專利名稱：磁存儲器件及其制造方法
技術領域：
本發明的示例性實施例涉及一種半導體存儲器件，更具體而言涉及一種磁存儲器件及其制造方法。
背景技術：
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。另外，磁存儲器件是即使在斷電之后仍保留數據的非易失性器件，被認為是下一代存儲器 件。示例出的磁存儲器件是磁阻隨機存取存儲(MRAM)器件，所述磁阻隨機存取存儲器件是利用隧道磁阻(TMR)效應形成千兆比特容量的非易失性存儲器。這里，TMR效應出現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構中。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TMR器件具有良好的磁阻特性和較低的開關電流。由于磁存儲器件的開關電流特性是決定電流消耗總量的參數，因此減少開關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器件的開關電流，但當隧道絕緣層的厚度增加時磁阻也會減小。另一方面，當降低隧道絕緣層的厚度以增加磁阻時，產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，例如可以優化自由層的組成和體積以減少開關電流。這樣，通過減少自由層的體積，可以減少開關電流，但是TMR效應和熱穩定性可能變差。
發明內容
根據示例性實施例的一個方面，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構；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。根據不例性實施例的另一個方面，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構；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。根據示例性實施例的又一個方面，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體襯底上形成種層，所述半導體襯底上形成有下導電層；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。下面將在標題為“具體實施方式
”的部分中描述以上這些和其它的特征、方面和實施例。
從以下結合附圖的詳細描述中將更加清楚地理解本發明主題的上述和其它的方面、特征和其它的優點，其中圖I是圖示根據第一示例性實施例的磁存儲器件的配置的圖；
圖2是圖示根據第二示例性實施例的磁存儲器件的配置的圖；圖3是圖示根據第三示例性實施例的磁存儲器件的配置的圖；圖4是圖示根據第四示例性實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是圖示根據第五示例性實施例的磁存儲器件的配置的圖。
具體實施例方式本文參照示例性實施例的截面圖(以及中間結構)來描述示例性實施例。然而，附圖中所示的部分和形狀僅僅是示例性的，可以根據各種制造技術和/或設計考慮而變化。在附圖的部分中，為了圖示清楚，示例性實施例中的層和區域的長度和大小可以是經夸大處理的。在全部附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。在說明書中，當提及一個層在另一個層或襯底“上”時，其可以是直接在所述另一個層或襯底上，或者還可以存在中間層。下面參照附圖來描述本發明的示例性實施例。圖I是根據第一示例性實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，所述半導體襯底上形成有下導電層(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。根據一個例子，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。可以利用氧化鎂(MgO)來形成隧道勢魚105。當利用MgO形成隧道勢魚105時,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。當利用MgO形成隧道間隔件109時，可以在自由層107中引入部分垂直磁各向異性(PMA)效應，因而可以獲得低的開關電流。圖2是根據本發明第二示例性實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，所述半導體襯底上形成有下導電層(未示出)。可以利用含有CoFe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。在根據第二示例性實施例的磁存儲器件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移特性，因而獲得低的開關電流。圖3是根據本發明第三示例性實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，所述半導體襯底上形成有下導電層(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。可以利用含有CoFe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。可以利用MgO來形成隧道勢壘305。根據一個例子，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，因此可以獲得適當的熱穩定性。圖4是根據第四示例性實施例的磁存儲器件40的配置圖。參見圖4，根據第四示例性實施例的磁存儲器件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。可以通過將選自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，FePt、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。可以利用選自CoFe、CoFeBXoFeBTa或CoFeBSi中的含有CoFe的化合物材料來形成構成自由層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。可以利用諸如氧化鋁(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。當將金屬氧化物用于隧道間隔件473時，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MgO用作磁存儲器件的隧道勢壘(405和409)時，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，可以實質地形成雙MTJ(magnetic tunnel junction,磁隧道結)結構，因而可以最大化TMR效應。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所產生的部分PMA效應，可以最小化/減少開關電流。這里，即使構成自由層407的兩個鐵磁層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定性，且同時在這兩個鐵磁層471和475與隧道間隔件473之間的表面邊界中產生部分PMA效應以減小開關電流。 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，當用作隧道間隔件的MgO具有O. 9nm的厚度時，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MgO隧道間隔件具有O. 6至O. 7nm的厚度時，交換耦合能量(J(erg/cm2))最大。也就是說，當在鐵磁層之間插入MgO隧道間隔件時，鐵磁性和反鐵磁性耦合特性都是良好的且兩個鐵磁層在磁性/鐵磁性狀態下耦合，因而當將MgO隧道間隔件應用于自由層時，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厚度。盡管示出了如上所述的水平磁存儲器件，但是本發明的示例性實施例不限于此，根據本發明的示例性磁存儲器件也可以應用于垂直磁存儲器件。圖6是根據第五示例性實施例的磁存儲器件的配置。根據第五示例性實施例的磁存儲器件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。構成各個層的材料與圖4所示的磁存儲器件40相似。根據一個例子，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。根據發明構思的磁存儲器件具有良好的TMR特性。另外，可以最小化/減小開關電流，且同時可以最大化熱穩定性，從而可以實現存儲器件的微型化。根據示例性實施例，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，從而最小化開關電流。
盡管在最小化/減小開關電流時熱穩定性和自由層的體積有減小的傾向，但是根據本發明的示例性實施例，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，但也可以減少開關電流并獲得自由層的足夠的體積以最大化熱穩定性。盡管以上已經描述了特定的實施例，但是將會理解的是，描述的實施例僅僅是示例性的。因此，本發明不應限于公開的具體實施例，權利要求應當被廣義地解釋為包括根據示例性實施例的所有合理適用的實施例。·
權利要求
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構； 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包括MgO。
5.如權利要求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包括含有鈷鐵CoFe作為成分的化合物材料。
6.如權利要求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構。
7.如權利要求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包括含有Fe的合金。
8.如權利要求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包括含有Co的合金。
9.如權利要求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構； 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包括含有鈷鐵CoFe作為成分的化合物材料。
13.如權利要求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 在半導體襯底上形成種層，所述半導體襯底上形成有下導電層； 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包括 MgO。
18.如權利要求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包括含有鈷鐵CoFe作為成分的化合物材料。
19.如權利要求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包括含有CoFe作為成分的化合物材料。
全文摘要
本發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構；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 優先權日2011年8月5日
發明者鄭東河, 樸基善, 金國天 申請人:海力士半導體有限公司