專利名稱:超薄金屬氧化物膜的反應(yīng)濺射沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總地涉及用于將超薄金屬氧化物膜沉積到與該金屬氧化物膜中的金屬不同的金屬的膜上的方法。
背景技術(shù):
超薄金屬氧化物膜應(yīng)用于納米技術(shù)器件中。當(dāng)金屬氧化物膜將被沉積到其上的膜也是金屬但該金屬不同于金屬氧化物中的金屬時(shí),將這些膜沉積到超薄的厚度例如小于大約100A是特別困難的。另外,存在這樣的應(yīng)用,其中下層金屬的氧化最小同時(shí)能夠沉積金屬氧化物膜是重要的。
這些超薄金屬氧化物膜的一種應(yīng)用是在巨磁電阻(GMR)傳感器中作為蓋層(capping layer),巨磁電阻傳感器廣泛用作磁記錄盤驅(qū)動(dòng)器中的磁電阻讀取頭。已經(jīng)建議用例如TaOx或AlOx的非磁金屬氧化物來(lái)覆蓋GMR自旋閥讀取頭中的自由鐵磁層。非磁金屬氧化物蓋層有時(shí)稱作“鏡面反射”層,因?yàn)樗鼈兊淖饔檬窍拗齐娮硬⒁虼嗽黾娱g隔層(spacer layer)與自由鐵磁層界面處的電子自旋相關(guān)散射的發(fā)生。具有非磁金屬氧化物蓋層的GMR讀取頭在公開的專利申請(qǐng)US 2002/0196589A1和美國(guó)專利6,709,767中作了描述。
這些超薄金屬氧化物膜的另一個(gè)應(yīng)用是在磁隧道結(jié)(MTJ)器件中。MTJ由被超薄絕緣金屬氧化物隧道勢(shì)壘(tunnel barrier)隔開的兩個(gè)鐵磁金屬層構(gòu)成。正在開發(fā)的各種MTJ器件包括具有MTJ存儲(chǔ)單元的非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM),美國(guó)專利5,640,343中作了描述;磁隧道晶體管(MTT),S.van Dijken、X.Jiang和S.S.P.Parkin發(fā)表在Appl.Phys.Lett.80,3364(2002)的“Room Temperature Operation of a High Output Magnetic TunnelTransistor”中作了描述;及MTJ磁場(chǎng)傳感器,例如用于磁記錄盤驅(qū)動(dòng)器中的磁電阻讀取頭,美國(guó)專利5,729,410中作了描述。
MTJ器件的一個(gè)重要特性是信噪比(SNR)。信號(hào)幅度依賴于隧道磁電阻(TMR),即電阻的變化除以電阻(ΔR/R)。然而,MTJ器件表現(xiàn)出的噪聲在很大程度上由器件的電阻R決定。因此,MTJ器件應(yīng)具有高TMR和低R。對(duì)于給定尺寸的器件,MTJ的電阻R主要由絕緣隧道勢(shì)壘的電阻決定,這是由于電引線和兩個(gè)鐵磁金屬層的電阻對(duì)電阻貢獻(xiàn)很小。
最常用的MTJ隧道勢(shì)壘是通過(guò)真空沉積鋁層后進(jìn)行等離子體或自然氧化而制成的非晶氧化鋁(Al2O3)膜。對(duì)于Al2O3隧道勢(shì)壘,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),隨著降低厚度以降低電阻R,TMR通常也降低,這很可能是因?yàn)槌∷淼绖?shì)壘中針孔(pin hole)的形成。
最近,研究了具有氧化鎂(MgO)外延隧道勢(shì)壘的MTJ。參見(jiàn)M.Bowen等在Appl.Phys.Lett.79,1655(2001)發(fā)表的“Large magnetoresistance inFe/MgO/FeCo(001)epitaxial tunnel junctions”;及S.Mitani等在J.Appl.Phys.90,8041(2003)發(fā)表的“Fe/MgO/Fe(100)epitaxial magnetic tunnel junctionsprepared by using in situ plasma oxidation”。通過(guò)在激光燒蝕(laser ablation)、分子束外延、和通過(guò)用于非晶Al2O3隧道勢(shì)壘的方法即傳統(tǒng)的真空沉積之后進(jìn)行原位等離子體氧化,已經(jīng)制備了這些MgO隧道勢(shì)壘。
由除Al和Mg之外形成的金屬氧化物膜也已經(jīng)被建議用于MTJ隧道勢(shì)壘。這些包括Ti、Ta、Y、Ga和In的氧化物,以及這些金屬與Al和/或Mg形成合金的氧化物,美國(guó)專利6,359,289和6,756,128對(duì)此作了描述。最廣泛描述的用于沉積這些金屬氧化物膜的方法也是通過(guò)傳統(tǒng)的真空沉積之后進(jìn)行原位(in situ)等離子體或自然氧化。
通過(guò)真空沉積金屬之后進(jìn)行氧化來(lái)形成金屬氧化物隧道勢(shì)壘金屬的傳統(tǒng)方法非常敏感,必須針對(duì)每種所沉積的金屬厚度進(jìn)行重新優(yōu)化。由于沉積后的氧化步驟,該方法還會(huì)很慢。太少的氧化會(huì)留下欠氧化的金屬,而太多的氧化會(huì)侵害下層膜。在欠氧化和過(guò)氧化兩種情況中,MTJ性能都會(huì)嚴(yán)重下降。
因此,需要開發(fā)一種用于在與金屬氧化物中的金屬不同的金屬的膜上形成超薄金屬氧化物膜的工藝,其不會(huì)出現(xiàn)與現(xiàn)有工藝相關(guān)的問(wèn)題,并能夠制造出具有高TMR和低R的MTJ器件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種將第一金屬的氧化物的超薄膜反應(yīng)濺射沉積到第二金屬的膜上的方法,其中第二金屬的氧化被最小化。本方法可以是制造具有金屬氧化物蓋層的GMR傳感器的一部分從而增加鏡面?zhèn)鲗?dǎo)率(specularconductance),或者是制造具有金屬氧化物膜的MTJ的一部分,該金屬氧化物膜成為MTJ的隧道勢(shì)壘。該金屬氧化物膜在存在反應(yīng)氧氣(O2)氣體的情況下從主要由第一金屬構(gòu)成的靶上被反應(yīng)濺射沉積,該濺射發(fā)生在“高電壓”狀態(tài)從而確保沉積發(fā)生在靶處于金屬化模式,即沒(méi)有或最少氧化。當(dāng)金屬氧化物膜用于MTJ隧道勢(shì)壘時(shí),則該靶由金屬形成,該金屬主要包括Al、Ti、Ta、Y、Ga、或In;或由這些金屬中的兩種以上的合金形成;或由這些金屬中的一種以上與Mg的合金形成;并且第二金屬的膜是含鐵膜,通常是Fe或CoFe合金的膜。
通過(guò)應(yīng)用功率在氬(Ar)惰性濺射氣體中激發(fā)靶,同時(shí)第二金屬的膜通過(guò)可活動(dòng)的擋板(shutter)保護(hù),首先調(diào)節(jié)濺射沉積室的壁的環(huán)境。該調(diào)節(jié)環(huán)境的步驟用第一金屬涂覆室壁,并由此消除室中先前的氧工藝的任何“記憶”,這對(duì)于可重復(fù)的反應(yīng)沉積工藝是重要的。在擋板仍然保護(hù)第二金屬的膜時(shí),反應(yīng)O2氣體以預(yù)定流速引入室中。O2流速穩(wěn)定后,擋板打開并且靶被激發(fā)一特定時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)所需的隧道勢(shì)壘的厚度。該特定時(shí)間已經(jīng)從已知的O2流速預(yù)先確定,從而確保在靶最少氧化時(shí)發(fā)生濺射沉積。
由于靶的金屬化模式具有有限的時(shí)限,建立了一組O2流速和相關(guān)聯(lián)的沉積濺射時(shí)間,每種流速和沉積時(shí)間確保沉積發(fā)生在靶處于金屬化模式并導(dǎo)致已知的隧道勢(shì)壘的厚度。靶氧化的開始與靶電壓的下降關(guān)聯(lián),所以通過(guò)監(jiān)控靶電壓并當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)終止向靶應(yīng)用功率,也可以終止濺射。
由于濺射應(yīng)當(dāng)僅在靶處于其金屬模式時(shí)發(fā)生,隧道勢(shì)壘必須在靶仍是金屬性時(shí)完成。因此如果需要更厚的隧道勢(shì)壘,其沉積為幾個(gè)層,對(duì)每層重復(fù)上面描述的工藝。而且,如果需要具有不同金屬氧化物或金屬合金氧化物層的多層隧道勢(shì)壘,對(duì)每層重復(fù)上面描述的工藝,但使用由所需金屬或金屬合金制成的不同的靶。
作為可選的最后步驟,濺射終止后,所沉積的金屬氧化物隧道勢(shì)壘可在室中暴露于O2作為“自然氧化”,從而促進(jìn)金屬氧化物隧道勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)其自然化學(xué)計(jì)量關(guān)系。
為了對(duì)本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)獲得更完全的理解,應(yīng)該參考下面結(jié)合附圖做出的詳細(xì)描述。
圖1是去掉罩的傳統(tǒng)磁記錄硬盤驅(qū)動(dòng)器的俯視示意圖;圖2是沿圖1的方向2-2截取的滑塊的放大端視圖和盤剖面;圖3是圖2的3-3方向的視圖,示出了從盤觀察時(shí)的讀取/寫入頭的端部;圖4是MTJ讀取頭的橫截面圖,示出了位于磁屏蔽層之間的包括隧道勢(shì)壘的層堆疊;圖5是本發(fā)明工藝中使用的濺射沉積設(shè)備的示意圖;圖6是使用O2作為反應(yīng)氣體并且Ar作為惰性濺射氣體從Mg靶進(jìn)行MgO的反應(yīng)濺射沉積的滯后曲線;以及圖7是對(duì)于一組不同O2流速的作為時(shí)間函數(shù)的Mg靶電壓的一族曲線。
具體實(shí)施例方式
<現(xiàn)有技術(shù)>
本發(fā)明的方法可應(yīng)用于MTJ讀取頭所需的隧道勢(shì)壘的形成。然而,本方法完全可應(yīng)用于形成用于其它MTJ器件的隧道勢(shì)壘,以及用于在不同金屬的膜上形成超薄(小于大約100)金屬氧化物膜的更一般的應(yīng)用。
由于MTJ讀取頭具有用于磁記錄盤驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用,所以將參照?qǐng)D1-3簡(jiǎn)要地描述傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)的操作。圖1為傳統(tǒng)磁記錄硬盤驅(qū)動(dòng)器10的簡(jiǎn)圖。盤驅(qū)動(dòng)器10包括磁記錄盤12和支撐在盤驅(qū)動(dòng)器機(jī)體(housing)或基座(base)16上的旋轉(zhuǎn)的音圈馬達(dá)(VCM)致動(dòng)器14。盤12具有旋轉(zhuǎn)中心13并通過(guò)安裝到基座16的心軸馬達(dá)(spindle motor)沿方向15旋轉(zhuǎn)。致動(dòng)器14圍繞軸17旋轉(zhuǎn)并且包括剛性(rigid)致動(dòng)器臂18。通常為撓性(flexible)的懸臂(suspension)20包括撓曲(flexure)元件23并被連接到臂18的端部。頭承載體或空氣軸承(air-bearing)滑塊22連接到所述撓曲23。磁記錄讀取/寫入頭24形成在滑塊22的后緣表面(trailing surface)25上。撓曲23和懸臂20使滑塊能夠在由旋轉(zhuǎn)的盤12產(chǎn)生的空氣軸承上俯仰(pitch)和搖擺(roll)。通常,多個(gè)盤疊在通過(guò)心軸馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的輪轂(hub)上,具有單獨(dú)的滑塊和與每個(gè)盤表面關(guān)聯(lián)的讀取/寫入頭。
圖2是沿圖1的2-2方向截取的滑塊22的放大的端視圖和盤12的剖面?;瑳Q22附到撓曲23并具有面對(duì)盤12的空氣軸承表面(ABS)27和通常垂直于ABS的后緣表面25。在十分接近或幾乎接觸盤12表面的情況下,ABS27引起源自盤12旋轉(zhuǎn)的空氣流產(chǎn)生支撐滑塊22的空氣軸承。讀取/寫入頭24形成在后緣表面25上并通過(guò)電連接到后緣表面25上的端子焊盤29而連接到盤驅(qū)動(dòng)器的讀取/寫入電子組件。
圖3是沿圖2的方向3-3的視圖,示出了從盤12觀察時(shí)的讀取/寫入頭24的端部。讀取/寫入頭24是在滑塊22的后緣表面25上沉積并光刻地構(gòu)圖的一系列薄膜。寫入頭包括由寫入間隙30分開的磁寫入極P1/S2和P2。磁電阻傳感器或讀取頭100位于通常由氧化鋁形成的兩個(gè)絕緣間隙層G1、G2之間。間隙層G1、G2位于磁屏蔽S1和P1/S2之間,同時(shí)P1/S2也用作寫入頭的第一寫入極。如果磁電阻讀取頭是其中傳感電流垂直于所述層的平面的的類型,有時(shí)稱為CPP傳感器,那么讀取頭形成為與屏蔽S1、S2接觸,或與形成在屏蔽上的導(dǎo)電引線接觸。MTJ讀取頭是CPP傳感器。
圖4是放大截面圖,示出構(gòu)成傳感器100的層。傳感器100是MTJ讀取頭,包括形成在通常為電鍍NiFe合金膜的兩磁屏蔽層S1、S2之間的一疊層(a stack oflayers)。下屏蔽S1通常利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行拋光從而提供用于傳感器堆疊的生長(zhǎng)的光滑襯底。傳感器層包括具有橫向取向(進(jìn)入頁(yè)面)的被固定或被釘扎磁矩或磁化方向121的參考(reference)鐵磁層120;具有磁矩或磁化方向111的自由鐵磁層110,磁矩或磁化方向111能夠響應(yīng)橫向的外部磁場(chǎng)而在層110的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn);及參考層120和自由層110之間的非磁隧道勢(shì)壘130。兩個(gè)鐵磁層120、110和隧道勢(shì)壘130一起構(gòu)成MTJ。參考層120在圖4中示出為公知的反平行被釘扎(AP-pinned)結(jié)構(gòu)的部分,該結(jié)構(gòu)也稱為“層積的(laminated)”被釘扎層,美國(guó)專利5,465,185中對(duì)此作了描述。AP被釘扎結(jié)構(gòu)最小化了參考層120與自由層110的靜磁耦合,并包括由諸如Ru的非磁的反鐵磁耦合間隔層123分隔的鐵磁參考層120和鐵磁被釘扎層122。鐵磁被釘扎層122交換耦合到反鐵磁(AF)層124。參考層120也可以是與反鐵磁層124交換耦合的單層。
位于下屏蔽層S1和MTJ之間的是底電極或電引線126和籽層(seedlayer)125。籽層125利于反鐵磁層124的沉積。位于MTJ和上屏蔽層S2之間的是蓋層112和頂電極或電引線113。
當(dāng)存在所關(guān)注的范圍內(nèi)的外部磁場(chǎng)即來(lái)自盤12上所記錄數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)時(shí),自由層110的磁化方向111將轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)參考層120的磁化方向121將保持固定或不轉(zhuǎn)動(dòng)。因此當(dāng)傳感電流Is垂直地通過(guò)堆疊從頂引線113應(yīng)用到底引線126時(shí),來(lái)自盤上所記錄數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)將引起自由層磁化111相對(duì)于被釘扎層磁化121的轉(zhuǎn)動(dòng),其作為電阻的變化可以檢測(cè)。
引線126、113通常為Ta。它們是可選的并用于調(diào)整屏蔽到屏蔽的間距。籽層125通常為NiFeCr、NiFe、Ta或Ru的一層或多層。反鐵磁層124通常為Mn合金,例如PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn。蓋層122提供腐蝕保護(hù)并通常由Ru或Ta形成。硬磁層(未示出)也可以包括在堆疊中,用于自由鐵磁層110的磁穩(wěn)定。
鐵磁層123、120、110通常由Co、Fe和Ni中的一種或多種的合金形成,或者是兩種合金的雙層,例如CoFe-NiFe雙層。例如,參考鐵磁層120可以是通常10至30厚的CoFe合金,并且自由鐵磁層110可以是雙層,其為形成在隧道勢(shì)壘130上的通常10-15厚的CoFe合金與形成在雙層的CoFe層上的通常10-30厚的NiFe合金。
<本發(fā)明>
本發(fā)明將關(guān)于在含鐵的膜特別是CoFe合金鐵磁膜上形成氧化鎂(MgO)隧道勢(shì)壘進(jìn)行解釋。因此在本例中第一金屬是Mg并且第二金屬是Fe或者Fe合金。然而,應(yīng)該理解,本發(fā)明適用于形成任何超薄金屬氧化物膜于不同金屬的膜上。
圖5是濺射沉積設(shè)備200的示意圖,其可以是AnelvaC7100型或類似的濺射設(shè)備。設(shè)備200包括真空室202、低溫泵204、惰性氣體供給裝置206、反應(yīng)氣體供給裝置208、濺射靶210、連接到靶的電源212、和用于襯底的可轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)214。還包括用于遮蓋靶的擋板(shutter)230和用于遮蔽襯底235的擋板240。
將描述用于在含鐵金屬膜例如Co90Fe10鐵磁膜上沉積超薄(大約5-20)MgO隧道勢(shì)壘的工藝。氧化鎂隧道勢(shì)壘是隧道勢(shì)壘130,Co90Fe10膜是參考鐵磁膜120,并且襯底是拋光的屏蔽層S1,如上面參照?qǐng)D4所描述的。靶210是充分純的Mg金屬,優(yōu)選的惰性氣體是氬(Ar),并且優(yōu)選的反應(yīng)氣體是氧氣(O2)。形成MgO隧道勢(shì)壘工藝之前,使用適合材料的濺射靶,可在相同的真空沉積系統(tǒng)中沉積傳感器100中的其它層。因此,MgO隧道勢(shì)壘沉積工藝中的第一步之前的最后一步是濺射沉積Co90Fe10膜120。
本發(fā)明的方法可參照?qǐng)D6得到理解,圖6是使用O2作為反應(yīng)氣體并且Ar作為惰性濺射氣體從Mg靶進(jìn)行MgO的反應(yīng)濺射沉積的滯后曲線。在參照?qǐng)D6描述的情形中,使用脈沖直流濺射從金屬的Mg靶沉積MgO。在滯后曲線中繪出了靶電壓與O2氣體流速的關(guān)系曲線,同時(shí)Ar氣體保持在固定流速。曲線是滯后的,即對(duì)于增加和減少O2流速,靶電壓曲線不同。
圖6示出靶具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)高電壓狀態(tài)(大約300V)和低電壓狀態(tài)(大約150V)。在高電壓狀態(tài),靶表面是金屬性的。該狀態(tài)在非常低的O2氣體流速是穩(wěn)定的。在低電壓狀態(tài)靶表面是氧化的。該狀態(tài)在高O2流速是穩(wěn)定的,并因?yàn)榘凶兂裳趸亩37Q為“中毒”狀態(tài)。
中毒狀態(tài)看起來(lái)是進(jìn)行MgO膜的反應(yīng)沉積的優(yōu)選狀態(tài),因?yàn)槠湟子诳刂疲湟员雀唠妷籂顟B(tài)低得多的速率沉積MgO,并且所沉積的MgO膜被可靠地良好氧化。然而,作為本發(fā)明的工藝研發(fā)的一部分,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在低電壓或中毒狀態(tài)中反應(yīng)沉積MgO對(duì)其上沉積MgO的下層含鐵金屬膜非常具有侵害性。這導(dǎo)致CoFe鐵磁膜與MgO隧道勢(shì)壘的界面處的磁矩?fù)p失。在此狀態(tài)制造的MTJ因此具有不合要求的高電阻(R)和低隧道磁電阻(TMR)。
本發(fā)明的方法在高電壓狀態(tài)反應(yīng)濺射沉積MgO隧道勢(shì)壘。反應(yīng)氣體流速和濺射時(shí)間控制為確保Mg靶沒(méi)有嚴(yán)重氧化。
作為本發(fā)明工藝的初始可選步驟,靶擋板230和襯底擋板240兩個(gè)都關(guān)閉并且純Ar被引入真空室202。然后靶210在純Ar中被激發(fā)并濺射,從而從靶去除任何氧化了的物質(zhì)。
然后,靶擋板230打開而襯底擋板240關(guān)閉,靶210在純Ar中以足夠高的功率例如3W/sqcm再次濺射。該步驟通過(guò)用Mg金屬涂覆室壁來(lái)調(diào)節(jié)室202的環(huán)境。因?yàn)槭冶跒榻饘俚暮突钚缘难跷鼩?oxygen-getter)表面,提供額外的O2汲取(pumping),因此延遲靶氧化的開始。用Mg涂覆壁去除了室中先前氧工藝的任何“記憶”,這對(duì)于可重復(fù)的反應(yīng)沉積工藝是重要的。襯底擋板240保護(hù)襯底上的CoFe金屬膜在此室環(huán)境調(diào)節(jié)步驟中不暴露于濺射的Mg原子。
然后,靶擋板230仍然打開并且襯底擋板240仍然關(guān)閉,以需要的流速將氧氣引入室中。O2流速穩(wěn)定后,在所需的功率應(yīng)用到Mg靶210的同時(shí)襯底擋板240打開,從而開始隧道勢(shì)壘的反應(yīng)沉積。功率被加上達(dá)到所需沉積厚度需要的一段時(shí)間。先前已經(jīng)確定,在Mg靶的最小氧化的同時(shí),在所需的O2流速發(fā)生濺射沉積。
該工藝的一個(gè)重要方面在于,對(duì)于每種O2流速,Mg靶的金屬化模式(metallic mode)具有有限的時(shí)限。圖7說(shuō)明了該情況,其示出了關(guān)于時(shí)間的靶電壓的一族曲線。目的是在接近初始靶電壓條件下進(jìn)行濺射沉積,并當(dāng)靶電壓開始下降時(shí)終止濺射。靶電壓的下降表示不期望的靶氧化的開始。例如,對(duì)于1.8sccm的O2流速,Mg靶保持為基本上金屬性大約50秒,之后發(fā)生顯著氧化。在這50秒期間內(nèi),靶電壓下降到其初始值的大約95%。因此,也可以通過(guò)監(jiān)控靶電壓并當(dāng)電壓達(dá)到一預(yù)定值,例如其初始值的95%時(shí)終止對(duì)靶施加功率來(lái)終止濺射。在初始高電壓期間沉積的MgO總厚度如果足夠大則能夠保護(hù)CoFe電極避免隨后暴露于下降靶電壓條件下即靶中毒期間的MgO沉積。然而,當(dāng)靶開始“中毒”時(shí)最好避免沉積,這是因?yàn)樵谥卸倦A段沉積速率改變很快,使得MgO厚度的控制困難。
因此,圖7的數(shù)據(jù)允許積累一組O2流速及相關(guān)聯(lián)的時(shí)限,該組的每個(gè)成員將導(dǎo)致特定厚度的MgO隧道勢(shì)壘的沉積。結(jié)果,可以選擇所需的O2流速和相關(guān)聯(lián)的時(shí)限來(lái)沉積所需厚度的MgO隧道勢(shì)壘。因?yàn)橄M鸐g靶為金屬化模式即未顯著氧化時(shí)沉積,隧道勢(shì)壘必須在靶仍為金屬性時(shí)完成。如果需要較厚的隧道勢(shì)壘,其可以沉積為幾層,對(duì)每層重復(fù)上述工藝。
替代反應(yīng)濺射沉積MgO隧道勢(shì)壘,用本發(fā)明的方法可以從其它靶形成其它金屬氧化物隧道勢(shì)壘。因此,通過(guò)使用由所需金屬制成的靶,可以形成Al、Ti、Ta、Y、Ga或In的氧化物作為隧道勢(shì)壘。而且,通過(guò)利用所需金屬合金作為靶,可以由兩種以上這些金屬的金屬合金的氧化物、或一種以上這些金屬與Mg形成合金的氧化物制造隧道勢(shì)壘。
本發(fā)明的方法還能夠制造諸如美國(guó)專利6,347,049建議的多層隧道勢(shì)壘。這些隧道勢(shì)壘在多層中具有由不同金屬氧化物或金屬合金氧化物形成的至少兩層隧道勢(shì)壘層。例子包括Al2O3/MgO或MgO/Al2O3雙層及MgO/Al2O3/MgO或Al2O3/MgO/Al2O3三層。因此為了根據(jù)本發(fā)明形成金屬氧化物或金屬合金氧化物隧道勢(shì)壘層,對(duì)每層重復(fù)上面描述的工藝,但使用由所需金屬或金屬合金制成的不同靶。
盡管在金屬化模式中進(jìn)行沉積是非常有益的,但所得MgO膜必須良好氧化。該要求導(dǎo)致更高的氧氣流速及因而更短的金屬化模式的時(shí)限。可利用可選的在室中將沉積的MgO隧道勢(shì)壘暴露于O2的最后步驟來(lái)緩和該情況。例如,暴露于100毫托(mTorr)的O2大約60秒,是促進(jìn)隧道勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)其自然MgO化學(xué)計(jì)量關(guān)系(stoichiometry)的“自然氧化”步驟,并允許反應(yīng)濺射期間使用較低的O2流。
然后可在隧道勢(shì)壘上直接濺射沉積第二含鐵膜,從而形成MTJ的頂鐵磁層。如果MTJ將用于上面描述的MTJ讀取頭中,第二含鐵膜可以是CoFe自由鐵磁層110(圖4)。
與先前報(bào)導(dǎo)的具有MgO隧道勢(shì)壘的MTJ相比,用本發(fā)明的方法制成的MTJ的TMR及電阻面積乘積(resistance-area productRA)值得到顯著改善。根據(jù)本發(fā)明的方法制成的兩種常見(jiàn)MTJ具有大約35%的TMR和大約3.5Ω-(μm)2的RA,以及大約40%的TMR和大約5Ω-(μm)2的RA。另外,本發(fā)明的方法最小化了下層第二金屬的氧化。在MTJ的情況下,據(jù)信CoFe/MgO的“純凈(clean)”界面,即界面處基本沒(méi)有Co或Fe的氧化物,導(dǎo)致改善的磁電阻。
盡管本發(fā)明的方法針對(duì)制造MTJ讀取頭進(jìn)行了描述,本發(fā)明完全可應(yīng)用于制造其它MTJ器件,包括MTJ存儲(chǔ)單元和MTT。另外,本方法能應(yīng)用于制造其它納米技術(shù)器件,例如巨磁電阻(GMR)傳感器,其中金屬氧化物層用于增加鏡面?zhèn)鲗?dǎo)率(specular conductance)。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例特別示出并描述了本發(fā)明,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解,在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,可以做出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。因此,本公開的發(fā)明僅認(rèn)為是說(shuō)明性的,并且僅由所附權(quán)利要求所確定的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種用于在濺射沉積室中在金屬膜上形成金屬氧化物膜的方法,包括在所述室中提供第一金屬的濺射靶及其上形成所述金屬膜的襯底,所述金屬膜的金屬與所述第一金屬不同;激發(fā)所述靶從而在所述室的內(nèi)部濺射沉積所述第一金屬的原子,同時(shí)保護(hù)所述金屬膜免于暴露于所述濺射的原子;以已知流速引入氧到所述室中;暴露所述金屬膜從而反應(yīng)沉積所述第一金屬的氧化物到該金屬膜上;及繼續(xù)所述反應(yīng)沉積一段時(shí)間,選擇所述時(shí)間段和已知流速?gòu)亩_保所述靶的氧化最小。
2.如權(quán)利要求1的方法,還包括,在激發(fā)所述靶從而在所述室的內(nèi)部濺射沉積所述第一金屬的原子同時(shí)保護(hù)所述金屬膜免于暴露于所述濺射的原子之前,遮蓋所述靶的同時(shí)在惰性氣體中激發(fā)所述靶,從而從所述靶的表面基本去除氧。
3.如權(quán)利要求1的方法,還包括,在激發(fā)所述靶從而在所述室的內(nèi)部濺射沉積所述第一金屬的原子同時(shí)保護(hù)所述金屬膜免于暴露于所述濺射的原子之前,蝕刻所述金屬膜的表面。
4.如權(quán)利要求1的方法,還包括,反應(yīng)沉積所述時(shí)間段后,在所述室中將所沉積的所述第一金屬的氧化物暴露于氧。
5.如權(quán)利要求1的方法,其中繼續(xù)所述反應(yīng)沉積一段時(shí)間包括當(dāng)靶電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)終止激發(fā)所述靶。
6.如權(quán)利要求1的方法,還包括,在激發(fā)所述靶從而在所述室的內(nèi)部濺射沉積所述第一金屬的原子同時(shí)保護(hù)所述金屬膜免于暴露于所述濺射的原子之前,確定一組已知的氧流速和相關(guān)聯(lián)的時(shí)間段。
7.如權(quán)利要求6的方法,其中確定所述組包括激發(fā)所述靶,并且對(duì)于所述組中的每種已知流速,測(cè)量靶電壓隨時(shí)間的下降。
8.如權(quán)利要求1的方法,其中作為所述反應(yīng)沉積的結(jié)果,所述第一金屬的氧化物的膜在所述金屬膜上已沉積到第一厚度,并且還包括重復(fù)權(quán)利要求1的方法從而增加所述厚度。
9.如權(quán)利要求1的方法,其中所述惰性氣體是氬。
10.如權(quán)利要求1的方法,其中所述引入的氧以O(shè)2氣體被引入。
11.如權(quán)利要求1的方法,還包括提供用于所述襯底的擋板,其中保護(hù)所述金屬膜包括在所述襯底上方設(shè)置所述擋板,以及其中暴露所述金屬膜包括從所述襯底上方移除所述擋板。
12.如權(quán)利要求1的方法,其中所述第二金屬是Fe或Fe合金。
13.如權(quán)利要求1的方法,其中所述第一金屬選自包括Al、Ti、Ta、Y、Ga和In的組。
14.如權(quán)利要求1的方法,其中所述第一金屬是從包括Al、Ti、Ta、Y、Ga、In和Mg的組中選擇的兩種以上金屬的合金。
15.如權(quán)利要求1的方法,還包括,在所述第一金屬的氧化物的膜的所述反應(yīng)沉積之后,重復(fù)權(quán)利要求1的方法從而反應(yīng)濺射沉積與所述第一和第二金屬不同的金屬的氧化物的膜,由此形成多層金屬氧化物膜。
16.一種用于在濺射沉積室中在含鐵膜上反應(yīng)濺射沉積金屬氧化物膜的方法,包括在所述室中提供金屬濺射靶及其上形成所述含鐵膜的襯底;施加功率到所述靶從而將金屬原子濺射沉積到所述室的壁上,同時(shí)保護(hù)所述含鐵膜免于暴露于所述濺射的金屬原子;以已知流速引入O2氣體到所述室中;暴露所述含鐵膜從而反應(yīng)沉積所述金屬到該含鐵膜上;及繼續(xù)所述反應(yīng)沉積一段時(shí)間,選擇所述時(shí)間段和已知流速?gòu)亩_保所述靶的氧化最小。
17.如權(quán)利要求16的方法,還包括,在施加功率到所述靶從而濺射沉積金屬原子到所述室的壁上之前,在惰性氣體中施加功率到所述靶,由此從所述靶的表面基本去除氧。
18.如權(quán)利要求17的方法,其中所述惰性氣體是氬。
19.如權(quán)利要求16的方法,還包括,在施加功率到所述靶從而濺射沉積金屬原子到所述室的壁上之前,蝕刻所述含鐵膜的表面。
20.如權(quán)利要求16的方法,還包括,反應(yīng)沉積所述時(shí)間段后,在所述室中將所沉積的金屬氧化物膜暴露于O2。
21.如權(quán)利要求16的方法,其中繼續(xù)所述反應(yīng)沉積一段時(shí)間包括當(dāng)靶電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)終止施加功率到所述靶。
22.如權(quán)利要求16的方法,還包括,在施加功率到所述靶從而濺射沉積金屬原子到所述室的壁上之前,確定一組已知的O2氣體流速和相關(guān)聯(lián)的時(shí)間段。
23.如權(quán)利要求22的方法,其中確定所述組包括施加功率到所述靶,并且對(duì)于所述組中的每種已知流速,測(cè)量靶電壓隨時(shí)間的下降。
24.如權(quán)利要求16的方法,其中作為所述反應(yīng)沉積的結(jié)果,金屬氧化物膜在所述含鐵膜上已沉積到第一厚度,并且還包括重復(fù)權(quán)利要求1的方法從而增加所述厚度。
25.如權(quán)利要求16的方法,其中所述含鐵膜是包括鈷(Co)和鐵(Fe)的合金。
26.如權(quán)利要求16的方法,其中所述濺射靶主要由從包括Al、Ti、Ta、Y、Ga和In的組中選擇的金屬構(gòu)成。
27.如權(quán)利要求16的方法,其中所述濺射靶主要由從包括Al、Ti、Ta、Y、Ga、In和Mg的組中選擇的兩種以上金屬的合金構(gòu)成。
28.如權(quán)利要求16的方法,還包括,在第一金屬氧化物膜的所述反應(yīng)沉積之后,重復(fù)權(quán)利要求16的方法從而反應(yīng)濺射沉積第二金屬氧化物膜,所述第二金屬氧化物膜由與所述第一金屬氧化物膜中的金屬不同的金屬形成,由此形成多層金屬氧化物膜。
29.如權(quán)利要求16的方法,其中用于反應(yīng)濺射沉積金屬氧化物膜的所述方法是用于形成磁隧道結(jié)中的隧道勢(shì)壘的方法。
30.如權(quán)利要求29的方法,其中所述磁隧道結(jié)是磁隧道結(jié)讀取頭的一部分。
31.如權(quán)利要求29的方法,其中所述磁隧道結(jié)是磁隧道結(jié)存儲(chǔ)單元的一部分。
32.如權(quán)利要求29的方法,其中所述磁隧道結(jié)是磁隧道晶體管的一部分。
33.如權(quán)利要求16的方法,其中用于反應(yīng)濺射沉積金屬氧化物膜的所述方法是用于形成巨磁電阻傳感器中的鏡面反射蓋層的方法。
全文摘要
本發(fā)明是一種將第一金屬的氧化物的超薄膜反應(yīng)濺射沉積到第二金屬的膜上的方法。本方法可以是制造具有金屬氧化物膜的磁隧道結(jié)(MTJ)的一部分,該金屬氧化物膜成為MTJ的隧道勢(shì)壘。該金屬氧化物膜在存在反應(yīng)氧氣(O
文檔編號(hào)G11B5/00GK1740376SQ20051008786
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2005年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月26日
發(fā)明者丹尼爾·莫里 申請(qǐng)人:日立環(huán)球儲(chǔ)存科技荷蘭有限公司