CN103633240A - 具有垂直磁性隧道结的磁性器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有垂直磁性隧道结的磁性存储器件。该器件包括磁性隧道结，其中磁性隧道结包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒。钉扎层结构可以包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性层、具有本征平面内磁化特性的第二磁性层、和插入第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层。交换耦合层可以具有使第一磁性层与第二磁性层之间的反铁磁交换耦合最大化的厚度，而第二磁性层可以至少部分地因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出垂直磁化方向。

Description

具有垂直磁性隧道结的磁性器件
相关申请的交叉引用
本申请是2010年8月24日提交的第12/862,074号美国专利申请的部分连续申请，并且要求该申请的优先权，其中所述第12/862,074号美国专利申请要求2009年9月11日提交的第10-2009-0086084号韩国专利申请和2009年9月30日提交的第10-2009-0093306号韩国专利申请的优先权，其整体内容通过引用结合于此。本申请也是2011年4月21日提交的第13/091,215号美国专利申请的部分连续申请，并且基于要求该申请的优先权，其中所述第13/091,215号美国专利申请要求2010年4月21日提交的第10-2010-0037017号韩国专利申请的优先权，其整体内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明构思的示范性实施例涉及半导体器件，更具体地，涉及诸如具有垂直磁性隧道结的磁性存储器件的磁性器件。
背景技术
随着便携式计算设备和无线通信设备的使用的持续增长，半导体器件可能要求更高的密度、更低的功率、和/或非易失特性。磁性存储器件也许能够满足上述技术需求。
一个用于磁性存储器件的示例数据存储机制是磁性隧道结（MTJ）的隧道磁阻（tunnel magneto resistance,TMR）效应。由于TMR效应，MTJ的磁性取向能够由自旋转矩翻转（spin-torque switching）来控制。例如，已经开发了具有MTJ的磁性存储器件，从而MTJ可以具有百分之几百到几千的TMR比率。
发明内容
本发明构思的示范性实施例提供包括垂直磁性隧道结的磁性器件。
本发明构思的其它示范性实施例提供具有减小的厚度的垂直磁性隧道结的磁性器件。
在一些实施例中，磁性器件包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒，其中钉扎层结构和自由层结构中的至少一个包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性层、具有本征平面内磁化特性的第二磁性层、和插入第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层。交换耦合层可以具有被选择用来提供第一磁性层与第二磁性层之间的期望的反铁磁交换耦合量的厚度，从而第二磁性层至少部分地因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向。
在一些实施例中，反铁磁交换耦合量可以是至少4000Oe。
在一些实施例中，第二磁性层的饱和磁化值与第一磁性层的饱和磁化值的比率的范围在大约0.6到大约1.5之间。
在一些实施例中，第一磁性层的饱和磁化值与第二磁性层的饱和磁化值基本相同。在一些实施例中，第一磁化层和第二磁化层中的每一个的饱和磁化值的范围可以是大约从600emu/cc到1400emu/cc。
在一些实施例中，交换耦合层是钌、铱、或铑。
在一些实施例中，交换耦合层的厚度是大约
Figure BDA0000370148990000021
到大约
Figure BDA0000370148990000022
在一些实施例中，交换耦合层的厚度是大约
Figure BDA0000370148990000023
到大约
Figure BDA0000370148990000024
在一些实施例中，第一磁性层的厚度的范围是从大约
Figure BDA0000370148990000025
到大约
Figure BDA0000370148990000026
而第二磁性层的厚度是从大约
Figure BDA0000370148990000027
到大约
Figure BDA0000370148990000028
在一些实施例中，第一磁性层的Ku值是至少3x106erg。Ku值是垂直磁各向异性能量（即，与第一磁性层的平面垂直的方向中的磁各向异性能量）。
在一些实施例中，第一磁性层包括单一的钴基合金层。
在一些实施例中，第一磁性层包括(Cox/Pty)n的多层堆叠。在一些实施例中，x/y的范围可以是从0.5到1.5。
在一些实施例中，磁性器件包括磁性隧道结，其中磁性隧道结包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒，钉扎层结构可以具有：第一磁性层，其具有本征垂直磁化特性；第二磁性层，其具有本征平面内磁化特性；和插入第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层。交换耦合层可以具有被选择用来提供第一磁性层与第二磁性层之间的期望的反铁磁交换耦合量的厚度，并且第二磁性层因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向。
根据本发明构思的示例实施例，磁性器件可以包括磁性隧道结，其中磁性隧道结包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒。钉扎层结构可以包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性层、具有本征平面内磁化特性的第二磁性层、和插入第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层。交换耦合层可以具有被选择用来提供第一磁性层与第二磁性层之间的期望的反铁磁交换耦合量的厚度，并且第二磁性层可以因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向。磁性隧道结的交换耦合强度的范围可以是从大约4000Oe到大约10000Oe。
在示例实施例中，交换耦合层的厚度可以以这样的方式来选择：该厚度使得第二磁性层可以具有反向平行于第一磁性层的磁化方向的垂直磁化。
在示例实施例中，交换耦合层可以以钌、铱或铑中的至少一个形成。
在示例实施例中，交换耦合层的厚度的范围从大约
Figure BDA0000370148990000031
到大约
Figure BDA0000370148990000032
在示例实施例中，第一磁性层可以包括以下各项中的至少一个：1）由钴铂合金或添加了元素X的钴铂合金制成的单层结构，其中元素X可以是硼、钌、铬、钽、或氧化物中的至少一个；或者2）包括交替地彼此堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构。含钴层可以由钴、钴铁（cobalt nickel）、钴镍（cobaltchromium）或钴铬（cobalt chromium）之一形成，而贵金属层可以由铂和钯之一形成。
在示例实施例中，第二磁性层可以是包括Co、CoFeB、CoFeBTa、CoHf或CoZr中的至少一个的单层结构或双层结构。
在示例实施例中，自由层结构可以包括具有本征平面内磁化特性的自由层以及对于自由层诱发垂直磁化特性的非磁性金属氧化物层。
在示例实施例中，自由层可以是包括Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB、或CoZr中的至少一个的单层结构或多层结构。
在示例实施例中，非磁性金属氧化层可以是包括钽氧化物（tantalumoxide）、镁氧化物（magnesium oxide）、钌氧化物（ruthenium oxide）、铱氧化物（iridium oxide）、铂氧化物（platinum oxide）、钯氧化物（palladium oxide）、或钛氧化物（titanium oxide）中的至少一个的单层结构或多层结构并且与自由层直接接触。
在示例实施例中，所述器件还可以包括将磁性隧道结连接至开关器件的第一导电元件和将磁性隧道结连接至互连线的第二导电元件。所述自由层结构可以插入第一导电元件与隧道势垒之间或者插入第二导电元件与隧道势垒之间。
根据本发明构思的示例实施例，磁性器件可以包括磁性隧道结，其中磁性隧道结包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒。自由层结构与钉扎层结构中的每一个都可以包括具有本征平面内磁化特性的平面内层和对于平面内层诱发垂直磁化特性的垂直化（perpendicularing）层。自由层结构的垂直化层可以包括非磁性金属氧化物层，而钉扎层结构的垂直化层可以包括交换耦合层和具有本征垂直磁化特性的垂直（perpendicular）层。交换耦合层可以具有以这样的方式选择的厚度：该厚度使得钉扎层结构的垂直层和平面内层可以经受它们之间的反铁磁交换耦合。
在一些实施例中，磁性器件还可以包括下部电极、上部电极、和布置在下部电极与上部电极之间的磁性隧道结，并且磁性器件的总厚度可以小于大约15nm。
在示例实施例中，交换耦合层可以布置在钉扎层结构的垂直层与平面内层之间，而非磁性金属氧化物层可以被提供来直接覆盖自由层结构的平面内层。
在示例实施例中，交换耦合层可以以钌、铱或铑中的至少一个形成。
在示例实施例中，交换耦合层可以具有使钉扎层结构的垂直层与平面内层之间的反铁磁交换耦合最大化的厚度。
在示例实施例中，交换耦合层的厚度的范围可以是从大约到大约
Figure BDA0000370148990000042
在示例实施例中，非磁性金属氧化物层可以是包括钽氧化物（tantalumoxide）、镁氧化物（magnesium oxide）、钌氧化物（ruthenium oxide）、铱氧化物（iridium oxide）、铂氧化物（platinum oxide）、钯氧化物（palladium oxide）、或钛氧化物（titanium oxide）中的至少一个中的单层结构或多层结构。
在示例实施例中，垂直层可以包括含钴的垂直磁性材料中的至少一个。
在示例实施例中，垂直层可以由钴铂合金或添加了元素X的钴铂合金形成，其中元素Ｘ可以是硼、钌、铬、钽、或氧化物中的至少一个。
在示例实施例中，垂直层可以是包括交替地彼此堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构，含钴层可以由钴、钴铁、镍钴或钴铬之一形成，而贵金属层可以由铂和钯之一形成。
在示例实施例中，垂直层可以包括第一垂直层和第二垂直层的双层结构，并且第一垂直层和第二垂直层中的每一个包括：钴铂合金层或添加了元素X的钴铂合金层，其中元素Ｘ可以是硼、钌、铬、钽、或氧化物中的至少一个；或者包括交替地彼此堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构。含钴层可以由钴、钴铁、钴镍、和钴铬之一形成，而贵金属层可以由铂和钯之一形成。
在示例实施例中，钉扎层结构还可以包括插入在交换耦合层与垂直层之间的钴层或富钴层。
在示例实施例中，钉扎层结构的平面内层可以是包括钴、铁、或者其合金中的至少一个的单层结构或多层结构。
在示例实施例中，钉扎层结构的平面内层可以是包括一对具有本征平面内磁化特性的磁性层以及插入它们之间的非磁性金属层的多层结构。
在示例实施例中，钉扎层结构的平面内层可以是包括Co、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB、或CoZr的至少一个的单层结构或双层结构。
在示例实施例中，自由层结构的平面内层可以是包括钴、铁、镍、或者其合金中的至少一个的单层结构或多层结构。
在示例实施例中，自由层结构的平面内层可以是包括Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB、或CoZr中的至少一个的单层结构或多层结构。
在示例实施例中，自由层结构的平面内层可以是包括一对具有本征平面内磁化特性的磁性层以及插入它们之间的非磁性金属层的多层结构。例如，所述一对磁性层可以由CoFeB形成，并且非磁性金属层可以是具有大约为
Figure BDA0000370148990000051
的厚度的钽层。
在示例实施例中，所述器件还包括将磁性隧道结连接至开关器件的第一导电元件和将磁性隧道结连接至互连线的第二导电元件。第二导电元件可以是包括贵金属层、磁性合金层、或金属层中的至少一个的单层结构或多层结构。
在示例实施例中，自由层结构可以布置为：距离第一导电元件比距离第二导电元件近，而钉扎层结构可以布置为：距离第二导电元件比距离第一导电元件近。
在示例实施例中，自由层结构可以布置为：距离第二导电元件比距离第一导电元件近，而钉扎层结构可以布置为：距离第一导电元件比距离第二导电元件近。
附图说明
从下面结合附图的简要描述中，示例实施例将能够被更加清楚地理解。图1到图15表示这里所描述的非限制性的示例实施例。
图1是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的磁性存储器件的单位存储单元的电路图。
图2到图6是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的选择器件的电路图。
图7是示出根据本发明构思的示例实施例的第一类型的磁性隧道结的示意图。
图8是示出根据本发明构思的示例实施例的第二类型的磁性隧道结的示意图。
图9是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的、构成磁性隧道结的自由层结构的透视图。
图10是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的、构成磁性隧道结的钉扎层结构的透视图。
图11是被提供来描述本发明构思的一些方面的图。
图12是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的磁性隧道结的截面图。
图13是示范性地示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁性隧道结的横截面图。
图14是示范性地示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁性隧道结的横截面图。
图15是示范性地示出根据本发明构思的一些实施例的、制造磁性器件的方法的流程图。
图16与图17是示意地示出包括根据本发明构思的示例实施例的半导体器件的电子设备的框图。
应当注意到，这些附图意图示出某些示例实施例中采用的方法、结构、和/或材料，并且补充下面提供的书面描述。然而，这些附图并不是按比例绘制的，并且可以不精确反映任何给定实施例的精确的结构或性能特征，并且不应该被解释为定义或限制示例实施例所包含的值或特性的范围。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定位。各个附图中相似或相同的参考数字的使用意图指示相似或相同的元素或特征的存在。
具体实施方式
现在将参考其中示出了示例实施例的附图更加充分地描述本发明构思的示例实施例。然而，本发明构思的示例实施例可以体现为不同的形式并且不应当被理解为被限制在这里阐述的实施例。相反，这些实施例是被提供以使得本公开将全面和完整，并且将向本领域普通技术人员充分地传达示例实施例的构思。附图中相似的参考标号表示相似的元素，因此其描述将被省略。
将理解，当一个元素被称为“连接至”或“耦合至”另一个元素时，其可以直接连接至或耦合至另一个元素或层，或者也可以存在插入其间的元素。相反，当一个元素被称为“直接连接至”或“直接耦合至”另一个元素或层时，则不存在插入其间的元素。相同的参考标号始终指示相同的元素。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何以及全部的组合。其它用来描述元素或层之间的关系的词语应该以相似的方式理解（例如，“在…之间”对比“直接在…之间”、“相邻”对比“直接相邻”、“在…之上”对比“直接在…之上”）。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在这里用来描述各种元素、组件、区域、层、和/或段，但是这些元素、组件、区域、层、和/或段不应被这些术语所限制。这些术语仅仅用来区分一个元素、组件、区域、层、或段与另一个元素、组件、区域、层、或段。因此，下面讨论的第一元素、组件、区域、层、或段可以被命名为第二元素、组件、区域、层、或段而不脱离示例实施例的教导。
空间相对术语，如“下面”、“以下”、“更低”、“以上”、“上面”等等，可以在这里用来方便进行描述，以便描述如附图中所示的一个元素或特征与另一个（多个）元素或特征的关系。将理解，除了在附图中描绘的朝向以外，空间相对术语也意图包含所使用或操作的设备的不同的朝向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在其它元素或特征“以下”或“下面”的元素将朝向其它元素或特征的“以上”。因此，示范性术语“以下”可以包含全部以上和以下的朝向。该设备也可以另外朝向（旋转90度或其它方向），并且可以因此解释这里所使用的空间相对描述符。
这里所使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例的目的，而不是意图限制示例实施例。如这里所使用的，单数形式“一”、“该”意图包括复数形式，除非在上下文中清楚地另外指出。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”，如果在这里被使用，说明存在所述特征、整数、步骤、操作、元素、和/或组件，但是并不排除一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或它们的组的存在或添加。
这里参考作为示例实施例的理想实施例（和中间结构）的示意图的截面图描述了本发明构思的示例实施例。由此，将可以预期，例如，由制造技术和/或公差引起的与例示的形状的差别。因此，本发明构思的示例实施例不应该被解释为被限制在这里示出的区域的特定形状，而是包括，例如，由制造引起形状上的偏差。例如，示出为矩形的注入区域可以具有圆角的或弯曲的特征，和/或具有位于其边缘的注入浓度梯度而不是从注入区域到非注入区域的二进制改变。类似地，由注入形成的隐埋区域可以导致隐埋区域与表面之间的区域中的一些注入，其中注入是在表面发生的。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，并且其形状不意图示出设备的区域的实际形状并且不意图限制示例实施例的范围。
除非另外定义，这里使用的全部术语（包括技术和科学术语）具有与本发明构思的示例实施例所属技术领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。还将理解，诸如通常使用的字典中所定义的那些术语的术语，应当被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且不会被解释为理想化或过分正式的意义，除非在这里明确地这样定义。
垂直磁性隧道结及其相关技术特征分别在2010年8月24日、2011年7月13日、和2012年2月16日提交的第12/862,074号、第13/181,957号、和第13/398,617号美国专利申请中被公开，其整体内容结合为本申请的一部分。
图1是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的磁性存储器件的单位存储单元（unit memory cell）的电路图。
参考图1，单位存储单元UMC可以布置在彼此交叉的第一互连线L1与第二互连线L2之间。单位存储单元UMC可以串联连接至第一互连线L1和第二互连线L2。单位存储单元UMC可以包括选择元件SW和磁性隧道结MTJ。选择元件SW和磁性隧道结MTJ可以彼此串联地电连接。在示例实施例中，第一互连线L1和第二互连线L2之一可以用作字线，而另一个可以用作位线。
选择元件SW可以被配置为选择性地控制经过磁性隧道结MTJ的电流。例如，如图2到图6所示，选择元件SW可以是二极管、pnp双极晶体管、npn双极晶体管、NMOS场效应晶体管（FET）、和PMOS FET之一。如果选择元件SW是诸如双极晶体管和/或MOSFET的三端开关器件，则附加的互连线（未显示）可以连接至选择元件SW。
磁性隧道结MTJ可以包括第一磁性结构MS1、第二磁性结构MS2、和它们之间的隧道势垒（tunnel barrier，TBR）。TBR处的隧道势垒可以包括非磁性材料。在一个实施例中，隧道势垒TBR可以由绝缘材料层形成。可替换地，隧道势垒TBR可以包括多个层。例如，隧道势垒TBR可以包括镁（Mg）、钛（Ti）、铝（Al）、镁-锌（MgZn）和/或镁-硼（MgB）的氧化物、和/或钛（Ti）和/或钒（V）的氮化物。例如，隧道势垒TBR可以由镁氧化物（MgO）层形成。第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2中的每一个可以包括由诸如铁磁材料的磁性材料形成的至少一个磁性层。在某些实施例中，如图1中所示，磁性隧道结MTJ还可以包括可以插入第一磁性结构MS1与选择器件SW之间的第一导电结构CS1和可以插入第二磁性结构MS2与第二互连线L2之间的第二导电结构CS2。
第一磁性结构MS1与第二磁性结构MS2的磁性层之一可以被配置为具有不被通常情况下产生的弱外部磁场改变的固定磁化方向。以下，为了描述方便，术语‘钉扎层（pinned layer，PNL）’将被用来表示具有固定磁化特性的磁性层。相反，第一磁性结构MS1与第二磁性结构MS2的磁性层的另一个可以被配置为具有可以被由于自旋极化电流和/或为了其操作而施加在其上的外部磁场而产生的角动量翻转（switchable）的磁化方向。以下，术语‘自由层FRL’将被用来表示具有可翻转的磁化特性的磁性层。也就是说，如图7和图8中所示，磁性隧道结MTJ可以包括被隧道势垒TBR分开的至少一个自由层FRL和至少一个钉扎层PNL。
磁性隧道结MTJ的电阻可以对自由层FRL的磁化方向与钉扎层PNL的磁化方向的相对朝向敏感。例如，当自由层FRL与钉扎层PNL之间的相对磁性朝向为反向平行时，与所述相对磁性朝向为平行时相比，磁性隧道结MTJ的电阻可以大得多。因此，可以通过改变自由层FRL的磁化方向来控制磁性隧道结MTJ的电阻，并且这个电阻差能够被用作根据本发明构思的示例实施例的磁性存储器件的数据存储机制。
如图7和图8中所示，磁性隧道结MTJ的第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2可以在基底SUB上顺序地形成。基底SUB可以是半导体基底。基底SUB可以包括导电区域和/或绝缘区域。在示例实施例中，根据自由层FRL与基底SUB之间的相对位置或者根据自由层FRL与钉扎层PNL的堆叠次序，磁性隧道结MTJ可以被分为，例如，两种类型：（a）第一类型的磁性隧道结MTJ1，其中第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2分别包括钉扎层PNL和自由层FRL，如图7中所示，和（b）第二类型的磁性隧道结MTJ2，其中第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2分别包括自由层FRL和钉扎层PNL，如图8中所示。
根据本发明构思一些方面，第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2之一可以是将要参考图9进行描述的自由层结构FLS，而另一个可以是将要参考图10进行描述的钉扎层结构PLS。自由层结构FLS可以是包括自由层FRL的多层磁性结构，而钉扎层结构PLS可以是包括钉扎层PNL的多层磁性结构。
图9是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的、构成磁性隧道结的自由层结构的透视图。
根据某些实施例，自由层结构FLS可以包括自由层FRL和覆盖自由层FRL的垂直磁化诱发层PMI，如图9中所示。自由层结构FLS可以用作第一磁性结构MS1或第二磁性结构MS2之一。
自由层FRL可以由展示出本征平面内磁化特性的磁性材料（以下，被称为“平面内磁性材料（in-plane magnetic material）”）形成。这里本征平面内磁化特性是指当不存在施加在磁性层上的外部因素时磁性层的磁化方向的朝向与其纵向平行。例如，如果磁性层是以薄膜形式提供的，该薄膜的厚度（例如，z方向的长度）相对小于其水平宽度（例如x方向的长度和y方向的长度），则具有本征平面内磁化特性的磁性层可以具有平行于xy平面的磁化方向。如将在下面使用的“本征平面内磁化特性”指代不存在外部因素时可以发现的磁性层的平面内磁化。
根据某些实施例，对于自由层FRL，本征平面内磁化特性可以通过包括钴、铁、镍、或者其合金中的至少一个的单层结构或多层结构实现。例如，自由层可以是包括Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB、或CoZr中的至少一个的单层结构或多层结构。在某些实施例中，自由层FRL可以是包括Fe层、CoHf层、和CoFeB层的多层结构。用于自由层FRL的本征平面内磁化材料被示范性地描述，以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思的示例实施例可以不限于此。自由层FRL具有的厚度的范围可以是从大约到大约
Figure BDA0000370148990000112
在某些实施例中，是从大约
Figure BDA0000370148990000113
到大约
Figure BDA0000370148990000114
在某些实施例中，自由层FRL可以是以包括一对具有本征平面内磁化特性的磁性层以及插入它们之间的非磁性金属层的多层结构的形式提供的。例如，自由层FRL可以包括由钴铁硼（CoFeB）合金制成的两层以及插入它们之间的钽层。自由层FRL中的钽层可以形成为具有大约
Figure BDA0000370148990000115
到的厚度。
垂直磁化诱发层（perpendicular magnetization inducing layer,PMI）可以与自由层FRL直接接触，而因为这个直接接触，自由层FRL的磁化方向可以被改变为基本上平行于自由层FRL的厚度方向（例如，z方向）。换句话说，垂直磁化诱发层PMI可以是允许具有本征平面内磁化特性的自由层FRL展示出垂直磁化方向的外部因素。在这点上，彼此接触的垂直磁化诱发层PMI和自由层FRL可以构成展示出非本征垂直磁化特性的结构（以下，称为非本征垂直结构（extrinsic perpendicular structure））。
为了实现该技术特征，垂直磁化诱发层PMI可以由能够在与其接触的自由层FRL的表面上诱发应力的材料形成。在这种意义上，以下，垂直磁化诱发层PMI可以称为‘应力诱发层’或‘接触垂直化层（contact perpendicularinglayer）’。例如，垂直磁化诱发层PMI可以由含氧材料形成。可替换地，垂直磁化诱发层PMI可以是非磁性金属氧化物中的至少一个。例如，垂直磁化诱发层PMI可以以包括钽氧化物、镁氧化物、钌氧化物、铱氧化物、铂氧化物、钯氧化物、钛氧化物、铝氧化物、锌镁氧化物、铪氧化物、或硼镁氧化物中的至少一个的单层结构或多层结构的形式提供。具有应力诱发特性或接触垂直特性的材料被示范性地描述以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思不限于此。
如果垂直磁化诱发层PMI是由非磁性金属氧化物中的至少一个形成，则垂直磁化诱发层PMI可以具有比自由层FRL的电阻率高的电阻率。这意味着磁性隧道结MTJ的电阻很大程度上依赖于垂直磁化诱发层PMI的电阻。为了减少这种依赖，垂直磁化诱发层PMI可以形成为具有较薄的结构。例如，垂直磁化诱发层PMI可以比自由层FRL薄。在示例实施例中，垂直磁化诱发层PMI可以具有的厚度的范围可以是从大约
Figure BDA0000370148990000121
到大约
Figure BDA0000370148990000122
或者，在某些实施例中，从大约
Figure BDA0000370148990000123
到大约
Figure BDA0000370148990000124
图10是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的、构成磁性隧道结的钉扎层结构的透视图。
根据某些实施例，钉扎层结构PLS可以包括第一钉扎层（或第一磁性层）PL1、第二钉扎层（或第二磁性层）PL2、和插入它们之间的交换耦合层ECL，如图10中所示。钉扎层结构PLS可以构成第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2之一。
第一钉扎层PL1可以由展示出本征垂直磁化特性的磁性材料（以下，称为垂直磁性材料）形成。这里，本征垂直磁化特性是指当不存在施加在磁性层上的外部因素时磁性层的磁化方向的朝向基本上与其厚度方向平行。例如，如果磁性层是以薄膜形式提供的，该薄膜的厚度（例如，z方向的长度）相对小于其水平宽度（例如x方向的长度和y方向的长度），则具有本征垂直磁化特性的磁性层可以具有垂直于xy平面的磁化方向。如将在下面所提到的“本征垂直磁化特性”指代不存在外部因素时发现的磁性层的垂直磁化。
根据某些实施例，对于第一钉扎层PL1，本征垂直磁化特性可以通过包括含钴的垂直磁性材料的单层结构或多层结构来实现。
在某些实施例中，第一钉扎层PL1可以是包括钴铂合金或添加了元素X的钴铂合金的单层结构或多层结构，其中元素Ｘ是硼、钌、铬、钽、或氧化物中的至少一个。在其它实施例中，第一钉扎层PL1可以是以包括交替地彼此堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构的形式提供的。含钴层可以包括钴、钴铁、镍钴、钴铬、或者其组合，而贵金属层可以包括铂、钯或者其组合。在其它实施例中，第一钉扎层PL1可以以包括以上关于某些实施例列举的材料中的至少一个（例如，钴铂合金或添加了元素X的钴铂合金）以及其它实施例中列举的材料中的至少一个（例如，钴、钴铁、镍钴、钴铬、铂、和钯）的多层结构的形式来提供。在一些实施例中，第一钉扎层PL1具有的厚度的范围可以是从大约
Figure BDA0000370148990000125
到大约
Figure BDA0000370148990000126
或者，从大约
Figure BDA0000370148990000127
到大约
用于第一钉扎层PL1的本征垂直磁化材料被示范性地描述以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思不限于此。例如，第一钉扎层PL1可以包括以下各项中的至少一个：a）CoFeTb，其中Tb的相对含量是10%或更多；b）CoFeGd，其中Gd的相对含量是10%或更多；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（hexagonal close packing，HCP）结构的CoPt；i）包含a）到h）的项目中呈现的材料中的至少一个的合金；或j）包括交替地堆叠的磁性层和非磁性层的多层结构。包括交替地堆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、或(CoCr/Pd)n中的至少一个，其中下标n表示堆叠数量。在某些实施例中，第一钉扎层PL1还可以包括与交换耦合层ECL接触的钴层或富钴层。
相反，第二钉扎层PL2可以由展示出本征平面内磁化特性的磁性材料（即，平面内磁性材料）形成。换句话说，当不存在施加在第二钉扎层PL2上的外部因素时，第二钉扎层PL2可以具有朝向基本上与其最大的表面（例如，xy平面）平行的磁化方向。
对于第二钉扎层PL2，本征平面内磁化特性可以通过包括钴、铁、或者其合金中的至少一个的单层结构或多层结构实现。例如，第二钉扎层PL2可以是包括CoFeB、CoFeBTa、CoHf、Co、CoFeSiB、或CoZr中的至少一个的单层结构或多层结构。在示例实施例中，第二钉扎层PL2可以以包括Co层和CoHf层的双层结构或包括CoFeBTa层和CoFeB层的双层结构的形式来提供。
在其它示例实施例中，第二钉扎层PL2可以以包括一对具有本征平面内磁化特性的磁性层以及插入它们之间的非磁性金属层的多层结构的形式来提供。例如，第二钉扎层PL2可以包括由钴铁硼（CoFeB）合金制成的两层以及插入它们之间的钽层。
用于第二钉扎层PL2的本征平面内磁化材料被示范性地描述以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思不限于此。在某些实施例中，第二钉扎层PL2的厚度范围可以是从大约
Figure BDA0000370148990000131
到大约
Figure BDA0000370148990000132
或者，从大约到大约
Figure BDA0000370148990000134
交换耦合层ECL可以包括钌、铱、铑、或者其组合。根据本发明构思的示例实施例，由于第一钉扎层PL1与第二钉扎层PL2之间的反铁磁交换耦合（antiferromagnetic exchange coupling），第二钉扎层PL2可以具有基本上与其厚度方向平行的磁化。换句话说，交换耦合层ECL与第一钉扎层PL1可以提供允许具有本征平面内磁化特性的第二钉扎层PL2展示出垂直磁化方向的外部因素。在这点上，第一钉扎层PL1与第二钉扎层PL2以及它们之间的交换耦合层ECL可以构成非本征垂直结构，所述非本征垂直结构的垂直磁化是由反铁磁交换耦合引起的。
交换耦合层ECL可以具有以这样的方式来选择的厚度：第二钉扎层PL2能够具有反向平行于第一钉扎层PL1的磁化的垂直磁化。另外，交换耦合层ECL可以具有以这样的方式来选择的厚度：第一钉扎层PL1和第二钉扎层PL2之间的反铁磁交换耦合能够被最大化。如将要参考图11所描述的，通过实验，可以发现提供具有从大约到大约
Figure BDA0000370148990000142
或者在某些实施例中，从大约
Figure BDA0000370148990000143
到大约
Figure BDA0000370148990000144
的范围的厚度的交换耦合层ECL，是有益的并且展示出意想不到的结果，尤其当制造磁性器件期间的退火过程低于300℃时。然而，在某些过程条件下，例如，当退火过程在300℃以上执行时，交换耦合层ECL具有的厚度的范围可以从大约
Figure BDA0000370148990000145
到大约。当退火过程是在300℃以上执行时，由于构成性的磁性层的相互扩散(interdiffusion)或者混杂(intermixing)，交换耦合层ECL的厚度可以增加。
在一些实施例中，用来形成本公开的磁性器件的各种磁性层可以由COFeSiB形成。
图11是被提供来描述本发明构思的一些方面的图。具体来说，图11是示出交换耦合的磁场强度Hex对交换耦合层的厚度T的依赖的图，其中所述厚度T是从包括如参考图10描述的钉扎层结构PLS的样例中获得的。负的Hex意味着系统处于反铁磁耦合状态。
参考图11，交换耦合强度Hex在
Figure BDA0000370148990000146
附近具有局部最小值并且在
Figure BDA0000370148990000147
附近具有局部最大值。换句话说，交换耦合强度Hex在
Figure BDA0000370148990000148
处大约为-5000oe，在
Figure BDA0000370148990000149
处大约为-2000oe，并且在
Figure BDA00003701489900001410
处大约为-13000oe。这里，当交换耦合层具有的厚度T的范围是从
Figure BDA00003701489900001411
到
Figure BDA00003701489900001412
或者从
Figure BDA00003701489900001413
到
Figure BDA00003701489900001414
时，交换耦合强度Hex小于
Figure BDA00003701489900001415
处的交换耦合强度（即，-5000oe）。
换句话说，当交换耦合层的厚度Ｔ在大约
Figure BDA00003701489900001416
与大约
Figure BDA00003701489900001417
之间的范围内，或者更具体地，在大约
Figure BDA00003701489900001418
与大约之间的范围内时，交换耦合强度Hex具有全局最小值。这意味着，对于这个实施例，当交换耦合层具有所述厚度范围（例如，大约
Figure BDA0000370148990000151
与大约之间，或者更狭窄地，大约
Figure BDA0000370148990000153
与大约
Figure BDA0000370148990000154
之间）时，钉扎层结构PLS能够展示出最大化的反铁磁耦合效应。然而，应当注意到，与隧道势垒层的相互作用还能够影响钉扎层结构PLS的反铁磁耦合效应。
在一些实施例中，本公开的实施例可以设定与图11中所示的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）耦合的第一峰值相对应的交换耦合层厚度。
图12是示范性地示出根据本发明构思的示例实施例的磁性隧道结的横截面图，而图13是示范性地示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁性隧道结的横截面图。
参考图12，钉扎层结构PLS、隧道势垒TBR、自由层结构FLS可以顺序地堆叠在基底SUB上。换句话说，自由层结构FLS与钉扎层结构PLS可以被配置为形成先前参考图7所描述的第一类型的磁性隧道结MTJ1。
根据本实施例，第一导电结构CS1可以布置在第一类型的磁性隧道结MTJ1与基底SUB之间，而第二导电结构CS2可以被提供在第一类型的磁性隧道结MTJ1上。在某些实施例中，第一导电结构CS1可以充当用于形成第一类型的磁性隧道结MTJ1的晶种层（seed layer），和/或充当将选择器件SW电连接至第一类型的磁性隧道结MTJ1的互连图案或者电极。第二导电结构CS2可以充当覆盖第一类型的磁性隧道结MTJ1的包覆层（capping layer），和/或充当将第一类型的磁性隧道结MTJ1与第二互连线L2电连接的互连图案或者电极。
在某些实施例中，第一导电结构CS1可以包括顺序地堆叠在基底SUB上的第一导电层CL1和第二导电层CL2。第一导电层CL1可以是具有大约为
Figure BDA0000370148990000155
的厚度的CoHf层或Ta层，而第二导电层CL2可以是具有大约为
Figure BDA0000370148990000156
的厚度的钌层。用于第一导电层CL1和第二导电层CL2的材料被示范性地描述以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思不限于此。
第二导电结构CS2可以被形成用来覆盖垂直磁化诱发层PMI，并且以包括贵金属层、磁性合金层、或金属层中的至少一个的单层结构或多层结构的形式来提供。例如，用于第二导电结构CS2的贵金属层可以由Ru、Pt、Pd、Rh、或Ir中的至少一个形成，而磁性合金层可以包括Co、Fe、或Ni中的至少一个，并且金属层可以由Ta或Ti形成。用于第二导电结构CS2的材料被示范性地描述以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思不限于此。
参考图13，自由层结构FLS、隧道势垒TBR、和钉扎层结构PLS可以顺序地堆叠在基底SUB上。换句话说，自由层结构FLS与钉扎层结构PLS可以被配置为形成先前参考图8所描述的第二类型的磁性隧道结MTJ2。
根据本实施例，自由层结构FLS和钉扎层结构PLS可以以这样的方式来配置：自由层FRL和第二钉扎层PL2两者都覆盖隧道势垒TBR。另外，第一导电结构CS1可以被提供在第二类型的磁性隧道结MTJ2与基底SUB之间，而第二导电结构CS2可以被提供在第二类型的磁性隧道结MTJ2上。在一些实施例中，第一导电结构CS1可以充当用于形成第二类型的磁性隧道结MTJ2的晶种层，和/或充当将选择器件SW电连接至第二类型的磁性隧道结MTJ2的互连图案或者电极。第二导电结构CS2可以充当覆盖第二类型的磁性隧道结MTJ2的包覆层，和/或充当将第二类型的磁性隧道结MTJ2与第二互连线L2电连接的互连图案或者电极。
在一些实施例中，第一导电结构CS1可以包括可以顺序地堆叠在基底SUB上的第一导电层CL1和第二导电层CL2。第二导电层CL2可以被形成用来覆盖垂直磁化诱发层PMI，并且以包括贵金属层、磁性合金层、或金属层中的至少一个的单层结构或多层结构的形式来提供。用于第一导电结构CS1的材料被示范性地描述以便提供对本发明构思的更好的理解，但是本发明构思不限于此。
在一些实施例中，如图14中所示，磁性器件140可以包括自由层结构FLS、钉扎层结构PLS、和它们之间的隧道势垒TBR。钉扎层结构PLS可以包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性层PL1、具有本征平面内磁化特性的第二磁性层PL2、和插入第一磁性层PL1与第二磁性层PL2之间的交换耦合层ECL。交换耦合层ECL可以具有被选择用来提供第一磁性层PL1与第二磁性层PL2之间期望的或最大的反铁磁交换耦合量的厚度，从而第二磁性层PL2至少部分地因为与第一磁性层PL1的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向。反铁磁交换耦合量可以是至少4000Oe。
在一些实施例中，自由层结构FLS可以不包括联系图12和图13所讨论的PMI层。
在一些实施例中，第一磁性层PL1的饱和磁化值与第二磁性层PL2的饱和磁化值的比率的范围在大约0.6到大约1.5之间。
在一些实施例中，第一磁化层PL1的饱和磁化值与第二磁性层PL2的饱和磁化值基本相同。例如，第一磁化层PL1和第二磁化层PL2中的每一个的饱和磁化值的范围可以是大约从600emu/cc到1400emu/cc。
在一些实施例中，交换耦合层ECL可以是，例如，钌、铱、或铑。在一些实施例中，交换耦合层ECL的厚度是大约
Figure BDA0000370148990000171
到大约
Figure BDA0000370148990000172
在一些实施例中，第一磁性层（或第一钉扎层）PL1的厚度的范围是从大约到大约
Figure BDA0000370148990000174
而第二磁性层（或第二钉扎层）PL2的厚度的范围是从大约
Figure BDA0000370148990000175
到大约
Figure BDA0000370148990000176
在一些实施例中，第一磁性层PL1的Ku值是至少3x106erg。Ku值是垂直磁各向异性能量（perpendicular magnetic anisotropic energy）（即，与第一磁性层PL1的平面垂直的方向中的磁各向异性能量）。
在一些实施例中，第一磁性层PL1可以包括单一的钴基合金层。在一些实施例中，第一磁性层PL1可以包括(Cox/Pty)n的多层堆叠。在一些实施例中，x/y的范围是从0.5到1.5。
在一些实施例中，磁性器件包括磁性隧道结，其中磁性隧道结包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒，钉扎层结构可以具有：第一磁性层，其具有本征垂直磁化特性；第二磁性层，其具有本征平面内磁化特性；和插入第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层。交换耦合层可以具有被选择用来提供第一磁性层与第二磁性层之间期望的反铁磁交换耦合量的厚度，并且第二磁性层因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向。交换耦合层的厚度的范围可以是大约到大约
Figure BDA0000370148990000178
在其它实施例中，虽然未示出，但是自由层结构FLS可以包括类似于具有本征垂直磁化特性的第一磁性层PL1的另一个第一磁性层、类似于具有本征平面内磁化特性的第二磁性层PL2的另一个第二磁性层、和类似于插入第一磁性层PL1与第二磁性层PL2之间的交换耦合层ECL的另一个交换耦合层。在一个实施例中，在这种情况下，钉扎层结构PLS可以不具有如以上所讨论的夹在第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层ECL。
在一些实施例中，自由层结构FLS和钉扎层结构PLS可以具有上述第一磁性层结构PL1和第二磁性层结构PL2，其中第一磁性层结构PL1和第二磁性层结构PL2之间布置了交换耦合层ECL。
在其它磁性器件结构中，自由层的矫顽磁力与钉扎层的矫顽磁力之间的分离度（separation）（ΔHsw）可能不足并且自由层的磁滞回线可能不匀称，这使得几乎不可能将数据写入存储单元。另外，如果堆叠高度大于30nm，则在完成磁性器件的更高集成度的方面存在困难。在一些情况下，自由层与钉扎层的磁滞回线可以不按所想的那样重叠，以至于大大降低翻转概率（switchingprobability）与翻转稳定性（switching stability）。此外，如果堆叠高度大于30nm，则在完成磁性器件的更高集成度的方面可能存在困难。
然而，由于上述的一些或全部特征，本公开的磁性器件的自由层能够具有对称的磁滞回线，并且钉扎层的矫顽磁力与自由层的矫顽磁力之间可能存在较大的分离度，从而显著地提高写入概率与翻转稳定性。
虽然本公开的上述效果可以利用其它实施例或上述发明特征的其它组合获得，但是本公开的发明人已经发现：例如，通过形成包括钉扎层的磁性隧道结器件，这样的发明效果可以是异常优越的，其中所述钉扎层包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性层、具有本征平面内磁化特性的第二磁性层、和插入第一磁性层与第二磁性层之间的交换耦合层，其中交换耦合层具有被选择用来提供第一磁性层与第二磁性层之间的期望的反铁磁交换耦合量的厚度，从而第二磁性层至少部分地因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向，反铁磁交换耦合量至少是4000Oe，其中第一磁化层的饱和磁化值与第二磁性层的饱和磁化值基本相同，其中交换耦合层是钌、铱、或铑。其中交换耦合层的厚度是大约到大约
Figure BDA0000370148990000182
其中第二磁性层包括单一的钴基合金层或者(Cox/Pty)n的多层堆叠，其中x是Co层的厚度而y是Pt层的厚度。
图15是示范性地示出根据本发明构思的一些实施例的、制造磁性器件的方法的流程图。
参考图15，在步骤S1中，可以在基底SUB上形成底部电极BL。在步骤S2中，具有本征垂直磁化特性的第一磁性层PL1、交换耦合层ECL、和具有本征平面内磁化特性的第二磁性层PL2被顺序地形成，以便在底部电极BL上形成钉扎层结构PLS。交换耦合层的厚度被选择以便提供第一磁性层与第二磁性层之间的期望的反铁磁交换耦合量，从而第二磁性层至少部分地因为与第一磁性层的反铁磁交换耦合而展示出非本征垂直磁化方向。第一磁化层PL1的饱和磁化值可以与第二磁性层PL2的饱和磁化值基本相同。反铁磁交换耦合量可以是至少大约4000Oe。例如，反铁磁交换耦合量的范围可以是从大约4000Oe到大约10000Oe。交换耦合层可以是钌、铱、或者铑，其中耦合层的厚度可以是大约
Figure BDA0000370148990000191
到大约
Figure BDA0000370148990000192
并且其中第二磁性层可以包括单一的钴基合金层。可替换地，第二磁性层可以通过沉积(Cox/Pty)n的多层堆叠来形成，其中x是Co层的厚度而y是Pt层的厚度。在步骤S3中，隧道势垒TBR可以在钉扎层结构PLS上形成。在步骤S4中，自由层结构FLS在隧道势垒TBR上形成。在步骤S5中，顶部电极UL在自由层结构FLS之上形成，以便形成磁性器件。
磁性器件的总厚度（堆叠高度），例如，下部电极和上部电极以及布置在它们之间的磁性隧道结，能够等于或小于大约15nm。因此，利用本公开的一些实施例，已经有可能将MTJ器件的厚度减小将近50%。结果，能够实现磁性器件的进一步的按比例缩小。
图16和图17是示意地示出根据本发明构思的示例实施例的、包括半导体器件的电子设备的框图。
参考图16，包括根据本发明构思的示例实施例的半导体器件的电子设备1300可以用于下列各项中的一个：个人数字助理（PDA）、膝上型计算机、移动计算机、网络平板电脑、无线电话、蜂窝电话、数字音乐播放器、有线或无线电子设备、或者包括以上各项中的至少两个的复杂电子设备。电子设备1300可以包括控制器1310，诸如小键盘、键盘、显示器的输入/输出设备1320，存储器1330，和通过总线1350彼此结合的无线接口1340。控制器1310可以包括，例如，微处理器、数字信号处理器、微控制器等等中的至少一个。存储器1330可以被配置为存储将要被控制器1310使用的命令代码或者用户数据。存储器1330可以包括根据本发明构思的示例实施例的半导体器件。电子设备1300可以使用被配置为使用RF信号向无线通信网络传送数据或者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。电子设备1300可以用于通信系统的通信接口协议，诸如CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、Muni Wi-Fi、蓝牙、DECT、无线USB、快闪OFDM、IEEE802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、高级WiMAX、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、高级LTE、MMDS等等。
参考图17，将描述包括根据本发明构思的示例实施例的半导体器件的存储器系统。存储器系统1400可以包括用于存储大量数据的存储器设备1410和存储控制器1420。存储器控制器1420控制存储设备1410，以便响应于主机1430的读/写请求而读取存储器设备1410中存储的数据或者将输入写入存储器设备1410。存储器控制器1420可以包括用于将从主机1430（例如，移动设备或计算机系统）提供的地址映射到存储器设备1410的物理地址的地址映射表。存储器设备1410可以是根据本发明构思的示例实施例的半导体器件。
可以使用各种并且多样的封装技术来封装以上公开的半导体存储器件。例如，可以使用层叠封装（PoP）技术、球栅阵列（BGA）技术、芯片级封装（CSP）技术、塑料有引线芯片载体（PLCC）技术、塑料双列直插式封装（PDIP）技术、叠片内裸片封装（Die in Waffle Pack）技术、晶圆内裸片形式（Die in Wafer Form）技术、板上芯片（Chip On Board,COB）技术、陶瓷双列直插封装（Ceramic Dual In-Line Package,CERDIP）技术、塑料标准四边扁平封装（Metric Quad Flat Pack,MQFP）技术、薄型四边扁平封装（Thin QuadFlatpack,TQFP）技术、小外型集成电路（Small Outline Integrated Circuit,SOIC）技术、缩小外型封装（Shrink Small Outline Package,SSOP）技术、薄型小外形封装（Thin Small Outline Package,TSOP）技术、系统级封装（System InPackage,SIP）技术、多芯片封装（Multi Chip Package,MCP）技术、晶圆级结构封装（Wafer-level Fabricated Package，WFP）技术和晶圆级处理堆叠封装（Wafer-Level Processed Stack Package,WSP）技术中的任何一个来封装根据上述示例实施例的半导体存储器件。
其中安装了根据上述示例实施例之一的半导体存储器件的封装还可以包括控制半导体存储器件的至少一个半导体器件（例如，控制器和/或逻辑器件）。
根据本发明构思的示例实施例，自由层和第二钉扎层可以由展示出本征平面内磁化特性的材料形成。虽然如此，自由层可以通过与垂直磁化诱发层接触来展示出垂直磁化，而第二钉扎层可以通过与由本征垂直磁化材料制成的第一钉扎层的增强的反铁磁交换耦合来展示出垂直磁化。因为平面内磁化材料使用外部因素展示出垂直磁化特性，因此垂直磁性隧道结能够具有减小的厚度。
另外，在第一钉扎层与第二钉扎层之间可以存在使能第一钉扎层与第二钉扎层之间的反铁磁交换耦合的交换耦合层。在示例实施例中，交换耦合层可以形成为具有使第一钉扎层与第二钉扎层之间的反铁磁交换耦合最大化的厚度。这使得能够有效地减小自由层与第二钉扎层之间的磁相互作用。
以上讨论的单一MTJ结构仅仅是一些示例。本公开的原理也可以应用在自旋逻辑器件。自旋逻辑器件可以是，例如，全自旋逻辑（all-spin logic，ASL）器件和非易失性自旋逻辑器件。
此外，本公开的发明构思可以应用在需要高速缓存的片上系统（SOC）器件的形成中。在这样的情况下，SOC器件可以包括耦合至微处理器的、根据本公开形成的MTJ元件。
另外，本公开的原理能够应用在诸如双MTJ结构的其它MTJ结构中，在双MTJ结构中存在两个参考层，并且自由层夹在它们之间。
贯穿本说明书，一个实施例中示出的特征可以合并在其它实施例中，并且落入本发明构思的精神和范围。
贯穿说明书的对“一个实施例”或者“实施例”的引用意味着联系该实施例所描述的特定的特征、结构、或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各个地方出现的词组“在一个实施例中”或者“在实施例中”并不一定全部指代相同的实施例。另外，具体的特征、结构、或者特点可以以任何适当的方式结合到一个或多个实施例中。
如这里所使用的，术语“磁性的”可以包括铁磁的、亚铁磁的等等。因此，术语“磁性的”或“铁磁性的”包括，例如，铁磁体(ferromagnet)和铁氧磁材料(ferrimagnet)。另外，如这里所使用的，“平面内(in-plance)”是基本上在磁性结的一个或更多个层的平面内或者平行于磁性结的一个或更多个层的平面。反之，“垂直”对应于基本上垂直于磁性结的一个或多个层的方向。
各种操作可以被描述为以最能帮助理解本发明的方式执行的多个离散步骤。然而，描述所述步骤的次序并不意味着操作依赖于次序或者执行所述步骤的次序必须是呈现所述步骤的次序。
关于这里对基本上任何复数的和/或单数的术语的使用，本领域技术人员能够将复数的转换为单数的或者将单数的转换为单数的，这对于上下文和/或应用而言是适宜的。为了清晰，可以在这里明确地阐述单数/复数变换。
本领域技术人员将理解，通常，这里使用的、尤其是所附权利要求中使用的术语（例如，所附权利要求的主体）通常意图作为“开放的”术语（例如，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“至少具有”，术语“包含”应该被解释为“包含但不限于”，等等）。本领域技术人员还将理解，如果想要引入的权利要求阐述中的特定数字，则这样的意愿将在权利要求中被明确地阐述，并且当不存在这样的阐述时，则不表现这样的意愿。例如，作为对理解的帮助，下面所附权利要求可以包含对引导性词组“至少一个”和“一个或多个”的使用，以便引入权利要求阐述。然而，这样的词组的使用不应该被理解为意味着通过不明确条文“一”或“一个”对权利要求阐述的引入会将包含被这样引入的权利要求阐述的任何具体的权利要求限制在包含仅仅一个这样的阐述的示例，即使当相同的权利要求包括引导性词组“一个或多个”和诸如“一”或“一个”的不明确条文时（例如，“一”或“一个”应该被解释为意味着“至少一个”或“一个或多个”）；这对于用来引入权利要求阐述的明确条文的使用而言也成立。另外，在使用类似于“A、B、或C等等的至少一个”的惯例的那些事件中，通常这样的结构的意图是本领域技术人员将理解该传统（例如，“具有A、B、或C的至少一个的系统”可以包括但不限于，只具有A、只具有B、只具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统）。本领域技术人员还将理解，无论在描述、权利要求、还是附图中，呈现两个或更多个可替换术语的任何析取词和/或词组实质上应该被理解为预料到包括所述术语之一、所述两个术语之一、所述全部两个术语的可能性。例如，词组“A和B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
虽然已经具体地示出和描述了本发明构思的示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行各种形式和细节上的变化而不脱离所附权利要求的精神和范围。

Claims (20)

1.一种磁性存储器件，包括：
下部电极；
下部电极之上的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括自由层结构、钉扎层结构、和它们之间的隧道势垒；和
磁性隧道结之上的上部电极，
其中自由层结构与钉扎层结构中的每一个都包括具有本征平面内磁化特性的平面内层和对于平面内层诱发垂直磁化特性的垂直磁化诱发层，
其中自由层结构的垂直磁化诱发层包括非磁性金属氧化物层，而钉扎层结构的垂直磁化诱发层包括交换耦合层和具有本征垂直磁化特性的垂直层，
其中交换耦合层具有以这样的方式选择的厚度，即，该厚度使得钉扎层结构的垂直层和平面内层经受它们之间的反铁磁交换耦合。
2.如权利要求1所述的器件，其中交换耦合层布置在钉扎层结构的垂直层与平面内层之间，并且
所述非磁性金属氧化物层可以被提供来直接覆盖自由层结构的平面内层。
3.如权利要求1所述的器件，其中交换耦合层以钌、铱或铑中的至少一个来形成。
4.如权利要求1所述的器件，其中交换耦合层具有使得钉扎层结构的垂直层与平面内层之间的反铁磁交换耦合最大化的厚度。
5.如权利要求1所述的器件，其中交换耦合层的厚度的范围是大约到大约
Figure FDA0000370148980000012
。
6.如权利要求1所述的器件，其中非磁性金属氧化物层是包括钽氧化物、镁氧化物、钌氧化物、铱氧化物、铂氧化物、钯氧化物、或钛氧化物中的至少一个的单层结构或多层结构。
7.如权利要求1所述的器件，其中垂直层包括含钴的垂直磁性材料中的至少一个。
8.如权利要求1所述的器件，其中垂直层由钴铂合金或添加了元素X的钴铂合金形成，其中元素X是硼、钌、铬、钽、或氧化物中的至少一个。
9.如权利要求1所述的器件，其中垂直层是包括交替地彼此堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构，
含钴层由钴、钴铁、钴镍、和钴铬之一形成，以及
贵金属层由铂和钯之一形成。
10.如权利要求1所述的器件，其中垂直层是包括第一垂直层和第二垂直层的双层结构，并且其中第一垂直层和第二层中的每一个包括：
钴铂合金层或添加了元素X的钴铂合金层，其中元素X是硼、钌、铬、钽、或氧化物中的至少一个，或者包括交替地彼此堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构，其中含钴层由钴、钴铁、钴镍、和钴铬之一形成，而贵金属层由铂和钯之一形成。
11.如权利要求1所述的器件，其中钉扎层结构还包括插入在交换耦合层与垂直层之间的钴层或富钴层。
12.如权利要求1所述的器件，其中钉扎层结构的平面内层是包括钴、铁、或者其合金中的至少一个的单层结构或多层结构。
13.如权利要求1所述的器件，其中钉扎层结构的平面内层是包括一对具有本征平面内磁化特性的磁性层以及插入它们之间的非磁性金属层的多层结构。
14.如权利要求1所述的器件，其中钉扎层结构的平面内层是包括Co、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、或CoZr中的至少一个的单层结构或双层结构。
15.如权利要求1所述的器件，其中自由层结构的平面内层是包括钴、铁、镍、或者其合金中的至少一个的单层结构或多层结构。
16.如权利要求1所述的器件，其中自由层结构的平面内层是包括Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、或CoZr中的至少一个的单层结构或多层结构。
17.如权利要求1所述的器件，其中自由层结构的平面内层是包括一对具有本征平面内磁化特性的磁性层以及插入它们之间的非磁性金属层的多层结构。
18.如权利要求17所述的器件，其中所述一对磁性层由CoFeB形成，并且非磁性金属层是具有大约
Figure FDA0000370148980000021
到大约
Figure FDA0000370148980000022
的厚度的钽层。
19.如权利要求1所述的器件，还包括，
第一导电元件，其将磁性隧道结连接至开关器件；和
第二导电元件，其将磁性隧道结连接至互连线，
其中第二导电元件是包括贵金属层、磁性合金层、或金属层中的至少一个的单层结构或多层结构。
20.如权利要求19所述的器件，其中自由层结构被布置为：距离第一导电元件比距离第二导电元件近，并且
钉扎层结构被布置为：距离第二导电元件比距离第一导电元件近。
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