DE112017007188T5

DE112017007188T5 - Ferromagnetisches tunnel-junction-element und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE112017007188T5
Application number: DE112017007188.7T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ohmori; Masanori Hosomi; Yutaka Higo; Hiroyuki Uchida; Naoki Hase; Yo Sato
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-12-24
Also published as: WO2018163575A1; CN110352506B; US20200075842A1; US11195989B2; KR20190120222A; CN110352506A; KR102498009B1; JP2018148158A

Abstract

[Problem]: Bereitstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements und eines Verfahrens für die Herstellung desselben, mit dem es möglich ist, eine Zunahme der Elementeinnahmefläche und der Anzahl von Fertigungsschritten zu vermeiden, während auch Variationen der Elementeigenschaften vermieden werden und eine hohe Fertigungsausbringung aufrechterhalten wird.[Lösung]: Es wird ein ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element bereitgestellt, das Folgendes umfasst: eine erste magnetische Schicht; eine erste Isolationsschicht, die auf der ersten magnetischen Schicht bereitgestellt ist; eine zweite magnetische Schicht, die oben auf der ersten Isolationsschicht bereitgestellt ist und ein magnetisches Übergangsmetall enthält; und einen Magnesiumoxidfilm, der so bereitgestellt ist, dass er die Seitenflächen der zweiten magnetischen Schicht bedeckt und das magnetische Übergangsmetall enthält.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element und ein Verfahren zur Herstellung des ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements.
STAND DER TECHNIK
Mit der rapiden Entwicklung verschiedener Arten von Informationsgeräten, die von Servern mit großer Kapazität bis zu mobilen Endgeräten reichen, wird eine höhere Leistung, wie zum Beispiel höhere Integration, höhere Geschwindigkeit und geringerer Energieverbrauch, in den Elementen, die diese Informationsgeräte bilden, wie zum Beispiel Speicher und logische Elemente, erwartet. Insbesondere sind Fortschritte bei nichtflüchtigen Halbleiterspeichern bemerkenswert. Zum Beispiel verbreiten sich Flash-Speicher als Dateispeicher mit großer Kapazität fast so weit wie Festplatten. Währenddessen werden, unter Berücksichtigung zukünftiger Anwendungen für Codespeicherungsverwendung und für Arbeitsspeicher, verschiedene Arten von Halbleiterspeichern, wie zum Beispiel Ferroelectric-Random-Access-Memory (FeRAM), Magnetic-Random-Access-Memory (MRAM) und Phase-Change-Random-Access-Memory (PCRAM) entwickelt, um NOR-Flash-Speicher, Dynamic-Random-Access-Memory (DRAM) und dergleichen, die gegenwärtig für allgemeine Zwecke verwendet werden, zu ersetzen. Es ist zu beachten, dass einige dieser Speicher bereits in praktische Verwendung umgesetzt wurden.
MRAM, der einer der oben erwähnten Speicher ist, speichert Informationen durch Verwenden der Änderung in dem elektrischen Widerstand, die durch Ändern des Magnetisierungszustands des magnetischen Materials eines magnetischen Speicherungselements des MRAM verursacht wird. Dementsprechend kann die gespeicherte Information ausgelesen werden, indem der Widerstandszustand des magnetischen Speicherungselements bestimmt wird, der durch eine Änderung in dem Magnetisierungszustand oder insbesondere der Größe des elektrischen Widerstands des magnetischen Speicherungselements bestimmt wird. Ein solcher MRAM ist für Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet, kann nahezu unbegrenzt (10¹⁵ oder mehr Mal) wiederbeschrieben werden, und ist sehr zuverlässig. Aufgrund dieser Tatsachen werden MRAM bereits in Gebieten, wie zum Beispiel in industrieller Automatisierung und Flugzeugen, verwendet. Zusätzlich dazu wird erwartet, dass MRAM wegen ihres Hochgeschwindigkeitsbetriebs und ihrer hohen Zuverlässigkeit ferner in der Zukunft auch für Codespeicherung und Arbeitsspeicher angewendet werden.
Ferner kann, unter den MRAM, ein MRAM, der die Magnetisierung eines magnetischen Materials durch Verwenden von Spin-Torque-Magnetisierungsumkehr umkehrt, weniger elektrische Energie verbrauchen und eine größere Kapazität haben, während er die oben beschriebenen Vorteile, wie zum Beispiel Hochgeschwindigkeitsbetrieb, aufrechterhält. Daher werden an solche MRAM noch größere Erwartungen gestellt. Es ist zu beachten, dass ein MRAM, der eine solche Spin-Torque-Magnetisierungsumkehr verwendet, als ein Spin-Transfer-Torque-Magnetic-Random-Access-Memory (STT-MRAM) (ein Spin-Injection-MRAM) bezeichnet wird.
Insbesondere beinhaltet ein STT-MRAM als ein magnetisches Speicherungselement ein Magnetic-Tunnel-Junction (MTJ) -Element, das zwei magnetische Schichten und eine zwischen diesen zwei magnetischen Schichten eingefügte Isolationsschicht hat. Es ist zu beachten, dass ein MTJ-Element auch als ein Tunneling-MagnetoResistive (TMR) -Element bezeichnet wird. Zusätzlich ist es in einem Fall, in dem ein MTJ-Element, das eine solche Stapelstruktur hat, einer Feinbearbeitung ausgesetzt wird, schwierig, eine hohe Fertigungsausbringung aufrechtzuerhalten. Insbesondere können durch die Verarbeitung erzeugte Rückstände an dem MTJ-Element haften, um ein elektrisches Kurzschließen zu verursachen, was die Fertigungsausbringung des MTJ-Elements verringern könnte. Um dem entgegenzuwirken, schlagen die unten aufgelisteten Patentdokumente 1 und 2 Verfahren für das Reduzieren einer solchen Abnahme der Ausbringung vor.
Insbesondere wird gemäß dem unten aufgelisteten Patentdokument 1, nachdem ein MTJ-Element gebildet wird, eine Plasmabehandlung an dem MTJ-Element in einer Kohlenstoff und Sauerstoff enthaltenden Gasatmosphäre ausgeführt, um die durch Verarbeitung erzeugten Rückstände zu entfernen. Ferner werden gemäß dem unten aufgelisteten Patentdokument 1, nachdem die obigen Rückstände entfernt sind, die Seitenflächen des MTJ-Elements oxidiert, sodass ein Oxidfilm gebildet wird, der die Seitenflächen des MTJ-Elements bedeckt. Auf diese Weise werden die nicht entfernten Rückstände oxidiert und isoliert. Somit wird ein Kurzschließen verhindert. Währenddessen wird gemäß dem unten aufgelisteten Patentdokument 2 zum Beispiel ein die Seitenflächen eines MTJ-Elements bedeckender Schutzfilm, der eine Zweischichtstruktur hat, gebildet, um Kurzschließen zu verhindern.
ZITATELISTE
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2016-164955
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2015-179694

NICHT-PATENTDOKUMENTE

Nicht-Patentdokument 1: Physical Review b, 54, 9353 (1996)
Nicht-Patentdokument 2: Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1 (1996)

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
In einem Fall, in dem die Seitenflächen eines MTJ-Elements direkt oxidiert werden, wie in Patentdokument 1 offenbart, ist es jedoch wahrscheinlich, dass sich die magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements ändern, und eine solche Änderung der Eigenschaften ist insbesondere in sehr kleinen MTJ-Elementen auffällig. Ferner nimmt in einem Fall, in dem ein die Seitenflächen eines MTJ-Elements bedeckender Schutzfilm, der eine Zweischichtstruktur hat, wie in dem oben aufgelisteten Patentdokument 2 gebildet ist, die Fläche, die das MTJ-Element auf dem Substrat einnimmt, zu, und dementsprechend wird die Speicherungskapazität pro Flächeneinheit kleiner. Zusätzlich dazu erhöht die Bildung des Schutzfilms, der eine Zweischichtstruktur hat, die Anzahl der Schritte in dem Herstellungsprozess erheblich, was zu höheren Produktionskosten führt.
Deshalb schlägt die vorliegende Offenbarung ein neues und verbessertes ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element und ein Verfahren zur Herstellung des ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements vor, das dazu geeignet ist, Änderungen der Eigenschaften des Elements zu vermeiden und eine hohe Fertigungsausbringung aufrechtzuerhalten, während es eine Vergrößerung der durch das Element eingenommenen Fläche und eine Vergrößerung der Anzahl von Fertigungsschritten vermeidet.
LÖSUNGEN FÜR PROBLEME
Die vorliegende Offenbarung soll ein ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element bereitstellen, das Folgendes beinhaltet: eine erste magnetische Schicht; eine erste Isolationsschicht, die auf der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist; eine zweite magnetische Schicht, die ein magnetisches Übergangsmetall enthält, wobei die zweite magnetische Schicht auf der ersten Isolationsschicht angeordnet ist; und einen Magnesiumoxidfilm, der das magnetische Übergangsmetall enthält, wobei der Magnesiumoxidfilm so angeordnet ist, dass er die Seitenflächen der zweiten magnetischen Schicht bedeckt.
Die vorliegende Offenbarung soll auch ein Herstellungsverfahren für ferromagnetische Tunnel-Junction-Elemente bereitstellen, das Folgendes beinhaltet: das aufeinanderfolgende Stapeln einer ersten magnetischen Schicht, einer ersten Isolationsschicht, und einer zweiten magnetischen Schicht, die ein magnetisches Übergangsmetall enthält, auf einem Substrat; das Bilden mehrerer säulenförmiger ferromagnetischer Tunnel-Junction-Elemente durch Ausführen eines Ätzens auf der zweiten magnetischen Schicht; das Bilden eines metallischen Magnesiumfilms auf den Seitenflächen der zweiten magnetischen Schicht, und das Bilden eines Magnesiumoxidfilms, der das magnetische Übergangsmetall enthält, durch Ausführen einer Oxidationsbehandlung, um den metallischen Magnesiumfilm zu oxidieren, wobei der Magnesiumoxidfilm die Seitenflächen der zweiten magnetischen Schicht bedeckt.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, Änderungen der Eigenschaften eines Elements zu vermeiden und eine hohe Fertigungsausbringung aufrechtzuerhalten, während eine Vergrößerung der durch das Element eingenommenen Fläche und eine Vergrößerung der Anzahl von Fertigungsschritten vermieden werden.
Es ist zu beachten, dass die oben beschriebene Wirkung nicht notwendigerweise beschränkend ist, und es ist möglich, irgendeine der in dieser Spezifikation beschriebenen Wirkungen zusammen mit der oben erwähnten Wirkung oder anstelle der oben erwähnten Wirkung zu erreichen, oder es ist möglich, andere von dieser Spezifikation offensichtliche Wirkungen zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine grafische Darstellung (Teil 1), die das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) eines laminierten Films in Bezug auf eine Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) zeigt, wie durch von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten.
2 ist eine grafische Darstellung (Teil 2), die das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) eines laminierten Films in Bezug auf eine Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) zeigt, wie durch von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten.
3 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer Stapelstruktur und eine grafische Darstellung, die die Elementverteilungen von Fe, Mg und Ta entsprechend dem Querschnitt der mikroskopischen Aufnahme zeigt.
4 ist eine Querschnittsdarstellung eines MTJ-Elements 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 1) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 2) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
7 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 3) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine Querschnittsdarstellung in einem Schritt für ein MTJ-Element 10 gemäß Beispiel 1.
9 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen der Umkehrspannung (Vc) in Bezug auf die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) in einem Fall zeigt, in dem MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel 1 für eine Stunde bei 300°C bis 400°C erhitzt wurden.
10 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen der Ausbringung in Bezug auf die Dicke (t_Mg) eines metallischen Magnesiumfilms in jedem der MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 4 und Beispiel 2 zeigt.
11 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen der Eigenschaften eines MTJ-Elements in Bezug auf die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) in dem MTJ-Element gemäß Beispiel 3 zeigt.
12 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 1) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel.
13 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 2) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel.
14 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 3) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel.
15 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 4) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel.
16 ist eine Querschnittsdarstellung (Teil 5) für das Erläutern jedes Schritts in einem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel.
17 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen des Magneto-Resistance-Verhältnisses (MR (%)) eines MTJ-Elements 90 und die Auftretensrate (P_short (%)) von Kurzschließen zu einem Zeitpunkt zeigt, an dem die Ätztiefe (d nm) rund um eine Tunnelsperrschicht 904 geändert wurde, wie durch von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten.
18 ist eine graphische Darstellung, die die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) und das Elementwiderstandsverhältnis (R/R₀) eines MTJ-Elements 90 in Bezug auf die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) nach der Bildung des MTJ-Elements 90 zeigt, wie durch von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten.
19 ist eine grafische Darstellung, die das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) eines magnetischen Films in Bezug auf die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) zeigt, wie durch von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten.

ARTEN FÜR DAS AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Es ist zu beachten, dass in dieser Spezifikation und den Zeichnungen Komponenten mit im Wesentlichen den gleichen Funktionsstrukturen durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und dass eine Erläuterung von ihnen nicht wiederholt wird.
Ferner sind die Zeichnungen, auf die in der Beschreibung unten Bezug genommen werden soll, eine Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und Zeichnungen, um deren Verständnis zu erleichtern. Für einfacheres Verständnis können sich die in den Zeichnungen gezeigten Formen, die Größen, die Verhältnisse und dergleichen von jenen in der Praxis unterscheiden. Darüber hinaus können die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und dergleichen unter Berücksichtigung der Beschreibung unten und bekannter Technologien geeignet entworfen und geändert werden. Außerdem entspricht in der Beschreibung unten die vertikale Richtung der Stapelstruktur der Elemente und dergleichen der relativen Richtung in einem Fall, in dem die Oberfläche des Substrats, auf dem die Elemente bereitgestellt sind, nach oben weist und abhängig von der tatsächlichen Schwerkraftbeschleunigung von der vertikalen Richtung abweichen könnte.
Es ist zu beachten, dass die Erläuterung in der folgenden Reihenfolge erfolgt.

1. Technischer Hintergrund bezogen auf die vorliegende Offenbarung
- 1,1. Übersicht über einen STT-MRAM
- 1,2. Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements
- 1,3. Prooxidative Wirkung von Magnesium
2. Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung
- 2,1. Struktur eines MTJ-Elements
- 2,2. Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements
3. Kurzdarstellung
4. Beispiele
5. Ergänzende Bemerkungen

<< 1. Technischer Hintergrund bezogen auf die vorliegende Offenbarung>>
<Übersicht über einen STT-MRÄM>
Bevor eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird, wird zuerst der technische Hintergrund der vorliegenden Offenbarung erläutert. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen Spin-Injection-MRAM (STT-MRAM).
Wie oben beschrieben, ist ein MRAM, der Informationen gemäß dem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials speichert, für Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet, kann nahezu unbegrenzt (10¹⁵ oder mehr Mal) wiederbeschrieben werden, und ist sehr zuverlässig. Deshalb werden solche MRAM bereits in verschiedenen Gebieten verwendet. Unter solchen MRAM ist es aufgrund des Magnetisierungsumkehrverfahrens schwierig, bei einem MRAM, der die Magnetisierung eines magnetischen Materials bei einem von Verdrahtungsleitungen erzeugten Strommagnetfeld umkehrt, den Energieverbrauch zu verringern und die Kapazität zu erhöhen. Dies liegt daran, dass in einem MRAM, der eine Magnetisierungsumkehr durch Verwenden eines Strommagnetfelds von Verdrahtungsleitungen verwendet, ein Strom erforderlich ist, der gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, um ein Strommagnetfeld mit einer Stärke zu erzeugen, die die Magnetisierung des magnetischen Körpers umkehren kann, und der Energieverbrauch zu einem Zeitpunkt des Schreibens wird wahrscheinlich ansteigen. Ferner sind in einem MRAM, der eine Magnetisierungsumkehr durch Verwenden eines Strommagnetfelds von Verdrahtungsleitungen verwendet, die Verdrahtungsleitungen, die das Strommagnetfeld erzeugen, für die jeweiligen magnetischen Speicherungselemente bereitgestellt, und daher gibt es eine Grenze für die Verkleinerung magnetischer Speicherungselemente.
Angesichts des Obigen wird ein MRAM in Betracht gezogen, der die Magnetisierung eines magnetischen Materials durch ein Verfahren umkehrt, das kein von Verdrahtungsleitungen erzeugtes Strommagnetfeld verwendet. Insbesondere wird ein STT-MRAM in Betracht gezogen, der die Magnetisierung eines magnetischen Materials durch Verwenden von Spin-Torque-Magnetisierungsumkehr umkehrt. Ein STT-MRAM hat die Vorteile eines MRAM, der für Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist und nahezu unbegrenzt wiederbeschrieben werden kann. Darüber hinaus kann ein STT-MRAM den Energieverbrauch senken und eine größere Kapazität haben. Somit werden an solche STT-MRAM hohe Erwartungen gestellt.
Insbesondere beinhaltet ein STT-MRAM als ein magnetisches Speicherungselement ein MTJ-Element, das zwei magnetische Schichten und eine zwischen den zwei magnetischen Schichten eingefügte Isolationsschicht hat. Der STT-MRAM verwendet ein Phänomen, bei dem in dem MTJ-Element spinpolarisierte Elektronen, die eine magnetische Schicht (eine abgesteckte Magnetisierungsschicht) durchqueren, deren Magnetisierungsrichtung in einer bestimmten Richtung abgesteckt ist, der anderen magnetischen Schicht ein Drehmoment (genannt Spin-Injection-Torque) geben, wenn sie in die andere magnetische Schicht (eine freie Magnetisierungsschicht), die eine nicht abgesteckte Magnetisierungsrichtung hat, eindringen. Insbesondere wird ein Strom gleich oder höher als ein Schwellenwert an das MTJ-Element angewendet, um der anderen magnetischen Schicht ein Drehmoment zu geben. Auf diese Weise wird die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht umgekehrt (Magnetisierungsumkehr) und Informationen werden in das MTJ-Element gespeichert. Der Absolutwert des Stroms, der erforderlich ist, um Spin-Torque-Magnetisierungsumkehr wie oben beschrieben zu veranlassen, ist 100 µA oder weniger in einem MTJ-Element mit einer Größe von ca. 50 nm. Ferner nimmt der Stromwert ab, wenn das Volumen des MTJ-Elements abnimmt. Dementsprechend ist es möglich, den Strom durch Verkleinern des MTJ-Elements zu reduzieren. Darüber hinaus hat ein solcher STT-MRAM auch einen Vorteil, dass die Zellenstruktur vereinfacht werden kann, da keinerlei Verdrahtungsleitung für das Erzeugen eines Strommagnetfelds für das Speichern von Informationen in das MTJ-Element erforderlich ist.
<Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements>
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung von MTJ-Element 90 (ein Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel), das die gegenwärtigen Erfinder bisher untersucht haben, unter Bezugnahme auf die 12 bis 16 beschrieben. Die 12 bis 16 sind Querschnittsdarstellungen für das Erläutern der jeweiligen Schritte in dem Verfahren zur Herstellung des MTJ-Elements 90 gemäß dem Vergleichsbeispiel. Diese Querschnittsdarstellungen entsprechen einem Querschnitt in einem Fall, in dem das MTJ-Element 90 entlang der Stapelungsrichtung der Stapelstruktur des MTJ-Elements 90 geschnitten ist. Es ist zu beachten, dass, obwohl das unten beschriebene Herstellungsverfahren als ein Herstellungsverfahren gemäß einem Vergleichsbeispiel erläutert wird, einer oder mehrere der Schritte in dem Herstellungsverfahren mit dem später beschriebenen Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung geteilt werden.
Wie in 12 gezeigt, sind in dem Verfahren zur Herstellung des MTJ-Elements 90 gemäß dem Vergleichsbeispiel erste magnetische Schicht 902, Tunnelsperrschicht (Isolationsschicht) 904, zweite magnetische Schicht 906 und Schutzschicht 908 aufeinanderfolgend auf Substrat 900 gestapelt.
Die erste magnetische Schicht 902 und die zweite magnetische Schicht 906 sind mit einem ferromagnetischen Material gebildet. Das ferromagnetische Material kann ein magnetisches Material sein, das mindestens ein magnetisches Übergangsmetallelement, wie zum Beispiel Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Mangan (Mn) enthält. Alternativ kann das magnetische Material mindestens ein Element enthalten, das zwischen Bor (B) und Kohlenstoff (C) ausgewählt ist. Insbesondere können die erste und zweite magnetische Schicht 902 und 906 aus einem einzelnen Material, wie zum Beispiel FeCoB, FeNiB, FeCoC, CoPt, FePt, CoMnSi oder MnAl gebildet sein, oder können mit einer Kombination einiger dieser Materialien gebildet sein. Ferner ist die Dicke der ersten magnetischen Schicht 902 zum Beispiel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 30 nm, und die Dicke der zweiten magnetischen Schicht 906 ist zum Beispiel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm.
Die Tunnelsperrschicht 904 ist mit einem Isolationsmaterial, wie zum Beispiel Al₂O₃ oder MgO, gebildet, und ein Tunnelstrom fließt, abhängig von den Magnetisierungszuständen der ersten magnetischen Schicht 902 und der zweiten magnetischen Schicht 906, in der Tunnelsperrschicht 904. Es ist zu beachten, dass die Dicke der Tunnelsperrschicht 904 zum Beispiel nicht kleiner als 0,3 nm und nicht größer als 5 nm ist.
Die Schutzschicht 908 ist mit einem Metallmaterial, einem Legierungsmaterial oder dergleichen jeglicher geeigneter Art gebildet. Die Schutzschicht 908 schützt die jeweiligen gestapelten Schichten während der Herstellung des MTJ-Elements 90.
Als nächstes wird, wie in 13 gezeigt, Fotomaske 910, die ein dem MTJ-Element 90 entsprechendes Muster hat, auf der Schutzschicht 908 gebildet.
Ferner wird, wie in 14 gezeigt, wobei die Fotomaske 910 als eine Maske verwendet wird, ein Ätzen auf der Schutzschicht 908, der zweiten magnetischen Schicht 906 und der Tunnelsperrschicht 904 ausgeführt, um das MTJ-Element 90 zu bilden. Das Ätzen kann Ionenstrahlätzen (Ion-Beam-Etching - IBE), reaktives Ionenätzen (Reactive-Ion-Etching - RIE) oder eine Kombination davon sein. Es ist zu beachten, dass in diesem Schritt ein Ätzen auf der Schutzschicht 908, der zweiten magnetischen Schicht 906, der Tunnelsperrschicht 904 und der ersten magnetischen Schicht 902 ausgeführt werden kann.
In einem Fall, in dem das MTJ-Element 90 auf diese Weise gebildet wird, kann zum Beispiel ein säulenförmiges MTJ-Element 90 in einem Zustand wie in 15 oder 16 gezeigt erhalten werden. Insbesondere zeigt 15 einen beispielhaften Fall, in dem ein Ätzen ausgeführt wird, um die Tunnelsperrschicht 904 zu erreichen, und 16 zeigt einen beispielhaften Fall, in dem ein Ätzen ausgeführt wird, um die erste magnetische Schicht 902 zu erreichen.
Wie in 15 gezeigt, bleiben in einem Fall, in dem ein Ätzen ausgeführt wird, um die Tunnelsperrschicht 904 zu erreichen, Ätzrückstände 930, die durch das auf der zweiten magnetischen Schicht 906 ausgeführte Ätzen erzeugt werden, um die zweite magnetische Schicht 906 herum auf der Tunnelsperrschicht 904. Da es schwierig ist, ein Ätzen an der zweiten magnetischen Schicht 906 auszuführen, während die Ätzrückstände 930 vollständig entfernt werden, bleiben die Ätzrückstände 930 um die zweite magnetische Schicht 906 herum, wie in 15 gezeigt. Da die Ätzrückstände 930 von der dem Ätzen ausgesetzten zweiten magnetischen Schicht 906 herrühren, enthalten die Ätzrückstände 930 Komponenten (zum Beispiel Fe, Co, Ni, Mn und dergleichen), die die zweite magnetische Schicht 906 bilden. Deshalb könnten die Ätzrückstände 930, die um die zweite magnetische Schicht 906 herum bleiben, die zweite magnetische Schicht 906 des MTJ-Elements 90 beeinflussen, um die magnetischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Koerzitivkrafteigenschaften und das Magneto-Resistance-Verhältnis, des MTJ-Elements 90 herabzusetzen. Wie in 15 gezeigt, haftet auch wieder haftende Substanz 920, die die durch die bisher ausgeführte Verarbeitung erzeugten Rückstände beinhaltet, wieder an den Seitenflächen des MTJ-Elements 90. Da die wieder haftende Substanz 920 auch von der zweiten magnetischen Schicht 906, der Schutzschicht 908 und dergleichen herrührt, die einem Ätzen ausgesetzt werden, enthält die wieder haftende Substanz 920 die Komponenten, die die zweite magnetische Schicht 906, die Schutzschicht 908 und dergleichen bilden. Deshalb könnte eine solche wieder haftende Substanz 920 auch die magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements 90 herabsetzen.
Ferner könnte, wie in 16 gezeigt, in einem Fall, in dem ein Ätzen ausgeführt wird, um einen tiefen Abschnitt der Tunnelsperrschicht 904 zu erreichen, die wieder haftende Substanz 920 auf den Seitenflächen der Tunnelsperrschicht 904 in die Dickenrichtung abgelagert werden. In einem solchen Fall könnte die wieder haftende Substanz 920 abhängig von den darin enthaltenen Komponenten leitend sein, da die wieder haftende Substanz 920 von der zweiten magnetischen Schicht 906, der Schutzschicht 908 und dergleichen, die wie oben beschrieben einem Ätzen ausgesetzt werden, herrührt. Deshalb kann, in einem Fall, in dem die wieder haftende Substanz 920 auf den Seitenflächen der Tunnelsperrschicht 904 in der Dickenrichtung abgelagert ist, die wieder haftende Substanz 920 die erste magnetische Schicht 902 und die zweite magnetische Schicht 906 elektrisch verbinden, oder Kurzschließen verursachen. Infolgedessen wird die Fertigungsausbringung der MTJ-Elemente 90 geringer.
Wie in 16 gezeigt, ist es in einem Fall, in dem ein Ätzen ausgeführt wird, um die erste magnetische Schicht 902 zu erreichen, auch weniger wahrscheinlich als in dem in 15 veranschaulichten Fall, dass die Ätzrückstände 930 um die zweite magnetische Schicht 906 herum bleiben. Die wieder haftende Substanz 920 haftet jedoch leicht an den Seitenflächen der Tunnelsperrschicht 904 in der Dickenrichtung. Wie oben beschrieben, kann die wieder haftende Substanz 920 abhängig von den darin enthaltenen Komponenten leitend sein. Deshalb verbindet, wie in 16 gezeigt, in einem Fall, in dem die wieder haftende Substanz 920 auf den Seitenflächen der Tunnelsperrschicht 904 in der Dickenrichtung abgelagert ist, die wieder haftende Substanz 920 die erste magnetische Schicht 902 und die zweite magnetische Schicht 906 elektrisch, und verursacht Kurzschließen. Infolgedessen wird die Stehspannung des MTJ-Elements 90 verringert, und die Fertigungsausbringung wird herabgesetzt. Ferner könnte in dem in 16 veranschaulichten Beispiel die wieder haftende Substanz 920, die wieder an den Seitenflächen des MTJ-Elements 90 haftet, die magnetischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Koerzitivkrafteigenschaften und das Magneto-Resistance-Verhältnis, des MTJ-Elements 90 herabsetzen, wie in dem in 15 veranschaulichten Beispiel.
In Anbetracht des Obigen untersuchten die gegenwärtigen Erfinder die Beziehung zwischen der Ätztiefe des oben beschriebenen Ätzens, der Auftretensrate von Kurzschließen in dem MTJ-Element 90 und dem Magneto-Resistance-Verhältnis. Die durch die Untersuchung erhaltenen Ergebnisse sind in 17 gezeigt. 17 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen des Magneto-Resistance-Verhältnisses (MR (%)) des MTJ-Elements 90 und die Auftretensrate (P_short (%)) von Kurzschließen zu einem Zeitpunkt zeigt, an dem die Ätztiefe (d nm) rund um die Tunnelsperrschicht 904 geändert wurde, wie durch von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten. In 17 zeigt die Abszissenachse die Ätztiefe (d nm) an, wobei die positiven Werte die Dicke des dem Ätzen ausgesetzten Abschnitts der Tunnelsperrschicht 904 zeigen, und die negativen Werte die Dicke des dem Ätzen nicht ausgesetzten verbleibenden Abschnitts der Tunnelsperrschicht 904 zeigen. Darüber hinaus, was die Ordinatenachse betrifft, zeigt die Ordinatenachse auf der linken Seite das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR (%)) an, und die Ordinatenachse auf der rechten Seite zeigt die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) an. Es ist zu beachten, dass das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR) durch das Current-in-Plane-Tunneling (CIPT) - Verfahren durch Verwenden einer Sonde mit 12 Anschlüssen gemessen wurde. Währenddessen wurde die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) durch Messen des Leitungszustands zwischen der ersten magnetischen Schicht 902 und der zweiten magnetischen Schicht 906 des MTJ-Elements 90 erkannt.
Gemäß der in 17 gezeigten grafischen Darstellung wurden, da das Ätzen auf der Tunnelsperrschicht 904 wie in 16 gezeigt fortgesetzt wurde, die Ätzrückstände 930 der zweiten magnetischen Schicht 906 geringer, und das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR (%)) wurde höher. Es wurde jedoch einfacher für die wieder haftende Substanz 920, an dem die Tunnelsperrschicht 904 umgebenden Abschnitt zu haften, und die Auftretensrate (P_short (%)) von Kurzschließen in der Tunnelsperrschicht 904 stieg an.
Auch erhöhte sich gemäß der grafischen Darstellung in 17 in einem Fall, in dem die Tunnelsperrschicht 904 wie in 15 gezeigt belassen wird, die Auftretensrate (P_short (%)) von Kurzschließen in der Tunnelsperrschicht 904. Ferner wurde, da es für die Ätzrückstände 930 der zweiten magnetischen Schicht 906 einfacher wurde, zu bleiben, das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR (%)) des MTJ-Elements 90 niedriger.
Mit anderen Worten sollte, wie aus dem Diagramm in 17 gesehen werden kann, in einem Fall, in dem die Auftretensrate (P_short (%)) von Kurzschließen verringert werden soll, während das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR (%)) erhöht wird, die Menge des Ätzens, das an der Tunnelsperrschicht 904 ausgeführt werden soll, mit hoher Präzision gesteuert werden. Wenn sich die Ätzmenge sogar nur geringfügig von der Zielätzmenge unterscheidet, nimmt die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) rapide zu, und das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR (%)) nimmt rapide ab. Mit anderen Worten ist es durch Steuern der Menge des Ätzens, das an der Tunnelsperrschicht 904 ausgeführt werden soll, schwierig, ein Kurzschließen zu vermeiden und die Fertigungsausbringung zu erhöhen, während eine Herabsetzung der magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements 90 verhindert wird.
In Anbetracht des Obigen haben die gegenwärtigen Erfinder verschiedene Maßnahmen berücksichtigt, um den Einfluss der wieder haftenden Substanz 920 und der Ätzrückstände 930 zu verringern. Insbesondere haben die gegenwärtigen Erfinder eine Gegenmaßnahme berücksichtigt, um die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 zu isolieren und Kurzschließen zu reduzieren, indem eine Oxidationsbehandlung oder dergleichen nach der Bildung des MTJ-Elements 90 ausgeführt wird, wie in Patentdokument 1 oben beschrieben.
Die gegenwärtigen Erfinder haben jedoch entdeckt, dass, wenn eine Oxidationsbehandlung ausgeführt wird, nicht nur die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 oxidiert werden, sondern dass auch die magnetischen Schichten 902 und 906 und die Tunnelsperrschicht 904, die das MTJ-Element 90 bilden, durch die Oxidationsbehandlung beeinflusst werden. Nun Bezug nehmend auf 18, wird die von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte obige Untersuchung beschrieben. 18 ist eine graphische Darstellung, die die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) und das Elementwiderstandsverhältnis (R/R₀) des MTJ-Elements 90 in Bezug auf die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) nach der Bildung des MTJ-Elements 90 zeigt, wie durch die von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten. Insbesondere zeigt in 18 die Abszissenachse die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) an, die Ordinatenachse auf der linken Seite zeigt das Elementwiderstandsverhältnis (R/R₀) an, und die Ordinatenachse auf der rechten Seite zeigt die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) an. Es ist zu beachten, dass das Elementwiderstandsverhältnis (R/R₀) als das Verhältnis zu dem Elementwiderstand einer nicht der Oxidationsbehandlung ausgesetzten Probe gezeigt wird. Zusätzlich dazu ist der Durchmesser des MTJ-Elements 90 bezogen auf die hierin gemessene Probe 60 nm. Ferner wurde der Elementwiderstand durch Anwenden eines vorgegebenen Impulsstroms an das MTJ-Element 90 gemessen.
Wie in 18 gezeigt, wurde in einem Fall, in dem das MTJ-Element 90 einfach der Oxidationsbehandlung ausgesetzt wird, die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) niedriger, aber der Elementwiderstand stieg rapide an, bevor die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) ausreichend niedrig wurde. Dementsprechend wurde von der durch die gegenwärtigen Erfinder durchgeführten Untersuchung klar, dass es schwierig ist, solche Bedingungen für die Oxidationsbehandlung zu finden, um die Auftretensrate von Kurzschließen (P_short (%)) zu verringern, ohne die magnetischen Eigenschaften (den Elementwiderstand) des MTJ-Elements 90 zu ändern.
Als nächstes, da die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 von der zweiten magnetischen Schicht 906 des MTJ-Elements 90 herrühren, untersuchten die gegenwärtigen Erfinder die Änderungen der Eigenschaften, die durch die Oxidationsbehandlung verursacht werden, die an dem magnetischen Film ausgeführt wird, der das gleiche Material wie die zweite magnetische Schicht 906 beinhaltet. Insbesondere bildeten die gegenwärtigen Erfinder einen 1,5 nm dicken magnetischen Film aus FeCoB auf einem Siliziumsubstrat, das mit einem thermisch oxidierten Film bereitgestellt wurde, und führten eine Plasmaoxidationsbehandlung an dem magnetischen Film aus. Ferner wurden der elektrische Widerstand und die Sättigungsmagnetisierung des magnetischen Films gemessen. Es ist zu beachten, dass der elektrische Widerstand durch ein Vieranschlussverfahren gemessen wurde, und dass die Sättigungsmagnetisierung mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (Vibrating-Sample-Magnetometer - VSM) gemessen wurde.
Die Ergebnisse der obigen Messungen sind in 19 gezeigt. 19 ist eine grafische Darstellung, die das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) des magnetischen Films in Bezug auf die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) zeigt, wie durch die von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten. Insbesondere zeigt in 19 die Abszissenachse die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) an, die Ordinatenachse auf der linken Seite zeigt das Widerstandsverhältnis (R/R₀) an, und die Ordinatenachse auf der rechten Seite zeigt das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) an. Es ist zu beachten, dass das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) als die Verhältnisse zu dem Widerstand und der Sättigungsmagnetisierung einer nicht der Oxidationsbehandlung ausgesetzten Probe gezeigt sind. Zusätzlich dazu ist der Durchmesser des MTJ-Elements 90 bezogen auf die hierin gemessene Probe 60 nm.
Wie in 19 gezeigt, nahm das Widerstandsverhältnis (R/R₀) mit der Zunahme der Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) allmählich zu, und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) nahm mit der Zunahme der Oxidationsbehandlungszeit auch allmählich ab. Gemäß den gegenwärtigen Erfindern wurde es von dem Obigen klar, dass eine intensive Oxidation ausgeführt werden sollte, um den magnetischen Film zu oxidieren, ohne die Eigenschaften davon zu ändern, und somit den magnetischen Film zu isolieren. Wenn keine den magnetischen Film ausreichend isolierende Oxidation ausgeführt wird, erhalten die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930, die Komponenten haben, die ähnlich denen des magnetischen Films sind, die Leitfähigkeit aufrecht und verursachen Kurzschließen. Ferner beeinflussen die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 die erste und zweite magnetische Schicht 902 und 906 und die Tunnelsperrschicht 904 des MTJ-Elements 90, und könnten die Ursache für eine Herabsetzung der magnetischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Koerzitivkrafteigenschaften und des Magneto-Resistance-Verhältnisses, des MTJ-Elements 90 werden.
In einem Fall, in dem die Oxidationsbehandlung unter einer solchen Bedingung ausgeführt wird, dass die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 ausreichend oxidiert werden können, wird zur gleichen Zeit auch die zweite magnetische Schicht 906 oxidiert, was eine Änderung der Eigenschaften, wie zum Beispiel der Sättigungsmagnetisierung, zur Folge hat. Mit anderen Worten wurde von der durch die gegenwärtigen Erfinder durchgeführten Untersuchung erkennbar, dass es schwierig ist, die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 durch eine Oxidationsbehandlung zu isolieren, ohne die Eigenschaften des MTJ-Elements 90 zu beeinflussen.
Ferner ist es in einem Fall, in dem ein die Seitenflächen des MTJ-Elements 90 bedeckender Schutzfilm, der eine Zweischichtstruktur hat, gebildet wird, möglich, Änderungen in den magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements 90 zu vermeiden, während Kurzschließen vermieden wird, wie in Patentdokument 2 oben beschrieben. In diesem Fall nimmt jedoch die von dem MTJ-Element 90 auf dem Substrat eingenommene Fläche zu, und deshalb wird die Speicherungskapazität pro Flächeneinheit kleiner. Darüber hinaus erhöht die Bildung des Schutzfilms mit einer Zweischichtstruktur die Anzahl an Schritten in dem Herstellungsprozess erheblich, was zu höheren Produktionskosten führt. Deshalb bestimmten die gegenwärtigen Erfinder, dass es viele Probleme mit dem Verfahren des Bildens eines Schutzfilms, der eine Zweischichtstruktur hat, der die Seitenflächen des MTJ-Elements 90 bedeckt, gibt, wie in Patentdokument 2 oben beschrieben.
In Anbetracht solcher Umstände machten die gegenwärtigen Erfinder ferner intensive Studien an einem MTJ-Element, das dazu geeignet ist, Kurzschließen oder dergleichen zu vermeiden und eine hohe Fertigungsausbringung aufrechtzuerhalten, ohne die Eigenschaften des MTJ-Elements 90 zu beeinflussen. Während des Durchführens der Untersuchungen fokussierten sich die gegenwärtigen Erfinder auf die unten beschriebene prooxidative Wirkung von Magnesium, und kamen dazu, eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu entwickeln. In der Beschreibung unten wird das Phänomen beschrieben, auf das sich die gegenwärtigen Erfinder fokussierten.
<Prooxidative Wirkung von Magnesium>
Unter den oben beschriebenen Umständen fokussierten sich die Erfinder auf die Eigenschaften von Magnesium (Mg). Magnesium ist ein Metallelement, das leicht oxidiert wird. Ferner ist es wahrscheinlich, dass Magnesium mit einem magnetischen Übergangsmetall, wie zum Beispiel Fe oder Co, das in der wieder haftenden Substanz 920 und den Ätzrückständen 930 enthalten ist, ein Verbundoxid bildet. Dies ist aus der Tatsache erkennbar, dass die Gibbs-Bildungsenergie von MgFe₂O₄, das ein Verbundoxid aus Fe und Mg ist, -1317 kJ/mol ist, während die Gibbs-Bildungsenergie von MgO, das ein Oxid von Mg ist, -569 kJ/mol ist, und die Gibbs-Bildungsenergie von Fe₂O₃, das ein Oxid von Fe ist, -742 kJ/mol ist.
Deshalb führten die gegenwärtigen Erfinder eine Untersuchung durch, die der Untersuchung ähnlich ist, die durchgeführt wurde, um die in 19 gezeigte grafische Darstellung zu erhalten, wobei sie einen metallischen Magnesiumfilm anstelle eines magnetischen Films aus FeCoB verwendeten. Von der Untersuchung wurde es klar, dass der metallische Magnesiumfilm an der Luft leicht oxidiert wird und sich in einen nichtleitenden isolierenden Film mit einer Dicke von 1,5 nm verwandelt.
Als nächstes untersuchten die gegenwärtigen Erfinder die Änderungen, die in den Eigenschaften einer Stapelstruktur durch eine Oxidationsbehandlung verursacht wurden, die an einem laminierten Film ausgeführt wurde, der durch Stapeln eines magnetischen Films aus FeCoB und eines metallischen Magnesiumfilms erhalten wurde. Insbesondere wurde auf eine ähnliche Weise wie oben beschrieben ein 1,5 nm dicker magnetischer Film aus FeCoB auf einem Siliziumsubstrat gebildet, das mit einem thermisch oxidierten Film bereitgestellt wurde, und ferner wurde ein 1 nm dicker metallischer Magnesiumfilm gebildet. Eine Plasmaoxidationsbehandlung wurde dann an dem laminierten Film ausgeführt. Darüber hinaus wurden der elektrische Widerstand und die Sättigungsmagnetisierung des laminierten Films gemessen.
Die Ergebnisse der obigen Messungen sind in 1 gezeigt. 1 ist eine grafische Darstellung, die das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) des laminierten Films in Bezug auf die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) zeigt, wie durch die von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten. Insbesondere zeigt in 1 die Abszissenachse die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) an, die Ordinatenachse auf der linken Seite zeigt das Widerstandsverhältnis (R/R₀) an, und die Ordinatenachse auf der rechten Seite zeigt das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) an. Es ist zu beachten, dass das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) als die Verhältnisse zu dem Widerstand und der Sättigungsmagnetisierung des obigen laminierten Films vor der Oxidationsbehandlung gezeigt sind.
Ferner sind die Ergebnisse eines Falls, in dem Erhitzen bei 200°C für 10 Minuten vor der oben beschriebenen Oxidationsbehandlung ausgeführt wurde, und dann eine ähnliche Oxidationsbehandlung und Messung ausgeführt wurden, in 2 gezeigt. 2 ist eine grafische Darstellung, die das Widerstandsverhältnis (R/R₀) und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) des laminierten Films in Bezug auf die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) zeigt, wie durch die von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführte Untersuchung erhalten. Es ist zu beachten, dass die Abszissenachse und die Ordinatenachse in 2 ähnlich zu jenen in 1 sind.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, wurde es gemäß den gegenwärtigen Erfindern klar, dass in einem Fall, in dem ein metallischer Magnesiumfilm gebildet wurde, eine Zunahme des Widerstandsverhältnisses (R/R₀) und eine Abnahme des Sättigungsmagnetisierungsverhältnisses (M_s/M_s0) des laminierten Films beobachtet wurden, selbst wenn die Oxidationsbehandlungszeit (T_Ox) verglichen mit dem in 19 gezeigten Fall kurz war. Es wurde gefunden, dass, wenn die Oxidationsbehandlungszeit ferner ausgedehnt wurde, die Änderungen des Widerstandsverhältnisses (R/R₀) und des Sättigungsmagnetisierungsverhältnisses (M_s/M_s0) des laminierten Films abnahmen. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die Oxidation beschleunigt wurde, selbst wenn die Oxidationsbehandlungszeit kurz war, und dass der magnetische Film isoliert wurde, da die Oxidation eines magnetischen Films durch Laminieren eines metallischen Magnesiumfilms beschleunigt wird. Zusätzlich verhinderte, sobald ein Oxidfilm auf der Oberfläche des magnetischen Films gebildet wurde, der gebildete Oxidfilm das Eindringen von Sauerstoff in den magnetischen Film. Somit wurde das Innere des magnetischen Films nicht oxidiert, und Änderungen des Widerstandsverhältnisses (R/R₀) und des Sättigungsmagnetisierungsverhältnisses (M_s/M_s0) des laminierten Films wurden kleiner.
Ferner ist, wie in 2 gezeigt, gemäß den gegenwärtigen Erfindern in einem Fall, in dem der laminierte Film vor der Oxidationsbehandlung auf 200°C erhitzt wird, das Widerstandsverhältnis (R/R₀) des laminierten Films viel höher, und das Sättigungsmagnetisierungsverhältnis (M_s/M_s0) ist viel niedriger als jene in 1 gezeigten. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass der magnetische Film aus FeCoB nach Mg leicht oxidiert wird und die magnetischen Übergangsmetalle des FeCoB-Films durch das Erhitzen vor der Oxidationsbehandlung ausgebreitet und gemischt werden.
Als nächstes wurde, um das oben beschriebene Phänomen zu bestätigen, eine Stapelstruktur ähnlich der oben beschriebenen Stapelstruktur gebildet, und ein Querschnitt der Stapelstruktur wurde mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop beobachtet. Die beobachtete Stapelstruktur wurde durch Bilden eines 5 nm dicken Films aus Tantal (Ta) auf einem Siliziumsubstrat, das mit einem thermisch oxidierten Film ähnlich dem oben beschriebenen bereitgestellt wurde, durch Bilden eines 3,0 nm dicken magnetischen Films aus FeCoB, durch Bilden eines 2 nm dicken metallischen Magnesiumfilms, ferner durch Ausführen einer natürlicher Oxidation, und durch Bilden eines 10 nm dicken magnetischen Films aus FeCoB darauf erhalten. Eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts der Stapelstruktur ist auf der linken Seite in 3 gezeigt, und die dem Querschnitt der elektronenmikroskopischen Aufnahme entsprechende Elementverteilung von Fe, Mg und Ta ist auf der rechten Seite in 3 gezeigt. Es ist zu beachten, dass in der Elementverteilung in 3 die vertikale Richtung in der Zeichnung die Dickenrichtung der Probe ist, und dass die Verteilungsmenge in der Richtung nach rechts in der Zeichnung größer wird.
In der Mikroskopaufnahme auf der linken Seite in 3 ist der weißliche Abschnitt der Bereich, der Magnesium als eine Hauptkomponente enthält, aber die Verteilung von Magnesium zeigt einen Unterschied in der Tendenz zwischen den oberen und unteren Grenzflächen. Insbesondere ist die Verteilung von Magnesium in dem unteren Abschnitt des Bereichs, der Magnesium als eine Hauptkomponente enthält, dezenter als in dem oberen Abschnitt des Bereichs, der Magnesium als eine Hauptkomponente enthält. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die magnetischen Übergangsmetalle des magnetischen Films aus FeCoB und Magnesium in den unteren Abschnitt des Bereichs, der Magnesium als eine Hauptkomponente enthält, diffundieren, und ein Verbundoxid dieser Komponenten gebildet wird.
Mit anderen Worten, aus der durch die gegenwärtigen Erfinder durchgeführten Untersuchung wurde es klar, dass eine Oxidationsbehandlung an einem auf einem magnetischen Film gebildeten metallischen Magnesiumfilm ausgeführt wird, sodass die Oxidation an der Grenzfläche mit dem magnetischen Film, in den Magnesium diffundiert wird, beschleunigt wird, und der magnetische Film in einer kurzen Zeit oxidiert wird. Darüber hinaus wird, sobald ein Oxidfilm gebildet ist, das Eindringen von Sauerstoff in den magnetischen Film durch den gebildeten Oxidfilm verhindert, und es wird schwierig, das Innere des magnetischen Films zu oxidieren. In Anbetracht dessen haben die gegenwärtigen Erfinder eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entwickelt, die dazu geeignet ist, Kurzschließen oder dergleichen zu vermeiden und eine hohe Fertigungsausbringung aufrechtzuerhalten, ohne die Eigenschaften des MTJ-Elements 90 zu beeinflussen, indem eine solche prooxidative Wirkung von Magnesium verwendet wird.
Mit anderen Worten, in der unten beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird, nachdem ein MTJ-Element gebildet ist, ein metallischer Magnesiumfilm auf den Seitenflächen des MTJ-Elements gebildet, und eine Oxidationsbehandlung wird ausgeführt. Bei dieser Anordnung kann sich Magnesium, das leicht oxidiert wird, mit den an den Seitenflächen und dem Randbereich des MTJ-Elements haftenden in der wieder haftenden Substanz 920 und den Ätzrückständen 930 enthaltenen magnetischen Übergangsmetallen mischen, und einen Verbundoxidfilm auf den Seitenflächen des MTJ-Elements bilden. In der unten beschriebenen Ausführungsform wird der Verbundoxidfilm gebildet, sodass die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930, die an den Seitenflächen und dem Randbereich des MTJ-Elements haften, oxidiert und isoliert werden können, und Kurzschließen in dem MTJ-Element reduziert werden kann. Da der Verbundoxidfilm ferner als eine Schutzschicht funktionieren kann, die Sauerstoff daran hindert, in das Innere des MTJ-Elements einzudringen, können Änderungen der magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements aufgrund der Oxidationsbehandlung ebenfalls verringert werden. In der Beschreibung unten wird eine solche Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail erläutert.
<< 2. Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung>>
<Struktur eines MTJ-Elements>
Zuerst wird die Struktur von MTJ-Element 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 4 im Detail beschrieben. 4 ist eine Querschnittsdarstellung des MTJ-Elements 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 4 entspricht einem Querschnitt in einem Fall, in dem das MTJ-Element 10 entlang der Stapelungsrichtung der Stapelstruktur des MTJ-Elements 10 geschnitten ist.
Wie in 4 gezeigt, hat das MTJ-Element (ein ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element) 10 gemäß dieser Ausführungsform Substrat 100, auf dem erste magnetische Schicht 902 und Tunnelsperrschicht (Isolationsschicht) 104 aufeinanderfolgend gestapelt sind. Das MTJ-Element 10 beinhaltet ferner zweite magnetische Schicht 106, die auf der Tunnelsperrschicht (einer ersten Isolationsschicht) 104 angeordnet ist und ein magnetisches Übergangsmetall enthält, und Schutzschicht 108, die auf der zweiten magnetischen Schicht 106 angeordnet ist. Das MTJ-Element 10 beinhaltet auch ersten Magnesiumoxidfilm 140, der bereitgestellt wird, um die Seitenflächen der zweiten magnetischen Schicht 106 und der Schutzschicht 108 zu bedecken, und der das oben erwähnte magnetische Übergangsmetall enthält.
Das Substrat 100 ist zum Beispiel mit einem Siliziumsubstrat gebildet.
Die erste magnetische Schicht 102 ist mit einem magnetischen Film gebildet, der mindestens ein Element enthält, das aus der Gruppe der magnetischen Übergangselemente ausgewählt ist, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht. Mit anderen Worten ist die erste magnetische Schicht 102 mit einem magnetischen Film gebildet, der Fe, Co oder Ni, was bei Normaltemperatur Ferromagnetismus aufweist, oder Mn, was Ferromagnetismus in einem Fall aufweist, in dem eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung gebildet wird, enthält. Alternativ kann der magnetische Film mindestens ein Element enthalten, das zwischen B und C ausgewählt ist. Insbesondere kann die erste magnetische Schicht 102 aus einem einzelnen Material, wie zum Beispiel FeCoB, FeNiB, FeCoC, CoPt, FePt, CoMnSi oder MnAl, gebildet sein, oder kann mit einer Kombination einiger dieser Materialien gebildet sein. Währenddessen ist die Dicke der ersten magnetischen Schicht 102 zum Beispiel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 30 nm.
Die Tunnelsperrschicht 104 ist eine Schicht, die aus einem Isolationsmaterial, wie zum Beispiel Al₂O₃ oder MgO, gebildet ist und hat zum Beispiel eine Dicke, die nicht kleiner als 0,3 nm und nicht größer als 5 nm ist.
Wie die erste magnetische Schicht 102 ist die zweite magnetische Schicht 106 ebenfalls mit einem magnetischen Film gebildet, der mindestens ein Element enthält, das aus der Gruppe der magnetischen Übergangselemente, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht, ausgewählt ist. Alternativ kann der magnetische Film mindestens ein Element enthalten, das zwischen B und C ausgewählt ist. Insbesondere kann die erste magnetische Schicht 102 aus einem einzelnen Material, wie zum Beispiel FeCoB, FeNiB, FeCoC, CoPt, FePt, CoMnSi oder MnAl, gebildet sein, oder kann mit einer Kombination einiger dieser Materialien gebildet sein. Währenddessen ist die Dicke der zweiten magnetischen Schicht 106 zum Beispiel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm.
Es ist zu beachten, dass die erste magnetische Schicht 102 und die zweite magnetische Schicht 106 magnetische Schichten sind, die in dem MTJ-Element 10, das gebildet werden soll, voneinander unterschiedliche Funktionen haben. Insbesondere ist in einem Fall, in dem das MTJ-Element 10 als ein magnetischer Kopf verwendet wird, eine der ersten und zweiten magnetischen Schichten 102 und 106 eine abgesteckte Magnetisierungsschicht, die eine abgesteckte Magnetisierungsrichtung hat, und die andere ist eine freie Magnetisierungsschicht, die Magnetisierung hat, die mit einem externen Magnetfeld variiert. Außerdem ist in einem Fall, in dem das MTJ-Element 10 als ein magnetischer Speicher verwendet wird, eine der ersten und zweiten magnetischen Schichten 102 und 106 eine abgesteckte Schicht, und die andere ist eine Speicherungsschicht. Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform das MTJ-Element 10 nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt ist, und eine andere Konfiguration haben kann. Zum Beispiel können die Position der ersten magnetischen Schicht 102 und die Position der zweiten magnetischen Schicht 106 gewechselt werden, und es kann ferner eine andere Schicht enthalten sein. Darüber hinaus kann jede der ersten und zweiten magnetischen Schichten 102 und 106 eine einzelne Schicht sein, oder kann eine Stapelstruktur haben, in der mehrere Schichten gestapelt sind, und die gestapelten Schichten magnetisch gekoppelt sind.
Die Schutzschicht 108 ist aus verschiedenen geeigneten Metallmaterialien, Legierungsmaterialien, Oxidmaterialien und dergleichen gebildet. Die Schutzschicht 108 schützt jede gestapelte Schicht während der Herstellung des MTJ-Elements 10 und kann ferner als eine Hartmaske funktionieren. Die Dicke der Schutzschicht 108 ist zum Beispiel nicht kleiner als 0,5 nm und nicht größer als 50 nm.
Der erste Magnesiumoxidfilm 140 ist mit einem Verbundoxid gebildet, dessen Hauptkomponenten mindestens ein Element der in der ersten und zweiten magnetischen Schicht 102 und 106 enthaltenen Gruppe der magnetischen Übergangselemente (Fe, Co, Ni und Mn), Magnesium und Sauerstoff sind. Der erste Magnesiumoxidfilm 140 kann auch ein leichtes Element, wie zum Beispiel B oder C, enthalten, das in der wieder haftenden Substanz 920, den Ätzrückständen 930 oder dergleichen enthalten ist. Selbst wenn ein solches Element in dem ersten Magnesiumoxidfilm 140 enthalten ist, wird in dem MTJ-Element 10 kein Kurzschließen verursacht.
Wie in 4 gezeigt, kann der erste Magnesiumoxidfilm 140 so angeordnet sein, dass er die obere Oberfläche der Tunnelsperrschicht 104, die um die zweite magnetische Schicht 106 herum platziert ist, bedeckt.
Darüber hinaus kann, wie in 4 gezeigt, das MTJ-Element 10 gemäß dieser Ausführungsform ferner zweiten Magnesiumoxidfilm 142 beinhalten, der auf der Tunnelsperrschicht 104 bereitgestellt ist, um die zweite magnetische Schicht 106 zu umgeben. Der zweite Magnesiumoxidfilm 142 wird mit einem Oxid gebildet, das Magnesium und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält.
Ferner kann, obwohl in 4 nicht gezeigt, eine Isolationsschicht zwischen der zweiten magnetischen Schicht 106 und der Schutzschicht 108 bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann ein Fundamentfilm (nicht gezeigt) für das Steuern der Kristallorientierung der ersten magnetischen Schicht 102 und für das Verbessern der Haftung der ersten magnetischen Schicht 102 an dem Substrat 100 unter der ersten magnetischen Schicht 102 bereitgestellt sein.
Währenddessen können mehrere der oben beschriebenen MTJ-Elemente 10 in einer Matrixform auf dem Substrat 100 bereitgestellt sein, und es können ferner verschiedene mit den MTJ-Elementen 10 verbundene Verdrahtungsleitungen bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann ein Isolationsfilm (eine zweite Isolationsschicht) zwischen den aneinander angrenzenden MTJ-Elementen 10 unter den mehreren MTJ-Elementen 10 eingebettet sein.
Es ist zu beachten, dass, obwohl 4 das MTJ-Element 10 mit einer Struktur zeigt, die durch Ausführen eines Ätzens, um die Tunnelsperrschicht 904 zu erreichen, erhalten wird, diese Ausführungsform nicht auf dies beschränkt ist. Zum Beispiel kann ein säulenförmiges MTJ-Element 10 gebildet werden, das eine Struktur hat, die durch Ausführen eines Ätzens, um die erste magnetische Schicht 902 zu erreichen, erhalten wird. In diesem Fall ist es nur erforderlich, dass der oben beschriebene erste Magnesiumoxidfilm auf den Seitenflächen des MTJ-Elements 10 bereitgestellt ist. Darüber hinaus kann der erste Magnesiumoxidfilm so bereitgestellt sein, dass er die obere Oberfläche des Substrats 100, die um die zweite magnetische Schicht 102 herum platziert ist, bedeckt.
<Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements>
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 10 gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben. Die 5 bis 7 sind Querschnittsdarstellungen für das Erläutern der jeweiligen Schritte in dem Verfahren zur Herstellung eines MTJ-Elements 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und entsprechen insbesondere der in 4 gezeigten Querschnittsdarstellung. Es ist zu beachten, dass in dem unten beschriebenen Beispiel ein Fall als ein Beispiel beschrieben wird, in dem ein MTJ-Element 10 eine Struktur hat, die durch Ausführen eines Ätzens, um die Tunnelsperrschicht 104 in 4 zu erreichen, erhalten wird.
Zuerst werden die erste magnetische Schicht 102, die Tunnelsperrschicht 104, die zweite magnetische Schicht 106 und die Schutzschicht 108 aufeinanderfolgend auf dem Substrat 100 gestapelt, wie in 12 früher beschrieben. Als nächstes wird eine Fotomaske, die ein dem MTJ-Element 10 entsprechendes Muster hat, auf der Schutzschicht 108 wie in 13 gebildet. Ferner wird, wobei die Fotomaske als eine Maske verwendet wird, ein Ätzen auf der Schutzschicht 108, der zweiten magnetischen Schicht 106 und der Tunnelsperrschicht 104 ausgeführt, um ein säulenförmiges MTJ-Element 10 wie in 14 zu bilden. Das Ätzen kann Ionenstrahlätzen (Ion-Beam-Etching - IBE), reaktives Ionenätzen (Reactive-Ion-Etching - RIE) oder eine Kombination davon sein, wir früher beschrieben.
Auf diese Weise wird ein MTJ-Element 10 in einem in 5 gezeigten Zustand erhalten. Wie in 5 gezeigt, haften die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930, die von der bisher ausgeführten Verarbeitung resultieren, an dem Randbereich des MTJ-Elements 10.
Metallischer Magnesiumfilm 150 ist dazu gebildet, die Seitenflächen des MTJ-Elements 10 in dem in 5 gezeigten Zustand zu bedecken. Alternativ kann der metallische Magnesiumfilm 150 auch gebildet sein, um den Abschnitt der oberen Oberfläche der Tunnelsperrschicht 104, der um die zweite magnetische Schicht 106 des MTJ-Elements 10 herum platziert ist, zu bedecken. In dieser Phase ist die Dicke des metallischen Magnesiumfilms 150 vorzugsweise nicht kleiner als 0,5 nm und nicht größer als 5 nm. Wenn die Dicke des metallischen Magnesiumfilms 150 kleiner als 0,5 nm ist, ist die Wirkung, die Oxidation der wieder haftenden Substanz 920 und der Ätzrückstände 930 zu beschleunigen, beschränkt. Ferner könnte in einem Fall, in dem die Dicke des metallischen Magnesiumfilms 150 größer als 5 nm ist, nur der Oberflächenabschnitt des metallischen Magnesiumfilms 150 oxidiert werden, und das Innere davon könnte nicht ausreichend oxidiert werden. In einem solchen Fall kann der nicht oxidierte metallische Magnesiumfilm 150 Kurzschließen in dem MTJ-Element 10 verursachen.
Der metallische Magnesiumfilm 150 kann durch ein Sputtering-Verfahren, ein Ionenstrahlverfahren, ein Gasabscheidungsverfahren, ein chemisches Gasabscheidungs (Chemical-Vapor-Deposition - CVD) -Verfahren oder dergleichen gebildet werden. Der metallische Magnesiumfilm 150 ist nicht notwendigerweise als ein gleichförmiger Film gebildet, sondern ist vorzugsweise so gebildet, dass Magnesium von dem metallischen Magnesiumfilm 150 diffundiert und mit einem magnetischen Übergangsmetall (Fe, Co, Ni oder Mn) von der wieder haftenden Substanz 920 und den Ätzrückständen 930 gemischt ist. Dementsprechend ist der Bereich, in dem Magnesium mit dem magnetischen Übergangsmetall der wieder haftenden Substanz 920 und den Ätzrückständen 930 gemischt ist, der Bildungsbereich des ersten Magnesiumoxidfilms 140. Aus diesem Grund ist es möglich, den Bildungsbereich und die Dicke des ersten Magnesiumoxidfilms 140 durch Steuern der Diffusion von Magnesium zu steuern.
Deshalb wird es in einem Fall, in dem der metallische Magnesiumfilm 150 durch ein Sputtering-Verfahren gebildet ist, bevorzugt, für die Filmbildung geeignete Bedingungen, wie zum Beispiel den Druck des Gases und die Substratvorspannung, auszuwählen, sodass Magnesium in einen gewünschten Bereich fließt und diffundiert. Alternativ werden in einem Fall, in dem der metallische Magnesiumfilm 150 durch ein Ionenstrahlverfahren gebildet wird, die Bedingungen, wie zum Beispiel die Einfallsenergie und der Einfallswinkel von Magnesium, geeignet ausgewählt, sodass Magnesium präzise in einem gewünschten Bereich (gewünschte Breite und Tiefe) positioniert wird.
Ferner kann eine Wärmebehandlung für das Diffundieren von Magnesium während oder nach der Bildung des metallischen Magnesiumfilms 150 oder während der später beschriebenen Oxidationsbehandlung ausgeführt werden. Die Wärmebehandlungstemperatur ist vorzugsweise nicht niedriger als 100°C und nicht höher als 300°C. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur niedriger als 100°C ist, wird die Diffusion von Magnesium unzureichend. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur höher als 300°C ist, diffundiert Magnesium tief in das Innere des MTJ-Elements 10.
Als nächstes wird eine Oxidationsbehandlung an dem metallischen Magnesiumfilm 150 ausgeführt, wie in 7 gezeigt. Die Oxidationsbehandlung kann durch Plasmaoxidation oder natürliche Oxidation ausgeführt werden. Alternativ kann der metallische Magnesiumfilm 150 nach dessen Bildung der Luft ausgesetzt werden, sodass der metallische Magnesiumfilm 150 oxidiert wird. Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem die Schutzschicht 108 mit einem Oxidmaterial gebildet ist, der metallische Magnesiumfilm 150 durch Aufnehmen von Sauerstoff von der Schutzschicht 108 oxidiert werden. Durch die Oxidationsbehandlung wird nicht nur der metallische Magnesiumfilm 150 oxidiert, sondern auch die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 werden aufgrund der prooxidativen Wirkung von Magnesium oxidiert.
Durch das Herstellungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform kann das in 4 gezeigte MTJ-Element 10 auf die obige Weise erhalten werden. Mit anderen Worten ist es möglich, das MTJ-Element 10 zu erhalten, das den ersten Magnesiumoxidfilm 140 beinhaltet, der bereitgestellt ist, um die Seitenflächen der zweiten magnetischen Schicht 106 und der Schutzschicht 108 zu bedecken. Da der erste Magnesiumoxidfilm 140 ein Film ist, der durch Oxidieren der wieder haftenden Substanz 920 und der Ätzrückstände 930 zusammen mit Magnesium erhalten wird, enthält er magnetische Übergangsmetalle, wie zum Beispiel Fe, Co, Ni und Mn, die in der wieder haftenden Substanz 920, den Ätzrückständen 930 und dergleichen enthalten sind, und Magnesium. Ferner kann der erste Magnesiumoxidfilm 140 auch ein leichtes Element, wie zum Beispiel B oder C, enthalten, das in der wieder haftenden Substanz 920, den Ätzrückständen 930 und dergleichen enthalten ist. Ein solches Element, das in dem ersten Magnesiumoxidfilm 140 enthalten ist, verursacht kein Kurzschließen in dem MTJ-Element 10. Wenn der erste Magnesiumoxidfilm 140 auf diese Weise gebildet ist, werden die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 oxidiert und isoliert, und somit kann ein Kurzschließen in dem MTJ-Element 10 verhindert werden. Darüber hinaus funktioniert, sobald der erste Magnesiumoxidfilm 140 in der oben beschriebenen Oxidationsbehandlung gebildet ist, der gebildete erste Magnesiumoxidfilm 140 als ein Schutzfilm, und kann die erste und zweite magnetische Schicht 102 und 106, die Tunnelsperrschicht 104 und dergleichen in dem MTJ-Element 10 daran hindern, durch die obige Oxidationsbehandlung oxidiert zu werden. Als ein Ergebnis wird es schwierig, die erste und zweite magnetische Schicht 102 und 106 und dergleichen des MTJ-Elements 10 zu oxidieren. Somit ist es möglich, Änderungen der magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements 10 aufgrund der obigen Oxidationsbehandlung zu vermeiden.
Zusätzlich kann danach ein mit einem Oxidmaterial gebildeter Isolationsfilm (die zweite Isolationsschicht) (nicht gezeigt) zwischen aneinander angrenzenden MTJ-Elementen 10 unter den mehreren auf dem Substrat 100 bereitgestellten MTJ-Elementen 10 eingebettet werden. Auf dieser Stufe kann der oben erwähnte Isolationsfilm gebildet werden, nachdem das Ätzen an dem ersten Magnesiumoxidfilm 140 ausgeführt ist. Der Isolationsfilm wird jedoch vorzugsweise gebildet, während alles oder ein Teil des ersten Magnesiumoxidfilms 140 so belassen wird, wie es ist. Dies liegt daran, dass, da der erste Magnesiumoxidfilm 140 als ein Schutzfilm funktioniert und eine Oxidation der zweiten magnetischen Schicht 106 und dergleichen in dem MTJ-Element 10 verhindern kann, die magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements 10 daran gehindert werden können, sich aufgrund der Oxidationsbehandlung zu dem Zeitpunkt der Bildung des Isolationsfilms zu ändern.
<<Zusammenfassung>>
Wie oben beschrieben, wird in dieser Ausführungsform, nachdem das MTJ-Element 10 gebildet ist, der metallische Magnesiumfilm 150 auf den Seitenflächen des MTJ-Elements 10 gebildet, und eine Oxidationsbehandlung wird ausgeführt. Auf diese Weise wird Magnesium, während es von dem metallischen Magnesiumfilm 150 diffundiert, mit den magnetischen Übergangsmetallen (Fe, Co, Ni und Mn), die in der an den Seitenflächen und dergleichen des MTJ-Elements 10 wieder haftenden Substanz 920, den Ätzrückständen 930 und dergleichen enthalten sind, gemischt, und wird oxidiert. Als ein Ergebnis wird der erste Magnesiumoxidfilm 140, der ein Verbundoxidfilm von Magnesium und einem magnetischen Übergangsmetall ist, gebildet, um die Seitenflächen des MTJ-Elements 10 zu bedecken. Gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Magnesiumoxidfilm 140 so gebildet, dass er die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930, die an den Seitenflächen und dergleichen des MTJ-Elements 10 haften, isoliert, und dass somit Kurzschließen in dem MTJ-Element 10 reduziert werden kann. Als ein Ergebnis ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, eine hohe Fertigungsausbringung aufrechtzuerhalten. Ferner kann der erste Magnesiumoxidfilm 140 als eine Schutzschicht funktionieren, die Sauerstoff daran hindert, in die erste und zweite magnetische Schicht 102 und 106, die Tunnelsperrschicht 104 und dergleichen, die das MTJ-Element 10 bilden, einzudringen. Somit ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, Änderungen der magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements 10 aufgrund der Oxidationsbehandlung zu reduzieren.
Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform der metallische Magnesiumfilm 150 gebildet und wird der Oxidationsbehandlung ausgesetzt, sodass der erste Magnesiumoxidfilm 140 gebildet wird. Dementsprechend nimmt die Anzahl von Schritten beim Herstellen des MTJ-Elements 10 nicht zu. Somit ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, einen erheblichen Anstieg der Produktionskosten zu vermeiden. Ferner ist der erste Magnesiumoxidfilm 140 kein Schutzfilm, der eine oben in Patentdokument 2 beschriebene Zweischichtstruktur hat. Dementsprechend ist es möglich, die Zunahme der von dem MTJ-Element 10 auf dem Substrat eingenommenen Fläche zu verringern und eine Abnahme der Speicherungskapazität pro Flächeneinheit zu vermeiden.
Es ist zu beachten, dass die magnetischen Schichten des MTJ-Elements 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung senkrechte Magnetisierungsfilme oder auf gleicher Ebene liegende Magnetisierungsfilme sein können.
Währenddessen kann ein Speicherungsgerät (MRAM), das das MTJ-Element 10 gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet, zusammen mit einer Halbleiterschaltung, die als ein Arithmetikgerät oder dergleichen funktioniert, auf dem gleichen Halbleiterchip montiert werden, um ein Halbleitergerät (System-on-a-Chip: SoC) zu bilden. Ferner kann ein Speicherungsgerät gemäß dieser Ausführungsform an jeglicher Art von elektrischem Gerät, in das ein Speicherungsgerät installiert werden kann, montiert sein. Zum Beispiel kann das Speicherungsgerät als ein temporärer Speicher oder eine Speicherung in jegliche Art von elektronischem Gerät, wie zum Beispiel einem mobilen Gerät (einem Smartphone, einem Tablet-PC oder dergleichen), einem Notebook-PC, einem tragbaren Gerät, einem Spielegerät, einem Musikgerät, einem Videogerät oder einer Digitalkamera, installiert sein.
Ferner wird, obwohl das MTJ-Element 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als ein magnetisches Speicherungselement in einem Speicherungsgerät (MRAM) beschrieben worden ist, das MTJ-Element 10 nicht notwendigerweise auf ein solches Speicherungsgerät angewendet. Zum Beispiel kann das MTJ-Element 10 auf einen magnetischen Kopf, ein mit dem magnetischen Kopf ausgestattetes Festplattenlaufwerk und ein magnetisches Sensorgerät angewendet werden.
<< 4. Beispiele >>
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wurde bisher im Detail beschrieben. Als nächstes werden spezifische Beispiele der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung detaillierter beschrieben. Es ist zu beachten, dass die unten beschriebenen Beispiele lediglich Beispiele der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind, und dass die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung nicht durch die folgenden Beispiele beschränkt ist.
(Beispiel 1)
Bezugnehmend auf 8 wird zuerst Beispiel 1 beschrieben. 8 ist eine Querschnittsdarstellung in einem Schritt für ein MTJ-Element 10 gemäß Beispiel 1. Das MTJ-Element gemäß Beispiel 1 entspricht dem in 4 gezeigten MTJ-Element 10.
Wie in 8 gezeigt, wurde zuerst Fundamentschicht 202 mit einem laminierten Film aus Ta (5 nm Dicke) und Ruthenium (Ru) (2 nm Dicke) auf Substrat 200 gebildet. Als nächstes wurde abgesteckte Magnetisierungsschicht 204 mit CoPt (2 nm Dicke) gebildet, Magnetisierungskopplungsschicht 206 wurde mit Ru (0,5 nm Dicke) gebildet, Magnetisierungskopplungsschicht 208 wurde mit Wolfram (W) (0,2 nm Dicke) gebildet, Referenzmagnetisierungsschicht 210 wurde mit FeCoB (1 nm Dicke) gebildet, und Tunnelsperrschicht 212 wurde mit MgO (0,7 nm Dicke) gebildet.
Ferner wurde, wie in 8 gezeigt, Speicherungsschicht 214 mit einem laminierten Film aus FeCoB (1,0 nm Dicke), Ta (0,2 nm Dicke) und FeCoB (1,0 nm Dicke) gebildet, und Spin-Sperrschicht 216 wurde mit MgO (0,6 nm Dicke) gebildet. Dann wurde Schutzschicht 218 mit einem laminierten Film aus Ru (2 nm Dicke) und Ta (5 nm Dicke) gebildet.
Es ist zu beachten, dass die abgesteckte Magnetisierungsschicht 204, die Magnetisierungskopplungsschichten 206 und 208 und die Referenzmagnetisierungsschicht 210 in 8 der oben beschriebenen ersten magnetischen Schicht 102 in 4 entsprechen, und dass die Speicherungsschicht 214 in 8 der zweiten magnetischen Schicht 106 in 4 entspricht.
Als nächstes wurde eine einstündige Wärmebehandlung bei 400°C an dieser Stapelstruktur ausgeführt. Ferner wurde die Stapelstruktur durch Ionendünnen in eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 50 nm verarbeitet, um die Form eines MTJ-Elements zu haben. Es ist zu beachten, dass das Ionendünnen ein Ätzen war, das ausgeführt wurde, um die Tunnelsperrschicht 212 zu erreichen.
Nach der Verarbeitung des MTJ-Elements wurde dann ein metallischer Magnesiumfilm (1 nm Dicke) durch ein Sputtering-Verfahren gebildet, und ferner wurde eine 10-minütige Wärmebehandlung bei 200°C ausgeführt, gefolgt durch natürliche Oxidation an der Luft. Ferner wurden ein Schutzfilm (SiO₂) und eine Elektrode, die in 8 nicht gezeigt sind, gebildet. Auf diese Weise wurde das MTJ-Element gemäß Beispiel 1 gebildet.
(Beispiel 2)
Als nächstes wird Beispiel 2 beschrieben. Beispiel 2 ist ähnlich zu Beispiel 1, außer dass zu dem Zeitpunkt der Verarbeitung des MTJ-Elements ein Ätzen ausgeführt wurde, um die Speicherungsschicht 214 zu erreichen, und dass der metallische Magnesiumfilm Dicken von 0,5 nm, 1 nm, 3 nm, 5 nm und 10 nm hatte.
(Beispiel 3)
Als nächstes wird Beispiel 3 beschrieben. Beispiel 3 ist ähnlich zu Beispiel 1, außer dass zu dem Zeitpunkt der Verarbeitung des MTJ-Elements ein Ätzen ausgeführt wurde, um die Speicherungsschicht 214 zu erreichen, dass der metallische Magnesiumfilm eine Dicke von 2,0 nm hatte, und dass ferner die Temperaturen der Wärmebehandlung nach der Bildung des metallischen Magnesiumfilms 0°C (ohne Erhitzen), 100°C, 200°C, 300°C und 400°C waren.
(Vergleichsbeispiel 1)
Als nächstes wird Vergleichsbeispiel 1 beschrieben. In Vergleichsbeispiel 1 wurde die in 8 gezeigte Stapelstruktur gebildet, eine einstündige Wärmebehandlung bei 400°C wurde ausgeführt, und die Stapelstruktur wurde durch Ionendünnen in eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 50 nm wie in Beispiel 1 verarbeitet. Somit wurde die Form eines MTJ-Elements gebildet. Es ist zu beachten, dass das Ionendünnen ein Ätzen war, das ausgeführt wurde, um die Tunnelsperrschicht 212 zu erreichen. Ferner wurden ein Schutzfilm (SiO₂) und eine Elektrode gebildet. Auf diese Weise wurde das MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 1 gebildet.
(Vergleichsbeispiel 2)
Als nächstes wird Vergleichsbeispiel 2 beschrieben. In Vergleichsbeispiel 2 wurde die MTJ-Elementverarbeitung wie in Beispiel 1 ausgeführt. Als nächstes wurde nach der MTJ-Elementverarbeitung eine Plasmaoxidation ausgeführt, und dann wurden ein Schutzfilm (SiO₂) und eine Elektrode gebildet. Auf diese Weise wurde das MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 2 gebildet.
(Vergleichsbeispiel 3)
Als nächstes wird Vergleichsbeispiel 3 beschrieben. In Vergleichsbeispiel 3 wurde die MTJ-Elementverarbeitung wie in Beispiel 1 ausgeführt. Nach der Verarbeitung des MTJ-Elements wurde dann metallischer Magnesiumfilm 220 (1 nm Dicke) durch ein Sputtering-Verfahren gebildet, und ferner wurde eine 10-minütige Wärmebehandlung bei 200°C ausgeführt, gefolgt durch natürliche Oxidation an der Luft wie in Beispiel 1. Ferner wurden, nachdem das durch die natürliche Oxidation gebildete Oxid durch Ionendünnen entfernt wurde, ein Schutzfilm (SiO₂) und eine Elektrode gebildet. Auf diese Weise wurde das MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 3 gebildet.
(Vergleichsbeispiel 4)
Als nächstes wird Vergleichsbeispiel 4 beschrieben. Das Vergleichsbeispiel 4 ist ähnlich zu Vergleichsbeispiel 1, außer dass zu dem Zeitpunkt der Verarbeitung des MTJ-Elements ein Ätzen ausgeführt wurde, um die Speicherungsschicht 214 zu erreichen.
Die Auftretensraten von Kurzschließen, die Magneto-Resistance-Verhältnisse (MR), die Koerzitivkräfte (Hc) und die Umkehrspannung (Vc) der jeweiligen MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 1 wurden dann gemessen. Die durch Ausführen der Messung erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Koerzitivkräfte (Hc) und die Umkehrspannungen (Vc) mit einem VSM gemessen wurden.
[Tabelle 1]

Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2 Beispiel 1

Rate von Kurzschließen (%) 3,2 0 0

MR (%) 96 113 122

Hc (Oe) 1860 2430 2360

Vc (V) 0,43 0,76 0,41
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist in dem MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 1, in dem keinerlei Oxidationsbehandlung ausgeführt wurde, die Auftretensrate von Kurzschließen hoch, vermutlich, weil die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 bleiben, ohne isoliert zu werden. Ferner haben in Vergleichsbeispiel 1 sowohl das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR), als auch die Koerzitivkraft (Hc) niedrige Werte. Mittlerweile ist in dem MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 2, in dem die Oxidationsbehandlung ausgeführt wurde, die Auftretensrate von Kurzschließen niedrig, und dementsprechend wird berücksichtigt, dass die wieder haftende Substanz 920 und die Ätzrückstände 930 isoliert werden. In Vergleichsbeispiel 2 stiegen ferner sowohl das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR), als auch die Koerzitivkraft (Hc) an, die Umkehrspannung (Vc) stieg jedoch erheblich an Dies liegt vermutlich daran, dass Sauerstoff aufgrund der Oxidationsbehandlung in die magnetischen Schichten und dergleichen des MTJ-Elements gemäß dem Vergleichsbeispiel eingedrungen ist. Andererseits gibt es bei dem MTJ-Element gemäß Beispiel 1 keinen Anstieg der Umkehrspannung (Vc), und die Auftretensrate von Kurzschließen, das Magneto-Resistance-Verhältnis (MR) und die Koerzitivkraft (Hc) wurden verbessert. Mit anderen Worten, bei dem MTJ-Element gemäß Beispiel 1, bei dem der erste Magnesiumoxidfilm dieser Ausführungsform gebildet wurde, ist die Herabsetzung der magnetischen Eigenschaften des MTJ-Elements aufgrund des Oxidationsprozesses verringert, während die Auftretensrate von Kurzschließen aufgrund der Oxidationsbehandlung gesenkt wird.
Als nächstes werden Änderungen der Umkehrspannung (Vc) in einem Fall, in dem MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel 1 für eine Stunde bei 300°C bis 400°C erhitzt wurden, unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen der Umkehrspannung (Vc) in Bezug auf die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) in dem Fall zeigt, in dem die MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel 1 für eine Stunde bei 300°C bis 400°C erhitzt wurden. Insbesondere zeigt in 9 die Abszissenachse die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) an, und die Ordinatenachse zeigt die Umkehrspannung (Vc) an.
Wie in 9 gezeigt, stiegen die Umkehrspannungen (Vc) der MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 mit einem Anstieg der Wärmebehandlungstemperatur (Ta) signifikant an. Andererseits war in dem MTJ-Element gemäß Beispiel 1, selbst wenn sich die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) erhöhte, die Umkehrspannung (Vc) fast konstant und stieg nicht an. Dies liegt vermutlich daran, dass das MTJ-Element gemäß Beispiel 1 den ersten Magnesiumoxidfilm als einen Schutzfilm hatte. Aufgrund des ersten Magnesiumoxidfilms drang kein Sauerstoff in die magnetischen Schichten und dergleichen des MTJ-Elements ein, selbst wenn die Wärmebehandlung ausgeführt wurde, und die Eigenschaften der magnetischen Schichten und dergleichen änderten sich nicht. Andererseits wurde in dem MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 1 überhaupt kein Magnesiumoxidfilm gebildet. In dem MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 3 wurde der vorübergehend gebildete Magnesiumoxidfilm entfernt, und es gibt keinen Film, der als ein Schutzfilm funktioniert. Da der Schutzfilm in den Vergleichsbeispielen 1 und 3 nicht bereitgestellt wurde, drang Sauerstoff in die magnetischen Schichten und dergleichen der MTJ-Elemente ein, als die Wärmebehandlung ausgeführt wurde, und es wurden Änderungen in den Eigenschaften der magnetischen Schichten und dergleichen verursacht. Dies wird als der Grund dafür angesehen, dass die oben beschriebenen Ergebnisse erhalten wurden.
Mit anderen Worten, da das Eindringen von Sauerstoff oder dergleichen in die magnetischen Schichten und die Tunnelsperrschicht eines MTJ-Elements die Ursache für den Anstieg der Umkehrspannung (Vc) ist, wird der erste Magnesiumoxidfilm gemäß dieser Ausführungsform behalten, sodass Eindringen von Sauerstoff oder dergleichen in die magnetischen Schichten und die Tunnelsperrschicht, die das MTJ-Element bilden, verhindert werden kann, und dass ein Anstieg der Umkehrspannung (Vc) vermieden werden kann. Deshalb wird es in einem MTJ-Element gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, den ersten Magnesiumoxidfilm, der durch Oxidation eines metallischen Magnesiumfilms erhalten wird, nicht zu entfernen, sondern als einen Schutzfilm zu behalten.
Als nächstes wurde eine Beurteilung an dem MTJ-Element gemäß Beispiel 2 und dem MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 4 in einem Fall ausgeführt, in dem zu dem Zeitpunkt der MTJ-Elementverarbeitung ein Ätzen ausgeführt wurde, um die Speicherungsschicht 214 zu erreichen. Das MTJ-Element gemäß Beispiel 2 und das MTJ-Element gemäß Vergleichsbeispiel 4, die wie oben beschrieben erhalten wurden, wurden für 1 Stunde einer Wärmebehandlung bei 400°C ausgesetzt, und die Umkehrspannungen wurden gemessen. Zusätzlich sind in 10 die Ausbringungsergebnisse gezeigt, die in einem Fall erhalten wurden, in dem ein MTJ-Element mit einer Umkehrspannung gleich 0,5 V oder weniger als ein bevorzugtes Produkt betrachtet wurde. 10 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen der Ausbringung in Bezug auf die Dicke (t_Mg) des metallischen Magnesiumfilms in jedem der MTJ-Elemente gemäß Vergleichsbeispiel 4 und Beispiel 2 zeigt. Insbesondere zeigt in 10 die Abszissenachse die Dicke (t_Mg) des metallischen Magnesiumfilms an, und die Ordinate zeigt die Ausbringung an.
In 10 entspricht der Fall, in dem die Dicke (t_Mg) des metallischen Magnesiumfilms 0 nm ist, dem Ergebnis der Beurteilung des MTJ-Elements gemäß Vergleichsbeispiel 4, und der Fall, in dem die Dicke (t_Mg) des metallischen Magnesiumfilms 0,5 nm bis 10 nm ist, entspricht dem Ergebnis der Beurteilung des MTJ-Elements gemäß Beispiel 2. Wie in 10 gezeigt, ist die Ausbringung des MTJ-Elements gemäß Beispiel 2, in dem der metallische Magnesiumfilm gebildet wurde, höher als die Ausbringung des MTJ-Elements gemäß Vergleichsbeispiel 4, in dem der metallische Magnesiumfilm nicht gebildet wurde. Ferner war in einem Fall, in dem die Dicke (t_Mg) des metallischen Magnesiumfilms nicht kleiner als 0,5 nm und nicht größer als 5 nm war, war die Ausbringung besonders bevorzugt. Somit wurde es klar, dass es bevorzugt ist, den metallischen Magnesiumfilm so zu bilden, dass er eine Dicke hat, die nicht kleiner als 0,5 nm und nicht größer als 5 nm ist.
Als nächstes wurde der Einfluss der Aufheiztemperatur bei der Wärmebehandlung nach der Bildung des metallischen Magnesiumfilms untersucht. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt. 11 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen der Eigenschaften des MTJ-Elements in Bezug auf die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) in dem MTJ-Element gemäß Beispiel 3 zeigt. Insbesondere zeigt in 11 die Abszissenachse die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) an, die Ordinatenachse auf der linken Seite zeigt die Koerzitivkraft (Hc) an, und die Ordinatenachse auf der rechten Seite zeigt die Umkehrspannung (Vc) an.
Wie in 11 gezeigt, änderte sich in einem Fall, in dem eine Wärmebehandlung an dem MTJ-Element gemäß Beispiel 3 ausgeführt wurde, die Umkehrspannung (Vc) bis 300°C kaum, obwohl die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) anstieg. Währenddessen stieg die Koerzitivkraft (Hc) an. Ferner nahm, wenn die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) 300°C überstieg, die Umkehrspannung (Vc) stark zu, während die Koerzitivkraft (Hc) rapide abnahm. Aus diesen Tatsachen wurde es klar, dass in einem Fall, in dem eine Wärmebehandlung nach der Bildung des metallischen Magnesiumfilms ausgeführt wird, die Wärmebehandlungstemperatur (Ta) vorzugsweise auf 300°C oder niedriger eingestellt wird, um eine Zunahme der Umkehrspannung (Vc) und eine Abnahme der Koerzitivkraft (Hc) zu vermeiden.
<< 5. Ergänzende Bemerkungen >>
Während eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung oben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, ist der technische Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Es ist offensichtlich, dass diejenigen, die gewöhnliche Fachkenntnisse auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Offenbarung haben, verschiedene Änderungen oder Modifikationen innerhalb des Umfangs des hierin beanspruchten technischen Geistes vornehmen können, und es sollte klargestellt sein, dass diese Änderungen oder Modifikationen innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.
Darüber hinaus sind die in der vorliegenden Spezifikation offenbarten Wirkungen lediglich veranschaulichend oder beispielhaft, und sind nicht beschränkend. Das heißt, die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann zusätzlich zu oder anstelle der oben beschriebenen Wirkungen andere Wirkungen aufweisen, die für Fachleute von der Beschreibung in der vorliegenden Spezifikation offensichtlich sind.
Es ist zu beachten, dass die unten beschriebenen Konfigurationen ebenfalls innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.

(1) Ein ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element, das Folgendes beinhaltet:
- eine erste magnetische Schicht;
- eine erste Isolationsschicht, die auf der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist;
- eine zweite magnetische Schicht, die ein magnetisches Übergangsmetall enthält, wobei die zweite magnetische Schicht auf der ersten Isolationsschicht angeordnet ist; und
- einen Magnesiumoxidfilm, der das magnetische Übergangsmetall enthält, wobei der Magnesiumoxidfilm so angeordnet ist, dass er eine Seitenfläche der zweiten magnetischen Schicht bedeckt.
(2) Das ferromagnetische Tunnel-Junction-Element gemäß (1), bei dem der Magnesiumoxidfilm mit einem Verbundoxid gebildet ist, das das magnetische Übergangsmetall, Magnesium und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält.
(3) Das ferromagnetische Tunnel-Junction-Element gemäß (1) oder (2), bei dem der Magnesiumoxidfilm eine obere Oberfläche der ersten Isolationsschicht bedeckt, wobei die obere Oberfläche um die zweite magnetische Schicht herum platziert ist.
(4) Das ferromagnetische Tunnel-Junction-Element gemäß einem von (1) bis (3), bei dem das magnetische Übergangsmetall mindestens ein Element ist, das aus der Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht.
(5) Das ferromagnetische Tunnel-Junction-Element gemäß einem der Punkte (1) bis (4), das Folgendes beinhaltet:
- mehrere der ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elemente,
- bei denen eine zweite Isolationsschicht zwischen den aneinander angrenzenden ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elementen eingebettet ist.
(6) Ein Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet:
- das aufeinanderfolgende Stapeln einer ersten magnetischen Schicht, einer ersten Isolationsschicht, und einer zweiten magnetischen Schicht, die ein magnetisches Übergangsmetall enthält, auf einem Substrat;
- das Bilden mehrerer säulenförmiger ferromagnetischer Tunnel-Junction-Elemente durch Ausführen eines Ätzens auf der zweiten magnetischen Schicht;
- das Bilden eines metallischen Magnesiumfilms auf einer Seitenfläche der zweiten magnetischen Schicht; und
- das Bilden eines Magnesiumoxidfilms, der das magnetische Übergangsmetall enthält, durch Ausführen einer Oxidationsbehandlung, um den metallischen Magnesiumfilm zu oxidieren, wobei der Magnesiumoxidfilm die Seitenfläche der zweiten magnetischen Schicht bedeckt.
(7) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß (6), bei dem der Magnesiumoxidfilm mit einem Verbundoxid gebildet ist, das das magnetische Übergangsmetall, Magnesium und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält.
(8) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß (6) oder (7), bei dem das magnetische Übergangsmetall mindestens ein Element ist, das aus der Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht.
(9) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß einem von (6) und (8), bei dem der metallische Magnesiumfilm gebildet ist, um eine obere Oberfläche der ersten Isolationsschicht zu bedecken, wobei die obere Oberfläche um die zweite magnetische Schicht herum platziert ist.
(10) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß einem von (6) bis (9), bei dem der metallische Magnesiumfilm gebildet ist, um eine Dicke von nicht kleiner als 0,5 nm und nicht größer als 5 nm zu haben.
(11) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß einem von (6) bis (10), bei dem der metallische Magnesiumfilm durch ein Ionenstrahlverfahren gebildet ist.
(12) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß einem von (6) bis (10), bei dem der metallische Magnesiumfilm durch ein Sputtering-Verfahren gebildet ist.
(13) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß einem von (6) bis (12), das ferner Folgendes beinhaltet:
- das Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur nicht niedriger als 100°C und nicht höher als 300°C.
(14) Das Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß einem von (6) bis (13), das ferner Folgendes beinhaltet:
- das Einbetten einer zweiten Isolationsschicht zwischen den aneinander angrenzenden ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elementen nach der Oxidationsbehandlung.

Bezugszeichenliste

10, 90: MTJ-Element
100, 200, 900: Substrat
102, 902: Erste magnetische Schicht
104, 212, 904: Tunnelsperrschicht
106, 906: Zweite magnetische Schicht
108, 218, 908: Schutzschicht
140: Erster Magnesiumoxidfilm
142: Zweiter Magnesiumoxidfilm
150: Metallischer Magnesiumfilm
204: Abgesteckte Magnetisierungsschicht
206, 208: Magnetisierungskopplungsschicht
210: Referenzmagnetisierungsschicht
214: Speicherungsschicht
216: Spin-Sperrschicht
910: Fotomaske
920: Wieder haftende Substanz
930: Ätzrückstände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016164955 [0006]
JP 2015179694 [0006]

Claims

Ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element, das Folgendes umfasst: eine erste magnetische Schicht; eine erste Isolationsschicht, die auf der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist; eine zweite magnetische Schicht, die ein magnetisches Übergangsmetall enthält, wobei die zweite magnetische Schicht auf der ersten Isolationsschicht angeordnet ist; und einen Magnesiumoxidfilm, der das magnetische Übergangsmetall enthält, wobei der Magnesiumoxidfilm so angeordnet ist, dass er eine Seitenfläche der zweiten magnetischen Schicht bedeckt.
Ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element gemäß Anspruch 1, wobei der Magnesiumoxidfilm mit einem Verbundoxid gebildet ist, das das magnetische Übergangsmetall, Magnesium und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält.
Ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element gemäß Anspruch 1, wobei der Magnesiumoxidfilm eine obere Oberfläche der ersten Isolationsschicht bedeckt, wobei die obere Oberfläche um die zweite magnetische Schicht herum platziert ist.
Ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element gemäß Anspruch 1, wobei das magnetische Übergangsmetall mindestens ein Element ist, das aus einer Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht.
Ferromagnetisches Tunnel-Junction-Element gemäß Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: mehrere der ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elemente, wobei eine zweite Isolationsschicht zwischen den aneinander angrenzenden ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elementen eingebettet ist.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das aufeinanderfolgende Stapeln einer ersten magnetischen Schicht, einer ersten Isolationsschicht, und einer zweiten magnetischen Schicht, die ein magnetisches Übergangsmetall enthält, auf einem Substrat; das Bilden mehrerer säulenförmiger ferromagnetischer Tunnel-Junction-Elemente durch Ausführen eines Ätzens auf der zweiten magnetischen Schicht; das Bilden eines metallischen Magnesiumfilms auf einer Seitenfläche der zweiten magnetischen Schicht; und das Bilden eines Magnesiumoxidfilms, der das magnetische Übergangsmetall enthält, durch Ausführen einer Oxidationsbehandlung, um den metallischen Magnesiumfilm zu oxidieren, wobei der Magnesiumoxidfilm die Seitenfläche der zweiten magnetischen Schicht bedeckt.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, wobei der Magnesiumoxidfilm mit einem Verbundoxid gebildet ist, das das magnetische Übergangsmetall, Magnesium und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, wobei das magnetische Übergangsmetall mindestens ein Element ist, das aus einer Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, wobei der metallische Magnesiumfilm gebildet ist, um eine obere Oberfläche der ersten Isolationsschicht zu bedecken, wobei die obere Oberfläche um die zweite magnetische Schicht herum platziert ist.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, wobei der metallische Magnesiumfilm gebildet ist, um eine Dicke von nicht kleiner als 0,5 nm und nicht größer als 5 nm zu haben.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, wobei der metallische Magnesiumfilm durch ein Ionenstrahlverfahren gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, wobei der metallische Magnesiumfilm durch ein Sputtering-Verfahren gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: das Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur nicht niedriger als 100°C und nicht höher als 300°C.
Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elements gemäß Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: das Einbetten einer zweiten Isolationsschicht zwischen den aneinander angrenzenden ferromagnetischen Tunnel-Junction-Elementen nach der Oxidationsbehandlung.