磁存储器件及其形成方法
【专利摘要】本发明公开了磁存储器件及其形成方法。其中根据实施方式的磁存储器件包括在衬底上的第一参考磁性层、在第一参考磁性层上的第二参考磁性层、在第一参考磁性层和第二参考磁性层之间的自由层、在第一参考磁性层和自由层之间的第一隧道势垒层、以及在第二参考磁性层和自由层之间的第二隧道势垒层。第一参考磁性层、第二参考磁性层和自由层均具有基本上垂直于衬底的顶表面的磁化方向。第一隧道势垒层的电阻面积积（RA）值大于第二隧道势垒层的RA值。
【专利说明】磁存储器件及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明构思涉及半导体器件，尤其涉及磁存储器件。
【背景技术】
[0002]随着便携式计算装置和无线通信装置的发展，对高密度、低功耗和非易失性存储器件的需求与日俱增。磁存储器件已经成为能够满足这种需求的主要候选之一。
[0003]尤其是，在磁隧道结(MTJ)中发生的隧穿磁阻(TMR)效应可以被用作磁存储器件中的数据存储机制。具有百分之几百到百分之几千的TMR的MTJ已经在21世纪得到发展，因而已经对具有MTJ的磁存储器件进行了各种研究。
【发明内容】
[0004]本发明构思的各实施方式可以提供具有改进的电特性的磁存储器件。
[0005]在一个方面，磁存储器件可以包括:在衬底上的第一参考磁性层；在第一参考磁性层上的第二参考磁性层；在第一参考磁性层和第二参考磁性层之间的自由层；在第一参考磁性层和自由层之间的第一隧道势垒层；以及在第二参考磁性层和自由层之间的第二隧道势垒层。第一参考磁性层、第二参考磁性层和自由层可以均具有基本上垂直于衬底的顶表面的磁化方向。第一隧道势垒层的电阻面积积(RA)值可以大于第二隧道势垒层的RA值。
[0006]在另一方面，磁存储器件包括:设置在距衬底第一高度处的第一隧道势垒层；设置在距衬底第二高度处的第二隧道势垒层，第二高度大于第一高度，第二隧道势垒层比第一隧道势垒层薄；设置在第一隧道势垒层和第二隧道势垒层之间的自由层；设置在第一隧道势垒层下面的第一参考磁性层；以及设置在第二隧道势垒层上的第二参考磁性层。第一参考磁性层、第二参考磁性层和自由层可以均具有基本上垂直于衬底的顶表面的磁化方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]本发明构思将鉴于所附的附图以及与随附的详细描述而变得更清楚。
[0008]图1是示出根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储器件的存储阵列的示意图；
[0009]图2是示出根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储器件的单位存储单元的示意图；
[0010]图3是示出根据本发明构思的第一实施方式的磁存储器件的磁存储元件的截面图；
[0011]图4是示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中的晶体方向的示意图；
[0012]图5示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中的磁性层的晶体结构；[0013]图6A和图6B是透射电子显微镜(TEM)图像，用于示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中，根据第一和第二隧道势垒层的厚度的晶体差异；
[0014]图7是示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中，根据第一和第二隧道势鱼层的厚度的电阻分布(resistance dispersion)的曲线；
[0015]图8是示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中，根据第一和第二隧道势垒层的厚度的遂穿磁阻率的曲线；
[0016]图9是示出根据本发明构思的第一实施方式的磁存储器件的修改示例的截面图；
[0017]图10是示出根据本发明构思的第二实施方式的磁存储器件的截面图；
[0018]图11是根据本发明构思的第三实施方式的磁存储器件的截面图；
[0019]图12是示出根据本发明构思的第四实施方式的磁存储器件的截面图；
[0020]图13是示出根据本发明构思的第五实施方式的磁存储器件的截面图；
[0021]图14是示出根据本发明构思的第六实施方式的磁存储器件的截面图；
[0022]图15是示例性示出制造根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的方法的流程图；
[0023]图16是示出包括根据本发明构思的实施方式的磁存储器件的存储系统的一示例的示意性框图；
[0024]图17是示出包括根据本发明构思的实施方式的磁存储器件的存储卡的一示例的示意性框图；以及
[0025]图18是示出包括根据本发明构思的实施方式的磁存储器件的信息处理系统的一示例示意性框图。
【具体实施方式】
[0026]现在，将参照附图在以下文中更全面地描述本发明构思，附图中示出本发明构思的示例性实施方式。本发明构思的优点和特征以及实现它们的方法将自下面的示例性实施方式明显，该示例性实施方式将参照附图被更详细地描述。但是，应该注意到，本发明构思不局限于下面的示例性实施方式，并且可以按照各种方式实现。因此，示例性实施方式仅被提供来公开本发明构思，并且让本领域技术人员获知本发明构思的范畴。在附图中，本发明构思的实施方式并不局限于在此提供的特定示例，并且为了清楚而被夸大。
[0027]在此使用的术语仅是用于描述特定实施方式的目的，并不意在限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也同样包括复数行驶，除非文中另外清楚地表明。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任何和所有组合。将理解，当元件被称为“连接到”或“耦接到”另一个元件时，它可以直接连接到或耦接到该另一元件或者可以存在中间元件。
[0028]类似地，将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在”另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上或者可以存在中间元件。相反，术语“直接地”意味着没有中间元件。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在此使用时表明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。
[0029]另外，在详细描述中的实施方式将关于作为本发明构思的理想示例性视图的截面图被描述。因此，示例性视图的形状可以根据制造技术和/或可允许的误差进行修改。因此，本发明构思的实施方式不局限于在示例性视图中显示的特定形状，而是可以包括根据制造工艺产生的其他形状。在图中例示的区域具有通用的属性，并且用于图示元件的特定形状。因此，这不应该被理解为限制于本发明构思的范围。
[0030]还将理解，虽然术语第一、第二、第三等可以在此使用来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。因此，在一些实施方式中的第一元件可以在其他实施方式中被称为第二元件，而不背离本发明的教导。在此解释和图示的本发明构思的方面的示例性实施方式包括它们互补的相对实施方式。相同的附图标记或相同的参照标识在整个说明书中标识相同的元件。
[0031]此外，参照作为理想化的示例性图示的截面图和/或平面图描述示例性实施方式。因此，可以预期例如制造技术和/或公差所导致的自图示形状的变型。因此，示例性实施方式不应被理解为限于在此示出的区域的形状，而是包括例如制造所致的形状上的偏差。例如，被示为矩形的蚀刻区域通常将具有圆化或弯曲的特征。因而，在图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不意在示出器件的区域的实际形状，且不意在限制示例性实施方式的范围。
[0032]下面，将参照附图详细描述根据实施方式的磁存储器件。
[0033]图1是示出根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储器件的存储阵列的示意图。图2是示出根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储器件的单位存储单元的示意图。
[0034]参照图1和图2，多个单位存储单元MC可以二维或三维地排列。单位存储单元MC可以连接在彼此交叉的第一互连10和第二互连20之间。第一和第二互连10和20中的一个可以用作字线，而第一和第二互连10和20中的另一个可以用作位线。
[0035]每个单位存储单元MC包括磁存储元件40和选择元件30。选择元件30和磁存储元件40可以彼此串联地电连接。磁存储元件40可以连接在第一互连10和选择元件30之间，并且选择元件30可以连接在磁存储元件40和第二互连20之间。
[0036]磁存储元件40可以包括磁隧道结(MTJ)。选择元件30可以选择性地控制经过磁隧道结的电荷的流动。例如，选择元件30可以是二极管、PNP双极型晶体管、NPN双极型晶体管、NMOS场效应管和PMOS场效应管中的一种。如果选择元件30是三端子元件，诸如双极型晶体管或MOS场效应晶体管，则额外的互连(未示出)可以连接到选择元件30。
[0037]磁存储元件40的磁隧道结可以包括多个磁性层41和42以及设置在磁性层41和42之间的隧道势垒层50。磁性层41和42中的一个可以是参考层，其在使用磁存储元件40的通常环境下具有固定的(fixed)磁化方向，而与外部磁场无关。磁性层41和42中的另一个可以是自由层，其具有能够通过外部磁场变化的可变磁化方向。
[0038]磁隧道结可以在参考层和自由层的磁化方向彼此反平行时比在参考层和自由层的磁化方向彼此平行时大的电阻。换言之，自由层的磁化方向可以被改变以控制磁隧道结的电阻。于是，单位存储单元MC可以通过根据磁性层41和42的磁化方向而在磁存储元件40的电阻之间的差来存储数据。
[0039]图3是示出根据本发明构思的第一实施方式的磁存储器件的磁存储元件的截面图。[0040]参照图3，包括下接触插塞103的第一层间电介质层101可以设置在衬底100上。下接触插塞103可以电连接到图2的选择元件30。第一层间电介质层101可以包括硅氧化物、硅氮化物、硅氧氮化物和低_k电介质材料中的至少一种。第一层间电介质层101可以是单层或包括多个层叠层的多层。备选地，第一层间电介质层101可以包括多个层叠的绝缘层和设置在层叠的绝缘层之间的导电或半导体层。下接触插塞103可以包括导电材料。例如，下接触插塞103可以包括掺杂有掺杂剂的半导体(例如，掺杂的硅、掺杂的锗和/或掺杂的硅-锗)、金属(例如，钛、钽和/或钨)和导电的金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一种。
[0041]磁存储兀件可以设置在第一层间电介质层101上。在一实施方式中，磁存储兀件可以包括第一磁隧道结图案MTJl和第二磁隧道结图案MTJ2，即，双MTJ。在一些实施方式中，根据期望的应用，额外的磁性层可以形成在图3所示的磁存储元件上。 [0042]更详细，磁存储元件可以包括第一参考层120、第一隧道势垒层130、自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160。另外，磁存储元件还可以包括设置在下接触插塞103和第一参考层120之间的籽晶电极层110和设置在第二参考层160与上接触插塞203之间的盖电极层170。第一参考层120、第一隧道势鱼层130和自由层140可以构成第一磁隧道结图案MTJ1。自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160可以构成第二磁隧道结图案MTJ2。
[0043]第一参考层120可以具有与衬底100的顶表面基本上垂直的第一磁化方向。第一磁化方向是固定的。第一参考层120的顶表面可以与第一隧道势垒层130直接接触。从而，第一参考层120的顶表面可以具有良好的表面粗糙度。换言之，在形成第一隧道势垒层130时，第一参考层120可以提供良好的晶格匹配。例如，第一参考层可以具有大约2 A或更小的平均表面粗糙度。
[0044]第一参考层120可以具有使第一磁化方向被固定为与衬底100的顶表面基本上垂直的材料和/或结构。例如，第一参考层120可以包括垂直磁性材料(例如，CoFeTbXoFeGd和/或CoFeDy)、具有Lltl结构的垂直磁性材料、六角密堆积(HCP)晶格结构的CoPt、具有Ll1 (超晶格)结构的垂直磁性材料和其任意合金中的至少一种。具有Lltl结构的垂直磁性材料可以包括Lltl结构的FePt、Ll0结构的FePd、Ll0结构的CoPd和/或Lltl结构的CoPt。如果第一参考层120包括C0FeTbJB^ (Tb)在CoFeTb中的含量比(B卩，原子百分比)可以等于或大于约10%。同样，如果第一参考层120包括CoFeGd，则钆(Gd)在CoFeGd中的含量比可以等于或大于约10%。在另一实施方式中，第一参考层120可以包括垂直磁性结构,该垂直磁性结构具有交替且重复层叠的磁性层和非磁性层。例如，垂直磁性结构可以包括(Co/Pt) n、(CoFe/Pt)n> (CoFe/Pd)n> (Co/Pd)n> (Co/Ni)n> (CoNi/Pt)n> (CoCr/Pt)n 和(CoCr/Pd)n中的至少一种(其中，n是交替层叠的磁性层和非磁性层的数量)。
[0045]设置在第一参考层120下面的籽晶电极层110可以作用为第一参考层120的籽晶。籽晶电极层110可以包括具有低反应性的导电材料。例如，如果第一参考层120包括具有Lltl结构的垂直磁性材料，则籽晶电极层110可以是具有氯化钠(NaCl)结构的导电金属氮化物，例如，钛氮化物、钽氮化物、铬氮化物或钒氮化物。
[0046]第一隧道势垒层130可以具有小于自旋扩散长度的厚度。所述自旋扩散长度可以是在其上电子保持极化的距离。即，自旋扩散长度可以是在不改变电子的自旋方向的情况下电子能够移动的距离。第一隧道势垒层130可以包括绝缘材料。例如，第一隧道势垒层130可以包括镁氧化物、钛氧化物、招氧化物、镁-锌氧化物和镁-硼氧化物中的至少一种。在一实施方式中，第一隧道势垒层130可以由镁氧化物(MgO)形成，并且第一隧道势垒层130的顶表面可以具有基本上平行于衬底100的顶表面的(001)晶面。在一实施方式中，由镁氧化物(MgO)形成的第一隧道势垒层130的厚度可以具有大约8A到大约15 A的范围。
[0047]第一隧道势垒层130可以利用射频(RF)溅射沉积方法形成。在一实施方式中，第一隧道势垒层130可以利用镁氧化物(MgO)靶在氩气氛下通过溅射工艺沉积或者利用镁(Mg)靶在氧气氛下通过溅射工艺沉积。在另一实施方式中，金属(Mg)层在第一参考层120上的沉积和金属(Mg)层的氧化可以交替且重复地进行，以形成第一隧道势垒层130。在又一实施方式中，第一隧道势鱼层130可以通过利用镁氧化物(MgO)的分子束外延(MBE)方法或者电子束沉积方法来形成。
[0048]自由层140可以与第一隧道势垒层130的顶表面直接接触。另外，自由层140可以与第二隧道势垒层150的底表面直接接触。自由层140可以是磁性层，该磁性层具有基本上垂直于衬底100的顶表面的可变化的磁化方向。自由层140的磁化方向可以变化成与第一和第二参考层120和160的磁化方向平行或反平行。
[0049]自由层140可以由具有垂直磁各向异性的磁性材料形成。另外，自由层140可以由与第一隧道势垒层130的(001)晶面对准的磁性材料形成。自由层140可以形成在第一隧道势垒层130的(001)晶面上，使得自由层140可以在[001]方向上晶体生长。从而，自由层140的顶表面可以具有基本上平行于衬底100的顶表面的(001)晶面。
[0050]例如，自由层140可以包括垂直磁性材料(例如，CoFeTb, CoFeGd和/或CoFeDy)、具有Lltl结构的垂直磁性材料、六角密堆积(HCP)晶格结构的CoPt和其任意合金中的至少一种。
[0051]第二隧道势垒层150可以具有小于自旋扩散长度的厚度。第二隧道势垒层150可以包括绝缘材料。例如，第二隧道势鱼层150可以包括镁氧化物、钛氧化物、招氧化物、镁-锌氧化物锌和镁-硼氧化物中的至少一种。
[0052]在一实施方式中，第二隧道势垒层150可以由镁氧化物(MgO)形成并具有比第一隧道势垒层130小的厚度。换言之，第一隧道势垒层130的厚度可以大于第二隧道势垒层150的厚度。第二隧道势垒层150的厚度与第一隧道势垒层130的厚度的比可以具有大约1: 1.5到大约1:3的范围。例如，第二隧道势垒层150可以具有大约5人到大约10 A的厚度。
[0053]第二隧道势垒层150可以为通过RF溅射沉积方法形成的镁氧化物(MgO)层。备选地，金属(Mg)层在自由层140上的沉积以及金属(Mg)层的氧化可以交替和重复地执行，以形成第二隧道势垒层150。在又一实施方式中，第二隧道势垒层150可以通过利用镁氧化物(MgO)的分子束外延(MBE)方法或电子束沉积方法来形成。
[0054]镁氧化物(MgO)层可以沉积，并然后沉积的镁氧化物(MgO)可以通过高温热退火工艺结晶，以形成第二隧道势垒层150。从而，第二隧道势垒层150可以具有可结晶性(crystallizability)。当第二隧道势鱼层150通过高温热退火工艺结晶时,第二隧道势鱼层150会受到下面层的结晶性(crystallizability)的影响。从而,第二隧道势鱼层150的顶表面可以具有基本上平行于第一隧道势垒层130和自由层140的顶表面的(001)晶面。[0055]在一些实施方式中，第一隧道势垒层130和第二隧道势垒层150可以由其他绝缘材料诸如铝氧化物形成。
[0056]第二参考层160可以与第二隧道势垒层150的顶表面直接接触。第二参考层160可以具有基本上垂直于自由层140的顶表面的第二磁化方向。第二磁化方向是固定的。第二参考层160的第二磁化方向可以与第一参考层120的第一磁化方向相反(或者反平行)。
[0057]例如，第二参考层160可以包括垂直磁性材料(例如，CoFeTb、CoFeGd和/或CoFeDy)、具有Lltl结构的垂直磁性材料、六角密堆积(HCP)晶格结构的CoPt和其任意合金中的至少一种。
[0058]具有LI。结构的垂直磁性材料可以包括LI。结构的FePt、Ll0结构的FePcU Ll0结构的CoPd和/或Lltl结构的CoPt。如果第二参考层160包括CoFeTb，则铽(Tb)在CoFeTb中的含量比可以等于或大于约10%。如果第二参考层160包括CoFeGd，则钆(Gd)在CoFeGd中的含量比可以等于或大于约10%。在另一实施方式中，第二参考层160可以包括垂直磁性结构，该垂直磁性结构具有交替和重复层叠的磁性层和非磁性层。例如，垂直磁性结构可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n> (CoFe/Pd)n> (Co/Pd)n> (Co/Ni)n> (CoNi/Pt)n> (CoCr/Pt)n和(CoCr/Pd)n中的至少一种(其中，n是交替层叠的磁性层和非磁性层的数量)。
[0059]在第二参考层160的顶表面上的盖电极层170可以由导电材料形成。盖电极层170可以包括金属。例如，盖电极层170可以包括钌(Ru)、钽(Ta)、钯(Pd)、钛(Ti)、钼(Pt)、银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)的至少一种。
[0060]第二层间电介质层201可以设置在磁存储元件和第一层间电介质层101上。上接触插塞203可以形成在第二层间电介质层201中。上接触插塞203可以电连接到盖电极层170。互连210可以设置在第二层间电介质层201上。互连210可以电连接到上接触插塞203上。互连210可以是图2中示出的第二互连20 (例如，位线)。
[0061]第二层间电介质层201可以包括硅氧化物、硅氮化物、硅氧氮化物和低_k电介质材料中的至少一种。上接触插塞203可以包括导电材料，例如，金属(例如，钛、钽、铜、铝和/或钨)和导电金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一种。互连210可以包括金属(例如，钛、钽、铜、铝和/或钨)和导电金属氮化物(例如，钛氮化物、钽氮化物和/或钨氮化物)中的至少一种。
[0062]下面将描述包括磁隧道结图案MTJl和MTJ2的前述磁存储元件的编程操作。
[0063]当第一参考层120的第一磁化方向是与自由层140的磁化方向反平行时，编程电流可以从盖电极层170流向籽晶电极层110。编程电流中的电子通过第一参考层120流到自由层140。在此,多数电子(major electron)可以具有平行于第一参考层120的第一磁化方向的自旋，而少数电子(minor election)可以具有反平行于第一参考层120的第一磁化方向的自旋。
[0064]当编程电流从盖电极层170流向籽晶电极层110时，具有平行于第一参考层120的第一磁化方向的自旋的多数电子可在自由层140中积累。自由层140的磁化方向可以通过在自由层140中积累的所述多数电子的自旋扭矩而改变成与第一参考层120的第一磁化方向平行。
[0065]穿过自由层140的多数电子可以被具有第二磁化方向的第二参考层160反射。被反射的多数电子可返回并积累在自由层140中。从而，被反射的多数电子可以帮助自由层140的磁化方向的改变。另外，少数电子可以具有平行于第二参考层160的第二磁化方向的自旋，使得少数电子可以平顺地穿过第二参考层160。同时，编程电流可以从籽晶电极层110流向盖电极层170。在这种情况下，电子可以从盖电极层170流向籽晶电极层110。换言之，电子可以从第二参考层160流向自由层140。在此，多数电子可以具有平行于第二参考层160的第二磁化方向的自旋，而少数电子可以具有反平行于第二参考层160的第二磁化方向的自旋。
[0066]穿过第二参考层160的多数电子可以在自由层140中积累，以改变自由层140的磁化方向。穿过自由层140的多数电子被具有第一磁化方向的第一参考层120反射，然后可以累积在自由层140中。被反射的多数电子可以帮助自由层140的磁化方向的改变。穿过自由层140的少数电子可以具有平行于第一参考层120的第一磁化方向的自旋，使得少数电子可以平顺地穿过第一参考层120。
[0067]图4是示出根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中的结晶方向的示意图。图5示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中的磁性层的晶体结构。图6A和图6B是透射电子显微镜(TEM)图像，用于示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中，根据第一和第二隧道势垒层的结晶性的差异。
[0068]根据本发明构思的一些实施方式，具有高磁阻(MR)和低接触电阻的磁隧道结对于实现高性能和高集成的磁存储元件来说是期望的。尤其是，通过将磁隧道结的电阻与面积相乘而获得的电阻面积积(RA)值是决定磁存储器件中的信噪(S/N)比和电阻-电容(RC)时间常数的重要变量。磁隧道结的电阻可以随着磁隧道结的厚度而变化。
[0069]参照图4，为了写入和感测数据，在包括第一和第二磁隧道结图案的磁存储器件中，第一隧道势垒层130的电阻不同于第二隧道势垒层150的电阻。
[0070]为了实现此，当第一和第二隧道势垒层130和150由镁氧化物(MgO)层形成时，第一隧道势垒层130的厚度可以小于或大于第二隧道势垒层150的厚度。随着镁氧化物(MgO)层的厚度增加，镁氧化物(MgO)层的电阻可以增大。换言之，镁氧化物(MgO)层的电阻可以与镁氧化物(MgO)层的厚度成比例地增加。
[0071]当第一隧道势垒层130的厚度小于第二隧道势垒层150的厚度时，施加到自由层140的杂散场可以被容易地控制。但是，随着镁氧化物(MgO)层的厚度减小，镁氧化物(MgO)层的结晶性可能劣化。从而，如图6A所示，当第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150薄时，第一隧道势垒层130上的磁性层(B卩，自由层140)和第二隧道势垒层150的结晶性可能劣化。图6A示出比第一隧道势垒层130厚的第二隧道势垒层150。在图6A中，较厚的第二隧道势垒层150具有不均匀的结晶方向。从而，第一和第二隧道势垒层130和150的RA值以及电阻分布可增加，使得第一和第二隧道势垒层130和150的电阻之间的差可以减小。如果第一和第二隧道势垒层130和150的电阻差减小，则可能难以从磁存储元件感测数据。
[0072]备选地，如图6B所示，当第一隧道势垒层130的厚度大于第二隧道势垒层150的厚度时，磁性层(即，自由层140)和第二隧道势垒层150可以利用具有优异结晶性的第一隧道势垒层130作为籽晶来结晶。从而，磁性层和第二隧道势垒层150的结晶性可以被改善。图6B示出了比第二隧道势垒层150厚的第一隧道势垒层130。在图6B中，较厚的第一隧道势垒层130具有均匀的结晶方向，并且磁性层(即，自由层140)和第二隧道势垒层150具有均匀的结晶性。第一和第二隧道势垒层130和150的结晶性被改善，以减小第一和第二隧道势垒层130和150的RA值以及电阻分布。从而，第一和第二隧道势垒层130和150之间的电阻差可以增大。
[0073]如图4所示，当第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150厚时，第一隧道势垒层130的电阻可以大于第二隧道势垒层150的电阻。从而，第一隧道势垒层130的RA值可以大于第二隧道势垒层150的RA值。第二隧道势垒层150与第一隧道势垒层130的RA比可具有大约1:5到大约1:10的范围。在此，磁存储元件的总RA值可以是第一隧道势垒层130的RA值与第二隧道势垒层150的RA值的和。磁存储元件的总RA值的最大值可以是大约30。
[0074]另外，当隧道势垒层由镁氧化物(MgO)层形成时，在隧道势垒层下面的层的表面粗糙度可以影响镁氧化物(MgO)层的结晶性。从而，在第一隧道势垒层130下面的第一参考层120的表面粗糙度可以被减小，以用于形成具有优异结晶性的第一隧道势垒层130。为了实现此，在一实施方式中，第一参考层120的表面粗糙度可以是大约2 A或更小。另外，第一参考层120可以由具有Ll1 (超晶格)结构的垂直磁性材料形成，使得具有优异结晶性的第一隧道势垒层130可以形成在第一参考层120上。
[0075]更详细地说，第一参考层120可以由具有图5所示的Ll1晶体结构的垂直磁性材料形成。具有Ll1晶体结构的垂直磁性材料可以通过交替和重复地沉积钴(Co)层和钼(Pt)层而形成。此时，钴(Co)层和钼(Pt)层的每一个可以具有大约2A的厚度。
[0076]在一实施方式中，由镁氧化物(MgO)形成的第一和第二隧道势垒层130和150的每一个可以通过RF溅射沉积方法形成。在另一实施方式中，镁(Mg)沉积工艺和氧化工艺可以被交替和重复地进行，以形成镁氧化物(MgO)的第一和第二隧道势垒层130和150的每一个。在此，镁(Mg)沉积工艺可以采用利用镁(Mg)靶的DC或RF溅射沉积方法。氧化工艺可以采用自由基氧化工艺。
[0077]在一实施方式中，与第一和第二隧道势垒层130和150接触的第一参考层120、自由层140和第二参考层160可以由非晶磁性材料形成。从而，在形成磁存储元件之后，可以执行高温热退火工艺，以改善磁隧道结图案的特性。换言之，第一隧道势垒层130上的磁性层和第二隧道势垒层150可以利用第一隧道势垒层130作为籽晶被结晶。高温热退火工艺可以在大约300摄氏度到大约360摄氏度的温度下执行。高温热退火工艺可以是磁性退火工艺或其他退火工艺。在该高温热退火工艺期间，在衬底100下面的加热器(未示出)可以被用作热源。自由层140和第二隧道势垒层150可以利用第一隧道势垒层130作为籽晶而通过高温热退火工艺结晶。从而，在第一隧道势垒层130上的自由层140和第二隧道势垒层150的结晶性可以被改善。
[0078]由于第一隧道势垒层130用作籽晶，所以自由层140的与第一隧道势垒层130接触的底表面可以具有与第一隧道势垒层130的顶表面基本上相同的晶面。例如，如果第一隧道势垒层130的顶表面具有(001)晶面，则自由层140的底表面可以具有(001)晶面。
[0079]图7是示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中，根据第一和第二隧道势鱼层的厚度的电阻分布(resistance distribution)的曲线。
[0080]在图7中，参照标识‘A’表示在第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150薄时的电阻分布，而参照标识‘B’表示在第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150厚时的电阻分布。[0081]参照图7，当第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150薄(参照标识A)时，第一隧道势垒层130的结晶性劣化，使得第一和第二隧道势垒层130和150具有劣化的结晶性。从而，电阻分布可以较大且RA值增加。
[0082]另一方面，当第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150厚(参考标识B)时，第二隧道势垒层150的结晶性可以通过具有优异结晶性的第一隧道势垒层130而被改善。从而，电阻分布和RA值减小。
[0083]图8是示出在根据本发明构思的示例性实施方式的磁存储元件中，根据第一和第二隧道势鱼层的厚度的遂穿磁阻比值(tunnel magnetoresistance ratio)的曲线。
[0084]在图8中，参考标识‘A’表示当第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150薄时的遂穿磁阻比值(TMR)，而参考标识‘B’表示当第一隧道势垒层130比第二隧道势垒层150厚时的遂穿磁阻比值(TMR)。
[0085]如图8所示，包括比第二隧道势垒层150厚的第一隧道势垒层130的磁存储元件(A)的TMR大于包括比第二隧道势垒层150薄的第一隧道势垒层130的磁存储元件(B)的TMR。此外，磁存储元件(A)的电阻大于磁存储元件(B)的电阻。
[0086]图9是示出根据本发明构思的第一实施方式的磁存储器件的一变形示例的截面图。
[0087]参照图9，晶体磁性层200可以设置在非晶磁性层120、140和160与第一和第二隧道势垒层130和150之间。晶体磁性层200可以设置在第一参考层120的顶表面和第一隧道势垒层130的底表面之间。晶体磁性层200可以设置在第一隧道势垒层130的顶表面和自由层140的底表面之间。晶体磁性层200可以设置在第二隧道势垒层150的底表面和自由层140的顶表面之间。晶体磁性层200可以设置在第二隧道势垒层150的顶表面和第二参考层160的底表面之间。晶体磁性层200可以包括Fe、Co、FeCo和其合金中的至少一种。每个晶体磁性层200可以具有大约4 A到大约5 A的厚度。
[0088]当自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160通过退火工艺利用第一隧道势垒层130结晶时，第一和第二隧道势垒层130和150的结晶性可以通过晶体磁性层200而被更大地改善。
[0089]图10是示出根据本发明构思的第二实施方式的磁存储器件的截面图。在本实施方式中，为了简化，对与图3的第一实施方式中相同的元件的描述将被省略或者简要提及。
[0090]参照图10，磁存储元件可以设置在下接触插塞103和上接触插塞203之间。如在第一实施方式中描述的，磁存储元件可以包括第一磁隧道结图案和第二磁隧道结图案。换言之，磁存储元件可以包括设置在籽晶电极层Iio和盖电极层170之间的第一参考层120、第一隧道势垒层130、自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160。
[0091]在本实施方式中，第一和第二隧道势垒层130和150之间的自由层140可以包括依次层叠的第一自由层141、自由交换I禹合层143和第二自由层145。第一自由层141可以与第一隧道势垒层130和自由交换耦合层143接触。第二自由层145可以与自由交换耦合层143和第二隧道势垒层150接触。
[0092]第一和第二自由层141和145可以具有基本上垂直于衬底100的顶表面的磁化方向。第一和第二自由层141和145的磁化方向可以被改变为第一磁化方向或者与第一磁化方向反平行的第二磁化方向。第二自由层145的磁化方向可以通过自由交换耦合层143而与第一自由层141的磁化方向反平行地耦合。
[0093]第一和第二自由层141和145可以包括磁性材料。例如,第一和第二自由层141和 145 可以包括 CoFeB、CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd 和 CoFeNi 中的至少一种。在一个实施方式中，如果第一和第二自由层141和145包括CoFeTb，则在第一和第二自由层141和145的CoFeTb中的铽(Tb)的含量比可以等于或大于大约10%。同样，如果第一和第二自由层141和145包括CoFeGd，则在第一和第二自由层141和145的CoFeGd中的礼(Gd)的含量比可以等于或大于大约10%。在另一实施方式中，第一和第二自由层141和145可以包括具有LI。结构的垂直磁性材料、六角密堆积(HCP)晶格结构的CoPt和其任意合金中的至少一种。
[0094]自由交换耦合层143可以使第一自由层141的磁化方向和第二自由层145的磁化方向彼此反平行地耦合。第一和第二自由层141和145的磁化方向之间的耦合力可以通过自由交换耦合层143来增强。自由交换耦合层143可以包括至少一种稀有金属(例如，钌、铱和铑)。
[0095]图11是示出根据本发明构思的第三实施方式的磁存储器件的截面图。在本实施方式中，为了解释上容易和方便的目的，对与第一实施方式中相同的元件的描述将被省略或简要提及。
[0096]参照图11，磁存储元件可以包括类似于第一实施方式的第一磁隧道结图案和第二磁隧道结图案。换言之，磁存储元件可以包括设置在籽晶电极层110和盖电极层170之间的第一参考层120、第一隧道势鱼层130、自由层140、第二隧道势鱼层150和第二参考层160。在此，第一和第二隧道势垒层130和150可以由镁氧化物(MgO)层形成，且第一隧道势垒层130可以比第二隧道势垒层150厚。另外，第一隧道势垒层130的RA值可以大于第二隧道势垒层150的RA值。
[0097]在本实施方式中，第一参考层120可以包括参考垂直磁性层121、自旋极化层125和设置在参考垂直磁性层121与自旋极化层125之间的参考交换耦合层123。自旋极化层125可以与第一隧道势垒层130接触，而参考垂直磁性层121可以与籽晶电极层110接触。参考垂直磁性层121可以具有第一磁化方向，该第一磁化方向基本上垂直于衬底100的顶表面且是固定的。自旋极化层125可以具有第二磁化方向，该第二磁化方向基本上垂直于衬底100的顶表面且是固定的。
[0098]参考垂直磁性层121可以包括自发地具有第一磁化方向的材料和/或结构。例如，参考垂直磁性层121可以包括垂直磁性材料(例如，CoFeTb、CoFeGd和/或CoFeDy)、具有Lltl结构的垂直磁性材料、六角密堆积(HCP)晶格结构的CoPt和其任意合金中的至少一种。具有Lltl结构的垂直磁性材料可以包括Lltl结构的FePt、Ll0结构的FePcU Ll0结构的CoPd和/或Lltl结构的CoPt。如果参考垂直磁性层121包括CoFeTb，则在CoFeTb中的铽(Tb)的含量比可以等于或大于大约10%。同样,如果参考垂直磁性层121包括CoFeGd,贝Ij在CoFeGd中的钆(Gd)的含量比可以等于或大于大约10%。
[0099]在另一实施方式中，参考垂直磁性层121可以包括具有交替和重复地层叠的磁性层和非磁性层的垂直磁性结构。例如，该垂直磁性结构可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd) n> (Co/Pd) n> (Co/Ni) n> (CoNi/Pt) n> (CoCr/Pt) n 和(CoCr/Pd)n 中的至少一种(其中，η是交替层叠的磁性层和非磁性层的数量)。[0100]自旋极化层125可以包括磁性材料。该自旋极化层125的第二磁化方向可以通过参考垂直磁性层121被固定。例如，自旋极化层125可以包括CoFeB、CoFe, NiFe, CoFePt,CoFePd、CoFeCr、CoFeTb、CoFeGd和CoFeNi中的至少一种。如果自旋极化层125包括铁(Fe)和钴(Co)，则在自旋极化层125中，铁(Fe)的含量比可以大于钴(Co)的含量比。从而，自旋极化层125的第二磁化方向可以容易地垂直于衬底100的顶表面。
[0101]参考交换耦合层123可以使参考垂直磁性层121的磁化方向和自旋极化层125的磁化方向彼此反平行地耦合。从而，由第一参考层120引起的磁杂散场可以减弱或最小化，以提高磁存储器件的可靠性。参考垂直磁性层121和自旋极化层125的磁化方向之间的耦合力可以通过参考交换耦合层123增强。例如，参考交换耦合层123可以包括至少一种稀有金属(例如，钌、铱和铑)。
[0102]备选地，参考交换耦合层123可以使参考垂直磁性层121的磁化方向和自旋极化层125的磁化方向彼此平行地耦合。在这种情况下，参考交换耦合层123可以包括非磁性金属(例如，钛、钽或镁)、其氧化物和氮化物中的至少一种。
[0103]同时，在另一实施方式中，自旋极化层125可以与参考垂直磁性层121接触。在这种情况下，自旋极化层125的第二磁化方向可以平行于参考垂直磁性层121的第一磁化方向。
[0104]图12是示出根据本发明构思的第四实施方式的磁存储器件的截面图。在本实施方式中，出于解释容易和方便的目的，对与第一实施方式中相同的元件的描述将被省略或简要提及。
[0105]参照图12，磁存储元件可以设置在下接触插塞103和上接触插塞203之间。类似于第一实施方式，磁存储元件可以包括第一磁隧道结图案和第二磁隧道结图案。换言之，磁存储元件可以包括设置在籽晶电极层110和盖电极层170之间的第一参考层120、第一隧道势垒层130、自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160。第一和第二隧道势垒层130和150可以由镁氧化物(MgO)形成，并且第一隧道势垒层130可以比第二隧道势垒层150厚。而且，第一隧道势垒层130的RA值可以大于第二隧道势垒层150的RA值。
[0106]在本实施方式中，在第二隧道势垒层150上的第二参考层160可以包括参考垂直磁性层165、自旋极化层161和设置在参考垂直磁性层165与自旋极化层161之间的参考交换耦合层163。自旋极化层161可以与第二隧道势垒层150的顶表面接触。
[0107]参考垂直磁性层165可以具有第一磁化方向，该第一磁化方向基本上垂直于衬底100的顶表面并且是固定的。自旋极化层161可以具有第二磁化方向，该第二磁化方向基本上垂直于衬底100的顶表面并且是固定的。参考垂直磁性层165可以包括自发地具有第一磁化方向的材料和/或结构。自旋极化层161可以包括磁性材料。自旋极化层161的第二磁化方向可以被参考垂直磁性层165固定。参考交换I禹合层163可以使参考垂直磁性层165的磁化方向和自旋极化层161的磁化方向彼此平行或反平行地耦合。
[0108]在另一实施方式中，第二参考层160可以包括参考垂直磁性层165和自旋极化层161，且参考垂直磁性层165可以与自旋极化层161接触。
[0109]图13是示出根据本发明构思的第五实施方式的磁存储器件的截面图。在本实施方式中，出于解释容易和方便的目的，对与第一、第三和第四实施方式中相同的元件的描述将被省略或简要提及。[0110]参照图13，磁存储元件可以设置在下接触插塞103和上接触插塞203之间。类似于第一实施方式，磁存储元件可以包括第一磁隧道结图案和第二磁隧道结图案。换言之，磁存储元件可以包括设置在籽晶电极层110和盖电极层170之间的第一参考层120、第一隧道势垒层130、自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160。第一和第二隧道势垒层130和150可以由镁氧化物(MgO)形成，并且第一隧道势垒层130可以比第二隧道势垒层150厚。而且，第一隧道势垒层130的RA值可以大于第二隧道势垒层150的RA值。
[0111]在本实施方式中，第一参考层120可以包括参考垂直磁性层121、自旋极化层125和设置在参考垂直磁性层121与自旋极化层125之间的参考交换稱合层123。在一实施方式中，第一参考层120的自旋极化层125可以与第一隧道势垒层130的底表面接触。第一参考层120的参考垂直磁性层121可以具有第一磁化方向，该第一磁化方向垂直于衬底100的顶表面并且是固定的。第一参考层120的自旋极化层125可以通过参考交换耦合层123而具有基本上垂直于衬底100的顶表面并且平行于或反平行于参考垂直磁性层121的第一磁化方向的磁化方向。
[0112]第二参考层160可以包括自旋极化层161、参考垂直磁性层165和设置在自旋极化层161与参考垂直磁性层165之间的参考交换稱合层163。自旋极化层161可以与第二隧道势垒层150的顶表面接触。第二参考层160的参考垂直磁性层165可以具有基本上垂直于衬底100的顶表面并且固定的第二磁化方向。第二参考层160的自旋极化层161可以通过参考交换稱合层163而具有基本上垂直于衬底100的顶表面并且与参考垂直磁性层165的第二磁化方向平行或反平行的磁化方向。
[0113]图14是示出根据本发明构思的第六实施方式的磁存储器件的截面图。在本实施方式中，出于解释容易和方便的目的，对与第一、第二、第三和第四实施方式中相同的元件的描述将被省略或简要提及。
[0114]参照图14，磁存储元件可以设置在下接触插塞103和上接触插塞203之间。磁存储元件可以包括第一磁隧道结图案和第二磁隧道结图案。换言之，磁存储元件可以包括设置在籽晶电极层110和盖电极层170之间的第一参考层120、第一隧道势垒层130、自由层140、第二隧道势垒层150和第二参考层160。第一和第二隧道势垒层130和150可以由镁氧化物(MgO)形成，并且第一隧道势垒层130可以比第二隧道势垒层150厚。而且，第一隧道势垒层130的RA值可以大于第二隧道势垒层150的RA值。
[0115]在本实施方式中，第一参考层120可以包括参考垂直磁性层121、自旋极化层125和设置在参考垂直磁性层121与自旋极化层125之间的参考交换稱合层123。在一实施方式中，第一参考层120的自旋极化层125可以与第一隧道势垒层130的底表面接触。第一参考层120的参考垂直磁性层121可以具有第一磁化方向，该第一磁化方向基本上垂直于衬底100的顶表面并且是固定的。第一参考层120的自旋极化层125可以通过参考交换耦合层123而具有基本上垂直于衬底100的顶表面并且与参考垂直磁性层121的第一磁化方向平行或反平行的磁化方向。
[0116]第二参考层160可以包括自旋极化层161、参考垂直磁性层165和设置在自旋极化层161与参考垂直磁性层165之间的参考交换稱合层163。自旋极化层161可以与第二隧道势垒层150的顶表面接触。第二参考层160的参考垂直磁性层165可以具有第二磁化方向，该第二磁化方向基本上垂直于衬底100的顶表面并且是固定的。第二参考层160的自旋极化层161可以通过参考交换耦合层163而具有基本上垂直于衬底100的顶表面并且与参考垂直磁性层165的第二磁化方向平行或反平行的磁化方向。
[0117]自由层140可以包括依次层叠的第一自由层141、自由交换耦合层143和第二自由层145。第一自由层141可以与第一隧道势垒层130和自由交换耦合层143接触。第二自由层145可以与自由交换耦合层143和第二隧道势垒层150接触。第一和第二自由层141和145可以具有基本上垂直于衬底100的顶表面的磁化方向。第一和第二自由层141和145的磁化方向可以被改变为平行于或反平行于第一或第二磁化方向。第二自由层145的磁化方向可以与第一自由层141的磁化方向反平行地耦合。
[0118]图15描绘了用于制造上面讨论的磁存储器件的方法的一示例性实施方式。为了简单起见，省略或合并了一些步骤。参照图15，在步骤301，在衬底上形成第一参考层。然后在步骤303，在第一参考层上面形成第一隧道势垒层。在步骤305，在第一隧道势垒层上面形成自由层。接着，在步骤307，在自由层上面形成第二隧道势垒层。在一些实施方式中，第二隧道势垒层可以形成得比第一隧道势垒层薄。第一隧道势垒层的电阻面积积(RA)值可以大于第二隧道势垒层的RA值。在步骤309，在第二隧道势垒层上面形成第二参考磁性层。在一些实施方式中，第一参考磁性层、第二参考磁性层和自由层中的至少一个可以具有基本上垂直于衬底的顶表面的磁化方向。另一方面，第一参考磁性层、第二参考磁性层和自由层中的至少一个可以具有包括共面和垂直于平面的分量的磁化。图16是示出包括根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的存储系统的一示例的示意性框图。
[0119]参照图16，根据本发明构思的一实施方式的存储系统1100可以包括控制器1110、输入/输出(I/o)单元1120、存储器件130、接口单元1140和数据总线1150。控制器1110、I/O单元1120、存储器件1130和接口单元1140中的至少两个可以通过数据总线1150彼此连通。数据总线1150可以对应于电信号通过其传输的路径。
[0120]控制器1110可以包括微处理器、数字信号处理器、微控制器和其他逻辑器件中的至少一种。其他逻辑器件可以具有与微处理器、数字信号处理器和微处理器中的任一个类似的功能。I/o单元1120可以包括键盘、键板和/或显示单元。存储器件1130可以存储数据和/或命令。存储器件1130可以包括根据上述实施方式的磁存储器件中的至少一个。接口单元1140可以将电子数据传送到通信网络或者可以从通信网络接收电子数据。接口单元1140可以通过无线或电缆运行。例如，接口单元1140可以包括用于无线通信的天线或用于电缆通信的收发器。虽然在图中未示出，但是存储系统1100可以进一步包括作为高速缓冲存储器以改善控制器1110的运行的快速DRAM器件和/或快速SRAM器件。
[0121]存储系统1100可以应用于个人数字助理(PDA)、便携式计算机、上网本、无线电话、移动电话、数字音乐播放器、存储卡或其他电子产品。其他电子产品可以通过无线来接收或发射信息数据。
[0122]图17是示出包括根据本发明构思的实施方式的磁存储器件的存储卡的一示例的示意性框图。
[0123]参照图17，存储卡1200可以包括存储器件1210。存储器件1210可以包括根据上述实施方式的磁存储器件中的至少一个。在其他实施方式中，存储器件1210可以进一步包括与根据上述实施方式的磁存储器件不同的其它类型的半导体存储器件(例如，DRAM器件和/或SRAM器件)。存储卡1200可以包括控制主机和存储器件1210之间的数据通信的存储控制器1220。
[0124]存储控制器1220可以包括控制存储卡1200的整体操作的中央处理单元(CPU)1222。另外，存储控制器1220可以包括用作CPU 1222的操作存储器的SRAM器件1221。此夕卜，存储控制器1220可以进一步包括主机接口单元1223和存储接口单元1225。主机接口单元1223可以被构造成包括在存储卡1200和主机之间的数据通信协议。存储接口单元1225可以连接存储控制器1220与存储器件1210。存储控制器1220可以进一步包括错误检查和纠正(ECC)块1224。ECC块1224可以探测和校正从存储器件1210读出的数据中的错误。即使在图中未示出，存储卡1200可以进一步包括存储代码数据的只读存储器(ROM)装置以与主机接口。存储卡1200可以用作便携式数据存储卡。备选地，存储卡1200可以实现为用作计算机系统的硬盘的固态盘(SSD)。
[0125]图18是示出包括根据本发明构思的实施方式的磁存储器件的信息处理系统的一示例的示意性框图。
[0126]参照图18，根据上述实施方式的磁存储器件中的至少一个可以安装在存储系统1310中，并且该存储系统1310可以安装在诸如移动装置或台式电脑的信息处理系统1300中。根据本发明构思的信息处理系统1300可以进一步包括通过系统总线760电连接到存储系统1310的MODEM 1320、中央处理单元(CPU)1330、RAM 1340和用户接口单元1350。存储系统1310可以与图16的上述存储卡1200基本上相同。换言之，存储系统1310可以包括存储器件1311和控制存储器件1311的整体操作的存储控制器1312。由CPU 1330处理的数据或者从外部系统输入的数据可以存储在该存储系统1310中。存储系统1310可以实现为固态盘(SSD)。在这种状态下，信息处理系统1300可以在存储系统1310中稳定地存储大量数据。存储系统1310的可靠性增加，使得存储系统1310可以减小用于纠正错误的资源，以给信息处理系统1300提供高速数据交换功能。即使在图中未示出，根据本发明构思的信息处理系统1300可以进一步包括应用芯片组、摄像机图像传感器(CIS)、和/或输入/输出单元。
[0127]根据本发明构思的磁存储器件和存储系统可以利用各种封装技术封装。例如，根据本发明构思的磁存储器件和存储系统可以利用叠层封装(POP)技术、球栅阵列封装(BGA)技术、芯片级封装(CSP)技术、塑封引线芯片封装(PLCC)技术、塑料双列直插式封装(PDIP)技术、窝伏尔组件中芯片封装(Die in Waffle Pack)、晶圆形式芯片封装(Die inWafer Form)、板上芯片封装(COB)技术、陶瓷双列直插式封装(CERDIP)技术、公制塑料四方扁平封装(PMQFP )技术、塑料四方扁平封装(PQFP )技术、小外型封装(SOIC )技术、窄节距小外形封装(SSOP)技术、薄小外型封装(TSOP)技术、薄型四方扁平封装(TQFP)技术、系统级封装(SIP)、多芯片封装(MCP)技术、晶圆级制造封装(WFP)技术和晶圆级处理堆叠封装(WSP)技术中的至少一种被封装。
[0128]根据本发明构思的实施方式，在包括由镁氧化物(MgO)形成的第一和第二隧道势垒层的磁存储元件中，具有优异结晶性的厚的镁氧化物(MgO)层设置在薄的镁氧化物(MgO)层下面。从而，当厚的镁氧化物(MgO)层上的磁性层和薄的镁氧化物(MgO)层结晶时，厚的镁氧化物(MgO)层可以被用作籽晶。从而，磁性层和薄的镁氧化物(MgO)层的结晶性可以被改善。结果，磁存储元件的结晶性可以被改善，从而减小电阻分布和RA值。
[0129]虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明构思，但是对于本领域的技术人员来说明显的是，可以做出各种变化和改进而不背离本发明构思的精神和范围。因此，应当理解，上述实施方式不是限制性的，而是说明性的。从而，本发明构思的范围由权利要求书及其等价物的最宽的可允许的解释来确定，并且不应被前面的描述所约束或限制。
[0130]本申请要求2012年8月30日提交的韩国专利申请第10-2012-0095797号的优先权，该在先申请通过引用整体结合于此。
【权利要求】
1.一种磁存储器件，包括: 在衬底上面的第一参考磁性层； 在所述第一参考磁性层上面的第二参考磁性层； 在所述第一参考磁性层和所述第二参考磁性层之间的自由层； 在所述第一参考磁性层和所述自由层之间的第一隧道势垒层；和 在所述第二参考磁性层和所述自由层之间的第二隧道势垒层， 其中所述第一参考磁性层、所述第二参考磁性层和所述自由层均具有与所述衬底的顶表面基本上垂直的磁化方向；且 所述第一隧道势垒层的电阻面积积值大于所述第二隧道势垒层的电阻面积积值。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述第二隧道势垒层的电阻面积积值与所述第一隧道势垒层的电阻面积积值的比具有1:5到1:10的范围。
3.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述第一和第二隧道势垒层由镁氧化物形成，该镁氧化物具有基本上平行于所述衬底的顶表面的(001)晶面。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述自由层由磁性材料形成，该磁性材料与所述第一隧道势垒层的(001)晶面对准。
5.如权利要求1所述的磁存储器件，还包括: 设置在所述第一参考磁性层和第一隧道势垒层之间、在所述自由层和第一隧道势垒层之间、在所述第二参考磁性层和所述第二隧道势垒层之间且/或在所述自由层和所述第二隧道势垒层之间的晶体磁性层。
6.如权利要求5所述的磁存储器件，其中所述晶体磁性层包括Fe、Co、FeCo和其任意合金中的至少一种。
7.如权利要求5所述的磁存储器件，其中所述晶体磁性层具有4A到5A的厚度。
8.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述第一隧道势垒层具有8A到15A的厚度；且 其中所述第二隧道势垒层具有5A到IOA的厚度。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述第一参考磁性层的与所述第一隧道势垒层接触的顶表面具有2人或更小的平均表面粗糙度。
10.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述第一参考磁性层具有基本上垂直于所述衬底的顶表面并且固定的第一磁化方向； 其中所述第二参考磁性层具有基本上垂直于所述衬底的顶表面并且固定的第二磁化方向； 其中所述自由层的磁化方向可变化为平行于所述第一磁化方向或所述第二磁化方向。
11.一种磁存储器件，包括: 设置在距衬底第一高度处的第一隧道势垒层； 设置在距所述衬底第二高度处的第二隧道势垒层，所述第二高度大于所述第一高度，所述第二隧道势垒层比所述第一隧道势垒层薄； 设置在所述第一隧道势垒层和所述第二隧道势垒层之间的自由层； 设置在所述第一隧道势垒层下面的第一参考磁性层；设置在所述第二隧道势垒层上面的第二参考磁性层， 其中，所述第一参考磁性层、所述第二参考磁性层和所述自由层均具有基本上垂直于所述衬底的顶表面的磁化方向。
12.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述第一隧道势垒层的电阻面积积值大于所述第二隧道势垒层的电阻面积积值。
13.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述第二隧道势垒层的电阻面积积值与所述第一隧道势垒层的电阻面积积值的比具有1:5到1:10的范围。
14.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述第一和第二隧道势垒层由镁氧化物形成，该镁氧化物具有基本上平行于所述衬底的顶表面的(001)晶面。
15.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述第一参考磁性层与所述第一隧道势垒层的第一表面接触； 其中所述自由层接触所述第一隧道势垒层的与所述第一表面相反的第二表面。
16.如权利要求11所述的磁存储器件，其中所述自由层由与所述第一隧道势垒层的(001)晶面对准的磁性材料形成。
17.如权利要求11所述的磁存储器件，还包括: 设置在所述第一参考磁性层和所述第一隧道势垒层之间、在所述自由层和所述第一隧道势垒层之间、在所述第二参考磁性层和所述第二隧道势垒层之间、和/或在所述自由层和所述第二隧道势垒层之间的晶体磁性层。
18.如权利要求17所述的磁存储`器件，其中所述晶体磁性层包括Fe、Co、FeCo和其合金中的至少一种。
19.如权利要求17所述的磁存储器件，其中所述晶体磁性层具有4A到5A的厚度。
20.—种磁存储器件,包括: 在衬底上面的第一参考磁性层； 在所述第一参考磁性层上面的第一隧道势垒层； 在所述第一隧道势垒层上面的自由层； 在所述自由层上面的第二隧道势垒层；和 在所述第二隧道势垒层上面的第二参考磁性层， 其中所述第一参考磁性层、所述第二参考磁性层和所述自由层中的至少一个具有基本上垂直于所述衬底的顶表面的磁化方向， 其中所述第一隧道势垒层的厚度大于所述第二隧道势垒层的厚度，以及 其中所述自由层包括夹置在第一自由层和第二自由层之间的自由交换耦合层。
21.如权利要求20所述的磁存储器件，其中所述第一和第二参考磁性层中的至少一个包括夹置在自旋极化层和参考垂直磁性层之间的参考交换耦合层。
22.如权利要求20所述的磁存储器件，其中所述第一和第二参考磁性层中的至少一个由非晶磁性材料形成。
23.如权利要求22所述的磁存储器件，其中所述自由层由非晶磁性材料形成。
24.如权利要求20所述的磁存储器件，其中所述第一隧道势垒层具有小于自旋扩散长度的厚度。
25.—种形成磁存储器件的方法,该方法包括:在衬底上面形成第一参考磁性层； 在所述第一参考磁性层上面形成第一隧道势垒层； 在所述第一隧道势垒层上面形成自由层； 在所述自由层上面形成第二隧道势垒层，所述第二隧道势垒层比所述第一隧道势垒层薄；以及 在所述第二隧道势垒层上面形成第二参考磁性层， 其中所述第一参考磁性层、所述第二参考磁性层和所述自由层中的至少一个具有基本上垂直于所述衬底的顶表面的磁化方向。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述第一隧道势垒层的电阻面积积值大于所述第二隧道势垒层的电阻面积积值。
27.如权利要求25所述的方法，其中所述第一隧道势垒层和所述第二隧道势垒层中的至少一个由 镁氧化物形成。
【文档编号】H01L43/08GK103682084SQ201310389452
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2012年8月30日
【发明者】林佑昶, 金相溶, 金晥均, 朴相奂, 朴正宪 申请人:三星电子株式会社