專利名稱：具有提高的磁性層厚度余量的磁存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路器件，更具體地，涉及一種具有提高的磁性層厚度余量的磁存儲器件。
背景技術(shù)：
除了高操作速度和低功耗之外，快速的寫入/讀取操作和低操作電壓也是嵌入在電子設(shè)備中的存儲器件的有用特性。已經(jīng)提出磁存儲器件來滿足所述有用的特性。磁存儲器件可以具有高速操作和/或非易失性的特性。通常，磁存儲器件可以包括磁隧道結(jié)(以下，稱為MTJ)。MTJ可以包括一對磁性層和插入在這一對磁性層之間的由絕緣材料構(gòu)成的絕緣層。MTJ的電阻可以基于這一對磁性層的磁化方向而改變。例如，當(dāng)這兩個磁性層的磁化方向相互反向平行(anti-parallel)時，MTJ的電阻為“高”，而當(dāng)這兩個磁性層的磁化方向相互平行時，MTJ的電阻為“低”。因此，MTJ可以具有不同的電阻，并且可以根據(jù)電阻差異來讀取/寫入數(shù)據(jù)。隧道磁阻(tunnel magnetoresistance, TMR)是決定MTJ特性的參數(shù)，構(gòu)成MTJ的兩個磁性層在其厚度方面可以具有特定的差，以確保MTJ的穩(wěn)定的特征。然而，像半導(dǎo)體存儲器件那樣，磁存儲器件的集成密度可被提高，從而可能難以保證兩個磁性層厚度的ioA或更大的余量。此外，雖然將MTJ設(shè)計成保證上述余量，但是在制造過程中余量可能被降低得更多，因此在兩個磁性層之間可能不會產(chǎn)生期望的TMR差。因此，MTJ的操作可能不會正確地執(zhí)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實施例提供一種磁存儲器件，所述磁存儲器件能夠在構(gòu)成磁隧道結(jié)(MTJ)的磁性層厚度余量相對小的情況下保證所述磁性層之間恒定的隧道磁阻(TMR)差。根據(jù)一個示例性實施例的一個方面，一種磁存儲器件包括第一磁性層，所述第一磁性層具有固定的磁化方向；磁化固定層，所述磁化固定層形成在第一磁性層上；隧道勢壘層，所述隧道勢壘層形成在磁化固定層上；以及第二磁性層，所述第二磁性層形成在隧道勢壘層上并具有可變的磁化方向。根據(jù)一個示例性實施例的另一個方面，一種磁存儲器件包括半導(dǎo)體襯底；第一電極線，所述第一電極線形成在半導(dǎo)體襯底上；下緩沖層，所述下緩沖層形成在第一電極線上；第一磁性層，所述第一磁性層形成在下緩沖層上并具有固定的磁化方向；磁化增強層，所述磁化增強層形成在第一磁性層上并增加第一磁性層的磁化力；擴散阻擋層，所述擴散阻擋層形成在磁化增強層上并阻擋磁化增強層的成分的擴散；隧道勢壘層，所述隧道勢壘層形成在擴散阻擋層上；第二磁性層，所述第二磁性層形成在隧道勢壘層上；上緩沖層，所述上緩沖層形成在第二磁性層上；以及第二電極線，所述第二電極線形成在上緩沖層上。根據(jù)一個示例性實施例的另一個方面，一種磁存儲器件包括第一 MTJ，所述第一MTJ包括層疊的固定磁性層、磁化增強層、擴散阻擋層、隧道勢壘層和自由磁性層；絕緣層，所述絕緣層形成在第一 MTJ上；以及第二 MTJ，所述第二 MTJ形成在絕緣層上。下面在標(biāo)題為“具體實施方式
”的部分中描述這些以及其它特征、方面和實施例。


從下列結(jié)合附圖的詳細描述中將會更清楚地理解本發(fā)明主題的上述和其它方面、 特征以及其它優(yōu)點，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的磁存儲器件的立體圖；圖2A至圖2D是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的磁存儲器件的磁隧道結(jié)的截面圖；圖3至圖5是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的具有圖2D所示的磁隧道結(jié)的磁存儲器件的截面圖；圖6至圖7是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的層疊的磁隧道結(jié)的截面圖；以及圖8是說明電阻與磁場的關(guān)系的曲線圖，其中，自旋行為特性表明的是，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例插入磁化固定層時，磁隧道結(jié)根據(jù)磁場而磁化。
具體實施例方式本文參照示例性實施例(及中間結(jié)構(gòu))的截面圖描述示例性實施例。然而，附圖中的比例和形狀僅是示例性的，并且可以根據(jù)不同的制造技術(shù)和/或設(shè)計考慮而進行變化。在附圖的部分中，為了清楚的目的，可能對示例性實施例的層和區(qū)域的長度和尺寸做了夸大處理。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。在說明書中，當(dāng)提及一層在另一層“上”或在襯底“上”時，其可以直接在另一層上或襯底上，或者還可以存在中間層。圖I是說明根據(jù)一個示例性實施例的磁存儲器陣列的立體圖，圖2A是說明根據(jù)一個示例性實施例的磁存儲器陣列的磁隧道結(jié)(MTJ)的截面圖。參照圖1，MTJ 10連接在多個字線20與多個位線30之間。多個字線20可以沿著圖I的X方向延伸，多個位線30可以沿著圖I的Y方向延伸。MTJ 10被設(shè)置在多個字線20與多個位線30的交叉處。如圖2A所示，MTJ 10可以包括第一磁性層120、磁化固定層130、隧道勢壘層150和第二磁性層160。第一磁性層120是磁化方向固定的磁性層，并且可以具有平面外(out-of-plane)的(垂直的)磁各向異性。第一磁性層120通過隧道勢壘層150與第二磁性層160分隔開。即，第一磁性層120的磁化方向垂直于它的表面。雖然第一磁性層120包括例如CoFeB材料，但并非限于此，可以使用各種磁性物質(zhì)。磁化固定層130被插入在第一磁性層120與隧道勢壘層150之間，以控制第一磁性層120的自旋行為。磁化固定層130用于調(diào)整使第一磁性層120的磁化方向反轉(zhuǎn)的磁場范圍。例如，由于磁化固定層130與第一磁性層120耦接，因此磁化固定層130提高了第一磁性層120的磁化方向開始反轉(zhuǎn)時的磁場的臨界值。所以，不必針對磁化反轉(zhuǎn)而增加磁化電流的強度。第一磁性層120保持恒定的磁阻，使得雖然第一磁性層120的厚度可能被減少，但第一磁性層120可以通過磁化固定層130而保持恒定的矯頑力。磁化固定層130可以被稱為磁化增強層。磁化固定層130可以包括錳(Mn)合金材料，例如，PtMn層或者FeMn層。當(dāng)磁化固定層130被形成在與第二磁性層160的表面相對置的第一磁性層120的表面上時，磁化固定層130的特性會更佳。第一磁性層120與第二磁性層160之間的矯頑力之差對于MTJ 10正確操作而言是重要的。如上所述，磁化固定層130可以被布置在第一磁性層120的與第二磁性層160的表面實質(zhì)上相對置的表面上。也就是說，與磁化固定層130被設(shè)置在第一磁性層120底部的情況相比，由于盡管第二磁性層160的磁化方向改變，但是磁化固定層130可以固定第一磁性層120的磁化方向，因此可以減輕磁化方向被反轉(zhuǎn) 的現(xiàn)象以及提高磁化固定層130的特性。隧道勢壘層150被設(shè)置在磁化固定層130與第二磁性層160之間。隧道勢壘層150可以包括絕緣層或半導(dǎo)體層。絕緣層可以包含選自氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)以及氧化鐿(Yb2O3)中的至少一種。第二磁性層160可以形成在隧道勢壘層150上，第二磁性層160的磁化方向根據(jù)施加給第二磁性層160的磁場而可變。特別地，磁化方向響應(yīng)于磁場的值而被反轉(zhuǎn)。據(jù)此，第二磁性層160可以被稱為自由磁性層。如圖2B所示，也可以形成具有平面內(nèi)(in-plane)(水平)磁各向異性的第一磁性層120a和第二磁性層160a。S卩，第一磁性層120a和第二磁性層160a具有平行于它們的表面的磁化方向。另外，如圖2C所示，可以順序地層疊第二磁性層160、隧道勢壘層150、磁化固定層130以及第一磁性層120。圖2A至圖2C中所示的MTJ還可以包括原子捕獲層。如圖2D所示，還可以在圖2A所示的隧道勢壘層150與磁化固定層130之間插入原子捕獲層140。原子捕獲層140包括含有硼(B)和氮(N)中的至少一種的化合物，并且阻擋磁化固定層130的主要成分，例如錳成分，向隧道勢壘層150擴散。因此，在本示例性實施例中，插入含有B或N的化合物或合金材料作為擴散阻擋層，即原子捕獲層140，以便利用化學(xué)鍵阻擋Mn成分的擴散。此外，原子捕獲層140被設(shè)置在隧道勢壘層150之下，并且阻擋Mn成分擴散到隧道勢壘層150中。原子捕獲層 140 包含選自 CoPtB、CoPdB、FePtB、FePdB、CoFePtB、CoFePdB、CoPtN、CoPdN、FePtN、FePdN, CoFePtN, CoFePdN, CoPtBN, CoPdBN, FePtBN, FePdBN, CoFePtBN, CoFePdB, CoFeN 和CoFeBN中的任一種。雖然Mn金屬化合物具有通過與磁性層交換耦合提高磁性層極性的特性，但是難以在隧道勢壘層150附近形成Mn金屬化合物，因為Mn成分在熱處理過程的高溫下擴散。然而，在本示例性實施例中，由于在磁化固定層130上額外地形成有原子捕獲層140，因此原子捕獲層140阻擋Mn成分向隧道勢壘層150和第二磁性層160擴散。具有N成分的原子捕獲層140使形成隧道勢壘層150的材料的結(jié)晶取向增強，并且還用作隧道勢魚層150的晶種層(seed layer)。當(dāng)CoFeBN層被用于原子捕獲層140時，B成分可在熱處理過程中從組合物中逸出。逸出的B成分和磁化固定層130的Mn成分可以在原子捕獲層140內(nèi)結(jié)合，從而可以防止晶體結(jié)構(gòu)的變形。原子捕獲層140可以應(yīng)用于圖2B和圖2C的結(jié)構(gòu)以及圖2A的結(jié)構(gòu)中。圖3是磁存儲器件的截面圖，在所述磁存儲器件 中，在圖I的字線20與位線30之間插入有圖2D所示的MTJ 10。雖然，下電極線被稱為字線20，上電極線被稱為位線30，但下電極線可以被稱為位線，上電極線可以被稱為字線。另外，下電極線可以被稱為下電極，上電極線可以被稱為上電極。如圖4所示，在字線20與第一磁性層120之間(或在位線30與第二磁性層160之間)可以插入緩沖層IlOa (或110b)。緩沖層IlOa和緩沖層IlOb可以包含金(Au)、釕(Ru)、鉭(Ta)、銅(Cu)、氮化銅(CuN)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、或者類金剛石碳材料。緩沖層IlOa和緩沖層IlOb被形成作為MTJ 10的外層，以便緩沖層IlOa和緩沖層IlOb用于將MTJ 10
與其它器件結(jié)合。參照圖5，還可以在下緩沖層IlOa與第一磁性層120之間插入反鐵磁性層115。反鐵磁性層115可以被另外地設(shè)置在第一磁性層120之下，以增強第一磁性層120的磁化。
圖6示出了根據(jù)另一個示例性實施例的層疊的MTJ“MM”。參照圖6，層疊的MTJ“MM”包括第一 MTJ IOa和層疊在第一 MTJ IOa上的第二 MTJ 10b。第一 MTJlOa包括順序?qū)盈B的下緩沖層110a、第一磁性層120、磁化固定層130、原子捕獲層140、隧道勢壘層150、第二磁性層160和上緩沖層110b。第二 MTJ IOb具有與第一 MTJ IOa相同的層疊結(jié)構(gòu)。在第一MTJ IOa與第二 MTJ IOb之間可以插入絕緣層200，并且第一 MTJ IOa和第二 MTJ IOb可以具有相同的矯頑力或彼此不同的矯頑力。如圖7所示，第一 MTJ IOa和第二 MTJ IOb可以以夾著有絕緣層200地對稱的方
式布置。根據(jù)上述示例性實施例，磁化固定層130被設(shè)置在第一磁性層120上。因此，在第一磁性層120與磁化固定層130之間的接觸邊界處產(chǎn)生交換偏置，使得在第一磁性層120的一個表面上相對地增強了磁化力。圖8是示出磁場強度H與電阻R的關(guān)系的曲線圖，所述曲線圖示出了自旋行為特性，其中，(a)示出插入有磁化固定層的情況，(b)示出相關(guān)領(lǐng)域中未插入磁化固定層的情況。參照圖8，當(dāng)插入磁化固定層130時(情況(a))，與未插入磁化固定層的情況(b)相比，磁性增加了。即，在情況(b)中，當(dāng)施加相對較大的磁場時，產(chǎn)生磁性。因此，通過在第一磁性層120的表面上形成磁化固定層130，磁性即第一磁性層120的矯頑力增加。雖然幾乎沒有第一磁性層120和和第二磁性層160的厚度余量，但是通過提高使第一磁性層120的磁化反轉(zhuǎn)的磁場的閾值，可以提高MTJ的電特性。根據(jù)示例性實施例，通過在磁化固定層130上形成原子捕獲層140，可以防止構(gòu)成磁化固定層130的材料的擴散，從而可以提高隧道勢壘層150的電特性和結(jié)晶取向。雖然上文已經(jīng)描述了特定的實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，實施例僅是以實例的方式描述的。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)限定為具體公開的實施例，權(quán)利要求書應(yīng)當(dāng)被廣泛地解釋為包括與示例性實施例一致的所有合理適用的實施例 。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器件，包括 第一磁性層，所述第一磁性層具有固定的磁化方向； 磁化固定層，所述磁化固定層形成在所述第一磁性層上； 隧道勢壘層，所述隧道勢壘層形成在所述磁化固定層上；以及 第二磁性層，所述第二磁性層形成在所述隧道勢壘層上并具有可變的磁化方向。
2.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述磁化固定層包含錳合金材料。
3.如權(quán)利要求2所述的磁存儲器件，其中，所述磁化固定層包含PtMn或FeMn。
4.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，還包括原子捕獲層，所述原子捕獲層形成在所述磁化固定層與所述隧道勢壘層之間并且阻擋所述磁化固定層的成分的擴散。
5.如權(quán)利要求4所述的磁存儲器件，其中，所述磁化固定層包括含有錳作為成分的合金材料，所述原子捕獲層包括含有硼B(yǎng)、氮N或氮化硼B(yǎng)N作為成分的合金材料。
6.如權(quán)利要求5所述的磁存儲器件，其中，所述原子捕獲層包含選自CoPtB、CoPdB、FePtB, FePdB, CoFePtB, CoFePdB, CoPtN, CoPdN, FePtN, FePdN, CoFePtN, CoFePdN, CoPtBN,CoPdBN, FePtBN, FePdBN, CoFePtBN, CoFePdB, CoFeN 和 CoFeBN 中的任一種。
7.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述隧道勢壘層包括選自氧化鎂MgO、氧化招Al2O3、氧化鉿HfO2、氧化鈦TiO2、氧化釔Y2O3和氧化鐿Yb2O3中的至少一種。
8.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一磁性層和所述第二磁性層包含具有相對于所述第一磁性層表面的平面外磁各向異性的材料。
9.如權(quán)利要求8所述的磁存儲器件，其中，所述第一磁性層和所述第二磁性層包含CoFeB0
10.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，其中，所述第一磁性層和所述第二磁性層包含具有相對于所述第一磁性層表面的平面內(nèi)磁各向異性的材料。
11.如權(quán)利要求I所述的磁存儲器件，還包括 第一電極線，所述第一電極線與所述第一磁性層的底部連接；以及 第二電極線，所述第二電極線與所述第二磁性層的頂部連接。
12.如權(quán)利要求11所述的磁存儲器件，還包括 下緩沖層，所述下緩沖層插入在所述第一電極線與所述第一磁性層之間；以及 上緩沖層，所述上緩沖層插入在所述第二電極線與所述第二磁性層之間。
13.如權(quán)利要求12所述的磁存儲器件，其中，所述下緩沖層和所述上緩沖層包含選自金Au、釕Ru、鉭Ta、銅Cu、氮化銅CuN、|fi Pd和鉬Pt中的任一種。
14.如權(quán)利要求12所述的磁存儲器件，還包括反鐵磁性層，所述反鐵磁性層插入在所述下緩沖層與所述第一磁性層之間。
15.—種磁存儲器件,包括 半導(dǎo)體襯底； 第一電極線，所述第一電極線形成在所述半導(dǎo)體襯底上； 下緩沖層，所述下緩沖層形成在所述第一電極線上； 第一磁性層，所述第一磁性層形成在所述下緩沖層上并具有固定的磁化方向； 磁化增強層，所述磁化增強層形成在所述第一磁性層上并增加所述第一磁性層的磁化力；擴散阻擋層，所述擴散阻擋層形成在所述磁化增強層上并阻擋所述磁化增強層的成分的擴散； 隧道勢壘層，所述隧道勢壘層形成在所述擴散阻擋層上； 第二磁性層，所述第二磁性層形成在所述隧道勢壘層上； 上緩沖層，所述上緩沖層形成在所述第二磁性層上；以及 第二電極線，所述第二電極線形成在所述上緩沖層上。
16.如權(quán)利要求15所述的磁存儲器件，其中，所述第一電極線和所述第二電極線被設(shè)置成相互交叉。
17.如權(quán)利要求15所述的磁存儲器件，其中，所述磁化增強層包含PtMn或FeMn。
18.如權(quán)利要求17所述的磁存儲器件，其中，所述擴散阻擋層包含選自CoPtB、CoPdB,FePtB, FePdB, CoFePtB, CoFePdB, CoPtN, CoPdN, FePtN, FePdN, CoFePtN, CoFePdN, CoPtBN,CoPdBN, FePtBN, FePdBN, CoFePtBN, CoFePdB, CoFeN 和 CoFeBN 中的任一種。
19.如權(quán)利要求18所述的磁存儲器件，其中，包含氮的所述擴散阻擋層用作所述隧道勢壘層的晶種層，以增強所述隧道勢壘層的結(jié)晶取向。
20.如權(quán)利要求15所述的磁存儲器件，其中，所述第一磁性層和所述第二磁性層包含具有相對于所述第一磁性層表面的平面外磁各向異性的材料。
21.如權(quán)利要求20所述的磁存儲器件，其中，所述第一磁性層和所述第二磁性層包含CoFeB0
22.如權(quán)利要求15所述的磁存儲器件，還包括反鐵磁性層，所述反鐵磁性層插入在所述下緩沖層與所述第一磁性層之間。
23.—種磁存儲器件,包括 第一磁隧道結(jié)，所述第一磁隧道結(jié)包括層疊的固定磁性層、磁化增強層、擴散阻擋層、隧道勢壘層和自由磁性層； 絕緣層，所述絕緣層形成在所述第一磁隧道結(jié)上；以及 第二磁隧道結(jié)，所述第二磁隧道結(jié)形成在所述絕緣層上。
24.如權(quán)利要求23所述的磁存儲器件，其中，所述第二磁隧道結(jié)具有與所述第一磁隧道結(jié)相同的結(jié)構(gòu)。
25.如權(quán)利要求23所述的磁存儲器件，其中，所述第一磁隧道結(jié)和所述第二磁隧道結(jié)被設(shè)置成相對于所述絕緣層對稱布置。
26.如權(quán)利要求25所述的磁存儲器件，其中，所述磁化增強層包含PtMn或FeMn。
27.如權(quán)利要求26所述的磁存儲器件，其中，所述擴散阻擋層包含選自CoPtB、CoPdB,FePtB, FePdB, CoFePtB, CoFePdB, CoPtN, CoPdN, FePtN, FePdN, CoFePtN, CoFePdN, CoPtBN,CoPdBN, FePtBN, FePdBN, CoFePtBN, CoFePdB, CoFeN 和 CoFeBN 中的任一種。
28.如權(quán)利要求23所述的磁存儲器件，其中，所述磁化增強層固定所述固定磁性層的磁化方向，而不管所述自由磁性層的磁化方向如何變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁存儲器件，所述磁存儲器件即使在構(gòu)成磁隧道結(jié)的磁性層的厚度余量小時也能夠保證恒定的隧道磁阻差。所述磁存儲器件包括第一磁性層，所述第一磁性層具有固定的磁化方向；磁化固定層，所述磁化固定層形成在第一磁性層上；隧道勢壘層，所述隧道勢壘層形成在磁化固定層上；以及第二磁性層，所述第二磁性層形成在隧道勢壘層上并具有可變的磁化方向。
文檔編號H01L43/08GK102881819SQ201110432000
公開日2013年1月16日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者崔源峻 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司