專利名稱：磁存儲(chǔ)器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件，更具體而言，涉及一種磁存儲(chǔ)器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
磁存儲(chǔ)器件利用磁場(chǎng)來(lái)儲(chǔ)存信息，并提供低功耗、耐久性和快操作速度。此外，由 于磁存儲(chǔ)器件具有即使在斷電狀態(tài)下也可以保留數(shù)據(jù)的非易失特性，因此其被考慮作為便攜式存儲(chǔ)器使用。作為磁存儲(chǔ)器件的一個(gè)例子，現(xiàn)正利用隧道磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)器件來(lái)開(kāi)發(fā)具有千兆比特存儲(chǔ)容量的MRAM(magnetoresistive random accessmemory,磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。這里，隧道磁阻效應(yīng)是通過(guò)一對(duì)鐵磁層以及介于這對(duì)鐵磁層之間的隧道絕緣層來(lái)獲得的。對(duì)于隧道磁阻效應(yīng)而言，由于在鐵磁層之間基本不會(huì)產(chǎn)生磁性耦合，因此即使在弱磁場(chǎng)條件下也可以獲得大的磁阻。與巨磁阻(giant magnetoresistance, GMR)器件相比，TMR器件可以具有用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程的更高的磁阻和更低的開(kāi)關(guān)電流。在制造過(guò)程中，磁存儲(chǔ)器件已從水平磁化鐵磁層的器件發(fā)展成為垂直磁化鐵磁層的器件。CoFeB已被用作產(chǎn)生水平磁化的鐵磁物質(zhì)，而CoFeB同時(shí)也可以被用作垂直磁化物質(zhì)。圖I是說(shuō)明一種常見(jiàn)的垂直磁存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的圖。參見(jiàn)圖1，垂直磁存儲(chǔ)器件具有層疊了晶種(seed)層、釘扎(pinned)層、隧道勢(shì)壘部、自由層和覆蓋(capping)層的結(jié)構(gòu)。作為釘扎層和自由層的材料，可以使用CoFeB。這里，在使用CoFeB來(lái)制造垂直磁存儲(chǔ)器件的過(guò)程中，釘扎層和自由層每個(gè)的厚度都會(huì)被限制為2. 2nm或更小，這是因?yàn)樵诟蟮暮穸葧r(shí)，垂直磁化特性開(kāi)始消失而水平磁化特性開(kāi)始增強(qiáng)。因此，當(dāng)將CoFeB使用于垂直磁存儲(chǔ)器件時(shí)，釘扎層和自由層每個(gè)的厚度都要保持在2. 2nm或更小。然而，如果釘扎層或自由層的厚度減小到2. 2nm或更小，則熱穩(wěn)定性會(huì)開(kāi)始劣化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在使用CoFeB的磁存儲(chǔ)器件的情況下，對(duì)利用40nm工藝制造出的器件檢測(cè)到具有約為43的熱穩(wěn)定性。然而，希望磁存儲(chǔ)器件具有約為60的熱穩(wěn)定性目標(biāo)。因此，在使用CoFeB的垂直磁存儲(chǔ)器件中，難以獲得足夠的熱穩(wěn)定性。如上所述，在將CoFeB使用于磁存儲(chǔ)器件時(shí)，由于當(dāng)CoFeB層厚度為2. 2nm或更小時(shí)可以獲得垂直磁化特性但熱穩(wěn)定性劣化，而當(dāng)CoFeB層厚度大于2. 2nm時(shí)可以獲得相反的特性，因此難以將CoFeB用在垂直磁存儲(chǔ)器件中。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一種垂直磁存儲(chǔ)器件，包括釘扎層，所述釘扎層包括與至少一個(gè)第一間隔件交替層疊的多個(gè)第一鐵磁層，其中，所述釘扎層被配置為具有垂直磁化；自由層，所述自由層包括與至少一個(gè)第二間隔件交替層疊的多個(gè)第二鐵磁層；以及隧道勢(shì)壘部，所述隧道勢(shì)壘部耦合在所述釘扎層與所述自由層之間。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一種垂直磁存儲(chǔ)器件，包括磁性兀件，所述磁性兀件被設(shè)置在晶種層與覆蓋層之間，且所述磁性元件是通過(guò)交替并重復(fù)地層疊多個(gè)鐵磁層與多個(gè)間隔件而形成的，其中，所述鐵磁層中的兩個(gè)鐵磁層分別接觸所述晶種層和所述覆蓋層。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一種制造垂直磁存儲(chǔ)器件的方法，所述垂直磁存儲(chǔ)器件包括釘扎層、自由層和形成在所述釘扎層與所述自由層之間的隧道勢(shì)壘部，所述方法包括通過(guò)將多個(gè)第一鐵磁層與至少一個(gè)第一間隔件交替層疊來(lái)形成所述釘扎層，其中，所述釘扎層被配置為具有垂直磁化；以及通過(guò)將多個(gè)第二鐵磁層與至少一個(gè)第二間隔件層疊來(lái)形成所述自由層。


結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的特征、方面和實(shí)施例，其中圖I是說(shuō)明一種常見(jiàn)的垂直磁存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的配置圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的配置圖；以及圖4是說(shuō)明在根據(jù)本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器件中鐵磁層與間隔件之間的耦合特性的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面將通過(guò)示例性實(shí)施例結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的磁半導(dǎo)體器件及其制造方法。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的配置圖。參見(jiàn)圖2，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的垂直磁存儲(chǔ)器件10具有層疊了晶種層110、釘扎層120、隧道勢(shì)壘部130、自由層140和覆蓋層150的結(jié)構(gòu)。在釘扎層120和自由層140中，可以用重復(fù)的方式交替地層疊鐵磁層1210與間隔件1220以及鐵磁層1410與間隔件1420。在此，釘扎層120被形成為整體高度大于自由層140的整體高度，使得保持釘扎層120的正常功能。在將釘扎層120形成得比自由層140高的過(guò)程中，可以控制層疊的層數(shù)或每個(gè)層
疊層的高度。圖2所示的垂直磁存儲(chǔ)器件10代表釘扎層120中的層疊層數(shù)被控制為大于自由層140的層疊層數(shù)的情況。以下將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在圖2中，可以通過(guò)重復(fù)層疊總共m (m為大于或等于2的自然數(shù))層含有CoFe作為成分的化合物材料以及間隔件1220來(lái)形成釘扎層120，其中頂層為鐵磁層1210。
可以通過(guò)重復(fù)層疊總共n(n為小于m的自然數(shù))層含有CoFe作為成分的化合物材料以及間隔件1420來(lái)形成自由層140，其中頂層為鐵磁層1410。分別形成釘扎層120和自由層140的鐵磁層1210和1410每個(gè)都可以由含有CoFe作為成分的化合物材料——諸如CoFeB、CoFe、CoFeBTa和CoFeBSi——形成。鐵磁層1210和1410每個(gè)的厚度都可以被設(shè)置為O. I 2. 2nm。形成釘扎層120和自由層140的間隔件1220和1420每個(gè)都可以具有O. 2 2nm的厚度，并且可以被形成為諸如MgO層的氧化物間隔件，諸如Al203、Ti02、Hf02、Zr02或Ta2O3層的金屬氧化物間隔件，或諸如Ru、Ta、W、Al或Ti層的金屬間隔件。這里，間隔件1220和1420每個(gè)都產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇判择詈?，使得每個(gè)由多層構(gòu)成的釘扎層120和自由層140能夠如同以單個(gè)的單層構(gòu)成那樣來(lái)操作，同時(shí)通過(guò)具有足夠的整體厚度來(lái)保持熱穩(wěn)定性，并且盡管釘扎層120和自由層140的整體厚度大于
2.2nm，但是通過(guò)使每個(gè)單層具有小于或等于2. 2nm的厚度來(lái)避免垂直磁化損失。對(duì)于隧道勢(shì)壘部130，可以使用MgO層。就此，當(dāng)在晶面(例如，110)上生長(zhǎng)MgO 時(shí)，在室溫下TMR可以增加至約10倍。圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的配置圖。參見(jiàn)圖3，根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的垂直磁存儲(chǔ)器件20包括晶種層210、釘扎層220、隧道勢(shì)壘部230、自由層240和覆蓋層250。在此示例性實(shí)施例中，釘扎層220和自由層240具有如下結(jié)構(gòu)多次交替地層疊鐵磁層2210與間隔件2220以及鐵磁層2410與間隔件2420，使得鐵磁層2210和鐵磁層2410在各釘扎層220和自由層240中為頂層。這里，為了將釘扎層220形成為整體高度比自由層240的整體高度高，將構(gòu)成釘扎層220的每個(gè)鐵磁層2210的高度控制為比構(gòu)成自由層240的每個(gè)鐵磁層2410的高度更高。這里，鐵磁層2210的高度可以相同或不同，鐵磁層2410的高度可以相同或不同?？梢酝ㄟ^(guò)將由含有CoFe作為成分的化合物材料形成的鐵磁層2210以及間隔件2220總共重復(fù)層疊X (X為等于或大于2的自然數(shù))次來(lái)形成釘扎層220，使得頂層為鐵磁層 2210。可以通過(guò)將每個(gè)都由含有CoFe作為成分的化合物材料制成的鐵磁層2410以及間隔件2420重復(fù)地層疊X次來(lái)形成自由層240，其中頂層為鐵磁層2410。釘扎層220和自由層240的鐵磁層2210和2410分別可以由含有CoFe作為成分的化合物材料物質(zhì)——諸如CoFeBXoFeXoFeBTa和CoFeBSi——形成。根據(jù)一個(gè)例子，釘扎層220的鐵磁層2210的厚度被設(shè)置為O. I 2. 2nm,而構(gòu)成自由層240的鐵磁層2410的厚度被設(shè)置為小于釘扎層220中的鐵磁層2210的厚度。釘扎層220和自由層240的間隔件2220和2420每個(gè)都可以被形成為具有O. 2 2nm的厚度，并且可以由諸如MgO間隔件的氧化物間隔件，諸如A1203、TiO2, HfO2, ZrO2和Ta2O3間隔件的金屬氧化物間隔件，或諸如Ru、Ta、W、Al和Ti間隔件的金屬間隔件形成。對(duì)于隧道勢(shì)壘部230，可以使用MgO層。這里，當(dāng)在晶面(例如，210)上生長(zhǎng)MgO時(shí)，在室溫下TMR可以增加至約10倍。參照?qǐng)D2和圖3所示的垂直磁存儲(chǔ)器件，利用MgO來(lái)在構(gòu)成釘扎層和自由層的鐵磁層之間形成氧化物間隔件描述如下。當(dāng)利用MgO來(lái)形成間隔件1220、1420、2220和2420時(shí)，可以在不犧牲整體功能的情況下減小各鐵磁層1210、1410、2210和2410的厚度。此外，根據(jù)情況，各鐵磁層1210、1410、2210和2410中的相鄰組成磁性層通過(guò)MgO間隔件1220、1420、2220和2420相互鐵磁性地和反鐵磁性地耦合。這里，各釘扎層120和220以及自由層140和240獲得了足夠的整體體積/厚度以避免垂直磁化的損失，同時(shí)減少了各鐵磁層1210、1410、2210和2410的厚度以避免垂直磁化。這里，當(dāng)使用含有CoFe作為成分的化合物材料作為釘扎層120和220以及自由層140和240的材料時(shí)，鐵磁層1210、1410、2210和2410可以被形成為具有等于或小于2. 2nm的厚度使得不會(huì)損失垂直磁化特性，并且各個(gè)釘扎層120和220以及自由層140和240獲得足夠的整體體積/厚度從而獲得足夠的熱穩(wěn)定性。圖4是說(shuō)明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件中鐵磁層與間隔件之間的耦合特性的曲線圖。圖4示出當(dāng)MgO層作為間隔件被設(shè)置在兩個(gè)鐵磁層之間時(shí)接觸表面之間的耦合特性。就鐵磁耦合特性而言，示出了當(dāng)用作間隔件的MgO層的厚度為O. 9nm時(shí)耦合能量 J(erg/cm2)達(dá)到最大值A(chǔ)。在反鐵磁性耦合特性的情況下，示出了當(dāng)用作間隔件的MgO層的厚度為O. 6 O. 7nm時(shí)稱合能量J (erg/cm2)達(dá)到最大值B。這里，當(dāng)MgO間隔件介于鐵磁層之間時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整MgO間隔件的厚度來(lái)獲得鐵磁耦合特性和反鐵磁耦合特性中的任何一種，且因而兩個(gè)鐵磁層可以反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。通過(guò)利用釘扎層或自由層中合適的磁性耦合，可以使每個(gè)鐵磁層的厚度最小化，同時(shí)獲得釘扎層或自由層的足夠的整體體積/厚度。圖2和圖3所示的磁性存儲(chǔ)器件包括分別在晶種層110與覆蓋層150之間以及晶種層210與覆蓋層250之間交替層疊的鐵磁層和MgO間隔件，所述鐵磁層具有例如CoFeB磁性層。這里，通過(guò)利用MgO間隔件作為隧道勢(shì)壘部，形成在隧道勢(shì)壘部一側(cè)的磁性元件可以用作釘扎層，形成在隧道勢(shì)壘部另一側(cè)的磁性元件可以用作自由層。在使釘扎層獨(dú)立于自由層的磁化方向來(lái)操作時(shí)，將隧道勢(shì)壘部(例如，通過(guò)選擇與CoFeB磁性層交替層疊以形成自由層和釘扎層的MgO間隔件中的一個(gè))形成為使得釘扎層的高度大于自由層的高度，其中，根據(jù)一個(gè)例子，此高度決定了操作的獨(dú)立性。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，當(dāng)制造垂直磁存儲(chǔ)器件時(shí)，利用含有CoFe作為成分的化合物材料來(lái)形成釘扎層和自由層。根據(jù)一個(gè)例子，通過(guò)交替地層疊由含有CoFe作為成分的化合物材料制成的、并具有2. 2nm或更小的高度的鐵磁層，可以保持鐵電層的垂直磁化特性，并且各釘扎層和自由層的整體體積/厚度可足以獲得足夠的熱穩(wěn)定性。這里，當(dāng)利用40nm以下工藝制造諸如2x nm級(jí)的半導(dǎo)體器件時(shí)，保持了垂直磁化特性，同時(shí)獲得了釘扎層和自由層的足夠的體積/厚度以獲得熱溫定性。因此，可以獲得具有更小尺寸的垂直磁存儲(chǔ)器件。雖然以上已經(jīng)描述了具體的實(shí)施例，但是這些實(shí)施例僅是示例性的。因此，本文所述的磁半導(dǎo)體器件及其制造方法不應(yīng)當(dāng)限于這些具體的實(shí)施例，而是應(yīng)當(dāng)被廣義地解釋為包括與示例性實(shí)施例的上述特征相符的任何其它的合理適用的器件/方法。
權(quán)利要求
1.一種垂直磁存儲(chǔ)器件，包括 釘扎層，所述釘扎層包括與至少一個(gè)第一間隔件交替層疊的多個(gè)第一鐵磁層，其中，所述釘扎層被配置為具有垂直磁化； 自由層，所述自由層包括與至少一個(gè)第二間隔件交替層疊的多個(gè)第二鐵磁層；以及 隧道勢(shì)壘部，所述隧道勢(shì)壘部耦合在所述釘扎層與所述自由層之間。
2.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由選自氧化物間隔件、金屬氧化物間隔件和金屬間隔件中的任何一種形成。
3.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由MgO形成。
4.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由選自Al203、Ti02、Hf02、Zr02和Ta2O3的物質(zhì)形成。
5.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由選自Ru、Ta、W、Al和Ti的物質(zhì)形成。
6.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述隧道勢(shì)壘部由MgO形成。
7.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述釘扎層被形成為整體高度大于所述自由層的整體高度。
8.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述釘扎層中層疊的所述第一鐵磁層與所述至少一個(gè)第一間隔件的總數(shù)大于所述自由層中層疊的所述第二鐵磁層與所述至少一個(gè)第二間隔件的總數(shù)。
9.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層每個(gè)都具有在O. Inm至2. 2nm范圍內(nèi)的厚度。
10.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一間隔件和所述第二間隔件每個(gè)都具有在O. 2nm至2nm范圍內(nèi)的厚度。
11.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一鐵磁層中的每個(gè)第一鐵磁層的高度大于所述第二鐵磁層中的每個(gè)第二鐵磁層的高度。
12.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述釘扎層中層疊的所述第一鐵磁層與所述至少一個(gè)第一間隔件的總數(shù)等于所述自由層中層疊的所述第二鐵磁層與所述至少一個(gè)第二間隔件的總數(shù)。
13.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述釘扎層的頂層為所述第一鐵磁層中的一個(gè)。
14.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一鐵磁層由含有CoFe作為成分的化合物材料制成。
15.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一鐵磁層被配置為借助于所述至少一個(gè)第一間隔件而相互鐵磁性地耦合。
16.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一鐵磁層被配置為借助于所述至少一個(gè)第一間隔件而相互反鐵磁性地耦合。
17.如權(quán)利要求I所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述自由層被配置為具有垂直磁化。
18.—種制造垂直磁存儲(chǔ)器件的方法，所述垂直磁存儲(chǔ)器件包括釘扎層、自由層和形成在所述釘扎層與所述自由層之間的隧道勢(shì)壘部，所述方法包括 通過(guò)將多個(gè)第一鐵磁層與至少一個(gè)第一間隔件交替層疊來(lái)形成所述釘扎層，其中，所述釘扎層被配置為具有垂直磁化；以及 通過(guò)將多個(gè)第二鐵磁層與至少一個(gè)第二間隔件層疊來(lái)形成所述自由層。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由MgO形成。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由選自A1203、TiO2, HfO2, ZrO2和Ta2O3的物質(zhì)形成。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述至少一個(gè)第一間隔件和所述至少一個(gè)第二間隔件每個(gè)都由選自Ru、Ta、W、Al和Ti的物質(zhì)形成。
22.—種垂直磁存儲(chǔ)器件,包括 磁性元件，所述磁性元件被設(shè)置在晶種層與覆蓋層之間，且所述磁性元件是通過(guò)交替并重復(fù)地層疊多個(gè)鐵磁層與多個(gè)間隔件而形成的，其中，所述鐵磁層中的兩個(gè)鐵磁層分別接觸所述晶種層和所述覆蓋層。
23.如權(quán)利要求22所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述間隔件每個(gè)都由MgO形成。
24.如權(quán)利要求22所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述間隔件中的一個(gè)間隔件被配置為作為隧道勢(shì)魚(yú)部來(lái)操作，形成在所述隧道勢(shì)魚(yú)部一側(cè)的磁性元件被配置為作為釘扎層來(lái)操作，而形成在所述隧道勢(shì)壘部另一側(cè)的磁性元件被配置為作為自由層來(lái)操作。
25.如權(quán)利要求24所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，形成所述釘扎層的所述磁性元件的高度大于形成所述自由層的所述磁性元件的高度。
26.如權(quán)利要求22所述的垂直磁存儲(chǔ)器件，其中，所述鐵磁層每個(gè)都具有垂直磁化。
全文摘要
本發(fā)明提供磁存儲(chǔ)器件及其制造方法。所述垂直磁存儲(chǔ)器件，包括釘扎層，所述釘扎層包括與至少一個(gè)第一間隔件交替層疊的多個(gè)第一鐵磁層，其中，所述釘扎層被配置為具有垂直磁化；自由層，所述自由層包括與至少一個(gè)第二間隔件交替層疊的多個(gè)第二鐵磁層；以及隧道勢(shì)壘部，所述隧道勢(shì)壘部耦合在所述釘扎層與所述自由層之間。
文檔編號(hào)G11C11/15GK102916125SQ20111039480
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者鄭東河, 樸基善, 閔受練 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司