CN102683580B - 磁隧道结器件、电子系统以及存储系统及其制造方法 - Google Patents

磁隧道结器件、电子系统以及存储系统及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁隧道结器件，该磁隧道结器件包括：固定磁结构；自由磁结构；自由磁结构；以及在固定磁结构和自由磁结构之间的隧道势垒，固定磁结构和自由磁结构的至少之一包括垂直磁化保存层、在垂直磁化保存层与隧道势垒之间的磁性层、以及在垂直磁化保存层与磁性层之间的垂直磁化诱导层。

Description

磁隧道结器件、电子系统以及存储系统及其制造方法
技术领域
本发明构思的实施方式总地涉及半导体存储装置。例如，本发明构思的实施方式涉及包括磁隧道结(MTJ)器件的半导体存储装置、存储器、电子系统、以及存储系统及其制造方法。
背景技术
随着便携式计算机和无线通信装置的使用增加，存储装置需要更高的密度、更低的功率、和/或非易失性特性。磁存储装置能满足上述技术要求。
一种用于磁存储装置的示例数据存储机理是MTJ的隧道磁阻(TMR)效应。例如，已经开发了具有MTJ的磁存储装置使得MTJ可具有几百至几千百分比的TMR比率。然而，随着图案尺寸减小，其变得更难以提供热稳定的MTJ。
发明内容
本发明构思的示例实施方式提供具有改善的热稳定性的磁存储装置。
本发明构思的其它示例实施方式提供具有改善的热稳定性的磁存储装置的制造方法。
根据本发明构思的示例实施方式，一种磁隧道结器件可以包括：固定磁结构；自由磁结构；以及在固定磁结构和自由磁结构之间的隧道势垒，固定磁结构和自由磁结构的至少之一包括垂直磁化保存层(perpendicularmagnetizationpreservinglayer)、在垂直磁化保存层与隧道势垒之间的磁性层、以及在垂直磁化保存层与磁性层之间的垂直磁化诱导层。
在示例实施方式中，磁性层由铁磁材料制成。
在示例实施方式中，铁磁材料是CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种。
在示例实施方式中，磁性层具有在大约1埃至大约30埃范围内的厚度。
在示例实施方式中，磁性层具有在大约3埃至大约17埃范围内的厚度。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层直接接触磁性层。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层包括Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层具有高于磁性层或垂直磁化保存层的电阻率。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层具有小于磁性层或垂直磁化保存层的厚度。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层具有低于垂直磁化诱导层的电阻率。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层由至少一种贵金属或铜形成。
在示例实施方式中，至少一种贵金属包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au)。
在示例实施方式中，磁隧道结器件还包括基板；其中固定磁结构是靠近基板的下结构以及其中自由磁结构是远离基板的上结构。
在示例实施方式中，磁隧道结器件还包括基板；其中自由磁结构是靠近基板的下结构以及其中固定磁结构是远离基板的上结构。
根据本发明构思的示例实施方式，电子设备可以包括：总线；无线接口，配置为发送数据到无线通信网络或从所述无线通信网络接收数据，该无线通信网络连接到总线；连接到总线的I/O器件；连接到总线的控制器；以及包括半导体器件且连接到总线的存储器，该半导体器件包括磁隧道结器件，该存储器配置为存储将被控制器使用的命令码或用户数据。
根据本发明构思的示例实施方式，存储系统可包括：包括半导体器件且用于存储数据的存储装置，该半导体器件包括磁隧道结器件；以及存储控制器，配置为控制存储装置以响应于主机的读/写请求而读取存储在存储装置中的数据或者将数据写入存储装置。
根据本发明构思的示例实施方式，一种磁隧道结器件可包括：固定磁结构；自由磁结构；以及在固定磁结构与自由磁结构之间的隧道势垒。固定磁结构和自由磁结构的至少之一包括：垂直磁化保存层，在垂直磁化保存层与隧道势垒之间的磁性层，以及在垂直磁化保存层与磁性层之间的垂直磁化诱导层。其中磁性层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是含氧材料。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是金属氧化物。
在示例实施方式中，金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层由电阻率低于钽或钛的至少一种材料形成。
根据本发明构思的示例实施方式，一种磁隧道结器件可包括：包括钉扎层的第一结构；包括自由层的第二结构；以及在第一结构和第二结构之间的隧道势垒。第二结构包括：磁性层；在磁性层上的垂直磁化诱导层，在垂直磁化诱导层上的垂直磁化保存层；以及在垂直磁化保存层上的盖层。
在示例实施方式中，磁性层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是含氧材料。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是金属氧化物。
在示例实施方式中，金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层具有小于磁性层或垂直磁化保存层的厚度。
根据本发明构思的示例实施方式，一种制造磁性器件的方法可包括：形成磁性层；在磁性层上形成垂直磁化诱导层；在垂直磁化诱导层上形成垂直磁化保存层；氧化垂直磁化保存层；以及退火被氧化的垂直磁化保存层以将氧从垂直磁化保存层扩散到垂直磁化诱导层。
在示例实施方式中，该方法还包括在被氧化的垂直磁化保存层上形成盖层。
在示例实施方式中，氧化垂直磁化保存层包括在0-500℃的温度供应含氧气体。
在示例实施方式中，含氧气体还包括臭氧。
在示例实施方式中，氧化垂直磁化保存层包括形成化学计量的氧化物层。
在示例实施方式中，氧化垂直磁化保存层包括在垂直磁化保存层中不均匀地分布氧原子。
在示例实施方式中，退火被氧化的垂直磁化保存层包括热处理，该热处理包括供应氮气和惰性气体的至少一种作为环境气体。
在示例实施方式中，磁性层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，磁性层由铁磁材料制成。
在示例实施方式中，铁磁材料是CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种。
在示例实施方式中，磁性层具有在大约1埃至大约30埃范围内的厚度。
在示例实施方式中，磁性层具有在大约3埃至大约17埃范围内的厚度。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层直接接触磁性层。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是含氧材料。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是金属氧化物。
在示例实施方式中，金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物和镁硼氧化物中的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层包括Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层具有高于磁性层或垂直磁化保存层的电阻率。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层具有小于磁性层或垂直磁化保存层的厚度。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层具有低于垂直磁化诱导层的电阻率。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层由至少一种贵金属或铜形成。
在示例实施方式中，至少一种贵金属包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au)。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层由电阻率低于钽或钛的至少一种材料形成。
根据本发明构思的示例实施方式，一种制造磁性器件的方法可包括：形成籽晶层；在籽晶层上形成垂直磁化保存层；氧化垂直磁化保存层；在被氧化的垂直磁化保存层上形成垂直磁化诱导层；在垂直磁化诱导层上形成磁性层；以及退火被氧化的垂直磁化保存层以将氧从垂直磁化保存层扩散到垂直磁化诱导层。
在示例实施方式中，磁性层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层具有小于垂直磁化诱导层的氧亲和力。
在示例实施方式中，磁性层是CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是含氧材料。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层是金属氧化物。
在示例实施方式中，金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层包括Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种。
在示例实施方式中，垂直磁化诱导层具有高于磁性层或垂直磁化保存层的电阻率。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、或金(Au)。
在示例实施方式中，垂直磁化保存层由电阻率低于钽或钛的至少一种材料形成。
附图说明
通过以下结合附图的简要描述，示例实施方式将被更清晰地理解。附图显示了在此所述的非限制性的示例实施方式。
图1是根据本发明构思的示例实施方式的磁存储装置的单位单元的示意性电路图；
图2至图6是示例性地示出根据本发明构思的示例实施方式的选择器件的电路图；
图7是示意性地示出根据本发明构思的示例实施方式的第一类MTJ的图示；
图8是示意性地示出根据本发明构思的示例实施方式的第二类MTJ的图示；
图9是示例性地示出根据本发明构思的示例实施方式的外在垂直磁化结构的透视图；
图10A和图10B是示出外在垂直磁化结构的一些方面的曲线图；
图11是示出外在垂直磁化结构的其它方面的曲线图；
图12是示出外在垂直磁化结构的其它方面的曲线图；
图13是显示根据本发明构思的示例实施方式的下结构和上结构的示例性分类(classification)的图表；
图14至图17是根据本发明构思的示例实施方式的下结构的剖视图；
图18至图21是根据本发明构思的示例实施方式的上结构的剖视图；
图22是显示根据本发明构思的示例实施方式的第一类MTJ的示例性分类的图表；
图23至图25是示例性地示出根据本发明构思的示例实施方式的第一类MTJ的剖视图；
图26是显示根据本发明构思的示例实施方式的第二类MTJ的示例性分类的图表；
图27至图29是示例性地示出根据本发明构思的示例实施方式的第二类MTJ的剖视图；
图30是根据本发明构思的变型实施方式的磁存储装置的单位单元的示意性电路图；
图31是示例性地示出根据本发明构思的一些示例实施方式的制造MTJ的方法的流程图；
图32是示出通过图31的方法制造的MTJ的一些方面的曲线图；
图33是示例性地示出根据本发明构思的其它示例实施方式的制造MTJ的方法的流程图；
图34是示出通过图33的方法制造的MTJ的一些方面的曲线图；
图35是示例性地显示根据本发明构思的示例实施方式的MTJ的一些磁性能的实验曲线图；
图36是示例性地显示根据本发明构思的示例实施方式的MTJ的其它磁性能的实验曲线图；以及
图37和图38是示意性地示出包括根据本发明构思的示例实施方式的半导体器件的电子设备的示意方框图。
应该注意到，这些图旨在示出在特定示例实施方式中使用的方法、结构和/或材料的一般特性且旨在补充以下提供的书面描述。然而，这些图不是按比例绘制且可以不精确地反映任何给出实施方式的精确结构或性能特征，且不应被解释为限定或限制由示例实施方式包含的值的范围或性能。例如，为了清晰，可以减小或夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和位置。在不同图中的类似或相同附图标记的使用旨在表示类似或相同元件或特征的存在。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明构思的示例实施方式，在附图中显示出示例实施方式。然而，本发明构思的示例实施方式可以以多种不同形式具体化，且不应被理解为限于在此阐述的示例实施方式，而是，提供这些示例实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的普通技术人员。在图中，为了清晰，夸大了层和区域的厚度。在图中相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略它们的描述。
将理解，当一元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到所述另一元件或者可以存在中间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，没有中间元件存在。相同的附图标记始终表示相同的元件。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任意和所有组合。用于描述元件或层之间的关系的其它词应该以类似的方式解释(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”，“在......上”与“直接在......上”)。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以用于此来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分。因而，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例实施方式的教导。
为了便于描述一个元件或特征与另一元件(或多个元件)或特征(或多个特征)如图中所示的关系，可以在此使用空间相对术语，诸如“在......下面”、“以下”、“下”、“在......上”、“上”等。将理解，空间相对术语旨在包含除了图中所描绘的取向之外，装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下”或“下面”的元件将取向为在所述其它元件或特征“上″。因而，示例性术语“在......下”可以包含上和下两种取向。装置可以被另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间相对描述语可以被相应地解释。
在此使用的术语仅用于描述特定实例实施方式，不意欲限制示例实施方式。如在此使用的，单数形式也旨在包括复数形式，除非上下文清晰地另外表示。还将理解，如果在此使用术语“包括”、“包含”表示所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除存在或添加一个或更多其他特征、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其组。
在此参考截面图示描述了本发明构思的示例实施方式，其中截面图示是示例实施方式的理想实施方式(和中间结构)的示意性图示。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，本发明构思的示例实施方式不应解释为限于这里所示的特别的区域形状，而是包括由于例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区可以具有修圆或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。相似地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区和通过其进行注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的且它们的形状不旨在示出器件的区域的精确的形状且不旨在限制示例实施方式的范围。
除非另外地定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明构思的示例实施方式所属的领域中的普通技术人员通常理解的相同的含义。还将理解，术语(诸如在通常使用的字典中所定义的那些)应被理解为具有与在相关领域的背景中的含义一致的含义，将不被理解为理想化或过度正式的意义，除非在此清楚地如此定义。
图1是示例性地示出根据本发明构思的示例实施方式的磁存储装置的单位单元的电路图。
参考图1，单位单元100可以设置在彼此交叉的第一和第二互连线10和20之间。单位单元100可以与第一和第二互连线10和20串联连接。单位单元100可以包括选择元件30和磁隧道结MTJ。选择元件30和磁隧道结MTJ可以彼此串联电连接。在一些示例实施方式中，第一和第二互连线10和20的其中之一可以用作字线，另一个可以用作位线。
选择元件30可以配置为选择性地控制通过磁隧道结MTJ的电流。例如，如图2至图6所示，选择元件30可以是二极管、pnp双极性晶体管、npn双极性晶体管、NMOS场效应晶体管(FET)以及PMOSFET的其中一种。在选择元件30是三端开关器件诸如双极性晶体管和/或MOSFET的情形下，额外的互连线(未示出)可以连接到选择元件30。
磁隧道结MTJ可以包括下结构41、上结构42、以及其间的隧道势垒50。下结构41和上结构42的每个可以包括由磁性材料形成的至少一个磁性层。
磁性层之一可以配置成具有固定的磁化方向，所述磁化方向不会被普通环境下产生的外部磁场改变。在下文中，为了便于描述，将使用术语“钉扎层(pinnedlayer)PL”来表示具有固定的磁化性能的磁性层。相反，磁性层中的另一个可以配置成具有通过施加到其的外部磁场可变换的磁化方向。在下文中，将使用术语“自由层FRL”来表示具有可变换的磁化性能的磁性层。也就是说，如图7和图8所示，磁隧道结MTJ可以包括通过隧道势垒50分离的至少一个自由层FRL和至少一个钉扎层PL。
磁隧道结MTJ的电阻可对于自由层FRL和钉扎层PL的磁化方向的相对取向敏感。例如，磁隧道结MTJ的电阻可以在相对取向反平行时比相对取向平行时大得多。这意味着磁隧道结MTJ的电阻可以通过改变自由层FRL的磁化方向而受到控制。根据本发明构思的示例实施方式的磁存储装置可以基于该数据存储机理实现。
如图7和图8所示，磁隧道结MTJ的下结构41和上结构42可以顺序地形成在基板sub上。在示例实施方式中，根据自由层FRL和基板sub之间的相对结构或者自由层FRL和钉扎层PL的形成顺序，磁隧道结MTJ可以被分成例如以下两类：(a)第一类磁隧道结MTJ1，以这样的方式配置，下结构41和上结构42分别包括钉扎层PL和自由层FRL，如图7所示，以及(b)第二类磁隧道结MTJ2，以这样的方式配置，下结构41和上结构42分别包括自由层FRL和钉扎层PL，如图8所示。
图9是透视图，示例性地示出外在垂直磁化结构，其可以被提供作为根据本发明构思的示例实施方式的MTJ的一部分，图10A和图10B是示出外在垂直磁化结构的一些方面的曲线图。
根据本发明构思的一些方面，下结构41和上结构42的至少一个可以配置成外在垂直磁化结构EPMS(extrinsicperpendicularmagnetizationstructure)。在一些示例实施方式中，外在垂直磁化结构EPMS可以包括磁性层MGL、垂直磁化保存层PMP(perpendicularmagnetizationpreservinglayer)、和/或插置在磁性层MGL和垂直磁化保存层PMP之间的垂直磁化诱导层PMI(perpendicularmagnetizationinducinglayer)，如图9所示。外在垂直磁化结构EPMS的磁性层MGL可以用作下结构41和上结构42中包括的磁性层。换句话说，自由层FRL或者钉扎层PL可以是外在垂直磁化结构EPMS的磁性层MGL。
磁性层MGL可以包括铁磁材料。例如，磁性层MGL可以由CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种形成。此外，磁性层MGL可以以竖直厚度远小于其横向长度的薄图案的形式提供。例如，磁性层MGL的厚度可以在大约1埃至大约30埃的范围内。在更具体的示例实施方式中，磁性层MGL的厚度可以在大约3埃至大约17埃的范围内。在示例实施方式中，由于由磁性层MGL的几何形状引起的磁各向异性，磁性层MGL可具有被限定到与其上表面平行的面(例如，xy面)的磁化方向。在下文中，磁性层MGL的此磁性能将被称为‘内禀横向磁化性能’(intrinsichorizontalmagnetizationproperty)。也就是说，磁性层MGL可以是具有内禀横向磁化性能的内禀横向磁性层。
在本发明构思的变形示例实施方式中，磁性层MGL可以是具有内禀垂直磁化性能的内禀垂直磁性(IPM)层。也就是说，磁性层MGL可具有垂直于xy面或者其顶表面自发取向的磁化方向。例如，磁性层MGL可以包括以下至少一种：a)CoFeTb，其中Tb的相对含量是10％以上，b)CoFeGd，其中Gd的相对含量是10％以上，c)CoFeDy，d)具有L10结构的FePt，e)具有L10结构的FePd，f)具有L10结构的CoPd，g)具有L10结构的CoPt，h)具有六方紧密堆积(HCP)结构的CoPt，i)包含以a)至h)的形式存在的至少一种材料的合金，或者j)包括交替层叠的磁性层和非磁性层的多层结构。包括交替层叠的磁性层和非磁性层的多层结构可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(CoP)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n、和(CoCr/Pd)n的至少一种，其中下标n表示层叠数目。
垂直磁化诱导层PMI可以形成为与磁性层MGL直接接触，该直接接触的配置使磁性层MGL的磁化方向能够从平行于磁性层MGL的顶表面改变为垂直于磁性层MGL的顶表面。也就是说，垂直磁化诱导层PMI可以用作用于使磁性层MGL具有垂直磁化性能的外界因素。在这种意义上讲，彼此接触的垂直磁化诱导层PMI和磁性层MGL可以组成具有外在垂直磁化性能的磁结构(例如，外在垂直磁化结构)。在下文中，外在垂直磁化结构中的磁性层MGL可以被称为“外在垂直磁性(EPM)层”。
垂直磁化诱导层PMI可以是含氧材料。在一些示例实施方式中，垂直磁化诱导层PMI可以是至少一种金属氧化物。例如，垂直磁化诱导层PMI可以是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。在示例实施方式中，垂直磁化诱导层PMI可具有高于磁性层MGL或者垂直磁化保存层PMP的电阻率。在示例实施方式中，磁隧道结MTJ的电阻可以较强地依赖于垂直磁化诱导层PMI的电阻率。为了减小该相依性，垂直磁化诱导层PMI可以形成为薄的。例如，垂直磁化诱导层PMI可以形成为具有比磁性层MGL或者垂直磁化保存层PMP小的厚度。
垂直磁化保存层PMP可以由具有比垂直磁化诱导层PMI低的电阻率的材料形成。例如，垂直磁化保存层PMP可以由至少一种贵金属(诸如，钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au))或者铜形成。根据本发明构思的一些示例实施方式，垂直磁化保存层PMP可以由具有比钽或者钛低的电阻率的材料中的至少一种形成。
此外，根据本发明构思的一些方面，垂直磁化保存层PMP的与垂直磁化诱导层PMI接触的部分可以由几乎不与氧原子反应的材料形成。如上所述的贵金属或铜可以被选择为满足对于垂直磁化保存层PMP的要求的材料。在一些示例实施方式中，垂直磁化保存层PMP可以由即使在随后的工艺步骤期间或者在正常操作条件下也几乎不与氧原子反应的材料形成。
例如，如图10A所示，垂直磁化保存层PMP可以是具有比组成垂直磁化诱导层PMI的金属元素的氧亲和力小的氧亲和力的材料。在示例实施方式中，氧亲和力可以由形成金属氧化物的标准反应焓(ΔH0 f[kJ/摩尔氧])表示，如图10B所示。在一些示例实施方式中，组成垂直磁化诱导层PMI的金属元素的标准反应焓ΔH0 f可以小于大约-500[kJ/摩尔氧]，垂直磁化保存层PMP的标准反应焓ΔH0 f可以大于-300[kJ/摩尔氧]。也就是说，就绝对值而言，组成垂直磁化诱导层PMI的金属元素的标准反应焓可以比垂直磁化保存层PMP的大。在一些示例实施方式中，组成垂直磁化诱导层PMI的金属元素可以是Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种，垂直磁化保存层PMP可以包括Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Cu、Re和Pb的至少一种。如图10A或图10B所示，磁性层MGL可以由氧亲和力小于组成垂直磁化诱导层PMI的金属元素且大于组成垂直磁化保存层PMP的金属元素的材料形成。在示例实施方式中，与氧的化学反应能力可以由不同的物理量表示。例如，代替氧亲和力或标准反应焓，诸如氧化势或氧化自由能的物理量可用于定量地表示与氧的化学反应能力。
图11是示出外在垂直磁化结构的其它方面的曲线图。参考图11，外在垂直磁化性能可以由磁性层MGL中的原子与垂直磁化诱导层PMI中的氧原子的化合引起。在示例实施方式中，如图11所示，氧含量比磁性层MGL高且比垂直磁化诱导层PMI低的过渡区TR可以形成在磁性层MGL与垂直磁化诱导层PMI之间。在一些示例实施方式中，氧含量没有理由在过渡区TR中应该是线性的。例如，在过渡区TR中，氧含量可以在特定包络线ENV内单调变化，如图11所示。
替换地，垂直磁化保存层PMP可以由即使在随后的工艺期间或者在正常操作条件下也几乎不与氧原子反应的材料形成。在一些示例实施方式中，如图11所示，垂直磁化诱导层PMI可以形成为具有有限的氧含量，垂直磁化保存层PMP可以形成为具有实质上极微量的氧含量。在一些示例实施方式中，氧含量可以在垂直磁化诱导层PMI和垂直磁化保存层PMP之间的界面处突变。也就是说，氧含量的梯度(gradient)的绝对值在垂直磁化诱导层PMI与垂直磁化保存层PMP之间的界面处可以比过渡区TR处的大。
在其它示例实施方式中，过渡区TR可以形成在垂直磁化诱导层PMI的整个区域中。例如，在图11的曲线图中，在垂直磁化诱导层PMI的整个区域中或在磁性层MGL与垂直磁化保存层PMP之间的氧含量的z方向梯度可具有有限的不为零的值。在一些示例实施方式中，垂直磁化诱导层PMI在邻近垂直磁化保存层PMP的区域处的氧含量可以比垂直磁化诱导层PMI在邻近磁性层MGL的其它区域处的氧含量大。
图12是示出外在垂直磁化结构的其它方面的曲线图。
磁存储装置的形成还可以包括在形成垂直磁化诱导层PMI和垂直磁化保存层PMP之后将执行的工艺步骤(例如，至少一个热处理步骤、布线步骤等等)。如图12所示，可以在这些随后的工艺步骤期间产生或通过使用者的正常操作产生的热能可以被供应到垂直磁化诱导层PMI。该热能可以使氧原子从垂直磁化诱导层PMI分离。
然而，在具有低的氧亲和力的垂直磁化保存层PMP形成为覆盖垂直磁化诱导层PMI的情形下，有可能防止分离的氧原子扩散离开垂直磁化诱导层PMI。例如，如果没有从磁隧道结MTJ外部供应热能，则分离的氧原子可以恢复到其化学稳定状态。这里，如之前所述的实施方式，在垂直磁化保存层PMP由具有低的氧亲和力的材料形成的情形下，分离的氧原子可以与组成垂直磁化诱导层PMI而不是垂直磁化保存层PMP的金属元素再结合。也就是说，垂直磁化诱导层PMI可以在供应热能之前恢复到其初始状态。
如参考图1所述的，下结构41和上结构42的每个可以包括磁性层，根据其功能，磁性层可以分为自由层FRL或钉扎层PL，如参考图7和图8所述的。此外，当提供外部诱导元素(例如，垂直磁化诱导层PMI)时，磁性层可以用作外在垂直磁化结构EPMS的一部分，如参考图9所述的。
在一些示例实施方式中，具有前述的内禀垂直磁化性能的IPM层可以用作在下结构41和上结构42中包括的磁性层之一。换句话说，在下结构41和上结构42中包括的其中一个磁性层配置成即使在没有外部诱导元素(诸如外在垂直磁化结构EPMS的垂直磁化诱导层PMI)时也具有垂直磁化性能。例如，IPM层可以包括以下中的一种：a)CoFeTb，其中Tb的相对含量是10％以上，b)CoFeGd，其中Gd的相对含量是10％以上，c)CoFeDy，d)具有L10结构的FePt，e)具有L10结构的FePd，f)具有L10结构的CoPd，g)具有L10结构的CoPt，h)具有六方紧密堆积(HCP)结构的CoPt，i)包含以a)至h)的形式存在的至少一种材料的合金，或者j)包括交替层叠的磁性层和非磁性层的多层结构。包括交替层叠的磁性层和非磁性层的多层结构可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(CoP)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n和(CoCr/Pd)n的至少一种，其中下标n表示层叠数目。
总之，组成磁隧道结MTJ的每个磁性层可以根据其位置、功能和垂直磁化方向的起源以不同方式分类，如在图13中示例性地示出。图14至图21是示例性地显示包括根据该分类的磁性层的下或上结构41或42的剖视图。
参考图13，根据位置分类，磁隧道结MTJ中的每个磁性层可以是用于下结构41的磁性层210或215，如图14至图17所示，或者可以是用于上结构42的磁性层310或315，如图18至图21所示。也就是说，下结构41可以是图14至图17所示的第一至第四下结构201、202、203和204的其中之一，上结构42可以是图18至图21所示的第一至第四上结构301、302、303和304的其中之一。
此外，根据功能分类，磁性层210、215、310和315可以用作具有可变换的磁化性能的自由层FRL，如在图14、图16、图18和图20中示例性地示出，或者可以用作具有固定的磁化性能的钉扎层PL，如在图15、图17、图19和图21中示例性地示出。也就是说，第一和第三下结构201和203以及第一和第三上结构301和303可以配置成包括自由层FRL，第二和第四下结构202和204以及第二和第四上结构302和304可以配置成包括钉扎层PL。
参考图15、图17、图19和图21，在磁性层210、215、310或315用作钉扎层PL的情形下，下或上结构41或42还可以包括固定磁性层210、215、310或315的磁化方向的钉扎层240或340。也就是说，第二和第四下结构202和204以及第二和第四上结构302和304还可以包括钉扎层240或340。
根据一些示例实施方式，钉扎层240或340可以配置成具有合成的反铁磁性(SAF)结构。例如，钉扎层240或340可以配置成包括一对内禀横向磁性层以及插置在其间的交换耦合层。交换耦合层可以由贵金属之一形成。
根据其它示例实施方式，如图15和图19示例性地示出，钉扎层240或340可以配置成具有包括第一钉扎层241或341以及第二钉扎层242或342的多层结构。在一些示例实施方式中，第一钉扎层241或341可以配置成具有前述的SAF结构，第二钉扎层242或342可以是前述的IPM层。
返回参考图13，根据基于垂直磁化的起源的分类，用作自由层FRL或钉扎层PL的磁性层可以是垂直磁化的起源为外界因素的外在垂直磁性(EPM)层210或310，或可以是垂直磁化的起源为内在因素的IPM层215或315。EPM层210或310可以形成为与引起其垂直磁化的垂直磁化诱导(PMI)层220或320直接接触，如图14、15、18和19所示。PMI层220或320可以配置成具有与参考图9所述的垂直磁化诱导层PMI相同的技术特征。因此，EPM层210或310以及PMI层220或320可以组成参考图9描述的外在垂直磁化结构EPMS。
在磁性层用作下结构41的EPM层210的示例实施方式中，垂直磁化保存(PMP)层230可以设置在EPM层210下以及PMI层220可以插置PMP层230和EPM层210之间，如图14和图15所示。也就是说，PMI层220和EPM层210可以顺序地层叠在PMP层230上。此外，在磁性层用作上结构42的EPM层310的情形下，PMP层330可以设置在EPM层310上以及PMI层320可以插置在EPM层310和PMP层330之间，如图18和图19所示。也就是说，PMI层320和PMP层330可以顺序地层叠在EPM层310上。
PMP层230和330可以由几乎不与氧原子反应的材料形成。例如，PMP层230和330可以是其氧亲和力低于垂直磁化诱导层PMI中包含的金属原子的材料。在一些示例实施方式中，PMP层230和330可以由具有-300[kJ/摩尔氧]或更小的标准反应焓的材料形成，以及垂直磁化诱导层PMI可以是包含其标准反应焓为-300[kJ/摩尔氧]或更大的金属原子的合成物。
因此，PMP层230或330，EPM层210或310以及PMI层220或320可以组成参考图9所述的外在垂直磁化结构EPMS。在一些示例实施方式中，PMP层230和330可以由至少一种贵金属或铜形成。
如图15和19示例性地示出的，在钉扎层240和340分别包括第二钉扎层242和342的情形下，与第一钉扎层241和341相比，第二钉扎层242和342可以分别更靠近PMP层230和330。在这些示例实施方式中，PMP层230或330可以由允许EPM层210或310与第二钉扎层242或342之间的交换耦合的至少一种材料形成。在一些示例实施方式中，EPM层210和310可以分别配置成具有关于第二钉扎层242和342平行或反平行的磁化方向。
交换耦合可以使用被作为用于PMP层230和330的材料示例性地提到的贵金属中的一些来实现。例如，PMP层230或330可以包括钌(Ru)、铱(Ir)、和铑(Rh)的至少一种。在其它实施方式中，PMP层230和330可以由非磁性金属(诸如钛(Ti)、钽(Ta)或镁(Mg))、其氧化物和其氮化物的至少一种形成。
如图16和图20所示，磁性层可以在其垂直的起源方面用作IPM层215或315并且在其功能方面用作自由层FRL。根据该些示例实施方式，下层235可以设置在IPM层下或上层335可以设置在IPM层315上。下层235和上层335可以由至少一种金属形成。例如，上层335与下层235可以包括钌(Ru)、钽(Ta)、钯(Pd)、钛(Ti)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)中的至少一种。
在一些示例实施方式中，下层235可以用作在其上生长IPM层215的籽晶层。例如，在IPM层215由具有L10结构的材料形成的情形下，下层235可以包括具有氯化钠晶体结构(例如钛氮化物、钽氮化物、铬氮化物或钒氮化物)的导电金属氮化物层。上层335可以用作保护在其下的IPM层315的盖层。
第一至第四下结构201、202、203和204以及第一至第四上结构301、302、303和304可以用于实现参考图1描述的根据本发明构思的示例实施方式的磁隧道结MTJ。在示例实施方式中，磁隧道结MTJ可以包括顺序层叠的下结构41、隧道势垒(tunnelbarrier)50以及上结构42，如参考图1所述，并可以是参考图7描述的第一类磁隧道结MTJ1或参考图8描述的第二类磁隧道结MTJ2。
换句话说，如图22所示，第一类磁隧道结MTJ1可以配置成具有包括钉扎层PL的下结构41以及包括自由层FRL的上结构42。包括钉扎层PL的下结构41可以是图23和图24所示的第二下结构202或图25所示的第四下结构204。包括自由层FRL的上结构42可以是图23和图25所示的第一上结构301或图24所示的第三上结构303。
替换地，如图26所示，第二类磁隧道结MTJ2可以配置成具有包括自由层FRL的下结构41以及包括钉扎层PL的上结构42。包括自由层FRL的下结构41可以是图27和图28所示的第一下结构201或图29所示的第三下结构203。包括钉扎层PL的上结构42可以是图27和图29所示的第二上结构302或图28所示的第四上结构304。
图30是根据本发明构思的变形示例实施方式的磁存储装置的单位单元的示意电路图。
参考图30，根据当前实施方式的磁隧道结MTJ还可以包括设置在下结构41下面的下电极结构61和设置在上结构42上的上电极结构62中的至少之一。下电极结构61可以设置在第一互连线10和下结构41之间或者在选择元件30和下结构41之间，上电极结构62可以设置在第二互连线20和上结构42之间。
在一些示例实施方式中，下和上电极结构61和62的至少之一可以配置成具有单层结构。在其它示例实施方式中，下和上电极结构61和62的至少之一可以配置成具有多层结构。此外，下电极结构61和上电极结构62可以包括至少一个导电层(例如，金属导电层)。例如，上电极结构62的导电层可以是第三盖层CL3，其将参考图31和图32描述，下电极结构61的导电层可以是第一籽晶层SL1，其将参考图33和图34描述。但是本发明构思的示例实施方式不必限制于此；例如，在其它变形示例实施方式中，磁隧道结MTJ可以配置成不包括下电极结构61和上电极结构62的其中之一。
图31是示例性地示出根据本发明构思的一些示例实施方式的制造MTJ的方法流程图，图32是示出通过图31的方法制造的MTJ的一些方面的曲线图。在示例实施方式中，图32显示了组成MTJ的层中氧含量的瞬时变化，横轴和竖轴分别表示层和氧含量。为了降低图中的复杂性并且为了提供对本发明构思的示例实施方式的更好地理解，图32一起显示了参考图31描述的一些步骤中的含氧量。
参考图31和图32，可以形成磁性层MGL(在S10)。磁性层MGL可以由铁磁材料或IPM层形成。
其后，可以在磁性层MGL上顺序地形成第一盖层CL1(例如垂直磁化诱导层PMI)以及第二盖层CL2(例如垂直磁化保存层PMP)(在S20和S30)。第一盖层CL1可以由具有比磁性层MGL和/或第二盖层CL2大的氧亲和力的材料形成。在一些示例实施方式中，第一盖层CL1可以由镁、钽、钛、铝、镁锌、铪和镁硼的至少一种形成，第二盖层CL2可以由至少一种贵金属(例如，钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au))或铜形成。在一些示例实施方式中，第一盖层CL1可以形成为具有比其单层厚度(例如，组成第一盖层CL1的一个原子或一个分子的厚度)大一倍至三倍的厚度。
在一些示例实施方式中，如图32所示，此时，磁性层MGL、第一盖层CL1和第二盖层CL2可以保留实质上不含氧的状态。同时，晶圆可以在沉积室外执行传送和/或等待步骤期间通过包含氧原子的外部气氛暴露。因此，在晶圆上的最上层可具有源于氧原子的扩散的特定氧含量(在下文中，自然氧含量)。根据本发明构思的示例实施方式，目前，磁性层MGL、第一盖层CL1和第二盖层CL2可具有小于或等于自然氧含量的氧含量。
可以在第二盖层CL2上执行氧处理(在S40)。可以执行氧处理S40以氧化第二盖层CL2的暴露表面的至少一部分。例如，氧处理S40可以包括在0至500摄氏度的温度和大约0.1mT至大约1T的压力下供应含氧气体。在一些示例实施方式中，在氧处理S40中供应的气体可以包括氧气和臭氧气体的至少一种。
因为氧处理S40，如图32所示，和S30的情形相比，第二盖层CL2可具有增加的氧含量。例如，第二盖层CL2的氧化部分可以是含氧的贵金属层或含氧的铜层。在一些示例实施方式中，氧化的第二盖层CL2的氧含量可能表现为从其暴露表面(例如，上表面)到磁性层MGL的降低趋势，但是本发明构思的示例实施方式不必限制于此。例如，第二盖层CL2中的氧含量可以根据氧处理S40的工艺条件和/或第二盖层CL2的材料或结构而呈现各种空间分布。
在一些示例实施方式中，在氧处理S40之后，第二盖层CL2可以包括化学计量的氧化物层。例如，第二盖层CL2在执行氧处理S40之前可以是钌层但是在执行氧处理S40之后可以包括钌氧化物层。在其它的示例实施方式中，在执行氧处理S40之后，第二盖层CL2可以包括非化学计量的氧化物层。例如，第二盖层CL2可以包括至少一部分，该至少一部分的氧含量大于或小于化学计量的氧化物层的氧含量。
在又一示例实施方式中，在氧处理S40之后，氧原子可以在第二盖层CL2不均匀地分布。也就是说，第二盖层CL2可以包括第一部分以及氧含量大于第一部分的第二部分。例如，如图32示例性地示出，氧化的第二盖层CL2的氧含量可以表现为从其暴露表面(例如，上表面)到磁性层MGL的降低趋势。替换地，在氧处理S40之后，氧原子可以均匀地分布在第二盖层CL2中。
在一些变形示例实施方式中，当不执行氧处理S40时，第二盖层CL2可以是氧亲和力小于第一盖层CL1并且氧含量大于第一盖层CL1的材料。例如，第二盖层CL2可以形成为具有充分(substantially)大于自然氧含量的氧含量。在示例实施方式中，可以省略氧处理S40。
在其它变形示例实施方式中，当不执行氧处理S40时，第一盖层CL1可以形成为具有充分大于自然氧含量的氧含量。例如，第一盖层CL1的形成可以包括在含氧的环境下形成第一盖层CL1。
在另一变形示例实施方式中，在形成第二盖层CL2之前，可以执行氧化工艺以氧化第一盖层CL1的至少一部分暴露表面。在示例实施方式中，可以省略氧处理S40。
返回参考图31，可以在氧处理S40之后形成第三盖层CL3例如顶部电极或底部电极或者额外的层(在S50)。第三盖层CL3可以由导电材料形成。在一些示例实施方式中，第三盖层CL3可以由氧亲和力小于或等于第二盖层CL2的氧亲和力的导电材料形成，其中在该第三盖层CL3上仍不执行氧处理S40，但是本发明构思的示例实施方式不必限制于此。例如，在其它实施方式中，第三盖层CL3可以由氧亲和力大于第二盖层CL2的氧亲和力的导电材料形成，其中在该第三盖层CL3上仍不执行氧处理S40。
可以在设置有第三盖层CL3的所得结构上执行热处理例如退火(在S60)。在一些示例实施方式中，可以在0至500摄氏度的温度以及大约0.1mT至大约1T的压力下执行热处理S60大约1秒至大约10000秒的持续时间。在一些示例实施方式中，在热处理S60中，氮和惰性气体的至少一种可以作为环境气体供应。然而，本发明构思的实例实施方式不必限于此。例如，用于热处理S60的工艺条件可以根据第一和第二盖层CL1和CL2的材料、结构和氧含量而不同地改变。
在热处理S60期间，第二盖层CL2中的氧原子可以向下扩散以氧化第一盖层CL1的金属原子。例如，第一盖层CL1的金属原子可以与热处理S60期间从第二盖层CL2供应的氧原子反应，并形成金属氧化物层。在一些示例实施方式中，如图32所示，第一盖层CL1的氧含量可以在邻近第二盖层CL2的表面处高于在邻近磁性层MGL的表面处。氧含量的差异可以由以下事实引起：第一盖层CL1中的大部分氧原子来源于第二盖层CL2中的氧原子的扩散。
在一些变形示例实施方式中，可以省略第三盖层CL3的形成。例如，可以在氧处理S40期间执行热处理S60。在其它变形示例实施方式中，可以在热处理S60之后执行第三盖层CL3的形成。
根据参考图31和图32描述的示例实施方式，磁性层MGL、第一盖层CL1以及第二盖层CL2可以分别用作上述外在垂直磁化结构中的磁性层MGL、垂直磁化诱导层PMI以及垂直磁化保存层PMP。
图33是示例性地示出根据本发明构思的其它实施方式的制造MTJ的方法的流程图，图34是示出通过图33的方法制造的MTJ的一些方面的曲线图。更详细地，图34显示了组成MTJ的层中的氧含量的瞬时变化，横轴和竖轴分别表示层和氧含量。为了降低图中的复杂性并且为了提供对本发明构思的示例实施方式的更好的理解，图34一起显示了参考图33描述的一些步骤中的氧含量。
参考图33和图34，可以顺序地形成第一籽晶层SL1(例如顶部或底部电极或者额外的层)以及第二籽晶层SL2(例如垂直磁化保存层PMP)(在S15和S25)。第一籽晶层SL1可以由导电材料形成，第二籽晶层SL2可以由具有比钽小的氧亲和力的材料形成。例如，第二籽晶层SL2可以由至少一种贵金属(例如，钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au))或铜形成。在一些示例实施方式中，第一籽晶层SL1可以由氧亲和力小于或等于第二籽晶层SL2的导电材料形成。但是，本发明构思的示例实施方式不必限于此。例如，在其他示例实施方式中，第一籽晶层SL1可以由氧亲和力大于第二籽晶层SL2的材料形成。在其它示例实施方式中，可以省略第一籽晶层SL1的形成。
可以在第二籽晶层SL2上执行氧处理(在S35)。可以执行氧处理S35以氧化第二籽晶层SL2的至少一部分暴露表面。例如，氧处理S35可以包括在0至500摄氏度的温度和/或大约0.1mT至大约1T的压力下供应含氧气体。在一些示例实施方式中，在氧处理S35中供应的气体可以包括氧气和臭氧气体的至少一种。
因为氧处理S35，如图34所示，和S25的情形相比，第二籽晶层SL2可具有增加的氧含量。例如，第二籽晶层SL2的氧化部分可以是含氧的贵金属层或含氧的铜层。在一些示例实施方式中，氧化的第二籽晶层SL2的氧含量可能表现为从其暴露表面(例如，上表面)到第一籽晶层SL1的降低趋势，但是本发明构思的示例实施方式不必限制于此。例如，第二籽晶层SL2中的氧含量可以根据氧处理S35的工艺条件和/或第二籽晶层SL2的材料或结构而呈现各种空间分布。
在一些示例实施方式中，在氧处理S35之后，第二籽晶层SL2可以包括化学计量的氧化物层。例如，第二籽晶层SL2在执行氧处理S35之前可以是钌层，但是在执行氧处理S35之后可以包括钌氧化物层。在其它示例实施方式中，在氧处理S35之后，第二籽晶层SL2可以包括非化学计量的氧化物层。例如，在氧处理S35之后，第二籽晶层SL2可以包括至少一部分，该至少一部分的氧含量比化学计量的氧化物层大或小。
在另一示例实施方式中，在氧处理S35之后，氧原子可以在第二籽晶层SL2中不均匀地分布。也就是说，第二籽晶层SL2可以包括第一部分以及氧含量大于第一部分的第二部分。例如，如图34示例性地示出的，氧化的第二籽晶层SL2的氧含量可以表现为从其暴露表面(例如，上表面)到第一籽晶层SL1的降低趋势。替换地，在氧处理S35之后，氧原子可以实质上均匀地分布在第二籽晶层SL2中。
返回参考图33，可以在氧处理S35之后顺序地形成第三籽晶层SL3(例如垂直磁化诱导层PMI)以及磁性层MGL(在S45和S55)。第三籽晶层SL3可以由具有比磁性层MGL和/或第二籽晶层SL2大的氧亲和力的材料形成。在一些示例实施方式中，磁性层MGL可以由铁磁材料或IPM层形成，第三籽晶层SL3可以由氧亲和力大于第二籽晶层SL2的金属层形成。例如，第三籽晶层SL3可以由镁、钽、钛、铝、镁锌、铪、和镁硼中的至少一种形成。在一些示例实施方式中，第三籽晶层SL3可以形成为具有比其单层厚度(例如，组成第三籽晶层SL3的一个原子或一个分子的厚度)大一倍至三倍的厚度。
在一些示例实施方式中，当不执行氧处理S35时，第二籽晶层SL2可以是氧亲和力小于第三籽晶层SL3并且氧含量大于第三籽晶层SL3的材料。例如，第二籽晶层SL2可以形成为具有比自然氧含量充分大的氧含量。在示例实施方式中，可以省略氧处理S35。
可以在设置有磁性层MGL的所得结构上执行热处理(在S65)。在一些示例实施方式中，可以在0至500摄氏度的温度以及大约0.1mT至大约1T的压力下执行热处理S65大约1秒至大约10000秒的持续时间。在一些示例实施方式中，在热处理S65中，氮和惰性气体的至少一种可以作为环境气体供应。本发明构思的示例实施方式不必限于此。例如，用于热处理S65的工艺条件可以根据第二和第三籽晶层SL2和SL3的材料、结构和氧含量而不同地改变。在变形示例实施方式中，可以在形成磁性层MGL和形成第三籽晶层SL3之间执行热处理S65。
在热处理S65期间，第二籽晶层SL2中的氧原子可以向上扩散以氧化第三籽晶层SL3的金属原子。例如，第三籽晶层SL3的金属原子可以与热处理S65期间从第二籽晶层SL2供应的氧原子反应，并形成金属氧化物层。在一些示例实施方式中，如图34所示，第三籽晶层SL3在邻近第二籽晶层SL2的表面处的氧含量可以高于在邻近磁性层MGL的表面处的氧含量。氧含量的差异可以由第三籽晶层SL3中的大部分氧原子来源于第二籽晶层SL2中的氧原子的扩散的事实引起。
根据参考图33和图34描述的示例实施方式，磁性层MGL、第三籽晶层SL3以及第二籽晶层SL2可以分别用作上述外在垂直磁化结构EPMS中的磁性层MGL、垂直磁化诱导层PMI以及垂直磁化保存层PMP。
图35是示例性地显示根据本发明构思的示例实施方式的MTJ的一些磁性能的实验曲线图。
对样品执行实验，其中在样品中包括图18所描绘的EPM、PMI和PMP层310、320和330的第一上结构301形成在镁氧化物(MgO)的隧道势垒50上。对于所有的样品，EPM和PMI层310和320分别由CoFeB和MgO形成，而其中一些样品中的PMP层330由钛形成，其它样品中的PMP层330由钌形成。在图35中，曲线C1和C2显示分别从包括Ru和Ti的PMP层330的样品得到的结果。剩余的实验条件实质上相同。
在曲线中，横轴表示外部施加的垂直磁场的强度以及竖轴表示从EPM层310算出的垂直磁矩。
参考图35，对于曲线C1描绘的样品，施加与不施加外部垂直磁场(例如，在0Oe和4000Oe)的情形下的垂直磁矩没有显著的差异。相反，对于由曲线C2描绘的其它样品，当不施加外部垂直磁场时垂直磁矩是0。根据该结构，可以看出，与钛的情形相比，Ru的EPM层310表现出改善的垂直磁矩性能。
图36是示例性地显示根据本发明构思的示例实施方式的MTJ的其它磁性能的实验曲线图。
测试两种类型的样品。第一类样品被制备成具有图9的外在垂直磁化结构EPMS，第二类的其它样品被制备成不具有外在垂直磁化结构EPMS。更详细地，第一类样品被制备成包括顺序地层叠在作为隧道势垒50提供的镁氧化物层上的CoFeB、MgO、和Ru的层，第二类样品被制备成包括顺序地层叠在被作为隧道势垒50提供的镁氧化物层上的CoFeB和Ta的层。
在实验中，关于磁性层(例如，CoFeB层)的厚度从第一类和第二类样品测量垂直各向异性能量密度。在图36的曲线图中，横轴和竖轴分别表示磁性层的厚度和垂直各向异性能量密度，曲线C3和C4分别显示从第一类和第二类样品得到的结果。
参考图36，如曲线C3所描绘的，当磁性层形成为具有厚度8、10或14埃时，其具有正垂直各向异性能量密度。也就是说，对于图9的外在垂直磁化结构EPMS或第一类样品，磁性层表现出在大约3埃至大约17埃的特定厚度范围t中的垂直各向异性。相反，如曲线C4所描绘的，第二类的所有样品具有负垂直各向异性能量密度，而与其厚度无关。也就是说，第二结构的磁性层不表现出垂直各向异性。
图37和图38是示意性地示出包括根据本发明构思的示例实施方式的半导体器件的电子设备的方框图。
参考图37，包括根据本发明构思的示例实施方式的半导体器件的电子设备1300可以用于个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、便携式电脑、上网本、无线电话、蜂窝电话、数字音乐播放器、有线或无线电子设备、或包括其中至少两种的复合电子设备中其中之一中。电子设备1300可以包括通过总线1350彼此结合的控制器1310、输入/输出器件1320(诸如键区、键盘、显示器)、存储器1330以及无线接口1340。控制器1310包括例如微处理器、数字信号处理器、微控制器等等的至少之一。存储器1330可以配置用于存储将被控制器1310使用的命令码或用户数据。存储器1330可以包括根据本发明构思的示例实施方式的半导体器件。电子设备1300可以使用配置用于使用RF信号发送数据到无线通信网络或从无线通信网络接收数据的无线接口1340。无线接口1340可以包括例如天线、无线收发器等等。电子系统1300可以在诸如CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、城市Wi-Fi(MuniWi-Fi)、蓝牙、DECT、无线USB、快闪式-OFDM(Flash-OFDM)、IEEE802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、高级WiMAX(WiMAX-Advanced)、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、高级LTE(LTE-Advanced)、MMDS等等的通信系统的通信接口协议中使用。
参考图38，将描述包括根据本发明构思的示例实施方式的半导体器件的存储系统。存储系统1400可以包括用于存储大量数据的存储装置1410以及存储控制器1420。存储控制器1420控制存储装置1410从而响应主机1430的读/写请求而读取存储在存储装置1410中的数据或将数据写入存储装置1410。存储控制器1420可以包括用于将从主机1430(例如，移动装置或计算机系统)提供的地址映射成存储装置1410的物理地址的地址映射表。存储装置1410可以是根据本发明构思的示例实施方式的半导体器件。
以上公开的半导体存储装置可以使用不同的且多种封装技术封装。例如，根据上述实施方式的半导体存储装置可以使用以下的任意一种封装：层叠封装(POP)技术、球栅阵列(BGA)技术、芯片级封装(CSP)技术、带引线的塑料芯片载体(PLCC)技术、塑料双列直插式封装(PDIP)技术、窝伏尔组件中管芯封装技术、晶圆形式中管芯技术、板上芯片(COB)技术、陶瓷双列直插式封装(CERDIP)技术、塑料四方扁平封装(PQFP)技术、薄四方扁平封装(TQFP)技术、小外形封装(SOIC)技术、缩小的小外形封装(SSOP)技术、薄的小外形封装(TSOP)技术、薄的四方扁平封装(TQFP)技术、系统内封装(SIP)技术、多芯片封装(MCP)技术、晶圆级制造的封装(WFP)技术以及晶圆级处理的层叠封装(WSP)技术。
根据上述实施方式之一的半导体存储装置安装在其中的封装还可以包括控制半导体存储装置的至少一种半导体器件(例如，控制器和/或逻辑器件)。
根据本发明构思的示例实施方式，磁隧道结可以配置成包括具有磁性层、垂直磁化保存层以及位于其间的垂直磁化诱导层的外在垂直磁化结构。垂直磁化保存层可以由具有低的氧亲和力的材料形成，这使得能防止磁性层的磁化方向中的垂直各向异性在随后的热环境下劣化。
虽然已经具体显示并描述了示例实施方式，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在形式和细节中进行各种改变而不脱离权利要求书的精神和范围。
美国非临时专利申请要求分别在2011年3月18日和2011年7月27日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2011-0024429和No.10-2011-0074500的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (61)

1.一种磁隧道结器件，包括：
固定磁结构；
自由磁结构；以及
在所述固定磁结构与所述自由磁结构之间的隧道势垒，
所述固定磁结构和所述自由磁结构的至少之一包括：
垂直磁化保存层，
在所述垂直磁化保存层与所述隧道势垒之间的磁性层，以及
在所述垂直磁化保存层和所述磁性层之间的垂直磁化诱导层，
其中所述垂直磁化诱导层具有比所述磁性层或所述垂直磁化保存层小的厚度。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，其中所述磁性层由铁磁材料制成。
3.根据权利要求2所述的磁隧道结器件，其中所述铁磁材料是CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种。
4.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，其中所述磁性层具有在1埃至30埃范围内的厚度。
5.根据权利要求4所述的磁隧道结器件，其中所述磁性层具有在3埃至17埃范围内的厚度。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层直接接触所述磁性层。
7.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层包括Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种。
8.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层具有比所述磁性层或所述垂直磁化保存层高的电阻率。
9.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化保存层由至少一种贵金属或铜形成。
10.根据权利要求9所述的磁隧道结器件，其中所述至少一种贵金属包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au)。
11.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，还包括：
基板；
其中所述固定磁结构是靠近所述基板的下结构以及其中所述自由磁结构是远离所述基板的上结构。
12.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，还包括：
基板；
其中所述自由磁结构是靠近所述基板的下结构以及其中所述固定磁结构是远离所述基板的上结构。
13.一种电子设备，包括：
总线；
无线接口，配置为发送数据到无线通信网络或从所述无线通信网络接收数据，所述无线通信网络连接到所述总线；
连接到所述总线的I/O器件；
连接到所述总线的控制器；以及
包括半导体器件的存储器，该半导体器件包括根据权利要求1所述的磁隧道结器件，该存储器连接到所述总线且配置为存储用户数据或者将被所述控制器使用的命令码。
14.一种存储系统，包括：
包括半导体器件且用于存储数据的存储装置，该半导体器件包括根据权利要求1所述的磁隧道结器件；以及
存储控制器，配置为控制所述存储装置以响应于主机的读/写请求而读取存储在所述存储装置中的数据或者将数据写入所述存储装置。
15.一种磁隧道结器件，包括：
固定磁结构；
自由磁结构；以及
在所述固定磁结构与所述自由磁结构之间的隧道势垒，
所述固定磁结构和所述自由磁结构的至少之一包括：
垂直磁化保存层，
在所述垂直磁化保存层与所述隧道势垒之间的磁性层，以及
在所述垂直磁化保存层与所述磁性层之间的垂直磁化诱导层；
其中所述磁性层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
16.根据权利要求15所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化保存层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
17.根据权利要求15所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层是含氧材料。
18.根据权利要求15所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层是金属氧化物。
19.根据权利要求18所述的磁隧道结器件，其中所述金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
20.根据权利要求15所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化保存层由电阻率低于钽或钛的至少一种材料形成。
21.一种磁隧道结器件，包括：
包括钉扎层的第一结构；
包括自由层的第二结构；以及
在所述第一结构和所述第二结构之间的隧道势垒，
所述第二结构包括：
磁性层；
在所述磁性层上的垂直磁化诱导层；
在所述垂直磁化诱导层上的垂直磁化保存层；
在所述垂直磁化保存层上的盖层。
22.根据权利要求21所述的磁隧道结器件，其中所述磁性层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
23.根据权利要求21所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化保存层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
24.根据权利要求21所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层是含氧材料。
25.根据权利要求24所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层是金属氧化物。
26.根据权利要求25所述的磁隧道结器件，其中所述金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
27.根据权利要求21所述的磁隧道结器件，其中所述垂直磁化诱导层具有小于所述磁性层或所述垂直磁化保存层的厚度。
28.一种制造磁性器件的方法，包括：
形成磁性层；
在所述磁性层上形成垂直磁化诱导层；
在所述垂直磁化诱导层上形成垂直磁化保存层；
氧化所述垂直磁化保存层；以及
退火氧化的垂直磁化保存层以将氧从所述垂直磁化保存层扩散到所述垂直磁化诱导层。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
在所述氧化的垂直磁化保存层上形成盖层。
30.根据权利要求28所述的方法，其中氧化所述垂直磁化保存层包括在0-500℃的温度供应含氧气体。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述含氧气体还包括臭氧。
32.根据权利要求28所述的方法，其中氧化所述垂直磁化保存层包括形成化学计量的氧化物层。
33.根据权利要求28所述的方法，其中氧化所述垂直磁化保存层包括在所述垂直磁化保存层中不均匀地分布氧原子。
34.根据权利要求28所述的方法，其中退火所述氧化的垂直磁化保存层包括热处理，该热处理包括供应氮气和惰性气体的至少一种作为环境气体。
35.根据权利要求28所述的方法，其中所述磁性层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
36.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化保存层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
37.根据权利要求28所述的方法，其中所述磁性层由铁磁材料制成。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述铁磁材料是CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种。
39.根据权利要求28所述的方法，其中所述磁性层具有在1埃至30埃范围内的厚度。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述磁性层具有在3埃至17埃范围内的厚度。
41.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层直接接触所述磁性层。
42.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层是含氧材料。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层是金属氧化物。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
45.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层包括Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种。
46.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层具有高于所述磁性层或所述垂直磁化保存层的电阻率。
47.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层具有小于所述磁性层或所述垂直磁化保存层的厚度。
48.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化保存层由至少一种贵金属或铜形成。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述至少一种贵金属包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、和金(Au)。
50.根据权利要求28所述的方法，其中所述垂直磁化保存层由电阻率低于钽或钛的至少一种材料形成。
51.一种制造磁性器件的方法，包括：
形成籽晶层；
在所述籽晶层上形成垂直磁化保存层；
氧化所述垂直磁化保存层；
在所述氧化的垂直磁化保存层上形成垂直磁化诱导层；
在所述垂直磁化诱导层上形成磁性层；以及
退火氧化的垂直磁化保存层以将氧从所述垂直磁化保存层扩散到所述垂直磁化诱导层。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述磁性层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
53.根据权利要求51所述的方法，其中所述垂直磁化保存层具有小于所述垂直磁化诱导层的氧亲和力。
54.根据权利要求51所述的方法，其中所述磁性层是CoFeB、CoFe、NiFe、CoFePt、CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi的至少一种。
55.根据权利要求51所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层是含氧材料。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层是金属氧化物。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述金属氧化物是镁氧化物、钽氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、铪氧化物、和镁硼氧化物中的至少一种。
58.根据权利要求51所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层包括Ta、Ti、U、Ba、Zr、Al、Sr、Hf、La、Ce、Sm、Mg、Th、Ca、Sc和Y的至少一种。
59.根据权利要求51所述的方法，其中所述垂直磁化诱导层具有高于所述磁性层或所述垂直磁化保存层的电阻率。
60.根据权利要求51所述的方法，其中所述垂直磁化保存层包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、或金(Au)。
61.根据权利要求51所述的方法，其中所述垂直磁化保存层由电阻率低于钽或钛的至少一种材料形成。
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