不做限定。
可选的，种子层和自由层溅射工艺包括但不局限二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
S202，清理腔室。
本步骤主要是将正式片靶材料移出腔室：正式片靶材料通常为待构建非磁性层来料单质，清理腔室的目的是保证腔室粒子吸附过程中，避免吸附材料溅射过程中溅射粒子污染正式片靶材料，从而确保非磁性层薄膜的溅射质量可被有效控制。
可选的，正式片靶材料由MgO构成。
可选的，搭建生长非磁性层前可不投入正式靶片材料，待腔室粒子吸附完成后再投入正式靶片材料。
S203，针对腔室进行Ta(钽)吸附处理。
在本申请的实施例中，腔体粒子吸附采用工艺为磁控溅射工艺，磁控溅射是物理气相沉积的一种，一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。此处腔室粒子吸附优选磁控溅射工艺中的溅射镀膜工艺，溅射镀膜工艺是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面(此处轰击靶材料选用Ta但不局限于Ta，轰击后粒子粘附性可足够吸附环境粒子均可)，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。通常利用低压惰性气体辉光放电来产生入射离子。由于被溅射原子是与具有数十电子伏特能量的正离子交换功能后飞溅出来的，因而溅射出来的原子能量高，有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度，使制出的薄膜与基片具有强的附着力。
可选的，在Ta吸附前，将腔室分层隔板打通，使腔室联通，保证吸附清洁效果于腔室内部完全传递。
可选的，在Ta吸附过程中，可选择的吸附手段包括但不局限二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
可选的，在Ta吸附过程中，可选择填充内环境气体为低压惰性气体。
可选的，在Ta吸附完成后，为剔除吸附过程中多余溅射的Ta粒子，防止溅射非磁性层过程中非磁性靶材料受Ta粒子混入影响，可在移入正式片靶材前，对腔室内部进行预溅射，预溅射靶材料通常可选用同非磁性层构建材料相同的单质，此处选用MgO，预溅射方式同正式溅射方式保持一致，涵盖但不限于上述提及方式。
S204，将正式片靶材料移入腔室，构建非磁性层。在腔室吸附完成后将正式靶材料移入腔室内部，为非磁性层溅射做准备。
在本申请的实施例中，由于施予MgO不同的溅射功率，其溅射速率也不相同，且溅射功率同溅射速率成正比关系的原因，在施予低MgO溅射功率时， MgO溅射速率偏慢，溅射过程中O(氧原子)聚集为氧气发生逃逸，使溅射正式片上Mg(镁原子)和O(氧原子)组分比例发生变化(区别于常规1：1关系)，致使溅射后MR和RA值发生变化，溅射功率和RA和MR值对应关系如图4所示，依据三者一一对应的关系，可以根据RA值和MR值的匹配关系推算出对应MgO所用的溅射功率，并实际匹配至制程设备中。溅射手段优先选取同粒子吸附过程所用相同磁控溅射手段。
S205，继续溅射其它膜层。在非磁性膜层溅射生长完成后，根据具体的层级结构需求，继续向上进行溅射生长。其中，图2的优选实施例以顶钉扎结构为例进行说明，完成非磁性层的制备后，依次再制备固定层、反铁磁耦合层、钉扎层和覆盖层。
可选的，溅射方式依据实际情况选取，选涵盖但不限于二级溅射、三级溅射或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
可选的，正式片MgO溅射过程中可增设气体吸去装置，辅助加快氧气逃逸速度，缩短溅射时间。
在本申请另一个优选实施例中，为了进一步保证腔室内部分子洁净度，尤其是防止腔室粒子吸附过程中存在Ta粒子残留，本发明实施方式中的腔室粒子吸附过程还包括吸附后预溅射的过程。
图3的优选实施例以底钉扎结构为例，所述隧穿电阻的制备方法中，首先在基底上制备非磁性层之下的底部层级结构，包括种子层、钉扎层、反铁磁耦合层和固定层；随后将正式片靶材料移出腔室，通过Ta吸附清理腔室。该优选实施例中，在完成Ta粒子吸附后，更换正式非磁性层靶片之前，还对腔室内部进行预溅射处理，选用同非磁性层相同靶材料，此处以MgO为例(不局限于 MgO)，先移入假片进行预溅射操作，通过预溅射MgO靶材，一定程度上去除 Ta吸附，清洁靶材表面。随后移入正式片通入预设定功率继续顶部层级结构各膜层(自由层和覆盖层)的溅射，整体膜堆溅射完成后，再进行退火操作，之后加工成器件并测试。
本发明实施例提供了一种隧穿磁电阻的制备方法，在非磁性层溅射作业前，腔室内部进行Ta溅射吸附预处理作业，腔室环境内部粒子吸附于溅射后Ta粒子表面排出，此过程可使腔室内部多余粒子混合程度降低，达到清洁腔室，下降真空度的效果，进而提升薄膜溅射质量。再将正式非磁性层靶材料换入进行溅射作业，作业过程可针对所需RA值大小进行调整溅射功率，改变氧气逃逸速度，至使溅射结果Mg和O组分发生变化，从而导致RA值发生变化。因预处理和正式溅射过程未造成非磁性层厚度的改变，作业方法未引入新的蚀刻工艺来更改磁隧道结的尺寸，所述方法实施难度简易，具备可实施性，且所用正式片溅射功率和隧穿磁电阻的RA值具备一一对应关系，进而实现了通过控制溅射功率进而实现隧穿磁电阻的RA值得精准调控，保证了调节过程对隧穿电阻结构的耐用性和数据读取功能得无负向影响。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于溅射功率调控RA值原理的隧穿磁电阻的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
构建所述隧穿磁电阻的底部层级结构；
根据RA值需求控制腔室靶材料溅射功率；
在完成溅射的腔室中，构建所述底部层级结构之上的非磁性层；
在所述非磁性层之上构建顶部层级结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隧穿磁电阻包括底钉扎结构或顶钉扎结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在正式片靶材料溅射前进行粒子吸附和预溅射清洁处理。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：选用与非磁性层相同靶材料对腔室内部进行预溅射处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，通过增设气体排出装置加快溅射过程氧气逃逸速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，通过溅射工艺进行各层的构建。
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：在进行腔室粒子吸附时，在所述腔室中填充低压惰性气体。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，在构建得到的所述非磁性层厚度相同的情况下，所述正式片溅射功率与所述隧穿磁电阻的RA值具有连续对应关系。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中，在构建得到的所述非磁性层厚度相同的情况下，所述正式片溅射功率与所述隧穿磁电阻的MR值具有连续对应关系。
10.一种磁性随机存储器的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的方法制备所述磁性随机存储器中磁隧道结的隧穿磁电阻。
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