CN107454986B

CN107454986B - 存储器件

Info

Publication number: CN107454986B
Application number: CN201680016542.5A
Authority: CN
Inventors: 朴在勤; 洪松花
Original assignee: Industry University Cooperation Foundation IUCF HYU
Current assignee: Industry University Cooperation Foundation IUCF HYU
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2036-02-02
Also published as: CN107454986A; KR101721618B1; KR20160112889A

Abstract

本发明包括形成在基板上的下部电极、第一缓冲层、种子层、合成交换半磁性层、覆盖层、固定层、磁隧道屏障、自由层、第二缓冲层及上部电极。公开了存储器件，其在基板，从下部电极至上部电极依次层叠，合成交换半磁性层呈第一磁性层、非磁性层及第二磁性层的层叠结构，固定层、磁隧道屏障及自由层形成磁隧道结。

Description

存储器件

本申请主张于2015年03月18日申请的韩国专利申请第10-2015-0037233号以及于2015年03月31日申请的韩国专利申请第10-2015-0045173号的优先权，在上述韩国专利申请文献中所公开的全部内容将作为本说明书的一部分来包含于本说明书中。

技术领域

本发明涉及存储器件，尤其，涉及利用磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的磁性存储器件。

背景技术

进行对于与闪存器件相比，消耗电力少，集精度高的下一代非易失性存储器件的研究。这种下一代非易失性存储器件包括利用如硫族化合物合金(chalcogenide alloy)的相变化物质的状态变化的相变存储器(Phase change RAM，PRAM)、利用基于铁磁的磁化状态的磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的阻抗变化的磁性存储器(MagneticRAM，MRAM)、利用铁电材料的分级现象的铁电存储器(Ferroelectric RAM)、利用可变阻抗物质的阻抗变化的阻抗变化存储器(Resistance change RAM，ReRAM)等。

作为磁性存储器，利用基于电子注入的自旋转矩(Spin-Transfer Torque，STT)现象来形成磁化，判别磁化反转前后的阻抗差的自旋转矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM，Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)器件。自旋转矩磁性随机存取存储器器件分别包括由铁磁形成的固定层(pinned layer)及自由层和在这些之间形成隧道屏障(tunnel barrier)的磁隧道结。在磁隧道结中，自由层和固定层的磁化方向相同(即，平行(parallel))，则电流流动变得简单，从而具有低阻抗状态，若磁化方向不同(即，不平行(anti parallel))，则电流减少，从而呈现出高阻抗状态。并且，在磁隧道结中，磁化方向需要向与基板垂直的方向变化，因此，自由层及固定层需要具有垂直磁化值。根据磁场的强度及方向，若与垂直磁化值0为基准对称的方形(squareness，S)的形状变得鲜明(S＝1)，则垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)优秀。这种自旋转矩磁性随机存取存储器器件理论上实现1015以上的循环(cycling)，可通过纳秒(ns)程度的快速进行开关。尤其，积极进行垂直磁化型自旋转矩磁性随机存取存储器器件理论上没有缩放限制(Scaling Limit)，通过越进行缩放，电流的密度可降低的优点，可代替DRAM器件的下一代存储器件。另一方面，自旋转矩磁性随机存取存储器器件的例在韩国授权专利第10-1040163中公开。

并且，自旋转矩磁性随机存取存储器器件在自由层下部形成种子层，在固定层上部形成覆盖层，在覆盖层上部形成合成交换半磁性层及上部电极。而且，自旋转矩磁性随机存取存储器器件在硅基板形成硅氧化膜之后，在上部形成种子层及磁隧道结。并且，在硅基板可形成三极管等的选择器件，硅氧化膜可覆盖选择器件。因此，自旋转矩磁性随机存取存储器器件在形成有选择器件的硅基板层叠硅氧化膜、种子层、自由层、磁隧道屏障、固定层、覆盖层、合成交换半磁性层及上部电极。其中，种子层及覆盖层利用钽(Ta)来形成，合成交换半磁性层呈磁性金属和非磁性金属交替层叠的下部磁性层及上部磁性层并在这些之间形成非磁性层的结构。即，以基板为中心，磁隧道结形成于下侧，合成交换半磁性层形成于上侧。

但是，在向bcc 100方向被纹理处理的磁隧道结上侧形成fcc 111的合成交换半磁性层，因此，当形成合成交换半磁性层时，fcc 111结构向磁隧道结扩散，从而使bcc 100结晶劣化。即，当形成合成交换半磁性层时，上述物质的一部分向磁隧道结扩散，从而使磁隧道结的结晶性劣化。因此，磁隧道结的磁化方向可急剧变化，从而，存储器的动作速度降低或者无法进行动作。

(现有技术文献)

韩国授权专利第10-1040163号

发明内容

技术问题

本发明提供可提高磁隧道结的结晶性，由此，可以使磁化方向急剧变化的存储器件。

本发明提供防止合成交换半磁性层的物质向磁隧道结扩散，由此可提高磁隧道结的结晶性的存储器件。

技术方案

本发明一实施形态的存储器件中，在基板层叠形成下部电极、缓冲层、种子层、合成交换半磁性层、覆盖层、磁隧道结及上述电极。

上述下部电极由多结晶导电物质形成。

本发明还包括形成于上述下部电极和上述种子层之间且由包含钽的物质形成的缓冲层。

上述合成交换半磁性层呈第一磁性层、非磁性层及第二磁性层的层叠结构，上述第一磁性层及第二磁性层由包含Pt的物质形成。

上述第一磁性层呈Co/Pt至少层叠2次以上的多层结构，上述第二磁性层呈Co/Pt的单层结构。

上述覆盖层由bcc结构的物质形成。

上述磁隧道结的自由层包括：第一磁化层，进行垂直磁化；分离层，不进行磁化；以及第二磁化层，进行垂直磁化，上述第一磁化层与上述磁隧道结的固定层相邻地形成。

上述自由层的第一自由层及第二自由层由包含CoFeB的物质形成，上述第一自由层的厚度小于上述第二层的厚度。

技术效果

本发明在基板形成合成交换半磁性层之后，形成磁隧道结。因此，合成交换半磁性层的物质不会向磁隧道结扩散，因此，可保存磁隧道结的bcc100结晶。因此，磁隧道结的磁化方向可急剧变化，从而可提高存储器的动作速度。

附图说明

图1为本发明一实施例的存储器件的剖视图；

图2至图5为示出以往例及本发明例的存储器件的垂直磁特性的图表。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的实施例。但是，本发明并不局限于以下公开的实施例，可以体现为多种形态，只是，本实施例使本发明的公开变得完整，并向本发明所属技术领域的普通技术人员提供本发明的范畴。

图1为本发明一实施例的存储器件的剖视图，自旋转矩磁性随机存取存储器器件的剖视图。

参照图1，本发明一实施例的存储器件包括形成于基板100的下部电极110、第一缓冲层120、种子层130、合成交换半磁性层140、覆盖层150、固定层160、磁隧道屏障170、自由层180、第二缓冲层190及上部电极200。即，在基板100，从下部电极110至上部电极200依次层叠。其中，合成交换半磁性层140呈第一磁性层141、非磁性层142及第二磁性层143的层叠结构，固定层160、磁隧道屏障170及自由层180形成磁隧道结。

基板100可利用半导体基板。例如，基板100可利用硅基板、砷化镓基板、硅锗基板、氧化硅膜基板等，在本实施例中，利用硅基板。并且，在基板100可形成包括三极管的选择器件。这种，在基板100可形成绝缘层105。即，绝缘层105可覆盖选择器件等的规定的结构物，在绝缘层105可形成露出选择器件的至少一部分的接触孔。这种绝缘层105可利用非晶质结构的硅氧化膜SiO₂等来形成。

下部电极110形成于绝缘层105。这种下部电极110可利用金属、金属氮化物等的导电性物质形成。并且，本发明的下部电极110可至少由一个层形成。例如，下部电极110可呈第一下部电极及第二下部电极的双重结构。其中，下部电极110可形成于绝缘层105，也可以形成于绝缘层105的内部。并且，第一下部电极可形成于绝缘层105内部，由此，可以与形成于基板100的选择器件相连接。这种下部电极110可由多结晶(polycrystal)的物质形成。即，第一下部电极及第二下部电极可由bcc结构的导电物质形成。例如，第一下部电极可由钨(W)等的金属形成，第二下部电极可由氮化钛(TiN)等的金属氮化物形成。

第一缓冲层120形成于下部电极110。第一缓冲层120为了解除下部电极110和种子层130的格子常数不同而由与下部电极110整合性优秀的物质形成。例如，在下部电极110或第二下部电极由TiN的情况下，第一缓冲层120可利用与TiN格子整合性优秀的钽(Ta)来形成。其中，Ta为非晶质，下部电极110为多结晶，因此，非晶质的第一缓冲层120可沿着多结晶下部电极110的结晶方向形成，之后，可通过热处理提高结晶性。另一方面，例如，第一缓冲层120的厚度可以为2nm～10nm。

种子层130形成于缓冲层120。种子层130可由能够使合成交换半磁性层140结晶形成的物质形成。即，种子层130使合成交换半磁性层140的第一磁性层141及第二磁性层143所需要的方向形成。例如，面向立方体(Face Centered Cubic，FCC)的方向111或六角封闭结构(Hexagonal Close-Packed Structure，HCP)的001方向简单形成结晶的物质形成。这种种子层130可包含选自由钽(Ta)、钌(Ru)、钛(Ti)、钯(Pd)、铂(Pt)、镁(Mg)、钴(Co)、铝(Al)及钨(W)组成的组中的金属或这些的合金。优选地，种子层130由白金形成，且厚度可以为1nm～3nm。

合成交换半磁性层140形成于种子层130。成交换半磁性层140起到对固定层160的磁化进行固定的作用。合成交换半磁性层140包括第一磁性层111、非磁性层142及第二磁性层143。即，合成交换半磁性层140中，第一磁性层141和第二磁性层143以非磁性层142为介质反铁磁性地结合。此时，第一磁性层141和第二磁性层143的磁化方向不平行地排列。例如，第一磁性层141向上侧方向(即，上部电极190方向)磁化，第二磁性层143向下侧方向(即，磁隧道结方向)磁化。第一磁性层141及第二磁性层183呈磁性金属和非磁性金属交替层叠的结构。作为磁性金属，可利用选自铁(Fe)、钴(C_o)和镍(Ni)等组成的组中的单一或这些的合金，作为非磁性金属，可利用选自铬(Cr)，铂(Pt)，钯(Pd)，铱(Ir)，铑(Rh)，钌(Ru)，锇(Os)，铼(Re)，金(Au)和铜(Cu)组成的组中的单一或这些的合金。例如，第一磁性层141及第二磁性层143可由[Co/Pd]n、[Co/Pt]n或[CoFe/Pt]n(其中，n为1以上的正数)形成。此时，第二磁性层143的厚度可大于第一磁性层141的厚度。并且，第一磁性层141呈多层结构，第二磁性层143为单层结构。即，第一磁性层141可呈磁性金属和非磁性金属反复层叠多次的结构，第二磁性层143可呈磁性金属和非磁性金属层叠依次，即，单层叠结构。非磁性层142形成于第一磁性层141和第二磁性层143之间，可由第一磁性层141及第二磁性层143能够铁磁结合的非磁性物质形成。例如，非磁性层142可由选自钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)和铬(Cr)组成的组中的单独或这些的合金形成，优选地，可由钌(Ru)形成。另一方面，第二磁性层143呈单层结构，即，在呈单层的情况下，第一磁性层141的厚度可以减少，由此，整体存储器件的厚度也可以减少。即，以非磁性层142为中心，第一磁性层183的磁化值和第二磁性层143及固定层160的磁化值之和需要相同。但是，在第二磁性层143呈多层结构的情况下，为使第二磁性层143及固定层160的磁化值之和与第一磁性层141的磁化值相同，第一磁性层141的反复次数需要大于第二磁性层143。但是，本发明中，第二磁性层143为单一结构，由此，与以往相比，第一磁性层141的层叠次数可减少，由此，存储器件的整体厚度减少。

覆盖层150形成于固定层140。随着覆盖层150的形成，合成交换半磁性层140和固定层160的磁化相互独立发生。并且，覆盖层150可由提高固定层160、磁隧道屏障170及自由层180的磁隧道结的结晶性的物质形成。为此，覆盖层150可由多种物质，例如，bcc结构的导电物质形成，可由钨(W)形成。如上所述，覆盖层150由多结晶物质形成，由此包括形成于上部的固定层160、磁隧道屏障170及自由层180的磁隧道结的结晶性可以提高。即，若形成多结晶覆盖层150，则形成于上部的非晶质的磁隧道结沿着覆盖层150的结晶方向形成，之后，为了防止垂直磁各向异性，若进行热处理，则与以往相比，磁隧道结的阶结晶性得到提高。尤其，若将W用为覆盖层150，则400℃以上，例如，400℃～500℃的高温热处理之后被结晶化，由此，抑制向磁隧道屏障170内部的异种物质的扩散，进而，使固定层160及自由层180结晶化，从而可维持磁隧道结的垂直磁各向异性。即，若提高磁隧道结的结晶性，则当施加磁场时，磁化变得更大，在平行状态下，通过磁隧道结流动的电流更多。因此，若将这种磁隧道结适用于存储器件，则器件的动作速度及可靠性可以提高。另一方面，例如，覆盖层150的厚度可以为0.4nm～0.8nm。其中，合成交换半磁性层140的第二磁性层143和固定层160需要铁联(ferro coupling)才能够固定固定层160的磁化方向，若利用W的覆盖层150的厚度为0.8nm以上，则因覆盖层150的厚度增加，固定层160的磁化方向不会被固定，而是具有与自由层180相同的磁化方向，因而不会发生用于MRAM器件中的相同磁化方向及其他磁化方向，从而无法作为存储器进行工作。

固定层160形成于覆盖层150，由铁磁物质形成。固定曾160在固定范围内的磁场中，磁化向一个方向固定，并可由铁磁物质形成。例如，从上部朝向下部的方向固定磁化。例如，这种固定层160可利用全赫斯勒(Full-Heusler)半金属类的合金、非晶质类稀土类元素合金、磁性金属(ferromagnetic metal)与非磁性金属(nonmagnetic matal)交替层叠的多层薄膜、具有L10型结晶结构的合金或钴基合金等的铁磁物质来形成。全赫斯勒半金属写的合金为CoFeAl、CoFeAlSi等，非晶质类稀土类元素合金为TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等的合金。并且，非磁性金属和磁性金属交替层叠的多层薄膜为Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Ru、Co/Os、Co/Au、Ni/Cu、CoFeAl/Pd、CoFeAl/Pt、CoFeB/Pd、CoFeB/Pt等。而且，具有L10型结晶结构的合金为Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Ni20Pt50等。并且，钴基合金为CoCr、CoPt、CoCrPt、CoCrTa、CoCrPtTa、CoCrNb、CoFeB等。在这种物质中，与CoFeB和Co/Pt或Co/Pd的多层结构相比，CoFeB单层的厚度更厚，从而可增加磁阻抗比。并且，与如Pt或Pd等的金属相比，CoFeB的蚀刻简单，与包含Pt或Pd等的多层结构相比，CoFeB单层的制造工序简单。不仅如此，通过调节CoFeB的厚度，由此，可进行垂直磁化和水平磁化。因此，利用本发明实施例的CoFeB单层来形成固定层160，CoFeB由非晶质形成后，通过热处理被纹理(texturing)成BCC 100。

磁隧道屏障170形成于固定层160，分离固定层160和自由层180。磁隧道屏障170可在固定层160和自由层180之间形成量子力学隧道(quantum mechanical tunneling)。这种磁隧道屏障170可由氧化镁(MgO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化硅(Ta₂O₅)、氮化硅(SiNx)或氮化铝(AlNx)等形成。在本发明实施例中，磁隧道屏障170利用多结晶镁氧化物。镁氧化物通过之后热处理被纹理为bcc 100。

自由层180形成种子层170，并由铁磁形成。这种自由层180不向磁化的方向固定，而是从一方向向上述方向相向的另一方向变化。即，自由层180与固定层160的磁化方向相同(即，平行)，相反(即，不平行)。磁隧道结根据自由层180和固定层160的磁化排列在变化的阻抗值对应“0”或“1”的信息，由此可用为存储器件。例如，当自由层180的磁化方向与固定层160平行时，磁隧道结的阻抗值变小，在此情况下，可规定为数据“0”。并且，当自由层180的磁化方向与固定层160不平行时，磁隧道结的阻抗值变大，在此情况下，可规定为数据“1”。例如，这种自由层180可利用全赫斯勒(Full-Heusler)半金属类的合金、非晶质类稀土类元素合金、磁性金属与非磁性金属交替层叠的多层薄膜、具有L10型结晶结构的合金或钴基合金等的铁磁物质来形成。另一方面，自由层180可呈层叠第一自由层、分离层及第二自由层的结构。其中，第一自由层及第二自由层可具有相同方向的磁化，也可以具有不同方向的磁化。例如，第一自由层及第二自由层分别进行垂直磁化，第一自由层进行垂直磁化，第二自由层进行水平磁化。并且，分离层可由不进行磁化的bcc结构的物质形成。即，第一自由层进行垂直磁化，分离层未进行磁化，第二自由层可进行垂直磁化或水平磁化。在隔着这种分离层，第一自由层进行水平磁化，第二自由层进行垂直磁化的情况下，通过第一自由层及第二自由层的磁共振，开关能量有可能降低。即，当垂直磁化的第二自由层的旋转方向经过水平方向改变为相反垂直方向时，与水平磁化的第一自由层和发生磁共振，从而可降低自由层180的开光能量。此时，第一自由层及第二自由层分别由CoFeB形成，第一自由层的厚度小于第二自由层的厚度。例如，第一自由层利用CoFeB来形成0.8nm～1.2nm的厚度，第二自由层利用CoFeB具有1nm～4nm的厚度，分离层可将bcc结构的物质以0.4nm～2nm的厚度形成。

第二缓冲层190形成于自由层180。例如，第二缓冲层190由bcc结构的导电物质形成。例如，第二缓冲层190可由钨(W)形成。如上所述，第二缓冲层190由多结晶物质形成，由此，可提高下部的磁隧道结的结晶性。即，若在bcc结构的覆盖层150形成非静止的磁隧道结，则非晶质的磁隧道结可沿着覆盖层150的结晶方向形成，在磁隧道结形成bcc结构的第二缓冲层190，之后，若进行热处理，则磁隧道结的结晶性进一步得到提高。另一方面，例如，第二缓冲层190的厚度可以为1nm～4nm。

上部电极200形成于第二缓冲层190。这种上部电极200可利用导电物质形成，可由金属、金属氧化物、金属氮化物形成。例如，上部电极200可包含选自由钽(Ta)、钌(Ru)、钛(Ti)、钯(Pd)、铂(Pt)、镁(Mg)及铝(Al)组成的组中的金属或这些的合金。

如上所述，本发明实施例的存储器件中，下部电极110由多结晶物质形成，在上部形成合成交换半磁性层140之后形成磁隧道结。因此，合成交换半磁性层140的fcc 111结构不向磁隧道结扩散，因此，可保存磁隧道结的bcc 100结晶，由此，磁隧道结的磁化方向可急剧改变，从而可提高存储器的动作速度。

以往例及发明例的比较

图2及图4为示出在以往的基板层叠磁隧道结及合成交换半磁性层的存储器件(图2)和在本发明基板层叠合成交换半磁性层及磁隧道结的存储器件(图3)的-4kOe～4kOe的垂直磁化特性的图。如图所示，在以往的情况及本发明的情况下，具有几乎相同的方形(Squareness)和800uemu的磁力矩(Magnetic moment)，在两种结构中，垂直特性几乎相同。但是，如图2所示，在以往的情况下，在-1.5kOe～1.5kOe的范围内，固定层的垂直磁化特性恶劣，从而无法执行准确的磁隧道结的信息存储作用。但是，在本发明的情况下，抑制合成交换半磁性层的fcc 111的扩散效果，如图3所示，固定层的垂直磁化不会劣化。

图4及图5示出在以往的基板层叠磁隧道结及合成交换半磁性层的存储器件(图4)和在本发明的基板层叠合成交换半磁性层及磁隧道结的存储器件(图5)的-500Oe～500Oe的垂直磁化特性的图。尤其，呈现出在上述范围内，自由层，即，信息存储层的垂直磁化特性。如图所示，在以往及本发明的情况下，具有几乎相同的方形(Squareness)和100uemu的磁力矩(Magnetic moment)，从而，在两种结构中，特性几乎相同。

另一方面，本发明的技术思想根据上述实施例进行了具体说明，上述实施例进行用于说明，而并非用于限定本发明。并且，本发明所属技术领域的普通技术人员可在本发明的技术思想的范围内提出多种实施例。

Claims

1.一种存储器件，其特征在于，在基板上以层叠的方式形成有下部电极、缓冲层、种子层、合成交换半磁性层、覆盖层、磁隧道结及上部电极，

所述合成交换半磁性层呈第一磁性层、非磁性层及第二磁性层的层叠结构，第一磁性层和第二磁性层的磁化方向不平行地排列，

所述磁隧道结呈固定层、磁隧道屏障及自由层的层叠结构，所述固定层的磁化方向固定，所述自由层的磁化方向能够变更，

所述第二磁性层接触形成于所述覆盖层的一面，所述固定层接触形成于所述覆盖层的另一面，

所述覆盖层含有形成为0.4nm～0.8nm厚度的bcc结构的钨。

2.根据权利要求1所述的存储器件，其特征在于，上述下部电极由多结晶导电物质形成。

3.根据权利要求2所述的存储器件，其特征在于，还包括形成于上述下部电极与上述种子层之间且由包含钽的物质形成的缓冲层。

4.根据权利要求1所述的存储器件，其特征在于，上述合成交换半磁性层呈第一磁性层、非磁性层及第二磁性层的层叠结构，上述第一磁性层及第二磁性层由包含Pt的物质形成。

5.根据权利要求4所述的存储器件，其特征在于，上述第一磁性层呈Co/Pt至少层叠2次以上的多层结构，上述第二磁性层呈Co/Pt的单层结构。

6.根据权利要求1所述的存储器件，其特征在于，上述磁隧道结的自由层包括：

第一自由层，进行垂直磁化；

分离层，不进行磁化；以及

第二自由层，进行垂直磁化，

上述第一自由层与上述磁隧道结的固定层相邻地形成。

7.根据权利要求6所述的存储器件，其特征在于，上述自由层的第一自由层及第二自由层由包含CoFeB的物质形成，上述第一自由层的厚度小于上述第二自由层的厚度。