具有垂直磁性隧道結的磁性器件的制作方法
【專利摘要】本發明提供了具有垂直磁性隧道結的磁性存儲器件。該器件包括磁性隧道結，其中磁性隧道結包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘。釘扎層結構可以包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性層、具有本征平面內磁化特性的第二磁性層、和插入第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層。交換耦合層可以具有使第一磁性層與第二磁性層之間的反鐵磁交換耦合最大化的厚度，而第二磁性層可以至少部分地因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出垂直磁化方向。
【專利說明】具有垂直磁性隧道結的磁性器件
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2010年8月24日提交的第12/862，074號美國專利申請的部分連續申請，并且要求該申請的優先權，其中所述第12/862，074號美國專利申請要求2009年9月11日提交的第10-2009-0086084號韓國專利申請和2009年9月30日提交的第10-2009-0093306號韓國專利申請的優先權，其整體內容通過引用結合于此。本申請也是2011年4月21日提交的第13/091，215號美國專利申請的部分連續申請，并且基于要求該申請的優先權，其中所述第13/091,215號美國專利申請要求2010年4月21日提交的第10-2010-0037017號韓國專利申請的優先權，其整體內容通過弓I用結合于此。
【技術領域】
[0003]本發明構思的示范性實施例涉及半導體器件，更具體地，涉及諸如具有垂直磁性隧道結的磁性存儲器件的磁性器件。
【背景技術】
[0004]隨著便攜式計算設備和無線通信設備的使用的持續增長，半導體器件可能要求更高的密度、更低的功率、和/或非易失特性。磁性存儲器件也許能夠滿足上述技術需求。
[0005]一個用于磁性存儲器件的示例數據存儲機制是磁性隧道結(MTJ)的隧道磁阻(tunnel magneto resistance, TMR)效應。由于TMR效應,MTJ的磁性取向能夠由自旋轉矩翻轉(spin-torque switching)來控制。例如，已經開發了具有MTJ的磁性存儲器件,從而MTJ可以具有百分之幾百到幾千的TMR比率。

【發明內容】

[0006]本發明構思的示范性實施例提供包括垂直磁性隧道結的磁性器件。
[0007]本發明構思的其它示范性實施例提供具有減小的厚度的垂直磁性隧道結的磁性器件。
[0008]在一些實施例中，磁性器件包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘，其中釘扎層結構和自由層結構中的至少一個包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性層、具有本征平面內磁化特性的第二磁性層、和插入第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層。交換耦合層可以具有被選擇用來提供第一磁性層與第二磁性層之間的期望的反鐵磁交換耦合量的厚度，從而第二磁性層至少部分地因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向。
[0009]在一些實施例中，反鐵磁交換耦合量可以是至少40000e。
[0010]在一些實施例中，第二磁性層的飽和磁化值與第一磁性層的飽和磁化值的比率的范圍在大約0.6到大約1.5之間。
[0011]在一些實施例中，第一磁性層的飽和磁化值與第二磁性層的飽和磁化值基本相同。在一些實施例中,第一磁化層和第二磁化層中的每一個的飽和磁化值的范圍可以是大約從 600emu/cc 到 1400emu/cc。
[0012]在一些實施例中，交換耦合層是釕、銥、或銠。
[0013]在一些實施例中，交換耦合層的厚度是大約2.5A到大約7人。
[0014]在一些實施例中，交換耦合層的厚度是大約3A到大約4A。
[0015]在一些實施例中，第一磁性層的厚度的范圍是從大約IOA到大約80A而第二磁性層的厚度是從大約5A到大約20A。
[0016]在一些實施例中，第一磁性層的Ku值是至少3xl06erg。Ku值是垂直磁各向異性能量(即，與第一磁性層的平面垂直的方向中的磁各向異性能量)。
[0017]在一些實施例中，第一磁性層包括單一的鈷基合金層。
[0018]在一些實施例中，第一磁性層包括(Cox/Pty)n的多層堆疊。在一些實施例中，x/y的范圍可以是從0.5到1.5。
[0019]在一些實施例中，磁性器件包括磁性隧道結，其中磁性隧道結包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘，釘扎層結構可以具有:第一磁性層，其具有本征垂直磁化特性；第二磁性層，其具有本征平面內磁化特性；和插入第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層。交換耦合層可以具有被選擇用來提供第一磁性層與第二磁性層之間的期望的反鐵磁交換耦合量的厚度，并且第二磁性層因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向。
[0020]根據本發明構思的示例實施例，磁性器件可以包括磁性隧道結，其中磁性隧道結包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘。釘扎層結構可以包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性層、具有本征平面內磁化特性的第二磁性層、和插入第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層。交換耦合層可以具有被選擇用來提供第一磁性層與第二磁性層之間的期望的反鐵磁交換耦合量的厚度，并且第二磁性層可以因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向。磁性隧道結的交換耦合強度的范圍可以是從大約 40000e 到大約 IOOOOOe。
[0021]在示例實施例中，交換耦合層的厚度可以以這樣的方式來選擇:該厚度使得第二磁性層可以具有反向平行于第一磁性層的磁化方向的垂直磁化。
[0022]在示例實施例中，交換耦合層可以以釕、銥或銠中的至少一個形成。
[0023]在示例實施例中，交換耦合層的厚度的范圍從大約2 5A到大約5.0A。
[0024]在示例實施例中，第一磁性層可以包括以下各項中的至少一個:1)由鈷鉬合金或添加了元素X的鈷鉬合金制成的單層結構，其中元素X可以是硼、釕、鉻、鉭、或氧化物中的至少一個；或者2)包括交替地彼此堆疊的含鈷層和貴金屬層的多層結構。含鈷層可以由鈷、鈷鐵(cobalt nickel)、鈷鎮(cobalt chromium)或鈷絡(cobalt chromium)之一形成，而貴金屬層可以由鉬和鈀之一形成。
[0025]在示例實施例中，第二磁性層可以是包括Co、CoFeB, CoFeBTa, CoHf或CoZr中的至少一個的單層結構或雙層結構。
[0026]在示例實施例中，自由層結構可以包括具有本征平面內磁化特性的自由層以及對于自由層誘發垂直磁化特性的非磁性金屬氧化物層。[0027]在示例實施例中，自由層可以是包括Fe、Co、N1、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB、或CoZr中的至少一個的單層結構或多層結構。
[0028]在示例實施例中，非磁性金屬氧化層可以是包括鉭氧化物(tantalum oxide)、鎂氧化物(magnesium oxide)、釕氧化物(ruthenium oxide)、銥氧化物(iridium oxide)、鉬氧化物(platinum oxide)、|fi氧化物(palladium oxide)、或欽氧化物(titanium oxide)中的至少一個的單層結構或多層結構并且與自由層直接接觸。
[0029]在示例實施例中，所述器件還可以包括將磁性隧道結連接至開關器件的第一導電元件和將磁性隧道結連接至互連線的第二導電元件。所述自由層結構可以插入第一導電元件與隧道勢壘之間或者插入第二導電元件與隧道勢壘之間。
[0030]根據本發明構思的示例實施例，磁性器件可以包括磁性隧道結，其中磁性隧道結包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘。自由層結構與釘扎層結構中的每一個都可以包括具有本征平面內磁化特性的平面內層和對于平面內層誘發垂直磁化特性的垂直化(perpendicularing)層。自由層結構的垂直化層可以包括非磁性金屬氧化物層，而釘扎層結構的垂直化層可以包括交換耦合層和具有本征垂直磁化特性的垂直(perpendicular)層。交換耦合層可以具有以這樣的方式選擇的厚度:該厚度使得釘扎層結構的垂直層和平面內層可以經受它們之間的反鐵磁交換耦合。
[0031 ] 在一些實施例中，磁性器件還可以包括下部電極、上部電極、和布置在下部電極與上部電極之間的磁性隧道結，并且磁性器件的總厚度可以小于大約15nm。
[0032]在示例實施例中，交換耦合層可以布置在釘扎層結構的垂直層與平面內層之間，而非磁性金屬氧化物層可以被提供來直接覆蓋自由層結構的平面內層。
[0033]在示例實施例中，交換耦合層可以以釕、銥或銠中的至少一個形成。
[0034]在示例實施例中，交換耦合層可以具有使釘扎層結構的垂直層與平面內層之間的反鐵磁交換耦合最大化的厚度。
[0035]在示例實施例中，交換耦合層的厚度的范圍可以是從大約2.5人到大約5.0人。
[0036]在示例實施例中，非磁性金屬氧化物層可以是包括鉭氧化物(tantalum oxide)、續氧化物(magnesium oxide)、釕氧化物(ruthenium oxide)、銥氧化物(iridium oxide)、鉬氧化物(platinum oxide)、|fi氧化物(palladium oxide)、或欽氧化物(titanium oxide)中的至少一個中的單層結構或多層結構。
[0037]在示例實施例中，垂直層可以包括含鈷的垂直磁性材料中的至少一個。
[0038]在示例實施例中，垂直層可以由鈷鉬合金或添加了元素X的鈷鉬合金形成，其中元素X可以是硼、釕、鉻、鉭、或氧化物中的至少一個。
[0039]在示例實施例中，垂直層可以是包括交替地彼此堆疊的含鈷層和貴金屬層的多層結構，含鈷層可以由鈷、鈷鐵、鎳鈷或鈷鉻之一形成，而貴金屬層可以由鉬和鈀之一形成。
[0040]在示例實施例中，垂直層可以包括第一垂直層和第二垂直層的雙層結構，并且第一垂直層和第二垂直層中的每一個包括:鈷鉬合金層或添加了元素X的鈷鉬合金層，其中元素X可以是硼、釕、鉻、鉭、或氧化物中的至少一個；或者包括交替地彼此堆疊的含鈷層和貴金屬層的多層結構。含鈷層可以由鈷、鈷鐵、鈷鎳、和鈷鉻之一形成，而貴金屬層可以由鉬和鈀之一形成。
[0041]在示例實施例中，釘扎層結構還可以包括插入在交換耦合層與垂直層之間的鈷層或富鈷層。
[0042]在示例實施例中，釘扎層結構的平面內層可以是包括鈷、鐵、或者其合金中的至少一個的單層結構或多層結構。
[0043]在示例實施例中，釘扎層結構的平面內層可以是包括一對具有本征平面內磁化特性的磁性層以及插入它們之間的非磁性金屬層的多層結構。
[0044]在示例實施例中，釘扎層結構的平面內層可以是包括Co、CoFeB、CoFeBTa, CoHf,CoFeSiB、或CoZr的至少一個的單層結構或雙層結構。
[0045]在示例實施例中，自由層結構的平面內層可以是包括鈷、鐵、鎳、或者其合金中的至少一個的單層結構或多層結構。
[0046]在示例實施例中，自由層結構的平面內層可以是包括Fe、Co、N1、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa, CoHf、CoFeSiB、或CoZr中的至少一個的單層結構或多層結構。
[0047]在示例實施例中，自由層結構的平面內層可以是包括一對具有本征平面內磁化特性的磁性層以及插入它們之間的非磁性金屬層的多層結構。例如，所述一對磁性層可以由
CoFeB形成，并且非磁性金屬層可以是具有大約為2A-20A的厚度的鉭層。
[0048]在示例實施例中，所述器件還包括將磁性隧道結連接至開關器件的第一導電元件和將磁性隧道結連接至互連線的第二導電元件。第二導電元件可以是包括貴金屬層、磁性合金層、或金屬層中的至少一個的單層結構或多層結構。
[0049]在示例實施例中，自由層結構可以布置為:距離第一導電元件比距離第二導電元件近，而釘扎層結構可以布置為:距離第二導電元件比距離第一導電元件近。
[0050]在示例實施例中，自由層結構可以布置為:距離第二導電元件比距離第一導電元件近，而釘扎層結構可以布置為:距離第一導電元件比距離第二導電元件近。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]從下面結合附圖的簡要描述中，示例實施例將能夠被更加清楚地理解。圖1到圖15表示這里所描述的非限制性的示例實施例。
[0052]圖1是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的磁性存儲器件的單位存儲單元的電路圖。
[0053]圖2到圖6是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的選擇器件的電路圖。
[0054]圖7是示出根據本發明構思的示例實施例的第一類型的磁性隧道結的示意圖。
[0055]圖8是示出根據本發明構思的示例實施例的第二類型的磁性隧道結的示意圖。
[0056]圖9是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的、構成磁性隧道結的自由層結構的透視圖。
[0057]圖10是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的、構成磁性隧道結的釘扎層結構的透視圖。
[0058]圖11是被提供來描述本發明構思的一些方面的圖。
[0059]圖12是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的磁性隧道結的截面圖。
[0060]圖13是示范性地示出根據本發明構思的其它示例實施例的磁性隧道結的橫截面圖。
[0061]圖14是示范性地示出根據本發明構思的其它示例實施例的磁性隧道結的橫截面圖。
[0062]圖15是示范性地示出根據本發明構思的一些實施例的、制造磁性器件的方法的流程圖。
[0063]圖16與圖17是示意地示出包括根據本發明構思的示例實施例的半導體器件的電子設備的框圖。
[0064]應當注意到，這些附圖意圖示出某些示例實施例中采用的方法、結構、和/或材料，并且補充下面提供的書面描述。然而，這些附圖并不是按比例繪制的，并且可以不精確反映任何給定實施例的精確的結構或性能特征，并且不應該被解釋為定義或限制示例實施例所包含的值或特性的范圍。例如，為了清晰，可以減小或夸大分子、層、區域、和/或結構元件的相對厚度和定位。各個附圖中相似或相同的參考數字的使用意圖指示相似或相同的元素或特征的存在。
【具體實施方式】
[0065]現在將參考其中示出了示例實施例的附圖更加充分地描述本發明構思的示例實施例。然而，本發明構思的示例實施例可以體現為不同的形式并且不應當被理解為被限制在這里闡述的實施例。相反，這些實施例是被提供以使得本公開將全面和完整，并且將向本領域普通技術人員充分地傳達示例實施例的構思。附圖中相似的參考標號表示相似的元素，因此其描述將被省略。
[0066]將理解，當一個元素被稱為“連接至”或“耦合至”另一個元素時，其可以直接連接至或耦合至另一個元素或層，或者也可以存在插入其間的元素。相反，當一個元素被稱為“直接連接至”或“直接耦合至 ”另一個元素或層時，則不存在插入其間的元素。相同的參考標號始終指示相同的元素。如這里所使用的，術語“和/或”包括一個或多個相關聯的列出的項目的任何以及全部的組合。其它用來描述元素或層之間的關系的詞語應該以相似的方式理解(例如，“在…之間”對比“直接在…之間”、“相鄰”對比“直接相鄰”、“在…之上”對比“直接在…之上”)。
[0067]將理解，雖然術語“第一”、“第二”等可以在這里用來描述各種元素、組件、區域、層、和/或段，但是這些元素、組件、區域、層、和/或段不應被這些術語所限制。這些術語僅僅用來區分一個元素、組件、區域、層、或段與另一個元素、組件、區域、層、或段。因此，下面討論的第一元素、組件、區域、層、或段可以被命名為第二元素、組件、區域、層、或段而不脫離示例實施例的教導。
[0068]空間相對術語，如“下面”、“以下”、“更低”、“以上”、“上面”等等，可以在這里用來
方便進行描述，以便描述如附圖中所示的一個元素或特征與另一個(多個)元素或特征的關系。將理解，除了在附圖中描繪的朝向以外，空間相對術語也意圖包含所使用或操作的設備的不同的朝向。例如，如果附圖中的設備被翻轉，則被描述為在其它元素或特征“以下”或“下面”的元素將朝向其它元素或特征的“以上”。因此，示范性術語“以下”可以包含全部以上和以下的朝向。該設備也可以另外朝向(旋轉90度或其它方向)，并且可以因此解釋這里所使用的空間相對描述符。
[0069]這里所使用的術語僅僅是為了描述特定的實施例的目的，而不是意圖限制示例實施例。如這里所使用的，單數形式“一”、“該”意圖包括復數形式，除非在上下文中清楚地另外指出。還應當理解，術語“包括”和/或“包含”，如果在這里被使用，說明存在所述特征、整數、步驟、操作、元素、和/或組件，但是并不排除一個或多個其它的特征、整數、步驟、操作、元素、組件、和/或它們的組的存在或添加。
[0070]這里參考作為示例實施例的理想實施例(和中間結構)的示意圖的截面圖描述了本發明構思的示例實施例。由此，將可以預期，例如，由制造技術和/或公差引起的與例示的形狀的差別。因此，本發明構思的示例實施例不應該被解釋為被限制在這里示出的區域的特定形狀，而是包括，例如，由制造引起形狀上的偏差。例如，示出為矩形的注入區域可以具有圓角的或彎曲的特征，和/或具有位于其邊緣的注入濃度梯度而不是從注入區域到非注入區域的二進制改變。類似地，由注入形成的隱埋區域可以導致隱埋區域與表面之間的區域中的一些注入，其中注入是在表面發生的。因此，附圖中示出的區域本質上是示意性的，并且其形狀不意圖示出設備的區域的實際形狀并且不意圖限制示例實施例的范圍。
[0071]除非另外定義，這里使用的全部術語(包括技術和科學術語)具有與本發明構思的示例實施例所屬【技術領域】的普通技術人員通常所理解的相同的含義。還將理解，諸如通常使用的字典中所定義的那些術語的術語，應當被解釋為具有與其在相關技術的上下文中的含義一致的含義，并且不會被解釋為理想化或過分正式的意義，除非在這里明確地這樣定義。
[0072]垂直磁性隧道結及其相關技術特征分別在2010年8月24日、2011年7月13日、和2012年2月16日提交的第12/862，074號、第13/181，957號、和第13/398，617號美國專利申請中被公開，其整體內容結合為本申請的一部分。
[0073]圖1是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的磁性存儲器件的單位存儲單兀(unit memory cell)的電路圖。
[0074]參考圖1，單位存儲單元UMC可以布置在彼此交叉的第一互連線LI與第二互連線L2之間。單位存儲單元UMC可以串聯連接至第一互連線LI和第二互連線L2。單位存儲單元UMC可以包括選擇元件SW和磁性隧道結MTJ。選擇元件SW和磁性隧道結MTJ可以彼此串聯地電連接。在示例實施例中，第一互連線LI和第二互連線L2之一可以用作字線，而另一個可以用作位線。
[0075]選擇元件SW可以被配置為選擇性地控制經過磁性隧道結MTJ的電流。例如，如圖2到圖6所示，選擇元件SW可以是二極管、pnp雙極晶體管、npn雙極晶體管、NMOS場效應晶體管(FET)JP PMOS FET之一。如果選擇元件SW是諸如雙極晶體管和/或MOSFET的三端開關器件，則附加的互連線(未顯示)可以連接至選擇元件SW。
[0076]磁性隧道結MTJ可以包括第一磁性結構MS1、第二磁性結構MS2、和它們之間的隧道勢魚(tunnel barrier,TBR)。TBR處的隧道勢魚可以包括非磁性材料。在一個實施例中，隧道勢壘TBR可以由絕緣材料層形成。可替換地，隧道勢壘TBR可以包括多個層。例如，隧道勢壘TBR可以包括鎂(Mg )、鈦(T i )、鋁(AI)、鎂-鋅(MgZn )和/或鎂-硼(MgB )的氧化物、和/或鈦(Ti)和/或釩(V)的氮化物。例如，隧道勢壘TBR可以由鎂氧化物(MgO)層形成。第一磁性結構MSl和第二磁性結構MS2中的每一個可以包括由諸如鐵磁材料的磁性材料形成的至少一個磁性層。在某些實施例中，如圖1中所示，磁性隧道結MTJ還可以包括可以插入第一磁性結構MSl與選擇器件SW之間的第一導電結構CSl和可以插入第二磁性結構MS2與第二互連線L2之間的第二導電結構CS2。[0077]第一磁性結構MSl與第二磁性結構MS2的磁性層之一可以被配置為具有不被通常情況下產生的弱外部磁場改變的固定磁化方向。以下，為了描述方便，術語‘釘扎層(pinnedlayer, PNL)’將被用來表示具有固定磁化特性的磁性層。相反，第一磁性結構MSl與第二磁性結構MS2的磁性層的另一個可以被配置為具有可以被由于自旋極化電流和/或為了其操作而施加在其上的外部磁場而產生的角動量翻轉(SWitchable)的磁化方向。以下，術語‘自由層FRL’將被用來表示具有可翻轉的磁化特性的磁性層。也就是說，如圖7和圖8中所示，磁性隧道結MTJ可以包括被隧道勢壘TBR分開的至少一個自由層FRL和至少一個釘扎層PNL。
[0078]磁性隧道結MTJ的電阻可以對自由層FRL的磁化方向與釘扎層PNL的磁化方向的相對朝向敏感。例如，當自由層FRL與釘扎層PNL之間的相對磁性朝向為反向平行時，與所述相對磁性朝向為平行時相比，磁性隧道結MTJ的電阻可以大得多。因此，可以通過改變自由層FRL的磁化方向來控制磁性隧道結MTJ的電阻，并且這個電阻差能夠被用作根據本發明構思的示例實施例的磁性存儲器件的數據存儲機制。
[0079]如圖7和圖8中所示，磁性隧道結MTJ的第一磁性結構MSl和第二磁性結構MS2可以在基底SUB上順序地形成。基底SUB可以是半導體基底。基底SUB可以包括導電區域和/或絕緣區域。在示例實施例中，根據自由層FRL與基底SUB之間的相對位置或者根據自由層FRL與釘扎層PNL的堆疊次序，磁性隧道結MTJ可以被分為，例如，兩種類型:(a)第一類型的磁性隧道結MTJ1，其中第一磁性結構MSl和第二磁性結構MS2分別包括釘扎層PNL和自由層FRL，如圖7中所示，和(b)第二類型的磁性隧道結MTJ2，其中第一磁性結構MSl和第二磁性結構MS2分別包括自由層FRL和釘扎層PNL，如圖8中所示。
[0080]根據本發明構思一些方面，第一磁性結構MSl和第二磁性結構MS2之一可以是將要參考圖9進行描述的自由層結構FLS，而另一個可以是將要參考圖10進行描述的釘扎層結構PLS。自由層結構FLS可以是包括自由層FRL的多層磁性結構，而釘扎層結構PLS可以是包括釘扎層PNL的多層磁性結構。
[0081]圖9是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的、構成磁性隧道結的自由層結構的透視圖。
[0082]根據某些實施例，自由層結構FLS可以包括自由層FRL和覆蓋自由層FRL的垂直磁化誘發層PMI，如圖9中所示。自由層結構FLS可以用作第一磁性結構MSl或第二磁性結構MS2之一。
[0083]自由層FRL可以由展示出本征平面內磁化特性的磁性材料(以下，被稱為“平面內磁性材料(in-plane magnetic material)”)形成。這里本征平面內磁化特性是指當不存在施加在磁性層上的外部因素時磁性層的磁化方向的朝向與其縱向平行。例如，如果磁性層是以薄膜形式提供的，該薄膜的厚度(例如，z方向的長度)相對小于其水平寬度(例如X方向的長度和y方向的長度)，則具有本征平面內磁化特性的磁性層可以具有平行于xy平面的磁化方向。如將在下面使用的“本征平面內磁化特性”指代不存在外部因素時可以發現的磁性層的平面內磁化。
[0084]根據某些實施例，對于自由層FRL，本征平面內磁化特性可以通過包括鈷、鐵、鎳、或者其合金中的至少一個的單層結構或多層結構實現。例如，自由層可以是包括Fe、Co、N1、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa, CoHf、CoFeSiB、或 CoZr 中的至少一個的單層結構或多層結構。在某些實施例中，自由層FRL可以是包括Fe層、CoHf層、和CoFeB層的多層結構。用于自由層FRL的本征平面內磁化材料被示范性地描述，以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思的示例實施例可以不限于此。自由層FRL具有的厚度的范圍可以是
從大約6A到大約30人,在某些實施例中，是從大約10人到大約20A。
[0085]仕某些實施例中，自由層FRL可以是以包括一對具有本征平面內磁化特性的磁性層以及插入它們之間的非磁性金屬層的多層結構的形式提供的。例如，自由層FRL可以包括由鈷鐵硼(CoFeB)合金制成的兩層以及插入它們之間的鉭層。自由層FRL中的鉭層可以
形成為具有大約2A到20A的厚度。
[0086]垂直磁化誘發層(perpendicularmagnetization inducing layer, PMI)可以與自由層FRL直接接觸，而因為這個直接接觸，自由層FRL的磁化方向可以被改變為基本上平行于自由層FRL的厚度方向(例如，z方向)。換句話說，垂直磁化誘發層PMI可以是允許具有本征平面內磁化特性的自由層FRL展示出垂直磁化方向的外部因素。在這點上，彼此接觸的垂直磁化誘發層PMI和自由層FRL可以構成展示出非本征垂直磁化特性的結構(以下，稱為非本征垂直結構(extrinsic perpendicular structure))。
[0087]為了實現該技術特征，垂直磁化誘發層PMI可以由能夠在與其接觸的自由層FRL的表面上誘發應力的材料形成。在這種意義上，以下，垂直磁化誘發層PMI可以稱為‘應力誘發層’或‘接觸垂直化層(contact perpendicularing layer)’。例如,垂直磁化誘發層PMI可以由含氧材料形成。可替換地，垂直磁化誘發層PMI可以是非磁性金屬氧化物中的至少一個。例如，垂直磁化誘發層PMI可以以包括鉭氧化物、鎂氧化物、釕氧化物、銥氧化物、鉬氧化物、鈀氧化物、鈦氧化物、鋁氧化物、鋅鎂氧化物、鉿氧化物、或硼鎂氧化物中的至少一個的單層結構或多層結構的形式提供。具有應力誘發特性或接觸垂直特性的材料被示范性地描述以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思不限于此。
[0088]如果垂直磁化誘發層PMI是由非磁性金屬氧化物中的至少一個形成，則垂直磁化誘發層PMI可以具有比自由層FRL的電阻率高的電阻率。這意味著磁性隧道結MTJ的電阻很大程度上依賴于垂直磁化誘發層PMI的電阻。為了減少這種依賴，垂直磁化誘發層PMI可以形成為具有較薄的結構。例如，垂直磁化誘發層PMI可以比自由層FRL薄。在示例實
施例中，垂直磁化誘發層PMI可以具有的厚度的范圍可以是從大約3A到大約10A，或者，在某些實施例中，從大約4 A到大約6 A。
[0089]圖10是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的、構成磁性隧道結的釘扎層結構的透視圖。
[0090]根據某些實施例，釘扎層結構PLS可以包括第一釘扎層(或第一磁性層)PL1、第二釘扎層(或第二磁性層)PL2、和插入它們之間的交換耦合層ECL，如圖10中所示。釘扎層結構PLS可以構成第一磁性結構MSl和第二磁性結構MS2之一。
[0091]第一釘扎層PLl可以由展示出本征垂直磁化特性的磁性材料(以下，稱為垂直磁性材料)形成。這里，本征垂直磁化特性是指當不存在施加在磁性層上的外部因素時磁性層的磁化方向的朝向基本上與其厚度方向平行。例如，如果磁性層是以薄膜形式提供的，該薄膜的厚度(例如，z方向的長度)相對小于其水平寬度(例如X方向的長度和I方向的長度)，則具有本征垂直磁化特性的磁性層可以具有垂直于xy平面的磁化方向。如將在下面所提到的“本征垂直磁化特性”指代不存在外部因素時發現的磁性層的垂直磁化。
[0092]根據某些實施例，對于第一釘扎層PL1，本征垂直磁化特性可以通過包括含鈷的垂直磁性材料的單層結構或多層結構來實現。
[0093]在某些實施例中，第一釘扎層PLl可以是包括鈷鉬合金或添加了元素X的鈷鉬合金的單層結構或多層結構，其中元素X是硼、釕、鉻、鉭、或氧化物中的至少一個。在其它實施例中，第一釘扎層PLl可以是以包括交替地彼此堆疊的含鈷層和貴金屬層的多層結構的形式提供的。含鈷層可以包括鈷、鈷鐵、鎳鈷、鈷鉻、或者其組合，而貴金屬層可以包括鉬、鈀或者其組合。在其它實施例中，第一釘扎層PLl可以以包括以上關于某些實施例列舉的材料中的至少一個(例如，鈷鉬合金或添加了元素X的鈷鉬合金)以及其它實施例中列舉的材料中的至少一個(例如，鈷、鈷鐵、鎳鈷、鈷鉻、鉬、和鈀)的多層結構的形式來提供。在一些實施例中，第一釘扎層PLl具有的厚度的范圍可以是從大約10Λ到大約80人，或者，從大約
30A到大約55人。
[0094]用于第一釘扎層PLl的本征垂直磁化材料被示范性地描述以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思不限于此。例如，第一釘扎層PLl可以包括以下各項中的至少一個:a) CoFeTb，其中Tb的相對含量是10%或更多；b) CoFeGd，其中Gd的相對含量是10%或更多；c) CoFeDy ;d)具有Ll0結構的FePt ;e)具有Ll0結構的FePd ;f)具有Ll0結構的 CoPd ；g)具有 LI。結構的 CoPt ；h)具有六方緊密堆積(hexagonal close packing, HCP)結構的CoPt ；i)包含a)到h)的項目中呈現的材料中的至少一個的合金；或j)包括交替地堆疊的磁性層和非磁性層的多層結構。包括交替地堆疊的磁性層和非磁性層的多層結構可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(CoP) n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n、或(CoCr/Pd)n中的至少一個,其中下標n表示堆疊數量。在某些實施例中，第一釘扎層PLl還可以包括與交換耦合層ECL接觸的鈷層或富鈷層。
[0095]相反，第二釘扎層PL2可以由展示出本征平面內磁化特性的磁性材料(B卩，平面內磁性材料)形成。換句話說，當不存在施加在第二釘扎層PL2上的外部因素時，第二釘扎層PL2可以具有朝向基本上與其最大的表面(例如，xy平面)平行的磁化方向。
[0096]對于第二釘扎層PL2，本征平面內磁化特性可以通過包括鈷、鐵、或者其合金中的至少一個的單層結構或多層結構實現。例如，第二釘扎層PL2可以是包括CoFeB、CoFeBTa、CoHf、Co、CoFeSiB、或CoZr中的至少一個的單層結構或多層結構。在示例實施例中，第二釘扎層PL2可以以包括Co層和CoHf層的雙層結構或包括CoFeBTa層和CoFeB層的雙層結構的形式來提供。
[0097]在其它示例實施例中，第二釘扎層PL2可以以包括一對具有本征平面內磁化特性的磁性層以及插入它們之間的非磁性金屬層的多層結構的形式來提供。例如，第二釘扎層PL2可以包括由鈷鐵硼(CoFeB)合金制成的兩層以及插入它們之間的鉭層。
[0098]用于第二釘扎層PL2的本征平面內磁化材料被示范性地描述以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思不限于此。在某些實施例中，第二釘扎層PL2的厚度范
圍可以是從大約5 A到大約20A,或者，從大約10人到大約17A
[0099]交換耦合層ECL可以包括釕、銥、銠、或者其組合。根據本發明構思的示例實施例，由于第一釘扎層PLl與第二釘扎層PL2之間的反鐵磁交換稱合(antiferromagneticexchange coupling),第二釘扎層PL2可以具有基本上與其厚度方向平行的磁化。換句話說，交換耦合層ECL與第一釘扎層PLl可以提供允許具有本征平面內磁化特性的第二釘扎層PL2展示出垂直磁化方向的外部因素。在這點上，第一釘扎層PLl與第二釘扎層PL2以及它們之間的交換耦合層ECL可以構成非本征垂直結構，所述非本征垂直結構的垂直磁化是由反鐵磁交換耦合引起的。
[0100]交換耦合層ECL可以具有以這樣的方式來選擇的厚度:第二釘扎層PL2能夠具有反向平行于第一釘扎層PLl的磁化的垂直磁化。另外，交換耦合層ECL可以具有以這樣的方式來選擇的厚度:第一釘扎層PLl和第二釘扎層PL2之間的反鐵磁交換耦合能夠被最大
化。如將要參考圖11所描述的，通過實驗，可以發現提供具有從大約2.5A到大約5.0A,或
者在某些實施例中，從大約3A到大約4A的范圍的厚度的交換耦合層ECL，是有益的并且
展示出意想不到的結果，尤其當制造磁性器件期間的退火過程低于300°C時。然而，在某些過程條件下，例如，當退火過程在300°C以上執行時，交換耦合層ECL具有的厚度的范圍可
以從大約2.5A到大約7 H當退火過程是在300°C以上執行時，由于構成性的磁性層的
相互擴散(interdiffusion)或者混雜(intermixing),交換稱合層ECL的厚度可以增加。
[0101]在一些實施例中，用來形成本公開的磁性器件的各種磁性層可以由COFeSiB形成。
[0102]圖11是被提供來描述本發明構思的一些方面的圖。具體來說，圖11是示出交換耦合的磁場強度Hex對交換耦合層的厚度T的依賴的圖，其中所述厚度T是從包括如參考圖10描述的釘扎層結構PLS的樣例中獲得的。負的Hex意味著系統處于反鐵磁耦合狀態。
[0103]參考圖11，交換耦合強度Hex在3.5A附近具有局部最小值并且在5.5A附近具
有局部最大值。換句話說，交換耦合強度Hex在7 A處大約為-5000oe，在5.5A處大約
為-2000ΟΘ，并且在3.5A處大約為-13000ΟΘ。這里，當交換耦合層具有的厚度T的范圍
是從2.5人到5.0人或者從3 A到4人時，交換耦合強度Hex小于3.5A處的交換耦合強度卿，-5000oe)。
[0104]換句話說，當交換耦合層的厚度T在大約2.5A與大約5.0A之間的范圍內，或者更具體地，在大約3 A與大約4 A之間的范圍內時，交換耦合強度Hex具有全局最小值。這意味著，對于這個實施例，當交換耦合層具有所述厚度范圍(例如，大約2.5人與大約5 OA之間，或者更狹窄地，大約3 A與大約4 A之間)時，釘扎層結構PLS能夠展示出最大化的反鐵磁耦合效應。然而，應當注意到，與隧道勢壘層的相互作用還能夠影響釘扎層結構PLS的反鐵磁耦合效應。
[0105]在一些實施例中，本公開的實施例可以設定與圖11中所示的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)稱合的第一峰值相對應的交換稱合層厚度。
[0106]圖12是示范性地示出根據本發明構思的示例實施例的磁性隧道結的橫截面圖，而圖13是示范性地示出根據本發明構思的其它示例實施例的磁性隧道結的橫截面圖。
[0107]參考圖12，釘扎層結構PLS、隧道勢壘TBR、自由層結構FLS可以順序地堆疊在基底SUB上。換句話說，自由層結構FLS與釘扎層結構PLS可以被配置為形成先前參考圖7所描述的第一類型的磁性隧道結MTJl。
[0108]根據本實施例，第一導電結構CSl可以布置在第一類型的磁性隧道結MTJl與基底SUB之間，而第二導電結構CS2可以被提供在第一類型的磁性隧道結MTJl上。在某些實施例中，第一導電結構CSl可以充當用于形成第一類型的磁性隧道結MTJl的晶種層(seedlayer)，和/或充當將選擇器件SW電連接至第一類型的磁性隧道結MTJl的互連圖案或者電極。第二導電結構CS2可以充當覆蓋第一類型的磁性隧道結MTJl的包覆層(cappinglayer)，和/或充當將第一類型的磁性隧道結MTJl與第二互連線L2電連接的互連圖案或者電極。
[0109]在某些實施例中，第一導電結構CSl可以包括順序地堆疊在某底SUB上的第一導電層CLl和第二導電層CL2。第一導電層CLl可以是具有大約為20人的厚度的CoHf層或
Ta層，而第二導電層CL2可以是具有大約為40人的厚度的釕層。用于第一導電層CLl和第
二導電層CL2的材料被示范性地描述以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思不限于此。
[0110]第二導電結構CS2可以被形成用來覆蓋垂直磁化誘發層PMI，并且以包括貴金屬層、磁性合金層、或金屬層中的至少一個的單層結構或多層結構的形式來提供。例如，用于第二導電結構CS2的貴金屬層可以由Ru、Pt、Pd、Rh、或Ir中的至少一個形成,而磁性合金層可以包括Co、Fe、或Ni中的至少一個，并且金屬層可以由Ta或Ti形成。用于第二導電結構CS2的材料被示范性地描述以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思不限于此。
[0111]參考圖13，自由層結構FLS、隧道勢壘TBR、和釘扎層結構PLS可以順序地堆疊在基底SUB上。換句話說，自由層結構FLS與釘扎層結構PLS可以被配置為形成先前參考圖8所描述的第二類型的磁性隧道結MTJ2。
[0112]根據本實施例，自由層結構FLS和釘扎層結構PLS可以以這樣的方式來配置:自由層FRL和第二釘扎層PL2兩者都覆蓋隧道勢壘TBR。另外，第一導電結構CSl可以被提供在第二類型的磁性隧道結MTJ2與基底SUB之間，而第二導電結構CS2可以被提供在第二類型的磁性隧道結MTJ2上。在一些實施例中，第一導電結構CSl可以充當用于形成第二類型的磁性隧道結MTJ2的晶種層，和/或充當將選擇器件SW電連接至第二類型的磁性隧道結MTJ2的互連圖案或者電極。第二導電結構CS2可以充當覆蓋第二類型的磁性隧道結MTJ2的包覆層，和/或充當將第二類型的磁性隧道結MTJ2與第二互連線L2電連接的互連圖案或者電極。
[0113]在一些實施例中，第一導電結構CSl可以包括可以順序地堆疊在基底SUB上的第一導電層CLl和第二導電層CL2。第二導電層CL2可以被形成用來覆蓋垂直磁化誘發層PMI，并且以包括貴金屬層、磁性合金層、或金屬層中的至少一個的單層結構或多層結構的形式來提供。用于第一導電結構CSl的材料被示范性地描述以便提供對本發明構思的更好的理解，但是本發明構思不限于此。
[0114]在一些實施例中，如圖14中所示，磁性器件140可以包括自由層結構FLS、釘扎層結構PLS、和它們之間的隧道勢壘TBR。釘扎層結構PLS可以包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性層PL1、具有本征平面內磁化特性的第二磁性層PL2、和插入第一磁性層PLl與第二磁性層PL2之間的交換耦合層ECL。交換耦合層ECL可以具有被選擇用來提供第一磁性層PLl與第二磁性層PL2之間期望的或最大的反鐵磁交換耦合量的厚度，從而第二磁性層PL2至少部分地因為與第一磁性層PLl的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向。反鐵磁交換I禹合量可以是至少40000e。
[0115]在一些實施例中，自由層結構FLS可以不包括聯系圖12和圖13所討論的PMI層。
[0116]在一些實施例中，第一磁性層PLl的飽和磁化值與第二磁性層PL2的飽和磁化值的比率的范圍在大約0.6到大約1.5之間。
[0117]在一些實施例中，第一磁化層PLl的飽和磁化值與第二磁性層PL2的飽和磁化值基本相同。例如,第一磁化層PLl和第二磁化層PL2中的每一個的飽和磁化值的范圍可以是大約從 600emu/cc 到 1400emu/cc。
[0118]在一些實施例中，交換耦合層ECL可以是，例如，釕、銥、或銠。在一些實施例中，交換耦合層ECL的厚度是大約3A到大約4人。
[0119]在一些實施例中，第一磁性層(或第一釘扎層)PLl的厚度的范圍是從大約丨0人到
大約80A，而第二磁性層(或第二釘扎層)PL2的厚度的范圍是從大約5 A到大約20人。
[0120]在一些實施例中，第一磁性層PLl的Ku值是至少3xl06erg。Ku值是垂直磁各向異性能量(perpendicular magnetic anisotropic energy)(即，與第一磁性層 PLl 的平面垂直的方向中的磁各向異性能量)。
[0121]在一些實施例中，第一磁性層PLl可以包括單一的鈷基合金層。在一些實施例中，第一磁性層PLl可以包括(Cox/Pty)n的多層堆疊。在一些實施例中，x/y的范圍是從0.5到 1.5。
[0122]在一些實施例中，磁性器件包括磁性隧道結，其中磁性隧道結包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘，釘扎層結構可以具有:第一磁性層，其具有本征垂直磁化特性；第二磁性層，其具有本征平面內磁化特性；和插入第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層。交換耦合層可以具有被選擇用來提供第一磁性層與第二磁性層之間期望的反鐵磁交換耦合量的厚度，并且第二磁性層因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向。交換耦合層的厚度的范圍可以是大約2.5人到大約7.0A。
[0123]在其它實施例中，雖然未示出，但是自由層結構FLS可以包括類似于具有本征垂直磁化特性的第一磁性層PLl的另一個第一磁性層、類似于具有本征平面內磁化特性的第二磁性層PL2的另一個第二磁性層、和類似于插入第一磁性層PLl與第二磁性層PL2之間的交換耦合層ECL的另一個交換耦合層。在一個實施例中，在這種情況下，釘扎層結構PLS可以不具有如以上所討論的夾在第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層ECL。
[0124]在一些實施例中，自由層結構FLS和釘扎層結構PLS可以具有上述第一磁性層結構PLl和第二磁性層結構PL2，其中第一磁性層結構PLl和第二磁性層結構PL2之間布置了交換耦合層ECL。
[0125]在其它磁性器件結構中，自由層的矯頑磁力與釘扎層的矯頑磁力之間的分離度(separation) ( Λ Hsw)可能不足并且自由層的磁滯回線可能不勻稱，這使得幾乎不可能將數據寫入存儲單元。另外，如果堆疊高度大于30nm，則在完成磁性器件的更高集成度的方面存在困難。在一些情況下，自由層與釘扎層的磁滯回線可以不按所想的那樣重疊，以至于大大降低翻轉概率(switching probability)與翻轉穩定性(switching stability)。此外，如果堆疊高度大于30nm，則在完成磁性器件的更高集成度的方面可能存在困難。
[0126]然而，由于上述的一些或全部特征，本公開的磁性器件的自由層能夠具有對稱的磁滯回線，并且釘扎層的矯頑磁力與自由層的矯頑磁力之間可能存在較大的分離度，從而顯著地提高寫入概率與翻轉穩定性。
[0127]雖然本公開的上述效果可以利用其它實施例或上述發明特征的其它組合獲得，但是本公開的發明人已經發現:例如，通過形成包括釘扎層的磁性隧道結器件，這樣的發明效果可以是異常優越的，其中所述釘扎層包括具有本征垂直磁化特性的第一磁性層、具有本征平面內磁化特性的第二磁性層、和插入第一磁性層與第二磁性層之間的交換耦合層，其中交換耦合層具有被選擇用來提供第一磁性層與第二磁性層之間的期望的反鐵磁交換耦合量的厚度，從而第二磁性層至少部分地因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向，反鐵磁交換耦合量至少是40000e，其中第一磁化層的飽和磁化值與第二磁性層的飽和磁化值基本相同，其中交換耦合層是釕、銥、或銠。其中交換耦合層的厚度是大約3A到大約4A，其中第二磁性層包括單一的鈷基合金層或者(Cox/Pty)n的多層堆疊，其中X是Co層的厚度而y是Pt層的厚度。
[0128]圖15是示范性地示出根據本發明構思的一些實施例的、制造磁性器件的方法的流程圖。
[0129]參考圖15，在步驟SI中，可以在基底SUB上形成底部電極BL。在步驟S2中，具有本征垂直磁化特性的第一磁性層PL1、交換耦合層ECL、和具有本征平面內磁化特性的第二磁性層PL2被順序地形成，以便在底部電極BL上形成釘扎層結構PLS。交換耦合層的厚度被選擇以便提供第一磁性層與第二磁性層之間的期望的反鐵磁交換耦合量，從而第二磁性層至少部分地因為與第一磁性層的反鐵磁交換耦合而展示出非本征垂直磁化方向。第一磁化層PLl的飽和磁化值可以與第二磁性層PL2的飽和磁化值基本相同。反鐵磁交換耦合量可以是至少大約40000e。例如，反鐵磁交換耦合量的范圍可以是從大約40000e到大約IOOOOOe。
交換耦合層可以是釕、銥、或者銠，其中耦合層的厚度可以是大約3A到大約4人，并且其中
第二磁性層可以包括單一的鈷基合金層。可替換地，第二磁性層可以通過沉積(Cox/Pty)n的多層堆疊來形成，其中X是Co層的厚度而y是Pt層的厚度。在步驟S3中，隧道勢壘TBR可以在釘扎層結構PLS上形成。在步驟S4中，自由層結構FLS在隧道勢壘TBR上形成。在步驟S5中，頂部電極UL在自由層結構FLS之上形成，以便形成磁性器件。
[0130]磁性器件的總厚度(堆疊高度)，例如，下部電極和上部電極以及布置在它們之間的磁性隧道結，能夠等于或小于大約15nm。因此，利用本公開的一些實施例，已經有可能將MTJ器件的厚度減小將近50%。結果，能夠實現磁性器件的進一步的按比例縮小。
[0131]圖16和圖17是示意地示出根據本發明構思的示例實施例的、包括半導體器件的電子設備的框圖。
[0132]參考圖16，包括根據本發明構思的示例實施例的半導體器件的電子設備1300可以用于下列各項中的一個:個人數字助理(PDA)、膝上型計算機、移動計算機、網絡平板電腦、無線電話、蜂窩電話、數字音樂播放器、有線或無線電子設備、或者包括以上各項中的至少兩個的復雜電子設備。電子設備1300可以包括控制器1310，諸如小鍵盤、鍵盤、顯示器的輸入/輸出設備1320，存儲器1330，和通過總線1350彼此結合的無線接口 1340。控制器1310可以包括，例如，微處理器、數字信號處理器、微控制器等等中的至少一個。存儲器1330可以被配置為存儲將要被控制器1310使用的命令代碼或者用戶數據。存儲器1330可以包括根據本發明構思的示例實施例的半導體器件。電子設備1300可以使用被配置為使用RF信號向無線通信網絡傳送數據或者從無線通信網絡接收數據的無線接口 1340。無線接口 1340可以包括，例如，天線、無線收發器等等。電子設備1300可以用于通信系統的通信接口協議，諸如⑶MA、GSM、NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000、W1-F1、Muni W1-F1、藍牙、DECT、無線 USB、快閃 0FDM、IEEE802.20、6?1?、丨81^8扒町&'0、町獻乂、高級町獻乂』]\0^-丁00、HSPA、EVDO、高級 LTE、MMDS 等等。
[0133]參考圖17，將描述包括根據本發明構思的示例實施例的半導體器件的存儲器系統。存儲器系統1400可以包括用于存儲大量數據的存儲器設備1410和存儲控制器1420。存儲器控制器1420控制存儲設備1410，以便響應于主機1430的讀/寫請求而讀取存儲器設備1410中存儲的數據或者將輸入寫入存儲器設備1410。存儲器控制器1420可以包括用于將從主機1430 (例如，移動設備或計算機系統)提供的地址映射到存儲器設備1410的物理地址的地址映射表。存儲器設備1410可以是根據本發明構思的示例實施例的半導體器件。
[0134]可以使用各種并且多樣的封裝技術來封裝以上公開的半導體存儲器件。例如，可以使用層疊封裝(PoP)技術、球柵陣列(BGA)技術、芯片級封裝(CSP)技術、塑料有引線芯片載體(PLCC)技術、塑料雙列直插式封裝(PDIP)技術、疊片內裸片封裝(Die inWaffle Pack)技術、晶圓內裸片形式(Die in Wafer Form)技術、板上芯片(Chip OnBoard, COB)技術、陶瓷雙列直插封裝(Ceramic Dual In-Line Package, CERDIP)技術、塑料標準四邊扁平封裝(Metric Quad Flat Pack, MQFP)技術、薄型四邊扁平封裝(Thin QuadFlatpack, TQFP)技術、小外型集成電路(Small Outline Integrated Circuit, S0IC)技術、縮小外型封裝(Shrink Small Outline Package, SS0P)技術、薄型小外形封裝(Thin SmallOutline Package, TS0P)技術、系統級封裝(System In Package, SIP)技術、多芯片封裝(Multi Chip Package, MCP)技術、晶圓級結構封裝(Wafer-level Fabricated Package,WFP)技術和晶圓級處理堆疊封裝(Wafer-Level Processed Stack Package, WSP)技術中的任何一個來封裝根據上述示例實施例的半導體存儲器件。
[0135]其中安裝了根據上述示例實施例之一的半導體存儲器件的封裝還可以包括控制半導體存儲器件的至少一個半導體器件(例如，控制器和/或邏輯器件)。
[0136]根據本發明構思的示例實施例，自由層和第二釘扎層可以由展示出本征平面內磁化特性的材料形成。雖然如此，自由層可以通過與垂直磁化誘發層接觸來展示出垂直磁化，而第二釘扎層可以通過與由本征垂直磁化材料制成的第一釘扎層的增強的反鐵磁交換耦合來展示出垂直磁化。因為平面內磁化材料使用外部因素展示出垂直磁化特性，因此垂直磁性隧道結能夠具有減小的厚度。
[0137]另外，在第一釘扎層與第二釘扎層之間可以存在使能第一釘扎層與第二釘扎層之間的反鐵磁交換耦合的交換耦合層。在示例實施例中，交換耦合層可以形成為具有使第一釘扎層與第二釘扎層之間的反鐵磁交換耦合最大化的厚度。這使得能夠有效地減小自由層與第二釘扎層之間的磁相互作用。
[0138]以上討論的單一 MTJ結構僅僅是一些示例。本公開的原理也可以應用在自旋邏輯器件。自旋邏輯器件可以是，例如，全自旋邏輯(all-spin logic，ASL)器件和非易失性自旋邏輯器件。
[0139]此外，本公開的發明構思可以應用在需要高速緩存的片上系統(SOC)器件的形成中。在這樣的情況下，SOC器件可以包括耦合至微處理器的、根據本公開形成的MTJ元件。
[0140]另外，本公開的原理能夠應用在諸如雙MTJ結構的其它MTJ結構中，在雙MTJ結構中存在兩個參考層，并且自由層夾在它們之間。
[0141]貫穿本說明書，一個實施例中示出的特征可以合并在其它實施例中，并且落入本發明構思的精神和范圍。
[0142]貫穿說明書的對“一個實施例”或者“實施例”的引用意味著聯系該實施例所描述的特定的特征、結構、或特點被包括在本發明的至少一個實施例中。因此，在貫穿本說明書的各個地方出現的詞組“在一個實施例中”或者“在實施例中”并不一定全部指代相同的實施例。另外，具體的特征、結構、或者特點可以以任何適當的方式結合到一個或多個實施例中。
[0143]如這里所使用的，術語“磁性的”可以包括鐵磁的、亞鐵磁的等等。因此，術語“磁性的”或“鐵磁性的”包括，例如，鐵磁體(ferromagnet)和鐵氧磁材料(ferrimagnet)。另夕卜，如這里所使用的，“平面內(in-plance) ”是基本上在磁性結的一個或更多個層的平面內或者平行于磁性結的一個或更多個層的平面。反之，“垂直”對應于基本上垂直于磁性結的一個或多個層的方向。
[0144]各種操作可以被描述為以最能幫助理解本發明的方式執行的多個離散步驟。然而，描述所述步驟的次序并不意味著操作依賴于次序或者執行所述步驟的次序必須是呈現所述步驟的次序。
[0145]關于這里對基本上任何復數的和/或單數的術語的使用，本領域技術人員能夠將復數的轉換為單數的或者將單數的轉換為單數的，這對于上下文和/或應用而言是適宜的。為了清晰，可以在這里明確地闡述單數/復數變換。
[0146]本領域技術人員將理解，通常，這里使用的、尤其是所附權利要求中使用的術語(例如，所附權利要求的主體)通常意圖作為“開放的”術語(例如，術語“包括”應該被解釋為“包括但不限于”，術語“具有”應該被解釋為“至少具有”，術語“包含”應該被解釋為“包含但不限于”，等等)。本領域技術人員還將理解，如果想要引入的權利要求闡述中的特定數字，則這樣的意愿將在權利要求中被明確地闡述，并且當不存在這樣的闡述時，則不表現這樣的意愿。例如，作為對理解的幫助，下面所附權利要求可以包含對引導性詞組“至少一個”和“一個或多個”的使用，以便引入權利要求闡述。然而，這樣的詞組的使用不應該被理解為意味著通過不明確條文“一”或“一個”對權利要求闡述的引入會將包含被這樣引入的權利要求闡述的任何具體的權利要求限制在包含僅僅一個這樣的闡述的示例，即使當相同的權利要求包括引導性詞組“一個或多個”和諸如“一”或“一個”的不明確條文時(例如，“一”或“一個”應該被解釋為意味著“至少一個”或“一個或多個”)；這對于用來引入權利要求闡述的明確條文的使用而言也成立。另外，在使用類似于“A、B、或C等等的至少一個”的慣例的那些事件中，通常這樣的結構的意圖是本領域技術人員將理解該傳統(例如，“具有A、B、或C的至少一個的系統”可以包括但不限于，只具有A、只具有B、只具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系統)。本領域技術人員還將理解，無論在描述、權利要求、還是附圖中，呈現兩個或更多個可替換術語的任何析取詞和/或詞組實質上應該被理解為預料到包括所述術語之一、所述兩個術語之一、所述全部兩個術語的可能性。例如，詞組“A和B”將被理解為包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
[0147] 雖然已經具體地示出和描述了本發明構思的示例實施例，但是本領域普通技術人員將理解，可以在其中進行各種形式和細節上的變化而不脫離所附權利要求的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種磁性存儲器件，包括: 下部電極； 下部電極之上的磁性隧道結，所述磁性隧道結包括自由層結構、釘扎層結構、和它們之間的隧道勢壘；和 磁性隧道結之上的上部電極， 其中自由層結構與釘扎層結構中的每一個都包括具有本征平面內磁化特性的平面內層和對于平面內層誘發垂直磁化特性的垂直磁化誘發層， 其中自由層結構的垂直磁化誘發層包括非磁性金屬氧化物層，而釘扎層結構的垂直磁化誘發層包括交換耦合層和具有本征垂直磁化特性的垂直層， 其中交換耦合層具有以這樣的方式選擇的厚度，即，該厚度使得釘扎層結構的垂直層和平面內層經受它們之間的反鐵磁交換耦合。
2.如權利要求1所述的器件，其中交換耦合層布置在釘扎層結構的垂直層與平面內層之間，并且 所述非磁性金屬氧化物層可以被提供來直接覆蓋自由層結構的平面內層。
3.如權利要求1所述的器件，其中交換耦合層以釕、銥或銠中的至少一個來形成。
4.如權利要求1所述的器件，其中交換耦合層具有使得釘扎層結構的垂直層與平面內層之間的反鐵磁交換耦合最大化的厚度。
5.如權利要求1所述的器件，其中交換耦合層的厚度的范圍是大約25A到大約5.0人。
6.如權利要求1所述的器件，其中非磁性金屬氧化物層是包括鉭氧化物、鎂氧化物、釕氧化物、銥氧化物、鉬氧化物、鈀氧化物、或鈦氧化物中的至少一個的單層結構或多層結構。
7.如權利要求1所述的器件，其中垂直層包括含鈷的垂直磁性材料中的至少一個。
8.如權利要求1所述的器件，其中垂直層由鈷鉬合金或添加了元素X的鈷鉬合金形成，其中元素X是硼、釕、鉻、鉭、或氧化物中的至少一個。
9.如權利要求1所述的器件，其中垂直層是包括交替地彼此堆疊的含鈷層和貴金屬層的多層結構， 含鈷層由鈷、鈷鐵、鈷鎳、和鈷鉻之一形成，以及 貴金屬層由鉬和鈀之一形成。
10.如權利要求1所述的器件，其中垂直層是包括第一垂直層和第二垂直層的雙層結構，并且其中第一垂直層和第二層中的每一個包括: 鈷鉬合金層或添加了元素X的鈷鉬合金層，其中元素X是硼、釕、鉻、鉭、或氧化物中的至少一個，或者包括交替地彼此堆疊的含鈷層和貴金屬層的多層結構，其中含鈷層由鈷、鈷鐵、鈷鎳、和鈷鉻之一形成，而貴金屬層由鉬和鈀之一形成。
11.如權利要求1所述的器件，其中釘扎層結構還包括插入在交換耦合層與垂直層之間的鈷層或富鈷層。
12.如權利要求1所述的器件，其中釘扎層結構的平面內層是包括鈷、鐵、或者其合金中的至少一個的單層結構或多層結構。
13.如權利要求1所述的器件，其中釘扎層結構的平面內層是包括一對具有本征平面內磁化特性的磁性層以及插入它們之間的非磁性金屬層的多層結構。
14.如權利要求1所述的器件，其中釘扎層結構的平面內層是包括Co、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、或CoZr中的至少一個的單層結構或雙層結構。
15.如權利要求1所述的器件，其中自由層結構的平面內層是包括鈷、鐵、鎳、或者其合金中的至少一個的單層結構或多層結構。
16.如權利要求1所述的器件，其中自由層結構的平面內層是包括Fe、Co、N1、CoFe,NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf、或CoZr中的至少一個的單層結構或多層結構。
17.如權利要求1所述的器件，其中自由層結構的平面內層是包括一對具有本征平面內磁化特性的磁性層以及插入它們之間的非磁性金屬層的多層結構。
18.如權利要求17所述的器件，其中所述一對磁性層由CoFeB形成，并且非磁性金屬層是具有大約2A到大約20A的厚度的鉭層。
19.如權利要求1所述的器件，還包括， 第一導電元件，其將磁性隧道結連接至開關器件；和 第二導電元件，其將磁性隧道結連接至互連線， 其中第二導電元件是包括貴金屬層、磁性合金層、或金屬層中的至少一個的單層結構或多層結構。
20.如權利要求19所述的器件，其中自由層結構被布置為:距離第一導電元件比距離第二導電元件近，并且 釘扎層結構被布置為:距離第二`導電元件比距離第一導電元件近。
【文檔編號】H01L43/08GK103633240SQ201310366932
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2012年8月21日
【發明者】吳世忠, 金基雄, 金英鉉, 金晥均, 樸相奐 申請人:三星電子株式會社