CN102916124A - 磁存储器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁存储器件及其制造方法，所述磁存储器件包括：第一固定层；第一隧道势垒，所述第一隧道势垒与第一固定层耦合；自由层，所述自由层与第一隧道势垒耦合，且具有包括第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层的层叠结构；第二隧道势垒，所述第二隧道势垒与自由层耦合；以及第二固定层，所述第二固定层与第二隧道势垒耦合。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求在2011年8月5日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号为10-2011-0078269的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种半导体存储器件，更具体而言涉及一种磁存储器件及其制造方法。
背景技术
磁存储器件利用磁场来储存信息，且显示出低功耗、耐久性和操作速度快的特点。另外，磁存储器件是即使在断电之后仍保留数据的非易失性器件，被认为是下一代存储器件。
示例出的磁存储器件是磁阻随机存取存储(MRAM)器件，所述磁阻随机存取存储器件是利用隧道磁阻(TMR)效应形成千兆比特容量的非易失性存储器。
这里，TMR效应出现在包括一对铁磁层和位于这一对铁磁层之间的隧道绝缘层的结构中。由于铁磁层之间很少存在交换耦合，因此即使在低磁场的情况下也可以获得较大的磁阻。相比于巨磁阻(GMR)器件，在储存信息时TMR器件具有良好的磁阻特性和较低的开关电流。
由于磁存储器件的开关电流特性是决定电流消耗总量的参数，因此减少开关电流对于提高磁存储器件的集成密度而言是有帮助的。即使通过增加隧道绝缘层的厚度而减少了TMR器件的开关电流，但当隧道绝缘层的厚度增加时磁阻也会减小。另一方面，当降低隧道绝缘层的厚度以增加磁阻时，产品的可靠性和耐久性变差且编程电流增加。需要一种解决上述问题的方法，其中，例如可以优化自由层的组成和体积以减少开关电流。这样，通过减少自由层的体积，可以减少开关电流，但是TMR效应和热稳定性可能变差。
发明内容
根据示例性实施例的一个方面，一种磁存储器件包括：第一固定层；第一隧道势垒，所述第一隧道势垒与第一固定层耦合；自由层，所述自由层与第一隧道势垒耦合，且具有包括第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层的层叠结构；第二隧道势垒，所述第二隧道势垒与自由层耦合；以及第二固定层，所述第二固定层与第二隧道势垒耦合。
根据示例性实施例的另一个方面，一种磁存储器件，包括：第一固定层；第一隧道势垒，所述第一隧道势垒与第一固定层耦合，且包括氧化镁(MgO)；自由层，所述自由层与第一隧道势垒耦合，且具有包括第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层的层叠结构；第二隧道势垒，所述第二隧道势垒与自由层耦合且包括氧化镁；以及第二固定层，所述第二固定层与第二隧道势垒耦合。
根据示例性实施例的又一个方面，提供一种制造磁存储器件的方法。所述方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成种层，所述半导体衬底上形成有下导电层；在种层上形成第一固定层；在第一固定层上形成第一隧道势垒；通过在第一隧道势垒上层叠第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层来形成自由层，其中，所述自由层包括所述第一铁磁层、所述氧化物隧道间隔件和所述第二铁磁层；在自由层上形成第二隧道势垒；在第二隧道势垒上形成第二固定层；以及在第二固定层上形成覆盖层。
下面将在标题为“具体实施方式”的部分中描述以上这些和其它的特征、方面和实施例。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将更加清楚地理解本发明主题的上述和其它的方面、特征和其它的优点，其中：
图1是图示根据第一示例性实施例的磁存储器件的配置的图；
图2是图示根据第二示例性实施例的磁存储器件的配置的图；
图3是图示根据第三示例性实施例的磁存储器件的配置的图；
图4是图示根据第四示例性实施例的磁存储器件的配置的图；
图5是图示图4的磁存储器件中的自由层之间的耦合特性的图；以及
图6是图示根据第五示例性实施例的磁存储器件的配置的图。
具体实施方式
本文参照示例性实施例的截面图(以及中间结构)来描述示例性实施例。然而，附图中所示的部分和形状仅仅是示例性的，可以根据各种制造技术和/或设计考虑而变化。在附图的部分中，为了图示清楚，示例性实施例中的层和区域的长度和大小可以是经夸大处理的。在全部附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在说明书中，当提及一个层在另一个层或衬底“上”时，其可以是直接在所述另一个层或衬底上，或者还可以存在中间层。
下面参照附图来描述本发明的示例性实施例。
图1是根据第一示例性实施例的磁存储器件的配置图。
参见图1，磁存储器件10包括顺序地形成在半导体衬底(未示出)上的种层(seedlayer)101、固定层103、隧道势垒105、自由层107、隧道间隔件109和覆盖层111，所述半导体衬底上形成有下导电层(未示出)。
例如，可以通过顺序地层叠第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层来形成固定层103。根据一个例子，第一铁磁层和第二铁磁层可以由含有钴铁(CoFe)的化合物材料形成，非磁性层可以由不具有磁性的金属材料、例如钌(Ru)形成。
可以利用氧化镁(MgO)来形成隧道势垒105。当利用MgO形成隧道势垒105时，在室温下隧道磁阻(TMR)可以增加约10倍。
也可以利用MgO来形成在自由层107上形成的隧道间隔件109。当利用MgO形成隧道间隔件109时，可以在自由层107中引入部分垂直磁各向异性(PMA)效应，因而可以获得低的开关电流。
图2是根据本发明第二示例性实施例的磁存储器件的配置图。
参见图2，磁存储器件20包括顺序地形成在半导体衬底(未示出)上的种层201、第一固定层203、第一隧道势垒205、自由层207、第二隧道势垒209、第二固定层211和覆盖层213，所述半导体衬底上形成有下导电层(未示出)。
可以利用含有CoFe的化合物材料、诸如CoFeB形成第一固定层203、自由层207和第二固定层211。可以利用MgO形成第一隧道势垒205和第二隧道势垒209。
在根据第二示例性实施例的磁存储器件20中，相对于自由层207利用MgO来形成双隧道势垒205和209从而增加有效的自旋转移特性，因而获得低的开关电流。
图3是根据本发明第三示例性实施例的磁存储器件的配置图。
参见图3，磁存储器件30包括顺序地形成在半导体衬底(未示出)上的种层301、固定层303、隧道势垒305、第一自由层307、隧道间隔件309、第二自由层311和覆盖层313，所述半导体衬底上形成有下导电层(未示出)。
例如，可以通过顺序地层叠第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层来形成固定层303。具体地，第一铁磁层和第二铁磁层可以由含有CoFe作为成分的化合物材料形成，非磁性层可以由诸如Ru的非磁性金属材料形成。
可以利用含有CoFe的化合物材料、诸如CoFeB来形成第一自由层307和第二自由层311，可以利用诸如Ru的非磁性材料将隧道间隔件309形成在第一自由层307与第二自由层311之间。
可以利用MgO来形成隧道势垒305。
根据一个例子，第一自由层307和第二自由层311可以通过由Ru形成的隧道间隔件309而耦合，因此可以获得适当的热稳定性。
图4是根据第四示例性实施例的磁存储器件40的配置图。
参见图4，根据第四示例性实施例的磁存储器件40包括顺序地形成的种层401、第一固定层403、第一隧道势垒405、自由层407、第二隧道势垒409、第二固定层411和覆盖层413。
在第四示例性实施例中，可以利用钽(Ta)、Ru、铂锰(PtMn)、铬(Cr)、钨(W)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)来形成种层401和覆盖层413。替代地，种层401和覆盖层413可以由上述金属材料的组合、例如Ta/Ru来形成。
可以利用选自CoFe、CoFeB、CoFeBTa和CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料来形成第一固定层403和第二固定层411。可以通过将选自PtMn/CoFe、PtMn/CoFeB、PtMn/CoFeBTa或PtMn/CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料及反铁磁合金层叠来形成第一固定层403和第二固定层411。另外，可以利用含有Fe的合金(例如，FePt、FePtB、FePd或FePdB)或利用含有Co的合金(例如，CoPt、CoPtB、CoPd或CoPdB)来形成第一固定层403和第二固定层411。
可以利用选自CoFe、CoFeB、CoFeBTa或CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料来形成构成自由层407的第一铁磁层471和第二铁磁层475。
自由层407的隧道间隔件473耦合在第一铁磁层471与第二铁磁层475之间，且可以是诸如MgO的氧化物间隔件。可以利用诸如氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)或氧化钽(Ta2O3)的金属氧化物来形成隧道间隔件473。而且，可以利用射频(RF)溅射法或脉冲直流(DC)溅射法来沉积隧道间隔件473。当将金属氧化物用于隧道间隔件473时，可以通过沉积金属材料并氧化所述金属材料来形成隧道间隔件473。
可以利用MgO来形成第一隧道势垒405和第二隧道势垒409。当MgO用作磁存储器件的隧道势垒(405和409)时，MgO是能够在室温下将TMR增加约10倍的材料。在第四示例性实施例中，第一隧道势垒405形成在第一固定层403与自由层407之间，第二隧道势垒409形成在自由层407与第二固定层411之间，从而形成双隧道势垒。因此，可以实质地形成双MTJ(magnetic tunnel junction，磁隧道结)结构，因而可以最大化TMR效应。
另外，借助于处在第一隧道势垒405与自由层407之间的表面边界上的、以及处在第二隧道势垒409与自由层407之间的表面边界上的氧化物与铁磁层之间的结所产生的部分PMA效应，可以最小化/减少开关电流。
这里，即使构成自由层407的两个铁磁层471和475厚度形成得薄，但MgO隧道间隔件473耦合在两个铁磁层471和475之间使得自由层407具有足够的总体积。另外，可以通过第一铁磁层471与第二铁磁层475之间的MgO隧道间隔件473来获得部分PMA。因此，MgO隧道间隔件473引起两个铁磁层471和475铁磁性地耦合或反铁磁性地耦合，在这种情况下，获得了自由层207的足够的总体积以最大化热稳定性，且同时在这两个铁磁层471和475与隧道间隔件473之间的表面边界中产生部分PMA效应以减小开关电流。
图5是图示图4的磁存储器件中的自由层之间的耦合特性的图。
图5示出了在两个铁磁层之间引入MgO的情况下接触表面的耦合特性。
在铁磁性耦合特性的情况(A)下，可以看到，当用作隧道间隔件的MgO具有0.9nm的厚度时，交换耦合能量(J(erg/cm2))最大。在反铁磁性耦合特性的情况(B)下，可以看到，当MgO隧道间隔件具有0.6至0.7nm的厚度时，交换耦合能量(J(erg/cm2))最大。
也就是说，当在铁磁层之间插入MgO隧道间隔件时，铁磁性和反铁磁性耦合特性都是良好的且两个铁磁层在磁性/铁磁性状态下耦合，因而当将MgO隧道间隔件应用于自由层时，可以获得自由层的足够体积，且可以减小/最小化铁磁层的相应厚度。
尽管示出了如上所述的水平磁存储器件，但是本发明的示例性实施例不限于此，根据本发明的示例性磁存储器件也可以应用于垂直磁存储器件。
图6是根据第五示例性实施例的磁存储器件的配置。
根据第五示例性实施例的磁存储器件50包括顺序地形成的种层501、第一固定层503、第一隧道势垒505、自由层507、第二隧道势垒509、第二固定层511和覆盖层513。
构成各个层的材料与图4所示的磁存储器件40相似。根据一个例子，可以利用CoFeB形成第一固定层503和第二固定层511以及第一铁磁层571和第二铁磁层575，可以利用MgO形成第一隧道势垒505和第二隧道势垒509以及隧道间隔件573。
由于MgO隧道间隔件573耦合在第一铁磁层571与第二铁磁层575之间，因此第一铁磁层571和第二铁磁层575可以形成得薄(例如，2.2nm或小于2.2nm)，且可以获得水平磁存储器件的适宜特性。
这里，自由层507能够反铁磁性地耦合和铁磁性地耦合。
根据发明构思的磁存储器件具有良好的TMR特性。另外，可以最小化/减小开关电流，且同时可以最大化热稳定性，从而可以实现存储器件的微型化。
根据示例性实施例，使用氧化物的隧道势垒形成在第一固定层与自由层之间以及自由层与第二固定层之间，以最大化TMR效应并在氧化物与铁磁材料之间的表面边界中引入部分PMA，从而最小化开关电流。
尽管在最小化/减小开关电流时热稳定性和自由层的体积有减小的倾向，但是根据本发明的示例性实施例，自由层由第一铁磁层、隧道间隔件和第二铁磁层形成，且使用氧化物的隧道间隔件会引起第一铁磁层和第二铁磁层铁磁性地耦合或反铁磁地耦合。因此，尽管构成自由层的第一铁磁层和第二铁磁层形成得薄，但也可以减少开关电流并获得自由层的足够的体积以最大化热稳定性。
尽管以上已经描述了特定的实施例，但是将会理解的是，描述的实施例仅仅是示例性的。因此，本发明不应限于公开的具体实施例，权利要求应当被广义地解释为包括根据示例性实施例的所有合理适用的实施例。
Claims (19)
1.一种磁存储器件，包括：
第一固定层；
第一隧道势垒，所述第一隧道势垒与所述第一固定层耦合；
自由层，所述自由层与所述第一隧道势垒耦合，且具有包括第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层的层叠结构；
第二隧道势垒，所述第二隧道势垒与所述自由层耦合；以及
第二固定层，所述第二固定层与所述第二隧道势垒耦合。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述氧化物隧道间隔件包括氧化镁MgO。
3.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述氧化物隧道间隔件包括选自氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2、氧化铪HfO2和氧化钽Ta2O3中的任一种。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一隧道势垒和所述第二隧道势垒每个包括MgO。
5.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一固定层和所述第二固定层每个包括含有钴铁CoFe作为成分的化合物材料。
6.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一固定层和所述第二固定层每个具有反铁磁合金与含有CoFe作为成分的化合物材料层叠的结构。
7.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一固定层和所述第二固定层每个包括含有Fe的合金。
8.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一固定层和所述第二固定层每个包括含有Co的合金。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层每个包括选自含有CoFe的材料组中的材料。
10.一种磁存储器件，包括：
第一固定层；
第一隧道势垒，所述第一隧道势垒与所述第一固定层耦合，且包括氧化镁MgO；
自由层，所述自由层与所述第一隧道势垒耦合，且具有包括第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层的层叠结构；
第二隧道势垒，所述第二隧道势垒与所述自由层耦合，且包括氧化镁MgO；以及
第二固定层，所述第二固定层与所述第二隧道势垒耦合。
11.如权利要求10所述的磁存储器件，其中，所述氧化物隧道间隔件包括氧化镁MgO。
12.如权利要求10所述的磁存储器件，其中，所述第一固定层和所述第二固定层每个包括含有钴铁CoFe作为成分的化合物材料。
13.如权利要求10所述的磁存储器件，其中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层每个包括含有CoFe作为成分的化合物材料。
14.一种制造磁存储器件的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上形成种层，所述半导体衬底上形成有下导电层；
在种层上形成第一固定层；
在所述第一固定层上形成第一隧道势垒；
通过在所述第一隧道势垒上层叠第一铁磁层、氧化物隧道间隔件和第二铁磁层来形成自由层，其中，所述自由层包括所述第一铁磁层、所述氧化物隧道间隔件和所述第二铁磁层；
在所述自由层上形成第二隧道势垒；
在所述第二隧道势垒上形成第二固定层；以及
在所述第二固定层上形成覆盖层。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述氧化物隧道间隔件包括氧化镁MgO。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述氧化物隧道间隔件包括选自氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2、氧化铪HfO2和氧化钽Ta2O3中的任一种。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一隧道势垒和所述第二隧道势垒每个包括MgO。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一固定层和所述第二固定层每个包括含有钴铁CoFe作为成分的化合物材料。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层每个包括含有CoFe作为成分的化合物材料。
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