CN115207209A - 磁存储器装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁存储器装置包括：衬底；顺序地堆叠在衬底上的第一磁图案和第二磁图案；第一磁图案与第二磁图案之间的隧道势垒图案；衬底与第一磁图案之间的底部电极；底部电极与第一磁图案之间的种子图案；以及底部电极与种子图案之间的至少一个扩散势垒图案，其中：至少一个扩散势垒图案的底表面接触底部电极的顶表面，并且至少一个扩散势垒图案的顶表面接触种子图案的底表面，至少一个扩散势垒图案包括非磁金属、或者非磁金属和非金属元素的合金，并且非磁金属包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2021年4月2日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0043278的优先权，该申请的公开内容以引用方式全文并入本文中。
技术领域
实施例涉及一种磁存储器装置。
背景技术
随着需要高速和/或低功耗电子装置，也需要在其中使用的高速和/或低电压半导体存储器装置。磁存储器装置已经发展成为能够满足这些要求的半导体存储器装置。磁存储器装置由于其高速和/或非易失性特性而可能成为下一代半导体存储器装置。
磁存储器装置可包括磁隧道结图案(MTJ)。磁隧道结图案可包括两个磁层和这两个磁层之间的绝缘层。磁隧道结图案的电阻值可以根据两个磁层的磁化方向而改变。例如，当两个磁层的磁化方向彼此反向平行时，磁隧道结图案可具有相对高的电阻值。当两个磁层的磁化方向彼此平行时，磁隧道结图案可具有相对低的电阻值。磁存储器装置可利用磁隧道结图案的电阻值之间的差来写/读数据。
发明内容
可以通过提供一种磁存储器装置来实现实施例，该磁存储器装置包括：衬底；顺序地堆叠在衬底上的第一磁图案和第二磁图案；第一磁图案与第二磁图案之间的隧道势垒图案；衬底与第一磁图案之间的底部电极；底部电极与第一磁图案之间的种子图案；以及底部电极与种子图案之间的至少一个扩散势垒图案，其中：至少一个扩散势垒图案的底表面接触底部电极的顶表面，并且至少一个扩散势垒图案的顶表面接触种子图案的底表面，至少一个扩散势垒图案包括：非磁金属、或者非磁金属和非金属元素的合金，并且非磁金属包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
可以通过提供一种磁存储器装置来实现实施例，该磁存储器装置包括：衬底；顺序地堆叠在衬底上的第一磁图案和第二磁图案；第一磁图案与第二磁图案之间的隧道势垒图案；衬底与第一磁图案之间的底部电极；底部电极与第一磁图案之间的种子图案；以及底部电极与种子图案之间的第一扩散势垒图案，其中：第一扩散势垒图案包括：第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金，并且第一非磁金属包括W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
可以通过提供一种磁存储器装置来实现实施例，该磁存储器装置包括：衬底；顺序地堆叠在衬底上的第一磁图案和第二磁图案；第一磁图案与第二磁图案之间的隧道势垒图案；衬底与第一磁图案之间的底部电极；底部电极与第一磁图案之间的种子图案；以及底部电极与种子图案之间的第一扩散势垒图案，其中：第一扩散势垒图案是第一非磁金属的结晶层，并且第一非磁金属包括W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，特征将对于本领域技术人员变得清楚，在附图中：
图1是根据一些实施例的磁存储器装置的单位存储器单元的电路图。
图2是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。
图3是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。
图4是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。
图5是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。
图6是根据一些实施例的磁存储器装置的平面图。
图7是沿着图6的线I-I’截取的剖视图。
图8至图10是根据一些实施例的制造磁存储器装置的方法中的各阶段的对应于图6的线I-I’的剖视图。
具体实施方式
图1是根据一些实施例的磁存储器装置的单位存储器单元的电路图。
参照图1，单位存储器单元MC可包括存储器元件ME和选择元件SE。存储器元件ME和选择元件SE可彼此串联电连接。存储器元件ME可连接在位线BL与选择元件SE之间。选择元件SE可连接在存储器元件ME与源极线SL之间，并且可由字线WL控制。在实施中，选择元件SE可包括双极晶体管或者MOS场效应晶体管。
存储器元件ME可包括磁隧道结图案MTJ。磁隧道结图案MTJ可包括第一磁图案MP1、第二磁图案MP2、和第一磁图案MP1与第二磁图案MP2之间的隧道势垒图案TBR。第一磁图案MP1和第二磁图案MP2中的一个可为在一般使用环境下不管外部磁场如何其磁化方向都固定在一个方向的基准磁图案。第一磁图案MP1和第二磁图案MP2中的另一个可为通过外部磁场其磁化方向可在两个稳定磁化方向之间改变的自由磁图案。当基准磁图案和自由磁图案的磁化方向彼此反向平行时的磁隧道结图案MTJ的电阻可比当基准磁图案和自由磁图案的磁化方向彼此平行时的磁隧道结图案MTJ的电阻大得多。换句话说，磁隧道结图案MTJ的电阻可通过改变自由磁图案的磁化方向来调整。因此，通过利用根据基准磁图案和自由磁图案的磁化方向的电阻差，逻辑数据可被存储在单位存储器单元MC的存储器元件ME中。
图2是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。
参照图2，第一层间绝缘层110可位于衬底100上，并且下接触插塞115可在第一层间绝缘层110中。衬底100可为包括例如硅、绝缘体上硅(SOI)、硅锗(SiGe)、锗(Ge)或砷化镓(GaAs)的半导体衬底。在实施中，第一层间绝缘层110可包括例如氧化物层、氮化物层或氮氧化物层。如本文中所使用的，术语“或”不是排他性术语，例如，“A或B”将包括A、B、或A和B。
下接触插塞115可以穿过第一层间绝缘层110，并且可电连接至衬底100。选择元件(见图1的SE)可在衬底100中，并且选择元件可为例如场效应晶体管。下接触插塞115可电连接至选择元件的一个端子。下接触插塞115可包括掺杂的半导体材料(例如，掺杂的硅)、金属(例如，钨、钛或钽)、金属半导体化合物(例如，金属硅化物)或者导电金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽或者氮化钨)。
底部电极BE、磁隧道结图案MTJ和顶电极TE可顺序地堆叠在下接触插塞115上。底部电极BE可在下接触插塞115与磁隧道结图案MTJ之间，并且磁隧道结图案MTJ可在底部电极BE与顶电极TE之间。底部电极BE可电连接至下接触插塞115。在实施中，底部电极BE可包括导电金属氮化物(例如，氮化钛或者氮化钽)。在实施中，例如，顶电极TE可包括金属(例如，Ta、W、Ru或Ir)或者导电金属氮化物(例如，TiN)。
磁隧道结图案MTJ可包括第一磁图案MP1、第二磁图案MP2、第一磁图案MP1与第二磁图案MP2之间的隧道势垒图案TBR、底部电极BE与第一磁图案MP1之间的种子图案140、底部电极BE与种子图案140之间的第一扩散势垒图案130A、以及底部电极BE与第一扩散势垒图案130A之间的阻挡图案120。
阻挡图案120可包括非晶金属层。在实施中，阻挡图案120可包括由铁磁元素、非金属元素和非磁金属元素制成的非晶金属层。铁磁元素可包括钴、铁或镍，非金属元素可包括硼、氮或氧。非磁金属元素可包括钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铝(Al)、镁(Mg)、钌(Ru)或钒(V)。在实施中，例如，阻挡图案120可包括CoFeBTa。在实施中，阻挡图案120可包括由非磁金属元素和非金属元素制成的非晶金属层。在实施中，例如，阻挡图案120可包括氧化钌或者TaB。
阻挡图案120可以有助于防止底部电极BE的晶体结构传递至种子图案140。在实施中，可以有助于防止底部电极BE的晶体结构通过种子图案140影响第一磁图案MP1的晶体结构和取向。
例如，第一扩散势垒图案130A可包括第一非磁金属，或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金。在实施中，例如，第一非磁金属可包括W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V，并且例如，第一非金属元素可包括Si、N或B。在实施中，第一扩散势垒图案130A可由第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金制成(例如，可由第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金组成)。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属的结晶层。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属和第一非金属元素的合金的结晶层或非晶层。第一扩散势垒图案130A可为由第一非磁金属制成的单一金属层，例如，Mo单一金属层。
第一扩散势垒图案130A可以有助于防止底部电极BE和阻挡图案120中的金属原子扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。第一扩散势垒图案130A可被称作扩散势垒图案。
种子图案140可包括有利于第一磁图案MP1的晶体生长的材料。在实施中，例如，种子图案140可包括铬(Cr)、铱(Ir)或钌(Ru)。
底部电极BE、阻挡图案120、第一扩散势垒图案130A和种子图案140可在垂直于衬底100的顶表面100U的第一方向D1上具有厚度。第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可以小于阻挡图案120的厚度120T，并且可以小于种子图案140的厚度140T。第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可以小于底部电极BE的厚度BE_T。当第一扩散势垒图案130A是结晶层(例如，第一非磁金属的结晶层)时，第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可在例如
至
的范围内。将第一扩散势垒图案130A的厚度130AT保持在
或更大可有助于确保可以防止第一扩散势垒图案130A下方的下图案(例如，底部电极BE和阻挡图案120)中的金属原子扩散。将第一扩散势垒图案130A的厚度130AT保持在
或更小可有助于确保第一扩散势垒图案130A的晶体结构不影响种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)的晶体生长和取向，因此防止磁隧道结图案MTJ的特性劣化。
在实施中，第一磁图案MP1可包括磁化方向MD1固定在一个方向的基准层，并且第二磁图案MP2可包括具有可变磁化方向MD2的自由层。第二磁图案MP2的磁化方向MD2是可改变的以与第一磁图案MP1的磁化方向MD1平行或与第一磁图案MP1的磁化方向MD1反向平行。在实施中，如图2所示，第一磁图案MP1可包括基准层，并且第二磁图案MP2可包括自由层。在实施中，第一磁图案MP1可包括自由层，并且第二磁图案MP2可包括基准层。
第一磁图案MP1的磁化方向MD1和第二磁图案MP2的磁化方向MD2可基本上垂直于第一磁图案MP1与隧道势垒图案TBR的界面，并且可基本上垂直于衬底100的顶表面100U。在实施中，第一磁图案MP1和第二磁图案MP2中的每一个可包括本征垂直磁材料或者外来垂直磁材料。本征垂直磁材料可包括即使不存在外部因素也具有垂直磁化特征的材料。例如，本征垂直磁材料可包括垂直磁材料(例如，CoFeTb、CoFeGd或CoFeDy)，具有L10结构的垂直磁材料、具有六角密排(HCP)晶格结构的CoPt合金、或者垂直磁结构。例如，具有L10结构的垂直磁材料可包括具有L10结构的FePt、具有L10结构的FePd、具有L10结构的CoPd、或者具有L10结构的CoPt。垂直磁结构可包括交替且重复地堆叠的磁层和非磁层。在实施中，例如，垂直磁结构可包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(Co/Pd)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n或者(CoCr/Pd)n，其中‘n’表示双层的数量。外来垂直磁材料可包括具有本征水平磁化特征、但是通过外部因素而具有垂直磁化特征的材料。在实施中，外来垂直磁材料可通过由隧道势垒图案TBR和第一磁图案MP1(或第二磁图案MP2)的联结所导致的磁各向异性而具有垂直磁化特征。例如，外来垂直磁材料可包括CoFeB。
在实施中，第一磁图案MP1和第二磁图案MP2中的每一个可包括基于Co的赫斯勒合金。例如，隧道势垒图案TBR可包括氧化镁(MgO)层、氧化钛(TiO)层、氧化铝(AlO)层、镁锌氧化物(MgZnO)层或镁硼氧化物(MgBO)层。
磁隧道结图案MTJ还可包括第二磁图案MP2与顶电极TE之间的封盖图案160、以及第二磁图案MP2与封盖图案160之间的非磁图案150。例如，非磁图案150可包括氧化镁(MgO)层、氧化钛(TiO)层、氧化铝(AlO)层、镁锌氧化物(MgZnO)层或镁硼氧化物(MgBO)层。在实施中，非磁图案150可与隧道势垒图案TBR包括相同材料。可通过在非磁图案150与第二磁图案MP2之间的界面处导致的磁各向异性来提高第二磁图案MP2的磁各向异性。封盖图案160可以有助于防止第二磁图案MP2的劣化。在实施中，例如，封盖图案160可包括钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)或氮化钛(TiN)。
当对磁隧道结图案MTJ执行400摄氏度或更高温度的高温后续处理时，底部电极BE和阻挡图案120中的金属原子可能扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。在这种情况下，种子图案140和第一磁图案MP1的结晶度可劣化，并且包括第一磁图案MP1的磁隧道结图案MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性也可劣化。
根据实施例，第一扩散势垒图案130A可在种子图案140下方(例如，在种子图案140与阻挡图案120之间)，并且可以有助于防止第一扩散势垒图案130A下方的下图案(例如，底部电极BE和阻挡图案120)中的金属原子扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。因此，可以防止种子图案140和第一磁图案MP1的结晶度劣化。结果，可改进磁隧道结图案MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性，并且可提高磁隧道结图案MTJ的高温可靠性。
第二层间绝缘层180可位于第一层间绝缘层110上，并且可以覆盖底部电极BE、磁隧道结图案MTJ和顶电极TE的侧壁。在实施中，例如，第二层间绝缘层180可包括氧化物层、氮化物层或者氮氧化物层。
上互连线200可位于第二层间绝缘层180上，并且可以连接(例如，电连接)至顶电极TE。上互连线200可通过顶电极TE连接至磁隧道结图案MTJ，并且可用作图1的位线BL。上互连线200可包括金属(例如，铜)或者导电金属氮化物。
图3是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。下文中，为了易于和便于解释，可以主要描述当前实施例与参照图2描述的实施例之间的差异。
参照图3，磁隧道结图案MTJ还可包括位于底部电极BE与阻挡图案120之间的第二扩散势垒图案130B。第一扩散势垒图案130A可在种子图案140与阻挡图案120之间，并且第二扩散势垒图案130B可在底部电极BE与阻挡图案120之间。第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B可以一起被称作扩散势垒图案。
第一扩散势垒图案130A可包括第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金。在实施中，例如，第一非磁金属可包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V，并且例如，第一非金属元素可包括Si、N或B。第一扩散势垒图案130A可由第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金制成。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属的结晶层。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属和第一非金属元素的合金的结晶层或非晶层。第一扩散势垒图案130A可为由第一非磁金属制成的单一金属层，例如，Mo单一金属层。
第二扩散势垒图案130B可包括第二非磁金属、或第二非磁金属和第二非金属元素的合金。在实施中，例如，第二非磁金属可包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V，并且例如，第二非金属元素可包括Si、N或B。第二扩散势垒图案130B可由第二非磁金属、或者第二非磁金属和第二非金属元素的合金制成(例如，可由第二非磁金属、或者第二非磁金属和第二非金属元素的合金组成)。在实施中，第二扩散势垒图案130B可为第二非磁金属的结晶层。在实施中，第二扩散势垒图案130B可为第二非磁金属和第二非金属元素的合金的结晶层或非晶层。第二扩散势垒图案130B可为由第二非磁金属制成的单一金属层，例如，Mo单一金属层。
第二扩散势垒图案130B可以有助于防止底部电极BE中的金属原子扩散至阻挡图案120和阻挡图案120上的上图案(例如，种子图案140和第一磁图案MP1)中。
底部电极BE、阻挡图案120、第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B、种子图案140中的每一个可在第一方向D1上具有厚度。第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可以小于阻挡图案120的厚度120T，并且可以小于种子图案140的厚度140T。第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可以小于底部电极BE的厚度BE_T。第二扩散势垒图案130B的厚度130BT可以小于阻挡图案120的厚度120T，并且可以小于底部电极BE的厚度BE_T。第二扩散势垒图案130B的厚度130BT可以小于种子图案140的厚度140T。
当第二扩散势垒图案130B是结晶层(例如，第二非磁金属的结晶层)时，第二扩散势垒图案130B的厚度130BT可在例如
至
的范围内。将第二扩散势垒图案130B的厚度130BT保持在
或更大可有助于确保防止第二扩散势垒图案130B下方的下图案(例如，底部电极BE)中的金属原子的扩散。将第二扩散势垒图案130B的厚度130BT保持在
或更小可有助于确保第二扩散势垒图案130B的晶体结构不影响第二扩散势垒图案130B上的上图案(例如，阻挡图案120、种子图案140和第一磁图案MP1)的晶体生长和取向，因此可以防止磁隧道结图案MTJ的特性劣化。
根据当前实施例，第二扩散势垒图案130B可在底部电极BE与阻挡图案120之间，并且可有助于防止第二扩散势垒图案130B下方的下图案(例如，底部电极BE)中的金属原子扩散至阻挡图案120中。结果，可以容易地保持阻挡图案120的非晶态，并且底部电极BE的晶体结构可由阻挡图案120容易地阻挡。
另外，第一扩散势垒图案130A可在阻挡图案120与种子图案140之间，并且可以有助于防止第一扩散势垒图案130A下方的下图案(例如，底部电极BE和阻挡图案120)中的金属原子扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。
根据当前实施例，可以防止种子图案140和第一磁图案MP1的结晶度劣化。结果，可以改进磁隧道结图案MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性，并且可以提高磁隧道结图案MTJ的高温可靠性。
图4是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。下文中，为了易于和便于解释，可以主要描述当前实施例与参照图2描述的实施例之间的差异。
参照图4，磁隧道结图案MTJ可包括第一磁图案MP1、第二磁图案MP2、第一磁图案MP1与第二磁图案MP2之间的隧道势垒图案TBR、底部电极BE与第一磁图案MP1之间的种子图案140、以及底部电极BE与种子图案140之间的第一扩散势垒图案130A。在当前实施例中，磁隧道结图案MTJ可以不包括图2的阻挡图案120。第一扩散势垒图案130A的底表面(例如，面对衬底100的表面)可以接触(例如，直接接触)底部电极BE的顶表面(例如，在第一方向D1上背对衬底100的表面)，并且第一扩散势垒图案130A的顶表面可以接触(例如，直接接触)种子图案140的底表面。第一扩散势垒图案130A可被称作扩散势垒图案。
第一扩散势垒图案130A可包括第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金。在实施中，例如，第一非磁金属可包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V，并且例如，第一非金属元素可包括Si、N或B。在实施中，第一扩散势垒图案130A可由第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金制成。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属的结晶层。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属和第一非金属元素的合金的结晶层或非晶层。第一扩散势垒图案130A可为由第一非磁金属制成的单一金属层，例如，Mo单一金属层。
第一扩散势垒图案130A可以有助于防止底部电极BE中的金属原子扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。在实施中，第一扩散势垒图案130A可以有助于防止底部电极BE的晶体结构传递至种子图案140。在实施中，可以防止底部电极BE的晶体结构通过种子图案140影响第一磁图案MP1的晶体结构和取向。
底部电极BE、第一扩散势垒图案130A和种子图案140中的每一个可在第一方向D1上具有厚度。第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可以小于底部电极BE的厚度BE_T并且可以小于种子图案140的厚度140T。
根据当前实施例，可以防止种子图案140和第一磁图案MP1的结晶度劣化。结果，可以改进磁隧道结图案MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性，并且可以提高磁隧道结图案MTJ的高温可靠性。另外，磁隧道结图案MTJ可以不包括阻挡图案120，并且可以简化磁隧道结图案MTJ的结构。
图5是根据一些实施例的磁存储器装置的剖视图。下文中，为了易于和便于解释，可以主要描述当前实施例与参照图2描述的实施例之间的差异。
参照图5，磁隧道结图案MTJ可包括第一磁图案MP1、第二磁图案MP2、第一磁图案MP1与第二磁图案MP2之间的隧道势垒图案TBR、底部电极BE与第一磁图案MP1之间的种子图案140、底部电极BE与种子图案140之间的第一扩散势垒图案130A、以及底部电极BE与第一扩散势垒图案130A之间的第二扩散势垒图案130B。在当前实施例中，磁隧道结图案MTJ可以不包括图2的阻挡图案120。第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B可在底部电极BE与种子图案140之间并且可堆叠。第一扩散势垒图案130A的顶表面可以接触(例如，直接接触)种子图案140的底表面，并且第二扩散势垒图案130B的底表面可以接触(例如，直接接触)底部电极BE的顶表面。第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B可以一起被称作扩散势垒图案。
第一扩散势垒图案130A可包括第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金。在实施中，例如，第一非磁金属可包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V，并且例如，第一非金属元素可包括Si、N或B。在实施中，第一扩散势垒图案130A可由第一非磁金属、或者第一非磁金属和第一非金属元素的合金制成。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属的结晶层。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为第一非磁金属和第一非金属元素的合金的结晶层或非晶层。在实施中，第一扩散势垒图案130A可为由第一非磁金属制成的单一金属层。
第二扩散势垒图案130B可包括第二非磁金属、或者第二非磁金属和第二非金属元素的合金。在实施中，例如，第二非磁金属可包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V，并且例如，第二非金属元素可包括Si、N或B。在实施中，第二扩散势垒图案130B可由第二非磁金属、或者第二非磁金属和第二非金属元素的合金制成。在实施中，第二扩散势垒图案130B可为第二非磁金属的结晶层。在实施中，第二扩散势垒图案130B可为第二非磁金属和第二非金属元素的合金的结晶层或非晶层。在实施中，第二扩散势垒图案130B可为由第二非磁金属制成的单一金属层。在实施中，第二扩散势垒图案130B可包括与第一扩散势垒图案130A的材料不同的材料。
第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B可以有助于防止底部电极BE中的金属原子扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。在实施中，第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B可以有助于防止底部电极BE的晶体结构传递至种子图案140。在实施中，可以有助于防止底部电极BE的晶体结构通过种子图案140影响第一磁图案MP1的晶体结构和取向。
底部电极BE、第一扩散势垒图案130A和第二扩散势垒图案130B、和种子图案140中的每一个可在第一方向D1上具有厚度。第一扩散势垒图案130A的厚度130AT可以小于底部电极BE的厚度BE_T，并且可以小于种子图案140的厚度140T。第二扩散势垒图案130B的厚度130BT可以小于底部电极BE的厚度BE_T并且可以小于种子图案140的厚度140T。第二扩散势垒图案130B的厚度130BT可与第一扩散势垒图案130A的厚度130AT相同或不同。
根据当前实施例，可以防止种子图案140和第一磁图案MP1的结晶度劣化。结果，可以改进磁隧道结图案MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性，并且可以提高磁隧道结图案MTJ的高温可靠性。在实施中，磁隧道结图案MTJ可以不包括阻挡图案120，并且可以简化磁隧道结图案MTJ的结构。
图6是根据一些实施例的磁存储器装置的平面图，图7是沿着图6的线I-I’截取的剖视图。下文中，为了易于和便于解释，可以省略或简单提及对与参照图2至图5描述的相同的特征的描述。
参照图6和图7，下互连线102和下接触件104可位于衬底100上。下互连线102可在垂直于衬底100的顶表面100U的第一方向D1上与衬底100的顶表面100U间隔开。下接触件104可在衬底100与下互连线102之间，并且下互连线102中的每一个可通过接触件104中的对应的一个下接触件104电连接至衬底100。下互连线102和下接触件104可包括金属(例如，铜)。
选择元件(见图1的SE)可在衬底100中。例如，选择元件可为场效应晶体管。下互连线102中的每一个可通过对应的下接触件104电连接至选择元件中的对应的一个选择元件的一个端子。
下层间绝缘层106可位于衬底100上并且可以覆盖下互连线102和下接触件104。下互连线102中的最上面的下互连线102的顶表面可基本上与下层间绝缘层106的顶表面共面。最上面的下互连线102的顶表面可与下层间绝缘层106的顶表面位于基本上相同的高度。在本说明书中，术语‘高度’可意指在第一方向D1上从衬底100的顶表面100U起测量的距离。在实施中，例如，下层间绝缘层106可包括氧化物、氮化物或者氮氧化物。
第一层间绝缘层110可位于下层间绝缘层106上，并且可以覆盖最上面的下互连线102的顶表面。
多个下接触插塞115可在第一层间绝缘层110中。多个下接触插塞115可以在平行于衬底100的顶表面100U的第二方向D2和第三方向D3上彼此间隔开。第二方向D2和第三方向D3可以彼此交叉。多个下接触插塞115中的每一个可以穿过第一层间绝缘层110并且可连接至下互连线102中的对应的一个下互连线102。多个下接触插塞115可包括掺杂的半导体材料(例如，掺杂的硅)、金属(例如，钨、钛或钽)、金属半导体化合物(例如，金属硅化物)、或者导电金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽或者氮化钨)。
多个数据存储图案DS可位于第一层间绝缘层110上，并且可以在第二方向D2和第三方向D3上彼此间隔开。多个数据存储图案DS可分别位于多个下接触插塞115上，并且可分别连接至多个下接触插塞115。
多个数据存储图案DS中的每一个可包括顺序地堆叠在对应的下接触插塞115上的底部电极BE、磁隧道结图案MTJ和顶电极TE。底部电极BE可在对应的下接触插塞115与磁隧道结图案MTJ之间，并且磁隧道结图案MTJ可在底部电极BE与顶电极TE之间。磁隧道结图案MTJ可包括与参照图2至图5描述的磁隧道结图案MTJ之一的组件相同的组件。在实施中，如参照图2所述，磁隧道结图案MTJ可包括第一磁图案MP1、第二磁图案MP2、第一磁图案MP1与第二磁图案MP2之间的隧道势垒图案TBR、底部电极BE与第一磁图案MP1之间的种子图案140、底部电极BE与种子图案140之间的第一扩散势垒图案130A、底部电极BE与第一扩散势垒图案130A之间的阻挡图案120、第二磁图案MP2与顶电极TE之间的封盖图案160、以及第二磁图案MP2与封盖图案160之间的非磁图案150。
在实施中，第一层间绝缘层110的顶表面可在多个数据存储图案DS之间朝着衬底100凹进。保护绝缘层170可以围绕多个数据存储图案DS中的每一个的侧壁。保护绝缘层170可以覆盖底部电极BE、磁隧道结图案MTJ和顶电极TE的侧壁，并且当在平面图中观看时可以围绕底部电极BE、磁隧道结图案MTJ和顶电极TE的侧壁。保护绝缘层170可以从多个数据存储图案DS中的每一个的侧壁延伸至第一层间绝缘层110的凹进的顶表面110RU上。保护绝缘层170可以共形地覆盖第一层间绝缘层110的凹进的顶表面110RU。保护绝缘层170可包括氮化物(例如，氮化硅)。
第二层间绝缘层180可位于第一层间绝缘层110上并且可以覆盖多个数据存储图案DS。保护绝缘层170可在第二层间绝缘层180与多个数据存储图案DS中的每一个的侧壁之间，并且可在第二层间绝缘层180与第一层间绝缘层110的凹进的顶表面110RU之间延伸。
多个上互连线200可位于第二层间绝缘层180上。多个上互连线200可以在第二方向D2上延伸并且可以在第三方向D3上彼此间隔开。多个上互连线200中的每一个可连接至在第二方向D2上彼此间隔开的数据存储图案DS。
图8至图10是对应于图6的线I-I’的剖视图，用以示出根据一些实施例的制造磁存储器装置的方法中的各阶段。下文中，为了易于和便于解释，可以省略或简单提及对与参照图2至图7描述的相同的特征的描述。
参照图8，选择元件(见图1的SE)可以形成在衬底100中，并且下互连线102和下接触件104可形成在衬底100上。下互连线102中的每一个可通过下接触件104中的对应的一个下接触件104电连接至选择元件中的对应的一个选择元件的一个端子。下层间绝缘层106可形成在衬底100上，以覆盖下互连线102和下接触件104。下互连线102中的最上面的下互连线102的顶表面可基本上与下层间绝缘层106的顶表面共面。
第一层间绝缘层110可形成在下层间绝缘层106上，并且多个下接触插塞115可以形成在第一层间绝缘层110中。多个下接触插塞115中的每一个可以穿过第一层间绝缘层110并且可连接至下互连线102中的对应的一个下互连线102。在实施中，多个下接触插塞115的形成可包括：形成穿过第一层间绝缘层110的下接触孔、在第一层间绝缘层110上形成填充下接触孔的下接触层、以及平坦化下接触层直至暴露第一层间绝缘层110的顶表面为止。
底部电极层BEL和磁隧道结层MTJL可顺序地形成在第一层间绝缘层110上。在实施中，磁隧道结层MTJL可包括顺序地堆叠在底部电极层BEL上的阻挡层120L、第一扩散势垒层130AL、种子层140L、第一磁层ML1、隧道势垒层TBRL、第二磁层ML2、非磁层150L和封盖层160L。例如，可通过溅射工艺、化学气相沉积(CVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺来形成底部电极层BEL和磁隧道结层MTJL。
导电掩模图案210可形成在磁隧道结层MTJL上。导电掩模图案210可以限定将形成磁隧道结图案的区域。在实施中，例如，导电掩模图案210可包括金属(例如，Ta、W、Ru或Ir)或者导电金属氮化物(例如，TiN)。
参照图9，可利用导电掩模图案210作为蚀刻掩模顺序地蚀刻磁隧道结层MTJL和底部电极层BEL。因此，磁隧道结图案MTJ和底部电极BE可形成在第一层间绝缘层110上。底部电极BE可分别连接至下接触插塞115，并且磁隧道结图案MTJ可分别形成在底部电极BE上。
磁隧道结层MTJL的蚀刻可包括通过利用导电掩模图案210作为蚀刻掩模来顺序地蚀刻封盖层160L、非磁层150L、第二磁层ML2、隧道势垒层TBRL、第一磁层ML1、种子层140L、第一扩散势垒层130AL和阻挡层120L。因此，磁隧道结图案MTJ中的每一个可包括顺序地堆叠在底部电极BE中的每一个上的阻挡图案120、第一扩散势垒图案130A、种子图案140、第一磁图案MP1、隧道势垒图案TBR、第二磁图案MP2、非磁图案150和封盖图案160。
例如，蚀刻磁隧道结层MTJL和底部电极层BEL的蚀刻工艺可包括利用离子束的离子束蚀刻工艺。离子束可包括惰性气体离子。第一层间绝缘层110的顶表面可通过蚀刻工艺在磁隧道结图案MTJ之间凹进。因此，第一层间绝缘层110可在磁隧道结图案MTJ之间具有凹进的顶表面110RU。
在蚀刻工艺后，导电掩模图案210的剩余部分可分别保留在磁隧道结图案MTJ上。导电掩模图案210的剩余部分可用作顶电极TE。下文中，导电掩模图案210的剩余部分可被称作顶电极TE。顶电极TE、磁隧道结图案MTJ和底部电极BE可以构成数据存储图案DS，并且数据存储图案DS中的每一个可包括顺序地堆叠在对应的下接触插塞115上的底部电极BE、磁隧道结图案MTJ和顶电极TE。
参照图10，可在第一层间绝缘层110上形成保护绝缘层170，以覆盖数据存储图案DS。保护绝缘层170可形成为共形地覆盖数据存储图案DS中的每一个的顶表面和侧壁，并且可以沿着第一层间绝缘层110的凹进的顶表面110RU延伸。第二层间绝缘层180可形成在保护绝缘层170上，以覆盖数据存储图案DS。
再参照图7，第二层间绝缘层180和保护绝缘层170的一部分可被去除，以暴露数据存储图案DS中的每一个的顶电极TE的顶表面。上互连线200可形成在第二层间绝缘层180上并且可以覆盖顶电极TE的暴露的顶表面。上互连线200可电连接至顶电极TE。
根据实施例，至少一个扩散势垒图案130A可在种子图案140下方，因此可以有助于防止扩散势垒图案130A下方的下图案(例如，底部电极BE)中的金属原子扩散至种子图案140和种子图案140上的上图案(例如，第一磁图案MP1)中。结果，可以防止种子图案140和第一磁图案MP1的结晶度劣化，以改进磁隧道结图案MTJ的隧道磁电阻(TMR)特性和磁隧道结图案MTJ的高温可靠性。
通过总结和回顾，随着电子行业的发展，对高集成度和/或低功率磁存储器装置的要求越来越高。因此，已考虑满足这些要求。
因此，可以提供或实现具有改进的高温可靠性和TMR特性的磁存储器装置。
至少一个扩散势垒图案可在种子图案下方，因此可以防止扩散势垒图案下方的下图案(例如，底部电极)中的金属原子扩散至种子图案和种子图案上的上图案(例如，第一磁图案)中。因此，可以防止种子图案和第一磁图案的结晶度劣化。结果，可以改进磁隧道结图案的隧道磁电阻(TMR)特性，并且可以提高磁隧道结图案的高温可靠性。因此，可以提供或实现具有改进的高温可靠性和TMR特性的磁存储器装置。
一个或多个实施例可以提供能够提高高温可靠性的磁存储器装置。
一个或多个实施例可以提供能够改进隧道磁电阻(TMR)特性的磁存储器装置。
本文已经公开了示例实施例，尽管使用了特定术语，但仅在一般和描述性意义上使用和解释它们，而不是为了限制。在一些情况下，自提交本申请起对本领域普通技术人员将显而易见的是，除非另有明确指示，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可单独使用或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，可以在不脱离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上进行各种改变。
Claims (20)
1.一种磁存储器装置，包括：
衬底；
第一磁图案和第二磁图案，其顺序地堆叠在所述衬底上；
隧道势垒图案，其位于所述第一磁图案与所述第二磁图案之间；
底部电极，其位于所述衬底与所述第一磁图案之间；
种子图案，其位于所述底部电极与所述第一磁图案之间；以及
至少一个扩散势垒图案，其位于所述底部电极与所述种子图案之间，
其中：
所述至少一个扩散势垒图案的底表面接触所述底部电极的顶表面，并且所述至少一个扩散势垒图案的顶表面接触所述种子图案的底表面，
所述至少一个扩散势垒图案包括：
非磁金属，或者
所述非磁金属和非金属元素的合金，并且
所述非磁金属包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
2.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述非金属元素包括Si、N或B。
3.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中，所述至少一个扩散势垒图案是所述非磁金属的结晶层。
4.根据权利要求3所述的磁存储器装置，其中：
所述种子图案和所述至少一个扩散势垒图案中的每一个在垂直于所述衬底的顶表面的第一方向上具有厚度，并且
所述至少一个扩散势垒图案的厚度小于所述种子图案的厚度。
5.根据权利要求4所述的磁存储器装置，其中：
所述底部电极在所述第一方向上具有厚度，并且
所述至少一个扩散势垒图案的厚度小于所述底部电极的厚度。
6.根据权利要求5所述的磁存储器装置，其中，所述至少一个扩散势垒图案的厚度在
至
的范围内。
7.根据权利要求1所述的磁存储器装置，其中：
所述至少一个扩散势垒图案包括：
邻近于所述种子图案的第一扩散势垒图案；以及
邻近于所述底部电极的第二扩散势垒图案，
所述第一扩散势垒图案包括第一非磁金属、或者所述第一非磁金属和第一非金属元素的合金，
所述第二扩散势垒图案包括第二非磁金属、或者所述第二非磁金属和第二非金属元素的合金，并且
所述第一非磁金属和所述第二非磁金属中的每一个独立地包括Ta、W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
8.根据权利要求7所述的磁存储器装置，其中，所述第一非金属元素和所述第二非金属元素中的每一个包括Si、N或B。
9.根据权利要求7所述的磁存储器装置，其中，所述第二扩散势垒图案包括与所述第一扩散势垒图案的材料不同的材料。
10.一种磁存储器装置，包括：
衬底；
第一磁图案和第二磁图案，其顺序地堆叠在所述衬底上；
隧道势垒图案，其位于所述第一磁图案与所述第二磁图案之间；
底部电极，其位于所述衬底与所述第一磁图案之间；
种子图案，其位于所述底部电极与所述第一磁图案之间；以及
第一扩散势垒图案，其位于所述底部电极与所述种子图案之间，
其中：
所述第一扩散势垒图案包括：
第一非磁金属，或者
所述第一非磁金属和第一非金属元素的合金，并且
所述第一非磁金属包括W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
11.根据权利要求10所述的磁存储器装置，其中，所述第一非金属元素包括Si、N或B。
12.根据权利要求10所述的磁存储器装置，还包括所述底部电极与所述第一扩散势垒图案之间的阻挡图案，
其中，所述阻挡图案包括非晶金属层。
13.根据权利要求12所述的磁存储器装置，其中，所述第一扩散势垒图案是所述第一非磁金属的结晶层。
14.根据权利要求13所述的磁存储器装置，其中：
所述阻挡图案和所述第一扩散势垒图案中的每一个在垂直于所述衬底的顶表面的第一方向上具有厚度，并且
所述第一扩散势垒图案的厚度小于所述阻挡图案的厚度。
15.根据权利要求14所述的磁存储器装置，其中：
所述种子图案在所述第一方向上具有厚度，并且
所述第一扩散势垒图案的厚度小于所述种子图案的厚度。
16.根据权利要求10所述的磁存储器装置，其中，所述第一磁图案和所述第二磁图案中的每一个的磁化方向实质上垂直于所述第一磁图案与所述隧道势垒图案的界面。
17.一种磁存储器装置，包括：
衬底；
第一磁图案和第二磁图案，其顺序地堆叠在所述衬底上；
隧道势垒图案，其位于所述第一磁图案与所述第二磁图案之间；
底部电极，其位于所述衬底与所述第一磁图案之间；
种子图案，其位于所述底部电极与所述第一磁图案之间；以及
第一扩散势垒图案，其位于所述底部电极与所述种子图案之间，
其中：
所述第一扩散势垒图案是第一非磁金属的结晶层，并且
所述第一非磁金属包括W、Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Mo、Al、Mg或V。
18.根据权利要求17所述的磁存储器装置，其中：
所述种子图案和所述第一扩散势垒图案中的每一个在垂直于所述衬底的顶表面的第一方向上具有厚度，并且
所述第一扩散势垒图案的厚度小于所述种子图案的厚度。
19.根据权利要求17所述的磁存储器装置，还包括所述底部电极与所述第一扩散势垒图案之间的阻挡图案，
其中，所述阻挡图案包括非晶金属层。
20.根据权利要求19所述的磁存储器装置，其中：
所述种子图案、所述第一扩散势垒图案和所述阻挡图案中的每一个在垂直于所述衬底的顶表面的第一方向上具有厚度，并且
所述第一扩散势垒图案的厚度小于所述种子图案的厚度并且小于所述阻挡图案的厚度。
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