專利名稱：使用TiN作為蓋帽層的磁致電阻器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁致電阻器件，更具體地，涉及使用TiN作為磁致電阻結(jié)構(gòu)中的蓋帽層的磁致電阻器件以及用于簡化制造工藝、提高磁致電阻器件的穩(wěn)定性和可靠性的制造該器件的方法。
背景技術(shù)：
隨著在高真空中超薄膜沉積技術(shù)和表面處理技術(shù)的迅速發(fā)展，可以由于自旋之間的交換作用而以數(shù)納米(nm)的厚度范圍精確生長磁薄膜并制造器件。許多現(xiàn)象在薄膜結(jié)構(gòu)中被發(fā)現(xiàn)，而在體型磁材料中沒有被發(fā)現(xiàn)，且這些現(xiàn)象現(xiàn)在被應(yīng)用于家庭應(yīng)用和工業(yè)電子部件。例如，使用這樣的磁薄膜的領(lǐng)域可包括用于寫信息到超高密度數(shù)據(jù)存儲器件的磁記錄頭、磁隨機存取存儲器(MRAM)等等。
磁致電阻器件利用電阻通過磁能量(magnetic energy)改變的原理。磁致電阻頭是檢測數(shù)據(jù)存儲媒質(zhì)例如硬盤驅(qū)動器(HDD)的信息的器件，近來，巨磁致電阻頭(GMR頭)，或隧道磁致電阻頭(TMR頭)被廣泛使用。另外，磁致電阻頭被廣泛用于存儲領(lǐng)域的磁隨機存取存儲器(MRAM)中。
巨磁致電阻應(yīng)用原理當電子經(jīng)過磁層時，電阻值根據(jù)兩個磁層的磁化排列而改變。這可以通過自旋相關(guān)散射來解釋。此外，隧穿磁致電阻現(xiàn)象意味著在絕緣層(隧道勢壘)存在于兩個磁層之間的情況下，隧穿電流根據(jù)鐵磁材料層的相對磁化方向而改變。
磁致電阻器件必須包括磁致電阻材料層，其可被說明如下。隧穿磁致電阻器件的普通結(jié)構(gòu)可被說明如下。襯層(underlayer)形成在襯底上，磁致電阻材料層和蓋帽層(capping layer)順序形成在襯層上。磁致電阻材料層具有一結(jié)構(gòu)，其中反鐵磁層、第一鐵磁層、隧道勢壘層(tunnel barrier layer)和第二鐵磁層順序堆疊，或者第一鐵磁層、隧道勢壘層、第二鐵磁層和非鐵磁層可順序形成。該磁致電阻器件利用磁隧道結(jié)原理，即隧穿電流根據(jù)鐵磁層的相對磁化方向而改變。反鐵磁層通常包括IrMn，第一鐵磁層和第二鐵磁層包括NiFe或CoFe。隧道勢壘層由鋁氧化物層組成。
下面將參照圖1A至1H詳細描述制造磁致電阻器件的傳統(tǒng)方法。
參考圖1A，磁致電阻材料層11、蓋帽層12和硬掩模13順序形成在下材料層10例如襯底上。這里，磁致電阻材料層具有一結(jié)構(gòu)，其中反鐵磁層、第一鐵磁層、隧道勢壘層和第二鐵磁層順序堆疊。通常，在反鐵磁層上的第一鐵磁層稱為被釘扎層，在隧道勢壘層上的第二鐵磁層稱為自由層。蓋帽層12形成在磁致電阻材料層上，且通常由Ta形成。為了制造具有所需寬度的磁致電阻器件，硬掩模13和光致抗蝕劑14包括SiO2，并被蝕刻構(gòu)圖。
參考圖1B，與光致抗蝕劑14對應(yīng)的硬掩模13被保留。參考圖1C，對硬掩模13進行干蝕刻工藝使得蓋帽層12和磁致電阻材料層11被部分刻蝕。通常，可進行蝕刻工藝從而蝕刻至磁致電阻材料層的隧道勢壘層，但它可以被選擇性蝕刻。
參考圖1D，絕緣層15被沉積。如圖1E所示，光致抗蝕劑16被沉積，光致抗蝕劑16與磁致電阻材料層11對應(yīng)的部分被構(gòu)圖并開口。參考圖1F，光致抗蝕劑16、硬掩模13和蓋帽層12利用干蝕刻工藝被除去以暴露磁致電阻材料層11的第二鐵磁層，從而形成孔17。
參考圖1G，殘余的光致抗蝕劑16被除去，導電材料被沉積，從而形成如圖1H所示的接觸層18。
在上面參考圖1A到1G描述的制造磁致電阻器件的傳統(tǒng)方法中，制造工藝是非常復雜的，且采用Ta作為蓋帽層12。然而，由于上電極的氧化，器件的可靠性和穩(wěn)定性變差。此外，由于在第二鐵磁層(自由層)內(nèi)的相互擴散現(xiàn)象，磁致電阻器件的特性會變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種磁致電阻器件，以簡化磁致電阻器件的制造工藝并提高磁致電阻器件的穩(wěn)定性和可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供使用TiN作為蓋帽層的磁致電阻器件，其包括形成在下材料層上的磁致電阻材料層；以及形成在該磁致電阻材料層上的TiN蓋帽層。
該磁致電阻材料層可包括反鐵磁層；通過該反鐵磁層具有固定磁化方向的第一鐵磁層；形成在該第一鐵磁層上的隧道勢壘層；以及形成在該隧道勢壘層上的第二鐵磁層。
該磁致電阻材料層可包括第一鐵磁層，其磁化方向通過所加磁場可變；形成在該第一鐵磁層上的隧道勢壘層；形成在該隧道勢壘層上并具有固定磁化方向的第二鐵磁層；以及形成在該第二鐵磁層上并固定該磁層的磁化方向的反鐵磁層。
該磁致電阻材料層可包括反鐵磁層；通過該反鐵磁層具有固定磁化方向的第一鐵磁層；形成在該第一鐵磁層上的間隔層；以及形成在該間隔層上的第二鐵磁層。
該磁致電阻材料層可包括第一鐵磁層，其磁化方向通過所加磁場可變；形成在該第一鐵磁層上的非磁間隔層；形成在該非磁間隔層上并具有固定磁化方向的第二鐵磁層；以及形成在該第二鐵磁層上并固定該磁層的磁化方向的反鐵磁層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供制造使用TiN作為蓋帽層的磁致電阻器件的方法，包括在下材料層上形成磁致電阻材料層；在該磁致電阻材料層上沉積TiN作為蓋帽層；在該蓋帽層上沉積光致抗蝕劑并構(gòu)圖從而暴露該蓋帽層的一部分；以及蝕刻該蓋帽層的暴露部分，并刻蝕該蓋帽層下的所述磁致電阻材料層，從而形成多個分立的磁致電阻層。
蝕刻該蓋帽層的暴露部分的操作可以使用Cl2、C2F6、Ar和O2的混合氣體。


通過參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將會變得更加明顯，附圖中圖1A至1H是示出傳統(tǒng)磁致電阻器件的制造工藝的截面圖；圖2是示意性示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3A至3D是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件的制造工藝的截面圖；圖4是照片，示出在根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件的制造工藝期間構(gòu)圖蓋帽層的TiN的圖象；以及圖5A和5B是曲線圖，分別示出傳統(tǒng)磁致電阻器件和根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻器件的磁特性。
具體實施例方式
下面將參考附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實現(xiàn)，不應(yīng)被解釋為局限于這里闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將徹底和完整，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的范圍。在整個說明書中相似的附圖標記表示相似的元件。
圖2是示意性示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件的截面圖。參考圖2，根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件構(gòu)造為包括順序堆疊在下材料層20上的磁致電阻材料層21和TiN蓋帽層26。
這里，磁致電阻材料層21包括順序堆疊的反鐵磁層22、第一鐵磁層23、隧道勢壘層24、以及第二鐵磁層25。供選地，反鐵磁層22可設(shè)置在蓋帽層26的緊下方。在該情況下，磁致電阻材料層21可這樣構(gòu)造，即第一鐵磁層、隧道勢壘層、第二鐵磁層、以及反鐵磁層順序堆疊。
用于磁致電阻材料層21的各組成部分的材料可以包括相關(guān)技術(shù)中的普通材料。例如，反鐵磁層22可以包括Mn合金例如IrMn，第一鐵磁層23和第二鐵磁層25可以包括材料例如CoFe或NiFe。這樣，隧道勢壘層24可以由Al氧化物層形成。襯層還可形成在下材料層20與磁致電阻材料層21之間。如果磁致電阻器件是磁致電阻頭(head)，則磁致電阻材料層21可以是檢測部件，如果磁致電阻器件是存儲器件例如MRAM，則磁致電阻材料層21可以是存儲部件。
如上參考圖2的說明主要針對隧道磁致電阻(TMR)器件描述，但是TiN蓋帽層還可以用于巨磁致電阻(GMR)頭器件。在該情況下，磁致電阻材料層可包括反鐵磁層、第一鐵磁層、非磁間隔層、以及第二鐵磁層，蓋帽層可以形成在第二鐵磁層上。這里，反鐵磁層可以形成在蓋帽層下面。在該情況下，第一鐵磁層、非磁間隔層、第二鐵磁層、以及反鐵磁層可以按此順序堆疊。
根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件的特征在于蓋帽層包括TiN。因此，蓋帽層26與第二鐵磁層25之間的相互擴散能被阻止，制造工藝大大簡化。
圖3A至3D是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁致電阻器件的制造工藝的截面圖。
參考圖3A，磁致電阻材料層21形成在下材料層20上。首先，反鐵磁層和第一鐵磁層利用濺鍍方法順序形成，且用于隧道勢壘層的鋁(Al)被沉積在第一鐵磁層上。然后，Al通過氧化工藝被氧化從而形成隧道勢壘層。第二鐵磁層沉積在隧道勢壘層上，從而完成磁致電阻材料層的形成。即使圖中未示出，但是在MRAM器件的情況下，下材料層20包括多個晶體管的陣列，這樣，每個晶體管具有自己的磁致電阻材料層。光致抗蝕劑27沉積在TiN蓋帽層26上，并利用光刻工藝被構(gòu)圖，從而暴露TiN蓋帽層26的預定部分。
然后，參考圖3B，暴露的TiN蓋帽層26被刻蝕從而除去TiN蓋帽層26，除了該TiN蓋帽層26與光致抗蝕劑27對應(yīng)的部分。當光致抗蝕劑27被除去時，僅TiN蓋帽層26與光致抗蝕劑27對應(yīng)的部分被保留。在蝕刻TiN蓋帽層26的情況下，包括Cl2/C2F6/Ar/O2的混合氣體可被使用。圖4是示出TiN蓋帽層26利用Cl2/C2F6/Ar/O2混合氣體被選擇性刻蝕，光致抗蝕劑27被除去的照片。如圖4所示，其示出TiN蓋帽層26被很好地構(gòu)圖。
然后，參考圖3C和3D，利用殘余的TiN蓋帽層26作為蝕刻掩模，磁致電阻材料層21被蝕刻。這樣，與下材料層的每個單位單元對應(yīng)的磁致電阻材料層被隔離。
在隨后的工藝中，絕緣材料沉積在下材料層20和每個磁致電阻材料層上，從而形成絕緣層，然后，通過開口殘留的TiN蓋帽層26并沉積導電材料，電極層被形成。
結(jié)果，因為蓋帽層包括TiN而沒有傳統(tǒng)方法中充當蝕刻掩模的硬掩模例如SiO2的形成，所以制造工藝可被顯著簡化。此外，因為TiN不引起與其下面的第二鐵磁層混合，所以能保證器件的穩(wěn)定性。
圖5A和5B是曲線圖，分別示出傳統(tǒng)磁致電阻器件和根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻器件的磁特性。這里，橫軸表示施加到磁致電阻器件，特別地，磁致電阻材料層的磁場的值，縱軸表示磁致電阻比值(MR)的值。圖5A示出使用Ta作為蓋帽層的情況。
參考圖5A，在磁致電阻器件的自由層的磁化方向被反轉(zhuǎn)的情況下，發(fā)生不規(guī)則的變化，磁化反轉(zhuǎn)不會穩(wěn)定地發(fā)生。如傳統(tǒng)磁致電阻器件的說明中描述的，因為物理屬性由于Ta蓋帽層與下面的自由層的混合現(xiàn)象(intermixing phenomenon)以及與氧的氧化反應(yīng)而不合適，所以該問題會出現(xiàn)。
圖5B示出利用TiN作為蓋帽層制造的磁致電阻器件。磁化反轉(zhuǎn)出現(xiàn)在約±50Oe附近，磁化反轉(zhuǎn)的位置可被明顯地示出。因此，通過利用TiN作為其蓋帽層，磁致電阻器件被制造地具有改進的可靠性。
已經(jīng)特別描述了本發(fā)明，但是它必須被理解為本發(fā)明的示例性實施例，而不是限制本發(fā)明的范圍。例如，本發(fā)明的磁致電阻器件不限于MRAM、磁致電阻頭等的任意一種的使用，而是可以用于諸如自旋閥型、隧道磁致電阻器件等的全部器件。因此，本發(fā)明的范圍不受上面描述的實施例限制，而是由權(quán)利要求所描述的本發(fā)明的思想確定。
根據(jù)本發(fā)明，因為磁致電阻器件的蓋帽層包括TiN且磁致電阻器件的制造期間TiN蓋帽層被用作蝕刻掩模，所以不需要形成單獨的蝕刻掩模，因此制造工藝被簡化。此外，在蓋帽層包括TiN的情況下，蓋帽層與下面的鐵磁層之間的相互擴散能被阻止，因此磁致電阻器件能具有高可靠性。
雖然參考本發(fā)明的示例性實施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，在不偏離后附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的思想和范圍的情況下，可進行形式和細節(jié)上的各種變化。
權(quán)利要求
1.一種使用TiN作為蓋帽層的磁致電阻器件，包括磁致電阻材料層，其形成在下材料層上；以及TiN蓋帽層，其形成在該磁致電阻材料層上。
2.如權(quán)利要求1所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻材料層包括反鐵磁層；第一鐵磁層，其通過該反鐵磁層具有固定磁化方向；隧道勢壘層，其形成在該第一鐵磁層上；以及第二鐵磁層，其形成在該隧道勢壘層上。
3.如權(quán)利要求1所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻材料層包括第一鐵磁層，其磁化方向通過所加磁場可變；隧道勢壘層，其形成在該第一鐵磁層上；第二鐵磁層，其形成在該隧道勢壘層上并具有固定磁化方向；以及反鐵磁層，其形成在該第二鐵磁層上，并固定該磁層的磁化方向。
4.如權(quán)利要求1所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻材料層包括反鐵磁層；第一鐵磁層，其通過該反鐵磁層具有固定磁化方向；間隔層，其形成在該第一鐵磁層上；以及第二鐵磁層，其形成在該間隔層上。
5.如權(quán)利要求1所述的磁致電阻器件，其中該磁致電阻材料層包括第一鐵磁層，其磁化方向通過所加磁場可變；非磁間隔層，其形成在該第一鐵磁層上；第二鐵磁層，其形成在該間隔層上并具有固定的磁化方向；反鐵磁層，其形成在該第二鐵磁層上，并固定該磁層的磁化方向。
6.一種制造使用TiN作為蓋帽層的磁致電阻器件的方法，包括在下材料層上形成磁致電阻材料層；在該磁致電阻材料層上沉積TiN作為蓋帽層；在該蓋帽層上沉積光致抗蝕劑并構(gòu)圖從而暴露該蓋帽層的一部分；以及蝕刻該蓋帽層的暴露部分，并刻蝕該蓋帽層下面的磁致電阻材料層，從而形成多個分立的磁致電阻材料層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中蝕刻該蓋帽層的暴露部分的操作使用Cl2、C2F6、Ar和O2的混合氣體。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該磁致電阻材料層通過在該下材料層上順序堆疊反鐵磁層、第一鐵磁層、隧道勢壘層和第二鐵磁層形成。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該磁致電阻材料層通過在該下材料層上順序堆疊第一鐵磁層、隧道勢壘層、第二鐵磁層和反鐵磁層形成。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該磁致電阻材料層通過在該下材料層上順序堆疊反鐵磁層、第一鐵磁層、間隔層和第二鐵磁層形成。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該磁致電阻材料層通過在該下材料層上順序堆疊第一鐵磁層、間隔層、第二鐵磁層和反鐵磁層形成。
全文摘要
本發(fā)明提供使用TiN作為蓋帽層的磁致電阻器件以及制造該磁致電阻器件的方法。該磁致電阻器件通過更簡化的制造工藝被制造，且該磁致電阻器件具有更改進的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號G11C11/16GK1815769SQ20051002296
公開日2006年8月9日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者黃淳元, 金泰完, 鄭碩才, 柳龍桓, 鄭智元 申請人:三星電子株式會社