CN112242485A - 磁存储器件 - Google Patents

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Abstract

一种磁存储器件包括参考磁性结构、自由磁性结构以及在它们之间的隧道势垒图案。参考磁性结构包括第一被钉扎图案、在第一被钉扎图案和隧道势垒图案之间的第二被钉扎图案、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。第二被钉扎图案包括交替堆叠的磁性图案和非磁性图案。第一被钉扎图案是由铁磁元素组成的铁磁图案。

Description

磁存储器件
技术领域
本发明构思的示例实施方式涉及半导体器件，更具体地，涉及包括磁隧道结的磁存储器件。
背景技术
由于需要高速和/或低功耗的电子器件，因此还需要在其中使用的高速和/或低电压的半导体存储器件。磁存储器件已经被开发作为能够部分地或全部地满足这些需求的半导体存储器件。由于其高速和/或非易失性特性，磁存储器件可以作为下一代半导体存储器件出现。
通常，磁存储器件可以包括磁隧道结(MTJ)。磁隧道结可以包括两个磁性层和设置在这两个磁性层之间的绝缘层。磁隧道结的电阻值可以根据这两个磁性层的磁化方向改变。例如，当这两个磁性层的磁化方向彼此反平行时，磁隧道结可以具有相对高的电阻值。当这两个磁性层的磁化方向彼此平行时，磁隧道结可以具有相对低的电阻值。磁存储器件可以利用磁隧道结的电阻值之间的差异来写入/读取数据。随着电子产业的发展，越来越多地需要高集成和/或低功率的磁存储器件。因此，正在进行各种研究以满足这些需求。
发明内容
发明构思的一些示例实施方式可以提供具有优异特性的磁存储器件及其制造方法。
发明构思的一些示例实施方式还可以提供能够被容易地大量生产的磁存储器件及其制造方法。
根据一些示例实施方式，一种磁存储器件可以包括：参考磁性结构，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，第二被钉扎图案包括交替堆叠的磁性图案和非磁性图案；自由磁性结构；以及在参考磁性结构和自由磁性结构之间的隧道势垒图案。第二被钉扎图案在第一被钉扎图案和隧道势垒图案之间。第一被钉扎图案是本质上由铁磁元素组成的铁磁图案。
根据一些示例实施方式，一种磁存储器件可以包括：参考磁性结构，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，第二被钉扎图案包括交替堆叠的磁性图案和非磁性图案；自由磁性结构；以及在参考磁性结构和自由磁性结构之间的隧道势垒图案。第二被钉扎图案在第一被钉扎图案和隧道势垒图案之间。第一被钉扎图案是包括铁磁元素的单层。
附图说明
鉴于附图和伴随的详细描述，发明构思将变得更加明显。
图1是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的单元阵列的电路图。
图2是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的单位存储单元的电路图。
图3是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的剖视图。
图4是示出图3的磁存储器件的参考磁性结构的放大图。
图5是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的剖视图。
图6和图7是示出根据发明构思的一些示例实施方式的制造磁存储器件的方法的剖视图。
图8是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的剖视图。
图9是示出图8的磁存储器件的参考磁性结构的放大图。
图10和图11是示出根据发明构思的一些示例实施方式的制造磁存储器件的方法的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述发明构思的实施方式。
图1是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的单元阵列的电路图。
参考图1，多个单位存储单元MC可以二维和/或三维地布置。每个单位存储单元MC可以电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可以彼此串联地电连接。
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可以设置在存储元件ME和源极线SL之间，并且可以由字线WL控制。存储元件ME可以是或可以包括可变电阻元件，该可变电阻元件的电阻状态通过施加到其的电脉冲在两个不同的电阻状态之间可切换。在一些示例实施方式中，存储元件ME可以具有薄层结构，该薄层结构的电阻利用流过其的编程电流的电子的自旋转移矩可改变。存储元件ME可以具有表现出磁致电阻性能的薄层结构，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可以选择性地控制电流向存储元件ME的供应。例如，选择元件SE可以是或者包括二极管、PNP双极晶体管、NPN双极晶体管、NMOS场效应晶体管和/或PMOS场效应晶体管。当选择元件SE是或包括三端子元件(例如双极晶体管或MOS场效应晶体管)时，源极线SL可以连接到该晶体管的源极电极。在一些示例实施方式中，源极线SL可以设置在彼此相邻的字线WL之间，并且两个相邻的晶体管可以共用一条源极线SL。
图2是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的单位存储单元的电路图。
参考图2，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可以包括：磁隧道结MTJ，其包括彼此间隔开的磁性图案FL和RL；以及设置在磁性图案FL和RL之间的隧道势垒图案TBP。磁性图案FL和RL中的一个可以是参考磁性图案RL，该参考磁性图案RL具有在典型使用环境下被固定在一个方向上而与被施加到磁隧道结MTJ的外部磁场和/或自旋转移矩无关的磁化方向。磁性图案FL和RL中的另一个可以是自由磁性图案FL，该自由磁性图案FL的磁化方向基于被施加到磁隧道结MTJ的外部磁场或自旋转移矩而在两个稳定的磁化方向之间可改变。在参考磁性图案RL的磁化方向和自由磁性图案FL的磁化方向彼此反平行时磁隧道结MTJ的电阻可以比在参考磁性图案RL的磁化方向和自由磁性图案FL的磁化方向彼此平行时磁隧道结MTJ的电阻大得多。例如，通过改变自由磁性图案FL的磁化方向，可以调整磁隧道结MTJ的电阻。通过利用根据参考磁性图案RL的磁化方向和自由磁性图案FL的磁化方向的电阻差异，可以将逻辑数据存储在单位存储单元MC的存储元件ME中。
图3是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的剖视图。图4是示出图3的磁存储器件的参考磁性结构的放大图。
参考图3和图4，下层间绝缘层102可以设置在衬底100上。衬底100可以是或可以包括半导体衬底，该半导体衬底包括硅、绝缘体上硅(SOI)、硅锗(SiGe)、锗(Ge)和/或镓砷(GaAs)。衬底100可以被掺杂，例如可以用硼轻掺杂；然而，发明构思不限于此。衬底100可以包括外延层，诸如沉积在其上的同质或异质外延层；然而，发明构思不限于此。选择元件可以设置在衬底100上，并且下层间绝缘层102可以覆盖选择元件。选择元件可以是或包括场效应晶体管和/或二极管。下层间绝缘层102可以包括氧化物、氮化物和氮氧化物中的至少一种。
下接触插塞104可以设置在下层间绝缘层102中。下接触插塞104可以穿透下层间绝缘层102，从而电连接到选择元件中的相应一个的一个端子。下接触插塞104可以包括掺杂的半导体材料(例如掺杂的硅，诸如掺杂的多晶硅)、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)中的至少一种。
底部电极BE可以设置在下层间绝缘层102上。底部电极BE可以电连接到下接触插塞104。底部电极BE可以包括导电材料。例如，底部电极BE可以包括诸如钛氮化物和/或钽氮化物的导电金属氮化物。
磁隧道结图案MTJ可以设置在下层间绝缘层102上，并且可以通过底部电极BE电连接到下接触插塞104。底部电极BE可以设置在磁隧道结图案MTJ和下接触插塞104之间。磁隧道结图案MTJ可以包括参考磁性结构RMS、自由磁性结构FMS以及在参考磁性结构RMS和自由磁性结构FMS之间的隧道势垒图案TBP。在一些示例实施方式中，参考磁性结构RMS可以设置在底部电极BE和隧道势垒图案TBP之间。
顶部电极TE可以设置在磁隧道结图案MTJ上。磁隧道结图案MTJ可以设置在底部电极BE和顶部电极TE之间。在一些示例实施方式中，自由磁性结构FMS可以设置在隧道势垒图案TBP和顶部电极TE之间。顶部电极TE可以包括导电材料。例如，顶部电极TE可以包括金属(例如钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)和/或钛(Ti))和导电金属氮化物(例如钽氮化物(TaN)和/或钛氮化物(TiN))中的至少一种。
籽晶图案110可以设置在磁隧道结图案MTJ和底部电极BE之间。籽晶图案110可以包括帮助构成磁隧道结图案MTJ或包括在磁隧道结图案MTJ中的磁性层的晶体生长的材料。籽晶图案110可以包括铬(Cr)、铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。在一些示例实施方式中，籽晶图案110可以设置在参考磁性结构RMS和底部电极BE之间。
参考磁性结构RMS可以包括第一被钉扎图案120、在第一被钉扎图案120和隧道势垒图案TBP之间的第二被钉扎图案140、以及在第一被钉扎图案120和第二被钉扎图案140之间的交换耦合图案130。第二被钉扎图案140可以包括交替堆叠的磁性图案122、124和126以及非磁性图案132和134。在一些示例实施方式中，第二被钉扎图案140可以包括在交换耦合图案130和隧道势垒图案TBP之间的第一铁磁图案122、在第一铁磁图案122和隧道势垒图案TBP之间的第二铁磁图案124、在第二铁磁图案124和隧道势垒图案TBP之间的极化增强磁性图案126、在第一铁磁图案122和第二铁磁图案124之间的第一非磁性图案132以及在第二铁磁图案124和极化增强磁性图案126之间的第二非磁性图案134。
第一被钉扎图案120可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的铁磁图案。第一被钉扎图案120可以包括铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一种。第一被钉扎图案120可以不包括非磁性元素。第一被钉扎图案120可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的单层。例如，第一被钉扎图案120可以是单层钴(Co)。
第一被钉扎图案120可以设置在籽晶图案110与交换耦合图案130之间。籽晶图案110可以与第一被钉扎图案120的一个表面接触，例如可以具有与第一被钉扎图案120的一个表面直接接触的部分，并且交换耦合图案130可以与第一被钉扎图案120的另一表面接触，例如可以具有与第一被钉扎图案120的另一表面直接接触的部分。第一被钉扎图案120可以通过由籽晶图案110与第一被钉扎图案120的结和/或交换耦合图案130与第一被钉扎图案120的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。第一被钉扎图案120的磁化方向120m可以基本垂直于隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面，并且可以被固定在一个方向上，例如可以被固定在朝向衬底100的方向上。第一被钉扎图案120可以在与隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面垂直的方向上(即，在与一表面(例如衬底100的表面)垂直的方向上)具有厚度120T。
籽晶图案110可以包括帮助第一被钉扎图案120的晶体生长的材料。例如，籽晶图案110可以包括铬(Cr)、铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。交换耦合图案130可以包括具有反铁磁耦合性能的非磁性材料。例如，交换耦合图案130可以包括铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。交换耦合图案130可以包括与籽晶图案110相同和/或不同的材料。
第一铁磁图案122可以包括与第一被钉扎图案120相同的铁磁材料。第一铁磁图案122可以包括铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一种，并且可以不包括非磁性元素。第一铁磁图案122可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的单层。例如，第一铁磁图案122可以是单层钴(Co)。
第一铁磁图案122可以设置在交换耦合图案130和第一非磁性图案132之间。交换耦合图案130可以与第一铁磁图案122的一个表面接触，例如可以具有与第一铁磁图案122的一个表面直接接触的部分，并且第一非磁性图案132可以与第一铁磁图案122的另一表面接触，例如可以具有与第一铁磁图案122的另一表面直接接触的部分。第一铁磁图案122可以通过由交换耦合图案130与第一铁磁图案122的结和/或第一非磁性图案132与第一铁磁图案122的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。第一铁磁图案122的磁化方向122m可以基本垂直于隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面。
第一铁磁图案122可以通过交换耦合图案130反铁磁耦合到第一被钉扎图案120。交换耦合图案130可以以磁化方向120m和122m彼此反平行这样的方式将第一被钉扎图案120的磁化方向120m耦合到第一铁磁图案122的磁化方向122m。例如，第一铁磁图案122的磁化方向122m可以被固定在与第一被钉扎图案120的磁化方向120m反平行的方向上。
第一铁磁图案122可以在与隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面垂直的方向(例如，在与一表面垂直的方向)上具有厚度122T。第一被钉扎图案120的厚度120T可以等于或大于第一铁磁图案122的厚度122T。
第一非磁性图案132可以包括具有反铁磁耦合性能的非磁性材料。例如，第一非磁性图案132可以包括铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。
第二铁磁图案124可以包括与第一铁磁图案122相同的铁磁材料。在一些示例实施方式中，第一铁磁图案122和第二铁磁图案124可以包括与第一被钉扎图案120相同的铁磁材料。第二铁磁图案124可以包括铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少一种，并且可以不包括非磁性元素。第二铁磁图案124可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的单层。例如，第二铁磁图案124可以是单层钴(Co)。
第二铁磁图案124可以设置在第一非磁性图案132和第二非磁性图案134之间。第一非磁性图案132可以与第二铁磁图案124的一个表面接触，例如可以具有与第二铁磁图案124的一个表面直接接触的部分，并且第二非磁性图案134可以与第二铁磁图案124的另一表面接触，例如可以具有与第二铁磁图案124的另一表面直接接触的部分。第二铁磁图案124可以通过由第一非磁性图案132与第二铁磁图案124的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。第二铁磁图案124的磁化方向124m可以基本垂直于隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面。
第二铁磁图案124可以通过第一非磁性图案132反铁磁耦合到第一铁磁图案122。第一非磁性图案132可以以磁化方向122m和124m彼此反平行这样的方式将第一铁磁图案122的磁化方向122m耦合到第二铁磁图案124的磁化方向124m。换句话说，第二铁磁图案124的磁化方向124m可以与第一铁磁图案122的磁化方向122m反平行地被固定。
第二铁磁图案124可以在与隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面垂直的方向(即，在与一表面垂直的方向)上具有厚度124T。第一被钉扎图案120的厚度120T可以大于第二铁磁图案124的厚度124T。在一些示例实施方式中，第一被钉扎图案120的厚度120T可以等于或大于第一铁磁图案122的厚度122T，并且第一铁磁图案122的厚度122T可以大于第二铁磁图案124的厚度124T。
第二非磁性图案134可以包括具有铁磁耦合性能的非磁性材料。例如，第二非磁性图案134可以包括钨(W)、钼(Mo)、铌(Nb)、钽(Ta)和钒(V)中的至少一种。
极化增强磁性图案126可以包括能够在隧道势垒图案TBP和极化增强磁性图案126的界面处感生界面垂直磁各向异性的磁性材料。例如，极化增强磁性图案126可以包括具有体心立方(BCC)结构的磁性材料，并且还可以包括非磁性元素。例如，极化增强磁性图案126可以包括钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)中的至少一种，并且还可以包括硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和氮(N)中的至少一种。例如，极化增强磁性图案126可以包括钴铁(CoFe)和/或镍铁(NiFe)，并且还可以包括硼(B)。例如，极化增强磁性图案126可以包括钴-铁-硼(CoFeB)。
极化增强磁性图案126可以设置在第二非磁性图案134和隧道势垒图案TBP之间。第二非磁性图案134可以与极化增强磁性图案126的一个表面接触，例如可以具有与极化增强磁性图案126的一个表面直接接触的部分，并且隧道势垒图案TBP可以与极化增强磁性图案126的另一表面接触，例如可以具有与极化增强磁性图案126的另一表面直接接触的部分。极化增强磁性图案126可以通过由隧道势垒图案TBP与极化增强磁性图案126的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。极化增强磁性图案126的磁化方向126m可以基本垂直于隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS之间的界面。
极化增强磁性图案126可以通过第二非磁性图案134铁磁耦合到第二铁磁图案124。第二非磁性图案134可以以磁化方向126m和124m彼此平行这样的方式将极化增强磁性图案126的磁化方向126m耦合到第二铁磁图案124的磁化方向124m。例如，极化增强磁性图案126的磁化方向126m可以与第二铁磁图案124的磁化方向124m平行地被固定。
隧道势垒图案TBP可以包括镁氧化物(MgO)、钛氧化物(TiO)、铝氧化物(AlO)、镁锌氧化物(MgZnO)、镁硼氧化物(MgBO)、钛氮化物(TiN)和钒氮化物(VN)中的至少一种。例如，隧道势垒图案TBP可以包括具有氯化钠(NaCl)晶体结构的镁氧化物(MgO)。
自由磁性结构FMS可以包括至少一个自由磁性图案150。自由磁性图案150可以与隧道势垒图案TBP接触，例如可以具有与隧道势垒图案TBP直接接触的部分。自由磁性图案150可以通过由自由磁性图案150与隧道势垒图案TBP的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。自由磁性图案150的磁化方向150m可以改变为与极化增强磁性图案126的磁化方向126m平行或反平行。当极化增强磁性图案126的磁化方向126m与自由磁性图案150的磁化方向150m平行时，磁隧道结图案MTJ可以具有低的电阻值。相反，当极化增强磁性图案126的磁化方向126m与自由磁性图案150的磁化方向150m反平行时，磁隧道结图案MTJ可以具有高的电阻值。自由磁性图案150可以包括能够在自由磁性图案150和隧道势垒图案TBP的界面处感生磁各向异性的磁性材料。例如，自由磁性图案150可以包括钴-铁-硼(CoFeB)。
上层间绝缘层160可以设置在下层间绝缘层102上，以覆盖底部电极BE、籽晶图案110、磁隧道结图案MTJ和顶部电极TE的每个的侧部。上层间绝缘层160可以包括氧化物、氮化物和氮氧化物中的至少一种。互连线180可以设置在上层间绝缘层160上。互连线180可以通过顶部电极TE电连接到磁隧道结图案MTJ。互连线180可以包括金属(例如钛、钽、铜、铝或钨)和导电金属氮化物(例如钛氮化物或钽氮化物)中的至少一种。在一些示例实施方式中，互连线180可以用作位线。
如果第一被钉扎图案120由非磁性元素和铁磁元素的合金层形成或者由包括非磁性层和铁磁层的多层薄层形成，则第一被钉扎图案120中的非磁性元素可能通过随后的热处理工艺扩散，因此第一被钉扎图案120的垂直磁化性能可能劣化。替代地或附加地，如果第一被钉扎图案120由所述合金层或所述多层薄层形成，则第一被钉扎图案120的表面粗糙度可能增加。因此，磁隧道结图案MTJ的磁性能(例如，交换磁场(Hex)和/或切换性能)可能劣化。
然而，根据发明构思的一些示例实施方式，第一被钉扎图案120可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的铁磁图案，并且可以不包括非磁性元素。由于第一被钉扎图案120不包括非磁性元素，所以可以最小化或减小后续热处理工艺对第一被钉扎图案120的垂直磁化性能的影响。例如，第一被钉扎图案120可以具有稳定的垂直磁化性能。替代地或附加地，由于第一被钉扎图案120由铁磁元素的单层形成，所以可以减小第一被钉扎图案120的表面粗糙度。因此，可以改善磁隧道结图案MTJ的磁性能(例如，交换磁场(Hex)和/或切换性能)。
此外，在第二被钉扎图案140中，极化增强磁性图案126可以铁磁耦合到第二铁磁图案124，并且第一铁磁图案122和第二铁磁图案124可以彼此反铁磁耦合。通过极化增强磁性图案126和第二铁磁图案124的铁磁耦合，可以改善极化增强磁性图案126的垂直磁各向异性，因此可以改善磁隧道结图案MTJ的隧穿磁致电阻比(TMR)。通过第一铁磁图案122和第二铁磁图案124的反铁磁耦合，可以减小第二被钉扎图案140的净磁矩，因此可以减小第二被钉扎图案140的磁滞场。结果，可以减少自由磁性结构FMS的切换场(Hc)的分布偏移的现象，因此可以改善磁隧道结图案MTJ的切换性能。
图5是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的剖视图。在下文中，为了说明的容易和方便，将主要描述参考图5描述的示例实施方式与参考图3和图4描述的示例实施方式之间的差异。
参考图5，籽晶图案110可以设置在磁隧道结图案MTJ和底部电极BE之间。在一些示例实施方式中，籽晶图案110可以包括与底部电极BE相邻的第一子图案112以及设置在第一子图案112和磁隧道结图案MTJ之间的第二子图案114。第一子图案112可以抑制底部电极BE的晶体结构投映到磁隧道结图案MTJ。因此，可以最小化或减小底部电极BE的晶体结构对磁隧道结图案MTJ的晶体生长的影响。第一子图案112的至少一部分可以是非晶的。例如，第一子图案112可以包括钽(Ta)、镍(Ni)和铬(Cr)中的至少一种。第一子图案112还可以包括非金属元素(例如硼(B)和/或碳(C))。第二子图案114可以包括帮助构成磁隧道结图案MTJ或包括在磁隧道结图案MTJ中的磁性层的晶体生长的材料。例如，第二子图案114可以包括铬(Cr)、铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。
第一被钉扎图案120可以设置在籽晶图案110和交换耦合图案130之间。第二子图案114可以与第一被钉扎图案120的一个表面接触，例如可以具有与第一被钉扎图案120的一个表面直接接触的部分，并且交换耦合图案130可以与第一被钉扎图案120的另一表面接触，例如可以具有与第一被钉扎图案120的另一表面直接接触的部分。第一被钉扎图案120可以通过由第二子图案114与第一被钉扎图案120的结和/或交换耦合图案130与第一被钉扎图案120的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。第二子图案114可以包括帮助第一被钉扎图案120的晶体生长的材料。第二子图案114可以包括例如铬(Cr)、铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。除了上述差异之外，根据示例实施方式的磁存储器件的其它部件和特征可以与参考图3和图4描述的磁存储器件的相应部件和特征基本相同。
图6和图7是示出根据发明构思的一些示例实施方式的制造磁存储器件的方法的剖视图。在下文中，为了说明的容易和方便，将省略或简要提及对与图3和图4的示例实施方式中相同的部件和/或特征的描述。
参考图6，可以在衬底100上形成下层间绝缘层102。衬底100可以包括半导体衬底。例如，衬底100可以包括硅衬底、锗衬底和/或硅锗衬底。可以在衬底100上形成选择元件(未示出)，并且可以形成下层间绝缘层102以覆盖选择元件。选择元件可以是场效应晶体管或二极管。可以在下层间绝缘层102中形成下接触插塞104。下接触插塞104可以穿透下层间绝缘层102，从而电连接到选择元件中的相应一个的一个端子。在一些示例实施方式中，下接触插塞104的形成可以包括在下层间绝缘层102中形成下接触孔以及形成填充下接触孔的下接触层。
可以在下层间绝缘层102上形成底部电极层BEL。底部电极层BEL可以包括诸如钛氮化物和/或钽氮化物的导电金属氮化物。可以在底部电极层BEL上形成籽晶层110L。籽晶层110L可以包括能够帮助将要形成在其上的磁性层的晶体生长的材料(例如铱(Ir)或钌(Ru))。在一些示例实施方式中，籽晶层110L可以包括堆叠在底部电极层BEL上的第一子层和第二子层。在这种情况下，第一子层可以设置在底部电极层BEL和第二子层之间。第一子层的至少一部分可以是非晶的，第二子层可以包括能够帮助将要形成在其上的磁性层的晶体生长的材料(例如铱(Ir)或钌(Ru))。底部电极层BEL和籽晶层110L中的每一个可以通过溅射沉积工艺、化学气相沉积(CVD)工艺和/或原子层沉积(ALD)工艺形成。
可以在籽晶层110L上形成第一被钉扎层120L。第一被钉扎层120L可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的单层铁磁层。第一被钉扎层120L可以不包括非磁性元素。例如，第一被钉扎层120L可以是单层钴(Co)。第一被钉扎层120L可以通过溅射沉积工艺、CVD工艺和/或ALD工艺形成。根据发明构思的一些示例实施方式，由于第一被钉扎层120L不包括非磁性元素，所以可以在室温下执行用于形成第一被钉扎层120L的沉积工艺。
可以在第一被钉扎层120L上形成交换耦合层130L。交换耦合层130L可以包括具有反铁磁耦合性能的非磁性材料，并且可以通过溅射沉积工艺、CVD工艺和/或ALD工艺形成。
可以在交换耦合层130L上形成第二被钉扎层140L。第二被钉扎层140L可以包括依次堆叠在交换耦合层130L上的第一铁磁层122L、第一非磁性层132L、第二铁磁层124L、第二非磁性层134L和极化增强磁性层126L。在一些示例实施方式中，第一铁磁层122L和第二铁磁层124L可以包括与第一被钉扎层120L相同的铁磁材料。第一铁磁层122L和第二铁磁层124L可以不包括非磁性元素。第一铁磁层122L和第二铁磁层124L中的每一个可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素构成或包括铁磁元素的单层。例如，第一铁磁层122L和第二铁磁层124L中的每一个可以是单层钴(Co)。第一非磁性层132L可以包括具有反铁磁耦合性能的非磁性材料，第二非磁性层134L可以包括具有铁磁耦合性能的非磁性材料。极化增强磁性层126L可以包括能够感生界面垂直磁各向异性的磁性材料。第二被钉扎层140L可以通过溅射沉积工艺、CVD工艺和/或ALD工艺形成。根据发明构思的一些示例实施方式，由于第一铁磁层122L和第二铁磁层124L不包括非磁性元素，所以可以在室温下执行用于形成第二被钉扎层140L的沉积工艺。
第一被钉扎层120L、交换耦合层130L和第二被钉扎层140L可以构成参考磁性结构层RMSL或被包括在参考磁性结构层RMSL中。根据发明构思的一些示例实施方式，由于第一被钉扎层120L以及第一铁磁层122L和第二铁磁层124L不包括非磁性元素，所以可以在室温下执行用于形成参考磁性结构层RMSL的沉积工艺。另外，由于第一被钉扎层120L由铁磁元素的单层形成，所以可以减小参考磁性结构层RMSL的厚度RML_T。
可以在参考磁性结构层RML上形成隧道势垒层TBL。隧道势垒层TBL可以包括镁氧化物(MgO)层、钛氧化物(TiO)层、铝氧化物(AlO)层、镁锌氧化物(MgZnO)层和镁硼氧化物(MgBO)层中的至少一种，并且可以使用例如溅射沉积工艺形成。
可以在隧道势垒层TBL上形成自由磁性层FML。自由磁性层FML可以以非晶态沉积并且可以包括例如钴-铁-硼(CoFeB)。自由磁性层FML可以通过溅射沉积工艺、CVD工艺和/或ALD工艺形成。自由磁性层FML可以通过随后的热处理工艺使用隧道势垒层TBL作为籽晶来结晶。
参考磁性结构层RMSL、隧道势垒层TBL和自由磁性层FML可以构成磁隧道结层MTJL或被包括在磁隧道结层MTJL中。可以在磁隧道结层MTJL上形成导电掩模图案185。例如，导电掩模图案185可以包括钨、钛、钽、铝和金属氮化物(例如钛氮化物或钽氮化物)中的至少一种。导电掩模图案185可以限定在其中将形成磁隧道结图案的区域。
参考图7，可以使用导电掩模图案185作为蚀刻掩模执行用于蚀刻磁隧道结层MTJL的蚀刻工艺。蚀刻工艺可以是例如离子束蚀刻工艺。磁隧道结层MTJL、籽晶层110L和底部电极层BEL可以通过蚀刻工艺被顺序地蚀刻。磁隧道结层MTJL的蚀刻可以包括顺序地蚀刻自由磁性层FML、隧道势垒层TBL和参考磁性结构层RMSL。根据发明构思的实施方式，由于第一被钉扎层120L是由铁磁元素形成的单层，所以可以减小参考磁性结构层RMSL的厚度RML_T。因此，可以增加蚀刻工艺的工艺裕度。
可以通过蚀刻工艺顺序地形成磁隧道结图案MTJ、籽晶图案110和底部电极BE。磁隧道结图案MTJ可以包括顺序地堆叠在籽晶图案110上的参考磁性结构RMS、隧道势垒图案TBP和自由磁性结构FMS。参考磁性结构RMS可以包括第一被钉扎图案120、在第一被钉扎图案120和隧道势垒图案TBP之间的第二被钉扎图案140以及在第一被钉扎图案120和第二被钉扎图案140之间的交换耦合图案130。第二被钉扎图案140可以包括在交换耦合图案130和隧道势垒图案TBP之间的第一铁磁图案122、在第一铁磁图案122和隧道势垒图案TBP之间的第二铁磁图案124、在第二铁磁图案124和隧道势垒图案TBP之间的极化增强磁性图案126、在第一铁磁图案122和第二铁磁图案124之间的第一非磁性图案132以及在第二铁磁图案124和极化增强磁性图案126之间的第二非磁性图案134。
在蚀刻工艺之后，导电掩模图案185的一部分可以保留在磁隧道结图案MTJ上，并且导电掩模图案185的保留部分可以用作顶部电极TE。
根据发明构思的实施方式，由于第一被钉扎层120L以及第一铁磁层122L和第二铁磁层124L不包括非磁性元素，所以可以在室温下执行用于形成参考磁性结构层RMSL的沉积工艺。另外，由于第一被钉扎层120L是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的单层，所以可以减小参考磁性结构层RMSL的厚度RML_T。因此，可以增加用于形成磁隧道结图案MTJ的蚀刻工艺的工艺裕度。因此，磁存储器件的大量生产可以是容易的。
再次参考图3，可以在下层间绝缘层102上形成上层间绝缘层160，以覆盖底部电极BE、籽晶图案110、磁隧道结图案MTJ和顶部电极TE的每个的侧部。可以在上层间绝缘层160形成上互连线180。互连线180可以通过顶部电极TE电连接到磁隧道结图案MTJ。
图8是示出根据发明构思的一些示例实施方式的磁存储器件的剖视图。图9是示出图8的磁存储器件的参考磁性结构的放大图。在下文中，为了说明的容易和方便，将主要描述本实施方式与参考图3和图4描述的以上实施方式之间的差异。
参考图8和图9，磁隧道结图案MTJ可以包括参考磁性结构RMS、自由磁性结构FMS以及在它们之间的隧道势垒图案TBP。在一些示例实施方式中，自由磁性结构FMS可以设置在底部电极BE和隧道势垒图案TBP之间，参考磁性结构RMS可以设置在顶部电极TE和隧道势垒图案TBP之间。
参考磁性结构RMS可以包括第一被钉扎图案120、在第一被钉扎图案120和隧道势垒图案TBP之间的第二被钉扎图案140、以及在第一被钉扎图案120和第二被钉扎图案140之间的交换耦合图案130。第二被钉扎图案140可以包括在交换耦合图案130和隧道势垒图案TBP之间的第一铁磁图案122、在第一铁磁图案122和隧道势垒图案TBP之间的第二铁磁图案124、在第二铁磁图案124和隧道势垒图案TBP之间的极化增强磁性图案126、在第一铁磁图案122和第二铁磁图案124之间的第一非磁性图案132以及在第二铁磁图案124和极化增强磁性图案126之间的第二非磁性图案134。
在一些示例实施方式中，第一被钉扎图案120可以设置在顶部电极TE和交换耦合图案130之间。交换耦合图案130可以与第一被钉扎图案120的一个表面接触，例如可以具有与第一被钉扎图案120的一个表面直接接触的部分，并且第一被钉扎图案120可以通过由交换耦合图案130与第一被钉扎图案120的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。尽管在附图中未示出，但是在顶部电极TE和第一被钉扎图案120之间可以设置另外的非磁性图案。所述另外的非磁性图案可以包括例如铱(Ir)和钌(Ru)中的至少一种。在这种情况下，第一被钉扎图案120可以通过由所述另外的非磁性图案与第一被钉扎图案120的结和/或交换耦合图案130与第一被钉扎图案120的结感生的磁各向异性而具有垂直磁化性能。
除了上述差异之外，根据本实施方式的磁存储器件的其它部件和特征可以与参考图3和图4描述的磁存储器件的相应部件和特征基本相同。
图10和图11是示出根据发明构思的一些示例实施方式的制造磁存储器件的方法的剖视图。在下文中，为了说明的容易和方便，将主要描述本实施方式与参考图6和图7描述的以上实施方式之间的差异。
参考图10，可以在下层间绝缘层102上形成底部电极层BEL。可以在底部电极层BEL上顺序地形成自由磁性层FML和隧道势垒层TBL。自由磁性层FML可以设置在底部电极层BEL和隧道势垒层TBL之间。
可以在隧道势垒层TBL上形成参考磁性结构层RMSL。参考磁性结构层RMSL的形成可以包括在隧道势垒层TBL上顺序地沉积第二被钉扎层140L、交换耦合层130L和第一被钉扎层120L。第二被钉扎层140L的沉积可以包括在隧道势垒层TBL上顺序地沉积极化增强磁性层126L、第二非磁性层134L、第二铁磁层124L、第一非磁性层132L和第一铁磁层122L。
参考磁性结构层RMSL、隧道势垒层TBL和自由磁性层FML可以构成磁隧道结层MTJL或被包括在磁隧道结层MTJL中。可以在磁隧道结层MTJL上形成导电掩模图案185。导电掩模图案185可以形成在参考磁性结构层RMSL的第一被钉扎层120L上。
参考图11，可以使用导电掩模图案185作为蚀刻掩模来执行用于蚀刻磁隧道结层MTJL的蚀刻工艺。可以通过蚀刻工艺顺序地蚀刻磁隧道结层MTJL和底部电极层BEL，以形成磁隧道结图案MTJ和底部电极BE。磁隧道结图案MTJ可以包括顺序地堆叠在底部电极BE上的自由磁性结构FMS、隧道势垒图案TBP和参考磁性结构RMS。在蚀刻工艺之后，导电掩模图案185的一部分可以保留在磁隧道结图案MTJ上，并且导电掩模图案185的保留部分可以用作顶部电极TE。除了自由磁性结构FMS和参考磁性结构RMS的布置之外，根据示例实施方式的制造方法的其它工艺和/或特征可以与参考图6和图7描述的制造方法的相应工艺和/或特征基本相同。
根据发明构思的实施方式，磁隧道结图案的参考磁性结构可以包括第一被钉扎图案、第二被钉扎图案以及在它们之间的交换耦合图案。第一被钉扎图案可以是由铁磁元素组成(或由铁磁元素形成)或本质上由铁磁元素组成或包括铁磁元素的铁磁图案，并且可以不包括非磁性元素。因此，第一被钉扎图案可以具有稳定的垂直磁化性能，并且第一被钉扎图案的表面粗糙度可以减小。因此，可以改善磁隧道结图案的磁性能(例如交换磁场(Hex)和/或切换性能)。结果，可以提供具有改善的特性或优异的特性的磁存储器件。
可以在室温下执行用于形成第一被钉扎图案的沉积工艺。另外，第一被钉扎图案可以由单层形成，该单层由铁磁元素组成(或由铁磁元素制成)，或本质上由铁磁元素组成，或包括铁磁元素，因此可以减小参考磁性结构的厚度。结果，可以改善用于形成磁隧道结图案的蚀刻工艺的工艺裕度。因此，磁存储器件可以被容易地或更容易地大量生产/制造。
虽然已经参考示例实施方式描述了发明构思，但是对于本领域普通技术人员将明显的是，在不脱离发明构思的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。因此，应当理解，以上实施方式不是限制性的，而是说明性的。因此，发明构思的范围将由以下权利要求及其等同物的最宽的可允许解释来确定，而不应受前述描述限定或限制。
本申请要求于2019年7月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0087335号的优先权，其公开内容通过引用整体结合在此。

Claims (25)

1.一种磁存储器件，包括：
参考磁性结构，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，所述第二被钉扎图案包括交替堆叠的磁性图案和非磁性图案；
自由磁性结构；以及
在所述参考磁性结构和所述自由磁性结构之间的隧道势垒图案，
其中，所述第二被钉扎图案在所述第一被钉扎图案和所述隧道势垒图案之间，以及
所述第一被钉扎图案是铁磁图案，所述铁磁图案由铁磁元素组成。
2.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一被钉扎图案是包括所述铁磁元素的单层。
3.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一被钉扎图案不包括非磁性元素。
4.根据权利要求1所述的磁存储器件，
其中，所述磁性图案包括：
在所述交换耦合图案和所述隧道势垒图案之间的第一铁磁图案，以及
在所述第一铁磁图案和所述隧道势垒图案之间的第二铁磁图案，以及
其中，所述非磁性图案包括：
在所述第一铁磁图案和所述第二铁磁图案之间的第一非磁性图案，
其中，所述交换耦合图案将所述第一铁磁图案反铁磁耦合到所述第一被钉扎图案。
5.根据权利要求4所述的磁存储器件，其中，所述第一被钉扎图案和所述第一铁磁图案中的每个具有在与所述隧道势垒图案和所述自由磁性结构之间的界面垂直的方向上的厚度，以及
其中，所述第一被钉扎图案的所述厚度大于或等于所述第一铁磁图案的所述厚度。
6.根据权利要求5所述的磁存储器件，其中，所述第二铁磁图案具有在与所述隧道势垒图案和所述自由磁性结构之间的所述界面垂直的所述方向上的厚度，以及
其中，所述第一被钉扎图案的所述厚度大于所述第二铁磁图案的所述厚度。
7.根据权利要求6所述的磁存储器件，其中，所述第一铁磁图案的所述厚度大于所述第二铁磁图案的所述厚度。
8.根据权利要求5所述的磁存储器件，其中，所述第一非磁性图案将所述第二铁磁图案反铁磁耦合到所述第一铁磁图案。
9.根据权利要求5所述的磁存储器件，其中，包括在所述第一铁磁图案中的铁磁材料与包括在所述第一被钉扎图案中的铁磁材料相同。
10.根据权利要求5所述的磁存储器件，其中，包括在所述第二铁磁图案中的铁磁材料与包括在所述第一被钉扎图案中的铁磁材料相同。
11.根据权利要求4所述的磁存储器件，
其中，所述磁性图案还包括：
在所述第二铁磁图案和所述隧道势垒图案之间的极化增强磁性图案，
其中，所述非磁性图案还包括：
在所述第二铁磁图案和所述极化增强磁性图案之间的第二非磁性图案，
其中，所述第二非磁性图案将所述极化增强磁性图案铁磁耦合到所述第二铁磁图案。
12.根据权利要求11所述的磁存储器件，其中，所述第一非磁性图案将所述第二铁磁图案反铁磁耦合到所述第一铁磁图案。
13.根据权利要求11所述的磁存储器件，其中，所述第一非磁性图案包括具有反铁磁耦合性能的非磁性元素，所述第二非磁性图案包括具有铁磁耦合性能的非磁性元素。
14.根据权利要求1所述的磁存储器件，还包括：
与所述隧道势垒图案间隔开的籽晶图案，并且所述参考磁性结构插置在所述隧道势垒图案和所述籽晶图案之间，
其中所述第一被钉扎图案在所述籽晶图案和所述交换耦合图案之间，以及
其中所述籽晶图案包括与所述第一被钉扎图案的一个表面接触的部分。
15.根据权利要求14所述的磁存储器件，其中，所述籽晶图案包括：
第一子图案；和
第二子图案，在所述第一子图案和所述第一被钉扎图案之间，并且具有与所述第一被钉扎图案接触的部分，
其中所述第一子图案的至少一部分是非晶的。
16.一种磁存储器件，包括：
参考磁性结构，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，所述第二被钉扎图案包括交替堆叠的磁性图案和非磁性图案；
自由磁性结构；以及
在所述参考磁性结构和所述自由磁性结构之间的隧道势垒图案，
其中所述第二被钉扎图案在所述第一被钉扎图案和所述隧道势垒图案之间，以及
所述第一被钉扎图案是包括铁磁元素的单层。
17.根据权利要求16所述的磁存储器件，其中，所述磁性图案包括：
在所述交换耦合图案和所述隧道势垒图案之间的第一铁磁图案，以及
其中，所述交换耦合图案将所述第一铁磁图案反铁磁耦合到所述第一被钉扎图案。
18.根据权利要求17所述的磁存储器件，其中，所述第一被钉扎图案和所述第一铁磁图案中的每个具有在与所述隧道势垒图案和所述自由磁性结构之间的界面垂直的方向上的厚度，以及
其中，所述第一被钉扎图案的所述厚度大于或等于所述第一铁磁图案的所述厚度。
19.根据权利要求18所述的磁存储器件，其中，包括在所述第一铁磁图案中的铁磁材料与包括在所述第一被钉扎图案中的铁磁材料相同。
20.根据权利要求17所述的磁存储器件，
其中，所述磁性图案还包括：
在所述第一铁磁图案和所述隧道势垒图案之间的第二铁磁图案，
其中，所述非磁性图案包括：
在所述第一铁磁图案和所述第二铁磁图案之间的第一非磁性图案，以及
其中，所述第一非磁性图案将所述第二铁磁图案反铁磁耦合到所述第一铁磁图案。
21.根据权利要求20所述的磁存储器件，其中，所述第一被钉扎图案、所述第一铁磁图案和所述第二铁磁图案中的每个在与所述隧道势垒图案和所述自由磁性结构之间的界面垂直的方向上具有厚度，以及
其中，所述第一被钉扎图案的所述厚度大于或等于所述第一铁磁图案的所述厚度，并且大于所述第二铁磁图案的所述厚度。
22.根据权利要求21所述的磁存储器件，其中，包括在所述第一铁磁图案和所述第二铁磁图案的每个中的铁磁材料与包括在所述第一被钉扎图案中的铁磁材料相同。
23.根据权利要求20所述的磁存储器件，
其中，所述磁性图案还包括：
在所述第二铁磁图案和所述隧道势垒图案之间的极化增强磁性图案，
其中，所述非磁性图案还包括：
在所述第二铁磁图案和所述极化增强磁性图案之间的第二非磁性图案，以及
其中，所述第二非磁性图案将所述极化增强磁性图案铁磁耦合到所述第二铁磁图案。
24.根据权利要求17所述的磁存储器件，其中，包括在所述第一铁磁图案中的铁磁材料与包括在所述第一被钉扎图案中的铁磁材料相同。
25.根据权利要求24所述的磁存储器件，其中，所述第一被钉扎图案和所述第一铁磁图案中的每个不包括非磁性元素。
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