專(zhuān)利名稱(chēng)：磁存儲(chǔ)器件的制作方法
磁存儲(chǔ)器件
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本美國(guó)正式專(zhuān)利申請(qǐng)基于35U.S.C§ 119要求在2009年9月30日提交的韓國(guó)專(zhuān) 利申請(qǐng)No. 10-2009-0093306和2009年9月11日提交的韓國(guó)申請(qǐng)No. 10-2009-0086084的 優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并于此。技術(shù)領(lǐng)域
這里，本公開(kāi)涉及存儲(chǔ)器器件，并且更具體地，涉及磁存儲(chǔ)器件。
技術(shù)背景
隨著電子設(shè)備的高速操作和低功耗的實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)器器件可能也要求快速的讀/ 寫(xiě)性能以及低操作電壓。作為存儲(chǔ)器器件，正在研究磁存儲(chǔ)器件來(lái)提供提高的速度和降 低的操作電壓。因?yàn)榇糯鎯?chǔ)器件可以提供高速操作和/或非易失性的特性，因此針對(duì)下 一下存儲(chǔ)器，磁存儲(chǔ)器件引起注意。
公知的磁存儲(chǔ)器件可以包括磁性隧道結(jié)圖案(MTJ)。磁性隧道結(jié)圖案由兩種磁 性物質(zhì)和插入其間的絕緣層形成，并且磁性隧道結(jié)圖案的電阻值可以根據(jù)兩種磁性物質(zhì) 的磁化方向而變化。具體地，當(dāng)兩種磁性物質(zhì)的磁化方向彼此反平行時(shí)，磁性隧道結(jié)圖 案可以具有高電阻值。當(dāng)兩種磁性物質(zhì)的磁化方向彼此平行時(shí)，磁性隧道結(jié)圖案可以具 有低電阻值。這些電阻值之間的差可以用于寫(xiě)/讀數(shù)據(jù)。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明原理的一些實(shí)施例，磁存儲(chǔ)器件可以提供增強(qiáng)的可靠性、高磁阻 比、和/或降低的操作功率。
在一些實(shí)施例中，一種磁存儲(chǔ)器件可以包括在襯底上的隧道勢(shì)壘、第一結(jié)磁 性層和第二結(jié)磁性層、以及非磁性層。第一結(jié)磁性層可以接觸隧道勢(shì)壘的一個(gè)面?？梢?通過(guò)第一結(jié)磁性層將第一垂直磁性層與隧道勢(shì)壘分開(kāi)。第二結(jié)磁性層可以接觸隧道勢(shì)壘 的另一面，并且可以通過(guò)第二結(jié)磁性層將第二垂直磁性層與隧道勢(shì)壘分開(kāi)。非磁性層可 以在第一結(jié)磁性層和第一垂直磁性層之間。
在其他實(shí)施例中，當(dāng)磁存儲(chǔ)器件操作時(shí)，第一垂直磁性層和第二垂直磁性層的 磁化方向可以垂直于所述襯底的平面。
在另外的實(shí)施例中，另一非磁性層可以被插入在第二結(jié)磁性層和第二垂直磁性 層之間。
在其他實(shí)施例中，第一結(jié)磁性層和/或第二結(jié)磁性層可以具有第一晶體結(jié)構(gòu)， 而第一垂直磁性層和/或第二垂直磁性層可以具有不同于第一晶體結(jié)構(gòu)的第二晶體結(jié) 構(gòu)。
在另外的實(shí)施例中，在隧道勢(shì)壘和第一結(jié)之間的界面處的隧道勢(shì)壘的晶面可以 與該界面處的第一結(jié)磁性層的晶面相同。第一晶體結(jié)構(gòu)可以是NaCl型晶體結(jié)構(gòu)或BCC晶體結(jié)構(gòu)，并且晶面可以是(001)晶面。
在另外的實(shí)施例中，第二晶體結(jié)構(gòu)可以是LlO晶體結(jié)構(gòu)、FCC晶體結(jié)構(gòu)或六方 緊密堆積(HCP)晶格。
在另外的實(shí)施例中，第一垂直磁性層和/或第二垂直磁性層可以包括 RE-TM (稀土過(guò)渡金屬)合金。
在另外的實(shí)施例中，第一垂直磁性層和/或第二磁性層可以包括交替堆疊多次 的非磁性金屬層和鐵磁金屬層，并且鐵磁金屬層可以具有一個(gè)至數(shù)個(gè)原子的厚度。
在另外的實(shí)施例中，第一結(jié)磁性層和/或第二結(jié)磁性層可以包括合金磁性材 料，所述合金磁性材料包括從由鈷(Co)、鐵(Fe)和鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一 種，并且合金磁性物質(zhì)可以進(jìn)一步包括非磁性元素。
在一些實(shí)施例中，非磁性層可以具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。
在其他實(shí)施例中，非磁性層可以包括從非磁性金屬中選擇的至少一種。非磁性 金屬可以是從非磁性過(guò)渡金屬中選擇的至少一種。
在其他的實(shí)施例中，第一垂直磁性層和第一結(jié)磁性層可以通過(guò)非磁性層來(lái)彼此 交換耦合。
在其他的實(shí)施例中，非磁性層可以進(jìn)一步包括接觸非磁性層的頂面和/或底面 的金屬化合物層，并且金屬化合物層可以包括從由金屬氧化物、金屬氮化物和/或金屬 氮氧化物組成的組中選擇的至少一種。
在發(fā)明原理的其他實(shí)施例中，磁存儲(chǔ)器件可以包括在襯底上的隧道勢(shì)壘、接觸 隧道勢(shì)壘的一個(gè)面并且具有平行于襯底平面的平面的自由磁性層、以及接觸隧道勢(shì)壘的 另一面并且具有平行于襯底平面的平面的基準(zhǔn)磁性層。自由磁性層和基準(zhǔn)磁性層可以包 括鐵(Fe)，并且自由磁性層的鐵含量可以等于或大于基準(zhǔn)磁性層的鐵含量。
在一些實(shí)施例中，自由磁性層的鐵(Fe)含量可以在約40%原子百分比至約60%原子百分比的范圍內(nèi)。
在其他實(shí)施例中， 擇的至少一種。
在其他實(shí)施例中，
在其他實(shí)施例中， 直(正交)于襯底的平面
在其他實(shí)施例中，自由磁性層和/或基準(zhǔn)磁性層可以進(jìn)一步包括從Co和Ni中選自由磁性層和/或基準(zhǔn)磁性層可以進(jìn)一步包括非磁性元素。 當(dāng)磁存儲(chǔ)器件操作時(shí)，自由磁性層和基準(zhǔn)磁性層可以具有垂 表面的磁化方向。當(dāng)磁存儲(chǔ)器件操作時(shí)，自由磁性層和基準(zhǔn)磁性層可以具有平 行于襯底的平面/表面的磁化方向。
在本發(fā)明原理的其他實(shí)施例中，磁存儲(chǔ)器件可以包括襯底。可以在襯底上順序 地堆疊第一磁性物質(zhì)、隧道勢(shì)壘和第二磁性物質(zhì)。第一磁性物質(zhì)可以包括第一垂直磁性 層，所述第一垂直磁性層與襯底相鄰并且具有六方緊密堆積(HCP)晶格結(jié)構(gòu)。
在一些實(shí)施例中，六方緊密堆積晶格的C軸可以基本上垂直于襯底的平面。
在其他實(shí)施例中，所述C軸是第一垂直磁性層可以被容易地磁化的軸。
在其他實(shí)施例中，磁存儲(chǔ)器件可以進(jìn)一步包括在襯底和第一垂直磁性層之間的 包括HCP晶格的籽晶層。
在其他實(shí)施例中，第二磁性襯底可以進(jìn)一步包括具有六方緊密堆積晶格結(jié)構(gòu)的第二垂直磁性層。
在其他實(shí)施例中，第一磁性物質(zhì)可以包括在第一垂直磁性層上與隧道勢(shì)壘相鄰 的第一磁性結(jié)層，并且第二磁性物質(zhì)可以包括在第二垂直磁性層以下與隧道勢(shì)壘相鄰的 第二磁性結(jié)層。
在另外的實(shí)施例中，第二磁性結(jié)層和第一磁性結(jié)層可以包括軟磁材料。
在另外的實(shí)施例中，磁存儲(chǔ)器件可以進(jìn)一步包括在第一垂直磁性層與第一磁性 結(jié)層之間的和/或在第二垂直磁性層與第二磁性結(jié)層之間的交換耦合控制層。
在另外的實(shí)施例中，交換耦合控制層可以包括從包括過(guò)渡金屬元素的金屬元素 中選擇的至少一種。
在另外的實(shí)施例中，交換耦合控制層可以進(jìn)一步包括通過(guò)交換耦合控制層的表 面的氧化而形成的氧化層。
在替代實(shí)施例中，第二磁性物質(zhì)可以進(jìn)一步包括在第二垂直磁性層上交替堆疊 多次的非磁性層和鐵磁層。鐵磁層可以具有原子層厚度。
在另外的替代實(shí)施例中，第一垂直磁性層可以包括具有在約10%原子百分比至 約45%原子百分比的范圍內(nèi)的鉬含量的無(wú)序鈷鉬合金。
在另外的替代實(shí)施例中，第一垂直磁性層可以包括Co3Pt。
在另外的替代實(shí)施例中，第一垂直磁性層可以進(jìn)一步包括從由硼(B)、鉻(Cr) 和銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
在其他的替代實(shí)施例中，隧道勢(shì)壘可以包括從由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂 鋅(MgZn)和/或鎂硼(MgB)的氧化物、和/或鈦(Ti)和/或釩(V)的氮化物組成的組 中選擇的至少一種。
在另外的替代實(shí)施例中，磁存儲(chǔ)器件可以進(jìn)一步包括在第二磁性物質(zhì)上的覆蓋 層。覆蓋層可以包括從由鉭CTa)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮 化鉭(TaN)和/或氮化鈦(TiN)組成的組中選擇的至少一種。
在其他的替代實(shí)施例中，當(dāng)磁存儲(chǔ)器件操作時(shí)，電流可以在基本上垂直于襯底 的平面的方向上流動(dòng)。
在其他的替代實(shí)施例中，第二磁性層和第一磁性層的磁化方向可以基本上垂直 于襯底的平面。
根據(jù)一些實(shí)施例，磁存儲(chǔ)器件可以包括第一垂直磁性層、第一垂直磁性層上的 非磁性層、以及非磁性層上的第一結(jié)磁性層，其中，非磁性層在第一垂直磁性層與第一 結(jié)磁性層之間。隧道勢(shì)壘可以在第一結(jié)磁性層上，其中，第一結(jié)磁性層在非磁性層與隧 道勢(shì)壘之間。第二結(jié)磁性層可以在隧道勢(shì)壘上，其中，隧道勢(shì)壘在第一結(jié)磁性層與第二 結(jié)磁性層之間。第二垂直磁性層可以在第二結(jié)磁性層上，其中，第二結(jié)磁性層在隧道勢(shì) 壘與第二垂直磁性層之間。
根據(jù)一些其他的實(shí)施例，磁存儲(chǔ)器件可以包括含有鐵(Fe)的自由磁性層、自 由磁性層上的隧道勢(shì)壘、以及在隧道勢(shì)壘上的含有鐵(Fe)的基準(zhǔn)磁性層。隧道勢(shì)壘可以 在自由磁性層和基準(zhǔn)磁性層之間。自由磁性層中的鐵的濃度可以至少與基準(zhǔn)磁性層中的 鐵的濃度一樣大。
根據(jù)其他的實(shí)施例，磁存儲(chǔ)器件可以包括襯底、襯底上的第一磁性物質(zhì)、第一 磁性物質(zhì)上的隧道勢(shì)壘、以及隧道勢(shì)壘上的第二磁性物質(zhì)。第一磁性物質(zhì)可以包括與襯 底相鄰且具有六方緊密堆積(HCP)晶格結(jié)構(gòu)的垂直磁性層。磁性物質(zhì)可以在襯底和隧道 勢(shì)壘之間，并且隧道勢(shì)壘可以在第一磁性物質(zhì)和第二磁性物質(zhì)之間。


附圖被包括進(jìn)來(lái)以提供本發(fā)明原理的進(jìn)一步理解，并且被并入并且構(gòu)成本說(shuō)明 書(shū)的一部分。附示了本發(fā)明原理的示例性實(shí)施例，并且與描述一起用于解釋本發(fā)明 原理的原則。在附圖中
圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第一實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的視圖2是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第一實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的修改示例的視圖3是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第一實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的另一修改示例的視 圖4A至圖4C是描述用于根據(jù)本發(fā)明原理的第一實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的方法的 視圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第二實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的視圖6是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第二實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的修改示例的視圖7是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第三實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的視圖8是描述用于根據(jù)本發(fā)明原理的第三實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的方法的視圖9是描述根據(jù)本發(fā)明原理的第三實(shí)施例的晶體結(jié)構(gòu)的視圖；以及
圖10是圖示根據(jù)本發(fā)明原理的第四實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的視圖。
具體實(shí)施方式
在下文中，將參考附圖來(lái)更加詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器 件以及用于形成該磁存儲(chǔ)器件的方法。提供待描述的實(shí)施例，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員易 于理解本發(fā)明原理的精神，并且發(fā)明原理不應(yīng)當(dāng)由此被解釋為受限的。發(fā)明原理的實(shí)施 例可以在發(fā)明原理的技術(shù)精神和范圍內(nèi)以不同形式來(lái)實(shí)施。在附圖中，可能放大元件的 厚度和相對(duì)厚度，以清楚地圖示發(fā)明原理的實(shí)施例。與位置相關(guān)的術(shù)語(yǔ)，諸如說(shuō)明書(shū) 中的上和下，均是相對(duì)性的表達(dá)，以明確描述并且不應(yīng)當(dāng)解釋為限于絕對(duì)元件之間的位 置。
通過(guò)參考實(shí)施例的下述詳細(xì)描述和附圖，可以更易于理解發(fā)明原理的優(yōu)點(diǎn)和特 征以及實(shí)現(xiàn)本發(fā)明原理的方法。然而，發(fā)明原理可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，并且不 應(yīng)當(dāng)解釋為限制為在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例，使得本公開(kāi)將是全面和 完整的，并且將全面地將發(fā)明原理傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員，并且本發(fā)明原理將僅由所 附權(quán)利要求來(lái)限定。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)元件被稱(chēng)為“在...上”、“連接到”或“耦合到”另一元件時(shí)， 該元件可以直接在另一元件上、直接連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，當(dāng)元件被稱(chēng)為“直接在...上”、“直接連接到”或“直接耦合 到”另一元件時(shí)，不存在插入元件。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)列出項(xiàng)的任何一個(gè)以及一個(gè)或多個(gè)的所有組合。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管這里術(shù)語(yǔ)第一、第二等可以在用于描述各種元件、部件、層和 /或部分，但這些元件、部件、層和/或部分不應(yīng)當(dāng)受這些術(shù)語(yǔ)的限制。這些術(shù)語(yǔ)僅用 于將一個(gè)元件、部件或部分與另一元件、部件或部分進(jìn)行區(qū)分。因此，在不脫離本發(fā)明 原理的教導(dǎo)的情況下，下述第一元件、第一部件、第一層或第一部分能夠被稱(chēng)為第二元 件、第二部件、第二層或第二部分。
除非另外限定，在此使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與發(fā)明原理所 屬于的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同的意義。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，諸如在通用字典 中定義的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)被解釋為具有與在相關(guān)領(lǐng)域的背景下其含義一致的含義，并且不應(yīng)當(dāng) 以理想化或過(guò)度正式意義來(lái)解釋?zhuān)窃诖嗣鞔_地進(jìn)行限定。
另外，當(dāng)沒(méi)有具體定義在本說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)時(shí)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能理解 在本說(shuō)明書(shū)中使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))。此外，當(dāng)沒(méi)有具體定義字典中定 義的通用術(shù)語(yǔ)時(shí)，這些術(shù)語(yǔ)將具有本領(lǐng)域中的普通含義。
可以在此使用諸如“在...下”或“在...上”，或“上”或“下”或“水平”或“橫向”或“垂直”的關(guān)系術(shù)語(yǔ)來(lái)描述在附圖中所示的一個(gè)元件、層或區(qū)域與另一元 件、層或區(qū)域的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解，這些術(shù)語(yǔ)意圖包含除了在附圖中所述的定向之外的該 器件的不同定向。
在此所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定實(shí)施例的目的，而并不意在限制示例性實(shí) 施例。如在此所使用的，單數(shù)形式不定冠詞“a”以及“an”和定冠詞“the”意在還 包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地指示。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，術(shù)語(yǔ)“包括”當(dāng)在本說(shuō) 明書(shū)中使用時(shí)，指定存在陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、層和/或部件，但不 排除存在或增加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、層、部件和/或其構(gòu) 成的組。
在附圖中，圖示的特征可能由于例如制造技術(shù)和/或制造公差而改變。因此， 應(yīng)當(dāng)理解，發(fā)明原理的示例性實(shí)施例不限于附圖，而包括由于例如制造公差而引起的元 件的特征的修改。
(第一實(shí)施例及其修改示例)
參考圖1，將描述根據(jù)本發(fā)明原理的第一實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件。下電極110被布 置在襯底100上。襯底100可以是基于半導(dǎo)體的半導(dǎo)體襯底。襯底100可以包括導(dǎo)電區(qū) 和/或絕緣區(qū)。下電極110可以被電連接到襯底100的導(dǎo)電區(qū)。下電極110可以被布置 在襯底100上和/或襯底100中。下電極110例如可以具有從包括線、島和/或板的組 中選擇的任何一個(gè)形狀。
第一垂直磁性層123可以被布置在下電極110上。在一個(gè)實(shí)施例中，第一垂直 磁性層123可以包括交替堆疊的非磁性層121和鐵磁層122。鐵磁層122可以包括從由鐵 (Fe)、鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種元素，并且非磁性層121可以 包括從由鉻(Cr)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金 (Au)、和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種元素。例如，第一垂直磁性層123可以 是[Co/Pt]m、[Co/Pd]m、[Ni/Pt]m(m是每一層的堆疊數(shù)目，并且是2或更大的自然數(shù)) 或其組合。在一實(shí)施例中，非磁性層121和鐵磁層122可以分別進(jìn)行約2至約20次的范圍內(nèi)的次數(shù)的堆疊。當(dāng)電流在垂直(正交)于襯底100和第一垂直磁性層123的平面的 方向上流動(dòng)時(shí)，第一垂直磁性層123可以被構(gòu)造使得它具有平行于電流的磁化方向。對(duì) 于該構(gòu)造，可以薄薄地形成鐵磁層122以具有一個(gè)至數(shù)個(gè)原子層的厚度。
第一非磁性層130可以被布置在第一垂直磁性層123上。第一非磁性層130可以 具有相對(duì)薄的厚度。例如，第一非磁性層130可以被形成為具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。第一非磁性層130可能不具有紋理。例如，第一非磁性層130 可以被均勻地形成在第一垂直磁性層123上，并且可能由于薄的厚度而不具有紋理。
第一非磁性層130可以包括從包括非磁性過(guò)渡金屬的非磁性金屬元素中選擇的 至少一種。例如，第一非磁性層130可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、 釕(Ru)、銅(Cu)、鋅( )、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、 鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中選擇的 至少一種。
在一實(shí)施例中，第一非磁性層可以形成有多個(gè)層。例如，第一非磁性層130可 以包括在垂直磁性層123上順序堆疊的第一下金屬化合物層133、第一非磁性金屬層136 和第一上金屬化合物層139。盡管在圖1中未示出，但第一非磁性層130可以包括在垂 直磁性層123上順序地堆疊的金屬化合物層/非磁性金屬層和/或非磁性金屬層/金屬化 合物層。第一非磁性金屬層136可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕 (Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬 (Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中選擇的至 少一種。第一下金屬化合物層133和第一上金屬化合物層139可以是金屬氧化物、金屬 氮化物、金屬氮氧化合物和/或其組合。例如，每個(gè)金屬化合物層可以由金屬層的化合 物形成。相反，第一非磁性層130可以包括僅單個(gè)金屬層或多個(gè)金屬層。通過(guò)第一下金 屬化合物層133和第一上金屬化合物層139，可以防止和/或減少第一非磁性金屬層136 中的金屬原子擴(kuò)散到另一相鄰層中。
第一結(jié)磁性層141可以被布置在第一非磁性層130上。第一結(jié)磁性層141可以 包括軟磁性材料。第一結(jié)磁性層141可以具有低阻尼常數(shù)和高自旋極化率。例如，第一 結(jié)金屬層141可以包括從由鈷(Co)、鐵(Fe)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種。 第一結(jié)磁性層141可以進(jìn)一步包括從包括硼⑶、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、 鉭(Ta)、硅、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中選 擇的至少一種。具體地，第一結(jié)磁性層141可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以進(jìn)一步 包括硼(B)。此外，為了減小第一結(jié)磁性層141的飽和磁化強(qiáng)度，第一結(jié)磁性層141可 以進(jìn)一步包括從由鈦(Ti)、鋁(Al)、硅Bi)、鎂(Mg)、鉭(Ta)和/或硅組成的組 中選擇的至少一種。
在第一結(jié)磁性層141和第一垂直磁性層123之間的第一非磁性層130可以增強(qiáng)包 括它們的磁存儲(chǔ)器單元的垂直磁各向異性(anisotropy)。例如，第一結(jié)磁性層141可以通 過(guò)第一非磁性層130來(lái)與第一垂直磁性層123反鐵磁性地或鐵磁性地交換耦合。因?yàn)榈?一垂直磁性層123具有高垂直磁各向異性，所以還可以增強(qiáng)與第一垂直磁性層123交換耦 合的第一結(jié)磁性層141的垂直磁各向異性。本說(shuō)明書(shū)中的垂直磁各向異性被定義為要在 與襯底100的平面垂直的方向上磁化的層的屬性。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)垂直可以指相對(duì)于襯底100的表面正交的方向。
第一結(jié)磁性層141的晶體結(jié)構(gòu)由于第一非磁性層130可能具有不同于第一垂直磁 性層123的晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。因此，可以進(jìn)一步增強(qiáng)磁性隧道結(jié)的磁阻比。關(guān)于此的詳 細(xì)描述將關(guān)于后續(xù)描述的用于形成第一結(jié)金屬層141的方法來(lái)提供。
隧道勢(shì)壘145可以被布置在第一結(jié)金屬層141上。隧道勢(shì)壘145可以具有比自 旋擴(kuò)散距離更薄的厚度。隧道勢(shì)壘145可以包括非磁性材料。在一實(shí)施例中，隧道勢(shì)壘 145可以由絕緣材料層形成。相反，隧道勢(shì)壘145可以包括多個(gè)層。例如，隧道勢(shì)壘145 可以包括從由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)和/或鎂-硼(MgB)的氧化 物、和/或鈦(Ti)和/或釩(V)的氮化物組成的組中選擇的至少一種。例如，隧道勢(shì)壘 可以由氧化鎂(MgO)層形成。
隧道勢(shì)壘145可以具有與第一結(jié)磁性層141類(lèi)似的晶體結(jié)構(gòu)。例如，第一結(jié)磁性 層141可以包括具有體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的磁性材料或具有體心立方結(jié)構(gòu)的磁性材料， 包括非磁性元素。當(dāng)?shù)谝唤Y(jié)磁性層141包括非磁性元素時(shí)，磁性材料可以變成非晶的。 隧道勢(shì)壘145和第一結(jié)磁性層141可以分別具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)，并且 隧道勢(shì)壘145的(001)晶面可以與第一結(jié)磁性層141的(001)晶面接觸以形成界面。由 此可以提高包括隧道勢(shì)壘145和第一結(jié)磁性層141的磁性隧道結(jié)的磁阻比。
第二結(jié)磁性層149可以被布置在隧道勢(shì)壘145上。第二結(jié)磁性層149可以包括軟 磁性材料。例如，第二結(jié)磁性層149可以包括鈷(Co)原子、鐵(Fe)原子和/或鎳(Ni) 原子，使得可以確定原子的含量以降低第二結(jié)磁性層149的飽和磁化強(qiáng)度。第二結(jié)磁性 層149可以具有低阻尼常數(shù)和高自旋極化率。為實(shí)現(xiàn)這些，第二結(jié)磁性層149可以進(jìn)一步 包括從包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、硅、銀(Ag)、 金(Au)、銅(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中選擇的至少一種。例如，第二 結(jié)磁性層149可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以進(jìn)一步包括硼。另外，第二結(jié)磁性 層149可以進(jìn)一步包括從包括鈦(Ti)、鋁(Al)、硅、鎂(Mg)和/或鉭(Ta)的非磁 性元素中選擇的至少一種。第二結(jié)磁性層149中的選擇的非磁性元素的含量可以在約原子百分比至約15%原子百分比的范圍中。當(dāng)?shù)诙Y(jié)磁性層149用作磁存儲(chǔ)器單元的自 由層時(shí)，可以將第二結(jié)磁性層149的飽和磁化強(qiáng)度控制為小于第一結(jié)磁性層141的飽和磁 化強(qiáng)度的值。
第二結(jié)磁性層149可以具有與隧道勢(shì)壘145類(lèi)似的晶體結(jié)構(gòu)。例如，隧道勢(shì)壘 145和第二結(jié)磁性層149可以具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)，并且隧道勢(shì)壘145的 (001)晶面可以與第二結(jié)磁性層149的(001)晶面接觸以形成界面。由此可以提高包括第 二結(jié)磁性層149和隧道勢(shì)壘145的磁性隧道結(jié)的磁阻比。
在一些實(shí)施例中，第二結(jié)磁性層149中的鐵磁原子的含量可以不同于第一結(jié)磁 性層141中的鐵磁原子的含量。例如，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149可以包括從 鈷(Co)、鎳(Ni)和/或鐵(Fe)中選擇的至少一種，而第二結(jié)磁性層149中的鐵(Fe)含 量可以等于或大于第一結(jié)磁性層141中的鐵(Fe)含量。在該情況下，第二結(jié)磁性層149 可以用作自由層。
第二非磁性層150可以被布置在第二結(jié)磁性層149上。第二非磁性層150可以 被形成有相對(duì)薄的厚度。例如，第二非磁性層150可以被形成為具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。第二非磁性層150可能不具有紋理。例如，第二非磁性層 150可以被均勻地形成在第二結(jié)磁性層149上，并且可能由于薄的厚度而不具有紋理。
第二非磁性層150可以包括從包括非磁性過(guò)渡金屬的非磁性金屬元素中選擇的 至少一種。例如，第二非磁性層150可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、 釕(Ru)、銅(Cu)、鋅( )、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、 鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中選擇的 至少一種。
在一些實(shí)施例中，第二非磁性層150可以形成有多個(gè)層。例如，第二非磁性層 150可以包括在第二結(jié)磁性層149上順序堆疊的第二下金屬化合物層153、第二非磁性金 屬層156和第二上金屬化合物層159。盡管在圖1中沒(méi)有示出，但第二非磁性層150可 以包括在第二結(jié)磁性層149上順序堆疊的金屬化合物層/非磁性金屬層或非磁性金屬層 /金屬化合物層。第二非磁性金屬層156可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻 (Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥 (Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中 選擇的至少一種。第二下金屬化合物層153和第二上金屬化合物層159可以是金屬氧化 物、金屬氮化物、金屬氮氧化合物或其組合。例如，第二下金屬化合物層153和第二上 金屬化合物層159可以由第二非磁性金屬層156的化合物形成。通過(guò)第二下金屬化合物 層153和第二上金屬化合物層159，可以防止和/或減少第二非磁性金屬層156中的金屬 原子擴(kuò)散到另一相鄰層中。相反，第二非磁性層150可以包括僅單個(gè)金屬層或多個(gè)金屬 層。
第二垂直磁性層163可以被布置在第二非磁性層150上。在一些實(shí)施例中，第 二垂直磁性層163可以包括交替堆疊的非磁性層161和鐵磁層162。鐵磁層162可以包括 從由鐵(Fe)、鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種，而非磁性層161可以 包括從由鉻(Cr)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金 (Au)和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。例如，第二垂直磁性層163可以包括 [Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Ni/Pt]n(η是每層的堆疊數(shù)目，并且是2或更大的自然數(shù))或其組 合。鐵磁層162可以被形成為具有一個(gè)到數(shù)個(gè)原子的厚度。第二垂直磁性層163和第二 結(jié)磁性層149之間的交換耦合可以由第二非磁性層150來(lái)增強(qiáng)。由此可以增強(qiáng)第二結(jié)磁 性層149的垂直磁各向異性。
第二垂直磁性層163中的非磁性層161和鐵磁層162的堆疊數(shù)目η可以不同于第 一垂直磁性層123中的非磁性層121和鐵磁層122的堆疊數(shù)目m。例如，第二垂直磁性 層163中的非磁性層161和鐵磁層162的堆疊數(shù)目可以小于第一垂直磁性層123中的非磁 性層121和鐵磁層122的堆疊數(shù)目。在該情況下，與第一垂直磁性層123相鄰的第一結(jié) 磁性層141可以用作磁存儲(chǔ)器單元的基準(zhǔn)層，而與第二垂直磁性層163相鄰的第二結(jié)磁性 層149可以用作磁存儲(chǔ)器單元的自由層。相反，第二垂直磁性層163中的非磁性層161 和鐵磁層162的堆疊數(shù)目η可以大于第一垂直磁性層123中的非磁性層121和鐵磁層122 的堆疊數(shù)目m。在該情況下，第二結(jié)磁性層141可以用作基準(zhǔn)層，而第一結(jié)磁性層149 可以用作自由層。
根據(jù)要執(zhí)行的功能，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149可以具有不同的磁屬性。例如，用作自由層的結(jié)磁性層可以具有小于用作基準(zhǔn)層的結(jié)磁性層的飽和磁化強(qiáng) 度?？梢酝ㄟ^(guò)要包括的鐵磁材料(Co、Ni和/或Fe)的比率和/或非磁性材料的比率來(lái) 控制飽和磁化強(qiáng)度。
第一結(jié)磁性層141、隧道勢(shì)壘145和第二結(jié)磁性層149可以構(gòu)成磁存儲(chǔ)器單元的 磁性隧道結(jié)?？梢酝ㄟ^(guò)使用自由層和基準(zhǔn)層的磁化方向彼此平行還是反平行時(shí)磁性隧道 結(jié)的電阻值之間的差，來(lái)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在包括磁性隧道結(jié)的磁存儲(chǔ)器單元中。自由層的磁 化方向可以根據(jù)提供給磁存儲(chǔ)器單元的電流方向而變化。例如，在電流從第一結(jié)磁性層 141提供給第二結(jié)磁性層149的情況下的自由層的磁化方向，可以反平行于在電流從第二 結(jié)磁性層149提供給第一結(jié)磁性層141的情況下的自由層的磁化方向。基準(zhǔn)層和自由層 的磁化方向可以垂直于襯底100的平面。基準(zhǔn)層可以垂直于襯底100的平面，并且具有 固定的第一磁化方向。自由層具有垂直于襯底100的平面的磁化方向，并且，自由層的 磁化方向可以根據(jù)所提供的電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。
覆蓋層170可以被布置在第二垂直磁性層163上。覆蓋層170可以包括從由鉭 (Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鎂(Mg)、氮化鉭(TaN) 和/或氮化鈦(TiN)組成的組中選擇的至少一種。
參考圖2，將描述根據(jù)發(fā)明原理的一些實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的一個(gè)修改示例。為 清楚和/或簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，可以省略與圖1中所述的元件基本上相同的元件的描述。
下電極110可以被布置在襯底100上。籽晶層115和第一垂直磁性層IM可以被 布置在下電極Iio上。籽晶層115可以包括構(gòu)成六方緊密堆積晶格(HCP)的金屬原子。 籽晶層115可以被形成為具有從約10 A (埃)至約100A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。籽晶層 115可以包括釕(Ru)或鈦(Ti)。相反，籽晶層115可以包括構(gòu)成面心立方晶格(FCC) 的金屬原子。例如，籽晶層115可以包括鉬(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu) 和/或鋁(Al)。籽晶層115可以包括單個(gè)層或具有不同晶體結(jié)構(gòu)的多個(gè)層。相反，當(dāng)構(gòu) 成第一垂直磁性層124的材料是非晶時(shí)，可以省略籽晶層115。
第一垂直磁性層124的磁化方向可以基本上垂直于襯底100的平面并且進(jìn)行修 改。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，第一垂直磁性層1 可以包括從由具有LlO晶體結(jié)構(gòu)的材料、具有 六方緊密堆積(HCP)晶格的材料、以及非晶稀土過(guò)渡金屬(RE-TM)合金組成的組中選 擇的至少一種。例如，第一垂直磁性層1 可以是從具有LlO晶體結(jié)構(gòu)的材料中選擇的 至少一種，所述材料包括 Fe5(1Pt5。、Fe50Pd50^ Co50Pt50^ Co5tlPd5tl 和 / 或 Fe5tlNi50。相反， 第一垂直磁性層1 可以包括具有約10%原子百分比至約45%原子百分比的鉬含量的無(wú) 序鈷鉬合金或具有六方緊密堆積(HCP)晶格的有序Co3Pt合金。相反，第一垂直磁性層 IM可以包括非晶RE-TM合金中的至少一種，所述非晶RE-TM合金包括從由鐵(Fe)、 鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種以及從由稀土鋱(Tb)、鏑(Dy)和/或 釓(Gd)組成的組中選擇的至少一種。
第一非磁性層130可以被布置在第一垂直磁性層IM上。第一非磁性層130可以 被形成有薄的厚度。例如，第一非磁性層130可以被形成為具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。第一非磁性層130可能不具有紋理。例如，第一非磁性層130 可以均勻地形成在第一垂直磁性層1 上，并且可能由于薄的厚度而不具有紋理。
第一非磁性層130可以包括從包括非磁性過(guò)渡金屬的非磁性金屬元素中選擇的 至少一種。在實(shí)施例中，第一非磁性層130可以形成有多個(gè)層。例如，第一非磁性層 130可以包括在垂直磁性層IM上順序堆疊的第一下金屬化合物層133、第一非磁性金屬 層136以及第一上金屬化合物層139。盡管在圖2中沒(méi)有示出，但第一非磁性層130可 以包括在第一垂直磁性層1 上順序堆疊的金屬化合物層/非磁性金屬層、或非磁性金屬 層/金屬化合物層。非磁性金屬層可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、 釕(Ru)、銅(Cu)、鋅( )、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、 鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中選擇的 至少一種。第一下金屬化合物層133和第一上金屬化合物層139可以是金屬氧化物、金 屬氮化物或其組合。例如，金屬化合物層可以是金屬層的化合物。相反，第一非磁性層 130可以包括僅單個(gè)金屬層或多個(gè)金屬層。
可以在第一非磁性層130上順序堆疊第一結(jié)磁性層141、隧道勢(shì)壘145和第二結(jié) 磁性層149。第一結(jié)磁性層141、隧道勢(shì)壘145和第二結(jié)磁性層149可以構(gòu)成磁性隧道 結(jié)。第一結(jié)磁性層141可以通過(guò)第一非磁性層130來(lái)與第一垂直磁性層123進(jìn)行強(qiáng)交換 耦合。由此可以增強(qiáng)第一結(jié)磁性層141的垂直磁各向異性。第一結(jié)磁性層141和第二結(jié) 磁性層149可以包括軟磁性材料。當(dāng)磁存儲(chǔ)器單元操作時(shí)，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié) 磁性層149中的一個(gè)可以用作基準(zhǔn)層，并且另一個(gè)可以用作自由層。用作自由層的結(jié)磁 性層可以具有比用作基準(zhǔn)層的結(jié)磁性層更低的飽和磁化強(qiáng)度。
第二非磁性層150可以被布置在第二結(jié)磁性層149上。第二非磁性層150可以 被形成有薄的厚度。例如，第二非磁性層150可以被形成具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。第二非磁性層150可能不具有紋理。例如，第二非磁性層150 可以均勻地形成在第二結(jié)磁性層149上，并且可能由于薄的厚度而不具有紋理。
第二垂直磁性層163可以被布置在第二非磁性層150上。第二垂直磁性層163 可以被構(gòu)造為使得它具有與襯底100的平面垂直的磁化方向。例如，第二垂直磁性層163 可以包括交替堆疊的非磁性層161和鐵磁層162，并且鐵磁層162可以被形成有一個(gè)至數(shù) 個(gè)原子的厚度。鐵磁層162的磁化方向可以垂直于襯底100的平面。通過(guò)第二非磁性層 150，第二垂直磁性層163可以與第二結(jié)磁性層149交換耦合。
覆蓋層170可以被形成在第二垂直磁性層163上。覆蓋層170可以包括從由鉭 (Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鎂(Mg)、氮化鉭(TaN) 和/或氮化鈦(TiN)組成的組中選擇的至少一種。
參考圖3，將描述根據(jù)發(fā)明原理的實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的一個(gè)修改示例。在襯底 100和下電極110上順序地堆疊籽晶層115和第一垂直磁性層124。籽晶層115可以包括 單個(gè)金屬層和多個(gè)金屬層。第一垂直磁性層1 可以包括具有垂直于襯底100的平面并 易于磁化的軸的材料。第一垂直磁性層1 可以包括從由具有LlO晶體結(jié)構(gòu)的材料、具 有六方緊密堆積(HCP)晶格的材料、以及非晶RE-TM合金組成的組中選擇的至少一種。 當(dāng)?shù)谝淮怪贝判詫?24包括非晶RE-TM合金時(shí)，可以省略籽晶層115。
第一非磁性層130可以被布置在第一垂直磁性層IM上。第一非磁性層130可以 被形成有薄的厚度。例如，第一非磁性層130可以被形成為具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。第一非磁性層130可能不具有紋理。
第一非磁性層130可以包括從包括非磁性過(guò)渡金屬的非磁性金屬元素中選擇的 至少一種。在實(shí)施例中，第一非磁性層130可以形成有多個(gè)層。例如，第一非磁性層 130可以包括在垂直磁性層IM上順序堆疊的第一下金屬化合物層133、第一非磁性金屬 層136以及第一上金屬化合物層139。與圖示不同，第一非磁性層130可以包括在第一 垂直磁性層1 上順序堆疊的金屬化合物層/非磁性金屬層或非磁性金屬層/金屬化合物 層。相反，第一非磁性層130可以包括僅單個(gè)金屬層或多個(gè)金屬層。第一垂直磁性層 123可以通過(guò)第一非磁性層130來(lái)與第一結(jié)磁性層141交換耦合。
可以在第一非磁性層130上順序堆疊第一結(jié)磁性層141、隧道勢(shì)壘145和第二結(jié) 磁性層149。第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149可以包括軟磁性材料。當(dāng)磁存儲(chǔ)器 單元操作時(shí)，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149中的一個(gè)可以用作基準(zhǔn)層，而另一個(gè) 可以用作自由層。用作自由層的結(jié)磁性層可以具有比用作基準(zhǔn)層的結(jié)磁性層更小的飽和 磁化強(qiáng)度。
第二非磁性層150可以被布置在第二結(jié)磁性層149上。第二非磁性層150可以 被形成有薄的厚度。例如，第二非磁性層150可以被形成為具有在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。第二非磁性層150可能不具有紋理。
第二垂直磁性層164可以被布置在第二非磁性層150上。第二垂直磁性層164 可以被構(gòu)造為使得它具有垂直于構(gòu)成磁性隧道結(jié)的第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149 的平面的磁化方向。第二垂直磁性層164可以通過(guò)第二非磁性層150與第二結(jié)磁性層149 交換耦合。例如，第二垂直磁性層164可以包括非晶RE-TM合金。覆蓋層170可以被 布置在第二垂直磁性層164上。
參考圖4A和圖4C以及圖1，將描述用于形成根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)施例的磁存儲(chǔ) 器件的方法?？梢允÷詤⒖紙D1的一些描述。
參考圖4A，下電極110可以被形成在襯底100上。下電極110可以被形成在襯 底100上和/或襯底100中。
可以在下電極110上交替地堆疊非磁性層121和鐵磁層122。非磁性層121和鐵 磁層122的堆疊數(shù)目可以在約2次至約20次的范圍內(nèi)。鐵磁層122可以被形成有一個(gè)至 數(shù)個(gè)原子的厚度。非磁性層121和鐵磁層122可以構(gòu)成第一垂直磁性層123。
參考圖4B，可以在第一垂直磁性層123上形成第一下金屬化合物層133。可以 在第一垂直磁性層123上薄薄地形成金屬層，接著進(jìn)行氧化和/或氮化，以形成第一下金 屬化合物層133。金屬層可以包括從例如過(guò)渡金屬中選擇的至少一種。
可以在第一下金屬化合物層133上形成第一非磁性金屬層136。第一非磁性金 屬層136可以包括從非磁性金屬例如非磁性過(guò)渡金屬中選擇的至少一種。例如，第一非 磁性金屬層136和第一下金屬化合物層133可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻 (Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥 (Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中 選擇的至少一種。第一非磁性金屬層136可以包括與第一下金屬化合物層133相同的金 jM ο
參考圖4C，在第一非磁性金屬層136上形成第一上金屬化合物層139。第一上 金屬化合物層139可以通過(guò)對(duì)第一非磁性金屬層136的頂面進(jìn)行氧化或氮化來(lái)形成。為了氧化或氮化，可以在第一上金屬化合物層139的頂面上提供少量氧化氣體和/或氮化氣 體。相反，可以在第一非磁性金屬層136上形成單獨(dú)的金屬層，隨后進(jìn)行氧化和/或氮 化，以形成第一上金屬化合物層139，或者可以淀積單獨(dú)的金屬化合物層，以形成第一上 金屬化合物層139。
可以在第一上金屬化合物層139上順序地形成第一結(jié)磁性層141、隧道勢(shì)壘145 和第二結(jié)磁性層149。第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149可以包括軟磁材料。在一 實(shí)施例中，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149可以包括具有彼此不同的飽和磁化強(qiáng)度 的材料。第一和第二結(jié)磁性層149可以以非晶狀態(tài)形成。在實(shí)施例中，可以進(jìn)一步包括 用于對(duì)第一結(jié)磁性層149的頂部進(jìn)行氧化的工藝。
隧道勢(shì)壘145可以包括從由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)和/或 鎂-硼(MgB)的氧化物、和/或鈦(Ti)和/或釩(V)的氮化物組成的組中選擇的至少 一種。相反，隧道勢(shì)壘145可以包括多個(gè)層。該多個(gè)層可以是從由金屬層、金屬氧化物 層、金屬氮化物層、和/或金屬氮氧化物層組成的組中選擇的至少兩個(gè)層。隧道勢(shì)壘145 可以具有預(yù)定的晶體結(jié)構(gòu)，例如，NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。
可以在隧道勢(shì)壘145上形成第二結(jié)磁性層149。當(dāng)?shù)诙Y(jié)磁性層149用作磁存 儲(chǔ)器單元的自由層時(shí)，第二結(jié)磁性層149可以具有比第一結(jié)磁性層141更小的飽和磁化強(qiáng) 度。替代地，第二結(jié)磁性層149的鐵(Fe)含量可以大于或至少等于第一結(jié)磁性層141的 鐵(Fe)含量。
可以對(duì)第二結(jié)磁性層149的頂面進(jìn)行氧化和/或氮化。由此可以在第二結(jié)磁性 層149的頂部中形成預(yù)先下(pre-lower)金屬化合物層152?？梢砸耘c第一非磁性金屬層 136的頂面相同的方式，對(duì)第二結(jié)磁性層149的頂面進(jìn)行氧化和/或氮化。相反，可以省 略第二結(jié)磁性層149的氧化和/或氮化工序。
可以在第二結(jié)磁性層149和預(yù)先下金屬化合物層152上形成第二非磁性金屬層 156。第二非磁性金屬層156可以包括從由鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕 (Ru)、銅(Cu)、鋅( )、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬 (Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)和/或鉿(Hf)組成的組中選擇的至 少一種。
再次參考圖1，在第二非磁性金屬層156上形成第二上金屬化合物層159?？梢?通過(guò)對(duì)第二非磁性金屬層156的頂面進(jìn)行氧化或氮化來(lái)形成第二上金屬化合物層159。為 了進(jìn)行氧化或氮化，可以在第二上金屬化合物層159的頂面上提供少量氧化氣體和/或氮 化氣體。相反，可以在第二非磁性金屬層156上形成單獨(dú)的金屬層，隨后進(jìn)行氧化和/ 或氮化，以形成第二上金屬化合物層159，或者可以沉積單獨(dú)的金屬化合物層以形成第二 上金屬化合物層159。
可以在第二上金屬化合物層159上交替地堆疊非磁性層161和鐵磁層162。鐵磁 層162可以被形成有一個(gè)至數(shù)個(gè)原子的厚度。非磁性層161和鐵磁層162可以被包括在 第二垂直磁性層163中。第二垂直磁性層163中的非磁性層161和鐵磁層162的堆疊數(shù) 目可以不同于第一垂直磁性層123中的非磁性層121和鐵磁層122的堆疊數(shù)目。
在形成第二垂直磁性層163之前和/或之后，可以執(zhí)行退火工藝。通過(guò)退火工 藝，可以使非晶的第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149結(jié)晶成隧道勢(shì)壘145的籽晶層。退火工藝可以是磁退火工藝或另一退火工藝。當(dāng)隧道勢(shì)壘145用作籽晶層時(shí)，隧道勢(shì)壘 145可以具有與第一結(jié)層141和第二結(jié)層149類(lèi)似的晶體結(jié)構(gòu)。替代地，接觸隧道勢(shì)壘 145的第一結(jié)層141和第二結(jié)層149的面可以具有與隧道勢(shì)壘的面等同的晶面。例如， 當(dāng)隧道勢(shì)壘145的頂面和底面與NaCl型晶體結(jié)構(gòu)的(001)晶面相對(duì)應(yīng)時(shí)，接觸隧道勢(shì)壘 145的第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149的面可以是體心立方結(jié)構(gòu)的(001)晶面。
在退火期間，第一非磁性層130和第二非磁性層150可以防止第一結(jié)磁性層141 和第二結(jié)磁性層149沿不同于隧道勢(shì)壘145的層的晶體結(jié)構(gòu)而結(jié)晶。例如，當(dāng)省略第一 非磁性層130和第二非磁性層150時(shí)，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149的結(jié)晶可能 受到第一垂直磁性層123和第二垂直磁性層163的影響。在該情況下，第一結(jié)磁性層141 和第二結(jié)磁性層149可能不具有與隧道勢(shì)壘145相同的晶體結(jié)構(gòu)和/或晶面。當(dāng)?shù)谝唤Y(jié) 磁性層141和第二結(jié)磁性層149具有不同于隧道勢(shì)壘145的晶體結(jié)構(gòu)和/或晶面時(shí)，可以 顯著地降低包括這些的磁性隧道結(jié)的電阻比率。然而，當(dāng)根據(jù)發(fā)明原理的實(shí)施例，第一 非磁性層130和第二非磁性層150分別插入在第一垂直磁性層123與第一結(jié)磁性層141之 間和/或在第二垂直磁性層163與第二結(jié)磁性層140之間時(shí)，第一垂直磁性層123和第二 垂直磁性層163可以不用作用于第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149的結(jié)晶的籽晶層。 因此，第一結(jié)磁性層141和第二結(jié)磁性層149的晶體結(jié)構(gòu)可以與隧道勢(shì)壘145的晶體結(jié)構(gòu) 對(duì)準(zhǔn)。因此，可以提高包括這些的磁性隧道結(jié)的磁阻比。
可以在第二垂直磁性層163上形成覆蓋層170。覆蓋層170可以包括從由鉭 (Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鎂(Mg)、氮化鉭(TaN) 和/或氮化鈦(TiN)組成的組中選擇的至少一種。
可以對(duì)第一垂直磁性層123、第一非磁性層130、第一結(jié)磁性層141、隧道勢(shì)壘 145、第二結(jié)磁性層149、第二非磁性層150、第二垂直磁性層163和覆蓋層170進(jìn)行圖案 化?？梢酝ㄟ^(guò)從包括光刻和/或電子束圖案化的各種圖案化工藝中選擇的一種工藝來(lái)執(zhí) 行該圖案化。在形成所有的層之后，或者在形成一些層之后，可以執(zhí)行圖案化。當(dāng)僅對(duì) 一些層進(jìn)行圖案化時(shí)，可以在形成其他的層之后執(zhí)行另外的圖案化。
參考圖2，將描述用于形成根據(jù)發(fā)明原理的實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的修改示例的方 法。省略參考圖1所述的用于形成元件的方法的描述。
可以在襯底100上形成籽晶層115。籽晶層115可以包括單個(gè)金屬層或多個(gè)金屬 層。籽晶層115可以包括具有預(yù)定晶體結(jié)構(gòu)的金屬層。例如，籽晶層115可以具有從由 體心立方晶格(BCC)、面心立方晶格(FCC)、和六方緊密堆積(HCP)晶格組成的組中選 擇的至少一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)。
可以在籽晶層115上形成第一垂直磁性層124?？梢允褂米丫?15作為籽晶來(lái) 沉積第一垂直磁性層124。使用籽晶層115作為籽晶沉積的第一垂直磁性層IM可以具有 HCP或LlO晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝淮怪贝判詫?24由非晶RE-TM合金形成時(shí)，可以省略籽 晶層115。
參考圖3，將描述用于形成根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的修改示例的 方法。省略參考圖1和圖2所述的用于形成元件的方法的描述。
在第二非磁性層150上形成第二垂直磁性層164。第二垂直磁性層164可以包括 例如非晶RE-TM合金。盡管未示出，但是第二垂直磁性層164可以包括多個(gè)鐵磁層。非磁性金屬層可以插入在鐵磁層之間。在鐵磁材料層具有垂直磁化方向的范圍內(nèi)，可以 以各種形狀修改第二垂直磁性層164。
(第二實(shí)施例)
參考圖5，將描述根據(jù)本發(fā)明原理的第二實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件。
下電極210被布置在襯底200上。襯底200可以是基于半導(dǎo)體的半導(dǎo)體襯底。 襯底200可以包括導(dǎo)電區(qū)和/或絕緣區(qū)。下電極210可以被電連接到襯底200的導(dǎo)電區(qū)。 下電極210可以被布置在襯底200上和/或襯底200中。下電極210可以具有從由線、 島和或板組成的組中選擇的任何一種。
釘扎層2 被布置在下電極210上。釘扎層可以包括反鐵磁材料。例如，釘扎 層 226 可以包括從由 PtMn、IrMn> FeMn> NiMn> MnO> MnS> MnTe> MnF2> FeF2> FeCl2> FeO> CoCl2> CoO、NiCl2> NiO和/或Cr組成的組中選擇的至少一種。釘扎層226可以將鄰近磁性層的磁化方向固定在一個(gè)方向上。
可以在釘扎層2 上提供下基準(zhǔn)層227。下基準(zhǔn)層227可以包括鐵磁材料。例 如，下基準(zhǔn)層 227 可以包括從由 CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe> MnAs> MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3^ FeOFe2O3^ NiOFe2O3^ CuOFe2O3、EuO 禾口 / 或Y3Fe5O1Ji成的組中選擇的至少一種。可以通過(guò)釘扎層2 將下基準(zhǔn)層227的磁化方向固 定到一個(gè)方向?？梢詮呐c襯底200的平面平行的方向中選擇一個(gè)方向。對(duì)于另一示例， 下基準(zhǔn)層227可以包括從由具有LlO晶體結(jié)構(gòu)的材料、具有HCP的材料、和非晶RE-TM 合金組成的組中選擇的至少一種。在該情況下，下基準(zhǔn)層227的磁化方向可以與襯底200 的平面垂直(正交)。
基準(zhǔn)交換耦合層2 可以被布置在下基準(zhǔn)層227上。基準(zhǔn)交換耦合層2 可以 包括從由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)和/或銠(Rh)組成的組中選擇的至少一種。
可以在基準(zhǔn)交換耦合層2 上形成上基準(zhǔn)層Ml。上基準(zhǔn)層241可以包括鐵 (Fe)。上基準(zhǔn)層241可以包括從由鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種。 上基準(zhǔn)層241可以進(jìn)一步包括非磁性材料中的至少一種，所述非磁性材料包括硼(B)、鋅 (Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、硅 、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳 (C)和/或氮(N)?？梢酝ㄟ^(guò)基準(zhǔn)交換耦合層2 將上基準(zhǔn)層241與下基準(zhǔn)層227交換 華禹合。
可以在上基準(zhǔn)層241上形成隧道勢(shì)壘M5。隧道勢(shì)壘245可以包括非磁材料。 隧道勢(shì)壘245可以包括從由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)和/或鎂-硼 (MgB)的氧化物、和/或鈦(Ti)和/或釩(V)的氮化物組成的組中選擇的至少一種。例 如，隧道勢(shì)壘245可以是氧化鎂(MgO)層。相反，隧道勢(shì)壘245可以包括多個(gè)層，包括 金屬層和金屬化合物層。
隧道勢(shì)壘245可以具有與上基準(zhǔn)層241類(lèi)似的晶體結(jié)構(gòu)。例如，隧道勢(shì)壘M5 和上基準(zhǔn)層241可以分別具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)。隧道勢(shì)壘245和上基準(zhǔn) 層241之間的界面可以包括相同的晶面。例如，隧道勢(shì)壘對(duì)5的(001)晶面可以包括上 基準(zhǔn)層Ml的(001)晶面。
下自由層249可以被布置在隧道勢(shì)壘245上。下自由層249可以包括鐵(Fe)。 下自由層249可以包括從由鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種。上基準(zhǔn)層241可以進(jìn)一步包括非磁性材料中的至少一種，所述非磁性材料包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁 (Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、硅 、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)和 / 或 氮(N)。
下自由層M9中的鐵(Fe)含量可以高于上基準(zhǔn)層241中的鐵(Fe)含量?？梢酝?過(guò)下自由層249中的高鐵含量，來(lái)增強(qiáng)包括上基準(zhǔn)層241和下自由層249的磁存儲(chǔ)器單元 的可靠性。當(dāng)在構(gòu)成磁性隧道結(jié)的基準(zhǔn)層和自由層之間基準(zhǔn)層中的鐵含量高時(shí)，包括該 磁性隧道結(jié)的磁存儲(chǔ)器單元可能顯示異常的切換行為。在一個(gè)示例中，包括相對(duì)低的鐵 含量的自由層的磁化方向可能不保持在與基準(zhǔn)層的磁化方向平行的方向上。因此，當(dāng)將 磁存儲(chǔ)器單元切換成平行狀態(tài)(其中自由層的磁化方向平行于基準(zhǔn)層的磁化方向的狀態(tài)) 時(shí)，可能異常地反轉(zhuǎn)自由層的磁化方向。由于這些異常切換現(xiàn)象，可能降低包括自由層 的磁存儲(chǔ)器單元的可靠性。然而，根據(jù)發(fā)明原理的實(shí)施例，下自由層249可以具有比上 基準(zhǔn)層241更高的鐵含量。因此，將磁存儲(chǔ)器單元切換到平行狀態(tài)的動(dòng)作中，下自由層 249的磁化方向可以穩(wěn)定地保持處于平行于上基準(zhǔn)層Ml的磁化方向的狀態(tài)中。下自由 層對(duì)9的磁化方向可以不被異常地反轉(zhuǎn)。因此，可以增強(qiáng)包括下自由層對(duì)9的磁存儲(chǔ)器 單元的可靠性。
自由交換耦合層265可以被布置在下自由層249上。自由交換耦合層265可以 包括從由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)、和/或銠(Rh)組成的組中選擇的至少一種。
上自由層266可以被布置在自由交換耦合層265上。上自由層266可以包括鐵 磁材料。例如，上自由層洸6可以包括從由CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、 NiFe、MnAs、MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3^ FeOR2O3、NiOR2O3、CuOFe2O3^ EuO和/或Y3F^O12組成的組中選擇的至少一種。當(dāng)磁存儲(chǔ)器單元操作時(shí)，可以將上自 由層沈6的磁化方向改變成平行于襯底200的平面的第一方向或第二方向。對(duì)于另一示 例，上自由層266可以包括從非晶RE-TM合金中選擇的至少一種。在該情況下，當(dāng)磁存 儲(chǔ)器單元操作時(shí)，可以將上自由層266的磁化方向改變成垂直于襯底200的平面的第一方 向或第二方向?？梢酝ㄟ^(guò)自由交換耦合層265來(lái)將上自由層沈6與下自由層249交換耦I(lǐng)=I ο
覆蓋層270可以被布置在上自由層266上。覆蓋層270可以包括從由鉭(Ta)、 鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)和/或氮化鈦(TiN)組成 的組中選擇的至少一種。
盡管未示出，但可以改變下自由層249和上自由層沈6以及下基準(zhǔn)層227和上基 準(zhǔn)層241的位置。例如，下自由層249和上自由層266可以被布置在隧道勢(shì)壘245以下， 并且下基準(zhǔn)層227和上基準(zhǔn)層241可以被布置在隧道勢(shì)壘M5以上。在該情況下，可以 在下電極210和隧道勢(shì)壘245之間順序地堆疊上自由層沈6、自由交換耦合層沈5以及下 自由層M9，同時(shí)可以在隧道勢(shì)壘245和覆蓋層270之間順序地堆疊上基準(zhǔn)層Ml、基準(zhǔn) 交換耦合層228以及下基準(zhǔn)層227。
參考圖6，將描述根據(jù)發(fā)明原理的第二實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的修改示例?？梢允?略參考圖5所述的元件的描述。
垂直下基準(zhǔn)層223可以被布置在下電極210上。垂直下基準(zhǔn)層223可以包括交 替堆疊的非磁性層221和鐵磁層222。鐵磁層222可以包括從由鐵(Fe)、鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種，而非磁性層121可以包括從由鉻(Cr)、鉬(Pt)、鈀 (Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)和/或銅(Cu)組成的組 中選擇的至少一種。例如，垂直下基準(zhǔn)層223可以包括[Co/Pt]m、[Co/Pd]m或[Ni/Pt] m(m是每層的堆疊數(shù)目，并且是2或更大的自然數(shù))。在一些實(shí)施例中，非磁性層221 和鐵磁層222可以分別被堆疊約2至約20次。當(dāng)電流在垂直于襯底200和垂直下基準(zhǔn)層 223的平面的方向上流動(dòng)時(shí)，垂直下基準(zhǔn)層223可以被構(gòu)造使得它具有平行于電流的磁化 方向。對(duì)于該構(gòu)造，鐵磁層222可以被薄薄地形成有一個(gè)至數(shù)個(gè)原子層的厚度。
垂直上自由層263可以被布置在下自由層249上。垂直上自由層263可以包括 交替堆疊的非磁性層261和鐵磁層沈2。鐵磁層262可以包括從由鐵(Fe)、鈷(Co)和/ 或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種，而非磁性層261可以包括從由鉻(Cr)、鉬(Pt)、 鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)和 / 或銅(Cu)組成 的組中選擇的至少一種。例如，垂直上自由層263可以包括[Co/Pt]n、[Co/Pd]n和/或 [Ni/Pt]n(n是每層的堆疊數(shù)目，并且是2或更大的自然數(shù))。在一些實(shí)施例中，非磁性層 261和鐵磁層262可以分別被堆疊約2至約20次。垂直上自由層沈3中的非磁性層和鐵磁層沈2的堆疊數(shù)目η可以小于垂直下基準(zhǔn)層223中的非磁性層221和鐵磁層222的 堆疊數(shù)目m。
再次參考圖5，將描述用于形成根據(jù)本發(fā)明原理的第二實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的方 法。下電極210被形成在襯底200上。下電極210可以被形成在襯底200上和/或襯底 200 中。
釘扎層2 被形成在下電極210上。釘扎層2 可以包括反鐵磁材料。在一些 實(shí)施例中，可以形成籽晶層作為對(duì)釘扎層226的替代。籽晶層可以包括具有預(yù)定晶體結(jié) 構(gòu)的金屬或金屬合金。
可以在釘扎層2 上形成下基準(zhǔn)層227。下基準(zhǔn)層227可以包括鐵磁材料。例 如，下基準(zhǔn)層 227 可以包括從由 CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe> MnAs> MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3^ FeOFe2O3^ NiOFe2O3^ CuOFe2O3、EuO 禾口 / 或Y3Fe5O12組成的組中選擇的至少一種。對(duì)于另一示例，下基準(zhǔn)層227可以包括從由具有 LlO晶體結(jié)構(gòu)的材料、具有六方緊密堆積(HCP)晶格的材料、和非晶RE-TM合金組成的 組中選擇的至少一種。
基準(zhǔn)交換耦合層2 可以被形成在下基準(zhǔn)層227上?；鶞?zhǔn)交換耦合層2 可以 包括從由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)和/或銠(Rh)組成的組中選擇的至少一種。
可以在基準(zhǔn)交換耦合層2 上形成上基準(zhǔn)層Ml、隧道勢(shì)壘245和下自由層 2490可以以非晶狀態(tài)形成上基準(zhǔn)層241和下自由層M9，而以NaCl型晶體狀態(tài)形成隧 道勢(shì)壘M5。通過(guò)后續(xù)退火工藝，上基準(zhǔn)層241和下自由層249的晶體結(jié)構(gòu)可以與隧道勢(shì) 壘對(duì)5的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。
可以在下自由層249上形成自由交換耦合層沈5?；鶞?zhǔn)交換耦合層2 可以包括 從由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)和/或銠(Rh)組成的組中選擇的至少一種。
上自由層266可以被形成在自由交換耦合層265上。上自由層266可以包括鐵 磁材料。覆蓋層270可以被形成在上自由層266上。
對(duì)在下電極210上堆疊的層進(jìn)行圖案化?？梢酝ㄟ^(guò)從包括光刻和電子束的各種圖案化工藝中選擇的至少一種工藝來(lái)執(zhí)行圖案化。在形成所有層之后，或在形成一些層 之后，執(zhí)行圖案化。當(dāng)僅圖案化一些層時(shí)，可以在形成其他層之后執(zhí)行另外的圖案化。
參考圖6，將描述用于形成根據(jù)發(fā)明原理的第二實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的修改示例 的方法。省略先前在圖5中所述的用于形成元件的方法的描述。
可以在下電極210上交替地堆疊非磁性層221和鐵磁層222。鐵磁層222被沉積 有1個(gè)至若干原子的厚度。在下電極210上形成的非磁性層221和鐵磁層222可以構(gòu)成 垂直下基準(zhǔn)層223。
可以在下自由層249上交替地堆疊非磁性層261和鐵磁層沈2。鐵磁層262被形 成有1個(gè)至數(shù)個(gè)原子的厚度。在下自由層249上形成的非磁性層221和鐵磁層222可以 構(gòu)成垂直上自由層263。
在垂直下基準(zhǔn)層223中的非磁性層221和鐵磁層222的堆疊數(shù)目可以大于在垂直 上自由層262中的非磁性層261和鐵磁層沈2的堆疊數(shù)目。
(第三實(shí)施例)
參考圖7，將描述根據(jù)發(fā)明原理的第三實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件。將下電極320布置 在襯底310上。襯底310可以是從包括基于半導(dǎo)體元素的襯底和基于金屬化合物的襯底 的各種襯底中選擇的任何一種襯底。襯底310可以包括導(dǎo)電區(qū)和/或絕緣區(qū)。盡管下電 極320被圖示為被布置在襯底310上，但電極可以被包括在襯底310中。下電極320可 以是電極或電極接觸件。下電極320可以被電連接到襯底310中的導(dǎo)電區(qū)。例如，下電 極320可以被電連接到從襯底310中的包括晶體管和二極管的開(kāi)關(guān)裝置中選擇的至少一個(gè) 開(kāi)關(guān)裝置。
籽晶層330被布置在襯底310上。籽晶層330可以包括構(gòu)成六方緊密堆積(HCP) 晶格的金屬原子。如圖9中所示，HCP可以是包括三個(gè)a軸、與a軸構(gòu)成六邊形平面的 三個(gè)b軸、以及基本上垂直于六邊形平面的c軸的晶格。由a軸和b軸構(gòu)成的六邊形平面 可以基本上平行于襯底310的平面，而c軸可以基本上垂直于襯底310的平面。構(gòu)成籽 晶層330的晶體結(jié)構(gòu)的(001)晶面可以平行于襯底310的平面。薄薄地形成籽晶層330。 例如，籽晶層330可以被形成為具有在約10 A (埃)至約100A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。 籽晶層330可以包括釕(Ru)或鈦(Ti)。相反，籽晶層330可以包括構(gòu)成面心立方(FCC) 晶格的金屬原子。例如，籽晶層330可以包括鉬(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅 (Cu)和 / 或鋁(Al)。
自由磁性物質(zhì)340可以被布置在籽晶層330上。自由磁性物質(zhì)340可以包括接 觸籽晶層330的垂直自由磁性層342以及垂直自由磁性層342上的結(jié)自由磁性層348。與 圖示不同，垂直自由磁性物質(zhì)342和結(jié)自由磁性層348可以包括多個(gè)層。
垂直自由磁性層342可以包括鐵磁材料。包括在垂直自由磁性層342中的原子 可以構(gòu)成HCP晶格。如圖9中所示，垂直自由磁性層342的HCP晶格可以包括a軸、 b軸和c軸。構(gòu)成垂直自由磁性層342的HCP晶格的c軸可以基本上垂直于襯底310的 平面。構(gòu)成垂直自由磁性層342的HCP晶格的(001)平面可以平行于襯底310的平面。 垂直自由磁性層342的易于磁化的軸可以是c軸。因此，垂直自由磁性層342的磁化方 向可以垂直于襯底310。垂直自由磁性層342可以在垂直于襯底310的平面的方向上具有 磁各向異性。
垂直自由磁性層342的鐵磁屬性和晶格結(jié)構(gòu)可能是于構(gòu)成垂直自由磁性層342的 原子的類(lèi)型和/或原子的含量而導(dǎo)致的。
在一些實(shí)施例中，垂直自由磁性層342可以包括具有在約10%原子百分比至約 45%原子百分比的范圍內(nèi)的鉬含量的無(wú)序鈷-鉬合金。垂直自由磁性層342中的鉬原子 含量可以在約20%原子百分比至約30%原子百分比的范圍內(nèi)。垂直自由磁性層342可以 進(jìn)一步包括非磁材料。例如，垂直自由磁性層342可以進(jìn)一步包括從由硼(B)、鉻(Cr) 和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
在其他實(shí)施例中，垂直自由磁性層342可以包括是有序合金的Co3Pt。垂直自由 磁性層342可以進(jìn)一步包括非磁材料。例如，垂直自由磁性層342可以進(jìn)一步包括從由 硼(B)、鉻(Cr)、硅和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
在其他實(shí)施例中，可以以多個(gè)層的形式形成垂直自由磁性層342。在該情況下， 垂直自由磁性層342可以包括在籽晶層330上順序堆疊的具有HCP晶格的第一自由鐵磁 層以及第一自由鐵磁層上的第二自由鐵磁層。第一自由鐵磁層可以是從先前所述的垂直 自由磁性層342的實(shí)施例中選擇的一個(gè)，而第二自由鐵磁層可以是包括從由鐵(Fe)、鈷 (Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種和從稀土金屬中選擇的至少一種的合金。 例如，稀土金屬可以是從由鋱(Tb)、鏑(Dy)和/或釓(Gd)組成的組中選擇的至少一 種。相反，第二自由鐵磁層可以是從具有LlO晶體結(jié)構(gòu)的鐵磁材料中選擇的至少一種， 所述鐵磁材料包括F^lPt 50、 Fe5oPd5o^ C^o5oPt5o、 (Ho50Pd50 禾口 / 或 Fe50Ni500
通過(guò)垂直自由磁性層342的晶體結(jié)構(gòu)，S卩，垂直自由磁性層342的HCP晶格結(jié) 構(gòu)，垂直自由磁性層342可以具有高垂直磁各向異性。在該說(shuō)明書(shū)中，垂直磁各向異性 指在垂直于襯底310的平面的方向上的磁各向異性?？梢栽鰪?qiáng)包括垂直自由磁性層342的 磁存儲(chǔ)器件的可靠性，并且可以通過(guò)高垂直磁各向異性來(lái)降低磁存儲(chǔ)器的操作功率。具 體地，可以通過(guò)垂直自由磁性層342，將傳輸穿過(guò)垂直自由磁性層342的電子中的許多電 子的自旋方向?qū)?zhǔn)到垂直于襯底310的平面的方向上。因此，傳輸穿過(guò)垂直自由磁性層 342的電子中的許多電子基本上可以被用在磁存儲(chǔ)器件的寫(xiě)操作中。因此，可以增強(qiáng)磁存 儲(chǔ)器件的可靠性，并且可以使用相對(duì)少量的開(kāi)關(guān)電流來(lái)操作磁存儲(chǔ)器件。
下交換耦合控制層344可以被布置在垂直自由磁性層342上。下交換耦合控制層 344可以包括具有大的交換耦合常數(shù)的磁性材料或可以增加表面磁各向異性的非磁材料。 例如，下交換耦合控制層344可以包括具有大交換耦合常數(shù)的鐵(Fe)、鈷(Co)和/或鎳 (Ni)中的至少一種。下交換耦合控制層344可以進(jìn)一步包括鉬(Pt)。下交換耦合控制 層344的厚度可以在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)。下交換耦合控制層344可以 增強(qiáng)將描述的垂直自由磁性層342和結(jié)自由磁性層348之間的交換耦合。因?yàn)榇怪弊杂?磁性層342在垂直于襯底310的平面的方向上具有高磁各向異性，因此通過(guò)垂直自由磁性 層342和下交換耦合控制層344交換耦合的結(jié)自由磁性層348在垂直于襯底310的平面的 方向上也可以具有高磁各向異性。
對(duì)于另一示例，下交換耦合控制層344可以包括從包括過(guò)渡金屬的金屬元素中 選擇的至少一種。下交換耦合控制層344可以包括從包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠 (Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)和/或鉬(Pt)的非磁性 金屬中選擇的至少一種。因此，下交換耦合控制層344可以增加相鄰磁性層的表面的垂22直磁各向異性。
在一實(shí)施例中，下交換耦合控制層344可以進(jìn)一步包括在下交換耦合控制層344 的表面上的氧化物層。該氧化物層可以是構(gòu)成下交換耦合控制層344的表面的材料的氧 化物。
結(jié)自由磁性層348可以被布置在下交換耦合控制層344上。通過(guò)下交換耦合控 制層344和/或垂直自由磁性層342，結(jié)自由磁性層348可以具有高垂直各向異性。例 如，可以通過(guò)具有高垂直各向異性的垂直自由磁性層342和下交換耦合控制層344來(lái)強(qiáng)交 換耦合結(jié)自由磁性層；348。對(duì)于另一示例，可以通過(guò)包括非磁性金屬的下交換耦合控制層 344來(lái)增強(qiáng)結(jié)自由磁性層348的表面的垂直磁各向異性。
結(jié)自由磁性層348可以包括軟磁材料。結(jié)自由磁性層348可以具有低阻尼常數(shù) 和高自旋極化率。例如，結(jié)自由磁性層348可以包括鈷(Co)原子、鐵(Fe)原子、和/ 或鎳(Ni)原子。結(jié)自由磁性層348可以進(jìn)一步包括包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦 (Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、硅(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)和 / 或氮(N)的 非磁性材料中的至少一種。具體地，結(jié)自由磁性層348可以包括CoFe和/或Nffe，并 且可以進(jìn)一步包括硼(B)。為了進(jìn)一步減小結(jié)自由磁性層348的飽和磁化強(qiáng)度，結(jié)自由 磁性層348可以進(jìn)一步包括從由鈦(Ti)、鋁(Al)、硅、鎂(Mg)、鉭(Ta)和/或硅組成的組中選擇的至少一種。隨著飽和磁化強(qiáng)度的減小，可以減少包括結(jié)自由磁性 層348的磁存儲(chǔ)器單元的開(kāi)關(guān)電流。
盡管未示出，結(jié)自由磁性層348可以包括多個(gè)磁性層。例如，結(jié)自由磁性層348 可以包括在下交換耦合磁性層344上順序堆疊的第一自由鐵磁層、自由非磁性層以及第 二自由鐵磁層，即合成反鐵磁6AF)層。結(jié)自由磁性層348可以包括各種形狀的具有可 變磁化方向的磁性層。
可以改變構(gòu)成自由磁性物質(zhì)340的多個(gè)層中的至少一個(gè)層的磁化方向。例如， 結(jié)自由磁性層348可以具有可變磁化方向。通過(guò)從結(jié)自由磁性層348的外部提供的電和 /或磁因素，可以將結(jié)自由磁性層348的磁化方向改變成垂直于襯底310的第一方向或反 平行于該第一方向的第二方向。
隧道勢(shì)壘350可以被布置在自由磁性物質(zhì)340上。隧道勢(shì)壘350可以具有薄于自 旋擴(kuò)散距離的厚度。隧道勢(shì)壘350可以包括非磁性材料。在一些實(shí)施例中，隧道勢(shì)壘350 可以由絕緣材料層形成。例如，隧道勢(shì)壘350可以包括從由鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧 化鎂(MgO)/鎂(Mg)、和/或鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)組成的組中選擇的至少一種。
基準(zhǔn)磁性物質(zhì)360可以被形成在隧道勢(shì)壘350上?；鶞?zhǔn)磁性物質(zhì)360可以包括 在隧道勢(shì)壘350上順序堆疊的結(jié)基準(zhǔn)磁性層361、上交換耦合控制層362、和垂直基準(zhǔn)磁 性層363?？梢栽诖怪被鶞?zhǔn)磁性層363上交替堆疊多個(gè)上基準(zhǔn)非磁性層364和基準(zhǔn)鐵磁層 365。
結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以包括軟磁材料。例如，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361包括鈷(Co)、 鐵(Fe)和/或鎳(Ni)，并且可以確定原子的含量使得可以降低結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的飽和 磁化強(qiáng)度。結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以具有低阻尼常數(shù)和高自旋極化率。為此，結(jié)基準(zhǔn)磁性 層361可以進(jìn)一步包括包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、硅(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中的至少一種。 例如，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以進(jìn)一步包括硼。此外， 結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以進(jìn)一步包括從包括鈦(Ti)、鋁(Al)、硅、鎂(Mg)和/或鉭 (Ta)的非磁性元素中選擇的至少一種。結(jié)基準(zhǔn)磁性層361中的選擇的非磁性元素的含量 可以在約原子百分比至約15%原子百分比的范圍內(nèi)。
結(jié)自由磁性層348、隧道勢(shì)壘350和結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以構(gòu)成磁性隧道結(jié)。根 據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器單元可以通過(guò)使用構(gòu)成磁性隧道結(jié)的兩種磁性物質(zhì)， 結(jié)自由磁性層348和結(jié)基準(zhǔn)磁性層361，的磁化方向彼此平行還是反平行的電阻值的差來(lái) 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。具體地，根據(jù)傳輸穿過(guò)磁性隧道結(jié)的電子的方向，可以改變結(jié)自由磁性層348 的磁化方向。
例如，當(dāng)電子在從結(jié)自由磁性層348到結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的方向上移動(dòng)時(shí)，具有 在平行于結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的磁化方向的第一方向上的自旋的電子可以傳輸穿過(guò)結(jié)基準(zhǔn) 磁性層361，而具有在反平行于結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的磁化的第二方向上的自旋的電子不可 傳輸穿過(guò)結(jié)基準(zhǔn)磁性層361 (例如反射)并且被傳送到結(jié)自由磁性層348。通過(guò)具有第二 方向上的自旋的電子，結(jié)自由磁性層348的磁化方向可以是第二方向。因此，結(jié)基準(zhǔn)磁 性層361和結(jié)自由磁性層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 化方向的磁性物質(zhì)構(gòu)成的磁性隧道結(jié)可以具有相對(duì)高的電阻值。在本實(shí)施例中，第一方 向和第二方向可以是基本上垂直(正交)于襯底310的平面的方向。
對(duì)于另一示例，當(dāng)電子從結(jié)基準(zhǔn)磁性層361移動(dòng)到結(jié)自由磁性層348時(shí)，傳輸穿 過(guò)結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的具有在第一方向上的自旋的電子可以到達(dá)結(jié)自由磁性層348。通過(guò) 已經(jīng)到達(dá)結(jié)自由磁性層348的具有在第一方向上的自旋的電子，可以將結(jié)自由磁性層348 的磁化方向改變成第一方向。因此，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361和結(jié)自由磁性層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質(zhì)構(gòu)成的磁性隧道結(jié)可以具 有相對(duì)低的電阻值。
以該方式，磁性隧道結(jié)的電阻值可以根據(jù)流過(guò)磁性隧道結(jié)的電子的方向而變 化。通過(guò)使用電阻值的差，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁存儲(chǔ)器單元中。
上交換耦合控制層362可以被布置在結(jié)基準(zhǔn)磁性層361上。上交換耦合控制層 362可以包括例如鐵磁金屬的具有大的交換耦合常數(shù)的材料、或例如非磁性金屬的可以控 制相鄰磁性物質(zhì)的定向的材料。例如，上交換耦合控制層362可以包括從由鐵(Fe)、 鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種。對(duì)于另一示例，上交換耦合控制層 364可以包括從由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁 (Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)和/或鉬(Pt)組成的組中選擇的至少一種。在一些實(shí)施例中， 上交換耦合控制層362可以進(jìn)一步包括在上交換耦合控制層362的表面上的氧化物層。該 氧化物層可以是通過(guò)上交換耦合控制層362的一些的氧化形成的層。上交換耦合控制層 362的功能和構(gòu)成可以與下交換耦合控制層344的功能和構(gòu)成基本上相同。
垂直基準(zhǔn)磁性層363可以被布置在上交換耦合控制層362上。垂直基準(zhǔn)磁性層 363可以包括鐵磁材料。構(gòu)成垂直基準(zhǔn)磁性層363的原子可以構(gòu)成具有基本上垂直于襯底 310的平面的易磁化軸的晶體結(jié)構(gòu)。例如，垂直基準(zhǔn)磁性層363可以包括鈷(Co)和/或 鉬(Pt)有序合金或無(wú)序合金，并且HCP晶格的c軸可以垂直于襯底310的平面。因此，可以顯著地增強(qiáng)垂直基準(zhǔn)磁性層363的垂直各向異性。垂直基準(zhǔn)磁性層363可以進(jìn)一步 包括從由硼(B)、鉻(Cr)、硅和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
上基準(zhǔn)磁性層364、365可以被布置在上交換耦合控制層363上。上基準(zhǔn)磁性層 364、365可以包括交替堆疊的基準(zhǔn)非磁性層364和基準(zhǔn)鐵磁層365。基準(zhǔn)非磁性層364可 以包括從由鐵(Fe)、鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種，而基準(zhǔn)鐵磁層 365可以包括從由鉻(Cr)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸 (Re)、金(Au)和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。例如，上基準(zhǔn)磁性層364、 365可以包括[Co/:Pb]n、[Co/Pt]n或[Ni/Pt]n (η是2或更大的自然數(shù))?；鶞?zhǔn)非磁性層 364和基準(zhǔn)鐵磁層365的堆疊數(shù)目可以在約2次至約11次的范圍內(nèi)?；鶞?zhǔn)鐵磁層365可 以被形成有非常薄的厚度。例如，基準(zhǔn)鐵磁層365可以被形成有原子層厚度?；鶞?zhǔn)鐵磁 層365的磁化方向可以垂直于襯底310的平面。
可以以不同的形狀來(lái)布置上基準(zhǔn)磁性層364、365。例如，上基準(zhǔn)磁性層364、 365可以包括在垂直基準(zhǔn)磁性層363上順序堆疊的第一基準(zhǔn)鐵磁層、基準(zhǔn)非磁性層和第二 基準(zhǔn)鐵磁層，即合成反鐵磁(SAF)層。
覆蓋層370可以被布置在上基準(zhǔn)磁性層364、365上。覆蓋層370可以包括從由 鉭( )、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)和/或氮化鈦 (TiN)組成的組中選擇的至少一種。
參考圖7和圖8，將描述用于形成根據(jù)本發(fā)明原理的第三實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的 方法?？梢允÷詤⒖紙D7先前所述的描述。
參考圖8，在襯底310上形成下電極320。下電極320可以包括金屬或金屬化合 物。
籽晶層330被形成在下電極320上。籽晶層330可以包括具有HCP晶格或FCC 晶格的金屬。例如，籽晶層330可以包括從由釕(Ru)、鈦(Ti)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、金 (Au)、銀(Ag)、銅(Cu)和/或鋁(Al)組成的組中選擇的至少一種。籽晶層330可以被 形成有相對(duì)薄的厚度。例如，籽晶層330可以被形成為具有在約2A (埃)至約20A (埃) 的范圍內(nèi)的厚度。
在籽晶層330上形成垂直自由磁性層342。垂直自由磁性層342的晶體結(jié)構(gòu)可以 與籽晶層330的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。例如，垂直自由磁性層342可以被形成有等同于籽晶層 330的晶體結(jié)構(gòu)的HCP晶格。垂直自由磁性層342可以包括鈷(Co)和/或鉬(Pt)。垂 直自由磁性層342可以包括鈷(Co)和鉬(Pt)的有序合金或無(wú)序合金。
可以通過(guò)相對(duì)低溫工藝來(lái)形成將籽晶層330用作籽晶生長(zhǎng)的垂直自由磁性層 342。例如，可以在室溫下沉積通過(guò)將籽晶層330用作籽晶形成的垂直自由磁性層342。
在磁性物質(zhì)的磁化方向垂直于襯底的磁存儲(chǔ)器件的情況下，使用具有大的垂直 各向異性的晶體結(jié)構(gòu)的磁性物質(zhì)，例如，由LlO有序合金構(gòu)成的鐵磁物質(zhì)。為了通過(guò)LlO 有序合金形成鐵磁物質(zhì)，可能需要包括具有FCC晶格的鉻(Cr)籽晶層和具有BCC晶格 的鉬(Pt)籽晶層的多個(gè)籽晶層。比單個(gè)籽晶層更厚地形成多個(gè)層。因此，可能增加包 括該籽晶層的器件的大小。在籽晶層的圖案化工藝期間，可以由于籽晶層的蝕刻副產(chǎn)品 而污染其他磁性層和絕緣層。具體地，當(dāng)由于籽晶層的蝕刻副產(chǎn)品而污染稍后所述的隧 道勢(shì)壘時(shí)，在隧道勢(shì)壘上可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象而降低存儲(chǔ)器的功能。此外，使用400°C或更高的高溫沉積工藝和/或使用600°C或更高的高溫退火工藝可以形成LlO有序合金。
相反，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)施例來(lái)形成具有HCP晶格的垂直自由磁性層342 時(shí)，籽晶層330可能被形成為單個(gè)層。因此，籽晶層330的厚度可以比多個(gè)層的厚度薄。 垂直自由磁性層342的晶體結(jié)構(gòu)可能具有對(duì)籽晶層330的高依賴(lài)性。因此，即使在低工 藝溫度下，根據(jù)發(fā)明原理的實(shí)施例的垂直自由磁性層342也可以與籽晶層330的晶體結(jié)構(gòu) 對(duì)準(zhǔn)。即，高溫沉積工藝或高溫退火工藝可能不是必要的。
下交換耦合控制層344可以被形成在垂直自由磁性層342上。下交換耦合控制 層344可以包括具有大的交換耦合常數(shù)的鐵磁金屬，例如，從包括鐵(Fe)、鈷(Co)和/ 或鎳(Ni)的金屬中選擇的至少一種。相反，下交換耦合控制層344可以包括非磁性材 料，所述非磁性材料可以增強(qiáng)相鄰磁性物質(zhì)的表面磁各向異性，或者控制將在下交換耦 合控制層344上形成的磁性物質(zhì)的晶向。例如，下交換耦合控制層344可以包括從由鈦 (Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀 (Pd)和/或鉬(Pt)組成的組中選擇的至少一種。在一些實(shí)施例中，可以氧化下交換耦合 控制層344的表面。用于氧化的工藝可以包括在形成下交換耦合控制層344之前將極少 量氧注入室中，在該室中，加載其中已經(jīng)形成垂直自由磁性層342的產(chǎn)品；或者通過(guò)在 形成具有原子層厚度的下交換耦合控制層344之后通過(guò)將極少量氧注入室中來(lái)形成氧化 層，隨后形成剩余的下交換耦合控制層344。
結(jié)自由磁性層348可以被形成在下交換耦合控制層344上。通過(guò)垂直自由磁性 層342和/或下交換耦合控制層344，可以增強(qiáng)結(jié)自由磁性層348的垂直各向異性。具 體地，通過(guò)下交換耦合控制層344的晶體結(jié)構(gòu)，可以防止和/或減少結(jié)自由磁性層348結(jié) 晶為垂直自由磁性層342的晶體結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)省略下交換耦合控制層344時(shí)，通過(guò)加 熱工藝，以非晶狀態(tài)形成的結(jié)自由磁性層348可以被結(jié)晶成垂直自由磁性層342的晶體結(jié) 構(gòu)。在該情況下，通過(guò)垂直自由磁性層342的晶體結(jié)構(gòu)，S卩，除BCC結(jié)構(gòu)的(001)晶面 外的(011)晶面，可以對(duì)準(zhǔn)結(jié)自由磁性層348的晶體結(jié)構(gòu)，并且然后可以減小包括結(jié)自由 磁性層348的磁性隧道結(jié)的磁阻比。然而，因?yàn)橥ㄟ^(guò)下交換耦合控制層344使垂直自由 磁性層342與結(jié)自由磁性層348分開(kāi)，因此結(jié)自由磁性層348的晶體結(jié)構(gòu)可不與垂直自由 磁性層342的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。因此，可以增強(qiáng)磁性隧道結(jié)的磁阻比。
再次參考圖7，可以在結(jié)自由磁性層348上形成隧道勢(shì)壘350。隧道勢(shì)壘可以包 括從由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)和/或鎂-硼(MgB)的氧化物、和 /或鈦(Ti)和/或釩(V)的氮化物組成的組中選擇的至少一種。例如，隧道勢(shì)壘350可 以是氧化鎂(MgO)層。相反，隧道勢(shì)壘350可以包括多個(gè)層。例如，隧道勢(shì)壘可以包 括鎂(Mg) /氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO) /鎂(Mg)、和/或鎂(Mg) /氧化鎂(MgO) / 鎂(Mg)。隧道勢(shì)壘350可以通過(guò)如下步驟形成在結(jié)自由磁性層348上沉積金屬氧化物 或金屬氮化物；或在結(jié)自由磁性層348上形成金屬層，并且然后氧化該金屬層。在實(shí)施 例中，隧道勢(shì)壘350可以具有預(yù)定晶體結(jié)構(gòu)。例如，隧道勢(shì)壘350可以具有NaCl型晶體 結(jié)構(gòu)(面心立方晶格結(jié)構(gòu))。
結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以被形成在隧道勢(shì)壘350上。結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以具有 相對(duì)低的飽和磁化強(qiáng)度。結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以包括軟磁材料。結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以 進(jìn)一步包括非磁材料。結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以具有等同于結(jié)自由磁性層348的磁性屬性的磁性屬性。相反，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以具有不同于結(jié)自由磁性層348的磁性屬性的 磁性屬性。例如，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的厚度與結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的飽和磁化強(qiáng)度的乘積 可以大于結(jié)自由磁性層348的厚度和結(jié)自由磁性層348的飽和磁化強(qiáng)度的乘積。
結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的晶體結(jié)構(gòu)可以與隧道勢(shì)壘350對(duì)準(zhǔn)。例如，當(dāng)隧道勢(shì)壘350 由具有平行于襯底310的平面的NaCl (面心立體晶格)結(jié)構(gòu)的(001)晶面的氧化鎂(MgO) 形成時(shí)，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以與隧道勢(shì)壘350的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。因此，可以增強(qiáng)結(jié)基 準(zhǔn)磁性層361的垂直磁各向異性。通過(guò)加熱工藝可以執(zhí)行結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的結(jié)晶。
上交換耦合控制層362可以被形成在結(jié)基準(zhǔn)磁性層361上。上交換耦合控制層 362可以包括具有大的交換耦合常數(shù)的磁性材料。因此，可以增強(qiáng)垂直基準(zhǔn)磁性層363與 磁結(jié)基準(zhǔn)磁性層361間的交換耦合，以增加結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的垂直磁各向異性。上交換 耦合控制層362可以用作籽晶層，并且可以對(duì)準(zhǔn)使得垂直基準(zhǔn)磁性層363的易磁化軸垂直 于襯底310的平面。在一些實(shí)施例中，可以氧化上交換耦合控制層362的表面。用于氧 化的工藝可以包括在形成上交換耦合控制層362之前將極少量氧注入室中，在該室中， 加載其中已經(jīng)形成上結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的產(chǎn)品；或者通過(guò)在形成具有原子層厚度的上交 換耦合控制層362之后將極少量氧注入室中來(lái)形成氧化層，然后形成其余的上交換耦合 控制層362。
可以在結(jié)基準(zhǔn)磁性層361上形成垂直基準(zhǔn)磁性層363。垂直基準(zhǔn)磁性層363可 以是非晶鐵磁層。例如，垂直基準(zhǔn)磁性層363可以由非晶鈷(Co)和/或鉬(Pt)合金形 成。垂直基準(zhǔn)磁性層363可以包括從由硼(B)、鉻(Cr)、硅和/或銅(Cu)組成的 組中選擇的至少一種。
可以在垂直基準(zhǔn)磁性層363上形成上基準(zhǔn)磁性層364、365?？梢詫⒒鶞?zhǔn)非磁性 層365和基準(zhǔn)鐵磁層365交替堆疊多次以形成上基準(zhǔn)磁性層364、365。基準(zhǔn)鐵磁層365 可以被形成有非常薄的厚度。例如，基準(zhǔn)鐵磁層365可以被形成有原子層厚度。
可以以各種形式形成上基準(zhǔn)磁性層364、365。例如，上基準(zhǔn)磁性層364、365可 以包括在垂直基準(zhǔn)磁性層363上順序堆疊的第一基準(zhǔn)鐵磁層、基準(zhǔn)非磁性層以及第二基 準(zhǔn)鐵磁層，即，合成反鐵磁6AF)層。
當(dāng)將垂直基準(zhǔn)磁性層363和/或上交換耦合控制層362插入在基準(zhǔn)非磁性層364 和結(jié)基準(zhǔn)磁性層361之間時(shí)，可以增強(qiáng)包括結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的磁性隧道結(jié)的磁阻比。具 體地，當(dāng)基準(zhǔn)非磁性層364直接形成在結(jié)基準(zhǔn)磁性層361上時(shí)，在加熱工藝期間，構(gòu)成基 準(zhǔn)非磁性層364的金屬可以與構(gòu)成基準(zhǔn)磁性層361的材料反應(yīng)，以形成不具有磁性屬性的 層。由該不具有磁性屬性的層，會(huì)顯著地降低磁性隧道結(jié)的磁阻比。
在一些實(shí)施例中，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361可以被薄薄地形成有等于或小于預(yù)定臨界 厚度的厚度。在該情況下，可以通過(guò)與基準(zhǔn)非磁性層364反應(yīng)來(lái)消耗結(jié)基準(zhǔn)磁性層361， 以便降低磁阻比。相反，因?yàn)楦鶕?jù)發(fā)明原理的實(shí)施例，在垂直基準(zhǔn)磁性層361和基準(zhǔn)非 磁性層364之間形成垂直基準(zhǔn)磁性層363和/或上交換耦合控制層362，可以不形成不具 有磁性屬性的層。因此，結(jié)基準(zhǔn)磁性層361沒(méi)有被不必要地消耗。因此，可以增強(qiáng)包括 結(jié)基準(zhǔn)磁性層361的磁性隧道結(jié)的磁阻比。
覆蓋層370可以被形成在上基準(zhǔn)磁性層364、365上。覆蓋層370可以包括從由 鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、和/或氮化鈦(TiN)組成的組中選擇的至少一種。
可以圖案化在襯底310上堆疊的層。在堆疊從下電極310到覆蓋層370的所有 層之后執(zhí)行圖案化，或者可以在堆疊其他層之前，執(zhí)行一些層的圖案化。可以使用離子 束工藝和/或光刻工藝來(lái)執(zhí)行圖案化。圖案化可以包括執(zhí)行各向異性蝕刻過(guò)程。
(第四實(shí)施例)
參考圖10，將描述根據(jù)發(fā)明原理的第四實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件。下電極420被布 置在襯底410上。襯底410可以包括導(dǎo)電區(qū)和/或絕緣區(qū)。下電極420可以被電連接到 襯底410中的導(dǎo)電區(qū)。
籽晶層430被布置在下電極420上。籽晶層430可以包括構(gòu)成HCP晶格的金屬 原子。HCP c軸可以基本上垂直于襯底410的平面。
基準(zhǔn)磁性物質(zhì)440可以被布置在籽晶層430上。基準(zhǔn)磁性物質(zhì)440可以包括在 籽晶層430上順序堆疊的垂直基準(zhǔn)磁性層442、下交換耦合控制層444和/或結(jié)基準(zhǔn)磁性 層 448。
垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括鐵磁材料。垂直基準(zhǔn)磁性層442可以具有在垂直于 襯底410的方向上的易磁化軸。例如，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括六方緊密堆積(HCP) 晶格。如圖9中所示，垂直基準(zhǔn)磁性層442的六方緊密堆積(HCP)晶格可以包括a軸、 b軸和c軸。構(gòu)成垂直基準(zhǔn)磁性層442的HCP晶格的c軸可以基本上平行于構(gòu)成籽晶層 430的c軸。構(gòu)成垂直基準(zhǔn)磁性層442的HCP晶格的c軸可以基本上垂直于襯底410的 平面。垂直基準(zhǔn)磁性層442的易磁化軸可以是c軸。因此，垂直基準(zhǔn)磁性層442的磁化 方向可以垂直于襯底410。
在一個(gè)實(shí)施例中，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括具有在約10%原子百分比至約 45%原子百分比的范圍內(nèi)的鉬含量的鈷-鉬(CoPt)無(wú)序合金。垂直基準(zhǔn)磁性層442的鉬 原子含量可以在約20%原子百分比至約30%原子百分比的范圍中。垂直基準(zhǔn)磁性層442 可以進(jìn)一步包括非磁材料。例如，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以進(jìn)一步包括從由硼(B)、鉻 (Cr)和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
在另一實(shí)施例中，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括是有序合金的Co3Pt。垂直基準(zhǔn) 磁性層442可以進(jìn)一步包括非磁材料。例如，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以進(jìn)一步包括從由 硼(B)、鉻(Cr)和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
在又一另外實(shí)施例中，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括多個(gè)層。在該情況下，垂 直基準(zhǔn)磁性層442可以包括在籽晶層430上順序堆疊的具有HCP晶格的第一基準(zhǔn)鐵磁層 以及在第一基準(zhǔn)鐵磁層上的第二基準(zhǔn)鐵磁層。第一基準(zhǔn)鐵磁層可以是從前述的垂直基準(zhǔn) 磁性層442的各個(gè)實(shí)施例中選擇的一個(gè)，而第二基準(zhǔn)鐵磁層可以是包括從由鐵(Fe)、鈷 (Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種和從稀土金屬中選擇的至少一種的合金。 例如，稀土金屬可以是從由鋱(Tb)、鏑(Dy)和/或釓(Gd)組成的組中選擇的至少一 種。相反，第二基準(zhǔn)鐵磁層可以是從具有LlO晶體結(jié)構(gòu)的鐵磁材料中選擇的至少一種， 所述鐵磁材料包括 Fe5tlPt5tl、Fe50Pd50^ Co50Pt50^ Co50Pd50> 和 / 或 Fe5tlNi5tl。通過(guò)垂直基 準(zhǔn)磁性層442的HCP結(jié)構(gòu)，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以具有高垂直各向異性。因此，可以 提高包括垂直基準(zhǔn)磁性層442的磁存儲(chǔ)器件的電阻擴(kuò)散和開(kāi)關(guān)電流屬性。
下交換耦合控制層444可以被布置在垂直基準(zhǔn)磁性層442上。下交換耦合控制層444可以包括具有大的交換耦合常數(shù)的磁性材料或可以增加表面磁各向異性的非磁材料。 例如，下交換耦合控制層444可以包括來(lái)自具有大的交換耦合常數(shù)的鐵(Fe)、鈷(Co)和 /或鎳(Ni)中的至少一種。下交換耦合控制層444可以進(jìn)一步包括鉬(Pt)。下交換耦合 控制層444的厚度可以在約2A (埃)至約20A (埃)的范圍內(nèi)。下交換耦合控制層444 可以增強(qiáng)稍后將描述的垂直基準(zhǔn)磁性層442和結(jié)基準(zhǔn)磁性層448之間的交換耦合。因?yàn)?如前所述垂直基準(zhǔn)磁性層442具有高垂直各向異性，通過(guò)垂直基準(zhǔn)磁性層442和下交換耦 合控制層444交換耦合的結(jié)基準(zhǔn)磁性層448也可以具有高垂直各向異性。
對(duì)另一示例，下交換耦合控制層444可以包括從包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕 (Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)和 / 或鉬(Pt) 的非磁性金屬中選擇的至少一種。非磁性金屬可以控制相鄰磁性層的晶體結(jié)構(gòu)的定向。 在一些實(shí)施例中，下交換耦合控制層444可以進(jìn)一步包括在下交換耦合控制層444的表面 上的氧化層。該氧化層可以是對(duì)下交換耦合控制層444的表面進(jìn)行氧化的層。通過(guò)下交 換耦合控制層444，可以增強(qiáng)相鄰磁性層的表面磁各向異性。
可以在結(jié)基準(zhǔn)磁性層448上形成隧道勢(shì)壘450。隧道勢(shì)壘450可以包括從由鎂 (Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)和/或鎂硼(MgB)的氧化物、和/或鈦(Ti) 和/或釩(V)的氮化物組成的組中選擇的至少一種。隧道勢(shì)壘450可以包括多個(gè)層。例 如，隧道勢(shì)壘450可以包括鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)、和/或 鎂(Mg) / 氧化鎂(MgO) / 鎂(Mg)。
自由磁性物質(zhì)460可以被布置在隧道勢(shì)壘450上。自由磁性物質(zhì)460可以包括 接觸隧道勢(shì)壘450的結(jié)自由磁性層461、結(jié)自由磁性層461上的交換耦合控制層463以及 在上交換耦合控制層463上的上自由磁性層466。
結(jié)自由磁性層461可以包括軟磁材料。結(jié)自由磁性層461可以具有低飽和磁化 強(qiáng)度。結(jié)自由磁性層461還可以具有低阻尼常數(shù)和高自旋極化率。結(jié)自由磁性層461可 以包括從由鈷(Co)、鐵(Fe)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種。結(jié)自由磁性 層461可以進(jìn)一步包括包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、硅 (Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)和/或氮(N)的非磁性材料中的至少一種。
例如，結(jié)自由磁性層461可以包括CoFe和/或NiFe，并且可以進(jìn)一步包括硼 (B)0此外，結(jié)自由磁性層461可以進(jìn)一步包括從包括鈦(Ti)、鋁(Al)、硅60、鎂 (Mg)和/或鉭( )的非磁性材料中的至少一種。在結(jié)自由磁性層461中的選擇的非磁 性元素的含量可以在約原子百分比至約15%原子百分比的范圍內(nèi)。
上交換耦合控制層463可以被布置在結(jié)自由磁性層461上。上交換耦合控制層 463可以包括具有大的交換耦合常數(shù)的材料，例如，鐵磁材料，或可以增加相鄰磁性物質(zhì) 的定向和垂直各向異性的材料，例如，非磁性金屬。例如，上交換耦合控制層463可以 包括從由鐵(Fe)、鈷(Co)和/或鎳(Ni)組成的組中選擇的至少一種。對(duì)于另一示例， 上交換耦合控制層463可以包括從由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅 (Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)和/或鉬(Pt)組成的組中選擇的至少一種。在一些實(shí) 施例中，上交換耦合控制層463可以進(jìn)一步包括接觸上交換耦合控制層463的氧化層。該 氧化層可以是上交換耦合控制層463的一些的氧化。
上自由磁性層466可以包括單個(gè)磁性層或多個(gè)磁性層。例如，上自由磁性層466可以包括在上交換耦合控制層463上順序堆疊的第一自由鐵磁層、自由非磁性層和第二 自由鐵磁層，即，合成反鐵磁6AF)層。上自由磁性層466可以包括各個(gè)形狀的具有可 變的磁化方向的磁性層。
覆蓋層470可以被布置在上自由磁性層466上。覆蓋層可以包括從由鉭(Ta)、 鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、和/或氮化鈦(TiN)組 成的組中選擇的至少一種。
參考圖10，將描述用于形成根據(jù)發(fā)明原理的第四實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器件的方法。 為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，可以省略先前所述的元件的進(jìn)一步論述。
再次參考圖10，在襯底410上形成下電極420和籽晶層430。籽晶層430可以 包括具有HCP晶格或FCC晶格的金屬。例如，籽晶層430可以包括從由釕(Ru)、鈦 (Ti)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)和/或鋁(Al)組成的組中選擇的 至少一種。籽晶層430可以被形成有相對(duì)薄的厚度。例如，籽晶層430可以被形成為具 有在約IOA (埃)至約100A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。
在籽晶層430上形成垂直基準(zhǔn)磁性層442。垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括對(duì)籽晶 層430具有大依賴(lài)性的材料。例如，垂直基準(zhǔn)磁性層442的晶體結(jié)構(gòu)可以與籽晶層430 的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。例如，可以沿著籽晶層430的c軸生長(zhǎng)垂直基準(zhǔn)磁性層442。因此， 通過(guò)將籽晶層430用作籽晶生長(zhǎng)的垂直基準(zhǔn)磁性層442可以通過(guò)相對(duì)低溫的工藝來(lái)形成。
例如，垂直基準(zhǔn)磁性層442可以包括鈷(Co)和/或鉬(Pt)。垂直基準(zhǔn)磁性層 442可以包括根據(jù)鈷(Co)和鉬(Pt)含量而有序的合金或無(wú)序的合金。例如，將籽晶層 330用作籽晶形成的垂直基準(zhǔn)磁性層442可以在室溫下進(jìn)行沉積。
可以在垂直磁性層442上形成下交換耦合控制層444。下交換耦合控制層444可 以包括具有大的交換耦合常數(shù)的鐵磁材料，例如從包括鐵(Fe)、鈷(Co)和或鎳(Ni)的 金屬中選擇的至少一種。相反，下交換耦合控制層444可以增加相鄰磁性物質(zhì)的表面磁 各向異性。例如，下交換耦合控制層444可以包括非磁性材料，例如，非磁性金屬元素 或過(guò)渡金屬。下交換耦合控制層444以包括從由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、 銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)和/或鉬(Pt)組成的組中選擇 的至少一種。
在一些實(shí)施例中，可以對(duì)下交換耦合控制層444的表面進(jìn)行氧化。用于氧化 的工藝可以包括在形成下交換耦合控制層444之前將極少量氧注入室中，在該室中加載 其中已經(jīng)形成垂直磁性層442的產(chǎn)品，或者，通過(guò)在形成具有原子層厚度的下交換耦合 控制層444之后將極少量氧注入室中來(lái)形成氧化層，然后形成其余的下交換耦合控制層 444。
可以在下交換耦合控制層444上形成結(jié)基準(zhǔn)磁性層448。通過(guò)垂直基準(zhǔn)磁性層 442和/或下交換耦合控制層444，可以增強(qiáng)結(jié)基準(zhǔn)磁性層448的垂直各向異性。
在結(jié)基準(zhǔn)磁性層448上形成隧道勢(shì)壘450。隧道勢(shì)壘450可以包括從由鎂(Mg)、 鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)和/或鎂-硼(MgB)的氧化物、和/或鈦(Ti)和/或 釩(V)的氮化物組成的組中選擇的至少一種。相反，隧道勢(shì)壘450可以包括多個(gè)層。例 如，隧道勢(shì)壘450可以包括鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)、和/或 鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)。在實(shí)施例中，隧道勢(shì)壘450可以具有NaCl型結(jié)構(gòu)30(體心立方晶格結(jié)構(gòu))。例如，隧道勢(shì)壘450可以包括氧化鎂(MgO)。
在隧道勢(shì)壘450上形成結(jié)自由磁性層461。結(jié)自由磁性層461可以具有相對(duì)低的 飽和磁化強(qiáng)度。結(jié)自由磁性層461可以進(jìn)一步包括非磁材料。可以以非晶狀態(tài)形成結(jié)自 由磁性層461。
可以在結(jié)自由磁性層461上形成上交換耦合控制層463。在一實(shí)施例中，結(jié)自由 磁性層461可以包括具有大的交換耦合常數(shù)的磁性材料。因此，當(dāng)稍后所述的結(jié)自由磁 性層461和上基準(zhǔn)磁性層466之間的交換耦合增加時(shí)，結(jié)自由磁性層461的垂直各向異性 增加。具體地，當(dāng)在結(jié)自由磁性層461上形成上交換耦合控制層時(shí)，結(jié)自由磁性層461 的晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)結(jié)晶成稍后所述的上自由磁性層466的晶體結(jié)構(gòu)，但可以與隧道勢(shì)壘450 的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)結(jié)自由磁性層461與隧道勢(shì)壘450的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，可以增強(qiáng)包 括結(jié)自由磁性層461的磁性隧道結(jié)的磁阻比。在實(shí)施例中，可以對(duì)上交換耦合控制層463 和結(jié)自由磁性層461之間的界面進(jìn)行氧化?？梢酝ㄟ^(guò)在形成上結(jié)自由磁性層461之后將 極少量氧注入室中，在該室中加載上面已經(jīng)形成上結(jié)自由磁性層461的產(chǎn)品，來(lái)執(zhí)行氧 化的工序；或，在形成具有原子層厚度的交換耦合控制層463之后將極少量氧注入室中 形成氧化物，然后形成其余交換耦合控制層463。
可以在上交換耦合控制層463上形成上自由磁性層466。上自由磁性層466可以 包括具有鐵磁材料的單個(gè)層，或者包括具有該單個(gè)層的多個(gè)層。在實(shí)施例中，上自由磁 化層466可以包括鐵磁層-反鐵磁層-鐵磁層結(jié)構(gòu)。
覆蓋層470可以被形成在上交換耦合控制層463上。覆蓋層470可以包括從由 鉭( )、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)和/或氮化鈦 (TiN)組成的組中選擇的至少一種。
根據(jù)發(fā)明原理的一些實(shí)施例，當(dāng)在垂直磁性層和結(jié)磁性層間插入非磁性層時(shí)， 能夠提高包括結(jié)磁性層的磁性隧道結(jié)的磁阻比和垂直磁化屬性。另外，在操作磁存儲(chǔ)器 件期間，開(kāi)關(guān)屬性能夠通過(guò)分別具有不同的鐵含量的自由磁性層和基準(zhǔn)磁性層來(lái)提高。 因此，磁存儲(chǔ)器件的可靠性能夠提高。
根據(jù)發(fā)明原理的其他實(shí)施例，磁性層能可以具有六方緊密堆積(HCP)晶格，該 六方緊密堆積(HCP)晶格具有垂直于襯底100的平面并且易磁化的軸。因此，能夠?qū)㈦?子的自旋方向排列成相對(duì)于襯底的垂直方向。因此，磁性隧道結(jié)的磁阻比能夠提高。另 外，能夠減小包括磁性隧道結(jié)的磁存儲(chǔ)器件的開(kāi)關(guān)電流。
上述公開(kāi)的主題將視為是說(shuō)明性的而不是限制性的，并且希望所附權(quán)利要求涵 蓋落在這里公開(kāi)的本發(fā)明原理的真正精神和范圍內(nèi)的所有這樣的修改、改進(jìn)和其他實(shí)施 例。因此，對(duì)于法律所容許的最大程度，將由所附權(quán)利要求及其等同物的最寬可容許解 釋來(lái)確定本發(fā)明原理的范圍，而不應(yīng)當(dāng)受上述詳細(xì)描述的限制或限定。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲(chǔ)器件，包括第一垂直磁性層；所述第一垂直磁性層上的非磁性層；所述非磁性層上的第一結(jié)磁性層，其中，所述非磁性層在所述第一垂直磁性層和所 述第一結(jié)磁性層之間；所述第一結(jié)磁性層上的隧道勢(shì)壘，其中，所述第一結(jié)磁性層在所述非磁性層和所述 隧道勢(shì)壘之間；所述隧道勢(shì)壘上的第二結(jié)磁性層，其中，所述隧道勢(shì)壘在所述第一結(jié)磁性層和所述 第二結(jié)磁性層之間；以及所述第二結(jié)磁性層上的第二垂直磁性層，其中，所述第二結(jié)磁性層在所述隧道勢(shì)壘 和所述第二垂直磁性層之間。
2.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層和所述第二垂直磁性 層的磁化方向相對(duì)于所述隧道勢(shì)壘的平面是正交的。
3.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述非磁性層是第一非磁性層，所述器件 進(jìn)一步包括在所述第二結(jié)磁性層和所述第二垂直磁性層之間的第二非磁性層。
4.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一結(jié)磁性層和/或所述第二結(jié)磁性 層包括第一晶體結(jié)構(gòu)，并且其中，所述第一垂直磁性層和/或所述第二垂直磁性層包括 不同于所述第一晶體結(jié)構(gòu)的第二晶體結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，在所述隧道勢(shì)壘和所述第一結(jié)磁性層之間 的界面處的所述隧道勢(shì)壘的晶面與在所述隧道勢(shì)壘和所述第一結(jié)磁性層之間的界面處的 所述第一結(jié)磁性層的晶面是相同的。
6.如權(quán)利要求5所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一晶體結(jié)構(gòu)是體心立方(BCC)晶 體結(jié)構(gòu)，并且所述晶面是(001)晶面。
7.如權(quán)利要求4所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第二晶體結(jié)構(gòu)是L10晶體結(jié)構(gòu)或六方 緊密堆積晶格。
8.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層和/或所述第二磁性 層包括交替堆疊多次的非磁性金屬層和鐵磁金屬層，并且所述鐵磁金屬層包括一個(gè)至數(shù) 個(gè)原子的厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一結(jié)磁性層和/或所述第二結(jié)磁性 層包括從由鈷(Co)、鐵(Fe)和/或鎳組成的組中選擇的至少一種以及非磁性元素。
10.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層和/或所述第二垂 直磁性層包括RE-TM合金。
11.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述非磁性層具有在約2A(埃)至約 20A (埃)的范圍內(nèi)的厚度。
12.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述非磁性層包括非磁性金屬。
13.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述非磁性層包括非磁性過(guò)渡金屬。
14.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層和所述第一結(jié)磁性 層通過(guò)所述非磁性層來(lái)進(jìn)行交換耦合。
15.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述非磁性層包括金屬化合物層，所述 金屬化合物層包括從由金屬氧化物、金屬氮化物、和/或金屬氮氧化物組成的組中選擇 的至少一種。
16.—種磁存儲(chǔ)器件，包括包括鐵(Fe)的自由磁性層；在所述自由磁性層上的隧道勢(shì)壘；以及在所述隧道勢(shì)壘上包括鐵(Fe)的基準(zhǔn)磁性層，其中，所述隧道勢(shì)壘在所述自由磁性 層和所述基準(zhǔn)磁性層之間，并且其中，所述自由磁性層中的鐵的濃度至少與在所述基準(zhǔn) 磁性層中的鐵的濃度一樣大。
17.如權(quán)利要求16所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述自由磁性層和/或所述基準(zhǔn)磁性層 包括從鈷(Co)和/或鎳(Ni)中選擇的至少一種。
18.如權(quán)利要求16所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述自由磁性層和/或所述基準(zhǔn)磁性層 包括非磁性元素。
19.如權(quán)利要求16所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述自由磁性層和所述基準(zhǔn)磁性層中的 每一個(gè)具有相對(duì)于所述隧道勢(shì)壘的平面正交的磁化方向。
20.如權(quán)利要求16所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述自由磁性層和所述基準(zhǔn)磁性層中的 每一個(gè)具有相對(duì)于所述隧道勢(shì)壘的平面平行的磁化方向。
21.—種磁存儲(chǔ)器件，包括襯底；在所述襯底上的第一磁性物質(zhì)，所述第一磁性物質(zhì)包括與所述襯底相鄰的具有六方 緊密堆積(HCP)晶格結(jié)構(gòu)的垂直磁性層；所述第一磁性物質(zhì)上的隧道勢(shì)壘，其中，所述第一磁性物質(zhì)在所述襯底和所述隧道 勢(shì)壘之間；以及所述隧道勢(shì)壘上的第二磁性物質(zhì)，其中，所述隧道勢(shì)壘在所述第一磁性物質(zhì)和所述 第二磁性物質(zhì)之間。
22.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述HCP晶格的c軸基本上相對(duì)于所 述襯底的平面是正交的。
23.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述c軸是所述垂直磁性層被容易地磁 化的軸。
24.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，進(jìn)一步包括具有HCP晶格結(jié)構(gòu)的籽晶層，其中，所述籽晶層在所述襯底和所述垂直磁性層之間。
25.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述垂直磁性層是第一垂直磁性層，并 且其中，所述第二磁性物質(zhì)包括具有HCP晶格結(jié)構(gòu)的第二垂直磁性層。
26.如權(quán)利要求25所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一磁性物質(zhì)包括與所述隧道勢(shì)壘 相鄰的第一磁性結(jié)層，其中，所述第一磁性結(jié)層在所述第一垂直磁性層和所述隧道勢(shì)壘 之間，其中，所述第二磁性物質(zhì)包括與所述隧道勢(shì)壘相鄰的第二磁性結(jié)層，并且其中， 所述第二磁性結(jié)層在所述隧道勢(shì)壘和所述第二垂直磁性層之間。
27.如權(quán)利要求26所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一磁性結(jié)層和所述第二磁性結(jié)層中的每一個(gè)包括軟磁材料。
28.如權(quán)利要求26所述的磁存儲(chǔ)器件，進(jìn)一步包括交換耦合控制層，所述交換耦合控制層在所述第一垂直磁性層與所述第一磁性結(jié)層 之間和/或在所述第二垂直磁性層與所述第二磁性結(jié)層之間。
29.如權(quán)利要求28所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述交換耦合控制層的晶體結(jié)構(gòu)與所述 第一磁性結(jié)層的晶體結(jié)構(gòu)和/或與所述第二磁性結(jié)層的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。
30.如權(quán)利要求26所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第二磁性物質(zhì)包括在所述第二垂直 磁性層上交替堆疊多次的非磁性層和鐵磁層。
31.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層包括具有在10% 原子百分比至45%原子百分比的范圍內(nèi)的鉬含量的無(wú)序鈷-鉬合金。
32.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層包括Co3Pt。
33.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一垂直磁性層進(jìn)一步包括從由硼 (B)、鉻(Cr)和/或銅(Cu)組成的組中選擇的至少一種。
34.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述隧道勢(shì)壘包括從由鎂(Mg)、鈦 (Ti)、鋁(A1)、鎂-鋅(MgZn)和/或鎂-硼(MgB)的氧化物、和/或鈦(Ti)和/或釩 的氮化物組成的組中選擇的至少一種。
35.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，進(jìn)一步包括在所述第二磁性物質(zhì)上的覆蓋層，其中，所述覆蓋層包括從由鉭(Ta)、鋁(A1)、銅 (Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、和/或氮化鈦(TiN)組成的組中選擇 的至少一種。
36.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，在所述磁存儲(chǔ)器件的操作期間，電流在 基本上相對(duì)于所述襯底的平面正交的方向上流動(dòng)。
37.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器件，其中，所述第一磁性層的磁化方向和/或所述 第二磁性層的磁化方向基本上相對(duì)于所述襯底的平面是正交的。
全文摘要
一種磁存儲(chǔ)器件可以包括第一垂直磁性層、在第一垂直磁性層上的非磁性層、以及在非磁性層上的第一結(jié)磁性層，其中，非磁性層在第一垂直磁性層和第一結(jié)磁性層之間。隧道勢(shì)壘可以在第一結(jié)磁性層上，其中，第一結(jié)磁性層在非磁性層和隧道勢(shì)壘之間。第二結(jié)磁性層可以在隧道勢(shì)壘上，其中，隧道勢(shì)壘在第一結(jié)磁性層和第二結(jié)磁性層之間，并且第二垂直磁性層可以在第二結(jié)磁性層上，其中，第二結(jié)磁性層在隧道勢(shì)壘和第二垂直磁性層之間。
文檔編號(hào)G11C11/15GK102024903SQ20101028280
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者吳世忠, 崔錫憲, 李將銀, 李濟(jì)珩, 林佑昶, 鄭峻昊, 金佑填 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社