磁性器件的制作方法

1.发明构思的实施方式涉及磁性器件，更具体地，涉及包括具有垂直磁各向异性(pma)的磁性层的磁性器件。


背景技术：

2.人们正在对利用磁隧道结(mtj)的磁阻特性的电子器件进行大量研究。特别地，随着高度集成的磁随机存取存储(mram)器件的mtj单元被小型化，自旋转移矩-磁阻随机存取存储器(stt-mram)正引起人们的极大关注，该存储器基于被称为自旋转移矩(stt)的物理现象存储信息，其中磁化反转是通过直接向mtj单元施加电流而引起的。在高度集成的stt-mram系统中，可能需要增加交换磁场(hex)的大小，以确保操作裕度。


技术实现要素：

3.发明构思提供一种磁性器件，其增加了交换磁场(hex)的大小以确保操作裕度，并表现出通常期望的耐热特性，从而即使在相对较高的热量下也保持垂直磁各向异性(pma)并具有改善的稳定性。
4.根据发明构思的一个方面，提供了一种磁性器件，该磁性器件包括包含固定图案的固定层、自由层以及在固定层和自由层之间的隧道势垒，其中固定图案包括第一磁性图案、第二磁性图案以及设置在第一磁性图案和第二磁性图案之间的包括非磁性材料层的混合间隔物，非磁性材料层包括分散在其中的多个磁性纳米颗粒。
5.根据发明构思的另一方面，提供了一种磁性器件，该磁性器件包括固定层、自由层以及设置在固定层和自由层之间的隧道势垒，其中固定层包括第一固定图案、在第一固定图案和隧道势垒之间的第二固定图案、在第一固定图案和第二固定图案之间的交换耦合图案，以及其中第二固定图案包括与交换耦合图案相邻的第一磁性图案、与隧道势垒相邻的第二磁性图案、以及在第一磁性图案和第二磁性图案之间的包括非磁性材料层的混合间隔物，非磁性层包括分散在其中的多个磁性纳米粒子。
6.根据发明构思的另一方面，提供了一种磁性器件，该磁性器件包括衬底上的第一电极和第二电极以及在第一电极和第二电极之间的磁隧道结(mtj)结构，mtj结构包括顺序堆叠的第一固定图案、交换耦合图案、第二固定图案、隧道势垒和自由层，其中所述第二固定图案包括与所述交换耦合图案相邻的第一磁性图案、与隧道势垒相邻的第二磁性图案、以及在第一磁性图案和第二磁性图案之间的包括非磁性材料层的混合间隔物，非磁性材料层包括分散在其中的多个磁性纳米粒子。
附图说明
7.从以下结合附图进行的详细描述，发明构思的实施方式将被更清楚地理解，其中：
8.图1是示出根据发明构思的一些实施方式的磁性器件的示意性构造的图；
9.图2是示出图1中示出的磁性器件的磁隧道结(mtj)结构的截面图；
10.图3是示出根据发明构思的一些实施方式的磁性器件中包括的混合间隔物的示例结构的截面图；
11.图4是示出根据发明构思的一些实施方式的磁性器件中包括的混合间隔物的另一示例结构的截面图；
12.图5是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件的截面图；
13.图6是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件的截面图；
14.图7是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件的截面图；
15.图8是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件的截面图；
16.图9是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件的截面图；以及
17.图10a至图10j是示出根据发明构思的一些实施方式的按工艺顺序制造磁性器件的方法的截面图。
具体实施方式
18.在下文中，将参照附图详细描述实施方式。相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的重复描述。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关列举项目的任何和所有组合。注意到，关于一个实施方式描述的方面可以结合在不同的实施方式中，尽管没有关于其具体描述。也就是，所有实施方式和/或任何实施方式的特征可以以任何方式和/或组合来组合。
19.图1是示出根据一些实施方式的磁性器件100的示意性构造的图。在图1中，示出了包括自旋转移矩-磁阻随机存取存储器(stt-mram)组件的磁性器件100。
20.磁性器件100可以包括存储单元mc。存储单元mc可以包括在垂直方向(z方向)上彼此间隔开的第一电极e1和第二电极e2、设置在第一电极e1和第二电极e2之间的磁隧道结(mtj)结构140、以及连接到mtj结构140的单元晶体管ct。单元晶体管ct的栅极可以连接到字线wl，单元晶体管ct的一个电极可以通过mtj结构140连接到位线bl，单元晶体管ct的另一电极可以连接到源极线sl。
21.mtj结构140可以包括在垂直方向(z方向)上顺序布置的固定层110、隧道势垒120和自由层130。隧道势垒120可以设置在固定层110和自由层130之间。固定层110可以具有在垂直方向(z方向)上的易磁化轴，并且其磁化方向可以是固定的。自由层130可以具有在垂直方向(z方向)上的易磁化轴，并且其磁化方向可以根据条件而变化。固定层110和自由层130的布置不限于图1的图示，并且固定层110的位置和自由层130的位置可以在其间改变。
22.mtj结构140的电阻值可以根据自由层130的磁化方向变化。当自由层130的磁化方向平行于固定层110的磁化方向时，mtj结构140可以具有低电阻值，并且可以存储数据
‘0’
值或状态。当自由层130的磁化方向反平行于固定层110的磁化方向时，mtj结构140可以具有高电阻值，并且可以存储数据
‘1’
值或状态。
23.在固定层110中示出的单向箭头可以表示固定层110具有被固定的磁化，在自由层130中示出的双向箭头可以表示自由层130被磁化为平行于或反平行于固定层110的磁化方向。在mtj结构140中，自由层130的磁化方向可以通过控制具有自旋扭矩的隧道电流的方向而改变。
24.在图1中示出的磁性器件100中，对于stt-mram的写操作，单元晶体管ct可以通过
向字线wl施加逻辑高电压被导通，并且写电流可以被施加在位线bl和源极线sl之间。此时，自由层130的磁化方向可以基于写电流的方向确定。在mtj结构140中，自由层130的磁化方向可以通过自旋转移矩改变。
25.在图1中示出的磁性器件100中，对于stt-mram的读操作，单元晶体管ct可以通过向字线wl施加逻辑高电压被导通，并且存储在mtj结构140中的数据可以通过在从位线bl到源极线sl的方向上施加读电流来确定。此时，因为读电流的电平远低于写电流的电平，所以自由层130的磁化方向不会通过读电流改变。
26.图2是示出图1中示出的磁性器件100的mtj结构140的截面图。
27.参照图2，磁性器件100的mtj结构140可以包括固定层110、自由层130以及设置在固定层110和自由层130之间的隧道势垒120。
28.固定层110可以包括在垂直方向(z方向)上顺序堆叠的第一固定图案110a、交换耦合图案ecp和第二固定图案110b。交换耦合图案ecp可以设置在第一固定图案110a和第二固定图案110b之间。固定层110可以具有合成反铁磁结构。
29.交换耦合图案ecp可以反平行地将第一固定图案110a的磁化方向耦合至第二固定图案110b的磁化方向。在一些实施方式中，交换耦合图案ecp可以通过鲁德曼-基特尔-卡苏亚-尤西达(rkky)相互作用将第一固定图案110a的磁化方向耦合至第二固定图案110b的磁化方向。因此，基于第一固定图案110a和第二固定图案110b的磁化方向产生的磁场可以偏移，因此，固定层110的净磁场可以减小或最小化，自由层130对固定层110产生的磁场的影响可以减小或最小化。在一些实施方式中，交换耦合图案ecp可以包括钌(ru)、铼(re)、铑(rh)、碲(te)、钇(y)、铬(cr)、铱(ir)、银(ag)、铜(cu)或其组合。例如，交换耦合图案ecp可以包括ru。
30.第一固定图案110a和第二固定图案110b当中的第二固定图案110b可以邻近隧道势垒120设置，并且第二固定图案110b的磁化方向可以对应于固定层110的固定磁化方向。也就是，当第二固定图案110b的磁化方向平行于自由层130的磁化方向时，mtj结构140可以具有相对低的电阻值。当第二固定图案110b的磁化方向与自由层130的磁化方向反平行时，mtj结构140可以具有相对高的电阻值。
31.第一固定图案110a和第二固定图案110b中的每个可以具有包括铁磁材料的单层或多层结构。在一些实施方式中，第一固定图案110a和第二固定图案110b中的每个可以包括包含铁(fe)、镍(ni)和/或钴(co)作为主要成分的合金。例如，第一固定图案110a和第二固定图案110b中的每个可以包括co、ir、co/pt、(co/pt)n、co/pr、(co/pr)n、coir、(co/ir)n、(cofe/pt)n、(cofe/pd)n、(co/pd)n、(co/ni)n、(coni/pt)n、(cocr/pt)n、(cocr/pd)n或其组合(其中n是堆叠的数量)，但是第一固定图案110a和第二固定图案110b中的每个的材料不限于此。
32.在一些实施方式中，第一固定图案110a可以包括垂直磁性材料或垂直磁性结构。例如，第一固定图案110a可以包括(co/pt)n l11晶格(其中n是自然数)。当第一固定图案110a包括copt合金时，copt合金可以用硼(b)掺杂。
33.第二固定图案110b可以包括在垂直方向(z方向)上顺序堆叠的第一磁性图案112、混合间隔物114和第二磁性图案116。第一磁性图案112可以邻近交换耦合图案ecp设置，第二磁性图案116可以邻近隧道势垒120设置，混合间隔物114可以设置在第一磁性图案112和
第二磁性图案116之间。这里，第一磁性图案112可以被称为交换耦合增强磁性图案。第二磁性图案116可以被称为极化增强磁性图案。
34.第一磁图案112可以增强交换耦合图案ecp的rkky相互作用。在一些实施方式中，第一磁性图案112可以物理接触交换耦合图案ecp。第一磁性图案112可以与隧道势垒120间隔开，混合间隔物114和第二磁性图案116位于其间。
35.在一些实施方式中，第一磁性图案112可以具有六方密堆积(hcp)晶格结构或面心立方(fcc)晶格结构，但是实施方式不限于此。例如，第一磁性图案112可以包括co，但是所使用的材料不限于此。
36.第二磁性图案116可以物理接触隧道势垒120。第二磁性图案116可以在隧道势垒120和第二磁性图案116之间的界面处感应界面垂直磁各向异性(i-pma)。第二磁性图案116和混合间隔物114之间的i-pma程度可以大于第一磁性图案112和混合间隔物114之间的i-pma程度。在一些实施例中，第二磁性图案116可以具有体心立方(bcc)晶格结构，但是第二磁性图案116的实施方式不限于此。第二磁性图案116可以包括用于获得与隧道势垒120接触的高磁阻比的磁性材料。例如，第二磁性图案116可以包括从co、fe和/或ni当中选择的至少一种元素以及从硼(b)、硅(si)、锆(zr)、铪(hf)、铍(be)、铝(al)、碳(c)、钼(mo)、钽(ta)和/或铜(cu)当中选择的一种元素。例如，第二磁性图案116可以包括钴-铁-硼(cofeb)，但是实施方式不限于此。
37.混合间隔物114可以包括非磁性材料层114m和分散在非磁性材料层114m中的多个磁性纳米粒子114d。这里，纳米粒子可以表示其直径为约0.001nm至约2nm的粒子。
38.非磁性材料层114m可以在混合间隔物114和第二磁性图案116之间的界面处诱导i-pma。多个磁性纳米粒子114d可以提供穿过在第一磁性图案112和第二磁性图案116之间的混合间隔物114的局部磁性路径。
39.混合间隔物114中包括的非磁性材料层114m可以包括非磁性元素、非磁性化合物或非磁性合金。例如，非磁性材料层114m可以包括钨(w)、钼(mo)、钽(ta)、铂(pt)、铱(ir)、铝(al)、铪(hf)、铬(cr)、钌(ru)、铌(nb)、锆(zr)、钒(v)、钯(pd)、碳(c)、硼(b)、氧(o)、氮(n)或其组合。
40.混合间隔物114中包括的多个磁性纳米粒子114d可以以掺杂状态处于非磁性材料层114m中。在混合间隔物114中，多个磁性纳米粒子114d可以以约1at.％或更大且小于约50at.％的浓度掺杂在非磁性材料层114m中。例如，在混合间隔物114中，多个磁性纳米粒子114d可以以约5at.％至约30at.％的浓度掺杂在非磁性材料层114m中。在一些实施方式中，混合间隔物114中的多个磁性纳米粒子114d的含量可以被调节为使得混合间隔物114在室温下具有非磁性特征。这里使用的术语“室温”可以是约20℃到约28℃，并且可以根据季节变化。
41.在实施方式中，多个磁性纳米粒子114d可以包括单一种类的磁性元素。在其它实施方式中，多个磁性纳米粒子114d可以包括至少两种不同种类的磁性元素。例如，多个磁性纳米粒子114d可以包括co、fe、ni、钆(gd)、钐(sm)、钕(nd)、镨(pr)或其组合。例如，在混合间隔物114中，非磁性材料层114m可以包括mo层、w层或其组合，并且多个磁性纳米粒子114d可以包括co元素、fe元素或其组合。然而，发明构思的实施方式不限于此。
42.第一磁性图案112、混合间隔物114和第二磁性图案116中的每个的厚度可以被设
置为用于增加交换磁场(hex)的适当厚度。当交换磁场增加时，在磁性器件100的读/写操作中，电流范围可以增大，因此，读/写裕度可以增加，从而提高磁性器件100的效率。在一些实施方式中，交换磁场的大小可以基于混合间隔物114的厚度来调节。因此，交换磁场的大小可以通过调节混合间隔物114的厚度来增加。
43.例如，混合间隔物114的厚度(即，z方向厚度)可以是约到约(约0.01nm到约2nm)，但是实施方式不限于此。第一磁性图案112和第二磁性图案116中的每个可以具有约至约的厚度(即，z方向厚度)，但是实施方式不限于此。
44.在一些实施方式中，通过适当选择混合间隔物114中包括的非磁性材料层114m的材料、所述多个磁性纳米粒子114d中的每个的材料以及混合间隔物114的厚度，可以获得约1,000oe至约15,000oe的相对高的交换磁场。
45.图3和图4是示出根据发明构思的一些实施方式的混合间隔物114的示例结构的图，并且是更详细地示出图2的区域2x的放大的截面图。
46.在实施方式中，如图3所示，混合间隔物114可以包括非磁性材料层114m和不规则地排列且分散在非磁性材料层114m中的多个磁性纳米粒子114d。在一些实施方式中，根据混合间隔物114的位置，混合间隔物114的每单位尺寸的多个磁性纳米粒子114d的密度可以是恒定的。例如，在非磁性材料层114m中，多个磁性纳米粒子114d可以在混合间隔物114的厚度方向(即，垂直方向(z方向))上以恒定密度分散。
47.在一些实施方式中，如图4所示，混合间隔物114可以包括非磁性材料层114m和不规则地分散在非磁性材料层114m中的多个磁性纳米粒子114d，并且多个磁性纳米粒子114d中的至少一些可以形成包括凝集材料的至少一个磁性纳米簇，其中所述至少一些磁性纳米粒子114d在凝集材料处凝集。磁性纳米簇可以在非磁性材料层114m中在第一磁性图案112和第二磁性图案116之间提供局部磁性路径。
48.再次参照图2，混合间隔物114的底表面可以物理接触第一磁性图案112的顶表面，混合间隔物114的顶表面可以物理接触第二磁性图案116的底表面。
49.因为混合间隔物114包括非磁性材料层114m并且多个磁性纳米粒子114d在非磁性材料层114m中分散，所以非磁性材料层114m可以增强mtj结构140的pma，并且多个磁性纳米粒子114d可以在第一磁性图案112和第二磁性图案116之间提供磁性路径，从而增加交换磁场的大小以有助于确保操作裕度。
50.通常，为了提高mtj结构140的磁阻比，mtj结构140可以经受高温热处理工艺。例如，在省略混合间隔物114或者提供仅包括非磁性材料的非磁性间隔物来代替混合间隔物114的情况下，第二固定图案110b的pma可能由于高温热处理工艺而退化。根据一些实施方式，磁性器件100的第二固定图案110b可以包括混合间隔物114，并且混合间隔物114可以包括非磁性材料层114m和在非磁性材料层114m中分散的多个磁性纳米粒子114d。因此，在磁性器件100中，交换磁场的大小可以增加，因此，操作裕度可以增强，此外，其耐热特性可以改善，即使在相对高的热量下也可以保持pma稳定性。此外，混合间隔物114可以充当扩散阻挡物，当执行高温热处理工艺时，该扩散阻挡物减少或防止第一固定图案110a的元素向第二磁性图案116扩散。因此，混合间隔物114可以有助于mtj结构140的可靠性。
51.在一些实施方式中，在mtj结构140中，第二磁性图案116和混合间隔物114之间的
i-pma程度可以大于第一磁性图案112和混合间隔物114之间的i-pma程度。
52.在一些实施方式中，混合间隔物114和第二磁性图案116中的至少一个可以具有晶格结构，其不同于第一固定图案110a的晶格结构。在一些实施方式中，第一固定图案110a、交换耦合图案ecp和第一磁性图案可以具有彼此相同的晶格结构。例如，第一固定图案110a、交换耦合图案ecp和第一磁性图案可以具有hcp结构，但是发明构思的实施方式不限于此。
53.参照图1和图2，隧道势垒120可以包括从mg、ti、al、mgzn和mgb当中选择的一种材料的氧化物、ti氮化物或v氮化物，或者它们的组合。例如，隧道势垒120可以包括镁氧化物(mgo)、铝氧化物(alo)和/或镁铝氧化物(mgalo)。隧道势垒120可以具有fcc晶格结构。隧道势垒120可以具有约至约的厚度，但是实施方式不限于此。
54.自由层130可以物理接触隧道势垒120。自由层130可以包括用于在隧道势垒120和自由层130之间的界面处感应i-pma的磁性材料。在一些实施方式中，自由层130可以包括fe层、cofeb层、cofenib层或其组合。
55.如图2所示，籽晶图案150可以设置在第一电极e1和第一固定图案110a之间。籽晶图案150可以物理接触第一电极e1的顶表面，并且可以物理接触第一固定图案110a的底表面。在一些实施方式中，籽晶图案150可以包括具有与第一固定图案110a的晶格结构相同的晶格结构的导电材料。例如，籽晶图案150可以具有hcp晶格结构。例如，籽晶图案150可以包括ru、pt和/或pd。
56.包括第一磁性图案112、混合间隔物114和第二磁性图案116的第二固定图案110b可以设置在交换耦合图案ecp和隧道势垒120之间。在图2的截面图中显示的第二固定图案110b中，混合间隔物114的底表面可以物理接触第一磁性图案112的顶表面，混合间隔物114的顶表面可以物理接触第二磁性图案116的底表面。
57.如图2所示，盖图案160可以设置在自由层130和第二电极e2之间。盖图案160可以物理接触自由层130的顶表面。此外，可以在自由层130和盖图案160之间的界面处感应i-pma。
58.盖图案160可以包括ta、al、cu、au、ti、tan、tin或其组合。在一些实施方式中，可以省略盖图案160。
59.第二电极e2可以在盖图案160的顶表面上，并且至少部分覆盖盖图案160的顶表面。第一电极e1和第二电极e2中的每个可以包括金属、导电金属氮化物、掺杂多晶硅或其组合。例如，第一电极e1和第二电极e2中的每个可以包括ta、ru、ti、pt、w、tin、tan、al、co、ni、cu、掺杂多晶硅或其组合。
60.在上面参照图1至图4描述的磁性器件100中，第二固定图案110b可以被提供在交换耦合图案ecp和隧道势垒120之间，并且第二固定图案110b可以包括第一磁性图案112、第二磁性图案116以及设置在第一磁性图案112和第二磁性图案116之间的混合间隔物114。因为混合间隔物114包括非磁性材料层114m和分散在非磁性材料层114m中的多个磁性纳米粒子114d，所以非磁性材料层114m可以增强mtj结构140的pma，并且多个磁性纳米粒子114d可以在第一磁性图案112和第二磁性图案116之间提供磁性路径。因此，可以增强mtj结构140的pma，并且交换磁场的大小可以增加，从而增强操作裕度。
61.图5是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件200的截面图。在图5中，与图
1和图2相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的详细描述。
62.参照图5，磁性器件200可以具有与上面参照图1和2描述的磁性器件100的元件基本相同的元件。磁性器件200可以包括mtj结构240。mtj结构240可以具有与上面参照图2描述的mtj结构140的元件基本相同的元件。mtj结构240中的固定层110和自由层130中的每个的位置可以与图2所示的mtj结构140相反。
63.在图5所示的磁性器件200的mtj结构240中，自由层130的底表面可以物理接触籽晶图案150，自由层130的顶表面可以物理接触隧道势垒120。包括固定层110的第一磁性图案112、混合间隔物114和第二磁性图案116的第二固定图案110b可以在垂直方向(z方向)上比第一固定图案110a更向下设置。在第二固定图案110b中，第二磁性图案116、混合间隔物114和第一磁性图案112可以在垂直方向(z方向)上从隧道势垒120的顶表面顺序向上堆叠。第一固定图案110a可以设置在交换耦合图案ecp和盖图案160之间。
64.图6是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件300的截面图。在图6中，与图1和图2相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的详细描述。
65.参照图6，磁性器件300可以具有与上面参照图1和图2描述的磁性器件100的元件基本相同的元件。磁性器件300可以包括mtj结构340。mtj结构340可以具有与上面参照图2描述的mtj结构140的元件基本相同的元件。mtj结构340可以进一步包括设置在混合间隔物114和第一磁性图案112之间的增强混合间隔物312。
66.在一些实施方式中，增强混合间隔物312可以包括增强非磁性材料层，该增强非磁性材料层包括w、mo、ta、pt、ir、al、hf、cr、ru、nb、zr、v、pd、c、b、o、n或其组合。增强混合间隔物312可以不包括磁性元件。
67.在其它实施方式中，增强混合间隔物312可以包括增强非磁性材料层(包括w、mo、ta、pt、ir、al、hf、cr、ru、nb、zr、v、pd、c、b、o、n或其组合)以及分散在增强非磁性材料层中的多个增强磁性纳米粒子。多个增强磁性纳米粒子可以包括co、fe、ni、gd、sm、nd、pr或其组合。当多个增强磁性纳米粒子被包括在增强混合间隔物312中时，多个增强磁性纳米粒子可以以约1at.％或更大且小于约50at.％的浓度被掺杂在增强非磁性材料中。包括在增强混合间隔物312中的多个增强磁性纳米粒子和包括在混合间隔物114中的多个磁性纳米粒子114d可以包括相同的元素，或者可以包括不同的元素。包括在增强混合间隔物312中的多个增强磁性纳米粒子的浓度可以与包括在混合间隔物114中的多个磁性纳米粒子114d的浓度相同或不同。例如，包括在增强混合间隔物312中的多个增强磁性纳米粒子的浓度可以低于包括在混合间隔物114中的多个磁性纳米粒子114d的浓度。作为另一示例，包括在增强混合间隔物312中的多个增强磁性纳米粒子的浓度可以高于包括在混合间隔物114中的多个磁性纳米粒子114d的浓度。
68.增强混合间隔物312可以增强混合间隔物114的功能。在mtj结构340中，增强混合间隔物312可以设置在混合间隔物114和第一磁性图案112之间，因此，mtj结构340的pma可以被更多地增强或者交换磁场的大小可以增加。特别地，当增强混合间隔物312包括增强非磁性材料层和分散在增强非磁性材料层中的多个增强磁性纳米粒子时，混合间隔物114的在第一磁性图案112和第二磁性图案116之间提供磁性路径的功能可以增强，从而进一步增加交换磁场的大小。
69.图7是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件400的截面图。在图7中，与图
1和图2相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的详细描述。
70.参照图7，磁性器件400可以具有与上面参照图1和图2描述的磁性器件100的元件基本相同的元件。磁性器件400可以包括mtj结构440。mtj结构440可以具有与上面参照图2描述的mtj结构140的元件基本相同的元件。此外，mtj结构440可以进一步包括设置在混合间隔物114和第二磁性图案116之间的增强混合间隔物414。增强混合间隔物414的详细构造和效果可以与上面参照图6描述的增强混合间隔物312的构造和效果基本相同。
71.图8是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件500的截面图。在图8中，与图1和图2相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的详细描述。
72.参照图8，磁性器件500可以具有与上面参照图1和图2描述的磁性器件100的元件基本相同的元件。磁性器件500可以包括mtj结构540。mtj结构540可以具有与上面参照图2描述的mtj结构140的元件基本相同的元件。此外，mtj结构540可以进一步包括设置在混合间隔物114和第一磁性图案112之间的第一增强混合间隔物512以及设置在混合间隔物114和第二磁性图案116之间的第二增强混合间隔物514。第一增强混合间隔物512和第二增强混合间隔物514中的每个的详细构造和效果可以与上面参照图6描述的增强混合间隔物312的构造和效果基本相同。
73.在一些实施方式中，第一增强混合间隔物512和第二增强混合间隔物514中的一个可以不包括磁性元素，并且可以仅包括具有上面参照图6描述的配置的增强非磁性材料层。第一增强混合间隔物512和第二增强混合间隔物514中的另一个可以包括增强非磁性材料层和分散在增强非磁性材料层中的多个增强磁性纳米粒子。多个增强磁性纳米粒子的详细描述如上参照图6所述。
74.在图2至图8中，示出了固定层110包括第一固定图案110a和第二固定图案110b的构造，但是发明构思的实施方式不限于此。例如，固定层110可以包括包含第二固定图案110b的至少三个固定图案，并且所述至少三个固定图案中的第二固定图案110b可以最靠近隧道势垒120设置。所述至少三个固定图案中的每个可以具有包括铁磁材料的单层或多层结构。在一些实施方式中，所述至少三个固定图案中的每个可以包括包含fe、ni或co作为主要成分的合金。例如，所述至少三个固定图案中的每个可以包括co、ir、co/pt、(co/pt)n、co/pr、(co/pr)n、coir、(co/ir)n、(cofe/pt)n、(cofe/pd)n、(co/pd)n、(co/ni)n、(coni/pt)n、(cocr/pt)n、(cocr/pd)n或其组合(其中n是堆叠的数量)，但是根据发明构思的各自实施方式的所述至少三个固定图案中的每个的材料不限于此。
75.图9是示出根据发明构思的其它实施方式的磁性器件600的截面图。在图9中，与图1和图2相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的详细描述。
76.参照图9，磁性器件600可以包括衬底602(包括由隔离层604限定的有源区ac)以及形成在衬底602的有源区ac中的多个晶体管610。
77.衬底602可以包括半导体晶片。衬底602可以包括半导体元素，诸如硅(si)或锗(ge)，或者化合物半导体，诸如sic、gaas、inas或inp。在其它实施方式中，衬底602可以具有绝缘体上硅(soi)结构。衬底602可以包括导电区域(例如，掺杂阱或掺杂结构)。隔离层604可以具有浅沟槽隔离(sti)结构。
78.多个晶体管610可以每个包括栅绝缘层612、栅电极614、源极区616和漏极区618。栅电极614的顶表面可以在垂直方向(z方向)上至少部分被绝缘盖图案620覆盖，并且其两
个侧壁可以在水平方向(x方向)上至少部分被绝缘间隔物622覆盖。
79.在多个晶体管610上并且至少部分覆盖多个晶体管610的第一层间绝缘层630可以设置在衬底602上，并且源极线636和多个导电图案638可以设置在第一层间绝缘层630上。源极线636可以通过穿过第一层间绝缘层630的第一接触插塞632连接到晶体管610的源极区616。多个导电图案638中的每个可以通过穿过第一层间绝缘层630的第二接触插塞634连接到晶体管610的漏极区618。第一接触插塞632和第二接触插塞634中的每个可以包括金属、导电金属氮化物、掺杂多晶硅或其组合。源极线636和多个导电图案638可以每个包括金属、导电金属氮化物或其组合。
80.源极线636和多个导电图案638可以至少部分被第二层间绝缘层644覆盖。穿过第二层间绝缘层644的多个下电极接触插塞642可以设置在多个导电图案638上。多个下电极接触插塞642可以每个包括金属、导电金属氮化物、掺杂多晶硅或其组合。
81.下电极652、mtj结构640和导电掩模图案672可以在垂直方向(z方向)上顺序堆叠在多个下电极接触插塞642中的每个的顶表面上。下电极652可以包括金属、导电金属氮化物、掺杂多晶硅或其组合。例如，下电极652可以包括tin，但是实施方式不限于此。mtj结构640可以具有与上面参照图2描述的mtj结构140相同的结构。导电掩模图案672可以包括金属或导电金属氮化物。在一些实施方式中，多个导电掩模图案672可以包括从ru、w、tin、tan、ti、ta和/或金属玻璃合金当中选择的至少一种材料。例如，导电掩模图案672可以具有ru/tin或tin/w的双层结构。
82.在下电极652、mtj结构640和导电掩模图案672上并至少部分覆盖下电极652、mtj结构640和导电掩模图案672的第三层间绝缘层680可以形成在第二层间绝缘层644上。第一层间绝缘层630、第二层间绝缘层644和第三层间绝缘层680中的每个可以包括硅氧化物、硅氮化物或其组合。
83.位线690可以设置在第三层间绝缘层680上。连接到多个mtj结构640的多个导电掩模图案672可以通过穿过第三层间绝缘层680的一部分的多个位线接触插塞682连接到位线690。多个位线接触插塞682和位线690可以每个包括金属、导电金属氮化物或其组合。
84.在图9中，已经描述了一示例，其中磁性器件600包括mtj结构640，其具有与上面参照图2描述的mtj结构140相同的结构。例如，磁性器件600可以具有从以上参照图5至图8描述的mtj结构240、340、440和540当中选择的mtj结构以及根据发明构思范围内的不同实施方式从其进行各种修改和改变的各种mtj结构。
85.图10a至图10j是示出根据发明构思的实施方式的按工艺顺序制造磁性器件的方法的截面图。在本实施方式中，将描述制造图9所示的磁性器件600的方法。在图10a至图10j中，与图1和图2相同的附图标记指代相同的元件，并且省略了它们的详细描述。
86.参照图10a，可以在衬底602上形成隔离层604以限定有源区ac，并且可以在有源区ac中形成晶体管610。
87.可以在衬底602上形成被平坦化为在晶体管610上并至少部分覆盖晶体管610的第一层间绝缘层630，并且可以在衬底602上形成穿过第一层间绝缘层630并电连接到源极区616的第一接触插塞632以及电连接到漏极区618的第二接触插塞634。可以在第一层间绝缘层630上形成导电层，然后，可以通过图案化导电层来形成源极线636和多个导电图案638。
88.随后，可以在第一层间绝缘层630上形成在源极线636和导电图案638上并至少部
分覆盖源极线636和导电图案638的第二层间绝缘层644。随后，通过使用光刻工艺去除第二层间绝缘层644的一部分，可以形成分别暴露多个导电图案638的顶表面的多个下电极接触孔640h。可以在多个下电极接触孔640h中形成导电材料，并且可以通过抛光导电材料以使得第二层间绝缘层644的顶表面暴露来形成多个下电极接触插塞642。
89.参照图10b，可以在第二层间绝缘层644和多个下电极接触插塞642上形成下电极层p652。
90.在一些实施方式中，化学气相沉积(cvd)工艺、物理气相沉积(pvd)工艺、原子层沉积(ald)工艺或反应脉冲激光沉积(pld)工艺可以用于形成下电极层p652。下电极层p652的更详细描述与上面参照图2给出的第一电极e1的描述相同。
91.参照图10c，可以在下电极层p652上形成籽晶层p150。籽晶层p150可以包括ru、pt和/或pd。籽晶层p150可以通过cvd工艺、pvd工艺、ald工艺或反应性pld工艺形成。在实施方式中，籽晶层p150可以通过溅射工艺形成。
92.参照图10d，可以在籽晶层p150上顺序地形成第一固定层p110a、交换耦合层pecp和第一磁性层p112。第一固定层p110a、交换耦合层pecp和第一磁性层p112的材料可以分别与上面参照图2描述的第一固定层110a、交换耦合层ecp和第一磁性层112的材料相同。第一固定层p110a、交换耦合层pecp和第一磁性层p112中的每个可以通过分子束外延(mbe)工艺或金属有机化学气相沉积(mocvd)工艺形成。
93.参照图10e，可以在第一磁性层p112上形成混合间隔物层p114。混合间隔物层p114可以形成为包括非磁性材料层114m和分散在非磁性材料层114m中的多个磁性纳米粒子114d。溅射工艺可以用于形成混合间隔物层p114。
94.在一些实施方式中，包括用于形成非磁性材料层114m的元素和用于形成多个磁性纳米粒子114d的元素的合金靶可以用于形成混合间隔物层p114。在合金靶中的用于形成多个磁性纳米粒子114d的元素的含量比(at.％)可以基于包括在最终将被形成的混合间隔物114(见图10j)中的多个磁性纳米粒子114d的浓度来确定。
95.在其它实施方式中，可以通过使用多个靶来执行共溅射工艺，所述多个靶包括包含用于形成非磁性材料层114m以形成混合间隔物层p114的元素的至少一个靶以及包含用于形成多个磁性纳米粒子114d的元素的至少一个靶。
96.参照图10f，可以在混合间隔物层p114上形成第二磁性层p116、隧道势垒层p120、初步自由层p130和盖层p160。第二磁性层p116、隧道势垒层p120、初步自由层p130和盖层p160的材料可以分别与上面参照图2描述的第二磁性层116、隧道势垒120、自由层130和盖层160的材料相同。
97.参照图10g，可以在盖层p160上形成多个导电掩模图案672。多个导电掩模图案672可以形成为被放置在下电极接触插塞642上的在垂直方向(z方向)上的相同轴线上。
98.参照图10h，通过使用多个导电掩模图案672作为蚀刻掩模蚀刻图10g的所得材料的一部分，可以形成多个mtj结构640。
99.在一些实施方式中，通过使用多个导电掩模图案672作为蚀刻掩模来形成多个mtj结构640，可以将图10g的所得材料的一部分装载到等离子蚀刻腔室中，然后可以执行蚀刻工艺。在一些实施方式中，蚀刻工艺可以通过使用反应离子蚀刻(rie)工艺、离子束蚀刻(ibe)工艺或ar铣削工艺来执行。在一些实施方式中，蚀刻工艺可以通过使用由电感耦合等
离子体(icp)源、电容耦合等离子体(ccp)源、电子回旋共振(ecr)等离子体源、螺旋波激发等离子体(hwep)源或自适应耦合等离子体(acp)源产生的等离子体来执行。
100.在执行蚀刻工艺的同时，多个导电掩模图案672中的每个的一部分可以被蚀刻气氛从其顶表面消耗掉，因此，多个导电掩模图案672可以具有减小的厚度。在图10h的所得材料中，多个导电掩模图案672的剩余部分可以对应于图2所示的第二电极e2。
101.参照图10i，在图10h的所得材料中，可以形成在多个mtj结构640和多个导电掩模图案672上并至少部分覆盖所述多个mtj结构640和所述多个导电掩模图案672的第三层间绝缘层680，并且可以通过蚀刻和去除第三层间绝缘层680的部分区域以使得多个导电掩模图案672中的每个的顶表面暴露而形成多个位线接触孔680h。随后，可以在多个位线接触孔680h中形成导电层，然后，可以通过抛光或回蚀导电层以使得第三层间绝缘层680的顶表面暴露而在多个位线接触孔680h中形成多个位线接触插塞682。
102.参照图10j，可以在第三层间绝缘层680和多个位线接触插塞682上形成位线形成导电层，并且可以通过图案化导电层来形成电连接到多个位线接触插塞682的位线690，从而制造图9所示的磁性器件600。
103.虽然已经参照本发明的实施方式具体示出和描述了发明构思，但是将理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
104.本技术基于2020年10月22日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0137476号，并要求该韩国专利申请的优先权，该申请的公开内容通过引用整体合并于此。