具有垂直磁隧道結(jié)的磁存儲(chǔ)裝置制造方法
【專利摘要】提供了一種磁存儲(chǔ)裝置，所述磁存儲(chǔ)裝置可以包括通過(guò)隧道阻擋件彼此分隔開(kāi)的自由磁結(jié)構(gòu)和參考磁結(jié)構(gòu)。自由磁結(jié)構(gòu)可以包括交換耦合層以及通過(guò)交換耦合層彼此分隔開(kāi)的第一自由層和第二自由層。第一自由層可以設(shè)置在第二自由層和隧道阻擋件之間。第一自由層的厚度可以大于第一最大各向異性厚度，第一最大各向異性厚度是第一自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的厚度。第二自由層的厚度可以小于第二最大各向異性厚度，第二最大各向異性厚度是第二自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的厚度。具有不同厚度的兩個(gè)自由層的磁隧道結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)具有提高的MR比率和減小的切換電流的磁存儲(chǔ)裝置。
【專利說(shuō)明】具有垂直磁隧道結(jié)的磁存儲(chǔ)裝置
[0001] 本專利申請(qǐng)要求于2013年8月2號(hào)提交到韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的第10-2013-0091983 號(hào)韓國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該韓國(guó)專利申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用被全部包含于此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例涉及磁存儲(chǔ)裝置，具體地講，涉及具有垂直磁隧道結(jié)的 磁存儲(chǔ)裝置。

【背景技術(shù)】
[0003] 由于對(duì)具有快速操作速度和低功耗的電子裝置的增長(zhǎng)的需求，用在這些電子裝置 中的半導(dǎo)體器件也必須用低的操作電壓提供快速的操作速度。作為滿足這樣的需求的方 式，已經(jīng)提出了磁存儲(chǔ)裝置。例如，磁存儲(chǔ)裝置可以提供諸如低延遲（latency)和非易失性 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。因此，磁存儲(chǔ)裝置正在被認(rèn)為是新興的下一代存儲(chǔ)裝置。
[0004] 磁存儲(chǔ)裝置可以包括磁隧道結(jié)（MTJ)。磁隧道結(jié)可以包括兩個(gè)磁層和設(shè)置在兩個(gè) 磁層之間的隧道阻擋層。磁隧道結(jié)的電阻可以根據(jù)磁層的磁化方向而改變。例如，當(dāng)磁層 具有反平行的磁化方向時(shí)的磁隧道結(jié)的電阻可以比當(dāng)磁層具有平行磁化方向時(shí)的磁隧道 結(jié)的電阻高。這樣的電阻差異可以用于磁存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。然而，仍然需要進(jìn)行 更多的研究以能夠成功地并且有效地大批量制造磁存儲(chǔ)裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例提供了一種磁存儲(chǔ)裝置及其制造方法，在該磁存儲(chǔ)裝置 中，磁隧道結(jié)被構(gòu)造為具有提高的MR比率和/或減小的切換電流。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，一種磁存儲(chǔ)裝置可以包括彼此分隔開(kāi)的自由磁結(jié) 構(gòu)和參考磁結(jié)構(gòu)，并且隧道阻擋件設(shè)置在它們之間。自由磁結(jié)構(gòu)可以包括交換耦合層以及 在交換耦合層的相反側(cè)上彼此分隔開(kāi)的第一自由層和第二自由層，并且第一自由層可以設(shè) 置在第二自由層和隧道阻擋件之間。第一自由層的厚度可以大于第一最大各向異性厚度 (第一自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的厚度），第二自由層的厚度可以小于第二最大各 向異性厚度（第二自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的厚度）。
[0007] 在示例實(shí)施例中，第一自由層和第二自由層可以被構(gòu)造為具有界面垂直各向異 性。
[0008] 在示例實(shí)施例中，第一自由層的厚度可以小于最大厚度，從而使第一自由層具有 垂直磁化。
[0009] 在示例實(shí)施例中，第二自由層的厚度可以大于最小厚度，從而使第二自由層具有 垂直磁化。
[0010] 在示例實(shí)施例中，第二自由層可以包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至少一部分。
[0011] 在示例實(shí)施例中，第一自由層可以包括與第二自由層相同的材料，并且第一自由 層的厚度可以是第二自由層的厚度的至少大約1. 5倍。
[0012] 在示例實(shí)施例中，第一自由層和第二自由層中的每個(gè)可以包括展現(xiàn)出固有的面內(nèi) 磁化性質(zhì)的材料。
[0013] 在示例實(shí)施例中，第一自由層和第二自由層可以包括鈷、鐵和鎳中的至少一種和 硼。
[0014] 在示例實(shí)施例中，自由磁結(jié)構(gòu)還可以包括與交換耦合層分隔開(kāi)并且布置在第二自 由層的與交換耦合層相反的一側(cè)上的垂直磁化增強(qiáng)層。
[0015] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以與第二自由層接觸。
[0016] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至少一部分。
[0017] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以比隧道阻擋件薄。
[0018] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層的RA值可以小于隧道阻擋件的RA值，其中，R表 示電阻，A表示與相鄰層的接觸面積。
[0019] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以包括金屬氧化物。
[0020] 在示例實(shí)施例中，所述磁存儲(chǔ)裝置還可以包括基底。自由磁結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在基底 和隧道阻擋件之間。
[0021] 在示例實(shí)施例中，所述磁存儲(chǔ)裝置還可以包括基底。自由磁結(jié)構(gòu)可以在隧道阻擋 件的與基底相反的一側(cè)上與基底分隔開(kāi)地設(shè)置。
[0022] 在示例實(shí)施例中，交換耦合層可以包括金屬。
[0023] 在示例實(shí)施例中，交換耦合層可以包括了&、1、吣、此、11、0、￥、1〇和1^中的至少 一種。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，一種磁存儲(chǔ)裝置可以包括：隧道阻擋件，位于基底 上；以及自由磁結(jié)構(gòu)和參考磁結(jié)構(gòu)，在隧道阻擋件的相反側(cè)上彼此分隔開(kāi)。自由磁結(jié)構(gòu)可以 包括：第一自由層和第二自由層，在交換耦合層的相反側(cè)上彼此分隔開(kāi)以具有界面垂直磁 各向異性；以及垂直磁化增強(qiáng)層，與第二自由層接觸地布置并且布置在第二自由層的與交 換耦合層相反的一側(cè)上。第二自由層可以比第一自由層薄。
[0025] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至少一部分。
[0026] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以比隧道阻擋件薄。
[0027] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層的RA值可以小于隧道阻擋件的RA值，其中，R表 示電阻，A表示與相鄰層的接觸面積。
[0028] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以包括金屬氧化物。
[0029] 在示例實(shí)施例中，第一自由層的厚度可以大于第一最大各向異性厚度（第一自由 層具有最大垂直各向異性時(shí)的厚度），并且第一自由層的厚度可以小于最大厚度，從而使第 一自由層具有垂直磁化。
[0030] 在示例實(shí)施例中，第二自由層的厚度可以大于最小厚度，使第二自由層具有垂直 磁化，并且第二自由層的厚度可以小于第二最大各向異性厚度（第二自由層具有最大垂直 各向異性時(shí)的厚度）。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，一種磁存儲(chǔ)裝置可以包括：隧道阻擋件，位于基底 上；以及自由磁結(jié)構(gòu)和參考磁結(jié)構(gòu)，在隧道阻擋件的相反側(cè)上分隔開(kāi)地布置。自由磁結(jié)構(gòu)可 以包括：第一自由層和第二自由層，在交換耦合層的相反側(cè)上彼此分隔開(kāi)；以及垂直磁化 增強(qiáng)層，與第二自由層接觸并且布置在第二自由層的與交換耦合層相反的一側(cè)上。垂直磁 化增強(qiáng)層和第二自由層中的每個(gè)可以包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至少一部分。
[0032] 在示例實(shí)施例中，第一自由層可以具有BCC結(jié)構(gòu)，隧道阻擋件可以具有NaCl結(jié)構(gòu)。
[0033] 在示例實(shí)施例中，垂直磁化增強(qiáng)層可以比隧道阻擋件薄，并且垂直磁化增強(qiáng)層可 以包括金屬氧化物。
[0034] 在示例實(shí)施例中，第一自由層的厚度可以大于第一最大各向異性厚度，并且可以 小于最大厚度，從而使第一自由層具有垂直磁化。
[0035] 在示例實(shí)施例中，第二自由層的厚度可以大于最小厚度，使得第二自由層具有垂 直磁化，并且可以小于第二最大各向異性厚度。
[0036] 在示例實(shí)施例中，交換耦合層可以包括了&、1、吣、此、11、0、￥、1〇和1^中的至少 一種。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037] 根據(jù)下面的結(jié)合附圖的簡(jiǎn)要描述，示例實(shí)施例將被更清楚地理解。在附圖中：
[0038] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的單位存儲(chǔ)單元的示意 電路圖。
[0039] 圖2和圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的示意圖。
[0040] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的自由磁結(jié)構(gòu)的略微示意 性的剖視圖。
[0041] 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的自由磁結(jié)構(gòu)的略微 示意性的剖視圖。
[0042] 圖6和圖7是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的自由磁結(jié)構(gòu)的 略微示意性的剖視圖。
[0043] 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的參考磁結(jié)構(gòu)的略微示意 性的剖視圖。
[0044] 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的參考磁結(jié)構(gòu)的略微 示意性的剖視圖。
[0045] 圖10和圖11是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的參考磁結(jié)構(gòu) 的略微示意性的剖視圖。
[0046] 圖12是磁層和垂直磁化誘導(dǎo)層之間的界面的略微示意性圖示，以幫助描述磁層 由于與垂直磁化誘導(dǎo)層接觸所引起的界面垂直磁各向異性。
[0047] 圖13是示出界面磁層的垂直各向異性和磁存儲(chǔ)裝置的MR比率對(duì)界面磁層的厚度 的依賴性的曲線圖。
[0048] 圖14和圖15是示意性地示出包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例構(gòu)造的一個(gè)或更 多個(gè)半導(dǎo)體器件的電子裝置的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0049] 現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，在附圖中示出了示例實(shí) 施例。然而，本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，并且不應(yīng)該被理解為 局限于在此提出的實(shí)施例；而是，提供這些實(shí)施例使得本公開(kāi)將是徹底的且完整的，并將把 示例實(shí)施例的構(gòu)思充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，每個(gè)圖意圖示出特定示例 實(shí)施例中利用的方法、結(jié)構(gòu)和/或材料的一般特性，并且意圖對(duì)以下提供的書(shū)面描述進(jìn)行 補(bǔ)充。然而，附圖并不是按比例的并且可能不會(huì)精確地反映任意給出的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)或性 能特性，并且不應(yīng)該被解釋為限定或限制這些示例實(shí)施例包含的值或性質(zhì)的范圍。例如，為 了清楚起見(jiàn)，可以縮小或夸大分子、層、區(qū)域和/或結(jié)構(gòu)元件的相對(duì)厚度和位置。在各附圖 中使用相同或相似的附圖標(biāo)記意在表示存在相同或相似的元件或特征。在附圖中，同樣的 附圖標(biāo)記指示同樣的元件，并且將省略其多余的描述。
[0050] 將理解的是當(dāng)元件被稱作"連接到"或"結(jié)合到"另一元件時(shí)，它可以直接連接到或 結(jié)合到所述另一元件，或者可以存在中間元件。相反地，當(dāng)元件被稱作"直接連接到"或"直 接結(jié)合到"另一元件時(shí)，不存在中間元件。應(yīng)當(dāng)以相同的方式解釋用于描述元件或?qū)又g 的關(guān)系的其它詞語(yǔ)（例如"在…之間"和"直接在…之間"、"與…相鄰"和"與…直接相鄰"、 "在…上"和"直接在…上"）。
[0051] 將理解的是，盡管在這里可使用術(shù)語(yǔ)"第一"、"第二"等來(lái)描述不同的元件、組件、 區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分并不應(yīng)該受這些術(shù)語(yǔ)的限制。 而是，這些術(shù)語(yǔ)僅是用來(lái)將一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或 部分區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此，在不脫離示例實(shí)施例的教導(dǎo)的情況下，下面討論的第一元件、組件、區(qū) 域、層或部分可被命名為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分。如在此使用的，術(shù)語(yǔ)"和/或"包 括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)所列項(xiàng)目的任意和所有組合。
[0052] 為了便于描述，在這里可使用空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，如"在…下面"、"在…下方"、"下部 的"、"在…上方"和"上部的"等來(lái)描述如圖中所示的一個(gè)元件或特征與其它元件或特征的 關(guān)系。將理解的是，空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)意在包含除了在圖中描繪的方位之外的裝置在使用或操 作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，則描述為在其它元件或特征"下面"或"下 方"的元件將被定位為"在"其它元件或特征"上方"。因此，示例性術(shù)語(yǔ)"在…下方"可包括 "在…上方"和"在…下方"兩種方位。所述裝置可以被另外定位（旋轉(zhuǎn)90度或者在其它方 位），并且應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地解釋這里使用的空間相對(duì)描述語(yǔ)。
[0053] 這里使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施例的目的，而不意圖限制本發(fā)明構(gòu)思。如 這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式的"一"、"一個(gè)（種）"和"所述 (該）"也意圖包括復(fù)數(shù)形式。還將理解的是，如果這里使用術(shù)語(yǔ)"包含"和/或"包括"，則 說(shuō)明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個(gè)或更多個(gè) 其它特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。
[0054] 除非另有定義，否則這里使用的所有術(shù)語(yǔ)（包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)）具有與本 發(fā)明構(gòu)思所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所通常理解的意思相同的意思。還將理解的是，除非這 里明確定義，否則術(shù)語(yǔ)（例如在通用的字典中定義的術(shù)語(yǔ)）應(yīng)該被解釋為具有與相關(guān)領(lǐng)域 的上下文中它們的意思一致的意思，而不應(yīng)理想地或者過(guò)于形式化地解釋它們的意思。
[0055] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的單位存儲(chǔ)單元的示意 電路圖。
[0056] 參照?qǐng)D1，單位存儲(chǔ)單元UMC可以設(shè)置在交叉的第一互連線Ll和第二互連線L2 之間。單位存儲(chǔ)單元UMC可以串聯(lián)連接到第一互連線Ll和第二互連線L2。單位存儲(chǔ)單元 UMC可以包括選擇器件SW和磁隧道結(jié)MTJ。選擇器件SW和磁隧道結(jié)MTJ可以彼此串聯(lián)電 連接。在特定實(shí)施例中，第一互連線LI和第二互連線L2中的一個(gè)可以被用作字線，并且另 一個(gè)可以被用作位線。
[0057] 選擇器件SW可以被構(gòu)造為選擇性地控制經(jīng)過(guò)磁隧道結(jié)MTJ的電流。例如，選擇器 件SW可以是二極管、PNP雙極晶體管、NPN雙極晶體管、NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFT)和PMOS FET中的一種。當(dāng)選擇器件SW是諸如雙極晶體管和MOSFET的三端子開(kāi)關(guān)器件時(shí)，額外的互 連線（未示出）可以連接到選擇器件SW。
[0058] 磁隧道結(jié)MTJ可以包括第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSI、第二垂直磁結(jié)構(gòu)MS2和設(shè)置在它們之 間的隧道阻擋件TBR。第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSl和第二垂直磁結(jié)構(gòu)MS2中的每個(gè)可以包括至少 一個(gè)磁層。在示例實(shí)施例中，例如在圖1中所示，磁隧道結(jié)MTJ還可以包括設(shè)置在第一垂直 磁結(jié)構(gòu)MSl和選擇器件SW之間的第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)CSl，以及設(shè)置在第二垂直磁結(jié)構(gòu)MS2和第 二互連線L2之間的第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)CS2。
[0059] 圖2和圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的示意圖。參照?qǐng)D2 和圖3,第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSl和第二垂直磁結(jié)構(gòu)MS2的磁層中的一個(gè)可以被構(gòu)造為具有固定 的磁化方向，所述固定的磁化方向不被普通環(huán)境下產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)改變。在本說(shuō)明書(shū)中，為 了便于說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)"參考磁結(jié)構(gòu)PNL"將被用于表示具有這種固定的磁化性質(zhì)的磁層。相反 地，第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSl和第二垂直磁結(jié)構(gòu)MS2的磁層中的另一個(gè)可以被構(gòu)造為具有可變 的磁化方向，所述可變的磁化方向可以通過(guò)施加到其的外部磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行切換。在下文中，術(shù) 語(yǔ)"自由磁結(jié)構(gòu)FRL"將被用于表示具有這種可切換的磁化性質(zhì)的磁層。例如，如在圖2和 圖3中所示，磁隧道結(jié)MTJl和MTJ2可以包括通過(guò)隧道阻擋件TBR彼此分隔開(kāi)的至少一個(gè) 自由磁結(jié)構(gòu)FRL和至少一個(gè)參考磁結(jié)構(gòu)PNL。
[0060] 磁隧道結(jié)MTJl和MTJ2的電阻可以取決于自由磁結(jié)構(gòu)FRL和參考磁結(jié)構(gòu)PNL的磁 化方向的相對(duì)取向。例如，在相對(duì)取向是反平行時(shí)磁隧道結(jié)MTJl和MTJ2的電阻可以遠(yuǎn)大 于相對(duì)取向是平行時(shí)的電阻。這意味著磁隧道結(jié)MTJl和MTJ2的電阻可以通過(guò)改變自由磁 結(jié)構(gòu)FRL的磁化方向來(lái)控制。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置可以通過(guò)利用該數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0061] 如在圖2和圖3中所示，磁隧道結(jié)MTJl和MTJ2的第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSl和第二垂 直磁結(jié)構(gòu)MS2可以順序地形成在基底Sub上。根據(jù)自由磁結(jié)構(gòu)FRL和基底Sub之間的相對(duì) 構(gòu)造和/或自由磁結(jié)構(gòu)FRL和參考磁結(jié)構(gòu)PNL的形成次序，磁隧道結(jié)MTJl和MTJ2可以例 如被分為兩種類型中的一種：
[0062] (a)第一類型的磁隧道結(jié)MTJ1，被構(gòu)造成使得第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSl和第二垂直磁 結(jié)構(gòu)MS2分別包括參考磁結(jié)構(gòu)PNL和自由磁結(jié)構(gòu)FRL，如圖2中所示，以及
[0063] (b)第二類型的磁隧道結(jié)MTJ2,被構(gòu)造成使得第一垂直磁結(jié)構(gòu)MSl和第二垂直磁 結(jié)構(gòu)MS2分別包括自由磁結(jié)構(gòu)FRL和參考磁結(jié)構(gòu)PNL，如圖3中所示。
[0064] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的磁隧道結(jié)的自由磁結(jié)構(gòu)的略微示意 性的剖視圖。
[0065] 參照?qǐng)D4,自由磁結(jié)構(gòu)FRL可以包括順序地設(shè)置在隧道阻擋件TBR和第二導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)CS2之間的第一自由層FL1、第一交換耦合層105和第二自由層FL2。根據(jù)本實(shí)施例，自 由磁結(jié)構(gòu)FRL可以是圖2的第一類型的磁隧道結(jié)MTJl的一部分。
[0066] 隧道阻擋件TBR可以包括如下材料中的至少一種：鎂（Mg)的氧化物、鈦（Ti)的氧 化物、鋁（Al)的氧化物、鎂-鋅（MgZn)的氧化物、鎂-硼（MgB)的氧化物、鈦（Ti)的氮化 物和釩（V)的氮化物。例如，隧道阻擋件TBR可以是氧化鎂（MgO)層?？蛇x擇地，隧道阻擋 件TBR可以包括由一種或更多種不同材料組成的多個(gè)層。
[0067] 可以選擇第一交換耦合層105的厚度，使得第一自由層FLl能通過(guò)與第二自由層 FL2的磁相互作用展現(xiàn)反平行垂直磁化。第一自由層FLl和第二自由層FL2之間的交換積 分能（exchangeintegralenergy)可以是零或更高。在示例實(shí)施例中，第一交換f禹合層 105可以具有大約2A至大約IOA之間的范圍的厚度。
[0068] 第一交換耦合層105可以由以下材料中的至少一種形成或包括以下材料中的至 少一種：Ta、W、Nb、Ru、Ti、Cr、V、Mo和Re。第一交換耦合層105可以例如形成為具有體心 立方（BCC)或六方密堆積（HCP)結(jié)構(gòu)。
[0069] 垂直磁化增強(qiáng)層150可以設(shè)置在第二自由層FL2和第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)CS2之間。垂直 磁化增強(qiáng)層150可以包括金屬氧化物層。例如，垂直磁化增強(qiáng)層150可以包括從由鎂（Mg) 的氧化物、鈦（Ti)的氧化物、鋁（Al)的氧化物、鎂-鋅（MgZn)的氧化物和鎂-硼（MgB)的 氧化物組成的組中選擇的至少一種材料。例如，垂直磁化增強(qiáng)層150可以由氧化鎂（MgO)形 成。垂直磁化增強(qiáng)層150的至少一部分可以具有非晶結(jié)構(gòu)。例如，垂直磁化增強(qiáng)層150可 以是基本上非晶的，或者它的與第二自由層FL2接觸的下部可以是非晶的。這里，"基本上 非晶的"意味著所考慮的層或圖案實(shí)質(zhì)上是非晶的，雖然其中的一部分可以具有局部化的 晶界或不同的結(jié)晶取向。例如，基本上非晶的層可以包括具有小角度晶界的多個(gè)部分。
[0070] 根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，例如，因?yàn)橥ㄟ^(guò)第一交換耦合層105與第一自由 層FLl的反鐵磁交換耦合，所以第二自由層FL2可以具有與其厚度方向平行的磁化方向。換 句話說(shuō)，第二自由層FL2可以具有與隧道阻擋件TBR的頂表面垂直的磁化方向。
[0071] 第一自由層FLl和第二自由層FL2可以包括具有界面垂直磁各向異性的材 料。界面垂直磁各向異性可以指垂直磁化現(xiàn)象，其中，當(dāng)具有固有的面內(nèi)磁化（in-plane magnetization)性質(zhì)的磁層與另一層接觸時(shí)，可以在該磁層的界面處看到所述垂直磁化現(xiàn) 象。這里，術(shù)語(yǔ)"固有的面內(nèi)磁化性質(zhì)"意味著：當(dāng)沒(méi)有向其施加的外部磁場(chǎng)時(shí)，磁層的磁化 方向平行于磁層的縱向方向而取向。例如，在具有固有的面內(nèi)磁化性質(zhì)的磁層形成在基底 上并且沒(méi)有向其施加的外部磁場(chǎng)的情況下，磁層的磁化方向可以基本平行于基底的頂表面 而取向。
[0072] 雖然第一自由層FLl和第二自由層FL2具有固有的面內(nèi)磁化性質(zhì)，但是與它們相 鄰的層可以使第一自由層FLl和第二自由層FL2展現(xiàn)非固有的垂直磁化性質(zhì)。非固有的垂 直磁化性質(zhì)可以取決于自由層的厚度?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D12和圖13更詳細(xì)地描述界面磁層的 界面垂直磁各向異性和裝置的MR比率對(duì)界面磁層的厚度的依賴性。
[0073] 圖12是磁層IPA和垂直磁化誘導(dǎo)層PM之間的界面的略微示意性圖示，以幫助描 述磁層IPA由于與垂直磁化誘導(dǎo)層PM接觸所引起的界面垂直磁各向異性。接觸垂直磁化 誘導(dǎo)層PM的磁層在下文中將稱作"界面磁層IPA"。圖13是示出界面磁層IPA的垂直各向 異性和具有界面磁層IPA的磁存儲(chǔ)裝置10的MR比率對(duì)界面磁層IPA的厚度t的依賴性的 曲線圖。
[0074] 參照?qǐng)D12和圖13,雖然界面磁層IPA可以具有固有的面內(nèi)磁化性質(zhì)，但是由于界 面磁層IPA與垂直磁化誘導(dǎo)層PM接觸，所以界面磁層IPA的磁化方向可以改變成平行于界 面磁層IPA的厚度方向（例如，Z方向）。這樣的界面垂直磁各向異性可以由例如各種可 能原因中的至少一種導(dǎo)致。界面垂直磁各向異性可以由例如金屬和氧之間的化學(xué)鍵合而導(dǎo) 致。例如，在垂直磁化誘導(dǎo)層PM包含金屬氧化物（例如，MgO)并且界面磁層IPA包含CoFeB 的情況下，界面垂直磁各向異性可以由垂直磁化誘導(dǎo)層PM中的氧（0)和界面磁層IPA中的 鐵（Fe)之間的化學(xué)鍵合而導(dǎo)致。例如，當(dāng)界面磁層IPA中的非金屬元素（例如硼（B))從 垂直磁化誘導(dǎo)層PM和界面磁層IPA之間的界面向外擴(kuò)散（out-diffuse)或者耗盡時(shí)，氧和 鐵之間的這種鍵合可以增強(qiáng)。例如在界面磁層IPA的沉積之后可執(zhí)行的熱處理工藝可以使 非金屬元素（例如硼（B))向外擴(kuò)散或耗盡，從而可以引起界面垂直磁各向異性。
[0075] 界面磁層IPA的界面垂直各向異性可以根據(jù)它的厚度而變化。例如，界面垂直各 向異性Ku*t可以通過(guò)下式表示：
[0076]【式1】 ^1,
[0077]Α.?t=-Hk·Is/ls·t 3
[0078] 其中，Hk是硬軸各向異性場(chǎng)，Ms是飽和磁化強(qiáng)度，t是厚度，并且Ku是各向異性能。
[0079] 如在圖13中所示，界面垂直各向異性Ku*t在界面磁層IPA的特定厚度處具有最 大值，其中，所述特定厚度將被稱作"最大各向異性厚度"tM。即，界面磁層IPA的界面垂直 各向異性在從第一厚度^至最大各向異性厚度tM的厚度范圍內(nèi)逐漸提高，然后，在從最大 各向異性厚度tM至第二厚度t2的厚度范圍內(nèi)逐漸降低。第一厚度^可以是允許界面磁層 IPA具有垂直磁化的界面磁層IPA的最小厚度。例如，在界面磁層IPA的厚度小于第一厚度 h的情況下，界面磁層IPA可以展現(xiàn)面內(nèi)磁化或具有非磁性性質(zhì)。
[0080] 第二厚度t2可以是仍然允許界面磁層IPA具有垂直磁化的界面磁層IPA的最大 厚度。例如，在界面磁層IPA的厚度大于第二厚度t2的情況下，界面磁層IPA可以展現(xiàn)面 內(nèi)磁化，其是由對(duì)垂直磁化誘導(dǎo)層PM的依賴性相對(duì)降低引起的。
[0081] 換句話說(shuō)，界面磁層IPA的界面垂直各向異性可以取決于它的厚度t，這可以影響 具有垂直磁化誘導(dǎo)層PM和界面磁層IPA的磁存儲(chǔ)裝置10的磁阻（MR)比率。磁存儲(chǔ)裝置 10的MR比率可以由下式表示：
[0082] 【式2】
[0083] MR比率=(Rap-Rp)/Rp，
[0084]其中，Rap是反平行電阻，Rp是平行電阻。
[0085] 從圖13中還可以看到，磁存儲(chǔ)裝置10的MR比率以與界面垂直各向異性相似的方 式根據(jù)厚度而變化，但是對(duì)于最大MR比率的厚度（在下文中，稱作最大MR厚度，tK)大于最 大各向異性厚度tM。
[0086] 第一厚度&、第二厚度t2、最大各向異性厚度tM和最大MR比率厚度tK可以通過(guò)改 變界面磁層IPA和垂直磁化誘導(dǎo)層PM的材料和組成來(lái)改變或控制。例如，當(dāng)界面磁層IPA 包含CoFeB并且垂直磁化誘導(dǎo)層PM包含MgO時(shí)，第一厚度&可以是大約6Λ，第二厚度t2 可以是大約12A，最大各向異性厚度tM可以是大約8/?-9Α，最大MR比率厚度tK可以是大約 IiA0
[0087] 參照?qǐng)D4、圖12和圖13,第一自由層FLl的厚度可以基于期望的MR比率來(lái)確定， 第二自由層FL2的厚度可以基于期望的切換電流來(lái)確定。例如，第一自由層FLl可以形成 為相對(duì)厚以獲取高的MR比率，第二自由層FL2可以形成為相對(duì)薄以實(shí)現(xiàn)小的切換電流。當(dāng) 與第二自由層FL2相比較時(shí)，切換電流可以不依賴于第一自由層FLl的厚度或?qū)Φ谝蛔杂?層FLl的厚度僅有弱的依賴性；而當(dāng)與第一自由層FLl比較時(shí)，MR比率可以不依賴于第二 自由層FL2的厚度或?qū)Φ诙杂蓪覨L2的厚度僅有弱的依賴性。
[0088] 在示例實(shí)施例中，隧道阻擋件TBR可以用作垂直磁化誘導(dǎo)層PM，第一自由層FLl和 第二自由層FL2可以用作界面磁層IPA。根據(jù)本實(shí)施例，與隧道阻擋件TBR相似，垂直磁化 增強(qiáng)層150可以用作誘導(dǎo)或增強(qiáng)第二自由層FL2的垂直各向異性的垂直磁化誘導(dǎo)層PM。
[0089] 在下文中，將更詳細(xì)地討論第一自由層FLl和第二自由層FL2的厚度。
[0090]第二自由層FL2的厚度可以大于用于實(shí)現(xiàn)第二自由層FL2的垂直磁化所需的最小 厚度，并且可以小于用于使第二自由層FL2具有最大垂直各向異性的厚度，S卩，最大各向異 性厚度。換句話說(shuō)，在第二自由層FL2被用作圖12和圖13的界面磁層IPA的情況下，第二 自由層FL2的厚度可以大于第一厚度h并且小于最大各向異性厚度tM。由于第二自由層 FL2比第一自由層FLl更遠(yuǎn)離隧道阻擋件TBR，所以第二自由層FL2控制用于切換磁隧道結(jié) 的磁化方向所需要的切換電流。磁隧道結(jié)在OK溫度處的切換電流可以通過(guò)下式表示：
[0091]【式3】
[0092]

【權(quán)利要求】
1. 一種磁存儲(chǔ)裝置，所述磁存儲(chǔ)裝置包括： 自由磁結(jié)構(gòu)，W及 參考磁結(jié)構(gòu)，與自由磁結(jié)構(gòu)分隔開(kāi)并且具有布置在自由磁結(jié)構(gòu)與參考磁結(jié)構(gòu)之間的隧 道阻擋件， 其中，自由磁結(jié)構(gòu)包括交換禪合層W及在交換禪合層的相反側(cè)上彼此分隔開(kāi)的第一自 由層和束-自由層， 其中，第一自由層設(shè)置在第二自由層和隧道阻擋件之間， 其中，第一自由層的厚度大于第一自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的第一最大各向異 性厚度，W及 其中，第二自由層的厚度小于第二自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的第二最大各向異 性厚度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第一自由層和第二自由層被構(gòu)造為具有 界面垂直各向異性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第一自由層的厚度小于第一自由層不再 具有垂直磁化時(shí)的最大厚度，從而使第一自由層具有垂直磁化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第二自由層的厚度大于最小厚度，從而使 第二自由層具有垂直磁化，其中，在所述最小厚度W下第二自由層不具有垂直磁化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第二自由層包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至少一 部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第一自由層包括與第二自由層相同的材 料，W及 其中，第一自由層的厚度為第二自由層的厚度的至少1. 5倍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第一自由層和第二自由層中的每個(gè)包括 展現(xiàn)出固有的面內(nèi)磁化性質(zhì)的材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第一自由層和第二自由層均包括鉆、鐵和 媒中的至少一種和測(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，自由磁結(jié)構(gòu)還包括與交換禪合層分隔開(kāi) 并且布置在第二自由層的與交換禪合層相反的一側(cè)上的垂直磁化增強(qiáng)層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層與第二自由層接觸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至 少一部分。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層比隧道阻擋件薄。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層的RA值小于隧道阻擋件 的RA值，其中，R表示電阻，A表示與相鄰層的接觸面積。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層包括金屬氧化物。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，所述磁存儲(chǔ)裝置還包括基底， 其中，自由磁結(jié)構(gòu)設(shè)置在基底和隧道阻擋件之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，所述磁存儲(chǔ)裝置還包括基底， 其中，自由磁結(jié)構(gòu)在隧道阻擋件的與基底相反的一側(cè)上與基底分隔開(kāi)地設(shè)置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，交換禪合層包括金屬。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，交換禪合層包括Ta、W、Nb、Ru、Ti、Cr、 V、Mo和Re中的至少一種。
19. 一種磁存儲(chǔ)裝置，所述磁存儲(chǔ)裝置包括： 隧道阻擋件，位于基底上； 自由磁結(jié)構(gòu)；W及 參考磁結(jié)構(gòu)，與自由磁結(jié)構(gòu)分隔開(kāi)并且布置在隧道阻擋件的相反側(cè)上， 其中，自由磁結(jié)構(gòu)包括： 第一自由層和第二自由層，在交換禪合層的相反側(cè)上彼此分隔開(kāi)，第一自由層和第二 自由層具有界面垂直磁各向異性；W及 垂直磁化增強(qiáng)層，與第二自由層接觸并且在第二自由層的與交換禪合層相反的一側(cè)上 與交換禪合層分隔開(kāi)，W及 其中，第二自由層比第一自由層薄。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層包括具有非晶結(jié)構(gòu)的 至少一部分。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層比隧道阻擋件薄。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，垂直磁化增強(qiáng)層的RA值小于隧道阻擋 件的RA值，其中，R表示電阻，A表示與相鄰層的接觸面積。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第一自由層的厚度大于第一最大各向 異性厚度，第一最大各向異性厚度為第一自由層具有最大垂直各向異性時(shí)的厚度，并且第 一自由層的厚度小于第一自由層不再具有垂直磁化時(shí)的最大厚度，從而使第一自由層具有 垂直磁化。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中，第二自由層的厚度大于最小厚度，從而 使第二自由層具有垂直磁化，其中，在所述最小厚度W下第二自由層不具有垂直磁化，并且 第二自由層的厚度小于第二最大各向異性厚度，第二最大各向異性厚度為第二自由層具有 最大垂直各向異性時(shí)的厚度。
25. -種磁存儲(chǔ)裝置，所述磁存儲(chǔ)裝置包括： 隧道阻擋件，位于基底上；W及 自由磁結(jié)構(gòu)和參考磁結(jié)構(gòu)，通過(guò)隧道阻擋件彼此分隔開(kāi)， 其中，自由磁結(jié)構(gòu)包括： 第一自由層和第二自由層，通過(guò)交換禪合層彼此分隔開(kāi)；W及 垂直磁化增強(qiáng)層，與第二自由層接觸并且通過(guò)第二自由層與交換禪合層分隔開(kāi)， 其中，垂直磁化增強(qiáng)層和第二自由層中的每個(gè)包括具有非晶結(jié)構(gòu)的至少一部分。
【文檔編號(hào)】H01L43/08GK104347796SQ201410370250
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】金佑塡, 金基雄, 林佑昶 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社