JP4897140B2 - 低い面抵抗を有するｍｔｊを製造する方法 - Google Patents

Description

（発明の属する技術分野）
本発明は、一般に、メモリ・セル用の磁気抵抗トンネル接合を製造する方法に関し、さらに特定すれば、低い面抵抗を有する磁気抵抗トンネル接合を製作する方法に関する。
【０００１】
（従来の技術）
磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM : magnetic random access memory）は不揮発性メモリであり、基本的に巨大磁気抵抗(GMR : giant magnetoresistive)材料あるいは磁気トンネル接合(MTJ : magnetic tunneling junction)構造、センス線、およびワード線を含む。MRAMは、記憶状態を格納するために磁気ベクトルを利用する。GMR材料またはMTJの１つあるいは全ての層の磁気ベクトルは、磁界がある閾値を越えてGMR材料またはMTJに与えられると、ある方向から反対の方向へ非常にすばやく切り替わる。GMR材料またはMTJの磁気ベクトルの方向に従って、状態が格納され、例えば、一方の方向が論理「０」と定義され、他の方向が論理「１」と定義される。GMR材料またはMTJは、磁界が印加されないなら、これらの状態を保持する。GMR材料またはMTJに格納された状態は、２つの状態の抵抗差により、センス電流をセル中のセンス線に流して読み取ることができる。
【０００２】
磁気トンネル接合(MTJ : magnetic tunneling junction)構造またはセルは、少なくとも１対の磁気層と、その間に挟まれた非磁性、非導電性トンネル層を含む。センス電圧が１対の磁気層間に印加されると、電気担体が磁気層で挟まれた非磁性、非導電性トンネル層を通してトンネルすることにより１対の磁気層間を通過する。センス電流に対する抵抗は、１対の磁気層の磁気ベクトルが逆方向のとき最大となり、１対の磁気層の磁気ベクトルが同方向のとき最小となる。最大最小抵抗間の差は、一般に磁気抵抗(MR)比と呼ばれる。
【０００３】
さらに、MTJセルの最小抵抗（一般に面抵抗を呼ばれる。）は、MTJセルの構造および材料によって決まる。明らかに、理想的なMTJセルの場合、面抵抗は非常に低いかゼロであり、最大抵抗は非常に高いか無限大であり、理想的なスイッチに類似する。面抵抗を減少させる先行する試みは低磁気層の上に純アルミニウム層を堆積させ、その後そのアルミニウム層を酸素プラズマ中で酸化することを含む。この手法の問題は、アルミニウム層が堆積しているので、ピンホールが形成されるおそれがあり、層が薄い場合は顕著である。アルミニウムは酸化しているので、第２の磁気層がアルミニウム酸化層の上に堆積されるとき、ピンホールの幾つかはMTJセルに残存して短絡を引き起こす傾向がある。このピンホール問題を解決するために、１つの可能な解決法は粒子のサイズを縮小するために低い温度（例として、液体窒素の温度）でアルミニウム層を堆積させることである。この手法による問題のいくつかは、過度の加熱および冷却サイクルを有し、長い時間とコストを上げ、その結果製造に使用できる方法ではない。
【０００４】
従って、ピンホールおよびそれに類似した問題を有せず、MTJセルが室温で製作できるなら、極めて効果的である。
【０００５】
本発明の目的は、面抵抗を低下させたMTJセルを製造する新規かつ改良された方法を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、高い品質の隔壁またはトンネル層をもつMTJセルを製造する新規かつ改良された方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、高い磁気抵抗比を有するMTJセルを製造する新規かつ改良された方法を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、隔壁またはトンネル層を形成するための薄くかつ連続した金属層を有するMTJセルを製造する新規かつ改良された方法を提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる別の目的は、過度の加熱および冷却サイクルを必要とせず、かつ容易に製造に適用できるMTJセルを製造する新規かつ改良された方法を提供することである。
（発明の概要）
磁気トンネル接合を製造する方法によって、上記および他の問題は少なくとも部分的に解決され、また上記目的および他の目的は達成されるが、その方法は、第１磁気層の表面上に連続した材料層を形成し、その材料層は支配的な材料およびその支配的な材料の原子とは異なった原子を有する微量の材料を含み、その支配的な材料のみの粒子より小さい粒子を生み出す。その後、連続した材料層は酸化され、あるいは窒化され、あるいはその２つの組み合わせが行われ、非導電性材料層を形成するとともに第２磁気層が非導電性材料層上に形成される。
（好適な実施例の詳細な説明）
図面を参照して、類似の番号は全体を通して同じ特徴を示しており、図１は支持基盤１０とその上に形成された磁気層１１を有する構造を表わす。支持基盤１０は簡略化のため単一層として表わされている一方、様々な目的のためバッファ層、絶縁あるいは導電層等のような付加的な層を含めてもよいことは当業者によって理解されるであろう。このような全ての層は支持基板１０に含められるものとして考えられる。磁気層１１は上表面１２を有し、その上に次の層を堆積するために可能な限りなめらかに形成される。磁気層１１は様々な材料のいずれかあるいは複数の材料層により形成され、当業者にはよく知られているがここでは詳細に記述することはしない。
【００１０】
ここで表わされる磁気セルは簡便さのため断面図で表わされるが、数字はセルの一部あるいはセルのアレイを示し、各セルは、もし必要なら、長方形、円形、正方形、ダイアモンド形、楕円形の形状を示し得ることを理解すべきである。先行技術で知られているように、長方形をした形状を有するセルはセルの長辺に沿ってほとんどが方向付けられ、かつ物理的に不等な長さに並行を維持する磁化ベクトルを有する。これを達成するために、セルの幅は、磁壁の長さあるいは磁気層内の遷移幅より短くなるように形成される。典型的には、1.0から1.2ミクロンより短い幅がこのような拘束を与える。一般に、高密度を達成するために、幅は１ミクロンより小さく、また製造技術で成される可能な限り小さく、その長さは幅より大きい。また、磁気層、例えば層１１の厚みはおおよそ3ないし10ナノメータであり、いくつかの実施例では各磁気層に対して異なっていてもよい。異なる厚みは、切り替え点に影響を与え、読み取りおよび書き込みセルの構造に用いられる。
【００１１】
単一磁気層のアスペクト比（長さ対幅）が１に近いとき、円形、正方形あるいはダイアモンド形、または楕円形セルに対する場合、形状の不等性からスイッチング磁場は最小となる。例えば、円形の形状を有するセルの場合、好ましい磁化方向は一軸結晶の磁場の不等性（磁化結晶の不等性）によって決められる。この好ましい磁化方向は、膜の堆積中にバイアス磁場あるいはその膜のアニーリングにより、高めの温度（例えば、200℃から300℃）で高磁場（例えば、数ｋOｅ）の堆積後に設定される。例えば、正方形あるいはダイアモンド形の場合、一軸結晶の不等性は、正方形の対角線に沿って設定される。楕円形の場合、一軸結晶の不等性は、セルの長軸に沿って設定される。主要アイデアは、形状効果を最小にすることで、それは狭いセル幅での必要なスイッチング磁場の立ち上がりに寄与するとともにメモリ・セルに必要とされる好ましい磁化方向を設定するために結晶磁場の不等性を利用することである。
【００１２】
さて、図２を参照して、金属の連続層１５が磁気層１１の表面１２上に形成される。この明細書の目的のために、用語「連続性」とは材料層に関するもので、磁気層１１とほぼ同一の広がりがあり、いかなるピンホールあるいはそれに類似するものを含むものではない。層１５は支配材料または要素を含み、容易に酸化され、窒化され、あるいはそれら２つのいくつかの組み合わせが行われ、１つあるいはそれ以上の他の微量の材料または要素は支配金属の原子と異なる原子を有する。一般に、支配要素の総量は層１５中の粒子を生み出すために十分な量を含んで９０％を越え、その粒子は連続層を生み出すために支配要素の粒子より小さい。好適な実施例では、支配要素はアルミニウムであり、微量材料はＣｕ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｔｉあるいは類似のもののいずれかあるいは全てである。
【００１３】
１つの特定の技術では、主要金属および微量金属は、混ざって付着するように同時に堆積が行われ、より小さい粒子となり、その結果連続層となる。第２の技術では、種となる材料（シード材料）が従来の方法によって磁気層１１の表面１２上に堆積される。そのシード材料は連続層にあってもなくてもよい。支配材料は、その後シード材料を使用して形成され、そのシード材料の存在によって支配材料である実質的により薄い連続層を確保する。好適な実施例では、シード材料はＣｕ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｔｉあるいは類似のものであり、支配材料はアルミニウムを含む。
【００１４】
上記技術のいずれかにおいて、ピンホールあるいはそれに類似のものがなく、またほぼ0.3ないし3ナノメータの範囲で、好ましくはほぼ1.5ナノメータの厚さを有して、層１５は連続的である。例えば、品質の良い障壁層を生み出すために連続アルミニウム層１５の最小厚はほぼ1.5ナノメータであり、より薄い連続アルミニウム層はＭＲ比を減じる結果となる。しかしながら、アルミニウム以外の支配材料を使用する場合では、ＭＲ比を減らす可能のない最薄の連続層は、異なるかもしれない。アルミニウム中に微量材料を加えることによりそのトンネリング・エネルギ障壁を低下させ、それによりＭＴＪの抵抗を低下させる。
【００１５】
一度、連続層１５が適切に配置されると、処理工程が実行され、図３に示されるように、処理された非導電性である障壁またはトンネル層１６を形成する。この処理は、例えば、プラズマ酸化、窒化、あるいは両方を含む。一般に、連続層１５は非常に薄く作られる一方、その無欠性を維持し、それは非常に薄い障壁あるいはトンネル層１６となり、その結果、実質的に面抵抗を減じる。さらに、層１５が連続であるという事実は、障壁またはトンネル１６の品質および信頼性を実質的に改善する。
【００１６】
図４を参照して、磁気層１８が障壁またはトンネル層１６を覆って堆積され、あらゆる電気的接続、活性化等（図示せず）が実行され、完全なセル２０および／またはセルのアレイを提供する。一般に、磁気層１８の厚さはほぼ3ないし10ナノメータであり、別の実施例では磁気層１１と同じかあるいは異なっていてもよい。上述したように、磁気層における厚みの差異はスイッチング点に影響を与えるとともにいくつかの構造は読み取りおよび書き込みセルのために利用される。
【００１７】
特別な例では、層１１はほぼ100オングストロームの厚さ（一般には10から200オングストロームの範囲）のコバルト（Ｃｏ）からなり、層１６はほぼ25オングストロームの厚さ（一般には10から100オングストロームの範囲）の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり，磁気層１８はほぼ100オングストロームの厚さ（一般には10から200オングストロームの範囲）のニッケル鉄（ＮｉＦｅ）からなる。抵抗値の変化対抵抗値（ΔＲ／Ｒ）は、一般に10から30％の範囲である。このように、磁気セル２０の状態は、磁気層１１から磁気層１８（またはその逆）を通るセンス電流により比較的容易に検出される。セル２０における抵抗値の変化はセル２０の両端の電圧降下の変化として容易に読み取られ、そのセルはメモリ・アレイまたはそれに類似するものと結合して都合良く用いられる。
【００１８】
従って、面抵抗を削減したMTJセルを製造する新規かつ改良された方法が開示された。新規かつ改良された方法は高品質障壁あるいはトンネル層および高磁気抵抗比を有するMTJセルの製造を提供する。新規かつ改良された方法はより薄くかつ連続した金属層の製造を提供し、MTJセルにおける障壁あるいはトンネル層の構成は製造プロセスに容易に適用することが可能である。
【００１９】
本願発明の特定の実施例を示しかつ説明する一方、さらなる修正および改良が当業者には想到するであろう。従って、この発明が示された特定の形式に限定されないと理解することを望むとともに、添付の請求項がこの発明の精神および範囲から逸脱しない全ての修正を含むこと意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う様々な中間構造を示す簡略化されかつ拡大された断面図である。
【図２】 本発明に従う様々な中間構造を示す簡略化されかつ拡大された断面図である。
【図３】 本発明に従う様々な中間構造を示す簡略化されかつ拡大された断面図である。
【図４】 本発明に従う様々な中間構造を示す簡略化されかつ拡大された断面図である。

Claims (2)

1. 表面（１２）を有する第１磁気層（１１）を提供する段階と、
   １〜３ナノメータの範囲の厚みを有する前記第１磁気層の表面上にアルミニウム合金の連続層（１５）を形成する段階であって、前記連続層は、ピンホールが無く、前記第１磁気層と同一に広がると共に、前記連続層は、第１原子を含み９０％を越えるアルミニウム合金と、前記アルミニウムのみの粒子より小さい粒子を形成するためにアルミニウムである前記第１原子とは異なる第２原子を含む微量の材料とを含み、前記微量の材料はＣｕ，Ｓｉ，Ｔａ，またはＴｉである段階と、
   前記連続層を酸化し、酸化されたアルミニウム合金のトンネル障壁層（１６）を形成する段階と、
   前記酸化されたアルミニウム合金の層上に、第２磁気層（１８）を形成する段階と
   を備える磁気抵抗トンネル接合を製作する方法。
2. 請求項１記載の磁気抵抗トンネル接合を製作する方法において、
   前記支配材料の堆積の前に、前記第１磁気層の表面上に前記微量の材料が堆積される方法。

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