存储器器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]这里公开的发明构思涉及半导体器件及其制造方法，更具体地，涉及磁存储器器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]半导体器件由于它们的小尺寸、多功能性和/或低制造成本而被广泛地用于电子工业。半导体存储器器件可以存储逻辑数据。磁存储器器件可以提供高速度和/或非易失性的特性。因此，磁存储器器件很可能用作下一代存储器器件。
[0003]通常，磁存储器器件可以包括磁隧道结(MTJ)图案。MTJ图案可以包括两个磁体以及在两者之间的绝缘层。MTJ的电阻值可以取决于两个磁体的磁化方向而改变。例如，如果两个磁体的磁化方向彼此反平行，则MTJ图案可以具有相对高的电阻值。如果两个磁体的磁化方向彼此平行，则MTJ图案可以具有相对低的电阻值。磁存储器器件可以因此使用电阻值之间的差异而写入和/或读取数据。
【发明内容】
[0004]本发明构思的实施例可以提供具有提高的可靠性的磁存储器器件及其制造方法。
[0005]发明构思的实施例还可以提供具有提高的隧穿磁阻比(TMR)的磁存储器器件及其制造方法。
[0006]发明构思的实施例还可以提供能够减少或最小化在高温下的特性恶化的磁存储器器件及其制造方法。
[0007]在发明构思的一个方面中，一种磁存储器器件可以包括在基板上的参考磁图案和自由磁图案以及在参考磁图案和自由磁图案之间的隧道阻挡图案。参考磁图案和自由磁图案的磁化方向可以基本上垂直于自由磁图案和隧道阻挡图案之间的界面。参考磁图案可以包括第一被钉扎图案、在第一被钉扎图案和隧道阻挡图案之间的第二被钉扎图案以及在第一被钉扎图案和第二被钉扎图案之间的交换耦合图案。第二被钉扎图案可以包括邻近于隧道阻挡图案的极化增强磁图案、邻近于交换耦合图案的交换耦合增强磁图案、在极化增强磁图案和交换耦合增强磁图案之间的中间磁图案、以及接触中间磁图案以引起界面垂直磁各向异性的非磁性图案。
[0008]在一些实施例中，非磁性图案可以具有与中间磁图案相同的晶体结构。
[0009]在一些实施例中，极化增强磁图案可以具有与非磁性图案和中间磁图案相同的晶体结构。
[0010]在一些实施例中，非磁性图案和中间磁图案可以具有体心立方(BCC)晶体结构。
[0011]在一些实施例中，非磁性图案可以包括钨，中间图案可以包括铁(Fe)或铁硼(FeB) ο
[0012]在一些实施例中，第一被钉扎图案可以具有不同于非磁性图案的晶体结构。
[0013]在一些实施例中，第一被钉扎图案可以包括钴铂(CoPt)合金或[Co/Pt]IiLl1超晶格(其中“η”是自然数)。
[0014]在一些实施例中，自由磁图案可以包括第一自由磁图案和第二自由磁图案以及在第一自由磁图案和第二自由磁图案之间的插入图案。插入图案可以与第一自由磁图案和第二自由磁图案接触以弓I起界面垂直磁各向异性。
[0015]在一些实施例中，插入图案可以具有比钽高的熔点。
[0016]在一些实施例中，交换耦合增强磁图案可以包括不同于包括在中间磁图案中的元素的元素，极化增强磁图案可以包括不同于包括在中间磁图案中的元素的元素。
[0017]在一些实施例中，第一被钉扎图案、交换耦合图案、第二被钉扎图案、隧道阻挡图案和自由磁图案可以顺序地堆叠在基板上。
[0018]在一些实施例中，交换耦合增强磁图案、非磁性图案、中间磁图案和极化增强磁图案可以顺序地堆叠在交换耦合图案上。
[0019]在一些实施例中，第二被钉扎图案还可以包括设置在中间磁图案和极化增强磁图案之间的第二非磁性图案。第二非磁性图案可以包括与非磁性图案相同的材料。
[0020]在一些实施例中，交换耦合增强磁图案、中间磁图案、非磁性图案和极化增强磁图案可以顺序地堆叠在交换耦合图案上。
[0021 ] 在一些实施例中，非磁性图案和中间磁图案可以在交换耦合图案上被交替地和重复地堆叠至少两次。
[0022]在一些实施例中，磁存储器器件还可以包括设置在自由磁图案上的覆盖氧化物图案。覆盖氧化物图案可以与自由磁图案接触以引起界面垂直磁各向异性。
[0023]在一些实施例中，磁存储器器件还可以包括设置在基板和第一被钉扎图案之间并具有与第一被钉扎图案相同的晶体结构的籽晶图案、以及设置在自由磁图案上的覆盖电极。
[0024]在一些实施例中，自由磁图案、隧道阻挡图案、第二被钉扎图案、交换耦合图案以及第一被钉扎图案可以顺序地堆叠在基板上。
[0025]在另一方面，制造磁存储器器件的方法可以包括形成参考磁层、自由磁层以及设置在两者之间的隧道阻挡层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间的第二被钉扎层以及在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间的交换耦合层。第二被钉扎层可以包括邻近于隧道阻挡层的极化增强磁层、邻近于交换耦合层的交换耦合增强磁层、在极化增强磁层和交换耦合增强磁层之间的中间磁层、以及接触中间磁层以引起界面垂直磁各向异性的非磁性层。
[0026]在一些实施例中，该方法还可以包括在形成至少自由磁层、隧道阻挡层以及极化增强磁层之后进行热处理工艺。
[0027]在一些实施例中，热处理工艺的工艺温度可以在约400°C至约600°C的范围内。
[0028]在一些实施例中，参考磁层、隧道阻挡层以及自由磁层可以顺序地形成在基板上，热处理工艺可以在形成自由磁层之后进行。
[0029]在一些实施例中，非磁性层可以用作在热处理工艺期间抵抗第一被钉扎层的朝向极化增强磁层扩散的原子的扩散阻挡。
[0030]根据发明构思的另一个方面，一种磁存储器器件可以包括基板以及在基板上的磁隧道结存储器元件。磁隧道结存储器元件可以包括参考磁层、隧道阻挡层和自由磁层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层，其中交换耦合层在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，其中第二被钉扎层包括铁磁层和非磁性层。第二被钉扎层可以在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间，隧道阻挡层可以在参考磁层和自由磁层之间。
[0031]在一些实施例中，铁磁层可以包括钴(Co)、铁(Fe)、铁硼(FeB)和钴铁硼(CoFeB)中的至少一个。
[0032]在一些实施例中，非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个。
[0033]在一些实施例中，铁磁层可以是第一铁磁层，第二被钉扎层可以包括第二铁磁层，非磁性层可以在第一铁磁层和第二铁磁层之间。
[0034]第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括钴(Co)，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个。第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括钴(Co)，第二铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。
[0035]在一些实施例中，非磁性层可以是第一非磁性层，第二被钉扎层可以包括第二非磁性层，铁磁层可以在第一非磁性层和第二非磁性层之间。第一非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，铁磁层可以包括铁和/或铁硼。
[0036]在一些实施例中，铁磁层可以是第一铁磁层，非磁性层可以是在第一铁磁层上的第一非磁性层，第二被钉扎层可以包括在第一非磁性层上的第二铁磁层、在第二铁磁层上的第二非磁性层以及在第二非磁性层上的第三铁磁层。第一铁磁层可以包括钴(Co)，第一非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第三铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。交换耦合层和第一铁磁层可以具有第一晶体结构，第二铁磁层和第三铁磁层可以具有第二晶体结构，第一晶体结构和第二晶体结构可以是不同的。第一晶体结构可以是密排六方(HCP)晶体结构，第二晶体结构可以是体心立方(BCC)晶体结构。第一非磁性层和第二非磁性层可以具有体心立方(BCC)晶体结构。
[0037]在一些实施例中，参考磁层和自由磁层的磁化方向可以相对于自由磁层和隧道阻挡层之间的界面基本上垂直。
[0038]在一些实施例中，非磁性层可以在铁磁层和第一被钉扎层之间，第一被钉扎层和铁磁层可以具有不同的晶体结构。第一被钉扎层包括钴铂(CoPt)合金和/或[Co/Pt]n Ll1超晶格，其中η是自然数。
[0039]在一些实施例中，参考磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，第一被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，隧道阻挡层可以在自由磁层和基板之间。
[0040]在一些实施例中，磁存储器器件可以包括在自由磁层上的覆盖氧化物层，磁隧道结存储器元件可以在覆盖氧化物层和基板之间。覆盖氧化物层可以配置为引起界面垂直磁各向异性。
[0041]在一些实施例中，磁存储器器件可以包括在基板和第一被钉扎层之间的籽晶层和在自由磁层上的覆盖电极，磁隧道结存储器元件可以在籽晶层和覆盖电极之间。
[0042]在一些实施例中，自由磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，隧道阻挡层可以在第二被钉扎层和基板之间，第二被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，交换耦合层可以在第一被钉扎层和基板之间。
[0043]根据发明构思的另一个方面，一种磁存储器器件可以包括基板和在基板上的磁隧道结存储器元件。磁隧道结存储器元件可以包括参考磁层、隧道阻挡层和自由磁层。参考磁层可以包括第一被钉扎层、交换耦合层和第二被钉扎层。交换耦合层可以在第一被钉扎层和第二被钉扎层之间，第二被钉扎层可以包括第一铁磁层、非磁性层和第二铁磁层。非磁性层可以在第一铁磁层和第二铁磁层之间，第二被钉扎层可以在第一被钉扎层和隧道阻挡层之间，隧道阻挡层可以在参考磁层和自由磁层之间。
[0044]在一些实施例中，非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个。
[0045]在一些实施例中，第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括钴(Co)，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个。
[0046]在一些实施例中，第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，第一铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。
[0047]在一些实施例中，第一铁磁层可以在非磁性层和交换耦合层之间，其中第一铁磁层包括钴(Co)，其中第二铁磁层包括钴铁硼(CoFeB)。
[0048]在一些实施例中，非磁性层可以是第一非磁性层，第二被钉扎层可以包括在第二铁磁层上的第二非磁性层以及在第二非磁性层上的第三铁磁层。第一铁磁层可以包括钴(Co)，第一非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第二铁磁层可以包括铁(Fe)和铁硼(FeB)中的至少一个，第二非磁性层可以包括钨(W)和钽(Ta)中的至少一个，第三铁磁层可以包括钴铁硼(CoFeB)。交换耦合层和第一铁磁层可以具有第一晶体结构，第二铁磁层和第三铁磁层可以具有第二晶体结构，第一晶体结构和第二晶体结构可以是不同的。第一晶体结构可以是密排六方(HCP)晶体结构，第二晶体结构可以是体心立方(BCC)晶体结构。第一非磁性层和第二非磁性层可以具有体心立方(BCC)晶体结构。
[0049]在一些实施例中，参考磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，第一被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，隧道阻挡层可以在自由磁层和基板之间。
[0050]在一些实施例中，自由磁层可以在隧道阻挡层和基板之间，隧道阻挡层可以在第二被钉扎层和基板之间，第二被钉扎层可以在交换耦合层和基板之间，交换耦合层可以在第一被钉扎层和基板之间。
【附图说明】
[0051]根据附图以及伴随的详细描述