专利名称：隧道结器件中隧道阻挡层的紫外光处理的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及将隧道结器件的隧道阻挡层暴露于紫外光下的方法。更具体地说，本发明涉及一种将隧道结器件的隧道阻挡层暴露于紫外光以修复隧道阻挡层中缺陷的方法。
背景技术：
磁隧道结(MTJ)是包含两个铁磁(FM)材料层的器件，两个铁磁材料层被一个用作隧道阻挡层的薄介电层(例如绝缘层)所隔开。隧道结器件可用于磁场探测器和硬盘驱动器的高密度薄膜读写头。磁随机存取储存器(MRAM)是一种包含隧道结的前沿技术，它可以提供一种替代传统数据存储技术的途径。MRAM具有人们所希望的一些特性，例如象DRAM那样快的存取时间，象硬盘驱动器那样不易丢失数据等。MRAM把一个数据位(即信息)以可变磁化方向的形式储存在图形化过的薄膜磁性元件中，此元件也叫数据层、存储层、自由层或数据膜。该数据层被设计成具有两个稳定的不同磁状态，由它们确定二进制(“1”)和二进制0(“0”)。虽然数据位被储存在数据层内，但要形成一个完整的磁存储单元需要很多层受到精确控制的磁性和介电薄膜材料。磁存储单元的一种重要形式是自旋隧穿器件。自旋隧穿的物理机制很复杂，这方面已有一些很好的文献。
在图1a中，一个已有的MRAM存储单元101包括一个数据层102和一个参考层104，它们之间由一个薄隧道阻挡层106隔开。通常隧道阻挡层106是一个厚度小于约2.0nm的薄膜。在诸如隧穿磁阻存储器(TMR)之类的隧道结器件中，阻挡层是一种不导电的介电材料，如氧化铝(Al2O3)等，隧道阻挡层106是一个绝缘体，隧穿电流从中流过。用作隧道阻挡层106的绝缘体的质量对隧穿电流的大小和品质有很大的影响。随着加到隧道阻挡层106上的电压的增加，隧穿电流按方式非线性增大。
参考层104具有被钉轧的磁化方向108，就是说，被钉轧的磁化方向108固定在一个预定的方向而不随外加磁场方向旋转。与此相反，数据层102具有可变的磁化方向103，它可随着外加磁场的方向在两个方向之间旋转。可变磁化方向103通常是与数据层102的易磁化轴E一致的。
在图1b中，当被钉轧的磁化方向108和可变磁化方向103指向同一方向时(也即它们彼此平行时)，数据层102储存一个二进制1(“1”)。另一方面，当被钉轧的磁化方向108和可变磁化方向103指向相反方向时(即它们彼此反向平行时)，数据层102储存一个二进制0(“0”)。
数据层102和参考层104用作隧道结器件的电极，利用它们可以检测储存在数据层102中位的状态，方法是测量数据层102和参考层104的电阻，或者测量上面提到的隧穿电流的大小。虽然图中把参考层104画在隧道阻挡层106下面，但数据层102和参考层104的实际位置将取决于在制造磁存储单元101过程中它们的形成顺序。因而，数据层102可以先形成，而隧道阻挡层106则形成在数据层102的上面。
隧道结器件中的隧道阻挡层106理想上应该是平的且在整个横截面上具有均匀的厚度T。此外，理想的隧道阻挡层106是由均匀的介电材料制成的，理想隧道阻挡层106的标准之一是具有很高的击穿电压，即，使隧道阻挡层106的介电材料击穿而隧道阻挡层106成为一个短路电阻的电压。
但是，在如已有的存储单元101那样的隧道结器件中，对存储单元101的工作产生不利影响的一个问题是，隧道阻挡层106中的缺陷使得击穿电压降低，或产生电短路。这些缺陷包括针孔、气泡、表面不规则、金属杂质以及隧道阻挡层106的厚度不均等等。
在图2中，一种隧道阻挡层106材料被形成或淀积在一个支持层110上，例如，支持层110可以是参考层106、数据层102或磁场敏感的存储单元的另一层。举例来说，隧道阻挡层106材料可以用铝(Al)。然后把该材料暴露在氧气(O2)中而被氧化成氧化铝(Al2O3)。
但是，已有的氧化工艺不能使所有的铝原子均匀氧化，结果留下一些末经氧化的铝原子111，它们在隧道阻挡层106内形成金属杂质缺陷。一部分氧原子112不与隧道阻挡层106的材料111(即铝)起反应；但这些未起反应的氧原子112仍然存留在隧道阻挡层106内。同样，有一部分氧原子112与支持层110的一部分材料113起反应并使它们氧化。这样一来，在隧道阻挡层106和支持层110间的交界面上的已氧化的原子113将产生一个缺陷，使得隧道阻挡层106的击穿电压下降。
已有的一些沉积或形成隧道阻挡层106的方法，如射频(RF)溅射、等离子体氧化、或紫外(UV)-臭氧氧化，最后都会在隧道阻挡层106内留下某些缺陷，它们将造成其中具有一些薄弱点的不良隧穿阻挡层，从而引起短路或降低击穿电压。另外，由于存在这些缺陷，需要让隧道阻挡层106形成较厚的氮化/氧化层。反之，如果介电材料是真正的好介电，则隧道阻挡层106的厚度可以减小。较薄的隧道阻挡层106也有助于改善包含多个隧道结器件的整个晶片的均匀性。较薄的隧道阻挡层106还能降低隧道结器件的绝对电阻，这对某些应用是很重要的。
因此，需要有一种处理隧道结器件中隧道阻挡层材料的方法，使得隧道阻挡层的氧化或氮化在整个范围内是均匀的。也需要有一种提高隧道结器件中隧道阻挡层击穿电压的方法。另外，需要减少隧道阻挡层的厚度以改善均匀性并降低隧道阻挡层的绝对电阻。
发明内容
本发明通过将隧道结器件的隧道阻挡层暴露于紫外光下的方法而满足上面提出的对均匀隧道阻挡层的要求。由前述工艺步骤在隧道阻挡层内设置的氧气或其它反应物(如氮)被紫外光照射所激活而消除隧道阻挡层内的缺陷。紫外光可从结合在现有工艺设备中的紫外光源产生。可以先形成隧道阻挡层而后用紫外光照射，也可以在形成隧道阻挡层的过程中用紫外光照射隧道阻挡层。无论那种方式都是在现场进行的，以减少或消除在MRAM叠层或其它隧道结器件中隧道阻挡层或其它薄膜层可能受到的污染。本发明的方法的一个优点是，它可以与氧化或氮化过程相结合，使得紫外光照射可以在氧化或氮化过程中或之后进行，而且这种方法很容易与现有的氧化或氮化处理设备结合在一起。
在本发明的一个实施例中，把从热源产生的热施加到隧道结器件的隧道阻挡层上以进一步增强激活过程。这样一来，更多的缺陷被消除，且激活处理时间可以缩短。加热可以在紫外光照射之前、之中、或之后进行。
本发明的其它特征和优点，将从下面通过实例并结合附图对本发明原理所作的详细描述中更清楚地了解到。
图1a是一个现有的磁存储单元的特征图。
图1b是图1a所示现有的磁存储单元中数据存储的示意图。
图2是说明现有隧道结器件的隧道阻挡层内的缺陷的横剖面图。
图3是说明按本发明的隧道结器件中一些薄膜层(包括一个先前层)的横剖面图。
图4是说明按本发明在先前层上形成隧道阻挡层的横剖面图。
图5a和图5b是说明按本发明用紫外光照射隧道阻挡层及激活反应物的横剖面图。
图5c是说明按本发明用紫外光完全激活隧道阻挡层内的反应物的横剖面图。
图6a和图6b是说明按本发明将热量加到隧道阻挡层上以增加反应物激活率的横剖面图。
图7是说明按本发明将隧道阻挡层形成在隧道结器件一个先前层上的横剖面图。
具体实施例方式
在下面的详细描述及几个插图中，类似的元件用相似的数字来标识。
如用于说明的各附图所示，本发明将通过采用紫外光处理隧道结器件的隧道阻挡层的方法，以激活隧道阻挡层中的反应物，从而使反应物与隧道阻挡层的材料起反应，以增加隧道阻挡层氧化和氮化的均匀性。其结果是非导电材料的缺陷减小了，均匀性增加了，击穿电压提高了。虽然本发明的方法是用来处理隧道结器件的隧道阻挡层中的缺陷，但它的应用不只限于此，而可以用于任何一个需要将其中的缺陷消除的隧道结器件的介电层。
本发明的一个具体实施例中(如图3和4所示)，在隧道结器件10的先前层4上形成一个隧道阻挡层6。先前层4可以是构成隧道结器件10的任何一层薄膜材料，包括但不限于磁场敏感存储器件的一个或数个数据层(也叫存储层或自由层)，或一个或数个参考层(也叫被钉轧层)。例如，隧道阻挡层6和先前层4可以是TMR存储单元的几个层之一。隧道结器件10可以包括其它一些层，例如支持先前层4和层8的一层2。层8可以是一个衬底，如硅(Si)晶片等。
隧道结器件10的层8，层2和层4按图中虚线箭头P所示的顺序先后形成，即按P所指顺序，层8先于层2，层2先于层4。因而，先前层4是先于隧道阻挡层6形成的那一层。为完成隧道结器件10的制作，需要在按P的顺序形成隧道阻挡层6之后再进行一些后续的工艺步骤(未示)。
虽然象隧道结器件一类的磁场敏感存储器件可以包含许多薄膜材料，但为了说明问题，图中的隧道结器件10只包含先前层4和隧道阻挡层6，这并不表示只限于这些层。
在图4中，隧道阻挡层6是形成在隧道结器件10的先前层4上面。可以采用通常用于形成薄膜材料的微电子加工技术来形成隧道阻挡层6。例如，可以用淀积或溅射工艺将隧道阻挡层6材料淀积到先前层4的表面5上。
适合做隧道阻挡层6的材料包括但不限于铝(Al)、镁(Mg)、硼(B)和钽(Ta)。形成隧道阻挡层6的工艺包括但不限于射频(RF)溅射、直流(DC)溅射、蒸发、等离子体辅助淀积、化学气相淀积(CVD)、物理气相淀积(PVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、分子束外延(MBE)和金属有机化学气相淀积(MOCUD)。隧道阻挡层6的氧化或氮化物材料也是由氧化物或氮化物目标材料反应溅射的。例如，若被淀积的材料是氮化铝，那么目标材料可以是Al2O3。但是，在溅射过程完成之后，仍然需要修复隧道阻挡层6中的缺陷。
然后，采用形成氧化物的氧化处理，或形成氮化物的氮化处理将隧道阻挡层6转变成一种非导电材料(即介电材料)。在图4中，将一种反应物12(如氧原子O2或氮原子N2)引入20隧道阻挡层6的材料中。一些反应物12与隧道阻挡层6的材料起化学反应形成非导电材料，例如氧化物(对于氧(O2)的情况)或氮化物(对于氮(N2)的情况)。
但是，不是所有的反应物12都与隧道阻挡层6的材料11起化学反应。因此，有些反应物以未反应的状态存留在隧道阻挡层6的材料中(如标号12所示)。同样，也有一些隧道阻挡层6的材料没有起反应(如标号11所示)。例如，有一些铝原子可能就不起反应。此外，有些反应物12与靠近先前层4表面5的区域先前层4的材料起反应(见标号13)因为与材料13起反应的反应物12不与隧道阻挡层6的材料11起反应，它也处于未反应的状态，这是由于它没有与打算用作隧道阻挡层6的目标村料11起反应，并且由于在隧道阻挡层6内还有可与反应物12起反应的目标材料的自由原子11存在。存在未起反应的反应物12可以在隧道阻挡层6内产生前面提到的缺陷，从而降低击穿电压并(或)使隧道阻挡层6产生不均匀性。
在图5a中，由光源32(如发射紫外谱线的光源)发出的紫外光30照射隧道阻挡层6。一部分紫外光30照到处于隧道阻挡层6内的反应物12上，结果将隧道阻挡层6转变为非导电材料。紫外光30将反应物12激活，使它与隧道阻挡层6的材料11起化学反应，并将材料11转变为非导电材料。从根本上来说，在用紫外光30照射之前，有反应物12的自由原子和隧道阻挡层6材料11的自由原子。一旦照射开始，紫外光30的能量将反应物12激活，使它与隧道阻挡层6的材料11的自由原子起化学反应，从而形成非导电材料。
举例来说，如果隧道阻挡层6的材料是铝(Al)，而反应物是氧(O2)，那么所希望的非导电材料就是氧化铝(Al2O3)。在用紫外光30照射之前，在隧道阻挡层6内必有自由铝原子(见标号11)和自由氧原子(见标号12)。照射时紫外光30的能量转给氧原子，使氧原子激活，从而提供为完成氧原子和铝原子的化学反应而形成氧化铝所需的能量。
紫外光30的光源32可以是一个可购买到的UV光源，包括但不限于冷阴极UV栅灯或热阴极UV螺旋灯等。紫外光30的波长与具体应用有关。通常认为波长在4nm至400nm之间的光为紫外光。近紫外是在400nm至300nm的范围，远紫外在300nm至200nm的范围，而低于200nm就称为极紫外。一般希望紫外光30的波长在200nm至400nm左右的范围。
在图5b中，一部分紫外光30(见虚线箭头)入射在反应物12上，反应物12被激活(见虚线箭头a)，并与隧道阻挡层6的材料11起化学反应。在图5c中，反应物12与材料11的化学键合形成非导电的材料。此外，材料13和反应物12之间的化学键被紫外照射30断开，因而反应物12可以自由地与材料11键合。
如果用来将隧道阻挡层6转变为非导电材料的过程是氧化过程，则氧化过程可以是(但不限于)等离子体氧化、自然氧化、室温自然氧化(即在25℃左右)，和UV-臭氧氧化。
不要把UV-臭氧氧化与用紫外光30照射隧道阻挡层6混为一谈。与本发明中的紫外光照射方法截然不同，UV-臭氧氧化是另一种过程，它将氧气(O2)暴露在紫外光下使它转变成臭氧(O3)。然后把臭氧引入隧道阻挡层6内。由于臭氧(O3)的反应性较强且比O2与隧道阻挡层6的材料11更容易反应，故能增加与隧道阻挡层6的材料11的反应速率。不管是采用氧化还是氮化过程，反应物12可以是一种包括(但不限于)氧(O2)、臭氧(O3)、或氮(N2)在内的材料。
用紫外光对隧道阻挡层6的照射可以持续一段予定的时间，直至获得所希望的隧道阻挡层6的特性。所希望的特性包括但不限于在隧道阻挡层6内有预定的缺陷密度、预定的击穿电压、晶体结构产生变化、颗粒取向结构有变化等。
例如，缺陷密度可以是隧道阻挡层6单位面积或单位体积内金属杂质(缺陷)的数目。作为另一个例子，某些颗粒取向结构可能由于受到紫外光30的照射而增长。再一个例子是，隧道阻挡层6的晶体结构可能由于受紫外光30的照射而从非晶体变成晶体。要验证是否已达到上述某些希望的隧道阻挡层6的特性，可以采用透射电显微镜(TEM)等工具来观察它的结构。
紫外光30可由位于一个室(未示)内的紫外光源32产生，隧道结器件10的某些或者全部处理都在此室中进行。紫外光源32通过一个窗照射隧道阻挡层6，这个窗对于紫外光30的波长是光学透明的。
在如图6a和6b所示的本发明的另一个实施例中，隧道阻挡层6可以在照射过程之前，之中，或之后加热H，以增加反应物12与隧道阻挡层6的材料11的激活速率。加热H可加快激活过程，并从隧道阻挡层6中去掉更多的缺陷。
在图6a中，隧道阻挡层6经加热H后可增加激活速率。在图6b中，反应物12被激活(见虚线箭头a)并与隧道阻挡层6的材料11起反应。许多在微电子技术中熟知的方法可用来加热H隧道阻挡层6。例如，可将衬底8放在真空吸盘、工件台、样品台等包含热源或与热源有热交换的装置上面使它加热(见图3)。举例来说，可用石英红外加热灯，电阻加热器，或金属带辐射加热器等热源来加热衬底8或隧道阻挡层6。如上所述，对隧道阻挡层6的加热可以在用紫外光30照射之中或之后进行。
在如图4所示的另一种实施例中，非导电的隧道阻挡层6是直接形成20在先前层4的表面5上。也就是说，隧道阻挡层6的材料11在形成于先前层4上之前就已经是一种介电材料。包括(但不限于)溅射和反应溅射的过程可用来形成非导电的隧道阻挡层6。溅射过程和反应溅射过程的目标材料包括(但不限于)氧化物材料和氮化物材料。例如，象氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlNx)、氧化镁(MgO)或氧化钽(TaOx)等溅射目标可以作为非导电隧道阻挡层6的源材料。
如上面对照图4，5a，5b和5c所作的描述那样，非导电隧道阻挡层6被从紫外光源32来的紫外光30照射，并激活反应物12使它与非导电隧道阻挡层6的材料11产生反应。在照射过程之中或之后可以对非导电隧道阻挡层6加热H，以增加反应物12与非导电隧道阻挡层6的材料11的激活速率，正如上面对照图6a和6b所描述的那样。
在如图7所示的本发明的再一种实施例中，一个隧道阻挡层6是原先就形成在隧道结器件10的先前层4上并含有缺陷(11，12，13)。就是说，隧道阻挡层6已经用淀积，溅射或其它方法形成在先前层4上，而且已经是一种非导电材料。隧道阻挡层6被紫外光30照射，而且紫外光30入射在位于隧道阻挡层6内的反应物上。如上所述，紫外光30激活反应物12使之与隧道阻挡层6的材料11起反应(见图5a至5c)，以将材料11转变成非导电材料。
在这个实施例中，隧道阻挡层6已经是一种非导电材料；但是，通过照射可使反应物12中未起反应的自由原子与材料11起反应，从而增加隧道阻挡层6的均匀性，一致性，和击穿电压。反应物12可以是包括(但不限于)氧(O2)，臭氧(O3)，或氮(N2)在内的一种材料。此外，可以在照射过程之中或之后对隧道阻挡层6加热H以增加激活率，正如上面对照图6a和6b所作的描述那样。
在这里所述的所有实施例中，紫外光30照射和加热H可以与形成隧道结器件10的其它微电子工艺在原处进行，而且可以在形成隧道阻挡层6的过程之中或之后进行。
虽然已描述了本发明的几个具体实施例，但本发明并不限于已描述过的部件的具体形式和布置。本发明仅由下面的权利要求书限定。
权利要求
1.一种处理隧道结器件(10)的隧道阻挡层(6)的方法，包括将隧道阻挡层(6)形成在隧道结器件(10)的一个先前层(4)上；通过氧化处理或氮化处理将隧道阻挡层(6)转变为一种非导电材料；和用紫外光(30)照射隧道阻挡层(6)，紫外光(30)照射在位于隧道阻挡层(6)内的反应物(12)上并将反应物(12)激活(a)，使反应物(12)与隧道阻挡层(6)的材料(11)起反应，从而把材料(11)转变为非导电材料。
2.如权利要求1所述的方法，还包括让紫外光(30)持续照射一个预定时间，直至获得所要求的隧道阻挡层(6)的特性。
3.如权利要求2所述的方法，其中所要求的隧道阻挡层(6)的特性包括从下列组中选择的特性隧道阻挡层(6)中的预定缺陷密度、隧道阻挡层(6)的预定击穿电压、隧道阻挡层(6)的晶体结构的变化以及隧道阻挡层(6)的颗粒取向结构的改变。
4.如权利要求1所述的方法，其中反应物(12)是从下列组中选择的材料氧、臭氧、和氮。
5.如权利要求1所述的方法，其中隧道阻挡层(6)的材料(11)包括从下述组中选择的材料铝、镁、硼和钽。
6.如权利要求1所述的方法，还包括对隧道阻挡层(6)加热(H)，以增加反应物(12)与隧道阻挡层(6)的材料(11)的激活率，加热(H)可以在照射之前、之中或之后的一定时间进行。
7.如权利要求1所述的方法，其中形成隧道阻挡层(6)包括从下列组中选择的工艺射频溅射、直流溅射、蒸发、等离子体辅助淀积、化学气相淀积、物理气相淀积、等离子体增强化学气相淀积、分子束外延以及金属有机化学气相淀积。
8.如权利要求1所述的方法，其中氧化过程包括从下列组中选择的过程等离子体氧化、自然氧化、室温自然氧化和紫外线-臭氧氧化。
9.一种处理隧道结器件(10)的隧道阻挡层(6)的方法，包括在隧道结器件(10)的先前层(4)上形成一个非导电的隧道阻挡层(6)；和用紫外光(30)照射隧道阻挡层(6)，紫外光(30)照在位于隧道阻挡层(6)内的反应物(12)上，紫外光(30)用于激活(a)反应物(12)，使得反应物(12)与不导电的隧道阻挡层(6)的材料(11)起反应，从而将材料(11)变为非导电材料。
10.如权利要求9所述的方法，其中形成隧道阻挡层(6)的工艺包括从下述组中选择的工艺溅射和反应溅射。
11.如权利要求10所述的方法，其中溅射工艺和反应溅射工艺的目标材料是从下述组中选择的材料氧化物和氮化物。
12.如权利要求9所述的方法，还包括对隧道阻挡层(6)加热(H)以增加反应物(12)与非导电隧道阻挡层(6)的材料(11)的激活率，加热(H)可以在照射之前、之中或之后的一定时间进行。
13.如权利要求9所述的方法，其中隧道阻挡层(6)的材料(11)包括从下述组中选择的材料铝、镁、硼、和钽。
14.如权利要求9所述的方法，还包括用紫外光(30)持续照射一个预定时间，直至获得所要求的隧道阻挡层(6)的特性。
15.如权利要求14所述的方法，其中所要求的隧道阻挡层(6)的特性包括从下列组中选择的特性隧道阻挡层(6)内的预定的缺陷密度、隧道阻挡层(6)的预定的击穿电压、隧道阻挡层(6)的晶体结构的变化和隧道阻挡层(6)的晶粒取向结构的改变。
16.一种处理形成于隧道结器件(10)的先前层(4)上的隧道阻挡层(6)的方法，包括用紫外光(30)照射隧道阻挡层(6)，紫外光(30)照在设于隧道阻挡层(6)内的反应物(12)上；其中紫外光(30)用于将反应物(12)激活(a)，使得反应物(12)与隧道阻挡层(6)的材料(11)起反应，从而将材料11转变为一种非导电材料。
17.如权利要求16所述的方法，还包括加热(H)隧道阻挡层(6)以增加反应物(12)与隧道阻挡层(6)的材料(11)的激活率，加热(H)可以在照射之前、之中或之后的一定时间进行。
18.如权利要求16所述的方法，其中隧道阻挡层(6)的材料包括从下述组中选择的材料铝、镁、硼和钽。
19.如权利要求16所述的方法，其中反应物(12)的材料是从下述组中选择的材料氧、臭氧和氮。
20.如权利要求16所述的方法，其中还包括用紫外光(30)持续照射一个预定时间，直至获得所要求的隧道阻挡层(6)的特性。
21.如权利要求20所述的方法，其中隧道阻挡层(6)的所要求的特性是从下列组中选择的特性隧道阻挡层(6)内的预定缺陷密度、隧道阻挡层(6)的预定的击穿电压、隧道阻挡层(6)的晶体结构的变化、隧道阻挡层(6)的颗粒取向结构的改变。
全文摘要
本发明公开了一种处理隧道结器件(10)的隧道阻挡层(6)的方法。该方法包括用紫外光(30)照射隧道阻挡层(6)以激活(a)处于隧道阻挡层(6)内的氧或氮原子，使得这些原子与隧道阻挡层(6)的材料(11)起反应，从而形成一个均匀的氧化或氮化隧道阻挡层(6)，其中的缺陷(11，12，13)非常少甚至没有，并且/或者具有所要求的击穿电压。紫外光(30)可以照射已经形成的隧道阻挡层(6)或者在隧道阻挡层(6)形成过程中对其进行照射。可以在照射之前、之中或之后进行加热(H)，以增加激活率并进一步减少缺陷(11，12，13)。这种方法可应用到包括磁场敏感存储器件如MRAM在内的任何隧道结器件(10)中。
文档编号H01L21/82GK1523648SQ0315563
公开日2004年8月25日 申请日期2003年8月29日 优先权日2002年10月29日
发明者M·沙马, M 沙马 申请人:惠普开发有限公司