[发明专利]MTJ膜及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

将2011年2月7日提交的，包括说明书、附图和摘要的日本专利申请No.2011-24227的公开内容以整体引入的方式并入本文中。

背景技术

本发明涉及一种用于制造MTJ(Magnetic Tunnel Junction：磁性隧道结)膜的方法。特别地，本发明涉及一种用于制造在其中通过多步氧化方法形成隧道势垒层的MTJ膜的方法。

从高集成度和高操作速度的角度，磁性随机存取存储器(MRAM)承诺了一种非易失性存储器。在MRAM中，显示出磁阻效应的磁阻元件用作存储器单元。作为典型的磁阻元件，其中隧道势垒层夹在两个铁磁层之间的MTJ(磁性隧道结)是已知的。

图1示意性地示出了一种典型的MTJ膜的结构。该典型的MTJ膜包括堆叠的层结构，在该堆叠的层结构中第一铁磁层110、隧道势垒层120和第二铁磁层130按顺序堆叠。隧道势垒层120是具有1-2nm膜厚度的薄的绝缘层，其材料是Al和Mg的氧化物。第一铁磁层110和第二铁磁层130的每一个都具有磁化强度(在图1的实例中，二者的磁化强度沿表面方向)。在这里，第一铁磁层110和第二铁磁层130中的一个是其中的磁化强度方向固定的磁化强度固定层(钉扎层)，并且另一个是其中的磁化强度方向可以反转的磁化强度自由层(自由层)。由于磁阻效应，当磁化强度固定层和磁化强度自由层的磁化强度方向是“反平行的”时，该MTJ的电阻值大于它们是“平行的”情况下的电阻值。通过使用这种电阻值的变化，MTJ膜非易失地存储数据。通过反转磁化强度自由层的磁化强度方向而向MTJ膜写入数据。

MRAM的写入特性和读出特性由MTJ的膜特性决定。例如，隧道势垒层的覆盖特性和膜的质量显著地影响读出特性。主要的读出特性包括电阻-面积的乘积，即，标准化的结电阻(R×A；R：元件电阻，A：结面积)，以及磁阻比(MR比)。可通过CIPT(Current In-Plane Tunneling：面内电流穿隧)法获得这些R×A和MR比。隧道势垒层的覆盖特性和膜的质量的下降会导致R×A的降低(短路)和MR比的降低。因此，希望形成优良的隧道势垒层。

形成隧道势垒层的方法之一包括使用氧化物靶(一个实例：MgO)的RF溅射。然而，当通过RF溅射形成隧道势垒层时，在晶片表面中的结电阻的一致性不好是已知的。另外，从颗粒产生和靶污染的角度，对于批量生产MRAM，RF射频是不能胜任的。

作为用于形成隧道势垒层的方法，“后氧化法”是已知的。根据后氧化法，(1)首先执行沉积通过溅射方法沉积的金属膜(Al膜和Mg膜)的金属沉积步骤，并且然后(2)执行通过引入氧基团等来氧化沉积的金属膜的氧化步骤。因而，形成由Al₂O₃或MgO制成的隧道势垒层。后氧化法具有获得了优秀的晶片表面中的结电阻的一致性的特点，并且被认为是MRAM批量生产的重要技术。

“多步氧化法”是后氧化法的一种并且将上面所述的金属沉积步骤和氧化步骤重复两次或更多次。换句话说，当将一组金属沉积步骤和氧化步骤定义为“单位膜形成处理”时，不只一次地重复执行该单位膜形成处理。

日本未审专利申请公开No.2000-357829公开了一种涉及多步氧化法的技术。根据相关技术，在第一次单位膜形成处理中，沉积的金属膜的膜厚度设定在0.3nm或更大且小于1nm。在第二次单位膜形成处理或之后的处理中，沉积的金属膜的膜厚度设定在0.1nm至1.5nm。描述了因此形成的一种具有不存在过量和不足的氧化状态的隧道势垒层。

发明内容

近来，从降低电流驱动的畴壁运动MRAM中的写入电流的角度，具有垂直磁各向异性的垂直磁化强度膜已受到关注。目前最有前途的一种垂直磁化强度膜是Co/Ni堆叠膜，在其中Co薄膜和Ni薄膜交替堆叠。为了在Co/Ni堆叠膜中产生垂直磁各向异性，使用适当的衬层控制晶向是重要的。通过在适当的衬层上形成Co/Ni堆叠膜，该Co/Ni堆叠膜成为具有强fcc(111)取向的微晶膜。在这种情况下，可以实现强垂直磁性各向异性。