CN102468425B - 磁存储器件 - Google Patents

磁存储器件 Download PDF

Info

Publication number
CN102468425B
CN102468425B CN201110349182.XA CN201110349182A CN102468425B CN 102468425 B CN102468425 B CN 102468425B CN 201110349182 A CN201110349182 A CN 201110349182A CN 102468425 B CN102468425 B CN 102468425B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic
pattern
magnetization
tunnel barrier
memory device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201110349182.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102468425A (zh
Inventor
金佑填
李将银
吴世忠
金英铉
崔锡宪
林佑昶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of CN102468425A publication Critical patent/CN102468425A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102468425B publication Critical patent/CN102468425B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/10—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having two electrodes, e.g. diodes or MIM elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/902—Specified use of nanostructure
    • Y10S977/932—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application
    • Y10S977/933—Spintronics or quantum computing
    • Y10S977/935—Spin dependent tunnel, SDT, junction, e.g. tunneling magnetoresistance, TMR

Abstract

本发明提供了一种磁存储器件。该磁存储器件包括磁图案、参考图案、插设在磁图案与参考图案之间的隧道势垒图案以及设置在磁图案内部的至少一个磁段。该磁段为磁化方向至少具有在垂直于磁图案的磁化方向的平面内的分量的磁材料。

Description

磁存储器件
技术领域
本发明构思涉及电子存储器。更具体地，本发明构思涉及具有磁隧道结的存储器件。
背景技术
当今的电子器件的存储器必须以高速操作同时消耗少量的功率。更特别地，需要能够以高速在低电压进行读/写操作的存储器件。磁存储器件作为发展成满足该需求的下一代存储器件而引人关注。磁存储器件不仅能够高速操作而且也是非易失性的。
常规磁存储器件包括磁隧道结(MTJ)。磁隧道结具有两个磁体以及设置在其间的隧道势垒层。磁隧道结的电阻可以通过改变这两个磁体的磁化的方向而改变。具体地，当这两个磁体的磁化方向反平行时，磁隧道结具有相对高的电阻。相反地，当这两个磁体的磁化方向平行时，磁隧道结具有相对小的电阻。磁存储器件的电阻值可以被检测为器件的逻辑状态或被器件存储的数据。因此，磁存储器件的电阻能够被改变从而改变由磁存储器件记录或存储的数据。
发明内容
根据本发明构思的一个方面，提供一种磁存储器件，该磁存储器件包括：在基板上的磁图案和参考图案；隧道势垒图案，插设在磁图案与参考图案之间；以及至少一个磁段，设置在磁图案中。参考图案为具有取向固定的磁化的磁材料。磁图案的磁化可在第一状态与第二状态之间改变，在第一状态中磁图案的磁化方向与参考图案的磁化方向平行，在第二状态中磁图案的磁化方向与参考图案的磁化方向反平行。磁段为磁化方向至少具有与垂直于磁图案的磁化方向的平面一致的分量的磁材料。
根据本发明构思的另一方面，提供一种磁存储器件，该磁存储器件包括：在基板上的磁图案以及第一和第二参考图案；第一隧道势垒图案，插设在磁图案与第一参考图案之间；至少一个磁段，设置在磁图案中；以及第二隧道势垒图案，插设在第二参考图案与磁图案之间。第一和第二参考图案每个是具有取向固定的磁化的磁材料。磁图案的磁化可在第一状态与第二状态之间改变，在第一状态中磁图案的磁化方向与第一参考图案的磁化方向平行，在第二状态中磁图案的磁化方向与第一参考图案的磁化方向反平行。磁段为磁化方向具有与垂直于磁图案的磁化方向的平面一致的至少一个分量的磁材料，第一参考图案的磁化方向与第二参考图案的磁化方向反平行。
根据本发明构思的另一方面，提供一种磁存储器件，该磁存储器件包括：在基板上的第一磁图案和第一参考图案，；第一隧道势垒图案，插设在第一磁图案与第一参考图案之间；至少一个磁段，设置在第一磁图案中；在基板上的第二磁图案和第二参考图案；第二隧道势垒图案，插设在第二磁图案与第二参考图案之间；至少一个磁段，设置在第二磁图案中；以及层间图案，插设在第一磁图案与第二磁图案之间。第一和第二参考图案每个为具有取向固定的磁化的磁材料。第一磁图案的磁化可在第一状态与第二状态之间改变，在第一状态中第一磁图案的磁化方向与第一参考图案的磁化方向平行，在第二状态中第一磁图案的磁化方向与第一参考图案的磁化方向反平行。设置在第一磁图案中的磁段为磁化方向至少具有与垂直于第一磁图案的磁化方向的平面一致的分量的磁材料，设置在第二磁图案中的磁段为磁化方向至少具有与垂直于第二磁图案的磁化方向的平面一致的分量的磁材料，第二磁图案的磁化和第一磁图案的磁化耦合使得第一和第二磁图案的磁化方向反平行。
附图说明
在附图中：
图1A是根据本发明构思的磁存储器件的实施例的截面图；
图1B是图1A的磁存储器件的磁图案的一个示例的放大图；
图1C是图1A的磁存储器件的磁图案的另一示例的放大图；
图1D是图1A的磁存储器件的一个示例的隧道势垒图案、磁图案和垂直磁段的放大截面图；
图1E是图1A的磁存储器件的另一示例的隧道势垒图案、磁图案和垂直磁段的放大截面图；
图2A是根据本发明构思的磁存储器件的另一示例的截面图；
图2B是图2A的磁存储器件的隧道势垒图案、磁图案和垂直磁段的一个示例的放大截面图；
图3A是根据本发明构思的磁存储器件的另一示例的截面图；
图3B是图3A的磁存储器件的隧道势垒图案、磁图案和垂直磁段的一个示例的放大截面图；
图4是根据本发明构思的磁存储器件的另一示例的截面图；
图5是根据本发明构思的磁存储器件的另一实施例的截面图；
图6是根据本发明构思的磁存储器件的另一实施例的截面图；
图7A至图7D是截面图，一起示出根据本发明构思的制造磁存储器件的方法；
图8是流程图，示出在根据本发明构思的方法中形成磁存储元件的磁层和垂直磁段的技术；
图9是用于示出根据本发明构思制造磁存储器件的方法的截面图；
图10是流程图，示出在根据本发明构思的方法中形成磁存储元件的磁层和垂直磁段的另一技术；
图11是截面图，用于示出根据本发明构思制造磁存储器件的另一方法；
图12是截面图，用于示出根据本发明构思制造磁存储器件的另一方法；
图13是截面图，用于示出根据本发明构思制造磁存储器件的另一方法；
图14是包括根据本发明构思的磁存储器件的电子系统的方框图；以及
图15是包括根据本发明构思的磁存储器件的存储卡的方框图。
具体实施方式
在下文将参照附图更充分地描述本发明构思的各个实施例以及实施例的示例。在附图中，为了清晰，在截面图中示出的元件、层和区域的尺寸、相对尺寸和形状可以被夸大。特别地，器件以及在器件制造的过程中所制造的中间结构的截面图是示意性的。此外，相似的附图标记在整个附图中用于指代相似的元件。
此外，空间相对性术语，诸如“顶”和“底”是用来描述如附图所示的元件和/或特征的取向。显然，所有这些空间相对性术语是为了描述的方便而使用，并不一定限制为根据本发明构思的实施例，在使用时可以采用与附图所示不同的取向。
也将理解，当称一元件或层在另一元件或层“上”时，它可以直接在另一元件或层上或直接连接到另一元件或层，或者可以存在插居间的元件或层。相反，当称一元件“直接在”另一元件或层上或与另一元件或层“接触”时，不存在居间的元件或层。
此外，如此处所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有实际组合。
这里使用的用于描述本发明构思的特定示例或实施例的其它术语应当由上下文来理解。例如，术语“包括”或“含有”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征或工艺的存在，但并不排除其它特征或工艺的存在。术语“图案”将通常指代已经通过一些图案化工艺形成的元件，并可以指代单层或复合层。
现在将参照图1A-图1E更详细地描述根据本发明构思的磁存储器件的实施例的示例。
参照图1A，单元开关(在附图中未示出)设置在基板100上。基板100可以是硅基板、锗基板或硅锗基板。单元开关可以是场效应晶体管或二极管。第一层间电介质层103在单元开关上设置在基板100的整个表面上。第一层间电介质层103可以包括氧化物、氮化物和/或氮氧化物。下接触插塞105设置在穿过层间电介质层103形成的下接触孔中并连接到单元开关的端子。下接触插塞105可以由如下形成：掺杂的半导体材料诸如掺杂的硅；金属诸如钨、铜或铝；导电金属氮化物诸如钛氮化物或钽氮化物；过渡金属诸如钛或钽；和/或金属-半导体化合物诸如金属硅化物。
在本发明构思的其中单元开关为二极管的示例中，单元开关的至少一部分填充下接触孔的下部，下接触孔的上部用下接触插塞105填充。
根据本发明构思的磁存储器件包括磁存储元件，该磁存储元件具有参考图案130a、隧道势垒图案135a、磁图案140a以及设置在磁图案中的至少一个垂直磁段150(它们可以单独地或一起被称作磁存储元件的垂直磁段)。
参考图案130a和磁图案140a设置在第一层间电介质层103上，隧道势垒图案135a插设在参考图案130a和磁图案140a之间。参考图案130a的磁化127的方向(在下文为“磁化方向127”)被固定。磁图案140a的磁化145的方向(在下文为“磁化方向145”)可改变(将在后面更详细地描述)使得它可以与参考图案130a的磁化方向127平行或反平行。在此实施例中，磁图案140a的邻近隧道势垒图案135a的表面(也就是，磁图案140a的底表面)是平的，参考图案130a和磁图案140a两者的磁化方向基本平行于磁图案140a的底表面。此外，在图1A所示的实施例中，磁图案140a的邻近隧道势垒图案135a的表面基本平行于基板100的顶表面。
第一电极110a插设在磁存储元件与第一层间电介质层103之间。第一电极110a可以接触下接触插塞105。第二电极160a设置在磁存储元件上。例如，如图1A所示，第二电极160a直接设置在磁图案140a的顶表面上。因此，磁存储元件插设在第一电极110a与第二电极160a之间。
第二层间电介质层163设置在基板100上。第二层间电介质层163可以包括氧化物、氮化物和/或氮氧化物。也就是，第二层间电介质层163可以是单层的材料或者可以是复合层(也就是，多层的)。
第二层间电介质层163覆盖第二电极160a。此外，上接触插塞165可以延伸穿过第二层间电介质层163并连接到第二电极160a。在此情形下，上接触插塞165是导电材料。例如，上接触插塞165为：金属诸如钨、铜或铝；导电金属氮化物诸如钛氮化物或钽氮化物；过渡金属诸如钛或钽；和/或金属-半导体化合物诸如金属硅化物。
互连170诸如位线可以设置在第二层间电介质层163上以连接到上接触插塞165并由此连接到磁存储元件。互连170也是导电材料。例如，互连170为：金属诸如钨、铜或铝；导电金属氮化物诸如钛氮化物或钽氮化物；过渡金属诸如钛或钽；和/或金属-半导体化合物诸如金属硅化物。
在另一示例中，第二层间电介质层163被平坦化使得第二层间电介质层163的顶表面与第二电极160a的顶表面基本共同延伸。在此情形下，上接触插塞165被省略，互连170设置为与第二电极160a接触。
现在返回到磁存储元件的描述，磁图案140a由铁磁材料诸如包括钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)中至少一种的化合物形成。例如，磁图案140a可以包括CoFeB、CoFe和/或CoFeNi。因此，磁图案140a可以具有在平行于磁图案140a的邻近隧道势垒图案135a的表面(例如，底表面)的平面上延伸的易磁化轴。在此实施例中的易磁化轴的方向是图1A的x轴的方向。磁图案140a还具有垂直于易磁化轴的方向且平行于磁图案140a的底表面延伸的难磁化轴。难磁化轴的方向是垂直于图1A中示出的x轴和z轴的y轴(未示出)的方向。在平面图中，磁图案140a可以为矩形的，其中易磁化轴的方向平行于该矩形的长度方向，难磁化轴的方向平行于宽度方向。
如上所述，至少一个垂直磁段150设置在磁图案140a内。垂直磁段150是磁材料体，其磁化方向具有在垂直于磁图案140a的磁化方向145的平面中的至少一个分量。为了描述的方便，虽然如附图所示几个这样的段可以提供在磁图案140a中，但是可以参考一个这样的磁段。
在图1A和图1B所示的示例中，垂直磁段150的磁化方向155位于关于磁图案140a的磁化方向145倾斜的平面内。因此，垂直磁段150的磁化方向155可以分解为两个矢量分量，也就是位于与磁图案140a的磁化方向145的平面垂直的平面中的第一磁化分量154p和位于与磁图案140a的磁化方向145的平面平行的平面中的第二磁化分量154h。在图1B所示的示例中，第一磁化分量154p平行于z轴，但是本发明构思不限于此。也就是，第一磁化分量154p可以不平行于z轴(关于z轴歪斜)。
将参照图1C来描述根据本发明构思的磁存储器件的垂直磁段150的另一示例的磁化方向。
参照图1A和图1C，在此示例中，垂直磁段150的磁化方向155a位于垂直于磁图案140a的磁化方向145的平面中。也就是，垂直磁段150的磁化方向155a不具有平行于磁图案140a的磁化方向145的任何分量。此外，图1C示出垂直磁段150的磁化方向155a平行于z轴的示例。然而，在另一示例中，垂直磁段150的磁化方向155a不平行于z轴。
在图1A的实施例中，垂直磁段150的磁材料是包含至少一种镧系元素的化合物。在一个示例中，垂直磁段150是包括镧系元素中的至少一种和构成磁图案140a的至少一种元素的化合物。例如，垂直磁段150的磁材料可以是XCo、XFeB、XCoFe和/或XFe(其中X为镧系元素)。更特别地，垂直磁段150可以是由从钐钴(SmCo)、钕铁硼(NdFeB)、钆铁(GdFe)、钆钴(GdCo)、钆钴铁(GdCoFe)、铽铁(TbFe)、铽钴(TbCo)、铽钴铁(TbCoFe)、镝铁(DyFe)、镝钴(DyCo)和镝钴铁(DyCoFe)组成的组中选择的至少一种材料。此外，垂直磁段150的磁材料可以在磁图案140a内处于非晶态。
此外，在磁图案140a内部的垂直磁段150中的至少一些可以设置在基本相同的水平，也就是在离基板100的顶表面基本相同的距离处。图1A示出其中垂直磁段150以两层布置在基板100上方使得垂直磁段150设置在基板100上方两个不同的水平处的示例。可替代地，垂直磁段150可以任意地设置在磁图案140a内。
再次参照图1A，本实施例的参考图案130a包括钉扎图案113a以及插设在钉扎图案113a与隧道势垒图案135a之间的主被钉扎图案125a。此外，如附图所示，参考图案130a可以包括辅助被钉扎图案115a和交换耦合图案120a。在此情形下，辅助被钉扎图案115a插设在钉扎图案113a与主被钉扎图案125a之间，交换耦合图案120a插设在主被钉扎图案125a与辅助被钉扎图案115a之间。
辅助被钉扎图案115a的磁化方向117被钉扎图案113a固定。主被钉扎图案125a的磁化方向127通过交换耦合图案120a与辅助被钉扎图案115a的磁化方向117交换耦合，使得主被钉扎图案125a的磁化方向127反平行于辅助被钉扎图案115a的磁化方向117。因此，主被钉扎图案125a的磁化方向127通过钉扎图案113a、辅助被钉扎图案115a和交换耦合图案120a被固定在一个方向上。
此外，主被钉扎图案125a邻近隧道势垒图案135a设置。因此，主被钉扎图案125a的磁化方向127构成磁存储元件的参考图案130a的磁化的被固定方向。
在图1A的实施例的另一示例中，辅助被钉扎图案115a和交换耦合图案120a被省略，主被钉扎图案125a接触钉扎图案113a。
钉扎图案113a是反铁磁材料。反铁磁材料的特点是它钉扎或固定磁材料的磁化方向(在此情形中为辅助被钉扎图案115a的磁化方向117)。例如，钉扎图案113a可以为从铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、锰氧化物(MnO)、锰硫化物(MnS)、锰碲(MnTe)和锰氟化物(MnF)组成的组中选出的至少一种材料。另一方面，主被钉扎图案125a是铁磁材料。例如，主被钉扎图案125a是从钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)、镍铁(NiFe)、钴铁铂(CoFePt)、钴铁钯(CoFePd)、钴铁铬(CoFeCr)、钴铁铽(CoFeTb)和钴铁镍(CoFeNi)组成的组中选择的至少一种材料。辅助被钉扎图案115a，当在图示的实施例中使用时，也是铁磁材料。例如，辅助被钉扎图案115a为从钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)、镍铁(NiFe)、钴铁铂(CoFePt)、钴铁钯(CoFePd)、钴铁铬(CoFeCr)、钴铁铽(CoFeTb)和钴铁镍(CoFeNi)组成的组中选择的至少一种材料。此外，在此示例中，交换耦合图案120a为从钌(Ru)、铱(Ir)和铑(Rh)组成的组中选择的至少一种材料。
隧道势垒图案135a为电介质材料的层。例如，隧道势垒图案135a可以为从镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物和镁硼氧化物构成的组中选择的至少一种材料。此外，隧道势垒图案135a形成得比已知的自旋扩散距离(spin diffusion distance)更薄。
第一电极110a优选地为具有低反应性的导电材料。例如，第一电极110a可以由金属氮化物诸如钛氮化物、钽氮化物或钨氮化物形成。第二电极160a也优选地为具有低反应性的导电材料。例如，第二电极160a可以由金属氮化物诸如钛氮化物、钽氮化物或钨氮化物形成。此外，邻近磁图案140a的第二电极160a可以是多层的。例如，第二电极160a可以由钝化层和堆叠在钝化层上的导电金属氮化物形成。在此情形下，钝化层可以为从钽、钯、钛、铂、银、金、钌和铜构成的组中选择的至少一种材料。
现在将描述磁存储器件的操作的原理。磁图案140a的磁化方向145可以被流过磁存储元件的编程电流中的电子的自旋转移(矩)改变。例如，在磁图案140a的磁化方向145反平行于参考图案130a的磁化方向127的情形下，编程电流可以从磁图案140a朝向参考图案130a被引导，编程电流中的电子从参考图案130a朝向磁图案140a流动。编程电流被参考图案130a极化使得编程电流中的大部分电子具有与参考图案130a的磁化方向127平行的自旋，而编程电流的少量电子具有反平行于参考图案130a的磁化方向127的自旋。作为多数电子的自旋的结果，磁图案140a的磁化方向145能够改变为平行于参考图案130a的磁化方向127。在此情形下，磁图案140a例如基于其电阻值呈现第一逻辑状态，也就是存储给定数据。
另一方面，在磁图案140a的磁化方向145平行于参考图案130a的磁化方向127的情形下，编程电流可以从参考图案130a朝向磁图案140a被引导。在此情形下，编程电流中的电子从磁图案140a朝向参考图案130a流动，它们的自旋由磁图案140a的磁化方向145建立。在编程电流中的电子当中，多数电子被参考图案130a传输。然而，少数电子由于参考图案130a的磁化方向127而被反射。被反射的少数电子返回到磁图案140a并改变磁图案140a的磁化方向145从而反平行于参考图案130a的磁化方向127。在此情形下，磁图案140a呈现例如不同于第一逻辑状态的第二逻辑状态。
能够改变磁图案140a的磁化方向145的最小电流密度被指定为“临界电流密度”。磁图案140a的临界电流密度被根据本发明构思的垂直磁段150有效降低。具体地，由于垂直磁段150，磁图案140a的临界电流密度被有效减小并且磁图案140a的数据保持特性被改善。因而，可以使磁图案140a的临界电流密度相对低而不需要减小磁图案140a的厚度和/或降低其饱和磁化。因此，磁存储器件可以在具有高度的可靠性的同时消耗相对少量的功率。
如上所述，垂直磁段150设置在磁图案140a内部。这将参照图1D和图1E示出的示例更详细地描述。
在图1D所示的示例中，整个磁图案140a由多个晶粒148制成，多个晶粒148定义在其间的边界148GB(晶粒边界)，也就是，整个磁图案140a处于多晶态。垂直磁段150设置在晶粒148内部。因此，磁图案140a的围绕且邻近垂直磁段150的每部分(晶粒148)处于单晶态。
隧道势垒图案135a也可以处于由多个晶粒138构成的多晶态，多个晶粒138定义其间的边界138GB。磁图案140a的晶粒148可以以隧道势垒图案135a的晶粒138作为籽晶来生长。特别地，磁图案140a的晶粒148可以生长在[001]晶向上。
在图1E所示的示例中，磁图案140a’的第一部分处于多晶态，磁图案140a’的第二部分149处于非晶态，磁图案140a’的第二部分149设置在处于晶态的第一部分上。因此，磁图案140a’的晶粒148设置在磁图案140a’的第二部分149与隧道势垒图案135a之间。类似于上述示例，垂直磁段150设置在磁图案140a’的晶粒148内部。此外，磁图案140a’的晶粒148可以以隧道势垒图案135a的晶粒138作为籽晶来生长。
将参照图2A和图2B描述垂直磁段的另一示例。在此示例中，每个垂直磁段150a沿磁图案140a的晶粒148之间的边界148GB延伸。在这点上，每个垂直磁段150a也可以具有串的形状。此外，垂直磁段150a可以沿磁图案140a的边界148GB的与隧道势垒图案135a间隔开的部分延伸，如示出的。可选地，垂直磁段150a可以接触隧道势垒图案135a。在任何情形下，每个垂直磁段150a的磁化方向具有不平行于参考图案130a的磁化方向127的方向的至少一个分量(参照图1B和图1C的描述)。
另外，此示例可以通过上述特征和方面的任一个与图1A-1E结合来实施，例如关于材料和构造。因此，为了简洁将省略此示例的这样的特征和方面的具体描述。
图3A和图3B示出具有上述特征的组合的示例。也就是，至少一个第一垂直磁段150和至少一个第二垂直磁段150a设置在磁图案140a内部。第一和第二垂直磁段150和150a可以是相同的磁材料。另外，此示例可以实施为具有已经描述的特征和方面的任一个。
图4示出第一实施例的另一示例，其中磁图案140a和参考图案130a的位置关于隧道势垒图案135a颠倒。
也就是，在此示例中，磁图案140a直接设置在第一电极110a上，磁图案140a的邻近隧道势垒图案135a的表面是磁图案140a的顶表面。参考图案130a的主被钉扎图案125a直接设置在隧道势垒图案135a上。交换耦合图案120a、辅助被钉扎图案115a和钉扎图案113a按以上次序堆叠在主被钉扎图案125a上。
此外，在此示例中，第一电极110a可以处于晶态。在此情形下，磁图案140a的晶粒可以以第一电极110a的晶粒作为籽晶来生长。
另外，此示例可以实施为具有上述特征和方面的任一个，诸如具有如图1B或图1C所示并结合图1B或图1C描述的磁化方向的垂直磁段、如图2A和图2B所示并结合图2A和图2B描述的垂直磁段150a、或者如图3A和图3B所示并结合图3A和图3B描述的第一和第二垂直磁段150和150a。
图5示出根据本发明构思的磁存储器件的另一实施例。
参照图5，磁存储器件的此实施例包括设置在第一层间电介质层103上的第一电极110a以及按下列次序堆叠在第一电极110a上的第一参考图案130a、第一隧道势垒图案135a、磁图案140a、第二隧道势垒图案235a和第二参考图案230a。因此，磁图案140a插设在第一参考图案130a与第二参考图案230a之间，第一隧道势垒图案135a插设在第一参考图案130a与磁图案140a之间，第二隧道势垒图案235a插设在第二参考图案230a与磁图案140a之间。第二电极160a设置在第二参考图案230a上。此外，至少一个垂直磁段150设置在磁图案140a内部。
在此示例中，第一参考图案130a包括按下列次序堆叠在第一电极110a上的第一钉扎图案113a、第一辅助被钉扎图案115a、第一交换耦合图案120a和第一主被钉扎图案125a。第一主被钉扎图案125a的磁化方向127构成第一参考图案130a的被固定磁化方向127。在此示例中，第二参考图案230a包括按下列次序堆叠在第二隧道势垒图案235a上的第二主被钉扎图案225a、第二交换耦合图案220a、第二辅助被钉扎图案215a和第二钉扎图案213a。辅助被钉扎图案215a的磁化方向217被第二钉扎图案213a固定。第二主被钉扎图案225a的磁化方向227与第二辅助被钉扎图案215a的磁化方向217交换耦合，使得它们反平行。邻近第二隧道势垒图案235a的第二主被钉扎图案225a的磁化方向227构成第二参考图案230a的被固定磁化方向227。
因而，此实施例的磁存储元件包括第一参考图案130a、第一隧道势垒图案135a、磁图案140a、垂直磁段150、第二隧道势垒图案235a和第二参考图案230a，其中第一参考图案130a的被固定磁化方向127反平行于第二参考图案230a的被固定磁化方向227。
第二钉扎图案213a是反铁磁材料。第一钉扎图案113a中的反铁磁材料具有第一截止温度，第二钉扎图案213a的反铁磁材料具有第二截止温度。截止温度是指反铁磁材料不能钉扎磁材料的磁化方向的温度。
第一截止温度(第一钉扎图案113a的截止温度)不同于第二截止温度(第二钉扎图案213a的截止温度)，使得磁存储元件能够被加热到第一和第二截止温度之间的温度，外部磁场可以用于使第一和第二参考图案130a和230a的磁化方向127和227关于彼此反平行。为此，例如，第一和第二钉扎图案113a和213a中的一个可以包括铱锰(IrMn)，另一个可以包括铂锰(PtMn)。
第二主被钉扎图案225a和第二辅助被钉扎图案215a为铁磁材料。例如，第二主被钉扎图案225a和第二辅助被钉扎图案215a可以为从钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)、镍铁(NiFe)、钴铁铂(CoFePt)、钴铁钯(CoFePd)、钴铁铬(CoFeCr)、钴铁铽(CoFeTb)和钴铁镍(CoFeNi)组成的组中选择的至少一种材料。第二交换耦合图案220a可以为从钌(Ru)、铱(Ir)和铑(Rh)组成的组中选择的至少一种材料。
根据此实施例的方面，第一隧道势垒图案135a的顶表面与底表面之间的电阻值(第一电阻值)可以不同于第二隧道势垒图案235a的顶表面与底表面之间的电阻值(第二电阻值)。为此，第一隧道势垒图案135a的厚度可以不同于第二隧道势垒图案235a的厚度和/或第一隧道势垒图案135a的电介质材料的电阻率可以不同于第二隧道势垒图案235a的电介质材料的电阻率。在这点上，第二隧道势垒图案235a可以为从镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物和镁硼氧化物构成的组中选择的至少一种材料。
第一电阻值与第二电阻值之间的差异允许磁存储元件的逻辑状态被确定，也就是允许不同的数据被存储/记录。例如，在第一电阻值大于第二电阻值的情形下，第一参考图案130a与磁图案140a之间的磁阻之比大于磁图案140a与第二参考图案230a之间的磁阻之比。因此，磁存储元件的逻辑状态可以由磁图案140a的磁化方向145与第一参考图案130a的被固定磁化方向127之间的关系(平行或反平行)来确定。
相反，在第一电阻值小于第二电阻值的情形下，磁存储元件的逻辑状态通过磁图案140a的磁化方向145与第二参考图案230a的第二被固定磁化方向227之间的关系来确定。
将描述在图5的磁存储器件的实施例的操作的原理。在编程电流中的电子从第一参考图案130a朝向第二参考图案230a流动的情形下，具有平行于第一参考图案130a的第一被固定磁化方向127的自旋的电子被磁图案140a传输。同时，具有关于第二参考图案230a的被固定磁化方向227反平行的自旋的电子被反射回到磁图案140a。因此，磁图案140a的磁化方向145被改变从而平行于第一被固定磁化方向127。由于编程电流的自旋平行于第一参考图案130a的第一被固定磁化方向127的电子以及被第二参考图案230a反射的电子，自旋(磁矩或角动量)转移到磁图案140a是相对大的。因此，磁图案140a的临界电流密度相应地低。因而，能够实现具有相对低的功耗的磁存储器件。
另一方面，在编程电流中的电子从第二参考图案230a朝向第一参考图案130a流动的情形下，具有平行于第二参考图案230a的被固定磁化方向227的自旋的电子被磁图案140a传输。同时，电子(具有关于第一被固定磁化方向127反平行的自旋)被第一参考图案130a反射回到磁图案140a。被反射的电子具有平行于被固定磁化方向227的自旋。因此，磁图案140a的磁化方向145能够被改变为平行于第二参考图案230a的被固定磁化方向227。
与图4的示例的情形一样，图5的实施例的磁存储元件可以在磁图案140a中具有如图1B或图1C所示并参照图1B或图1C描述的至少一个垂直磁段150、如图2A和图2B所示并参照图2A和图2B描述的至少一个垂直磁段150a、或者如图3A和图3B所示并参照图3A和图3B描述的第一和第二垂直磁段150和150a。
现在将参照图6描述根据本发明构思的第二实施例的示例，其中磁存储元件具有成对的磁图案。
在此示例中，第一磁图案140a和第二磁图案240a设置在第一隧道势垒图案135a和第二隧道势垒图案235a之间。层间图案300a插设在第一磁图案140a与第二磁图案240a之间。第一隧道势垒图案135a、第一磁图案140a、层间图案300a和第二磁图案240a因此插设在第一参考图案130a与第二参考图案230a之间。
第二磁图案240a包括铁磁材料。例如，第二磁图案240a为CoFeB、CoFe和/或CoFeNi。层间图案300a为从钽、钯、钛、铂、银、金、铜、钌、铱和铑构成的组中选择的至少一种材料。
第一磁图案140a和/或第二磁图案240a中的垂直磁段可以具有以上参照图1B和图1C、图2A和图2B或图3A和图3B详细描述的形式的任一个。
第二磁图案240a的磁化方向245是可改变的。此外，第二磁图案240a和第一磁图案140a被交换耦合，使得第二磁图案240a的磁化方向245保持反平行于第一磁图案140a的磁化方向145。更特别地，第一和第二磁图案140a和240a产生静磁场(magneto static field)或杂散场(stray field)。此外，在此示例中，第一和第二磁图案140a和240a通过层间图案300a彼此交换耦合。层间图案300a是例如钌、铱或铑。结果，静磁场或杂散场使得第二磁图案240a的磁化方向245反平行于第一磁图案140a的磁化方向145。
因而，如果第一磁图案140a的磁化方向145平行于第一参考图案130a的第一被固定磁化方向127，则第二磁图案240a的磁化方向245反平行于第一磁化方向127。如果第一磁图案140a的磁化方向145改变为反平行于第一被固定磁化方向127，则第二磁图案240a的磁化方向245通过交换耦合被改变为反平行于第一磁图案140a的磁化方向145。
至少一个垂直磁段150设置在第一磁图案140a内部。至少一个垂直磁段250设置在第二磁图案240a内部。在第一和第二磁图案140a和240a内部的垂直磁段150和250可以为相同的材料。在任何情况下，在第二磁图案240a内部的每个垂直磁段250的磁化方向具有垂直于第二磁图案240a的磁化方向245的磁分量。因此，第二磁图案240a的临界电流密度被垂直磁段250有效减小。
根据此示例，磁存储元件具有第一和第二参考图案130a和230a、第一和第二势垒图案135a和235a、第一和第二磁图案140a和240a、垂直磁段150和250以及层间图案300a。第一参考图案130a的被固定磁化方向127(第一磁化方向)平行于第二参考图案230a的被固定磁化方向227(第二磁化方向)。在元件(具体地，元件的第一和第二钉扎图案113a和213a)的温度升高到高于第一和第二钉扎图案113a和213a的各自的截止温度时外磁场被施加，使得第一和第二被固定磁化方向127和227平行。
现在将详细描述图6所示的磁存储器件的编程操作。当第一磁图案140a的磁化方向145反平行于第一参考图案130a的被固定磁化方向127时，编程电流中的电子从第一参考图案130a朝向第二参考图案230a流动。经过第一参考图案130a的电子包括具有平行于第一被固定磁化方向127的多数电子以及具有反平行于第一被固定磁化方向127的少数电子。多数电子被第一磁图案140a传输。第一磁图案140a的磁化方向145被第一磁图案140a中的多数电子改变为平行于第一被固定磁化方向127。当第一磁图案140a的磁化方向145改变时第二磁图案240a的磁化方向245改变，因为第二磁图案240a与第一磁图案140a交换耦合。少数电子具有反平行于第二被固定磁化方向227的自旋，因为第一和第二参考图案130a和230a的被固定磁化方向127和227平行于彼此。因此，少数电子被第二参考图案230a反射回到第二磁图案240a。被第二磁图案240a传输的少数电子帮助反转第二磁图案240a的磁化方向。
因此，用于反转第一和第二磁图案140a和240a的磁化方向的临界电流密度相对低。此外，临界电流密度也被垂直磁段150和250有效减小。因而，能够实现具有最小化的功耗的磁存储器件，并且磁存储器件能够被高度集成同时具有优良的可靠性。
如参照图5所述，第一隧道势垒图案135a的电阻值不同于第二隧道势垒图案235a的电阻值。因此，第一磁图案140a与第一参考图案130a之间的磁阻之比不同于第二磁图案240a与第二参考图案230a之间的磁阻之比。因此，磁存储元件可以呈现不同的逻辑状态作为数据，因此，通过在元件中感生特定的逻辑状态或检测元件的逻辑状态，数据能够被记录在元件中或从元件读取。
现在将描述根据本发明构思的磁存储器件的制造方法。因为已经详细描述了能够通过这些方法形成的磁存储器件，由该方法形成的结构和特征中的某些将不被详细描述，其可以返回参照之前附图的描述。
将参照图7A-7D描述形成例如图1A-1E中示出的类型的磁存储器件的第一方法。
参照图7A，第一层间电介质层103形成在基板100上，下接触插塞105穿过第一层间电介质层103形成。第一电极层110形成在第一层间电介质层103上。在示出的示例中，第一电极层110形成为与下接触插塞105接触。
参考层130和隧道势垒层135依次形成在第一电极层110上。参考层130可以通过依次形成彼此堆叠的钉扎层113、辅助被钉扎层115、交换耦合层120和主被钉扎层125而形成。在此示例中，钉扎层113、辅助被钉扎层115、交换耦合层120和主被钉扎层125中的每个通过溅射(溅射沉积)形成，但是可以使用其他的工艺。例如，层113、115、120和125的每个可以通过化学气相沉积(CVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺来形成。隧道势垒层135可以通过溅射、CVD或ALD形成。此外，在此示例中，隧道势垒层135如参照图1B所述形成为晶态。
然后，多层结构形成在隧道势垒层135上。在此示例中，该多层结构包括交替设置的子磁层142和镧系元素层143。在此情形下，该多层结构的最上层是子磁层142。以下对子磁层142和镧系元素层143的详细描述将涉及每个子磁层142或镧系元素层143。
子磁层142由铁磁材料形成。例如，子磁层142可以为CoFeB、CoFe和/或CoFeNi。此外，子磁层142和镧系元素层143可以通过溅射形成。在此实施例的示例中，子磁层142在形成时处于非晶态。镧系元素层143包括从镧系元素族中选出的至少一种元素，在此示例中由镧系元素中的一种构成。
参照图7B，然后基板100被热处理以形成磁层140和在磁层140内部的至少一个垂直磁段150。例如，热处理工艺将基板100附近的环境(例如，处理室的内部)加热到300℃至600℃的工艺温度。热处理工艺还可以包括提供惰性气体环境，基板100在该惰性气体环境中被加热。
在热处理工艺期间，多层的层结构的子磁层142利用隧道势垒层135作为籽晶层呈现晶态。因此，所形成的磁层140具有晶态。磁层140的晶粒可以通过利用隧道势垒层中的晶粒作为籽晶来生长。通过适当选择热处理工艺的工艺时间和/或工艺温度，晶粒可以生长到等于磁层140的顶表面。因此，如参照图1B所示，磁层140可以整个处于晶态。可替代地，晶粒生长可以在晶粒到达等于磁层140的顶表面之前终止。在此情形下，磁层140可以形成为具有参照图1C描述的特征。
此外，作为热处理工艺的结果，镧系元素层143中的镧系元素原子在磁层140的晶粒中被分离，并与磁层140的元素结合以形成垂直磁段150。
图8是示出形成磁层和垂直磁段的另一技术的流程图。
参照图7B和图8，铁磁材料和基于镧系元素的材料可以同时沉积在参考层130上(步骤S310)。例如，根据本发明构思，铁磁材料和基于镧系元素的材料通过溅射沉积工艺同时形成，其中包括铁磁材料和基于镧系元素的材料的靶被轰击或者其中铁磁材料的第一靶和基于镧系元素的材料的第二靶被同时地轰击。
接着，磁层140和在磁层140内部的垂直磁段150通过热处理基板100而形成(步骤S312)。基于镧系元素的材料的镧系元素原子通过热处理在铁磁材料中被分离。热处理工艺的其余效果类似于以上描述的那些，例如被分离的镧系元素原子与相邻的铁磁材料的元素相结合以形成垂直磁段150，铁磁材料被转变以呈现晶态。
接着，参照图7C，第二电极层160形成在磁层140上。第二电极层160可以通过溅射、CVD工艺或ALD形成。
参照图7D，然后第二电极层160、磁层140、隧道势垒层135、参考层130和第一电极层110被依次图案化以形成堆叠的第一电极110a、参考图案130a、隧道势垒图案135a、磁图案140a和第二电极160a。接着，第二层间电介质层163、上接触插塞165和互联170(参照图1A)被依次形成。
现在将描述图2A和图2B和/或图3A和图3B中示出的类型的磁存储器件的制造方法。该方法类似于上述方法，除了另外指出的地方。
参照图9，具有多个晶粒的处于晶态的磁层140以及在磁层140的晶粒之间的垂直磁段150a形成在隧道势垒层135上。将参照图10来进一步描述用于形成磁层140和垂直磁段150a的技术。
首先，磁层形成在隧道势垒层135上(步骤S320)。在此示例中，磁层通过溅射由铁磁材料形成。磁层可以利用隧道势垒层135作为籽晶层生长为晶态。可替代地，磁层可以形成为非晶态。
接着，镧系元素层形成在磁层上(S322)。镧系元素层是指包括来自镧系元素族的至少一种元素的材料的层。镧系元素层可以通过溅射形成。
然后，基板100被热处理(步骤S324)。结果，镧系元素层中的镧系元素原子扩散到磁层中以在磁层140中形成垂直磁段150a。如果磁层形成为晶态，则镧系元素层的镧系元素原子由于热处理工艺而沿着磁层的晶粒边界扩散。扩散的镧系元素原子与相邻的磁层的元素结合，使得垂直磁段150a形成在磁层的晶粒之间，也就是沿晶粒边界。
此外，镧系元素层的其它原子可以由于热处理工艺而在磁层的晶粒中被分离。因此，垂直磁段150a也可以形成在磁层140的晶粒内部，如图3A和图3B所示。
可替代地，在磁层形成(S320)为非晶态的情形下，磁层可以被转变以呈现晶态。然后，进行如上所述关于镧系元素原子的扩散或扩散和分离的工艺。
可替代地，磁层140和垂直磁段150a可以通过如图8所示的技术形成。更具体地，图8所示的技术可以用于使镧系元素原子的一些沿着其下的磁层的晶粒边界被分离从而形成图9所示的垂直磁段150a。
此外，其它的镧系元素原子可以如参照图8所述在晶粒中被分离。因而，垂直磁段150a和150，如图3A和图3B示出和描述的，可以被同时形成。
然而，垂直磁段150和150a也可以通过参照图7A和图7B示出和描述的技术而被同时形成。在此情形下，清楚的是，镧系元素层143中的一些镧系元素原子在磁层的晶粒之间被分离，其它的镧系元素原子在磁层的晶粒中被分离。
在任一情形下，参照图9和图2A，然后第二电极层160形成在磁层140上。然后第二电极层160、磁层140、隧道势垒层135、参考层130和第一电极层110被依次图案化以形成堆叠的第一电极110a、参考图案130a、隧道势垒图案135a、磁图案140a和第二电极160a。然后，可以形成第二层间电介质层163、上接触插塞165和互联170。
将参照图4和图11描述根据本发明构思的参照图4示出和描述的类型的磁存储器件的形成方法。
在此方法中，第一电极层110形成为晶态，具体地为多晶态。磁层140和在磁层140内部的垂直磁段根据以上参照图7A到图7B和图8到图10描述的任一技术形成在第一电极层110上。在此实施例中，第一电极层110可以用作用于形成磁层140的籽晶层。
然后，隧道势垒层135、参考层130和第二电极层160形成在磁层140上。参考层130可以包括按下列次序彼此堆叠地依次形成的主被钉扎层125、交换耦合层120、辅助被钉扎层115和钉扎层113。
然后，层160、130、135、140和110被依次图案化以形成第一电极110a、磁图案140、隧道势垒图案135、参考图案130和第二电极160a。接着，形成第二层间电介质层163、上接触插塞165和互联170。
将参照图5和图12描述根据本发明构思的参照图5示出和描述的类型的磁存储器件的形成方法。
第一电极层110、第一参考层130和第一隧道势垒层135依次形成在第一层间电介质层103上。第一参考层130可以通过按下列次序彼此堆叠地形成第一钉扎层113、第一辅助被钉扎层115、第一交换耦合层120和第一主被钉扎层125而形成。磁层140和垂直磁段根据以上参照图7A至图7B和图8至图10描述的任一技术形成在第一隧道势垒层135上。
然后，第二隧道势垒层235、第二参考层230和第二电极层160依次形成在磁层140上。第二参考层230可以通过按下列次序彼此堆叠地形成第二主被钉扎层225、第二交换耦合层220、第二辅助被钉扎层215和第二钉扎层213而形成。
如从以上参照图5的描述而清楚的，第二隧道势垒层235可以形成为使得其电阻率不同于第一隧道势垒层135的电阻率。此外，第一隧道势垒层135和第二隧道势垒层235可以形成至不同的厚度。此外，第一隧道势垒层135和第二隧道势垒层235可以形成为具有不同的电阻率和厚度。此外，第一钉扎层113和第二钉扎层213形成为使得它们的截止温度不同。
接着，第二电极层160、第二参考层230、第二隧道势垒层235、磁层140、第一隧道势垒层135、第一参考层130和第一电极层110被依次图案化以形成第一电极110a、第一参考图案130a、第一隧道势垒图案135a、磁图案140a、第二隧道势垒图案235a、第二参考图案230a和第二电极160a。然后形成第二层间电介质层163、上接触插塞165和互联170。
将参照图6和图13描述根据本发明构思的参照图6示出和描述的类型的磁存储器件的形成方法。
第一电极层110、第一参考层130和第一隧道势垒层135依次形成在第一层间电介质层103上。从以上参照图5描述的技术当中，第一磁层140和在第一磁层140内部的垂直磁段然后形成在第一隧道势垒层135上。
接着，中间层300形成在第一磁层140上。从以上也参照图5描述的技术当中，第二磁层240和在磁层240内部的垂直磁段250形成在中间层300上。
然后第二隧道势垒层235、第二参考层230和第二电极层160依次形成在第二磁层240上。层160、230、235、240、300、140、135、130和110被依次图案化以形成第一电极110a、第一参考图案130a、第一隧道势垒图案135a、第一磁图案140a、中间图案300a、第二磁图案240a、第二隧道势垒图案235a、第二参考图案230a和第二电极160a。接着，形成第二层间电介质层163、上接触插塞165和互联170。
根据本发明构思的磁存储器件可以以各种方法来封装。例如，磁存储器件可以组装为以下封装的一部分：PoP(层叠封装)、BGA(球栅阵列)封装、CSP(芯片级封装)、PDIP(塑料双列直插封装)、华夫管芯封装(Die in WafflePack)、晶圆式管芯(Die in Wafer Form)、COB(板上芯片)、CERDIP(陶瓷双列直插封装)、MQFP(塑料公制四方扁平封装)、TQFP(薄四方扁平封装)、SOIC(小外形集成电路)、SSOP(收缩型小外形封装)、TSOP(薄型小外形封装)、SIP(系统级封装)、MCP(多芯片封装)、WFP(晶圆级制造封装)或WSP(晶圆级处理堆叠封装)。
包括根据本发明构思的磁存储器件的封装也可以包括用于管理磁存储器件的控制器和/或逻辑电路。
图14示出包括根据本发明构思的磁存储器件的电子系统1100的示例。
参照图14，电子系统1100包括控制器1110、输入/输出器件(在下文为“I/O器件”)1120、存储器件1130、接口1140和总线1150。控制器1110、I/O器件1120、存储器件1130和/或接口1140通过总线1150连接。总线1150提供数据传输的路径。
控制器1110包括微处理器、数字信号处理器、微控制器和执行类似功能的其它逻辑器件中的至少一个。I/O器件1120可以包括键区、键盘和显示器件。存储器件1130通常包含数据和/或命令代码。因此，存储器件1130包括根据本发明构思的磁存储器件的至少一种。存储器件1130还可以包括半导体存储器件诸如闪存器件和/或相变存储器件。接口1140帮助数据传输到网络或从网络接收数据。接口1140可以是有线型或无线型。例如，接口1140可以包括天线或有线/无线收发器。电子系统1100还可以包括用于增强控制器1110的操作的高速DRAM器件和/或SRAM器件。
电子系统1100可以被个人数字助理(PDA)、移动电话、数字音乐播放器、存储卡或其它能够在有线和/或无线环境中传输和/或接收数据的电子设备所使用。
图15示出包括根据本发明构思的磁存储器件的存储卡1200的示例。
参照图15，存储卡1200包括存储器件1210。存储器件1210包括根据本发明构思的磁存储器件中的至少一个。存储器件1210还可以包括半导体存储器件诸如闪存器件、相变存储器件和DRAM和/或SRAM。此示例的存储卡1200还包括配置为管理主机与存储器件1210之间的数据交换的存储控制器1220。
如此示例所示出的，存储控制器1220包括用于控制存储卡进行的所有处理的处理单元1222。存储控制器1220还包括作为处理单元1222的操作存储器的SRAM 1221、主机接口1223和存储器接口1225。主机接口1223包含存储卡1200与主机之间的数据交换协议。存储器接口1225连接存储控制器1220和存储器件1210。存储控制器1220还具有错误收集模块(ECC)1224。ECC 1224能够检测和收集来自存储器件1210的数据中的错误。存储卡1200还可以包括存储用于与主机交互的代码数据的ROM器件(未示出)。
这样的存储卡1200可以实施为便携式数据存储卡。这些元件也可以实施为固态驱动器。
根据如以上详细描述的本发明构思的方面，一个或多个垂直磁段设置在磁图案内部以有效降低临界电流密度。因此，磁存储元件能够保持足够厚和/或具有足够的饱和磁化以在消耗相对少量的功率的同时具有高的数据保持特性。这也导致实现优良可靠性的磁存储器件。
最后，以上已经详细描述了本发明构思的实施例及其示例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式实施而不应被解释为限于上述实施例。而是，这些实施例被描述使得本公开彻底和完整，并将本发明构思充分传达给本领域技术人员。因此，本发明构思的真正精神和范围不受上述实施例和示例限制，而是由权利要求限制。
本申请要求于2010年11月8日提交的韩国专利申请No.10-2010-0110520的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (20)

1.一种磁存储器件，包括：
基板；
磁图案和参考图案，形成在所述基板上，所述参考图案包括具有取向固定的磁化的磁材料，并且所述磁图案的磁化可在第一状态与第二状态之间改变，在所述第一状态中所述磁图案的磁化方向与所述参考图案的磁化方向平行，在所述第二状态中所述磁图案的磁化方向与所述参考图案的磁化方向反平行；
隧道势垒图案，插设在所述磁图案与所述参考图案之间，以及
至少一个磁段，设置在所述磁图案中，
其中所述磁段为磁化方向至少具有与垂直于所述磁图案的磁化方向的平面一致的分量的磁材料。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁段的磁材料为包括镧系元素系列的至少一种元素的化合物。
3.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁段的磁材料处于非晶态。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁图案的磁化方向与所述参考图案的磁化方向基本平行于所述磁图案的最靠近所述隧道势垒图案的表面。
5.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁图案的至少一部分处于具有至少一个晶粒的晶态，并且
所述磁段整个设置在所述晶粒内部。
6.如权利要求5所述的磁存储器件，其中所述磁段的磁材料为包括镧系元素系列的至少一种元素和构成所述磁图案的材料的至少一种元素的化合物。
7.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁图案的一部分处于晶态，所述磁图案的另一部分处于非晶态。
8.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁段的磁材料的磁化方向关于所述磁图案的磁化方向倾斜。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁图案的至少一部分处于具有至少两个晶粒的晶态，在该至少两个晶粒之间具有晶粒边界，并且
所述磁段沿所述晶粒边界延伸。
10.如权利要求1所述的磁存储器件，还包括上导电元件和下导电元件，所述磁图案、所述参考图案和所述隧道势垒图案堆叠在该上导电元件和该下导电元件之间。
11.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述隧道势垒图案包括电介质的层。
12.一种磁存储器件，包括：
基板；
形成在所述基板上的磁图案以及第一和第二参考图案，所述第一和第二参考图案每个包括具有取向固定的磁化的磁材料，所述磁图案的磁化可在第一状态与第二状态之间改变，在所述第一状态中所述磁图案的磁化方向与所述第一参考图案的磁化方向平行，在所述第二状态中所述磁图案的磁化方向与所述第一参考图案的磁化方向反平行；
第一隧道势垒图案，插设在所述磁图案与所述第一参考图案之间；
至少一个磁段，设置在所述磁图案中；以及
第二隧道势垒图案，插设在所述第二参考图案与所述磁图案之间，
其中所述磁段为磁化方向具有与垂直于所述磁图案的磁化方向的平面一致的至少一个分量的磁材料，并且
所述第一参考图案的磁化方向和所述第二参考图案的磁化方向反平行。
13.如权利要求12所述的磁存储器件，其中所述磁段的磁材料为包括镧系元素系列的至少一种元素的化合物。
14.如权利要求12所述的磁存储器件，还包括上导电元件和下导电元件，所述第一和第二参考图案、所述磁图案以及所述第一和第二隧道势垒图案堆叠在该上导电元件和该下导电元件之间。
15.如权利要求12所述的磁存储器件，其中所述第一和第二隧道势垒图案每个包括电介质的层。
16.如权利要求12所述的磁存储器件，其中所述第一和第二隧道势垒图案的厚度彼此不同和/或所述第一和第二隧道势垒图案的电阻率彼此不同。
17.一种磁存储器件，包括：
基板；
形成在所述基板上的第一磁图案和第一参考图案，所述第一参考图案包括具有取向固定的磁化的磁材料，所述第一磁图案的磁化可在第一状态与第二状态之间改变，在所述第一状态中所述第一磁图案的磁化方向与所述第一参考图案的磁化方向平行，在所述第二状态中所述第一磁图案的磁化方向与所述第一参考图案的磁化方向反平行；
第一隧道势垒图案，插设在所述第一磁图案与所述第一参考图案之间；
至少一个磁段，设置在所述第一磁图案中；
形成在所述基板上的第二磁图案和第二参考图案，所述第二参考图案包括具有取向固定的磁化的磁材料；
第二隧道势垒图案，插设在所述第二磁图案与所述第二参考图案之间；
至少一个磁段，设置在所述第二磁图案中；以及
层间图案，插设在所述第一磁图案与第二磁图案之间，
其中设置在所述第一磁图案中的磁段为磁化方向至少具有与垂直于所述第一磁图案的磁化方向的平面一致的分量的磁材料，
设置在所述第二磁图案中的磁段为磁化方向至少具有与垂直于所述第二磁图案的磁化方向的平面一致的分量的磁材料，并且
所述第二磁图案的磁化和所述第一磁图案的磁化耦合使得所述第一磁图案和第二磁图案的磁化方向反平行。
18.如权利要求17所述的磁存储器件，其中设置在所述第一磁图案中的磁段的磁材料和设置在所述第二磁图案中的磁段的磁材料每个为包括镧系元素系列的至少一种元素的化合物。
19.如权利要求17所述的磁存储器件，还包括上导电元件和下导电元件，所述第一参考图案和第二参考图案、所述第一磁图案和第二磁图案以及所述第一隧道势垒图案和第二隧道势垒图案堆叠在该上导电元件和该下导电元件之间。
20.如权利要求17所述的磁存储器件，其中所述层间图案为从钌、铱和铑组成的组中选择的至少一种材料。
CN201110349182.XA 2010-11-08 2011-11-08 磁存储器件 Active CN102468425B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2010-0110520 2010-11-08
KR1020100110520A KR101463948B1 (ko) 2010-11-08 2010-11-08 자기 기억 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102468425A CN102468425A (zh) 2012-05-23
CN102468425B true CN102468425B (zh) 2015-08-05

Family

ID=46018810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110349182.XA Active CN102468425B (zh) 2010-11-08 2011-11-08 磁存储器件

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8648434B2 (zh)
KR (1) KR101463948B1 (zh)
CN (1) CN102468425B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8947914B2 (en) * 2011-03-18 2015-02-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic tunneling junction devices, memories, electronic systems, and memory systems, and methods of fabricating the same
KR101831931B1 (ko) 2011-08-10 2018-02-26 삼성전자주식회사 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치
US8860156B2 (en) * 2012-09-11 2014-10-14 Headway Technologies, Inc. Minimal thickness synthetic antiferromagnetic (SAF) structure with perpendicular magnetic anisotropy for STT-MRAM
US9029965B2 (en) * 2012-12-03 2015-05-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions having a thermally stable and easy to switch magnetic free layer
DE102013209278B4 (de) * 2013-05-17 2016-02-18 Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E.V. Magnetisierbare Halbleiter mit permanenter Magnetisierung und deren Verwendung
KR102105078B1 (ko) 2013-05-30 2020-04-27 삼성전자주식회사 자기 기억 소자
KR102212556B1 (ko) * 2014-10-08 2021-02-08 삼성전자주식회사 반도체 장치
US10162016B2 (en) * 2016-03-08 2018-12-25 Texas Instruments Incorporated Reduction of magnetic sensor component variation due to magnetic materials through the application of magnetic field
US10629649B2 (en) 2017-12-29 2020-04-21 Spin Memory, Inc. Method of making a three dimensional perpendicular magnetic tunnel junction with thin-film transistor
US11417829B2 (en) * 2018-05-18 2022-08-16 Integrated Silicon Solution, (Cayman) Inc. Three dimensional perpendicular magnetic tunnel junction with thin film transistor array
KR20210007083A (ko) * 2019-07-09 2021-01-20 삼성전자주식회사 정보 저장 소자 및 그 제조방법
KR102608134B1 (ko) 2020-02-19 2023-12-01 양쯔 메모리 테크놀로지스 씨오., 엘티디. 자기 메모리 구조 및 디바이스

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1213867A (zh) * 1997-05-09 1999-04-14 株式会社东芝 磁性元件和使用这种磁性元件的磁头和磁存储器
CN1519856A (zh) * 2002-11-15 2004-08-11 �Ҵ���˾ 利用氧化层和电流诱导加热的热辅助磁写入
CN1801332A (zh) * 2004-11-09 2006-07-12 株式会社东芝 磁阻元件，磁阻磁头，磁记录设备以及磁存储器
CN1883007A (zh) * 2003-09-19 2006-12-20 弘世科技公司 用于利用自旋转移的磁性元件的电流约束传递层和使用该磁性元件的mram器件
CN101527166A (zh) * 2008-03-05 2009-09-09 索尼株式会社 非易失性磁存储装置
CN101573759A (zh) * 2007-01-05 2009-11-04 国际商业机器公司 包括不同的铁磁材料层的存储器存储装置、其制造方法及使用方法
CN101593602A (zh) * 2008-04-11 2009-12-02 日立环球储存科技荷兰有限公司 剪型电流垂直于平面巨磁致电阻传感器

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5695864A (en) 1995-09-28 1997-12-09 International Business Machines Corporation Electronic device using magnetic components
US7035138B2 (en) * 2000-09-27 2006-04-25 Canon Kabushiki Kaisha Magnetic random access memory having perpendicular magnetic films switched by magnetic fields from a plurality of directions
US7242045B2 (en) 2004-02-19 2007-07-10 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element having low saturation magnetization free layers
US6992359B2 (en) 2004-02-26 2006-01-31 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP2006147947A (ja) * 2004-11-22 2006-06-08 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
US8063459B2 (en) 2007-02-12 2011-11-22 Avalanche Technologies, Inc. Non-volatile magnetic memory element with graded layer
US8018011B2 (en) * 2007-02-12 2011-09-13 Avalanche Technology, Inc. Low cost multi-state magnetic memory
US8183652B2 (en) * 2007-02-12 2012-05-22 Avalanche Technology, Inc. Non-volatile magnetic memory with low switching current and high thermal stability
US7732881B2 (en) 2006-11-01 2010-06-08 Avalanche Technology, Inc. Current-confined effect of magnetic nano-current-channel (NCC) for magnetic random access memory (MRAM)
JP2008085220A (ja) * 2006-09-28 2008-04-10 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気再生装置
JP4384183B2 (ja) * 2007-01-26 2009-12-16 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP4738395B2 (ja) 2007-09-25 2011-08-03 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ
US7855911B2 (en) * 2008-05-23 2010-12-21 Seagate Technology Llc Reconfigurable magnetic logic device using spin torque
KR101178767B1 (ko) * 2008-10-30 2012-09-07 한국과학기술연구원 이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조
US8053255B2 (en) * 2009-03-03 2011-11-08 Seagate Technology Llc STRAM with compensation element and method of making the same
US7936598B2 (en) * 2009-04-28 2011-05-03 Seagate Technology Magnetic stack having assist layer
US8284594B2 (en) 2009-09-03 2012-10-09 International Business Machines Corporation Magnetic devices and structures

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1213867A (zh) * 1997-05-09 1999-04-14 株式会社东芝 磁性元件和使用这种磁性元件的磁头和磁存储器
CN1519856A (zh) * 2002-11-15 2004-08-11 �Ҵ���˾ 利用氧化层和电流诱导加热的热辅助磁写入
CN1883007A (zh) * 2003-09-19 2006-12-20 弘世科技公司 用于利用自旋转移的磁性元件的电流约束传递层和使用该磁性元件的mram器件
CN1801332A (zh) * 2004-11-09 2006-07-12 株式会社东芝 磁阻元件，磁阻磁头，磁记录设备以及磁存储器
CN101573759A (zh) * 2007-01-05 2009-11-04 国际商业机器公司 包括不同的铁磁材料层的存储器存储装置、其制造方法及使用方法
CN101527166A (zh) * 2008-03-05 2009-09-09 索尼株式会社 非易失性磁存储装置
CN101593602A (zh) * 2008-04-11 2009-12-02 日立环球储存科技荷兰有限公司 剪型电流垂直于平面巨磁致电阻传感器

Also Published As

Publication number Publication date
KR101463948B1 (ko) 2014-11-27
US20120112298A1 (en) 2012-05-10
KR20120048989A (ko) 2012-05-16
CN102468425A (zh) 2012-05-23
US8648434B2 (en) 2014-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102468425B (zh) 磁存储器件
CN104700882B (zh) 存储器器件及其制造方法
US9318695B2 (en) Magnetic memory devices having a uniform perpendicular nonmagnetic rich antisotropy enhanced pattern
CN103794716B (zh) 磁存储器件及其制造方法
CN106537508B (zh) 用于磁性随机存取存储器(mram)单元的切换膜结构
JP5753919B2 (ja) 磁気トンネル接合デバイス
US8934288B2 (en) Magnetic memory devices
CN102017208B (zh) 自旋力矩转移磁性隧道结架构和集成
KR102374642B1 (ko) 자기 메모리 소자 및 그 제조 방법
US8853807B2 (en) Magnetic devices and methods of fabricating the same
CN104347796A (zh) 具有垂直磁隧道结的磁存储装置
US20160301000A1 (en) Magnetic Memory Devices Having Perpendicular Magnetic Tunnel Structures Therein
US20170092848A1 (en) Magnetic memory device and method for manufacturing the same
CN103682084A (zh) 磁存储器件及其形成方法
US9299920B2 (en) Magnetic memory devices with magnetic tunnel junctions
CN101978426B (zh) 存储器单元和将磁存储器单元屏蔽开磁场的方法
US8852960B2 (en) Method of fabricating semiconductor device and apparatus for fabricating the same

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant