DE60317757T2 - Behandlung von einem Tunnelbarrierenschicht - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Behandlung einer Tunnelbarriereschicht einer Tunnelübergangsvorrichtung. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestrahlung einer elektrisch nicht leitenden Tunnelbarriereschicht mit ultraviolettem Licht durch eine Beschichtung bzw. eine obere Schicht, welche die Tunnelbarriereschicht bedeckt, hindurch, um Defekte in der Tunnelbarriereschicht auszuheilen.
  • Magnetische Tunnelübergänge (MJT) sind Vorrichtungen, die zwei ferromagnetische (FM)-Materialschichten aufweisen, die durch eine dünne dielektrische Schicht (d. h. einer Isolierschicht), die als Tunnelbarriere dient, getrennt werden. Verwendungen für Tunnelübergangsvorrichtungen schließen Magnetfeldsensoren und High-Density-Dünnschicht-Schreib/Leseköpfe für Festplattenlaufwerke ein. Magnetic Random Access Memory (MRAM) ist eine aufkommende Technik, die auch einen Tunnelübergang beinhaltet und die eine Alternative zu traditionellen Datenspeichertechniken bieten kann. MRAM weist wünschenswerte Eigenschaften auf, beispielsweise kurze Zugriffszeiten wie ein DRAM und eine nichtflüchtige Datenspeicherung wie Festplattenlaufwerke. MRAM speichert ein Datenbit (d. h. eine Information) als veränderbare Magnetisierungsrichtung in einem gemusterten magnetischen Dünnschicht- bzw. Dünnfilmelement, das als Datenschicht, Speicherschicht, freie Schicht oder Datenfilm bezeichnet wird. Die Datenschicht ist so ausgelegt, dass sie zwei stabile und voneinander verschiedene magnetische Zustände aufweist, die eine binäre Eins („1") und eine binäre Null („0") definieren. Obwohl das Datenbit in der Datenschicht gespeichert wird, sind viele Schichten aus sorgfältig gesteuerten magnetischen und dielektrischen Dünnschichtmaterialien nötig, um ein vollständiges magnetisches Speicherelement zu bilden. Eine prominente Form eines magnetischen Speicherelements ist eine Spintunnelvorrichtung. Die Spintunnelphysik ist komplex, und es gibt gute Schriften zu diesem Thema.
  • In 1a weist ein MRAM-Speicherelement 101 des Standes der Technik eine Datenschicht 102 und eine Referenzschicht 104 auf, die durch eine dünne Tunnel barriereschicht 106 getrennt werden. In der Regel handelt es sich bei der Tunnelbarriereschicht 106 um einen Dünnfilm mit einer Dicke, die unter etwa 2,0 nm liegt. In einer Tunnelübergangsvorrichtung wie einem Tunnel-Magnetwiderstandsspeicher (TMR), handelt es sich bei der Barriereschicht 106 um ein elektrisch nicht-leitendes dielektrisches Material wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3). Die Tunnelbarriereschicht 106 ist ein Isolator, durch den ein Tunnelstrom hindurchgeht. Die Stärke des Tunnelstroms und die Qualität des Tunnelstroms werden stark von der Qualität des Isolators beeinflusst, der für die Tunnelbarriereschicht 106 verwendet wird. Wenn eine Spannung, die über der Tunnelbarriereschicht 106 angelegt wird, erhöht wird, nimmt der Tunnelstrom auf nicht-lineare Weise zu.
  • Die Referenzschicht 104 weist eine festgelegte Magnetisierungsrichtung 108 auf, d. h. eine festgelegte Magnetisierungsrichtung 108 ist in einer vorgegebenen Richtung festgelegt und dreht sich nicht als Antwort auf ein externes Magnetfeld. Im Gegensatz dazu weist die Datenschicht 102 eine änderbare Magnetisierungsrichtung 103 auf, die sich als Antwort auf ein externes Magnetfeld zwischen zwei Ausrichtungen drehen kann. Die änderbare Magnetisierungsrichtung (103) ist in der Regel an einer Vorzugsachse E der Datenschicht 102 ausgerichtet.
  • Wie in 1b dargestellt, speichert die Datenschicht 102, wenn die festgelegte Magnetisierungsrichtung 108 und die änderbare Magnetisierungsrichtung 103 gleich sind (d. h. parallel zueinander sind), eine binäre Eins („1"). Wenn dagegen die festgelegte Magnetisierungsrichtung 108 und die änderbare Magnetisierungsrichtung 103 einander entgegengesetzt sind (d. h. wenn sie gegenparallel zueinander sind), speichert die Datenschicht 102 eine binäre Null („0").
  • Die Datenschicht 102 und die Referenzschicht 104 dienen als Elektroden einer Tunnelübergangsvorrichtung, die es ermöglicht, den Zustand des Bits, das in der Datenschicht 102 gespeichert ist, durch Messen eines Widerstands über der Datenschicht 102 und der Referenzschicht 104 oder durch Messen einer Stärke des oben genannten Tunnelstroms zu erfassen. Obwohl die Referenzschicht 104 unterhalb der Tunnel barriereschicht 106 dargestellt ist, hängt die tatsächliche Position der Datenschicht 102 und der Referenzschicht 104 von der Reihenfolge ab, in der sie während der Fertigung der magnetischen Speicherzelle 101 ausgebildet werden. Somit kann die Datenschicht 102 zuerst gebildet werden und die Tunnelbarriereschicht 106 kann über der Datenschicht gebildet werden.
  • Idealerweise ist die Tunnelbarriereschicht 106 einer Tunnelübergangsvorrichtung flach und weist eine gleichmäßige Dicke T über ihrem gesamten Querschnitt auf. Darüber hinaus würde eine ideale Tunnelbarriereschicht 106 aus einem dielektrischen Material gefertigt werden, das homogen ist. Eines der Kriterien für eine ideale Tunnelbarriereschicht 106 ist, dass sie eine hohe Durchbruchspannung aufweist. Das heißt, die Spannung, bei der das dielektrische Material der Tunnelbarriereschicht 106 versagt und die Tunnelbarriereschicht 106 als Kurzschlusswiderstand wirkt.
  • In Tunnelübergangsvorrichtungen, wie in den Speicherzellen 101 des Standes der Technik, besteht ein Problem, das den Betrieb der Speicherzelle 101 negativ beeinflusst, darin, dass Defekte in der Tunnelbarriereschicht 106 zu einer niedrigen Durchbruchspannung oder einem elektrischen Kurzschluss führen. Diese Defekte schließen Nadellöcher, Bläschen, Oberflächenunregelmäßigkeiten, Metalleinschlüsse und eine ungleichmäßige Dicke in der Tunnelbarriereschicht 106 ein, um nur einige zu nennen.
  • In 2 ist ein Material für die Tunnelbarriereschicht 106 auf einer Trägerschicht 110, bei der es sich beispielsweise um eine Referenzschicht 106 oder die Datenschicht 102 einer magnetfeldempfindlichen Speicherzelle handelt, ausgebildet oder abgeschieden. Beispielsweise kann es sich bei dem Material der Tunnelbarriereschicht 106 um Aluminium (Al) handeln. Das Material wird dann Sauerstoff (O2) ausgesetzt und wird oxidiert, um Aluminiumoxid (Al2O3) zu bilden. Jedoch oxidiert das Oxidationsverfahren des Standes der Technik nicht alle Aluminiumatome gleichmäßig, und als Folge davon verbleiben nicht-oxidierte Aluminiumatome 111, die Metalleinschlussdefekte in der Tunnelbarriereschicht 106 bilden. Ein Teil der Sauerstoffatome 112 bleibt zurück, ohne mit dem Material 111 für die Tunnelbarriereschicht 106 (d. h. dem Alu minium) reagiert zu haben; jedoch bleiben diese nicht-umgesetzten Sauerstoffatome 112 in der Tunnelbarriereschicht 106 eingeschlossen. Ebenso reagieren einige der Sauerstoffatome 112 mit einem Teil eines Materials 113 für die Trägerschicht und oxidieren dieses. Infolgedessen erzeugen oxidierte Atome 113 an einer Grenzfläche zwischen der Tunnelbarriereschicht 106 und der Trägerschicht 110 einen Defekt, der die Durchbruchspannung der Tunnelbarriereschicht 106 herabsetzt.
  • Verfahren des Standes der Technik zur Abscheidung oder Ausbildung der Tunnelbarriereschicht 106, wie SF-Sputtern, Plasmaoxidation oder UV/Ozon-Oxidation, lassen im Endeffekt einige Defekte in der Tunnelbarriereschicht 106 zurück, die zu einer schlechten Tunnelbarriere mit Schwachpunkten darin führen, die einen Kurzschluss oder eine niedrige Durchbruchspannung bewirken. Darüber hinaus macht es das Vorhandensein dieser Defekte nötig, eine dickere Nitrid/Oxid-Schicht für die Tunnelbarriereschicht 106 zu bilden. Wenn dagegen das dielektrische Material ein wirklich gutes Dielektrikum ist, dann kann die Dicke der Tunnelbarriereschicht 106 verringert werden. Eine dünnere Tunnelbarriereschicht 106 trägt auch dazu bei, die Gleichmäßigkeit über einem Wafer, der mehrere Tunnelübergangsvorrichtungen trägt, insgesamt zu verbessern. Eine dünnere Tunnelbarriereschicht 106 senkt auch den absoluten Widerstand des Tunnelübergangs, was für einige Anwendungen wichtig sein kann.
  • Wie in 2 dargestellt, ist es bei der Tunnelbarriereschicht 106 des Standes der Technik, nachdem diese auf der Trägerschicht 110 ausgebildet wurde, jedoch aus mehreren Gründen häufig notwendig, eine nächste Schicht 120 im Tunnelübergangsstapel abzuscheiden. Die nächste Schicht 120 kann irgendeine Schicht sein, die bei der Fertigung einer Tunnelübergangsvorrichtung notwendig ist.
  • Erstens ist es wünschenswert, eine weitere ungesteuerte Oxidation der Tunnelbarriereschicht 106 zu begrenzen. Zu diesem Zweck wird die nächste Schicht 120 über der Tunnelbarriereschicht 106 abgeschieden, um die Tunnelbarriereschicht 106 abzuschließen und sie damit im Wesentlichen inert gegenüber einer weiteren ungesteuerten Oxidation zu machen.
  • Zweitens ist es wünschenswert, eine Oxidation und/oder Kontamination der Tunnelbarriereschicht 106 als Folge davon, dass die Tunnelbarriereschicht 106 entweder wegen einer Zerstörung des Vakuums in der Verarbeitungsumgebung oder wegen einer atmosphärischen Kontamination der Verarbeitungsumgebung (d. h. durch Luft) der Atmosphäre ausgesetzt wird, zu verhindern.
  • Schließlich kann es wünschenswert sein, die nächste Schicht 120 in situ als Teil des Fertigungsverfahrens für eine Tunnelübergangsvorrichtung abzuscheiden, so dass die Abscheidung der Tunnelbarriereschicht 106 und der nächstens Schicht 120 aufeinander folgende Schritte im Fertigungsprozess sind.
  • Andererseits sind die vorgenannten Defekte in der Tunnelbarriereschicht 106 auch noch vorhanden, nachdem die nächste Schicht 120 ausgebildet wurde, und diese Defekte müssen verringert oder beseitigt werden, um eine Tunnelbarriereschicht 106 mit wünschenswerten Eigenschaften, wie einer minimalen Defektdichte, zu bilden.
  • Infolgedessen besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Behandlung einer elektrisch nicht-leitenden Tunnelbarriereschicht durch eine obere Schicht in einer Tunnelübergangsvorrichtung hindurch, so dass eine Oxidation oder Nitridation der Tunnelbarriereschicht über der ganzen Tunnelbarriereschicht gleichmäßig und homogen ist.
  • WO 01/84643A offenbart ein Verfahren zur Behandlung einer Tunnelbarriereschicht einer Tunnelübergangsvorrichtung, welches umfasst: Ausbilden einer Schicht vorgegebener Dicke auf einer zuvor ausgebildeten Tunnelbarriereschicht und Bestrahlen der Tunnelbarriereschicht durch die obere Schicht hindurch mit ultraviolettem Licht, so dass das ultraviolette Licht die vorgegebene Dicke der oberen Schicht durchdringt und auf einen Reaktanten trifft, der sich in der Tunnelbarriereschicht befindet, wobei das ultraviolette Licht dazu dient, den Reaktanten zu aktivieren, so dass der Reaktant mit einem Material der Tunnelbarriereschicht reagiert und das Material in ein elektrisch nicht-leitendes Material transformiert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Behandlung einer Tunnelbarriereschicht einer Tunnelübergangsvorrichtung geschaffen, welches umfasst:
    Ausbilden einer oberen Schicht vorgegebener Dicke auf einer zuvor ausgebildeten Tunnelbarriereschicht; und
    Bestrahlen der Tunnelbarriereschicht durch die obere Schicht hindurch mit ultraviolettem Licht, so dass das ultraviolette Licht die vorgegebene Dicke to der oberen Schicht durchdringt und auf einen Reaktanten trifft, der sich in der Tunnelbarriereschicht befindet,
    wobei das ultraviolette Licht dazu dient, den Reaktanten zu aktivieren, so dass der Reaktant mit einem Material der Tunnelbarriereschicht reagiert und das Material in elektrisch nicht-leitendes Material transformiert; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch das Erwärmen der Tunnelbarriereschicht mittels einer separaten Wärmequelle umfasst, wobei die Erwärmung während der Bestrahlung stattfindet und die Erwärmung dazu dient, die Aktivierungsrate des Reaktanten mit dem Material der Tunnelbarriereschicht zu erhöhen.
  • Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befriedigen den genannten Bedarf an einer gleichmäßigen Tunnelbarriereschicht durch Behandeln einer elektrisch nicht-leitenden Tunnelbarriereschicht einer Tunnelübergangsvorrichtung mit ultraviolettem Licht, das die Tunnelbarriereschicht durch mindestens eine obere Schicht, welche die Tunnelbarriereschicht bedeckt, hindurch bestrahlt. Sauerstoff oder ein anderer Reaktant, wie Stickstoff, der sich aufgrund eines früheren Verarbeitungsschritts in der Tunnelbarriereschicht befindet, wird durch die Ultraviolettbestrahlung aktiviert und heilt Defekte in der Tunnelbarriereschicht aus. Das ultraviolette Licht kann von einer Ultraviolett-Lichtquelle stammen, die in eine vorhandene Verarbeitungsausrüstung aufgenommen wurde. Die Tunnelbarriereschicht kann während der Ausbildung der oberen Schicht bestrahlt werden, oder die Tunnelbarriereschicht kann nach der Ausbildung der oberen Schicht bestrahlt werden. Jedes Verfahren kann in situ stattfinden, so dass eine mögliche Kontamination und/oder eine ungewünschte Oxidation/-Nitridation der Tunnelbarriereschicht oder anderer Dünnfilmschichten in einem MRAM-Stapel oder einer anderen Tunnelübergangsvorrichtung verringert oder eliminiert wird. Ein Vorteil des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, dass es leicht in bereits vorhandene Mikoelektronikausrüstung integriert werden kann. Mit der oberen Schicht kann eine Bestrahlung der Tunnelschicht mit dem Ultraviolettlicht auch in situ stattfinden.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird Wärme von einer Wärmequelle an die Tunnelbarriereschicht der Tunnelübergangsvorrichtung angelegt, um den Aktivierungsprozess noch zu verstärken. Infolgedessen werden mehr Defekte beseitigt, und die Bearbeitungszeit für die Aktivierung kann verringert werden. Das Erwärmen kann zumindest während der Bestrahlung mit dem Ultraviolettlicht stattfinden.
  • Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung ersichtlich, die anhand von Beispielen eine Reihe von derzeit bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • 1a ist eine Profildarstellung eines magnetischen Speicherelements des Standes der Technik.
  • 1b ist eine Schema, das einen Datenspeicher im magnetischen Speicherelement des Standes der Technik von 1a darstellt.
  • 2 ist eine Querschnittsdarstellung, die Defekte in einer Tunnelbarriereschicht des Standes der Technik zeigt, die von einer nächsten Schicht einer Tunnelübergangsvorrichtung des Standes der Technik bedeckt ist.
  • 3 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Vielzahl von Dünnschichten einer Tunnelübergangsvorrichtung zeigt, die eine Tunnelbarriereschicht mit darin enthaltenen Defekten einschließt, die dazu dienen kann, die vorliegende Erfindung zu erläutern.
  • 4a und 4b sind Querschnittsdarstellungen, welche die Bildung von mindestens einer Schicht über einer Tunnelbarriereschicht mit darin enthaltenen Defekten darstellt und die dazu dienen kann, die die vorliegende Erfindung zu erläutern.
  • 5a und 5b sind Querschnittsdarstellungen, welche die Bestrahlung einer Tunnelbarriereschicht mit ultraviolettem Licht durch mindestens eine obere Schicht hindurch und eine Aktivierung eines Recktanten zeigt und die dazu dienen kann, die vorliegende Erfindung zu erläutern.
  • 6a und 6b sind Querschnittsdarstellungen, welche die Erwärmung der Tunnelbarriereschicht zur Erhöhung einer Aktivierungsrate eines Recktanten gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den mehreren Figuren der Zeichnung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie in der Zeichnung zur Erläuterung dargestellt, ist die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zur Behandlung einer elektrisch nicht-leitenden Tunnelbarriereschicht einer Tunnelübergangsvorrichtung ausgeführt, bei dem ein ultraviolettes Licht verwendet wird, um die Tunnelbarriereschicht durch mindestens eine obere Schicht, welche die Tunnelbarriereschicht bedeckt, hindurch belichtet wird. Das ultraviolette Licht dient dazu, einen Recktanten, der sich in der Tunnelbarriereschicht befindet, zu aktivieren, so dass der Reaktant mit einem Material der Tunnelbarriereschicht reagiert, was zu einer Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Oxidation oder Nitridation der Tunnelbarriereschicht führt. Das Ergebnis ist ein elektrisch nicht-leitendes Material mit verringerten Defekten, verbesserter Homogenität und einer höheren Durchbruchspannung. Obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf die Behandlung von Defekten in einer Tunnelbarriereschicht einer Tunnelübergangsvorrichtung anwendbar ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Behandlung von Tunnelbarriereschichten beschränkt und kann auf jede dielektrische Schicht einer Tunnelübergangsvorrichtung angewendet werden, bei der es wünschenswert ist, Defekte in der dielektrischen Schicht auszuheilen.
  • In einem Beispiel, das dazu dienen kann, die vorliegende Erfindung zu erläutern, wird, wie in 3 dargestellt, eine Tunnelbarriereschicht 6 auf einer Vorläuferschicht 4 einer Tunnelübergangsvorrichtung 50 ausgebildet. Die Vorläuferschicht 4 kann irgendeine der Schichten aus Dünnfilmmaterialien sein, aus denen die Tunnelübergangsvorrichtung 50 besteht, was – jedoch ohne Beschränkung – eine oder mehrere Schichten einer Datenschicht (auch als Speicherschicht oder freie Schicht bezeichnet) oder eine oder mehrere Schichten einer Referenzschicht (auch als festgelegte Schicht bezeichnet) einer mangnetfeldempfindlichen Speichervorrichtung einschließt. Beispielsweise können die Tunnelbarriereschicht 6 und die Vorläuferschicht 4 jeweils eine von mehreren Schichten einer TMR-Speicherzelle sein. Die Tunnelübergangsvorrichtung 50 kann andere Schichten einschließen, wie eine Schicht 2, welche die Vorläuferschicht 4 trägt. Die Tunnelübergangsvorrichtung kann auch eine (nicht dargestellte) Substratschicht, wie beispielsweise einen Silicium (Si)-Wafer, einschließen.
  • Die Schichten 2 und 4 der Tunnelübergangsvorrichtung 50 werden in einer geordneten Sequenz ausgebildet wie von einem gestrichelten Pfeil p dargestellt, so dass die Schicht 2 in der geordneten Sequenz p vor der Schicht 4 kommt. Somit ist die Vorläuferschicht 4 diejenige Schicht, welche der Tunnelbarriereschicht 6 in der geordneten Sequenz p vorangeht. Anschließende Verfahrensschritte (nicht dargestellt), die nach der Bildung der Tunnelbarriereschicht 6 in der geordneten Sequenz p stattfinden, sind erforderlich, um die Bildung der Tunnelübergangsvorrichtung 50 zu vervollständigen.
  • Obwohl ein magnetfeldempfindlicher Speicher, wie die Tunnelübergangsvorrichtung 50, eine Vielzahl von Schichten aus Dünnschichtmaterialien einschließen kann, ist für die Zwecke der Erläuterung die Tunnelübergangsvorrichtung 50 so dargestellt, als würde sie die Vorläuferschicht 4 und die Tunnelbarriereschicht 6 aufweisen, aber sie soll nicht als nur auf diese Schichten beschränkt aufgefasst werden.
  • In 3 ist die Tunnelbarriereschicht 6 auf der Vorläuferschicht 4 der Tunnelübergangsvorrichtung 50 ausgebildet. Mikroelektronik-Verarbeitungsverfahren, die allgemein verwendet werden, um Dünnschichtmaterialien auszubilden, können verwendet werden, um die Tunnelbarriereschicht 6 auszubilden. Beispielsweise kann ein Abscheidungs- oder ein Sputter-Verfahren angewendet werden, um ein Material für die Tunnelbarriereschicht 6 auf einer Oberfläche 4s der Vorläuferschicht 4 abzuscheiden.
  • Geeignete Materialien für die Tunnelbarriereschicht 6 schließen, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Bor (B) und Tantal (Ta) ein. Das Verfahren zur Ausbildung der Tunnelbarriereschicht 6 kann ein Verfahren sein, das, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, RF-Sputtern, DC-Sputtern, Verdampfen, plasmaunterstützte Abscheidung (PVD), plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD), molekulare Strahlepitaxie (MBE) und metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) einschließt. Das Oxid- oder Nitridmaterial für die Tunnelbarriereschicht 6 kann auch von einem Oxid- oder einem Nitrid-Zielmaterial reaktiv gesputtert werden. Wenn beispielsweise das abzuscheidende Material Aluminiumoxid ist, dann kann das Zielmaterial Al2O3 sein. Nachdem das Sputter-Verfahren vorbei ist, müssen die Defekte in der Tunnelbarriereschicht 6 aber immer noch ausgeheilt werden.
  • Vor der Bildung einer nächsten oberen Schicht wird die Tunnelbarriereschicht 6 anhand eines Oxidationsprozesses für die Bildung eines Oxids oder eines Nitridationsprozesses für die Bildung eines Nitrids in ein elektrisch nicht-leitendes Material (d. h. ein dielektrisches Material) umgebildet. In 3 werden ein Reaktant 12, wie Atome von Sauerstoff (O2) oder Atome von Stickstoff (N2) in das Material der Tunnelbarriereschicht 6 eingeführt. Ein Teil des Recktanten 12 reagiert chemisch mit einem Material der Tunnelbarriereschicht 6, um ein elektrisch nicht-leitendes Material zu bilden, wie ein Oxid im Falle von Sauerstoff (O2) oder ein Nitrid im Falle von Stickstoff (N2).
  • Wenn die Tunnelbarriereschicht 6 anhand eines Sputter-Verfahrens gebildet wird, dann ist die Tunnelbarriereschicht 6 nach ihrer Abscheidung bereits ein elektrisch nichtleitendes Material. Ein Verfahren, das ein Sputterverfahren und ein reaktives Sputter- Verfahren beinhaltet, aber nicht darauf beschränkt ist, kann verwendet werden, um die elektrisch nicht-leitende Tunnelbarriereschicht 6 zu bilden. Beispielsweise kann ein Sputter-Ziel, wie Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlNx), Magnesiumoxid (MgO) oder Tantaloxid (TaOx) das Quellmaterial für die elektrisch nicht-leitende Tunnelbarriereschicht 6 sein. In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit, ein anschließendes Oxidations- oder Nitridationsverfahren durchzuführen, um das Material der Tunnelbarriereschicht 6 in ein elektrisch nicht-leitendes Material umzuformen. Trotzdem bleibt auch bei einem Sputter-Verfahren eine gewisse Menge an Recktanten 12, die nicht chemisch mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reagiert haben, in der Tunnelbarriereschicht 6 zurück.
  • In jedem Fall reagieren nicht alle Recktanten 12 chemisch mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6. Infolgedessen verbleibt ein gewisser Teil des Recktanten im nicht-umgesetzten Zustand im Material der Tunnelbarriereschicht 6 (siehe Bezugszeichen 12). Ebenso bleibt auch ein gewisser Teil des Materials der Tunnelbarriereschicht 6 nicht-umgesetzt (siehe Bezugszahl 11). Beispielsweise können Aluminiumatome zurückbleiben, ohne reagiert zu haben. Außerdem reagiert ein gewisser Teil des Recktanten 12 mit einem Material (siehe Bezugszeichen 13) für die Vorläuferschicht 4 in einer Region, die der Oberfläche 4s der Vorläuferschicht 4 nahe liegt.
  • Insofern als der Reaktant 12, der mit dem Material 13 reagiert hat, nicht mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 umgesetzt wird, liegt dieser Reaktant auch in einem nicht-umgesetzten Zustand vor, da er nicht mit dem vorgesehenen Zielmaterial 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reagiert hat und da freie Atome 11 des Zielmaterials in der Tunnelbarriereschicht 6 vorhanden sind, die für eine Reaktion mit dem Recktanten 12 zur Verfügung stehen. Der Reaktant 12, der nicht-umgesetzt zurückbleibt, kann die Ursache für die genannten Defekte in der Tunnelbarriereschicht 6 sein, welche die Durchbruchspannung herabsetzen und/oder zu einer Ungleichmäßigkeit in der Tunnelbarriereschicht 6 führen können.
  • Wie in 4a und 4b dargestellt, wird, nachdem die Tunnelschicht 6 ausgebildet und über Sputtern, Oxidation oder Nitridation im Wesentlichen in ein elektrisch nichtleitendes Material umgeformt wurde, dann auf einer Oberfläche 6s der Tunnelbarriereschicht 6 als Teil eines oder mehrerer anschließender Verarbeitungsschritte mindestens eine obere Schicht 8 ausgebildet. Die obere Schicht 8 bedeckt die Tunnelbarriereschicht 6 und weist eine vorgegebene Dicke to auf. In 4b ist eine weitere obere Schicht 10 auf einer Oberfläche 8s der oberen Schicht 8 ausgebildet, und beide Schichten (8, 10) bedecken die Tunnelbarriereschicht 6, und eine kombinierte vorgegebene Dicke dieser Schichten (8, 10) ist to (d. h. die Dicke der darüber liegenden Schicht 8 plus die Dicke der darüber liegenden Schicht 10 = to).
  • Nachdem eine oder mehrere der Schichten (8, 10 usw.) ausgebildet wurden, verbleiben jedoch immer noch die zuvor genannten Defekte (11, 12, 13) in der Tunnelbarriereschicht 6 und müssen ausgeheilt werden.
  • In 5a bestrahlt ultraviolettes Licht 30 von einer Lichtquelle 32 (d. h. von einer Lichtquelle, die eine Strahlung im Ultraviolettlichtbereich aussendet) die Tunnelbarriereschicht 6 durch die obere Schicht 8 hindurch. Ein Teil des ultravioletten Lichts 30 trifft auf den Recktanten 12, der sich in der Tunnelbarriereschicht 6 befindet. Das ultraviolette Licht 30 aktiviert den Recktanten 12, so dass er chemisch mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reagiert und das Material 11 in das elektrisch nichtleitende Material umformt. Im Wesentlichen liegen vor der Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 freie Atome im Recktanten 12 und freie Atome des Materials 11 der Tunnelbarriereschicht 6 vor. Sobald die Bestrahlung begonnen wurde, aktiviert die Energie des ultravioletten Lichts 30 den Recktanten 12, so dass der Reaktant 12 chemisch mit den freien Atomen des Materials 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reagiert um das elektrisch nicht-leitende Material zu bilden.
  • Wenn beispielsweise das Material der Tunnelbarriereschicht 6 Aluminium (Al) ist und der Reaktant Sauerstoff (O2) ist, dann ist das gewünschte elektrisch nicht-leitende Material Aluminiumoxid (Al2O3). Vor der Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 sind freie Atome von Aluminium (siehe Bezugszeichen 11) und freie Atome von Sauerstoff (siehe Bezugszeichen 12) in der Tunnelbarriereschicht 6 vorhanden. Die Bestrahlung wirkt so, dass sie die Sauerstoffatome durch Übertragung von Energie vom ultravioletten Licht 30 auf die Sauerstoffatome aktiviert, wodurch die Energie bereitgestellt wird, die nötig ist, um die chemische Reaktion der Sauerstoffatome mit den Aluminiumatomen abzuschließen, um Aluminiumoxid (Al2O3) zu bilden.
  • Die Quelle 32 für das ultraviolette Licht 30 kann beispielsweise eine im Handel erhältliche UV-Lichtquelle sein, einschließlich einer Kaltkathoden-UV-Gitterlampe oder einer Warmkathoden-UV-Spirallampe, ist jedoch nicht auf eine solche beschränkt. Die Wellenlänge des ultravioletten Lichts 30 hängt vom Verwendungszweck ab. In der Regel gilt Licht mit einer Wellenlänge (in Nanometern) zwischen etwa 4 nm und etwa 400 nm als ultraviolette Strahlung (UV). Nah-UV ist ein Bereich von etwa 400 nm bis etwa 300 nm, Fern-UV ist ein Bereich von etwa 300 nm bis etwa 200 nm, und alles unter etwa 200 nm gilt als Extrem-UV. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge für das ultraviolette Licht 30 in einem Bereich von etwa 200 nm bis etwa 400 nm.
  • Die vorgegebene Dicke to der oberen Schicht 8 oder – im Falle von mehr als einer oberen Schicht – die kombinierte Dicke to dieser Schichten (z. B. 8, 10 usw.) sollte so gewählt werden, dass das ultraviolette Licht 30 diese Schichten durchdringt und die Tunnelbarriereschicht 6 gründlich bestrahlt. Ferner sollten die Materialien, die für die obere Schicht (8, 10 usw.) gewählt werden, optisch für die Wellenlänge des ultravioletten Lichts 30 transparent sein.
  • Beispielsweise sollte die obere Schicht 8 im Wesentlichen weder sämtliches ultraviolette Licht 30 reflektieren noch das ultraviolette Licht erheblich dämpfen. Da die Schichten aus Dünnfilmmaterialien, aus denen die Tunnelübergangsvorrichtung 50 besteht, in der Regel nur wenige Nanometer (nm) oder noch weniger dick sind und in manchen Fällen eine Dicke in der Größenordnung von wenigen hundert Angström haben, dringt ultraviolettes Licht 30 im Nah-UV-, Fern-UV und dem ganzen Extrem- UV-Spektrum bis auf dessen unterstes Ende durch mindestens eine obere Schicht 8 und bestrahlt die Tunnelbarriereschicht 6 gründlich.
  • In 5a trifft ein Teil des ultravioletten Lichts 30 (siehe die gestrichelten Pfeile) auf den Recktanten 12, der Reaktant 12 wird aktiviert (siehe gestrichelte Pfeile a) und der Reaktant 12 reagiert chemisch mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6. In 5b führt eine chemische Bindung des Recktanten 12 an das Material 11 zur Bildung des elektrisch nicht-leitenden Materials. Außerdem ist in 5a eine chemisch Bindung zwischen dem Material 13 und dem Recktanten 12 (durch die ultraviolette Strahlung 30) zerbrochen, so dass der Reaktant 12 frei für eine Bindung an das Material 11 ist, wie in 5b dargestellt.
  • In 5b hat der Reaktant 12 mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reagiert, um das elektrisch nicht-leitende Material zu bilden, wodurch die vorgenannten Defekte verringert oder beseitigt werden und die Gleichmäßigkeit und die Durchbruchspannung der Tunnelbarriereschicht 6 erhöht werden.
  • Wenn es sich bei dem Verfahren, das verwendet wird, um die Tunnelbarriereschicht 6 vor der Bildung der oberen Schicht 8 in ein elektrisch nicht-leitendes Material umzuformen, um ein Oxidationsverfahren handelt, dann kann dieses Oxidationsverfahren u. a. ein Plasmaoxidationsverfahren, ein natürliches Oxidationsverfahren, ein natürliches Oxidationsverfahren bei Raumtemperatur (d. h. bei etwa 25°C) oder ein UV/Ozon-Oxidationsverfahren sein.
  • Die UV/Ozon-Oxidation sollte nicht mit der Bestrahlung der Tunnelbarriereschicht 6 mit dem ultravioletten Licht 30 durch die obere Schicht 8 hindurch verwechselt werden. In scharfem Gegensatz zum Ultraviolett-Bestrahlungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist die UV/Ozon-Oxidation ein eigenes Verfahren, bei dem Sauerstoff (O2)-Gas ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, um den Sauerstoff in Ozon (O3) umzuwandeln. Das Ozon wird dann in die Tunnelbarriereschicht 6 eingeführt. Das Ozon erhöht die Reaktionsrate mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6, da Ozon (O3) stark reaktiv ist und mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reaktiver ist als O2. Unabhängig vom Verfahren, das für die Oxidation oder Nitridation verwendet wird, kann es sich bei dem Recktanten 12 u. a. um ein Sauerstoff-(O2), Ozon-(O3) oder Stickstoff-(N2) Material handeln, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein.
  • Die Bestrahlung der Tunnelbarriereschicht 6 mit dem ultravioletten Licht 30 kann für eine vorgegebene Zeit fortgesetzt werden, bis eine gewünschte Eigenschaft der Tunnelbarriereschicht 6 erhalten wurde. Die gewünschte Eigenschaft kann eine Eigenschaft sein, die eine vorgegebene Defektdichte in der Tunnelbarriereschicht 6, eine vorgegebene Durchbruchspannung der Tunnelbarriereschicht 6, eine Änderung der Kristallstruktur der Tunnelbarriereschicht 6 und eine Änderung des Gefüges einer Kornausrichtung der Tunnelbarriereschicht 6 einschließt, jedoch nicht auf diese beschränkt ist.
  • Beispielsweise kann die Defektdichte die Zahl der Metalleinschlüsse (d. h. der Defekte) pro Flächeneinheit oder pro Volumeneinheit der Tunnelbarriereschicht 6 sein. Als weiteres Beispiel kann ein Gefüge mit gewissen Kornausrichtungen infolge einer Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 wachsen. Als weiteres Beispiel kann eine Kristallstruktur der Tunnelbarriereschicht 6 sich als Folge der Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 von amorph in kristallin verändern. Die Verifizierung der Verwirklichung einiger der zuvor genannten gewünschten Eigenschaften der Tunnelbarriereschicht 6 kann beispielsweise durch eine strukturelle Darstellung mittels eines Werkzeugs wie eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) durchgeführt werden.
  • Die Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 kann während der Bildung der oberen Schicht stattfinden, oder die Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 kann nach der Bildung der oberen Schicht stattfinden. Daher kann in 5a das ultraviolette Licht 30 die Tunnelbarriereschicht 6 bestrahlen, während die obere Schicht 8 gerade gebildet wird oder nachdem die obere Schicht 8 gebildet wurde.
  • Das ultraviolette Licht 30 kann durch eine Ultraviolettlichtquelle 32, die in einer (nicht dargestellten) Kammer, in der die Bearbeitung der Tunnelübergangsvorrichtung 50 zum Teil oder ganz stattfindet, angeordnet sein. Die Ultraviolettlichtquelle 32 kann die Tunnelbarriereschicht 6 auch durch ein Fenster, das für eine Wellenlänge des ultravioletten Lichts 30 transparent ist, hindurch belichten.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie in 6a und 6b dargestellt, die Tunnelbarriereschicht 6 zumindest während des Bestrahlungsverfahrens erwärmt H, um eine Aktivierungsrate des Recktanten 12 mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 zu erhöhen. Die Erwärmung H beschleunigt den Aktivierungsprozess und beseitigt mehr Defekte aus der Tunnelbarriereschicht 6.
  • In 6a wird die Tunnelbarriereschicht 6 erwärmt H, um die Aktivierungsrate zu erhöhen. Der Reaktant 12 wird aktiviert (siehe gestrichelte Pfeile a) und reagiert chemisch mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6. Eine Reihe von Verfahren, die auf dem Gebiet der Mikroelektronik bekannt sind, können verwendet werden, um die Tunnelbarriereschicht 6 zu erwärmen H. Beispielsweise kann ein (nicht dargestelltes) Substrat, das die Tunnelübergangsvorrichtung 50 trägt, dadurch erwärmt werden H, dass man das Substrat auf eine Unterdruckeinrichtung, ein Gestell, eine Probenplattform oder dergleichen legt, die bzw. das eine Wärmequelle enthält oder mit einer Wärmequelle in Wärmekommunikation steht. Beispielsweise kann eine Wärmequelle wie eine Infrarot-Quarzwärmelampe, eine Widerstandsheizung oder eine Metallband-Strahlungsheizung verwendet werden, um das Substrat oder die Tunnelbarriereschicht 6 zu erwärmen. Wie oben angegeben, findet die Erwärmung der Tunnelbarriereschicht 6 zumindest während der Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 statt.
  • In 6b hat der Reaktant 12 mit dem Material 11 der Tunnelbarriereschicht 6 reagiert, um das elektrisch nicht-leitende Material zu bilden, wodurch die vorgenannten Defekte verringert oder beseitigt werden und die Gleichmäßigkeit und die Durchbruchspannung der Tunnelbarriereschicht 6 erhöht werden.
  • In 6a und 6b bedeckt mehr als eine obere Schicht (d. h. 8, 10) die Tunnelbarriereschicht 6, und das ultraviolette Licht 30 durchdringt diese Schichten, um die Tunnelbarriereschicht 6 zu bestrahlen. Jedoch kann die Erwärmung H mit einer oberen Schicht oder mit mehr als einer oberen Schicht verwendet werden. Die Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 kann während der Bildung der oberen Schicht 10 oder nach der Bildung der oberen Schicht 10 stattfinden.
  • Ebenso kann die Erwärmung H während der Bildung irgendwelcher der Schichten (8, 10) oder nach der Bildung dieser Schichten stattfinden. Da die Aktivierung des Recktanten 12 durch Erwärmen H so wirkt, dass die zuvor genannten Defekte (11, 12, 13) ausgeheilt werden, kann die Erwärmung H auch vor der Bildung der oberen Schicht (8, 10) und vor der Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 angewendet werden. Außerdem kann die Erwärmung H jederzeit während der Bildung der oberen Schicht (8, 10) erneut angewendet werden und die Erwärmung kann isoliert erneut angewendet werden.
  • Die Bestrahlung mit dem ultravioletten Licht 30 und die Erwärmung H können in situ mit anderen mikroelektrischen Verfahren zur Ausbildung der Tunnelübergangsvorrichtung 50 stattfinden und können während oder nach der Bildung einer darüber liegenden Schicht stattfinden.

Claims (11)

  1. Verfahren des Behandelns einer Tunnelbarrierenschicht (6) einer Tunnelübergangsvorrichtung (50), wobei das Verfahren aufweist: Bilden einer Beschichtung (8) einer vorbestimmten Dicke to auf einer zuvor gebildeten Tunnelbarrierenschicht (6); und Bestrahlen der Tunnelbarrierenschicht (6) durch die Beschichtung (8) mit Ultraviolettlicht (30), so dass das Ultraviolettlicht (30) die vorbestimmte Dicke to der Beschichtung (8) durchdringt und auf einen in der Tunnelbarrierenschicht (6) angeordneten Recktanten trifft, wobei das Ultraviolettlicht (30) derart wirksam ist, dass es den Recktanten (12) aktiviert (a), so dass der Reaktant (12) mit einem Material (11) der Tunnelbarrierenschicht (6) reagiert und das Material (11) in ein elektrisch nicht leitfähiges Material umwandelt; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem das Erwärmen (H) der Tunnelbarrierenschicht (6) unter Verwendung einer separaten Wärmequelle aufweist, wobei das Erwärmen während des Bestrahlens auftritt und das Erwärmen derart wirksam ist, dass es eine Aktivierungsrate des Recktanten (12) mit dem Material (11) der Tunnelbarrierenschicht (6) erhöht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, und weiter aufweisend: das Fortsetzen des Bestrahlens mit dem Ultraviolettlicht (30) für eine vorbestimmte Zeit bis eine gewünschte Eigenschaft der Tunnelbarrierenschicht (6) erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gewünschte Eigenschaft der Tunnelbarrierenschicht (6) eine vorbestimmte Defektdichte in der Tunnelbarrierenschicht (6), eine vorbestimmte Durchbruchspannung der Tunnelbarrierenschicht (6), eine Änderung einer Kristallstruktur der Tunnelbarrierenschicht (6) oder eine Änderung des Gefüges einer Kornausrichtung der Tunnelbarrierenschicht (6) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktant (12) Sauerstoff, Ozon oder Stickstoff ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material (11) für die Tunnelbarrierenschicht (6) Aluminium, Magnesium, Bor oder Tantal umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestrahlen während oder nach dem Bilden der Beschichtung (8) auftritt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ultraviolettlicht (30) eine Wellenlänge von etwa 200 nm bis etwa 400 nm besitzt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufwärmen (H) mit der separaten Wärmequelle während des Bildens der Beschichtung (8) auftritt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und weiter aufweisend: Aufwärmen (H) der Tunnelbarrierenschicht (6) nach dem Bestrahlen zum Erhöhen einer Aktivierungsrate des Reaktanten (12) mit dem Material (11) der Tunnelbarrierenschicht (6).
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: Aufwärmen (H) der Tunnelbarrierenschicht (6) vor dem Bilden der Beschichtung (8) zum Erhöhen einer Aktivierungsrate des Recktanten (12) mit dem Material (11) der Tunnelbarrierenschicht (6).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, und weiter aufweisend: erneutes Anwenden des Aufwärmens (H) während oder nach dem Bilden der Beschichtung (8).
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