[发明专利]制造磁阻元件的制造方法和磁阻元件的制造设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造磁阻元件的方法和设备，更具体地，涉及磁性隧道结(MTJ)器件以及用于制造适用于例如磁读头和磁性随机存取存储器(MRAM)的MTJ器件的技术。

背景技术

磁性隧道结(MTJ)器件本质上是可变电阻器，包括两个铁磁性层和夹在它们之间的隧道势垒(トンネルバリ)。两个铁磁性层的相对磁化取向在电子穿过隧道势垒时使自旋极化电子产生不同的隧穿几率，并且这导致电阻的改变。

隧道势垒通常由电介质材料制成、必须非常薄且具有极均匀的厚度和组成。隧道势垒的化学组成或厚度的不均匀性显著劣化了器件性能。

自从MTJ器件的发明以来，在室温下具有高TMR比率的MTJ器件的开发已成为一个为实现自旋电子应用例如非易失性磁性随机存取存储器和面密度高于100Gb/in²的硬盘读头的热门产业话题(Moodera 等，Phys.Rev.Lett.，74(1995)，3273页)。

起初，通过具有高自旋极化的铁磁性电极层和非晶态AlO_x隧道势垒获得高TMR比率。在室温下用这种构造获得的最高TMR比率为约70％。然后，通过理论计算提出了通过具有NaCl结构的单晶MgO隧道势垒获得的自旋过滤效应(Butler等，Phys.Rev.，B63(2001)，054416页)。关于这项提议，预期在室温下获得高达6,000％的TMR比率。

这种预期基于的事实是单晶MgO的晶体结构具有四重(回)对称性，因此表现出足以穿过MgO的隧穿几率的电子状态仅是具有四重对称性的Δ1状态。因此，在具有单晶Fe/MgO/Fe结构的MTJ中，Δ1带的传导是主要的。但是Fe中的Δ1带在费米能级是100％自旋极化的，因此在MTJ具有逆平行磁化时不可获得足够的隧穿几率。换言之，MgO具有取决于磁化状态的自旋过滤效应。

这允许相干隧穿并进而获得巨大的TMR比率。为实现这种巨大的TMR比率，进行通过分子束外延生长单晶Fe/MgO/CoFe的实验。该实验结果在室温下显示出180％的TMR比率(Yuasa等，Appl.Phys.Lett.，87(2005)，222508页)。

据报导，由多晶CoFe铁磁性电极和MgO隧道势垒的组合制成的MTJ器件在室温下具有220％的TMR比率(Parkin等，Nat.Mater.，3(2004)，862页)。此外，据报导，由通过在硅基材上沉积非晶态CoFeB和MgO隧道势垒的组合形成的MTJ具有较高的TMR比率，所述硅基材具有通过磁控溅射法即实际沉积法沉积于其上的热氧化的硅(Djayaprawira等，Appl.Phys.Lett.，86(2005)，092502页)。

已进行大量努力以形成非常薄且具有极均匀的厚度和组成的MTJ隧道势垒。为了形成氧化物隧道势垒，重要之处是如何避免隧道势垒层下方的铁磁性电极层的表面氧化，以及氧化物隧道势垒中氧分布的不均匀性。

一般而言，沉积隧道势垒的方法分为直接沉积氧化物的方法和沉积金属并然后对该金属进行氧化处理的方法。使用氧化物靶材的RF-溅射或者在氧气氛中使金属靶材溅射的反应性溅射例示了直接沉积方法。在沉积金属并然后对该金属进行氧化处理的方法中，自然氧化、等离子体氧化、自由基氧化或臭氧氧化例示了所述的氧化处理。

发明概述

技术问题

难以制造在室温下具有足够高的TMR比率且R×A乘积落入自旋电子应用的容限内的MTJ器件。这是因为自旋转移矩MRAM应用的制造需要小于50Ωμm²的R×A乘积和大于150％的TMR比率，并且面密度为约250Gb/in²的硬盘读头的制造需要在室温下大于30％的TMR比率和等于或小于2Ωμm²的R×A乘积。

MTJ开发中的重要瓶颈之一是难以将隧道势垒均匀地控制到非常小、均匀的厚度。如果隧道势垒过薄，则由于例如电针孔更有可能产生无助于自旋相关隧穿的泄露电流。这显著劣化了信噪比(S/N)。