DE10302375A1 - Magnetoresistives Tunneleffektelement, Verfahren zum Herstellen desselben und Magnetspeicher mit einem solchen - Google Patents

Magnetoresistives Tunneleffektelement, Verfahren zum Herstellen desselben und Magnetspeicher mit einem solchen

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DE10302375A1
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Kazuhiro Bessho
Tetsuya Mizuguchi
Tetsuya Yamamoto
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Kazuhiro Ohba
Hiroshi Kano
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Abstract

Es wird ein magnetoresestives Tunneleffektelement mit Mehrschicht-Filmstruktur mit zwei ferromagnetischen Materialschichten (11, 12) und einer Tunnelbarriereschicht (13) hergestellt. Nachdem die eine ferromagnetische Materialschicht abgeschieden wurde, wird eine leitende Schicht auf ihr abgeschieden, die aus einem Metallmaterial als Hauptkomponente und einem Zusatzmaterial aus einem anderen Element besteht. Die Tunnelbarriereschicht wird durch Oxidieren der leitenden Schicht hergestellt, woraufhin die andere ferromagnetische Materialschicht auf ihr abgeschieden wird. DOLLAR A Durch das Zusetzen des Materials aus einem anderen Element als der Hauptkomponente der leitenden Schicht wächst diese leitende Schicht mit kleinen Kristallkörnern, was eine gleichmäßige Oxidation derselben im genannten Oxidationsschritt zur Folge hat, ohne dass es zu einer Oxidation der ferromagnetischen Materialschichten kommt. Dadurch kann ein großes TMR-Verhältnis erzielt werden, und in einem Magnetspeicher kann die Streuung der Widerstandswerte zwischen jeweiligen Elementen verringert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Tunneleffektelement zum Erzeugen des sogenannten Magnetowiderstands(MR)- effekts, bei dem sich ein Widerstand beim Anlegen eines externen Magnetfelds ändert, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Elements sowie einen Magnetspeicher unter Verwendung eines solchen Elements, der Information unter Verwendung einer Änderung der Magnetisierungsrichtung eines ferromagnetischen Materials speichern kann.
  • In den letzten Jahren haben sich Informationskommunikationsgeräte, insbesondere solche mit kleinen Abmessungen, wie tragbare Terminalgeräte (z. B. persönliche, digitale Assistenten) weit verbreitet, und es wurde gefordert, dass Bauteile, wie Speicher und logische Bauteile in diesen Geräten, mit höherem Integrationsgrad arbeiten, also leistungsfähiger werden, bei höheren Geschwindigkeiten arbeiten können und weniger elektrische Energie verbrauchen. Insbesondere erlangen Technologien zunehmende Bedeutung, mit denen nichtflüchtige Speicher mit höherer Dichte und größerem Speichervermögen hergestellt werden können, um Laufwerke für Festplatten und optische Platten durch derartige nichtflüchtige Speicher zu ersetzen, da es ziemlich schwierig ist, derartige Laufwerke wegen ihrer beweglichen Teile (z. B. Kopf-Suchmechanismus und Kopf-Rotationsmechanismus) zu miniaturisieren.
  • Als nichtflüchtige Speicher sind Flashspeicher unter Verwendung von Halbleitern sowie FeRAMs (ferroelektrische Direktzugriffsspeicher) unter Verwendung eines ferro-dielektrischen Materials gut bekannt. Mit Flashspeichern kann Information mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von Mikrosekunden geschrieben werden, d. h., dass sie eine geringe Geschwindigkeit im Vergleich zu DRAMs (dynamischer Direktzugriffsspeicher) und SRAMs (statischer Direktzugriffsspeicher) aufweisen. Ferner wurde darauf hingewiesen, dass FeRAMs nicht allzu oft umgeschrieben werden können.
  • Nun zieht ein als MRAM (magnetischer Direktzugriffsspeicher) bezeichneter Magnetspeicher, wie er von Wang et al., in IEEE Trans. Magn. 33 (1997), 4498 beschrieben wurde, beachtliche Aufmerksamkeit als nichtflüchtiger Speicher auf sich, der diese Mängel überwinden kann. Ein MRAM ist ein nichtflüchtiger Speicher, aus dem Information auf zerstörungsfreie Weise ausgelesen werden kann und auf den wahlfrei zugegriffen werden kann. Außerdem verfügt ein MRAM über die folgenden Eigenschaften.
  • Genauer gesagt, weist ein MRAM eine einfache Struktur auf, so dass er leicht mit hohem Integrationsgrad integriert werden kann. Ferner kann ein MRAM, da Information durch Drehung eines magnetischen Moments aufgezeichnet wird, sehr häufig umgeschrieben werden (z. B. öfter als 1016 Mal). Ferner wird erwartet, dass MRAMs sehr hohe Zugriffsgeschwindigkeiten zeigen, und es wurde bereits geklärt, dass MRAMs mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von Nanosekunden betrieben werden können (z. B. mit einer Geschwindigkeit von unter 5 Nanosekunden). Aus diesen Eigenschaften heraus ist es sehr wahrscheinlich, dass MRAMs die Hauptentwicklung auf dem Gebiet von Speichern erfahren werden.
  • Ein derartiger MRAM verwendet ein magnetoresistives Tunneleffektelement zum Aufzeichnen von Information. Ein magnetoresistives Tunneleffektelement verfügt über eine Dreischichtstruktur mit ferromagnetischem Material/isolierendem Material/ferromagnetischem Material, d. h. über einen ferromagnetischen Tunnelübergang (MTJ (magnetic tunnel junction = magnetischer Tunnelübergang)), wenn es vom Typ mit magnetoresistivem Tunneleffekt (TMR (tunnel magneto resistive = magnetischer Tunneleffekt)) ist. Wenn bei der MTJ-Struktur die Magnetisierungsrichtung eines ferromagnetischen Materials als solche einer festen Schicht und diejenige des anderen ferromagnetischen Materials als diejenige einer freien Schicht verwendet wird, ändert sich der Widerstandswert des Tunnelstroms abhängig von der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht. Genauer gesagt, tritt, wenn unter der Bedingung, dass ein konstanter Strom durch die ferromagnetischen Materialschichten fließt, ein externes Magnetfeld an diese angelegt wird, der MR-Effekt auf einen relativ kleinen Winkel der Magnetisierungen der zwei ferromagnetischen Materialschichten hin auf. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der zwei ferromagnetischen Materialschichten antiparallel sind, wird der Widerstandswert maximal. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der zwei ferromagnetischen Materialschichten parallel zueinander sind, wird der Widerstandswert minimal. Daher kann ein magnetoresistives Tunneleffektelement vom TMR-Typ (nachfolgend als "TMR-Element" bezeichnet), Information in der Form 1 speichern, wenn die Magnetisierung in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist, und es kann die Information 0 speichern, wenn die Magnetisierung in der anderen Richtung ausgerichtet ist. Ferner kann ein magnetoresistives Tunneleffektelement vom TMR-Typ die Zustände dieser Magnetisierungsrichtungen in Form eines Differenzstroms bei konstanter Vorspannung oder in Form einer Differenzspannung bei konstantem Vormagnetisierungsstrom mittels des TMR-Effekts auslesen.
  • Das Änderungsverhältnis des Widerstandswerts im TMR-Element ist durch 2.P1.P2/(1 - P1.P2) gegeben, wobei P1, P2 die Spinpolarisierbarkeit der jeweiligen ferromagnetischen Materialschichten repräsentieren. Die Spinpolarisierbarkeit repräsentiert die Differenz zwischen der Anzahl der Elektronen (eine Einheit sehr kleiner Magnete), die sich im Feststoffmaterial nach oben drehen, und der Anzahl der Elektronen, die sich im Feststoffmaterial nach unten drehen. Die Größe der Spinpolarisierbarkeit ist durch die Zusammensetzung magnetischer Materialien spezifiziert, die hauptsächlich eine ferromagnetische Materialschicht enthalten. Da das Änderungsverhältnis des Widerstandswerts zunimmt, wenn die Spinpolarisierbarkeiten P1, P2 der jeweiligen ferromagnetischen Materialschichten zunehmen, kann, wenn die ferromagnetische Materialschicht aus einem magnetischen Material mit einer Zusammensetzung mit hoher Spinpolarisierbarkeit besteht, das TMR-Verhältnis (Verhältnis zwischen dem Widerstandswert im Zustand mit hohem Widerstand und demjenigen im Zustand mit niedrigem Widerstand) des magnetoresistiven Tunneleffektelements, das diese ferromagnetische Materialschicht enthält, zunehmen. Im Ergebnis können mit einem MRAM hervorragende Informationsleseeigenschaften erzielt werden.
  • Zu diesem Zweck nutzt ein TMR-Element in den meisten Fällen irgendeines von ferromagnetischen Materialien aus der Fe- Gruppe, wie Fe (Eisen), Co (Kobalt) und Ni (Nickel), die magnetische Materialien mit Zusammensetzungen mit hohen Spinpolarisierbarkeiten sind, oder eine Legierung aus mindestens zweien der oben genannten ferromagnetischen Materialien aus der Fe-Gruppe als Material zum Herstellen der ferromagnetischen Materialschicht. Als Isoliermaterialschicht, die zwischen diese ferromagnetischen Materialschichten eingebettet ist, wird im Allgemeinen eine Al2O3 (Aluminiumoxid)- Schicht erhalten, wie sie erhalten wird, wenn eine leitende Dünnschicht aus Al (Aluminium), das ein unmagnetisches, metallisches Material ist, z. B. durch native Oxidation bei Atmosphärendruck für lange Zeit oder durch Plasmaoxidation oder Radikaloxidation, die als Verfahren mit starker Oxidation bekannt sind, oxidiert wird. Da die Isoliermaterialschicht als Tunnelbarriereschicht zum Erzeugen des TMR-Effekts wirkt, sollte nicht nur die Spinpolarisierbarkeit jeder ferromagnetischen Materialschicht erhöht sein, sondern es sollte auch die zwischen diese ferromagnetischen Materialschichten eingefügte Isoliermaterialschicht gleichmäßig und dünn sein, um ein großes TMR-Verhältnis zu erzielen.
  • Um bei einem MRAM hervorragende Leseeigenschaften zu erzielen, ist es sehr effektiv, die TMR-Verhältnisse der den MRAM aufbauenden jeweiligen TMR-Elemente zu erhöhen, und dies ist auch wirksam, um Streuungen der Widerstandswerte zwischen den TMR-Elementen zu unterdrücken. Wenn Streuungen der Widerstandswerte zwischen den TMR-Elementen unterdrückt werden, während die TMR-Verhältnisse erhöht werden, wird es möglich, einen MRAM zu realisieren, der mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann und mit hohem Integrationsgrad integriert werden kann.
  • Jedoch hängen das TMR-Verhältnis und die Streuung des Widerstandswerts bei TMR-Elementen beträchtlich von den Eigenschaften der Isoliermaterialschicht (Tunnelbarriereschicht) im TMR-Element ab. Demgemäß besteht, abhängig von den Eigenschaften der Isoliermaterialschicht, die Möglichkeit, dass es zu unerwünschten Ergebnissen, wie einer Verringerung des TMR-Verhältnisses und einer Zunahme der Streuung des Widerstandswerts, kommt. Insbesondere beim oben genannten TMR- Element gemäß dem Stand der Technik tritt das im Folgenden beschriebene Problem auf, da die zwischen die ferromagnetischen Materialschichten eingebettete Isoliermaterialschicht auf solche Weise erhalten wird, dass eine leitende Al- Schicht durch ein geeignetes Oxidationsverfahren oxidiert wird, wie durch native Oxidation, Plasmaoxidation oder Radikaloxidation, nachdem eine ferromagnetische Materialschicht hergestellt wurde, auf der dann diese leitende Al-Schicht abgeschieden wurde.
  • Die Fig. 1A ist ein Diagramm, das schematisch die Anordnung einer leitenden Al-Schicht 22 zeigt, die auf einer ferromagnetischen Materialschicht 21 abgeschieden wurde. Wie es in der Fig. 1A dargestellt ist, verfügt die leitende Al-Schicht 22 über polykristalline Struktur, und sie besteht aus einer Gruppe von Kristallkörnern 22a und Korngrenzen 22b. Bei der MTJ-Struktur ist die Ebenheit (Homogenität) der Isoliermaterialschicht sehr bedeutsam, da der Widerstandswert auf exponentielle Weise von der Dicke der Isoliermaterialschicht abhängt. Da jedoch die leitende Al-Schicht 22, die als Basis für die Isoliermaterialschicht dient, polykristalline Struktur aufweist und Kristallkörner 22a verschiedener Größen in ihr existieren, besteht die Gefahr, dass keine Isoliermaterialschicht mit zufriedenstellender Ebenheit erzielt wird. Außerdem startet, wenn die leitende Al-Schicht 22 mit polykristalliner Struktur oxidiert wird, die Oxidation entlang den Korngrenzen 22b, wodurch diese selektiv oxidiert werden. Nachdem die Korngrenzen 22b oxidiert wurden, schreitet die Oxidation zum Inneren der Kristallkörner 22a fort, um das Innere zu oxidieren.
  • Die Fig. 1B ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem die leitende Al-Schicht 22 auf der ferromagnetischen Materialschicht 21 durch native Oxidation oxidiert wurde. Wie oben beschrieben, schreitet, wenn die leitende Al-Schicht 22 oxidiert ist, die Oxidation zunächst an den Korngrenzen 22b fort, um diese selektiv zu oxidieren. Dann werden zwar Abschnitte nahe den Korngrenzen 22b oxidiert, wie es in der Fig. 1B (siehe die dortigen schraffierten Abschnitte) dargestellt ist, jedoch können die Kristallkörner 22a in ihrem Inneren nicht ausreichend oxidiert werden, da native Oxidation nur über eine niedrige Aktivierungsenergie verfügt. Es besteht die Gefahr, dass die sich ergebende Isoliermaterialschicht eine Tunnelbarriereschicht mit kleinem Sauerstoffgehalt wird, deren effekte Tunnelbarrierehöhe gering ist. Wenn die Höhe der Tunnelbarriereschicht gering ist, fällt das TMR-Verhältnis schnell bei ansteigender Vorspannung, was zu einer Beeinträchtigung des T/R(Signal/Rauschsignal)-Verhältnisses führt, wie es beim Auslesen von Information aus einem MRAM erzielt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, wenn der Sauerstoffgehalt der Isoliermaterialschicht nicht konstant ist, dass Streuungen der Widerstandswerte zwischen jeweiligen TMR-Elementen zunehmen.
  • Die Fig. 1C ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, gemäß dem die auf der ferromagnetischen Materialschicht 21 abgeschiedene leitende Al-Schicht 22 durch Plasmaoxidation oder Radikaloxidation oxidiert wird. Diese Verfahren sind als starke Oxidationsverfahren bekannt, und selbst dann, wenn die Oxidation von den Korngrenzen 22b ausgeht, um diese zu oxidieren, können die Kristallkörner 22a auch in ihrem Inneren ausreichend oxidiert werden (siehe die schraffierten Abschnitte in der Fig. 1C). Andererseits erreicht die Oxidation, die an den Korngrenzen 22b begonnen hat, während sie auch in das Innere der Kristallkörner 22a fortschreitet, die ferromagnetische Materialschicht 21. Es besteht die Gefahr, dass ein Grenzflächenabschnitt 21a zwischen der leitenden Al-Schicht 22 und der ferromagnetischen Materialschicht 21 ebenfalls oxidiert wird, wie es in der Fig. 1C dargestellt ist. Wenn der Grenzflächenabschnitt 21a zwischen der leitenden Al-Schicht 22 und der ferromagnetischen Materialschicht 21 oxidiert wird, nimmt die Spinpolarisierbarkeit in der ferromagnetischen Materialschicht ab, was zu einer Verringerung des TMR-Verhältnisses führt. Hinsichtlich dieses Punkts wird zwar davon ausgegangen, dass die Zeit und die Intensität der Oxidation verringert werden können, um zu verhindern, dass die ferromagnetische Materialschicht 21 oxidiert wird, jedoch tritt in diesem Fall, ähnlich wie im Fall nativer Oxidation, ein Problem dahingehend auf, dass die Kristallkörner 22a in ihrem Inneren nicht ausreichend oxidiert werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetoresistives Tunneleffektelement, ein Verfahren zu dessen Herstellung und einen Magnetspeicher mit einem solchen zu schaffen, bei denen Streuungen von Widerstandswerten zwischen jeweiligen Elementen unterdrückt werden können, während ein großes TMR-Verhältnis erzielbar ist.
  • Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Tunneleffektelements durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1, hinsichtlich des Herstellverfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 4 und hinsichtlich des Magnetspeichers durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 7 gelöst.
  • Da bei der Erfindung die leitende Schicht dadurch hergestellt wird, dass ein Material mit einem anderen Element zum Metallmaterial hinzugefügt wird, kann das Material aus dem anderen Element das Wachstum von Kristallkörnern unterdrücken, und die Größen von Kristallkörnern in der leitenden Schicht können im Vergleich zum Fall verringert werden, in dem das Metallmaterial kein zugesetztes Material eines anderen Elements enthält. Da die Größe der Kristallkörner in der leitenden Schicht verringert werden kann, kann deren Ebenheit verbessert werden. Ferner wird eine leicht oxidierbare leitende Schicht erzeugt, da das Verhältnis, gemäß dem die Kristallkörner die leitende Schicht belegen, zunimmt, wenn ihre Größe abnimmt. D. h., dass die Kristallkörner durch ein Oxidationsverfahren mit kleiner Aktivierungsenergie bis in ihr Inneres hinein ausreichend oxidiert werden können. Ferner wird es selbst bei starker Oxidation möglich, diese auch im Inneren der Kristallkörner in der leitenden Schicht zu beenden, bevor die ferromagnetische Materialschicht oxidiert wird, was durch Optimieren der Zeit und der Intensität der Oxidation und dergleichen erfolgt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher beschrieben.
  • Fig. 1A bis 1C sind schematische Diagramme zum Skizzieren eines Beispiels eines Prozesses, bei dem eine Tunnelbarriereschicht gemäß dem Stand der Technik in einem TMR-Element hergestellt wird, wobei speziell Folgendes gilt:
  • Fig. 1A ist ein Diagramm, das schematisch die Anordnung einer auf einer ferromagnetischen Materialschicht abgeschiedenen leitenden Schicht zeigt;
  • Fig. 1B ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem die leitende Schicht durch native Oxidation oxidiert wurde; und
  • Fig. 1C ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, bei dem die leitende Schicht durch Plasmaoxidation oder Radikaloxidation oxidiert wurde;
  • Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die ein Beispiel des Grundaufbaus eines MRAM (magnetischer Direktzugriffsspeicher) zeigt;
  • Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für den Aufbau eines Abschnitts eines einzelnen TMR-Elements zeigt, das den MRAM aufbaut;
  • Fig. 4 ist eine geschnittene Seitenansicht, die ein spezielles Beispiel eines Laminataufbaus eines TMR-Elements mit MTJ-Struktur zeigt;
  • Fig. 5A bis 5C sind schematische Diagramme zum Skizzieren eines Beispiels eines Prozesses, gemäß dem eine Barriereschicht auf einem TMR-Element gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wird, wobei Folgendes gilt:
  • Fig. 5A ist ein Diagramm, das eine leitende Schicht zeigt, die mikrokristallisiert wurde;
  • Fig. 5B ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, gemäß dem die in der Fig. 5A dargestellte leitende Schicht oxidiert wurde; und
  • Fig. 5C ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, gemäß dem eine ferromagnetische Materialschicht auf eine durch Oxidation erhaltene Barriereschicht auflaminiert wurde; und
  • Fig. 6 ist ein Charakteristikdiagramm, auf das beim Erläutern von Eigenschaften eines TMR-Elements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen wird und das spezielle Beispiele von TMR-Kurven zeigt, die Änderungsverhältnisse von Widerstandswerten abhängig von Magnetfeldern repräsentieren.
  • Nun werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein magnetoresistives Tunneleffektelement, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Magnetspeicher mit diesem gemäß der Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird ein magnetoresistives Tunneleffektelement hinsichtlich eines TMR-Elements und eines Magnetspeichers unter Bezugnahme auf einen MRAM mit einem TMR-Element beispielhaft beschrieben.
  • Zunächst wird der Grobaufbau eines gesamten Magnetspeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
  • Die Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für den grundsätzlichen Aufbau eines MRAM zeigt. Wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, verfügt der MRAM über mehrere TMR-Elemente 1, die in der Art einer XY-Matrix (d. h. auf zweidimensionale Weise) angeordnet sind. Wortleitungen 2 und Bitleitungen 3, die einander schneiden, sind so vorhanden, dass sie Gruppen von TMR-Elementen 1 entsprechend Zeilen und Spalten, in denen sich diese TMR-Elemente 1 befinden, schneiden. Die TMR-Elemente 1 sind so angeordnet, dass sie in diesen Schnittgebieten liegen, wobei sie durch die Wortleitungen 2 und die Bitleitungen 3 oben und unten eingebettet sind. Die Wortleitungen 2 und die Bitleitungen 3 werden durch ein gut bekanntes Verfahren hergestellt, gemäß dem sie dadurch erhalten werden, dass leitende Substanzen, wie Al, Cu (Kupfer) oder Legierungen hiervon, selektiv geätzt werden, nachdem sie chemisch oder physikalisch abgeschieden wurden.
  • Die Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für den Aufbau des Querschnitts eines einzelnen Abschnitts eines den MRAM aufbauenden TMR-Elements zeigt. Wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, ist in jedem Abschnitt eines TMR- Elements ein Feldeffekttransistor (FET) mit einer Gateelektrode 5, einem Sourcebereich 6 und einem Drainbereich 7 auf einem Halbleitersubstrat 4 angeordnet. Die Wortleitung 2, das TMR-Element 1 und die Bitleitung 3 sind in dieser Reihenfolge über dem FET angeordnet. Wie es aus der Fig. 3 erkennbar ist, ist das TMR-Element 1 am Punkt, an dem die Bitleitung 2 und die Wortleitung 3 einander schneiden, so angeordnet, dass es durch diese oben und unten eingebettet wird. Das TMR-Element 1 ist über eine Nebenleitung 8 mit dem FET verbunden.
  • Bei diesem Aufbau erzeugt der MRAM beim Zuführen eines Stroms zu den Wortleitungen 2 und den Bitleitungen 3 im TMR- Element 1 ein Magnetfeld mittels eines zusammengesetzten Stroms, und Information kann dadurch in das TMR-Element 1 eingeschrieben werden, dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht im TMR-Element 1, das am Schnittpunkt der Wortleitung 2 und der Bitleitung 3 liegt, aufgrund der Asteroidcharakteristik selektiv geändert wird. Wenn der MRAM Information aus dem TMR-Element 1 ausliest, kann dies auf solche Weise erfolgen, dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht im TMR-Element 1 als Spannungssignal erhalten wird, nachdem das TMR-Element 1 durch den FET ausgewählt wurde.
  • Nun wird der Aufbau des TMR-Elements 1 zur Verwendung bei einem derartigen MRAM beschrieben. Das TMR-Element 1 verfügt über einen Filmaufbau mit MTJ-Struktur. Die Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für den grundsätzlichen Aufbau der MTJ-Struktur zeigt. Wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, ist die MTJ-Struktur eine Dreischichtstruktur mit einem ferromagnetischen Material/isolierenden Material/ferromagnetischen Material, wobei die Magnetisierungsrichtung einer ferromagnetischen Materialschicht als solche einer festen Schicht (oder festen Bezugsschicht) 11 verwendet wird und diejenige der anderen ferromagnetischen Materialschicht als solche einer freien Schicht 12 verwendet wird. Information wird dadurch in das TMR-Element 1 eingeschrieben (in ihm aufgezeichnet), dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 12 durch Anlegen des Magnetfelds geändert wird, das durch den synthetisierten Strom aus dem den Wortleitungen 2 und dem den Bitleitungen 3 zugeführten Strom erzeugt wird, wobei durch den MR-Tunneleffekt dafür gesorgt wird, dass die Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht 12 und das Spannungssignal einander entsprechen.
  • Diese feste Schicht 11 und die freie Schicht 12 sind beide Schichten aus einem ferromagnetischen Material mit einer Zusammensetzung mit hoher Spinpolarisierbarkeit. Ferner sind die feste Schicht 11 und die freie Schicht 12 Schichten, die aus Elementen ferromagnetischer Materialien bestehen, wie Materialien aus der Fe-Gruppe wie Fe, Co, Ni oder aus einer Legierung entsprechend einer Kombination von mindestens zweien dieser Elemente. Jedoch besteht für diese ferromagnetischen Materialschichten 11, 12 keine Beschränkung auf Einzelschichten, sondern es können Laminatschichtstrukturen mit magnetischen oder auch unmagnetischen Schichten sein, solange die Grenzfläche zwischen diesen ferromagnetischen Materialschichten 11, 12 und der zwischen ihnen eingebetteten Isoliermaterialschicht aus einem ferromagnetischen Material besteht. Genauer gesagt, kann das TMR-Element 1 über eine sogenannte Spinventilstruktur verfügen, bei der die Magnetisierungsrichtung der einen ferromagnetischen Materialschicht (z. B. der festen Schicht 11) dadurch fixiert wird, dass eine ferromagnetische Materialschicht (feste Schicht 11) einer antiferromagnetischen Materialschicht zugeordnet wird.
  • Die zwischen der festen Schicht 11 und der freien Schicht 12 eingebettete Isoliermaterialschicht kann als Tunnelbarriereschicht 13 wirken. Diese Tunnelbarriereschicht 13 wird auf solche Weise erhalten, dass eine leitende Dünnschicht mit einer Filmschicht von z. B. 1 nm durch ein geeignetes Oxidationsverfahren, wie native Oxidation, Plasmaoxidation oder Radikaloxidation, oxidiert wird, nachdem sie dadurch erhalten wurde, dass ein Material mit einem anderen Element als einem Metallmaterial zum Metallmaterial hinzugesetzt wurde, das als Hauptkomponente derselben dient.
  • Al (Aluminium) kann als Beispiel eines Metallmaterials angegeben werden, das als Hauptkomponente dient. B (Bor) kann als Beispiel eines Materials eines anderen Elements angegeben werden, das zum Al hinzuzusetzen ist. Jedoch besteht für dieses Material aus einem anderen Element keine Beschränkung auf B, sondern es kann sich um andere Elemente handeln, solange sie Effekte erzielen können, wie sie später beschrieben werden, die solchen im Fall von B ähnlich sind. Zum Beispiel kann ein Material aus einem anderen Element ein beliebiges der folgenden Materialien oder eine Kombination mindestens zweier derselben sein: Li (Lithium), Mg (Magnesium), Si (Silicium), K (Kalium), Ca (Calcium), Sc (Scandium), Be (Beryllium), Ti (Titan), Sr (Strontium), C (Kohlenstoff), P (Phosphor) und S (Schwefel).
  • Hinsichtlich der Zusatzmenge des Materials aus dem anderen Element sollte der Gehalt desselben in der leitenden Dünnschicht vorzugsweise weniger als 1 Atomprozent ausmachen. Der Grund hierfür besteht darin, dass abhängig von der Art des anderen Elements, wenn dessen Zusatzmenge zunimmt, Kristallkörner einer Metallverbindung erzeugt werden, so dass es schwierig wird, die Wirkungen zu erzielen, wie sie später beschrieben werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Oxidation durch Metallverbindungen gestört wird, wie sie erzeugt werden, wenn die Zusatzmenge des Materials aus dem anderen Element zunimmt.
  • Ferner verfügt das TMR-Element 1 über andere Schichten, wie eine Grundschicht 14 und eine Schutzschicht 15 zusätzlich zur festen Schicht 11, zur freien Schicht 12 und zur Tunnelbarriereschicht 13. Diese Schichten können eine mehrschichtige Filmstruktur bilden. Andere Schichten sind geeigneterweise im Wesentlichen solchen ähnlich, wie sie im Stand der Technik verwendet werden, so dass sie hier nicht zu beschreiben sind.
  • Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des TMR-Elements 1 mit dem oben genannten Aufbau beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird der Prozess hauptsächlich zum Herstellen der Tunnelbarriereschicht 13 beschrieben, wobei auf den Fall der Herstellung eines TMR-Elements Bezug genommen wird, das vom sogenannten Bottom-Typ ist, bei dem die feste Schicht 11 unter der freien Schicht 12 liegt. Die Fig. 5A bis 5C sind schematische Diagramme zum Skizzieren eines Beispiels eines Prozesses zum Herstellen der Tunnelbarriereschicht 13.
  • Wenn das TMR-Element 1 hergestellt wird, werden als Erstes ein Ta(Tantal)-Film, ein PtMn(Platinmangan)-Film, ein CoFe- (Kobalteisen)-Film auf ein Si(Silicium)-Substrat auflaminiert, dessen Oberfläche durch ein Magnetsputtersystem thermisch oxidiert wurde, wobei der Druck bis auf Ultrahochvakuum abgesenkt wurde. Der Ta-Film wirkt als Grundschicht 14, der PtMn-Film wirkt als antiferromagnetische Materialschicht zum Fixieren der Magnetisierung, und der CoFe-Film wirkt als feste Schicht 11, deren Magnetisierung durch den PtMn-Film fixiert wird.
  • Nachdem diese Filme auf das Si-Substrat auflaminiert wurden, wird eine 1 nm dicke leitende Dünnschicht aus einer Al-Metallschicht, die B als Zusatzstoff enthält, unter Verwendung eines Al-Metalltargets, das 0,5 Atomprozent B enthält, das ein Material aus einem anderen Element ist, durch ein Gleichstrom(DC)-Sputtersystem auf dem CoFe-Film abgeschieden. Da dem als Hauptkomponente dienenden Aluminium eine sehr kleine Menge an Bor zugesetzt ist, wobei es sich um das Material aus dem anderen Element handelt, wird die auf dem CoFe-Film abgeschiedene leitende Dünnschicht mikrokristallisiert.
  • Die Fig. 5A ist ein schematisches Diagramm, das die leitende Dünnschicht zeigt, die mikrokristallisiert wurde. Da die auf der festen Schicht 11 aus PtMn abgeschiedene leitende Dünnschicht 16 Bor als Zusatzelement mit sehr kleiner Menge enthält, besteht die Tendenz, dass die Größe der Kristallkörner 16a der leitenden Dünnschicht 16 im Vergleich zum Fall verringert ist, in dem sie kein Zusatzelement enthält. Der Grund dafür besteht darin, dass dann, wenn die leitende Dünnschicht 16 auf der festen Schicht 11 abgeschieden wird, das Zusatzelement B das Wachstum der Kristallkörner 16a stört und als Kristallkeim zum Erzeugen von Kristallkörnern 16a wirkt. Genauer gesagt, verfügt die leitende Dünnschicht 16 mit einer sehr kleinen Zusatzmenge des Elements B über viele Kristallkeime zum Erzeugen von Kristallkörnern 16a im Vergleich zum Fall, dass sie kein Zusatzelement enthält, so dass die mittlere Korngröße der Kristallkörner 16a verringert ist. Da die Kristallkörner 16a klein werden, kann die Ebenheit der leitenden Dünnschicht 16 verbessert werden.
  • Außerdem werden, wenn die leitende Dünnschicht 16 auf der festen Schicht 11 abgeschieden wird, da ein Metalltarget verwendet wird, das vorab eine sehr kleine Menge des Zusatzelements B enthält, innerhalb des Metalltargets ähnliche Wirkungen und Effekte erzielt. D. h., dass die Kristallkörner im Vergleich zu einem Metalltarget klein sind, das kein Zusatzelement enthält, wodurch die leitende Dünnschicht 16mikrokristallisiert werden kann. Demgemäß können Targetkluster, wie sie gemeinsam mit Targetatomen gesputtert werden können, wenn die leitende Dünnschicht 16 auf der festen Schicht 11 abgeschieden wird, sehr klein sein, so dass die Ebenheit der leitenden Dünnschicht 16 verbessert werden kann.
  • Nachdem die leitende Dünnschicht 16 auf dem CoFe-Film abgeschieden wurde, wird die sich ergebende leitende Dünnschicht 16 durch Plasmaoxidation in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff oxidiert. Demgemäß kann, wie es in der Fig. 5B dargestellt ist, eine Tunnelbarriereschicht 13, die gleichmäßig aus Al-Oxid besteht, auf der festen Schicht 11 ausgebildet werden. Dabei ist bei dieser leitenden Dünnschicht 16, da die Korngröße der Kristallkörner 16a klein ist, wie oben beschrieben, das Verhältnis, gemäß dem die Korngrenzen 16b die leitende Dünnschicht 16 belegen, groß im Vergleich zum Verhältnis, gemäß dem die Kristallkörner 16a die leitende Dünnschicht 16 belegen. Daher kann die leitende Dünnschicht 16 leicht oxidiert werden, so dass die Kristallkörner 16a ausreichend bis in ihr Inneres oxidiert werden können. Außerdem wird es, da die leitende Dünnschicht 16 leicht oxidiert wird, selbst dann, wenn ein starkes Oxidationsverfahren wie Plasmaoxidation verwendet wird, durch Optimieren der Intensität und der Zeit der Oxidation möglich, die Oxidation im Inneren der Kristallkörner 16a zu beenden, bevor auf die feste Schicht 11 ein Oxidationseinfluss ausgeübt wird, durch den diese oxidiert werden könnte.
  • Diese Beziehung ist nicht auf den Fall beschränkt, bei dem die leitende Dünnschicht 16 durch Plasmaoxidation oxidiert wird, sondern sie gilt auch für den Fall, dass Oxidation durch Radikaloxidation erfolgt. Da die leitende Dünnschicht 16 leicht oxidiert, muss keine starke Oxidation wie Plasmaoxidation oder Radikaloxidation verwendet werden, sondern es kann native Oxidation in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und Oxidation bei Atmosphärendruck, wobei es sich um von Natur aus schwache Oxidationen handelt, erfolgen, und dabei können die Kristallkörner 16a ausreichend bis in ihr Inneres oxidiert werden. D. h., dass die leitende Dünnschicht 16 durch Plasmaoxidation, Radikaloxidation, native Oxidation oder Oxidation bei Atmosphärendruck oxidiert werden kann.
  • Nachdem die Tunnelbarriereschicht durch Oxidation der leitenden Dünnschicht 16 auf der festen Schicht 11 ausgebildet wurde, werden, wie es in der Fig. 5C dargestellt ist, durch ein Magnetronsputtersystem ein CoFe-Film und ein Ta-Film in dieser Reihenfolge auf die Tunnelbarriereschicht auflaminiert. Der CoFe-Film wirkt als freie Schicht 12, und der Ta- Film wirkt als Schutzschicht 15. Am Ende erfolgt eine Wärmebehandlung für ordnungsgemäße Legierungsbildung im PtMn- Film, der bereits abgeschieden wurde, in einem Magnetfeld bei einer Temperatur von 280°C für eine Stunde.
  • Als Nächstes werden Eigenschaften des durch den obigen Prozess hergestellten TMR-Elements 1 unter Bezugnahme auf die Fig. 6 beschrieben. Die Fig. 6 ist ein Charakteristikdiagramm, auf das zum Erläutern von Eigenschaften eines erfindungsgemäßen TMR-Elements Bezug genommen wird, und es zeigt spezielle Beispiele von TMR-Kurven, die Verhältnisse repräsentieren, gemäß denen sich Widerstandswerte abhängig von Magnetfeldern ändern. Die in der Fig. 6 dargestellten Beispiele zeigen eine TMR-Kurve (durchgezogene Kurve in der Fig. 6), die von einem gemäß dem oben genannten Prozess hergestellten TMR-Element 1 erhalten wurde, wobei eine Vorspannung von 0,1 V bei Raumtemperatur angelegt wurde, sowie eine TMR-Kurve (gestrichelte Kurve in der Fig. 6), die von einem als Vergleichsbeispiel dienenden bekannten TMR-Element erhalten wurde. Obwohl sowohl das TMR-Element 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als auch das TMR-Element gemäß dem Vergleichsbeispiel ähnliche Filmanordnungen aufweisen, unterscheiden sie sich dadurch, dass die Tunnelbarriereschicht 13 bei der Ausführungsform ein Material aus einem anderen Element enthält, was beim Vergleichsbeispiel nicht der Fall ist.
  • Eine Untersuchung des in der Fig. 6 dargestellten Beispiels zeigt, dass das TMR-Verhältnis beim bekannten TMR-Element, bei dem die Tunnelbarriereschicht 13 aus einer Al-Metallschicht ohne anderes Element besteht, ungefähr 35% betrug, dagegen das TMR-Verhältnis beim TMR-Element 1 gemäß der Ausführungsform näherungsweise 43% erreichte. Darüber hinaus ist erkennbar, nachdem Streuungen von Tunnelwiderständen innerhalb eines Wafers mit einem Durchmesser von 100 mm gemessen und ausgewertet wurden, dass zwar beim bekannten TMR- Element die Streuung des Tunnelwiderstands näherungsweise 12% betrug, jedoch dieser Wert beim TMR-Element 1 gemäß der Ausführungsform bis auf ungefähr 6,4% verringert war. Der Grund dafür ist vermutlich der folgende.
  • Im Allgemeinen besteht eine aus einer Al-Metallschicht hergestellte leitende Dünnschicht aus Kristallkörnern und Korngrenzen wie bereits angegeben. Wenn diese leitende Dünnschicht oxidiert wird, startet die Oxidation an den Korngrenzen. Wenn die Oxidation die Grenzfläche zwischen der leitenden Dünnschicht und der festen Schicht 11 entlang einer Korngrenze erreicht, kommt es zu einer Oxidation der festen Schicht 11, was zu einer Verringerung des TMR-Verhältnisses führt. Darüber hinaus nimmt die Streuung des Tunnelwiderstands innerhalb desselben Wafers zu, wenn die internen Strukturen der Kristallkörner und der Korngrenzen sowie der Oxidationsgrad der festen Schicht 11 für jeweilige Elemente innerhalb desselben Wafers verschieden sind. Dagegen können bei einer leitenden Dünnschicht 16 aus einer Al- Metallschicht mit z. B. dem Element B als Element anderer Art die Intensität und die Zeit der Oxidation, gemäß denen das Innere der Kristallkörner 16a ausreichend oxidiert werden kann, verringert werden, da die Größe der Kristallkörner 16a kleiner als die bei einer leitenden Dünnschicht ohne zugesetztes Element einer anderen Art ist. Aus diesem Grund kann die Oxidation der leitenden Dünnschicht beendet werden, bevor sie entlang den Korngrenzen 16b die feste Schicht 11 erreicht und diese oxidiert wird. Im Ergebnis kann beim erfindungsgemäßen TMR-Element eine Abnahme des TMR-Verhältnisses verhindert werden, abweichend vom Fall eines bekannten TMR-Elements.
  • Als Gründe dafür, dass die Streuung des Tunnelwiderstands innerhalb desselben Wafers verringert ist, können die folgenden angenommen werden:
    • 1. Es kann eine Oxidation der festen Schicht 11 verhindert werden;
    • 2. da die Kristallkörner 16a klein sind, ist die Ebenheit der leitenden Dünnschicht 16 verbessert; und
    • 3. da die Kristallkörner 16a klein sind, ist die Streuung zwischen den Elementen in den internen Strukturen der Kristallkörner 16a und der Korngrenzen 16b klein.
  • Wie oben beschrieben, können bei einem TMR-Element, das durch einen Herstellprozess erhalten wird, wie er bei dieser Ausführungsform dargelegt wurde, d. h. bei einem TMR-Element 1 mit einem bei dieser Ausführungsform dargelegten Aufbau, da die Tunnelbarriereschicht 13, die zwischen die feste Schicht 11 und die freie Schicht 12 eingebettet ist, dadurch hergestellt wird, dass die leitende Dünnschicht 16 oxidiert wird, die dadurch hergestellt wurde, dass ein Material aus einem anderen Element zu einem Metallmaterial zugesetzt wurde, Kristallkörner, die die leitende Dünnschicht 16 aufbauen, klein im Vergleich zum Fall werden, bei dem dem Metallmaterial kein Material aus einem anderen Element zugesetzt wird, und es kann die Ebenheit der leitenden Dünnschicht 16 verbessert werden und sie kann leicht oxidiert werden. Demgemäß kann, wenn die Tunnelbarriereschicht 13 hergestellt wird, verhindert werden, dass die leitende Dünnschicht 16 unzureichend oxidiert wird, und es kann verhindert werden, dass die feste Schicht 11 und dergleichen oxidiert werden, mit dem Ergebnis, dass eine Abnahme des TMR-Verhältnisses für das TMR-Element 1 verhindert werden kann. Ferner wird es möglich, eine Streuung des Tunnelwiderstands zu unterdrücken, da die leitende Dünnschicht 16 über hervorragende Ebenheit verfügt und gleichmäßig oxidiert wird.
  • Wenn ein MRAM über ein TMR-Element 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verfügt, können hervorragende Leseeigenschaften erzielt werden, da die Streuung des Widerstandswerts zwischen verschiedenen Elementen auf einen kleinen Wert unterdrückt werden kann, während ein großes TMR-Verhältnis erzielt wird. So wird es möglich, einen MRAM zu realisieren, der mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden kann und mit hohem Integrationsgrad integriert werden kann.
  • Während bei dieser Ausführungsform beispielhaft ein TMR-Element 1 vom Bottom-Typ beschrieben wurde, bei dem die feste Schicht 11 unter der freien Schicht 12 liegt, besteht für die Erfindung keine Beschränkung hierauf. Die Erfindung kann beispielsweise auf genau dieselbe Weise wie bei der vorliegenden Ausführungsform bei einem TMR-Element 1 vom sogenannten Top-Typ angewandt werden, bei dem die freie Schicht 12 unter der festen Schicht 11 liegt.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die als Basis für die Tunnelbarriereschicht 13 dienende leitende Dünnschicht durch DC-Sputtern auf der festen Schicht 11 abgeschieden wird, besteht für die Erfindung keine Beschränkung hierauf. Die leitende Dünnschicht 16 kann durch andere Verfahren als Sputtern abgeschieden werden, z. B. durch ein Dampfabscheidungsverfahren wie ein Aufdampfverfahren im Vakuum. Wenn die leitende Dünnschicht 16 unter Verwendung verschiedener Arten von Dampfabscheidungsverfahren abgeschieden wird, ist es möglich, das Wachstum von Kristallkörnern 16a in ihr dadurch zu unterdrücken, dass die Bedingungen geeignet eingestellt werden, gemäß denen sie abgeschieden wird. Demgemäß ist es beim Abscheiden der leitenden Dünnschicht 16 bevorzugt, dass solche Filmabscheidungsbedingungen verwendet werden, mit denen ein Wachstum der Kristallkörner 16a unterdrückt werden kann. Demgemäß kann durch geeignete Filmabscheidungsbedingungen gemeinsam mit den Wirkungen, wie sie durch Hinzufügen eines Materials aus einem anderen Element erzielt werden, das TMR- Verhältnis zuverlässig erhöht werden, und es kann eine Streuung der Widerstandswerte verschiedener Elemente zuverlässig verringert werden.
  • Wie oben dargelegt, kann beim magnetoresistiven Tunneleffektelement, beim Herstellverfahren für dieses und beim Magnetspeicher mit ihm gemäß der Erfindung, da die zwischen die zwei ferromagnetischen Materialschichten eingebettete Tunnelbarriereschicht dadurch hergestellt wird, dass eine leitende Schicht oxidiert wird, die ein Material aus einem zugesetzten anderen Element enthält, die leitende Schicht ausreichend oxidiert werden, während eine Oxidation der ferromagnetischen Materialschicht verhindert werden kann. Daher ist es möglich, eine Verringerung des TMR-Verhältnisses durch unzureichende Oxidation der leitenden Schicht und Oxidation der ferromagnetischen Materialschicht zu verhindern. Ferner kann die Ebenheit der leitenden Schicht verbessert werden. Weiterhin ist es möglich, da die leitende Schicht gleichmäßig oxidiert wird, eine Streuung des Tunnelwiderstandswerts zu unterdrücken.

Claims (7)

1. Magnetoresistives Tunneleffektelement mit einer mehrschichtigen Filmstruktur mit zwei ferromagnetischen Materialschichten (11, 12) und einer zwischen diesen eingebetteten Tunnelbarriereschicht (13), die durch Oxidieren einer leitenden Metallschicht (16) hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Metallschicht ein Metall als Hauptkomponente und ein anderes Element als das der Hauptkomponente als Zusatzmaterial enthält.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallmaterial Aluminium ist.
3. Element nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einem anderen Element aus einem der folgenden Elemente oder einer Kombination mindestens zweier derselben besteht: Bor, Lithium, Magnesium, Silicium, Kalium, Calcium, Scandium, Beryllium, Titan, Strontium, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel; wobei die Menge desselben in der leitenden Schicht weniger als 1 Atomprozent beträgt.
4. Verfahren zum Herstellen eines magnetoresistiven Tunneleffektelements mit einer Mehrschicht-Filmstruktur mit zwei ferromagnetischen Materialschichten (11, 12) und einer zwischen diesen eingebetteten Tunnelbarriereschicht (13), mit den folgenden Schritten:
Abscheiden einer der ferromagnetischen Materialschichten;
anschließendes Abscheiden einer leitenden Schicht aus einem Metallmaterial als Hauptkomponente und einem Zusatzmaterial aus einem anderen Element auf der einen ferromagnetischen Materialschicht;
Herstellen der Tunnelbarriereschicht (13) durch Oxidieren der leitenden Schicht (16) und
Abscheiden der anderen ferromagnetischen Materialschicht auf der Tunnelbarriereschicht in einem späteren Stadium.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht durch ein Dampfphasenverfahren hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht unter Verwendung von Plasmaoxidation, Radikaloxidation, nativer Oxidation oder Atmosphärendruckoxidation oxidiert wird.
7. Magnetspeicher, der unter Verwendung einer Änderung der Magnetisierungsrichtung einer ferromagnetischen Materialschicht aufzeichnen kann, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein magnetoresistives Tunneleffektelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 enthält.
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