DE60021343T2

DE60021343T2 - Methode zur herstellung einer magnetischen tunnelübergangsvorrichtung

Info

Publication number: DE60021343T2
Application number: DE60021343T
Authority: DE
Inventors: J. Derk ADELERHOF; Reinder Coehoorn; B. Joannes VAN ZON
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-07-18
Also published as: JP2003505873A; WO2001007926A1; EP1116043A1; EP1116043B1; KR20010079879A; US7001777B1; ID28920A; DE60021343D1; US20060128037A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Tunnelübergangsanordnung, bei dem ein Stapel mit zwei magnetischen Schichten und einer dazwischen verlaufenden Barriereschicht gebildet wird.
Die Erfindung betrifft auch eine magnetische mit einem derartigen Verfahren erhältliche Tunnelübergangsanordnung, einen mit einer derartigen Anordnung versehenen Magnetfeldsensor und einen mit einer derartigen Anordnung versehenen Magnetspeicher.
Eine wie oben beschriebene Anordnung wird in WO-A 99/22368 offenbart. Die aus dieser Patentanmeldung bekannte magnetische Tunnelübergangsanordnung umfasst eine erste und eine zweite magnetische Schicht, welche Schichten in Bezug auf eine isolierende Zwischenschicht sandwichartig angeordnet sind und als Elektrodenschichten dienen. Als Wandlerelement ist diese Anordnung ein Teil eines Magnetfeldsensors, der mit einem Magnetjoch versehen ist, in dem die erste magnetische Schicht in direktem Kontakt mit einem Teil des Jochs steht. Die erste magnetische Schicht ist ebenso wie das Joch aus einem weichmagnetischen Material gebildet. Die zweite magnetische Schicht ist eine zusammengesetzte Schicht und umfasst eine ferromagnetische Teilschicht und eine Pinning-Struktur (Pinning: Verankern). Die isolierende Zwischenschicht bildet eine Tunnelbarriere.
EP 0 762 389 offenbart im Zusammenhang mit der Herstellung eines magnetoresistiven Elements den Schritt des Ätzens einer Magnetschicht, bis eine Restschicht verbleibt, und den Schritte der chemischen Umwandlung einer Magnetschicht durch Oxidation (Oxidation erhöht im Allgemeinen den Widerstand), aber das magnetoresistive Element hat keinen Tunnelübergang und die Schritte des partiellen Ätzens und der chemischen Umwandlung werden nicht auf ein und derselben Schicht ausgeführt.
Bei der bekannten magnetischen Tunnelübergangsanordnung dient eine der magnetischen Schichten, nämlich die weichmagnetische Schicht, daher als Flussführung. Um nachteilige Auswirkungen auf die Magneteigenschaften dieser Schicht zu verhindern, wie z.B. eine Domänenwandbildung infolge von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der der Tunnelbarriere zugewandten weichmagnetischen Schicht, ist es wünschenswert, dass nur die andere magnetische Schicht, d.h. die zweite magnetische Schicht und eventuell die barrierebildende Zwischenschicht strukturiert wird oder werden.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, das einen Prozess der Strukturierung einer der magnetischen Schichten umfasst, wobei der Prozess mit Sicherheit stoppt, bevor die andere magnetische Schicht erreicht ist.
Zur Lösung der beschriebenen Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine der magnetischen Schichten mittels Ätzen strukturiert wird, wobei während des Ätzens ein Teil dieser einen magnetischen Schicht durch Entfernen von Material dünner gemacht wird, bis eine Restschicht verbleibt, woraufhin der elektrische Widerstand der Restschicht durch chemische Umwandlung erhöht wird. Nach dem Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine magnetische Tunnelübergangsanordnung erhalten, in der eine der magnetischen Schichten strukturiert und in solcher Weise verarbeitet ist, dass unerwünschte elektrische Ströme in der erhaltenen strukturierten Schicht während des Gebrauchs verhindert werden. Die andere magnetische Schicht ist im Prinzip unangerührt geblieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es sicher, dass die andere magnetische Schicht nicht erreicht wird, weil während des Ätzprozesses, bei dem in bekannter Weise eine Maske zur Abschirmung der zu strukturierenden magnetischen Schicht verwendet wird, die eine weichmagnetische Schicht ist oder umfassen kann, die zu strukturierende magnetische Schicht nicht vollständig weggeätzt wird. Der Rest des geätzten Teils dieser nach dem Ätzen verbleibenden Schicht, als Restschicht bezeichnet, wird mittels einer chemische Reaktion schlecht leitend gemacht, woraufhin die strukturierte magnetische Schicht, ebenso wie die andere magnetische Schicht, als magnetische Elektrode verwendet werden kann. Ätzen erfolgt vorzugsweise, bis die Restschicht eine Dicke zwischen 0 nm und 5 nm erreicht hat, wobei in diesem Prozess beispielsweise Widerstandmessungen bestimmen, wann die Restschicht erreicht ist. Es hat sich gezeigt, dass die oben genannten Maßnahmen keine nachteiligen Auswirklungen auf die genannte andere magnetische Schicht haben; insbesondere gibt es keinen nachteiligen Einfluss auf die Magneteigenschaften dieser magnetischen Schicht. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt auch den Vorteil, dass die Herstellungsmargen bei Verwendung nichtselektiver Ätztechniken beträchtlich groß sind. Wenn die letztgenannte Schicht aus oder unter anderem aus einem weichmagnetischen Ma terial gebildet worden ist, ist diese Schicht besonders gut als flussführende Schicht geeignet.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Umwandlung durch Oxidation und/oder Nitridierung bewirkt wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Restschicht in einfacher Weise passiviert werden, indem bekannte Prozesse angewendet werden. Eine Oxidation der Restschicht, bei der Material der Restschicht in ein Oxid umgewandelt wird, wird vorzugsweise durch thermische Oxidation, Plasmaoxidation oder UV-gestützte Oxidation realisiert. Eine Nitridierung der Restschicht, bei der Material der Restschicht in ein Nitrid umgewandeltt wird, wird vorzugsweise durch thermische Nitridierung oder Plasmanitridierung realisiert. Bei den genannten, bekannten chemischen Prozessen kann die gewünschte Oxidation oder Nitridierung des magnetischen Materials der Restschicht in verhältnismäßig kurzer Zeit erhalten werden. Wenn die Barriereschicht eine Oxidschicht ist, was häufig der Fall ist, wird sie zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Ausführens eines Oxidationsprozesses die Oxidation in der Restschicht stoppen oder vermindern.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass physikalisches Ätzen durchgeführt wird. Unter physikalischem Ätzen wird Ätzen mit Hilfe eines Bündels aus elektrisch geladenen Teilchen verstanden, wie z.B. Sputterätzen, Ion-Milling und Ionenstrahlätzen. Diese bekannten Ätzverfahren haben sich als außerordentlich gut geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren erwiesen.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu strukturierende magnetische Schicht aus hintereinander einer Basisschicht und einer Schichtstruktur aufgebaut wird, die zumindest eine weitere Schicht für magnetisches Verankern (Pinning) der Basisschicht umfasst. Die Basisschicht kann eine ferromagnetische Schicht sein, beispielsweise aus einer NiFe-Legierung oder einer Co-Legierung, insbesondere einer Co-Fe-Legierung, während die Pinning-Schichtstruktur eine der folgenden Möglichkeiten umfassen kann: eine antiferromagnetische Schicht aus beispielsweise einer FeMn-Legierung oder einer IrMn-Legierung; eine hartmagnetische ferromagnetische Schicht aus beispielsweise einer Co-Legierung; eine künstliche antiferromagnetische Struktur mit zwei antiparallelen magnetischen Schichten, die durch eine metallische Zwischenschicht getrennt sind. Eine solche Struktur kann mit einer antiferromagnetischen Schicht aus beispielsweise einer FeMn-Legierung gekoppelt sein. Wenn eine solche zu strukturierende Elektrodenschicht gebildet wird, wird vorgezogen, die Schichtstruktur selektiv zu ätzen, insbesondere diese Struktur, bevor Ätzen, insbesondere physikalisches Ätzen erfolgt, chemisch selektiv zu ätzen, bis die Basisschicht erreicht ist. Indem teilweise das genannte selektive Ätzen verwendet wird, kann der Strukturierungsprozess gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer kürzeren Zeit ausgeführt werden. Selektives chemisches Ätzen ist eine bekannte Ätztechnik.
Es sei bemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum Strukturieren einer magnetischen Elektrodenschicht eines Halbfabrikats einer magnetischen Tunnelübergangsanordnung beinhaltet, wobei das Halbfabrikat eine Zusammensetzung aus der genannten Elektrodenschicht, einer Barriereschicht und einer weiteren magnetischen Elektrodenschicht umfasst. In dem letztgenannten Verfahren beeinflusst die Strukturierung der betreffenden Schicht die Magneteigenschaften der anderen magnetischen Elektrodenschicht der magnetischen Tunnelübergangsanordnung nicht, zumindest nicht nachteilig. Der besondere Aspekt dieses Verfahrens, bei dem Ätzen eingesetzt wird, ist, dass nicht bis zur Barriereschicht der magnetischen Tunnelübergangsanordnung hin geätzt wird, sondern dass der Ätzprozess so viel früher stoppt, dass auf der Barriereschicht eine Restschicht verbleibt. Dadurch wird dafür gesorgt, dass trotz Schichtdickenschwankungen und Änderungen der Ätzverfahren die magnetische Elektrodenschicht, die nicht strukturiert werden soll, nicht geätzt wird. Die Barriereschicht, die eine Isolierschicht ist, d.h. eine Schicht mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit, oder eine dielektrische Schicht, ist üblicherweise nur ungefähr 1 nm dick.
Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte magnetische Tunnelübergangsanordnung hat eine magnetische Schicht, die mit Hilfe dieses Verfahrens strukturiert worden ist und eine andere magnetische Schicht, die eventuell eine weichmagnetische Schicht umfassen kann, welche Schicht als Flussführung geeignet ist. Eine solche weichmagnetische Schicht kann beispielsweise aus einer NiFe-Legierung oder einer Co-Legierung gebildet sein, wie z.B. einer Co-Fe-Legierung. Die weichmagnetische Schicht kann auch aus einer Anzahl von Teilschichten aufgebaut sein.
Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor ist mit der erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsanordnung versehen. Die magnetische Tunnelübergangsanordnung bildet ein oder das Wandlerelement des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors. Dieser Sensor kann unter anderem als Magnetkopf zum Decodieren von magnetischem Fluss verwendet werden, der aus einem magnetischen Informationsmedium, wie z.B. einem Magnetband oder einer Magnetplatte stammt; als Sensor in Kompassen zum Detektieren des Erdmagnetfeldes, als Sensor zum Detektieren beispielsweise einer Position, eines Winkels oder einer Geschwindigkeit beispielsweise bei Automobilanwendungen; als Feldsensor in medizinischen Scannern und als Stromdetektor. Auch der erfindungsgemäße Magnetspeicher, insbesondere ein MRAM, ist mit der erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsanordnung versehen.
In Hinsicht auf die Ansprüche sei bemerkt, dass verschiedene Kombinationen der in den abhängigen Ansprüchen genannten Ausführungsformen möglich sind.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1A schematisch ein erstes Zwischenprodukt, das aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten worden ist;
1B schematisch ein zweites Zwischenprodukt, das aus der genannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten worden ist,
1C schematisch ein drittes Zwischenprodukt, das aus der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten worden ist,
1D schematisch ein viertes Zwischenprodukt,
1E schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsanordnung, die gemäß der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist und
2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsensors.
1A zeigt einen Stapel 1 von Schichten, der in diesem Beispiel eine erste magnetische Schicht 3 aus einem weichmagnetischen Material umfasst, wie z.B. einer NiFe-Legierung, eine isolierende, schlecht leitende oder dielektrische Schicht 5, in diesem Dokument auch als Barriereschicht bezeichnet, aus beispielsweise Al₂O₃, eine zweite magnetische Schicht 7, die in diesem Beispiel aus einer Basisschicht 7a aus einem weichmagnetischen Material aufgebaut ist, in diesem Beispiel eine NiFe-Legierung, und eine Schichtstruktur 7b mit zumindest einer weiteren Schicht aus einem antiferromagnetischen Material wie z.B. einer FeMn-Legierung. Auch kann eine hartmagnetische Schicht als zweite magnetische Schicht für die Schichtstruktur verwendet werden, die die Basisschicht 7a und die Schichtstruktur 7b umfasst. Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Ab schirmschicht 9 aus beispielsweise einem Photolack, siehe 1B, auf dem dargestellten Stapel 1 verschafft. Anschließend werden Ätzprozesse verwendet, in denen die Schichtstruktur 7b zuerst selektiv geätzt wird, insbesondere chemisch geätzt wird, bis die Basisschicht 7a erreicht ist; siehe 1C. Anschließend wird die Basisschicht 7a geätzt, insbesondere physikalisch geätzt, bis eine Restschicht 7r aus weichmagnetischem Material zurückbleibt; siehe 1D. Alternativ kann es genügen, statt zweier Ätzprozesse nur physikalisches Ätzen zu verwenden, wie z.B. Sputterätzen. Physikalisches Ätzen wird vorzugsweise auch verwendet, wenn die zweite magnetische Schicht 7 eine hartmagnetische Schicht ist.
Die in einem der oben beschriebenen Verfahren erhaltene Restschicht 7r hat vorzugsweise eine Dicke von maximal 5 nm. Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei dieser Ausführungsform die Restschicht 7r einer Oxidation ausgesetzt, um den elektrischen Widerstand der betreffenden Schicht zu erhöhen. Die Restschicht 7r wird dann in eine Oxidschicht 7R umgewandelt, die in diesem Beispiel Ni- und Fe-Oxide umfasst; siehe 1E. Bei Verwendung von Nitridierung wird eine Nitridschicht 7R erhalten. In diesem Beispiel wird vorzugsweise thermische Oxidation oder Plasmaoxidation für die Umwandlung eingesetzt. Durch Abscheiden eine isolierenden Materials wie z.B. SiO₂, kann auf der Oxidationsschicht 7R eine Schutzschicht 11 gebildet werden. Die Abschirmschicht 9 kann entfernt werden.
Der in 2 gezeigte erfindungsgemäße Magnetfeldsensor umfasst eine magnetische Tunnelübergangsanordnung 20 der in 1E gezeigten Art. In dieser Ausführungsform umfasst der Sensor auch ein Magnetjoch 22, das eine Unterbrechung 22a aufweist, die überbrückt ist und mit der Tunnelübergangsanordnung 20 in magnetischem Kontakt steht. Das Magnetjoch 22 ist aus einem weichmagnetischem Material, wie z.B. einer NiFe-Legierung gebildet. Der Sensor hat eine Sensorfläche 24, die einer nichtmagnetischen Wandlerlücke 26 benachbart ist. Die Unterbrechung 22a und die Lücke 26 werden durch Isolierschichten aus beispielsweise SiO₂ oder Al₂O₃ gebildet.
Es sei bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise sind im Rahmen der Erfindung Varianten der verschiedenen Schritte des Verfahrens möglich. Außerdem kann der dargestellte Sensor als Magnetkopf zum Abtasten eines magnetischen Aufzeichnungsmediums gebildet sein. Eine solche Konstruktion kann Teil eines kombinierten Lese-/Schreibkopfes sein. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene magnetische Tunnelübergangsanordnung kann auch Teil eines Magnetspeichers sein.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Tunnelübergangsanordnung (1), bei dem ein Stapel mit zwei (3, 7) und einer dazwischen verlaufenden Barriereschicht (5) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine der magnetischen Schichten (7) mittels Ätzen strukturiert wird, wobei während des Ätzens ein Teil dieser einen magnetischen Schicht (7a) durch Entfernen von Material dünner gemacht wird, bis eine Restschicht (7r) verbleibt, woraufhin der elektrische Widerstand der Restschicht durch chemische Umwandlung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Umwandlung durch Oxidation und/oder Nitridierung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass physikalisches Ätzen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu strukturierende magnetische Schicht aus hintereinander einer Basisschicht (7a) und einer Schichtstruktur aufgebaut wird, die zumindest eine weitere Schicht (7b) für magnetisches Verankern (Pinning) der Basisschicht umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur vor dem physikalischen Ätzen chemisch geätzt wird, bis die Basisschicht (7a) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidation der Restschicht (7r) durch thermische Oxidation, Plasmaoxidation oder UV-gestützte Oxidation bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nitridierung der Restschicht (7r) durch thermische Nitridierung oder Plasmanitridierung bewirkt wird.
Magnetische Tunnelübergangsanordnung (1), erhalten mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Magnetische Tunnelübergangsanordnung (1) nach Anspruch 8, in der die Schicht (3), die eine andere als die strukturierte magnetische Schicht ist, eine weichmagnetische Schicht umfasst, die als Flussführung verwendbar ist.
Magnetfeldsensor (20), versehen mit der magnetischen Tunnelübergangsanordnung (1) nach Anspruch 8.
Magnetfeldsensor (20) nach Anspruch 9, mit einem Magnetjoch (22) versehen, das in magnetischem Kontakt mit der weichmagnetischen Schicht (3) der magnetischen Tunnelübergangsanordnung (1) steht.
Magnetspeicher, versehen mit der magnetischen Tunnelübergangsanordnung (1) nach Anspruch 8.