磁存储器件的制作方法

专利名称：磁存储器件的制作方法
磁存储器件
相关申请的交叉引用
本美国正式专利申请基于35U.S.C§ 119要求在2009年9月30日提交的韩国专 利申请No. 10-2009-0093306和2009年9月11日提交的韩国申请No. 10-2009-0086084的 优先权权益，其公开的全部内容通过引用合并于此。技术领域
这里，本公开涉及存储器器件，并且更具体地，涉及磁存储器件。
技术背景
随着电子设备的高速操作和低功耗的实现，存储器器件可能也要求快速的读/ 写性能以及低操作电压。作为存储器器件，正在研究磁存储器件来提供提高的速度和降 低的操作电压。因为磁存储器件可以提供高速操作和/或非易失性的特性，因此针对下 一下存储器，磁存储器件引起注意。
公知的磁存储器件可以包括磁性隧道结图案(MTJ)。磁性隧道结图案由两种磁 性物质和插入其间的绝缘层形成，并且磁性隧道结图案的电阻值可以根据两种磁性物质 的磁化方向而变化。具体地，当两种磁性物质的磁化方向彼此反平行时，磁性隧道结图 案可以具有高电阻值。当两种磁性物质的磁化方向彼此平行时，磁性隧道结图案可以具 有低电阻值。这些电阻值之间的差可以用于写/读数据。发明内容
根据本发明原理的一些实施例，磁存储器件可以提供增强的可靠性、高磁阻 比、和/或降低的操作功率。
在一些实施例中，一种磁存储器件可以包括在衬底上的隧道势垒、第一结磁 性层和第二结磁性层、以及非磁性层。第一结磁性层可以接触隧道势垒的一个面。可以 通过第一结磁性层将第一垂直磁性层与隧道势垒分开。第二结磁性层可以接触隧道势垒 的另一面，并且可以通过第二结磁性层将第二垂直磁性层与隧道势垒分开。非磁性层可 以在第一结磁性层和第一垂直磁性层之间。
在其他实施例中，当磁存储器件操作时，第一垂直磁性层和第二垂直磁性层的 磁化方向可以垂直于所述衬底的平面。
在另外的实施例中，另一非磁性层可以被插入在第二结磁性层和第二垂直磁性 层之间。
在其他实施例中，第一结磁性层和/或第二结磁性层可以具有第一晶体结构， 而第一垂直磁性层和/或第二垂直磁性层可以具有不同于第一晶体结构的第二晶体结 构。
在另外的实施例中，在隧道势垒和第一结之间的界面处的隧道势垒的晶面可以 与该界面处的第一结磁性层的晶面相同。第一晶体结构可以是NaCl型晶体结构或BCC晶体结构，并且晶面可以是(001)晶面。
在另外的实施例中，第二晶体结构可以是LlO晶体结构、FCC晶体结构或六方 紧密堆积(HCP)晶格。
在另外的实施例中，第一垂直磁性层和/或第二垂直磁性层可以包括 RE-TM (稀土过渡金属)合金。
在另外的实施例中，第一垂直磁性层和/或第二磁性层可以包括交替堆叠多次 的非磁性金属层和铁磁金属层，并且铁磁金属层可以具有一个至数个原子的厚度。
在另外的实施例中，第一结磁性层和/或第二结磁性层可以包括合金磁性材 料，所述合金磁性材料包括从由钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)组成的组中选择的至少一 种，并且合金磁性物质可以进一步包括非磁性元素。
在一些实施例中，非磁性层可以具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。
在其他实施例中，非磁性层可以包括从非磁性金属中选择的至少一种。非磁性 金属可以是从非磁性过渡金属中选择的至少一种。
在其他的实施例中，第一垂直磁性层和第一结磁性层可以通过非磁性层来彼此 交换耦合。
在其他的实施例中，非磁性层可以进一步包括接触非磁性层的顶面和/或底面 的金属化合物层，并且金属化合物层可以包括从由金属氧化物、金属氮化物和/或金属 氮氧化物组成的组中选择的至少一种。
在发明原理的其他实施例中，磁存储器件可以包括在衬底上的隧道势垒、接触 隧道势垒的一个面并且具有平行于衬底平面的平面的自由磁性层、以及接触隧道势垒的 另一面并且具有平行于衬底平面的平面的基准磁性层。自由磁性层和基准磁性层可以包 括铁(Fe)，并且自由磁性层的铁含量可以等于或大于基准磁性层的铁含量。
在一些实施例中，自由磁性层的铁(Fe)含量可以在约40%原子百分比至约60%原子百分比的范围内。
在其他实施例中， 择的至少一种。
在其他实施例中，
在其他实施例中， 直(正交)于衬底的平面
在其他实施例中，自由磁性层和/或基准磁性层可以进一步包括从Co和Ni中选自由磁性层和/或基准磁性层可以进一步包括非磁性元素。 当磁存储器件操作时，自由磁性层和基准磁性层可以具有垂 表面的磁化方向。当磁存储器件操作时，自由磁性层和基准磁性层可以具有平 行于衬底的平面/表面的磁化方向。
在本发明原理的其他实施例中，磁存储器件可以包括衬底。可以在衬底上顺序 地堆叠第一磁性物质、隧道势垒和第二磁性物质。第一磁性物质可以包括第一垂直磁性 层，所述第一垂直磁性层与衬底相邻并且具有六方紧密堆积(HCP)晶格结构。
在一些实施例中，六方紧密堆积晶格的C轴可以基本上垂直于衬底的平面。
在其他实施例中，所述C轴是第一垂直磁性层可以被容易地磁化的轴。
在其他实施例中，磁存储器件可以进一步包括在衬底和第一垂直磁性层之间的 包括HCP晶格的籽晶层。
在其他实施例中，第二磁性衬底可以进一步包括具有六方紧密堆积晶格结构的第二垂直磁性层。
在其他实施例中，第一磁性物质可以包括在第一垂直磁性层上与隧道势垒相邻 的第一磁性结层，并且第二磁性物质可以包括在第二垂直磁性层以下与隧道势垒相邻的 第二磁性结层。
在另外的实施例中，第二磁性结层和第一磁性结层可以包括软磁材料。
在另外的实施例中，磁存储器件可以进一步包括在第一垂直磁性层与第一磁性 结层之间的和/或在第二垂直磁性层与第二磁性结层之间的交换耦合控制层。
在另外的实施例中，交换耦合控制层可以包括从包括过渡金属元素的金属元素 中选择的至少一种。
在另外的实施例中，交换耦合控制层可以进一步包括通过交换耦合控制层的表 面的氧化而形成的氧化层。
在替代实施例中，第二磁性物质可以进一步包括在第二垂直磁性层上交替堆叠 多次的非磁性层和铁磁层。铁磁层可以具有原子层厚度。
在另外的替代实施例中，第一垂直磁性层可以包括具有在约10%原子百分比至 约45%原子百分比的范围内的钼含量的无序钴钼合金。
在另外的替代实施例中，第一垂直磁性层可以包括Co3Pt。
在另外的替代实施例中，第一垂直磁性层可以进一步包括从由硼(B)、铬(Cr) 和铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
在其他的替代实施例中，隧道势垒可以包括从由镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁 锌(MgZn)和/或镁硼(MgB)的氧化物、和/或钛(Ti)和/或钒(V)的氮化物组成的组 中选择的至少一种。
在另外的替代实施例中，磁存储器件可以进一步包括在第二磁性物质上的覆盖 层。覆盖层可以包括从由钽CTa)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮 化钽(TaN)和/或氮化钛(TiN)组成的组中选择的至少一种。
在其他的替代实施例中，当磁存储器件操作时，电流可以在基本上垂直于衬底 的平面的方向上流动。
在其他的替代实施例中，第二磁性层和第一磁性层的磁化方向可以基本上垂直 于衬底的平面。
根据一些实施例，磁存储器件可以包括第一垂直磁性层、第一垂直磁性层上的 非磁性层、以及非磁性层上的第一结磁性层，其中，非磁性层在第一垂直磁性层与第一 结磁性层之间。隧道势垒可以在第一结磁性层上，其中，第一结磁性层在非磁性层与隧 道势垒之间。第二结磁性层可以在隧道势垒上，其中，隧道势垒在第一结磁性层与第二 结磁性层之间。第二垂直磁性层可以在第二结磁性层上，其中，第二结磁性层在隧道势 垒与第二垂直磁性层之间。
根据一些其他的实施例，磁存储器件可以包括含有铁(Fe)的自由磁性层、自 由磁性层上的隧道势垒、以及在隧道势垒上的含有铁(Fe)的基准磁性层。隧道势垒可以 在自由磁性层和基准磁性层之间。自由磁性层中的铁的浓度可以至少与基准磁性层中的 铁的浓度一样大。
根据其他的实施例，磁存储器件可以包括衬底、衬底上的第一磁性物质、第一 磁性物质上的隧道势垒、以及隧道势垒上的第二磁性物质。第一磁性物质可以包括与衬 底相邻且具有六方紧密堆积(HCP)晶格结构的垂直磁性层。磁性物质可以在衬底和隧道 势垒之间，并且隧道势垒可以在第一磁性物质和第二磁性物质之间。


附图被包括进来以提供本发明原理的进一步理解，并且被并入并且构成本说明 书的一部分。附示了本发明原理的示例性实施例，并且与描述一起用于解释本发明 原理的原则。在附图中
图1是图示根据本发明原理的第一实施例的磁存储器件的视图2是图示根据本发明原理的第一实施例的磁存储器件的修改示例的视图3是图示根据本发明原理的第一实施例的磁存储器件的另一修改示例的视 图4A至图4C是描述用于根据本发明原理的第一实施例的磁存储器件的方法的 视图5是图示根据本发明原理的第二实施例的磁存储器件的视图6是图示根据本发明原理的第二实施例的磁存储器件的修改示例的视图7是图示根据本发明原理的第三实施例的磁存储器件的视图8是描述用于根据本发明原理的第三实施例的磁存储器件的方法的视图9是描述根据本发明原理的第三实施例的晶体结构的视图；以及
图10是图示根据本发明原理的第四实施例的磁存储器件的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来更加详细地描述根据本发明原理的实施例的磁存储器 件以及用于形成该磁存储器件的方法。提供待描述的实施例，使得本领域的技术人员易 于理解本发明原理的精神，并且发明原理不应当由此被解释为受限的。发明原理的实施 例可以在发明原理的技术精神和范围内以不同形式来实施。在附图中，可能放大元件的 厚度和相对厚度，以清楚地图示发明原理的实施例。与位置相关的术语，诸如说明书 中的上和下，均是相对性的表达，以明确描述并且不应当解释为限于绝对元件之间的位 置。
通过参考实施例的下述详细描述和附图，可以更易于理解发明原理的优点和特 征以及实现本发明原理的方法。然而，发明原理可以以许多不同的形式来实施，并且不 应当解释为限制为在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是全面和 完整的，并且将全面地将发明原理传达给本领域的技术人员，并且本发明原理将仅由所 附权利要求来限定。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
应当理解，当元件被称为“在...上”、“连接到”或“耦合到”另一元件时， 该元件可以直接在另一元件上、直接连接到另一元件或直接耦合到另一元件，或者可能 存在插入元件。相反，当元件被称为“直接在...上”、“直接连接到”或“直接耦合 到”另一元件时，不存在插入元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关列出项的任何一个以及一个或多个的所有组合。
应当理解，尽管这里术语第一、第二等可以在用于描述各种元件、部件、层和 /或部分，但这些元件、部件、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅用 于将一个元件、部件或部分与另一元件、部件或部分进行区分。因此，在不脱离本发明 原理的教导的情况下，下述第一元件、第一部件、第一层或第一部分能够被称为第二元 件、第二部件、第二层或第二部分。
除非另外限定，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与发明原理所 属于的领域的普通技术人员通常理解的相同的意义。应当进一步理解，诸如在通用字典 中定义的术语应当被解释为具有与在相关领域的背景下其含义一致的含义，并且不应当 以理想化或过度正式意义来解释，除非在此明确地进行限定。
另外，当没有具体定义在本说明书中使用的术语时，本领域的技术人员能理解 在本说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语)。此外，当没有具体定义字典中定 义的通用术语时，这些术语将具有本领域中的普通含义。
可以在此使用诸如“在...下”或“在...上”，或“上”或“下”或“水平”或“横向”或“垂直”的关系术语来描述在附图中所示的一个元件、层或区域与另一元 件、层或区域的关系。应当理解，这些术语意图包含除了在附图中所述的定向之外的该 器件的不同定向。
在此所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而并不意在限制示例性实 施例。如在此所使用的，单数形式不定冠词“a”以及“an”和定冠词“the”意在还 包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。应当进一步理解，术语“包括”当在本说 明书中使用时，指定存在陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、层和/或部件，但不 排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、层、部件和/或其构 成的组。
在附图中，图示的特征可能由于例如制造技术和/或制造公差而改变。因此， 应当理解，发明原理的示例性实施例不限于附图，而包括由于例如制造公差而引起的元 件的特征的修改。
(第一实施例及其修改示例)
参考图1，将描述根据本发明原理的第一实施例的磁存储器件。下电极110被布 置在衬底100上。衬底100可以是基于半导体的半导体衬底。衬底100可以包括导电区 和/或绝缘区。下电极110可以被电连接到衬底100的导电区。下电极110可以被布置 在衬底100上和/或衬底100中。下电极110例如可以具有从包括线、岛和/或板的组 中选择的任何一个形状。
第一垂直磁性层123可以被布置在下电极110上。在一个实施例中，第一垂直 磁性层123可以包括交替堆叠的非磁性层121和铁磁层122。铁磁层122可以包括从由铁 (Fe)、钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种元素，并且非磁性层121可以 包括从由铬(Cr)、钼(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金 (Au)、和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种元素。例如，第一垂直磁性层123可以 是[Co/Pt]m、[Co/Pd]m、[Ni/Pt]m(m是每一层的堆叠数目，并且是2或更大的自然数) 或其组合。在一实施例中，非磁性层121和铁磁层122可以分别进行约2至约20次的范围内的次数的堆叠。当电流在垂直(正交)于衬底100和第一垂直磁性层123的平面的 方向上流动时，第一垂直磁性层123可以被构造使得它具有平行于电流的磁化方向。对 于该构造，可以薄薄地形成铁磁层122以具有一个至数个原子层的厚度。
第一非磁性层130可以被布置在第一垂直磁性层123上。第一非磁性层130可以 具有相对薄的厚度。例如，第一非磁性层130可以被形成为具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。第一非磁性层130可能不具有纹理。例如，第一非磁性层130 可以被均勻地形成在第一垂直磁性层123上，并且可能由于薄的厚度而不具有纹理。
第一非磁性层130可以包括从包括非磁性过渡金属的非磁性金属元素中选择的 至少一种。例如，第一非磁性层130可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、 钌(Ru)、铜(Cu)、锌( )、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、 钼(Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中选择的 至少一种。
在一实施例中，第一非磁性层可以形成有多个层。例如，第一非磁性层130可 以包括在垂直磁性层123上顺序堆叠的第一下金属化合物层133、第一非磁性金属层136 和第一上金属化合物层139。尽管在图1中未示出，但第一非磁性层130可以包括在垂 直磁性层123上顺序地堆叠的金属化合物层/非磁性金属层和/或非磁性金属层/金属化 合物层。第一非磁性金属层136可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、钌 (Ru)、铜(Cu)、锌(Zn)、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、钼 (Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中选择的至 少一种。第一下金属化合物层133和第一上金属化合物层139可以是金属氧化物、金属 氮化物、金属氮氧化合物和/或其组合。例如，每个金属化合物层可以由金属层的化合 物形成。相反，第一非磁性层130可以包括仅单个金属层或多个金属层。通过第一下金 属化合物层133和第一上金属化合物层139，可以防止和/或减少第一非磁性金属层136 中的金属原子扩散到另一相邻层中。
第一结磁性层141可以被布置在第一非磁性层130上。第一结磁性层141可以 包括软磁性材料。第一结磁性层141可以具有低阻尼常数和高自旋极化率。例如，第一 结金属层141可以包括从由钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种。 第一结磁性层141可以进一步包括从包括硼⑶、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、 钽(Ta)、硅、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中选 择的至少一种。具体地，第一结磁性层141可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以进一步 包括硼(B)。此外，为了减小第一结磁性层141的饱和磁化强度，第一结磁性层141可 以进一步包括从由钛(Ti)、铝(Al)、硅Bi)、镁(Mg)、钽(Ta)和/或硅组成的组 中选择的至少一种。
在第一结磁性层141和第一垂直磁性层123之间的第一非磁性层130可以增强包 括它们的磁存储器单元的垂直磁各向异性(anisotropy)。例如，第一结磁性层141可以通 过第一非磁性层130来与第一垂直磁性层123反铁磁性地或铁磁性地交换耦合。因为第 一垂直磁性层123具有高垂直磁各向异性，所以还可以增强与第一垂直磁性层123交换耦 合的第一结磁性层141的垂直磁各向异性。本说明书中的垂直磁各向异性被定义为要在 与衬底100的平面垂直的方向上磁化的层的属性。如在此所使用的，术语垂直可以指相对于衬底100的表面正交的方向。
第一结磁性层141的晶体结构由于第一非磁性层130可能具有不同于第一垂直磁 性层123的晶体结构的结构。因此，可以进一步增强磁性隧道结的磁阻比。关于此的详 细描述将关于后续描述的用于形成第一结金属层141的方法来提供。
隧道势垒145可以被布置在第一结金属层141上。隧道势垒145可以具有比自 旋扩散距离更薄的厚度。隧道势垒145可以包括非磁性材料。在一实施例中，隧道势垒 145可以由绝缘材料层形成。相反，隧道势垒145可以包括多个层。例如，隧道势垒145 可以包括从由镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁-锌(MgZn)和/或镁-硼(MgB)的氧化 物、和/或钛(Ti)和/或钒(V)的氮化物组成的组中选择的至少一种。例如，隧道势垒 可以由氧化镁(MgO)层形成。
隧道势垒145可以具有与第一结磁性层141类似的晶体结构。例如，第一结磁性 层141可以包括具有体心立方(BCC)结构的磁性材料或具有体心立方结构的磁性材料， 包括非磁性元素。当第一结磁性层141包括非磁性元素时，磁性材料可以变成非晶的。 隧道势垒145和第一结磁性层141可以分别具有NaCl型晶体结构和体心立方结构，并且 隧道势垒145的(001)晶面可以与第一结磁性层141的(001)晶面接触以形成界面。由 此可以提高包括隧道势垒145和第一结磁性层141的磁性隧道结的磁阻比。
第二结磁性层149可以被布置在隧道势垒145上。第二结磁性层149可以包括软 磁性材料。例如，第二结磁性层149可以包括钴(Co)原子、铁(Fe)原子和/或镍(Ni) 原子，使得可以确定原子的含量以降低第二结磁性层149的饱和磁化强度。第二结磁性 层149可以具有低阻尼常数和高自旋极化率。为实现这些，第二结磁性层149可以进一步 包括从包括硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅、银(Ag)、 金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中选择的至少一种。例如，第二 结磁性层149可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以进一步包括硼。另外，第二结磁性 层149可以进一步包括从包括钛(Ti)、铝(Al)、硅、镁(Mg)和/或钽(Ta)的非磁 性元素中选择的至少一种。第二结磁性层149中的选择的非磁性元素的含量可以在约原子百分比至约15%原子百分比的范围中。当第二结磁性层149用作磁存储器单元的自 由层时，可以将第二结磁性层149的饱和磁化强度控制为小于第一结磁性层141的饱和磁 化强度的值。
第二结磁性层149可以具有与隧道势垒145类似的晶体结构。例如，隧道势垒 145和第二结磁性层149可以具有NaCl型晶体结构和体心立方结构，并且隧道势垒145的 (001)晶面可以与第二结磁性层149的(001)晶面接触以形成界面。由此可以提高包括第 二结磁性层149和隧道势垒145的磁性隧道结的磁阻比。
在一些实施例中，第二结磁性层149中的铁磁原子的含量可以不同于第一结磁 性层141中的铁磁原子的含量。例如，第一结磁性层141和第二结磁性层149可以包括从 钴(Co)、镍(Ni)和/或铁(Fe)中选择的至少一种，而第二结磁性层149中的铁(Fe)含 量可以等于或大于第一结磁性层141中的铁(Fe)含量。在该情况下，第二结磁性层149 可以用作自由层。
第二非磁性层150可以被布置在第二结磁性层149上。第二非磁性层150可以 被形成有相对薄的厚度。例如，第二非磁性层150可以被形成为具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。第二非磁性层150可能不具有纹理。例如，第二非磁性层 150可以被均勻地形成在第二结磁性层149上，并且可能由于薄的厚度而不具有纹理。
第二非磁性层150可以包括从包括非磁性过渡金属的非磁性金属元素中选择的 至少一种。例如，第二非磁性层150可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、 钌(Ru)、铜(Cu)、锌( )、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、 钼(Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中选择的 至少一种。
在一些实施例中，第二非磁性层150可以形成有多个层。例如，第二非磁性层 150可以包括在第二结磁性层149上顺序堆叠的第二下金属化合物层153、第二非磁性金 属层156和第二上金属化合物层159。尽管在图1中没有示出，但第二非磁性层150可 以包括在第二结磁性层149上顺序堆叠的金属化合物层/非磁性金属层或非磁性金属层 /金属化合物层。第二非磁性金属层156可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬 (Cr)、钌(Ru)、铜(Cu)、锌(Zn)、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱 (Ir)、钼(Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中 选择的至少一种。第二下金属化合物层153和第二上金属化合物层159可以是金属氧化 物、金属氮化物、金属氮氧化合物或其组合。例如，第二下金属化合物层153和第二上 金属化合物层159可以由第二非磁性金属层156的化合物形成。通过第二下金属化合物 层153和第二上金属化合物层159，可以防止和/或减少第二非磁性金属层156中的金属 原子扩散到另一相邻层中。相反，第二非磁性层150可以包括仅单个金属层或多个金属 层。
第二垂直磁性层163可以被布置在第二非磁性层150上。在一些实施例中，第 二垂直磁性层163可以包括交替堆叠的非磁性层161和铁磁层162。铁磁层162可以包括 从由铁(Fe)、钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种，而非磁性层161可以 包括从由铬(Cr)、钼(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金 (Au)和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。例如，第二垂直磁性层163可以包括 [Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Ni/Pt]n(η是每层的堆叠数目，并且是2或更大的自然数)或其组 合。铁磁层162可以被形成为具有一个到数个原子的厚度。第二垂直磁性层163和第二 结磁性层149之间的交换耦合可以由第二非磁性层150来增强。由此可以增强第二结磁 性层149的垂直磁各向异性。
第二垂直磁性层163中的非磁性层161和铁磁层162的堆叠数目η可以不同于第 一垂直磁性层123中的非磁性层121和铁磁层122的堆叠数目m。例如，第二垂直磁性 层163中的非磁性层161和铁磁层162的堆叠数目可以小于第一垂直磁性层123中的非磁 性层121和铁磁层122的堆叠数目。在该情况下，与第一垂直磁性层123相邻的第一结 磁性层141可以用作磁存储器单元的基准层，而与第二垂直磁性层163相邻的第二结磁性 层149可以用作磁存储器单元的自由层。相反，第二垂直磁性层163中的非磁性层161 和铁磁层162的堆叠数目η可以大于第一垂直磁性层123中的非磁性层121和铁磁层122 的堆叠数目m。在该情况下，第二结磁性层141可以用作基准层，而第一结磁性层149 可以用作自由层。
根据要执行的功能，第一结磁性层141和第二结磁性层149可以具有不同的磁属性。例如，用作自由层的结磁性层可以具有小于用作基准层的结磁性层的饱和磁化强 度。可以通过要包括的铁磁材料(Co、Ni和/或Fe)的比率和/或非磁性材料的比率来 控制饱和磁化强度。
第一结磁性层141、隧道势垒145和第二结磁性层149可以构成磁存储器单元的 磁性隧道结。可以通过使用自由层和基准层的磁化方向彼此平行还是反平行时磁性隧道 结的电阻值之间的差，来将数据存储在包括磁性隧道结的磁存储器单元中。自由层的磁 化方向可以根据提供给磁存储器单元的电流方向而变化。例如，在电流从第一结磁性层 141提供给第二结磁性层149的情况下的自由层的磁化方向，可以反平行于在电流从第二 结磁性层149提供给第一结磁性层141的情况下的自由层的磁化方向。基准层和自由层 的磁化方向可以垂直于衬底100的平面。基准层可以垂直于衬底100的平面，并且具有 固定的第一磁化方向。自由层具有垂直于衬底100的平面的磁化方向，并且，自由层的 磁化方向可以根据所提供的电流的方向是第一磁化方向或反平行于第一磁化的第二磁化 方向。
覆盖层170可以被布置在第二垂直磁性层163上。覆盖层170可以包括从由钽 (Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、钌(Ru)、镁(Mg)、氮化钽(TaN) 和/或氮化钛(TiN)组成的组中选择的至少一种。
参考图2，将描述根据发明原理的一些实施例的磁存储器件的一个修改示例。为 清楚和/或简洁起见，可以省略与图1中所述的元件基本上相同的元件的描述。
下电极110可以被布置在衬底100上。籽晶层115和第一垂直磁性层IM可以被 布置在下电极Iio上。籽晶层115可以包括构成六方紧密堆积晶格(HCP)的金属原子。 籽晶层115可以被形成为具有从约10 A (埃)至约100A (埃)的范围内的厚度。籽晶层 115可以包括钌(Ru)或钛(Ti)。相反，籽晶层115可以包括构成面心立方晶格(FCC) 的金属原子。例如，籽晶层115可以包括钼(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu) 和/或铝(Al)。籽晶层115可以包括单个层或具有不同晶体结构的多个层。相反，当构 成第一垂直磁性层124的材料是非晶时，可以省略籽晶层115。
第一垂直磁性层124的磁化方向可以基本上垂直于衬底100的平面并且进行修 改。为实现这一点，第一垂直磁性层1 可以包括从由具有LlO晶体结构的材料、具有 六方紧密堆积(HCP)晶格的材料、以及非晶稀土过渡金属(RE-TM)合金组成的组中选 择的至少一种。例如，第一垂直磁性层1 可以是从具有LlO晶体结构的材料中选择的 至少一种，所述材料包括 Fe5(1Pt5。、Fe50Pd50^ Co50Pt50^ Co5tlPd5tl 和 / 或 Fe5tlNi50。相反， 第一垂直磁性层1 可以包括具有约10%原子百分比至约45%原子百分比的钼含量的无 序钴钼合金或具有六方紧密堆积(HCP)晶格的有序Co3Pt合金。相反，第一垂直磁性层 IM可以包括非晶RE-TM合金中的至少一种，所述非晶RE-TM合金包括从由铁(Fe)、 钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种以及从由稀土铽(Tb)、镝(Dy)和/或 钆(Gd)组成的组中选择的至少一种。
第一非磁性层130可以被布置在第一垂直磁性层IM上。第一非磁性层130可以 被形成有薄的厚度。例如，第一非磁性层130可以被形成为具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。第一非磁性层130可能不具有纹理。例如，第一非磁性层130 可以均勻地形成在第一垂直磁性层1 上，并且可能由于薄的厚度而不具有纹理。
第一非磁性层130可以包括从包括非磁性过渡金属的非磁性金属元素中选择的 至少一种。在实施例中，第一非磁性层130可以形成有多个层。例如，第一非磁性层 130可以包括在垂直磁性层IM上顺序堆叠的第一下金属化合物层133、第一非磁性金属 层136以及第一上金属化合物层139。尽管在图2中没有示出，但第一非磁性层130可 以包括在第一垂直磁性层1 上顺序堆叠的金属化合物层/非磁性金属层、或非磁性金属 层/金属化合物层。非磁性金属层可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、 钌(Ru)、铜(Cu)、锌( )、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、 钼(Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中选择的 至少一种。第一下金属化合物层133和第一上金属化合物层139可以是金属氧化物、金 属氮化物或其组合。例如，金属化合物层可以是金属层的化合物。相反，第一非磁性层 130可以包括仅单个金属层或多个金属层。
可以在第一非磁性层130上顺序堆叠第一结磁性层141、隧道势垒145和第二结 磁性层149。第一结磁性层141、隧道势垒145和第二结磁性层149可以构成磁性隧道 结。第一结磁性层141可以通过第一非磁性层130来与第一垂直磁性层123进行强交换 耦合。由此可以增强第一结磁性层141的垂直磁各向异性。第一结磁性层141和第二结 磁性层149可以包括软磁性材料。当磁存储器单元操作时，第一结磁性层141和第二结 磁性层149中的一个可以用作基准层，并且另一个可以用作自由层。用作自由层的结磁 性层可以具有比用作基准层的结磁性层更低的饱和磁化强度。
第二非磁性层150可以被布置在第二结磁性层149上。第二非磁性层150可以 被形成有薄的厚度。例如，第二非磁性层150可以被形成具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。第二非磁性层150可能不具有纹理。例如，第二非磁性层150 可以均勻地形成在第二结磁性层149上，并且可能由于薄的厚度而不具有纹理。
第二垂直磁性层163可以被布置在第二非磁性层150上。第二垂直磁性层163 可以被构造为使得它具有与衬底100的平面垂直的磁化方向。例如，第二垂直磁性层163 可以包括交替堆叠的非磁性层161和铁磁层162，并且铁磁层162可以被形成有一个至数 个原子的厚度。铁磁层162的磁化方向可以垂直于衬底100的平面。通过第二非磁性层 150，第二垂直磁性层163可以与第二结磁性层149交换耦合。
覆盖层170可以被形成在第二垂直磁性层163上。覆盖层170可以包括从由钽 (Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、钌(Ru)、镁(Mg)、氮化钽(TaN) 和/或氮化钛(TiN)组成的组中选择的至少一种。
参考图3，将描述根据发明原理的实施例的磁存储器件的一个修改示例。在衬底 100和下电极110上顺序地堆叠籽晶层115和第一垂直磁性层124。籽晶层115可以包括 单个金属层和多个金属层。第一垂直磁性层1 可以包括具有垂直于衬底100的平面并 易于磁化的轴的材料。第一垂直磁性层1 可以包括从由具有LlO晶体结构的材料、具 有六方紧密堆积(HCP)晶格的材料、以及非晶RE-TM合金组成的组中选择的至少一种。 当第一垂直磁性层124包括非晶RE-TM合金时，可以省略籽晶层115。
第一非磁性层130可以被布置在第一垂直磁性层IM上。第一非磁性层130可以 被形成有薄的厚度。例如，第一非磁性层130可以被形成为具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。第一非磁性层130可能不具有纹理。
第一非磁性层130可以包括从包括非磁性过渡金属的非磁性金属元素中选择的 至少一种。在实施例中，第一非磁性层130可以形成有多个层。例如，第一非磁性层 130可以包括在垂直磁性层IM上顺序堆叠的第一下金属化合物层133、第一非磁性金属 层136以及第一上金属化合物层139。与图示不同，第一非磁性层130可以包括在第一 垂直磁性层1 上顺序堆叠的金属化合物层/非磁性金属层或非磁性金属层/金属化合物 层。相反，第一非磁性层130可以包括仅单个金属层或多个金属层。第一垂直磁性层 123可以通过第一非磁性层130来与第一结磁性层141交换耦合。
可以在第一非磁性层130上顺序堆叠第一结磁性层141、隧道势垒145和第二结 磁性层149。第一结磁性层141和第二结磁性层149可以包括软磁性材料。当磁存储器 单元操作时，第一结磁性层141和第二结磁性层149中的一个可以用作基准层，而另一个 可以用作自由层。用作自由层的结磁性层可以具有比用作基准层的结磁性层更小的饱和 磁化强度。
第二非磁性层150可以被布置在第二结磁性层149上。第二非磁性层150可以 被形成有薄的厚度。例如，第二非磁性层150可以被形成为具有在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内的厚度。第二非磁性层150可能不具有纹理。
第二垂直磁性层164可以被布置在第二非磁性层150上。第二垂直磁性层164 可以被构造为使得它具有垂直于构成磁性隧道结的第一结磁性层141和第二结磁性层149 的平面的磁化方向。第二垂直磁性层164可以通过第二非磁性层150与第二结磁性层149 交换耦合。例如，第二垂直磁性层164可以包括非晶RE-TM合金。覆盖层170可以被 布置在第二垂直磁性层164上。
参考图4A和图4C以及图1，将描述用于形成根据本发明原理的实施例的磁存储 器件的方法。可以省略参考图1的一些描述。
参考图4A，下电极110可以被形成在衬底100上。下电极110可以被形成在衬 底100上和/或衬底100中。
可以在下电极110上交替地堆叠非磁性层121和铁磁层122。非磁性层121和铁 磁层122的堆叠数目可以在约2次至约20次的范围内。铁磁层122可以被形成有一个至 数个原子的厚度。非磁性层121和铁磁层122可以构成第一垂直磁性层123。
参考图4B，可以在第一垂直磁性层123上形成第一下金属化合物层133。可以 在第一垂直磁性层123上薄薄地形成金属层，接着进行氧化和/或氮化，以形成第一下金 属化合物层133。金属层可以包括从例如过渡金属中选择的至少一种。
可以在第一下金属化合物层133上形成第一非磁性金属层136。第一非磁性金 属层136可以包括从非磁性金属例如非磁性过渡金属中选择的至少一种。例如，第一非 磁性金属层136和第一下金属化合物层133可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬 (Cr)、钌(Ru)、铜(Cu)、锌(Zn)、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱 (Ir)、钼(Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中 选择的至少一种。第一非磁性金属层136可以包括与第一下金属化合物层133相同的金 jM ο
参考图4C，在第一非磁性金属层136上形成第一上金属化合物层139。第一上 金属化合物层139可以通过对第一非磁性金属层136的顶面进行氧化或氮化来形成。为了氧化或氮化，可以在第一上金属化合物层139的顶面上提供少量氧化气体和/或氮化气 体。相反，可以在第一非磁性金属层136上形成单独的金属层，随后进行氧化和/或氮 化，以形成第一上金属化合物层139，或者可以淀积单独的金属化合物层，以形成第一上 金属化合物层139。
可以在第一上金属化合物层139上顺序地形成第一结磁性层141、隧道势垒145 和第二结磁性层149。第一结磁性层141和第二结磁性层149可以包括软磁材料。在一 实施例中，第一结磁性层141和第二结磁性层149可以包括具有彼此不同的饱和磁化强度 的材料。第一和第二结磁性层149可以以非晶状态形成。在实施例中，可以进一步包括 用于对第一结磁性层149的顶部进行氧化的工艺。
隧道势垒145可以包括从由镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁-锌(MgZn)和/或 镁-硼(MgB)的氧化物、和/或钛(Ti)和/或钒(V)的氮化物组成的组中选择的至少 一种。相反，隧道势垒145可以包括多个层。该多个层可以是从由金属层、金属氧化物 层、金属氮化物层、和/或金属氮氧化物层组成的组中选择的至少两个层。隧道势垒145 可以具有预定的晶体结构，例如，NaCl型晶体结构。
可以在隧道势垒145上形成第二结磁性层149。当第二结磁性层149用作磁存 储器单元的自由层时，第二结磁性层149可以具有比第一结磁性层141更小的饱和磁化强 度。替代地，第二结磁性层149的铁(Fe)含量可以大于或至少等于第一结磁性层141的 铁(Fe)含量。
可以对第二结磁性层149的顶面进行氧化和/或氮化。由此可以在第二结磁性 层149的顶部中形成预先下(pre-lower)金属化合物层152。可以以与第一非磁性金属层 136的顶面相同的方式，对第二结磁性层149的顶面进行氧化和/或氮化。相反，可以省 略第二结磁性层149的氧化和/或氮化工序。
可以在第二结磁性层149和预先下金属化合物层152上形成第二非磁性金属层 156。第二非磁性金属层156可以包括从由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、钌 (Ru)、铜(Cu)、锌( )、钽(Ta)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、钼 (Mo)、钒(V)、钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)和/或铪(Hf)组成的组中选择的至 少一种。
再次参考图1，在第二非磁性金属层156上形成第二上金属化合物层159。可以 通过对第二非磁性金属层156的顶面进行氧化或氮化来形成第二上金属化合物层159。为 了进行氧化或氮化，可以在第二上金属化合物层159的顶面上提供少量氧化气体和/或氮 化气体。相反，可以在第二非磁性金属层156上形成单独的金属层，随后进行氧化和/ 或氮化，以形成第二上金属化合物层159，或者可以沉积单独的金属化合物层以形成第二 上金属化合物层159。
可以在第二上金属化合物层159上交替地堆叠非磁性层161和铁磁层162。铁磁 层162可以被形成有一个至数个原子的厚度。非磁性层161和铁磁层162可以被包括在 第二垂直磁性层163中。第二垂直磁性层163中的非磁性层161和铁磁层162的堆叠数 目可以不同于第一垂直磁性层123中的非磁性层121和铁磁层122的堆叠数目。
在形成第二垂直磁性层163之前和/或之后，可以执行退火工艺。通过退火工 艺，可以使非晶的第一结磁性层141和第二结磁性层149结晶成隧道势垒145的籽晶层。退火工艺可以是磁退火工艺或另一退火工艺。当隧道势垒145用作籽晶层时，隧道势垒 145可以具有与第一结层141和第二结层149类似的晶体结构。替代地，接触隧道势垒 145的第一结层141和第二结层149的面可以具有与隧道势垒的面等同的晶面。例如， 当隧道势垒145的顶面和底面与NaCl型晶体结构的(001)晶面相对应时，接触隧道势垒 145的第一结磁性层141和第二结磁性层149的面可以是体心立方结构的(001)晶面。
在退火期间，第一非磁性层130和第二非磁性层150可以防止第一结磁性层141 和第二结磁性层149沿不同于隧道势垒145的层的晶体结构而结晶。例如，当省略第一 非磁性层130和第二非磁性层150时，第一结磁性层141和第二结磁性层149的结晶可能 受到第一垂直磁性层123和第二垂直磁性层163的影响。在该情况下，第一结磁性层141 和第二结磁性层149可能不具有与隧道势垒145相同的晶体结构和/或晶面。当第一结 磁性层141和第二结磁性层149具有不同于隧道势垒145的晶体结构和/或晶面时，可以 显著地降低包括这些的磁性隧道结的电阻比率。然而，当根据发明原理的实施例，第一 非磁性层130和第二非磁性层150分别插入在第一垂直磁性层123与第一结磁性层141之 间和/或在第二垂直磁性层163与第二结磁性层140之间时，第一垂直磁性层123和第二 垂直磁性层163可以不用作用于第一结磁性层141和第二结磁性层149的结晶的籽晶层。 因此，第一结磁性层141和第二结磁性层149的晶体结构可以与隧道势垒145的晶体结构 对准。因此，可以提高包括这些的磁性隧道结的磁阻比。
可以在第二垂直磁性层163上形成覆盖层170。覆盖层170可以包括从由钽 (Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、钌(Ru)、镁(Mg)、氮化钽(TaN) 和/或氮化钛(TiN)组成的组中选择的至少一种。
可以对第一垂直磁性层123、第一非磁性层130、第一结磁性层141、隧道势垒 145、第二结磁性层149、第二非磁性层150、第二垂直磁性层163和覆盖层170进行图案 化。可以通过从包括光刻和/或电子束图案化的各种图案化工艺中选择的一种工艺来执 行该图案化。在形成所有的层之后，或者在形成一些层之后，可以执行图案化。当仅对 一些层进行图案化时，可以在形成其他的层之后执行另外的图案化。
参考图2，将描述用于形成根据发明原理的实施例的磁存储器件的修改示例的方 法。省略参考图1所述的用于形成元件的方法的描述。
可以在衬底100上形成籽晶层115。籽晶层115可以包括单个金属层或多个金属 层。籽晶层115可以包括具有预定晶体结构的金属层。例如，籽晶层115可以具有从由 体心立方晶格(BCC)、面心立方晶格(FCC)、和六方紧密堆积(HCP)晶格组成的组中选 择的至少一个晶体结构。
可以在籽晶层115上形成第一垂直磁性层124。可以使用籽晶层115作为籽晶来 沉积第一垂直磁性层124。使用籽晶层115作为籽晶沉积的第一垂直磁性层IM可以具有 HCP或LlO晶体结构。当第一垂直磁性层124由非晶RE-TM合金形成时，可以省略籽 晶层115。
参考图3，将描述用于形成根据本发明原理的实施例的磁存储器件的修改示例的 方法。省略参考图1和图2所述的用于形成元件的方法的描述。
在第二非磁性层150上形成第二垂直磁性层164。第二垂直磁性层164可以包括 例如非晶RE-TM合金。尽管未示出，但是第二垂直磁性层164可以包括多个铁磁层。非磁性金属层可以插入在铁磁层之间。在铁磁材料层具有垂直磁化方向的范围内，可以 以各种形状修改第二垂直磁性层164。
(第二实施例)
参考图5，将描述根据本发明原理的第二实施例的磁存储器件。
下电极210被布置在衬底200上。衬底200可以是基于半导体的半导体衬底。 衬底200可以包括导电区和/或绝缘区。下电极210可以被电连接到衬底200的导电区。 下电极210可以被布置在衬底200上和/或衬底200中。下电极210可以具有从由线、 岛和或板组成的组中选择的任何一种。
钉扎层2 被布置在下电极210上。钉扎层可以包括反铁磁材料。例如，钉扎 层 226 可以包括从由 PtMn、IrMn> FeMn> NiMn> MnO> MnS> MnTe> MnF2> FeF2> FeCl2> FeO> CoCl2> CoO、NiCl2> NiO和/或Cr组成的组中选择的至少一种。钉扎层226可以将邻近磁性层的磁化方向固定在一个方向上。
可以在钉扎层2 上提供下基准层227。下基准层227可以包括铁磁材料。例 如，下基准层 227 可以包括从由 CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe> MnAs> MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3^ FeOFe2O3^ NiOFe2O3^ CuOFe2O3、EuO 禾口 / 或Y3Fe5O1Ji成的组中选择的至少一种。可以通过钉扎层2 将下基准层227的磁化方向固 定到一个方向。可以从与衬底200的平面平行的方向中选择一个方向。对于另一示例， 下基准层227可以包括从由具有LlO晶体结构的材料、具有HCP的材料、和非晶RE-TM 合金组成的组中选择的至少一种。在该情况下，下基准层227的磁化方向可以与衬底200 的平面垂直(正交)。
基准交换耦合层2 可以被布置在下基准层227上。基准交换耦合层2 可以 包括从由钌(Ru)、铱(Ir)、铬(Cr)和/或铑(Rh)组成的组中选择的至少一种。
可以在基准交换耦合层2 上形成上基准层Ml。上基准层241可以包括铁 (Fe)。上基准层241可以包括从由钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种。 上基准层241可以进一步包括非磁性材料中的至少一种，所述非磁性材料包括硼(B)、锌 (Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅 、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳 (C)和/或氮(N)。可以通过基准交换耦合层2 将上基准层241与下基准层227交换 華禹合。
可以在上基准层241上形成隧道势垒M5。隧道势垒245可以包括非磁材料。 隧道势垒245可以包括从由镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁-锌(MgZn)和/或镁-硼 (MgB)的氧化物、和/或钛(Ti)和/或钒(V)的氮化物组成的组中选择的至少一种。例 如，隧道势垒245可以是氧化镁(MgO)层。相反，隧道势垒245可以包括多个层，包括 金属层和金属化合物层。
隧道势垒245可以具有与上基准层241类似的晶体结构。例如，隧道势垒M5 和上基准层241可以分别具有NaCl型晶体结构和体心立方结构。隧道势垒245和上基准 层241之间的界面可以包括相同的晶面。例如，隧道势垒对5的(001)晶面可以包括上 基准层Ml的(001)晶面。
下自由层249可以被布置在隧道势垒245上。下自由层249可以包括铁(Fe)。 下自由层249可以包括从由钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种。上基准层241可以进一步包括非磁性材料中的至少一种，所述非磁性材料包括硼(B)、锌(Zn)、铝 (Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅 、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和 / 或 氮(N)。
下自由层M9中的铁(Fe)含量可以高于上基准层241中的铁(Fe)含量。可以通 过下自由层249中的高铁含量，来增强包括上基准层241和下自由层249的磁存储器单元 的可靠性。当在构成磁性隧道结的基准层和自由层之间基准层中的铁含量高时，包括该 磁性隧道结的磁存储器单元可能显示异常的切换行为。在一个示例中，包括相对低的铁 含量的自由层的磁化方向可能不保持在与基准层的磁化方向平行的方向上。因此，当将 磁存储器单元切换成平行状态(其中自由层的磁化方向平行于基准层的磁化方向的状态) 时，可能异常地反转自由层的磁化方向。由于这些异常切换现象，可能降低包括自由层 的磁存储器单元的可靠性。然而，根据发明原理的实施例，下自由层249可以具有比上 基准层241更高的铁含量。因此，将磁存储器单元切换到平行状态的动作中，下自由层 249的磁化方向可以稳定地保持处于平行于上基准层Ml的磁化方向的状态中。下自由 层对9的磁化方向可以不被异常地反转。因此，可以增强包括下自由层对9的磁存储器 单元的可靠性。
自由交换耦合层265可以被布置在下自由层249上。自由交换耦合层265可以 包括从由钌(Ru)、铱(Ir)、铬(Cr)、和/或铑(Rh)组成的组中选择的至少一种。
上自由层266可以被布置在自由交换耦合层265上。上自由层266可以包括铁 磁材料。例如，上自由层洸6可以包括从由CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、 NiFe、MnAs、MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3^ FeOR2O3、NiOR2O3、CuOFe2O3^ EuO和/或Y3F^O12组成的组中选择的至少一种。当磁存储器单元操作时，可以将上自 由层沈6的磁化方向改变成平行于衬底200的平面的第一方向或第二方向。对于另一示 例，上自由层266可以包括从非晶RE-TM合金中选择的至少一种。在该情况下，当磁存 储器单元操作时，可以将上自由层266的磁化方向改变成垂直于衬底200的平面的第一方 向或第二方向。可以通过自由交换耦合层265来将上自由层沈6与下自由层249交换耦I=I ο
覆盖层270可以被布置在上自由层266上。覆盖层270可以包括从由钽(Ta)、 铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)和/或氮化钛(TiN)组成 的组中选择的至少一种。
尽管未示出，但可以改变下自由层249和上自由层沈6以及下基准层227和上基 准层241的位置。例如，下自由层249和上自由层266可以被布置在隧道势垒245以下， 并且下基准层227和上基准层241可以被布置在隧道势垒M5以上。在该情况下，可以 在下电极210和隧道势垒245之间顺序地堆叠上自由层沈6、自由交换耦合层沈5以及下 自由层M9，同时可以在隧道势垒245和覆盖层270之间顺序地堆叠上基准层Ml、基准 交换耦合层228以及下基准层227。
参考图6，将描述根据发明原理的第二实施例的磁存储器件的修改示例。可以省 略参考图5所述的元件的描述。
垂直下基准层223可以被布置在下电极210上。垂直下基准层223可以包括交 替堆叠的非磁性层221和铁磁层222。铁磁层222可以包括从由铁(Fe)、钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种，而非磁性层121可以包括从由铬(Cr)、钼(Pt)、钯 (Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)和/或铜(Cu)组成的组 中选择的至少一种。例如，垂直下基准层223可以包括[Co/Pt]m、[Co/Pd]m或[Ni/Pt] m(m是每层的堆叠数目，并且是2或更大的自然数)。在一些实施例中，非磁性层221 和铁磁层222可以分别被堆叠约2至约20次。当电流在垂直于衬底200和垂直下基准层 223的平面的方向上流动时，垂直下基准层223可以被构造使得它具有平行于电流的磁化 方向。对于该构造，铁磁层222可以被薄薄地形成有一个至数个原子层的厚度。
垂直上自由层263可以被布置在下自由层249上。垂直上自由层263可以包括 交替堆叠的非磁性层261和铁磁层沈2。铁磁层262可以包括从由铁(Fe)、钴(Co)和/ 或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种，而非磁性层261可以包括从由铬(Cr)、钼(Pt)、 钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)和 / 或铜(Cu)组成 的组中选择的至少一种。例如，垂直上自由层263可以包括[Co/Pt]n、[Co/Pd]n和/或 [Ni/Pt]n(n是每层的堆叠数目，并且是2或更大的自然数)。在一些实施例中，非磁性层 261和铁磁层262可以分别被堆叠约2至约20次。垂直上自由层沈3中的非磁性层和铁磁层沈2的堆叠数目η可以小于垂直下基准层223中的非磁性层221和铁磁层222的 堆叠数目m。
再次参考图5，将描述用于形成根据本发明原理的第二实施例的磁存储器件的方 法。下电极210被形成在衬底200上。下电极210可以被形成在衬底200上和/或衬底 200 中。
钉扎层2 被形成在下电极210上。钉扎层2 可以包括反铁磁材料。在一些 实施例中，可以形成籽晶层作为对钉扎层226的替代。籽晶层可以包括具有预定晶体结 构的金属或金属合金。
可以在钉扎层2 上形成下基准层227。下基准层227可以包括铁磁材料。例 如，下基准层 227 可以包括从由 CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe> MnAs> MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3^ FeOFe2O3^ NiOFe2O3^ CuOFe2O3、EuO 禾口 / 或Y3Fe5O12组成的组中选择的至少一种。对于另一示例，下基准层227可以包括从由具有 LlO晶体结构的材料、具有六方紧密堆积(HCP)晶格的材料、和非晶RE-TM合金组成的 组中选择的至少一种。
基准交换耦合层2 可以被形成在下基准层227上。基准交换耦合层2 可以 包括从由钌(Ru)、铱(Ir)、铬(Cr)和/或铑(Rh)组成的组中选择的至少一种。
可以在基准交换耦合层2 上形成上基准层Ml、隧道势垒245和下自由层 2490可以以非晶状态形成上基准层241和下自由层M9，而以NaCl型晶体状态形成隧 道势垒M5。通过后续退火工艺，上基准层241和下自由层249的晶体结构可以与隧道势 垒对5的晶体结构对准。
可以在下自由层249上形成自由交换耦合层沈5。基准交换耦合层2 可以包括 从由钌(Ru)、铱(Ir)、铬(Cr)和/或铑(Rh)组成的组中选择的至少一种。
上自由层266可以被形成在自由交换耦合层265上。上自由层266可以包括铁 磁材料。覆盖层270可以被形成在上自由层266上。
对在下电极210上堆叠的层进行图案化。可以通过从包括光刻和电子束的各种图案化工艺中选择的至少一种工艺来执行图案化。在形成所有层之后，或在形成一些层 之后，执行图案化。当仅图案化一些层时，可以在形成其他层之后执行另外的图案化。
参考图6，将描述用于形成根据发明原理的第二实施例的磁存储器件的修改示例 的方法。省略先前在图5中所述的用于形成元件的方法的描述。
可以在下电极210上交替地堆叠非磁性层221和铁磁层222。铁磁层222被沉积 有1个至若干原子的厚度。在下电极210上形成的非磁性层221和铁磁层222可以构成 垂直下基准层223。
可以在下自由层249上交替地堆叠非磁性层261和铁磁层沈2。铁磁层262被形 成有1个至数个原子的厚度。在下自由层249上形成的非磁性层221和铁磁层222可以 构成垂直上自由层263。
在垂直下基准层223中的非磁性层221和铁磁层222的堆叠数目可以大于在垂直 上自由层262中的非磁性层261和铁磁层沈2的堆叠数目。
(第三实施例)
参考图7，将描述根据发明原理的第三实施例的磁存储器件。将下电极320布置 在衬底310上。衬底310可以是从包括基于半导体元素的衬底和基于金属化合物的衬底 的各种衬底中选择的任何一种衬底。衬底310可以包括导电区和/或绝缘区。尽管下电 极320被图示为被布置在衬底310上，但电极可以被包括在衬底310中。下电极320可 以是电极或电极接触件。下电极320可以被电连接到衬底310中的导电区。例如，下电 极320可以被电连接到从衬底310中的包括晶体管和二极管的开关装置中选择的至少一个 开关装置。
籽晶层330被布置在衬底310上。籽晶层330可以包括构成六方紧密堆积(HCP) 晶格的金属原子。如图9中所示，HCP可以是包括三个a轴、与a轴构成六边形平面的 三个b轴、以及基本上垂直于六边形平面的c轴的晶格。由a轴和b轴构成的六边形平面 可以基本上平行于衬底310的平面，而c轴可以基本上垂直于衬底310的平面。构成籽 晶层330的晶体结构的(001)晶面可以平行于衬底310的平面。薄薄地形成籽晶层330。 例如，籽晶层330可以被形成为具有在约10 A (埃)至约100A (埃)的范围内的厚度。 籽晶层330可以包括钌(Ru)或钛(Ti)。相反，籽晶层330可以包括构成面心立方(FCC) 晶格的金属原子。例如，籽晶层330可以包括钼(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜 (Cu)和 / 或铝(Al)。
自由磁性物质340可以被布置在籽晶层330上。自由磁性物质340可以包括接 触籽晶层330的垂直自由磁性层342以及垂直自由磁性层342上的结自由磁性层348。与 图示不同，垂直自由磁性物质342和结自由磁性层348可以包括多个层。
垂直自由磁性层342可以包括铁磁材料。包括在垂直自由磁性层342中的原子 可以构成HCP晶格。如图9中所示，垂直自由磁性层342的HCP晶格可以包括a轴、 b轴和c轴。构成垂直自由磁性层342的HCP晶格的c轴可以基本上垂直于衬底310的 平面。构成垂直自由磁性层342的HCP晶格的(001)平面可以平行于衬底310的平面。 垂直自由磁性层342的易于磁化的轴可以是c轴。因此，垂直自由磁性层342的磁化方 向可以垂直于衬底310。垂直自由磁性层342可以在垂直于衬底310的平面的方向上具有 磁各向异性。
垂直自由磁性层342的铁磁属性和晶格结构可能是于构成垂直自由磁性层342的 原子的类型和/或原子的含量而导致的。
在一些实施例中，垂直自由磁性层342可以包括具有在约10%原子百分比至约 45%原子百分比的范围内的钼含量的无序钴-钼合金。垂直自由磁性层342中的钼原子 含量可以在约20%原子百分比至约30%原子百分比的范围内。垂直自由磁性层342可以 进一步包括非磁材料。例如，垂直自由磁性层342可以进一步包括从由硼(B)、铬(Cr) 和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
在其他实施例中，垂直自由磁性层342可以包括是有序合金的Co3Pt。垂直自由 磁性层342可以进一步包括非磁材料。例如，垂直自由磁性层342可以进一步包括从由 硼(B)、铬(Cr)、硅和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
在其他实施例中，可以以多个层的形式形成垂直自由磁性层342。在该情况下， 垂直自由磁性层342可以包括在籽晶层330上顺序堆叠的具有HCP晶格的第一自由铁磁 层以及第一自由铁磁层上的第二自由铁磁层。第一自由铁磁层可以是从先前所述的垂直 自由磁性层342的实施例中选择的一个，而第二自由铁磁层可以是包括从由铁(Fe)、钴 (Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种和从稀土金属中选择的至少一种的合金。 例如，稀土金属可以是从由铽(Tb)、镝(Dy)和/或钆(Gd)组成的组中选择的至少一 种。相反，第二自由铁磁层可以是从具有LlO晶体结构的铁磁材料中选择的至少一种， 所述铁磁材料包括F^lPt 50、 Fe5oPd5o^ C^o5oPt5o、 (Ho50Pd50 禾口 / 或 Fe50Ni500
通过垂直自由磁性层342的晶体结构，S卩，垂直自由磁性层342的HCP晶格结 构，垂直自由磁性层342可以具有高垂直磁各向异性。在该说明书中，垂直磁各向异性 指在垂直于衬底310的平面的方向上的磁各向异性。可以增强包括垂直自由磁性层342的 磁存储器件的可靠性，并且可以通过高垂直磁各向异性来降低磁存储器的操作功率。具 体地，可以通过垂直自由磁性层342，将传输穿过垂直自由磁性层342的电子中的许多电 子的自旋方向对准到垂直于衬底310的平面的方向上。因此，传输穿过垂直自由磁性层 342的电子中的许多电子基本上可以被用在磁存储器件的写操作中。因此，可以增强磁存 储器件的可靠性，并且可以使用相对少量的开关电流来操作磁存储器件。
下交换耦合控制层344可以被布置在垂直自由磁性层342上。下交换耦合控制层 344可以包括具有大的交换耦合常数的磁性材料或可以增加表面磁各向异性的非磁材料。 例如，下交换耦合控制层344可以包括具有大交换耦合常数的铁(Fe)、钴(Co)和/或镍 (Ni)中的至少一种。下交换耦合控制层344可以进一步包括钼(Pt)。下交换耦合控制 层344的厚度可以在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内。下交换耦合控制层344可以 增强将描述的垂直自由磁性层342和结自由磁性层348之间的交换耦合。因为垂直自由 磁性层342在垂直于衬底310的平面的方向上具有高磁各向异性，因此通过垂直自由磁性 层342和下交换耦合控制层344交换耦合的结自由磁性层348在垂直于衬底310的平面的 方向上也可以具有高磁各向异性。
对于另一示例，下交换耦合控制层344可以包括从包括过渡金属的金属元素中 选择的至少一种。下交换耦合控制层344可以包括从包括钛(Ti)、铬(Cr)、钌(Ru)、铑 (Rh)、铜(Cu)、镁(Mg)、锌(Zn)、铝(Al)、钽(Ta)、钯(Pd)和/或钼(Pt)的非磁性 金属中选择的至少一种。因此，下交换耦合控制层344可以增加相邻磁性层的表面的垂22直磁各向异性。
在一实施例中，下交换耦合控制层344可以进一步包括在下交换耦合控制层344 的表面上的氧化物层。该氧化物层可以是构成下交换耦合控制层344的表面的材料的氧 化物。
结自由磁性层348可以被布置在下交换耦合控制层344上。通过下交换耦合控 制层344和/或垂直自由磁性层342，结自由磁性层348可以具有高垂直各向异性。例 如，可以通过具有高垂直各向异性的垂直自由磁性层342和下交换耦合控制层344来强交 换耦合结自由磁性层；348。对于另一示例，可以通过包括非磁性金属的下交换耦合控制层 344来增强结自由磁性层348的表面的垂直磁各向异性。
结自由磁性层348可以包括软磁材料。结自由磁性层348可以具有低阻尼常数 和高自旋极化率。例如，结自由磁性层348可以包括钴(Co)原子、铁(Fe)原子、和/ 或镍(Ni)原子。结自由磁性层348可以进一步包括包括硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛 (Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和 / 或氮(N)的 非磁性材料中的至少一种。具体地，结自由磁性层348可以包括CoFe和/或Nffe，并 且可以进一步包括硼(B)。为了进一步减小结自由磁性层348的饱和磁化强度，结自由 磁性层348可以进一步包括从由钛(Ti)、铝(Al)、硅、镁(Mg)、钽(Ta)和/或硅组成的组中选择的至少一种。随着饱和磁化强度的减小，可以减少包括结自由磁性 层348的磁存储器单元的开关电流。
尽管未示出，结自由磁性层348可以包括多个磁性层。例如，结自由磁性层348 可以包括在下交换耦合磁性层344上顺序堆叠的第一自由铁磁层、自由非磁性层以及第 二自由铁磁层，即合成反铁磁6AF)层。结自由磁性层348可以包括各种形状的具有可 变磁化方向的磁性层。
可以改变构成自由磁性物质340的多个层中的至少一个层的磁化方向。例如， 结自由磁性层348可以具有可变磁化方向。通过从结自由磁性层348的外部提供的电和 /或磁因素，可以将结自由磁性层348的磁化方向改变成垂直于衬底310的第一方向或反 平行于该第一方向的第二方向。
隧道势垒350可以被布置在自由磁性物质340上。隧道势垒350可以具有薄于自 旋扩散距离的厚度。隧道势垒350可以包括非磁性材料。在一些实施例中，隧道势垒350 可以由绝缘材料层形成。例如，隧道势垒350可以包括从由镁(Mg)/氧化镁(MgO)、氧 化镁(MgO)/镁(Mg)、和/或镁(Mg)/氧化镁(MgO)/镁(Mg)组成的组中选择的至少一种。
基准磁性物质360可以被形成在隧道势垒350上。基准磁性物质360可以包括 在隧道势垒350上顺序堆叠的结基准磁性层361、上交换耦合控制层362、和垂直基准磁 性层363。可以在垂直基准磁性层363上交替堆叠多个上基准非磁性层364和基准铁磁层 365。
结基准磁性层361可以包括软磁材料。例如，结基准磁性层361包括钴(Co)、 铁(Fe)和/或镍(Ni)，并且可以确定原子的含量使得可以降低结基准磁性层361的饱和 磁化强度。结基准磁性层361可以具有低阻尼常数和高自旋极化率。为此，结基准磁性 层361可以进一步包括包括硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中的至少一种。 例如，结基准磁性层361可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以进一步包括硼。此外， 结基准磁性层361可以进一步包括从包括钛(Ti)、铝(Al)、硅、镁(Mg)和/或钽 (Ta)的非磁性元素中选择的至少一种。结基准磁性层361中的选择的非磁性元素的含量 可以在约原子百分比至约15%原子百分比的范围内。
结自由磁性层348、隧道势垒350和结基准磁性层361可以构成磁性隧道结。根 据本发明原理的实施例的磁存储器单元可以通过使用构成磁性隧道结的两种磁性物质， 结自由磁性层348和结基准磁性层361，的磁化方向彼此平行还是反平行的电阻值的差来 存储数据。具体地，根据传输穿过磁性隧道结的电子的方向，可以改变结自由磁性层348 的磁化方向。
例如，当电子在从结自由磁性层348到结基准磁性层361的方向上移动时，具有 在平行于结基准磁性层361的磁化方向的第一方向上的自旋的电子可以传输穿过结基准 磁性层361，而具有在反平行于结基准磁性层361的磁化的第二方向上的自旋的电子不可 传输穿过结基准磁性层361 (例如反射)并且被传送到结自由磁性层348。通过具有第二 方向上的自旋的电子，结自由磁性层348的磁化方向可以是第二方向。因此，结基准磁 性层361和结自由磁性层348可以具有彼此反平行的磁化方向。由具有彼此反平行的磁 化方向的磁性物质构成的磁性隧道结可以具有相对高的电阻值。在本实施例中，第一方 向和第二方向可以是基本上垂直(正交)于衬底310的平面的方向。
对于另一示例，当电子从结基准磁性层361移动到结自由磁性层348时，传输穿 过结基准磁性层361的具有在第一方向上的自旋的电子可以到达结自由磁性层348。通过 已经到达结自由磁性层348的具有在第一方向上的自旋的电子，可以将结自由磁性层348 的磁化方向改变成第一方向。因此，结基准磁性层361和结自由磁性层348可以具有第 一方向上的磁化方向。由具有彼此平行的磁化方向的磁性物质构成的磁性隧道结可以具 有相对低的电阻值。
以该方式，磁性隧道结的电阻值可以根据流过磁性隧道结的电子的方向而变 化。通过使用电阻值的差，可以将数据存储在磁存储器单元中。
上交换耦合控制层362可以被布置在结基准磁性层361上。上交换耦合控制层 362可以包括例如铁磁金属的具有大的交换耦合常数的材料、或例如非磁性金属的可以控 制相邻磁性物质的定向的材料。例如，上交换耦合控制层362可以包括从由铁(Fe)、 钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种。对于另一示例，上交换耦合控制层 364可以包括从由钛(Ti)、铬(Cr)、钌(Ru)、铑(Rh)、铜(Cu)、镁(Mg)、锌(Zn)、铝 (Al)、钽(Ta)、钯(Pd)和/或钼(Pt)组成的组中选择的至少一种。在一些实施例中， 上交换耦合控制层362可以进一步包括在上交换耦合控制层362的表面上的氧化物层。该 氧化物层可以是通过上交换耦合控制层362的一些的氧化形成的层。上交换耦合控制层 362的功能和构成可以与下交换耦合控制层344的功能和构成基本上相同。
垂直基准磁性层363可以被布置在上交换耦合控制层362上。垂直基准磁性层 363可以包括铁磁材料。构成垂直基准磁性层363的原子可以构成具有基本上垂直于衬底 310的平面的易磁化轴的晶体结构。例如，垂直基准磁性层363可以包括钴(Co)和/或 钼(Pt)有序合金或无序合金，并且HCP晶格的c轴可以垂直于衬底310的平面。因此，可以显著地增强垂直基准磁性层363的垂直各向异性。垂直基准磁性层363可以进一步 包括从由硼(B)、铬(Cr)、硅和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
上基准磁性层364、365可以被布置在上交换耦合控制层363上。上基准磁性层 364、365可以包括交替堆叠的基准非磁性层364和基准铁磁层365。基准非磁性层364可 以包括从由铁(Fe)、钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种，而基准铁磁层 365可以包括从由铬(Cr)、钼(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铼 (Re)、金(Au)和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。例如，上基准磁性层364、 365可以包括[Co/:Pb]n、[Co/Pt]n或[Ni/Pt]n (η是2或更大的自然数)。基准非磁性层 364和基准铁磁层365的堆叠数目可以在约2次至约11次的范围内。基准铁磁层365可 以被形成有非常薄的厚度。例如，基准铁磁层365可以被形成有原子层厚度。基准铁磁 层365的磁化方向可以垂直于衬底310的平面。
可以以不同的形状来布置上基准磁性层364、365。例如，上基准磁性层364、 365可以包括在垂直基准磁性层363上顺序堆叠的第一基准铁磁层、基准非磁性层和第二 基准铁磁层，即合成反铁磁(SAF)层。
覆盖层370可以被布置在上基准磁性层364、365上。覆盖层370可以包括从由 钽( )、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)和/或氮化钛 (TiN)组成的组中选择的至少一种。
参考图7和图8，将描述用于形成根据本发明原理的第三实施例的磁存储器件的 方法。可以省略参考图7先前所述的描述。
参考图8，在衬底310上形成下电极320。下电极320可以包括金属或金属化合 物。
籽晶层330被形成在下电极320上。籽晶层330可以包括具有HCP晶格或FCC 晶格的金属。例如，籽晶层330可以包括从由钌(Ru)、钛(Ti)、钼(Pt)、钯(Pd)、金 (Au)、银(Ag)、铜(Cu)和/或铝(Al)组成的组中选择的至少一种。籽晶层330可以被 形成有相对薄的厚度。例如，籽晶层330可以被形成为具有在约2A (埃)至约20A (埃) 的范围内的厚度。
在籽晶层330上形成垂直自由磁性层342。垂直自由磁性层342的晶体结构可以 与籽晶层330的晶体结构对准。例如，垂直自由磁性层342可以被形成有等同于籽晶层 330的晶体结构的HCP晶格。垂直自由磁性层342可以包括钴(Co)和/或钼(Pt)。垂 直自由磁性层342可以包括钴(Co)和钼(Pt)的有序合金或无序合金。
可以通过相对低温工艺来形成将籽晶层330用作籽晶生长的垂直自由磁性层 342。例如，可以在室温下沉积通过将籽晶层330用作籽晶形成的垂直自由磁性层342。
在磁性物质的磁化方向垂直于衬底的磁存储器件的情况下，使用具有大的垂直 各向异性的晶体结构的磁性物质，例如，由LlO有序合金构成的铁磁物质。为了通过LlO 有序合金形成铁磁物质，可能需要包括具有FCC晶格的铬(Cr)籽晶层和具有BCC晶格 的钼(Pt)籽晶层的多个籽晶层。比单个籽晶层更厚地形成多个层。因此，可能增加包 括该籽晶层的器件的大小。在籽晶层的图案化工艺期间，可以由于籽晶层的蚀刻副产品 而污染其他磁性层和绝缘层。具体地，当由于籽晶层的蚀刻副产品而污染稍后所述的隧 道势垒时，在隧道势垒上可能出现短路现象而降低存储器的功能。此外，使用400°C或更高的高温沉积工艺和/或使用600°C或更高的高温退火工艺可以形成LlO有序合金。
相反，当根据本发明原理的实施例来形成具有HCP晶格的垂直自由磁性层342 时，籽晶层330可能被形成为单个层。因此，籽晶层330的厚度可以比多个层的厚度薄。 垂直自由磁性层342的晶体结构可能具有对籽晶层330的高依赖性。因此，即使在低工 艺温度下，根据发明原理的实施例的垂直自由磁性层342也可以与籽晶层330的晶体结构 对准。即，高温沉积工艺或高温退火工艺可能不是必要的。
下交换耦合控制层344可以被形成在垂直自由磁性层342上。下交换耦合控制 层344可以包括具有大的交换耦合常数的铁磁金属，例如，从包括铁(Fe)、钴(Co)和/ 或镍(Ni)的金属中选择的至少一种。相反，下交换耦合控制层344可以包括非磁性材 料，所述非磁性材料可以增强相邻磁性物质的表面磁各向异性，或者控制将在下交换耦 合控制层344上形成的磁性物质的晶向。例如，下交换耦合控制层344可以包括从由钛 (Ti)、铬(Cr)、钌(Ru)、铑(Rh)、铜(Cu)、镁(Mg)、锌(Zn)、铝(Al)、钽(Ta)、钯 (Pd)和/或钼(Pt)组成的组中选择的至少一种。在一些实施例中，可以氧化下交换耦合 控制层344的表面。用于氧化的工艺可以包括在形成下交换耦合控制层344之前将极少 量氧注入室中，在该室中，加载其中已经形成垂直自由磁性层342的产品；或者通过在 形成具有原子层厚度的下交换耦合控制层344之后通过将极少量氧注入室中来形成氧化 层，随后形成剩余的下交换耦合控制层344。
结自由磁性层348可以被形成在下交换耦合控制层344上。通过垂直自由磁性 层342和/或下交换耦合控制层344，可以增强结自由磁性层348的垂直各向异性。具 体地，通过下交换耦合控制层344的晶体结构，可以防止和/或减少结自由磁性层348结 晶为垂直自由磁性层342的晶体结构。例如，当省略下交换耦合控制层344时，通过加 热工艺，以非晶状态形成的结自由磁性层348可以被结晶成垂直自由磁性层342的晶体结 构。在该情况下，通过垂直自由磁性层342的晶体结构，S卩，除BCC结构的(001)晶面 外的(011)晶面，可以对准结自由磁性层348的晶体结构，并且然后可以减小包括结自由 磁性层348的磁性隧道结的磁阻比。然而，因为通过下交换耦合控制层344使垂直自由 磁性层342与结自由磁性层348分开，因此结自由磁性层348的晶体结构可不与垂直自由 磁性层342的晶体结构对准。因此，可以增强磁性隧道结的磁阻比。
再次参考图7，可以在结自由磁性层348上形成隧道势垒350。隧道势垒可以包 括从由镁(Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁-锌(MgZn)和/或镁-硼(MgB)的氧化物、和 /或钛(Ti)和/或钒(V)的氮化物组成的组中选择的至少一种。例如，隧道势垒350可 以是氧化镁(MgO)层。相反，隧道势垒350可以包括多个层。例如，隧道势垒可以包 括镁(Mg) /氧化镁(MgO)、氧化镁(MgO) /镁(Mg)、和/或镁(Mg) /氧化镁(MgO) / 镁(Mg)。隧道势垒350可以通过如下步骤形成在结自由磁性层348上沉积金属氧化物 或金属氮化物；或在结自由磁性层348上形成金属层，并且然后氧化该金属层。在实施 例中，隧道势垒350可以具有预定晶体结构。例如，隧道势垒350可以具有NaCl型晶体 结构(面心立方晶格结构)。
结基准磁性层361可以被形成在隧道势垒350上。结基准磁性层361可以具有 相对低的饱和磁化强度。结基准磁性层361可以包括软磁材料。结基准磁性层361可以 进一步包括非磁材料。结基准磁性层361可以具有等同于结自由磁性层348的磁性属性的磁性属性。相反，结基准磁性层361可以具有不同于结自由磁性层348的磁性属性的 磁性属性。例如，结基准磁性层361的厚度与结基准磁性层361的饱和磁化强度的乘积 可以大于结自由磁性层348的厚度和结自由磁性层348的饱和磁化强度的乘积。
结基准磁性层361的晶体结构可以与隧道势垒350对准。例如，当隧道势垒350 由具有平行于衬底310的平面的NaCl (面心立体晶格)结构的(001)晶面的氧化镁(MgO) 形成时，结基准磁性层361可以与隧道势垒350的晶体结构对准。因此，可以增强结基 准磁性层361的垂直磁各向异性。通过加热工艺可以执行结基准磁性层361的结晶。
上交换耦合控制层362可以被形成在结基准磁性层361上。上交换耦合控制层 362可以包括具有大的交换耦合常数的磁性材料。因此，可以增强垂直基准磁性层363与 磁结基准磁性层361间的交换耦合，以增加结基准磁性层361的垂直磁各向异性。上交换 耦合控制层362可以用作籽晶层，并且可以对准使得垂直基准磁性层363的易磁化轴垂直 于衬底310的平面。在一些实施例中，可以氧化上交换耦合控制层362的表面。用于氧 化的工艺可以包括在形成上交换耦合控制层362之前将极少量氧注入室中，在该室中， 加载其中已经形成上结基准磁性层361的产品；或者通过在形成具有原子层厚度的上交 换耦合控制层362之后将极少量氧注入室中来形成氧化层，然后形成其余的上交换耦合 控制层362。
可以在结基准磁性层361上形成垂直基准磁性层363。垂直基准磁性层363可 以是非晶铁磁层。例如，垂直基准磁性层363可以由非晶钴(Co)和/或钼(Pt)合金形 成。垂直基准磁性层363可以包括从由硼(B)、铬(Cr)、硅和/或铜(Cu)组成的 组中选择的至少一种。
可以在垂直基准磁性层363上形成上基准磁性层364、365。可以将基准非磁性 层365和基准铁磁层365交替堆叠多次以形成上基准磁性层364、365。基准铁磁层365 可以被形成有非常薄的厚度。例如，基准铁磁层365可以被形成有原子层厚度。
可以以各种形式形成上基准磁性层364、365。例如，上基准磁性层364、365可 以包括在垂直基准磁性层363上顺序堆叠的第一基准铁磁层、基准非磁性层以及第二基 准铁磁层，即，合成反铁磁6AF)层。
当将垂直基准磁性层363和/或上交换耦合控制层362插入在基准非磁性层364 和结基准磁性层361之间时，可以增强包括结基准磁性层361的磁性隧道结的磁阻比。具 体地，当基准非磁性层364直接形成在结基准磁性层361上时，在加热工艺期间，构成基 准非磁性层364的金属可以与构成基准磁性层361的材料反应，以形成不具有磁性属性的 层。由该不具有磁性属性的层，会显著地降低磁性隧道结的磁阻比。
在一些实施例中，结基准磁性层361可以被薄薄地形成有等于或小于预定临界 厚度的厚度。在该情况下，可以通过与基准非磁性层364反应来消耗结基准磁性层361， 以便降低磁阻比。相反，因为根据发明原理的实施例，在垂直基准磁性层361和基准非 磁性层364之间形成垂直基准磁性层363和/或上交换耦合控制层362，可以不形成不具 有磁性属性的层。因此，结基准磁性层361没有被不必要地消耗。因此，可以增强包括 结基准磁性层361的磁性隧道结的磁阻比。
覆盖层370可以被形成在上基准磁性层364、365上。覆盖层370可以包括从由 钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)、和/或氮化钛(TiN)组成的组中选择的至少一种。
可以图案化在衬底310上堆叠的层。在堆叠从下电极310到覆盖层370的所有 层之后执行图案化，或者可以在堆叠其他层之前，执行一些层的图案化。可以使用离子 束工艺和/或光刻工艺来执行图案化。图案化可以包括执行各向异性蚀刻过程。
(第四实施例)
参考图10，将描述根据发明原理的第四实施例的磁存储器件。下电极420被布 置在衬底410上。衬底410可以包括导电区和/或绝缘区。下电极420可以被电连接到 衬底410中的导电区。
籽晶层430被布置在下电极420上。籽晶层430可以包括构成HCP晶格的金属 原子。HCP c轴可以基本上垂直于衬底410的平面。
基准磁性物质440可以被布置在籽晶层430上。基准磁性物质440可以包括在 籽晶层430上顺序堆叠的垂直基准磁性层442、下交换耦合控制层444和/或结基准磁性 层 448。
垂直基准磁性层442可以包括铁磁材料。垂直基准磁性层442可以具有在垂直于 衬底410的方向上的易磁化轴。例如，垂直基准磁性层442可以包括六方紧密堆积(HCP) 晶格。如图9中所示，垂直基准磁性层442的六方紧密堆积(HCP)晶格可以包括a轴、 b轴和c轴。构成垂直基准磁性层442的HCP晶格的c轴可以基本上平行于构成籽晶层 430的c轴。构成垂直基准磁性层442的HCP晶格的c轴可以基本上垂直于衬底410的 平面。垂直基准磁性层442的易磁化轴可以是c轴。因此，垂直基准磁性层442的磁化 方向可以垂直于衬底410。
在一个实施例中，垂直基准磁性层442可以包括具有在约10%原子百分比至约 45%原子百分比的范围内的钼含量的钴-钼(CoPt)无序合金。垂直基准磁性层442的钼 原子含量可以在约20%原子百分比至约30%原子百分比的范围中。垂直基准磁性层442 可以进一步包括非磁材料。例如，垂直基准磁性层442可以进一步包括从由硼(B)、铬 (Cr)和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
在另一实施例中，垂直基准磁性层442可以包括是有序合金的Co3Pt。垂直基准 磁性层442可以进一步包括非磁材料。例如，垂直基准磁性层442可以进一步包括从由 硼(B)、铬(Cr)和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
在又一另外实施例中，垂直基准磁性层442可以包括多个层。在该情况下，垂 直基准磁性层442可以包括在籽晶层430上顺序堆叠的具有HCP晶格的第一基准铁磁层 以及在第一基准铁磁层上的第二基准铁磁层。第一基准铁磁层可以是从前述的垂直基准 磁性层442的各个实施例中选择的一个，而第二基准铁磁层可以是包括从由铁(Fe)、钴 (Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种和从稀土金属中选择的至少一种的合金。 例如，稀土金属可以是从由铽(Tb)、镝(Dy)和/或钆(Gd)组成的组中选择的至少一 种。相反，第二基准铁磁层可以是从具有LlO晶体结构的铁磁材料中选择的至少一种， 所述铁磁材料包括 Fe5tlPt5tl、Fe50Pd50^ Co50Pt50^ Co50Pd50> 和 / 或 Fe5tlNi5tl。通过垂直基 准磁性层442的HCP结构，垂直基准磁性层442可以具有高垂直各向异性。因此，可以 提高包括垂直基准磁性层442的磁存储器件的电阻扩散和开关电流属性。
下交换耦合控制层444可以被布置在垂直基准磁性层442上。下交换耦合控制层444可以包括具有大的交换耦合常数的磁性材料或可以增加表面磁各向异性的非磁材料。 例如，下交换耦合控制层444可以包括来自具有大的交换耦合常数的铁(Fe)、钴(Co)和 /或镍(Ni)中的至少一种。下交换耦合控制层444可以进一步包括钼(Pt)。下交换耦合 控制层444的厚度可以在约2A (埃)至约20A (埃)的范围内。下交换耦合控制层444 可以增强稍后将描述的垂直基准磁性层442和结基准磁性层448之间的交换耦合。因为 如前所述垂直基准磁性层442具有高垂直各向异性，通过垂直基准磁性层442和下交换耦 合控制层444交换耦合的结基准磁性层448也可以具有高垂直各向异性。
对另一示例，下交换耦合控制层444可以包括从包括钛(Ti)、铬(Cr)、钌 (Ru)、铑(Rh)、铜(Cu)、镁(Mg)、锌(Zn)、铝(Al)、钽(Ta)、钯(Pd)和 / 或钼(Pt) 的非磁性金属中选择的至少一种。非磁性金属可以控制相邻磁性层的晶体结构的定向。 在一些实施例中，下交换耦合控制层444可以进一步包括在下交换耦合控制层444的表面 上的氧化层。该氧化层可以是对下交换耦合控制层444的表面进行氧化的层。通过下交 换耦合控制层444，可以增强相邻磁性层的表面磁各向异性。
可以在结基准磁性层448上形成隧道势垒450。隧道势垒450可以包括从由镁 (Mg)、钛(Ti)、铝(Al)、镁-锌(MgZn)和/或镁硼(MgB)的氧化物、和/或钛(Ti) 和/或钒(V)的氮化物组成的组中选择的至少一种。隧道势垒450可以包括多个层。例 如，隧道势垒450可以包括镁(Mg)/氧化镁(MgO)、氧化镁(MgO)/镁(Mg)、和/或 镁(Mg) / 氧化镁(MgO) / 镁(Mg)。
自由磁性物质460可以被布置在隧道势垒450上。自由磁性物质460可以包括 接触隧道势垒450的结自由磁性层461、结自由磁性层461上的交换耦合控制层463以及 在上交换耦合控制层463上的上自由磁性层466。
结自由磁性层461可以包括软磁材料。结自由磁性层461可以具有低饱和磁化 强度。结自由磁性层461还可以具有低阻尼常数和高自旋极化率。结自由磁性层461可 以包括从由钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种。结自由磁性 层461可以进一步包括包括硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅 (Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中的至少一种。
例如，结自由磁性层461可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以进一步包括硼 (B)0此外，结自由磁性层461可以进一步包括从包括钛(Ti)、铝(Al)、硅60、镁 (Mg)和/或钽( )的非磁性材料中的至少一种。在结自由磁性层461中的选择的非磁 性元素的含量可以在约原子百分比至约15%原子百分比的范围内。
上交换耦合控制层463可以被布置在结自由磁性层461上。上交换耦合控制层 463可以包括具有大的交换耦合常数的材料，例如，铁磁材料，或可以增加相邻磁性物质 的定向和垂直各向异性的材料，例如，非磁性金属。例如，上交换耦合控制层463可以 包括从由铁(Fe)、钴(Co)和/或镍(Ni)组成的组中选择的至少一种。对于另一示例， 上交换耦合控制层463可以包括从由钛(Ti)、铬(Cr)、钌(Ru)、铜(Cu)、镁(Mg)、锌 (Zn)、铝(Al)、钽(Ta)、钯(Pd)和/或钼(Pt)组成的组中选择的至少一种。在一些实 施例中，上交换耦合控制层463可以进一步包括接触上交换耦合控制层463的氧化层。该 氧化层可以是上交换耦合控制层463的一些的氧化。
上自由磁性层466可以包括单个磁性层或多个磁性层。例如，上自由磁性层466可以包括在上交换耦合控制层463上顺序堆叠的第一自由铁磁层、自由非磁性层和第二 自由铁磁层，即，合成反铁磁6AF)层。上自由磁性层466可以包括各个形状的具有可 变的磁化方向的磁性层。
覆盖层470可以被布置在上自由磁性层466上。覆盖层可以包括从由钽(Ta)、 铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)、和/或氮化钛(TiN)组 成的组中选择的至少一种。
参考图10，将描述用于形成根据发明原理的第四实施例的磁存储器件的方法。 为简洁起见，可以省略先前所述的元件的进一步论述。
再次参考图10，在衬底410上形成下电极420和籽晶层430。籽晶层430可以 包括具有HCP晶格或FCC晶格的金属。例如，籽晶层430可以包括从由钌(Ru)、钛 (Ti)、钼(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和/或铝(Al)组成的组中选择的 至少一种。籽晶层430可以被形成有相对薄的厚度。例如，籽晶层430可以被形成为具 有在约IOA (埃)至约100A (埃)的范围内的厚度。
在籽晶层430上形成垂直基准磁性层442。垂直基准磁性层442可以包括对籽晶 层430具有大依赖性的材料。例如，垂直基准磁性层442的晶体结构可以与籽晶层430 的晶体结构对准。例如，可以沿着籽晶层430的c轴生长垂直基准磁性层442。因此， 通过将籽晶层430用作籽晶生长的垂直基准磁性层442可以通过相对低温的工艺来形成。
例如，垂直基准磁性层442可以包括钴(Co)和/或钼(Pt)。垂直基准磁性层 442可以包括根据钴(Co)和钼(Pt)含量而有序的合金或无序的合金。例如，将籽晶层 330用作籽晶形成的垂直基准磁性层442可以在室温下进行沉积。
可以在垂直磁性层442上形成下交换耦合控制层444。下交换耦合控制层444可 以包括具有大的交换耦合常数的铁磁材料，例如从包括铁(Fe)、钴(Co)和或镍(Ni)的 金属中选择的至少一种。相反，下交换耦合控制层444可以增加相邻磁性物质的表面磁 各向异性。例如，下交换耦合控制层444可以包括非磁性材料，例如，非磁性金属元素 或过渡金属。下交换耦合控制层444以包括从由钛(Ti)、铬(Cr)、钌(Ru)、铑(Rh)、 铜(Cu)、镁(Mg)、锌(Zn)、铝(Al)、钽(Ta)、钯(Pd)和/或钼(Pt)组成的组中选择 的至少一种。
在一些实施例中，可以对下交换耦合控制层444的表面进行氧化。用于氧化 的工艺可以包括在形成下交换耦合控制层444之前将极少量氧注入室中，在该室中加载 其中已经形成垂直磁性层442的产品，或者，通过在形成具有原子层厚度的下交换耦合 控制层444之后将极少量氧注入室中来形成氧化层，然后形成其余的下交换耦合控制层 444。
可以在下交换耦合控制层444上形成结基准磁性层448。通过垂直基准磁性层 442和/或下交换耦合控制层444，可以增强结基准磁性层448的垂直各向异性。
在结基准磁性层448上形成隧道势垒450。隧道势垒450可以包括从由镁(Mg)、 钛(Ti)、铝(Al)、镁-锌(MgZn)和/或镁-硼(MgB)的氧化物、和/或钛(Ti)和/或 钒(V)的氮化物组成的组中选择的至少一种。相反，隧道势垒450可以包括多个层。例 如，隧道势垒450可以包括镁(Mg)/氧化镁(MgO)、氧化镁(MgO)/镁(Mg)、和/或 镁(Mg)/氧化镁(MgO)/镁(Mg)。在实施例中，隧道势垒450可以具有NaCl型结构30(体心立方晶格结构)。例如，隧道势垒450可以包括氧化镁(MgO)。
在隧道势垒450上形成结自由磁性层461。结自由磁性层461可以具有相对低的 饱和磁化强度。结自由磁性层461可以进一步包括非磁材料。可以以非晶状态形成结自 由磁性层461。
可以在结自由磁性层461上形成上交换耦合控制层463。在一实施例中，结自由 磁性层461可以包括具有大的交换耦合常数的磁性材料。因此，当稍后所述的结自由磁 性层461和上基准磁性层466之间的交换耦合增加时，结自由磁性层461的垂直各向异性 增加。具体地，当在结自由磁性层461上形成上交换耦合控制层时，结自由磁性层461 的晶体结构不会结晶成稍后所述的上自由磁性层466的晶体结构，但可以与隧道势垒450 的晶体结构对准。当结自由磁性层461与隧道势垒450的晶体结构对准时，可以增强包 括结自由磁性层461的磁性隧道结的磁阻比。在实施例中，可以对上交换耦合控制层463 和结自由磁性层461之间的界面进行氧化。可以通过在形成上结自由磁性层461之后将 极少量氧注入室中，在该室中加载上面已经形成上结自由磁性层461的产品，来执行氧 化的工序；或，在形成具有原子层厚度的交换耦合控制层463之后将极少量氧注入室中 形成氧化物，然后形成其余交换耦合控制层463。
可以在上交换耦合控制层463上形成上自由磁性层466。上自由磁性层466可以 包括具有铁磁材料的单个层，或者包括具有该单个层的多个层。在实施例中，上自由磁 化层466可以包括铁磁层-反铁磁层-铁磁层结构。
覆盖层470可以被形成在上交换耦合控制层463上。覆盖层470可以包括从由 钽( )、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)和/或氮化钛 (TiN)组成的组中选择的至少一种。
根据发明原理的一些实施例，当在垂直磁性层和结磁性层间插入非磁性层时， 能够提高包括结磁性层的磁性隧道结的磁阻比和垂直磁化属性。另外，在操作磁存储器 件期间，开关属性能够通过分别具有不同的铁含量的自由磁性层和基准磁性层来提高。 因此，磁存储器件的可靠性能够提高。
根据发明原理的其他实施例，磁性层能可以具有六方紧密堆积(HCP)晶格，该 六方紧密堆积(HCP)晶格具有垂直于衬底100的平面并且易磁化的轴。因此，能够将电 子的自旋方向排列成相对于衬底的垂直方向。因此，磁性隧道结的磁阻比能够提高。另 外，能够减小包括磁性隧道结的磁存储器件的开关电流。
上述公开的主题将视为是说明性的而不是限制性的，并且希望所附权利要求涵 盖落在这里公开的本发明原理的真正精神和范围内的所有这样的修改、改进和其他实施 例。因此，对于法律所容许的最大程度，将由所附权利要求及其等同物的最宽可容许解 释来确定本发明原理的范围，而不应当受上述详细描述的限制或限定。
权利要求
1.一种磁存储器件，包括第一垂直磁性层；所述第一垂直磁性层上的非磁性层；所述非磁性层上的第一结磁性层，其中，所述非磁性层在所述第一垂直磁性层和所 述第一结磁性层之间；所述第一结磁性层上的隧道势垒，其中，所述第一结磁性层在所述非磁性层和所述 隧道势垒之间；所述隧道势垒上的第二结磁性层，其中，所述隧道势垒在所述第一结磁性层和所述 第二结磁性层之间；以及所述第二结磁性层上的第二垂直磁性层，其中，所述第二结磁性层在所述隧道势垒 和所述第二垂直磁性层之间。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层和所述第二垂直磁性 层的磁化方向相对于所述隧道势垒的平面是正交的。
3.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述非磁性层是第一非磁性层，所述器件 进一步包括在所述第二结磁性层和所述第二垂直磁性层之间的第二非磁性层。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一结磁性层和/或所述第二结磁性 层包括第一晶体结构，并且其中，所述第一垂直磁性层和/或所述第二垂直磁性层包括 不同于所述第一晶体结构的第二晶体结构。
5.如权利要求4所述的磁存储器件，其中，在所述隧道势垒和所述第一结磁性层之间 的界面处的所述隧道势垒的晶面与在所述隧道势垒和所述第一结磁性层之间的界面处的 所述第一结磁性层的晶面是相同的。
6.如权利要求5所述的磁存储器件，其中，所述第一晶体结构是体心立方(BCC)晶 体结构，并且所述晶面是(001)晶面。
7.如权利要求4所述的磁存储器件，其中，所述第二晶体结构是L10晶体结构或六方 紧密堆积晶格。
8.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层和/或所述第二磁性 层包括交替堆叠多次的非磁性金属层和铁磁金属层，并且所述铁磁金属层包括一个至数 个原子的厚度。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一结磁性层和/或所述第二结磁性 层包括从由钴(Co)、铁(Fe)和/或镍组成的组中选择的至少一种以及非磁性元素。
10.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层和/或所述第二垂 直磁性层包括RE-TM合金。
11.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述非磁性层具有在约2A(埃)至约 20A (埃)的范围内的厚度。
12.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述非磁性层包括非磁性金属。
13.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述非磁性层包括非磁性过渡金属。
14.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层和所述第一结磁性 层通过所述非磁性层来进行交换耦合。
15.如权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述非磁性层包括金属化合物层，所述 金属化合物层包括从由金属氧化物、金属氮化物、和/或金属氮氧化物组成的组中选择 的至少一种。
16.—种磁存储器件，包括包括铁(Fe)的自由磁性层；在所述自由磁性层上的隧道势垒；以及在所述隧道势垒上包括铁(Fe)的基准磁性层，其中，所述隧道势垒在所述自由磁性 层和所述基准磁性层之间，并且其中，所述自由磁性层中的铁的浓度至少与在所述基准 磁性层中的铁的浓度一样大。
17.如权利要求16所述的磁存储器件，其中，所述自由磁性层和/或所述基准磁性层 包括从钴(Co)和/或镍(Ni)中选择的至少一种。
18.如权利要求16所述的磁存储器件，其中，所述自由磁性层和/或所述基准磁性层 包括非磁性元素。
19.如权利要求16所述的磁存储器件，其中，所述自由磁性层和所述基准磁性层中的 每一个具有相对于所述隧道势垒的平面正交的磁化方向。
20.如权利要求16所述的磁存储器件，其中，所述自由磁性层和所述基准磁性层中的 每一个具有相对于所述隧道势垒的平面平行的磁化方向。
21.—种磁存储器件，包括衬底；在所述衬底上的第一磁性物质，所述第一磁性物质包括与所述衬底相邻的具有六方 紧密堆积(HCP)晶格结构的垂直磁性层；所述第一磁性物质上的隧道势垒，其中，所述第一磁性物质在所述衬底和所述隧道 势垒之间；以及所述隧道势垒上的第二磁性物质，其中，所述隧道势垒在所述第一磁性物质和所述 第二磁性物质之间。
22.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述HCP晶格的c轴基本上相对于所 述衬底的平面是正交的。
23.如权利要求22所述的磁存储器件，其中，所述c轴是所述垂直磁性层被容易地磁 化的轴。
24.如权利要求21所述的磁存储器件，进一步包括具有HCP晶格结构的籽晶层，其中，所述籽晶层在所述衬底和所述垂直磁性层之间。
25.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述垂直磁性层是第一垂直磁性层，并 且其中，所述第二磁性物质包括具有HCP晶格结构的第二垂直磁性层。
26.如权利要求25所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性物质包括与所述隧道势垒 相邻的第一磁性结层，其中，所述第一磁性结层在所述第一垂直磁性层和所述隧道势垒 之间，其中，所述第二磁性物质包括与所述隧道势垒相邻的第二磁性结层，并且其中， 所述第二磁性结层在所述隧道势垒和所述第二垂直磁性层之间。
27.如权利要求26所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性结层和所述第二磁性结层中的每一个包括软磁材料。
28.如权利要求26所述的磁存储器件，进一步包括交换耦合控制层，所述交换耦合控制层在所述第一垂直磁性层与所述第一磁性结层 之间和/或在所述第二垂直磁性层与所述第二磁性结层之间。
29.如权利要求28所述的磁存储器件，其中，所述交换耦合控制层的晶体结构与所述 第一磁性结层的晶体结构和/或与所述第二磁性结层的晶体结构对准。
30.如权利要求26所述的磁存储器件，其中，所述第二磁性物质包括在所述第二垂直 磁性层上交替堆叠多次的非磁性层和铁磁层。
31.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层包括具有在10% 原子百分比至45%原子百分比的范围内的钼含量的无序钴-钼合金。
32.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层包括Co3Pt。
33.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述第一垂直磁性层进一步包括从由硼 (B)、铬(Cr)和/或铜(Cu)组成的组中选择的至少一种。
34.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述隧道势垒包括从由镁(Mg)、钛 (Ti)、铝(A1)、镁-锌(MgZn)和/或镁-硼(MgB)的氧化物、和/或钛(Ti)和/或钒 的氮化物组成的组中选择的至少一种。
35.如权利要求21所述的磁存储器件，进一步包括在所述第二磁性物质上的覆盖层，其中，所述覆盖层包括从由钽(Ta)、铝(A1)、铜 (Cu)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)、和/或氮化钛(TiN)组成的组中选择 的至少一种。
36.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，在所述磁存储器件的操作期间，电流在 基本上相对于所述衬底的平面正交的方向上流动。
37.如权利要求21所述的磁存储器件，其中，所述第一磁性层的磁化方向和/或所述 第二磁性层的磁化方向基本上相对于所述衬底的平面是正交的。
全文摘要
一种磁存储器件可以包括第一垂直磁性层、在第一垂直磁性层上的非磁性层、以及在非磁性层上的第一结磁性层，其中，非磁性层在第一垂直磁性层和第一结磁性层之间。隧道势垒可以在第一结磁性层上，其中，第一结磁性层在非磁性层和隧道势垒之间。第二结磁性层可以在隧道势垒上，其中，隧道势垒在第一结磁性层和第二结磁性层之间，并且第二垂直磁性层可以在第二结磁性层上，其中，第二结磁性层在隧道势垒和第二垂直磁性层之间。
文档编号G11C11/15GK102024903SQ20101028280
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月13日 优先权日2009年9月11日
发明者吴世忠, 崔锡宪, 李将银, 李济珩, 林佑昶, 郑峻昊, 金佑填 申请人:三星电子株式会社