CN104282832B - 磁性存储装置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种磁性存储装置及其形成方法。该磁性存储装置可以包括自由磁性结构，隧道势垒层和钉扎磁性结构，其中，隧道势垒层位于自由磁性结构和钉扎磁性结构之间。钉扎磁性结构可以包括第一钉扎层和第二钉扎层以及位于第一钉扎层和第二钉扎层之间的交换耦合层。第二钉扎层可以位于第一钉扎层和隧道势垒层之间，第二钉扎层可以包括结磁性层以及位于结磁性层和交换耦合层之间的缓冲层。缓冲层可以包括包含非磁性金属元素的材料的层。

Description

磁性存储装置及其形成方法
本专利申请要求于2013年7月3日在韩国知识产权局提交的第10-2013-0077782号韩国专利申请以及于2014年1月15日在美国专利商标局提交的第14/155,725号美国非临时申请的优先权，该韩国专利申请的全部公开通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明构思的示例实施例涉及存储装置，具体地讲，涉及磁性存储装置。
背景技术
由于对具有提高的速度和/或减少的功耗的电子装置的需要，因此半导体装置可能会需要更快的操作速度和/或更低的操作电压。已经提出磁性存储装置来满足这样的需要。例如，磁性存储装置可以提供诸如减少的等待时间和/或非易失性的技术优点。因此，磁性存储装置成为下一代存储装置。
磁性存储装置可以包括磁性隧道结(MTJ)。磁性隧道结可以包括两个磁性层和设置在磁性层之间的隧道势垒层。磁性隧道结的电阻可以根据磁性层的磁化方向而改变。例如，当磁性层具有反平行的磁化方向时磁性隧道结的电阻可以大于当其具有平行的磁化方向时磁性隧道结的电阻。这样的电阻差可以用作磁性存储装置的数据储存操作。然而，仍然需要更多的研究来大量生产磁性存储装置。
发明内容
本发明构思的示例实施例可以提供磁性存储装置及其制造方法，所述磁性存储装置被构造成在磁性层之间具有增加的磁致电阻率和/或增强的反铁磁耦合。
根据本发明构思的一些实施例，一种磁性存储装置可以包括自由磁性结构、隧道势垒层和钉扎磁性结构，其中，隧道势垒层位于自由磁性结构和钉扎磁性结构之间。钉扎磁性结构可以包括第一钉扎层和第二钉扎层以及位于第一钉扎层和第二钉扎层之间的交换耦合层。第二钉扎层可以位于第一钉扎层和隧道势垒层之间，第二钉扎层可以包括结磁性层以及位于结磁性层和交换耦合层之间的缓冲层。缓冲层可以包括包含非磁性金属元素的材料的层。
非磁性金属元素的原子质量可以比结磁性层中的任意元素的原子质量大。
非磁性金属元素的熔点可以比结磁性层中的任意元素的熔点高。
缓冲层的材料中的非磁性金属元素的重量百分数可以大于结磁性层中的非磁性金属元素的重量百分数。
非磁性金属元素可以包括钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、铪(Hf)、锆(Zr)、钼(Mo)和/或钒(V)中的至少一种。
缓冲层的材料还可以包括铁磁元素和非金属元素。
铁磁元素可以包括钴(Co)、铁(Fe)和/或镍中的至少一种，非磁性元素可以包括硼。
结磁性层和缓冲层可以具有不同的结晶特性。结磁性层的结晶度可以比缓冲层的结晶度高。例如，结磁性层可以具有体心立方晶体结构，缓冲层可以具有无定形结构。
结磁性层可以包括钴、铁和/或它们的合金中的至少一种。例如，结磁性层包括CoFeB、CoHf、Co和/或CoZr中的至少一种。
隧道势垒层可以包括氧化镁(MgO)。
交换耦合层可以包括钌、铱和/或铑中的至少一种。
此外，自由磁性结构可以设置在基底和钉扎磁性结构之间，或者，钉扎磁性结构可以设置在基底和自由磁性结构之间。
根据本发明构思的一些其他实施例，一种磁性存储装置可以包括自由磁性结构、隧道势垒层和钉扎磁性结构，其中，隧道势垒层位于自由磁性结构和钉扎磁性结构之间。钉扎磁性结构可以包括第一钉扎层和第二钉扎层以及位于第一钉扎层和第二钉扎层之间的交换耦合层。第二钉扎层可以位于第一钉扎层和隧道势垒层之间。第二钉扎层可以包括结磁性层以及位于结磁性层和交换耦合层之间的缓冲层，结磁性层和缓冲层可以具有不同的结晶特性。
结磁性层的结晶度可以大于缓冲层的结晶度。例如，结磁性层可以具有体心立方晶体结构，缓冲层可以具有无定形结构。
结磁性层可以包括钴、铁和/或它们的合金中的至少一种。例如，结磁性层可以包括CoFeB、CoHf、Co和/或CoZr中的至少一种。
缓冲层可以包括包含非磁性金属元素、铁磁元素和非金属元素的材料的层。缓冲层的材料中的非磁性金属元素的重量百分数可以大于结磁性层中的非磁性金属元素的重量百分数。非磁性金属元素的原子质量可以比钴的原子质量大。非磁性金属元素可以包括钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、铪(Hf)、锆(Zr)、钼(Mo)和/或钒(V)中的至少一种。铁磁元素可以包括钴(Co)、铁(Fe)和/或镍中的至少一种，非磁性元素可以包括硼。
隧道势垒层可以包括氧化镁(MgO)。
交换耦合层可以包括钌、铱和/或铑中的至少一种。
此外，自由磁性结构可以位于基底和钉扎磁性结构之间，或者，钉扎磁性结构可以位于基底和自由磁性结构之间。
根据本发明构思的其他实施例，一种形成磁性存储装置的方法可以包括：形成自由磁性结构(FRL)；在自由磁性结构上形成隧道势垒层；在隧道势垒层上形成无定形的结磁性层；以及在无定形的结磁性层上形成无定形的缓冲层。在形成隧道势垒层、无定形的结磁性层和无定形的缓冲层之后，可以对无定形的结磁性层和无定形的缓冲层进行退火，以使无定形的结磁性层转变为结晶的结磁性层，同时维持无定形的缓冲层，使得在退火处理之后，结晶的结磁性层的结晶度大于无定形的缓冲层的结晶度。
在退火之后，可以在结晶的结磁性层上形成交换耦合层，可以在交换耦合层上形成钉扎层。
在退火处理之前，可以在无定形的结磁性层上形成交换耦合层，可以在交换耦合层上形成钉扎层。
根据本发明构思的另外其他的实施例，一种形成磁性存储装置的方法可以包括：在基底上形成钉扎层；在钉扎层上形成交换耦合层；在交换耦合层上形成无定形的缓冲层；在无定形的缓冲层上形成无定形的结磁性层；以及在无定形的结磁性层上形成隧道势垒层。可以对无定形的结磁性层和无定形的缓冲层进行退火，以使无定形的结磁性层转变成结晶的结磁性层，同时维持无定形的缓冲层，使得结晶的结磁性层的结晶度大于无定形的缓冲层的结晶度。
此外，可以在隧道势垒层上形成自由磁性结构(FRL)。
附图说明
通过下面结合附图进行的简要的描述，将更清楚地理解示例实施例。附图代表非限制性的如这里描述的示例实施例。
图1是示出根据本发明构思的示例实施例的磁性存储装置的单位存储单元的电路图。
图2和图3是示出根据本发明构思的示例实施例的磁性隧道结的示意图。
图4是示出根据本发明构思的示例实施例的可以构成磁性隧道结的一部分的参考磁性结构的剖视图。
图5是示出根据本发明构思的示例实施例的缓冲层的示意图。
图6是示出根据本发明构思的其他示例实施例的缓冲层的示意图。
图7是示出根据本发明构思的其他示例实施例的可以构成磁性隧道结的一部分的参考层的剖视图。
图8至图11是示出根据本发明构思的示例实施例的可以构成磁性隧道结的一部分的自由层的剖视图。
图12和图13是示出根据本发明构思的示例实施例的包括半导体装置的电子装置的示例的示意性框图。
应该注意到的是，这些附图意图示出某些示例实施例中使用的方法、结构和/或材料的总体特性，并且意图对下面提供的书面描述进行补充。然而，这些附图不是按比例绘制的，并且可能不能精确地反映任意给出的实施例的精确的结构或性能特性，并且不应被解释为限定或限制示例实施例包含的性质或值的范围。例如，为清楚起见，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。在各幅附图中的相似或相同的附图标记的使用意图指示相似或相同元件或特征的存在。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述本发明构思的示例实施例，在附图中示出了示例实施例。然而，本发明构思的示例实施例可以以许多不同的形式来实施并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底的和完全的，并将向本领域普通技术人员充分地传达示例实施例的构思。在附图中，为清楚起见，会夸大层和区域的厚度。在附图中，同样的参考标号表示同样的元件，因此可以省略或简略它们的重复描述。
将理解的是，当元件被称为“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到所述另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，则不存在中间元件。用于描述元件或层之间的关系的其他词语应以相似的方式(例如，“在……之间”对“直接在……之间”、“邻近”对“直接邻近”、“在……上”对“直接在……上”)来解释。同样的附图标记始终表示同样的元件。如这里使用的术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任意和所有组合。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可被命名为第二元件、组件、区域、层或部分。
为了易于描述，可以在这里使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“下面的”、“在……上方”和“上面的”等空间相对术语来描述如附图中示出的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解的是，除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意在包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果将附图中的装置翻转，则被描述为“在”其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将随后位于其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可包含在……上方和在……下方两种方位。该装置可被另外定位(旋转90度或在其他方位)并相应地解释这里使用的空间相对描述符。
这里所用的术语仅是出于描述具体的实施例的目的，而不意图成为示例实施例的限制。如这里所用的，除非上下文另外明确地指明，否则单数形式也意图包括复数形式。还应该理解，如果这里使用术语“包含”和/或“包括”，则说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或添加。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明构思的示例实施例所属的领域中的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。进一步将理解的是，除非这里明确这样定义，否则术语(例如在通用的词典中定义的术语)应被解释为具有与相关领域的环境中它们的意思相一致的意思，而将不以理想的或过于正式的含义来解释它们的意思。
图1是示出根据本发明构思的示例实施例的磁性存储装置的单位存储单元的电路图。
参照图1，单位存储单元UMC可以设置在彼此交叉的第一互连线L1和第二互连线L2之间。单位存储单元UMC的元件可以串联连接在第一互连线L1和第二互连线L2之间。单位存储单元UMC可以包括选择器件SW和磁性隧道结MTJ。选择器件SW和磁性隧道结MTJ可以在线L1和L2之间电串联连接。在某些实施例中，第一互连线L1和第二互连线L2中的一个可以用作字线，另一个可以用作位线。
选择器件SW可以被构造成选择性地控制穿过磁性隧道结MTJ的电流。例如，选择器件SW可以是二极管、pnp双极性晶体管、npn双极性晶体管、NMOS(n-沟道金属-氧化物-半导体)场效应晶体管(FET)和PMOS(p-沟道金属-氧化物-半导体)FET中的一种。在选择器件SW是诸如双极性晶体管或MOSFET的三端子开关器件的情形中，额外的互连线可以连接到选择器件SW的栅极或控制电极。
磁性隧道结MTJ可以包括第一垂直磁性结构MS1、第二垂直磁性结构MS2以及设置在第一垂直磁性结构MS1和第二垂直磁性结构MS2之间的隧道势垒TBR。第一垂直磁性结构MS1和第二垂直磁性结构MS2中的每个可以包括至少一个由磁性材料制成的磁性层。在示例实施例中，如图1中所示，磁性隧道结MTJ还可以包括设置在第一垂直磁性结构MS1和选择器件SW之间的第一导电结构CS1以及设置在第二垂直磁性结构MS2和第二互连线L2之间的第二导电结构CS2。
图2和图3是示出根据本发明构思的示例实施例的磁性隧道结的示意图。第一垂直磁性结构MS1和第二垂直磁性结构MS2中的磁性层之一可以被构造成具有固定的磁化方向，磁化方向不因通常环境下产生的外部磁场而改变。在本说明书中，为了方便描述，将使用术语“参考磁性结构PNL”(也被称作钉扎磁性结构(pinned magnetic structure))来表示具有这样的固定的磁化性质的磁性层。相反，第一垂直磁性结构MS1和第二垂直磁性结构MS2的另一磁性层可以被构造成具有可以通过向其施加的外部磁场而切换的磁化方向。在下文中，术语“自由磁性结构FRL”将被用来表示具有这样的可切换的磁化性质的磁性层。例如，如图2和图3中所示，磁性隧道结MTJ可以包括通过隧道势垒TBR分开的至少一个自由磁性结构FRL和至少一个参考磁性结构PNL。
磁性隧道结MTJ的电阻会对自由磁性结构FRL和参考磁性结构PNL的磁化方向的相对取向敏感。例如，当相对取向反平行时磁性隧道结MTJ的电阻可以远远大于相对取向平行时磁性隧道结MTJ的电阻。这意味着可以通过改变自由磁性结构FRL的磁化方向来控制磁性隧道结MTJ的电阻。根据本发明构思的实施例的磁性存储装置可以基于该数据存储机制来实现。
如图2和图3中所示，磁性隧道结MTJ的第一垂直磁性结构MS1和第二垂直磁性结构MS2可以顺序地形成在基底Sub上。在这种情况下，根据自由磁性结构FRL与基底Sub之间的相对构造以及/或者自由磁性结构FRL和参考磁性结构PNL的形成顺序，磁性隧道结MTJ可以例如被分成两种类型：(a)第一种类型的磁性隧道结MTJ1，以第一垂直磁性结构MS1包括参考磁性结构PNL且第二垂直磁性结构MS2包括自由磁性结构FRL的方式来构造，如图2中所示；(b)第二种类型的磁性隧道结MTJ2，以第一垂直磁性结构MS1包括自由磁性结构FRL且第二垂直磁性结构MS2包括参考磁性结构PNL的方式构造，如图3中所示。
图4是示出根据本发明构思的示例实施例的可以构成磁性隧道结的一部分的参考磁性结构的剖视图。
参照图4，根据本发明构思的示例实施例，参考磁性结构PNL可以包括设置在种层(seed layer)101和隧道势垒TBR之间的第一子层、第一交换耦合层(exchange-couplinglayer)105和第二子层。例如，第一子层可以是第一钉扎层PL1，第二子层可以是第二钉扎层PL2。在本实施例中，参考磁性结构PNL可以是图2中示出的第一种类型的磁性隧道结MTJ1的一部分。
种层101可以包括以六方密排(HCP)晶格构造的金属原子。例如，种层101可以包括钌(Ru)和/或钛(Ti)。种层101可以形成为具有范围为(埃)至(埃)的厚度。在其他实施例中，种层101可以包括以面心立方(FCC)晶格构造的金属原子。例如，种层101可以包括铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或铝(Al)中的至少一种。种层101可以包括单层或多层，多层中的至少一个层具有与其他层不同的晶体结构。
隧道势垒TBR可以包括镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁锌(MgZn)和/或镁硼(MgB)的氧化物以及/或者钒(V)和/或钛(Ti)的氮化物中的至少一种。例如，隧道势垒TBR可以由氧化镁(MgO)层形成。可选择地，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)的氧化物中的一种以及钒(V)和/或钛(Ti)的氮化物中的一种。
第一钉扎层PL1可以由呈现固有的(intrinsic)垂直磁化性质的磁性材料(在下文中，称为“垂直磁化材料”)形成。这里，固有的垂直磁化性质是指当没有向其施加外部磁场时，磁性层的磁化方向被定向为平行于其厚度方向或垂直于其主表面。例如，在具有该垂直磁化性质的磁性层形成在基底上的情况下，磁性层的磁化方向可以基本垂直于基底的顶表面。
对于第一钉扎层PL1，可以通过设置有含钴的至少一种垂直磁化材料的单层或多层结构来实现固有的垂直磁化性质。在示例实施例中，第一钉扎层PL1可以是包括钴铂合金或添加有元素X的钴铂合金中的至少一种的多层或单层结构，其中，元素X可以是硼、钌、铬、钽和/或氧化物中的至少一种。在其他实施例中，第一钉扎层PL1可以以多层结构的形式设置，在所述多层结构中，含钴层和贵金属层交替且重复地堆叠。每个含钴层可以是由钴、钴铁、钴镍和/或钴铬形成的层，每个贵金属层可以是由铂和/或钯形成的层。在另外其他的实施例中，第一钉扎层PL1可以以包括所述示例实施例中枚举的材料(例如，钴铂合金或添加有元素X的钴铂合金)中的至少一种和所述其他实施例中枚举的材料(例如，钴、钴铁、钴镍、钴铬、铂和/或钯)中的至少一种的多层结构的形式设置。
在示例实施例中，第一钉扎层PL1可以具有范围为大约(埃)至大约(埃)的厚度，或更具体地说，范围为大约(埃)至大约(埃)的厚度。通过示例来描述用于第一钉扎层PL1的固有的垂直磁化材料以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。例如，第一钉扎层PL1可以包括下面的材料中的至少一种：a)CoFeTb，其中，Tb的相对含量为10％或更大；b)CoFeGd，其中，Gd的相对含量为10％或更大；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或L11结构的CoPt；h)具有六方密排(HCP)结构的CoPt；i)包含存在于a)项至h)项中的至少一种材料的合金；和/或j)包括交替堆叠的磁性层和非磁性层的多层结构。包括交替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、和/或(CoCr/Pd)n中的至少一种，其中，下标n表示堆叠数。在某些实施例中，第一钉扎层PL1还可以包括设置为与第一交换耦合层105接触的钴层或富钴层。
第一交换耦合层105可以由钌、铱和/或铑中的至少一种形成。根据本发明构思的示例实施例，第二钉扎层PL2可以通过第一交换耦合层105反铁磁性地交换耦合到第一钉扎层PL1，从而具有平行于其厚度方向的磁化方向。可以以第二钉扎层PL2可以具有与第一钉扎层PL1的磁化方向反平行的垂直磁化的方式来控制第一交换耦合层105的厚度。例如，第一交换耦合层105的厚度可以在大约(埃)至大约(埃)的范围。
第二钉扎层PL2可以包括与隧道势垒TBR接触的第一结磁性层122以及位于第一结磁性层122和第一交换耦合层105之间的第一缓冲层121。第一结磁性层122可以由呈现固有的面内磁化性质的磁性材料(在下文中，称为“固有的面内磁化材料”)形成。这里，固有的面内磁化性质是指，当不向其施加外部磁场时，磁性层的磁化方向被定向为平行于其纵向方向。例如，在具有固有的面内磁化性质的磁性层形成在基底上的情况下，磁性层的磁化方向可以被定向为基本平行于基底的顶表面。换言之，当不向第一结磁性层122施加外部磁场时，第一结磁性层122可以具有被定向为平行于其具有最大面积的表面的磁化方向。
在示例实施例中，第一结磁性层122的固有的面内磁化性质可以通过包括钴、铁或它们的合金中的至少一种的多层或单层结构来实现。例如，第一结磁性层122可以是包括CoFeB、CoHf、Co和/或CoZr中的至少一种的多层或单层结构。可选择地，第一结磁性层122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设置。固有的面内磁化材料被描述为第一结磁性层122的示例，以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。在某些实施例中，第一结磁性层122可以具有范围为大约(埃)至大约(埃)的厚度，或更具体地说，范围为大约(埃)至大约(埃)的厚度。
外部因素可以将第一结磁性层122的磁化方向从面内状态改变为垂直状态。例如，第一结磁性层122可以形成为与隧道势垒TBR接触，并且这样的接触的结果是，第一结磁性层122可以呈现垂直磁化方向。由于隧道势垒TBR用作改变第一结磁性层122的磁化方向的外部因素，因此第一结磁性层122可以被描述成具有外在的垂直磁化性质。换言之，第一结磁性层122可以具有外在的垂直磁化结构。
在第一结磁性层122形成为与隧道势垒TBR接触的情况下，第一结磁性层122因第一结磁性层122与隧道势垒TBR之间的界面处的界面各向异性而可以呈现外在的垂直磁化性质或用作外在的垂直磁化结构。对于界面各向异性存在多种原因。例如，在隧道势垒TBR包括MgO且第一结磁性层122包括CoFeB的情况下，隧道势垒TBR中的氧原子和第一结磁性层122中的铁原子之间的键合可以导致界面各向异性。当通过隧道势垒TBR和第一结磁性层122之间的界面从第一结磁性层122排出非金属元素(例如，硼)时，可以增强氧原子和铁原子之间的键合。
第一结磁性层122的界面各向异性可以通过执行额外的热处理工艺来实现，可以在沉积第一结磁性层122之后执行所述热处理工艺。例如，就在沉积之后，第一结磁性层122可以包括具有无定形结构的至少一部分，并且通过执行热处理工艺，第一结磁性层122可以转变为具有外在的垂直磁化性质。在热处理工艺期间，第一结磁性层122的晶体结构可以根据隧道势垒TBR的晶体结构来改变。例如，对于具有NaCl晶体结构的隧道势垒TBR，第一结磁性层122的晶体结构可以被改变成具有类似于NaCl晶体结构的体心立方结构。换言之，隧道势垒TBR的<001>晶面和第一结磁性层122的<001>晶面可以彼此接触，从而形成界面。隧道势垒TBR和第一结磁性层122之间的界面处的晶格匹配可以有助于增强磁性隧道结的磁致电阻率。
第一缓冲层121可以包括其结晶性的程度(在下文中，结晶度)低于第一结磁性层122的结晶度的材料。即使在相同的条件下形成两个层时，它们中的一层可能结晶得比另一层少，在本说明书中，术语“低结晶度”将被用来表示前者的这样的结晶化性质。在下文中，将参照图5和图6来更详细地描述第一缓冲层121。
图5是示出根据本发明构思的示例实施例的缓冲层的示意图。在本实施例中，第一缓冲层121可以被构造成磁化方向平行于第一结磁性层122的磁化方向。第一缓冲层121和第一结磁性层122可以反铁磁性地耦合到第一钉扎层PL1。第一缓冲层121的饱和磁化强度可以小于第一结磁性层122的饱和磁化强度。例如，第一缓冲层121可以包括由铁磁元素、非金属元素和/或非磁性金属元素制成的材料中的至少一种。另外，第一缓冲层121可以以非磁性金属元素与整体的比例(例如，重量比或wt％)比第一结磁性层122的非磁性金属元素与整体的比例大的方式构造。非磁性金属元素可以是其原子质量大于钴(Co)的原子质量的元素。例如，非磁性金属元素的原子质量可以大于第一结磁性层122中的任意元素的原子质量。另外，非磁性金属元素的熔点可以比第一结磁性层122中的任意元素的熔点高。可选择地，非磁性金属元素可以包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Hf、Zr、Mo和/或V中的至少一种。铁磁元素可以包括钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)中的至少一种。非金属元素可以是硼(B)。在示例实施例中，第一缓冲层121可以包括由CoFeBTa制成的层。
第一缓冲层121可以以非磁性金属元素与整体的比例在大约3wt％(重量百分数)至大约30wt％(重量百分数)的范围的方式形成。在非磁性金属元素的比例低于3wt％(重量百分数)的情况下，会难以降低第一缓冲层121的结晶度。在非磁性金属元素的比例高于30wt％(重量百分数)的情况下，第一缓冲层121会呈现增强的非磁性的性质，因此，会使第一结磁性层122和第一钉扎层PL1之间的交换耦合弱化。将参照图7来描述比例高于30wt％(重量百分数)的此实施例。
由于存在具有低结晶度的第一缓冲层121，因此能够防止第一交换耦合层105和第一钉扎层PL1的晶体结构通过热处理工艺而被传递到第一结磁性层122。例如，如果第一交换耦合层105比第一钉扎层PL1相对薄，则第一钉扎层PL1的晶体结构可以通过第一交换耦合层105传递到第一结磁性层122。第一钉扎层PL1的晶体结构的这样的传递可以在隧道势垒TBR和第一结磁性层122之间的界面处使晶格匹配性劣化。例如，在第一钉扎层PL1包括具有L11结构的CoPt并且第一缓冲层121没有被设置的情况下，第一结磁性层122的至少一部分可能受第一钉扎层PL1的晶体结构的影响，并且可能转变为具有FCC结构。这可能导致在第一钉扎层PL1和隧道势垒TBR之间的界面处使晶格匹配性劣化，因此，磁性存储装置可以具有减少的磁致电阻率，并且可以使磁性存储装置中的磁性层之间的SAF耦合弱化。
第一缓冲层121的晶体结构可以与第一结磁性层122的晶体结构不同。例如，尽管就在其沉积之后第一缓冲层121的至少一部分具有无定形结构，但是由于第一钉扎层PL1的存在，而可以在热处理工艺期间使第一缓冲层121的至少一部分结晶。在示例实施例中，第一缓冲层121的原子堆积因数(APF)可以比第一结磁性层122的原子堆积因数大。例如，第一缓冲层121的至少一部分可以具有FCC结构，而第一结磁性层122的至少一部分可以具有BCC(体心立方)结构。然而，第一缓冲层121的晶体结构可以不限于此，并且可以根据第一钉扎层PL1的晶体结构而改变。
在热处理工艺期间，第一缓冲层121可以从第一结磁性层122吸收非金属元素(例如，硼)，因此，第一结磁性层122可以具有加强的界面各向异性性质。在示例实施例中，第一缓冲层121的硼浓度可以比第一结磁性层122的硼浓度高。
图6是根据本发明构思的其他示例实施例的用于描述缓冲层的示意图。在本实施例中，第一缓冲层121可以是非磁性层，该非磁性层的厚度小于第一交换耦合层105的厚度的大约一半。例如，第一缓冲层121可以具有大约(埃)或更小的厚度。
在示例实施例中，第一缓冲层121可以是无定形钽层、无定形铂层和/或无定形氮化钛层。在其他示例实施例中，第一缓冲层121可以包括下面材料中的至少一种，所述材料包括铁磁元素、非金属元素和/或非磁性金属元素。另外，第一缓冲层121可以以非磁性金属元素与整体的比例(重量百分数)大于大约30wt％(重量百分数)的方式构造。例如，第一缓冲层121可以包括CoFeBTa的层，在CoFeBTa的层中包含大约30wt％(重量百分数)或更高的钽(Ta)。
图7是根据本发明构思的其他示例实施例的用于描述可以构成磁性隧道结的一部分的参考层的剖视图。参照图7，根据本发明构思的其他示例实施例的参考层可以包括顺序地设置在隧道势垒TBR和第二导电结构CS2之间的第二钉扎层PL2、第一交换耦合层105和第一钉扎层PL1。参考层可以用作参照图3描述的第二种类型的磁性隧道结MTJ2的一部分。第一钉扎层PL1和第二钉扎层PL2可以被构造成具有与图6的特征基本相同的特征，因此，将减少或省略对其的详细描述。
根据本发明构思的示例实施例，可以能够防止或减少结磁性层受第一钉扎层的晶体结构的影响。另外，可以能够加强结磁性层和隧道势垒之间的界面处的晶格匹配。因此，磁性存储装置可以被构造为在磁性层之间具有增加的磁致电阻率和增加的交换耦合强度。
图8至图11是根据本发明构思的示例实施例的用于描述可以构成磁性隧道结的一部分的自由层的剖视图。
图8和图9的剖视图示出构成图2的第一种类型的磁性隧道结MTJ1的自由层。自由磁性结构FRL可以包括顺序地堆叠在隧道势垒TBR和第二导电结构CS2之间的第一自由层FL1、第二交换耦合层106和第二自由层FL2。第一自由层FL1和第二自由层FL2可以通过第二交换耦合层106彼此反铁磁性地交换耦合。
第一自由层FL1可以包括与隧道势垒TBR接触的第二结磁性层162。第二结磁性层162可以由具有固有的面内磁化性质的磁性材料形成。在示例实施例中，第二结磁性层162的固有的面内磁化性质可以通过包括钴、铁或其合金中的至少一种的多层结构或单层结构来实现。例如，第二结磁性层162可以是包括CoFeB、CoHf、Co和/或CoZr中的至少一种的多层结构或单层结构。可选择地，可以以包括Co层和CoHf层的双层结构或者包括CoFeBTa层和CoFeB层的双层结构的形式来设置第二结磁性层162。
外部因素可以将第二结磁性层162的磁化方向从面内状态改变为垂直状态。例如，第二结磁性层162可以形成为与隧道势垒TBR接触，并且在这种情况下，第二结磁性层162可以因它们之间的界面处的界面各向异性而呈现外在的垂直磁化性质或用作外在的垂直磁化结构。
第二交换耦合层106可以是非磁性金属层。例如，第二交换耦合层106可以由钽、钌、铱和/或铑中的至少一种形成。第二自由层FL2可以包含与第一自由层FL1相同的材料。例如，自由磁性结构FRL可以包括一对自由层FL1和FL2以及插入在自由层FL1和FL2之间并且由钽形成的第二交换耦合层106，自由层FL1和FL2可以由钴-铁-硼(CoFeB)合金形成。
在其他实施例中，第二自由层FL2可以由具有固有的垂直磁化性质的磁性材料形成。固有的垂直磁化性质可以通过包括至少一种含钴的垂直磁化材料的单层或多层结构来实现。例如，第二自由层FL2可以是包括钴铂合金或添加有元素X的钴铂合金的单层或多层结构，其中，元素X是硼、钌、铬、钽或氧化物中的至少一种。可选择地，第二自由层FL2可以以包括彼此交替堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构的形式设置。含钴层可以由钴、钴铁、钴镍和钴铬中的一种形成，贵金属层可以由铂和钯中的一种形成。在某些实施例中，第二自由层FL2可以以包括材料(例如，钴铂合金或添加有元素X的钴铂合金)中的至少一种和上面枚举的材料(例如，钴、钴铁、钴镍、钴铬、铂和/或钯)中的至少一种的多层结构的形式设置。
在示例实施例中，如图8中所示，第二结磁性层162可以接触第二交换耦合层106。在其他实施例中，如图9中所示，第一自由层FL1可以包括位于第二交换耦合层106和第二结磁性层162之间的第二缓冲层161。在下文中，将更详细地描述第二缓冲层161。
第二缓冲层161可以包括结晶度低于第二结磁性层162的结晶度的材料。在示例实施例中，第二缓冲层161的磁化方向可以平行于第二结磁性层162的磁化方向。第二缓冲层161的饱和磁化强度可以小于第二结磁性层162的饱和磁化强度。例如，第二缓冲层161可以包括铁磁元素、非金属元素和/或非磁性金属元素。此外，第二缓冲层161可以以非磁性金属元素与整体的比例(例如，重量百分数)比第二结磁性层162的非磁性的金属元素与整体的比例大的方式构造。非磁性金属元素可以是原子质量比钴(Co)的原子质量大的元素。可选择地，非磁性金属元素可以包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Hf、Zr、Mo和/或V中的至少一种。铁磁元素可以是钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)中的至少一种。非金属元素可以是硼(B)。在示例实施例中，第二缓冲层161可以包括由CoFeBTa制成的层。
第二缓冲层161可以以非磁性金属元素与整体的比例在大约3wt％(重量百分数)至大约30wt％(重量百分数)的范围的形式形成。在非磁性金属元素的比例低于3wt％(重量百分数)的情况下，会难以降低第二缓冲层161的结晶度。在非磁性金属元素的比例高于30wt％(重量百分数)的情况下，第二缓冲层161可以呈现增强的非磁性的性质，因此，会使第二结磁性层162和第一钉扎层PL1之间的交换耦合弱化。
由于存在具有低结晶度的第二缓冲层161，因此可以能够减少/防止第二自由层FL2的晶体结构通过热处理工艺而被传递到第二结磁性层162。第二缓冲层161的晶体结构可以与第二结磁性层162的晶体结构不同。例如，尽管就在其沉积之后第二缓冲层161的至少一部分具有无定形结构，但是因第二自由层FL2的存在而使得第二缓冲层161的所述至少一部分可以在热处理工艺期间结晶。在示例实施例中，第二缓冲层161的原子堆积因数(APF)可以比第二结磁性层162的原子堆积因数大。例如，第二缓冲层161的至少一部分可以具有FCC结构，而第二结磁性层162的至少一部分可以具有BCC结构。
在热处理工艺期间，第二缓冲层161可以吸收来自第二结磁性层162的非金属元素(例如，硼)，因此，第二结磁性层162可以具有加强的界面各向异性性质。因此，第二缓冲层161的硼浓度可以比第二结磁性层162的硼浓度高。
第二缓冲层161可以是非磁性层，该磁性层的厚度小于第二交换耦合层106的厚度的大约一半。例如，第二缓冲层161可以具有大约(埃)或更小的厚度。在示例实施例中，第二缓冲层161可以包括无定形碳层、无定形铂层和/或无定形氮化钛层。在其他实施例中，第二缓冲层161可以包括下面材料中的至少一种，所述材料包括铁磁元素、非金属元素和/或非磁性金属元素。另外，第二缓冲层161可以以非磁性金属元素与整体的比例(重量百分数)大于大约30wt％(重量百分数)的方式构造。例如，第二缓冲层161可以包括CoFeBTa的层，在CoFeBTa的层中包含大约30wt％(重量百分数)或更高的钽(Ta)。
图10和图11的剖视图示出了构成图3的第二种类型的磁性隧道结MTJ2的自由层。自由磁性结构FRL可以包括顺序地堆叠在种层101和隧道势垒TBR之间的第二自由层FL2、第二交换耦合层106和第一自由层FL1。第一自由层FL1和第二自由层FL2可以通过第二交换耦合层106彼此反铁磁性地交换耦合。除了第一自由层FL1和第二自由层FL2的位置的差别以外，第一自由层FL1和第二自由层FL2可以被构造为具有与参照图8和图9描述的先前实施例的那些特征基本相同的特征，因此，可以省略/减少其详细的描述。
下面详细描述根据本发明的一个示例实施例的形成磁性存储装置的方法。所述方法可以包括：形成自由磁性层(FRL)；在自由磁性层上形成隧道势垒层；在隧道势垒层上形成无定形的结磁性层；以及在无定形的结磁性层上形成无定形的缓冲层。在形成隧道势垒层、无定形的结磁性层和无定形的缓冲层之后，可以对无定形的结磁性层和无定形的缓冲层进行退火，以使无定形的结磁性层转变为结晶的结磁性层，同时维持无定形的缓冲层，使得在退火之后，结晶的结磁性层的结晶度大于无定形的缓冲层的结晶度。
在本示例实施例中，该方法还可以包括：在退火处理之后，在结晶的结磁性层上形成交换耦合层；在交换耦合层上形成钉扎层。
在本示例实施例中，可以在退火处理之前，在无定形的结磁性层上形成交换耦合层，可以在交换耦合层上形成钉扎层。
此外，在其他示例实施例中，制造磁性存储装置的方法可以包括：在基底上形成钉扎层，在钉扎层上形成交换耦合层，在交换耦合层上形成无定形的缓冲层，在无定形的缓冲层上形成无定形的结磁性层以及在无定形的结磁性层上形成隧道势垒层。可以对无定形的结磁性层和无定形的缓冲层进行退火，以使无定形的结磁性层转变成结晶的结磁性层，同时维持无定形的缓冲层，使得结晶的结磁性层的结晶度大于无定形的缓冲层的结晶度。
在其他示例实施例中，该方法还可以包括在隧道势垒层上形成自由磁性层(FRL)。
图12和图13是示意性地示出根据本发明构思的示例实施例的包括半导体装置的电子装置的框图。
参照图12，包括根据本发明构思的示例实施例的半导体装置的电子装置1100可以用在个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、移动计算机、网络本、无线电话、手机、数字音乐播放器、有线或无线电子装置或者包括这些功能的组合的复杂的电子装置中的一种。电子装置1100可以包括通过总线1150彼此连接/结合的控制器1110、输入/输出装置1120(诸如按键、键盘、显示器等)、存储器装置1130和/或无线接口1140。控制器1110可以包括例如至少一个微处理器、数字信号处理器、微控制器等。存储器装置1130可以被构造成存储将被控制器1110使用的指令代码和/或用户数据。存储器装置1130可以包括根据本发明构思的示例实施例的半导体装置。电子装置1100可以使用被构造成利用RF(射频)信号向无线通信网络发送数据和/或从无线通信网络接收数据。无线接口1140可以包括例如天线、无线收发器等。电子系统1100可以根据下面的标准用在通信系统的通信接口协议中，所述标准为诸如CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、市政Wi-Fi、蓝牙、DECT、无线USB、闪速OFDM、IEEE802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、WiMAX-Advanced、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、LTE-Advanced、MMDS等。
参照图13，将描述包括根据本发明构思示例实施例的半导体装置的存储系统。存储系统1200可以包括用于储存相对大量数据的存储器1210以及存储器控制器1220。存储器控制器1220控制存储器1210，以响应于主机的读取/写入请求而经由主机接口(I/F)1223和存储器接口(I/F)1225读取储存在存储器1210中的数据或者将数据写入存储器1210中。存储器控制器1220可以包括用于将从主机(例如，移动装置或计算机系统)提供的地址映射为存储器1210的物理地址的地址映射表。存储器控制器1220还可以包括静态随机存取存储器(SRAM)1221、中央处理单元(CPU)1222和错误检查和校正(ECC)块1224。存储器1210可以是根据本发明构思的示例实施例的半导体装置。
可以利用各种不同的封装技术来包封上面公开的半导体存储装置。例如，可以利用下面封装技术中的任意一种来包封根据前面提及的实施例的半导体存储装置：层叠封装(POP)技术、球栅阵列(BGA)技术、芯片级封装(CSP)技术、塑料引线芯片载体(PLCC)技术、塑料双列直插式封装(PDIP)技术、华夫裸片封装技术(die in waffle pack technique)、晶片形式的裸片技术(die in wafer form technique)、板上芯片(COB)技术、陶瓷双列直插式封装(CERDIP)技术、塑料方块扁平封装(PQFP)技术、薄型四方扁平封装(TQFP)技术、小外形封装(SOIC)技术、收缩型小外形封装(SSOP)技术、薄型小外形封装(TSOP)技术、系统级封装(SIP)技术、多芯片封装(MCP)技术、晶片级制造封装(WFP)技术和晶片级处理堆叠封装(WSP)技术。
安装有根据以上实施例中的一个的半导体存储装置的封装件可以进一步包括控制半导体存储装置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，磁性存储装置可以被设置为在磁性层之间具有增加的磁致电阻率和/或增强的反铁磁性耦合。
尽管已经具体示出并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的是，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的改变。

Claims (22)

1.一种磁性存储装置，所述磁性存储装置包括：
自由磁性结构；
隧道势垒层；以及
钉扎磁性结构，其中，隧道势垒层位于自由磁性结构和钉扎磁性结构之间，其中，钉扎磁性结构包括第一钉扎层和第二钉扎层以及位于第一钉扎层和第二钉扎层之间的交换耦合层，其中，第二钉扎层位于第一钉扎层和隧道势垒层之间，其中，第二钉扎层包括结磁性层以及位于结磁性层和交换耦合层之间的缓冲层，其中，缓冲层包括包含非磁性金属元素的材料的层，其中，结磁性层和缓冲层具有不同的结晶特性，其中，结磁性层的结晶度比缓冲层的结晶度高。
2.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，非磁性金属元素的原子质量比结磁性层中的任意元素的原子质量大。
3.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，非磁性金属元素的熔点比结磁性层中的任意元素的熔点高。
4.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，缓冲层的材料中的非磁性金属元素的重量百分数大于结磁性层中的非磁性金属元素的重量百分数。
5.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，非磁性金属元素包括钽、钨、铌、钛、铬、铪、锆、钼和钒中的至少一种。
6.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，缓冲层的材料还包括铁磁元素和非金属元素。
7.如权利要求6所述的磁性存储装置，其中，铁磁元素包括钴、铁和镍中的至少一种，其中，非金属元素包括硼。
8.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，结磁性层具有体心立方晶体结构，缓冲层具有无定形结构。
9.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，结磁性层包括钴、铁和它们的合金中的至少一种。
10.如权利要求9所述的磁性存储装置，其中，结磁性层包括CoFeB、CoHf、Co和CoZr中的至少一种。
11.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，隧道势垒层包括氧化镁。
12.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，交换耦合层包括钌、铱和铑中的至少一种。
13.如权利要求1所述的磁性存储装置，所述磁性存储装置还包括：
基底，其中，自由磁性结构位于基底和钉扎磁性结构之间。
14.如权利要求1所述的磁性存储装置，所述磁性存储装置还包括：
基底，其中，钉扎磁性结构位于基底和自由磁性结构之间。
15.一种磁性存储装置，所述磁性存储装置包括：
自由磁性结构；
隧道势垒层；以及
钉扎磁性结构，其中，隧道势垒层位于自由磁性结构和钉扎磁性结构之间，其中，钉扎磁性结构包括第一钉扎层和第二钉扎层以及位于第一钉扎层和第二钉扎层之间的交换耦合层，其中，第二钉扎层位于第一钉扎层和隧道势垒层之间，其中，第二钉扎层包括结磁性层以及位于结磁性层和交换耦合层之间的缓冲层，其中，结磁性层和缓冲层具有不同的结晶特性，其中，结磁性层的结晶度大于缓冲层的结晶度。
16.如权利要求15所述的磁性存储装置，其中，结磁性层具有体心立方晶体结构，缓冲层具有无定形结构。
17.如权利要求15所述的磁性存储装置，其中，结磁性层包括钴、铁和它们的合金中的至少一种。
18.如权利要求17所述的磁性存储装置，其中，结磁性层包括CoFeB、CoHf、Co和CoZr中的至少一种。
19.如权利要求17所述的磁性存储装置，其中，缓冲层包括包含非磁性金属元素、铁磁元素和非金属元素的材料的层。
20.如权利要求19所述的磁性存储装置，其中，缓冲层的材料中的非磁性金属元素的重量百分数大于结磁性层中的非磁性金属元素的重量百分数。
21.如权利要求19所述的磁性存储装置，其中，非磁性金属元素的原子质量比钴的原子质量大。
22.如权利要求19所述的磁性存储装置，其中，非磁性金属元素包括钽、钨、铌、钛、铬、铪、锆、钼和钒中的至少一种。
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