CN106803532B - 具有垂直磁隧道结的磁存储器件 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了具有垂直磁隧道结的磁存储器件。一种磁存储器件包括在基板上的第一磁结构、在基板和第一磁结构之间的第二磁结构、以及在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个包括垂直磁层以及插设在隧道阻挡物和垂直磁层之间的极化增强层。这里，极化增强层包含钴、铁和至少一种IV族元素，并且极化增强层具有垂直于或基本上垂直于基板的顶表面的磁化方向。
Description
技术领域
这里公开的示例实施方式涉及磁存储器件，具体地，涉及具有垂直磁隧道结的磁存储器件。
背景技术
在电子装置中提供的半导体器件要求更快的运行速度和/或更低的运行电压。磁存储器件能够满足这样的要求。例如，磁存储器件能够提供诸如减少延迟和/或非易失性的技术优点。因而，磁存储器件正显现为下一代的存储其间。
磁存储器件包括磁隧道结(MTJ)。MTJ可以包括两个磁层和插设在这两个磁层之间的绝缘层。MTJ的电阻可以根据这两个磁层的磁化方向而变化。例如，当这两个磁层的磁化方向反平行时MTJ的电阻可以大于当这两个磁层的磁化方向平行时MTJ的电阻。这样的电阻差异可以用于磁存储器件的数据存储操作。然而，仍需要更多的研究以批量制造高度集成的磁存储器件。
发明内容
这里公开的示例实施方式提供具有改善的磁致电阻(TMR)特性的磁隧道结(MTJ)和高度可靠的磁存储器件。
根据这里公开的示例实施方式，一种磁存储器件可以包括在基板上的第一磁结构、在基板和第一磁结构之间的第二磁结构、以及在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个可以包括垂直磁层以及插设在隧道阻挡物和垂直磁层之间的极化增强层，该极化增强层包括钴、铁、以及至少一种IV族元素，极化增强层可以具有垂直于或基本上垂直于基板的顶表面的磁化方向。
根据这里公开的示例实施方式，一种磁存储器件可以包括在基板上的第一磁结构、在基板和第一磁结构之间的第二磁结构、以及在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个可以包括与隧道阻挡物的表面接触的极化增强层，极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素，并且极化增强层可以具有垂直于或基本上垂直于该基板的顶表面的磁化方向。
附图说明
通过以下结合附图的简要描述，示例实施方式将被更清楚地理解。附图表示如这里所描述的非限制的示例实施方式。
图1是根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的方框图。
图2是示出根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的存储单元阵列的电路图。
图3是示出根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的单位存储单元的电路图。
图4和图5是示出根据这里公开的示例实施方式的磁隧道结的示意图。
图6是示出根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的截面图。
图7是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第一磁结构的示例的截面图。
图8是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第二磁结构的示例的截面图。
图9是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第一磁结构的另一个示例的截面图。
图10是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第二磁结构的另一个示例的截面图。
图11和图12是示出包括根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的电子装置的示意性方框图。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式，附图中示出了示例实施方式。
图1是根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的方框图。
参照图1，磁存储器件可以包括存储单元阵列10、行解码器20、列选择电路30、读写电路40和控制逻辑50。
存储单元阵列10可以包括多个字线、多个位线以及提供在字线和位线之间的交叉处的多个存储单元。存储单元阵列10的结构将参照图2更详细地描述。
行解码器20可以通过字线连接到存储单元阵列10。行解码器20可以配置为解码从磁存储器件的外面接收的地址信息输入，从而选择字线之一。
列选择电路30可以通过位线连接到存储单元阵列10，并可以配置为解码从磁存储器件的外部接收的地址信息输入从而选择位线之一。由列选择电路30选择的位线可以连接到读写电路40。
读写电路40可以响应于来自控制逻辑50的控制信号而提供存取所选择的存储单元的位线偏压。此外，读写电路40可以将位线电压提供到所选择的位线以写入数据到存储单元或从存储单元读取数据。
控制逻辑50可以响应于从外面输入的指令信号而输出用于控制磁存储器件的控制信号。从控制逻辑50输出的控制信号可以用于控制读写电路40。
图2是示出根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的存储单元阵列的电路图，图3是示出根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的单位存储单元的电路图。
参照图2，存储单元阵列10可以包括多个第一导电线、多个第二导电线和多个单位存储单元MC。在示例实施方式中，第一导电线可以用作字线WL0-WL3，第二导电线可以用作位线BL0-BL3。单位存储单元MC可以提供为二维或三维的构造。字线WL和位线BL可以提供为彼此交叉，并且每个单位存储单元MC可以提供在字线WL和位线BL之间的交叉中的对应一个处。每个字线WL可以连接到多个单位存储单元MC。连接到特定一个字线WL的每个单位存储单元MC可以连接到相应的位线BL。每个位线BL可以连接到单位存储单元MC中的连接到特定一个字线WL的对应一个。因此，连接到字线WL的单位存储单元MC可以通过位线BL连接到参照图1描述的读写电路40。
参照图3，每个单位存储单元MC可以包括存储元件ME和选择元件SE。存储元件ME可以提供在位线BL和选择元件SE之间，并且选择元件SE可以提供在存储元件ME和字线WL之间。存储元件ME可以是可变电阻器件，该可变电阻器件具有能够通过施加到其的电脉冲而切换到至少两个状态之一的电阻。
在示例实施方式中，存储元件ME可以具有分层结构，该分层结构具有能够利用从其流过的电流通过自旋转移过程改变的电阻。例如，存储元件ME可以具有配置为表现出磁致电阻性质的分层结构，并可以包括至少一种铁磁材料和/或至少一种反铁磁材料。
选择元件SE可以配置为选择性地控制经过存储元件ME的电流的流动。例如，选择元件SE可以是二极管、pnp双极晶体管、npn双极晶体管、n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS-FET)和PMOS-FET中的一种。在选择元件SE是三端开关器件(例如，双极晶体管或MOSFET)的情况下，额外的互连线可以连接到选择元件SE的控制电极或栅极。
具体地，存储元件ME可以包括第一磁结构MS1、第二磁结构MS2以及在第一磁结构MS1和第二磁结构MS2之间的隧道阻挡物TBR。第一磁结构MS1、第二磁结构MS2和隧道阻挡物TBR可以形成磁隧道结MTJ。第一磁结构MS1和第二磁结构MS2的每个可以包括由铁磁材料制成的至少一个磁层。存储元件ME可以包括插设在第二磁结构MS2和选择元件SE之间的底电极BE以及插设在第一磁结构MS1和位线BL之间的顶电极TE。
图4和图5是示出根据这里公开的示例实施方式的磁隧道结的示意图。
参照图4和图5，磁隧道结MTJ可以提供在基板100上。磁隧道结MTJ可以包括按顺序堆叠在基板100上的第一磁结构MS1、第二磁结构MS2以及在第一磁结构MS1和第二磁结构MS2之间的隧道阻挡物TBR。第二磁结构MS2可以提供在基板100和隧道阻挡物TBR之间，第一磁结构MS1可以与第二磁结构MS2间隔开而使隧道阻挡物TBR插设在其间。
第一磁结构MS1和第二磁结构MS2的磁层之一可以配置为具有固定方向的磁化，其不被通常使用的环境中产生的外部磁场改变。在本说明书的后面的部分中，为了描述的方便起见，术语“固定或被钉扎层PNL”将用于表示具有这样的被固定磁化性质的磁层。第一磁结构MS1和第二磁结构MS2的磁层中的另一个可以配置为具有可变的磁化方向，其可以通过施加到其的外部磁场而转换。在下文，术语“自由层FRL”将用于表示具有这样的可转换磁化性质的磁层。磁隧道结MTJ可以包括通过隧道阻挡物TBR分隔的至少一个自由层FRL和至少一个固定层PNL。
磁隧道结MTJ可以具有根据自由层FRL的磁化方向和固定层PNL的磁化方向而变化的电阻。例如，当自由层FRL的磁化方向和固定层PNL的磁化方向为反平行时磁隧道结MTJ的电阻可以远大于当它们平行时磁隧道结MTJ的电阻。结果，磁隧道结MTJ的电阻可以通过改变自由层FRL的磁化方向来控制，这可以用作根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件中的数据存储机理。
第一磁结构MS1和第二磁结构MS2的每个可以包括具有垂直于或基本上垂直于基板100的顶表面101的磁化方向的至少一个磁层。在此情况下，根据自由层FRL和基板100之间的相对配置和/或自由层FRL和固定层PNL的形成顺序，磁隧道结MTJ可以分为以下的两种类型。
例如，如图4所示，磁隧道结MTJ可以是第一类型的磁隧道结MTJ1，其以这样的方式配置使得第一磁结构MS1和第二磁结构MS2分别包括固定层PNL和自由层FRL。可选地，如图5所示，磁隧道结MTJ可以是第二类型的磁隧道结MTJ2，其以这样的方式配置使得第一磁结构MS1和第二磁结构MS2分别包括自由层FRL和固定层PNL。
图6是示出根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的截面图。
参照图6，第一电介质层102可以提供在基板100上，并且下接触插塞104可以提供为穿过第一电介质层102。下接触插塞104的底表面可以电连接到参照图3描述的选择元件SE的各端子之一。
基板100可以由半导体材料、绝缘材料和覆盖有绝缘层的半导体或导电材料中的一种形成，或者包括半导体材料、绝缘材料和覆盖有绝缘层的半导体或导电材料中的一种。例如，基板100可以是硅晶片。第一电介质层102可以包括氧化物、氮化物和/或氧氮化物。下接触插塞104可以包括导电材料。例如，下接触插塞104可以包括至少一种导电材料，诸如掺杂的半导体(例如，掺杂的硅、掺杂的锗或掺杂的硅锗)、金属(例如，钛、钽或钨)和导电的金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物)。
底电极BE、磁隧道结MTJ和顶电极TE可以顺序堆叠在第一电介质层102上。底电极BE可以电联接到下接触插塞104的顶表面。底电极BE、磁隧道结MTJ和顶电极TE可以提供为具有垂直对准的侧壁。
底电极BE可以包括导电材料。例如，底电极BE可以包括至少一种导电的金属氮化物(例如，钛氮化物和/或钽氮化物)。
磁隧道结MTJ可以包括在底电极BE上的第一磁结构MS1、在底电极BE和第一磁结构MS1之间的第二磁结构MS2、以及在第一磁结构MS1和第二磁结构MS2之间的隧道阻挡物TBR。例如，第二磁结构MS2可以提供在底电极BE和隧道阻挡物TBR之间，并且第一磁结构MS1可以提供在顶电极TE和隧道阻挡物TBR之间。在一个实施方式中，第二磁结构MS2、隧道阻挡物TBR和第一磁结构MS1排列在基本上第一方向上。第一磁结构MS1和第二磁结构MS2将参照图7至图10更详细地描述。
隧道阻挡物TBR可以包括镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、镁硼氧化物、钛氮化物和钒氮化物中的至少一种。例如，隧道阻挡物TBR可以是镁氧化物层。可选地，隧道阻挡物TBR可以包括多个层，该多个层的每个可以包括镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、镁硼氧化物、钛氮化物和钒氮化物中的至少一种。隧道阻挡物TBR可以具有在从约
至约
的范围内的厚度T1。
顶电极TE可以包括导电材料。例如，顶电极TE可以包括金属(例如钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)和钛(Ti))以及导电的金属氮化物(例如钽氮化物(TaN)、钛氮化物(TiN))中的至少一种。
第二电介质层108可以提供在基板100上以覆盖底电极BE、磁隧道结MTJ和顶电极TE。上接触插塞106可以提供为穿过第二电介质层108并连接到顶电极TE。第二电介质层108可以包括氧化物、氮化物和氧氮化物中的至少一种，并且上接触插塞106可以包括金属(例如钛、钽、铜、铝或钨)和导电的金属氮化物(例如钛氮化物或钽氮化物)中的至少一种。互连线109可以提供在第二电介质层108上。互连线109可以连接到上接触插塞106。互连线109可以包括金属(例如钛、钽、铜、铝或钨)和导电的金属氮化物(例如钛氮化物或钽氮化物)中的至少一种。在示例实施方式中，互连线109可以用作磁存储器件的位线。
图7是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第一磁结构的示例的截面图。
参照图7，第一磁结构MS1可以包括顺序堆叠在隧道阻挡物TBR和顶电极TE之间的第一极化增强层110、第一交换耦合层120和第一垂直磁层130。根据本实施方式的第一磁结构MS1可以是多层磁结构，其配置为包括参照图4描述的第一类型的磁隧道结MTJ1的固定层PNL。
具体地，第一极化增强层110可以提供在隧道阻挡物TBR和顶电极TE之间，并且第一垂直磁层130可以提供在第一极化增强层110和顶电极TE之间。第一交换耦合层120可以提供在第一极化增强层110和第一垂直磁层130之间。第一极化增强层110和第一垂直磁层130的每个可以具有基本上垂直于基板100的顶表面101的磁化方向。
第一极化增强层110可以被提供来改善磁隧道结MTJ的隧道磁致电阻(TMR)特性。第一极化增强层110可以包括磁材料。例如，第一极化增强层110可以由包含钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料形成，或者包括含有钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料。例如，第一极化增强层110可以由包含钴(Co)、铁(Fe)和碳(C)的材料形成，或包括含有钴(Co)、铁(Fe)和碳(C)的材料。在示例实施方式中，第一极化增强层110可以包括钴铁碳(CoFeC)。在此情况下，第一极化增强层110可以包括(CoxFe100-x)100-zCz，其中x可以在从约0％至约50％的范围内，z可以在从约2％至约8％的范围内。在某些情况下，第一极化增强层110还可以包含硼(B)。例如，第一极化增强层110可以包括钴铁碳硼(CoFeCB)层。在此情况下，第一极化增强层110可以包括(CoxFe100-x)100-z-aCzBa，其中x可以在从约0％至约50％的范围内，z+a可以在从约2％至约8％的范围内。
第一极化增强层110可以与隧道阻挡物TBR的顶表面111直接接触。隧道阻挡物TBR和第一极化增强层110可以提供为具有晶体结构(例如多晶结构)。例如，隧道阻挡物TBR可以具有NaCl型晶体结构，并且第一极化增强层110可以具有BCT(体心四方)晶体结构，其具有类似于NaCl型晶体结构的晶格。第一极化增强层110可以具有与隧道阻挡物TBR的(100)晶面平行或基本上平行的(100)晶面。在示例实施方式中，第一极化增强层110的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面可以平行或基本上平行于基板100的顶表面101。第一极化增强层110的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面可以彼此接触以形成界面。在界面处，第一极化增强层110和隧道阻挡物TBR之间的晶格匹配的改善可以允许磁隧道结MTJ具有改善的TMR特性。
第一极化增强层110可以防止与其相邻的磁层中包含的磁元素(例如第一垂直磁层130中的Pt)扩散到第一极化增强层110和隧道阻挡物TBR之间的界面中。例如，可以对磁隧道结MTJ进行后续热处理工艺，并且在此热处理工艺期间，与第一极化增强层110相邻的磁层中的磁元素可能扩散到第一极化增强层110和隧道阻挡物TBR之间的界面中。在第一极化增强层110包含CoFeC的情况下，碳C可以在热处理工艺期间偏析在第一极化增强层110的晶粒边界中，这可以抑制磁元素扩散到第一极化增强层110和隧道阻挡物TBR之间的界面中。结果，磁隧道结MTJ可以具有改善的TMR特性。
第一极化增强层110可以具有四方变形的晶体结构。在第一极化增强层110包含例如CoFeC的情况下，联接到CoFe的碳可以导致CoFe晶体结构(例如BCC(体心立方)晶体结构)的四方变形。结果，第一极化增强层110可以具有例如BCT晶体结构。此外，碳引起的四方变形可以导致第一极化增强层110的垂直磁各向异性的改善。
根据常规技术，为了改善磁隧道结MTJ的TMR特性，磁隧道结MTJ可以配置为包括隧道阻挡物TBR和极化增强层，该极化增强层被提供为与隧道阻挡物TBR的表面接触。这里，极化增强层可以包括例如CoFeB。当沉积极化增强层时，极化增强层的至少一部分可以具有非晶结构，然后它可以通过后续的热处理工艺转变为晶体结构。这里，为了有效地实现这样的转变，会需要在约400℃或更高的温度进行热处理工艺。然而，在这样的高温环境中，磁元素会容易从形成磁隧道结MTJ的磁层扩散到极化增强层中和/或扩散到极化增强层和隧道阻挡物TBR之间的界面中，这种扩散会导致磁隧道结MTJ的TMR特性的降低。
在本实施方式中，第一极化增强层110可以由包含钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料形成，或者包括含有钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料。例如，第一极化增强层110可以包括钴铁碳(CoFeC)。在沉积第一极化增强层110时，第一极化增强层110可以具有包括(100)晶面的晶体结构，该(100)晶面平行或基本上平行于隧道阻挡物TBR的(100)晶面。因此，即使在300℃或更低的较低温度对磁隧道结MTJ进行后续的热处理工艺时，也容易保持第一极化增强层110的(100)晶面平行或基本上平行于隧道阻挡物TBR的(100)晶面。第一极化增强层110的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面可以彼此接触以形成界面，并且在该界面处，第一极化增强层110和隧道阻挡物TBR之间的良好的晶格匹配可以允许磁隧道结MTJ具有改善的TMR特性。
在第一极化增强层110包含CoFeC的情况下，碳C可以在热处理工艺期间偏析在第一极化增强层110的晶粒边界中。这种偏析可以抑制形成磁隧道结MTJ的磁层中的磁元素在热处理工艺期间扩散到第一极化增强层110和隧道阻挡物TBR之间的界面中，因此磁隧道结MTJ可以具有改善的TMR特性。
此外，在第一极化增强层110包含CoFeC的情况下，碳的存在可以允许第一极化增强层110具有四方变形的晶体结构，这可以改善第一极化增强层110的垂直磁各向异性特性。
因而，可以实现具有改善的可靠性的磁存储器件。
第一交换耦合层120可以包括非磁金属材料。例如，非磁金属材料可以为Hf、Zr、Ti、Ta及其任何合金中的一种。第一交换耦合层120可以允许第一极化增强层110和第一垂直磁层130之间的交换耦合，因此第一极化增强层110可以具有与第一垂直磁层130相同的磁化方向或基本上相同的磁化方向。在本实施方式中，第一极化增强层110和第一垂直磁层130的每个可以具有固定的磁化方向。
第一垂直磁层130可以由表现出本征垂直磁化性质的磁材料(在下文，称为“垂直磁化材料”)形成。这里，如这里所用的术语“本征垂直磁化性质”是指当没有施加到其的外部磁场时磁层的磁化方向取向为平行或基本上平行于其厚度方向或者垂直或基本上垂直于其主表面。例如，在具有垂直磁化性质的磁层形成在基板上的情况下，该磁层的磁化方向可以垂直或基本上垂直于该基板的顶表面。
本征垂直磁化性质可以通过包括含钴的垂直磁化材料中的至少一种的单层或多层结构实现。例如，第一垂直磁层130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、钽和氧化物中的至少一种。作为另一个示例，第一垂直磁层130可以提供为多层结构的形式，该多层结构包括一个在另一个之上(one on topof the other)交替堆叠的含钴层和贵金属层。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。在另一些示例中，第一垂直磁层130可以提供为包括上述材料中的至少一种的多层结构的形式。
为了提供对这里公开的实施方式的更好的理解，描述了用于第一垂直磁层130的本征垂直磁化材料的某些示例，但是示例实施方式可以不限于此。例如，第一垂直磁层130可以包括以下中的至少一种：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)具有六方密堆积(HCP)结构的CoPt；i)包含a)至h)项中给出的材料中的至少一种的合金；和/或j)包括交替堆叠的磁层和非磁层的多层结构。包括交替堆叠的磁层和非磁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(CoCr/Pd)n中的至少一种，其中下标n表示堆叠数量。在某些实施方式中，第一垂直磁层130还可以包括设置为与第一交换耦合层120接触的钴层或富钴层。
图8是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第二磁结构的示例的截面图。
参照图8，第二磁结构MS2可以包括顺序堆叠在隧道阻挡物TBR和底电极BE之间的第二极化增强层140、第二交换耦合层160和第二垂直磁层170。第二磁结构MS2还可以包括在底电极BE和第二垂直磁层170之间的籽晶层180以及在第二极化增强层140和第二交换耦合层160之间的非磁金属层150。根据本实施方式的第二磁结构MS2可以是多层磁结构，其配置为包括参照图4描述的第一类型的磁隧道结MTJ1的自由层FRL。
具体地，第二极化增强层140可以设置在隧道阻挡物TBR和底电极BE之间，并且第二垂直磁层170可以设置在第二极化增强层140和底电极BE之间。第二交换耦合层160可以设置在第二极化增强层140和第二垂直磁层170之间。籽晶层180可以设置在第二垂直磁层170和底电极BE之间，并且非磁金属层150可以设置在第二极化增强层140和第二交换耦合层160之间。第二极化增强层140和第二垂直磁层170的每个可以具有垂直于或基本上垂直于基板100的顶表面101的磁化方向。
第二极化增强层140可以被提供来改善磁隧道结MTJ的隧道磁致电阻(TMR)特性。第二极化增强层140可以包括磁材料。例如，第二极化增强层140可以由包含钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料形成，或者包括含有钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料。第二极化增强层140可以包括与参照图7描述的第一极化增强层110相同的材料。例如，第二极化增强层140可以包括钴铁碳(CoFeC)。在此情况下，第二极化增强层140可以包括(CoxFe100-x)100-zCz，其中x可以在从约0％至约50％的范围内，z在从约2％至约8％的范围内。在某些情况下，第二极化增强层140还可以包括硼(B)。例如，第二极化增强层140可以包括钴铁碳硼(CoFeCB)层。在此情况下，第二极化增强层140可以包括(CoxFe100-x)100-z-aCzBa，其中x可以在从约0％至约50％的范围内，z+a可以在从约2％至约8％的范围内。
第二极化增强层140可以与隧道阻挡物TBR的底表面112和非磁金属层150的顶表面直接接触。例如，隧道阻挡物TBR、第二极化增强层140和非磁金属层150可以具有晶体结构(例如多晶结构)。例如，隧道阻挡物TBR和非磁金属层150的每个可以具有NaCl型晶体结构，并且第二极化增强层140可以具有类似于NaCl型晶体结构的晶格的BCT(体心四方)晶体结构。第二极化增强层140可以具有(100)晶面，该(100)晶面可以平行或基本上平行于非磁金属层150的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面。在示例实施方式中，第二极化增强层140的(100)晶面、隧道阻挡物TBR的(100)晶面和非磁金属层150的(100)晶面可以平行或基本上平行于基板100的顶表面101。第二极化增强层140的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面可以彼此接触以形成界面，并且在界面处，第二极化增强层140和隧道阻挡物TBR之间的良好的晶格匹配可以允许磁隧道结MTJ具有改善的TMR特性。
第二极化增强层140可以防止或抑制与其相邻的磁层中包含的磁元素(例如第二垂直磁层170中的Pt)扩散到第二极化增强层140和隧道阻挡物TBR之间的界面中。例如，当对磁隧道结MTJ进行后续热处理工艺时，邻近于第二极化增强层140的磁层中的磁元素可能扩散到第二极化增强层140和隧道阻挡物TBR之间的界面中。在第二极化增强层140包含CoFeC的情况下，碳C可以在热处理工艺期间偏析在第二极化增强层140的晶粒边界中，这可以抑制磁元素扩散到第二极化增强层140和隧道阻挡物TBR之间的界面中。结果，磁隧道结MTJ可以具有改善的TMR特性。
第二极化增强层140可以具有四方变形的晶体结构。在第二极化增强层140包含例如CoFeC的情况下，联接到CoFe的碳可以导致CoFe晶体结构(例如，BCC晶体结构)的四方变形。结果，第二极化增强层140可以具有例如BCT晶体结构。此外，碳引起的四方变形可以导致第二极化增强层140的垂直磁各向异性的改善。
非磁金属层150的存在可以促进第二极化增强层140的晶体生长。例如，非磁金属层150可以具有平行于或基本上平行于基板100的顶表面101的(100)晶面。在第二极化增强层140沉积在非磁金属层150的顶表面上的情况下，第二极化增强层140可以沉积为具有晶体结构，其中(100)晶面形成为平行或基本上平行于非磁金属层150的(100)晶面。隧道阻挡物TBR也可以具有平行或基本上平行于基板100的顶表面101的(100)晶面。因此，即使在300℃或更低的较低温度对磁隧道结MTJ进行后续热处理工艺时，也容易保持第二极化增强层140的(100)晶面平行或基本上平行于隧道阻挡物TBR的(100)晶面。
非磁金属层150可以包括镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、镁硼氧化物、钛氮化物和钒氮化物中的至少一种。非磁金属层150可以包括与隧道阻挡物TBR相同的材料。例如，非磁金属层150可以为镁氧化物层。在示例实施方式中，非磁金属层150可以具有比隧道阻挡物TBR的厚度T1小的厚度T2。
第二交换耦合层160可以包括非磁金属材料。例如，非磁金属材料可以为Hf、Zr、Ti、Ta及其合金中的一种。第二交换耦合层160可以允许第二极化增强层140和第二垂直磁层170之间的交换耦合，因此第二极化增强层140可以表现出垂直磁化性质，其具有平行或基本上平行于第二垂直磁层170的磁化方向的方向。在本实施方式中，第二极化增强层140和第二垂直磁层170的每个可以具有可转换的磁化方向。在示例实施方式中，可以省略第二交换耦合层160。
第二垂直磁层170可以由表现出本征垂直磁化性质的磁材料(在下文，称为“垂直磁化材料”)形成。本征垂直磁化性质可以由包括至少一种含钴的垂直磁化材料的单层或多层结构实现。例如，第二垂直磁层170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、钽和氧化物中的至少一种。作为另一个示例，第二垂直磁层170可以提供成多层结构的形式，该多层结构包括一个在另一个之上交替堆叠的含钴层和贵金属层。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。在另一些示例中，第二垂直磁层170可以被提供为包括上述材料中的至少一种的多层结构的形式。
籽晶层180可以包括促进或加速形成磁隧道结MTJ的磁层的晶体生长的材料。在示例实施方式中，籽晶层180可以包括形成六方密堆积(HCP)晶格的金属原子。例如，籽晶层180可以包括钌(Ru)、钛(Ti)和钽(Ta)中的至少一种。在另一些示例实施方式中，籽晶层180可以包括形成面心立方(FCC)晶格的金属原子。例如，籽晶层180可以包括铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和铝(Al)中的至少一种。籽晶层180可以包括单层或多个层，该多个层中的至少一个具有与其它的层不同的晶体结构。
图9是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第一磁结构的另一个示例的截面图。
参照图9，第一磁结构MS1可以包括顺序堆叠在隧道阻挡物TBR和顶电极TE之间的第二极化增强层140、第二交换耦合层160和第二垂直磁层170。第一磁结构MS1还可以包括在顶电极TE和第二垂直磁层170之间的上非磁层190。根据本实施方式的第一磁结构MS1可以为多层磁结构，其配置为包括参照图5描述的第二类型的磁隧道结MTJ2的自由层FRL。
具体地，第二极化增强层140可以设置在隧道阻挡物TBR和顶电极TE之间，第二垂直磁层170可以设置在第二极化增强层140和顶电极TE之间。第二交换耦合层160可以设置在第二极化增强层140和第二垂直磁层170之间。上非磁层190可以设置在顶电极TE和第二垂直磁层170之间。第二极化增强层140和第二垂直磁层170的每个可以具有基本上垂直于基板100的顶表面101的磁化方向。
第二极化增强层140可以与隧道阻挡物TBR的顶表面111直接接触。隧道阻挡物TBR和第二极化增强层140可以处于晶体(例如多晶)状态。例如，隧道阻挡物TBR可以具有NaCl型晶体结构，第二极化增强层140可以具有BCT晶体结构。第二极化增强层140可以具有与隧道阻挡物TBR的(100)晶面平行或基本上平行的(100)晶面。在示例实施方式中，第二极化增强层140的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面可以平行或基本上平行于基板100的顶表面101。
第二交换耦合层160可以允许第二极化增强层140和第二垂直磁层170之间的交换耦合，因此第二极化增强层140可以表现出垂直磁化性质，其具有平行或基本上平行于第二垂直磁层170的磁化方向的方向。在本实施方式中，第二极化增强层140和第二垂直磁层170的每个可以具有可转换的磁化方向。在示例实施方式中，可以省略第二交换耦合层160。
第二极化增强层140、第二交换耦合层160和第二垂直磁层170可以被提供为具有与参照图8描述的第二极化增强层140、第二交换耦合层160和第二垂直磁层170基本上相同的特征，除了位置的差异之外，因此将省略详细的描述。
在本实施方式中，上非磁层190可以帮助第二垂直磁层170具有垂直于基板100的顶表面101的磁化。上非磁层190可以包括镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物、镁硼氧化物、钛氮化物和钒氮化物中的至少一种。上非磁层190可以包括与隧道阻挡物TBR相同的材料。例如，上非磁层190可以为镁氧化物层。上非磁层190可以具有比隧道阻挡物TBR的厚度T1小的厚度T3。
图10是示出根据这里公开的示例实施方式的形成磁隧道结的第二磁结构的另一个示例的截面图。
参照图10，第二磁结构MS2可以包括顺序堆叠在隧道阻挡物TBR和底电极BE之间的第一极化增强层110、第一交换耦合层120和第一垂直磁层130。第二磁结构MS2还可以包括在底电极BE和第一垂直磁层130之间的籽晶层180以及在第一极化增强层110和第一交换耦合层120之间的非磁金属层150。根据本实施方式的第二磁结构MS2可以为多层磁结构，该多层磁结构配置为包括参照图5描述的第二类型的磁隧道结MTJ2的固定层PNL。
具体地，第一极化增强层110可以设置在隧道阻挡物TBR和底电极BE之间，第一垂直磁层130可以设置在第一极化增强层110和底电极BE之间。第一交换耦合层120可以设置在第一极化增强层110和第一垂直磁层130之间，非磁金属层150可以设置在第一极化增强层110和第一交换耦合层120之间。籽晶层180可以设置在底电极BE和第一垂直磁层130之间。第一极化增强层110和第一垂直磁层130的每个可以具有垂直或基本上垂直于基板100的顶表面101的磁化方向。
第一极化增强层110可以与隧道阻挡物TBR的底表面112直接接触并与非磁金属层150的顶表面直接接触。隧道阻挡物TBR、第一极化增强层110和非磁金属层150可以具有晶体结构(例如多晶结构)。例如，隧道阻挡物TBR和非磁金属层150的每个可以具有NaCl型晶体结构，第一极化增强层110可以具有BCT晶体结构。第一极化增强层110可以具有(100)晶面，其可以平行或基本上平行于非磁金属层150的(100)晶面和隧道阻挡物TBR的(100)晶面。在示例实施方式中，第一极化增强层110的(100)晶面、隧道阻挡物TBR的(100)晶面和非磁金属层150的(100)晶面可以平行或基本上平行于基板100的顶表面101。
非磁金属层150的存在可以促进第一极化增强层110的晶体生长。例如，非磁金属层150可以具有平行或基本上平行于基板100的顶表面101的(100)晶面。在第一极化增强层110设置在非磁金属层150的顶表面上的情况下，第一极化增强层110可以被沉积为具有晶体结构，其中(100)晶面形成为平行或基本上平行于非磁金属层150的(100)晶面。隧道阻挡物TBR也可以具有平行或基本上平行于基板100的顶表面101的(100)晶面。因此，即使在300℃或更低的较低温度对磁隧道结MTJ进行后续热处理工艺时，也容易保持第一极化增强层110的(100)晶面平行或基本上平行于隧道阻挡物TBR的(100)晶面。非磁金属层150可以具有比隧道阻挡物TBR的厚度T1小的厚度T2。
第一交换耦合层120可以允许第一极化增强层110和第一垂直磁层130之间的交换耦合，因此第一极化增强层110可以具有与第一垂直磁层130的磁化方向相同的磁化方向或基本上相同的磁化方向。在本实施方式中，第一极化增强层110和第一垂直磁层130的每个可以具有固定的磁化方向。
第一极化增强层110、第一交换耦合层120和第一垂直磁层130可以被提供为具有与参照图7描述的第一极化增强层110、第一交换耦合层120和第一垂直磁层130基本上相同的特征，除了位置上的差异之外，因此将省略详细描述。此外，非磁金属层150和籽晶层180可以被提供为具有与参照图8描述的非磁金属层150和籽晶层180基本上相同的特征，除了位置上的差异之外。
根据这里公开的示例实施方式，磁隧道结可以包括与隧道阻挡物的表面接触的极化增强层。极化增强层可以由含有钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料形成，或者包括含有钴(Co)、铁(Fe)和至少一种IV族元素的材料。
在沉积极化增强层时，极化增强层可以具有包括(100)晶面的晶体结构，该(100)晶面平行或基本上平行于隧道阻挡物的(100)晶面。因此，即使在300℃或更低的较低温度对磁隧道结进行后续热处理工艺时，也容易保持极化增强层的(100)晶面平行或基本上平行于隧道阻挡物的(100)晶面。极化增强层的(100)晶面和隧道阻挡物的(100)晶面可以彼此接触以形成界面，并且在界面处，极化增强层和隧道阻挡物之间的良好的晶格匹配可以允许磁隧道结具有改善的TMR特性。
在热处理工艺期间，极化增强层中包含的至少一种IV族元素可以偏析在极化增强层的晶界中。这种偏析可以抑制形成磁隧道结的磁层中的磁元素在热处理工艺期间扩散到极化增强层和隧道阻挡物之间的界面中，因此磁隧道结可以具有改善的TMR特性。
此外，该至少一种IV族元素的存在可以允许极化增强层具有四方变形的晶体结构。因此，极化增强层可以具有改善的垂直磁各向异性性质。
结果，可以实现具有改善的可靠性的磁存储器件。
图11和图12是示出包括根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的电子装置的示意性方框图。
参照图11，包括根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的电子装置1300可以用于个人数字助理(PDA)、膝上计算机、移动计算机、网络平板、无线电话、手机、数字音乐播放器、有线或无线电子装置以及包括这样的功能的组合的复合电子装置之一中。电子装置1300可以包括通过总线1350彼此连接/联接的控制器1310、输入/输出装置1320(例如键区、键盘、显示器等)、存储器1330和/或无线接口1340。控制器1310可以包括例如微处理器、数字信号处理器、微控制器等中的至少一个。存储器1330可以配置为存储由控制器1310使用的指令代码和/或用户数据。存储器1330可以包括根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件。电子装置1300可以采用无线接口1340，该无线接口1340配置为采用RF(射频)信号发送数据到无线通讯网络和/或从无线通讯网络接收数据。例如，无线接口1340可以包括例如天线、无线收发器等。电子系统1300可以用于根据标准的通讯系统的通讯接口协议中，诸如CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、Muni Wi-Fi、蓝牙、DECT、无线USB、Flash-OFDM、IEEE 802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、WiMAX-Advanced、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、LTE-Advanced、MMDS等。
参照图12，将描述包括根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件的存储系统。存储系统1400可以包括用于存储相对大量数据的存储器件1410和存储器控制器1420。存储器控制器1420控制存储器件1410以响应于主机1430的读/写要求而读取存储器件1410中存储的数据和/或将数据写入到存储器件1410中。存储器控制器1420可以包括地址映射表，用于将从主机1430(例如移动装置或计算机系统)提供的地址映射为存储器件1410的物理地址。存储器件1410可以是根据这里公开的示例实施方式的磁存储器件。
以上公开的半导体存储器件可以采用各种不同的封装技术封装。例如，根据前述实施方式的半导体存储器件可以采用层叠封装(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、塑料四方扁平封装(PQFP)技术、薄四方扁平封装(TQFP)技术、小外形集成电路(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(WFP)技术和晶圆级处理堆叠封装(WSP)技术中的任何一个包封。
其中安装根据以上实施方式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)。
根据示例实施方式，一种磁存储器件可以包括具有第一表面的第一磁结构、具有第二表面的第二磁结构以及在第一磁结构的第一表面和第二磁结构的第二表面之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个包括垂直磁层以及插设在隧道阻挡物和垂直磁层之间的极化增强层，其中极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素。极化增强层包括垂直于或基本上垂直于第一表面和第二表面中的至少一个的磁化方向。
根据示例实施方式，一种磁存储器件可以包括具有第一表面的第一磁结构、具有第二表面的第二磁结构、以及在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个包括与隧道阻挡物直接接触的极化增强层，其中极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素。极化增强层包括垂直于或基本上垂直于第一表面和第二表面中的至少一个的磁化方向。
根据示例实施方式，一种磁存储器件可以包括：地址解码器，解码所接收的地址信息信号并输出地址选择信号；和存储阵列，包括多个存储单元，其中存储阵列响应于地址选择信号以选择对应于地址选择信号的一个或多个存储单元。至少一个存储单元可以包括具有第一表面的第一磁结构、具有第二表面的第二磁结构、以及在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个可以包括与隧道阻挡物直接接触的极化增强层，其中极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素。极化增强层包括垂直于或基本上垂直于第一表面和第二表面中的至少一个的磁化方向。
根据示例实施方式，一种磁存储器件可以包括地址解码器和存储阵列，该地址解码器解码所接收的地址信息信号并输出地址选择信号，该存储阵列包括多个存储单元，其中存储阵列响应于地址选择信号以选择对应于地址选择信号的一个或多个存储单元。至少一个存储单元可以包括具有第一表面的第一磁结构、具有第二表面的第二磁结构、以及在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个可以包括与隧道阻挡物直接接触的极化增强层，其中极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素。极化增强层包括垂直于或基本上垂直于第一表面和第二表面中的至少一个的磁化方向。
根据示例实施方式，一种磁存储器件可以包括第一磁结构、第二磁结构以及插设在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物，其中第一磁结构、第二磁结构和隧道阻挡物基本上排列在第一方向上。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个可以包括垂直磁层以及插设在隧道阻挡物和垂直磁层之间的极化增强层，其中极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素。极化增强层包括基本上平行于或基本上反平行于第一方向的磁化方向。
根据示例实施方式，一种磁存储器件可以包括第一磁结构、第二磁结构、以及插设在第一磁结构和第二磁结构之间的隧道阻挡物，其中第一磁结构、第二磁结构和隧道阻挡物基本上排列在第一方向上。第一磁结构和第二磁结构中的至少一个可以包括与隧道阻挡物直接接触的极化增强层，其中极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素。极化增强层包括基本上平行于或基本上反平行于第一方向的磁化方向。
尽管示例实施方式已经被具体示出和描述，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的变化，而没有脱离权利要求的范围。
Claims (24)
1.一种磁存储器件，包括：
第一磁结构，在基板上；
第二磁结构，在所述基板和所述第一磁结构之间；以及
隧道阻挡物，在所述第一磁结构和所述第二磁结构之间，
其中所述第一磁结构和所述第二磁结构中的至少一个包括：
垂直磁层；和
极化增强层，插设在所述隧道阻挡物和所述垂直磁层之间，所述极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素，
其中所述极化增强层具有垂直于所述基板的顶表面的磁化方向，并且
其中由于所述至少一种IV族元素引起的四方变形，所述极化增强层具有四方变形的晶体结构。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述极化增强层与所述隧道阻挡物直接接触。
3.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述极化增强层包括碳。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述极化增强层还包括硼。
5.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述极化增强层包括CoFeC。
6.如权利要求5所述的磁存储器件，其中所述极化增强层包括(CoxFe100-x)100-zCz，其中x在从0％至50％的范围内，z在从2％至8％的范围内。
7.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述极化增强层还包括硼，并且所述极化增强层包括CoFeCB。
8.如权利要求7所述的磁存储器件，其中所述极化增强层包括(CoxFe100-x)100-z-aCzBa，其中x在从0％至50％的范围内，z+a在从2％至8％的范围内。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述隧道阻挡物和所述极化增强层处于晶体状态，并且所述极化增强层具有与所述隧道阻挡物的(100)晶面平行的(100)晶面。
10.如权利要求9所述的磁存储器件，其中所述极化增强层的(100)晶面和所述隧道阻挡物的(100)晶面平行于所述基板的所述顶表面。
11.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述第一磁结构和所述第二磁结构中的至少一个还包括在所述极化增强层和所述垂直磁层之间的交换耦合层以允许所述极化增强层和所述垂直磁层之间的交换耦合。
12.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述垂直磁层包括至少一个磁层，该至少一个磁层具有被固定在垂直于所述基板的所述顶表面的方向上的磁化方向，并且
其中所述极化增强层的所述磁化方向被固定在与所述垂直磁层的所述磁化方向相同的方向上。
13.如权利要求12所述的磁存储器件，还包括顶电极，所述顶电极与所述隧道阻挡物间隔开使所述第一磁结构插设在其间，
其中所述第一磁结构包括所述极化增强层、所述交换耦合层和所述垂直磁层，并且
其中所述极化增强层与所述隧道阻挡物的顶表面直接接触。
14.如权利要求12所述的磁存储器件，还包括在所述基板和所述第二磁结构之间的底电极，
其中所述第二磁结构包括所述极化增强层、所述交换耦合层、所述垂直磁层以及在所述极化增强层和所述交换耦合层之间的非磁金属层，并且
其中所述极化增强层与所述隧道阻挡物的底表面直接接触。
15.如权利要求14所述的磁存储器件，其中所述极化增强层与所述非磁金属层的顶表面直接接触。
16.如权利要求15所述的磁存储器件，其中所述非磁金属层包括金属氧化物。
17.如权利要求15所述的磁存储器件，其中所述非磁金属层包括与所述隧道阻挡物相同的材料。
18.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述垂直磁层包括至少一个磁层，该至少一个磁层具有可在垂直于所述基板的所述顶表面的至少两个方向之间转换的磁化方向，并且
其中所述极化增强层的所述磁化方向是可转换的以平行于所述垂直磁层的所述磁化方向。
19.如权利要求18所述的磁存储器件，还包括顶电极，所述顶电极与所述隧道阻挡物间隔开使所述第一磁结构插设在其间，
其中所述第一磁结构包括所述极化增强层、所述交换耦合层、所述垂直磁层以及在所述垂直磁层和所述顶电极之间的上非磁层，
其中所述极化增强层与所述隧道阻挡物的顶表面直接接触，并且
其中所述上非磁层包括与所述隧道阻挡物相同的材料。
20.如权利要求18所述的磁存储器件，还包括在所述基板和所述第二磁结构之间的底电极，
其中所述第二磁结构包括所述极化增强层、所述交换耦合层、所述垂直磁层以及在所述极化增强层和所述交换耦合层之间的非磁金属层，并且
其中所述极化增强层与所述隧道阻挡物的底表面直接接触。
21.一种磁存储器件，包括：
第一磁结构，在基板上；
第二磁结构，在所述基板和所述第一磁结构之间；以及
隧道阻挡物，在所述第一磁结构和所述第二磁结构之间，
其中所述第一磁结构和所述第二磁结构中的至少一个包括：
极化增强层，与所述隧道阻挡物的表面接触，所述极化增强层包括钴、铁和至少一种IV族元素，
其中所述极化增强层具有垂直于所述基板的顶表面的磁化方向，并且
其中由于所述至少一种IV族元素引起的四方变形，所述极化增强层具有四方变形的晶体结构。
22.如权利要求21所述的磁存储器件，其中所述极化增强层包括碳。
23.如权利要求21所述的磁存储器件，其中所述极化增强层还包括硼。
24.如权利要求21所述的磁存储器件，其中所述极化增强层包括CoFeC。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |