DE602005001673T2 - Reaktive Zerstaubungsablagerungsverfahren eines Magnesiumoxidsfilms auf einem Eisen-enthaltenden Film - Google Patents

Reaktive Zerstaubungsablagerungsverfahren eines Magnesiumoxidsfilms auf einem Eisen-enthaltenden Film Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur reaktiven Zerstaubungsablagerung eines Magnesiumoxid-(MgO)-Films auf einem Eisen-enthaltenden Film, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von magnetischen Tunnelübergangs-(MTJ)-Vorrichtungen, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumoxid-(MgO)-Tunnelübergangs in einem MTJ.
  • Ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ) besteht aus zwei Schichten aus ferromagnetischem Material, die durch eine dünne, isolierende Tunnelsperrschicht getrennt sind. Die ist ausreichend dünn, so dass eine quantenmechanische Tunnelung der Ladungsträger zwischen den ferromagnetischen Schichten auftritt. Der Tunnelprozess hängt von dem Elektronenspin ab, was bedeutet, dass der Tunnelstrom über dem Übergang von den vom Spin abhängigen, elektronischen Eigenschaften der ferromagnetischen Materialien abhängt und eine Funktion der relativen Orientierung der magnetischen Momente (Magnetisierungsrichtungen) der zwei ferromagnetischen Schichten ist. Die zwei ferromagnetischen Schichten sind so ausgelegt, dass sie unterschiedliche Ansprechverhalten auf magnetische Felder haben, so dass die relative Orientierung ihrer Momente mit einem externen magnetischen Feld variiert werden kann.
  • Verschiedene Vorrichtungen, die eine MTJ verwenden, wurden vorgeschlagen. Eine MTJ-Vorrichtung ist eine magnetische Speicherzelle in einem nicht flüchtigen, magnetischen Speicher (MRAM) mit wahlfreiem Zugriff, wie er in dem US-Patent 5,640,343 beschrieben ist. Eine andere MTJ-Vorrichtung ist ein magnetischer Tunneltransistor (MTT), wie er durch S. van Dijken, X. Jiang und S. S. P. Parkin, „Room Temperature Operation of a High Output Magnetic Tunnel Transistor", Appl. Phys. Lett. 80, 3364 (2002) beschrieben ist. Ein MTJ-Magnetfeldsensor wurde ebenfalls vorgeschlagen, insbesondere als magnetoresistiver Lesekopf in einem Magnetplattenlaufwerk, wie in dem US-Patent 5,729,410 beschrieben ist.
  • Eine wichtige Eigenschaft für eine MTJ-Vorrichtung ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR = Signal-to-noise ratio). Die Größe des Signals hängt von dem Tunnel-Magnetwiderstand oder TMR (deltaR/R) ab, der von der Vorrichtung gezeigt wird. Das Signal ist gegeben durch iB (deltaR), was der Vorspannungsstrom (iB) ist, der durch die MTJ-Vorrichtung hindurch tritt (unter der Annahme, dass ein konstanter Strom zum Detektieren des Signals verwendet wird) mal der Widerstandsänderung (deltaR) der Vorrichtung. Das Rauschen, das von der MTJ-Vorrichtung gezeigt wird, wird jedoch zu einem großen Teil durch den Widerstand (R) der Vorrichtung bestimmt. Um das maximale SNR für eine konstante Leis tung, die zum Abtasten der Vorrichtung verwendet wird, zu erhalten, muss der Widerstand (R) der Vorrichtung klein sein und die Änderung in dem Widerstand (deltaR) der Vorrichtung muss groß sein.
  • Der Widerstand einer MTJ-Vorrichtung wird weitgehend durch den Widerstand der isolierenden Tunnelsperrschicht für eine Vorrichtung mit vorgegebenen Dimensionen bestimmt, da der Widerstand der elektrischen Leitungen und der ferromagnetischen Schichten wenig zu dem Widerstand beiträgt. Da jedoch der Abtaststrom senkrecht durch die ferromagnetischen Schichten und die Tunnelsperrschicht verläuft, wird der Widerstand (R) der MTJ-Vorrichtung umgekehrt zu der Fläche (A) der Vorrichtung größer. Das Erfordernis für MTJ-Vorrichtungen mit niedrigem Widerstand gekoppelt mit der Umkehrbeziehung des Widerstands mit der Fläche ist besonders problematisch, weil ein zusätzliches Erfordernis für Anwendungen von MTJ-Vorrichtungen eine kleine Fläche ist. Bei einem MRAM hängt bspw. die Dichte der MTJ-Speicherzellen von MTJ-Zellen mit kleiner Fläche ab, und bei einem Schreibkopf erfordert eine hohe Speicherdichte eine kleine Datenspurbreite auf der Platte, was einen MTJ-Lesekopf mit kleiner Fläche erfordert. Da der Widerstand (R) einer MTJ-Vorrichtung sich invers zu der Fläche (A) verhält, ist es daher zweckmäßig, den Widerstand der MTJ-Vorrichtung durch das Produkt des Widerstandes (R) mal der Fläche (A) oder das Widerstands-Flächen-Produkt (RA) zu charakterisieren. Das RA ist unabhängig von der Fläche (A) der MTJ-Vorrichtung.
  • MTJ-Speicherzellen in einem MRAM müssen in ihrer Größe verkleinert werden, was geringere RA-Werte erfordert, so dass der Widerstand der einzelnen Zelle nicht zu hoch ist. MTJ-Leseköpfe müssen ebenfalls eine Sub-Mikrongröße bei Anwendungen von Magnetaufzeichnungen mit hoher Dichte haben, und sie müssen niedrige Widerstandswerte im Vergleich zu den der gegenwärtigen Riesenmagneto-Widerstands-(GMR)-Leseköpfen haben. Somit sind MTJ-Vorrichtungen mit niedrigem RA und hohem TMR erwünscht.
  • Bei MTJ-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist das Material, das für die Tunnelsperrschicht verwendet wird, amorphes Aluminiumoxid (Al2O3), weil solche Sperrschichten sehr dünn und im Wesentlichen frei von Nadelstichlöchern gemacht werden können. Die Al2O3-Tunnelsperrschicht wird durch eine Ablagerung von einer Aluminiumschicht gefolgt von einer natürlichen oder Plasma-Oxidation hergestellt. Für Al2O3-Tunnelsperrschichten konnte gefunden werden, dass RA exponentiell mit der Dicke der Sperrschicht zunimmt. Bei relativ niedrigen RA-Werten von um die 20 Ω-(μm)2 ist der TMR typischerweise reduziert, wahrscheinlich wegen der Ausbildung von Quantenpunktfehlern oder mikroskopischen Nadelstichlöchern in der ultradünnen Tunnelsperrschicht, die benötigt werden, um diese relativ niedrigen RA-Werte zu erhalten.
  • In jüngerer Zeit wurden MTJ-Vorrichtungen mit Epitaxial-Tunnelsperrschichten aus MgO untersucht, und sie haben sich viel versprechend als Ersatz für amorphe Al2O3-Tunnelsperrschichten gezeigt. Siehe M. Bowen et al., „Large magnetoresistance in Fe/MgO/FeCo (001) epitaxial tunnel junctions"., Appl. Phys. Lett. 79, 1655 (2001); und S. Mitani et al., „Fe/MgO/Fe(100) epitaxial magnetic tunnel junctions prepared by using in situ plasma Oxidation", J. Appl. Phys. 90, 8041 (2003). Diese MgO-Tunnelsperrschichten wurden durch Laserabtragung, Molekularstrahlepitaxie und durch das Verfahren, das für amorphe Al2O3-Tunnelsperrschichten verwendet wird, d. h. herkömmliche Vakuumablagerungen gefolgt von einer in-situ Plasmaoxidation, hergestellt.
  • Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer Tunnelsperrschicht durch Vakuumablagerung des Metalls gefolgt von einer Oxidation ist sehr empfindlich, und es muss für jede abgeschiedene Metalldicke neu optimiert werden. Dieses Verfahren kann auch aufgrund des Oxidationsschrittes nach der Ablagerung sehr langsam sein. Eine zu geringe Oxidation hinterlässt Metall unter dem Oxid, während zu viel Oxidation die darunter liegende Schicht angreift. Sowohl in dem unteroxidierten als auch in dem überoxidierten Fall kann die Arbeitsweise der MTJ-Vorrichtung schwerwiegend verschlechtert werden.
  • Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zur Herstellung einer MTJ-Tunnelsperrschicht zu entwickeln, das MTJ-Vorrichtungen mit niedrigem RA und hohem TMR zur Folge hat und das nicht unter den Problemen leidet, die mit Verfahren nach dem Stand der Technik verbunden sind.
  • Die Erfindung ist ein Verfahren zur reaktiven Zerstaubungsablagerung einer Magnesiumoxid-(MgO)-Tunnelsperrschicht auf einem Eisen-enthaltenden Film. Das Verfahren ist Teil der Herstellung einer MTJ-Vorrichtung, und der Eisen-enthaltende Film ist der untere ferromagnetische Film in der MTJ-Vorrichtung. Die MgO-Tunnelsperrschicht wird von einem Mg-Target in Anwesenheit eines reaktiven Sauerstoff-(O2)-Gas in einem „Hochspannungs"-Zustand durch Zerstaubung abgelagert, um sicherzustellen, dass die Ablagerung stattfindet, wenn das Mg-Target sich in dem metallischen Zustand befindet, d. h. keine oder minimale Oxidation.
  • Die Wände der Zerstaubungsablagerungskammer werden erst durch Anlegen einer Spannung konditioniert, um ein Mg-Target in Anwesenheit des inerten Argon-(Ar)-Zerstaubungsgases zu aktivieren, während der Eisen-enthaltende Film durch eine bewegbare Blende geschützt ist. Dieser Konditionierungs schritt beschichtet die Kammerwände mit Mg- Metall und entfernt dadurch jegliche „Erinnerung" an vorhergehende Sauerstoffverfahren in der Kammer, was für einen wiederholbaren, reaktiven Ablagerungsprozess wichtig ist. Während die Blende immer noch den Eisen-enthaltenden Film schützt, wird das reaktive O2-Gas in die Kammer mit einer vorgegebenen Flussrate eingeführt. Nachdem sich der O2-Fluss stabilisiert hat, wird die Blende geöffnet, und das Mg-Target wird während einer speziellen Zeitdauer aktiviert, um die gewünschte Tunnelsperrschichtdicke zu erreichen. Die spezifizierte Zeitdauer wurde vorher aus der bekannten O2-Flussrate bestimmt, um sicher zu stellen, dass die Zerstaubungsablagerung auftritt, während eine minimale Oxidation des Mg-Targets stattfindet.
  • Weil der metallische Betriebszustand des Mg-Targets eine endliche Lebensdauer hat, wird ein Satz von O2-Flussraten und zugehörigen Zerstaubungsablagerungszeiten erstellt, wobei jede Flussrate und Ablagerungszeit annimmt, dass die Ablagerung stattfindet, wobei das Mg-Target in dem metallischen Betriebszustand ist, und dass sie zu einer bekannten Dichte der Tunnelsperrschicht führt. Das Fortschreiten der Target-Oxidation ist mit einem Abfall in der Target-Spannung verbunden, so dass die Zerstaubung auch dadurch festgestellt werden kann, dass die Target-Spannung überwacht wird, und dass das Anlegen der Leistung an das Target beendet wird, wenn die Spannung einen vorgegebenen Wert erreicht. Da die Ablagerung nur dann stattfinden sollte, wenn das Mg-Target sich in dem metallischen Betriebszustand befindet, muss die Sperrschicht vollständig erfolgen, während das Target immer noch metallisch ist. Wenn eine dickere Tunnelsperrschicht erforderlich ist, wird sie in mehreren Schichten abgelagert, wobei das oben beschriebene Verfahren für jede Schicht wiederholt wird.
  • Als wahlweiser, endgültiger Schritt kann nach der Beendigung der Zerstaubung die abgelagerte MgO-Tunnelsperrschicht O2 in der Kammer als „natürliche Oxidation" ausgesetzt werden, um dazu beizutragen, dass die Tunnelsperrschicht ihre natürliche MgO-Stoichiometrie erreicht.
  • Zu einem vollständigeren Verständnis der Natur und der Vorteile der vorliegenden Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden.
  • 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Magnetplattenlaufwerk, wobei der Deckel entfernt ist.
  • 2 ist eine vergrößerte Endansicht des Gleiters und ein Schnitt der Platte entlang der Richtung 2-2 in 1.
  • 3 ist eine Darstellung in der Richtung 3-3 von 2 und zeigt die Enden des Lese-/Schreibkopfes mit Blickrichtung von der Platte.
  • 4 ist eine Querschnittsdarstellung eines MTJ-Lesekopfes, die den Stapel der Schichten einschließlich der Tunnelsperrschicht zeigt, die zwischen den magnetischen Abschirmungsschichten angeordnet ist.
  • 5 ist eine schematische Darstellung einer Zerstaubungsablagerungsausrüstung, die in dem Verfahren dieser Erfindung verwendet wird.
  • 6 ist eine Hysteresekurve für die reaktive Zerstaubungsablagerung von MgO von einem Mg-Target mit O2 als reaktivem Gas und Ar als inertem Zerstaubungsgas.
  • 7 ist eine Gruppe von Kurven von Mg-Targetspannungen als eine Funktion der Zeit für einen Satz unterschiedlicher O2-Flussraten.
  • Stand der Technik
  • Das Verfahren der Erfindung hat die Anwendung auf die Herstellung einer Tunnelsperrschicht, die für einen MTJ-Lesekopf erforderlich ist. Der MTJ-Lesekopf hat eine Anwendung für die Verwendung in eines Magnetplattenlaufwerks, dessen Arbeitsweise unter Bezugnahme auf die 1-3 kurz beschrieben wird.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Magnetplattenlaufwerks 10. Das Magnetplattenlaufwerk 10 umfasst eine magnetische Aufzeichnungsplatte 12 und eine rotierende Schwingspulenmotor-(VCM = Voice Coil Motor)-Betätigungseinrichtung 14, die auf einem Gehäuse des Magnetplattenlaufwerks oder einer Basis 16 gelagert ist. Die Platte 12 hat ein Rotationszentrum 13 und wird in Richtung 15 durch einen Spindelmotor (nicht gezeigt) gedreht, der auf der Basis 16 montiert ist. Die Betätigungseinrichtung 14 ist um die Achse 17 schwenkbar und umfasst einen starren Betätigungsarm 18. Eine im Allgemeinen flexible Aufhängung 20 umfasst ein Biegeelement 23, und sie ist an dem Ende des Armes 18 befestigt. Ein Kopfträger oder luftgelagerter Gleiter 22 ist an dem Biegeelement 23 befestigt. Ein Magnetaufzeichnungs-Lese-/Schreibkopf 24 ist auf der nachlaufenden Oberfläche 25 des Gleiters 22 ausgebildet. Das Biegeelement 23 und die Aufhängung 20 ermöglichen es, dass der Gleiter auf einem Luftlager, das durch die sich drehende Platte 12 erzeugt wird, eine „Neigungs"- und „Roll"-Bewegung ausführt. Typischerweise sind mehrere Platten auf einer Nabe gestapelt, die durch den Spindelmotor gedreht wird, wobei ein getrennter Gleiter und ein Lese-/Schreibkopf jeder Plattenoberfläche zugeordnet ist.
  • 2 ist eine vergrößerte Endansicht des Gleiters 22 und ein Schnitt der Platte 12, der in der Richtung 2-2 in 1 genommen ist. Der Gleiter 22 ist an dem Biegeelement 23 befestigt und hat eine Luftlageroberfläche (ABS = Air Bearing Surface) 27, die der Platte 12 zugewandt ist, und eine nachlaufende Oberfläche 25, die im Allgemeinen senkrecht zu der ABS ist. Die ABS 27 bewirkt, dass die Luftströmung von der rotierenden Platte 12 ein Luftlager erzeugt, das den Gleiter 20 in sehr enger Nachbarschaft zu oder in nahezu Kontakt mit der Oberfläche der Platte 12 lagert. Der Lese-/Schreibkopf 24 ist auf der nachlaufenden Oberfläche 25 ausgebildet und mit der Plattenlaufwerk-Lese/Schreib-Elektronik durch eine elektrische Verbindung mit einem Anschlusspunkt 29 auf der nachlaufenden Oberfläche 25 verbunden.
  • 3 ist eine Darstellung in der Richtung 3-3 von 2 und zeigt die Enden des Lese-/Schreibkopfes 24 mit Blickrichtung von der Platte 12 aus. Der Lese-/Schreibkopf 24 ist eine Serie von Dünnfilmen, die auf der nachlaufenden Oberfläche 25 des Gleiters 22 abgelagert und photolithographisch bemustert sind. Der Schreibkopf umfasst magnetische Schreibpole P1/S2 und P1, die durch einen Schreibspalt 30 voneinander getrennt sind. Der magnetoresistive Sensor oder Lesekopf 100 liegt zwischen zwei isolierenden Spaltschichten G1, G2, die typischerweise aus Aluminium gebildet sind. Die Spaltschichten G1, G2 liegen zwischen magnetischen Abschirmungen S1 und P1/S2, wobei P1/S2 auch als erster Schreibpol für den Schreibkopf dient. Wenn der magnetoresistive Lesekopf von dem Typ ist, wo der Sensorstrom senkrecht zu den Ebenen der Schichten ist, was gelegentlich als CPP-Sensor bezeichnet wird, dann ist der Lesekopf in Kontakt mit den Abschirmungen S1, S2 oder in Kontakt mit elektrisch leitfähigen Leitungen von den Abschirmungen ausgebildet. Ein MTJ-Lesekopf ist ein CPP-Sensor.
  • 4 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung, die die Schichten zeigt, die den Sensor 100 bilden. Der Sensor 100 ist ein MTJ-Lesekopf, der einen Stapel von Schichten aufweist, die zwischen den zwei magnetischen Abschirmungsschichten S1, S2 ausgebildet sind, die typischerweise elektroplattierte NiFe-Legierungsfilme sind. Die untere Abschirmung S1 ist typischerweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) poliert, um ein glattes Substrat für das Aufwachsen des Sensorstapels bereit zu stellen. Die Sensorschichten umfassen eine ferromagnetische Referenzschicht 120, die ein festes oder festgehaltenes magnetisches Moment oder Magnetrichtung hat, die quer (in die Seite hinein) orientiert ist, eine freie ferromagnetische Schicht 110, die ein magnetisches Moment oder eine Magnetisierungsrichtung 111 hat, die sich in der Ebene der Schicht 110 in Antwort auf transversale, externe Magnetfelder drehen kann, und eine nicht magnetische Tunnelsperrschicht 130 zwischen der Referenzschicht 120 und der freien Schicht 110. Die zwei ferromagnetischen Schichten 120, 110 und die Tunnelsperrschicht 130 bilden zusammen den MTJ. Die Referenzschicht 120, die in 4 als Teil der wohl bekannten, antiparallel gepinnte (AP-pinned = AP-gepinnt) Struktur ist, eine sog. „laminierte", gepinnte Schicht, wie sie in dem US-Patent 5,465,185 beschrieben ist. Die AP-gepinnte Struktur setzt die magnetostatische Kopplung der Referenzschicht 120 mit der freien Schicht 110 auf ein Minimum herab und umfasst die ferromagnetische Referenzschicht 120 und eine ferromagnetische, gepinnte Schicht 122, die durch eine nicht magnetische, anti-ferromagnetisch gekoppelte Abstandsschicht 123 getrennt sind, bspw. Ru. Die ferromagnetische, gepinnte Schicht 122 ist mit einer antiferromagnetischen (AF)-Schicht 124 austauschgekoppelt. Die Referenzschicht 120 kann auch eine einzige Schicht sein, die mit der anti-ferromagnetischen Schicht 124 austauschgekoppelt ist.
  • Zwischen der unteren Abschirmungsschicht S1 und dem MTJ liegen die andere Elektrode oder eine elektrische Leitung 126 und eine Impfungsschicht 125. Die Impfungsschicht 125 erleichtert die Ablagerung der anti-ferromagnetischen Schicht 124. Zwischen dem MTJ und der oberen Abschirmungsschicht S2 sind eine Deckschicht 112 und eine obere Elektrode oder eine elektrische Leitung 113 angeordnet.
  • In Anwesenheit eines externen, magnetischen Feldes in dem interessierenden Bereich, d. h. von elektrischen Feldern von den aufgezeichneten Daten auf der Platte 12, dreht sich die Magnetisierungsrichtung 111 der freien Schicht 110, während die Magnetisierungsrichtung 121 der Referenzschicht 120 fest bleibt und sich nicht dreht. Wenn daher ein Sensorstrom IS von der oberen Leitung 113 senkrecht durch den Stapel der unteren Leitung 126 angelegt wird, bewirken die Magnetfelder von den aufgezeichneten Daten auf der Platte eine Drehung der Magnetisierung 111 der freien Schicht relativ zu der Magnetisierung 121 der gepinnten Schicht, was als eine Änderung in dem elektrischen Widerstand detektiert werden kann.
  • Die Leitungen 126, 113 sind typischerweise Ta. Sie sind wahlweise vorgesehen und werden verwendet, um den Abstand von Abschirmung zu Abschirmung einzustellen. Die Impfungsschicht 125 ist typischerweise eine oder mehrere Schichten aus NiFeCr, NiFe, Ta oder Ru. Die anti-ferromagnetische Schicht 124 ist typischerweise eine Mn-Legierung, bspw. PtMn, NiMn, FeMn, IrMn, PdMn, PtPdMn oder RhMn. Die Deckschicht 112 liefert einen Korrosionsschutz und ist typischerweise aus Ru oder Ta gebildet. Eine hartmagnetische Schicht (nicht gezeigt) kann auch in dem Stapel zur magnetischen Stabilisierung der freien elektromagnetischen Schicht 110 eingeschlossen sein.
  • Die ferromagnetischen Schichten 123, 120, 110 sind typischerweise aus einer Legierung von einem oder mehreren von Co, Fe und Ni oder einer Doppelschicht aus zwei Legierungen, bspw. CoFe-NiFe-Doppelschicht ausgebildet. Bspw. kann die ferromagnetische Referenzschicht 120 eine CoFe-Legierung, die typischerweise 10-30Å, dick ist, und die drei ferromagnetischen Schichten 110 können eine Doppelschicht aus CoFe-Legierung sein, die tpyischerweise 10-15Å, dick ist und auf der Tunnelsperrschicht 130 ausgebildet ist, wobei eine NiFe-Legierung, die typischerweise 10-30Å, dick ist, auf der CoFe-Schicht der Doppelschicht ausgebildet ist.
  • Die Erfindung
  • Diese Erfindung ist ein Zerstaubungsablagerungsverfahren zur Herstellung eines MTJ mit einer Magnesiumoxid-(MgO)-Tunnelsperrschicht. 5 ist eine schematische Darstellung der Zerstaubungsablagerungsausrüstung 200, die ein Anelva®-Modell C7100 oder eine ähnliche Zerstaubungsausrüstung sein kann. Die Ausrüstung 200 umfasst eine Vakuumkammer 202, eine Cryopumpe 204, eine Inertgasquelle 206, eine Reaktivgasquelle 208, ein Zerstaubungstarget 210, eine Stromversorgung 212, die mit dem Target 210 verbunden ist, und eine drehbare Plattform 214 für das Substrat auf.
  • Das Verfahren wird zur Ablagerung einer ultradünnen (näherungsweise 5-20Å,) MgO-Tunnelsperrschicht auf einem Eisen-enthaltenden Metallfilm, bspw. einem ferromagnetischen Co90Fe10-Film beschrieben. Die MgO-Tunnelsperrschicht ist die Tunnelsperrschicht 130, der Co90Fe10-Film ist die ferromagnetische Referenzschicht 210, und das Substrat ist die polierte Abschirmungsschicht S1, wie oben im Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde. Das Target 210 ist im Wesentlichen reines Mg-Metall, das bevorzugte Inertgas ist Argon (Ar), und das bevorzugte Reaktionsgas ist ein Sauerstoffgas (O2). Vor dem Verfahren der Ausbildung der Mg-Tunnelsperrschicht können die anderen Schichten des Sensors 100 in demselben Vakuum-Ablagerungssystem abgelagert werden, wobei Zerstaubungstargets aus geeignetem Material verwendet werden. Somit ist der letzte Schritt vor dem ersten Schritt der Ablagerung der MgO-Tunnelsperrschicht die Zerstaubungsablagerung des Co90Fe10-Films 120.
  • Das Verfahren dieser Erfindung ist unter Bezugnahme auf 6 zu verstehen, die eine Hysteresekurve für die reaktive Zerstaubungsablagerung von MgO von einem Mg-Target mit O2 als reaktivem Gas und Ar als inertem Zerstaubungsgas ist. In dem Fall, der unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird, wird MgO von einem metallischen Mg-Target unter Verwendung einer gepulsten Gleichstrom-Zerstaubung abgelagert. In der Hysteresekurve ist die Targetspannung gegen die O2-Gasflussrate aufgetragen, während das Ar-Gas bei einer festen Flussrate gehalten wird. Die Kurve hat eine Hystere se, d. h., dass die Targetspannungskurve für ansteigende und abfallende O2-Flussraten unterschiedlich sind.
  • 6 zeigt, dass das Target zwei stabile Zustände hat: einen Hochspannungszustand (näherungsweise 300V) und einen Niederspannungszustand (näherungsweise 1509V). In dem Hochspannungszustand ist die Targetoberfläche metallisch. Dieser Zustand ist bei sehr niedrigen Co2-Flussraten stabil. In dem Niedrgspannungszustand ist die Targetoberfläche oxidiert. Dieser Zustand ist bei hohen O2-Strömungsraten stabil, und er wird oft als „vergifteter" Zustand bezeichnet, weil das Target oxidiert worden ist.
  • Der Zustand, der offensichtlich der bevorzugte Zustand, um die reaktive Ablagerung des MgO-Films durchzuführen, weil er einfacher zu steuern ist, er das MgO mit einer viel geringeren Rate als der Hochspannungszustand abscheidet und weil der abgelagerte MgO-Film in zuverlässiger Weise gut oxidiert ist. Als Teil der Entwicklung des Verfahrens dieser Erfindung wurde jedoch gefunden, dass die reaktive Ablagerung von MgO in dem Niederspannungs- oder vergiftetem Zustand sehr aggressiv zu dem darunter liegenden, Eisen-enthaltendem Metallfilm ist, auf dem das MgO abgelagert wird. Dadurch ergibt sich ein Verlust an magnetischem Moment an der Grenzfläche des ferromagnetischen CoFe-Films und der MgO-Tunnelsperrschicht. Die MTJ's, die in diesem Zustand hergestellt werden, haben somit einen unerwünscht hohen Widerstand (R) und einen geringen Tunnel-Magnetowiderstand (TMR).
  • Das Verfahren dieser Erfindung lagert die MgO-Tunnelsperrschicht in dem Hochspannungszustand reaktiv durch Zerstaubung ab. Die Flussrate des reaktiven Gases und die Zerstaubungszeit werden so gesteuert, dass sichergestellt wird, dass keine erhebliche Oxidation des Mg-Targets vorhanden ist.
  • Als wahlweiser anfänglicher Schritt in dem Verfahren der Erfindung werden die Targetblende 230 und die Substratblende 240 geschlossen, und reines Ar wird in die Vakuumkammer 202 eingeführt. Das Target 120 wird dann aktiviert und in Anwesenheit von reinem Ar zerstäubt, um jegliches oxidiertes Material von dem Target zu eliminieren.
  • Als nächstes wird bei geöffneter Targetblende 230 und bei geschlossener Substratblende 240 das Target 210 erneut in reinem Ar mit einer ausreichend hohen Stromdichte zerstäubt, bspw. 3W/cm2. Dieser Schritt konditioniert die Kammer 202, indem die Kammerwände mit Mg-Metall beschichtet werden. Weil die Kammerwände metallisch sind und eine aktive, Sauerstoff absorbierende Oberfläche haben, liefern sie eine zusätzliche O2-Pumpenwirkung, wodurch der Beginn der Targetoxidation verzögert wird. Die Beschichtung der Wände mit Mg entfernt jegliche „Erinnerung" an vorhergehende Sauerstoffverfahren in der Kammer, was für einen wiederholbaren, reaktiven Ablagerungsprozess wichtig ist. Die Substratblende 240 schützt den CoFe-Metallfilm auf dem Substrat dagegen, den zerstäubten Mg-Atomen während des Kammer-Konditionierungsschrittes ausgesetzt zu werden.
  • Als nächstes wird bei immer noch geöffneter Targetblende 230 und bei immer noch geschlossener Substratblende 240 Sauerstoffgas in die Kammer mit der gewünschten Flussrate eingeführt. Nachdem sich der O2-Fluss stabilisiert hat, wird die Substratblende 240 geöffnet, während die gewünschte Leistung an das Mg-Target 210 angelegt wird, um die reaktive Ablagerung der Tunnel-Sperrschicht zu beginnen. Die Leistung wird während einer Zeit angelegt, die erforderlich ist, um die gewünschte Ablagerungsdicke zu erreichen. Es wurde vorher festgestellt, dass die Zerstaubungsablagerung bei der gewünschten O2-Flussrate stattfindet, während eine minimale Oxidation des Mg-Targets vorhanden ist.
  • Ein wichtiger Aspekt des Verfahrens ist es, dass der metallische Zustand des Mg-Targets eine endliche Lebensdauer für jede O2-Flussrate hat. Dies ist in 7 gezeigt, die eine Gruppe von Kurven von Targetspannungen mit der Zeit zeigt. Das Ziel ist es, die Zerstaubungsablagerung nahe bei der anfänglichen Targetspannung durchzuführen und die Zerstaubung zu beenden, wenn die Targetspannung abzufallen beginnt. Ein Abfall in der Targetspannung zeigt den Beginn der Oxidation des Targets an, was unerwünscht ist. Bspw. bleibt bei einer O2-Flussrate von 1,8 sccm das Mg-Target im Wesentlichen während etwa 50 sec metallisch, wonach eine signifikante Oxidation stattfindet. Während dieser 50 sec Zeitdauer ist die Targetspannung auf etwa 95% ihres Anfangswertes abgefallen. Somit kann die Zerstaubung auch dadurch beendet werden, dass die Targetspannung überwacht wird, und dass das Anlegen von Strom an das Target beendet wird, wenn die Spannung einen vorgegebenen Wert, bspw. 95% ihres Anfangswertes, erreicht. Die gesamte MgO-Dicke, die in der anfänglichen Hochspannungsperiode abgeschieden wird, kann, wenn sie genügend groß ist, die CoFe-Elektrode davor schützen, danach der MgO-Ablagerung bei fallenden Targetspannungen, d. h. während der Vergiftung des Targets, ausgesetzt zu werden. Es ist jedoch das Beste, die Ablagerung zu vermeiden, wenn das Target „vergiftet" zu werden beginnt, weil die Ablagerungsrate sich in der vergifteten Phase sehr schnell ändert, was die Kontrolle der MgO-Dicke schwierig macht.
  • Die Daten von 7 gestatten es somit, einen Satz von O2-Flussraten und zugehörigen Zeitperioden anzusammeln. Jedes Mitglied des Satzes wird eine Ablagerung der MgO-Tunnelsperrschicht mit einer bestimmten Dicke zur Folge haben. Als Ergebnis können die O2-Flussrate und die zugehörige Zeitperiode ausgewählt werden, um eine MgO-Tunnelsperrschicht mit der gewünschten Dicke abzulagern. Da es erwünscht ist, die Ablagerung durchzuführen, während das Mg-Target sich in dem metallischen Zustand befindet, d. h. keine erhebliche Oxidation hat, muss die Tunnelsperrschicht fertig gestellt sein, während das Target immer noch metallisch ist. Wenn eine dickere Tunnelsperrschicht erforderlich ist, kann sie in mehreren Schichten abgelagert werden, wobei das oben beschriebene Verfahren für jede Schicht wiederholt wird.
  • Während die Ablagerung in dem metallischen Zustand sehr vorteilhaft ist, muss der resultierende MgO-Film gut oxidiert sein. Dieses Erfordernis führt in Richtung auf höhere Sauerstoff-Flussraten und damit auf kürzere Lebensdauer des metallischen Zustands. Diese Situation kann dadurch abgemildert werden, dass ein wahlweiser, abschließender Schritt verwendet wird, in dem die abgelagerte MgO-Tunnelsperrschicht O2 in der Kammer ausgesetzt wird. Bspw. ist eine Sauerstoffbehandlung mit 100 mTorr während etwa 60 sec ein Schritt „natürlicher Oxidation", der dazu beiträgt, dass die Tunnelsperrschicht ihre natürliche MgO-Stoichiometrie erreicht, und der die Verwendung von niedrigen O2-Flussraten während der reaktiven Zerstaubung ermöglicht.
  • Als wahlweiser, abschließender Schritt kann nach dem Beendigen der Zerstaubung die abgelagerte MgO-Tunnelsperrschicht O2 in der Kammer bei 100 mTorr während etwa 60 sec ausgesetzt werden. Dieser wahlweise Schritt der „natürlichen Oxidation" kann dazu beitragen, dass die Tunnelsperrschicht ihre natürliche MgO-Stoichiometrie annimmt.
  • Ein zweiter Eisen-enthaltender Film kann dann direkt auf der MgO-Tunnelsperrschicht durch Zerstaubung abgelagert werden, um die obere ferromagnetische Schicht des MTJ zu bilden. Wenn der MTJ in dem MTJ-Lesekopf, der oben beschrieben wurde, verwendet werden soll, kann der zweite, Eisenenthaltende Film eine freie, ferromagnetische CoFe-Schicht 110 sein (4).
  • Die MTJ's, die mit dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt sind haben TMR- und RA-Werte, die gegenüber früher berichteten MTJ's mit MgO-Tunnelsperrschichten erheblich verbessert sind. Zwei typische MTJ's, die entsprechend dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt wurden, haben einen TMR von etwa 35% mit einem RA von etwa 3,5Ω-(μm)2 und einem TMR von etwa 40% mit einem RA von etwa 5Ω-(μm)2.
  • Während das Verfahren der Erfindung zur Herstellung eines MTJ-Lesekopfes beschrieben wurde, ist das Verfahren vollständig auf die Herstellung anderer MTJ-Vorrichtung mit einer MgO-Tunnelsperrschicht anwendbar, einschließlich MTJ-Speicherzellen und MTT's.
  • Während die vorliegende Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde, ist für den Durchschnittsfachmann verständlich, dass verschiedene Änderungen in der Form und in dem Detail gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist die offenbarte Erfindung nur als erläuternd und in ihrem Schutzumfang nur so eingeschränkt zu betrachten, wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist.

Claims (14)

  1. Verfahren zur reaktiven Zerstaubungsablagerung eines Magnesiumoxid-(MgO)-Films auf einem Eisen-enthaltenden Film in einer Zerstaubungsablagerungskammer umfassend: Bereitstellen eines Zerstaubungstargets in der Kammer, das im Wesentlichen aus Mg und einem Substrat besteht, auf dem der Eisen-enthaltende Film ausgebildet wird; Anlegen einer Spannung an das Target, um Mg-Atome auf den Wänden der Kammer durch Zerstaubung abzulagern, während der Eisen-enthaltende Film gegen eine Beaufschlagung mit den zerstäubten Mg-Atomen geschützt ist; Einführen eines O2-Gases in die Kammer bei einer bekannten Flussrate; Aussetzen des Eisen-enthaltenden Films einer reaktiven Ablagerung von MgO auf dem Eisenenthaltenden Film; und Fortsetzen der reaktiven Ablagerung während einer Zeitdauer, wobei die Zeitdauer und die bekannte Flussrate so ausgewählt werden, dass eine minimale Oxidation des Targets sichergestellt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Anlegen einer Spannung an das Target in Anwesenheit eines inerten Gases, vorzugsweise Argon, vor dem Anlagen einer Spannung an das Target, um Mg-Atome auf den Wänden der Kammer durch Zerstaubung abzulagern, um dadurch im Wesentlichen den Sauerstoff von der Oberfläche des Targets zu entfernen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Aussetzen des abgelagerten MgO-Films dem O2 in der Kammer nach der reaktiven Ablagerung während der Zeitperiode.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Eisen-enthaltende Film eine Legierung ist, die Kobalt (Co) und Eisen (Fe) umfasst.
  5. Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Tunnelübergangs auf einem Substrat in einer Aufstaubungsablagerungskammer umfassend: Abscheiden eines ersten Eisen-enthaltenden Films auf dem Substrat; Abdecken des Eisen-enthaltenden Films mit einer Blende; Anlegen einer Spannung an das Zerstaubungstarget, das im Wesentlichen aus Magnesium (Mg) besteht, um Magnesiumatome auf den Wänden der Kammer durch Zerstaubung abzulagern, wäh rend der Eisen-enthaltende Film durch die Blende gegen eine Beaufschlagung mit zerstaubten Mg-Atomen geschützt ist; Einführen eines O2-Gases in die Kammer mit einer bekannten Flussrate; Entferne der Blende von dem Eisen-ethaltenden Film, um einen MgO-Film auf den Eisenenthaltenden Film reaktiv abzulagern; Fortsetzen der reaktiven Ablagerung während einer Zeitperiode, wobei die Zeitperiode und die bekannte Flussrate so ausgewählt werden, dass eine minimale Oxidation des Targets sichergestellt ist; und Ablagerung eines zweiten Eisen-enthaltenden Films direkt auf dem MgO-Film.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 ferner umfassend Anlegen einer Spannung an das Target in Anwesenheit eines inerten Gases, vorzugsweise Argon, vor dem Anlegen der Spannung an das Target, um Mg-Atome auf den Wänden der Kammer durch Zerstaubung abzulagern, während das Target durch eine Blende abgedeckt ist, um dadurch im Wesentlichen den Sauerstoff von der Oberfläche des Targets zu entfernen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 ferner umfassend Aussetzen des abgelagerten MgO-Films dem O2 in der Kammer nach der reaktiven Ablagerung während der Zeitperiode und vor der Ablagerung des zweiten Eisen-enthaltenden Films.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 ferner umfassend Ätzen der Oberfläche des ersten Eisenenthaltenden Films vor dem Anlegen einer Spannung an das Target, um die Mg-Atome auf den Wänden der Kammer durch Zerstaubung abzulagern.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, worin das Fortsetzen der reaktiven Ablagerung während einer Zeitperiode die Beendigung des Anlegens einer Spannung an das Target umfasst, wenn die Targetspannung einen vorgegebenen Wert erreicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 ferner umfassend Beendigen eines Satzes bekannter O2-Gasströmungsraten und zugehöriger Zeitperioden vor dem Anlegen einer Spannung an das Target, um Mg-Atome auf den Wänden der Kammer durch Zerstaubung abzulagern.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, worin die Bestimmung des Satzes das Anlegen einer Spannung an das Target und für jede bekannte Flussrate in dem Satz das Messen der Abnahme der Targetspannung mit der Zeit umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, worin als Resultat der reaktiven Ablagerung ein MgO-Film bis zu einer ersten Dicke auf dem ersten Eisen-enthaltenden Film abgelagert wurde, und ferner umfassend das Wiederholen des Verfahrens von Anspruch 1, um dadurch die Dicke zu erhöhen.
  13. Verfahren nach Anspruch 5, worin der erste Eisen-enthaltende Film und/oder der zweite Eisenenthaltende Film eine Legierung aufweist bzw. aufweisen, die Kobalt (Co) und Eisen (Fe) umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 5, worin der magnetische Tunnelübergang Teil eines Schreibkopfes mit magnetischem Tunnelübergang oder Teil einer Speicherzelle mit magnetischem Tunnelübergang oder Teil eines magnetischen Tunneltransistors ist.
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