EP1277244A2 - Verfahren zum herstellen magnetischer tunnelkontakte und magnetischer tunnelkontakt - Google Patents

Verfahren zum herstellen magnetischer tunnelkontakte und magnetischer tunnelkontakt

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EP1277244A2
EP1277244A2 EP01949293A EP01949293A EP1277244A2 EP 1277244 A2 EP1277244 A2 EP 1277244A2 EP 01949293 A EP01949293 A EP 01949293A EP 01949293 A EP01949293 A EP 01949293A EP 1277244 A2 EP1277244 A2 EP 1277244A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
magnetic tunnel
tunnel contact
metal layer
oxidation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01949293A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Emad Girgis
Jakob Schelten
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing magnetic tunnel contacts, in which a metal layer is applied to a first ferromagnetic layer and the metal layer is oxidized.
  • the invention further relates to a magnetic tunnel contact with a first ferromagnetic layer and an oxidized metal layer arranged on the first ferromagnetic layer.
  • Tunnel magnetoresistors which can be used, for example, as magnetic field sensors and for storing digital information, generally consist of a first ferromagnetic layer, a thin oxidic intermediate layer and a second ferromagnetic layer arranged above it. Co and NiFe are mostly used as ferromagnetic layers; the thin oxidic intermediate layer usually consists of Al 2 0 3 . This alumina layer acts as an electrical tunnel barrier of the tunnel magnetoresistance.
  • the tunnel magnetoresistors are currently manufactured in such a way that an aluminum layer with a thickness of approximately 1.3 nm, which corresponds to approximately 5 atomic layers, is applied to a first ferromagnetic layer.
  • This aluminum layer is subsequently oxidized using various oxidation processes, for example oxidation in air, thermal oxidation in an oxygen atmosphere, plasma-assisted oxidation in oxygen plasma and oxidation under UV radiation.
  • the thin aluminum layer is applied to the first ferromagnetic layer, for example by vapor deposition or sputtering. In-situ oxidation of the aluminum sputter layer in a 0 2 atmosphere under a pressure of 100 mb at room temperature and under UV radiation has proven particularly useful.
  • a second ferromagnetic layer is applied to the aluminum oxide layer.
  • the magnetoresistance ratio is defined as the relative change in the resistance during the transition from the parallel to the antiparallel position of the magnetizations in the ferromagnetic layers. If one designates the resistance with parallel magnetization with R p and the resistance with anti-parallel position with R a , the result is the MR value as (R a -R p ) / R p .
  • the generic TMR components show a certain voltage dependency of the TMR effect.
  • the tunnel resistance can only be set within certain limits via the layer thicknesses.
  • the generic tunnel magnetoresistors can be improved;
  • FIG. 7 shows a layer structure with a magnetic tunnel contact of the prior art.
  • the layer structure consists of a Co layer, an overlying Al 2 0 3 layer and a NiFe layer, which lies over the Al 2 0 3 layer.
  • FIG. 8 shows a further layer structure of a magnetic tunnel contact of the prior art a Co layer and an overlying Al 2 0 3 layer.
  • An area of the Al 2 0 3 layer is identified by reference numeral 110 and contains a local, large defect. This can be target-induced, for example. It can also be seen that the Al 2 O 3 layer has a non-uniform surface 112, which can result, for example, from a sputtering process.
  • the invention builds on the generic method in that the metal layer is produced by applying a plurality of partial layers and in that an oxidation takes place after the application of a partial layer. In this way it is achieved that complete oxidation of the applied metal is achieved after only a short oxidation time. The reason for these shortened oxidation times is that a 0 2 diffusion no longer has to take place through the entire thickness of the ultimately resulting layer. Rather, the oxidation only has to take place until the much thinner partial layer is oxidized. Another advantage
  • the sequential application of partial layers consists in the fact that any foreign atoms (such as Ar atoms) that are embedded can escape from the thin partial layer during the oxidation. Other atomic defects in the layer structure or roughness of the layer surface, which are generated when the metal layer is applied, can also heal during the oxidation.
  • a second ferromagnetic layer is preferably applied after completion of the oxidized metal layer.
  • the method can therefore be expanded to produce a tunnel magnetoresistor completely.
  • the metal layer is preferably applied to a target by sputter deposition.
  • the metal layer can be applied in a particularly controlled manner by sputtering. Roughnesses of the layer surface, which are generated by the sputtering process when aluminum atoms with energies of a few eV strike the substrate, can heal during the oxidation due to the small thickness of the partial layer.
  • the position of the target is changed by a predetermined amount before a sputtering process.
  • target-induced defects are distributed over several locations in the substrate.
  • a target-induced defect is prevented from growing into a large defect and thus promoting an undesired voltage breakdown.
  • the target rotation creates several defects of smaller size, which have less influence on the breakdown voltage of the tunnel magnetoresistor.
  • the position of the target is expediently changed by rotating through a predetermined angle, for example by 5 ° in each case.
  • the substrate can be adjusted in this way Position remain, although there is still a change in the position of the individual target points with regard to the sputtering process.
  • the oxidation can take place in different ways. It is possible that the oxidation takes place in air, that the oxidation takes place as thermal oxidation in an oxygen atmosphere, that the oxidation takes place as a plasma-assisted oxidation in oxygen plasma, that the oxidation takes place at room temperature, or that the oxidation takes place under UV radiation.
  • the invention brings its advantages in combination with all of these oxidation processes.
  • a second ferromagnetic layer can be arranged on the oxidized metal layer. In this way, a tunnel magnetoresistor is obtained with the magnetic tunnel contact which is advantageous according to the invention.
  • the ferromagnetic layers have Co and / or NiFe.
  • tunnel magnetoresistors can be produced which roughly have the same structure as those of the prior art, the magnetic tunnel contact having the advantages of the invention due to the partial layer structure of the oxide layer.
  • the oxidized metal layer it is advantageous for the oxidized metal layer to have Al 2 O 3 , that is to say an oxide which is already used in the prior art.
  • the oxidized metal layer preferably has a thickness in the nm range, in particular 1.3 nm. There is thus a tunnel barrier for a tunnel magnetoresistor, which has the required advantageous properties.
  • the relative magnetoresistance ratio is preferably greater than 10%.
  • the magnetic tunnel contact is suitable for operating voltages in the range of 1 volt.
  • the invention is based on the surprising finding that tunnel magnetoresistors with particularly good properties can be realized due to the multi-step layer process or due to the multi-layer structure of the oxidized metal layer.
  • the components can be manufactured reproducibly, they have a magneto-resistivity of more than 10%, a large voltage of approximately 1 V can be applied, the absolute resistance can be set in a targeted manner using the appropriate layer arrangement, and structures in the sub- ⁇ m Area can be realized.
  • FIG. 2 shows a further layer structure with a magnetic tunnel contact according to the invention
  • FIG. 4 shows a diagram in which a characteristic voltage is plotted as a function of the number of process steps carried out
  • FIG. 6 shows a diagram in which the electrical tunnel resistance is plotted as a function of the number of process steps carried out
  • FIG. 8 shows a further layer structure with a magnetic tunnel contact of the prior art.
  • FIG. 1 shows a layer structure with a magnetic tunnel contact according to the invention. It can be seen that the Al 2 0 3 layer between the Co layer and the NiFe layer consists of several partial layers, in contrast to the Al 2 0 3 layer, which is shown in FIG. 7.
  • FIG. Another magnetic tunnel contact is shown in FIG.
  • defects 10 are shown in the sub-layers. Due to the layer structure, the defects do not extend into large areas of the Al 2 0 3 layer. In addition, they have arisen from the outset in different positions due to the advantageous rotation of the target before a respective sputtering process. These smaller distributed defects have less of an impact on the properties of the tunnel magnetoresistance than the large defects 100 shown in FIG. 8 in a prior art magnetic tunnel contact.
  • FIG. 3 shows a diagram in which the ⁇ R / R ratio in% versus the voltage at the tunnel contact in mV is applied.
  • the ⁇ R / R ratio is also called MR
  • ⁇ R indicates the difference in resistance between the parallel and anti-parallel positions of the magnetizations in the ferromagnetic layers.
  • FIG. 4 shows a diagram in which a characteristic voltage (V 1/2 ) is shown as a function of the number of process steps used for the production of the Al 2 0 3 layer.
  • V 1/2 is the voltage at which the MR value has dropped to half its maximum value at approximately 0 V. It can be seen that this characteristic tension increases steadily with the number of process steps.
  • the breakdown voltage (V B ) is also plotted against the number of process steps.
  • a total layer thickness of the Al 2 0 3 layer of 1.2 nmi was deposited.
  • the breakdown voltage is based on a contact area of 180 ⁇ m 2 . It can also be seen here that the breakdown voltage increases significantly with the number of process steps.
  • FIG. 6 shows the electrical tunnel resistance as a function of the number of process steps, with an Al 2 O 3 layer with a thickness of 1.2 nm overall was deposited. The tunnel resistance increases continuously with the number of process steps.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen magnetischer Tunnelkontakte, bei dem eine Metallschicht auf eine erste ferromagnetische Schicht aufgebracht wird, und die Metallschicht oxidiert wird, wobei die Metallschicht durch das Aufbringen mehrerer Teilschichten aufgebracht wird, und nach dem Aufbringen einer Teilschicht eine Oxidation erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner einen magnetischen Tunnelkontakt mit einer ersten ferromagnetischen Schicht und einer auf der ersten ferromagnetischen Schicht angeordneten oxidierten Metallschicht, wobei die oxidierte Metallschicht mehrere sequentiell oxidierte Teilschichten aufweist.

Description

Beschreibung:
Verfahren zum Herstellen magnetischer Tunnelkontakte und magnetischer Tunnelkontakt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen magnetischer Tunnelkontakte, bei dem eine Metallschicht auf eine erste ferromagnetische Schicht aufgebracht wird und die Metallschicht oxidiert wird. Die Erfindung betrifft ferner einen magnetischen Tunnelkontakt mit einer ersten ferromagnetischen Schicht und einer auf der ersten ferromagnetischen Schicht angeordneten oxidierten Metallschicht .
Gattungsgemäße magnetische Tunnelkontakte kommen zum Beispiel bei Tunnelmagnetowiderständen ("Tunnel Magneto Resistor" (TMR)) zur Anwendung. Tunnelmagnetowiderstände, welche beispielsweise als Magnetfeldsensoren und zur Speicherung von digitaler Information eingesetzt werden können, bestehen im allgemeinen aus einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer dünnen oxidischen Zwischenschicht und einer darüber angeordneten zweiten ferromagnetischen Schicht. Als ferromagnetische Schichten werden meist Co und NiFe verwendet; die dünne oxidische Zwischenschicht besteht meist aus Al203. Diese Aluminiumoxid- schicht wirkt als elektrische Tunnelbarriere des Tunnelmagnetowiderstandes .
Die Herstellung der Tunnelmagnetowiderstände erfolgt derzeit in der Weise, dass auf eine erste ferromagnetische Schicht eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von etwa 1,3 nm, was etwa 5 Atomlagen entspricht, aufgebracht wird. Diese Aluminiumschicht wird nachfolgend oxidiert, wobei verschiedene Oxidationsverfahren, zum Beispiel die Oxidation an Luft, die thermische Oxidation in Sauerstoffatmosphäre, die plasmaunterstützte Oxidation in Sauerstoffplasma und die Oxidation unter UV- Bestrahlung zum Einsatz kommen. Die dünne Aluminiumschicht wird beispielsweise durch Aufdampfen oder Sput- tern auf die erste ferromagnetische Schicht aufgebracht. Besonders bewährt hat sich eine In-situ-Oxidation der Aluminium-Sputterschicht in einer 02-Atmosphäre unter einem Druck von 100 mb bei Raumtemperatur und unter UV- Bestrahlung. Auf die Aluminiumoxidschicht wird schließlich eine zweite ferromagnetische Schicht aufgebracht.
Durch dieses Verfahren können große Magnetowiderstandsverhältnisse erzeugt werden. Das Magnetowiderstandsverhältnis (MR-Wert) ist als relative Änderung des Widerstandes beim Übergang von paralleler zu antiparalleler Stellung der Magnetisierungen in den ferromagnetischen Schichten definiert. Bezeichnet man den Widerstand bei paralleler Magnetisierung mit Rp und den Widerstand bei antiparalleler Stellung mit Ra, so ergibt sich der MR-Wert als (Ra-Rp)/Rp. Die gattungsgemäßen TMR- Bauele ente zeigen jedoch eine gewisse Spannungsabhängigkeit des TMR-Effekts. Ferner lässt sich der Tunnelwiderstand über die Schichtdicken nur in bestimmten Grenzen einstellen.
Da die gattungsgemäßen Tunnelkontakte bereits sehr zuverlässig sind, ergibt sich hieraus und aus den anderen genannten Eigenschaften die Möglichkeit, die Bauelemente als Magnetfeldsensoren und als digitale Speicher zu verwenden.
Gleichwohl sind die gattungsgemäßen Tunnelmagnetowiderstände verbesserungsfähig; insbesondere will man erreichen, dass die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung verbessert werden kann, dass MR-Werte oberhalb von 10 % ohne weiteres herstellbar sind, dass ebenfalls ohne weiteres Spannungen im Bereich von 1 V angelegt werden dürfen, dass ferner der absolute Widerstand gezielt eingestellt werden kann und dass Strukturen im Sub-μm- Bereich realisierbar sind.
In Figur 7 ist ein Schichtaufbau mit einem magnetischen Tunnelkontakt des Standes der Technik dargestellt. Der Schichtaufbau besteht aus einer Co-Schicht, einer darüber liegenden Al203-Schicht und einer NiFe-Schicht, welche über der Al203-Schicht liegt.
Figur 8 zeigt einen weiteren Schichtaufbau eines magnetischen Tunnelkontaktes des Standes der Technik mit einer Co-Schicht und einer darüber liegenden Al203- Schicht. Mit dem Bezugszeichen 110 ist ein Bereich der Al203-Schicht gekennzeichnet, welcher einen lokalen, großen Defekt enthält. Dieser kann beispielsweise Targetinduziert sein. Ferner ist erkennbar, dass die Al203- Schicht eine ungleichmäßige Oberfläche 112 hat, welche beispielsweise aus einem Sputtervorgang resultieren kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen vorzugsweise mit dem Verfahren herstellbaren magnetischen Tunnelkontakt anzugeben, welche die Verfahren und die magnetischen Tunnelkontakte des Standes der Technik verbessern, insbesondere im Hinblick auf die vorgenannten Forderungen und Nachteile.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 18 gelöst.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass die Metallschicht durch das Aufbringen mehrerer Teilschichten hergestellt wird und dass nach dem Aufbringen einer Teilschicht eine Oxidation erfolgt. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine vollständige Oxidation des aufgebrachten Metalls bereits nach kurzen Oxida- tionszeiten erreicht wird. Der Grund für diese verkürzten Oxidationszeiten besteht darin, dass eine 02-Diffusion nicht mehr durch die gesamte Dicke der schließlich resultierenden Schicht erfolgen muss. Vielmehr muss die Oxidation nur so lange stattfinden, bis die sehr viel dünnere Teilschicht oxidiert ist. Ein weiterer Vorteil des sequentiellen Aufbringens von Teilschichten besteht darin, dass eventuell eingelagerte Fremdatome (etwa Ar- Atome) während der Oxidation aus der dünnen Teilschicht entweichen können. Ebenfalls können andere atomare Defekte im Schichtaufbau oder Rauhigkeiten der Schichtoberfläche, die beim Aufbringen der Metallschicht erzeugt werden, während der Oxidation ausheilen.
Vorzugsweise wird nach dem Fertigstellen der oxidierten Metallschicht eine zweite ferromagnetische Schicht aufgebracht. Das Verfahren ist also zur vollständigen Herstellung eines Tunnelmagnetowiderstandes erweiterbar.
Als ferromagnetische Schichten werden bevorzugt Co- Schichten und/oder NiFe-Schichten verwendet. Hierbei handelt es sich um bewährte Substanzen für den Aufbau von Tunnelmagnetowiderständen.
Insbesondere ist vorteilhaft, dass ferromagnetische Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird als Metallschicht eine Aluminiumschicht verwendet, welche durch das Oxidieren zu Al203 umgesetzt wird. So kommt es beispielsweise zu dem Aufbau aus einer Co-Schicht, einer darüber liegenden Al203-Schicht, welche erfindungsgemäß aus mehreren Teilschichten aufgebaut ist, und einer über dieser Oxidschicht liegenden NiFe-Schicht . Man erhält also einen magnetischen Tunnelkontakt, welcher in seinem Grobaufbau demjenigen des Standes der Technik entspricht, bei dem allerdings die Struktur der Tunnelbarrierenschicht durch den mehrstufigen Schichtprozess der Teilschichten bestimmt ist. Alternativ zu AI können auch Mg, Hf, Ta, Zr, y oder Er eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird die Metallschicht durch Sputterdeposi- tion auf ein Target aufgebracht. Durch Sputtern lässt sich die Metallschicht besonders kontrolliert aufbringen. Rauhigkeiten der Schichtoberfläche, die durch den Sput- tervorgang erzeugt werden, wenn Aluminiumatome mit Energien von einigen eV auf das Substrat auftreffen, können während der Oxidation aufgrund der geringen Dicke der Teilschicht ausheilen.
In einer Ausbildung der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass vor einem Sputtervorgang die Lage des Target um einen vorbestimmten Betrag verändert wird. Auf diese Weise werden Target-induzierte Defekte auf mehrere Stellen im Substrat verteilt. Es wird verhindert, dass ein Target-induzierter Defekt zu einem großen Defekt anwächst und damit einen unerwünschten Spannungsdurchbruch begünstigt. Stattdessen entstehen durch die Targetdrehung mehrere Defekte kleineren Ausmaßes, die weniger Einfluss auf die Durchbruchspannung des Tunnelmagnetowiderstandes nehmen.
Zweckmäßigerweise wird die Lage des Target durch Drehen um einen vorbestimmten Winkel, beispielsweise um jeweils 5°, verändert. Das Substrat kann so in seiner justierten Position verbleiben, wobei dennoch eine Änderung der Lage der einzelnen Targetpunkte im Hinblick auf den Sputter- prozess erfolgt.
Es kann ebenfalls nützlich sein, dass das Aufbringen von Teilschichten und die Oxidation ausschließlich so häufig durchgeführt werden, dass die Vorgänge quasikontinuierlich ablaufen. Hierdurch kann es zu einer nochmaligen Verbesserung der Eigenschaften des magnetischen Tunnelkontaktes kommen, wobei diese Verfahrensvariante besonders bei vollautomatischen Herstellungsprozessen vorteilhaft einsetzbar ist.
Die Oxidation kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es ist möglich, dass die Oxidation an Luft erfolgt, dass die Oxidation als thermische Oxidation in Sauerstoffat- mosphäre erfolgt, dass die Oxidation als plasmaunterstützte Oxidation in Sauerstoffplasma erfolgt, dass die Oxidation bei Raumtemperatur erfolgt oder dass die Oxidation unter UV-Bestrahlung erfolgt. Die Erfindung bringt ihre Vorteile in Kombination mit all diesen Oxidations- verfahren zum Zuge.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oxidation in-situ erfolgt. Es ist also nicht erforderlich, die Position der Schichtanordnung vor dem Oxidationsprozess zu verändern.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen magnetischen Tunnelkontakt dadurch auf, dass die oxidierte Metallschicht mehrere sequentiell oxidierte Teilschichten aufweist. Durch diese Anordnung ist das erfindungsgemäße Verfahren in einem magnetischen Tunnelkontakt verwirklicht.
Auf der oxidierten Metallschicht kann eine zweite ferromagnetische Schicht angeordnet sein. Auf diese Weise erhält man einen Tunnelmagnetowiderstand mit dem erfindungsgemäß vorteilhaften magnetischen Tunnelkontakt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ferromagnetischen Schichten Co und/oder NiFe aufweisen. Mit diesen bewährten Materialien lassen sich Tunnelmagnetowiderstände herstellen, welche im Groben denselben Aufbau wie jene des Standes der Technik haben, wobei der magnetische Tunnelkontakt durch den Teilschichtaufbau der Oxidschicht die erfindungsgemäßen Vorteile hat.
Aus dem selben Grund ist es vorteilhaft, dass die oxidierte Metallschicht Al203 aufweist, das heißt, ein Oxid, welches bereits im Stand der Technik verwendet wird.
Vorzugsweise weist die oxidierte Metallschicht eine Dicke im nm-Bereich, insbesondere von 1,3 nm auf. Somit liegt eine Tunnelbarriere für einen Tunnelmagnetowiderstand vor, welche die geforderten vorteilhaften Eigenschaften aufweist.
In bevorzugter Weise ist das relative Magnetowiderstandsverhältnis (MR-Wert) größer als 10 %. Damit lässt sich ein Tunnelmagnetowiderstand mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelkontakt für Anwendungen als Magnetfeldsensor und als digitaler Speicher einsetzen.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls vorteilhaft, dass der magnetische Tunnelkontakt für Betriebsspannungen im Bereich von 1 Volt geeignet ist.
Im Hinblick auf eine vielfältige Verwendbarkeit der Tunnelmagnetowiderstände ist es vorteilhaft, dass der magnetische Tunnelkontakt in Strukturen im Sub-μm-Bereich einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund des mehrschrittigen Schichtverfahrens bzw. aufgrund der mehrschichtigen Struktur der oxidierten Metallschicht Tunnelmagnetowiderstände mit besonders guten Eigenschaften realisierbar sind. Die Bauelemente können reproduzierbar hergestellt werden, sie haben eine Magnetorestitivität von mehr als 10 %, es kann eine große Spannung von etwa 1 V angelegt werden, der absolute Widerstand kann durch die geeignete Schichtanordnung gezielt eingestellt werden, und es können Strukturen im Sub-μm-Bereich realisiert werden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen an Hand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen Schichtaufbau mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelkontakt;
Fig. 2 einen weiteren Schichtaufbau mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelkontakt;
Fig. 3 ein Diagramm, in welchem das relative Magne- towiderstandsverhältήis in Abhängigkeit der Spannung am Tunnelkontakt aufgetragen ist;
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem eine charakteristische Spannung in Abhängigkeit der Anzahl der durchgeführten Prozessschritte aufgetragen ist;
Fig. 5 ein Diagramm, in welchem die Durchbruchspannung in Abhängigkeit der Zahl der durchgeführten Prozessschritte aufgetragen ist;
Fig. 6 ein Diagramm, in welchem der elektrische Tunnelwiderstand in Abhängigkeit der Zahl der durchgeführten Prozessschritte aufgetragen ist;
Fig. 7 einen Schichtaufbau mit einem magnetischen Tunnelkontakt des Standes der Technik; und
Fig. 8 einen weiteren Schichtaufbau mit einem magnetischen Tunnelkontakt des Standes der Technik. In Figur 1 ist ein Schichtaufbau mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelkontakt dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Al203-Schicht zwischen der Co-Schicht und der NiFe-Schicht aus mehreren Teilschichten besteht, im Gegensatz zu der Al203-Schicht, welche in Figur 7 gezeigt ist.
In Figur 2 ist ein weiterer magnetischer Tunnelkontakt dargestellt. Auch hier erkennt man den Aufbau der Al203- Schicht aus Teilschichten. Zusätzlich sind Defekte 10 in den Teilschichten gezeigt. Durch den Schichtaufbau dehnen sich die Defekte nicht in große Bereiche der Al203- Schicht aus. Außerdem sind sie durch die vorteilhafte Drehung des Target vor einem jeweiligen Sputterprozess von vorneherein an unterschiedlichen Positionen entstanden. Diese kleineren verteilten Defekte wirken sich weniger stark auf die Eigenschaften des Tunnelmagnetowiderstandes aus als die in Figur 8 gezeigten großen Defekte 100 in einem magnetischen Tunnelkontakt des Standes der Technik.
Die in den nachfolgenden Figuren 3 bis 6 angegebenen Messergebnisse wurden durchweg mit magnetischen Tunnelkontakten aufgenommen, bei denen die Oxidation unter UV- Bestrahlung erfolgt ist. Die dargestellten Vorteile zeigen sich jedoch auch an Tunnelkontakten, bei denen andere Oxidationsverfahren verwendet wurden.
Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem das ΔR/R- Verhältnis in % gegen die Spannung am Tunnelkontakt in mV aufgetragen ist. Das ΔR/R-Verhältniss wird auch als MR-
Wert bezeichnet. ΔR gibt hierbei den Widerstandsunterschied zwischen paralleler und antiparalleler Stellung der Magnetisierungen in den ferromagnetischen Schichten an. Die in dem Diagramm eingetragenen Messwerte resultieren aus der Messung des MR-Wertes bei einem magnetischen Tunnelkontakt, in welchem die Al203-Bariere in vier Schritten hergestellt wurde.
Figur 4 zeigt ein Diagramm, in welchem eine charakteristische Spannung (V1/2)in Abhängigkeit der Zahl der Prozessschritte dargestellt ist, die für die Herstellung der Al203-Schicht verwendet wurde. V1/2 ist die Spannung, bei welcher der MR-Wert auf die Hälfte seines Maximalwertes bei etwa 0 V abgefallen ist. Es ist erkennbar, dass sich diese charakteristische Spannung stetig mit der Anzahl der Prozessschritte erhöht.
In Figur 5 ist die Durchbruchspannung (VB) ebenfalls gegen die Zahl der Prozessschritte aufgetragen. Vorliegend wurde eine Gesamtschichtdicke der Al203-Schicht von 1,2 nπi deponiert. Die Durchbruchspannung ist auf eine Kontaktfläche von 180 μm2 bezogen. Auch hier ist erkennbar, dass sich die Durchbruchspannung mit der Anzahl der Prozessschritte deutlich erhöht.
Figur 6 zeigt den elektrischen Tunnelwiderstand in Abhängigkeit der Zahl der Prozessschritte, wobei auch hier eine Al203-Schicht mit einer Dicke von 1,2 nm insgesamt deponiert wurde. Der Tunnelwiderstand nimmt kontinuierlich mit der Zahl der Prozessschritte zu.
In den Figuren 5 und 6 sind nur Messergebnisse für Prozesse mit 1, 2 oder 3 Prozessschritten dargestellt. Bei einer höheren Anzahl von Prozessschritten setzt sich die positive Entwicklung der Durchbruchspannung und des elektrischen Tunnelwiderstandes fort.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Ansprüche:Verfahren zum Herstellen magnetischer Tunnelkontakte und magnetischer Tunnelkontakt
1. Verfahren zum Herstellen magnetischer Tunnelkontakte, bei dem
- eine Metallschicht auf eine erste ferromagnetische Schicht aufgebracht wird und die Metallschicht oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Metallschicht durch das Aufbringen mehrerer Teilschichten aufgebracht wird, und
- dass jeweils nach dem Aufbringen einer Teilschicht eine Oxidation erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fertigstellen der oxidierten Metallschicht eine zweite ferromagnetische Schicht aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erste ferromagnetische Schicht eine Co-Schicht oder eine NiFe-Schicht verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass als zweite ferromagnetische Schicht eine Co-Schicht oder eine NiFe-Schicht verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferromagnetische Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallschicht eine AI-, Mg-, Hf-, Ta-, Zr-, Y- oder Er-Schicht auf der ersten feromagnetischen Schicht aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht durch Sputterdeposition auf ein Target aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Sputtervorgang die Lage des Target um einen vorbestimmten Betrag verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Target durch Drehen um einen vorbestimmten Winkel verändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Winkel etwa 5° beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von Teilschichten und die Oxidation so häufig durchgeführt werden, dass die Vorgänge quasi-kontinuierlich ablaufen.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation an Luft erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation als thermische Oxidation in Sauerstoffatmosphäre erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation als plasmaunterstützte Oxidation in Sauerstoffplasma erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation bei Raumtemperatur erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation unter UV- Bestrahlung erfolgt.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation in-situ erfolgt.
18. Magnetischer Tunnelkontakt mit
- einer ersten ferromagnetischen Schicht und
- einer auf der ersten ferromagnetischen Schicht angeordneten oxidierten Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidierte Metallschicht mehrere sequentiell oxidierte Teilschichten aufweist.
19. Magnetischer Tunnelkontakt nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf der oxidierten Metallschicht eine zweite ferromagnetische Schicht angeordnet ist.
20. Magnetischer Tunnelkontakt nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ferromagnetische Schicht Co aufweist.
21. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ferromagnetische Schicht NiFe aufweist.
22. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite ferromagnetische Schicht Co aufweist.
23. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite ferromagnetische Schicht NiFe aufweist.
24. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidierte
Metallschicht Al203 aufweist.
25. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidierte Metallschicht eine Dicke im nm-Bereich aufweist.
26. Magnetischer Tunnelkontakt nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidierte Metallschicht eine Dicke von etwa 1,3 nm aufweist.
27. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das relative Magnetowiderstandsverhältnis (MR-Wert) größer als 10
% ist.
28. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Tunnelkontakt für Betriebsspannungen im Bereich von 1 V geeignet ist.
29. Magnetischer Tunnelkontakt nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Tunnelkontakt in Strukturen im Sub-μm- Bereich einsetzbar ist.
EP01949293A 2000-04-28 2001-04-24 Verfahren zum herstellen magnetischer tunnelkontakte und magnetischer tunnelkontakt Withdrawn EP1277244A2 (de)

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DE10020769A DE10020769C2 (de) 2000-04-28 2000-04-28 Verfahren zum Herstellen magnetischer Tunnelkontakte
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EP1277244A2 true EP1277244A2 (de) 2003-01-22

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