-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen
Tunnelübergangsanordnung,
bei dem ein Stapel mit zwei magnetischen Schichten und einer dazwischen
verlaufenden Barriereschicht gebildet wird.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine magnetische mit einem derartigen Verfahren
erhältliche
Tunnelübergangsanordnung,
einen mit einer derartigen Anordnung versehenen Magnetfeldsensor
und einen mit einer derartigen Anordnung versehenen Magnetspeicher.
-
Eine
wie oben beschriebene Anordnung wird in WO-A 99/22368 offenbart.
Die aus dieser Patentanmeldung bekannte magnetische Tunnelübergangsanordnung
umfasst eine erste und eine zweite magnetische Schicht, welche Schichten
in Bezug auf eine isolierende Zwischenschicht sandwichartig angeordnet
sind 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.
-
EP 0 762 389 offenbart im
Zusammenhang mit der Herstellung eines magnetoresistiven Elements
den Schritt des Ätzens
einer Magnetschicht, bis eine Restschicht verbleibt, und den Schritte
der chemischen Umwandlung einer Magnetschicht durch Oxidation (Oxidation
erhöht
im Allgemeinen den Widerstand), aber das magnetoresistive Element
hat keinen Tunnelübergang
und die Schritte des partiellen Ätzens
und der chemischen Umwandlung werden nicht auf ein und derselben
Schicht ausgeführt.
-
Bei
der bekannten magnetischen Tunnelübergangsanordnung 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
magnetischen Schichten umfasst, wobei der Prozess mit Sicherheit
stoppt, bevor die andere magnetische Schicht erreicht ist.
-
Zur
Lösung
der beschriebenen Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet,
dass eine der magnetischen Schichten mittels Ätzen strukturiert wird, wobei
während
des Ätzens
ein Teil dieser einen magnetischen Schicht durch Entfernen von Material
dünner
gemacht wird, bis eine Restschicht verbleibt, woraufhin der elektrische
Widerstand der Restschicht durch chemische Umwandlung erhöht wird.
Nach dem Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine magnetische Tunnelübergangsanordnung
erhalten, in der eine der magnetischen Schichten strukturiert und
in solcher Weise verarbeitet ist, dass unerwünschte elektrische Ströme in der
erhaltenen strukturierten Schicht während des Gebrauchs verhindert
werden. Die andere magnetische Schicht ist im Prinzip unangerührt geblieben.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es sicher, dass die andere magnetische Schicht nicht erreicht
wird, weil während
des Ätzprozesses,
bei dem in bekannter Weise eine Maske zur Abschirmung der zu strukturierenden
magnetischen Schicht verwendet wird, die eine weichmagnetische Schicht ist
oder umfassen kann, die zu strukturierende magnetische Schicht nicht
vollständig
weggeätzt
wird. Der Rest des geätzten
Teils dieser nach dem Ätzen verbleibenden
Schicht, als Restschicht bezeichnet, wird mittels einer chemische
Reaktion schlecht leitend gemacht, woraufhin die strukturierte magnetische
Schicht, ebenso wie die andere magnetische Schicht, als magnetische
Elektrode verwendet werden kann. Ätzen erfolgt vorzugsweise,
bis die Restschicht eine Dicke zwischen 0 nm und 5 nm erreicht hat,
wobei in diesem Prozess beispielsweise Widerstandmessungen bestimmen,
wann die Restschicht erreicht ist. Es hat sich gezeigt, dass die
oben genannten Maßnahmen
keine nachteiligen Auswirklungen auf die genannte andere magnetische
Schicht haben; insbesondere gibt es keinen nachteiligen Einfluss
auf die Magneteigenschaften dieser magnetischen Schicht. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt
auch den Vorteil, dass die Herstellungsmargen bei Verwendung nichtselektiver Ätztechniken
beträchtlich
groß sind.
Wenn die letztgenannte Schicht aus oder unter anderem aus einem
weichmagnetischen Ma terial gebildet worden ist, ist diese Schicht besonders
gut als flussführende
Schicht geeignet.
-
Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Umwandlung durch
Oxidation und/oder Nitridierung bewirkt wird. Bei dieser Ausführungsform kann
die Restschicht in einfacher Weise passiviert werden, indem bekannte
Prozesse angewendet werden. Eine Oxidation der Restschicht, bei
der Material der Restschicht in ein Oxid umgewandelt wird, wird vorzugsweise
durch thermische Oxidation, Plasmaoxidation oder UV-gestützte Oxidation
realisiert. Eine Nitridierung der Restschicht, bei der Material
der Restschicht in ein Nitrid umgewandeltt wird, wird vorzugsweise
durch thermische Nitridierung oder Plasmanitridierung realisiert.
Bei den genannten, bekannten chemischen Prozessen kann die gewünschte Oxidation
oder Nitridierung des magnetischen Materials der Restschicht in
verhältnismäßig kurzer
Zeit erhalten werden. Wenn die Barriereschicht eine Oxidschicht
ist, was häufig
der Fall ist, wird sie zu einem bestimmten Zeitpunkt während des
Ausführens eines
Oxidationsprozesses die Oxidation in der Restschicht stoppen oder
vermindern.
-
Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass physikalisches Ätzen durchgeführt wird.
Unter physikalischem Ätzen
wird Ätzen
mit Hilfe eines Bündels aus
elektrisch geladenen Teilchen verstanden, wie z.B. Sputterätzen, Ion-Milling
und Ionenstrahlätzen. Diese
bekannten Ätzverfahren
haben sich als außerordentlich
gut geeignet für
das erfindungsgemäße Verfahren
erwiesen.
-
Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu strukturierende magnetische
Schicht 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, bevor Ätzen,
insbesondere physikalisches Ätzen
erfolgt, 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 magnetischen Tunnelübergangsanordnung
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 magnetischen Tunnelübergangsanordnung
nicht, zumindest nicht nachteilig. Der besondere Aspekt dieses Verfahrens,
bei dem Ätzen
eingesetzt wird, ist, dass nicht bis zur Barriereschicht der magnetischen
Tunnelübergangsanordnung
hin geätzt
wird, sondern dass der Ätzprozess
so viel früher
stoppt, dass auf der Barriereschicht eine Restschicht verbleibt.
Dadurch wird dafür
gesorgt, dass trotz Schichtdickenschwankungen und Änderungen
der Ätzverfahren die
magnetische Elektrodenschicht, die nicht strukturiert 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.
-
Die
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellte magnetische Tunnelübergangsanordnung
hat eine magnetische Schicht, die mit Hilfe dieses Verfahrens strukturiert
worden ist und eine andere magnetische Schicht, die eventuell eine
weichmagnetische Schicht umfassen kann, welche Schicht als Flussführung geeignet
ist. Eine solche 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.
-
Der
erfindungsgemäße Magnetfeldsensor
ist mit der erfindungsgemäßen magnetischen
Tunnelübergangsanordnung
versehen. Die magnetische Tunnelübergangsanordnung
bildet ein oder das Wandlerelement des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
Dieser Sensor 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.
Auch der erfindungsgemäße Magnetspeicher,
insbesondere ein MRAM, ist mit der erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsanordnung
versehen.
-
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, das aus der genannten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
erhalten worden ist,
-
1C schematisch
ein drittes Zwischenprodukt, das aus der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
erhalten worden ist,
-
1D schematisch
ein viertes Zwischenprodukt,
-
1E schematisch
eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen magnetischen
Tunnelübergangsanordnung,
die gemäß der beschriebenen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt worden ist und
-
2 eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Magnetsensors.
-
1A zeigt
einen Stapel 1 von Schichten, der in diesem Beispiel eine
erste magnetische Schicht 3 aus einem weichmagnetischen
Material umfasst, wie z.B. einer NiFe-Legierung, eine isolierende,
schlecht leitende oder dielektrische Schicht 5, in diesem
Dokument auch als Barriereschicht bezeichnet, aus beispielsweise
Al2O3, eine zweite
magnetische Schicht 7, die in diesem Beispiel aus einer Basisschicht 7a aus
einem 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 Ab schirmschicht 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, wie z.B. Sputterätzen.
Physikalisches Ätzen
wird vorzugsweise auch verwendet, wenn die zweite magnetische Schicht 7 eine
hartmagnetische Schicht ist.
-
Die
in einem der oben beschriebenen Verfahren erhaltene Restschicht 7r hat
vorzugsweise eine Dicke von maximal 5 nm. Während des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bei dieser Ausführungsform
die Restschicht 7r einer Oxidation ausgesetzt, um den elektrischen
Widerstand der betreffenden Schicht zu erhöhen. Die Restschicht 7r wird dann
in eine Oxidschicht 7R umgewandelt, die in diesem Beispiel
Ni- und Fe-Oxide umfasst; siehe 1E. Bei
Verwendung von Nitridierung wird eine Nitridschicht 7R erhalten.
In diesem Beispiel wird vorzugsweise thermische Oxidation oder Plasmaoxidation
für die
Umwandlung eingesetzt. Durch Abscheiden eine isolierenden Materials
wie z.B. SiO2, kann auf der Oxidationsschicht 7R eine
Schutzschicht 11 gebildet werden. Die Abschirmschicht 9 kann
entfernt werden.
-
Der
in 2 gezeigte erfindungsgemäße Magnetfeldsensor umfasst
eine magnetische Tunnelübergangsanordnung 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
beschränkt
ist. Beispielsweise sind im Rahmen der Erfindung 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 magnetische Tunnelübergangsanordnung
kann auch Teil eines Magnetspeichers sein.