DE60019542T2 - Verfahren zur herstellung einer vorrichtung mit magnetischem tunnelkontakt - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer vorrichtung mit magnetischem tunnelkontakt Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang, bei dem ein Stapel mit zwei Elektrodenschichten, die ein magnetisches Material umfassen, und einer dazwischen verlaufenden Barriereschicht, die ein nicht magnetisches Material umfasst, gebildet wird.
  • Die Patentanmeldung WO-A 99/22368 offenbart eine Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang, die eine erste und eine zweite magnetische Schicht umfasst, welche Schichten in Bezug auf eine isolierende Zwischenschicht eine Sandwich-Anordnung haben und als Elektrodenschichten dienen. Als Wandlerelement ist diese Anordnung ein Teil eines Magnetfeldsensors, der mit einem Magnetjoch versehen ist, in dem die erste magnetische Schicht in direktem Kontakt mit einem Teil des Jochs steht. Die erste magnetische Schicht ist ebenso wie das Joch aus einem weichmagnetischen Material gebildet. Die zweite magnetische Schicht ist eine zusammengesetzte Schicht und umfasst eine ferromagnetische Teilschicht und eine Pinning-Struktur (Pinning: Verankern). Die isolierende Zwischenschicht bildet eine Tunnelbarriere.
  • Bei der bekannten Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang dient eine der magnetischen Schichten, nämlich die weichmagnetische Schicht, daher als Flussführung. Um nachteilige Auswirkungen auf die Magneteigenschaften dieser Schicht zu verhindern, wie z.B. eine Domänenwandbildung infolge von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der der Tunnelbarriere zugewandten weichmagnetischen Schicht, ist es wünschenswert, dass nur die andere magnetische Schicht, d.h. die zweite magnetische Schicht und eventuell die barrierebildende Zwischenschicht strukturiert wird oder werden.
  • Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, das einen Prozess der Strukturierung einer der Elektrodenschichten umfasst, wobei der Prozess mit Sicherheit stoppt, bevor die andere Elektrodenschicht erreicht ist.
  • Zur Lösung der beschriebenen Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenschichten mittels Ätzen strukturiert wird, wobei während des Ätzens ein Teil der betreffenden Schicht durch Entfernen von Material dünner gemacht wird, bis eine Restschicht verbleibt, woraufhin diese Restschicht durch physikalisches Ätzen entfernt wird, wobei ein Bündel von elektrisch geladenen Teilchen verwendet wird, welche Teilchen eine Bewegungsenergie haben, die zwischen der Sputterschwelle des magnetischen Materials der Restschicht und der Sputterschwelle des nicht magnetischen Materials der Barriereschicht liegt. Es sei bemerkt, dass physikalisches Ätzen ein bekannter Ätzprozess mit Hilfe eines Bündels von elektrisch geladenen Teilchen ist, wie z.B. Sputterätzen, Ion-Milling und Ionenstrahlätzen. Als bekannt wird angenommen, dass die Sputterschwelle die minimale Energie ist, die notwendig ist, um ein Teilchen aus dem Material der Schicht, die einem Ätzprozess ausgesetzt wird, auszulösen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es sicher, dass die andere Elektrodenschicht nicht erreicht wird, weil während einer ersten Phase des Ätzprozesses, bei der in bekannter Weise eine Maske der zu strukturierenden Elektrodenschicht verwendet wird, die eine weichmagnetische Schicht ist oder umfassen kann, die zu strukturierende Elektrodenschicht nicht vollständig weggeätzt wird. Ätzen während der ersten Phase kann chemisches oder physikalisches Ätzen sein. Indem beispielsweise Widerstandsmessungen ausgeführt werden, kann ermittelt werden, wann die Restschicht erreicht ist. Vorzugsweise wird eine Restschicht mit einer Dicke von maximal 5 nm angestrebt. Während einer zweiten Phase des Ätzprozesses wird die Restschicht mittels physikalischem Ätzen entfernt, ohne dass die andere Elektrodenschicht angegriffen wird. Dieser überraschende Effekt wird dadurch erreicht, dass die Teilchen während des physikalischen Ätzens eine Bewegungsenergie aufweisen, die niedriger ist als die Sputtergrenze der Barriereschicht, und sie daher die Barriereschicht nicht durchdringen können. Der verwendete physikalische Ätzprozess ist somit ein selektiver Ätzprozess. Die Schritte des oben erwähnten Verfahrens verursachen keine nachteilige Auswirkung auf die nicht strukturierte Elektrodenschicht; insbesondere gibt es keinen nachteiligen Beeinflussung der Magneteigenschaften dieser Elektrodenschicht. Wenn die letztgenannte Schicht aus einem oder unter anderem aus einem weichmagnetischen Material gebildet wird, ist diese Schicht besonders zur Verwendung als flussführende Schicht geeignet.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Teilchen verwendet werden, die eine Masse haben, die schwerer ist als die Masse eines metallischen Elementes des magnetischen Materials der Restschicht. In diesem Fall wird angenommen, dass die Masse der Elemente des nicht magnetischen Mate rials, im Allgemeinen ein Oxid oder ein Nitrid, der Barriereschicht leichter ist als die Masse des genannten metallischen Elementes. Die oben erwähnte Maßnahme trägt positiv zur Selektivität des Verfahrens bei, wobei die Selektivität des Ätzens des magnetischen Materials in Bezug auf das nichtmagnetische Material umso höher ist, je schwerer die geladenen Teilchen sind.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu strukturierende Elektrodenschicht aus hintereinander einer Basisschicht und einer Schichtstruktur aufgebaut wird, die zumindest eine weitere Schicht für magnetisches Verankern (Pinning) der Basisschicht umfasst. Die Basisschicht kann eine ferromagnetische Schicht sein, beispielsweise aus einer NiFe-Legierung oder einer Co-Legierung, insbesondere einer Co-Fe-Legierung, während die Pinning-Schichtstruktur eine der folgenden Möglichkeiten umfassen kann: eine antiferromagnetische Schicht aus beispielsweise einer FeMn-Legierung oder einer IrMn-Legierung; eine hartmagnetische ferromagnetische Schicht aus beispielsweise einer Co-Legierung; eine künstliche antiferromagnetische Struktur mit zwei antiparallelen magnetischen Schichten, die durch eine metallische Zwischenschicht getrennt sind. Eine solche Struktur kann mit einer antiferromagnetischen Schicht aus beispielsweise einer FeMn-Legierung gekoppelt sein. Wenn eine solche zu strukturierende Elektrodenschicht gebildet wird, wird vorgezogen, die Schichtstruktur selektiv zu ätzen, insbesondere diese Struktur anfangs, d.h. bevor die Basisschicht strukturiert ist, chemisch selektiv zu ätzen, bis die Basisschicht erreicht ist. Indem teilweise das genannte selektive Ätzen verwendet wird, kann der Strukturierungsprozess gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer kürzeren Zeit ausgeführt werden. Selektives chemisches Ätzen ist eine bekannte Ätztechnik.
  • Es sei bemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum Strukturieren einer magnetischen Elektrodenschicht eines Halbfabrikats einer Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang beinhaltet, wobei das Halbfabrikat eine Zusammensetzung aus der genannten Elektrodenschicht, einer Barriereschicht und einer weiteren magnetischen Elektrodenschicht umfasst. In dem letztgenannten Verfahren beeinflusst die Strukturierung der betreffenden Schicht die Magneteigenschaften der anderen magnetischen Elektrodenschicht der Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang nicht, zumindest nicht nachteilig. Der besondere Aspekt dieses Verfahrens ist, dass kein Ätzen durch die Barriereschicht hindurch erfolgt. Dadurch wird dafür gesorgt, dass trotz Schichtdickenschwankungen und Änderungen der Ätzverfahren die magnetische Elektrodenschicht, die nicht struk turiert werden soll, nicht geätzt wird. Die Barriereschicht, die eine Isolierschicht ist, d.h. eine Schicht mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit, oder eine dielektrische Schicht, ist üblicherweise nur ungefähr 1 nm dick.
  • Eine mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang hat eine magnetische Elektrodenschicht, die mit Hilfe des letztgenannten Verfahrens strukturiert worden ist und eine andere magnetische Elektrodenschicht, die eventuell eine weichmagnetische Schicht umfassen kann, welche Schicht als Flussführung geeignet ist. Die weichmagnetische Schicht kann beispielsweise aus einer NiFe-Legierung oder einer Co-Legierung gebildet sein, wie z.B. einer Co-Fe-Legierung. Die weichmagnetische Schicht kann auch aus einer Anzahl von Teilschichten aufgebaut sein. Derartige Anordnungen mit magnetischem Tunnelübergang können in Magnetfeldsensoren und Magnetspeichern angewendet werden. Ein Magnetsensor kann unter anderem als Magnetkopf zum Decodieren von magnetischem Fluss verwendet werden, der aus einem magnetischen Informationsmedium, wie z.B. einem Magnetband oder einer Magnetplatte stammt; als Sensor in Kompassen zum Detektieren des Erdmagnetfeldes, als Sensor zum Detektieren beispielsweise einer Position, eines Winkels oder einer Geschwindigkeit beispielsweise bei Automobilanwendungen; als Feldsensor in medizinischen Scannern und als Stromdetektor.
  • In Hinsicht auf die Ansprüche sei bemerkt, dass verschiedene Kombinationen der in den abhängigen Ansprüchen genannten Ausführungsformen möglich sind.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1A schematisch ein erstes Zwischenprodukt, das aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten worden ist;
  • 1B schematisch ein zweites Zwischenprodukt aus der genannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 1C schematisch ein drittes Zwischenprodukt, das aus der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten worden ist,
  • 1D schematisch ein viertes Zwischenprodukt,
  • 1E schematisch eine Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang, die gemäß der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist und
  • 2 eine Ausführungsform des Magnetsensors.
  • 1A zeigt einen Stapel 1 von Schichten, der in diesem Beispiel eine erste magnetische Elektrodenschicht 3 aus einem weichmagnetischen Material umfasst, wie z.B. einer NiFe-Legierung, eine isolierende, schwach leitende oder dielektrische Schicht 5, in diesem Dokument auch als Barriereschicht bezeichnet, aus beispielsweise Al2O3, eine zweite magnetische Elektrodenschicht 7 , die in diesem Beispiel aus einer Basisschicht 7a aus einer weichmagnetischen Material aufgebaut ist, in diesem Beispiel eine NiFe-Legierung und eine Schichtstruktur 7b mit zumindest einer weiteren Schicht aus einem antiferromagnetischen Material wie z.B. einer FeMn-Legierung. Auch kann eine hartmagnetische Schicht als zweite magnetische Schicht für die Schichtstruktur verwendet werden, die die Basisschicht 7a und die Schichtstruktur 7b umfasst.
  • Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Abschirmschicht 9 aus beispielsweise einem Photolack, siehe 1B, auf dem dargestellten Stapel 1 verschafft. Anschließend werden Ätzprozesse verwendet, in denen die Schichtstruktur 7b zuerst selektiv geätzt wird, insbesondere chemisch geätzt wird, bis die Basisschicht 7a erreicht ist; siehe 1C. Anschließend wird die Basisschicht 7a geätzt, insbesondere physikalisch geätzt, bis eine Restschicht 7r aus weichmagnetischem Material zurückbleibt; siehe 1D. Alternativ kann es genügen, statt zweier Ätzprozesse nur physikalisches Ätzen zu verwenden. Physikalisches Ätzen wie z.B. Sputterätzen wird vorzugsweise auch verwendet, wenn die zweite Elektrodenschicht 7 eine hartmagnetische Schicht ist. Beim physikalischen Ätzen werden kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit, eventuell während einer kurzen Unterbrechung des Ätzprozesses, Widerstandsmessungen ausgeführt, um zu ermitteln, ob die gewünschte Restschicht 7r erreicht ist.
  • Die in einem der oben beschriebenen Verfahren erhaltene Restschicht 7r hat vorzugsweise eine Dicke von maximal 5 nm. Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Restschicht 7r durch physikalisches Ätzen entfernt, in diesem Beispiel durch Sputterätzen, wobei geladene Teilchen, insbesondere Ionen, eine Bewegungsenergie aufweisen, die zwischen der Sputterschwelle der verwendeten NiFe-Legierung und der Sputterschwelle von Al2O3 liegt. Die Sputterschwelle der NiFe-Legierung beträgt ungefähr 20 eV; die Sput terschwelle von Al2O3 beträgt ungefähr 40 eV. In dieser Ausführungsform wird die Restschicht 7r vorzugsweise mit Kr- oder Xe-Ionen bombardiert, wobei die Ionen eine Masse haben, die schwerer ist als die Masse der Metalle Ni und Fe, welche Masse ihrerseits schwerer ist als die Masse von Al und O. Nach dem Entfernen der Restschicht 7r kann durch Abscheiden eines isolierenden Materials, wie z.B. SiO2 oder Al2O3, eine Schutzschicht 11 gebildet werden. Die Abschirmschicht 9 kann entfernt werden.
  • Der in 2 gezeigte Magnetfeldsensor umfasst eine Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang 20 der in 1E gezeigten Art. In dieser Ausführungsform umfasst der Sensor auch ein Magnetjoch 22 , das eine Unterbrechung 22a aufweist, die überbrückt ist und mit der Tunnelübergangsanordnung 20 in magnetischem Kontakt steht. Das Magnetjoch 22 ist aus einem weichmagnetischem Material, wie z.B. einer NiFe-Legierung gebildet. Der Sensor hat eine Sensorfläche 24, die einer nichtmagnetischen Wandlerlücke 26 benachbart ist. Die Unterbrechung 22a und die Lücke 26 werden durch Isolierschichten aus beispielsweise SiO2 oder Al2O3 gebildet.
  • Es sei bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen begrenzt ist. Beispielsweise sind im Rahmen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, Varianten der verschiedenen Schritte des Verfahrens möglich. Außerdem kann der dargestellte Sensor als Magnetkopf zum Abtasten eines magnetischen Aufzeichnungsmediums gebildet sein. Eine solche Konstruktion kann Teil eines kombinierten Lese-/Schreibkopfes sein. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang kann auch Teil eines Magnetspeichers sein.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung mit magnetischem Tunnelübergang, bei dem ein Stapel mit zwei Elektrodenschichten (3, 7), die ein magnetisches Material umfassen, und einer dazwischen verlaufenden Barriereschicht (5), die ein nicht magnetisches Material umfasst, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenschichten (7) mittels Ätzen strukturiert wird, wobei während des Ätzens ein Teil der betreffenden Schicht durch Entfernen von Material dünner gemacht wird, bis eine Restschicht (7r) verbleibt, woraufhin die genannte Restschicht durch physikalisches Ätzen entfernt wird, wobei ein Bündel von elektrisch geladenen Teilchen verwendet wird, welche Teilchen eine Bewegungsenergie haben, die zwischen der Sputterschwelle des magnetischen Materials der Restschicht und der Sputterschwelle des nicht magnetischen Materials der Barriereschicht liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Teilchen eine Masse haben, die schwerer ist als die Masse eines metallischen Elementes des magnetischen Materials der Restschicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu strukturierende Elektrodenschicht (7) aus hintereinander einer Basisschicht (7a) und einer Schichtstruktur (7b) aufgebaut wird, die zumindest eine weitere Schicht für magnetisches Verankern (Pinning) der Basisschicht umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur (7b) vor dem Strukturieren der Basisschicht (7a) chemisch geätzt wird, bis die Basisschicht erreicht ist.
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