TW432482B - Low resistance MTJ - Google Patents

Description

43 24 82 !五、發明說明（l) ； | 此專利是在19 98年7月20曰所申請的美國專利案號 i

09/119,537 。 I 發明範圍 | 本發明係有關於製造記憶體單元的磁性穿隧接合面之方|' 法，更明確而言，係有關製造低電阻阻障層的磁性穿隧接 | -合面之方法。

J 發明背景 ; 一磁性隨機存取記憶體（MRAM)是一非揮發性記憶體，其 基本上包括一磁阻（M R )材料、一感測線、及一字線。該磁 隨機存取記憶體係採用儲存記憶體狀態的磁向量。當磁場ζ) 運用於某一臨界上的磁組材料之.時，在一或所有磁組材料 i 層中的磁向量會很快從一方向轉變成一相反.方向。根據在 磁組材料中的磁向量的方向，狀-態會儲存，例如，一方向' 可以定義為邏輯”0M ，而另一方-向能夠定義為邏輯n 1M 。該 I磁組材料能夠維持這些狀態，既使在沒有供應磁場的情 況。在磁組材料中所儲存的該等狀態能夠藉著將感測電流 ! 在一感測線的單元流通而讀.取，因為在兩狀態的·磁阻之間 存在差異。 磁性穿隧接合面（Μ T J )結構或單元係包括在其間插入一 非磁性、非傳導穿隧層（通常稱為阻障層）的至少一對磁 丫_ I層。當將一感測電壓在該對磁層之間提供的時候，電子載

I 體會藉由穿隧在該等磁層之間所夾入的非磁性、非傳導穿 隧層而在該對磁層之間移動。當該對_磁層的磁向.量不平行 ！ j ； |的時候1該感測電流的電阻會是表大’而當該對磁層的磁 i - ! !

苐5頁 4 3 24 8 2 五、發明說明（2) 向量平行的 間的差通常 該磁性穿 由該磁性穿 一理想的磁 零，而最大 先前技藝中 要方法是要 磁性記憶單 以很小構成 小便會變得 ”薄”，他們 嘗試將阻 常是不連續 之 先前技 純鋁層，然 該鋁層沉積 薄的情況° 積之時，某 產生短路。 性解決是在 該等晶粒的 卻週期、需 方面的方法 時候，其電阻會是最小在最大與最 稱為磁阻（MR )比。 隧接合面單元（通常稱為面電阻）的最 隧接合面單元的結構與材料決定。無 性穿隧接合面單元中，該面電阻是非 電阻會很高或無限大，類似一理想的 ，用來減少一磁性穿隧接合面單元的 使阻障層較薄。該單元電阻問題會進 元的極高密度陣列影響而惡化，如果 而足以使用在現階段電f裝置，個別 非常小（次微米）。因此，若要使該等 必須變成超薄，或在數埃厚度的.範圍 障層減少到超薄大小-尚未成功，因為 ，亦即包括針孔等v例如，嘗試減少 藝係包括在磁性穿隧接合面的低磁層 後將在氧電漿的鋁層氧化。此程序的 的時候，針孔便會形成，尤其是如果 在鋁氧化之時，當該第二磁層在鋁氧 些針孔便會保留，並在磁性穿隧接合 若要克服針孔問題，先前技藝所建議 低溫（例如液體氮溫度）下沉積鋁層， 大小。此方法之某些問題是包括大量 要較長的時間、高成本，-因此.不能使. 小電阻之 小電阻是 疑地，在 常低或 開關。在 電阻之主 一步受到 該陣列係 單元的大0 阻障層變 内.。 超薄層經 該，面電阻 上沉積一 問題是當 該層相當 化層上沉 面單元中 之 可能 藉此減少 的熱與冷 用在製造

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第6頁 432482 五、發明說明（3) |

I 嘗試產生薄層的某些額外問題是該等薄層不容易再製，i !而他們可能會有熱穩定與電子崩潰的問題存在。 | 因此，高度意欲要提供磁隨機存取記憶體的磁性穿隧接丨 丨合面，包括具有減少電阻的阻障層。 ί 本發明之一目的是要提供具有減少電阻與製造方法的新i- . ! 丨改良磁性穿隧接合面單元。 1 ! ! j 本發明的另一目的是要提供具有高品質阻障或穿隧層的 | :新改良磁性穿隧接合面單元與製造方法。 --- ! 本發明的仍然另一目的是要提供具有一高磁阻（M R )比率丄 的新改良磁性穿隧接合面單元。 ό …， i

本發明的進一步目是要提供製造磁性穿隧接合面單元之 I

I i 一新改良方法，而磁性穿隧接合面單元能容_易運用於製

I i 造。 · ' 丨發明概要 ' 上述問題與其他是至少部份解決，而上述目的與其他是 在具有低電阻阻障層與製造方法之一低電阻磁性穿隧接合 j面實現。在該新方法中，具.有一表面的材料之一 ·第一磁層 | ί會提供，而諸如鋁材料之一連續層會在第一磁層的表面形 |

|成。該材料的連續層會被處理τ以產生氧氮化物材料之一 乂 低電阻、非傳導阻障層，而一第二磁層會在氡氮化物材料 Υ 的阻障層形成，以完成該低電阻磁性穿隧接合面。 I ；圖式之簡單說明 ^

第7頁 432482 五、發明說明（4) 較佳具體實施例之說明 請即參考所有圖式，圖中所有相同特性係以相同數字表 示，圖1係描述包括在其間形成一磁層1 1之一基礎底材1 0 結構。當基礎底材1 0為了簡化而描述成單一層的時候，由 技藝中的技術可了解到其包括各種不同目的的額外層，諸 如緩衝層、隔離或傳導層等，而所有這些層係認為包括在 基礎底#10。磁層11具有一上層表面12，其進一步層的沉 積係以儘可能平坦形成。磁層1 1係以在技藝中幕所周知的 任何各種不同材料、或材料的多重層形成’在此不詳細插 述。 此所描述的該磁性單元或該等_單元係為了方便而描述部 份圖式，應可了解到該等圖式是表示一單元.部分或單元陣 列的部分，而且依需要，每一單-元可以是矩形或圓形、正 方形或鑽石形、或橢圓形。如技藝中所知，矩形的單元具 有磁向量，其係位在實質沿著單元的長度，並藉由實際的 各向異性而保持長度的平行。若要將此達成，該單元的寬 度係以小於在磁層内的磁域.壁或轉換寬度形成。_典型上， 小於1. 0至1. 2微米的寬度會造成此一限制。通常，若要達 成高密度，該寬度是小於1微米，而且藉由製造技術達成 儘可能地小，而且該長度是大於寬度°而且，諸如層1 1的 磁層厚度是大約3至10毫微米，而且不同於在某些具體實 施例中的每一磁層。不同的厚度會影響該等轉變點，並利 用某些結構來讀取與寫入單元。 一 當一單獨磁層的外觀比（長與寬）接近1的時候，諸如圓

第8頁 4 3 24 8 2 五、發明說明（5) 形、正方形或鑽石形、或橢圓形單元，來自形狀各向異性 的轉變場會是最小。例如，在圓形單元的情況中，該較佳 磁化方向是由單軸晶場各向異性（或磁性晶體各向異性）決 定。以升高的溫度（例如2 0 0 °C至3 0 0 °C )在一高磁場（例如 數個k 0 e )中沉積之後，此較佳的磁化方向能夠藉由一偏壓 場或藉著將該薄膜回火而在薄膜沉積過程中設定。例如， 在一正方形或鑽石形的情況中，該單軸晶體各向異性是沿 著正方形的對角線方向設定。在橢圓形單元的情況中，該 單軸晶體的各向異性是沿著單元的長軸設定。主要觀念是 .要減少受到形狀影響，其係提供給在窄單元寬度上的轉變（ 場需求，並利兩晶體場各向異性設定一記憶體單元所需的 較佳磁化方向。 . . 請即參考圖2，一金屬連續層15是在磁層11的表面12形-成。對於此揭露的目的而言，"連續"用語係稱為一材料 層，其大約與磁層1 1共同延伸，而且不包括任何的針孔或 類似物。應了解的是層1 5能夠以諸如·鋁的純材料或元件形 成，鋁能容易地氧化與氮化，以便在一磁性穿隧接合面中 產生該阻障層之一非傳導低電阻材料。在一較佳具體實施 例中，層1 5包括容易氧化與氮化之一支配性材料或元件， 而具有原子之一或多個其他材料或元件軌跡係不同於支配 性金屬的原子。通常，該支配性元件的數量是大於9 0 %， 其只包括足以在層1 5上產生晶粒的數量，這些晶粒是小於 該支配性元件的晶粒，以產生一連續邏。在一較.佳具體實 施例中，該支配性元件是鋁1而該等材料軌跡能夠是其中

4 3 24 8 2 五，發明說明（6) 任：或：：的銅、矽、鈕、鈦或類似元素。

在—知殊技術上，一去配，H A 屬係同時沉積 較：:曰:屬或該等金 連續層=在-第二技術…2;;;=二此會是 法而在磁層U的表Φ i 9 H=稭由任何方便的方 J Ί闻1 Z上"L積。該晶粒材斜銥 是一連續層。該支配性材料蚨後合以H 二夠或不可以 忠，兮Θ私从诞认柯傻a日日杻材料的使用而形 成fl玄日日粒材枓的出現係確保該支配性材料之—者所广 繽層。在一較佳具體實施例中，該晶粒材料包括其中二' 夕们銅砂艇、鈦或類似元素，而該支配性材料包·括s 銘。 在上述的任何技術上，層15是沒i針孔或類似物的連續 性:而且具有>大約〇· 3毫微米至3毫微米範圍.的厚度，而理. 想疋大約1. 5窀微米。例如，已發現到用以產生—品質阻 障層之一連續鋁層15的最小厚度是1.5毫微米，其薄連續j 铭層會造成降低的礤組比。然而，在除了使用鋁之外之一 | 支配性材料範例中，在沒有降低磁組比率的最薄連續層會 可能不同。鋁的額外材料執.跡亦能低於其穿隧能·量阻障， 因此，降低磁性穿隧接合面的電阻。而且’因為層1 5會轉| 換成如下所述之具有低電J!且的氧亂化物’它不必要以如先.i 前技藝氧化物所需的薄度形成’以產生如先前技藝氧化物、 的相同結果。 只要連續層1 5在一定的位置’不管是形成—純材料或一 支配性材料與材料執跡，一處理步驟-的執.行是要.產生一阻 障或穿隧層1 6，如圖3所述，&係描述處理過的非傳導性

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I五、發明說明⑺ I I · |材料。在一較佳的具體實施例中，該處理包括從氧與氮的丨 混合產生一電漿，並藉由類似電漿氧化的技術將連續層1 5 轉換成氧氮化物。決定在利用來形成氧氬化物的材料，氡| |與氣的混合可改變’以提供最適宜的結果。例如，如果所 I利用的材料是純粹或具有混合材料軌跡的鋁，該電漿處理 I便會造成A10xNy層，其中X與y是在鋁氧氮化物中的該等氧 化物與氮化物元件，°通常，連續層1 5能以非常薄製成，而 I仍維持其完整性，其可造成具有低能量阻障之一非常薄的i 阻障或穿随層1 6 ，結果，會是一實質減少的面電阻。而 且，層1 5是連續性，其實質可改良阻障或穿隧層1 6的品質〇 可信度。而且，藉著將層1 5轉換成氧氮化物阻障層1 6，該 磁性穿隧接合面便具有一較低的電阻/ 請即參考圖4，一磁層18是沉積在阻障或穿隨層16上，‘ 而任何電氣連接、不起化學反應等（在圖中未顯示出）會執 行，以提供~完整的單元2 0及/或單元陣列3通常，該磁 層18的厚度是大約3至10毫微米，而且可不同或相同於在 不同具體實施例中的磁層11 .。如上所述，該等磁層的厚度 差會影響到該等轉變點，而且可利用在某些結構，用以執 行讀取與寫入單元的功能。當所述及舉證的阻障層丨β係充 當兩磁層1 1和1 8鄰接的時候’可了解在某些特殊的應用 上’其思欲在阻障層1 6與一或兩磁層1 1和1 8之間包括一額 外材料（例如一稍後的薄傳導）層。若要在單元2 0中包括此 額外層’该等較低層（亦即可能出現的底材1 〇、磁層1 1與 任何額外層）通常定義為一基礎結構與磁層丨8，而可能出 4 3 24-82 五 '發明說明（8) 現的任何額外層係定義為一覆蓋結構。 在一特殊的範例中，層1 1係以大約1 0 〇 A厚度（通常是在 10名至200&的範圍内）的鈷（Co)形成，層16係以大約25 A厚 度（通常是在1 0人至1 0 0 &的範圍内）的鋁氧氮化物（A 1 0xNy)形 成’而磁層1 8係以大約1 0 0 $厚度（通常是在1 〇 A至2 ◦ 〇人的範 圍内）的鎳鐵（NiFe)形成。電阻變化與電阻（△!?/!〇的比率 通常是在1 0 %至3 0 %的範圍内。因此，磁性單元2 0的狀態是 藉著將來自磁層1 1之一感測電流傳送至磁層1 8 (反之亦然） 而相當容易感測。單元2 〇的電阻變化可容易讀取，當跨在 單凡2 0的電壓降變化之時，可方便連同記憶體陣列等使 $ ra - · 用。 因此’所揭露的是一種用以製造具有減少面電阻的磁性-^隧接合面單元的低電阻阻障層〜之一新改良方法。該新改. ΐ係可提供具有高品質阻障或穿隧層及高磁阻比率的 材斜、查ί接合面早70製造。該新改良方法係提供用以製造 接1 & 層，疋些連續層然後會被處理，以便在磁性穿隨 層。姦斗 構成該阻障或穿隧層的低電阻氧氮化物 /貧座生辞莖柄恭ίΐα > u 處理。" 乳氬化物層的處理可容易適用在製程 當我們顯示及描述太狀ηη & & l 、 步修改蛊改肖π i =本如明的特殊具體實施例之時，進一 要了解到太π日g *办食〒所熟知的技術實現。因此，我們 附錄的申請i利範C示的特殊形式，而我們是在 圍之修改。 ^函盍所有不違-背本發明的_精神與範

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Claims (1)

1. 432482 .六、申請專利範圍 ‘ 1. 一種用以製造具有低電阻阻障層之一磁性穿隧接合面. 之方法，其包括下列步驟： 提供一支撐結構，其包括一材料之第一磁層； 在與該第一磁層平行之該支撐結構上形成一材料之連續 層； 處理該材料連續層，以產生氧氮化物材料之一阻障層； 及 形成一覆蓋結構，其包括在氧氮化物材料的阻障層上的 一第二磁層，該第二磁層是位在與該第一磁層平行，以便 形成具有該阻障層及該第一磁層之一磁性穿隧接合面。 0 2. 如申請專利範圍第1項之用以製造一磁性穿隧接合面 之方法，其中該用以形成材料連續，層的步驟.包括形成一鋁 連續層。 - 3. 如申請專利範圍第2項之用一以製造一磁性穿隧接合面 之方法，其中該用以處理材料連續層的步驟係包括產生氧 與氮的電漿，並使鋁連續層暴露於該電漿，以產生一鋁氡 氮化物層。 4. 如申請專利範圍第2項之用以製造一磁性穿隧接合面 之方法，其中該形成材料連續層的步驟包括具有材料執跡 、 I 之一鋁連續層，其材料所具有的原子係不同於鋁的原子。' ’ 5 .如申請專利範圍第4項之用以製造一磁.性穿隧接合面 之方法，其中該用以形成包括材料執跡的材料連續層之步 驟包括形成該等其中一銅、矽、钽、-或鈦.軌跡之.一鋁連續 層。

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   第丨4頁 4 3 24 B E ^、肀請專利範圍 跡，這些原子係不同於該支配性金屬的原子。 1 〇.如申請專利範圍第8項之磁性穿隧接合面，其中該連 讀層包括具有原子的鋁與具有原子的材料軌跡，這些原子 係不同於該主金屬的原子。

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