專利名稱：磁隧道結(jié)及包括它的存儲(chǔ)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)(MRAM)器件，并且特別地，本發(fā)明涉及具有多層自由磁性層的MRAM器件和制作具有多層自由磁性層的MRAM器件的方法。
背景技術(shù)：
磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)(MRAM)器件是一種非易失性存儲(chǔ)器，其中數(shù)據(jù)通過(guò)編程磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction，MTJ)存儲(chǔ)。MTJ可以有選擇地在兩種磁取向間變換。這兩種取向之間的不同電阻值被用于區(qū)分存儲(chǔ)單元的邏輯值。
圖1是處于低阻邏輯“0”磁性狀態(tài)和高阻邏輯“1”磁性狀態(tài)中的一種的MTJ的簡(jiǎn)化示意圖。在圖中，附圖標(biāo)記101代表由鐵磁材料構(gòu)成的一自由磁性層，附圖標(biāo)記102代表隧穿阻擋層(tunneling barrier layer)，附圖標(biāo)記103代表由鐵磁材料構(gòu)成的被釘扎磁性層(pinned magnetic layer)，附圖標(biāo)記104代表由反鐵磁材料構(gòu)成的釘扎層(pinning layer)。
如圖1中箭頭所示，鐵磁被釘扎層的磁性取向被固定。此條件可以在制作過(guò)程中通過(guò)使反鐵磁釘扎層104與被釘扎層103接觸并進(jìn)行熱處理(在大約200攝氏度到300攝氏度)獲得。通過(guò)熱處理過(guò)程中釘扎層104的磁場(chǎng)的應(yīng)用，被釘扎層103的磁自旋變得固定并且在以后暴露在外磁場(chǎng)中時(shí)不翻轉(zhuǎn)。如此，如圖1所示，被釘扎層103的磁矩被固定在一個(gè)方向上(圖1中朝向右邊)。相反，隨著隧道阻擋層(tunnel barrier layer)102被夾在被釘扎磁性層103和自由磁性層101之間，自由磁性層101的磁性取向保持未固定狀態(tài)。如此，在后來(lái)暴露在外磁場(chǎng)中時(shí)，自由磁性層103的磁自旋自由旋轉(zhuǎn)。在MRAM的MTJ中，自由磁性層103可以被穩(wěn)定地定向在兩個(gè)方向中的一個(gè)上，即一個(gè)是其磁矩平行于被釘扎磁性層103的磁矩，另一個(gè)是其磁矩與被釘扎磁性層103的磁矩相反。
如圖1所示，當(dāng)被釘扎層103的磁矩和自由磁性層101的磁矩相互平行時(shí)，MTJ顯示低電阻，其可以被設(shè)定為邏輯“0”態(tài)。相反，當(dāng)磁矩在相反方向上延伸時(shí)，MTJ具有高電阻，其可以被設(shè)定為邏輯“1”態(tài)。
圖2是常規(guī)MTJ的較為詳細(xì)的示意圖。在此截面圖中，附圖標(biāo)記1代表釘扎層，附圖標(biāo)記8代表被釘扎磁性層，附圖標(biāo)記9代表隧穿阻擋層，附圖標(biāo)記14代表自由磁性層。
如上所述，釘扎層1由反鐵磁材料構(gòu)成。例子包括PtMn、IrMn和FeMn。
被釘扎磁性層8由三層組成，即一下部鐵磁層3、一金屬層5和一上部鐵磁層7。一個(gè)上部和下部鐵磁層3和7的例子是CoFe，且金屬層5的一個(gè)例子是Ru。
隧穿阻擋層9是絕緣體，且它的一個(gè)例子是Al2O3。
自由磁性層14是一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，由一層薄的下部鐵磁層11和一層厚的上部鐵磁層13組成。薄的下部鐵磁層11的一個(gè)例子是CoFe，厚的上部鐵磁層的一個(gè)例子是NiFe。
圖3(A)和3(B)說(shuō)明了一個(gè)常規(guī)的MRAM存儲(chǔ)單元，其中圖3(B)是沿著圖3(A)中I-I′線截取的截面圖。
首先參考圖3(B)，存儲(chǔ)單元包括一個(gè)如圖2所示那樣的MTJ36，夾在上電極37和下電極27之間。該MTJ36包括一層與下電極27接觸的釘扎層29、一層被釘扎磁性層31、一層隧穿阻擋層33和一層與上電極37接觸的自由磁性層35。該MTJ36、上電極37和下電極27一起定義了一個(gè)可編程磁阻元件MR。
上電極37與一條位線BL接觸，BL相對(duì)于MTJ36的磁性方向垂直延伸。在本例中，位線BL在圖3(B)平面內(nèi)外延伸。
一數(shù)據(jù)線(digit line)DL與下電極27的底部隔開，層間電介質(zhì)25置于其間。該數(shù)據(jù)線DL平行于MTJ36的磁性方向延伸，且在該例中，數(shù)據(jù)線DL在圖3(B)的圖中左右延伸。
數(shù)據(jù)線DL可以形成于層間電介質(zhì)23上，該電介質(zhì)又可以形成于襯底21上。
圖3(A)是俯視圖，顯示位線BL和數(shù)據(jù)線DL的配置，以及磁阻元件MR的外圍輪廓。如所示，磁阻元件MR的頂部輪廓基本上是矩形的，長(zhǎng)度L長(zhǎng)于寬度W。該位線BL傳遞位線電流IBL，且沿著磁阻元件MR的寬度W縱向延伸。此外，位線BL足夠?qū)?，以基本上覆蓋磁阻元件MR的長(zhǎng)度L。數(shù)據(jù)線DL垂直于位線BL、沿著磁阻元件MR的長(zhǎng)度L延伸。此外，數(shù)據(jù)線DL足夠?qū)捯曰旧细采w磁阻元件MR的寬度W。
如圖3(A)所示，硬磁軸(hard magnetic axis)Hhard在較短的寬度W方向延伸，且易磁軸(easy magnetic axis)Heasy在較長(zhǎng)的長(zhǎng)度L方向延伸。
圖4示出一個(gè)常規(guī)MRAM陣列，其包括多條交叉的位線BL1、BL2、...、BLn，和數(shù)據(jù)線DL1、DL2、...、DLn。寫電流ID被施加到每條數(shù)據(jù)線上，且寫電流IB被施加到每條位線上。磁阻元件MR12、MR22、...、MRn2沿著位線在與數(shù)據(jù)線的交叉處定位。
圖5(A)是MRAM單元的截面示意圖，該單元包括用于讀取單元的邏輯狀態(tài)的晶體管，且圖5(B)是其電路圖。磁阻元件MR1如圖3(B)所示那樣構(gòu)成，且包含上電極77、下電極55和夾在上電極77與下電極55之間的MTJ75。MTJ75包含釘扎層57、被釘扎磁性層64、絕緣阻擋層65和自由磁性層73。
附圖標(biāo)記53a、53b、53c和111表示層間介質(zhì)層(ILD)。位線BL與磁阻元件MR1的上電極73相連，且位于ILD 111的上表面上。在ILD 53b上面上和磁阻元件MR1之下，數(shù)據(jù)線DL垂直于位線BL延伸。
晶體管TA由字線(柵極)WL、源極S和漏極D構(gòu)成。源極S和漏極D形成于襯底51內(nèi)。源極S通過(guò)接觸插塞101s與源極焊盤(source pad)103S連接。漏極D通過(guò)上和下漏極焊盤107、103d和接觸插塞109、105、101d與下電極55連接。
當(dāng)字線WL上的信號(hào)足以使晶體管TA處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行讀操作。電流于是從位線BL流過(guò)磁阻元件MR1。當(dāng)磁阻元件MR1被編程處于低阻態(tài)(邏輯“0”)時(shí)，相對(duì)大的電流將流過(guò)晶體管TA。當(dāng)磁阻元件MR1被編程處于高阻態(tài)(邏輯“1”)時(shí)，相對(duì)小的電流將流過(guò)晶體管TA。因而，電流的大小可用于確定磁阻元件的編程狀態(tài)。
磁阻元件的讀出范圍(sensing margin)通過(guò)磁阻元件MR1的高阻態(tài)Rmax與低阻態(tài)Rmin之間的差或比值定義。不幸的是，然而，MTJ的自由磁性層內(nèi)的磁缺陷(magnetic imperfection)對(duì)讀出范圍起不利作用。
圖6(A)描述了有外磁場(chǎng)H施加于其上的自由磁性層14。每個(gè)被包圍的區(qū)域代表自由磁性層14的一個(gè)磁疇。一旦施加了外磁場(chǎng)H，每個(gè)磁疇的磁化方向應(yīng)當(dāng)平行于磁場(chǎng)H。然而，如圖6(A)中可以看到的那樣，某些磁化方向不與磁場(chǎng)H平行，尤其在疇壁處。這降低了讀出范圍。因此，為克服疇壁處的非平行磁矩，需要通過(guò)增加施加于位線和數(shù)據(jù)線上的電流來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)H。結(jié)果是增加了功耗。
如圖6(B)的右邊所示，自由磁性層理想地由均勻排列的晶粒組成。然而，如圖6(B)左邊的放大視圖所示，厚的鐵磁層具有大且不規(guī)則的晶粒。結(jié)果有許多破壞磁化均勻性的疇壁。
圖7是解釋MTJ中磁缺陷的影響的磁滯回線。實(shí)線部分是理想MTJ的磁滯回線，右邊的虛線顯示常規(guī)MRAM的回線特征。
如圖所示，在理想MTJ的情況下，當(dāng)磁通量Heasy為+H1(奧斯特，Oe)時(shí)，自由磁性層的磁矩完全轉(zhuǎn)到一個(gè)方向上，且MTJ的電阻Rw(歐姆，Ω)從Rmin變化到Rmax。另一方面，當(dāng)磁通量Heasy為-H1(奧斯特)時(shí)，磁矩轉(zhuǎn)到另一個(gè)方向上，且MTJ的電阻Rw從Rmax變化到Rmin。同樣，只要磁通量Heasy大于-H1且小于+H1，MTJ的電阻Rw就沒(méi)有變化。
然而，常規(guī)MRAM并非理想地工作，相反，MTJ的電阻Rw在磁通量變?yōu)?H1時(shí)僅在“k”處開始增加。自由磁性層磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)是漸進(jìn)的，因此MTJ的電阻Rw隨著磁通量Heasy的增加而逐漸增加。為達(dá)到Rmax，需要增加的磁通量+H1′，這意味著必須消耗額外的功率。
附帶地，如前面所提及，常規(guī)自由磁性層由CoFe下層和NiFe上層組成。采用CoFe層以增加讀出范圍，也就是圖7中Rmax和Rmin之間的差。另一方面，NiFe層著眼于降低圖7的磁滯回線的寬度Q，這意味著少的功耗。
圖8(A)顯示相應(yīng)于磁通量Heasy和磁通量Hhard的施加的理想MTJ的轉(zhuǎn)換特性。當(dāng)磁通量Heasy為HME(Oe)或當(dāng)磁通量Hhard為HMH(Oe)時(shí)，實(shí)現(xiàn)寫入。此外，每個(gè)象限內(nèi)的曲線BDL代表寫入MTJ，即轉(zhuǎn)換MTJ的自由磁性層的磁矩方向的Heasy和Hhard的最小組合。因而，寫入?yún)^(qū)域WR位于曲線BDL的外面，且讀出區(qū)域RR位于曲線BDL的內(nèi)部。理想MTJ可以在P1點(diǎn)可靠地被寫入，此處磁通量Heasy為20奧斯特，且磁通量Hhard為20奧斯特。
為了與理想MTJ對(duì)比，圖8(B)顯示了常規(guī)MTJ的轉(zhuǎn)換特征。如所示，理想的寫入通量P2(Heasy＝Hhard＝20奧斯特)在大多數(shù)場(chǎng)合下將不轉(zhuǎn)換常規(guī)MTJ的自由磁性層的磁矩。更合適的是，需要Heasy和Hhard均為40奧斯特的磁通量以可靠地寫MTJ。
進(jìn)一步，如圖8(B)所示，常規(guī)MTJ的特征在于寬的寫入偏差(writevariation)1W。這可以用圖9中所示的兩個(gè)理想MTJ模擬，其中里面的MTJ1對(duì)應(yīng)于寫入偏差1W的內(nèi)邊界，外面的MTJ2對(duì)應(yīng)于寫入偏差1W的外邊界。為了可靠地寫外面的MTJ2，需要一個(gè)如P3點(diǎn)所示的寫入通量。然而，這樣的一個(gè)寫入通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了內(nèi)部晶體管MTJ1的HME′和HMH′。對(duì)于內(nèi)晶體管MTJ1，這會(huì)引起寫錯(cuò)誤。
總之，常規(guī)磁隧道結(jié)的磁缺陷會(huì)導(dǎo)致增大的功耗和操作故障。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面，提出一種磁隧道結(jié)器件，其包括一磁可編程自由磁性層(magnetically programmable free magnetic layer)，其中該自由磁性層包含至少兩個(gè)鐵磁層和夾在該至少兩個(gè)鐵磁層之間的至少一層中間層的疊層。
按照本發(fā)明的另一方面，提出一種磁隧道結(jié)器件，其包括一反鐵磁釘扎層、一隧穿層、一位于該反鐵磁釘扎層和該隧穿層之間的鐵磁被釘扎層、以及一自由磁性層。該自由磁性層包含至少兩層鐵磁層和夾在該至少兩層鐵磁層之間的至少一層中間層的疊層。
按照本發(fā)明的再一方面，提出一種存儲(chǔ)器件，其包含在第一方向上縱向延伸且位于襯底之上的第一導(dǎo)線，和在橫過(guò)該第一方向的第二方向上縱向延伸的第二導(dǎo)線，該第二導(dǎo)線與該第一導(dǎo)線交疊以在其間定義一交疊區(qū)域。該存儲(chǔ)器件還包含位于該第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線間的交疊區(qū)中的磁隧道結(jié)器件。該磁隧道結(jié)器件具有位于第一電極和第二電極之間的磁可編程自由磁性層，且該自由磁性層包含至少兩層鐵磁層和夾在該至少兩層鐵磁層之間的至少一層中間層的一疊層。該存儲(chǔ)器件還包含一晶體管，該晶體管包含一柵極電極、以及第一和第二源極/漏極區(qū)，其中該第一源極/漏極區(qū)與該磁隧道結(jié)器件的第一電極電連接。
按照本發(fā)明的另一方面，提出一種磁隧道結(jié)器件，其包含一磁可編程自由磁性層，其中該自由磁性層包含至少三個(gè)材料層的疊層。


參照附圖，由以下的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他方面和特征將變得易于了解，其中
圖1是磁隧道結(jié)(MTJ)的簡(jiǎn)化示意圖，其處于低阻邏輯“0”磁性狀態(tài)和高阻邏輯“1”磁性狀態(tài)之一；圖2是一個(gè)常規(guī)MTJ的較為詳細(xì)的視圖；圖3(A)和3(B)示出一常規(guī)MRAM存儲(chǔ)單元，其中圖3(B)是沿圖3(A)的I-I′線截取的截面圖；圖4示出一個(gè)常規(guī)MRAM陣列；圖5(A)是包含用于讀取單元的邏輯狀態(tài)的晶體管的MRAM單元的截面示意圖，且圖5(B)是其電路圖；圖6(A)和6(B)是解釋MTJ中磁性自由層的疇壁的影響的示意圖；圖7是一磁滯回線，說(shuō)明理想MTJ和常規(guī)MTJ的特性；圖8(A)顯示理想MTJ的轉(zhuǎn)換特性，且圖8(B)顯示常規(guī)MTJ的轉(zhuǎn)換特性；圖9顯示用兩個(gè)理想MTJ模擬的一常規(guī)MTJ的轉(zhuǎn)換特性；圖10(A)是MTJ的常規(guī)自由磁性層的示意性截面圖；圖10(B)是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自由磁性層的示意性截面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MTJ的示意性截面圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MRAM單元的示意性截面圖；圖13顯示常規(guī)MTJ的磁滯回線特征和根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MTJ的磁滯回線特征之間的對(duì)比；圖14(A)和14(B)是曲線圖，分別顯示常規(guī)MTJ的磁滯回線特征的斜率和根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MTJ的磁滯回線特征的斜率；以及圖15示出根據(jù)本發(fā)明一替換實(shí)施例的磁性自由層的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照若干優(yōu)選的但非限定性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。
本發(fā)明的至少部分特征在于包含多層自由磁性層(multi-laminated freemagnetic layer)的磁隧道結(jié)(MTJ)。參見圖10(A)和10(B)，其顯示了常規(guī)自由磁性層和本發(fā)明一實(shí)施例的多層自由磁性層之間的對(duì)比。
如圖10(A)所示，常規(guī)自由磁性層由疊置在CoFe層上的一層NiFe構(gòu)成。這些層較厚。例如，CoFe層厚約10埃，NiFe層厚約30埃，結(jié)果總的自由磁性層的厚度約為40埃。如前面所解釋的，MTJ的這些厚層，尤其是NiFe層，含有大且不規(guī)則的晶粒(grain)，這些晶粒形成降低磁化均勻性的大量疇壁。
與此相反，如圖10(B)所示，所示實(shí)施例的多層自由磁性層包含多重且交替的CoFe和NiFe薄層。最底層CoFe的厚度約為5埃，且其余的CoFe層的厚度約為1埃。每層NiFe的厚度約為5埃。這里，總厚度40埃與常規(guī)自由磁性層的相同。本實(shí)施例的疊層結(jié)構(gòu)防止了低功率濺射沉積薄膜層的過(guò)程中晶粒的生長(zhǎng)。所得的小晶粒尺寸將每層的磁疇數(shù)減至最少，或?qū)⒚繉訙p至單疇。由于疇壁數(shù)目減少，所以自由磁性層的磁特性得到提高，這將在以下說(shuō)明。
圖11是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的含有多層自由磁性層的磁隧道結(jié)器件的示意性截面圖。如所示，本例的器件包含位于層間介質(zhì)(ILD)53和襯底51之上的一磁阻元件51。該磁阻元件包含夾在上電極77和下電極55之間的一磁隧道結(jié)75。
磁隧道結(jié)75是多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)包括位于下電極55上的釘扎層57、位于釘扎層57上的被釘扎層64、位于被釘扎層64上的隧穿阻擋層65、位于絕緣層65之上和上電極77之下的自由磁性層73。
釘扎層57由一反鐵磁層構(gòu)成。例子包含PtMn，IrMn和FeMn。
被釘扎磁性層64由三層構(gòu)成，即下部鐵磁層59、金屬層61和上部鐵磁層63。上部和下部鐵磁層59和63的一個(gè)例子是CoFe，金屬層61的一個(gè)例子是Ru。
隧穿阻擋層65是絕緣層，且其一個(gè)例子是Al2O3。
自由磁性層73按照與以上參照?qǐng)D10(B)所述的方式相同的方式構(gòu)成。即，參照?qǐng)D11，自由磁性層73包含厚度約為5埃的CoFe最底層67a。疊在層67a之上的分別是NiFe和CoFe多重層67和71。每個(gè)NiFe層67的厚度約為5埃，且每個(gè)CoFe層的厚度約為1埃。在本實(shí)施例中，自由磁性層的總厚度約為40埃。
圖12是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MRAM單元的示意性截面圖。本實(shí)施例的MRAM單元在結(jié)構(gòu)上與前面結(jié)合圖5(A)所述的相同，不同之處在于，圖5(A)的MTJ75由本發(fā)明的實(shí)施例中的多層自由磁性層73A代替。例如，多層自由磁性層可以與圖10(B)所示的相同。圖12的所有其他元件與圖5(A)中相同編號(hào)的元件相同，為了避免重復(fù)這里略去其詳細(xì)描述。
圖13示出常規(guī)MTJ結(jié)構(gòu)樣品(樣品尺寸為100ea)和本發(fā)明一實(shí)施例的MTJ結(jié)構(gòu)樣品(樣品尺寸為100ea)的平均磁滯回線的測(cè)量結(jié)果。在兩個(gè)樣品裝置中，采用了同樣的釘扎層結(jié)構(gòu)(CoFe 30埃、Ru 8埃、CoFe 34埃)和隧穿阻擋層結(jié)構(gòu)(Al2O312埃)。此外，每個(gè)樣品的水平橫截面相同(0.8微米*0.4微米)。
被測(cè)試的常規(guī)MTJ結(jié)構(gòu)的自由磁性層由一層CoFe(10埃)和一層NiFe(30埃)構(gòu)成，總厚度為40埃。見圖10(A)。
被測(cè)試的本實(shí)施例結(jié)構(gòu)的MTJ的自由磁性層是一多層結(jié)構(gòu)，其由CoFe第一層(5埃)、以及隨后的NiFe(5埃)和CoFe(1埃)交替層構(gòu)成，總厚度為40埃。見圖10(B)。
進(jìn)行測(cè)量時(shí)沒(méi)有硬磁場(chǎng)(hard magnetic field)。實(shí)線103顯示本實(shí)施例的MTJ的平均測(cè)量結(jié)果，虛線101顯示常規(guī)MTJ的測(cè)量結(jié)果。圖13中MTJ的阻值歸一化為1.0。
圖13中明顯可見，與本實(shí)施例相關(guān)的測(cè)試結(jié)果較常規(guī)MTJ的測(cè)試結(jié)果具有更好的對(duì)稱性。此外，獲得最大和最小阻值需要更小的磁通量，且因此需要更小的功率。
圖14(A)顯示了常規(guī)MTJ中阻值變化相對(duì)于磁通量Heasy變化之比(dR/dH)。黑線105a顯示沒(méi)有硬磁通量Hhard(即Hhard＝0奧斯特)的情況?；揖€107a顯示存在30奧斯特硬磁通量Hhard的情況。從圖14(A)中顯然看出，存在大的交疊區(qū)域OR1，在此區(qū)域中當(dāng)沒(méi)有磁通量Hhard時(shí)自由磁性層的磁自旋被磁通量Heasy轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)果是增加了寫入錯(cuò)誤的可能性。
圖14(B)顯示了本發(fā)明實(shí)施例的MTJ中阻值變化相對(duì)于磁通量Heasy變化的比率(dR/dH)。黑線105b顯示沒(méi)有硬磁通量Hhard(即Hhard＝0奧斯特)的情況?；揖€107b顯示存在30奧斯特硬磁通量Hhard的情況。從圖14(B)中顯然看出，只存在最小化的交疊區(qū)域OR2，在此區(qū)域中當(dāng)沒(méi)有磁通量Hhard時(shí)自由磁性層的磁自旋被磁通量Heasy轉(zhuǎn)動(dòng)。如此，與常規(guī)MTJ相比，寫入錯(cuò)誤的可能性大大減小。
在附圖和說(shuō)明中，已經(jīng)公開了本發(fā)明的一般優(yōu)先實(shí)施例，且盡管只提出了特定示例，但是它們僅被用于一般的和描述性目的，而不是為了限制的目的。例如，在前面的實(shí)施例中，第一CoFe層厚度約為5埃，其余CoFe層的厚度約為1埃，NiFe層的厚度約為5埃，且自由磁性層的總厚度約為40埃。本發(fā)明不限于這些厚度，同樣本發(fā)明也不限于這些材料。進(jìn)一步，本發(fā)明不限于前面實(shí)施例中描述的層數(shù)。然而，為最小化疇壁，優(yōu)選的是(但不是必須)自由磁性層疊層的每一層厚度小于10埃。此外，參見圖15，其示出了本發(fā)明的自由磁性層的若干替換實(shí)施例1501至1504。
如圖所示，自由磁性層1501由交替的鐵磁層1和2組成。僅作為示例地，鐵磁層1是CoFe或NiFe之一，且鐵磁層2是另一NiFe，鐵磁層1作為最底層。
如圖所示，自由磁性層1502由交替的鐵磁層1和非晶鐵磁層3組成。僅作為示例地，鐵磁層1是CoFe或NiFe之一，非晶鐵磁層3是CoFeB，鐵磁層1作為最底層。
自由層1503與自由磁性層1502類似，不同之處在于非晶鐵磁層3作為最底層。
如圖所示，自由層1504由交替的鐵磁層1和非鐵磁層4組成。僅作為示例地，鐵磁層1是CoFe或NiFe之一，非鐵磁層4是Ta，鐵磁層1作為最底層。
此處的實(shí)施例(包含圖15中的那些)僅為示例，且因此應(yīng)該了解的是，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求解釋，而不由示例性實(shí)施例解釋。
權(quán)利要求
1.一種磁隧道結(jié)器件，具有一磁可編程自由磁性層，所述自由磁性層包括至少三個(gè)材料層的疊層，其中，所述至少三個(gè)材料層包括至少兩種不同材料的交替疊置層。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中該兩種不同材料中的一種是鐵磁的，該兩種不同材料中的另一種是非鐵磁的。
3.如權(quán)利要求2所述的器件，其中該鐵磁材料是CoFe或NiFe，該非鐵磁材料是Ta。
4.如權(quán)利要求3所述的器件，其中Ta層的厚度小于NiFe或CoFe層的層厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的器件，其中該兩種不同材料二者均為鐵磁的。
6.如權(quán)利要求5所述的器件，其中下部鐵磁層是NiFe層，且上部鐵磁層是CoFe層。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中該NiFe層的厚度大于該CoFe層的厚度。
8.如權(quán)利要求7所述的器件，其中該NiFe層的厚度小于約10埃，且該CoFe層的厚度小于約5埃。
9.如權(quán)利要求6所述的器件，還包括與最下部NiFe層接觸的一初始CoFe層。
10.如權(quán)利要求9所述的器件，其中該初始CoFe層的厚度與該最下部NiFe層的厚度相同。
11.如權(quán)利要求10所述的器件，其中該鐵磁材料之一是非晶鐵磁層。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其中該非晶鐵磁層是CoFeB。
13.一種磁隧道結(jié)器件，具有磁可編程自由磁性層，所述自由磁性層包括位于半導(dǎo)體襯底之上的一初始CoFe層；位于該初始CoFe層上的交替的NiFe層和CoFe層的疊層，其中該疊層的最下部NiFe層位于該初始CoFe層上，且其中該疊層包括五層NiFe層和五層CoFe層；以及最后的NiFe層位于該疊層的最上部CoFe層上。
14.如權(quán)利要求13所述的器件，其中該初始CoFe層的厚度和最后的NiFe層的厚度為約5埃，該疊層中每一NiFe層的厚度為約5埃，且該疊層中每一CoFe層的厚度為約1埃。
15.一種磁隧道結(jié)器件，包括半導(dǎo)體襯底上的一釘扎層；該釘扎層上的一被釘扎層；該被釘扎層上的一隧道阻擋層；以及包括至少三個(gè)材料層的疊層的自由層，其中該至少三個(gè)材料層包括該隧道阻擋層上的至少兩種不同材料的交替疊置層。
16.如權(quán)利要求15所述的器件，其中該至少兩種不同材料層包括一鐵磁層和一非鐵磁層，且該隧道阻擋層與該鐵磁層接觸。
17.如權(quán)利要求16所述的器件，其中該鐵磁層是NiFe層或CoFe層，該非鐵磁層是Ta層。
18.如權(quán)利要求17所述的器件，其中該NiFe層或該CoFe層的厚度大于該Ta層的厚度。
19.如權(quán)利要求15所述的器件，其中該至少兩種不同材料層包括一上部鐵磁層和一下部鐵磁層。
20.如權(quán)利要求19所述的器件，其中該下部鐵磁層是NiFe層，且該上部鐵磁層是CoFe層。
21.如權(quán)利要求20所述的器件，其中該NiFe層的厚度小于約10埃，且該CoFe層的厚度小于約5埃。
22.如權(quán)利要求20所述的器件，還包括位于最下部NiFe層和該隧道阻擋層之間的一初始CoFe層。
23.如權(quán)利要求19所述的器件，其中一種該鐵磁層是非晶鐵磁層。
24.如權(quán)利要求23所述的器件，其中該非晶鐵磁層是CoFeB層。
25.如權(quán)利要求15所述的器件，其中該釘扎層包括一反鐵磁層。
26.如權(quán)利要求15所述的器件，其中該被釘扎層包括一鐵磁層。
27.如權(quán)利要求15所述的器件，其中該隧道阻擋層包括一金屬氧化物。
28.一種磁隧道結(jié)器件，包括半導(dǎo)體襯底上的一釘扎層；該釘扎層上的一被釘扎層；該被釘扎層上的一隧道阻擋層；以及一自由層，包括位于半導(dǎo)體襯底之上的一初始CoFe層、位于該初始CoFe層上的交替的NiFe層和CoFe層的疊層、以及位于該疊層的最上部CoFe層上的最后NiFe層，其中該疊層的最下部NiFe層位于該初始CoFe層上，且其中該疊層包括五層NiFe層和五層CoFe層。
29.如權(quán)利要求28所述的器件，其中該初始CoFe層的厚度和該最后NiFe層的厚度為約5埃，該疊層的每一NiFe層的厚度為約5埃，且該疊層的每一CoFe層的厚度為約1埃。
30.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，包括一存取晶體管，其包括一源極區(qū)、一漏極區(qū)和在該源極區(qū)和該漏極區(qū)之間的溝道上方橫過(guò)延伸的字線；與該漏極區(qū)電連接的一下電極；位于該下電極上方的一上電極；與該上電極電連接且位于該字線上方的一位線；平行于該字線的一數(shù)據(jù)線；以及一磁隧道結(jié)器件，其位于該下電極和該上電極之間并與該數(shù)據(jù)線絕緣，其中該磁隧道結(jié)器件包括一磁可編程自由磁性層，所述自由磁性層包括至少三個(gè)材料層的疊層，其中所述至少三個(gè)材料層包括至少兩種不同材料的交替疊置層。
31.如權(quán)利要求30所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該兩種不同材料中的一種是鐵磁的，且該兩種不同材料中的另一種為非鐵磁的。
32.如權(quán)利要求31所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該鐵磁材料是CoFe或NiFe，且該非鐵磁材料是Ta。
33.如權(quán)利要求32所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該Ta層的厚度小于該NiFe或CoFe層的層厚度。
34.如權(quán)利要求30所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該兩種不同材料二者均為鐵磁的。
35.如權(quán)利要求34所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中下部鐵磁層是NiFe層，上部鐵磁層是CoFe層。
36.如權(quán)利要求35所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該NiFe層的厚度大于該CoFe層的厚度。
37.如權(quán)利要求35所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該NiFe層的厚度小于約10埃，且該CoFe層的厚度小于約5埃。
38.如權(quán)利要求35所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，還包括與最下部NiFe層接觸的一初始CoFe層。
39.如權(quán)利要求38所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該初始CoFe層的厚度與該最下部NiFe層的厚度相同。
40.如權(quán)利要求39所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該鐵磁材料中的一種是非晶鐵磁層。
41.如權(quán)利要求40所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該非晶鐵磁層是CoFeB。
42.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，包括一存取晶體管，包括一源極區(qū)、一漏極區(qū)和在該源極區(qū)和該漏極區(qū)之間的溝道上方橫過(guò)延伸的字線；與該漏極區(qū)電連接的一下電極；位于該下電極上方的一上電極；與該上電極電連接且位于該字線上方的一位線；平行于該字線的一數(shù)據(jù)線；以及一磁隧道結(jié)器件，其位于該下電極和該上電極之間并與該數(shù)據(jù)線絕緣，其中該磁隧道結(jié)器件包括一釘扎層、一被釘扎層、一隧道阻擋層和一自由層；其中該自由層包括位于該下電極上的一初始CoFe層、位于該初始CoFe層上的交替的NiFe層和CoFe層的疊層、以及位于該疊層的最上部CoFe層上的最后NiFe層，其中該疊層的最下部NiFe層位于該初始CoFe層上，且其中該疊層包括五層NiFe層和五層CoFe層。
43.如權(quán)利要求42所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該初始CoFe層的厚度和該最后NiFe層的厚度為約5埃，該疊層的每一NiFe層的厚度為約5埃，且該疊層的每一CoFe層的厚度為約1埃。
44.如權(quán)利要求42所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該釘扎層包括一反鐵磁層。
45.如權(quán)利要求42所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該被釘扎層包括一鐵磁層。
46.如權(quán)利要求42所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元，其中該隧道阻擋層包括一金屬氧化物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁隧道結(jié)及包括它的存儲(chǔ)器件。該磁隧道結(jié)器件包括磁可編程自由磁性層。該自由磁性層包含至少兩層鐵磁層和夾在該至少兩層鐵磁層之間的至少一中間層的疊層。
文檔編號(hào)G11C11/15GK1591673SQ20041005668
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者河永寄, 李將銀, 吳世忠, 裵晙洙, 金炫助, 白寅圭 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社