CN111312745A - 磁存储器装置 - Google Patents

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CN111312745A CN201911232220.6A CN201911232220A CN111312745A CN 111312745 A CN111312745 A CN 111312745A CN 201911232220 A CN201911232220 A CN 201911232220A CN 111312745 A CN111312745 A CN 111312745A
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卢恩仙
金柱显
李俊明
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Abstract

一种磁存储器装置包括：衬底上的缓冲层；磁隧道结结构，其包括在缓冲层上依次堆叠的固定层结构、隧道屏障和自由层的磁隧道结结构；以及自旋轨道扭矩(SOT)结构，其位于磁隧道结结构上并且包括拓扑绝缘体材料，其中，自由层包括哈斯勒材料。

Description

磁存储器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月11日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0159037的利益，该申请的公开以引用方式全部并入本文中。
技术领域
本发明构思涉及一种磁存储器装置，并且更具体地，涉及一种包括磁隧道结(MTJ)的磁存储器装置。
背景技术
已经对利用MTJ的磁致电阻特性的电子装置进行了研究。具体地，随着高度集成的磁随机存取存储器(MRAM)装置的MTJ单元小型化，提出了通过使用自旋轨道扭矩对MTJ单元进行编程来存储信息的MRAM装置。这种MRAM装置可能需要快速开关和低电流操作。
发明内容
本发明构思提供了一种能够快速进行开关和低电流操作的磁存储器装置。
根据本发明构思的一方面，提供了一种磁存储器装置，该磁存储器装置包括：衬底上的缓冲层；磁隧道结结构，其包括在缓冲层上依次堆叠的固定层结构、隧道屏障和自由层；以及自旋轨道扭矩(SOT)结构，其位于磁隧道结结构上，并且包括拓扑绝缘体材料，其中，自由层包括哈斯勒(Heusler)材料。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种磁存储器装置，该磁存储器装置包括：衬底上的缓冲层；布置在缓冲层上的磁隧道结结构，磁隧道结包括在缓冲层上依次堆叠的固定层结构、隧道屏障和自由层；
以及布置在磁隧道结结构上的自旋轨道扭矩(SOT)结构，所述SOT结构包括：第一电极层，其位于磁隧道结结构上，并且包括亚铁磁哈斯勒材料；以及第二电极层，其位于第一电极层上，并且包括拓扑绝缘体材料。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种磁存储器装置，该磁存储器装置包括：衬底上的缓冲层；固定层结构，其位于缓冲层上，并且包括亚铁磁哈斯勒材料；隧道屏障，其位于固定层结构上；自由层，其位于隧道屏障上，并且包括亚铁磁哈斯勒材料；以及自旋轨道扭矩(SOT)结构，其位于自由层上，并且包括拓扑绝缘体材料。
附图说明
将从下面结合附图的详细描述中将更清楚地理解本发明构思的实施例，其中：
图1是示出根据示例实施例的磁存储器装置的布局图；
图2A是沿着图1中的线IIA-IIA'截取的剖视图，并且图2B是沿着图1中的线IIB-IIB'截取的剖视图；
图3是图2A中的区CX的放大图；
图4A至图4C分别是根据示例实施例的驱动磁存储器装置的方法的示意图；
图5是示出根据示例实施例的磁存储器装置的剖视图；
图6是示出根据示例实施例的磁存储器装置的剖视图；
图7是示出根据示例实施例的磁存储器装置的剖视图；以及
图8至图13分别是示出根据示例实施例的制造磁存储器装置的方法的剖视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明构思的实施例。
图1是示出根据示例实施例的磁存储器装置100的布局图。图2A是沿着图1中的线IIA-IIA'截取的剖视图，图2B是沿着图1中的线IIB-IIB'截取的剖视图。图3是图2A中的区CX的放大图。
参照图1至图3，磁存储器装置100可包括位于衬底110上/上方的字线WL、存储器单元MC以及自旋轨道扭矩(SOT)线SL和位线BL。字线WL和位线BL可布置为彼此交叉，并且多个存储器单元MC可位于字线WL与位线BL之间(或者可位于平面图中的字线WL与位线BL的交叉部分)。如图1所示，磁存储器装置100可具有交叉点阵列结构。
例如，字线WL可在衬底110上在第一方向(X方向)上延伸，并且位线BL可在比字线WL的更高的水平高度处在第二方向(Y方向)上延伸。SOT线SL可位于位线BL与存储器单元MC之间，并且可在例如第一方向(X方向)上延伸。本文中可使用术语第一、第二等将一个元件与另一元件进行区分。
SOT线SL可包括具有高的自旋轨道耦合特性的非磁性材料并且可以用作SOT型MRAM装置中的SOT的源极线。在SOT型MRAM装置中，当电流流过SOT线SL时，自由层170可通过自旋霍尔效应(即，垂直于电流方向出现自旋极化的现象，其中，电流方向与接触SOT线SL的SOT线SL晶格中的自旋相互作用)进行开关。
如图2A所示，第一导线120可位于衬底110上，并且多个开关元件130可位于第一导线120上。还可将诸如层间绝缘层的中间层布置在衬底110上，并且层间绝缘层可位于衬底110与第一导线120之间。
第一导线120可与图1中的字线WL对应。第一导线120可包括诸如掺杂多晶硅、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨、钨、铝、钴和/或镍的导电材料。
所述多个开关元件130可被构造为选择性地控制经过存储器单元MC的电流。在示例实施例中，所述多个开关元件130可包括PMOS晶体管或NMOS晶体管。在这种情况下，所述多个开关元件130中的一些可位于衬底110内(例如，可包括位于衬底110上或衬底110中的区)，并且还可形成用于将第一导线120电连接至所述多个开关元件130的布线结构。在其它实施例中，所述多个开关元件130可包括二极管或者双向阈值开关(OTS)装置。
多个底电极132可分别位于所述多个开关元件130上。所述多个底电极132可将所述多个开关元件130电连接至所述多个存储器单元MC。例如，所述多个底电极132可包括TiN、Ti、TaN、Ta、Ru和W中的至少一个。使用术语“……中的至少一个”以及“或”所列的元件包括相关联的所列元件中的一个或多个的任何组合和所有组合，并且在本文中也可用术语“和/或”来指示。
覆盖第一导线120、所述多个开关元件130和所述多个底电极132的第一层间绝缘层136可位于衬底110上。第一层间绝缘层136的顶表面可与所述多个底电极132的顶表面位于相同水平高度，并且第一层间绝缘层136可覆盖所述多个底电极132的侧壁。第一层间绝缘层136可具有包括多个绝缘层的堆叠结构。
所述多个存储器单元MC中的每一个可包括按次序布置在所述多个底电极132中的每一个上的缓冲层140和MTJ结构(MTJS)。所述多个存储器单元MC可位于字线WL与位线BL之间。如图1所示，所述多个存储器单元MC的水平剖面可为圆形，但是实施例不限于此，所述多个存储器单元MC的水平剖面可具有诸如矩形、三角形、梯形或其他多边形的各种形状。所述多个存储器单元MC中的每一个在第一方向(X方向)上的宽度可大于所述多个底电极132中的每一个在第一方向(X方向)上的宽度，但是实施例不限于此。与图2A和图2B所示的不同，所述多个存储器单元MC中的每一个在第一方向(X方向)上的宽度可与所述多个底电极132中的每一个在第一方向(X方向)上的宽度相同。
缓冲层140可位于所述多个底电极132中的每一个上。缓冲层140在形成MTJ结构MTJS的工艺中可用作生长模板，以获得优秀的晶体质量。缓冲层140可包括非磁性金属材料(诸如铬(Cr)、钌(Ru)和/或钽(Ta))、非磁性化合物(诸如钴镓(CoGa)和/或氮化锰镓(MnGaN))和/或非磁性合金(诸如镍铝合金(NiAl))。
MTJ结构可包括按次序布置在缓冲层140上的固定层结构150、隧道屏障160和自由层170。
固定层结构150可包括固定的易磁化轴并具有固定的磁化方向。例如，固定层结构150可具有在第三方向(Z方向)上的易磁化轴，并且可包括垂直磁各向异性(PMA)材料。自由层170可具有根据条件变化的磁化方向。例如，自由层170可具有在第三方向(Z方向)上变化的易磁化轴。在这种情况下，可实现垂直型磁存储器装置。在其它实施例中，固定层结构150可具有在第一方向(X方向)上的易磁化轴，并且自由层170可具有在第一方向(X方向)上的可变易磁化轴。在这种情况下，可实现水平型磁存储器装置。
MTJ结构的电阻值可取决于自由层170的磁化方向。当自由层170的磁化方向平行于固定层结构150的磁化方向时，MTJ结构可具有低电阻值并且存储数据“0”。当自由层170的磁化方向与固定层结构150的磁化方向反向平行时，MTJ结构可具有高电阻值并且存储数据“1”。
在示例实施例中，固定层结构150可具有包括底部固定层152和顶部固定层154的堆叠结构。底部固定层152和顶部固定层154二者可包括亚铁磁哈斯勒(Heusler)材料。亚铁磁哈斯勒材料可指具有四方晶相的锰基合金，并且可包括锰基合金，其包括例如D022晶体结构。这里，术语'合金'不仅可指其中不同种类的金属元素混合以具有规则晶体结构的物质，还可指至少一种金属元素和至少一种非金属元素混合以具有规则晶体结构的材料。
底部固定层152可接触缓冲层140，并且包括二元亚铁磁哈斯勒材料。底部固定层152可包括具有化学式MnaXb并且具有高垂直磁各向异性和/或低阻尼特性(例如，低Gilbert阻尼特性)的二元亚铁磁哈斯勒材料。在以上化学式中，Mn和X的原子含量a和b可分别具有各种值。例如，底部固定层152可包括锰镓(MnGa)和锰锗(MnGe)中的至少一个。
顶部固定层154可位于底部固定层152上，并且包括三元亚铁磁哈斯勒材料。顶部固定层154可包括具有化学式MnaXbYc并且具有高垂直磁各向异性和/或低阻尼特性的三元亚铁磁哈斯勒材料。字母Y可指诸如钴、镍或铁的磁性金属元素。在上面的化学式中，Mn、X和Y的原子含量a、b和c可分别具有各种值。例如，顶部固定层154可包括MnGaNi、MnGeNi、MnGaCo、MnGeCo、MnGaFe和MnGeFe中的至少一个。
由于底部固定层152和顶部固定层154二者均包括亚铁磁哈斯勒材料，因此形成在缓冲层140上的底部固定层152和顶部固定层154二者均可具有极好的晶体质量。另外，底部固定层152和顶部固定层154的堆叠结构可由于相对高的交换耦合而具有高垂直磁各向异性，因此，固定层结构150可具有高的隧道磁致电阻(TMR)。
隧道屏障160可位于固定层结构150上。隧道屏障160可具有小于自旋扩散长度的厚度。例如，隧道屏障160可在垂直于衬底110的顶表面的第三方向(Z方向)上具有约1至约20nm的厚度。
隧道屏障160可包括非磁性材料。在示例实施例中，隧道屏障160可包括氧化物(诸如镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁锌(MgZn)和/或镁硼(B)的氧化物)和氮化物(诸如钛(Ti)和/或钒(V)的氮化物)中的至少一个。例如，隧道屏障160可包括氧化镁(MgO)层或氧化镁铝氧化(MgAlO)层。可替换地，隧道屏障160可包括多个层。例如，隧道屏障160可具有包括Mg/MgO、MgO/Mg、MgO/MgAlO、MgAlO/MgO、Mg/MgAlO/Mg、MgO/MgAlO/MgO、MgAlO/MgO/MgAlO等的堆叠结构。隧道屏障160可具有NaCl晶体结构(面心立方晶格结构)。
在一些实施例中，隧道屏障160可包括氧化镁铝(MgAlO)，在这种情况下，包括亚铁磁哈斯勒材料的顶部固定层154与隧道屏障160之间的晶格失配可相对较小。
自由层170可位于隧道屏障160上。自由层170可包括亚铁磁哈斯勒材料。自由层170可包括具有四方晶相的锰基合金，并且可包括具有D022晶体结构的锰基合金。自由层170可包括具有化学式MnaXb并且具有高垂直磁各向异性和/或低阻尼特性的二元亚铁磁哈斯勒材料。在上面的化学式中，Mn和X的原子含量a和b可分别具有各种值。例如，自由层170可包括MnGa或MnGe中的至少一个。
在示例实施例中，由于自由层170与隧道屏障160之间的晶格失配相对较小，并且隧道屏障160具有相对小的厚度，因此可通过使用隧道屏障160的底表面上的固定层结构150作为生长模板形成自由层170。由于固定层结构150包括D022晶体结构的亚铁磁哈斯勒材料，因此自由层170也可具有良好晶体质量的D022晶体结构。另外，自由层170与隧道屏障160之间的界面质量也可较好。另外，自由层170可包括表现出高垂直磁各向异性和低阻尼特性的二元亚铁磁哈斯勒材料，因此，可通过使用包括自由层170的MTJ结构来实现低电流的开关操作。
如图3所示，缓冲层140的侧壁、固定层结构150的侧壁、隧道屏障160的侧壁和自由层170的侧壁可沿直线相对于彼此对齐。因为初始缓冲层140P(参照图9)、初始底部固定层152P(参照图9)、初始顶部固定层154P(参照图9)、初始隧道屏障160P(参照图9)和初始自由层170P(参照图9)按次序形成然后被图案化以形成包括缓冲层140、固定层结构150、隧道屏障160和自由层170的所述多个存储器单元MC，所以这种对齐是可能实现的。
绝缘图案146可位于第一层间绝缘层136上，以包围所述多个存储器单元MC的侧壁。绝缘图案146可包围缓冲层140的侧壁和MTJ结构的侧壁，并且绝缘图案146的顶表面可与自由层170的顶表面位于相同水平高度。如本文所用，包围或覆盖另一元件的元件可部分或完全地包围或覆盖所述另一元件。
在第二方向(Y方向)上延伸的SOT结构180可位于MTJ结构和绝缘图案146上。SOT结构180可包括按次序堆叠的第一电极层182和第二电极层184，并且第一电极层182和第二电极层184二者均可在第二方向上延伸。SOT结构180可与图1中的SOT线SL对应。
第二电极层184可包括具有自旋轨道耦合特性的非磁性材料，并且包括例如拓扑绝缘体材料。拓扑绝缘体材料由于特定的结晶顺序可在其中具有绝缘特性，同时邻近于其表面的部分通常包括导电材料。例如，邻近于第二电极层184的顶表面和底表面的部分可表现出导电性，而第二电极层184的其他部分可表现出绝缘特性。在示例实施例中，第二电极层184可包括铋锑(Bi1-xSbx，其中x为约0.05至约0.25)或铋硒(Bi1-ySey，其中y为约0.05至约0.25)中的至少一个。第二电极层184可具有相对高的自旋霍尔角值。第二电极层184可具有约0.5或更大(例如，约2或更大，或者约5或更大)的高自旋霍尔角值，但是实施例不限于此。
第一电极层182可用作缓冲层以提高第二电极层184与MTJ结构(或自由层170)之间的界面特征。在示例实施例中，第一电极层182可包括诸如MnGe和/或MnGa的二元亚铁磁哈斯勒材料。在其它实施例中，第一电极层182可包括诸如MnGaNi、MnGeNi、MnGaCo、MnGeCo、MnGaFe和/或MnGeFe的三元亚铁磁哈斯勒材料。
第二电极层184可通过使用自旋霍尔效应将自旋电流传递至自由层170。第二电极层184可包括拓扑绝缘体材料，并且所述拓扑绝缘体材料作为自旋轨道扭矩的源可表现出比具有自旋霍尔效应的常用金属材料(诸如钽、钨和/或铂)更高的自旋轨道耦合特性。例如，第二电极层184可具有比具有自旋霍尔效应的常用金属材料(诸如钽、钨和/或铂)相对更高的自旋霍尔角值。由于第二电极层184使用具有良好自旋轨道耦合特性的拓扑绝缘材料，因此可在低电流或低功率下驱动磁存储器装置100。
如图3所示，第一电极层182可在垂直于衬底110的顶表面的第三方向(Z方向)上具有第一厚度t11，并且第二电极层184可在所述方向(Z方向)上具有大于第一厚度t11的第二厚度t12。第一厚度t11可为约1至约10nm，但是不限于此。
SOT结构180可包括自由层170上的第一底表面180L1和绝缘图案146上的第二底表面180L2。自由层170的整个顶表面可接触SOT结构180的底表面，即，第一底表面180L1。第二电极层184的整个底表面可位于第一电极层182上，第二电极层184可不接触绝缘图案146，并且第一电极层182可位于绝缘图案146和自由层170的顶表面上。由于第一电极层182包括具有四方晶相的锰基合金，并且具有与包括在自由层170中的材料相同的晶体结构，因此第二电极层184的平整度和晶体质量可较好，并且第一电极层182与第二电极层184之间的界面特征可较好。
第二层间绝缘层186可位于SOT结构180上并且高于绝缘图案146。
在第二方向(Y方向)上延伸的第二导线190可位于第二层间绝缘层186上，并且穿透第二层间绝缘层186的多个接触件188可将SOT结构180连接至第二导线190。第二导线190可与图1中的位线BL对应。所述多个接触件188中的每一个可布置在与所述多个MTJ结构MTJS中的每一个垂直重叠的位置。
所述多个接触件188和第二导线190可包括诸如掺杂的多晶硅、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨、钨、铝、钴和/或镍的导电材料。在示例实施例中，包括拓扑绝缘体材料的SOT结构180可具有相对低的电阻率并且与第二导线190隔开，并且与例如第二导线190和SOT结构180按照堆叠方式形成或第二导线190和SOT结构180彼此接触地形成的情况相比，在SOT结构180中流动的电流量可增大。然而，本发明构思不限于此。
如图3所示，相对于衬底110的顶表面水平高度LV0，自由层170的顶表面水平高度LV3可高于固定层结构150的顶表面水平高度LV1，并且SOT结构180的底表面水平高度(也就是说，顶表面水平高度LV3)可高于隧道屏障160的顶表面水平高度LV2。根据示例实施例，SOT结构180可布置在比MTJ结构更高的水平高度，因此，在MTJ结构的图案化工艺中SOT结构180可不被损坏。
通常，在SOT类型的的MRAM装置中，SOT线可位于开关元件上，并且按次序包括自由层、隧道屏障和固定层的MTJ结构可布置在SOT线上。在将MTJ结构图案化的蚀刻工艺中，通常包括重金属材料的蚀刻残余物可能再沉积在经过图案化的侧壁上，导致自由层与固定层之间短路，并且暴露于蚀刻环境的SOT线的顶表面可能被蚀刻气体或蚀刻剂损坏。然而，根据示例实施例，SOT结构180可布置在比MTJ结构MTJS更高的水平高度处，因此，可防止在MTJ结构MTJS的图案化工艺中损坏SOT结构180。
另外，通常，在SOT类型的MRAM装置中，SOT线可位于开关元件上，并且按次序包括自由层、隧道屏障和固定层的MTJ结构可布置在SOT线上。具体地，由于SOT线和自由层需要在它们之间没有额外材料层的情况下彼此接触，因此，可能难以布置用于提高自由层的结晶度的缓冲层，因此，自由层的晶体质量可能相对低，并且在选择将用于自由层的材料时可能存在限制。具体地，虽然亚铁磁哈斯勒材料具有低阻尼特性和高垂直磁各向异性，但是在没有缓冲层的情况下形成具有良好晶体特性的亚铁磁哈斯勒材料可较困难。然而，根据示例实施例，由于固定层结构150和自由层170形成在缓冲层140上，并且固定层结构150和自由层170二者均包括亚铁磁哈斯勒材料，因此缓冲层140和固定层结构150在自由层170的外延生长工艺中可用作生长模板，因此自由层170可具有良好晶体质量。
另外，由于SOT结构180是包括拓扑绝缘体材料的第二电极层184和用于改进第二电极层184与自由层170之间的界面特性的第一电极层182的堆叠结构，因此可通过SOT结构180获得相对高的自旋轨道耦合特性。因此，根据示例实施例的磁存储器装置100能够进行快速开关和低电流操作。
下文中，参照图4A至图4C示意性地描述根据示例实施例的磁存储器装置100的驱动方法。
图4A示意性地示出了由非磁性材料与磁性材料的结结构中的电流产生的自旋电流。
参照图4A，在形成包括非磁性材料层NM和磁性金属层FM的分层结构之后，电流可在分层结构的非磁性材料层NM的纵向方向(例如，分层结构的纵向方向或者图4A中的X方向)上流动。例如，非磁性材料层NM可包括拓扑绝缘体材料，并且磁性金属层FM可包括亚铁磁哈斯勒材料。这里，由于电荷转移导致的电流可表示为JC。由于非磁性材料层NM的强自旋轨道耦合特性，具有一个自旋的电子可在非磁性材料层NM的横向方向(例如，垂直于分层结构的纵向方向的方向，或者图4A中的+Z方向)上转向，并且具有相反自旋的电子可在另一方向(例如，图4A中的-Z方向)上转向。例如，当电流在X方向上流动时，向上的自旋可在+Z方向上累积，并且向下的自旋可在-Z方向上累积，总之，在-Z方向(或者+Z方向)上产生自旋电流。这种自旋电流可表达为图4A中的JS。换句话说，当电流流过非磁性材料层NM时，可在垂直于电流JC的方向的方向上感应出自旋电流JS，并且自旋扭矩可转移至与非磁性材料层NM接触的亚铁磁金属层FM。
图4B和图4C示意性地分别示出了根据示例实施例的磁存储器装置100的写操作和读操作。
参照图4B，可将电压施加至第一导线120以导通开关元件130，并且可将写电流Iwrite施加至SOT结构180。此时，可通过SOT结构180(具体地说，第二电极层184)的自旋霍尔效应产生自旋电流Ispin，并且可将产生的自旋电流Ispin施加至自由层170。可在垂直于写电流Iwrite的方向上产生自旋电流Ispin。因此，可通过自旋电流Ispin将数据写至存储器单元MC。
参照图4C，可在第一导线120与第二导线190之间(也就是说，在字线WL与位线BL之间)产生电位差。由于该电位差，读电流Iread可流过第二导线190、MTJ结构MTJS和第一导线120。读电流Iread的测量值可根据MTJ结构MTJS的电阻状态(即，自由层170的磁化方向和固定层结构150的磁化方向)而变化。通过将读电流Iread的测量值与比较值进行比较，能够确定MTJ结构MTJS是处于低电阻状态(也就是说，数据为0或1)还是高电阻状态(也就是说，数据为1或0)。因此，可确定存储在MTJ结构MTJS中的数据。
图5是示出根据示例实施例的磁存储器装置100A的剖视图。图5是与图2A中的区CX对应的区的放大剖视图。在图5中，与图1至图4C中的参考标号相同的参考标号可指示相同组件。
参照图5，存储器单元MCA可包括缓冲层140、固定层结构150A、隧道屏障160和自由层170A。
自由层170A可包括隧道屏障160上的底部自由层172和位于底部自由层172上并且与SOT结构180的底表面接触的顶部自由层174。顶部自由层174可具有与上面参照图1至图3描述的自由层170相似的技术特征。顶部自由层174可包括二元亚铁磁哈斯勒材料。顶部自由层174可具有化学式MnaXb，并且可包括例如MnGa和MnGe中的至少一个。
底部自由层172可包括三元亚铁磁哈斯勒材料。底部自由层172可具有化学式MnaXbYc，并且可包括例如MnGaNi、MnGeNi、MnGaCo、MnGeCo、MnGaFe和MnGeFe中的至少一个。底部自由层172可具有值在隧道屏障160的晶格常数与顶部自由层174的晶格常数之间的晶格常数。底部自由层172可用作中间层以抵消隧道屏障160与顶部自由层174之间的晶格失配，因此，自由层170A可具有相对良好的晶体质量。
固定层结构150A可包括多个固定层堆叠件150UA。所述多个固定层堆叠件150UA中的每一个可包括底部固定层152A和顶部固定层154A。底部固定层152A和顶部固定层154A可分别具有与参照图1至图3描述的底部固定层152和顶部固定层154相似的技术特征。例如，底部固定层152A可包括二元亚铁磁哈斯勒材料，可具有化学式MnaXb，并且可包括例如MnGa和MnGe中的至少一个。顶部固定层154A可包括三元亚铁磁哈斯勒材料，可具有化学式MnaXbYc，并且可包括例如MnGaNi、MnGeNi、MnGaCo、MnGeCo、MnGaFe或MnGeFe中的至少一个。在图5中，示出了两个固定层堆叠件150UA在第三方向(Z方向)上堆叠，但是固定层堆叠件150UA的数量不限于此。由于固定层结构150A形成为包括所述多个固定层堆叠件150UA的堆叠结构，因此固定层结构150A可具有相对高的交换耦合力，因此，固定层结构150A可表现出高垂直磁各向异性。
另外，顶部固定层154A可具有值在隧道屏障160的晶格常数与底部固定层152A的晶格常数之间的晶格常数。顶部固定层154A可用作中间层，以抵消隧道屏障160与底部固定层152A之间的晶格失配，因此，顶部固定层154A可具有相对良好的晶体质量。
虽然上面描述了在一个固定层堆叠件150UA中底部固定层152A包括二元亚铁磁哈斯勒材料并且顶部固定层154A包括三元亚铁磁哈斯勒材料的情况，但是在一个固定层堆叠件150UA中底部固定层152A和顶部固定层154A的材料可彼此交换。例如，包括三元亚铁磁哈斯勒材料并且布置在固定层堆叠件150UA的最下面的部分的底部固定层152A可直接布置在缓冲层140上，并且包括二元亚铁磁哈斯勒材料并且布置在固定层堆叠件150UA的最上面的部分的顶部固定层154A可直接布置在隧道屏障160下面。当一个元件被称作“直接”布置在另一元件“上”或“直接”布置在另一元件“下”或“直接邻近”另一元件时，不存在中间元件。
根据示例实施例，自由层170A可具有良好晶体质量，另外，固定层结构150A可具有高垂直磁各向异性。因此，磁存储器装置100能够进行快速开关和低电流操作。
图6是示出根据示例实施例的磁存储器装置100B的剖视图。图6是与图2A中的区CX对应的区的放大剖视图。在图6中，与图1至图5中的参考标号相同的参考标号可指示相同组件。
参照图6，存储器单元MCB可包括缓冲层140、固定层结构150B、隧道屏障160和自由层170B。
自由层170B可包括位于隧道屏障160上的底部自由层172B和位于底部自由层172B上并且接触SOT结构180的底表面的顶部自由层174。顶部自由层174可具有与参照图1至图3描述的自由层170相似的技术特征。顶部自由层174可包括二元亚铁磁哈斯勒材料，可具有化学式MnaXb，并且可包括例如MnGa和MnGe中的至少一个。
底部自由层172B可包括亚铁磁哈斯勒材料。底部自由层172B可具有化学式X2YZ，并且可包括，例如，Co2MnSi、Co2MnAl、Co2MnGa、Co2MnGe、Co2NiGa、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2MnSi、Fe2VSi、Ni2MnAl、Ni2MnIn和Ni2MnGa中的至少一个。底部自由层172B可具有值在隧道屏障160的晶格常数与顶自由层174的晶格常数之间的晶格常数。底部自由层172B可用作中间层，以抵消隧道屏障160与顶部自由层174之间的晶格失配，因此自由层170B可具有相对良好的晶体质量。
固定层结构150B可包括多个固定层堆叠件150UB。所述多个固定层堆叠件150UB中的每一个可包括底部固定层152A和顶部固定层154B。底部固定层152A可具有与参照图1至图3描述的底部固定层152相似的技术特征。例如，底部固定层152A可包括二元亚铁磁哈斯勒材料，可具有化学式MnaXb，并且可包括例如MnGa或MnGe中的至少一个。
顶部固定层154B可包括亚铁磁哈斯勒材料。顶部固定层154B可具有化学式X2YZ，并且可包括例如Co2MnSi、Co2MnAl、Co2MnGa、Co2MnGe、Co2NiGa、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2MnSi、Fe2VSi、Ni2MnAl、Ni2MnIn和Ni2MnGa中的至少一个。
顶部固定层154B可具有值在隧道屏障160的晶格常数与底部固定层152A的晶格常数之间的晶格常数。顶部固定层154B可用作中间层以抵消隧道屏障160与底部固定层152A之间的晶格失配，因此，顶部固定层154B可具有相对良好的晶体质量。由于固定层结构150B具有包括多个固定层堆叠件150UB的堆叠结构，因此固定层结构150B可具有相对高的交换耦合力，并且因此，固定层结构150B可表现出高垂直磁各向异性。
根据示例实施例，自由层170B可具有良好晶体质量，另外，固定层结构150B可具有高垂直磁各向异性。因此，磁存储器装置100B能够快速进行开关和低电流操作。
图7是示出根据示例实施例的磁存储器装置100C的剖视图。图7是与图1中的线IIA-IIA'对应的区的剖视图。在图7中，与图1至图6中参考标号的相同的参考标号可指示相同组件。
参照图7，SOT结构180C可在平行于衬底110的顶表面的第二方向(Y方向)上延伸，第二导线190可在第二方向(Y方向)上在比SOT结构180C更高的水平高度处延伸。用于将第二导线190电连接至SOT结构180C的多个接触件188可布置为穿过第二层间绝缘层186。
根据示例实施例，包括拓扑绝缘体材料的SOT结构180C可具有相对低的电阻率并且与第二导线190间隔开，并且与例如第二导线190和SOT结构180C按照堆叠方式形成或彼此接触地形成的情况相比，在SOT结构180C中流动的电流量可增大。因此，磁存储器装置100C能够快速进行开关和低电流操作。
图8至图13分别是示出根据示例实施例的制造磁存储器装置100的方法的剖视图。在图8至图13中，按照工艺次序示出与图1中的线IIA-IIA'对应的区的剖面。在图8至图13中，与图1至图7中的参考标号相同的参考标号可指示相同组件。
参照图8，第一导线120和开关元件130可形成在衬底110上。
衬底110可包括半导体衬底，诸如硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底、碳化硅(SiC)衬底、砷化镓(GaAs)衬底和/或砷化铟(InAs)衬底。还可在衬底110上布置诸如层间绝缘膜的中间层。
可通过使用掺杂的多晶硅、金属或金属氮化物在衬底110上形成导电层，并且可通过将导电层图案化来形成第一导线120。开关元件130可形成在第一导线120上。
在示例实施例中，开关元件130可包括PMOS晶体管或者NMOS晶体管。衬底110可包括导电区，或者例如，掺杂的阱或者掺杂的结构，还可形成浅沟槽绝缘(STI)结构的绝缘层，并且还可在衬底110上形成底部绝缘层。导电区可构成或限定开关元件130的一部分。
在其它实施例中，开关元件130可包括二极管。在这种情况下，可通过在第一导线120上依次外延生长p型半导体层和n型半导体层，或者可通过在第一导线120上依次外延生长n型半导体层和p型半导体层，来形成开关元件130。
可形成覆盖第一导线120和开关元件130的第一层间绝缘层136。在去除第一层间绝缘层136的一部分以形成暴露出开关元件130的顶表面的底电极开口之后，可通过在底电极开口中填充金属材料或者金属氮化物形成底电极132。
通过选择性地对第一层间绝缘层136和底电极132执行平面化工艺，第一层间绝缘层136的上表面可与底电极132的上表面共面。
如图9所示，初始缓冲层140P、初始底部固定层152P、初始顶部固定层154P、初始隧道屏障160P和初始自由层170P可按次序形成在第一层间绝缘层136和底电极132上。
可通过溅射工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、金属有机CVD工艺、原子层沉积(ALD)工艺、分子束外延工艺等形成初始缓冲层140P、初始底部固定层152P、初始顶部固定层154P、初始隧道屏障160P和初始自由层170P。
可通过使用非磁性金属材料(诸如铬(Cr)、钌(Ru)和/或钽(Ta))、非磁性化合物(诸如钴镓(CoGa)和/或氮化锰镓氮化(MnGaN))和/或非磁性合金(诸如镍铝合金(NiAl))形成初始缓冲层140P。初始缓冲层140P可用作在其上形成有初始底部固定层152P的外延生长的模板。可适当地选择在初始缓冲层140P的第三方向(Z方向)上的厚度和晶格常数以减小初始底部固定层152P与初始顶部固定层154P之间的晶格常数的失配。
可通过MnGa和MnGe中的至少一个形成初始底部固定层152P。可通过使用MnGaNi、MnGeNi、MnGaCo、MnGeCo、MnGaFe或MnGeFe中的至少一个形成初始顶部固定层154P。
初始隧道屏障160P和初始自由层170P可按次序形成在初始顶部固定层154P上。在形成初始隧道屏障160P的工艺中，在初始隧道屏障160P的底部暴露的初始顶部固定层154P可包括与初始隧道屏障160P的晶格失配相对较小的材料，因此，初始隧道屏障160P的晶体质量和/或初始顶部固定层154P与初始隧道屏障160P之间的界面质量可较好。
可通过使用MnGa或MnGe中的至少一个形成初始自由层170P，初始自由层170P可具有四方晶相，并且可形成为具有例如D022晶体结构。在初始隧道屏障160P上形成初始自由层170P的工艺中，因为初始隧道屏障160P的相对小的厚度，所以初始隧道屏障160P下方的初始顶部固定层154P可用作初始自由层170P的外延生长的模板。因此，初始自由层170P的晶体质量和/或初始隧道屏障160P与初始自由层170P之间的界面质量可较好。
参照图10以及图9，可在初始缓冲层140P、初始底部固定层152P、初始顶部固定层154P、初始隧道屏障160P和初始自由层170P上形成掩模图案。通过使用掩模图案作为蚀刻掩模以按次序将初始自由层170P、初始隧道屏障160P、初始顶部固定层154P、初始底部固定层152P和初始缓冲层140P图案化，可形成包括缓冲层140和MTJ结构MTJS的存储器单元MC。MTJ结构MTJS可包括形成在缓冲层140上的固定层结构150、隧道屏障160和自由层170，并且固定层结构150可包括底部固定层152和顶部固定层154。
通过所述图案化，可在一个存储器单元MC和与其邻近的另一存储器单元MC之间的空间中形成开口146H。缓冲层140的侧壁、固定层结构150的侧壁、隧道屏障160的侧壁和自由层170的侧壁可沿直线彼此对齐。第一层间绝缘层136的顶表面可暴露于开口146H的底部。
另外，可在图案化中执行过蚀刻工艺，以将一个存储器单元MC和与其邻近的另一存储器单元MC适当地在电力上和物理上分开。作为过蚀刻工艺的结果，还可在第一层间绝缘层136上形成凹槽，并且第一层间绝缘层136的顶表面可局部地位于比底部电极132的顶表面更低的水平高度。
根据一般的SOT型MRAM装置，可在MTJ结构MTJS下方形成SOT线SL，并且在这种情况下，可在用于形成MTJ结构MTJS的图案化中发生SOT线SL的顶表面的蚀刻损坏。然而，根据本发明构思，在用于形成MTJ结构MTJS的图案化中，SOT结构180可不被蚀刻损坏。
参照图11，可在第一层间绝缘层136和存储器单元MC上形成绝缘层，以填充开口146H，然后，可通过平面化绝缘层来形成绝缘图案146，使得暴露出自由层170的顶表面。绝缘图案146可包围缓冲层140的侧壁和MTJ结构MTJS的侧壁。
在图9至图11中，描述了通过执行一个图案化工艺和一个绝缘层形成工艺来形成存储器单元MC和绝缘图案146的示例实施例。然而，根据其它实施例，可通过执行两个或更多个图案化工艺以及两个或更多个绝缘层形成工艺来形成存储器单元MC和绝缘图案146。例如，在首先形成初始缓冲层140P、初始底部固定层152P和初始顶部固定层154P之后，可通过将初始缓冲层140P、初始底部固定层152P和初始顶部固定层154P图案化来形成底部堆叠件，并且可形成包围所述底部堆叠件的底部绝缘图案。初始隧道屏障160P和初始自由层170P可形成在底部堆叠件和底部绝缘图案上，可通过将初始隧道屏障160P和初始自由层170图案化来形成顶部堆叠件，并且可形成包围顶部堆叠件(或者经过图案化的初始隧道屏障160P和经过图案化的初始自由层170)的顶部绝缘图案。
参照图12，初始第一电极层182P可形成在MTJ结构MTJS和绝缘图案146的顶表面上。可通过使用MnGe或MnGa中的至少一个形成具有约1至约10nm的厚度t11(参照图3)的初始第一电极层182P。可通过外延生长工艺形成初始第一电极层182，该外延生长工艺使用初始第一电极层182p下方的自由层170的顶表面作为模板。
参照图13，初始第二电极层可形成在初始第一电极层182P(参照图12)上。掩模图案可形成在初始第二电极层上，并且通过使用掩模图案作为蚀刻掩模以按次序将初始第二电极层和初始第一电极层182P图案化，可形成包括第二电极层184和第一电极层182的SOT结构180。掩模图案可具有在第二方向(Y方向)上延伸的线性形状或直线形状。
可通过使用拓扑绝缘体材料(例如，铋锑(Bi1-xSbx，其中x为约0.05至约0.25)或铋硒(Bi1-ySey，其中y为约0.05至约0.25)中的至少一个)形成初始第二电极层。初始第二电极层可具有六方晶相。初始第二电极层可形成在具有四方晶相的初始第一电极层182P上以具有相对高的晶体质量和相对高的平整度。另外，由于初始第二电极层不是直接布置在绝缘图案146的顶表面上，而是形成在初始第一电极层182P上，因此自由层170与SOT结构180之间的界面质量(例如，自由层170与初始第一电极层182P之间的界面质量，和/或初始第一电极层182P与初始第二电极之间的界面质量)可较好。
再参照图2A，通过形成覆盖绝缘图案146上的SOT结构180的绝缘层并且将绝缘层的顶表面平坦化使得SOT结构180的顶表面被暴露出，可形成第二层间绝缘层186。通过移除第二层间绝缘层186的一部分以形成所述多个开口，并且通过利用金属或金属氮化物，可在所述多个开口146H内形成所述多个接触件188。通过使用所述多个接触件188和第二层间绝缘层186上的金属或金属氮化物以形成导电层，并且通过将导电层图案化，可形成第二导线190。
可通过执行上述工艺完成磁存储器装置100。
通常，在SOT型MRAM装置中，SOT线可位于开关元件上，并且MTJ结构可位于SOT线上。然而，在将MTJ结构MTJS图案化的蚀刻工艺中，通常包括重金属材料的蚀刻残余物可能再沉积在经过图案化的侧壁上，以使得自由层与固定层之间短路，并且暴露于蚀刻环境的SOT线的顶表面可被蚀刻气体或蚀刻剂损坏。然而，根据示例实施例，由于SOT结构180布置在MTJ结构MTJS上，因此在MTJ结构MTJS的图案化工艺中可防止SOT结构180被损坏。
另外，在一般的SOT型MRAM装置中，由于SOT线和自由层需要在它们之间没有额外材料层的情况下彼此接触，因此自由层、隧道屏障和固定层可位于SOT线上。在这种情况下，难以布置用于提高自由层的结晶度的缓冲层，因此，自由层的质量差，或者在自由层中包括的材料的选择受到限制。然而，根据示例实施例，包括亚铁磁哈斯勒材料的初始底部固定层152P和初始顶部固定层154P可形成在初始缓冲层140P上，并且初始自由层170P可形成在初始隧道屏障160P上。因此，由于在初始自由层170P的外延生长工艺中，初始缓冲层140P、初始底部固定层152P和初始顶部固定层154P全部用作生长模板，因此自由层170可具有良好晶体质量。
另外，由于SOT结构180形成在包括第二电极层184和第一电极层182的堆叠结构中，其中，第二电极层184和第一电极层182包括拓扑绝缘体，因此第二电极层184可具有良好晶体质量和界面质量。因此，通过上述方法形成的磁存储器装置100能够快速进行开关和低电流操作。
在参照图9描述的处理中，初始底部固定层152A和初始顶部固定层154A可以交替方式多次形成在初始缓冲层140P上。另外，可通过在初始隧道屏障160P上使用三元亚铁磁哈斯勒材料形成底自由层172，然后可形成顶自由层174。在这种情况下，可获得参照图5描述的磁存储器装置100A。
另外，在参照图9描述的工艺中，可通过使用亚铁磁哈斯勒材料形成初始底部固定层152B和底自由层172B。在这种情况下，可获得参照图6描述的磁存储器装置100B。
如上所述，在附图和说明书中以及公开了实施例。虽然本文中已参照特定术语描述了实施例，但是应该理解，它们仅用于描述本发明构思的技术想法的目的而不是用于限制如权利要求中限定的本发明构思的范围。因此，本领域普通技术人员应该理解，在不脱离本发明构思的范围的情况下，各种修改形式和等同实施例都是可能的，本发明构思的保护范围由权利要求说明。

Claims (22)

1.一种磁存储器装置，包括：
衬底上的缓冲层；
所述缓冲层上的磁隧道结结构，所述磁隧道结结构包括在所述缓冲层上依次堆叠的固定层结构、隧道屏障和自由层；以及
所述磁隧道结结构上的自旋轨道扭矩结构，所述自旋轨道扭矩结构包括拓扑绝缘体材料，
其中，所述自由层包括哈斯勒材料。
2.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述哈斯勒材料包括亚铁磁哈斯勒材料，并且所述亚铁磁哈斯勒材料包括MnGa或MnGe中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述哈斯勒材料包括Mn基合金，所述Mn基合金包括四方晶相，并且包括四方晶相的所述Mn基合金具有D022晶体结构。
4.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述拓扑绝缘体材料包括Bi1-xSbx和Bi1- ySey中的至少一个，其中，x为0.05至0.25，y为0.05至0.25。
5.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述自旋轨道扭矩结构包括：
第一电极层，其位于所述磁隧道结结构上，并且包括亚铁磁哈斯勒材料；以及
第二电极层，其位于所述第一电极层上，并且包括所述拓扑绝缘体材料。
6.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述自由层的整个顶表面接触所述自旋轨道扭矩结构的底表面。
7.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述固定层结构包括：
底部固定层，其位于所述缓冲层上，并且包括二元亚铁磁哈斯勒材料；以及
顶部固定层，其位于所述底部固定层上，并且包括三元亚铁磁哈斯勒材料和亚铁磁哈斯勒材料中的至少一个，
其中，所述二元亚铁磁哈斯勒材料包括MnGa和MnGe中的至少一个，所述三元亚铁磁哈斯勒材料包括MnGaNi、MnGeNi、MnGaCo、MnGeCo、MnGaFe和MnGeFe中的至少一个，并且所述亚铁磁哈斯勒材料包括Co2MnSi、Co2MnAl、Co2MnGa、Co2MnGe、Co2NiGa、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2MnSi、Fe2VSi、Ni2MnAl、Ni2MnIn和Ni2MnGa中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述固定层结构包括多个固定层堆叠件，并且所述多个固定层堆叠件中的每一个包括：
底部固定层，其包括二元亚铁磁哈斯勒材料；以及
顶部固定层，其位于所述底部固定层上，并且包括三元亚铁磁哈斯勒材料和亚铁磁哈斯勒材料中的至少一个，所述三元亚铁磁哈斯勒材料和所述亚铁磁哈斯勒材料中的所述至少一个具有在所述隧道屏障的晶格常数与所述底部固定层的晶格常数之间的晶格常数。
9.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述自由层包括：
底部自由层，其位于所述隧道屏障上；以及
顶部自由层，其位于所述底部自由层上并且接触自旋轨道扭矩结构的底表面，
其中，所述底部自由层包括三元亚铁磁哈勒斯材料和亚铁磁哈勒斯材料中的至少一个，所述三元亚铁磁哈斯勒材料和所述亚铁磁哈斯勒材料中的至少一个具有在所述隧道屏障的晶格常数与所述顶部自由层的晶格常数之间的晶格常数，并且所述顶部自由层包括二元亚铁磁哈斯勒材料。
10.根据权利要求1所述的磁存储器装置，还包括：
多条第一导线，其位于所述衬底与所述缓冲层之间，并且在平行于所述衬底的顶表面的第一方向上延伸；
多条第二导线，其位于所述多条第一导线上，并且在平行于所述衬底的顶表面并且垂直于所述第一方向的第二方向上延伸；以及
多个存储器单元，其分别布置在所述多条第一导线与所述多条第二导线的交叉部分之间，其中，所述多个存储器单元中的每一个包括所述缓冲层和所述磁隧道结结构。
11.根据权利要求1所述的磁存储器装置，还包括：
绝缘图案，其位于所述衬底上，并且在所述缓冲层的侧壁和所述磁隧道结结构侧壁上延伸，其中，所述自旋轨道扭矩结构的底表面接触所述绝缘图案的顶表面。
12.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，相对于所述衬底的顶表面，所述自旋轨道扭矩结构的底表面位于比所述隧道屏障的顶表面更高的水平高度，并且所述自由层的顶表面位于比所述固定层结构的顶表面更高的水平高度。
13.一种磁存储器装置，包括：
衬底上的缓冲层；
所述缓冲层上的磁隧道结结构，所述磁隧道结结构包括在所述缓冲层上依次堆叠的固定层结构、隧道屏障和自由层；以及
所述磁隧道结结构上的自旋轨道扭矩结构，所述自旋轨道扭矩结构包括：
第一电极层，其位于所述磁隧道结结构上，并且包括亚铁磁哈斯勒材料；以及
第二电极层，其位于所述第一电极层上，并且包括拓扑绝缘体材料。
14.根据权利要求13所述的磁存储器装置，其中，相对于所述衬底的顶表面，所述自旋轨道扭矩结构的底表面位于比所述隧道屏障的顶表面更高的水平高度，并且所述自由层的顶表面位于比所述固定层结构的顶表面更高的水平高度。
15.根据权利要求13所述的磁存储器装置，其中，所述第一电极层在垂直于所述衬底的顶表面的方向上具有第一厚度，并且所述第二电极层在垂直于所述衬底的顶表面的所述方向上具有大于所述第一厚度的第二厚度。
16.根据权利要求13所述的磁存储器装置，还包括：
绝缘图案，其布置在所述衬底上，并且在所述缓冲层的侧壁和所述磁隧道结结构的侧壁上延伸，其中，所述第一电极层的底表面接触所述绝缘图案的顶表面和所述自由层的顶表面。
17.根据权利要求16所述的磁存储器装置，其中，所述第二电极层的整个底表面接触所述第一电极层，并且所述第二电极层不接触所述绝缘图案。
18.一种磁存储器装置，包括：
衬底上的缓冲层；
固定层结构，其位于所述缓冲层上，并且包括第一亚铁磁哈斯勒材料；
隧道屏障，其位于所述固定层结构上；
自由层，其位于所述隧道屏障上，并且包括第二亚铁磁哈斯勒材料；以及
自旋轨道扭矩结构，其与所述衬底相对地位于所述自由层上，并且包括拓扑绝缘体材料。
19.根据权利要求18所述的磁存储器装置，还包括：
绝缘图案，其位于所述衬底上，并且在所述缓冲层的侧壁、所述固定层结构的侧壁、所述隧道屏障的侧壁和所述自由层的侧壁上延伸，其中，所述自旋轨道扭矩结构的底表面接触所述绝缘图案的顶表面和所述自由层的顶表面。
20.根据权利要求18所述的磁存储器装置，还包括：
多条第一导线，其位于所述衬底与所述缓冲层之间，并且在平行于所述衬底的顶表面的第一方向上延伸；
多条第二导线，其位于所述多条第一导线上，并且在平行于所述衬底的顶表面并且垂直于所述第一方向的第二方向上延伸；以及
多个存储器单元，分别布置在所述多条第一导线与所述多条第二导线的交叉部分之间，其中，所述多个存储器单元中的每一个包括所述缓冲层、所述固定层结构、所述隧道屏障和所述自由层。
21.根据权利要求20所述的磁存储器装置，其中，所述自旋轨道扭矩结构在所述第一方向上延伸，并且经由接触件连接至所述多条第二导线。
22.根据权利要求18所述的磁存储器装置，还包括：
开关元件，其位于所述衬底与所述缓冲层之间，其中，所述开关元件包括二极管、晶体管和双向阈值开关装置中的至少一个。
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