磁隧道结及包括它的存储器件制造技术

本发明专利技术公开了一种磁隧道结及包括它的存储器件。该磁隧道结器件包括磁可编程自由磁性层。该自由磁性层包含至少两层铁磁层和夹在该至少两层铁磁层之间的至少一中间层的叠层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及磁随机存取存储(MRAM)器件，并且特别地，本专利技术涉及具有多层自由磁性层的MRAM器件和制作具有多层自由磁性层的MRAM器件的方法。
技术介绍
磁随机存取存储(MRAM)器件是一种非易失性存储器，其中数据通过编程磁隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)存储。MTJ可以有选择地在两种磁取向间变换。这两种取向之间的不同电阻值被用于区分存储单元的逻辑值。图1是处于低阻逻辑“0”磁性状态和高阻逻辑“1”磁性状态中的一种的MTJ的简化示意图。在图中，附图标记101代表由铁磁材料构成的一自由磁性层，附图标记102代表隧穿阻挡层(tunneling barrier layer)，附图标记103代表由铁磁材料构成的被钉扎磁性层(pinned magnetic layer)，附图标记104代表由反铁磁材料构成的钉扎层(pinning layer)。如图1中箭头所示，铁磁被钉扎层的磁性取向被固定。此条件可以在制作过程中通过使反铁磁钉扎层104与被钉扎层103接触并进行热处理(在大约200摄氏度到300摄氏度)获得。通过热处理过程中钉扎层104的磁场的应用，被钉扎层103的磁自旋变得固定并且在以后暴露在外磁场中时不翻转。如此，如图1所示，被钉扎层103的磁矩被固定在一个方向上(图1中朝向右边)。相反，随着隧道阻挡层(tunnel barrier layer)102被夹在被钉扎磁性层103和自由磁性层101之间，自由磁性层101的磁性取向保持未固定状态。如此，在后来暴露在外磁场中时，自由磁性层103的磁自旋自由旋转。在MRAM的MTJ中，自由磁性层103可以被稳定地定向在两个方向中的一个上，即一个是其磁矩平行于被钉扎磁性层103的磁矩，另一个是其磁矩与被钉扎磁性层103的磁矩相反。如图1所示，当被钉扎层103的磁矩和自由磁性层101的磁矩相互平行时，MTJ显示低电阻，其可以被设定为逻辑“0”态。相反，当磁矩在相反方向上延伸时，MTJ具有高电阻，其可以被设定为逻辑“1”态。图2是常规MTJ的较为详细的示意图。在此截面图中，附图标记1代表钉扎层，附图标记8代表被钉扎磁性层，附图标记9代表隧穿阻挡层，附图标记14代表自由磁性层。如上所述，钉扎层1由反铁磁材料构成。例子包括PtMn、IrMn和FeMn。被钉扎磁性层8由三层组成，即一下部铁磁层3、一金属层5和一上部铁磁层7。一个上部和下部铁磁层3和7的例子是CoFe，且金属层5的一个例子是Ru。隧穿阻挡层9是绝缘体，且它的一个例子是Al2O3。自由磁性层14是一个双层结构，由一层薄的下部铁磁层11和一层厚的上部铁磁层13组成。薄的下部铁磁层11的一个例子是CoFe，厚的上部铁磁层的一个例子是NiFe。图3(A)和3(B)说明了一个常规的MRAM存储单元，其中图3(B)是沿着图3(A)中I-I′线截取的截面图。首先参考图3(B)，存储单元包括一个如图2所示那样的MTJ36，夹在上电极37和下电极27之间。该MTJ36包括一层与下电极27接触的钉扎层29、一层被钉扎磁性层31、一层隧穿阻挡层33和一层与上电极37接触的自由磁性层35。该MTJ36、上电极37和下电极27一起定义了一个可编程磁阻元件MR。上电极37与一条位线BL接触，BL相对于MTJ36的磁性方向垂直延伸。在本例中，位线BL在图3(B)平面内外延伸。一数据线(digit line)DL与下电极27的底部隔开，层间电介质25置于其间。该数据线DL平行于MTJ36的磁性方向延伸，且在该例中，数据线DL在图3(B)的图中左右延伸。数据线DL可以形成于层间电介质23上，该电介质又可以形成于衬底21上。图3(A)是俯视图，显示位线BL和数据线DL的配置，以及磁阻元件MR的外围轮廓。如所示，磁阻元件MR的顶部轮廓基本上是矩形的，长度L长于宽度W。该位线BL传递位线电流IBL，且沿着磁阻元件MR的宽度W纵向延伸。此外，位线BL足够宽，以基本上覆盖磁阻元件MR的长度L。数据线DL垂直于位线BL、沿着磁阻元件MR的长度L延伸。此外，数据线DL足够宽以基本上覆盖磁阻元件MR的宽度W。如图3(A)所示，硬磁轴(hard magnetic axis)Hhard在较短的宽度W方向延伸，且易磁轴(easy magnetic axis)Heasy在较长的长度L方向延伸。图4示出一个常规MRAM阵列，其包括多条交叉的位线BL1、BL2、...、BLn，和数据线DL1、DL2、...、DLn。写电流ID被施加到每条数据线上，且写电流IB被施加到每条位线上。磁阻元件MR12、MR22、...、MRn2沿着位线在与数据线的交叉处定位。图5(A)是MRAM单元的截面示意图，该单元包括用于读取单元的逻辑状态的晶体管，且图5(B)是其电路图。磁阻元件MR1如图3(B)所示那样构成，且包含上电极77、下电极55和夹在上电极77与下电极55之间的MTJ75。MTJ75包含钉扎层57、被钉扎磁性层64、绝缘阻挡层65和自由磁性层73。附图标记53a、53b、53c和111表示层间介质层(ILD)。位线BL与磁阻元件MR1的上电极73相连，且位于ILD 111的上表面上。在ILD 53b上面上和磁阻元件MR1之下，数据线DL垂直于位线BL延伸。晶体管TA由字线(栅极)WL、源极S和漏极D构成。源极S和漏极D形成于衬底51内。源极S通过接触插塞101s与源极焊盘(source pad)103S连接。漏极D通过上和下漏极焊盘107、103d和接触插塞109、105、101d与下电极55连接。当字线WL上的信号足以使晶体管TA处于导通状态时，执行读操作。电流于是从位线BL流过磁阻元件MR1。当磁阻元件MR1被编程处于低阻态(逻辑“0”)时，相对大的电流将流过晶体管TA。当磁阻元件MR1被编程处于高阻态(逻辑“1”)时，相对小的电流将流过晶体管TA。因而，电流的大小可用于确定磁阻元件的编程状态。磁阻元件的读出范围(sensing margin)通过磁阻元件MR1的高阻态Rmax与低阻态Rmin之间的差或比值定义。不幸的是，然而，MTJ的自由磁性层内的磁缺陷(magnetic imperfection)对读出范围起不利作用。图6(A)描述了有外磁场H施加于其上的自由磁性层14。每个被包围的区域代表自由磁性层14的一个磁畴。一旦施加了外磁场H，每个磁畴的磁化方向应当平行于磁场H。然而，如图6(A)中可以看到的那样，某些磁化方向不与磁场H平行，尤其在畴壁处。这降低了读出范围。因此，为克服畴壁处的非平行磁矩，需要通过增加施加于位线和数据线上的电流来增强磁场H。结果是增加了功耗。如图6(B)的右边所示，自由磁性层理想地由均匀排列的晶粒组成。然而，如图6(B)左边的放大视图所示，厚的铁磁层具有大且不规则的晶粒。结果有许多破坏磁化均匀性的畴壁。图7是解释MTJ中磁缺陷的影响的磁滞回线。实线部分是理想MTJ的磁滞回线，右边的虚线显示常规MRAM的回线特征。如图所示，在理想MTJ的情况下，当磁通量Heasy为+H1(奥斯特，Oe)时，自由磁性层的磁矩完全转到一个方向上，且MTJ的电阻Rw(欧姆，Ω)从Rmin变化到Rmax。另一方面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁隧道结器件，具有一磁可编程自由磁性层，所述自由磁性层包括至少三个材料层的叠层，其中，所述至少三个材料层包括至少两种不同材料的交替叠置层。

【技术特征摘要】
KR 2003-8-12 55895/03;US 2004-5-24 10/851,3871.一种磁隧道结器件，具有一磁可编程自由磁性层，所述自由磁性层包括至少三个材料层的叠层，其中，所述至少三个材料层包括至少两种不同材料的交替叠置层。2.如权利要求1所述的器件，其中该两种不同材料中的一种是铁磁的，该两种不同材料中的另一种是非铁磁的。3.如权利要求2所述的器件，其中该铁磁材料是CoFe或NiFe，该非铁磁材料是Ta。4.如权利要求3所述的器件，其中Ta层的厚度小于NiFe或CoFe层的层厚度。5.如权利要求1所述的器件，其中该两种不同材料二者均为铁磁的。6.如权利要求5所述的器件，其中下部铁磁层是NiFe层，且上部铁磁层是CoFe层。7.如权利要求6所述的器件，其中该NiFe层的厚度大于该CoFe层的厚度。8.如权利要求7所述的器件，其中该NiFe层的厚度小于约10埃，且该CoFe层的厚度小于约5埃。9.如权利要求6所述的器件，还包括与最下部NiFe层接触的一初始CoFe层。10.如权利要求9所述的器件，其中该初始CoFe层的厚度与该最下部NiFe层的厚度相同。11.如权利要求10所述的器件，其中该铁磁材料之一是非晶铁磁层。12.如权利要求11所述的器件，其中该非晶铁磁层是CoFeB。13.一种磁隧道结器件，具有磁可编程自由磁性层，所述自由磁性层包括位于半导体衬底之上的一初始CoFe层；位于该初始CoFe层上的交替的NiFe层和CoFe层的叠层，其中该叠层的最下部NiFe层位于该初始CoFe层上，且其中该叠层包括五层NiFe层和五层CoFe层；以及最后的NiFe层位于该叠层的最上部CoFe层上。14.如权利要求13所述的器件，其中该初始CoFe层的厚度和最后的NiFe层的厚度为约5埃，该叠层中每一NiFe层的厚度为约5埃，且该叠层中每一CoFe层的厚度为约1埃。15.一种磁隧道结器件，包括半导体衬底上的一钉扎层；该钉扎层上的一被钉扎层；该被钉扎层上的一隧道阻挡层；以及包括至少三个材料层的叠层的自由层，其中该至少三个材料层包括该隧道阻挡层上的至少两种不同材料的交替叠置层。16.如权利要求15所述的器件，其中该至少两种不同材料层包括一铁磁层和一非铁磁层，且该隧道阻挡层与该铁磁层接触。17.如权利要求16所述的器件，其中该铁磁层是NiFe层或CoFe层，该非铁磁层是Ta层。18.如权利要求17所述的器件，其中该NiFe层或该CoFe层的厚度大于该Ta层的厚度。19.如权利要求15所述的器件，其中该至少两种不同材料层包括一上部铁磁层和一下部铁磁层。20.如权利要求19所述的器件，其中该下部铁磁层是NiFe层，且该上部铁磁层是CoFe层。21.如权利要求20所述的器件，其中该NiFe层的厚度小于约10埃，且该CoFe层的厚度小于约5埃。22.如权利要求20所述的器件，还包括位于最下部NiFe层和该隧道阻挡层之间的一初始CoFe层。23.如权利要求19所述的器件，其中一种该铁磁层是非晶铁磁层。24.如权利要求23所述的器件，其中该非晶铁磁层是CoFeB层。25.如权利要求15所述的器件，其中该钉扎层包括一反铁磁层。26.如权利要求15所述的器件，其中该被钉扎层包括一铁磁层。27.如权利要求15所述的器件，其中该隧道阻挡层包括一金属氧化物。28.一种磁隧道结器件，包括半导体衬底上的一钉扎层；该钉扎层上的一被钉扎层；该被钉扎层上的一隧道阻挡层；以及一自由层，包括位于半导体衬底之...

【专利技术属性】
技术研发人员：河永寄，李将银，吴世忠，裵晙洙，金炫助，白寅圭，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]