CN104658593A - 具有垂直磁隧道结构的磁存储器装置 - Google Patents

具有垂直磁隧道结构的磁存储器装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁存储单元和磁存储器装置。磁存储单元包括磁隧道结和第一电极，所述第一电极通过第一导电结构电耦合至所述磁隧道结。所述第一导电结构包括阻挡层和在阻挡层与磁隧道结之间延伸的晶种层。所述阻挡层形成为非晶金属化合物。在一些实施例中，阻挡层是经热处理的层，并且在热处理期间和之后保持阻挡层的非晶状态。

Description

具有垂直磁隧道结构的磁存储器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年11月18日在韩国知识产权提交的韩国专利申请No.10-2013-0140135的优先权，该申请的公开全文以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明构思涉及磁存储器装置，并且更具体地说，涉及在其中具有垂直磁隧道结的磁存储器装置。
背景技术
随着包括半导体存储器装置的高速和/或低功耗电子装置的发展，需要高速和/或低电压半导体存储器装置。为了满足这些需要，已提出了磁存储器装置。磁存储器装置具有高速和/或非易失性特性，从而作为下一代半导体存储器装置而备受关注。
通常，磁存储器装置可包括磁隧道结(MTJ)图案。MTJ图案可包括两个磁层和介于它们之间的绝缘层。MTJ图案的电阻值可根据所述两个磁层的磁化方向而变化。例如，如果所述两个磁层的磁化方向彼此反向平行，则MTJ图案可具有高电阻值。如果所述两个磁层的磁化方向彼此平行，则MTJ图案可具有低电阻值。可利用MTJ图案的高电阻值和低电阻值之间的差写/读逻辑数据。
随着电子工业的发展，越来越多地需要高度集成和/或低功耗的磁存储器装置。因此，已经针对能够满足需要的磁存储器装置进行了各种研究。
发明内容
根据本发明的实施例的磁存储器装置包括电连接至对应的字线和位线的磁存储单元的阵列。根据本发明的这些实施例中的一些，磁存储单元可包括磁隧道结(MTJ)和通过第一导电结构电耦合至磁隧道结的第一电极。该第一导电结构可包括阻挡层和在阻挡层与磁隧道结之间延伸的晶种层。阻挡层可形成为或至少包括非晶金属化合物材料。
在本发明的一些实施例中，将阻挡层沉积、图案化和热处理。另外，优选地在热处理期间和之后保持阻挡层的非晶状态。阻挡层可包括例如铁磁元素、非金属元素和非磁性金属元素。非金属元素可选自于由硼和氮以及它们的组合组成的组。阻挡层中的非磁性金属元素的含量比可在约15wt％至约50wt％的范围内。
根据本发明的其它实施例的磁存储器装置可包括第一垂直磁结构和第二垂直磁结构(MS1、MS2)，在它们之间具有隧道势垒层。提供通过第一垂直磁结构与隧道势垒层分离的电极。提供在第一垂直磁结构与电极之间延伸的阻挡层。阻挡层包括非晶金属化合物。该阻挡层通常为经热处理的层，并且在热处理期间和热处理之后得到保持阻挡层的非晶状态。阻挡层可由铁磁元素、非金属元素和非磁性金属元素形成。
在本发明的一些实施例中，铁磁元素选自于由钴、铁和镍以及它们的组合组成的组，而非金属元素选自于由硼和氮以及它们的组合组成的组。非磁性金属元素可选自于由以下元素以及它们的组合组成的组：钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铝(Al)、镁(Mg)、钌(Ru)和钒(V)。例如，在本发明的一些实施例中，阻挡层可形成为钴铁硼钽(CoFeBTa)层。在本发明的另一些实施例中，阻挡层中的非磁性金属元素的含量比在约15wt％至约50wt％的范围内。阻挡层可形成为具有约至约的范围内的厚度。
根据本发明的另一些实施例，可提供在第一垂直磁结构与阻挡层之间延伸的晶种层。阻挡层可与晶种层接触。第一垂直磁结构还可包括：(i)交换耦合层，其在隧道势垒层与晶种层之间延伸；(ii)第一磁层，其具有固定磁化方向，并且在隧道势垒层与交换耦合层之间延伸；以及(iii)第二磁层，其具有固定磁化方向，并且在交换耦合层与晶种层之间延伸。在本发明的另外的实施例中，第一垂直磁结构包括在隧道势垒层与晶种层之间延伸的具有可变磁化方向的磁层。
根据本发明的其它实施例，所述电极是第一电极并且阻挡层是第一阻挡层，并且存储器装置还包括：(i)第二电极，其与隧道势垒层间隔开，第二垂直磁结构在第二电极与隧道势垒层之间延伸；以及(ii)第二阻挡层，其在第二垂直磁结构与第二电极之间延伸。第二阻挡层可包括非晶金属化合物。该存储器装置还可包括：晶种层，其在第一垂直磁结构与第一阻挡层之间延伸；以及覆盖层，其在第二垂直磁结构与第二阻挡层之间延伸。第一阻挡层可与晶种层的一个表面接触，并且第二阻挡层可与覆盖层的一个表面接触。
根据本发明的其它实施例的磁存储器装置可包括：磁隧道结，其包括自由层、被钉扎层和处于自由层与被钉扎层之间的隧道势垒；在磁隧道结上的电极；以及在磁隧道结与电极之间的阻挡层。阻挡层的饱和磁化值小于构成磁隧道结的磁层的饱和磁化值。
附图说明
鉴于附图和下面的详细说明，本发明构思将变得更加清楚。
图1是示出根据本发明构思的示例实施例的磁存储器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隧道结的示图；
图4是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器装置的剖视图；
图5是示出根据本发明构思的其它实施例的磁存储器装置的剖视图；
图6是示出根据本发明构思的另外一些实施例的磁存储器装置的剖视图；
图7和图8是示出根据本发明构思的实施例的构成磁隧道结的一部分的第一垂直磁结构的示例的剖视图；
图9和图10是示出根据本发明构思的实施例的构成磁隧道结的一部分的第二垂直磁结构的示例的剖视图；以及
图11和图12是示出包括根据本发明构思的实施例的磁存储器装置的电子装置的示意性框图。
具体实施方式
下文中将参照其中示出了本发明构思的示例性实施例的附图更加充分地描述本发明构思。通过以下将参照附图更加详细地描述的示例性实施例，本发明构思和实现它们的方法的优点和特点将变得清楚。然而，应该注意的是本发明构思不限于以下示例性实施例，而是可按照各种形式实现。因此，提供示例性实施例仅用于公开本发明构思并让本领域技术人员知道本发明构思的范畴。在图中，本发明构思的实施例不限于本文提供的特定示例，并且为了清楚起见可进行夸大。
本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文清楚地指明不是这样，否则单数形式“一个”、“一”和“该”也旨在包括复数形式。如本文所用，术语“和/或”包括相关所列项之一或多个的任何和所有组合。应该理解，当元件被称作“连接至”或“耦合至”另一元件时，其可直接连接至或耦合至所述另一元件，或者可存在中间元件。
相似地，应该理解，当诸如层、区或衬底的元件被称作“位于”另一元件“上”时，其可直接位于所述另一元件上，或者可存在中间元件。相反，术语“直接”意指不存在中间元件。还应该理解，当本文使用术语“包括”、“包括……的”、“包含”和/或“包含……的”时，其指明存在所列特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
另外，将参照作为本发明构思的理想示例性示图的剖视图来描述具体实施方式中的实施例。因此，可根据制造技术和/或容许误差修改示例性示图的形状。因此，本发明构思的实施例不限于示例性示图中示出的特定形状，而是可包括可根据制造工艺生成的其它形状。图中例示的区域具有一般性质，并且用于示出元件的具体形状。因此，不应将它们理解为限制本发明构思的范围。
还应该理解，本文可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但是这些元件不应由这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。因此，一些实施例中的第一元件可在其它实施例中被称作第二元件，而不脱离本发明的教导的范围。本文解释和示出的本发明构思的各方面的示例性实施例包括它们的互补对应部分。相同的标号或相同的指示符在说明书中始终指代相同的元件。
另外，本文参照作为理想的示例性示图的剖视图和/或平面图描述示例性实施例。因此，能够预见作为例如制造技术和/或公差的结果的所述示图的形状的变形形式。因此，不应该将示例性实施例理解为限于本文示出的区的形状，而是包括由例如制造导致的形状的偏离。例如，示为矩形的蚀刻区将通常具有圆形或弯曲特征。因此，图中示出的区实际上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出装置的区的实际形状，并且不旨在限制示例实施例的范围。
图1是示出根据本发明构思的示例实施例的磁存储器装置的单位存储单元的电路图。参照图1，单位存储单元UMC设置在彼此交叉的第一互连部分L1和第二互连部分L2之间。单位存储单元UMC连接至第一互连部分L1和第二互连部分L2。单位存储单元UMC可包括开关组件SW和磁隧道结MTJ。开关组件SW和磁隧道结MTJ可以以串联方式彼此电连接。第一互连部分L1和第二互连部分L2中的一个可用作字线，而第一互连部分L1和第二互连部分L2中的另一个可用作位线。
开关组件SW可被配置为选择性地控制通过磁隧道结MTJ的电荷流。例如，开关组件SW可为二极管、PNP双极晶体管、NPN双极晶体管、NMOS场效应晶体管和PMOS场效应晶体管中的一种。如果开关组件SW是一种诸如双极晶体管或MOS场效应晶体管的三端子元件，则可将额外互连部分(未示出)连接至开关组件SW。
磁隧道结MTJ可包括第一垂直磁结构MS1、第二垂直磁结构MS2和设置在第一垂直磁结构MS1与第二垂直磁结构MS2之间的隧道势垒TBR。第一垂直磁结构MS1和第二垂直磁结构MS2的每一个可包括由磁性材料形成的至少一个磁层。在一些实施例中，单位存储单元UMC还可包括设置在第一垂直磁结构MS1与开关组件SW之间的第一导电结构CS1以及设置在第二垂直磁结构MS2与第二互连部分L2之间的第二导电结构CS2，如图1所示。
图2和图3是示出根据本发明构思的示例实施例的磁隧道结的示图。参照图2和图3，在正常使用环境下，不管外部磁场如何，第一垂直磁结构MS1的磁层和第二垂直磁结构MS2的磁层中的一个的磁化方向都是固定的。下文中，将具有这种固定磁化特性的磁层定义为被钉扎层PNL。可通过施加的外部磁场或编程电流中的电子的自旋转移矩来转换第一垂直磁结构MS1和第二垂直磁结构MS2的磁层中的另一个的磁化方向。下文中，将具有这种可转换的磁化特性的磁层定义为自由层FRL。磁隧道结MTJ可包括至少一个自由层FRL和通过隧道势垒TBR与至少一个自由层FRL分离的至少一个被钉扎层PNL。
磁隧道结MTJ的电阻可取决于自由层FRL和被钉扎层PNL的磁化方向。例如，当自由层FRL和被钉扎层PNL的磁化方向彼此平行时，磁隧道结MTJ可具有第一电阻，而当自由层FRL和被钉扎层PNL的磁化方向彼此反向平行时，磁隧道结MTJ可具有大于第一电阻的第二电阻。结果，可通过改变自由层FRL的磁化方向来控制磁隧道结MTJ的电阻。这可作为根据本发明构思的实施例的磁存储器装置的数据存储原理使用。
磁隧道结MTJ的第一垂直磁结构MS1和第二垂直磁结构MS2可依次堆叠在衬底100上，如图2和图3所示。在这种情况下，根据自由层FRL与衬底100之间的相对位置和/或自由层FRL和被钉扎层PNL的形成次序，磁隧道结MTJ可为两种类型之一。在一些实施例中，磁隧道结MTJ可为第一类型磁隧道结MTJ1，其中第一垂直磁结构MS1包括被钉扎层PNL而第二垂直磁结构MS2包括自由层FRL，如图2所示。在其它实施例中，磁隧道结MTJ可为第二类型磁隧道结MTJ2，其中第一垂直磁结构MS1包括自由层FRL而第二垂直磁结构MS2包括被钉扎层PNL，如图3所示。
图4是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器装置的剖视图。参照图4，第一介电层102可设置在衬底100上，并且下接触插塞104可穿过第一介电层102。下接触插塞104的底表面可电连接至开关组件的一个端子。衬底100可包括具有半导体性质的材料、绝缘材料、覆盖有绝缘材料的半导体和覆盖有绝缘材料的导体中的至少一种。在一些实施例中，衬底100可为硅晶圆。第一介电层102可包括氧化物(例如，二氧化硅)、氮化物(例如，氮化硅)和/或氧氮化物(例如，氧氮化硅)。下接触插塞104可包括导电材料。例如，下接触插塞104可包括掺杂有掺杂物的半导体(例如，掺杂硅、掺杂锗或掺杂硅锗)、金属(例如，钛、钽或钨)和导电金属氮化物(例如，氮化钛或氮化钽)中的至少一种。
第一导电结构CS1、磁隧道结MTJ和第二导电结构CS2可依次堆叠在第一介电层102上。第一导电结构CS1可电连接至下接触插塞104的顶表面。第一导电结构CS1、磁隧道结MTJ和第二导电结构CS2可具有彼此对齐的侧壁。
第一导电结构CS1可包括第一介电层102上的第一电极106、第一电极106上的晶种层110和第一电极106与晶种层110之间的阻挡层108。磁隧道结MTJ可包括晶种层110上的第一垂直磁结构MS1、第一垂直磁结构MS1上的第二垂直磁结构MS2和第一垂直磁结构MS1与第二垂直磁结构MS2之间的隧道势垒TBR。更详细地说，第一垂直磁结构MS1可设置在晶种层110与隧道势垒TBR之间，第二垂直磁结构MS1可设置在隧道势垒TBR与第二导电结构CS2之间。第二导电结构CS2可包括第二垂直磁结构MS2上的第二电极114和第二垂直磁结构MS2与第二电极114之间的覆盖层112。
第一电极106可电连接至下接触插塞104的顶表面。第一电极106可包括具有预定晶体结构的导电材料。在一些实施例中，第一电极106可包括诸如氮化钛和/或氮化钽的导电金属氮化物。阻挡层108可包括非晶金属化合物。下文中，金属化合物意指由金属元素和与该金属元素不同的元素构成的材料。当沉积阻挡层108时，阻挡层108可处于非晶状态。另外，在沉积阻挡层108之后执行的退火工艺之后可保持阻挡层108的非晶状态。
在第一实施例中，阻挡层108可为包括由铁磁元素、非金属元素和非磁性金属元素构成的金属化合物的薄层。铁磁元素可包括钴、铁和镍中的至少一个。非金属元素可包括硼、氮和氧中的至少一个。非磁性金属元素可包括钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铝(Al)、镁(Mg)、钌(Ru)和钒(V)中的至少一个。在一些实施例中，阻挡层108可包括钴铁硼钽(CoFeBTa)。在这种情况下，阻挡层108的饱和磁化(Ms)值可小于包括在磁隧道结MTJ中的磁层的饱和磁化值。在一些实施例中，阻挡层108的饱和磁化值可为约10emu/cm3或更小。
阻挡层108中的非磁性金属元素的含量比可在约15wt％至约50wt％的范围内。如果非磁性金属元素的含量比小于约15wt％，则难以减小阻挡层108的饱和磁化值。另外，阻挡层108会通过退火工艺结晶，从而难以保持阻挡层108的非晶状态。如果非磁性金属元素的含量比大于约50wt％，则阻挡层108也会通过退火工艺结晶，从而难以保持阻挡层108的非晶状态。
在第二实施例中，阻挡层108可为包括由非磁性金属元素和氧元素构成的金属化合物的薄层。非磁性金属元素可包括钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铝(Al)、镁(Mg)、钌(Ru)和钒(V)中的至少一个。在一些实施例中，阻挡层108可包括氧化钌(RuOx)。在这种情况下，阻挡层108可为非磁层。换句话说，阻挡层108的饱和磁化值可为0(零)emu/cm3。在另外一些实施例中，阻挡层108可具有包括上述第一实施例的一个薄层和上述第二实施例的一个薄层的多层结构。
阻挡层108的厚度可在约至约的范围内。在一些实施例中，即使阻挡层108的沉积厚度为约或更小，阻挡层108也不会通过退火工艺结晶，而且可保持阻挡层108的非晶状态。可通过在沉积阻挡层108之后且在沉积晶种层110之前执行的平面化工艺而使阻挡层108具有平面化的顶表面U1。
通常，第一电极106会具有预定晶体结构，并会在其与晶种层110之间具有金属层的情况下邻近于晶种层110。该金属层在沉积工艺期间会处于非晶状态，但随后会通过在沉积工艺之后执行的退火工艺结晶。因此，第一电极106的晶体结构会通过该金属层转移至晶种层110。转移的晶体结构会影响利用晶种层110作为晶种所形成的磁隧道结MTJ的晶体结构和取向。结果，磁隧道结MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性会变差。另外，磁隧道结MTJ中的磁层之间的交换耦合特性也会变差。
根据本发明构思的实施例，在沉积包括非晶金属化合物的阻挡层108之后执行的退火工艺不会使阻挡层108结晶，从而在退火工艺之后可保持阻挡层108的非晶状态。由于阻挡层108设置在第一电极106与晶种层110之间，因此可防止第一电极106的晶体结构通过退火工艺转移至晶种层110。换句话说，可防止第一电极106的晶体结构通过退火工艺经晶种层110影响磁隧道结MTJ的晶体结构和取向。因此，可提高磁隧道结MTJ的TMR特性和交换耦合特性。
晶种层110可包括能够促进包括在磁隧道结MTJ中的磁层的晶体生长的材料。在一些实施例中，晶种层110可包括构成六方密排(HCP)晶格的金属原子。例如，晶种层110可包括钌(Ru)和钛(Ti)中的至少一个。在其它实施例中，晶种层110可包括构成面心立方(FCC)晶格的金属原子。例如，晶种层110可包括铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和铝(Al)中的至少一个。晶种层110可具有单层。作为另外一种选择，晶种层110可包括具有彼此不同的晶体结构的多层。
图7和图8是示出构成根据本发明构思的实施例的磁隧道结的一部分的第一垂直磁结构的示例的剖视图。参照图7，第一垂直磁结构MS1可包括依次堆叠在晶种层110与隧道势垒TBR之间的第一被钉扎层130、第一交换耦合层132和第二被钉扎层134。根据当前实施例的第一垂直磁结构MS1可为多层磁结构，其包括参照图2描述的第一类型磁隧道结MTJ1中包括的被钉扎层PNL。
更详细地说，第一被钉扎层130可设置在晶种层110与第一交换耦合层132之间，并且第二被钉扎层134可设置在第一交换耦合层132与隧道势垒TBR之间。可由具有固有(intrinsic)垂直磁化特性的磁性材料(下文中，称作“垂直磁性材料”)形成第一被钉扎层130。这里，固有垂直磁化特性意指,当不存在外部因素时磁层具有平行于磁层的厚度方向的磁化方向。在一些实施例中，如果在衬底上形成具有固有垂直磁化特性的磁层，则该磁层的磁化方向会基本垂直于衬底的顶表面。
可通过包括至少一种垂直磁性材料(包括钴)的单层或多层结构来实现第一被钉扎层130的固有垂直磁化特性。在一些实施例中，第一被钉扎层130可为包括钴铂合金或具有成分X的钴铂合金的单层或多层结构。成分X可包括硼、钌、铬、钽和氧化物中的至少一个。在其它实施例中，第一被钉扎层130可具有包括交替和重复地堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构。在这种情况下，含钴层可由钴、钴铁、钴镍和钴铬之一形成，贵金属层可由铂和钯之一形成。在另外一些实施例中，第一被钉扎层130可具有包括上述一些实施例的一个结构和上述其它实施例的一个结构的多层结构。
在一些实施例中，第一被钉扎层130的厚度可在约至约的范围内。更具体地说，第一被钉扎层130的厚度可在约至约的范围内。第一被钉扎层130的上述材料被描述为第一被钉扎层130的具有固有垂直磁化特性的材料的示例。然而，本发明构思不限于此。在其它实施例中，第一被钉扎层130可包括：钴铁铽(CoFeTb)，其包括含量比为约10％或更多的铽；钴铁钆(CoFeGd)，其包括含量比为约10％或更多的钆(Gd)；钴铁镝(CoFeDy)；具有L10结构的铁铂(FePt)；具有L10结构的铁钯(FePd)；具有L10结构的钴钯(CoPd)；具有L10或L11结构的钴铂(CoPt)；具有六方密排(HCP)结构的钴铂(CoPt)；或者包括它们中的至少一个的任何合金。在另外一些实施例中，第一被钉扎层130可具有包括交替和重复地堆叠的磁层和非磁层的结构。包括交替和重复地堆叠的磁层和非磁层的结构可为(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(Co/Pd)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n或(CoCr/Pd)n(其中“n”是等于或大于2的自然数)中的一个。在一些实施例中，第一被钉扎层130还可包括与第一交换耦合层132接触的钴层或富钴层。
第一交换耦合层132可由钌、铱和铑中的至少一个形成。根据本发明构思的实施例，由于通过第一交换耦合层132在第一被钉扎层130与第二被钉扎层134之间引起的反铁磁交换耦合,第二被钉扎层134可以具有平行于第二被钉扎层134的厚度方向的磁化方向。第一交换耦合层132可具有能够将第二被钉扎层134的磁化方向改变为与第一被钉扎层130的磁化方向反向平行的方向的厚度。在一些实施例中，第一交换耦合层132的厚度可在约至约的范围内。
可由具有固有水平磁化特性的磁性材料形成第二被钉扎层134。这里，固有水平磁化特性意指,当不存在外部因素时磁层具有平行于磁层的长度(longitudinal)方向的磁化方向。在一些实施例中，如果在衬底上形成具有固有水平磁化特性的磁层，则磁层的磁化方向可基本平行于衬底的顶表面。换句话说，当不存在外部因素时，第二被钉扎层134的磁化方向可平行于第二被钉扎层134的最宽表面。
在一些实施例中，可通过包括钴、铁和它们的合金中的至少一个的单层或多层结构来实现第二被钉扎层134的固有水平磁化特性。例如，第二被钉扎层134可具有包括钴铁硼(CoFeB)、钴铪(CoHf)、钴(Co)和钴锆(CoZr)中的至少一个的单层或多层结构。更详细地说，第二被钉扎层134可具有包括钴(Co)层和钴铪(CoHf)层的多层结构，或包括钴铁硼(CoFeB)层的多层结构。这些材料仅是第二被钉扎层134的具有固有水平磁化特性的材料的示例。然而，本发明构思不限于此。在一些实施例中，第二被钉扎层134的厚度可在约至约的范围内。具体地说，第二被钉扎层134的厚度可在约至约的范围内。
具有固有水平磁化特性的第二被钉扎层134的水平磁化方向可通过外部因素改变为垂直磁化方向。在一些实施例中，第二被钉扎层134可与隧道势垒TBR接触。因此，第二被钉扎层134可通过隧道势垒TBR变为具有非固有(extrinsic)垂直磁化特性的结构。
更详细地说，可通过在第二被钉扎层134与隧道势垒TBR的接触界面处产生的界面各向异性而使第二被钉扎层134变为具有非固有垂直磁化特性的结构(下文中，称作“非固有垂直结构”)。如果隧道势垒TBR包括氧化镁(MgO)并且第二被钉扎层134包括钴铁硼(CoFeB)，则可通过隧道势垒TBR的氧与第二被钉扎层134的铁(Fe)元素的结合导致界面各向异性。第二被钉扎层134中的非金属元素(例如，硼(B))可通过隧道势垒TBR与第二被钉扎层134之间的界面耗尽，以加速氧与铁的结合。
可通过在沉积第二被钉扎层134之后执行的额外热处理工艺来导致第二被钉扎层134的界面各向异性。换句话说，在第二被钉扎层134的沉积工艺中，第二被钉扎层134的至少一部分可处于非晶状态，并且随后可通过热处理工艺将第二被钉扎层134转变为非固有垂直结构。在这种情况下，可通过隧道势垒TBR的晶体结构的影响来转变第二被钉扎层134的晶体结构。例如，如果隧道势垒TBR具有氯化钠(NaCl)晶体结构，则第二被钉扎层134的晶体结构可转变为与NaCl晶体结构相似的体心立方(BCC)晶体结构。换句话说，隧道势垒TBR的<001>晶面可与第二被钉扎层134的<001>晶面接触以形成界面。隧道势垒TBR与第二被钉扎层134的界面晶面的调整可提高磁隧道结的磁电阻率。
参照图8，第一垂直磁结构MS1可包括在晶种层110与隧道势垒TBR之间依次堆叠的第一自由层140、第二交换耦合层142和第二自由层144。根据当前实施例的第一垂直磁结构MS1可为包括参照图3描述的第二类型磁隧道结MTJ2的自由层FRL的多层磁结构。
更详细地说，第一自由层140可设置在晶种层110与第二交换耦合层142之间，并且第二自由层144可设置在第二交换耦合层142与隧道势垒TBR之间。第二自由层144可由具有固有水平磁化特性的磁性材料形成。在一些实施例中，可通过包括钴、铁和它们的合金中的至少一个的单层或多层结构实现第二自由层144的固有水平磁化特性。例如，第二自由层144可具有包括钴铁硼(CoFeB)、钴铪(CoHf)、钴(Co)和钴锆(CoZr)中的至少一个的单层或多层结构。更详细地说，第二自由层144可具有包括钴(Co)层和钴铪(CoHf)层的多层结构，或者包括钴铁硼(CoFeB)层的多层结构。
具有固有水平磁化特性的第二自由层144的水平磁化方向可通过外部因素改变为垂直磁化方向。在一些实施例中，第二自由层144可与隧道势垒TBR接触。因此，第二自由层144可通过由于隧道势垒TBR与第二自由层144的接触而导致的界面各向异性变为具有非固有垂直磁化特性的结构(下文中，称作“非固有垂直结构”)。第二交换耦合层142可为非磁性金属层。例如，第二交换耦合层142可由钽、钌、铱和铑中的至少一个形成。第二自由层144可通过第二交换耦合层142反铁磁性地交换耦合至第一自由层140。
第一自由层140可包括与第二自由层144相同的材料。例如，垂直磁结构MS1可包括由钴铁硼(CoFeB)的合金形成的一对自由层140和144以及位于所述一对自由层140和144之间的由钽形成的第二交换耦合层142。
在其它实施例中，第一自由层140可由具有固有垂直磁化特性的磁性材料形成。可由包括至少一种垂直磁性材料(包括钴)的单层或多层结构实现固有垂直磁化特性。在一些实施例中，第一自由层140可具有包括钴铂合金或具有成分X的钴铂合金的单层或多层结构。成分X可包括硼、钌、铬、钽和氧化物中的至少一个。在其它实施例中，第一自由层140可具有包括交替和重复地堆叠的含钴层和贵金属层的多层结构。在这种情况下，含钴层可由钴、钴铁、钴镍或钴铬形成，而贵金属层可由铂或钯形成。在另外一些实施例中，第一自由层140可具有包括上述一些实施例的一个结构和上述其它实施例的一个结构的多层结构。
再参照图4，隧道势垒TBR可包括氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO)、氧化铝(AlO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化镁硼(MgBO)、氮化钛和氮化钒(VN)中的至少一个。在一些实施例中，隧道势垒TBR可为氧化镁(MgO)层。作为另外一种选择，隧道势垒TBR可包括多个层。
图9和图10是示出根据本发明构思的实施例的构成磁隧道结的一部分的第二垂直磁结构的示例的剖视图。参照图9，第二垂直磁结构MS2可包括设置在隧道势垒TBR与覆盖层112之间的第一自由层140、第二交换耦合层142和第二自由层144。根据当前实施例的第二垂直磁结构MS2可为包括参照图2描述的第一类型磁隧道结MTJ1的自由层FRL的多层磁结构。
更详细地说，第一自由层140可设置在覆盖层112与第二交换耦合层142之间，并且第二自由层144可设置在隧道势垒TBR与第二交换耦合层142之间。第一自由层140可通过第二交换耦合层142反铁磁性地交换耦合至第二自由层144。当前实施例中的第一自由层140和第二自由层144的除它们的位置以外的其它特征可与参照图8描述的第一自由层140和第二自由层144的对应特征相同。因此，省略对它们的详细描述。
参照图10，垂直磁结构MS2可包括设置在隧道势垒TBR与覆盖层112之间的第一被钉扎层130、第一交换耦合层132和第二被钉扎层134。根据当前实施例的垂直磁结构MS2可为包括参照图3描述的第二类型磁隧道结MTJ2的被钉扎层PNL的多层磁结构。
在一些实施例中，第一被钉扎层130可设置在覆盖层112与第一交换耦合层132之间，第二被钉扎层134可设置在隧道势垒TBR与第一交换耦合层132之间。第一被钉扎层130可通过第一交换耦合层132反铁磁性地交换耦合至第二被钉扎层134。当前实施例中的第一被钉扎层130和第二被钉扎层134的除它们的位置以外的其它特征可与参照图7描述的第一被钉扎层130和第二被钉扎层134的对应特征相同。因此，省略对它们的详细描述。
再参照图4，覆盖层112可包括钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)和氮化钛(TiN)中的至少一个。第二电极114可包括导电材料。例如，第二电极114可包括诸如氮化钛和/或氮化钽的导电金属氮化物。
第二介电层120可设置在衬底100的整个顶表面上以覆盖第一导电结构CS1、磁隧道结MTJ和第二导电结构CS2。上接触插塞116可穿过第二介电层120以连接至第二电极114。第二介电层120可包括氧化物、氮化物和氧氮化物中的至少一种。上接触插塞116可包括金属(例如钛、钽、铜、铝或钨)和导电金属氮化物(例如氮化钛或氮化钽)中的至少一种。互连部分118可设置在第二介电层120上。互连部分118可连接至上接触插塞116。互连部分118可包括金属(例如钛、钽、铜、铝或钨)和导电金属氮化物(例如氮化钛或氮化钽)中的至少一种。在一些实施例中，互连部分118可为位线。
图5是示出根据本发明构思的其它实施例的磁存储器装置的剖视图。在当前实施例中，将通过相同标号或相同指示符描述与图4的前述实施例中描述的部件相同的部件。为了易于和方便解释的目的，将省略或者简单地提及对相同部件的描述。参照图5，第一导电结构CS1、磁隧道结MTJ和第二导电结构CS2可依次堆叠在第一介电层102上。第一导电结构CS1可电连接至下接触插塞104的顶表面。第一导电结构CS1、磁隧道结MTJ和第二导电结构CS2可具有彼此对齐的侧壁。
第一导电结构CS1可包括第一介电层102上的第一电极106和第一电极106上的晶种层110。磁隧道结MTJ可包括晶种层110上的第一垂直磁结构MS1、第一垂直磁结构MS1上的第二垂直磁结构MS2和第一垂直磁结构MS1与第二垂直磁结构MS2之间的隧道势垒TBR。更详细地说，第一垂直磁结构MS1可设置在晶种层110与隧道势垒TBR之间，并且第二垂直磁结构MS2可设置在隧道势垒TBR与第二导电结构CS2之间。第二导电结构CS2可包括第二垂直磁结构MS2上的第二电极114、第二垂直磁结构MS2与第二电极114之间的覆盖层112和第二电极114与覆盖层112之间的阻挡层108。
阻挡层108可包括非晶金属化合物。当沉积时阻挡层108可处于非晶状态。阻挡层108不会通过在沉积之后执行的退火工艺结晶。换句话说，在退火工艺之后可保持阻挡层108的非晶状态。图5的阻挡层108与在参照图4描述的磁存储器装置中包括的阻挡层108相同。
通常，第二电极114会具有预定晶体结构并会与覆盖层112接触。第二电极114的晶体结构会通过在沉积第二电极114之后执行的退火工艺转移至覆盖层112和磁隧道结MTJ。因此，第二电极114的晶体结构会影响磁隧道结MTJ的晶体结构和取向。结果，磁隧道结MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性会变差。另外，构成磁隧道结MTJ的磁层之间的交换耦合特性也会变差。
根据本发明构思的实施例，包括非晶金属化合物的阻挡层108不会通过在沉积第二电极114之后执行的退火工艺结晶，从而在退火工艺之后可保持阻挡层108的非晶状态。由于阻挡层108设置在第二电极114与覆盖层112之间，因此可防止第二电极114的晶体结构通过退火工艺经覆盖层112影响磁隧道结MTJ的晶体结构和取向。结果，可改进磁隧道结MTJ的TRM特性。另外，也可改进磁隧道结MTJ的磁层之间的交换耦合特性。
图6是示出根据本发明构思的另外一些实施例的磁存储器装置的剖视图。在当前实施例中，将通过相同标号或相同指示符描述与图4和图5的前述实施例中描述的部件相同的部件。为了易于和方便解释的目的，将省略或者简单地提及对相同部件的描述。参照图6，第一导电结构CS1、磁隧道结MTJ和第二导电结构CS2可依次堆叠在第一介电层102上。第一导电结构CS1可包括第一介电层102上的第一电极106、第一电极106上的晶种层110和第一电极106与晶种层110之间的第一阻挡层108a。磁隧道结MTJ可包括晶种层110上的第一垂直磁结构MS1、第一垂直磁结构MS1上的第二垂直磁结构MS2和第一垂直磁结构MS1与第二垂直磁结构MS2之间的隧道势垒TBR。更详细地说，第一垂直磁结构MS1可设置在晶种层110与隧道势垒TBR之间，第二垂直磁结构MS2可设置在隧道势垒TBR与第二导电结构CS2之间。第二导电结构CS2可包括第二垂直磁结构MS2上的第二电极114、第二垂直磁结构MS2与第二电极114之间的覆盖层112以及第二电极114与覆盖层112之间的第二阻挡层108b。
第一阻挡层108a和第二阻挡层108b的每一个可包括非晶金属化合物。当沉积时第一阻挡层108a和第二阻挡层108b的每一个可处于非晶状态。第一阻挡层108a和第二阻挡层108b的每一个不会通过在沉积之后执行的退火工艺结晶。换句话说，在退火工艺之后可保持第一阻挡层108a和第二阻挡层108b的每一个的非晶状态。第一阻挡层108a和第二阻挡层108b的每一个与参照图4描述的磁存储器装置中包括的阻挡层108相同。第一阻挡层108a可具有通过在沉积第一阻挡层108a之后和沉积晶种层110之前执行的平面化工艺平面化的顶表面U1a。
根据本发明构思的实施例，在沉积磁隧道结MTJ之后执行的退火工艺之后，包括非晶金属化合物的阻挡层不会结晶而是可保持非晶状态。如果阻挡层设置在第一电极106与晶种层110之间，则可防止第一电极106的晶体结构通过在沉积磁隧道结MTJ之后执行的退火工艺经晶种层110影响磁隧道结MTJ的晶体结构和取向。另外，如果阻挡层设置在第二电极114与覆盖层112之间，则可防止第二电极114的晶体结构通过在沉积第二电极114之后执行的退火工艺经覆盖层112影响磁隧道结MTJ的晶体结构和取向。换句话说，由于阻挡层防止第一电极106和第二电极114的晶体结构影响磁隧道结MTJ的晶体结构和取向，因此可改进磁隧道结MTJ的TRM特性和交换耦合特性。结果，可实现具有优秀可靠性的磁存储器装置。
图11和图12是示出包括根据本发明构思的实施例的磁存储器装置的电子装置的示意性框图。参照图11，包括根据本发明构思的半导体器件的电子装置1300可为个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、便携式计算机、网络平板、无线电话、移动电话、数字音乐播放器、有线/无线电子装置或包括至少它们中的至少两种的任何组合式电子装置中的一种。电子装置1300可包括通过数据总线1350彼此连接的控制器1310、输入/输出(I/O)单元1320(例如键区、键盘或显示器)、存储器装置1330和无线接口单元1340。例如，控制器1310可包括微处理器、数字信号处理器、微控制器或具有与它们中的任一个相似的功能的其他逻辑装置中的至少一个。存储器装置1330可存储例如通过控制器1310执行的命令。另外，存储器装置1330可存储用户的数据。存储器装置1330可包括本发明构思的前述实施例中的半导体器件(即，磁存储器装置)中的至少一个。电子装置1300可使用无线接口单元1340，以将数据发送至通过射频(RF)信号通信的无线通信网络，或者从网络接收数据。例如，无线接口单元1340可包括天线或无线收发器。可使用电子装置1300以实现通信系统的通信接口协议，所述通信系统诸如CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、公共Wi-Fi、蓝牙、DECT、无线USB、Flash-OFDM、IEEE 802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、增强型WiMAX、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、增强型LTE或MMDS。
参照图12，可使用根据本发明构思的实施例的半导体器件来实现存储器系统。存储器系统1400可包括用于存储大量数据的存储器装置1410和存储器控制器1420。存储器控制器1420可控制存储器装置1410，以响应于主机1430的读/写请求从存储器装置1410中读数据/将数据写入存储器装置1410中。存储器控制器1420可制备用于将主机1430(例如，移动装置或计算机系统)提供的地址映射到存储器装置1410的物理地址的地址映射表。存储器装置1410可包括根据本发明构思的以上实施例的半导体器件(即，磁存储器装置)中的至少一个。
可利用各种封装技术将上述半导体器件(即，磁存储器装置)包封。例如，可利用如下包封技术中的任一种来包封根据前述实施例的半导体器件：PoP(层叠封装)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、窝伏尔组件式裸晶技术、晶圆式裸晶技术、板上芯片(COB)技术、陶瓷双列直插式封装(CERDIP)技术、塑料方形扁平封装(PMQFP)技术、塑料四边扁平封装(PQFP)技术、小外型封装(SOC)技术、缩小外型封装(SSOP)技术、薄型小外型封装(TSOP)技术、薄型四方扁平封装(TQFP)技术、系统级封装(SIP)技术、多芯片封装(MCP)技术、晶圆级制造封装(WFP)技术和晶圆级处理堆叠封装(WSP)技术。其中安装了根据以上实施例之一的半导体存储器装置的封装件还可包括控制半导体存储器装置的至少一个半导体器件(例如，控制器和/或逻辑装置)。
根据本发明构思的实施例，包括非晶金属化合物的阻挡层可设置在磁隧道结与电极之间。阻挡层可防止电极的晶体结构影响磁隧道结的晶体结构和取向。因此，可改进磁隧道结的TMR和交换耦合特性。结果，可实现具有优秀可靠性的磁存储器装置。
虽然已经参照示例实施例描述了本发明构思，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，可作出各种改变和修改。因此，应该理解，以上实施例非限制性而是示例性的。因此，本发明构思的范围由权利要求及其等同物的允许的最宽解释确定，而不应受到以上描述的限制或局限。

Claims (20)

1.一种磁存储单元，包括：
磁隧道结；以及
第一电极，其通过第一导电结构电耦合至所述磁隧道结，所述第一导电结构包括阻挡层和在所述阻挡层与所述磁隧道结之间延伸的晶种层，所述阻挡层包括非晶金属化合物。
2.根据权利要求1所述的存储单元，其中，所述阻挡层是经热处理的层；并且其中在热处理期间和之后保持所述阻挡层的非晶状态。
3.根据权利要求1所述的存储单元，其中，所述阻挡层包括铁磁元素、非金属元素和非磁性金属元素。
4.根据权利要求3所述的存储单元，其中，所述非金属元素选自于由硼和氮以及它们的组合物组成的组。
5.根据权利要求3所述的存储单元，其中，所述阻挡层中的非磁性金属元素的含量比在15wt％至50wt％的范围内。
6.一种磁存储器装置，包括：
第一垂直磁结构和第二垂直磁结构，它们之间具有隧道势垒层；
电极，其通过所述第一垂直磁结构与所述隧道势垒层分离；以及
阻挡层，其在所述第一垂直磁结构与所述电极之间延伸，所述阻挡层包括非晶金属化合物。
7.根据权利要求6所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层是经热处理的层；并且其中在热处理期间和之后保持所述阻挡层的非晶状态。
8.根据权利要求6所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层包括铁磁元素、非金属元素和非磁性金属元素。
9.根据权利要求8所述的磁存储器装置，其中所述铁磁元素选自于由钴、铁和镍以及它们的组合组成的组；其中所述非金属元素选自于由硼和氮以及它们的组合组成的组；并且其中所述非磁性金属元素选自于由以下元素以及它们的组合组成的组：钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铝(Al)、镁(Mg)、钌(Ru)和钒(V)。
10.根据权利要求8所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层包括钴铁硼钽(CoFeBTa)。
11.根据权利要求8所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层中的非磁性金属元素的含量比在15wt％至50wt％的范围内。
12.根据权利要求6所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层的厚度在至的范围内。
13.根据权利要求6所述的磁存储器装置，还包括在所述第一垂直磁结构与所述阻挡层之间延伸的晶种层；并且其中所述阻挡层与所述晶种层接触。
14.根据权利要求13所述的磁存储器装置，其中，所述第一垂直磁结构包括：
交换耦合层，其在所述隧道势垒层与所述晶种层之间延伸；
第一磁层，其具有固定磁化方向，并且在所述隧道势垒层与所述交换耦合层之间延伸；以及
第二磁层，其具有固定磁化方向，并且在所述交换耦合层与所述晶种层之间延伸。
15.根据权利要求13所述的磁存储器装置，其中，所述第一垂直磁结构包括具有可变磁化方向并且在所述隧道势垒层与所述晶种层之间延伸的磁层。
16.根据权利要求6所述的磁存储器装置，其中，所述电极是第一电极，所述阻挡层是第一阻挡层；并且其中所述磁存储器装置还包括：
第二电极，其与所述隧道势垒层间隔开，所述第二垂直磁结构在所述第二电极与所述隧道势垒层之间延伸；以及
第二阻挡层，其在所述第二垂直磁结构与所述第二电极之间延伸，所述第二阻挡层包括非晶金属化合物。
17.根据权利要求16所述的磁存储器装置，还包括：
晶种层，其在所述第一垂直磁结构与所述第一阻挡层之间延伸；以及
覆盖层，其在所述第二垂直磁结构与所述第二阻挡层之间延伸；并且
其中，所述第一阻挡层与所述晶种层的一个表面接触，并且所述第二阻挡层与所述覆盖层的一个表面接触。
18.一种磁存储器装置，包括：
磁隧道结，其包括自由层、被钉扎层和处于所述自由层与所述被钉扎层之间的隧道势垒；
在所述磁隧道结上的电极；以及
在所述磁隧道结与所述电极之间的阻挡层，
其中，所述阻挡层的饱和磁化值小于构成所述磁隧道结的磁层的饱和磁化值。
19.根据权利要求18所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层包括铁磁元素、非金属元素和非磁性金属元素。
20.根据权利要求19所述的磁存储器装置，其中，所述阻挡层中的非磁性金属元素的含量比在15wt％至50wt％的范围内，并且
其中，所述阻挡层是非晶层。
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