專利名稱：磁存儲器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體存儲器件，更具體而言涉及一種磁存儲器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
磁存儲器件利用磁場來儲存信息，且顯示出低功耗、耐久性和操作速度快的特點(diǎn)。另外，磁存儲器件是即使在斷電之后仍保留數(shù)據(jù)的非易失性器件，被認(rèn)為是下一代存儲器 件。示例出的磁存儲器件是磁阻隨機(jī)存取存儲(MRAM)器件，所述磁阻隨機(jī)存取存儲器件是利用隧道磁阻(TMR)效應(yīng)形成千兆比特容量的非易失性存儲器。這里，TMR效應(yīng)出現(xiàn)在包括一對鐵磁層和位于這一對鐵磁層之間的隧道絕緣層的結(jié)構(gòu)中。由于鐵磁層之間很少存在交換耦合，因此即使在低磁場的情況下也可以獲得較大的磁阻。相比于巨磁阻(GMR)器件，在儲存信息時(shí)TMR器件具有良好的磁阻特性和較低的開關(guān)電流。由于磁存儲器件的開關(guān)電流特性是決定電流消耗總量的參數(shù)，因此減少開關(guān)電流對于提高磁存儲器件的集成密度而言是有幫助的。即使通過增加隧道絕緣層的厚度而減少了 TMR器件的開關(guān)電流，但當(dāng)隧道絕緣層的厚度增加時(shí)磁阻也會(huì)減小。另一方面，當(dāng)降低隧道絕緣層的厚度以增加磁阻時(shí)，產(chǎn)品的可靠性和耐久性變差且編程電流增加。需要一種解決上述問題的方法，其中，例如可以優(yōu)化自由層的組成和體積以減少開關(guān)電流。這樣，通過減少自由層的體積，可以減少開關(guān)電流，但是TMR效應(yīng)和熱穩(wěn)定性可能變差。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，一種磁存儲器件包括第一固定層；第一隧道勢壘，所述第一隧道勢壘與第一固定層耦合；自由層，所述自由層與第一隧道勢壘耦合，且具有包括第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層的層疊結(jié)構(gòu)；第二隧道勢壘，所述第二隧道勢壘與自由層耦合；以及第二固定層，所述第二固定層與第二隧道勢壘耦合。根據(jù)不例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種磁存儲器件，包括第一固定層；第一隧道勢壘，所述第一隧道勢壘與第一固定層耦合，且包括氧化鎂(MgO);自由層，所述自由層與第一隧道勢壘耦合，且具有包括第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層的層疊結(jié)構(gòu)；第二隧道勢壘，所述第二隧道勢壘與自由層耦合且包括氧化鎂；以及第二固定層，所述第二固定層與第二隧道勢壘耦合。根據(jù)示例性實(shí)施例的又一個(gè)方面，提供一種制造磁存儲器件的方法。所述方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成種層，所述半導(dǎo)體襯底上形成有下導(dǎo)電層；在種層上形成第一固定層；在第一固定層上形成第一隧道勢壘；通過在第一隧道勢壘上層疊第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層來形成自由層，其中，所述自由層包括所述第一鐵磁層、所述氧化物隧道間隔件和所述第二鐵磁層；在自由層上形成第二隧道勢壘；在第二隧道勢壘上形成第二固定層；以及在第二固定層上形成覆蓋層。下面將在標(biāo)題為“具體實(shí)施方式
”的部分中描述以上這些和其它的特征、方面和實(shí)施例。


從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將更加清楚地理解本發(fā)明主題的上述和其它的方面、特征和其它的優(yōu)點(diǎn)，其中圖I是圖示根據(jù)第一示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置的圖；
圖2是圖示根據(jù)第二示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置的圖；圖3是圖示根據(jù)第三示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置的圖；圖4是圖示根據(jù)第四示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置的圖；圖5是圖示圖4的磁存儲器件中的自由層之間的耦合特性的圖；以及圖6是圖示根據(jù)第五示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置的圖。
具體實(shí)施例方式本文參照示例性實(shí)施例的截面圖(以及中間結(jié)構(gòu))來描述示例性實(shí)施例。然而，附圖中所示的部分和形狀僅僅是示例性的，可以根據(jù)各種制造技術(shù)和/或設(shè)計(jì)考慮而變化。在附圖的部分中，為了圖示清楚，示例性實(shí)施例中的層和區(qū)域的長度和大小可以是經(jīng)夸大處理的。在全部附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。在說明書中，當(dāng)提及一個(gè)層在另一個(gè)層或襯底“上”時(shí)，其可以是直接在所述另一個(gè)層或襯底上，或者還可以存在中間層。下面參照附圖來描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖I是根據(jù)第一示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置圖。參見圖I，磁存儲器件10包括順序地形成在半導(dǎo)體襯底(未示出)上的種層(seedlayer) 101、固定層103、隧道勢壘105、自由層107、隧道間隔件109和覆蓋層111，所述半導(dǎo)體襯底上形成有下導(dǎo)電層(未示出)。例如，可以通過順序地層疊第一鐵磁層、非磁性層和第二鐵磁層來形成固定層103。根據(jù)一個(gè)例子，第一鐵磁層和第二鐵磁層可以由含有鈷鐵(CoFe)的化合物材料形成，非磁性層可以由不具有磁性的金屬材料、例如釕(Ru)形成?？梢岳醚趸V(MgO)來形成隧道勢魚105。當(dāng)利用MgO形成隧道勢魚105時(shí),在室溫下隧道磁阻(TMR)可以增加約10倍。也可以利用MgO來形成在自由層107上形成的隧道間隔件109。當(dāng)利用MgO形成隧道間隔件109時(shí)，可以在自由層107中引入部分垂直磁各向異性(PMA)效應(yīng)，因而可以獲得低的開關(guān)電流。圖2是根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置圖。參見圖2，磁存儲器件20包括順序地形成在半導(dǎo)體襯底(未示出)上的種層201、第一固定層203、第一隧道勢壘205、自由層207、第二隧道勢壘209、第二固定層211和覆蓋層213，所述半導(dǎo)體襯底上形成有下導(dǎo)電層(未示出)?？梢岳煤蠧oFe的化合物材料、諸如CoFeB形成第一固定層203、自由層207和第二固定層211。可以利用MgO形成第一隧道勢壘205和第二隧道勢壘209。在根據(jù)第二示例性實(shí)施例的磁存儲器件20中，相對于自由層207利用MgO來形成雙隧道勢壘205和209從而增加有效的自旋轉(zhuǎn)移特性，因而獲得低的開關(guān)電流。圖3是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置圖。參見圖3，磁存儲器件30包括順序地形成在半導(dǎo)體襯底(未示出)上的種層301、固定層303、隧道勢壘305、第一自由層307、隧道間隔件309、第二自由層311和覆蓋層313，所述半導(dǎo)體襯底上形成有下導(dǎo)電層(未示出)。例如，可以通過順序地層疊第一鐵磁層、非磁性層和第二鐵磁層來形成固定層·303。具體地，第一鐵磁層和第二鐵磁層可以由含有CoFe作為成分的化合物材料形成，非磁性層可以由諸如Ru的非磁性金屬材料形成?？梢岳煤蠧oFe的化合物材料、諸如CoFeB來形成第一自由層307和第二自由層311，可以利用諸如Ru的非磁性材料將隧道間隔件309形成在第一自由層307與第二自由層311之間?？梢岳肕gO來形成隧道勢壘305。根據(jù)一個(gè)例子，第一自由層307和第二自由層311可以通過由Ru形成的隧道間隔件309而耦合，因此可以獲得適當(dāng)?shù)臒岱€(wěn)定性。圖4是根據(jù)第四示例性實(shí)施例的磁存儲器件40的配置圖。參見圖4，根據(jù)第四示例性實(shí)施例的磁存儲器件40包括順序地形成的種層401、第一固定層403、第一隧道勢壘405、自由層407、第二隧道勢壘409、第二固定層411和覆蓋層413。在第四示例性實(shí)施例中，可以利用鉭(Ta)、Ru、鉬錳(PtMn)、鉻(Cr)、鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)來形成種層401和覆蓋層413。替代地，種層401和覆蓋層413可以由上述金屬材料的組合、例如Ta/Ru來形成。可以利用選自CoFe、CoFeB, CoFeBTa和CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料來形成第一固定層403和第二固定層411?？梢酝ㄟ^將選自PtMn/CoFe、PtMn/CoFeB、PtMn/CoFeBTa或PtMn/CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料及反鐵磁合金層疊來形成第一固定層403和第二固定層411。另外，可以利用含有Fe的合金(例如，F(xiàn)ePt、FePtB、FePd或FePdB)或利用含有Co的合金(例如，CoPt, CoPtB, CoPd或CoPdB)來形成第一固定層403和第二固定層411?？梢岳眠x自CoFe、CoFeBXoFeBTa或CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料來形成構(gòu)成自由層407的第一鐵磁層471和第二鐵磁層475。自由層407的隧道間隔件473耦合在第一鐵磁層471與第二鐵磁層475之間，且可以是諸如MgO的氧化物間隔件?？梢岳弥T如氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉿(HfO2)或氧化鉭(Ta2O3)的金屬氧化物來形成隧道間隔件473。而且，可以利用射頻(RF)濺射法或脈沖直流(DC)濺射法來沉積隧道間隔件473。當(dāng)將金屬氧化物用于隧道間隔件473時(shí)，可以通過沉積金屬材料并氧化所述金屬材料來形成隧道間隔件473。
可以利用MgO來形成第一隧道勢魚405和第二隧道勢魚409。當(dāng)MgO用作磁存儲器件的隧道勢壘(405和409)時(shí)，MgO是能夠在室溫下將TMR增加約10倍的材料。在第四示例性實(shí)施例中，第一隧道勢壘405形成在第一固定層403與自由層407之間，第二隧道勢壘409形成在自由層407與第二固定層411之間，從而形成雙隧道勢壘。因此，可以實(shí)質(zhì)地形成雙MTJ(magnetic tunnel junction,磁隧道結(jié))結(jié)構(gòu)，因而可以最大化TMR效應(yīng)。另外，借助于處在第一隧道勢壘405與自由層407之間的表面邊界上的、以及處在第二隧道勢壘409與自由層407之間的表面邊界上的氧化物與鐵磁層之間的結(jié)所產(chǎn)生的部分PMA效應(yīng)，可以最小化/減少開關(guān)電流。這里，即使構(gòu)成自由層407的兩個(gè)鐵磁層471和475厚度形成得薄，但MgO隧道間隔件473耦合在兩個(gè)鐵磁層471和475之間使得自由層407具有足夠的總體積。另外，可以通過第一鐵磁層471與第二鐵磁層475之間的MgO隧道間隔件473來獲得部分PMA。因此，MgO隧道間隔件473引起兩個(gè)鐵磁層471和475鐵磁性地耦合或反鐵磁性地耦合，在這種情況下，獲得了自由層207的足夠的總體積以最大化熱穩(wěn)定性，且同時(shí)在這兩個(gè)鐵磁層471和475與隧道間隔件473之間的表面邊界中產(chǎn)生部分PMA效應(yīng)以減小開關(guān)電流。 圖5是圖示圖4的磁存儲器件中的自由層之間的耦合特性的圖。圖5示出了在兩個(gè)鐵磁層之間引入MgO的情況下接觸表面的耦合特性。在鐵磁性耦合特性的情況㈧下，可以看到，當(dāng)用作隧道間隔件的MgO具有O. 9nm的厚度時(shí)，交換耦合能量(J(erg/cm2))最大。在反鐵磁性耦合特性的情況⑶下，可以看至IJ，當(dāng)MgO隧道間隔件具有O. 6至O. 7nm的厚度時(shí)，交換耦合能量(J(erg/cm2))最大。也就是說，當(dāng)在鐵磁層之間插入MgO隧道間隔件時(shí)，鐵磁性和反鐵磁性耦合特性都是良好的且兩個(gè)鐵磁層在磁性/鐵磁性狀態(tài)下耦合，因而當(dāng)將MgO隧道間隔件應(yīng)用于自由層時(shí)，可以獲得自由層的足夠體積，且可以減小/最小化鐵磁層的相應(yīng)厚度。盡管示出了如上所述的水平磁存儲器件，但是本發(fā)明的示例性實(shí)施例不限于此，根據(jù)本發(fā)明的示例性磁存儲器件也可以應(yīng)用于垂直磁存儲器件。圖6是根據(jù)第五示例性實(shí)施例的磁存儲器件的配置。根據(jù)第五示例性實(shí)施例的磁存儲器件50包括順序地形成的種層501、第一固定層503、第一隧道勢壘505、自由層507、第二隧道勢壘509、第二固定層511和覆蓋層513。構(gòu)成各個(gè)層的材料與圖4所示的磁存儲器件40相似。根據(jù)一個(gè)例子，可以利用CoFeB形成第一固定層503和第二固定層511以及第一鐵磁層571和第二鐵磁層575,可以利用MgO形成第一隧道勢壘505和第二隧道勢壘509以及隧道間隔件573。由于MgO隧道間隔件573稱合在第一鐵磁層571與第二鐵磁層575之間，因此第一鐵磁層571和第二鐵磁層575可以形成得薄(例如，2. 2nm或小于2. 2nm)，且可以獲得水平磁存儲器件的適宜特性。這里，自由層507能夠反鐵磁性地耦合和鐵磁性地耦合。根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的磁存儲器件具有良好的TMR特性。另外，可以最小化/減小開關(guān)電流，且同時(shí)可以最大化熱穩(wěn)定性，從而可以實(shí)現(xiàn)存儲器件的微型化。根據(jù)示例性實(shí)施例，使用氧化物的隧道勢壘形成在第一固定層與自由層之間以及自由層與第二固定層之間，以最大化TMR效應(yīng)并在氧化物與鐵磁材料之間的表面邊界中引入部分PM，從而最小化開關(guān)電流。
盡管在最小化/減小開關(guān)電流時(shí)熱穩(wěn)定性和自由層的體積有減小的傾向，但是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，自由層由第一鐵磁層、隧道間隔件和第二鐵磁層形成，且使用氧化物的隧道間隔件會(huì)引起第一鐵磁層和第二鐵磁層鐵磁性地耦合或反鐵磁地耦合。因此，盡管構(gòu)成自由層的第一鐵磁層和第二鐵磁層形成得薄，但也可以減少開關(guān)電流并獲得自由層的足夠的體積以最大化熱穩(wěn)定性。盡管以上已經(jīng)描述了特定的實(shí)施例，但是將會(huì)理解的是，描述的實(shí)施例僅僅是示例性的。因此，本發(fā)明不應(yīng)限于公開的具體實(shí)施例，權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被廣義地解釋為包括根據(jù)示例性實(shí)施例的所有合理適用的實(shí)施例?！?br> 權(quán)利要求
1.一種磁存儲器件，包括 第一固定層； 第一隧道勢壘，所述第一隧道勢壘與所述第一固定層耦合； 自由層，所述自由層與所述第一隧道勢壘耦合，且具有包括第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層的層疊結(jié)構(gòu)； 第二隧道勢壘，所述第二隧道勢壘與所述自由層耦合；以及 第二固定層，所述第二固定層與所述第二隧道勢壘耦合。
2.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述氧化物隧道間隔件包括氧化鎂MgO。
3.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述氧化物隧道間隔件包括選自氧化鋁Al2O3、氧化鈦TiO2、氧化鉿HfO2和氧化鉭Ta2O3中的任一種。
4.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一隧道勢壘和所述第二隧道勢壘每個(gè)包括MgO。
5.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一固定層和所述第二固定層每個(gè)包括含有鈷鐵CoFe作為成分的化合物材料。
6.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一固定層和所述第二固定層每個(gè)具有反鐵磁合金與含有CoFe作為成分的化合物材料層疊的結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一固定層和所述第二固定層每個(gè)包括含有Fe的合金。
8.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一固定層和所述第二固定層每個(gè)包括含有Co的合金。
9.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層每個(gè)包括選自含有CoFe的材料組中的材料。
10.一種磁存儲器件，包括 第一固定層； 第一隧道勢壘，所述第一隧道勢壘與所述第一固定層耦合，且包括氧化鎂MgO ； 自由層，所述自由層與所述第一隧道勢壘耦合，且具有包括第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層的層疊結(jié)構(gòu)； 第二隧道勢壘，所述第二隧道勢壘與所述自由層耦合，且包括氧化鎂MgO ；以及 第二固定層，所述第二固定層與所述第二隧道勢壘耦合。
11.如權(quán)利要求10所述的磁存儲器件，其中，所述氧化物隧道間隔件包括氧化鎂MgO。
12.如權(quán)利要求10所述的磁存儲器件，其中，所述第一固定層和所述第二固定層每個(gè)包括含有鈷鐵CoFe作為成分的化合物材料。
13.如權(quán)利要求10所述的磁存儲器件，其中，所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層每個(gè)包括含有CoFe作為成分的化合物材料。
14.一種制造磁存儲器件的方法，包括以下步驟 在半導(dǎo)體襯底上形成種層，所述半導(dǎo)體襯底上形成有下導(dǎo)電層； 在種層上形成第一固定層； 在所述第一固定層上形成第一隧道勢壘； 通過在所述第一隧道勢壘上層疊第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層來形成自由層，其中，所述自由層包括所述第一鐵磁層、所述氧化物隧道間隔件和所述第二鐵磁層； 在所述自由層上形成第二隧道勢壘； 在所述第二隧道勢壘上形成第二固定層；以及 在所述第二固定層上形成覆蓋層。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述氧化物隧道間隔件包括氧化鎂MgO。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述氧化物隧道間隔件包括選自氧化鋁Al2O3、氧化鈦TiO2、氧化鉿HfO2和氧化鉭Ta2O3中的任一種。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第一隧道勢壘和所述第二隧道勢壘每個(gè)包括 MgO。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第一固定層和所述第二固定層每個(gè)包括含有鈷鐵CoFe作為成分的化合物材料。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層每個(gè)包括含有CoFe作為成分的化合物材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁存儲器件及其制造方法，所述磁存儲器件包括第一固定層；第一隧道勢壘，所述第一隧道勢壘與第一固定層耦合；自由層，所述自由層與第一隧道勢壘耦合，且具有包括第一鐵磁層、氧化物隧道間隔件和第二鐵磁層的層疊結(jié)構(gòu)；第二隧道勢壘，所述第二隧道勢壘與自由層耦合；以及第二固定層，所述第二固定層與第二隧道勢壘耦合。
文檔編號H01L43/08GK102916124SQ20111038406
公開日2013年2月6日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者鄭東河, 樸基善, 金國天 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司