CN106953003A - 磁性存储器件和制造该磁性存储器件的方法 - Google Patents

磁性存储器件和制造该磁性存储器件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了磁性存储器件，该磁性存储器件包括磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括第一自由层、被钉扎层以及在第一自由层和被钉扎层之间的隧道势垒层。第一自由层包括第一自由磁性图案和第二自由磁性图案，该第一自由磁性图案具有与隧道势垒层直接接触的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，第二自由磁性图案与第二表面接触。第二自由磁性图案包括铁‑镍(FeNi)，且第二自由磁性图案的镍含量在从大约10at％到大约30at％的范围内。

Description

磁性存储器件和制造该磁性存储器件的方法
技术领域
本发明构思的实施方式涉及半导体器件和用于制造该半导体器件的方法。更具体地，本发明构思的实施方式涉及磁性存储器件和用于制造该磁性存储器件的方法。
背景技术
半导体器件由于其小尺寸、多功能特性和/或低制造成本而被广泛用于电子工业。在半导体器件中的半导体存储器件可以存储逻辑数据。在半导体存储器件中的磁性存储器件由于它们的高速度和/或非易失性特性而作为下一代半导体存储器件受到关注。
通常，磁性存储器件可以包括磁隧道结(MTJ)图案。MTJ图案可以包括两个磁性层和设置在所述两个磁性层之间的绝缘层。MTJ图案的电阻值可以取决于所述两个磁性层的磁化方向而变化。例如，如果所述两个磁性层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。当所述两个磁性层的磁化方向彼此平行时，MTJ图案可以具有相对低的电阻值。逻辑数据可以通过利用这些电阻值之差而被存储在MTJ图案中和/或从MTJ图案中读出。
发明内容
本发明构思的实施方式可以提供磁性存储器件，该磁性存储器件具有改善的可靠性和相对低的开关电流。
本发明构思的实施方式可以提供用于制造磁性存储器件的方法，该磁性存储器件具有改善的可靠性和相对低的开关电流。
在一方面，一种磁性存储器件可以包括磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括第一自由层、被钉扎层以及设置在第一自由层和被钉扎层之间的隧道势垒层。第一自由层可以包括第一自由磁性图案和第二自由磁性图案，该第一自由磁性图案具有与隧道势垒层直接接触的第一表面和与第一表面相反的第二表面，第二自由磁性图案与第一自由磁性图案的第二表面接触。第二自由磁性图案可以包括铁-镍(FeNi)，第二自由磁性图案的镍含量可以在从大约10at％到大约30at％的范围内。
在一方面，一种磁性存储器件可以包括磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括自由层、被钉扎层以及在自由层和被钉扎层之间的隧道势垒层。自由层可以包括与隧道势垒层相邻的第一自由磁性图案、以及与隧道势垒层间隔开且第一自由磁性图案插置于其间的第二自由磁性图案。第二自由磁性图案可以邻近第一自由磁性图案。第一自由磁性图案可以包括钴-铁-硼(CoFeB)，第二自由磁性图案可以包括铁-镍(FeNi)。第二自由磁性图案的镍含量可以在从大约10at％到大约30at％的范围内。
在一方面，一种用于制造磁性存储器件的方法可以包括：在衬底上形成初步自由层、初步被钉扎层以及在初步自由层和初步自旋层之间形成的初步隧道势垒层；以及在初步自由层、初步被钉扎层和初步隧道势垒层的形成之后执行热处理工艺。初步自由层可以包括邻近于初步隧道势垒层的第一自由磁性层、以及与初步隧道势垒层间隔开且第一自由磁性层夹置在其间的第二自由磁性层。第二自由磁性层可以邻近于第一自由磁性层。第二自由磁性层可以包括铁-镍(FeNi)，且第二自由磁性层的镍含量可以在从大约10at％到大约30at％的范围内。
在另一方面，一种磁性存储器件包括磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括自由层、被钉扎层以及在自由层和被钉扎层之间的隧道势垒层。自由层包括第一自由磁性图案和第二自由磁性图案，该第二自由磁性图案在第一自由磁性图案上以使得第一自由磁性图案在第二自由磁性图案和隧道势垒层之间，且第二自由磁性图案具有大于第一自由磁性图案的镍含量的镍含量。
附图说明
鉴于附图和伴随的详细描述，本发明构思将变得更清楚。
图1是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的单位存储单元的电路图。
图2A、2B、3A和3B是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁隧道结图案的示意图。
图4是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。
图5A和5B是示出根据本发明构思的一些实施方式的用于制造磁性存储器件的方法的截面图。
图6-9是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。
图10是示出根据比较示例和根据本发明构思的一些实施方式的试验示例的自由层的饱和磁化的曲线。
图11是示出根据比较示例和根据本发明构思的一些实施方式的试验示例的自由层的Gilbert阻尼参数的曲线。
图12是示出根据比较示例和根据本发明构思的一些实施方式的试验示例的自由层的开关系数的曲线。
图13是示出根据本发明构思的一些实施方式的自由层中的镍含量的隧道磁阻(TMR)特性的曲线。
图14是示出FeNi合金的相位图的曲线。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一些实施方式的磁性存储器件的单位存储单元的电路图。
参照图1，单位存储单元UMC可以连接在彼此交叉的第一互连L1和第二互连L2之间。单位存储单元UMC可以包括选择元件SW和磁隧道结图案MTJ。该选择元件SW和磁隧道结图案MTJ可以彼此串联电连接。第一和第二互连L1和L2中的一个可以用作字线，而第一和第二互连L1和L2中的另一个可以用作位线。
选择元件SW可以选择性地控制穿过磁隧道结图案MTJ的电荷流。例如，选择元件SW可以是二极管、PNP双极晶体管、NPN双极晶体管、NMOS场效应晶体管或者PMOS场效应晶体管。当选择元件SW是具有三个端子的双极晶体管或MOS场效应晶体管时，额外的互连(未示出)可以连接到选择元件SW。
磁隧道结图案MTJ可以包括第一磁性结构MS1、第二磁性结构MS2和隧道势垒层TBR，该隧道势垒层TBR设置在第一和第二磁性结构MS1和MS2之间。第一和第二磁性结构MS1和MS2中的每一个可以包括由磁性材料形成的至少一个磁性层。在一些实施方式中，单位存储单元UMC可以进一步包括设置在第一磁性结构MS1和选择元件SW之间的第一导电结构130以及设置在第二磁性结构MS2和第二互连L2之间的第二导电结构135，如图1所示。
图2A、2B、3A和3B是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁隧道结图案的示意图。
参照图2A、2B、3A和3B，第一和第二磁性结构MS1和MS2的磁性层的其中之一的磁化方向可以在正常使用环境下固定，而不管外部磁场。在下文，具有固定的磁化方向的磁性层可以被定义为被钉扎(pinned)的磁性图案PL。第一和第二磁性结构MS1和MS2的磁性层的另一个的磁化方向可以通过施加于其上的程序磁场或程序电流可切换。在下文，具有可切换的磁性方向的磁性层可以被定义为自由磁性图案FL。磁隧道结图案MTJ可以包括通过隧道势垒层TBR彼此间隔开的至少一个自由磁性图案FL和至少一个被钉扎的磁性图案PL。
磁隧道结图案MTJ的电阻值可以取决于自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的磁化方向。例如，磁隧道结图案MTJ可以在自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的磁化方向彼此平行时具有第一电阻值。磁隧道结图案MTJ可以在自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的磁化方向彼此反平行时具有比第一电阻值大得多的第二电阻值。结果，磁隧道结图案MTJ的电阻值可以通过改变自由磁性图案FL的磁化方向来调节。这可以用作根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件中的数据存储原则。
磁隧道结图案MTJ的第一和第二磁性结构MS1和MS2可以依次层叠在衬底100上，如图2A、2B、3A和3B所示。在这种情况下，基于衬底100、自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的形成顺序和/或自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的磁化方向，磁隧道结图案MTJ可以是根据自由磁化图案FL的相对位置的各种类型中的一种。
在一些实施方式中，第一和第二磁性结构MS1和MS2可以分别包括具有基本上垂直于衬底100的顶表面的磁化方向的磁性层。在一些实施方式中，如图2A中所示，磁隧道结图案MTJ可以是其中第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2分别包括被钉扎的磁性图案PL和自由磁性图案FL的第一类型磁隧道结图案MTJ1。在某些实施方式中，如图2B所示，磁隧道结图案MTJ可以是其中第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2分别包括自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的第二类型磁隧道结图案MTJ2。
在一些实施方式中，第一和第二磁性结构MS1和MS2可以分别包括具有基本上平行于衬底100的顶表面的磁化方向的磁性层。在一些实施方式中，如图3A中所示，磁隧道结图案MTJ可以是其中第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2分别包括被钉扎的磁性图案PL和自由磁性图案FL的第三类型磁隧道结图案MTJ3。在某些实施方式中，如图3B中所示，磁隧道结图案MTJ可以是其中第一磁性结构MS1和第二磁性结构MS2分别包括自由磁性图案FL和被钉扎的磁性图案PL的第四类型磁隧道结图案MTJ4。
图4是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。
参照图4，第一电介质层110可以设置在衬底100上，且下部接触插塞120可以穿透第一电介质层110。下部接触插塞120的底表面可以电连接到选择元件的一个端子。
衬底100可以包括半导体材料、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。在一些实施方式中，衬底100可以是硅晶片。
第一电介质层110可以包括氧化物(例如，硅氧化物)、氮化物(例如，硅氮化物)和氮氧化物(例如，硅氮氧化物)的至少一种。下部接触插塞120可以包括导电材料。例如，下部接触插塞120可以包括掺杂有掺杂物(例如，掺杂的硅、掺杂的锗或掺杂的硅-锗)的半导体材料、金属(例如，钛、钽或钨)和导电的金属氮化物(例如，钛氮化物或钽氮化物)的至少一种。
第一导电结构130、第一磁性结构MS1、隧道势垒层TBR、第二磁性结构MS2和第二导电结构135可以顺序地层叠在第一电介质层110上。第一导电结构130可以电连接到下部接触插塞120的顶表面。第一磁性结构MS1、隧道势垒层TBR和第二磁性结构MS2可以构成磁隧道结图案MTJ。第一导电结构130、磁隧道结图案MTJ和第二导电结构135可以具有彼此对准的侧壁。即使图中未示出，第一导电结构130、磁隧道结图案MTJ和第二导电结构135的侧壁也可以具有倾斜的轮廓。
第一磁性结构MS1可以包括在第一导电结构130上的第一被钉扎层PL1、在第一被钉扎层PL1上的第二被钉扎层PL2以及在第一被钉扎层PL1和第二被钉扎层PL2之间的交换耦合层140。换句话说，第一被钉扎层PL1可以设置在第一导电结构130和交换耦合层140之间，第二被钉扎层PL2可以设置在交换耦合层140和隧道势垒层TBR之间。
第二磁性结构MS2可以包括在隧道势垒层TBR上的第一自由层FL1和在第一自由层FL1上的盖层160。换句话说，第一自由层FL1可以设置在隧道势垒层TBR和盖层160之间。
第一和第二被钉扎层PL1和PL2可以具有基本上垂直于衬底100的顶表面的磁化方向。同样，第一自由层FL1的磁化方向也可以基本上垂直于衬底100的顶表面。
详细地说，第一被钉扎层PL1可以具有基本上垂直于衬底100的顶表面的易磁化轴(easy axis)。第一被钉扎层PL1的磁化方向可以被固定在一个方向上。同样，第二被钉扎层PL2也可以具有基本上垂直于衬底100的顶表面的易磁化轴。第二被钉扎层PL2的磁化方向可以通过交换耦合层140而被固定为与第一被钉扎层PL1的磁化方向反平行。
第一自由层FL1的磁化方向可以通过程序操作可变化成与第二被钉扎层PL2的固定磁化方向平行或反平行。在一些实施方式中，第一自由层FL1的磁化方向可以通过自旋扭矩转换(STT)程序操作而变化。换句话说，第一自由层FL1的磁化方向可以利用在程序电流中包括的电子的自旋扭矩而变化。
第一导电结构130可以包括用于形成磁隧道结图案(MTJ)的籽晶层，并且作为将选择元件电连接到磁隧道结图案MTJ的电极起作用。在一些实施方式中，第一导电结构130可以包括顺序地层叠的第一导电层和第二导电层。在一些实施方式中，第一导电层可以包括钽(Ta)或钴-铪(CoHf)，第二导电层可以包括钌(Ru)。第二导电结构135可以与盖层160接触，且可以作为电连接磁隧道结图案MTJ到互连180的电极起作用。第二导电结构135可以具有包括稀有金属层、磁性合金层和金属层的至少一种的单层或多层结构。例如，稀有金属层可以包括钌(Ru)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)或铱(Ir)。例如，磁性合金层可以包括钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)的至少一种。例如，金属层可以包括钽(Ta)和钛(Ti)中的至少一种。但是本发明构思的实施方式不局限于此。
第一被钉扎层PL1可以包括垂直磁性材料。在一些实施方式中，第一被钉扎层PL1可以包括具有10％或更多铽含量的钴-铁-铽(CoFeTb)、具有10％或更多钆含量的钴-铁-钆(CoFeGd)、钴-铁-镝(CoFeDy)、具有L10结构的FePt、具有L10结构的FePd、具有L10结构的CoPd、具有L10结构的CoPt、具有六方密堆积(HCP)晶体结构的CoPt、或者包括前述材料/化合物中的至少一种的合金。在一些实施方式中，第一被钉扎层PL1可以具有其中磁性层和非磁性层交替且重复层叠的层叠结构。例如，层叠结构可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(Co/Pd)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n和(CoCr/Pd)n的至少一种，其中“n”表示双层的数目。
交换耦合层140可以以使得第一被钉扎层PL1的磁化方向反平行于第二被钉扎层PL2的磁化方向的方式将第一被钉扎层PL1的磁化方向耦合到第二被钉扎层PL2的磁化方向。在一些实施方式中，交换耦合层140可以通过鲁德曼-基特尔-胜谷-良田(Ruderman-Klttel-Kasuya-Yosida，RKKY)相互作用使第一和第二被钉扎层PL1和PL2彼此耦合。从而，由第一和第二被钉扎层PL1和PL2的磁化方向产生的磁场可以彼此抵消，以减小或最小化第一磁性结构MS1的净磁场。结果，有可能减小或最小化第一磁性结构MS1的磁场对第一自由层FL1的影响。例如，交换耦合层140可以包括钌(Ru)、铱(Ir)和铑(Rh)的至少一种。
例如，第二被钉扎层PL2可以具有包括CoFeB、FeB、CoFeBTa、CoHf、Co和CoZr的至少一种的单层或多层结构。在一些实施方式中，第二被钉扎层PL2可以具有含有CoFeB层的单层结构。在一些实施方式中，第二被钉扎层PL2可以具有含有层叠的第一磁性层和第二磁性层的双层结构。例如，第二被钉扎层PL2可以具有包括FeB层和CoFeB层的双层结构、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。
在一些实施方式中，第一被钉扎层PL1和交换耦合层140可以被省略。在这种情况下，第二被钉扎层PL2的一个表面可以与隧道势垒层TBR接触，第二被钉扎层PL2的与所述一个表面相反的另一表面可以与第一导电结构130接触。
隧道势垒层TBR可以由电介质材料形成。例如，隧道势垒层TBR可以包括镁氧化物(MgO)、铝氧化物(AlO)或者其组合。
第一自由层FL1可以包括在隧道势垒层TBR上的第一自由磁性图案150和在第一自由磁性图案150上的第二自由磁性图案155。详细地说，第一自由磁性图案150可以包括第一表面S1和与第一表面S1相反的第二表面S2。第一自由磁性图案150的第一表面S1可以与隧道势垒层TBR接触。第二自由磁性图案155可以与隧道势垒层TBR间隔开，且第一自由磁性图案150夹置于其间。这里，第一自由磁性图案150的第二表面S2可以与第二自由磁性图案155接触。
第一自由磁性图案150和第二自由磁性图案155可以彼此磁性连接。从而，第一自由层FL1可以通过彼此磁性连接的第一和第二自由磁性图案150和155而具有一个磁化方向。换句话说，第一自由层FL1可以具有双层结构，在该双层结构中具有不同材料和/或不同材料含量的两个层不可分割地彼此连接。这里，第一和第二自由磁性图案150和155可以如上所述的彼此直接接触，或者第一和第二自由磁性图案150和155可以彼此磁性连接，且材料层(未示出)夹置在其间。
即使在图中未示出，第一和第二自由磁性图案150和155可以也按照在本发明构思的一些实施方式中的相反顺序层叠。换句话说，第二自由磁性图案155可以设置在隧道势垒层TBR和第一自由磁性图案150之间。
第一自由磁性图案150的厚度可以大于第二自由磁性图案155的厚度。第一和第二磁性图案150和155的厚度和(例如，第一自由层FL1的厚度)可以在从大约到大约的范围内。在这时候，第二自由磁性图案155的厚度可以从大约到大约的范围内。
第一自由磁性图案150可以包括硼(B)。例如，第一自由磁性图案150可以包括钴-铁-硼(CoFeB)。第一自由磁性图案150可以通过热处理工艺被结晶，以呈现磁隧道结图案MTJ的隧道磁阻(TMR)特性。在一些实施方式，第一自由磁性图案150可以结晶以具有体心立方(BCC)晶体结构。在一个实施方式中，硼在第一自由磁性图案150中的原子百分比可以在从1at％到大约25at％的范围内。在另一实施方式中，硼在第一自由磁性图案150中的原子百分比可以为大约20at％。
第二自由磁性图案155可以包括铁-镍(FeNi)。可选地，第二自由磁性图案155可以进一步包括钴(Co)和硼(B)的至少一种。例如，第二自由磁性图案155可以包括铁-镍(FeNi)、铁-镍-硼(FeNiB)、钴-铁-镍(CoFeNi)和钴-铁-镍-硼(CoFeNiB)的至少一种。另外，第二自由磁性图案155可以额外地掺杂有非磁性材料，如钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)或铪(Hf)。换句话说，第二自由磁性图案155可以包括通过用非磁性材料(即，W、Mo、Ta、Ti、Zr或Hf)掺杂以上列出的合金(即，FeNi、FeNiB、CoFeNi和CoFeNiB)的至少一种而形成的磁性合金层。第二自由磁性图案155可以为晶体状态，如同第一自由磁性图案150。根据铁-镍(FeNi)的组成比，第二自由磁性图案155可以具有BCC晶体结构，或者BCC晶体结构和面心立方(FCC)晶体结构的混合晶体结构。在一些实施方式中，当第二自由磁性图案155的硼含量高于大约15at％时，第二自由磁性图案155可以处于非晶状态。但是，本发明构思的实施方式不局限于此。
第二自由磁性图案155的镍含量可以在从大约10at％到大约30at％的范围内。在其他实施方式中，第一自由磁性图案155的镍含量可以在从大约0.01at％到大约5at％的范围内。这可以由镍原子从第二自由磁性图案155向第一自由磁性图案150的扩散导致。在另一实施方式中，第一自由磁性图案150可以不包含镍(Ni)。从而，第二自由磁性图案155的镍含量可以大于第一自由磁性图案150的镍含量。当第二自由磁性图案155包括硼(B)时，第二自由磁性图案155的硼含量可以在从大约1at％到大约25at％的范围内。
在磁隧道结图案MTJ中，开关电流(Ic)可以理论上与Gilbert阻尼参数(α)、自由层的饱和磁化(Ms)以及难磁化轴各向异性场(Hk)的每个成比例。同时，随着铁-镍(FeNi)合金中的铁含量增加，饱和磁化(Ms)会减小，但是Gilbert阻尼参数(α)会增大。相反，随着铁-镍(FeNi)合金中的镍含量增大，饱和磁化(Ms)会增加，但是Gilbert阻尼参数(α)会减小。因而，在铁和镍的适当组成范围内，合金可以具有低饱和磁化(Ms)和低Gilbert阻尼参数(α)。换句话说，如上所述，在合金中的镍含量在大约10at％到大约30at％的范围内时，合金可以具有低饱和磁化(Ms)和低Gilbert阻尼参数(α)。
进行试验来验证根据本发明构思的一些实施方式的磁隧道结图案的特征。在试验中，第一、第二和第三比较示例以及第一试验示例被准备。第一比较示例被准备为包括依次层叠的CoFeB层、非磁性金属层(W、Mo、Cr、Ta、Hf、Zr和Ti的至少一种)以及CoFeB层。第二比较示例被准备为包括依次层叠的CoFeB层和CoFeBX层(X＝W、Mo、Cr、Ta、Hf、Zr和Ti的至少一种)。第三比较示例被准备为包括单一的CoFeB层。第一试验示例被准备为包括依次层叠的CoFeB层和FeNi层(Ni含量＝15at％)。测量第一至第三比较示例和第一试验示例的饱和磁化(Ms)和厚度(t)。图10示出第一至第三比较示例和第一试验示例中的每一个的饱和磁化(Ms)×厚度(t)的值。另外，第一至第三比较示例和第一试验示例的Gilbert阻尼参数(α)被测量，且测量的Gilbert阻尼参数(α)在图11中示出。
参照图10和11，可以验证，根据第一试验示例的额外地包括FeNi层的自由层具有比第一至第三比较示例的自由层低的饱和磁化(Ms)和Gilbert阻尼参数(α)。第一试验示例对应于本发明构思的实施方式。换句话说，根据本发明构思的一些实施方式的磁隧道结图案MTJ能够具有低开关电流(Ic)。
第一至第三比较示例和第一试验示例的Δ/Jc值被测量，所测量的Δ/Jc值在图12中示出。“Δ”表示热稳定性，“Jc”表示临界电流密度。因而，Δ/Jc值表示磁性存储器件的切换效率。参照图12，可以验证，第一试验示例的额外地包括FeNi层的自由层的Δ/Jc值高于第一至第三比较示例的自由层的Δ/Jc值。换句话说，可以验证，根据本发明构思的一些实施方式的自由层的切换效率得以改善。
在另一试验中，准备第一至第四样本。第一至第四样本的每一个被制备为包括依次层叠的CoFeB层和FeNi层。这里，在第一至第四样本的FeNi层中的Ni含量分别是1at％、15at％、30at％和45at％。第一至第四样本的隧道磁阻(TMR)值被测量，并且所测量的TMR值在图13中示出。
参照图13，可以验证，TMR值随着Ni含量增大而减小。尤其是，在Ni含量高于30at％的情况下，TMR值可能较小而不适于磁隧道结图案。图14示出FeNi合金的相位图。参照图14，在Ni含量高于30at％的情况下，BCC晶体结构和FCC晶体结构可以一起存在于FeNi合金中，以使TMR特性恶化。另外，在Ni含量非常小(例如，1at％)的情况下，Fe含量会太多而不能增加饱和磁化(Ms)。因而，开关电流(Ic)会增大。
结果，根据本发明构思的一些实施方式，在磁性连接到第一自由磁性图案150的第二自由磁性图案155中的Ni含量可以在具有双层结构的第一自由层FL1中在适当范围内调节，因而，开关电流(Ic)可以被减小，且TMR特性可以被改善。
再次参照图4，盖层160可以包括金属氧化物。例如，盖层160可以包括钽氧化物、镁氧化物、钛氧化物、锆氧化物、铪氧化物和锌氧化物的至少一种。盖层160可以有助于第一自由层FL1以使其具有基本上垂直于衬底100的顶表面的磁化方向。盖层160的电阻值可以等于或小于隧道势垒层TBR的电阻值的三分之一(1/3)。
第二电介质层170可以设置在衬底100的整个顶表面上，以覆盖第一导电结构130、磁隧道结图案MTJ和第二导电结构135。上部接触插塞125可以穿透第二电介质层170从而连接到第二导电结构135。第二电介质层170可以包括氧化物(例如，硅氧化物)、氮化物(例如，硅氮化物)和氮氧化物(例如，硅氮氧化物)的至少一种。上部接触插塞125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)的至少一种。
互连180可以设置在第二电介质层170上。互连180可以连接到上部接触插塞125。互连180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)的至少一种。在一些实施方式中，互连180可以是位线。
图5A和5B是示出根据本发明构思的一些实施方式的用于制造磁性存储器件的方法的截面图。
参照图5A，第一电介质层110可以形成在衬底100上。下部接触插塞120可以形成为穿透第一电介质层110。第一初步导电结构130a可以形成在第一电介质层110上。第一初步导电结构130a可以电连接到下部接触插塞120的顶表面。
即使图中未示出，籽晶层(未示出)也可以形成在第一初步导电结构130a上。籽晶层可以利用物理气相沉积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺或者原子层沉积(ALD)工艺沉积。在一些实施方式中，籽晶层可以通过对应于一种PVD工艺的溅射工艺来沉积。
第一初步磁性结构MS1a可以形成在籽晶层上。第一初步磁性结构MS1a可以包括第一初步被钉扎层PL1a、初步交换耦合层140a和第二初步被钉扎层PL2a。
第一初步被钉扎层PL1a可以沉积在籽晶层上。第一初步被钉扎层PL1a可以利用籽晶层作为籽晶而形成。在一些实施方式中，第一初步被钉扎层PL1a可以具有与籽晶层相同的晶体结构。第一初步被钉扎层PL1a可以包括垂直磁性材料。例如，第一初步被钉扎层PL1a可以包括与如上面参照图4描述的第一被钉扎层PL1相同的材料。
第一初步被钉扎层PL1a可以通过PVD工艺、CVD工艺或ALD工艺沉积。在一些实施方式中，第一初步被钉扎层PL1a可以通过溅射工艺沉积。当第一初步被钉扎层PL1a由CoPt合金形成时，第一初步被钉扎层PL1a可以利用氩(Ar)气体通过溅射工艺形成。在这种情况下，为了减小第一初步被钉扎层PL1a的饱和磁化，第一初步被钉扎层PL1a可以由掺杂有硼(B)的CoPt合金形成。
初步交换耦合层140a可以沉积在第一初步被钉扎层PL1a上。在一些实施方式中，初步交换耦合层140a可以利用第一初步被钉扎层PL1a作为籽晶而形成。例如，初步交换耦合层140a可以由具有HCP晶体结构的钌形成。初步交换耦合层140a可以通过PVD工艺、CVD工艺或ALD工艺沉积。在一些实施方式中，初步交换耦合层140a可以通过溅射工艺沉积。
第二初步被钉扎层PL2a可以形成在初步交换耦合层140a上。第二初步被钉扎层PL2a可以利用初步交换耦合层140a作为籽晶来形成。在一些实施方式中，第二初步被钉扎层PL2a可以具有与初步交换耦合层140a相同的晶体结构。在一些实施方式中，第二初步被钉扎层PL2a可以包括垂直磁性材料。在一些实施方式中，第二初步被钉扎层PL2a可以包括与上面参照图4描述的第二被钉扎层PL2相同的材料。第二初步被钉扎层PL2a可以通过PVD工艺、CVD工艺或ALD工艺沉积。在一些实施方式中，第二初步被钉扎层PL2a可以通过溅射工艺沉积。
初步隧道势垒层TBRa可以形成在第二初步被钉扎层PL2a上。在一些实施方式中，初步隧道势垒层TBRa可以通过利用隧道势垒材料作为靶的溅射工艺形成。靶可以包括具有精确控制的化学计量的隧道势垒材料。例如，初步隧道势垒层TBRa可以包括镁氧化物(MgO)和铝氧化物(AlO)的至少一种。在一些实施方式中，初步隧道势垒层TBRa可以由具有氯化钠晶体结构的铝氧化物(MgO)形成。
第二初步磁性结构MS2a可以形成在初步隧道势垒层TBRa上。第二初步磁性结构MS2a可以包括第一初步自由层FL1a和初步盖层160a。第一初步自由层FL1a可以包括第一自由磁性层150a和第二自由磁性层155a。
在一些实施方式中，第一自由磁性层150a和第二自由磁性层155a可以依次层叠在初步隧道势垒层TBRa上。第一和第二自由磁性层150a和155a可以通过PVD工艺、CVD工艺和/或ALD工艺依次沉积。在一些实施方式中，第一和第二自由磁性层150a和155a中的每一个可以通过溅射工艺形成。所沉积的第一和第二自由磁性层150a和155a可以处于非晶状态。
在一些实施方式中，第一自由磁性层150a可以由钴-铁-硼(CoFeB)形成。在一些实施方式中，第二自由磁性层155a可以由铁-镍(FeNi)、铁-镍-硼(FeNiB)、钴-铁-镍(CoFeNi)和钴-铁-镍-硼(CoFeNiB)中的至少一种形成。另外，第二自由磁性层155a可以由通过用非磁性材料(即，W、Mo、Ta、Ti、Zr或Hf)掺杂以上列出的合金(即，FeNi、FeNiB、CoFeNi和CoFeNiB)实现的磁性合金层形成。在此时，在用于沉积第二自由磁性层155a的溅射工艺的靶中的镍含量可以在从大约10at％到大约30at％的范围内。
热处理工艺可以在第一和第二自由磁性层150a和155a的形成之后进行。第一自由磁性层150a和第二自由磁性层155a可以通过热处理工艺结晶。但是，当第二自由磁性层155a包含大约15at％或更多的硼(B)时，在热处理工艺之后，第二自由磁性层155a可以保持在非晶状态。第一和第二自由磁性层150a和155a可以通过热处理工艺显示出隧道磁阻(TMR)特性。换句话说，第一和第二自由磁性层150a和155a可以获得高磁阻比。为了获得充分的磁阻比，热处理工艺可以在350℃到450℃的高温下进行。如果热处理工艺的温度低于大约350℃，不能获得充分的磁阻比。如果热处理工艺的温度高于大约450℃，则会因为饱和磁化(Ms)的增加和阻抗面积(RA)值的增加而发生切换错误。在一些实施方式中，热处理工艺可以在大约400℃的高温下进行。
在热处理工艺期间，第一自由磁性层150a可以利用初步隧道势垒层TBRa作为籽晶来结晶。在一些实施方式中，初步隧道势垒层TBRa可以具有氯化钠晶体结构，因而，第一自由磁性层150a可以被结晶以具有BCC晶体结构。第二自由磁性层155a也可以结晶以具有BCC晶体结构。
在一些实施方式中，在第二自由磁性层155a包含大约15at％或更多的硼(B)时，第二自由磁性层155a以及第一自由磁性层150a可以通过热处理工艺结晶。
初步盖层160a和第二初步导电结构135a可以依次形成在第一初步自由层FL1a上。在一些实施方式中，热处理工艺可以在第二初步导电结构135a的形成之后执行。在一些实施方式中，热处理工艺可以在第一初步自由层FL1的形成之后并在初步盖层160a的形成之前执行。在一些实施方式中，热处理工艺可以在初步盖层160a的形成之后并在第二初步导电结构135a的形成之前执行。
例如，初步盖层160a可以由钽氧化物、镁氧化物、钛氧化物、锆氧化物、铪氧化物和锌氧化物的至少一种形成。第二初步导电结构135a可以形成为具有包括贵重金属层、磁性合金层和金属层中的至少之一的单层或多层结构。例如，第二初步导电结构135a可以由与以上参照图4描述的第二导电结构135相同的材料形成。
参照图5B，第二初步导电结构135a、初步盖层160a、第一初步自由层FL1a、初步隧道势垒层TBRa、第二初步被钉扎层PL2a、初步交换耦合层140a、第一初步被钉扎层PL1a和第一初步导电结构130a可以被顺序地图案化，以形成顺序层叠的第一导电结构130、第一被钉扎层PL1、交换耦合层140、第二被钉扎层PL2、隧道势垒层TBR、第一自由层FL1、盖层160和第二导电结构135。第一自由层FL1可以包括在隧道势垒层TBR上的第一自由磁性图案150以及在第一自由磁性图案150上的第二自由磁性图案155。
再次参照图4，第二电介质层170可以形成为覆盖第一导电结构130、磁隧道结图案MTJ和第二导电结构135。上部接触插塞125可以形成为穿透第二电介质层170。上部接触插塞125可以连接到第二导电结构135。互连180可以形成在第二电介质层170上。互连180可以连接到上部接触插塞125。
图6是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。在本实施方式中，与图4的实施方式中描述的相同元件将由相同的附图标记或相同的参考标识来指示。为了解释的容易和方便，与图4的实施方式中的相同元件的描述将被省略或简要提及。换句话说，本实施方式和图4的实施方式之间的差异将在下面主要描述。
参照图6，图2B的第二类型磁隧道结图案MTJ2设置在衬底100上。详细地说，第一磁性结构MS1可以包括第一自由层FL1，第二磁性结构MS2可以包括第一和第二被钉扎层PL1和PL2。换句话说，不同于根据图4的实施方式的磁性存储器件，第一自由层FL1可以设置在隧道势垒层TBR和第一导电结构130之间，第一和第二被钉扎层PL1和PL2可以设置在隧道势垒层TBR和第二导电结构135之间。
第二磁性结构MS2可以包括在隧道势垒层TBR上的第二被钉扎层PL2、在第二被钉扎层PL2上的第一被钉扎层PL1以及在第二被钉扎层PL2和第一被钉扎层PL1之间的交换耦合层140。不同于图4，在第二导电结构135下面的盖层160可以被省略。
第一磁性结构MS1可以包括在隧道势垒层TBR下面的第一自由磁性图案150和在第一自由磁性图案150下面的第二自由磁性图案155。在一些实施方式中，第一自由磁性图案150可以包括钴-铁-硼(CoFeB)，第二自由磁性图案155可以包括铁-镍(FeNi)、铁-镍-硼(FeNiB)、钴-铁-镍(CoFeNi)和钴-铁-镍-硼(CoFeNiB)中的至少一种。另外，第二自由磁性图案155可以包括通过用非磁性材料(即，W、Mo、Ta、Ti、Zr或Hf)掺杂上面列出的合金(即，FeNi、FeNiB、CoFeNi和CoFeNiB)的至少一种而实现的磁性合金层。
图7是根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。在本实施方式中，与图4的实施方式中描述的相同元件将由相同的附图标记或相同的参考标识来指示。为了解释的容易和方便，与图4的实施方式中的相同元件的描述将被省略或简要提及。换句话说，本实施方式和图4的实施方式之间的差异将在下面主要描述。
参照图7，第二磁性结构MS2可以包括第一自由层FL1、在第一自由层FL1上的第二自由层FL2、在第一自由层FL1和第二自由层FL2之间的非磁性金属层165以及在第二自由层FL2上的盖层160。
非磁性金属层165可以包括非磁性金属材料。例如，非磁性金属材料可以包括Hf、Zr、Ti、Ta、W、Mo、Cr和其任意合金的至少一种。第二自由层FL2可以通过非磁性金属层165耦合到第一自由层FL1，使得第二自由层FL2可以具有平行于第一自由层FL1的磁化方向的垂直磁化方向。非磁性金属层165可以具有大约或更小的厚度。在某些实施方式中，非磁性金属层165可以被省略。
在一些实施方式中，第二自由层FL2可以包括Fe、Co、Ni和其任意合金的至少一种。另外，第二自由层FL2可以进一步包括非磁性金属材料。第二自由层FL2的非磁性金属材料可以包括Ta、Ti、Zr、Hf、B、W、Mo和Cr中的至少一种。例如，第二自由层FL2可以包括Fe或Co，并可以包括非磁性金属材料(例如，硼)。第二自由层FL2可以不包含镍(Ni)或可以包含少量的镍，因而，第一自由层FL1的第二自由磁性图案155的镍含量可以大于第二自由层FL2的镍含量。
图8是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。在本实施方式中，与图7的实施方式中描述的相同元件将通过相同的附图标记或相同的参考标识来指示。为了解释的容易和方便，与图7的实施方式中的相同元件的描述将被省略或简要提及。换句话说，下面将主要描述本实施方式和图7的实施方式之间的差异。
参照图8，第二自由层FL2可以设置在隧道势垒层TBR上。第二自由层FL1可以与隧道势垒层TBR间隔开，且第二自由层FL2夹置于其间。非磁性金属层165可以设置在第一自由层FL1和第二自由层FL2之间。换句话说，根据本发明构思的一些实施方式的第一自由层FL1可以与隧道势垒层TBR间隔开，且至少一个额外的自由层(例如，第二自由层FL2)可以设置在第一自由层FL1和隧道势垒层TBR之间。
图9是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件的截面图。在本实施方式中，与图4的实施方式中描述的相同元件将通过相同附图标记或相同的参考标识来指示。为了解释的容易和方便，与图4的实施方式中的相同元件的描述将被省略或简要提及。换句话说，下面将主要描述本实施方式和图4的实施方式之间的差异。
参照图9，图3A的第三类型磁隧道结图案MTJ3设置在衬底100上。不同于上面描述的磁性存储器件，根据本实施方式的磁隧道结图案MTJ可以包括具有基本上平行于衬底100的顶表面的磁化方向的磁性层。
第一磁性结构MS1可以包括钉扎层190、第一被钉扎层PL1、交换耦合层140和第二被钉扎层PL2。第一被钉扎层PL1可以设置在钉扎层190和交换耦合层140之间，第二被钉扎层PL2可以设置在交换耦合层140和隧道势垒层TBR之间。换句话说，根据本实施方式的第一磁性结构MS1可以具有包括被钉扎层PL1和PL2的多层结构，该被钉扎层PL1和PL2具有基本上平行于衬底100的顶表面的磁化方向，例如水平磁化方向。
第一被钉扎层PL1的磁化方向可以通过钉扎层190固定。交换耦合层140可以以使得第二被钉扎层PL2的磁化方向与第一被钉扎层PL1的磁化方向反平行的方式将第二被钉扎层PL2耦合到第一被钉扎层PL1。
钉扎层190可以包括反铁磁性材料。例如，钉扎层190可以包括铂-锰(PtMn)、铱-锰(IrMn)、锰氧化物(MnO)、锰硫化物(MnS)、锰-碲(MnTe)和锰氟化物(MnF)中的至少一种。
第一被钉扎层PL1可以包括铁磁材料。例如，第一被钉扎层PL1可以包括钴-铁-硼(CoFeB)、钴-铁(CoFe)、镍-铁(NiFe)、钴-铁-铂(CoFePt)、钴-铁-钯(CoFePd)、钴-铁-铬(CoFeCr)、钴-铁-铽(CoFeTb)和钴-铁-镍(CoFeNi)中的至少一种。交换耦合层140可以包括钌(Ru)、铱(Ir)和铑(Rh)中的至少一种。
第二被钉扎层PL2可以包括铁磁材料。例如，第二被钉扎层PL2可以包括钴-铁-硼(CoFeB)、钴-铁(CoFe)、镍-铁(NiFe)、钴-铁-铂(CoFePt)、钴-铁-钯(CoFePd)、钴-铁-铬(CoFeCr)、钴-铁-铽(CoFeTb)和钴-铁-镍(CoFeNi)中的至少一种。
第二磁性结构MS2可以包括依次层叠在隧道势垒层TBR上的第一自由层FL1和盖层160。第二磁性结构MS2可以包括具有基本上平行于衬底100的顶表面的磁化方向，例如水平磁化方向的至少一个自由层FL1。
第一自由层FL1可以包括在隧道势垒层TBR上的第一自由磁性图案150和在第一自由磁性图案150上的第二自由磁性图案155。在一些实施方式中，第一自由磁性图案150可以包括钴-铁-硼(CoFeB)，第二磁性图案155可以包括铁-镍(FeNi)、铁-镍-硼(FeNiB)、钴-铁-镍(CoFeNi)和钴-铁-镍-硼(CoFeNiB)的至少一种。另外，第二自由磁性图案155可以额外地掺杂有非磁性材料(即，W、Mo、Ta、Ti、Zr或Hf)。
同时，即使在图中未示出，图3B的第四类型磁隧道结图案MTJ4可以设置在衬底100上。在这种情况下，类似于上面参照图6描述的实施方式，图9的第一磁性结构MS1可以设置在隧道势垒层TBR的顶表面上，图9的第二磁性结构MS2可以设置在隧道势垒层TBR下面。
根据本发明构思的一些实施方式的磁性存储器件可以包括具有双层结构的自由层。自由层中的一个层由包括铁(Fe)和镍(Ni)的合金形成，铁和镍以适当的含量比构成。从而，磁性存储器件的切换电流可以被减小且磁性存储器件的TMR特性可以得以改善。
虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明构思，对于本领域技术人员而言，将明显的是，在不背离本发明构思的精髓和范围的前提下可以做出各种变化和修改。因此，应该理解的是，以上实施方式不是限制性的，而是说明性的。从而，本发明构思的范围将通过权利要求及其等价物的最宽可允许解释来确定，而不应被前面的描述约束或限制。
本申请要求2015年9月25日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0136183号的优先权，该韩国专利申请的公开由此通过引用整体结合于此。

Claims (25)

1.一种磁性存储器件，包括：
磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括第一自由层、被钉扎层以及在所述第一自由层和所述被钉扎层之间的隧道势垒层；
其中，所述第一自由层包括：
第一自由磁性图案，该第一自由磁性图案具有与所述隧道势垒层直接接触的第一表面以及与所述第一表面相反的第二表面；以及
第二自由磁性图案，该第二自由磁性图案与所述第一自由磁性图案的所述第二表面接触，
其中所述第二自由磁性图案包括铁-镍(FeNi)；以及
其中所述第二自由磁性图案的镍含量在从10at％到30at％的范围内。
2.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述第二自由磁性图案还包括钴(Co)和硼(B)的至少一种。
3.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述第二自由磁性图案的镍含量大于所述第一自由磁性图案的镍含量。
4.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述第一自由磁性图案包括钴-铁-硼(CoFeB)。
5.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述第二自由磁性图案的厚度小于所述第一自由磁性图案的厚度。
6.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述第一自由层的厚度在从到的范围内；以及
其中所述第二自由磁性图案的厚度在从到的范围内。
7.如权利要求1所述的磁性存储器件，还包括：
邻近所述第一自由层的非磁性金属层；以及
与所述第一自由层间隔开的第二自由层，所述非磁性金属层夹置于所述第一自由层和所述第二自由层之间，
其中所述第二自由磁性图案的镍含量大于所述第二自由层的镍含量。
8.如权利要求1所述的磁性存储器件，还包括：
盖层，该盖层与所述隧道势垒层间隔开，所述第一自由层夹置在所述盖层和所述隧道势垒层之间；
其中所述盖层包括金属氧化物。
9.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述被钉扎层包括多个被钉扎层，
其中所述多个被钉扎层包括：
邻近所述隧道势垒层的第一被钉扎层；以及
与所述隧道势垒层间隔开的第二被钉扎层，所述第一被钉扎层夹置在所述隧道势垒层和第二被钉扎层之间，
所述磁性存储器件还包括：
在所述第一和第二被钉扎层之间的交换耦合层。
10.如权利要求9所述的磁性存储器件，其中所述第一被钉扎层包括：
邻近所述隧道势垒层的第一磁性层；以及
与所述隧道势垒层间隔开的第二磁性层，所述第一磁性层介质在所述隧道势垒层和所述第二磁性层之间，所述第二磁性层与所述第一磁性层接触。
11.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述磁隧道结图案在衬底上，以及
其中所述被钉扎层在所述衬底和所述隧道势垒层之间。
12.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述磁隧道结图案在衬底上，以及
其中所述第一自由层在所述衬底和所述隧道势垒层之间。
13.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述磁隧道结图案在衬底上，以及
其中，所述第一自由层的磁化方向和所述被钉扎层的磁化方向基本上垂直于所述衬底的顶表面。
14.如权利要求1所述的磁性存储器件，其中所述磁隧道结图案在衬底上，以及
其中所述第一自由层的磁化方向和所述被钉扎层的磁化方向基本上平行于所述衬底的顶表面。
15.如权利要求14所述的磁性存储器件，还包括：
钉扎层，与所述隧道势垒层间隔开且所述被钉扎层夹置于所述钉扎层与所述隧道势垒层之间，
其中所述钉扎层包括反铁磁材料，以及
其中所述被钉扎层的磁化方向被所述钉扎层固定在基本上平行于所述衬底的顶表面的一个方向上。
16.一种磁性存储器件，包括：
磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括自由层、被钉扎层以及在所述自由层和所述被钉扎层之间的隧道势垒层，
其中所述自由层包括：
邻近所述隧道势垒层的第一自由磁性图案；以及
第二自由磁性图案，与所述隧道势垒层间隔开，且所述第一自由磁性图案夹置于所述第二自由磁性图案与所述隧道势垒层，所述第二自由磁性图案邻近所述第一自由磁性图案，
其中所述第一自由磁性图案包括钴-铁-硼(CoFeB)，
其中所述第二自由磁性图案包括铁-镍(FeNi)，以及
其中所述第二自由磁性图案的镍含量在从10at％到30at％的范围内。
17.如权利要求16所述的磁性存储器件，其中所述第二自由磁性图案还包括硼(B)，且
其中所述第二自由磁性图案的硼含量在从1at％到25at％的范围内。
18.如权利要求18所述的磁性存储器件，其中所述第一和第二自由磁性图案彼此磁性连接。
19.一种磁性存储器件，包括：
磁隧道结图案，该磁隧道结图案包括自由层、被钉扎层以及在所述自由层和所述被钉扎层之间的隧道势垒层；
其中所述自由层包括：
第一自由磁性图案；以及
第二自由磁性图案，在所述第一自由磁性图案上使得所述第一自由磁性图案在所述第二自由磁性图案和所述隧道势垒层之间，所述第二自由磁性图案具有比所述第一自由磁性图案的镍含量大的镍含量。
20.如权利要求19所述的磁性存储器件，其中所述第二自由磁性图案的镍含量具有在10at％和30at％之间的原子百分比，且所述第一自由磁性图案的镍含量具有在0.1at％和5at％之间的原子百分比。
21.如权利要求20所述的磁性存储器件，其中所述第一自由磁性图案的硼含量具有在1at％和25at％之间的原子百分比，所述第二自由磁性图案的硼含量具有在1at％和25at％之间的原子百分比。
22.如权利要求19所述的磁性存储器件，其中所述被钉扎层包括第一被钉扎层、第二被钉扎层以及在所述第一被钉扎层和所述第二被钉扎层之间的交换耦合层；
其中所述交换耦合层包括钌、铱和铑的其中一种。
23.如权利要求19所述的磁性存储器件，其中所述第一自由磁性图案的厚度大于所述第二自由磁性图案的厚度；
其中所述第一自由层的厚度在和之间；且
其中所述第二自由磁性图案的厚度在和之间。
24.如权利要求19所述的磁性存储器件，其中所述隧道势垒层具有第一和第二表面，所述第一表面和所述第二表面分别与所述自由层和所述被钉扎层形成界面；以及
其中所述自由层的磁化方向和所述被钉扎层的磁化方向基本上垂直于所述隧道势垒层的所述第一和第二表面。
25.如权利要求19所述的磁性存储器件，其中所述隧道势垒层具有第一和第二表面，所述第一表面和所述第二表面分别与所述自由层和所述被钉扎层形成界面；以及
其中所述自由层的磁化方向和所述被钉扎层的磁化方向基本上平行于所述隧道势垒层的所述第一和第二表面。
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