基于鎂靶的磁隧道結(jié)制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鎂靶的磁隧道結(jié)制備方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)制備的磁隧道結(jié)中MgO薄膜結(jié)晶度低，導(dǎo)致隧穿磁電阻不高的問題。其實現(xiàn)步驟是：先在清洗后的Si襯底基片上淀積一層SiO2薄膜；再在SiO2薄膜上磁控濺射Ta/Ru/Ta/CoFeB金屬層；然后利用金屬Mg靶，通入3-30sccm的O2，在CoFeB上淀積一層MgO薄膜；最后在MgO薄膜上濺射CoFeB/Ta/Ru金屬層，得到磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)并置于真空中退火。本發(fā)明制備的磁隧道結(jié)具有絕緣層MgO結(jié)晶度高，隧穿磁電阻率高的優(yōu)點，可用于制作自旋存儲器。
【專利說明】基于鎂靶的磁隧道結(jié)制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于鎂靶的磁隧道結(jié)制備方法，可用于自旋隨機(jī)存儲器。
技術(shù)背景
[0002]近年來，隨著微電子工業(yè)的爆炸式發(fā)展，傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體電子器件的特征尺寸進(jìn)入了微米、納米數(shù)量級。這就要求存儲器件除了具有高讀取速率和非易失性等特點，還要實現(xiàn)低損耗。同時，工藝兼容性要求許多薄膜微電子器件在Si襯底上具有良好的集成性。作為新一代的存儲器，自旋隨機(jī)存儲器不但能提高集成度和讀取速度，而且能利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)與邏輯電路集成，有效地降低互聯(lián)延遲，實現(xiàn)超低功耗，進(jìn)而可以推動一種全新的快速休眠和快速喚醒的VLSI系統(tǒng)的研制。
[0003]鐵磁/絕緣/鐵磁結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)MTJ因其在室溫下表現(xiàn)出巨大的隧穿磁電阻TMR而備受人們關(guān)注?？蓪⑵鋺?yīng)用在磁記錄、納米振蕩器、傳感器等自旋電子學(xué)裝置中。1995年，Miyazaki和Tezukad以非晶Al2O3為絕緣勢壘層，分別以多晶Fe或CoFe作為鐵磁層，室溫下TMR值約為20%。隨后，Djayaprawira等用磁控濺射法制備出CoFeB/MgO/CoFeB MTJ,其TMR值大于200%。2007年，Lee等在磁控濺射CoFeB/MgO/CoFeB MTJ中得到高達(dá)500%的室溫TMR值，5K時TMR值可達(dá)1010%。
[0004]MgO由于具有低損耗和高熱穩(wěn)定性，近年來在磁隧道結(jié)中作為隧穿層得到廣泛應(yīng)用。在基于CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)的自旋存儲單元中，MgO作為隧穿層，其結(jié)晶質(zhì)量直接影響到CoFeB合金鐵磁層晶化質(zhì)量，進(jìn)而對整個器件的性能產(chǎn)生影響。
[0005]當(dāng)前，磁隧道結(jié)中MgO薄膜是直接利用MgO靶的磁控濺射淀積得到。由于濺射過程中存在O原子的損耗，到達(dá)樣品上的O原子少于Mg原子，使得MgO薄膜的結(jié)晶度不好，磁隧道結(jié)的隧穿磁電阻降低，最終影響到自旋存儲器的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于鎂靶的磁隧道結(jié)制備方法，以提高磁隧道結(jié)中MgO薄膜的結(jié)晶度，從而增大磁隧道結(jié)的隧穿磁電阻，提高自旋存儲器的性能。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟:
[0008]I)清洗:對Si襯底基片進(jìn)行清洗，以去除表面污染；
[0009]2)生長SiO2:在清洗后的Si襯底基片上淀積一層300-700nm厚的SiO2薄膜；
[0010]3)淀積金屬層:利用磁控濺射法在SiO2薄膜上淀積Ta/Ru/Ta/CoFeB金屬層；
[0011]4)淀積MgO薄膜:利用金屬Mg作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的O2和Ar氣，在CoFeB上淀積MgO薄膜；
[0012]5)在MgO薄膜上派射CoFeB/Ta/Ru金屬層，形成磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，再放入真空中在200-500°C下退火 30-120min。[0013]作為優(yōu)選，所述步驟I)對Si襯底基片進(jìn)行清洗，按如下步驟進(jìn)行:
[0014]Ia)對Si襯底基片使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；
[0015]Ib)將去除表面有機(jī)殘余物后的Si襯底基片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除離子污染物。
[0016]作為優(yōu)選，所述步驟3)中的Ta/Ru/Ta/CoFeB金屬層，其各層厚度分別是:Ta為
3-lOnm, Ru 為 5_15nm, Ta 為 3-lOnm, CoFeB 為 3_9nm。
[0017]作為優(yōu)選，所述步驟3)和步驟5)中的磁控濺射，其工藝條件為:濺射腔的真空度為5X10_3Pa，腔內(nèi)溫度為30°C，濺射功率為50-110W，濺射過程中通入的Ar氣流量為10_50sccmo
[0018]作為優(yōu)選，所述步驟4)中的磁控濺射，其工藝條件為:濺射腔的真空度為5 X 10?,腔內(nèi)溫度控制在30-300 °C，通入O2和Ar氣的流量分別為3-30sccm和10_50sccmo
[0019]作為優(yōu)選,所述步驟4)中淀積的MgO薄膜,其厚度為l_5nm ；
[0020]作為優(yōu)選，所述步驟5)中的CoFeB/Ta/Ru金屬層，其各層厚度分別是=CoFeB為2_6nm, Ta 為 3-lOnm, Ru 為 3-lOnm。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0022]1.本發(fā)明使用金屬Mg作為靶材，由于這種靶材不易裂開，故可重復(fù)使用；
[0023]2.本發(fā)明由于在磁控濺射MgO時通入的O2與Mg反應(yīng)，提高了生成的MgO的結(jié)晶度，保持了自旋電流的相位，且提高了隧穿磁電阻；
[0024]3.本發(fā)明由于生成MgO的結(jié)晶度得到了提高，從而為MgO薄膜上CoFeB的結(jié)晶生長提供了良好的模板，提高了 MgO薄膜上CoFeB的質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明制備薄膜的磁控濺射設(shè)備示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明制備磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明制備磁隧道結(jié)的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]參照圖1，本發(fā)明制備薄膜的磁控濺射設(shè)備主要由磁控濺射腔1，正極2，樣品固定臺3，靶材固定臺4，發(fā)射電極5，冷卻水循環(huán)箱6，磁極7，進(jìn)氣管道8和真空泵9組成。發(fā)射電極5接電源負(fù)極；兩個磁極7形成磁場；通過真空泵9對磁控濺射腔I抽真空；冷卻水循環(huán)箱6中有冷卻水流動降溫；待鍍膜樣品放在樣品固定臺3上；工作氣體從進(jìn)氣管道8通入磁控派射腔I內(nèi)；祀材固定在祀材固定臺4上。
[0029]參照圖2，本發(fā)明要制備的磁隧道結(jié)，包括Si襯底基片1，SiO2薄膜2，Ta金屬薄膜層3，Ru金屬薄膜層4，CoFeB金屬薄膜層5，MgO薄膜層6 ;其中，SiO2薄膜2氧化生長在Si襯底基片I上；Ta金屬薄膜層3濺射在SiO2薄膜2上；Ru金屬薄膜層4，Ta金屬薄膜層3和CoFeB金屬薄膜層5依次濺射，形成Ta/Ru/Ta/CoFeB結(jié)構(gòu)鐵磁層；Mg0薄膜層6濺射在鐵磁層中CoFeB金屬薄膜層5上；CoFeB金屬薄膜層5磁控濺射在MgO薄膜層6上，Ta金屬薄膜層3, Ru金屬薄膜層4依次派射,形成CoFeB/Ta/Ru結(jié)構(gòu)鐵磁層。
[0030]參照圖3，本發(fā)明制備磁隧道結(jié)的方法給出如下三種實施例。
[0031]實施例1
[0032]步驟1:清洗Si襯底基片，以去除表面污染物，如圖3 (a)。
[0033](1.1)對Si襯底基片使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；
[0034](1.2)將去除表面有機(jī)殘余物后的Si襯底基片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除離子污染物。
[0035]步驟2:生長SiO2薄膜，如圖3 (b)。
[0036]將清洗后的Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到200Pa，將該反應(yīng)室溫度設(shè)為300°C，射頻功率為100W，然后向反應(yīng)室內(nèi)同時通入流量為400sccm 的 SiH4 和 800sccm 的 N2O,生長一層 300nm 厚的 SiO2 薄膜。
[0037]步驟3:濺射 Ta/Ru/Ta/CoFeB 金屬層，如圖 3 (C)。
[0038]將生長有SiO2薄膜的Si襯底基片置于磁控濺射儀的樣品固定臺上，對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X10_3Pa,將腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，濺射功率設(shè)為50W，然后由進(jìn)氣管道向該腔內(nèi)通入流量為IOsccm的Ar氣,在SiO2薄膜上淀積各層厚度分別為3nm/5nm/3nm/3nm的Ta/Ru/Ta/CoFeB 金屬層。
[0039]步驟4:?賤射MgO薄膜,如圖3 (d)。
[0040]將金屬Mg作為靶材放在磁控濺射的靶材固定臺上，對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X10_3Pa，將腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，然后由進(jìn)氣管道同時向該腔中通入流量為3sCCm的O2和IOsccm的Ar氣,在CoFeB上淀積一層厚度為Inm的MgO薄膜。
[0041]步驟5:濺射CoFeB/Ta/Ru金屬層，如圖3(e)。
[0042]對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5 X 10?,將該磁控濺射腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，濺射功率設(shè)為80W，然后由進(jìn)氣管道向該腔內(nèi)通入流量為IOsccm的Ar氣，在MgO薄膜上淀積各層厚度分別為2nm/3nm/3nm的CoFeB/Ta/Ru金屬層；再放入真空中在200°C下退火120min,得到基于鎂靶的磁隧道結(jié)。
[0043]實施例2
[0044]步驟一:與實施例1的步驟I相同。
[0045]步驟二:生長SiO2薄膜，如圖3 (b)。
[0046]將清洗后的Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到200Pa，將該反應(yīng)室溫度設(shè)為300°C，射頻功率為100W，然后向反應(yīng)室內(nèi)同時通入流量為400sccm 的 SiH4 和 800sccm 的 N2O,生長一層 500nm 厚的 SiO2 薄膜。
[0047]步驟三:濺射Ta/Ru/Ta/CoFeB金屬層，如圖3(c)。
[0048]將生長有SiO2薄膜的Si襯底基片置于磁控濺射儀的樣品固定臺上，對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X 10_3Pa，將腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，濺射功率設(shè)為80W，然后由進(jìn)氣管道向該腔內(nèi)通入流量為30sccm的Ar氣,在SiO2薄膜上淀積各層厚度分別為5nm/10nm/5nm/4nm的Ta/Ru/Ta/CoFeB 金屬層。
[0049]步驟四:?賤射MgO薄膜,如圖3 (d)。
[0050]將金屬Mg作為靶材放在磁控濺射的靶材固定臺上，對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X10_3Pa，將腔內(nèi)溫度設(shè)為100°C，然后由進(jìn)氣管道同時向該腔中通入流量為Hsccm的O2和30sccm的Ar氣,在CoFeB上淀積一層厚度為2nm的MgO薄膜。
[0051]步驟五:濺射CoFeB/Ta/Ru金屬層，如圖3(e)。
[0052]對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X10_3Pa，將該磁控濺射腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，濺射功率設(shè)為80W，然后由進(jìn)氣管道向該腔內(nèi)通入流量為30SCCm的Ar氣，在MgO薄膜上完成各層厚度分別為3nm/5nm/5nm的CoFeB/Ta/Ru金屬層的淀積；再放入真空中在400°C下退火60min，得到基于鎂靶的磁隧道結(jié)。
[0053]實施例3
[0054]步驟A:與實施例1的步驟I相同。
[0055]步驟B:將清洗后的Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到200Pa，將該反應(yīng)室溫度設(shè)為300°C，射頻功率為100W，然后向反應(yīng)室內(nèi)同時通入流量為400sccm的SiH4和800sccm的N2O,生長一層700nm厚的SiO2薄膜。
[0056]步驟C:將生長有SiO2薄膜的Si襯底基片置于磁控濺射儀的樣品固定臺上，對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X10_3Pa，將腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，濺射功率設(shè)為110W，然后由進(jìn)氣管道向該腔內(nèi)通入流量為50sCCm的Ar氣，在SiO2薄膜上完成各層厚度分別IOnm/15nm/1Onm/9nm 的 Ta/Ru/Ta/CoFeB 金屬層的淀積，如圖 3 (C)。
[0057]步驟D:將金屬Mg作為靶材放在磁控濺射的靶材固定臺上，對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X10_3Pa，將腔內(nèi)溫度設(shè)為300°C，然后由進(jìn)氣管道同時向該腔中通入流量為30sCCm的O2和50sccm的Ar氣,在CoFeB上完成5nm厚的MgO薄膜的淀積,如圖3 (d)。
[0058]步驟E:對磁控濺射腔抽真空達(dá)到5X 10_3Pa，將該磁控濺射腔內(nèi)溫度設(shè)為30°C，濺射功率設(shè)為110W，然后由進(jìn)氣管道向該腔內(nèi)通入流量為50SCCm的Ar氣，在MgO薄膜上完成各層厚度分別為6nm/10nm/10nm的CoFeB/Ta/Ru金屬層的淀積；再放入真空中在50(TC下退火30min，得到基于鎂靶的磁隧道結(jié)，如圖3 (e)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于鎂靶的磁隧道結(jié)制備方法，包括以下步驟: 1)清洗:對Si襯底基片進(jìn)行清洗，以去除表面污染； 2)生長SiO2:在清洗后的Si襯底基片上淀積一層300-700nm厚的SiO2薄膜； 3)淀積金屬層:利用磁控濺射法在SiO2薄膜上淀積Ta/Ru/Ta/CoFeB金屬層； 4)淀積MgO薄膜:利用金屬Mg作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的O2和Ar氣，在CoFeB上淀積MgO薄膜； 5)在MgO薄膜上濺射CoFeB/Ta/Ru金屬層，形成磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，再放入真空中在200-500°C下退火 30-120min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟I)所述對Si襯底基片進(jìn)行清洗，按如下步驟進(jìn)行: Ia)對Si襯底基片使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物； Ib)將去除表面有機(jī)殘余物后的Si襯底基片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟3)中的Ta/Ru/Ta/CoFeB金屬層，其中各層厚度分別是:Ta為3-10nm, Ru為5_15nm，Ta為3-lOnm，CoFeB為3_9nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟3)和步驟5)中的磁控濺射，其工藝條件為:濺射腔的真空度為5X10_3Pa，腔內(nèi)溫度為30°C，濺射功率為50-110W，濺射過程中通入的Ar氣流量為10_50sccm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟4)中的磁控濺射，其工藝條件為:濺射腔的真空度為5X 10_3Pa，腔內(nèi)溫度控制在30-300°C，通入O2和Ar氣的流量分別為3_30sccm 和 10_50sccm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟4)中淀積的MgO薄膜，其厚度為l_5nm0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟5)中的CoFeB/Ta/Ru金屬層，其中各層厚度分別是=CoFeB為2-6nm，Ta為3-lOnm，Ru為3-lOnm。
【文檔編號】H01L43/12GK103943774SQ201410121051
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】郭輝, 趙亞秋, 張玉明, 張義門, 婁永樂 申請人:西安電子科技大學(xué)