CN107026233A - 半导体存储器件 - Google Patents

Abstract

一种半导体存储器件包括：在基板上的自由磁图案；在自由磁图案上的参考磁图案，参考磁图案包括第一被钉扎图案、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；在参考磁图案和自由磁图案之间的隧道势垒图案；在隧道势垒图案和第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案；和在极化增强磁图案和第一被钉扎图案之间的插入图案，其中第一被钉扎图案包括交替地层叠的第一铁磁图案和反铁磁交换耦合图案。

Description

半导体存储器件

技术领域

实施方式涉及半导体存储器件，更具体地涉及包括磁隧道结图案的半导体存储器件。

背景技术

作为已经广泛使用的便携式计算装置和无线通信装置，已经需要高密集、低功率和非易失性的存储器装置。磁存储器件可以满足这些要求，因此进行对于磁存储器件的各种研究。

具体地，磁隧道结图案中显示的隧道磁阻(TMR)效应可以用作磁存储器件的数据存储机制。在21世纪前十年已经报导了具有数百％至数千％的TMR的磁隧道结图案。因此，已经开发了包括磁隧道结图案的磁存储器件。

发明内容

实施方式提供能够改善电特性的半导体存储器件。

根据一些示例实施方式，半导体存储器件可以包括：在基板上的自由磁图案；参考磁图案，设置在自由磁图案上并且包括第一被钉扎图案、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；在参考磁图案和自由磁图案之间的隧道势垒图案；在隧道势垒图案和第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案；和在极化增强磁图案和第一被钉扎图案之间的插入图案。第一被钉扎图案可以包括交替地层叠的第一铁磁图案和第一非磁性图案。第二被钉扎图案可以包括交替地层叠的第二铁磁图案和第二非磁性图案。第二铁磁图案可以包括与第一铁磁图案相同的铁磁材料，第二非磁性图案可以包括与第一非磁性图案不同的非磁性材料。在一些示例实施方式中，在第一被钉扎图案中层叠的第一铁磁图案的数目可以小于在第二被钉扎图案中层叠的数目。

根据一些示例实施方式，半导体存储器件可以包括：在基板上的自由磁图案；参考磁图案，设置在自由磁图案上并且包括第一被钉扎图案、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；在参考磁图案和自由磁图案之间的隧道势垒图案；在隧道势垒图案和第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案；和在极化增强磁图案和第一被钉扎图案之间的插入图案。第一被钉扎图案可以包括交替地层叠的第一铁磁图案和反铁磁交换耦合图案。

根据一些示例实施方式，半导体存储器件可以包括自由磁图案、第一被钉扎图案、在第一被钉扎图案和自由磁图案之间的隧道势垒图案、在隧道势垒图案和第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案、以及在极化增强磁图案和第一被钉扎图案之间的插入图案，其中所述第一被钉扎图案和极化增强磁图案的净磁矩与自由磁图案的磁矩基本上相同。

附图说明

通过参考附图详细描述示范实施方式，多个特征对于本领域普通技术人员将变得明显，在附图中：

图1示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的单元阵列的示意性电路图。

图2示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的单位存储单元的示意性电路图。

图3示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的截面图。

图4A和4B示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的参考磁图案的截面图。

图5示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的截面图。

图6示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的参考磁图案的截面图。

图7示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的参考磁图案的截面图。

图8示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的截面图。

图9示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的平面图。

图10至14示出沿图9的线I-I’截取的截面图以示出根据一些示例实施方式的制造半导体存储器件的方法中的阶段。

图15示出沿图9的线II-II’截取的截面图以示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件。

图16和17示出根据一些示例实施方式的制造半导体存储器件的方法的流程图。

具体实施方式

这里解释和示出的示范实施方式包括它们的互补对应物。相同的附图标记或者相同的参考指示符在整个说明书中表示相同的元件。

图1是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的单元阵列的示意性电路图。

参照图1，多个单位存储单元MC可以二维地或者三维地布置。每个单位存储单元MC可以连接在彼此交叉的字线WL和位线BL之间。每个单位存储单元MC可以包括存储元件ME和选择元件SE。选择元件SE和存储元件ME可以彼此串联电连接。

存储元件ME可以连接在位线BL和选择元件SE之间，选择元件SE可以连接在存储元件ME和源极线SL之间。选择元件SE可以通过字线WL被控制。存储元件ME可以是其电阻通过施加到其的电脉冲而在两个电阻状态之间可变的可变电阻元件。在一些实施方式中，存储元件ME可以具有薄层结构，该薄层结构的电阻利用穿过其的电流传递的自旋力矩而变化。存储元件ME可以具有显示出磁阻性质的薄层结构并且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可以基于字线WL的电压而选择性地控制到存储元件ME的电流的供应。选择元件SE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。例如，当选择元件SE是相应于三端子元件的双极晶体管或者MOS场效应晶体管时，单元阵列可以还包括连接到晶体管的源电极的源极线SL。源极线SL可以设置在彼此相邻的字线WL之间，并且两个晶体管可以共用一个源极线SL。

图2是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的单位存储单元的示意性电路图。

参照图2，单位存储单元可以包括磁存储器元件和选择元件。磁存储器元件可以包括包含多个磁性层FL和RL以及设置在磁性层FL和RL之间的隧道势垒层TBL的磁隧道结MTJ。磁性层中的一个RL可以是在平常的使用环境下具有固定的磁化方向而与外部磁场或者自旋转移力矩无关的参考层。磁性层的另一个FL可以是自由层，该自由层具有可以通过程序电流的自旋力矩或者程序磁场而可变的磁化方向。

当参考层和自由层的磁化方向彼此反平行时磁隧道结MTJ的电阻值可以大于当参考层和自由层的磁化方向彼此平行时磁隧道结MTJ的电阻值。换言之，磁隧道结MTJ的电阻值可以通过改变自由层的磁化方向而调节。因此，单位存储器单元可以通过根据磁化方向的电阻值之间的差异而在磁存储器元件中存储数据。

图3是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的截面图。图4A和4B是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的参考磁图案的截面图。

参照图3，下层间绝缘层105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、锗基板或者硅锗基板。下层间绝缘层105可以包括例如硅氧化物层、硅氮化物层和硅氮氧化物层中的至少一个。

根据一些示例实施方式，选择元件(未示出)可以形成在基板100上，下层间绝缘层105可以覆盖选择元件。选择元件可以是PN二极管或者场效应晶体管。

下接触插塞LCP可以穿过下层间绝缘层105。下接触插塞LCP可以电连接到选择元件的一个端子。下接触插塞LCP例如可以包括以下中的至少一个：掺杂半导体材料(例如，掺杂硅)、金属(例如，钨、钛和/或钽)、导电金属氮化物(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)。

磁隧道结图案可以设置在下层间绝缘层105上并且可以电连接到下接触插塞LCP。磁隧道结图案可以包括自由磁图案121、参考磁图案RP以及在自由磁图案121和参考磁图案RP之间的隧道势垒图案131。此外，磁隧道结图案可以还包括设置在下接触插塞LCP和自由磁图案121之间的底电极图案111以及设置在参考磁图案RP和上接触插塞UCP之间的顶电极图案191。

参考磁图案RP可以具有固定在一个方向上的磁化方向。通过编程操作，自由磁图案121的磁化方向可以改变为平行于或者反平行于参考磁图案RP的固定磁化方向。在一些实施方式中，参考磁图案RP和自由磁图案121的磁化方向可以基本上垂直于隧道势垒图案131和自由磁图案121之间的界面。换言之，参考磁图案RP和自由磁图案121的每个可以包括具有垂直磁各向异性的磁性材料。自由磁图案121的磁化方向可以通过自旋力矩转移(STT)编程操作而改变。换言之，自由磁图案121的磁化方向可以利用包括在程序电流中的电子的自旋力矩而改变。

上层间绝缘层200可以设置在下层间绝缘层105上以覆盖磁隧道结图案。上接触插塞UCP可以穿过上层间绝缘层200从而连接到顶电极图案191。例如，上接触插塞UCP可以包括金属(例如，钨、钛和/或钽)和导电金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一个。

互连BL可以设置在上层间绝缘层200上从而连接到上接触插塞UCP。在一些实施方式中，互连BL可以相应于图1和2中示出的位线。例如，互连BL可以包括金属(例如，钨、钛和/或钽)和导电金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一个。

根据一些示例实施方式，底电极图案111可以设置在下层间绝缘层105上从而接触自由磁图案121的底表面和下接触插塞LCP。顶电极图案191可以与参考磁图案RP的顶表面接触。例如，底电极图案111和顶电极图案191的每个可以包括金属(例如，钨、钛和/或钽)和导电金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一个。

在一些示例实施方式中，底电极图案111可以包括籽晶图案(未示出)。籽晶图案可以由能够被用作自由磁图案121的籽晶的导电材料形成。在一些实施方式中，籽晶图案可以包括导电材料，该导电材料的晶体结构类似于自由磁图案121的晶体结构。例如，当自由磁图案121具有体心立方(BCC)晶体结构时，籽晶图案可以包括具有氯化钠晶体结构的导电材料，例如，钛氮化物或者钽氮化物。

自由磁图案121可以包括当它与例如隧道势垒图案131接触时能够获得高隧穿磁阻比的磁性材料。此外，自由磁图案121可以包括能够导致在隧道势垒图案131和自由磁图案121之间的界面处的界面垂直磁各向异性(i-PMA)的磁性材料。自由磁图案121可以具有可变的磁化方向。

例如，自由磁图案121可以包括以下中的至少一个：垂直磁性材料(例如，CoFeB、CoFeTb、CoFeGd、或者CoFeDy)；具有L1₀结构的垂直磁性材料；具有密排六方(HCP)晶格结构的CoPt；和其任何合金。在一些实施方式中，自由磁图案121可以包括钴铁硼(CoFeB)。

自由磁图案121可以具有与隧道势垒图案131相似的晶体结构。例如，当隧道势垒图案131具有氯化钠(NaCl)晶体结构时，自由磁图案121可以具有磁性材料，该磁性材料具有其晶格排列类似于NaCl晶体结构的BCC晶体结构。

隧道势垒图案131可以具有小于自旋扩散距离的厚度。隧道势垒图案131可以包括绝缘材料。隧道势垒图案131可以与自由磁图案121接触并且可以具有与自由磁图案121相似的晶体结构。例如，当自由磁图案121具有BCC晶体结构时，隧道势垒图案131可以包括具有NaCl晶体结构的绝缘材料。如上所述，因为在隧道势垒图案131和自由磁图案121之间的界面处隧道势垒图案131的晶体结构与自由磁图案121的晶体结构匹配，所以磁隧道结图案的隧穿磁阻比(TMR)可以提高。

隧道势垒图案131可以包括以下至少之一：镁氧化物、钛氧化物、铝氧化物、镁锌氧化物和镁硼氧化物。例如，隧道势垒图案131可以是具有NaCl晶体结构的镁氧化物(MgO)层。替代地，隧道势垒图案131可以包括多个层。

在一些示例实施方式中，参考磁图案RP可以具有合成反铁磁(SAF)结构。例如，参考磁图案RP可以包括第一被钉扎图案161、第二被钉扎图案181、以及设置在第一被钉扎图案161和第二被钉扎图案181之间的交换耦合图案171。

第一被钉扎图案161可以设置在隧道势垒图案131和交换耦合图案171之间。换言之，与第二被钉扎图案181相比，自由磁图案121可以更邻近于第一被钉扎图案161。第一被钉扎图案161可以包括磁性材料并且可以具有与自由磁图案121不同的晶体结构。第一被钉扎图案161的磁化方向可以通过第二被钉扎图案181而被钉扎并且可以基本上垂直于隧道势垒图案131和自由磁图案121之间的界面。第一被钉扎图案161的磁化方向可以通过交换耦合图案171耦合到第二被钉扎图案181的磁化方向，使得第一被钉扎图案161和第二被钉扎图案181的磁化方向彼此反平行。在一些实施方式中，邻近于自由磁图案121的第一被钉扎图案161的磁矩m2的大小(或者强度)可以小于第二被钉扎图案181的磁矩m1的大小(或者强度)。

参照图4A和4B，第一被钉扎图案161可以包括交替地层叠的第一铁磁图案162a和162b以及第一非磁性图案164。在第一被钉扎图案161中，第一非磁性图案164可以包括具有反铁磁耦合性质的非磁性材料。换言之，第一非磁性图案164可以相应于反铁磁交换耦合图案。因此，第一铁磁图案162a和162b的磁矩可以通过第一非磁性图案164反平行于彼此耦合。换言之，每个第一非磁性图案164可以消除或者抵销彼此相邻的第一铁磁图案162a和162b的至少部分磁矩。

例如，第一铁磁图案162a和162b例如可以包括铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一个。第一非磁性图案164可以包括例如铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)、和铜(Cu)中的至少一个。在一些实施方式中，第一铁磁图案162a和162b可以包括钴(Co)，第一非磁性图案164可以包括铱(Ir)或者钌(Ru)。

根据图4A中示出的一些示例实施方式，第一被钉扎图案161可以包括奇数个第一铁磁图案162a和162b和偶数个第一非磁性图案164。第一铁磁图案162a和162b以及第一非磁性图案164可以交替地层叠。

第一铁磁图案中的奇数的第一铁磁图案162a可以具有反平行于第二被钉扎图案181的磁化方向的磁化方向，第一铁磁图案中的偶数的第一铁磁图案162b可以通过具有反铁磁耦合性质的第一非磁性图案164具有平行于第二被钉扎图案181的磁化方向的磁化方向。换言之，奇数的第一铁磁图案162a可以通过第一非磁性图案164耦合到偶数的第一铁磁图案162b使得奇数的第一铁磁图案162a的磁化方向(或者磁矩)反平行于偶数的第一铁磁图案162b的磁化方向。此外，奇数的第一铁磁图案162a的例如沿着垂直于基板100的方向的厚度可以小于偶数的第一铁磁图案162b的厚度。第一非磁性图案164的厚度可以基本上彼此相等，例如，每个第一非磁性图案164的厚度可以小于相邻的奇数的第一铁磁图案162a的厚度。

在一些示例实施方式中，奇数的第一铁磁图案162a的磁矩的大小(或者强度)可以小于偶数的第一铁磁图案162b的磁矩的大小(或者强度)。这里，因为彼此相邻的第一铁磁图案162a和162b的磁矩通过设置在其间的第一非磁性图案164反平行于彼此耦合，所以相邻的第一铁磁图案162a和162b中的一个的磁矩的至少一部分可以抵消相邻的第一铁磁图案162a和162b中的另一个的磁矩的至少一部分。结果，第一被钉扎图案161的净磁矩可以减小。

根据图4B中示出的一些示例实施方式，第一被钉扎图案161可以包括偶数个第一铁磁图案162a和162b以及偶数个第一非磁性图案164，第一铁磁图案162a和162b以及第一非磁性图案164可以交替地层叠。这里，第一铁磁图案162a和162b的厚度可以基本上彼此相等，第一非磁性图案164的厚度可以基本上彼此相等，例如，第一非磁性图案164的厚度可以小于第一铁磁图案162a和162b的厚度。

第一铁磁图案中的奇数的第一铁磁图案162a可以具有反平行于第二被钉扎图案181的磁化方向的磁化方向，第一铁磁图案中的偶数的第一铁磁图案162b可以通过具有反铁磁耦合性质的第一非磁性图案164具有平行于第二被钉扎图案181的磁化方向的磁化方向。换言之，奇数的第一铁磁图案162a可以通过第一非磁性图案164耦合到偶数的第一铁磁图案162b，使得奇数的第一铁磁图案162a的磁化方向(或者磁矩)反平行于偶数的第一铁磁图案162b的磁化方向(或者磁矩)。

在图4B中示出的一些示例实施方式中，奇数的第一铁磁图案162a的磁矩的大小(或者强度)可以基本上等于偶数的第一铁磁图案162b的磁矩的大小(或者强度)。这里，因为彼此相邻的第一铁磁图案162a和162b的磁矩通过设置在其间的第一非磁性图案164反平行于彼此耦合，该相邻的第一铁磁图案162a和162b中的一个的磁矩可以消除或者抵销相邻的第一铁磁图案162a和162b中的另一个的磁矩。结果，第一被钉扎图案161的净磁矩可以减小。

在一些示例实施方式中，第一被钉扎图案161的第一非磁性图案164可以包括铱(Ir)，其相互扩散或者相互混合性质在大约400摄氏度或更高的高温处是小的。因此，在大约400摄氏度或更高的高温处进行的工艺期间可以保持包括第一非磁性图案164的第一被钉扎图案161的垂直各向异性。换言之，第一被钉扎图案161的耐热性能可以提高。

与第一被钉扎图案161相比，第二被钉扎图案181可以相对远离自由磁图案121。换言之，第二被钉扎图案181和自由磁图案121之间的距离可以大于第一被钉扎图案161和自由磁图案121之间的距离。在一些实施方式中，第二被钉扎图案181的磁化方向可以与第一被钉扎图案161的磁化方向相反，第二被钉扎图案181的磁矩m1的大小(或者强度)可以大于第一被钉扎图案161的磁矩m2的大小(或者强度)。远离自由磁图案121的第二被钉扎图案181可以包括具有基本上垂直于隧道势垒图案131和自由磁图案121之间的界面的磁化方向的垂直磁性材料或者垂直磁性结构。

在一些示例实施方式中，如图4A和4B中所示出的，第二被钉扎图案181可以包括交替地且重复地层叠的第二铁磁图案182和第二非磁性图案184。例如，第二铁磁图案182例如可以包括铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一个，第二非磁性图案184例如可以包括铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)、和铜(Cu)中的至少一个。

在一些示例实施方式中，第二铁磁图案182可以包括与第一铁磁图案162a和162b相同的铁磁材料，第二非磁性图案184可以包括与第一非磁性图案164不同的非磁性材料。在一些示例实施方式中，第二铁磁图案182可以包括钴(Co)，第二非磁性图案184可以包括铂(Pt)或者钯(Pd)。例如，第二被钉扎图案181可以包括以下至少之一：例如，(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，其中“n”表示双层的数目。在一些实施方式中，包括在第二被钉扎图案181中的第二铁磁图案182的数目可以大于包括在第一被钉扎图案161中的第一铁磁图案162a和162b的数目，例如，第二被钉扎图案181中层叠的第二铁磁图案182的总数可以大于第一被钉扎图案161中层叠的第一铁磁图案162a和162b的总数。此外，包括在第二被钉扎图案181中的第二非磁性图案184的数目可以大于包括在第一被钉扎图案161中的第一非磁性图案164的数目，例如，第二被钉扎图案181中的层叠的第二非磁性图案184的总数可以大于第一被钉扎图案161中层叠的非磁性图案164的总数。在一些实施方式中，第二被钉扎图案181的第二铁磁图案182的厚度可以基本上彼此相等。

在一些示例实施方式中，为了减小第二被钉扎图案181的饱和磁化(Ms)，第二被钉扎图案181可以具有L1₁超晶格结构。例如，第二被钉扎图案181可以包括(Co/Pt)n L1₁超晶格结构，其中“n”是自然数。替代地，第二被钉扎图案181可以包括以下中的至少一个：垂直磁性材料(例如，CoFeTb、CoFeGd、或者CoFeDy)；具有L1₀结构的垂直磁性材料；具有面心立方(FCC)结构的CoPt；和其任何合金。例如，当第二被钉扎图案181包括CoPt合金时，CoPt合金可以掺杂有硼(B)以减少CoPt合金的饱和磁化。

交换耦合图案171可以将第一被钉扎图案161和第二被钉扎图案181耦合到彼此使得第一被钉扎图案161的磁化方向反平行于第二被钉扎图案181的磁化方向。交换耦合图案171可以通过Ruderman-Klttel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用将第一被钉扎图案161和第二被钉扎图案181耦合到彼此。例如，交换耦合图案171可以包括例如钌(Ru)、铱(Ir)、铬(Cr)和铑(Rh)中的至少一个。

第一被钉扎图案161的磁矩m2和极化增强磁图案141的磁矩m3可以通过交换耦合图案171抵消第二被钉扎图案181的磁矩m1。因此，参考磁图案RP的净磁场可以最小化。结果，有可能最小化从参考磁图案RP产生的磁场对自由磁图案121的影响。

极化增强磁图案141可以设置在隧道势垒图案131和参考磁图案RP的第一被钉扎图案161之间。极化增强磁图案141可以与隧道势垒图案131接触，例如直接接触。

极化增强磁图案141可以包括当它接触隧道势垒图案131时能够获得高隧穿磁阻比的磁性材料。此外，极化增强磁图案141可以包括能够导致在隧道势垒图案131和极化增强磁图案141之间的界面处的界面垂直磁各向异性(i-PMA)的磁性材料。极化增强磁图案141可以具有可变的磁化方向。在一些示例实施方式中，极化增强磁图案141的磁矩m3的大小(或者强度)可以大于第一被钉扎图案161的磁矩m2的大小(或者强度)。

极化增强磁图案141可以具有与隧道势垒图案131相似的晶体结构并且可以具有与自由磁图案121相同的晶体结构。此外，极化增强磁图案141的晶体结构可以不同于第一被钉扎图案161的晶体结构。例如，极化增强磁图案141可以包括具有BCC晶体结构的磁性材料或者可以包括具有BCC晶体结构的磁性材料，该BCC晶体结构具有非磁性元素。

在一些示例实施方式中，极化增强磁图案141可以包括软磁材料。此外，极化增强磁图案141可以具有低阻尼常数和高自旋极化比。例如，极化增强磁图案141可以包括例如钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)中的至少一个。极化增强磁图案141可以还包括非磁性材料例如硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和氮(N)中的至少一个。在一些实施方式中，极化增强磁图案141可以包括CoFe或者NiFe并且可以还包括硼(B)。例如，极化增强磁图案141可以包括钴铁硼(CoFeB)。此外，为了减小极化增强磁图案141的饱和磁化，极化增强磁图案141可以还包括例如钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、镁(Mg)、钽(Ta)和硅(Si)中的至少一个。

插入图案151可以设置在极化增强磁图案141与参考磁图案RP的第一被钉扎图案161之间。插入图案151可以与极化增强磁图案141接触，例如直接接触。插入图案151可以包括能够导致在插入图案151与极化增强磁图案141之间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)。插入图案151可以具有大约到大约的薄的厚度。插入图案151可以由能够将极化增强磁图案141耦合到第一被钉扎图案161的第一铁磁图案162a的非磁性材料形成。插入图案151可以包括例如Ta、Ru、Pd、Ti、Hf、Zr、Mg、Cr、W、Mo、Nb、Si、Y、MgO、RuO、CFBTa、其任何组合、其任何合金、其任何氧化物、其任何氮化物、和其任何氮氧化物中的至少一个。例如，插入图案151可以包括钨(W)、钼(Mo)或者钽(Ta)。极化增强磁图案141可以通过插入图案151被反铁磁地或者铁磁地强耦合到第一被钉扎图案161。

在一些实施方式中，插入图案151可以与第一被钉扎图案161的第一铁磁图案162a(例如Co)接触，例如直接接触，极化增强磁图案141的磁矩m3可以通过插入图案151平行耦合到第一铁磁图案162a的磁矩m2。第一铁磁图案162a可以具有高垂直磁各向异性，由此提高耦合到第一铁磁图案162a的极化增强磁图案141的垂直磁各向异性。此外，极化增强磁图案141的磁化方向可以被第一被钉扎图案161固定。

此外，插入图案151可以包括不具有结晶结构或者结晶取向的材料。换言之，不具有结晶结构的插入图案151的晶粒可以具有随机取向。例如，插入图案151可以包括具有非晶态结构的金属材料。插入图案151可以阻挡极化增强磁图案141和第一被钉扎图案161之间的晶体失配。换言之，插入图案151可以阻挡参考磁图案RP和极化增强磁图案141之间的晶体影响，因此，磁隧道结图案的隧穿磁阻比(TMR)可以增加。

在一些示例实施方式中，插入图案151可以具有与极化增强磁图案141相同的晶体结构。例如，插入图案151可以具有BCC晶体结构。

在一些示例实施方式中，插入图案151可以具有单层结构或者包括多个层叠层的多层结构。例如，插入图案151可以由单个钨层形成。在另一示例中，插入图案151可以具有W/FeB/W的多层结构、Mo/FeB/W的多层结构、W/FeB/Mo的多层结构或者Mo/FeB/Mo的多层结构。

因为极化增强磁图案141的磁矩m3通过插入图案151平行耦合到第一被钉扎图案161的磁矩m2，所以极化增强磁图案141的磁矩m3可以不被第一被钉扎图案161的磁矩m2抵消，而是可以影响自由磁图案121的转换操作。然而，根据一些实施方式，因为第一被钉扎图案161中的第一铁磁图案162a和162b的磁化方向彼此反平行耦合，第一被钉扎图案161的磁矩m2的总大小可以减小。因此，在具有第一被钉扎图案161的磁矩m2的情况下，极化增强磁图案141的磁矩m3可以通过第二被钉扎图案181的磁矩m1抵消。换言之，极化增强磁图案141的磁矩m3和第一被钉扎图案161的磁矩m2的总和可以基本上等于第二被钉扎图案181的磁矩m1的大小。因此，有可能减小或者最小化极化增强磁图案141以及第一和第二被钉扎图案161和181的杂散磁场。结果，有可能减少自由磁图案121的转换场(Hc)的分布偏移的现象。这意味着磁隧道结图案的转换特性可以改善。

图5是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的截面图。图6是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的参考磁图案RP的截面图。在本实施方式中，为了说明的简单和方便，将省略或者简要地提及与先前参考图3、4A和4B的实施方式描述的相同的技术特征的说明。

参照图5，磁隧道结图案可以包括设置在底电极图案111和隧道势垒图案131之间的参考磁图案RP以及设置在顶电极图案191和隧道势垒图案131之间的自由磁图案121。如上所述，参考磁图案RP可以具有合成反铁磁(SAF)结构。换言之，参考磁图案RP可以包括第一被钉扎图案161、第二被钉扎图案181、以及设置在第一被钉扎图案161和第二被钉扎图案181之间的交换耦合图案171。在一些实施方式中，第一被钉扎图案161可以邻近于自由磁图案121，第二被钉扎图案181可以邻近于底电极图案111。如图6所示，第一被钉扎图案161可以包括交替地层叠的第一铁磁图案162a和162b以及第一非磁性图案164。第一铁磁图案162a和162b的磁矩(或者磁化方向)可以通过第一非磁性图案164彼此反平行耦合，因此第一铁磁图案162a和162b的磁矩可以互相抵消。

此外，磁隧道结图案可以还包括设置在第一被钉扎图案161和隧道势垒图案131之间的极化增强磁图案141以及设置在极化增强磁图案141和第一被钉扎图案161之间的插入图案151。极化增强磁图案141可以与隧道势垒图案131的底表面接触，插入图案151可以与第一被钉扎图案161的第一铁磁图案162a接触。

如上所述，极化增强磁图案141可以与隧道势垒图案131接触并且可以具有与隧道势垒图案131相似的晶体结构。极化增强磁图案141的磁矩m3可以通过插入图案151平行耦合到第一被钉扎图案161的磁矩m2，第二被钉扎图案181的磁矩m1可以通过交换耦合图案171反平行耦合到第一被钉扎图案161的磁矩m2和极化增强磁图案141的磁矩m3。这里，第一被钉扎图案161的磁矩m2的大小可以小于极化增强磁图案141的磁矩m3的大小，第一被钉扎图案161的磁矩m2和极化增强磁图案141的磁矩m3的大小之和可以基本上等于或者类似于第二被钉扎图案181的磁矩m1的大小。

此外，磁隧道结图案131可以还包括设置在底电极图案111和第二被钉扎图案181之间的籽晶图案115，如图6所示。在一些实施方式中，籽晶图案115可以作用为第二被钉扎图案181的籽晶。籽晶图案115可以具有与第二被钉扎图案181相似的晶体结构。籽晶图案115可以包括具有低反应性的金属材料。例如，籽晶图案115可以包括例如钌(Ru)、铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和铝(Al)中的至少一个。

在一些示例实施方式中，籽晶图案115可以包括彼此不同并且交替地层叠的第一金属层115a和第二金属层115b。例如，籽晶图案115可以包括交替地层叠的钌层和铱层。在另一示例中，籽晶图案115可以具有由铱(Ir)形成的单层结构。如上所述，在第二被钉扎图案181形成在籽晶图案115上的情况下，第二被钉扎图案181的可结晶性可以被改善，并由此第二被钉扎图案181的厚度可以减小。此外，籽晶图案115可以包括在大约400摄氏度或更高的高温下具有小的相互扩散或者相互混合性质的铱(Ir)，由此提高包括超晶格结构的CoPt或者CoPt合金的第二被钉扎图案181的耐热性。

图7是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的参考磁图案的截面图。在下文，为了说明的简单和方便，将省略或者简要地提及与先前参照图3、4A和4B的实施方式描述的技术特征相同的说明。

参照图7，磁隧道结图案可以包括第一和第二参考磁图案RP1和RP2、自由磁图案FP以及第一和第二隧道势垒图案TBP1和TBP2。第一参考磁图案RP1、第一隧道势垒图案TBP1以及自由磁图案FP可以构成第一磁隧道结图案。第二参考磁图案RP2、第二隧道势垒图案TBP2以及自由磁图案FP可以构成第二磁隧道结图案。

在一些示例实施方式中，第一参考磁图案RP1可以设置在底电极图案111和第一隧道势垒图案TBP1之间。第一参考磁图案RP1可以具有一材料和/或一结构，其具有基本上垂直于第一隧道势垒图案TBP1和第一参考磁图案RP1之间的界面的固定磁化方向。例如，第一参考磁图案RP1可以包括以下中的至少一个：例如，垂直磁性材料(例如，CoFeTb、CoFeGd或者CoFeDy)；具有L1₀结构的垂直磁性材料；具有HCP晶格结构的CoPt；具有L1₁(超晶格)结构的垂直磁性材料；和其任何合金。

具有L10结构的垂直磁性材料可以包括以下中的至少一个：例如，具有L1₀结构的FePt；具有L1₀结构的FePd；具有L1₀结构的CoPd；和具有L1₀结构的CoPt。例如，当第一参考磁图案RP1包括CoPt合金时，CoPt合金可以掺杂有硼(B)以减小CoPt合金的饱和磁化。

当第一参考磁图案RP1包括CoFeTb时，在CoFeTb中铽(Tb)的含量可以是大约10％或更高。同样地，当第一参考磁图案RP1包括CoFeGd时，在CoFeGd中钆(Gd)的含量可以是大约10％或更高。

在一些示例实施方式中，第一参考磁图案RP1可以包括包含交替地和重复地层叠的磁性层和非磁性层的垂直磁性结构。例如，垂直磁性结构可以包括以下至少之一：例如，(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，其中“n”表示双层的数目。

第一和第二隧道势垒图案TBP1和TBP2可以与自由磁图案FP接触并且可以具有彼此不同的厚度。例如，第一和第二隧道势垒图案TBP1和TBP2的每个可以包括例如镁氧化物(MgO)、钛氧化物(TiO)、铝氧化物(AlO)、镁锌氧化物(MgZnO)和镁硼氧化物(MgBO)中的至少一个。

自由磁图案FP可以与第一隧道势垒图案TBP1的顶表面和第二隧道势垒图案TBP2的底表面直接接触。自由磁图案FP可以具有基本上垂直于基板100的顶表面的可变的磁化方向。自由磁图案FP的磁化方向可以是可变的以平行于或反平行于第一和第二参考磁图案RP1和RP2的磁化方向。自由磁图案FP可以由具有垂直磁各向异性的磁性材料形成。例如，自由磁图案FP可以包括以下中的至少一个：垂直磁性材料(例如，CoFeTb、CoFeGd或者CoFeDy)；具有L1₀结构的垂直磁性材料；具有HCP晶格结构的CoPt；和其任何合金。

第二参考磁图案RP2可以包括第一被钉扎图案161、第二被钉扎图案181、以及设置在第一被钉扎图案161和第二被钉扎图案181之间的交换耦合图案171，如上所述。这里，第一被钉扎图案161可以包括第一铁磁图案(图4A或者4B的162a和162b)以及将第一铁磁图案162a和162b彼此耦合的第一非磁性图案(图4A或者4B的164)，使得第一铁磁图案162a和162b的磁矩彼此反平行，如上所述。此外，极化增强磁图案141可以设置在第二隧道势垒图案TBP2和第一被钉扎图案161之间，插入图案151可以设置在极化增强磁图案141和第一被钉扎图案161之间。极化增强磁图案141可以与第二隧道势垒图案TBP2接触，极化增强磁图案141的磁矩m3可以通过插入图案151平行耦合到第一被钉扎图案161的磁矩m2。第二被钉扎图案181的磁矩m1可以通过交换耦合图案171反平行耦合到第一被钉扎图案161和极化增强磁图案141的磁矩m2和m3。这里，第一被钉扎图案161的磁矩m2的大小可以小于极化增强磁图案141的磁矩m3的大小，第一被钉扎图案161和极化增强磁图案141的磁矩m2和m3的大小之和可以基本上等于或者类似于第二被钉扎图案181的磁矩m1的大小。

图8是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的截面图。在下文，为了说明的简单和方便，将省略或者简要地提及与先前参照图7的实施方式描述的相同的技术特征的说明。

参照图8，磁隧道结图案可以包括第一和第二参考磁图案RP1和RP2、自由磁图案FP以及第一和第二隧道势垒图案TBP1和TBP2。第一参考磁图案RP1可以包括第一和第二被钉扎图案161a和181a以及设置在第一和第二被钉扎图案161a和181a之间的交换耦合图案171a。第二参考磁图案RP2可以包括第一和第二被钉扎图案161b和181b以及设置在第一和第二被钉扎图案161b和181b之间的交换耦合图案171b。此外，磁隧道结图案可以还包括设置在第一隧道势垒图案TBP1和第一参考磁图案RP1的第一被钉扎图案161a之间的第一极化增强磁图案141a以及设置在第一极化增强磁图案141a和第一参考磁图案RP1的第一被钉扎图案161a之间的第一插入图案151a。此外，磁隧道结图案可以还包括设置在第二隧道势垒图案TBP2和第二参考磁图案RP2的第一被钉扎图案161b之间的第二极化增强磁图案141b以及设置在第二极化增强磁图案141b和第二参考磁图案RP2的第一被钉扎图案161b之间的第二插入图案151b。

第一和第二参考磁图案RP1和RP2的第一被钉扎图案161a和161b的每个可以包括第一铁磁图案和将第一铁磁图案彼此耦合的第一非磁性图案，使得第一铁磁图案的磁矩彼此反平行，如上所述。

将在下文参照图9到17描述根据一些实施方式的制造半导体存储器件的方法。

图9是示出根据一些示例实施方式的半导体存储器件的平面图。图10至14是沿图9的线I-I’截取的截面图以示出根据一些示例实施方式的制造半导体存储器件的方法中的阶段。图15是沿图9的线II-II’截取的截面图以示出根据一些实施方式的半导体存储器件。图16和17是示出根据一些实施方式的制造半导体存储器件的方法的流程图。

参考图9、10、15和16，器件隔离图案STI可以形成在半导体基板100中以限定有源线图案ALP。半导体基板100可以是例如硅基板、锗基板或者硅锗基板。每个有源线图案ALP可以限定在彼此相邻的器件隔离图案STI之间。在一些实施方式中，有源线图案ALP可以在第一方向D1上延伸并且可以在垂直于第一方向D1的第二方向D2上彼此间隔开。

器件隔离图案STI可以在平行于有源线图案ALP的第一方向D1上延伸。有源线图案ALP可以掺杂有第一导电类型的掺杂剂。

单元栅电极CG和隔离栅电极IG可以形成在半导体基板100中以交叉有源线图案ALP和器件隔离图案STI。单元栅电极CG的顶表面和隔离栅电极IG的顶表面可以低于半导体基板100的顶表面。单元栅电极CG和隔离栅电极IG可以具有在第二方向D2上延伸的线性形状以交叉有源线图案ALP。由绝缘材料形成的栅极硬掩模图案可以分别形成在单元栅电极CG和隔离栅电极IG上。栅极硬掩模图案的顶表面可以与半导体基板100的顶表面基本上共面。例如，单元栅电极CG可以包括以下至少一个：掺杂有掺杂剂的半导体材料(例如，掺杂硅)、金属(例如，钨、铝、钛和/或钽)、导电金属氮化物(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)。隔离栅电极IG可以由与单元栅电极CG相同的材料形成。栅极硬掩模图案可以包括氧化物(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)中的至少一个。

栅绝缘层GI可以分别形成在半导体基板100和单元栅电极CG之间以及半导体基板100和隔离栅电极IG之间。栅绝缘层GI可以包括以下至少之一：氧化物(例如，硅氧化物)、氮化物(例如，硅氮化物)、氮氧化物(例如，硅氮氧化物)和高k电介质材料(例如，绝缘金属氧化物诸如铪氧化物或铝氧化物)。

当半导体存储器件工作时，隔离电压可以施加到隔离栅电极IG中的每个。隔离电压可以防止在隔离栅电极IG下方产生沟道。换言之，隔离栅电极IG下方的隔离沟道区可以通过隔离电压而截止。因此，彼此相邻且隔离栅电极IG夹置在其间的存储单元可以彼此电隔离。例如，当有源线图案ALP掺杂有P型掺杂剂时，隔离电压可以是接地电压或负电压。

第一掺杂剂区域100a可以分别形成在每个单元栅电极CG的一侧处的有源线图案ALP中，第二掺杂剂区域100b可以分别形成在每个单元栅电极CG的另一侧处的有源线图案ALP中。在一些实施方式中，每个有源线图案ALP可以被分成多个单元有源部分并且单元栅电极CG可以交叉单元有源部分。单元有源部分可以沿着第一和第二方向D1和D2二维地布置。一对单元栅电极CG可以交叉布置在第二方向D2上的单元有源部分。在一些实施方式中，第一掺杂剂区域100a可以设置在成对的单元栅电极CG之间的每个单元有源部分中，一对第二掺杂剂区域100b可以分别设置在每个有源部分的两边缘区域中并且成对的单元栅电极CG夹置在其间。因此，一对单元晶体管可以共用第一掺杂剂区域100a。第一和第二掺杂剂区域100a和100b可以相应于单元晶体管的源极/漏极区。第一和第二掺杂剂区域100a和100b可以掺杂有与有源线图案ALP的第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂剂。第一和第二导电类型之一可以是N型，第一和第二导电类型的另一个可以是P型。

接着，第一层间绝缘层101可以形成在半导体基板100的整个顶表面上。源极线SL可以形成在第一层间绝缘层101中并且可以沿着第二方向D2平行延伸。当从平面图观看时，每个源极线SL可以设置在彼此相邻的单元栅电极CG之间。每个源极线SL可以电连接到布置在第二方向D2上的第一掺杂剂区域100a。

源极线SL的顶表面可以与第一层间绝缘层101的顶表面基本上共面。源极线SL可以包括以下中的至少一个：掺杂有掺杂剂的半导体材料(例如，掺杂硅)、金属(例如，钨、铝、钛和/或钽)、导电金属氮化物(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)。

第二层间绝缘层103可以形成在第一层间绝缘层的整个顶表面上。第二层间绝缘层103可以覆盖源极线SL的顶表面。当源极线SL包括金属时，第二层间绝缘层103可以由能够防止包括在源极线SL中的金属原子扩散到第二层间绝缘层103的绝缘材料形成。此外，第二层间绝缘层103可以由具有关于第一层间绝缘层101的蚀刻选择性的绝缘材料形成。例如，第一层间绝缘层101可以由氧化物(例如，硅氧化物)形成，第二层间绝缘层103可以由氮化物(例如，硅氮化物)和氮氧化物(例如，硅氮氧化物)中的至少一个形成。

掩埋接触插塞BCP可以形成为顺序地穿过第二层间绝缘层103和第一层间绝缘层101。每个掩埋接触插塞BCP可以电连接到每个第二掺杂剂区域100b。欧姆图案可以分别形成在每个掩埋接触插塞BCP和每个第二掺杂剂区域100b之间以及每个源极线SL和每个第一掺杂剂区域100a之间。欧姆图案可以包括金属半导体化合物(例如，金属硅化物诸如钴硅化物或钛硅化物)。

第三层间绝缘层105可以形成在第二层间绝缘层103上。第三层间绝缘层105可以覆盖掩埋接触插塞BCP。

下接触插塞LCP可以形成为穿过第三层间绝缘层105。下接触插塞LCP可以分别电连接到掩埋接触插塞BCP。下接触插塞LCP可以包括例如钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、钛氮化物(TiN)、钽氮化物(TaN)、钨氮化物(WN)和钛铝氮化物(TiAlN)中的至少一个。

底电极层110可以形成在第三层间绝缘层105和下接触插塞LCP上。底电极层110可以包括具有低反应性的导电层。例如，底电极层110可以包括导电金属氮化物。例如，底电极层110可以包括钛氮化物(TiN)、钽氮化物(TaN)、钨氮化物(WN)、和钛铝氮化物(TiAlN)中的至少一个。

在一些示例实施方式中，籽晶层可以沉积在第三层间绝缘层105或者底电极层110上(图16中的S11)。籽晶层可以通过物理气相沉积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺或者原子层沉积(ALD)工艺而沉积。在一些实施方式中，籽晶层可以通过相应于PVD工艺的溅射工艺而沉积。籽晶层可以由具有与形成在其上的磁性层相同的晶体结构的导电材料形成。例如，籽晶层可以具有体心立方(BCC)晶体结构。例如，籽晶层可以包括钌(Ru)。

自由磁层120可以沉积在底电极层110或者籽晶层上(图16中的S12)。例如，自由磁层120可以由钴铁硼(CoFeB)形成。自由磁层120可以通过PVD工艺、CVD工艺或者ALD工艺而沉积。在一些实施方式中，自由磁层120可以通过溅射工艺而沉积。沉积的自由磁层120可以部分地具有晶体结构或者可以为非晶态。

隧道势垒层130可以形成在自由磁层120上(图16中的S13)。例如，隧道势垒层130可以由例如具有NaCl晶体结构的镁氧化物(MgO)形成。隧道势垒层130可以利用射频(RF)溅射沉积工艺形成。例如，隧道势垒层130可以在惰性气体(例如，氩气)气氛中利用MgO靶通过溅射沉积工艺而沉积，或者可以利用Mg靶和在氧气氛中的氧化反应通过溅射沉积而沉积。在另一示例中，隧道势垒层130可以通过交替地和重复地进行在自由磁层120上沉积镁层和使镁层氧化的工艺而形成。在某些实施方式中，隧道势垒层130可以利用MgO通过分子束外延(MBE)方法或者电子束沉积方法形成。

极化增强磁性层140可以形成在隧道势垒层130上(图16中的S14)。例如，极化增强磁性层140可以由钴铁硼(CoFeB)形成。极化增强磁性层140可以通过PVD工艺、CVD工艺或者ALD工艺而沉积。在一些实施方式中，极化增强磁性层140可以通过溅射工艺而沉积。沉积的极化增强磁性层140可以为非晶态。

插入层150可以形成在极化增强磁性层140上。插入层150可以由例如钨层、钽层、钌层、钛层和铂层中的至少一个形成。

插入层150可以具有与极化增强磁性层140不同的晶体结构。例如，插入层150可以具有BCC晶体结构并且可以由钨层形成。在另一示例中，插入层150可以具有非晶态结构。插入层150可以通过PVD工艺、CVD工艺或者ALD工艺而沉积。在一些实施方式中，插入层150可以通过溅射工艺而沉积。

参照图11和16，热处理工艺可以在形成插入层150之后进行(S15)。极化增强磁性层140和自由磁层120可以通过热处理工艺而结晶。因此，可以获得高隧穿磁阻比。为了获得足够的隧穿磁阻比，可以在大约400摄氏度或更高的高温下进行热处理工艺。例如，热处理工艺的工艺温度可以在大约400摄氏度至大约600摄氏度的范围中。结晶的自由磁层120可以具有与结晶的极化增强磁性层140相同的晶体结构。接触隧道势垒层130的自由磁层120和极化增强磁性层140可以在热处理工艺期间利用隧道势垒层130作为籽晶而结晶。因此，自由磁层120可以具有与隧道势垒层130相似的晶体结构，极化增强磁性层140也可以具有与隧道势垒层130相似的晶体结构。在一些实施方式中，自由磁层120和极化增强磁性层140可以具有面心立方(FCC)晶体结构，隧道势垒层130可以具有氯化钠(NaCl)晶体结构。

在一些示例实施方式中，蚀刻插入层150的工艺可以在热处理工艺之后进行。插入层150可以通过等离子体蚀刻工艺而被蚀刻。通过等离子体蚀刻工艺，插入层150的厚度可以减小或者插入层150可以被完全去除。因此，插入层150可以比极化增强磁性层140薄。在下文，为了说明的简单和方便，将描述插入层150保留的实施方式作为示例。

参照图12和16，在热处理工艺之后，参考磁层可以形成在插入层150上(S16)。形成参考磁层可以包括形成第一被钉扎层160、交换耦合层170和第二被钉扎层180。

第一被钉扎层160可以形成在插入层150上。在一些实施方式中，形成第一被钉扎层160可以包括交替地沉积第一铁磁层162和第一非磁性层164。例如，第一铁磁层162可以由铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一个形成，第一非磁性层164可以由铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)和铜(Cu)中的至少一个形成。在一些实施方式中，第一铁磁层162可以包括钴(Co)，第一非磁性层164可以包括铱(Ir)或者钌(Ru)。第一铁磁层162和第一非磁性层164可以通过PVD工艺、CVD工艺或者ALD工艺沉积。在一些实施方式中，第一被钉扎层160可以具有BCC晶体结构。

在一些示例实施方式中，沉积第一铁磁层162可以进行奇数次，沉积第一非磁性层164可以进行偶数次。此时，第一铁磁层162中的奇数的第一铁磁层的厚度可以小于第一铁磁层162中的偶数的第一铁磁层的厚度。替代地，沉积第一铁磁层162可以进行偶数次，沉积第一非磁性层164可以进行偶数次。在这种情况下，第一铁磁层162中的奇数的第一铁磁层的厚度可以基本上等于第一铁磁层162中的偶数的第一铁磁层的厚度。在一些实施方式中，第一铁磁层162的厚度可以在从大约至大约的范围中。第一非磁性层164的厚度可以在从大约至大约的范围中。

例如，第一被钉扎层160可以具有[Co/Ir]n结构(其中“n”是双层的数目)，其中具有大约至大约厚度的钴层与具有大约至大约厚度的铱层被交替地层叠多次。

交换耦合层170可以设置为与第一被钉扎层160的第一铁磁层接触。交换耦合层170可以利用第一被钉扎层160作为籽晶而形成。例如，交换耦合层170可以由钌(Ru)或者铱(Ir)形成。交换耦合层170可以通过PVD工艺、CVD工艺或者ALD工艺而沉积。在一些实施方式中，交换耦合层170可以通过溅射工艺沉积。

第二被钉扎层180可以形成在交换耦合层170上。在一些实施方式中，形成第二被钉扎层180可以包括交替地沉积第二铁磁层和第二非磁性层。第二铁磁层和第二非磁性层可以通过PVD工艺、CVD工艺或者ALD工艺沉积。例如，第二铁磁层可以由例如铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一个形成，第二非磁性层可以由铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)和铜(Cu)中的至少一个形成。在一些实施方式中，第二铁磁层可以包括钴(Co)，第二非磁性层可以包括铱(Ir)或者钌(Ru)。在某些实施方式中，第二铁磁层可以包括钴(Co)，第二非磁性层可以包括铂(Pt)或者钯(Pd)。

在一些示例实施方式中，沉积第二铁磁层可以进行偶数次，沉积第二非磁性层可以进行偶数次。此时，沉积的第二铁磁层的数目可以大于沉积的第一被钉扎层160的第一铁磁层162的数目。此外，沉积的第二非磁性层的数目可以大于沉积的第一被钉扎层160的第一非磁性层162的数目。在一些实施方式中，第二铁磁层的厚度可以在从大约至大约的范围中。第二非磁性层的厚度可以在从大约至大约的范围中。

例如，第二被钉扎层180可以具有[Co/Pt]m结构(其中“m”是双层的数目并且是大于“n”的自然数)，其中具有大约至大约厚度的钴层与具有大约至大约厚度的铂层被交替地层叠多次。

在一些示例实施方式中，第二被钉扎层180可以由CoPt合金或者[CoPt]nL1₁超晶格(其中“n”是自然数)形成。当第二被钉扎层180由CoPt合金形成时，第二被钉扎层180可以通过利用氩气的溅射工艺沉积。在这种情况下，为了减小第二被钉扎层180的饱和磁化，第二被钉扎层180可以由掺杂有硼的CoPt合金形成。当第二被钉扎层180由[CoPt]n L1₁超晶格形成时，第二被钉扎层180可以通过利用具有比氩气大的质量的惰性气体(例如，氪(Kr))的溅射工艺沉积，以改善[CoPt]n L1₁超晶格的垂直磁各向异性。

顶电极层190可以形成在第二被钉扎层180上。例如，顶电极层190可以包括导电金属氮化物。例如，顶电极层190可以包括例如钛氮化物(TiN)、钽氮化物(TaN)、钨氮化物(WN)、和钛铝氮化物(TiAlN)中的至少一个。在另一示例中，顶电极层190可以包括例如钽层、钌层、钛层和铂层中的至少一个。

接着，顶电极层190、第二被钉扎层180、交换耦合层170、第一被钉扎层160、插入层150、极化增强磁性层140、隧道势垒层130、自由磁层120和底电极层110可以被依次图案化以暴露第三层间绝缘层105的顶表面。因此，如图13所示，磁隧道结图案可以形成为包括顺序地层叠的底电极图案111、自由磁图案121、隧道势垒图案131、极化增强磁图案141、插入图案151、第一被钉扎图案161、交换耦合图案171、第二被钉扎图案181和顶电极图案191。磁隧道结图案可以连接到每个下接触插塞LCP。换言之，多个磁隧道结图案可以形成在第三层间绝缘层105上。

随后，如图3和9所示，上层间绝缘层200可以形成为覆盖磁隧道结图案，上接触插塞UCP可以形成为穿过上层间绝缘层200。上接触插塞UCP可以分别连接到顶电极图案191。接着，连接到上接触插塞UCP的互连BL可以形成在上层间绝缘层200上。

在下文，将描述根据一些示例实施方式的半导体存储器件的制造方法。在本实施方式中，为了说明的简单和方便，将省略或者简要地提及与先前关于图9至16的实施方式描述的相同的技术特征的说明。

参照图17，籽晶层可以形成在连接到下接触插塞的底电极层110上(S21)。参考磁层可以形成在籽晶层上(S22)。因为参考磁层形成在籽晶层上，所以参考磁层的可结晶性可以被改善。因此，参考磁层的厚度可以减小。形成参考磁层可以包括形成第一被钉扎层160、交换耦合层170和第二被钉扎层180。如上所述，形成第一被钉扎层160可以包括交替地沉积第一铁磁层162和第一非磁性层164，形成第二被钉扎层180可以包括交替地沉积第二铁磁层和第二非磁性层。这里，第一和第二铁磁层可以由相同的铁磁材料形成，第一和第二非磁性层可以由彼此不同的非磁性材料形成。在一些实施方式中，参考磁层的第二被钉扎层180可以与籽晶层接触，参考磁层的第一被钉扎层160可以与籽晶层间隔开。

接着，插入层可以形成在参考磁层上，极化增强磁性层140可以形成在插入层上(S23)。隧道势垒层130可以形成在极化增强磁性层140上(S24)。自由磁层120可以形成在隧道势垒层130上(S25)。热处理工艺可以在形成自由磁层120之后进行(S26)。

在一些示例实施方式中，因为参考磁层的第一被钉扎层包括铱，其混合性能在大约400摄氏度或更高处是小的，所以参考磁层的垂直磁各向异性可以保持，即使在形成参考磁层之后在大约400摄氏度的高温进行热处理工艺。换言之，磁隧道结图案的耐热性能可以提高。在籽晶层、参考磁层、插入层、极化增强磁性层、隧道势垒层130和自由磁层120被如上所述地形成之后，可以进行图案化工艺以形成图5中示出的磁隧道结图案。

作为总结和回顾，根据一些示例实施方式，因为邻近于自由磁图案的第一被钉扎图案包括第一非磁性图案和具有彼此反平行耦合的磁矩的第一铁磁图案，第一被钉扎图案的净磁矩的大小可以减小。因此，设置在第一被钉扎图案和隧道势垒图案之间的极化增强磁图案的磁矩可以通过第二被钉扎图案的磁矩而抵消。

结果，有可能减小或者最小化极化增强磁图案以及第一和第二被钉扎图案的杂散磁场。换言之，有可能减小或者最小化自由磁图案的转换场的分布偏移的现象。这意味着磁隧道结图案的转换特性可以改善，例如，可以通过由Co/Ir多层构成的SAF被钉扎层而改善垂直MTJ中的转换概率容限。此外，因为第一被钉扎图案的第一非磁性图案由铱(Ir)形成，所以可以在高温工艺条件下保持第一被钉扎图案的垂直磁各向异性。

在此已经公开了示例实施方式，虽然采用了特定术语，但应该以一般的和描述的意义上来理解它们而不是为了限制的目的。在一些情况下，对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说明显的是，结合特定实施方式描述的特征、特性和/或元件可以单独地使用，或者与结合其他实施方式描述的特征、特性和/或元件组合使用，除非明确地另外指示。因此，本领域技术人员将理解，可以在形式和细节方面进行各种变化而不背离由权利要求阐述的本发明的精神和范围。

于2015年10月16日在韩国专利局提交的韩国专利申请第10-2015-0144891号以及于2015年11月19日在韩国专利局提交的韩国专利申请第10-2015-0162681号通过引用整体结合在此。

Claims (20)

1.一种半导体存储器件，包括：

在基板上的自由磁图案；

在所述自由磁图案上的参考磁图案，所述参考磁图案包括第一被钉扎图案、第二被钉扎图案以及在所述第一被钉扎图案和所述第二被钉扎图案之间的交换耦合图案；

在所述参考磁图案和所述自由磁图案之间的隧道势垒图案；

在所述隧道势垒图案和所述第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案；和

在所述极化增强磁图案和所述第一被钉扎图案之间的插入图案，

其中所述第一被钉扎图案包括交替地层叠的第一铁磁图案和第一非磁性图案，

其中所述第二被钉扎图案包括交替地层叠的第二铁磁图案和第二非磁性图案，

其中所述第二铁磁图案包括与所述第一铁磁图案相同的铁磁材料，并且

其中所述第二非磁性图案包括与所述第一非磁性图案不同的非磁性材料。

2.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中在所述第一被钉扎图案中层叠的所述第一铁磁图案的数目小于在所述第二被钉扎图案中层叠的所述第二铁磁图案的数目。

3.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中：

所述第一被钉扎图案包括奇数个所述第一铁磁图案和偶数个所述第一非磁性图案，并且

所述第一铁磁图案的一个偶数的第一铁磁图案的厚度大于所述第一铁磁图案的奇数的第一铁磁图案的厚度。

4.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中：

所述第一被钉扎图案包括奇数个所述第一铁磁图案和偶数个所述第一非磁性图案，并且

所述第一铁磁图案的奇数的第一铁磁图案的厚度等于所述第一铁磁图案的偶数的第一铁磁图案的厚度。

5.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中所述第二被钉扎图案的所述第二铁磁图案的厚度彼此相等。

6.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中所述自由磁图案和所述极化增强磁图案与所述隧道势垒图案接触。

7.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中所述第一被钉扎图案具有与所述极化增强磁图案不同的晶体结构。

8.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中所述极化增强磁图案具有与所述自由磁图案相同的晶体结构。

9.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中所述极化增强磁图案包括磁性材料，该磁性材料具有比所述第一被钉扎图案的磁矩大小大的大小的磁矩。

10.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中每个所述第一非磁性图案包括耦合彼此相邻的第一铁磁图案使得所述相邻的第一铁磁图案的磁矩彼此反平行的非磁性材料。

11.如权利要求1所述的半导体存储器件，其中所述插入图案包括与所述极化增强磁图案和所述第一被钉扎图案的所述第一铁磁图案中的一个接触的非磁性材料以耦合所述极化增强磁图案和所述一个第一铁磁图案，使得所述极化增强磁图案的磁矩平行于所述一个第一铁磁图案。

12.一种半导体存储器件，包括：

在基板上的自由磁图案；

在所述自由磁图案上的参考磁图案，所述参考磁图案包括第一被钉扎图案、第二被钉扎图案以及在所述第一被钉扎图案和所述第二被钉扎图案之间的交换耦合图案；

在所述参考磁图案和所述自由磁图案之间的隧道势垒图案；

在所述隧道势垒图案和所述第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案；和在所述极化增强磁图案和所述第一被钉扎图案之间的插入图案，

其中所述第一被钉扎图案包括交替地层叠的第一铁磁图案和反铁磁交换耦合图案。

13.如权利要求12所述的半导体存储器件，其中所述插入图案与所述第一被钉扎图案的所述第一铁磁图案之一接触。

14.如权利要求12所述的半导体存储器件，其中：

所述第一被钉扎图案包括奇数个所述第一铁磁图案和偶数个所述反铁磁交换耦合图案，并且

所述第一铁磁图案的偶数的第一铁磁图案的厚度大于所述第一铁磁图案的奇数的第一铁磁图案的厚度。

15.如权利要求12所述的半导体存储器件，其中：

所述第一被钉扎图案包括偶数个所述第一铁磁图案和偶数个所述反铁磁交换耦合图案，并且

所述第一铁磁图案的奇数的第一铁磁图案的厚度等于所述第一铁磁图案的偶数的第一铁磁图案的厚度。

16.一种半导体存储器件，包括：

自由磁图案；

在自由磁图案上的隧道势垒图案；和

在所述隧道势垒图案上的被钉扎磁性结构，所述被钉扎磁性结构包括：

第一被钉扎图案，包括具有彼此反平行地被钉扎的磁矩的第一铁磁图案；

第二被钉扎图案；和

在所述第一被钉扎图案和所述第二被钉扎图案之间的反铁磁交换耦合图案；

其中所述被钉扎磁性结构的净磁矩与所述自由磁图案的磁矩相同。

17.如权利要求16所述的半导体存储器件，其中所述第一被钉扎图案还包括反铁磁耦合图案，每个反铁磁耦合图案设置在两个相邻的第一铁磁图案之间以彼此反平行耦合所述两个相邻的第一铁磁图案的磁矩。

18.如权利要求16所述的半导体存储器件，还包括：

在所述隧道势垒图案和所述第一被钉扎图案之间的极化增强磁图案；和在所述极化增强磁图案和所述第一被钉扎图案之间的插入图案，

其中所述极化增强磁图案包括磁性材料，所述磁性材料具有比所述第一被钉扎图案的磁矩的大小大的大小的磁矩，并且

其中所述极化增强磁图案的所述磁矩与所述第一铁磁图案中的一个的所述磁矩平行耦合，所述一个第一铁磁图案最靠近所述极化增强磁图案。

19.如权利要求18所述的半导体存储器件，其中所述第二被钉扎图案包括交替地层叠的第二铁磁图案和非磁性图案，所述第二铁磁图案包括与所述第一铁磁图案相同的铁磁材料，并且所述非磁性图案包括与所述反铁磁交换耦合图案不同的非磁性材料。

20.如权利要求18所述的半导体存储器件，其中所述自由磁图案和所述极化增强磁图案与所述隧道势垒图案接触，并且所述极化增强磁图案和所述第一被钉扎图案与所述插入图案接触。