KR100783307B1

KR100783307B1 - 고성능 자기 터널링 접합 ｍｒａｍ을 제작하기 위한 새로운산화 구조/방법

Info

Publication number: KR100783307B1
Application number: KR1020050029473A
Authority: KR
Inventors: 쳉 티. 호릉; 류-잉 통
Original assignee: 헤드웨이 테크놀로지스 인코포레이티드; 어플라이드 스핀트로닉스, 인크.
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2007-12-10
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: US7045841B2; US20050226052A1; US20060057745A1; JP2005303302A; JP4732781B2; US6974708B2; KR20060046651A

Abstract

MTJ(magnetic tunneling junction) MRAM(magnetic random access memory)은 실질적으로 균일하고 균질한 Al₂O₃ 화학량의 터널링 장벽층을 갖는다. 장벽층은, 산소 계면 활성층(oxygen surfactant layer)을 갖는 CoFe층 또는 CoFe-NiFe 이중층 상에 Al을 증착(deposite)하고, 라디컬 산화(radical oxidation)에 의해 Al을 산화시킴으로써 형성된다. 하부의 계면 활성층은 Al의 하면에 산소를 주입하여 초기 비결정 Al₂O₃층을 형성한다. 상기 층은 나머지 Al층 내에서 작고 균일한 입자들을 생성하며, 이들 입자들은 후속 라디컬 산화에 의해 상부와 하부 표면들 사이에 Al의 균일한 산화를 촉진한다. 피닝된 층의 자화(pinned layer magnetization)를 설정하기 위한 최종 어닐링 공정은 층의 균질한 산화를 강화시킨다.

MTJ, MRAM, 터널링 장벽층, 산소 계면 활성층, 라디컬 산화, 강자성 자유층

Description

고성능 자기 터널링 접합 ＭＲＡＭ을 제작하기 위한 새로운 산화 구조/방법{A novel oxidation structure/method to fabricate a high-performance magnetic tunneling junction MRAM}

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 방법 및 구성을 이용한 MTJ MRAM 소자 형성의 개략적 단면도들.

※도면에 사용된 부호의 설명※

10; 도전 리드층 15; Ta 층

20; NiCr 시드층 30; 하부 전극

32; 반강자성 피닝층 34, 38; 강자성층

36; 결합층 39; 산소 계면 활성층(OSL)

50; 터널링 장벽층 65; 캡핑층

본 출원은, 본 발명과 동일한 양수인에게 양도된, 미국 특허 공보 제 US6,703,654호(대리인 문서 번호 HT 02-019호), 2004년 1월 30일에 출원된 제10/768,917호(대리인 문서 번호 HT 02-032호), 2003년 9월 12일에 출원된 10/661,038호(대리인 문서 번호 HT 03-006호), 2004년 5월 12일에 출원된 10/844,171호(대리인 문서 번호 HT 03-022호), 및 2004년 5월 19일에 출원된 10/849,310호(대리인 문서 번호 HT 03-025호)에 관련된다.

본 발명은 일반적으로 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM들에 관한 것이며, 특히, 평활한 하부 전극과 그 결과로서 우수한 성능 특성들을 유발하는 산화 공정의 사용에 관한 것이다.

자기 터널링 접합 장치(MTJ 장치)는 본질적으로 가변 저항기이며, 이 저항기에서 상부 및 하부 자화 전극 내의 자계들의 상대적 배향은 이들 전극들 사이에 형성된 초박 유전체층(터널링 장벽층)을 통한 스핀-분극된(spin-polarized) 터널링 전자들의 흐름을 제어한다. 전자들이 하부 전극을 통과함에 따라, 이들은 자화 방향에 의해 스핀 분극된다. 개재하는 터널링 장벽층(intervening tunneling barrier layer)을 통한 전자 터널링 확률은 상부 전극의 자화 방향에 의존한다. 터널링 확률이 스핀에 의존하기 때문에, 전류는 장벽층 위 및 아래의 자기층들의 자화들의 상대적 배향에 의존한다. 가장 유리하게는, MTJ 내의 2개의 자기층들 중 하나(피닝된 층(pinned layer))는 방향이 고정된 자화를 가지며, 다른 층(자유층)은 외부 자극에 응답하여 자유로이 이동하는 자화를 가진다. 계속 변화하는 외부 자계에 의해 영향을 받는 경우와 같이 자유층의 자화가 계속 이동하도록 허용되는 경우, 장치는 가변 저항기로서 행동하고, 판독-헤드(read-head)로서 사용될 수 있다. 자유층의 자화가 고정층에 대해 단 2개의 배향(평행(parallel) 및 반-평행(anti-parallel))으로 제한될 때, 제 1 배향은 저저항(높은 터널링 확률)을 생성하고, 제 2 배향은 고저항(낮은 터널링 확률)을 생성하며, 이 때 장치는 스위치로서 행동하며, 데이터 저장 및 검색을 위해 사용될 수 있다(MRAM).

현재, 자기 터널링 접합 장치들은 자기 랜덤 액세스 메모리들(MRAM들) 내의 정보 저장 소자들로서 활용되고 있다. Gallagher 등(미국 특허 번호 제 5,640,343호)은 다이오드에 직렬 접속된 MTJ 소자들의 어레이로서, 이들 전체는 MRAM 어레이를 포함하는, 상기 MTJ 소자들의 어레이를 개시하고 있다. 개개의 MTJ 소자들은 실질적으로 간단히 상술된 바와 같이 형성된다. Gallagher에 의해 또한 개시된 바와 같이, 정보 저장 또는 메모리 장치로서 사용될 때, 기록 전류(또는 전류들)는 피닝된 층에 평행(parallel)(저저항) 또는 반-평행(anti-parallel)(고저항)이 되도록 자유층의 자화를 배향한다. 저저항 상태는 이진 0에 연관될 수 있고, 고저항 상태는 이진 1에 연관된다. 나중에, MTJ를 통과한 감지 전류는 고저항 또는 저저항 상태에 있는지를 나타내며, 이는 자화들이 각각 반-평행 또는 평행으로 있는지와 0 또는 1 상태에 있는지의 표시이다. 통상적으로, 자유층의 자화 방향을 평행에서 반-평행으로 및 그 반대로 스위칭하는 것은, 하나는 MRAM 셀 위에 있고, 하나는 그 아래에 있는 도전 라인들에 직각인 전류들을 공급함으로써 달성된다. 셀 위의 라인은 "디지트(digit)" 또는 "워드(word)" 라인이라 칭해지고 유전 재료를 개재시킴으로써 셀로부터 전기적으로 분리된다. "비트(bit)" 라인이라 불리는 셀 아래의 라인은 셀의 상부에 전기 접촉되고 기록(자유층 자화를 변화) 및 판독(고저항 또는 저저항 검출) 모두를 위해 사용된다. 워드 라인은 자계가 자유층의 하드 축(hard axis)을 따르도록 배향된다. 비트 라인은 자유층의 이지 축(easy axis)에 평행인 필드를 스위칭하는 구성요소를 제공한다. 2개의 라인들은 그들 사이에 놓인 셀과 직각으로 교차하여, 조합된 필드가 셀의 스위칭 임계값 바로 위에서 피크되게 한다(평행에서 반-평행 또는 그 반대로의 전이에 필요한 필드, 자유층 및 피닝된 층의 자화들의 상대적 배향들). 셀의 고속 동작을 위해, 높은 자기저항율(magnetoresistance ratio)(DR/R)를 가져야 하며, 여기서, DR은 자유층 자화가 방향을 전환할 때 저항 변동을 나타내고, R은 자유층 및 피닝된 층이 평행 방향으로 자화될 때 셀의 총 최소 저항을 나타낸다. 안정한 동작을 위해, 셀의 정합 저항, RA는 잘 제어되어야 하며, 여기서 A는 셀 단면 영역이다. MRAM 장치가 메모리의 기본 소자로서 사용될 때는, 많은 이러한 장치들의 어레이를 형성하기 위해 복제되고, 데이터 저장 및 검색을 위한 특정 소자들에 액세스하는 연관된 CMOS 회로와 통합된다.

MRAM 소자 또는 이러한 소자들의 어레이를 제작할 때, 높은 가치의 DR/R을 생성하고 접합 저항에 관해 높은 정도의 제어를 유지하기 위해서는 고품질의 얇고 평활한 층들의 형성을 필요로 한다.

표준의 MRAM 어레이 구조에서, MTJ 스택(낮은 전극/AlO_x 터널링 장벽/상부 전극)은 하부 도체(비트 라인)의 상부에 배치되며, 이는 Ta/Cu/Ta 또는 NiCr/Ru/Ta와 같은 삼중층이다. 하부 전극은 자기적으로 피닝된 층이며, 상부 전극은 자기적 자유층이고, 터널링 장벽층은 산화 알루미늄층이다. 장벽층을 형성할 때 알루미늄의 산화를 제어하기 위해 시도하는데 노력했다. 통상적으로, Al층은 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD)에 의해 하부 전극 상에 형성된다. 이러한 증착 형성은 다결정 알루미늄의 박층을 생성한다. 알루미늄층의 두께에 의존하여, 상이한 형태의 산화가 사용되었다. 예를 들어, 자연 산화(NOX: natural oxidation), 플라즈마 산화 및 라디컬 산소 산화(ROX)는 장벽층을 생성하기 위해 모두 사용되었으며, 하기에 더 후술할 것이다.

MRAM 장치용 통상적 터널링 장벽층은 7 내지 10옹스트롬(angstroms) 두께의 Al층의 원위치 산화(in-situ oxidation)로 만들어졌고, 결과로서 산화층이 킬로-옴-마이크론²(kΩ㎛²) 범위의 접합 저항, RA를 가진다. 사용된 산화 방법이 플라즈마 산화일 때, 에너지 가득한 산화 플라즈마 이온들은 하부(피닝된) 전극의 하부 강자성 재료를 손상시킬 수 있다. 따라서 라디컬 산화(ROX)가 산화 방법에 통상적으로 이용된다. ROX는 산소 라디컬 및 자연 산소만이 기판에 도달할 수 있도록, 플라즈마를 접지된 금속 메시(mesh) "샤워 캡(shower cap)"으로 커버함으로써 달성된다. 초기 ROX 단계에서, 산소는 알루미늄 입자 표면을 균질하게 커버하고, 결과로서 산화구조는 비결정질이 된다. Al 표면에서 산화가 시작되고 양호한 Al₂O₃ 화학량을 형성한다. 산화 공정은 증착된 알루미늄층과 하부의 전극 표면 사이의 인터페이스를 향해 점진적으로 이동한다. 산소 확산은 입자 속으로보다는 입자 경계를 따라 훨씬 더 신속히 진행한다고 공지되었다. 따라서 산소 확산 프론트는 증착된 알루미늄층을 통해 균일한 속도로 또는 균일한 공간 의존 상태로 진행하지 않는다. 여러 산화 방법들의 개시는 J.Phys.D.: Appl. Phys., Vol.35, 2415-2421,(2002)의 Y.Anod 등 에 의한 "다양한 산화 방법들을 이용하여 준비된 강자성 터널 접합의 박막 절연층의 성장 메커니즘(Growth mechanisms of thin insulating layer in ferromagnetic tunnel junctions prepared using various oxidation methods)"에서 찾을 수 있다.

Al층이 "불충분-산화(under-oxidized)"될 때, 이는 하부 전극과의 인터페이스에 가장 가까운 층의 부분이 x<3인 형태 Al₂O_x의 산화 화학량을 가짐을 의미하고, NOX(플라즈마의 도움 없이)의 경우에서와 같이, 생성물 RA는 낮고, 그래서 층은 전압과 GMR비, DR/R을 약하게 한다. 층이 "과-산화(over-oxidized)"될 때, 이는 산소가 하부 전극으로 확산됨을 의미하고, 생성물 RA는 크게 증가되지만 DR/R은 감소된다. 산화층들을 생성하기 위한 플라즈마 산화의 사용은 Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 22, p.4583(2003년 12월 1일)의 Heejae Shim 등에 의한 "N₂O 플라즈마에 의해 확립된 터널 장벽을 갖는 자기 터널 접합(Magnetic tunnel junctions with a tunnel barrier founded by N₂O plasma)"에 개시되어 있다.

MRAM 막 스택이 형성(패터닝 전에 다중층 적층)된 후에, 피닝된 강자성층(하부 전극)의 자화 방향을 고정하기 위해 열적으로 어닐링된다. 어닐링은 장벽층 내의 산소를 재분배하고 피닝된 층으로부터 산소를 몰아냄으로써 산화된 알루미늄층의 균질성을 개선한다. 열 어닐링 공정은 장벽층의 무결성을 개선(예를 들어, 브레이크다운 전압을 증가시킴)하고 DR/R비를 개선함을 알았다.

높은 DR/R을 얻기 위해, 장벽층에 인접한 강자성층들은 CoFe로 형성된다. 원자수 기준으로 25%의 Fe를 가진 CoFe가 원자수 기준으로 10%의 Fe를 가진 CoFe보다 더 높은 DR/R을 산출한다고 알려졌다. 이것은 CoFe(25%)가 CoFe/Al₂O_x 인터페이스에서 도전 전자들의 높은 정도의 스핀 분극을 생성한다는 사실에 기인한다. NiFe(60%)로 형성된 전극이 높은 DR/R을 제공하고, 그 외에도, Fe와 O 사이의 결합 에너지가 Co와 O 사이의 결합 에너지보다 약하기 때문에 어닐링 공정은 CoFe 전극보다 훨씬 쉽게 NiFe 전극으로부터 산소를 몰아낸다는 것을 실험으로 보여주었다.

MTJ MRAM 장치들의 제작에 있어서, 평평하고 평활하며 전극들과의 상부 및 하부 인터레이스들에서 Al₂O₃ 화학량을 가지는 Al₂O_x 터널링 장벽층을 형성하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 경우, 스핀 분극은 두 인터페이스들에서 대칭되어, 높은 DR/R 및 브레이크다운 전압을 산출한다.

본 발명은 개선된 Al₂O_x 장벽층을 형성하기 위한 새로운 산화 기술을 개시한다. 본 발명은 증착된 Al층의 양면으로부터 산화를 수행하여, Al₂O₃ 화학량이 층의 전체 몸체 내에서 훨씬 더 균일하게 획득되도록 한다. 이러한 대칭적 산화 공정을 생성하기 위해 제안된 방법은 CoFe(25%) 또는 NiFe(60%) 피닝된 층의 표면상에 산소 계면 활성층(OSL)을 형성하여, 증착된 Al층의 하면에 산소의 소스가 있도록 한다. HT 02-032 및 HT 03-006, 둘 다 본 명세서에 참조로서 완전히 포함된 관련 출원들에 개시된 산소 계면 활성층은 증착층의 표면상에 흡수된 산소의 서브-단일층이다. Al층이 ROX 공정에 속할 때, 플라즈마는 노출 Al 표면에 산소를 공급하는 반면, 계면 활성층은 "은폐(hidden)" 표면에 산소를 공급한다. 산소의 반응성은 CoFe보다 Al과 더 강해서, OSL 내의 산소는 CoFe/Al₂O₃ 인터페이스를 형성하기 위해 Al층으로 확산됨을 주지한다.

본 발명의 제 1 목적은, 하부 및 상부 전극들 사이에 형성된 평활하고 평평한 터널링 장벽층을 특징으로 하는 MTJ MRAM 소자 및 상기 소자들의 어레이를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은, 터널링 장벽층의 높은 브레이크다운 전압 및 높은 DR/R 비를 특징으로 하는 MTJ MRAM 소자 및 이러한 소자들의 어레이를 또한 생성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은, 상기 방법에 의해 생성된 MTJ MRAM 소자 및 이러한 소자들의 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은, 터널링 장벽층이 균일한 Al₂O₃ 화학량을 갖는 산화 알루미늄층인 MRAM 소자의 제작에 의해 달성된다. 균일한 화학량은, 물리적 증기 증착(PVD)에 의해 증착되는, 증착된 Al층을 하부 전극상에 증착된 인터페이스 및 노출된 상면(upper surface) 모두로부터 산소의 확산(diffusion)으로 대상화(subject)함으로써 달성된다. 하부 전극으로부터의 산소 소스는 산소 계면 활성층(OSL)이며, 이는 상면 및 하부 전극 상에 흡수된 산소의 단일층이다. 이러한 발명의 방법에 따라, 하부 전극은 CoFe(25%) 단독 또는 CoFe(10%)-NiFe(60%)의 이중층의 피닝된 강자성층이다. Fe 및 산소를 가진 Al의 상대적 반응성으로 인해, 이들 강자성층들 중 어느 하나는 PVD 공정에 의해 증착된 새롭게 도달한 Al 원자들에 그들 표면상에 흡수된 산소 원자들을 해제할 수 있는 속성을 가진다.

본 방법의 최고의 이점들을 달성하기 위해, Al층의 증착 동안 산소의 소스로서 산소 계면 활성층(OSL)의 규칙을 실험적으로 검증할 필요가 있었다. 간단한 다중층 구조는 기본 발명 개념을 검사하기 위해 사용되었다. 검사 구조는:

Ta 50/Ru 10/CoFe(25%) 30/OSL/NiCr 50.

상기 구조에서, Ta 50/Ru 10/CoFe(25%) 30은 하부 전극이고(옹스트롬의 두께를 표현하는 숫자들), Ta/Ru는 도전 리드층이며, CoFe는 강자성 피닝된 층이다. 물론, 실제 피닝 구조는 CoFe가 단지 "OSL"로 상기에 표시된 계면 활성층으로부터 산소를 해제하는 능력을 검사하기 위한 것이기 때문에, 존재하지 않는다.

상기 구조를 형성하기 위해, Ta/Ru/CoFe 전극은 PVD 모듈에서 먼저 스퍼터링된다. 스퍼터링된 형성은, 본 실험에서 저압인, 상용 아넬바 7100 시스템(Anelva 7100 system)인 "산화(oxidation)" 챔버(chamber)에 전달된다. 챔버 내의 산화 소스는 매우 저압의 산소 기체, 특히 0.02sccm에서 챔버에 공급되는 근사적으로 2 x 10^-7토르(torr)의 압력의 산소이다.

하기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, CoFe층을 4개의 상이한 산소 흐름 속도들(0sccm, 0.02sccm, 0.04sccm 및 0.30sccm) 및 대응하는 노출 시간들(0.0초, 300초, 300초, 및 30초)로 노출했다. 결과로서 생긴 CoFe층은 포화 자화 B_s, 보자력 H_c, 및 처리에 의해 생성된 B_s 내의 변화를 위해 검사되었다.

흐름 속도	노출 시간	B_s	H_c(Oe)	B_s변화
0.0(무산소)	0.0	0.5391	13.21	0.00%
0.02sccm	300초	0.5591	10.59	3.71%
0.04sccm	300초	0.5616	10.45	4.27%
0.30sccm	30초	0.5014	13.99	-6.98%

OSL에 의해 제공된 산소 소스가 OSL 상에 증착된 Al 원자들과 쉽게 반응하기 때문에, Al₂O₃이 즉시 형성되기 시작한다. Al₂O₃의 초기 층이 비결정성임에 따라, CoFe 상의 Al의 에피택셜 성장(epitaxial growth)은 중단된다(즉, 큰 입자 성장을 촉진하기 위해 결정 하위층을 가지지 않는다). 결과적으로, 나머지 Al층은 결정 입자들이 매우 작게 성장하므로 평평하고 평활하다. OSL은 또한 산소 도핑 아르곤 기체를 사용하여 CoFe(또는 강자성층이 사용될 때라도)를 스퍼터링함으로써 형성될 수 있다. 상기 인용되고 본 명세서에 참조로서 포함된 HT 03-006은 GMR 판독 센서들의 형성시 Cu 스페이서 층들을 스퍼터 증착으로 산소 도핑 아르곤 기체의 사용을 개시하고 있다. 스퍼터링층 내에 통합된 작은 양의 산소가 매우 이동적이고 OSL을 형성하기 위해 층 표면에 확산함을 알았다.

일단, OSL이 원하는 고품질의 터널링 장벽층을 생성하기 위해 필요한 산소를 제공한다고 확립되었으면, 상기 방법에 적용되는 2개의 유리한 다층의 스택 구성들은 다음과 같이 됨을 알게 되었다.

(A)

BL/SE/NiCr/MnPt/CoFe(10%)/Ru/CoFe(25%)/OSL/Al/ROX/CoFe(20%)-NiFe(20%)/Ta

(B)

BL/SE/NiCr/MnPt/CoFe(10%)/Ru/CoFe(10%)-NiFe(60%)/OSL/Al/ROX/NiFe(60%)-NiFe(20%)/Ta

(A) 및 (B) 모두에서, BL은 "하부 리드(bottom lead)"에 있고, SE는 "스퍼터 에칭(sputter etching)"에 있으며, OSL은 "산소 계면 활성층(oxygen surfactant layer)"에 있고, ROX는 "라디컬 산소(radical oxidation)"에 있다. Al층의 상면을 산화하기 위해 적용된 가벼운 ROX 공정은 전체 균질성 및 장벽층의 화학량을 강화하여, 인터페이스 영역들을 특히 고품질로 만든다. 스택(A)이 OSL이 형성된 CoFe(25%)층을 포함하고, 스택(B)이 OSL이 형성된 복합 CoFe(10%)-NiFe(60%)층을 포함함을 또한 주지한다.

스택 구성들이 형성된 후에는 피닝 필드들을 설정하기 위해 10kOe(kilo-Oersted) 자계에 근사적으로 5시간 동안 어닐링된다. 이러한 어닐링 고정은 무결성을 개선하기 위해 장벽층 내의 산소를 더 균질화한다. 이점에서, OSL의 결과로서 Al층 내에 이미 생성된 더 작은 입자 크기는 어닐의 균질한 공정을 강화한다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예인 단일 MRAM 소자들의 어레이의 일부가 될 수 있는 단일 MRAM 소자의 형성의 초기 단계를 개략적 단면도로 도시하고 있다. 다음에 개시될 실시예들에서, 모든 층의 증착들은 스퍼터링에 의해 박층들을 증착하기에 적합한 고진공 PVD 챔버에서 발생하고, 산화 공정은 별도의 플라즈마 산화 챔버에서 발생함을 이해한다. 이들 실시예들에서, 시스템은 상기한 챔버들 모두를 포함하는 상용의 아넬바 7100 시스템이었지만, 다른 유사한 시스템들이 또한 적당하다.

상기 실시예에서 MRAM 소자가 형성될 하부 도전 리드(예컨대, 비트 라인)인 제 1 기판(10)이 도시되어 있다. 단일 MRAM 소자가 이러한 소자들의 어레이 중 하나일 수 있고, 상기 소자 또는 어레이가 또한 정보 저장 및 검색에 사용된 연관된 회로에 접속될 수 있음을 또한 이해한다.

도전 리드층(10)은 통상적으로 Ta/Ru/Ta와 같은 다층 형성이며, 근사적으로 80 내지 100옹스트롬의 두께로 원래 형성된 제 2 Ta층(15)(캡핑층(capping layer))을 종속시킴으로써, Ta층의 근사적으로 20 내지 30옹스트롬을 제거하는 스퍼터-에칭(SE) 공정으로, 후속 형성층들이 더욱 평활하고 더욱 균일해짐을 알았다. 이러한 스퍼터-에칭층의 평활화 촉진 속성은 본 명세서에 참조로서 포함된 관련 출원 HT 03-022에 개시되어 있다.

도 1b를 참조하면, 더 얇은 Ta층이 현재 표시된(17), 스퍼터-에칭된 Ta층 표면상에 형성된 NiCr 시드층(seed layer; 20)이 도시되어 있다. 시드층은 또한, 본 명세서에 참조로서 완전히 포함된, 관련 출원 HT03-025에 기재된 바와 같이, 평활층 과성장을 강화한다. 하부 전극(30)은 본 실시예에서는 반강자성 피닝층(32)인 시드층상에 형성되며, 근사적으로 100 내지 200옹스트롬의 두께로 형성된 MnPt층이고, 그 위에 하부 강자성층(34), 결합층(36) 및 상부 강자성층(38)을 포함하는 합성 반강자성 피닝된(SyAP) 삼중층 구조가 형성되며, 2개의 강자성층이 상술된 어닐링 공정에서 반-평행 방향들로 자화되는 것이 바람직하다. 하부 강자성층은 근사적으로 15 내지 25옹스트롬, 바람직하게는 25옹스트롬의 두께로 형성된 CoFe(10%)층이다. 이 층 상에는 근사적으로 7 내지 8옹스트롬, 바람직하게는 7.5옹스트롬의 두께로 형성된 Ru의 얇은 결합층(36)이 형성된다. 결합층 상에는 근사적으로 15 내지 20옹스트롬의 두께를 가진 CoFe(25%)의 상부 강자성층(38)이 형성되어 있다. 상기 CoFe층 내의 원자수 기준으로 25%의 Fe는 DR/R의 특히 양호한 값을 생성하기 위해 발견되었다. 대안적으로, 상부 강자성층은 CoFe(10%)-NiFe(60%)(CoFe 이상의 NiFe)의 복합층이 될 수 있으며, CoFe(25%)의 15 내지 20옹스트롬과 동등한 효과적인 자계 두께(자기 모멘트 및 두께의 곱)를 생성하기 위해 근사적으로 5 내지 10옹스트롬의 두께로 형성된다. 상부 강자성층(38) 상에는, 본 발명의 중요 부분인 OSL(39)가 어떤 형태이든 형성되어 있다. OSL은 CoFe 또는 CoFe-NiFe의 상부 층이 형성된 후에 산화 챔버 내에 형성될 수 있거나, 또는 상술된 바와 같이, OSL은 작은 양의 산소와 혼합된 아르곤을 사용하여 층을 스퍼터링함으로써 상부 층이 무결하게 형성될 수 있다. OSL이 산화 챔버 내에 형성될 때, 산소 소스는 근사적으로 2x10^-7토르의 매우 저압으로 존재하는 것이 바람직하며, 근사적으로 300초 동안 근사적으로 0.02 내지 0.04sccm의 산소 유입에 의해 유지되어야 한다. 결과로서 생긴 OSL은 산소의 단일층보다 작다.

OSL이 CoFe으로 형성되거나 또는 CoFe-NiFe층이 증착되는 경우, 어느 층이든 관련 출원 HT 03-006호에 상세히 개시된 방식으로 아르곤 및 산소의 혼합을 사용하여 스퍼터-증착될 수 있다.

도 1c를 참조하면, 피닝된 층 상의 균질한 Al₂O₃ 화학량의 얇고 평평하며 평활한 터널링 장벽층(50)의 형성이 도시되어 있다. 먼저, 근사적으로 7 내지 10옹스트롬, 바람직하게 근사적으로 9옹스트롬 두께의 Al층은 CoFe(25%)층(38)의 OSL 상 에 형성된다. 이층이 먼저 증착될 때, OSL(39)로부터의 산소 원자들은 Al 원자들에 의해 흡수되고, 실질적 화학량 Al₂O₃의 초박 비결정질 인터페이스 영역(51)을 형성한다. 증착이 계속됨에 따라, OSL로부터의 산소는 소모되고, 나머지 Al층(53)은 Al₂O₃ 인터페이스 영역(51)의 비결정 성질이 큰 Al 입자들의 형성을 방지하기 때문에 작은 입자의 결정 영역들로 형성된다.

도 1d를 참조하면, 별도의 플라즈마 챔버 내의 산소 라디컬들, 원자들 및 플라즈마 발생 이온들의 샤워에 의한 산화인 라디컬 산화(ROX)에 속하는 Al층이 도시되어 있다. 이 산화 공정은 상부의 작은 입자 Al층(도 1c에서 53)이 OSL의 흡수에 의해 생성된 Al₂O₃층(51)을 향해 연장하는 양호한 Al₂O₃ 화학량으로 산화되도록 한다. 상기 ROX층이 현재 표시된다(58). 완료된 Al층(50)은 현재 실질적으로 균일하고 균질하게 산화된다. OSL(39)은 산소 함유량을 Al층에 주입한다. ROX 공정은 상기 인용된 Y. Ando에 의한 문서에 개시되고 상술된 아넬바 유닛 내의 플라즈마 챔버의 동작에 의해 기능적으로 제공되기 때문에, 본 명세서에서는 상세히 기술하지 않을 것이다. 간단히, 본 발명의 목적들을 달성하기 위해 적용된 ROX 공정은 플라즈마 산화 챔버 내에서 실행된 플라즈마 산화 공정이며, 여기서 격자형 캡은 상부 전극과 산화되는 웨이퍼 표면 사이에 배치된다. 산소 기체는 상부 전극에 공급되고, 전력은 기체를 적어도 부분적으로 이온화하기 위해 전극에 공급된다. 캡 통과는 산소 원자들, 분자들, 라디컬들 및 전극에 의해 생성된 이온들이 웨이퍼 표면상에 도달할 때 에너지가 적도록 한다. 본 명세서에 사용된 플라즈마 챔버 내에서, 챔버 내의 상부 전극은 산소 라디컬들의 샤워를 생성하기 위해 0.5리터의 산소 기체가 공급된다. 전력은 500 내지 800와트로 전극에 공급된다.

도 1e를 참조하면, 균질하게 산화된 장벽층(50) 상에 자유층(60)의 증착을 위해 PVD 챔버로 되돌아간 도 1c의 형성이 도시되어 있다. 자유층은 NiFe(60%)-NiFe(20%)의 이중층인 것이 바람직하며, 여기서 제 1 NiFe층은 근사적으로 5 내지 10옹스트롬, 바람직하게는 10옹스트롬의 두께로 형성되고, 제 2 NiFe층은 근사적으로 25 내지 50옹스트롬, 바람직하게는 30옹스트롬의 두께로 형성되거나, 또는 CoFe(25%)-NiFe(20%)의 이중층인 것이 바람직하며, 여기서, CoFe층은 근사적으로 5 내지 10옹스트롬, 바람직하게는 10옹스트롬의 두께로 형성되고, NiFe층은 근사적으로 25 내지 50옹스트롬, 바람직하게는 30옹스트롬의 두께로 형성된다. 근사적으로 150 내지 300옹스트롬의 두께로 형성된 Ta의 캡핑층(65)은 자유층 상에 형성된다. 도면에 도시되지 않았지만, 근사적으로 10kOe의 외부 자계에서 근사적으로 5시간 동안 근사적으로 280℃로 실행된, 피닝된 층의 자화 방향들을 설정하기 위한 어닐링이 있다. 오랜 고온 공정은 장벽층(50)의 산화를 더 균질화하는 역할을 하며, 하부의 OSL로부터 유발된 작은 Al 입자 크기에 의해 더 강화된다. 따라서 장벽층(50)은 균일하게 그늘지게 도시된다.

당업자가 이해하는 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예는 본 발명을 제한하기 보다는 본 발명을 예시하기 위한 것이다. 첨부된 청구항들에 규정된 본 발명의 기술 사상 및 범위에 따라 MTJ MRAM 장치 및 형성 방법을 형성 및 제공할 때, 균일 및 균질한 Al₂O₃ 화학량의 터널링 장벽층이 산소 계면 활성층을 가진 하부 전극 상 에 증착된 Al층의 라디컬 산화에 의해 형성되는 MTJ MRAM 장치를 형성 및 제공하는데 이용된 방법들, 재료들, 구조들 및 치수들에 대한 개정들 및 수정들이 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 하부 및 상부 전극들 사이에 형성된 평활하고 평평한 터널링 장벽층을 특징으로 하는 MTJ MRAM 소자 및 상기 소자들의 어레이와, 터널링 장벽층의 높은 브레이크다운 전압 및 높은 DR/R 비를 특징으로 하는 MTJ MRAM 소자 및 이러한 소자들의 어레이를 형성할 수 있다.

Claims

MRAM 구성의 자기 터널링 접합(MTJ: magnetic tunneling junction) 장치에 있어서,

기판;

상기 기판 상에 형성된 도전 리드층(conducting lead layer)으로서, 스퍼터-에칭된 상면(sputter-etched upper surface)을 가진 Ta 캡핑층(capping layer)을 포함하는, 상기 도전 리드층;

상기 스퍼터-에칭된 상면 상에 형성된 NiCr 시드층(seed layer);

상기 시드층 상에 형성된 하부 전극으로서, 상기 하부 전극은 반강자성 재료의 피닝층(pinning layer), 및 상기 피닝층 상에 형성된 SyAP 피닝된 층을 포함하고, 상기 SyAP 피닝된 층은 반평행 방향들(antiparallel directions)로 자화된 하부 및 상부 강자성층들을 포함하고, 상기 상부 및 하부층들은 결합층에 의해 분리되는, 상기 하부 전극;

상기 상부 강자성층 상에 형성된 산소 계면 활성층(oxygen surfactant layer);

균일하게 작은 입자 크기를 갖는 산화 알루미늄의 평활하고 화학량적으로 균질한 터널링 장벽층으로서, 상기 산소 계면 활성층 상에 형성되고 상기 산소를 흡수한, 상기 터널링 장벽층;

상기 장벽층 상에 형성된 강자성 자유층(ferromagnetic free layer); 및

상기 강자성 자유층 상에 형성된 캡핑층을 포함하는, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 NiCr 시드층은 원자수 기준으로 35% 내지 45%의 Cr이 존재하는 NiCr로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성 피닝층은 100 내지 200옹스트롬(angstroms)의 두께로 형성된 MnPt 층 또는 50 내지 100옹스트롬의 두께로 형성된 IrMn 층인, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 SyAP 층은 Ru의 결합층에 의해 분리된 CoFe의 하부 및 상부층을 포함하고, 상기 터널 장벽층에 인접한 CoFe의 적어도 상부층은 CoFe(25%)인, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 SyAP 층은 CoFe의 하부층, 및 Ru의 결합층에 의해 분리된 CoFe(10%)-NiFe(60%)의 상부 복합층을 포함하며, 상기 상부 복합층은 상기 터널 장벽층에 인접한, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 CoFe의 하부층은 18 내지 25옹스트롬의 두께이고, 상기 CoFe의 상부층은 15 내지 20옹스트롬의 두께이고, 상기 Ru 층은 7 내지 8옹스트롬의 두께인, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 CoFe의 하부층은 18 내지 25옹스트롬의 두께이고, 상기 CoFe(10%)-NiFe(60%)의 상부 복합층은 5 내지 10옹스트롬의 두께이며, 상기 복합층이 CoFe(25%)의 15 내지 20옹스트롬과 동일한 총 자기 두께가 되고, 상기 Ru층은 7 내지 8옹스트롬의 두께인, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 산소 계면 활성층은 상기 상부 강자성층의 표면상에 흡수된 산소의 단일층보다 작은, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 상부 강자성층은 CoFe(25%)이고, 상기 CoFe(25%) 상에 형성된 상기 산소 계면 활성층 내의 산소는 상기 터널 장벽층으로 통합된, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 상부 강자성층은 상기 CoFe(10%)-NiFe(60%)의 복합층이고, 상기 산소 계면 활성층 내의 산소는 상기 터널 장벽층으로 통합된, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 터널링 장벽층은, 산소 계면 활성층 상에 PVD 증착에 의해 7 내지 10옹스트롬의 두께로 형성되고 라디컬 산화(radical oxidation)에 의해 균질한 Al₂O₃ 화학량으로 산화된 산화 Al층인, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 자유층은 CoFe(25%)-NiFe(20%)의 이중층이고, 상기 CoFe(25%)는 5 내지 10옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 NiFe(20%)는 25 내지 50옹스트롬의 두께로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 자유층은 NiFe(60%)-NiFe(20%)의 이중층이고, 상기 NiFe(60%)는 5 내지 10옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 NiFe(20%)는 25 내지 50옹스트롬의 두께로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) 장치.
자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치를 형성하는 방법에 있어서,

기판을 제공하는 단계;

고진공 증착 시스템에서 상기 기판 상에 하부 도전층을 형성하는 단계로서,

상기 기판 상에 도전 리드층을 형성하는 단계,

상기 도전 리드층 상에 Ta 캡핑층을 형성하는 단계, 및

상기 Ta 캡핑층을 스퍼터-에칭하는 단계를 더 포함하는, 상기 하부 도전층 형성 단계;

동일한 고진공 증착 시스템에서 하부 피닝된 전극(lower pinned electrode)을 형성하는 단계로서,

상기 스퍼터-에칭된 Ta 층 상에 NiCr 시드층을 형성하는 단계,

상기 시드층 상에 AFM 피닝층을 형성하는 단계, 및

상기 피닝층 상에 합성 반강자성 피닝된 (SyAP) 층을 형성하는 단계로서, 상기 피닝층 상에 형성된 하부 강자성층, 상기 하부 강자성층 상에 형성된 결합층, 및 상기 결합층 상에 형성된 상부 강자성층을 포함하는, 상기 합성 반강자성 피닝층 형성 단계를 더 포함하는, 상기 하부 피닝된 전극 형성 단계;

산화 챔버에서 산소 계면 활성층을 상기 상부 강자성층 상에 형성하는 단계;

상기 산소 계면 활성층 상에 터널링 장벽층을 형성하는 단계로서,

상기 고진공 증착 시스템에서 상기 산소 계면 활성층 상에 Al층을 형성하는 단계로서, 상기 증착은 먼저, 화학량 Al₂O₃의 비결정층을 형성하기 위해 상기 계면 활성층으로부터 상기 Al층으로 실질적으로 모든 산소의 흡수를 유발하고, 상기 계면 활성층 내의 모든 상기 산소의 증착시, 상기 증착의 나머지는 작고 균일한 입자 크기의 평평하고 평활한 Al층을 형성하는, 상기 Al층 형성 단계, 및

플라즈마 산화 챔버에서 라디컬 산화 공정에 의해 상기 평평하고 평활한 Al층을 산화하는 단계로서, 상기 공정은 상기 평평하고 평활한 Al층으로부터 화학량 Al₂O₃의 산화층을 형성하고, 상기 산화층은 상기 Al 증착 동안 형성된 화학량 Al₂O₃의 상기 비결정층으로 연장하여, 그에 의해 실질적으로 균질한 Al₂O₃ 화학량의 터널링 장벽층을 형성하는, 상기 Al층 산화 단계를 더 포함하는, 상기 터널링 장벽층 형성 단계;

상기 고진공 시스템에서 상기 터널링 장벽층 상에 자유층을 형성하는 단계;

상기 고진공 시스템에서 상기 자유층 상에 상부 캡핑층을 형성하는 단계; 및

상기 피닝된 층을 자화하기 위해 상기 MTJ MRAM 장치를 어닐링하는 단계로서, 상기 터널링 장벽층의 상기 Al₂O₃ 화학량을 더 강화하는 상기 어닐링 단계를 포함하는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 NiCr 시드층은 원자수 기준으로 35% 내지 45%의 Cr을 갖는 NiCr로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 Ta의 캡핑층은 80 내지 100옹스트롬의 두께로 형성되고 상기 Ta층의 20 내지 30옹스트롬을 제거하기 위한 공정에서 스퍼터 에칭되는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 반강자성 피닝층은 MnPt층으로서 100 내지 200옹스 트롬의 두께로 형성되거나, 50 내지 100옹스트롬의 두께로 형성된 IrMn층인, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 SyAP 층은 Ru층에 의해 분리된 CoFe의 하부 및 상부층으로서 형성되고, 상기 터널 장벽층에 인접한 적어도 상기 상부 CoFe 층은 CoFe(25%)인, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 SyAP 층은 CoFe의 하부층, 및 Ru의 결합층에 의해 분리된 CoFe(10%)-NiFe(60%)의 상부 복합층으로서 형성되고, 상기 상부 복합층은 상기 터널 장벽층에 인접한, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 CoFe의 하부층은 18 내지 25옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 CoFe의 상부층은 15 내지 20옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 Ru 층은 7 내지 8옹스트롬의 두께로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 CoFe의 하부층은 18 내지 25옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 CoFe(10%)-NiFe(60%)의 상부 복합층은 5 내지 10옹스트롬의 두께인 NiFe(60%)로 형성되어, 상기 복합층이 CoFe(25%)의 15 내지 20옹스트롬과 동일한 총 자기 두께가 되고, 상기 Ru층은 7 내지 8옹스트롬의 두께로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 상부 강자성층 상에 산소 계면 활성층을 형성하는 공정은, 상기 챔버를 2x10^-7토르(torr) 압력의 산소 기체로 소거(purge)하기 위해 0.02 내지 0.04sccm의 속도로 상기 산화 챔버에 산소를 도입하고, 상기 상부 강자성층을 상기 산화 챔버 내에 2분 동안 남겨두는 단계를 더 포함하는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 상부 강자성층 상에 산소 계면 활성층을 형성하는 공정은, 산소 주위에서 상기 상부 강자성층을 아르곤 원자들로 스퍼터링하는 단계를 더 포함하며, 상기 스퍼터링 챔버는 5x10^-9토르의 기본 압력을 유지하고, 상기 울트라-저 압력 Ar/O₂ 혼합은 0.5ppm보다 적은 양의 산소를 함유한 고 순도 Ar의 울트라-저 압력 소스와 400 내지 600ppm의 산소가 혼합된 것과 동일한 Ar 소스를 혼합함으로써 생성되고, 상기 고 순도 Ar은 0.4밀리토르의 압력이고, 상기 산소는 10^-9 내지 10^-8토르의 부분 압력을 갖는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 라디컬 산화 공정은:

0.5리터의 산소 기체를 플라즈마 챔버 내의 이온화된 전극에 제공하는 단계;

500 내지 800 와트의 전력이 공급된 전극에서 상기 산소를 부분적으로 이온화하는 단계;

산소 분자들, 원자들, 이온들, 및 라디컬들을 포함하는 산소 종(oxygen species)의 샤워(shower)를 생성하기 위해 부분적으로 이온화된 기체를 격자에 통과시키는 단계; 및

상기 샤워를 산화되는 상기 Al층으로 향하게 하는 단계를 더 포함하는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 자유층은 CoFe(25%)-NiFe(20%)의 이중층으로서 형성되고, 상기 CoFe(25%)는 5 내지 10옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 NiFe(20%)는 25 내지 50옹스트롬의 두께로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 자유층은 NiFe(60%)-NiFe(20%)의 이중층으로서 형성되고, 상기 NiFe(60%)는 5 내지 10옹스트롬의 두께로 형성되고, 상기 NiFe(20%)는 25 내지 50옹스트롬의 두께로 형성되는, 자기 터널링 접합(MTJ) MRAM 장치 형성 방법.