CN102881819A - 具有提高的磁性层厚度余量的磁存储器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁存储器件，所述磁存储器件即使在构成磁隧道结的磁性层的厚度余量小时也能够保证恒定的隧道磁阻差。所述磁存储器件包括：第一磁性层，所述第一磁性层具有固定的磁化方向；磁化固定层，所述磁化固定层形成在第一磁性层上；隧道势垒层，所述隧道势垒层形成在磁化固定层上；以及第二磁性层，所述第二磁性层形成在隧道势垒层上并具有可变的磁化方向。

Description

具有提高的磁性层厚度余量的磁存储器件
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年7月13日向韩国专利局提交的申请号为10-2011-0069625的韩国专利申请的优先权，本文通过引用包括该申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路器件，更具体地，涉及一种具有提高的磁性层厚度余量的磁存储器件。
背景技术
除了高操作速度和低功耗之外，快速的写入/读取操作和低操作电压也是嵌入在电子设备中的存储器件的有用特性。已经提出磁存储器件来满足所述有用的特性。磁存储器件可以具有高速操作和/或非易失性的特性。
通常，磁存储器件可以包括磁隧道结(以下，称为MTJ)。MTJ可以包括一对磁性层和插入在这一对磁性层之间的由绝缘材料构成的绝缘层。MTJ的电阻可以基于这一对磁性层的磁化方向而改变。
例如，当这两个磁性层的磁化方向相互反向平行(anti-parallel)时，MTJ的电阻为“高”，而当这两个磁性层的磁化方向相互平行时，MTJ的电阻为“低”。因此，MTJ可以具有不同的电阻，并且可以根据电阻差异来读取/写入数据。
隧道磁阻(tunnel magnetoresistance，TMR)是决定MTJ特性的参数，构成MTJ的两个磁性层在其厚度方面可以具有特定的差，以确保MTJ的稳定的特征。
然而，像半导体存储器件那样，磁存储器件的集成密度可被提高，从而可能难以保证两个磁性层厚度的
Figure BSA00000640642100011
或更大的余量。
此外，虽然将MTJ设计成保证上述余量，但是在制造过程中余量可能被降低得更多，因此在两个磁性层之间可能不会产生期望的TMR差。因此，MTJ的操作可能不会正确地执行。
发明内容
本发明的示例性实施例提供一种磁存储器件，所述磁存储器件能够在构成磁隧道结(MTJ)的磁性层厚度余量相对小的情况下保证所述磁性层之间恒定的隧道磁阻(TMR)差。
根据一个示例性实施例的一个方面，一种磁存储器件包括：第一磁性层，所述第一磁性层具有固定的磁化方向；磁化固定层，所述磁化固定层形成在第一磁性层上；隧道势垒层，所述隧道势垒层形成在磁化固定层上；以及第二磁性层，所述第二磁性层形成在隧道势垒层上并具有可变的磁化方向。
根据一个示例性实施例的另一个方面，一种磁存储器件包括：半导体衬底；第一电极线，所述第一电极线形成在半导体衬底上；下缓冲层，所述下缓冲层形成在第一电极线上；第一磁性层，所述第一磁性层形成在下缓冲层上并具有固定的磁化方向；磁化增强层，所述磁化增强层形成在第一磁性层上并增加第一磁性层的磁化力；扩散阻挡层，所述扩散阻挡层形成在磁化增强层上并阻挡磁化增强层的成分的扩散；隧道势垒层，所述隧道势垒层形成在扩散阻挡层上；第二磁性层，所述第二磁性层形成在隧道势垒层上；上缓冲层，所述上缓冲层形成在第二磁性层上；以及第二电极线，所述第二电极线形成在上缓冲层上。
根据一个示例性实施例的另一个方面，一种磁存储器件包括：第一MTJ，所述第一MTJ包括层叠的固定磁性层、磁化增强层、扩散阻挡层、隧道势垒层和自由磁性层；绝缘层，所述绝缘层形成在第一MTJ上；以及第二MTJ，所述第二MTJ形成在绝缘层上。
下面在标题为“具体实施方式”的部分中描述这些以及其它特征、方面和实施例。
附图说明
从下列结合附图的详细描述中将会更清楚地理解本发明主题的上述和其它方面、特征以及其它优点，其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的磁存储器件的立体图；
图2A至图2D是根据本发明示例性实施例的磁存储器件的磁隧道结的截面图；
图3至图5是根据本发明示例性实施例的具有图2D所示的磁隧道结的磁存储器件的截面图；
图6至图7是根据本发明示例性实施例的层叠的磁隧道结的截面图；以及
图8是说明电阻与磁场的关系的曲线图，其中，自旋行为特性表明的是，当根据本发明的示例性实施例插入磁化固定层时，磁隧道结根据磁场而磁化。
具体实施方式
本文参照示例性实施例(及中间结构)的截面图描述示例性实施例。然而，附图中的比例和形状仅是示例性的，并且可以根据不同的制造技术和/或设计考虑而进行变化。在附图的部分中，为了清楚的目的，可能对示例性实施例的层和区域的长度和尺寸做了夸大处理。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在说明书中，当提及一层在另一层“上”或在衬底“上”时，其可以直接在另一层上或衬底上，或者还可以存在中间层。
图1是说明根据一个示例性实施例的磁存储器阵列的立体图，图2A是说明根据一个示例性实施例的磁存储器阵列的磁隧道结(MTJ)的截面图。
参照图1，MTJ 10连接在多个字线20与多个位线30之间。多个字线20可以沿着图1的X方向延伸，多个位线30可以沿着图1的Y方向延伸。MTJ 10被设置在多个字线20与多个位线30的交叉处。
如图2A所示，MTJ 10可以包括：第一磁性层120、磁化固定层130、隧道势垒层150和第二磁性层160。
第一磁性层120是磁化方向固定的磁性层，并且可以具有平面外(out-of-plane)的(垂直的)磁各向异性。第一磁性层120通过隧道势垒层150与第二磁性层160分隔开。即，第一磁性层120的磁化方向垂直于它的表面。虽然第一磁性层120包括例如CoFeB材料，但并非限于此，可以使用各种磁性物质。
磁化固定层130被插入在第一磁性层120与隧道势垒层150之间，以控制第一磁性层120的自旋行为。磁化固定层130用于调整使第一磁性层120的磁化方向反转的磁场范围。例如，由于磁化固定层130与第一磁性层120耦接，因此磁化固定层130提高了第一磁性层120的磁化方向开始反转时的磁场的临界值。所以，不必针对磁化反转而增加磁化电流的强度。
第一磁性层120保持恒定的磁阻，使得虽然第一磁性层120的厚度可能被减少，但第一磁性层120可以通过磁化固定层130而保持恒定的矫顽力。磁化固定层130可以被称为磁化增强层。磁化固定层130可以包括锰(Mn)合金材料，例如，PtMn层或者FeMn层。
当磁化固定层130被形成在与第二磁性层160的表面相对置的第一磁性层120的表面上时，磁化固定层130的特性会更佳。第一磁性层120与第二磁性层160之间的矫顽力之差对于MTJ 10正确操作而言是重要的。如上所述，磁化固定层130可以被布置在第一磁性层120的与第二磁性层160的表面实质上相对置的表面上。也就是说，与磁化固定层130被设置在第一磁性层120底部的情况相比，由于尽管第二磁性层160的磁化方向改变，但是磁化固定层130可以固定第一磁性层120的磁化方向，因此可以减轻磁化方向被反转的现象以及提高磁化固定层130的特性。
隧道势垒层150被设置在磁化固定层130与第二磁性层160之间。隧道势垒层150可以包括绝缘层或半导体层。绝缘层可以包含选自氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化钛(TiO2)、氧化钇(Y2O3)以及氧化镱(Yb2O3)中的至少一种。
第二磁性层160可以形成在隧道势垒层150上，第二磁性层160的磁化方向根据施加给第二磁性层160的磁场而可变。特别地，磁化方向响应于磁场的值而被反转。据此，第二磁性层160可以被称为自由磁性层。
如图2B所示，也可以形成具有平面内(in-plane)(水平)磁各向异性的第一磁性层120a和第二磁性层160a。即，第一磁性层120a和第二磁性层160a具有平行于它们的表面的磁化方向。
另外，如图2C所示，可以顺序地层叠第二磁性层160、隧道势垒层150、磁化固定层130以及第一磁性层120。
图2A至图2C中所示的MTJ还可以包括原子捕获层。如图2D所示，还可以在图2A所示的隧道势垒层150与磁化固定层130之间插入原子捕获层140。原子捕获层140包括含有硼(B)和氮(N)中的至少一种的化合物，并且阻挡磁化固定层130的主要成分，例如锰成分，向隧道势垒层150扩散。因此，在本示例性实施例中，插入含有B或N的化合物或合金材料作为扩散阻挡层，即原子捕获层140，以便利用化学键阻挡Mn成分的扩散。此外，原子捕获层140被设置在隧道势垒层150之下，并且阻挡Mn成分扩散到隧道势垒层150中。原子捕获层140包含选自CoPtB、CoPdB、FePtB、FePdB、CoFePtB、CoFePdB、CoPtN、CoPdN、FePtN、FePdN、CoFePtN、CoFePdN、CoPtBN、CoPdBN、FePtBN、FePdBN、CoFePtBN、CoFePdB、CoFeN和CoFeBN中的任一种。
虽然Mn金属化合物具有通过与磁性层交换耦合提高磁性层极性的特性，但是难以在隧道势垒层150附近形成Mn金属化合物，因为Mn成分在热处理过程的高温下扩散。然而，在本示例性实施例中，由于在磁化固定层130上额外地形成有原子捕获层140，因此原子捕获层140阻挡Mn成分向隧道势垒层150和第二磁性层160扩散。
具有N成分的原子捕获层140使形成隧道势垒层150的材料的结晶取向增强，并且还用作隧道势垒层150的晶种层(seed layer)。
当CoFeBN层被用于原子捕获层140时，B成分可在热处理过程中从组合物中逸出。逸出的B成分和磁化固定层130的Mn成分可以在原子捕获层140内结合，从而可以防止晶体结构的变形。
原子捕获层140可以应用于图2B和图2C的结构以及图2A的结构中。
图3是磁存储器件的截面图，在所述磁存储器件中，在图1的字线20与位线30之间插入有图2D所示的MTJ 10。虽然，下电极线被称为字线20，上电极线被称为位线30，但下电极线可以被称为位线，上电极线可以被称为字线。另外，下电极线可以被称为下电极，上电极线可以被称为上电极。
如图4所示，在字线20与第一磁性层120之间(或在位线30与第二磁性层160之间)可以插入缓冲层110a(或110b)。缓冲层110a和缓冲层110b可以包含金(Au)、钌(Ru)、钽(Ta)、铜(Cu)、氮化铜(CuN)、钯(Pd)、铂(Pt)、或者类金刚石碳材料。缓冲层110a和缓冲层110b被形成作为MTJ 10的外层，以便缓冲层110a和缓冲层110b用于将MTJ 10与其它器件结合。
参照图5，还可以在下缓冲层110a与第一磁性层120之间插入反铁磁性层115。反铁磁性层115可以被另外地设置在第一磁性层120之下，以增强第一磁性层120的磁化。
图6示出了根据另一个示例性实施例的层叠的MTJ“MM”。参照图6，层叠的MTJ“MM”包括第一MTJ 10a和层叠在第一MTJ 10a上的第二MTJ 10b。第一MTJ10a包括顺序层叠的下缓冲层110a、第一磁性层120、磁化固定层130、原子捕获层140、隧道势垒层150、第二磁性层160和上缓冲层110b。第二MTJ 10b具有与第一MTJ 10a相同的层叠结构。在第一MTJ 10a与第二MTJ 10b之间可以插入绝缘层200，并且第一MTJ 10a和第二MTJ 10b可以具有相同的矫顽力或彼此不同的矫顽力。
如图7所示，第一MTJ 10a和第二MTJ 10b可以以夹着有绝缘层200地对称的方式布置。
根据上述示例性实施例，磁化固定层130被设置在第一磁性层120上。因此，在第一磁性层120与磁化固定层130之间的接触边界处产生交换偏置，使得在第一磁性层120的一个表面上相对地增强了磁化力。
图8是示出磁场强度H与电阻R的关系的曲线图，所述曲线图示出了自旋行为特性，其中，(a)示出插入有磁化固定层的情况，(b)示出相关领域中未插入磁化固定层的情况。
参照图8，当插入磁化固定层130时(情况(a))，与未插入磁化固定层的情况(b)相比，磁性增加了。即，在情况(b)中，当施加相对较大的磁场时，产生磁性。
因此，通过在第一磁性层120的表面上形成磁化固定层130，磁性即第一磁性层120的矫顽力增加。虽然几乎没有第一磁性层120和和第二磁性层160的厚度余量，但是通过提高使第一磁性层120的磁化反转的磁场的阈值，可以提高MTJ的电特性。
根据示例性实施例，通过在磁化固定层130上形成原子捕获层140，可以防止构成磁化固定层130的材料的扩散，从而可以提高隧道势垒层150的电特性和结晶取向。
虽然上文已经描述了特定的实施例，但是应当理解，实施例仅是以实例的方式描述的。因此，本发明不应当限定为具体公开的实施例，权利要求书应当被广泛地解释为包括与示例性实施例一致的所有合理适用的实施例。

Claims (28)

1.一种磁存储器件，包括：
第一磁性层，所述第一磁性层具有固定的磁化方向；
磁化固定层，所述磁化固定层形成在所述第一磁性层上；
隧道势垒层，所述隧道势垒层形成在所述磁化固定层上；以及
第二磁性层，所述第二磁性层形成在所述隧道势垒层上并具有可变的磁化方向。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述磁化固定层包含锰合金材料。
3.如权利要求2所述的磁存储器件，其中，所述磁化固定层包含PtMn或FeMn。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，还包括原子捕获层，所述原子捕获层形成在所述磁化固定层与所述隧道势垒层之间并且阻挡所述磁化固定层的成分的扩散。
5.如权利要求4所述的磁存储器件，其中，所述磁化固定层包括含有锰作为成分的合金材料，所述原子捕获层包括含有硼B、氮N或氮化硼BN作为成分的合金材料。
6.如权利要求5所述的磁存储器件，其中，所述原子捕获层包含选自CoPtB、CoPdB、FePtB、FePdB、CoFePtB、CoFePdB、CoPtN、CoPdN、FePtN、FePdN、CoFePtN、CoFePdN、CoPtBN、CoPdBN、FePtBN、FePdBN、CoFePtBN、CoFePdB、CoFeN和CoFeBN中的任一种。
7.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述隧道势垒层包括选自氧化镁MgO、氧化铝Al2O3、氧化铪HfO2、氧化钛TiO2、氧化钇Y2O3和氧化镱Yb2O3中的至少一种。
8.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包含具有相对于所述第一磁性层表面的平面外磁各向异性的材料。
9.如权利要求8所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包含CoFeB。
10.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包含具有相对于所述第一磁性层表面的平面内磁各向异性的材料。
11.如权利要求1所述的磁存储器件，还包括：
第一电极线，所述第一电极线与所述第一磁性层的底部连接；以及
第二电极线，所述第二电极线与所述第二磁性层的顶部连接。
12.如权利要求11所述的磁存储器件，还包括：
下缓冲层，所述下缓冲层插入在所述第一电极线与所述第一磁性层之间；以及
上缓冲层，所述上缓冲层插入在所述第二电极线与所述第二磁性层之间。
13.如权利要求12所述的磁存储器件，其中，所述下缓冲层和所述上缓冲层包含选自金Au、钌Ru、钽Ta、铜Cu、氮化铜CuN、钯Pd和铂Pt中的任一种。
14.如权利要求12所述的磁存储器件，还包括反铁磁性层，所述反铁磁性层插入在所述下缓冲层与所述第一磁性层之间。
15.一种磁存储器件，包括：
半导体衬底；
第一电极线，所述第一电极线形成在所述半导体衬底上；
下缓冲层，所述下缓冲层形成在所述第一电极线上；
第一磁性层，所述第一磁性层形成在所述下缓冲层上并具有固定的磁化方向；
磁化增强层，所述磁化增强层形成在所述第一磁性层上并增加所述第一磁性层的磁化力；
扩散阻挡层，所述扩散阻挡层形成在所述磁化增强层上并阻挡所述磁化增强层的成分的扩散；
隧道势垒层，所述隧道势垒层形成在所述扩散阻挡层上；
第二磁性层，所述第二磁性层形成在所述隧道势垒层上；
上缓冲层，所述上缓冲层形成在所述第二磁性层上；以及
第二电极线，所述第二电极线形成在所述上缓冲层上。
16.如权利要求15所述的磁存储器件，其中，所述第一电极线和所述第二电极线被设置成相互交叉。
17.如权利要求15所述的磁存储器件，其中，所述磁化增强层包含PtMn或FeMn。
18.如权利要求17所述的磁存储器件，其中，所述扩散阻挡层包含选自CoPtB、CoPdB、FePtB、FePdB、CoFePtB、CoFePdB、CoPtN、CoPdN、FePtN、FePdN、CoFePtN、CoFePdN、CoPtBN、CoPdBN、FePtBN、FePdBN、CoFePtBN、CoFePdB、CoFeN和CoFeBN中的任一种。
19.如权利要求18所述的磁存储器件，其中，包含氮的所述扩散阻挡层用作所述隧道势垒层的晶种层，以增强所述隧道势垒层的结晶取向。
20.如权利要求15所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包含具有相对于所述第一磁性层表面的平面外磁各向异性的材料。
21.如权利要求20所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性层和所述第二磁性层包含CoFeB。
22.如权利要求15所述的磁存储器件，还包括反铁磁性层，所述反铁磁性层插入在所述下缓冲层与所述第一磁性层之间。
23.一种磁存储器件，包括：
第一磁隧道结，所述第一磁隧道结包括层叠的固定磁性层、磁化增强层、扩散阻挡层、隧道势垒层和自由磁性层；
绝缘层，所述绝缘层形成在所述第一磁隧道结上；以及
第二磁隧道结，所述第二磁隧道结形成在所述绝缘层上。
24.如权利要求23所述的磁存储器件，其中，所述第二磁隧道结具有与所述第一磁隧道结相同的结构。
25.如权利要求23所述的磁存储器件，其中，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结被设置成相对于所述绝缘层对称布置。
26.如权利要求25所述的磁存储器件，其中，所述磁化增强层包含PtMn或FeMn。
27.如权利要求26所述的磁存储器件，其中，所述扩散阻挡层包含选自CoPtB、CoPdB、FePtB、FePdB、CoFePtB、CoFePdB、CoPtN、CoPdN、FePtN、FePdN、CoFePtN、CoFePdN、CoPtBN、CoPdBN、FePtBN、FePdBN、CoFePtBN、CoFePdB、CoFeN和CoFeBN中的任一种。
28.如权利要求23所述的磁存储器件，其中，所述磁化增强层固定所述固定磁性层的磁化方向，而不管所述自由磁性层的磁化方向如何变化。
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