CN104700882A - 存储器器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了存储器器件及其制造方法。磁存储器器件可以包括基板和在基板上的磁隧道结存储器元件。磁隧道结存储器元件可以包括参考磁层、隧道阻挡层和自由磁层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层。交换耦合层可以在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，第二被钉扎层可以包括铁磁层和非磁性层。第二被钉扎层可以在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间，隧道阻挡层可以在参考磁层和自由磁层之间。
Description
技术领域
这里公开的发明构思涉及半导体器件及其制造方法，更具体地，涉及磁存储器器件及其制造方法。
背景技术
半导体器件由于它们的小尺寸、多功能性和/或低制造成本而被广泛地用于电子工业。半导体存储器器件可以存储逻辑数据。磁存储器器件可以提供高速度和/或非易失性的特性。因此，磁存储器器件很可能用作下一代存储器器件。
通常，磁存储器器件可以包括磁隧道结(MTJ)图案。MTJ图案可以包括两个磁体以及在两者之间的绝缘层。MTJ的电阻值可以取决于两个磁体的磁化方向而改变。例如，如果两个磁体的磁化方向彼此反平行，则MTJ图案可以具有相对高的电阻值。如果两个磁体的磁化方向彼此平行，则MTJ图案可以具有相对低的电阻值。磁存储器器件可以因此使用电阻值之间的差异而写入和/或读取数据。
发明内容
本发明构思的实施例可以提供具有提高的可靠性的磁存储器器件及其制造方法。
发明构思的实施例还可以提供具有提高的隧穿磁阻比(TMR)的磁存储器器件及其制造方法。
发明构思的实施例还可以提供能够减少或最小化在高温下的特性恶化的磁存储器器件及其制造方法。
在发明构思的一个方面中，一种磁存储器器件可以包括在基板上的参考磁图案和自由磁图案以及在参考磁图案和自由磁图案之间的隧道阻挡图案。参考磁图案和自由磁图案的磁化方向可以基本上垂直于自由磁图案和隧道阻挡图案之间的界面。参考磁图案可以包括第一被钉扎图案、在第一被钉扎图案和隧道阻挡图案之间的第二被钉扎图案以及在第一被钉扎图案和第二被钉扎图案之间的交换耦合图案。第二被钉扎图案可以包括邻近于隧道阻挡图案的极化增强磁图案、邻近于交换耦合图案的交换耦合增强磁图案、在极化增强磁图案和交换耦合增强磁图案之间的中间磁图案、以及接触中间磁图案以引起界面垂直磁各向异性的非磁性图案。
在一些实施例中，非磁性图案可以具有与中间磁图案相同的晶体结构。
在一些实施例中，极化增强磁图案可以具有与非磁性图案和中间磁图案相同的晶体结构。
在一些实施例中，非磁性图案和中间磁图案可以具有体心立方(BCC)晶体结构。
在一些实施例中，非磁性图案可以包括钨，中间图案可以包括铁(Fe)或铁硼(FeB)。
在一些实施例中，第一被钉扎图案可以具有不同于非磁性图案的晶体结构。
在一些实施例中，第一被钉扎图案可以包括钴铂(CoPt)合金或[Co/Pt]nL11超晶格(其中“n”是自然数)。
在一些实施例中，自由磁图案可以包括第一自由磁图案和第二自由磁图案以及在第一自由磁图案和第二自由磁图案之间的插入图案。插入图案可以与第一自由磁图案和第二自由磁图案接触以引起界面垂直磁各向异性。
在一些实施例中，插入图案可以具有比钽高的熔点。
在一些实施例中，交换耦合增强磁图案可以包括不同于包括在中间磁图案中的元素的元素，极化增强磁图案可以包括不同于包括在中间磁图案中的元素的元素。
在一些实施例中，第一被钉扎图案、交换耦合图案、第二被钉扎图案、隧道阻挡图案和自由磁图案可以顺序地堆叠在基板上。
在一些实施例中，交换耦合增强磁图案、非磁性图案、中间磁图案和极化增强磁图案可以顺序地堆叠在交换耦合图案上。
在一些实施例中，第二被钉扎图案还可以包括设置在中间磁图案和极化增强磁图案之间的第二非磁性图案。第二非磁性图案可以包括与非磁性图案相同的材料。
在一些实施例中，交换耦合增强磁图案、中间磁图案、非磁性图案和极化增强磁图案可以顺序地堆叠在交换耦合图案上。
在一些实施例中，非磁性图案和中间磁图案可以在交换耦合图案上被交替地和重复地堆叠至少两次。
在一些实施例中，磁存储器器件还可以包括设置在自由磁图案上的覆盖氧化物图案。覆盖氧化物图案可以与自由磁图案接触以引起界面垂直磁各向异性。
在一些实施例中，磁存储器器件还可以包括设置在基板和第一被钉扎图案之间并具有与第一被钉扎图案相同的晶体结构的籽晶图案、以及设置在自由磁图案上的覆盖电极。
在一些实施例中，自由磁图案、隧道阻挡图案、第二被钉扎图案、交换耦合图案以及第一被钉扎图案可以顺序地堆叠在基板上。
在另一方面，制造磁存储器器件的方法可以包括形成参考磁层、自由磁层以及设置在两者之间的隧道阻挡层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间的第二被钉扎层以及在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间的交换耦合层。第二被钉扎层可以包括邻近于隧道阻挡层的极化增强磁层、邻近于交换耦合层的交换耦合增强磁层、在极化增强磁层和交换耦合增强磁层之间的中间磁层、以及接触中间磁层以引起界面垂直磁各向异性的非磁性层。
在一些实施例中，该方法还可以包括在形成至少自由磁层、隧道阻挡层以及极化增强磁层之后进行热处理工艺。
在一些实施例中，热处理工艺的工艺温度可以在约400℃至约600℃的范围内。
在一些实施例中，参考磁层、隧道阻挡层以及自由磁层可以顺序地形成在基板上，热处理工艺可以在形成自由磁层之后进行。
在一些实施例中，非磁性层可以用作在热处理工艺期间抵抗第一被钉扎层的朝向极化增强磁层扩散的原子的扩散阻挡。
根据发明构思的另一个方面，一种磁存储器器件可以包括基板以及在基板上的磁隧道结存储器元件。磁隧道结存储器元件可以包括参考磁层、隧道阻挡层和自由磁层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层，其中交换耦合层在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，其中第二被钉扎层包括铁磁层和非磁性层。第二被钉扎层可以在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间，隧道阻挡层可以在参考磁层和自由磁层之间。
在一些实施例中，铁磁层可以包括钴(Co)、铁(Fe)、铁硼(FeB)和钴铁硼(CoFeB)中的至少一个。
在一些实施例中，非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个。
在一些实施例中，铁磁层可以是第一铁磁层，第二被钉扎层可以包括第二铁磁层，非磁性层可以在第一铁磁层和第二铁磁层之间。
第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括钴(Co)，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个。第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括钴(Co)，第二铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。
在一些实施例中，非磁性层可以是第一非磁性层，第二被钉扎层可以包括第二非磁性层，铁磁层可以在第一非磁性层和第二非磁性层之间。第一非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，铁磁层可以包括铁和/或铁硼。
在一些实施例中，铁磁层可以是第一铁磁层，非磁性层可以是在第一铁磁层上的第一非磁性层，第二被钉扎层可以包括在第一非磁性层上的第二铁磁层、在第二铁磁层上的第二非磁性层以及在第二非磁性层上的第三铁磁层。第一铁磁层可以包括钴(Co)，第一非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第三铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。交换耦合层和第一铁磁层可以具有第一晶体结构，第二铁磁层和第三铁磁层可以具有第二晶体结构，第一晶体结构和第二晶体结构可以是不同的。第一晶体结构可以是密排六方(HCP)晶体结构，第二晶体结构可以是体心立方(BCC)晶体结构。第一非磁性层和第二非磁性层可以具有体心立方(BCC)晶体结构。
在一些实施例中，参考磁层和自由磁层的磁化方向可以相对于自由磁层和隧道阻挡层之间的界面基本上垂直。
在一些实施例中，非磁性层可以在铁磁层和第一被钉扎层之间，第一被钉扎层和铁磁层可以具有不同的晶体结构。第一被钉扎层包括钴铂(CoPt)合金和/或[Co/Pt]n L11超晶格，其中n是自然数。
在一些实施例中，参考磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，第一被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，隧道阻挡层可以在自由磁层和基板之间。
在一些实施例中，磁存储器器件可以包括在自由磁层上的覆盖氧化物层，磁隧道结存储器元件可以在覆盖氧化物层和基板之间。覆盖氧化物层可以配置为引起界面垂直磁各向异性。
在一些实施例中，磁存储器器件可以包括在基板和第一被钉扎层之间的籽晶层和在自由磁层上的覆盖电极，磁隧道结存储器元件可以在籽晶层和覆盖电极之间。
在一些实施例中，自由磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，隧道阻挡层可以在第二被钉扎层和基板之间，第二被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，交换耦合层可以在第一被钉扎层和基板之间。
根据发明构思的另一个方面，一种磁存储器器件可以包括基板和在基板上的磁隧道结存储器元件。磁隧道结存储器元件可以包括参考磁层、隧道阻挡层和自由磁层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层。交换耦合层可以在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，第二被钉扎层可以包括第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层。非磁性层可以在第一铁磁层和第二铁磁层之间，第二被钉扎层可以在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间，隧道阻挡层可以在参考磁层和自由磁层之间。
在一些实施例中，非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个。
在一些实施例中，第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括钴(Co)，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个。
在一些实施例中，第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。
在一些实施例中，第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，其中第一铁磁层包括钴(Co)，其中第二铁磁层包括钴铁硼(CoFeB)。
在一些实施例中，非磁性层可以是第一非磁性层，第二被钉扎层可以包括在第二铁磁层上的第二非磁性层以及在第二非磁性层上的第三铁磁层。第一铁磁层可以包括钴(Co)，第一非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第三铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。交换耦合层和第一铁磁层可以具有第一晶体结构，第二铁磁层和第三铁磁层可以具有第二晶体结构，第一晶体结构和第二晶体结构可以是不同的。第一晶体结构可以是密排六方(HCP)晶体结构，第二晶体结构可以是体心立方(BCC)晶体结构。第一非磁性层和第二非磁性层可以具有体心立方(BCC)晶体结构。
在一些实施例中，参考磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，第一被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，隧道阻挡层可以在自由磁层和基板之间。
在一些实施例中，自由磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，隧道阻挡层可以在第二被钉扎层和基板之间，第二被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，交换耦合层可以在第一被钉扎层和基板之间。
附图说明
根据附图以及伴随的详细描述，本发明构思将变得更加明显。
图1是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的截面图；
图2是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的修改示例的截面图；
图3是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的另一个修改示例的截面图；
图4是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的另一个修改示例的截面图；
图5是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的另一修改示例的截面图；
图6和7是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的截面图；
图8是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的流程图；
图9是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的修改示例的截面图；
图10是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的另一修改示例的截面图；
图11是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的另一修改示例的截面图；
图12是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的另一修改示例的截面图；
图13是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的截面图；
图14是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的修改示例的截面图；
图15是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的另一修改示例的截面图；
图16是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的另一修改示例的截面图；
图17是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的另一修改示例的截面图；
图18至20是示出根据本发明的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的截面图。
图21是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的流程图；
图22是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的另一示例的流程图；
图23是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的修改示例的截面图；
图24是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的步骤的另一修改示例的截面图；
图25是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的另一修改示例的截面图；
图26是示出包括根据本发明构思实施例的磁存储器器件的电子系统的示例的示意方框图；以及
图27是示出包括根据本发明构思实施例的磁存储器器件的存储卡的示例的示意方框图。
具体实施方式
在下文将参照附图更充分地描述本发明构思，附图中示出了本发明构思的实施例的示例。从以下将参照附图更详细地描述的实施例的示例，本发明构思的优点和特征以及实现它们的方法将变得明显。然而，应当指出，本发明构思不限于以下的实施例的示例，可以以各种形式实施。因此，实施例的示例仅被提供来公开本发明构思并让本领域技术人员知晓本发明构思的分类或类别。在附图中，本发明构思的实施例不限于这里提供的特定示例，并且为了清晰可以夸大元件和/或其尺寸。
这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的而不意在限制发明构思。当在这里使用时，单数术语“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。当在这里使用时，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任意和所有组合。将理解，当称一个元件“连接”或“联接”到另一元件时，它可以直接连接或联接到另一元件，或者还可以存在插入的元件。
类似地，将理解，当称一个元件诸如层、区域或基板在另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上，或者还可以存在插入的元件。相反，术语“直接”表示不存在插入的元件。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在这里使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。
另外，详细说明中的实施例将相对于截面图描述，该截面图为发明构思的视图的理想示例。因此，视图的形状可以根据制造技术和/或容许的误差/公差而改变。因此，发明构思的实施例不限于视图中示出的特定形状，而是可以包括可根据制造工艺产生的其他形状。附图中示出的区域具有一般的性质，并用来示出元件的具体形状。因此，附图中示出的特定结构不应被解释为对于发明构思的范围进行限制。
还将理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件，但是这些元件不应受到这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。因此，在一些实施例中的第一元件能够在其他的实施例中被称为第二元件，而没有背离本发明构思的教导。这里说明和示出的本发明构思的各方面的实施例还可以包括它们的互补对应物。相同的附图标记或相同的参考指示符在说明书中始终表示相同的元件。
而且，这里参照截面图和/或平面图描述了实施例的示例，这些图可以是理想化的示范性图示。因此，由例如制造技术和/或公差引起的图示形状的偏差将是可能发生的。因此，实施例的示例不应被解释为限于这里示出的区域的形状而是将包括由例如制造引起的形状偏差。例如，示出为矩形的蚀刻区域将通常具有倒圆或弯曲的特征。因此，附图所示的区域质上是示意的，它们的形状不旨在示出器件的区域的实际形状，并且不旨在限制本发明构思的范围。
图1是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的截面图。
参照图1，下层间绝缘层102可以设置在基板100上。基板100可以是半导体基板(例如，硅基板、锗基板或硅锗基板)。下层间绝缘层102可以包括硅氧化物层、硅氮化物层和/或硅氮氧化物层中的至少一个。在一些实施例中，开关元件(未示出)可以形成在基板100上，下层间绝缘层102可以覆盖开关元件。开关元件可以是PN二极管或场效应晶体管。
下接触插塞105可以穿过下层间绝缘层102。下接触插塞105可以连接到开关元件的一个端子。下接触插塞105可以包括掺杂的半导体材料(例如，掺杂的硅)、金属(例如，钨、钛和/或钽)、导电的金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)和金属-半导体化合物(例如，金属硅化物)中的至少一个。
参考磁图案140a和自由磁图案150a设置在下层间绝缘层102上，隧道阻挡图案145a设置在参考磁图案140a和自由磁图案150a之间。参考磁图案140a可以具有固定在一个方向上的磁化方向。自由磁图案150a的磁化方向可以通过编程操作改变为相对于参考磁图案140a的被固定的磁化方向的平行方向或反平行方向。参考磁图案140a和自由磁图案150a以及隧道阻挡图案145a可以提供磁隧道结(MTJ)图案。
参考磁图案140a和自由磁图案150a的磁化方向相对于隧道阻挡图案145a和自由磁图案150a之间的界面是垂直的。换句话说，MTJ图案是垂直型MTJ图案。自由磁图案150a的磁化方向可以使用自旋扭矩转移(STT)编程操作改变。换句话说，自由磁图案150a的磁化方向可以使用编程电流中的电子的自旋扭矩改变。
参考磁图案140a可以具有合成反铁磁(SAF)结构。更详细地，参考磁图案140a可以包括第一被钉扎图案110a、在第一被钉扎图案110a和隧道阻挡图案145a之间的第二被钉扎图案135a以及在第一和第二被钉扎图案110a和135a之间的交换耦合图案115a。
第一被钉扎图案110a的磁化方向可以通过交换耦合图案115a而与第二被钉扎图案135a的磁化方向交换耦合。换句话说，第一和第二被钉扎图案110a和135a的磁化方向可以通过交换耦合图案115a而彼此反平行。交换耦合图案115a可以通过Ruderman-Klttel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用而使第一和第二被钉扎图案110a和135a的磁化方向互相结合。因此，由第一和第二被钉扎图案110a和135a的磁化方向产生的磁场可以彼此抵销以减少或最小化参考磁图案140a的净磁场。因而，可以减少或最小化由参考磁图案140a产生的磁场对自由磁图案150a的影响。例如，交换耦合图案115a可以包括钌(Ru)。
邻近于隧道阻挡图案145a的第二被钉扎图案135a的磁化方向对应于参考磁图案140a的被固定的磁化方向。换句话说，如果第二被钉扎图案135a的磁化方向平行于自由磁图案150a的磁化方向，则MTJ图案可以具有相对低的电阻值。可选地，如果第二被钉扎图案135a的磁化方向相对于自由磁图案150a的磁化方向反平行，则MTJ图案可以具有相对高的电阻值。
第一被钉扎图案110a可以包括垂直磁性材料或垂直磁结构。例如，第一被钉扎图案110a可以包括对应于垂直磁性材料的钴铂(CoPt)合金，或[Co/Pt]n L11超晶格(其中“n”是自然数)。当CoPt合金的钴(Co)与铂(Pt)的组分比是约70:30时，CoPt合金的垂直磁各向异性可以增大和/或最大。如果第一被钉扎图案110a包括CoPt合金，第一被钉扎图案110a的饱和磁化可以减小以提高第一和第二被钉扎图案110a和135a的合成反铁磁耦合。CoPt合金可以用硼(B)掺杂以减少CoPt合金的饱和磁化。
第二被钉扎图案135a包括邻近于隧道阻挡图案145a的极化增强磁图案130a、邻近于交换耦合图案115a的交换耦合增强磁图案120a、设置在极化增强磁图案130a和交换耦合增强磁图案120a之间的中间磁图案125a、以及在极化增强磁图案130a和交换耦合增强磁图案120a之间的接触中间磁图案125a的非磁性图案123a。极化增强磁图案130a可以与隧道阻挡图案145a接触，交换耦合增强磁图案120a可以与交换耦合图案115a接触。
交换耦合增强磁图案120a可以包括能够提高交换耦合图案115a的RKKY相互作用的磁性材料。例如，交换耦合增强磁图案120a可以包括钴(Co)。
非磁性图案123a包括能够引起在非磁性图案123a和中间磁图案125a的界面处的界面垂直磁各向异性(i-PMA)的导电材料(例如，金属)。非磁性图案123a可以具有与中间磁图案125a相同的晶体结构。例如，非磁性图案123a和中间磁图案125a可以具有体心立方(BCC)晶体结构。另外，非磁性图案123a和中间磁图案125a可以具有与极化增强磁图案130a相同的晶体结构。例如，非磁性图案123a可以包括钨(W)。
中间磁图案125a可以包括不同于交换耦合增强磁图案120a的元素。在一些实施例中，中间磁图案125a和非磁性图案123a之间的界面垂直磁各向异性的程度可以大于交换耦合增强磁图案120a和非磁性图案123a之间的界面垂直磁各向异性的程度。例如，中间磁图案125a可以包括铁(Fe)或铁硼(FeB)。铁硼可以是用硼掺杂的铁。
非磁性图案123a的晶体结构可以不同于交换耦合增强磁图案120a的晶体结构。例如，非磁性图案123a可以具有BCC晶体结构，交换耦合增强磁图案120a可以具有密排六方(HCP)晶体结构。
另外，非磁性图案123a的晶体结构可以不同于第一被钉扎图案110a的晶体结构。因此，极化增强磁图案130a的晶体结构也可以不同于第一被钉扎图案110a的晶体结构。在一些实施例中，第一被钉扎图案110a、交换耦合图案115a和交换耦合增强磁图案120a可以具有相同的晶体结构。例如，第一被钉扎图案110a、交换耦合图案115a和交换耦合增强磁图案120a可以具有HCP晶体结构。
极化增强磁图案130a可以包括能够通过与隧道阻挡图案145a接触而产生高隧穿磁阻的磁性材料。另外，极化增强磁图案130a可以包括能够在隧道阻挡图案145a和极化增强磁图案130a之间的界面处引起界面垂直磁各向异性的磁性材料。极化增强磁图案130a包括与包含在中间磁图案125a中的元素不同的元素。换句话说，极化增强磁图案130a可以包括不显著地包括在中间磁图案125a中的元素。如上所述，极化增强磁图案130a可以具有与非磁性图案123a和中间磁图案125a相同的晶体结构。例如，极化增强磁图案130a可以包括钴铁硼(CoFeB)。
隧道阻挡图案145a可以包括镁氧化物(MgO)或铝氧化物(AlO)。在一些实施例中，隧道阻挡图案145a可以包括具有氯化钠(NaCl)晶体结构的镁氧化物(MgO)。
自由磁图案150a可以包括能够通过与隧道阻挡图案145a接触而产生高隧穿磁阻比的磁性材料。另外，自由磁图案150a可以包括能够在隧道阻挡图案145a和自由磁图案150a之间的界面处引起界面垂直磁各向异性的磁性材料。例如，自由磁图案150a可以包括钴铁硼(CoFeB)。
再次参照图1，在本实施例中，自由磁图案140a、隧道阻挡图案145a和自由磁图案150a可以顺序地堆叠在下层间绝缘层102上。换句话说，第一被钉扎图案110a、交换耦合图案115a、第二被钉扎图案135a、隧道阻挡图案145a和自由磁图案150a可以顺序地堆叠在下层间绝缘层102上。
籽晶图案107a可以设置在第一被钉扎图案110a和下层间绝缘层102之间。籽晶图案107a可以电连接到下接触插塞105的顶表面。在一些实施例中，籽晶图案107a可以由具有与第一被钉扎图案110a相同的晶体结构的导电材料形成。例如，籽晶图案107a可以具有HCP晶体结构。例如，籽晶图案107a可以包括钌(Ru)。
在本实施例中，交换耦合增强磁图案120a、非磁性图案123a、中间磁图案125a和极化增强磁图案130a可以顺序地堆叠在交换耦合图案115a上。非磁性图案123a可以与交换耦合增强磁图案120a的顶表面和中间磁图案125a的底表面接触。
覆盖氧化物图案155a可以设置在自由磁图案150a的顶表面上。覆盖氧化物图案155a可以与自由磁图案150a接触，使得可以在覆盖氧化物图案155a和自由磁图案150a之间的界面处引起界面垂直磁各向异性。例如，覆盖氧化物图案155a中的氧原子可以与自由磁图案150a的钴铁硼(CoFeB)中的铁原子反应以引起界面垂直磁各向异性。因此，可以改善自由磁图案150a的垂直磁各向异性。覆盖氧化物图案155a可以具有足够薄的厚度使得操作电流中的电子可以经过覆盖氧化物图案155a。例如，覆盖氧化物图案155a可以包括镁氧化物(MgO)、钽氧化物(TaO)和铝氧化物(AlO)中的至少一个。
覆盖电极160a可以堆叠在覆盖氧化物图案155a的顶表面上。例如，覆盖电极160a可以包括钽(Ta)、钌(Ru)、钛(Ti)和铂(Pt)中的至少一个。上层间绝缘层165可以设置在下层间绝缘层102上。上层间绝缘层165可以覆盖MTJ图案和覆盖电极160a。上接触插塞167可以穿过上层间绝缘层165并可以连接到覆盖电极160a。例如，上接触插塞167可以包括金属(例如，钨、钛和/或钽)或导电的金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一个。互连170可以设置在上层间绝缘层165上。互连170可以连接到上接触插塞167。在一些实施例中，互连170可以对应于位线。例如，互连170可以包括金属(例如，钨、钛和/或钽)和导电的金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一个。
根据上面描述的磁存储器器件，交换耦合图案115a和隧道阻挡图案145a之间的第二被钉扎图案135a包括非磁性图案123a和中间磁图案125a以及极化增强磁图案130a。这里，在非磁性图案123a和中间磁图案125a之间的界面处引起界面垂直磁各向异性。换句话说，第二被钉扎图案135a的垂直磁各向异性可以通过非磁性图案123a和中间磁图案125a而改善。因此，可以改善MTJ图案的隧穿磁阻比，并可以减少或最小化由高温引起的MTJ图案的特性的恶化。
自由磁图案150a、隧道阻挡图案145a和极化增强磁图案130a可以在高温被热处理以改善MTJ图案的隧穿磁阻比。如果非磁性图案123a和中间磁图案125a被省略，则第二被钉扎图案135a的垂直磁各向异性会被高温热处理恶化。然而，在本发明构思的实施例中，第二被钉扎图案135a包括非磁性图案123a和中间磁图案125a，非磁性图案123a在非磁性图案123a和中间磁图案125a之间的界面处引起界面垂直磁各向异性。换句话说，第二被钉扎图案的垂直磁各向异性自身可以提高，从而可以减少或最小化MTJ图案的特性的恶化(例如，由高温热处理由引起)。
另外，非磁性图案123a可以用作抵抗第一被钉扎图案110a的原子(例如，铂原子)的扩散阻挡，否则该原子会在高温热处理期间朝向极化增强磁图案130a扩散。因此，可以改善MTJ图案的可靠性。另外，可以改善在形成MTJ图案之后的随后工艺的工艺温度容限(margin)。
此外，非磁性图案123a可以具有与中间磁图案125a相同的晶体结构。因此，非磁性图案123a可以在用于形成中间磁图案125a的沉积工艺期间用作籽晶使得第二被钉扎图案135a可以容易地制造。
接下来，将描述磁存储器器件的修改示例。在下文，将描述上述的实施例和修改示例之间的差异以减少冗余的说明。
图2是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的修改示例的截面图。
参照图2，在根据本修改示例的磁存储器器件中，参考磁图案141a的第二被钉扎图案136a可以包括顺序地堆叠在交换耦合图案115a上的交换耦合增强磁图案120a、中间磁图案125a、非磁性图案123a和极化增强磁图案130a。换句话说，中间磁图案125a可以设置在非磁性图案123a和交换耦合增强磁图案120a之间，非磁性图案123a可以设置在中间磁图案125a和极化增强磁图案130a之间。
图3是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的另一个修改示例的截面图。
参照图3，在根据本修改示例的磁存储器器件中，参考磁图案142a的第二被钉扎图案137a还可以包括与中间磁图案125a的顶表面接触的第二非磁性图案127a。换句话说，非磁性图案123a可以设置在中间磁图案125a和交换耦合增强磁图案120a之间，第二非磁性图案127a可以设置在中间磁图案125a和极化增强磁图案130a之间。
第二非磁性图案127a可以由与非磁性图案123a相同的材料形成。因此，在第二非磁性图案127a和中间磁图案125a之间的界面也可以引起界面垂直磁各向异性。第二非磁性图案127a可以具有与中间磁图案125a相同的晶体结构。另外，第二非磁性图案127a可以具有与极化增强磁图案130a相同的晶体结构。例如，第二非磁性图案127a可以包括钨(W)。
图4是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的另一个修改示例的截面图。
参照图4，在根据本修改示例的磁存储器器件中，自由磁图案151a可以包括第一自由磁图案147a、第二自由磁图案149a以及在第一和第二自由磁图案147a和149a之间的插入图案148a。第一和第二自由磁图案147a和149a可以由与图1的自由磁图案150a相同的磁性材料形成。插入图案148a可以与第一和第二自由磁图案147a和149a接触以引起界面垂直磁各向异性。因此，自由磁图案151a的垂直磁各向异性自身可以被改善。另外，插入图案148a可以具有比钽(Ta)高的熔点。在一些实施例中，插入图案148a可以具有与第一和第二自由磁图案147a和149a相同的晶体结构。在这种情况下，插入图案148a可以包括例如钨。在其他的实施例中，插入图案148a可以具有不同于第一和第二自由磁图案147a和149a的晶体结构。在这种情况下，插入图案148a可以包括例如铼(Re)。
因而，自由磁图案151a的耐热特性可以通过插入图案148a而改善。换句话说，可以减少或最小化自由磁图案151a的特性的恶化，该恶化可能由高温热处理工艺和/或随后的高温工艺中的至少一个引起。自由磁图案151a也可以被用于图1和图2中示出的磁存储器器件。
图5是示出根据本发明构思的一些实施例的磁存储器器件的另一修改示例的截面图。
参照图5，在根据本修改示例的磁存储器器件中，参考磁图案143a的第二被钉扎图案138a可以包括在交换耦合增强磁图案120a和极化增强磁图案130a之间交替地堆叠在交换耦合增强磁图案120a上的多个非磁性图案123a和多个中间图案125a。换句话说，非磁性图案123a和中间图案125a可以在交换耦合增强磁图案120a和极化增强磁图案130a之间交替地堆叠至少两次。因此，第二被钉扎图案138a的垂直磁各向异性自身可以被进一步改善。
图4的自由磁图案151a也可以被用于图5的磁存储器器件。
接下来，将描述根据一些实施例的制造磁存储器器件的方法。
图6和图7是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的截面图。图8是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的流程图。
参照图6和图8，下层间绝缘层102可以形成在基板100上。下接触插塞105可以形成为穿过下层间绝缘层102。
籽晶层107可以沉积在下层间绝缘层102上。籽晶层107可以使用物理气相沉积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺和/或原子层沉积(ALD)工艺来沉积。在一些实施例中，籽晶层107可以使用溅射工艺(其是PVD工艺的一种)沉积。
参考磁层140可以形成在籽晶层107上(S200)。参考磁层140可以包括第一被钉扎层110、交换耦合层115和第二被钉扎层135。更详细地，第一被钉扎层110可以沉积在籽晶层107上。第一被钉扎层110可以使用籽晶层107作为籽晶形成。在一些实施例中，第一被钉扎层110可以具有与籽晶层107相同的晶体结构。例如，籽晶层107可以由具有密排六方(HCP)晶体结构的钌(Ru)形成，第一被钉扎层110可以由具有HCP晶体结构的钴铂(CoPt)合金或[Co/Pt]n L11超晶格(其中“n”是自然数)形成。第一被钉扎层110可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。
在一些实施例中，第一被钉扎层110可以使用溅射工艺沉积。如果第一被钉扎层110由CoPt合金形成，则第一被钉扎层110可以通过氩(Ar)气体使用溅射工艺形成。在这种情况下，第一被钉扎层110可以由用硼掺杂的CoPt合金形成以减少第一被钉扎层110的饱和磁化。可选地，如果第一被钉扎层110由[Co/Pt]n L11超晶格形成，则第一被钉扎层110可以通过具有比氩气大的质量的惰性气体(例如，氪气体)使用溅射工艺沉积以改善[Co/Pt]n L11超晶格的垂直磁各向异性。
交换耦合层115可以沉积在第一被钉扎层110上。在一些实施例中，交换耦合层115可以使用第一被钉扎层110作为籽晶形成。例如，交换耦合层115可以由具有HCP晶体结构的钌形成。交换耦合层115可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，交换耦合层115可以使用溅射工艺沉积。
第二被钉扎层135可以形成在交换耦合层115上。第二被钉扎层135可以包括交换耦合增强磁层120、非磁性层123、中间磁层125和极化增强磁层130。更详细地，交换耦合增强磁层120可以沉积在交换耦合层115上。在一些实施例中，交换耦合增强磁层120可以具有与交换耦合层115相同的晶体结构。因此，交换耦合增强磁层120可以使用交换耦合层115作为籽晶形成。例如，交换耦合增强磁层120可以由具有HCP晶体结构的钴形成。交换耦合增强磁层120可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，交换耦合增强磁层120可以使用溅射工艺沉积。
非磁性层123可以沉积在交换耦合增强磁层120上。非磁性层123可以具有不同于交换耦合增强磁层120的晶体结构。例如，非磁性层123可以具有体心立方(BCC)晶体结构。例如，非磁性层123可以由钨形成。非磁性层123可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，非磁性层123可以使用溅射工艺沉积。
中间磁层125可以沉积在非磁性层123上。中间磁层125可以由与交换耦合增强磁层120不同的磁性材料形成。在一些实施例中，中间磁层125可以由铁(Fe)形成。在这种情况下，中间磁层125可以使用非磁性层123作为籽晶和/或提供成核点而沉积。因此，中间磁层125可以具有与非磁性层123相同的晶体结构。例如，中间磁层125可以具有BCC晶体结构。在其他的实施例中，中间磁层125可以由用硼掺杂的铁(即铁硼(FeB))形成。在这种情况下，沉积的中间磁层125可以处于非晶态。中间磁层125可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，中间层125可以使用溅射工艺沉积。
非磁性层123和中间磁层125可以彼此接触，从而在非磁性层123和中间磁层125之间的界面处引起界面垂直磁各向异性。
极化增强磁层130可以沉积在中间磁层125上。极化增强磁层130可以包括与中间磁层125的元素不同的元素。例如，极化增强磁层130可以由钴-铁-硼(CoFeB)形成。极化增强磁层130可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，极化增强磁层130可以使用溅射工艺沉积。沉积的极化增强磁层130可以处于非晶态。因而，参考磁层140可以设置在籽晶层107上。
隧道阻挡层145可以形成在参考磁层140上(S201)。在一些实施例中，隧道阻挡层145可以通过使用以隧道阻挡材料作为靶的溅射形成。靶可以包括具有被控制的化学计量的隧道阻挡材料。使用采用此靶的溅射工艺，优良/高质量的隧道阻挡层145可以沉积在参考磁层140上。因此，可以改善隧道阻挡层145的耐热特性。例如，隧道阻挡层145可以由镁氧化物(MgO)或铝氧化物(AlO)形成。具体地，隧道阻挡层145可以由具有氯化钠(NaCl)晶体结构的镁氧化物形成。
自由磁层150可以形成在隧道阻挡层145上(S203)。例如，自由磁层150可以由钴-铁-硼(CoFeB)形成。自由磁层150可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，自由磁层150可以使用溅射工艺沉积。沉积的自由磁层150可以处于非晶态。
在形成自由磁层105之后可以进行热处理工艺(S204)。极化增强磁层130和自由磁层150可以通过热处理工艺而结晶。因此，可以获得相对高的隧穿磁阻比。热处理工艺可以在约400℃或更高的高温进行以提供足够高的磁阻率。例如，热处理工艺的工艺温度可以在约400℃至约600℃的范围内。例如，热处理工艺的工艺温度可以在约400℃至约450℃的范围内。结晶的极化增强磁层130可以具有与中间磁层125和非磁性层123相同的晶体结构。结晶的自由磁层150可以具有与结晶的极化增强磁层130相同的晶体结构。自由磁层150可以在热处理工艺期间使用隧道阻挡层145作为籽晶而结晶。在一些实施例中，隧道阻挡层145可以具有NaCl晶体结构，自由磁层150可以具有BCC晶体结构。
如果沉积的中间磁层125由非晶的铁硼(FeB)形成，则非晶的铁硼(FeB)可以在热处理工艺期间结晶。此时，包括在铁硼(FeB)中的硼可以改善铁硼(FeB)的结晶速度。非晶的铁硼(FeB)中的一些硼原子可以在热处理工艺期间从中间磁层125扩散或逃出。因此，结晶的铁硼(FeB)的硼浓度可以小于沉积的非晶铁硼(FeB)的硼浓度。
在其他的实施例中，部分沉积的极化增强磁层130和部分沉积的自由磁层150可以为结晶态，磁层130和150可以通过热处理工艺而基本上和/或完全地结晶。
覆盖氧化物层155和覆盖电极层160可以顺序地形成在自由磁层150上。在一些实施例中，在形成覆盖电极层160之后可以进行热处理工艺。在其他的实施例中，热处理工艺可以在形成自由磁层150之后并且在形成覆盖氧化物层155之前进行。例如，覆盖氧化物层155可以由镁氧化物层、钽氧化物层和/或铝氧化物层中的至少一个形成。例如，覆盖电极层160可以由钽层、钌层、钛层和/或铂层中的至少一个形成。
参照图7，覆盖电极层160、覆盖氧化物层155、自由磁层150、隧道阻挡层145、参考磁层140和籽晶层107可以被依次图案化以形成顺序地堆叠的籽晶图案107a、参考磁图案140a、隧道阻挡图案145a、自由磁图案150a、覆盖氧化物图案155a和覆盖电极160a。
参考磁图案140a可以包括顺序地堆叠在籽晶图案107a上的第一被钉扎图案110a、交换耦合图案115a和第二被钉扎图案135a。第二被钉扎图案135a可以包括顺序地堆叠在交换耦合图案115a上的交换耦合增强磁图案120a、非磁性图案123a、中间磁图案125a和极化增强磁图案130a。
接下来，图1中示出的上层间绝缘层165、上接触插塞167和互连170可以顺序地形成以提供图1的磁存储器器件。
根据制造磁存储器器件的上述方法，第二被钉扎层135包括引起界面垂直磁各向异性的非磁性层123和中间磁层125。因此，即使热处理工艺在高温进行，也可以减少或最小化第二被钉扎层135的垂直磁各向异性的恶化。
另外，非磁性层123可以用作中间磁层125和极化增强磁层130的籽晶。因此，可以容易地形成具有不同于交换耦合增强磁层120的晶体结构的中间磁层125和极化增强磁层130。
接下来，将描述上面描述的制造方法的修改示例。在下文，将主要地描述上述的实施例和修改示例之间的差异以便减少冗余的说明。
图9是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的修改示例的截面图。
参照图9，在本修改示例中，中间磁层125可以直接形成在交换耦合增强磁层120上，非磁性层123可以直接形成在中间磁层125上。此后，极化增强磁层130可以形成在非磁性层123上。因此，参考磁层141的第二被钉扎层136可以包括顺序地堆叠在交换耦合层115上的交换耦合增强磁层120、中间磁层125、非磁性层123和极化增强磁层130。本修改示例的其他的操作可以与参照图6、7和8描述的对应操作相同。因此，可以提供图2的磁存储器器件。
在本修改示例中，如果中间磁层125可以由非晶的铁硼(FeB)形成，则非晶的铁硼可以在热处理工艺期间使用接触中间磁层125的顶表面的非磁性层123作为籽晶而结晶。
图10是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的操作的另一个修改示例的截面图。
参照图10，根据本修改示例的参考磁层142的第二被钉扎层137还可以包括形成在中间磁层125和极化增强磁层130之间的第二非磁性层127。换句话说，第二被钉扎层137可以包括顺序地堆叠在交换耦合层115上的交换耦合增强磁层120、非磁性层123、中间磁层125、第二非磁性层127和极化增强磁层130。第二非磁性层127可以由与非磁性层123相同的材料形成。另外，第二非磁性层127可以使用与用于形成非磁性层123的方法相同的方法形成。本修改示例的其他的操作可以与参照图6、7和8描述的对应操作相同。因此，可以提供图3的磁存储器器件。
图11是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的方法的另一个修改示例的截面图。
参照图11，根据本修改示例的自由磁层151可以包括顺序地堆叠在隧道阻挡层145上的第一自由磁层147、插入层148和第二自由磁层149。第一和第二自由磁层147和149的每个可以由与参照图6描述的自由磁层150相同的材料形成。第一和第二自由磁层147和149的每个可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺形成。在一些实施例中，第一和第二自由磁层147和149的每个可以使用溅射工艺形成。插入层148可以由能够通过与第一和第二自由磁层147和149接触而引起界面垂直磁各向异性的导电材料形成。另外，插入层148可以由具有比钽高的熔点的导电材料形成。例如，插入层148可以由钨(W)或铼(Re)形成。如果插入层148由钨(W)形成，则插入层148可以具有与第一和第二自由磁层147和149相同的晶体结构(例如，BCC晶体结构)。本修改示例的其他的操作可以与参照图6、7和8描述的对应操作相同。因此，可以提供图4的磁存储器器件。
图12是示出根据本发明构思的一些实施例的制造磁存储器器件的步骤的另一修改示例的截面图。
参照图12，根据本修改示例的参考磁层143的第二被钉扎层138可以包括在交换耦合增强磁层120上交替地堆叠至少两次的非磁性层123和中间磁层125。本修改示例的其他的操作可以与参照图6、7和8描述的对应操作相同。因此，可以提供图5的磁存储器器件。
在一些实施例中，第二非磁性层127可以形成在中间磁层125中最上面的一个和极化增强磁层130之间。
接下来，将描述根据其他的实施例的磁存储器器件。在本实施例中，如上述实施例中描述的相同元件将通过相同的附图标记或相同的参考指示符来指示。为了说明的容易和方便，同样元件的描述将省略或简要地提及。换句话说，在下文将描述本实施例和上述实施例之间的差异。
图13是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的截面图。
参照图13，根据本实施例，自由磁图案150a、隧道阻挡图案145a和参考磁图案140a可以顺序地堆叠在籽晶图案107a上。参考磁图案140a可以包括设置在阻挡隧道图案145a的顶表面上的第一被钉扎图案110a、设置在第一被钉扎图案110a和隧道阻挡图案145a之间的第二被钉扎图案135a、以及设置在第一和第二被钉扎图案110a和135a之间的交换耦合图案115a。
第二被钉扎图案135a可以包括接触隧道阻挡图案145a的顶表面的极化增强磁图案130a、接触交换耦合图案115a的底表面的交换耦合增强磁图案120a、以及设置在极化增强磁图案130a和交换耦合增强磁图案120a之间的中间磁图案125a。
在一些实施例中，非磁性图案123a可以设置在中间磁图案125a和交换耦合增强磁图案120a之间。非磁性图案123a的底表面和顶表面可以分别与中间磁图案125a和交换耦合增强磁图案120a接触。
在本实施例中，自由磁图案150a可以直接设置在籽晶图案107a上。因此，籽晶图案107a可以由能够用作自由磁图案150a的籽晶的导电材料形成。例如，如果自由磁图案150a具有BCC晶体结构，则籽晶图案107a可以包括具有NaCl晶体结构的导电材料，例如钛氮化物和/或钽氮化物。
在本实施例中，覆盖电极160a可以直接设置在第一被钉扎图案110a的顶表面上。
接下来，将描述根据本实施例的磁存储器器件的修改示例。在下文，将描述图13的实施例和修改示例之间的差异以减少冗余的说明。
图14是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的修改示例的截面图。
参照图14，根据本修改示例的参考磁图案141a的第二被钉扎图案136a可以包括设置在极化增强磁图案130a和中间磁图案125a之间的非磁性图案123a。非磁性图案123a的底表面和顶表面可以分别与极化增强磁图案130a和中间磁图案125a接触。在一些实施例中，中间磁图案125a的顶表面可以与交换耦合增强磁图案120a接触。
图15是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的另一个修改示例的截面图。
参照图15，根据本修改示例的参考磁图案142a的第二被钉扎图案137a还可以包括第二非磁性图案127a。非磁性图案123a可以设置在中间磁图案125a和交换耦合增强磁图案120a之间，第二非磁性图案127a可以设置在中间磁图案125a和极化增强磁图案130a之间。中间磁图案125a的顶表面和底表面可以分别与非磁性图案123a和第二非磁性图案127a接触。第二非磁性图案127a可以包括与非磁性图案123a相同的材料和相同的晶体结构。
图16是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的另一个修改示例的截面图。
参照图16，根据本修改示例的自由磁图案151a可以包括顺序地堆叠在籽晶图案107a上的第一自由磁图案147a、插入图案148a和第二自由磁图案149a。第一和第二自由磁图案147a和149a以及插入图案148a可以具有与参照图4描述的相同的特性和特征。自由磁图案151a可以应用于图13和14中示出的磁存储器器件。
图17是示出根据本发明构思的其他的实施例的磁存储器器件的另一修改示例的截面图。
参照图17，根据本修改示例的参考磁图案143a的第二被钉扎图案138a可以包括在极化增强磁图案130a上交替地堆叠至少两次的中间磁图案125a和非磁性图案123a。
在一些实施例中，图15的第二非磁性图案127a可以设置在中间磁图案125a的最下面的一个和极化增强磁图案130a之间。
在下文将描述根据本实施例的制造磁存储器器件的方法。
图18至图20是示出根据本发明的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的截面图。图21是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的流程图。
参照图18和图21，籽晶层107可以形成在下层间绝缘层102上。自由磁层150可以形成在籽晶层107上(S210)。籽晶层107可以由能够用作自由磁层150的籽晶的导电材料形成。例如，籽晶层107可以由具有NaCl晶体结构的导电材料形成，例如钛或钽。自由磁层150可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，自由磁层150可以使用溅射工艺沉积。沉积的自由磁层150的部分可以具有晶体结构或可以为非晶态。
隧道阻挡层145可以形成在自由磁层150上(S211)。隧道阻挡层145可以使用具有被控制的化学计量的靶通过溅射形成。
参考磁层的极化增强磁层130可以形成在隧道阻挡层145上(S212)。极化增强磁层130可以使用PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺沉积。在一些实施例中，极化增强磁层130可以使用溅射工艺沉积。沉积的极化增强磁层130的部分可以具有晶体结构或可以为非晶态。
如图21所示，可以进行热处理工艺(S213)。极化增强磁层130和自由磁层150可以通过热处理工艺而结晶。因此，可以提高极化增强磁层130、隧道阻挡层145和自由磁层150的隧穿磁阻比。热处理工艺可以在约400℃或更高的高温进行以增大该高的磁阻率。例如，热处理工艺的工艺温度可以在约400℃至约600℃的范围内。具体地，热处理工艺的工艺温度可以在约400℃至约450℃的范围内。在一些实施例中，热处理工艺可以在极化增强磁层130的形成装置中原位地进行。在另一些实施例中，在形成极化增强磁层130之后，热处理工艺可以在另一个装置中进行。
参照图19和图21，参考磁层140的其他的层125、123、120、115和110可以被形成(S214)。其他的层125、123、120、115和110可以包括第一被钉扎层110、交换耦合层115和第二被钉扎层135的另一些层125、123和120。在一些实施例中，中间磁层125、非磁性层123和交换耦合增强磁层120可以顺序地形成在极化增强磁层130上。因此，可以形成参考磁层140的第二被钉扎层135。接下来，交换耦合层115和第一被钉扎层110可以顺序地形成在第二被钉扎层135上。覆盖电极层160可以形成在第一被钉扎层110上。
参照图20，覆盖电极层160、参考磁层140、隧道阻挡层145、自由磁层150和籽晶层107可以被依次图案化以形成顺序地堆叠在下层间绝缘层102上的籽晶图案107a、自由磁图案150a、隧道阻挡图案145a、参考磁图案140a和覆盖电极160a。参考磁图案140a可以包括第一被钉扎图案110a、交换耦合图案115a和第二被钉扎图案135a。第二被钉扎图案135a、交换耦合图案115a和第一被钉扎图案110a可以顺序地堆叠在隧道阻挡图案145a上。
第二被钉扎图案135a可以包括顺序地堆叠在隧道阻挡图案145a的顶表面上的极化增强磁图案130a、中间磁图案125a、非磁性图案123a和交换耦合增强磁图案120a。
随后，图13的上层间绝缘层165、上接触插塞167和互连170可以顺序地形成以制造图13的磁存储器器件。
在本实施例中，由于第二被钉扎层135包括引起界面垂直磁各向异性的中间磁层125和非磁性层123，所以可以提高在形成图案107a、150a、145a、140a和160a之后进行的随后工艺的工艺温度容限。例如，随后工艺的工艺温度可以是在约400℃至约600℃的范围内的高温。
在上面描述的方法中，热处理工艺可以在形成参考磁层140的其他的层125、123、120、115和110之前进行。然而，发明构思不限于此。在其他的实施例中，热处理工艺可以在形成参考磁层140之后进行。这将参照图19和图22描述。
图22是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的方法的另一个示例的流程图。
参照图19和图22，自由磁层150可以形成在籽晶层107上(S220)。隧道阻挡层145可以形成在自由磁层150上(S221)。参考磁层140可以形成在隧道阻挡层145上(S222)。此时，参考磁层140的整个部分可以形成在隧道阻挡层145上。此后，可以进行热处理工艺(S223)。热处理工艺可以在形成参考磁层140之后并且在形成覆盖电极层160之前进行。可选地，在形成覆盖电极层160之后可以进行热处理工艺。
在本示例中，由于第二被钉扎层135包括非磁性层123和中间磁层125，所以第二被钉扎层135的垂直磁各向异性自身可以被提高。因此，即使在形成参考磁层140之后进行热处理操作，也可以减少或最小化第二被钉扎层135的垂直磁各向异性的恶化。
接下来，将描述根据本实施例的制造操作的修改示例。在下文，将主要描述上述的实施例和修改示例之间的差异以减少冗余的说明。
图23是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的方法的修改示例的截面图。
参照图23，在本修改示例中，非磁性层123可以直接形成在极化增强磁层130上，中间磁层125可以直接形成在非磁性层123上。因此，根据本修改示例的参考磁层141的第二被钉扎层136可以包括顺序地堆叠在隧道阻挡层145上的极化增强磁层130、非磁性层123、中间磁层125和交换耦合增强磁层120。本修改示例的其他的工艺可以与参照图18、19、20、21和22描述的对应工艺相同。因此，可以提供图14的磁存储器器件。
图24是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的操作的另一个修改示例的截面图。
参照图24，根据本修改示例的参考磁层142的第二被钉扎层137还可以包括第二非磁性层127。更详细地，非磁性层123可以形成在中间磁层125的顶表面和交换耦合增强磁层120之间，第二非磁性层127可以形成在中间磁层125的底表面和极化增强磁层130之间。本修改示例的其他的工艺可以与参照图18、19、20、21和22描述的对应工艺相同。因此，可以提供图15的磁存储器器件。
图25是示出根据本发明构思的其他的实施例的制造磁存储器器件的方法的另一个修改示例的截面图。
参照图25，根据本修改示例的自由磁层151可以包括顺序地形成在籽晶层107上的第一自由磁层147、插入层148和第二自由磁层149。本修改示例的其他的工艺可以与参照图18、19、20、21和22描述的对应工艺相同。因此，可以提供图16的磁存储器器件。
另外，在参照图19描述的制造方法中，中间磁层125和非磁性层123可以在形成交换耦合增强磁层120之前交替地和重复地形成至少两次。因此，可以提供图17中示出的磁存储器器件。
上面描述的磁存储器器件可以利用各种封装技术封装。例如，根据上述实施例的磁存储器器件可以利用以下中的任何一种来封装：层叠封装(PoP)技术、球栅阵列(BGA)技术、芯片级封装(CSP)技术、带引线的塑料芯片载体(PLCC)技术、塑料双列直插式封装(PDIP)技术、华夫管芯封装(die in waffle pack)技术、晶圆式管芯(die in wafer form)技术、板上芯片(COB)技术、陶瓷双列直插封装(CERDIP)技术、塑料公制四方扁平封装(PMQFP)技术、塑料四方扁平封装(PQFP)技术、小外形封装(SOIC)技术、窄间距小外形封装(SSOP)技术、薄小外形封装(TSOP)技术、薄四方扁平封装(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(wafer-level fabricated package，WFP)技术和/或晶圆级处理堆叠封装(WSP)技术。
图26是示出包括根据本发明构思实施例的磁存储器器件的电子系统的示例的示意方框图。
参照图26，根据本发明构思的实施例的电子系统1100可以包括控制器1110、输入/输出(I/O)单元1120、存储器器件1130、接口单元1140和数据总线1150。控制器1110、I/O单元1120、存储器器件1130和/或接口单元1140中的至少两个可以通过数据总线1150彼此通讯。数据总线1150可以相当于电信号通过其传输的路径。
控制器1110可以包括以下中的至少一个：微处理器、数字信号处理器、微控制器以及具有与其中任一个类似的功能的其他逻辑器件。I/O单元1120可以包括键区、键盘和显示单元中的至少一个。存储器器件1130可以储存数据和命令中的至少一个。存储器器件1130可以包括根据上面描述的实施例的磁存储器器件中的至少一个。另外，存储器器件1130还可以包括不同于上面描述的磁存储器器件的其他类型的半导体存储器器件。例如，存储器器件1130还可以包括闪速存储器器件、相变存储器器件、动态随机存取存储器(DRAM)器件和静态随机存取存储器(SRAM)器件中的至少一种。接口单元1140可以发送电数据到通信网络和/或可以从通信网络接收电数据。接口单元1140可以无线地操作或通过电缆操作。例如，接口单元1140可以包括用于无线通信的天线或用于电缆通信的收发器。尽管在附图中没有示出，电子系统1100还可以包括快速DRAM器件和/或快速SRAM器件，其用作可改善控制器1110的操作的高速缓冲存储器。
电子系统1100可以应用于个人数字助理(PDA)、便携式计算机、上网本、无线电话、移动电话、数字音乐播放器、存储卡或其他电子产品。其他的电子产品可以无线地接收和/或发送信息数据。
图27是示出包括根据本发明构思实施例的磁存储器器件的存储卡的示例的示意方框图。
参照图27，根据发明构思的实施例的存储卡1200可以包括存储器器件1210。存储器器件1210可以包括根据如上所述的实施例的磁存储器器件中的至少一个。另外，存储器器件1210还可以包括不同于根据上面描述的实施例的磁存储器器件的其他类型的半导体存储器器件。例如，存储器器件1210还可以包括相变存储器器件、闪速存储器器件、DRAM器件和/或SRAM器件中的至少一个。存储卡1200可以包括控制主机和存储器器件1210之间的数据通信的存储器控制器1220。
存储器控制器1220可以包括控制存储卡1200的整个操作的中央处理单元(CPU)1222。此外，存储器控制器1220可以包括用作CPU 1222的操作存储器的SRAM器件1221。此外，存储器控制器1220还可以包括主机接口单元1223和存储器接口单元1225。主机接口单元1223可以配置为提供用于存储卡1200和主机之间的通信的数据通信协议。存储器接口单元1225可以将存储器控制器1220连接到存储器器件1210。存储器控制器1220还可以包括错误检查和校正(ECC)块1224。ECC块1224可以检测并校正从存储器器件1210读出的数据的错误。尽管没有在附图中示出，但是存储卡1200还可以包括存储代码数据以与主机对接的只读存储器(ROM)器件。存储卡1200可以用作便携式数据存储卡。可选地，存储卡1200可以提供为用作计算机系统的硬盘的固态盘(SSD)。
如被本发明实体所理解的，根据这里描述的各种实施例的器件和形成器件的方法可以被包括在诸如集成电路的微电子器件中，其中根据这里描述的各种实施例的多个器件被集成在同一微电子器件中。因此，这里示出的截面图可以在微电子器件中在两个不同的方向(不需要是正交的)上重复。因此，基于微电子器件的功能性，包含根据这里描述的各个实施例的器件的微电子器件的平面图可以包括呈阵列和/或二维图案的多个器件。
根据这里描述的各种实施例的器件可以取决于微电子器件的功能性而散置于其他的器件当中。而且，根据这里描述的各种实施例。微电子器件可以在正交于所述两个不同的方向的第三方向上重复，以提供三维集成电路。
因此，这里示出的截面图提供对于根据这里描述的各个实施例的多个器件的支持，该多个器件在平面图中沿两个不同的方向延伸和/或在透视图中在三个不同的方向上延伸。例如，当单个有源区在器件/结构的截面图中示出时，该器件/结构可以包括多个有源区和其上的晶体管结构(或存储器单元结构、栅结构等，视情况而定)，如将通过器件/结构的平面图示出的。
根据本发明构思的实施例，交换耦合图案和隧道阻挡图案之间的第二被钉扎图案可以包括非磁性图案和中间磁图案以及极化增强磁图案。这里，非磁性图案可以在中间磁图案和非磁性图案之间的界面处引起界面垂直磁各向异性。换句话说，第二被钉扎图案的垂直磁各向异性可以通过非磁性图案和中间磁图案而改善。因此，可以改善MTJ图案的隧穿磁阻比，并可以减少或最小化由高温引起的MTJ图案的特性的恶化。因而，可以提供具有改善的可靠性的磁存储器器件。
另外，非磁性图案可以用作抵抗第一被钉扎图案的原子(例如，铂原子)的扩散阻挡，该原子在高温热处理工艺期间朝向极化增强磁图案扩散。因此，可以减少或最小化MTJ图案的可靠性的恶化。而且，可以改善在形成MTJ图案之后进行的随后工艺的工艺温度容限。
此外，非磁性图案可以具有与中间磁图案相同的晶体结构。因此，非磁性图案可以用作籽晶或成核层以使中间磁图案结晶为与非磁性图案相同的晶体结构。因此，第二被钉扎图案可以更容易地形成。
虽然已经参照示例实施例描述了本发明构思，但是对于本领域技术人员将明显的是，可以进行各种改变和修改而没有背离这里公开的本发明构思的精神和范围。因此，应当理解，以上实施例不是限制性的，而是说明性的。因此，本发明构思的范围将由以下权利要求及其等同物的最宽可允许解释来确定，而不应被以上描述限制或限定。
本申请要求于2013年12月9日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0152430的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
Claims (25)
1.一种磁存储器器件，包括：
基板；以及
在所述基板上的磁隧道结存储器元件，其中所述磁隧道结存储器元件包括：
参考磁层，包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层，其中所述交换耦合层在所述第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，其中所述第二被钉扎层包括铁磁层和非磁性层，
隧道阻挡层，其中所述第二被钉扎层在所述第一被钉扎层和所述隧道阻挡层之间，和
自由磁层，其中所述隧道阻挡层在所述参考磁层和所述自由磁层之间。
2.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述铁磁层包括钴(Co)、铁(Fe)、铁-硼(FeB)和钴铁硼(CoFeB)中的至少一个。
3.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述非磁性层包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个。
4.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述铁磁层是第一铁磁层，其中所述第二被钉扎层还包括第二铁磁层，其中所述非磁性层在所述第一铁磁层和第二铁磁层之间。
5.如权利要求4所述的磁存储器器件，其中所述第一铁磁层在所述非磁性层和所述交换耦合层之间，其中所述第一铁磁层包括钴(Co)，其中所述第二铁磁层包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个。
6.如权利要求4所述的磁存储器器件，其中所述第一铁磁层在所述非磁性层和所述交换耦合层之间，其中所述第一铁磁层包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，其中所述第二铁磁层包括钴铁硼(CoFeB)。
7.如权利要求4所述的磁存储器器件，其中所述第一铁磁层在所述非磁性层和所述交换耦合层之间，其中所述第一铁磁层包括钴(Co)，其中所述第二铁磁层包括钴铁硼(CoFeB)。
8.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述非磁性层是第一非磁性层，其中所述第二被钉扎层还包括第二非磁性层，其中所述铁磁层在所述第一非磁性层和第二非磁性层之间。
9.如权利要求8所述的磁存储器器件，其中所述第一非磁性层包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，其中所述铁磁层包括铁和/或铁硼。
10.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述铁磁层是第一铁磁层，其中所述非磁性层是在所述第一铁磁层上的第一非磁性层，其中所述第二被钉扎层还包括在所述第一非磁性层上的第二铁磁层、在所述第二铁磁层上的第二非磁性层以及在所述第二非磁性层上的第三铁磁层。
11.如权利要求10所述的磁存储器器件，其中所述第一铁磁层包括钴(Co)，所述第一非磁性层包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，其中所述第二铁磁层包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，其中所述第二非磁性层包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，其中所述第三铁磁层包括钴铁硼(CoFeB)。
12.如权利要求10所述的磁存储器器件，其中所述交换耦合层和所述第一铁磁层具有第一晶体结构，其中所述第二铁磁层和所述第三铁磁层具有第二晶体结构，其中所述第一晶体结构和第二晶体结构是不同的。
13.如权利要求12所述的磁存储器器件，其中所述第一晶体结构是密排六方(HCP)晶体结构，其中所述第二晶体结构是体心立方(BCC)晶体结构。
14.如权利要求13所述的磁存储器器件，其中所述第一非磁性层和第二非磁性层具有体心立方(BCC)晶体结构。
15.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述参考磁层和所述自由磁层的磁化方向相对于所述自由磁层和所述隧道阻挡层之间的界面基本上垂直。
16.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述非磁性层在所述铁磁层和所述第一被钉扎层之间，其中所述第一被钉扎层和所述铁磁层具有不同的晶体结构。
17.如权利要求16所述的磁存储器器件，其中所述第一被钉扎层包括钴铂(CoPt)合金和/或[Co/Pt]n L11超晶格，其中n是自然数。
18.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述参考磁层在所述隧道阻挡层和所述基板之间，其中所述第一被钉扎层在所述交换耦合层和所述基板之间，其中所述隧道阻挡层在所述自由磁层和所述基板之间。
19.如权利要求1所述的磁存储器器件，还包括：
在所述自由磁层上的覆盖氧化物层，其中所述磁隧道结存储器元件在所述覆盖氧化物层和所述基板之间。
20.如权利要求19所述的磁存储器器件，其中所述覆盖氧化物层配置为引起界面垂直磁各向异性。
21.如权利要求1所述的磁存储器器件，还包括：
在所述基板和所述第一被钉扎层之间的籽晶层；和
在所述自由磁层上的覆盖电极，其中所述磁隧道结存储器元件在所述籽晶层和所述覆盖电极之间。
22.如权利要求1所述的磁存储器器件，其中所述自由磁层在所述隧道阻挡层和所述基板之间，其中所述隧道阻挡层在所述第二被钉扎层和所述基板之间，其中所述第二被钉扎层在所述交换耦合层和所述基板之间，其中所述交换耦合层在所述第一被钉扎层和所述基板之间。
23.一种磁存储器器件，包括：
基板；和
在所述基板上的磁隧道结存储器元件，其中所述磁隧道结存储器元件包括：
参考磁层，包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层，其中所述交换耦合层在所述第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，其中所述第二被钉扎层包括第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层，其中所述非磁性层在所述第一铁磁层和第二铁磁层之间，
隧道阻挡层，其中所述第二被钉扎层在所述第一被钉扎层和所述隧道阻挡层之间，
自由磁层，其中所述隧道阻挡层在所述参考磁层和所述自由磁层之间。
24.如权利要求23所述的磁存储器器件，其中所述非磁性层包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个。
25.如权利要求23所述的磁存储器器件，其中所述第一铁磁层在所述非磁性层和所述交换耦合层之间，其中所述第一铁磁层包括钴(Co)，其中所述第二铁磁层包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个。
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