本發(fā)明構(gòu)思的實施方式涉及半導體器件和用于制造該半導體器件的方法。更具體地，本發(fā)明構(gòu)思的實施方式涉及磁性存儲器件和用于制造該磁性存儲器件的方法。

背景技術(shù)：

半導體器件由于其小尺寸、多功能特性和/或低制造成本而被廣泛用于電子工業(yè)。在半導體器件中的半導體存儲器件可以存儲邏輯數(shù)據(jù)。在半導體存儲器件中的磁性存儲器件由于它們的高速度和/或非易失性特性而作為下一代半導體存儲器件受到關(guān)注。

通常，磁性存儲器件可以包括磁隧道結(jié)(mtj)圖案。mtj圖案可以包括兩個磁性層和設(shè)置在所述兩個磁性層之間的絕緣層。mtj圖案的電阻值可以取決于所述兩個磁性層的磁化方向而變化。例如，如果所述兩個磁性層的磁化方向彼此反平行，則mtj圖案可以具有相對高的電阻值。當所述兩個磁性層的磁化方向彼此平行時，mtj圖案可以具有相對低的電阻值。邏輯數(shù)據(jù)可以通過利用這些電阻值之差而被存儲在mtj圖案中和/或從mtj圖案中讀出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明構(gòu)思的實施方式可以提供磁性存儲器件，該磁性存儲器件具有改善的可靠性和相對低的開關(guān)電流。

本發(fā)明構(gòu)思的實施方式可以提供用于制造磁性存儲器件的方法，該磁性存儲器件具有改善的可靠性和相對低的開關(guān)電流。

在一方面，一種磁性存儲器件可以包括磁隧道結(jié)圖案，該磁隧道結(jié)圖案包括第一自由層、被釘扎層以及設(shè)置在第一自由層和被釘扎層之間的隧道勢壘層。第一自由層可以包括第一自由磁性圖案和第二自由磁性圖案，該第一自由磁性圖案具有與隧道勢壘層直接接觸的第一表面和與第一表面相反的第二表面，第二自由磁性圖案與第一自由磁性圖案的第二表面接觸。第二自由磁性圖案可以包括鐵-鎳(feni)，第二自由磁性圖案的鎳含量可以在從大約10at％到大約30at％的范圍內(nèi)。

在一方面，一種磁性存儲器件可以包括磁隧道結(jié)圖案，該磁隧道結(jié)圖案包括自由層、被釘扎層以及在自由層和被釘扎層之間的隧道勢壘層。自由層可以包括與隧道勢壘層相鄰的第一自由磁性圖案、以及與隧道勢壘層間隔開且第一自由磁性圖案插置于其間的第二自由磁性圖案。第二自由磁性圖案可以鄰近第一自由磁性圖案。第一自由磁性圖案可以包括鈷-鐵-硼(cofeb)，第二自由磁性圖案可以包括鐵-鎳(feni)。第二自由磁性圖案的鎳含量可以在從大約10at％到大約30at％的范圍內(nèi)。

在一方面，一種用于制造磁性存儲器件的方法可以包括：在襯底上形成初步自由層、初步被釘扎層以及在初步自由層和初步自旋層之間形成的初步隧道勢壘層；以及在初步自由層、初步被釘扎層和初步隧道勢壘層的形成之后執(zhí)行熱處理工藝。初步自由層可以包括鄰近于初步隧道勢壘層的第一自由磁性層、以及與初步隧道勢壘層間隔開且第一自由磁性層夾置在其間的第二自由磁性層。第二自由磁性層可以鄰近于第一自由磁性層。第二自由磁性層可以包括鐵-鎳(feni)，且第二自由磁性層的鎳含量可以在從大約10at％到大約30at％的范圍內(nèi)。

在另一方面，一種磁性存儲器件包括磁隧道結(jié)圖案，該磁隧道結(jié)圖案包括自由層、被釘扎層以及在自由層和被釘扎層之間的隧道勢壘層。自由層包括第一自由磁性圖案和第二自由磁性圖案，該第二自由磁性圖案在第一自由磁性圖案上以使得第一自由磁性圖案在第二自由磁性圖案和隧道勢壘層之間，且第二自由磁性圖案具有大于第一自由磁性圖案的鎳含量的鎳含量。

附圖說明

鑒于附圖和伴隨的詳細描述，本發(fā)明構(gòu)思將變得更清楚。

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的單位存儲單元的電路圖。

圖2a、2b、3a和3b是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁隧道結(jié)圖案的示意圖。

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。

圖5a和5b是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的用于制造磁性存儲器件的方法的截面圖。

圖6-9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。

圖10是示出根據(jù)比較示例和根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的試驗示例的自由層的飽和磁化的曲線。

圖11是示出根據(jù)比較示例和根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的試驗示例的自由層的gilbert阻尼參數(shù)的曲線。

圖12是示出根據(jù)比較示例和根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的試驗示例的自由層的開關(guān)系數(shù)的曲線。

圖13是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的自由層中的鎳含量的隧道磁阻(tmr)特性的曲線。

圖14是示出feni合金的相位圖的曲線。

具體實施方式

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的磁性存儲器件的單位存儲單元的電路圖。

參照圖1，單位存儲單元umc可以連接在彼此交叉的第一互連l1和第二互連l2之間。單位存儲單元umc可以包括選擇元件sw和磁隧道結(jié)圖案mtj。該選擇元件sw和磁隧道結(jié)圖案mtj可以彼此串聯(lián)電連接。第一和第二互連l1和l2中的一個可以用作字線，而第一和第二互連l1和l2中的另一個可以用作位線。

選擇元件sw可以選擇性地控制穿過磁隧道結(jié)圖案mtj的電荷流。例如，選擇元件sw可以是二極管、pnp雙極晶體管、npn雙極晶體管、nmos場效應(yīng)晶體管或者pmos場效應(yīng)晶體管。當選擇元件sw是具有三個端子的雙極晶體管或mos場效應(yīng)晶體管時，額外的互連(未示出)可以連接到選擇元件sw。

磁隧道結(jié)圖案mtj可以包括第一磁性結(jié)構(gòu)ms1、第二磁性結(jié)構(gòu)ms2和隧道勢壘層tbr，該隧道勢壘層tbr設(shè)置在第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2之間。第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2中的每一個可以包括由磁性材料形成的至少一個磁性層。在一些實施方式中，單位存儲單元umc可以進一步包括設(shè)置在第一磁性結(jié)構(gòu)ms1和選擇元件sw之間的第一導電結(jié)構(gòu)130以及設(shè)置在第二磁性結(jié)構(gòu)ms2和第二互連l2之間的第二導電結(jié)構(gòu)135，如圖1所示。

圖2a、2b、3a和3b是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁隧道結(jié)圖案的示意圖。

參照圖2a、2b、3a和3b，第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2的磁性層的其中之一的磁化方向可以在正常使用環(huán)境下固定，而不管外部磁場。在下文，具有固定的磁化方向的磁性層可以被定義為被釘扎(pinned)的磁性圖案pl。第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2的磁性層的另一個的磁化方向可以通過施加于其上的程序磁場或程序電流可切換。在下文，具有可切換的磁性方向的磁性層可以被定義為自由磁性圖案fl。磁隧道結(jié)圖案mtj可以包括通過隧道勢壘層tbr彼此間隔開的至少一個自由磁性圖案fl和至少一個被釘扎的磁性圖案pl。

磁隧道結(jié)圖案mtj的電阻值可以取決于自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的磁化方向。例如，磁隧道結(jié)圖案mtj可以在自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的磁化方向彼此平行時具有第一電阻值。磁隧道結(jié)圖案mtj可以在自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的磁化方向彼此反平行時具有比第一電阻值大得多的第二電阻值。結(jié)果，磁隧道結(jié)圖案mtj的電阻值可以通過改變自由磁性圖案fl的磁化方向來調(diào)節(jié)。這可以用作根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件中的數(shù)據(jù)存儲原則。

磁隧道結(jié)圖案mtj的第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2可以依次層疊在襯底100上，如圖2a、2b、3a和3b所示。在這種情況下，基于襯底100、自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的形成順序和/或自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的磁化方向，磁隧道結(jié)圖案mtj可以是根據(jù)自由磁化圖案fl的相對位置的各種類型中的一種。

在一些實施方式中，第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2可以分別包括具有基本上垂直于襯底100的頂表面的磁化方向的磁性層。在一些實施方式中，如圖2a中所示，磁隧道結(jié)圖案mtj可以是其中第一磁性結(jié)構(gòu)ms1和第二磁性結(jié)構(gòu)ms2分別包括被釘扎的磁性圖案pl和自由磁性圖案fl的第一類型磁隧道結(jié)圖案mtj1。在某些實施方式中，如圖2b所示，磁隧道結(jié)圖案mtj可以是其中第一磁性結(jié)構(gòu)ms1和第二磁性結(jié)構(gòu)ms2分別包括自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的第二類型磁隧道結(jié)圖案mtj2。

在一些實施方式中，第一和第二磁性結(jié)構(gòu)ms1和ms2可以分別包括具有基本上平行于襯底100的頂表面的磁化方向的磁性層。在一些實施方式中，如圖3a中所示，磁隧道結(jié)圖案mtj可以是其中第一磁性結(jié)構(gòu)ms1和第二磁性結(jié)構(gòu)ms2分別包括被釘扎的磁性圖案pl和自由磁性圖案fl的第三類型磁隧道結(jié)圖案mtj3。在某些實施方式中，如圖3b中所示，磁隧道結(jié)圖案mtj可以是其中第一磁性結(jié)構(gòu)ms1和第二磁性結(jié)構(gòu)ms2分別包括自由磁性圖案fl和被釘扎的磁性圖案pl的第四類型磁隧道結(jié)圖案mtj4。

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。

參照圖4，第一電介質(zhì)層110可以設(shè)置在襯底100上，且下部接觸插塞120可以穿透第一電介質(zhì)層110。下部接觸插塞120的底表面可以電連接到選擇元件的一個端子。

襯底100可以包括半導體材料、絕緣材料、覆蓋有絕緣材料的半導體和覆蓋有絕緣材料的導體中的至少一種。在一些實施方式中，襯底100可以是硅晶片。

第一電介質(zhì)層110可以包括氧化物(例如，硅氧化物)、氮化物(例如，硅氮化物)和氮氧化物(例如，硅氮氧化物)的至少一種。下部接觸插塞120可以包括導電材料。例如，下部接觸插塞120可以包括摻雜有摻雜物(例如，摻雜的硅、摻雜的鍺或摻雜的硅-鍺)的半導體材料、金屬(例如，鈦、鉭或鎢)和導電的金屬氮化物(例如，鈦氮化物或鉭氮化物)的至少一種。

第一導電結(jié)構(gòu)130、第一磁性結(jié)構(gòu)ms1、隧道勢壘層tbr、第二磁性結(jié)構(gòu)ms2和第二導電結(jié)構(gòu)135可以順序地層疊在第一電介質(zhì)層110上。第一導電結(jié)構(gòu)130可以電連接到下部接觸插塞120的頂表面。第一磁性結(jié)構(gòu)ms1、隧道勢壘層tbr和第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以構(gòu)成磁隧道結(jié)圖案mtj。第一導電結(jié)構(gòu)130、磁隧道結(jié)圖案mtj和第二導電結(jié)構(gòu)135可以具有彼此對準的側(cè)壁。即使圖中未示出，第一導電結(jié)構(gòu)130、磁隧道結(jié)圖案mtj和第二導電結(jié)構(gòu)135的側(cè)壁也可以具有傾斜的輪廓。

第一磁性結(jié)構(gòu)ms1可以包括在第一導電結(jié)構(gòu)130上的第一被釘扎層pl1、在第一被釘扎層pl1上的第二被釘扎層pl2以及在第一被釘扎層pl1和第二被釘扎層pl2之間的交換耦合層140。換句話說，第一被釘扎層pl1可以設(shè)置在第一導電結(jié)構(gòu)130和交換耦合層140之間，第二被釘扎層pl2可以設(shè)置在交換耦合層140和隧道勢壘層tbr之間。

第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以包括在隧道勢壘層tbr上的第一自由層fl1和在第一自由層fl1上的蓋層160。換句話說，第一自由層fl1可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr和蓋層160之間。

第一和第二被釘扎層pl1和pl2可以具有基本上垂直于襯底100的頂表面的磁化方向。同樣，第一自由層fl1的磁化方向也可以基本上垂直于襯底100的頂表面。

詳細地說，第一被釘扎層pl1可以具有基本上垂直于襯底100的頂表面的易磁化軸(easyaxis)。第一被釘扎層pl1的磁化方向可以被固定在一個方向上。同樣，第二被釘扎層pl2也可以具有基本上垂直于襯底100的頂表面的易磁化軸。第二被釘扎層pl2的磁化方向可以通過交換耦合層140而被固定為與第一被釘扎層pl1的磁化方向反平行。

第一自由層fl1的磁化方向可以通過程序操作可變化成與第二被釘扎層pl2的固定磁化方向平行或反平行。在一些實施方式中，第一自由層fl1的磁化方向可以通過自旋扭矩轉(zhuǎn)換(stt)程序操作而變化。換句話說，第一自由層fl1的磁化方向可以利用在程序電流中包括的電子的自旋扭矩而變化。

第一導電結(jié)構(gòu)130可以包括用于形成磁隧道結(jié)圖案(mtj)的籽晶層，并且作為將選擇元件電連接到磁隧道結(jié)圖案mtj的電極起作用。在一些實施方式中，第一導電結(jié)構(gòu)130可以包括順序地層疊的第一導電層和第二導電層。在一些實施方式中，第一導電層可以包括鉭(ta)或鈷-鉿(cohf)，第二導電層可以包括釕(ru)。第二導電結(jié)構(gòu)135可以與蓋層160接觸，且可以作為電連接磁隧道結(jié)圖案mtj到互連180的電極起作用。第二導電結(jié)構(gòu)135可以具有包括稀有金屬層、磁性合金層和金屬層的至少一種的單層或多層結(jié)構(gòu)。例如，稀有金屬層可以包括釕(ru)、鉑(pt)、鈀(pd)、銠(rh)或銥(ir)。例如，磁性合金層可以包括鈷(co)、鐵(fe)和鎳(ni)的至少一種。例如，金屬層可以包括鉭(ta)和鈦(ti)中的至少一種。但是本發(fā)明構(gòu)思的實施方式不局限于此。

第一被釘扎層pl1可以包括垂直磁性材料。在一些實施方式中，第一被釘扎層pl1可以包括具有10％或更多鋱含量的鈷-鐵-鋱(cofetb)、具有10％或更多釓含量的鈷-鐵-釓(cofegd)、鈷-鐵-鏑(cofedy)、具有l(wèi)10結(jié)構(gòu)的fept、具有l(wèi)10結(jié)構(gòu)的fepd、具有l(wèi)10結(jié)構(gòu)的copd、具有l(wèi)10結(jié)構(gòu)的copt、具有六方密堆積(hcp)晶體結(jié)構(gòu)的copt、或者包括前述材料/化合物中的至少一種的合金。在一些實施方式中，第一被釘扎層pl1可以具有其中磁性層和非磁性層交替且重復層疊的層疊結(jié)構(gòu)。例如，層疊結(jié)構(gòu)可以包括(co/pt)n、(cofe/pt)n、(cofe/pd)n、(co/pd)n、(co/ni)n、(coni/pt)n、(cocr/pt)n和(cocr/pd)n的至少一種，其中“n”表示雙層的數(shù)目。

交換耦合層140可以以使得第一被釘扎層pl1的磁化方向反平行于第二被釘扎層pl2的磁化方向的方式將第一被釘扎層pl1的磁化方向耦合到第二被釘扎層pl2的磁化方向。在一些實施方式中，交換耦合層140可以通過魯?shù)侣?基特爾-勝谷-良田(ruderman-klttel-kasuya-yosida，rkky)相互作用使第一和第二被釘扎層pl1和pl2彼此耦合。從而，由第一和第二被釘扎層pl1和pl2的磁化方向產(chǎn)生的磁場可以彼此抵消，以減小或最小化第一磁性結(jié)構(gòu)ms1的凈磁場。結(jié)果，有可能減小或最小化第一磁性結(jié)構(gòu)ms1的磁場對第一自由層fl1的影響。例如，交換耦合層140可以包括釕(ru)、銥(ir)和銠(rh)的至少一種。

例如，第二被釘扎層pl2可以具有包括cofeb、feb、cofebta、cohf、co和cozr的至少一種的單層或多層結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，第二被釘扎層pl2可以具有含有cofeb層的單層結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，第二被釘扎層pl2可以具有含有層疊的第一磁性層和第二磁性層的雙層結(jié)構(gòu)。例如，第二被釘扎層pl2可以具有包括feb層和cofeb層的雙層結(jié)構(gòu)、包括co層和cohf層的雙層結(jié)構(gòu)或者包括cofebta層和cofeb層的雙層結(jié)構(gòu)。

在一些實施方式中，第一被釘扎層pl1和交換耦合層140可以被省略。在這種情況下，第二被釘扎層pl2的一個表面可以與隧道勢壘層tbr接觸，第二被釘扎層pl2的與所述一個表面相反的另一表面可以與第一導電結(jié)構(gòu)130接觸。

隧道勢壘層tbr可以由電介質(zhì)材料形成。例如，隧道勢壘層tbr可以包括鎂氧化物(mgo)、鋁氧化物(alo)或者其組合。

第一自由層fl1可以包括在隧道勢壘層tbr上的第一自由磁性圖案150和在第一自由磁性圖案150上的第二自由磁性圖案155。詳細地說，第一自由磁性圖案150可以包括第一表面s1和與第一表面s1相反的第二表面s2。第一自由磁性圖案150的第一表面s1可以與隧道勢壘層tbr接觸。第二自由磁性圖案155可以與隧道勢壘層tbr間隔開，且第一自由磁性圖案150夾置于其間。這里，第一自由磁性圖案150的第二表面s2可以與第二自由磁性圖案155接觸。

第一自由磁性圖案150和第二自由磁性圖案155可以彼此磁性連接。從而，第一自由層fl1可以通過彼此磁性連接的第一和第二自由磁性圖案150和155而具有一個磁化方向。換句話說，第一自由層fl1可以具有雙層結(jié)構(gòu)，在該雙層結(jié)構(gòu)中具有不同材料和/或不同材料含量的兩個層不可分割地彼此連接。這里，第一和第二自由磁性圖案150和155可以如上所述的彼此直接接觸，或者第一和第二自由磁性圖案150和155可以彼此磁性連接，且材料層(未示出)夾置在其間。

即使在圖中未示出，第一和第二自由磁性圖案150和155可以也按照在本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式中的相反順序?qū)盈B。換句話說，第二自由磁性圖案155可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr和第一自由磁性圖案150之間。

第一自由磁性圖案150的厚度可以大于第二自由磁性圖案155的厚度。第一和第二磁性圖案150和155的厚度和(例如，第一自由層fl1的厚度)可以在從大約到大約的范圍內(nèi)。在這時候，第二自由磁性圖案155的厚度可以從大約到大約的范圍內(nèi)。

第一自由磁性圖案150可以包括硼(b)。例如，第一自由磁性圖案150可以包括鈷-鐵-硼(cofeb)。第一自由磁性圖案150可以通過熱處理工藝被結(jié)晶，以呈現(xiàn)磁隧道結(jié)圖案mtj的隧道磁阻(tmr)特性。在一些實施方式，第一自由磁性圖案150可以結(jié)晶以具有體心立方(bcc)晶體結(jié)構(gòu)。在一個實施方式中，硼在第一自由磁性圖案150中的原子百分比可以在從1at％到大約25at％的范圍內(nèi)。在另一實施方式中，硼在第一自由磁性圖案150中的原子百分比可以為大約20at％。

第二自由磁性圖案155可以包括鐵-鎳(feni)?？蛇x地，第二自由磁性圖案155可以進一步包括鈷(co)和硼(b)的至少一種。例如，第二自由磁性圖案155可以包括鐵-鎳(feni)、鐵-鎳-硼(fenib)、鈷-鐵-鎳(cofeni)和鈷-鐵-鎳-硼(cofenib)的至少一種。另外，第二自由磁性圖案155可以額外地摻雜有非磁性材料，如鎢(w)、鉬(mo)、鉭(ta)、鈦(ti)、鋯(zr)或鉿(hf)。換句話說，第二自由磁性圖案155可以包括通過用非磁性材料(即，w、mo、ta、ti、zr或hf)摻雜以上列出的合金(即，feni、fenib、cofeni和cofenib)的至少一種而形成的磁性合金層。第二自由磁性圖案155可以為晶體狀態(tài)，如同第一自由磁性圖案150。根據(jù)鐵-鎳(feni)的組成比，第二自由磁性圖案155可以具有bcc晶體結(jié)構(gòu)，或者bcc晶體結(jié)構(gòu)和面心立方(fcc)晶體結(jié)構(gòu)的混合晶體結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，當?shù)诙杂纱判詧D案155的硼含量高于大約15at％時，第二自由磁性圖案155可以處于非晶狀態(tài)。但是，本發(fā)明構(gòu)思的實施方式不局限于此。

第二自由磁性圖案155的鎳含量可以在從大約10at％到大約30at％的范圍內(nèi)。在其他實施方式中，第一自由磁性圖案155的鎳含量可以在從大約0.01at％到大約5at％的范圍內(nèi)。這可以由鎳原子從第二自由磁性圖案155向第一自由磁性圖案150的擴散導致。在另一實施方式中，第一自由磁性圖案150可以不包含鎳(ni)。從而，第二自由磁性圖案155的鎳含量可以大于第一自由磁性圖案150的鎳含量。當?shù)诙杂纱判詧D案155包括硼(b)時，第二自由磁性圖案155的硼含量可以在從大約1at％到大約25at％的范圍內(nèi)。

在磁隧道結(jié)圖案mtj中，開關(guān)電流(ic)可以理論上與gilbert阻尼參數(shù)(α)、自由層的飽和磁化(ms)以及難磁化軸各向異性場(hk)的每個成比例。同時，隨著鐵-鎳(feni)合金中的鐵含量增加，飽和磁化(ms)會減小，但是gilbert阻尼參數(shù)(α)會增大。相反，隨著鐵-鎳(feni)合金中的鎳含量增大，飽和磁化(ms)會增加，但是gilbert阻尼參數(shù)(α)會減小。因而，在鐵和鎳的適當組成范圍內(nèi)，合金可以具有低飽和磁化(ms)和低gilbert阻尼參數(shù)(α)。換句話說，如上所述，在合金中的鎳含量在大約10at％到大約30at％的范圍內(nèi)時，合金可以具有低飽和磁化(ms)和低gilbert阻尼參數(shù)(α)。

進行試驗來驗證根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁隧道結(jié)圖案的特征。在試驗中，第一、第二和第三比較示例以及第一試驗示例被準備。第一比較示例被準備為包括依次層疊的cofeb層、非磁性金屬層(w、mo、cr、ta、hf、zr和ti的至少一種)以及cofeb層。第二比較示例被準備為包括依次層疊的cofeb層和cofebx層(x＝w、mo、cr、ta、hf、zr和ti的至少一種)。第三比較示例被準備為包括單一的cofeb層。第一試驗示例被準備為包括依次層疊的cofeb層和feni層(ni含量＝15at％)。測量第一至第三比較示例和第一試驗示例的飽和磁化(ms)和厚度(t)。圖10示出第一至第三比較示例和第一試驗示例中的每一個的飽和磁化(ms)×厚度(t)的值。另外，第一至第三比較示例和第一試驗示例的gilbert阻尼參數(shù)(α)被測量，且測量的gilbert阻尼參數(shù)(α)在圖11中示出。

參照圖10和11，可以驗證，根據(jù)第一試驗示例的額外地包括feni層的自由層具有比第一至第三比較示例的自由層低的飽和磁化(ms)和gilbert阻尼參數(shù)(α)。第一試驗示例對應(yīng)于本發(fā)明構(gòu)思的實施方式。換句話說，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁隧道結(jié)圖案mtj能夠具有低開關(guān)電流(ic)。

第一至第三比較示例和第一試驗示例的δ/jc值被測量，所測量的δ/jc值在圖12中示出。“δ”表示熱穩(wěn)定性，“jc”表示臨界電流密度。因而，δ/jc值表示磁性存儲器件的切換效率。參照圖12，可以驗證，第一試驗示例的額外地包括feni層的自由層的δ/jc值高于第一至第三比較示例的自由層的δ/jc值。換句話說，可以驗證，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的自由層的切換效率得以改善。

在另一試驗中，準備第一至第四樣本。第一至第四樣本的每一個被制備為包括依次層疊的cofeb層和feni層。這里，在第一至第四樣本的feni層中的ni含量分別是1at％、15at％、30at％和45at％。第一至第四樣本的隧道磁阻(tmr)值被測量，并且所測量的tmr值在圖13中示出。

參照圖13，可以驗證，tmr值隨著ni含量增大而減小。尤其是，在ni含量高于30at％的情況下，tmr值可能較小而不適于磁隧道結(jié)圖案。圖14示出feni合金的相位圖。參照圖14，在ni含量高于30at％的情況下，bcc晶體結(jié)構(gòu)和fcc晶體結(jié)構(gòu)可以一起存在于feni合金中，以使tmr特性惡化。另外，在ni含量非常小(例如，1at％)的情況下，fe含量會太多而不能增加飽和磁化(ms)。因而，開關(guān)電流(ic)會增大。

結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式，在磁性連接到第一自由磁性圖案150的第二自由磁性圖案155中的ni含量可以在具有雙層結(jié)構(gòu)的第一自由層fl1中在適當范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因而，開關(guān)電流(ic)可以被減小，且tmr特性可以被改善。

再次參照圖4，蓋層160可以包括金屬氧化物。例如，蓋層160可以包括鉭氧化物、鎂氧化物、鈦氧化物、鋯氧化物、鉿氧化物和鋅氧化物的至少一種。蓋層160可以有助于第一自由層fl1以使其具有基本上垂直于襯底100的頂表面的磁化方向。蓋層160的電阻值可以等于或小于隧道勢壘層tbr的電阻值的三分之一(1/3)。

第二電介質(zhì)層170可以設(shè)置在襯底100的整個頂表面上，以覆蓋第一導電結(jié)構(gòu)130、磁隧道結(jié)圖案mtj和第二導電結(jié)構(gòu)135。上部接觸插塞125可以穿透第二電介質(zhì)層170從而連接到第二導電結(jié)構(gòu)135。第二電介質(zhì)層170可以包括氧化物(例如，硅氧化物)、氮化物(例如，硅氮化物)和氮氧化物(例如，硅氮氧化物)的至少一種。上部接觸插塞125可以包括金屬(例如，鈦、鉭、銅、鋁或鎢)和導電的金屬氮化物(例如，鈦氮化物或鉭氮化物)的至少一種。

互連180可以設(shè)置在第二電介質(zhì)層170上?；ミB180可以連接到上部接觸插塞125?；ミB180可以包括金屬(例如，鈦、鉭、銅、鋁或鎢)和導電的金屬氮化物(例如，鈦氮化物或鉭氮化物)的至少一種。在一些實施方式中，互連180可以是位線。

圖5a和5b是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的用于制造磁性存儲器件的方法的截面圖。

參照圖5a，第一電介質(zhì)層110可以形成在襯底100上。下部接觸插塞120可以形成為穿透第一電介質(zhì)層110。第一初步導電結(jié)構(gòu)130a可以形成在第一電介質(zhì)層110上。第一初步導電結(jié)構(gòu)130a可以電連接到下部接觸插塞120的頂表面。

即使圖中未示出，籽晶層(未示出)也可以形成在第一初步導電結(jié)構(gòu)130a上。籽晶層可以利用物理氣相沉積(pvd)工藝、化學氣相沉積(cvd)工藝或者原子層沉積(ald)工藝沉積。在一些實施方式中，籽晶層可以通過對應(yīng)于一種pvd工藝的濺射工藝來沉積。

第一初步磁性結(jié)構(gòu)ms1a可以形成在籽晶層上。第一初步磁性結(jié)構(gòu)ms1a可以包括第一初步被釘扎層pl1a、初步交換耦合層140a和第二初步被釘扎層pl2a。

第一初步被釘扎層pl1a可以沉積在籽晶層上。第一初步被釘扎層pl1a可以利用籽晶層作為籽晶而形成。在一些實施方式中，第一初步被釘扎層pl1a可以具有與籽晶層相同的晶體結(jié)構(gòu)。第一初步被釘扎層pl1a可以包括垂直磁性材料。例如，第一初步被釘扎層pl1a可以包括與如上面參照圖4描述的第一被釘扎層pl1相同的材料。

第一初步被釘扎層pl1a可以通過pvd工藝、cvd工藝或ald工藝沉積。在一些實施方式中，第一初步被釘扎層pl1a可以通過濺射工藝沉積。當?shù)谝怀醪奖会斣鷮觩l1a由copt合金形成時，第一初步被釘扎層pl1a可以利用氬(ar)氣體通過濺射工藝形成。在這種情況下，為了減小第一初步被釘扎層pl1a的飽和磁化，第一初步被釘扎層pl1a可以由摻雜有硼(b)的copt合金形成。

初步交換耦合層140a可以沉積在第一初步被釘扎層pl1a上。在一些實施方式中，初步交換耦合層140a可以利用第一初步被釘扎層pl1a作為籽晶而形成。例如，初步交換耦合層140a可以由具有hcp晶體結(jié)構(gòu)的釕形成。初步交換耦合層140a可以通過pvd工藝、cvd工藝或ald工藝沉積。在一些實施方式中，初步交換耦合層140a可以通過濺射工藝沉積。

第二初步被釘扎層pl2a可以形成在初步交換耦合層140a上。第二初步被釘扎層pl2a可以利用初步交換耦合層140a作為籽晶來形成。在一些實施方式中，第二初步被釘扎層pl2a可以具有與初步交換耦合層140a相同的晶體結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，第二初步被釘扎層pl2a可以包括垂直磁性材料。在一些實施方式中，第二初步被釘扎層pl2a可以包括與上面參照圖4描述的第二被釘扎層pl2相同的材料。第二初步被釘扎層pl2a可以通過pvd工藝、cvd工藝或ald工藝沉積。在一些實施方式中，第二初步被釘扎層pl2a可以通過濺射工藝沉積。

初步隧道勢壘層tbra可以形成在第二初步被釘扎層pl2a上。在一些實施方式中，初步隧道勢壘層tbra可以通過利用隧道勢壘材料作為靶的濺射工藝形成。靶可以包括具有精確控制的化學計量的隧道勢壘材料。例如，初步隧道勢壘層tbra可以包括鎂氧化物(mgo)和鋁氧化物(alo)的至少一種。在一些實施方式中，初步隧道勢壘層tbra可以由具有氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)的鋁氧化物(mgo)形成。

第二初步磁性結(jié)構(gòu)ms2a可以形成在初步隧道勢壘層tbra上。第二初步磁性結(jié)構(gòu)ms2a可以包括第一初步自由層fl1a和初步蓋層160a。第一初步自由層fl1a可以包括第一自由磁性層150a和第二自由磁性層155a。

在一些實施方式中，第一自由磁性層150a和第二自由磁性層155a可以依次層疊在初步隧道勢壘層tbra上。第一和第二自由磁性層150a和155a可以通過pvd工藝、cvd工藝和/或ald工藝依次沉積。在一些實施方式中，第一和第二自由磁性層150a和155a中的每一個可以通過濺射工藝形成。所沉積的第一和第二自由磁性層150a和155a可以處于非晶狀態(tài)。

在一些實施方式中，第一自由磁性層150a可以由鈷-鐵-硼(cofeb)形成。在一些實施方式中，第二自由磁性層155a可以由鐵-鎳(feni)、鐵-鎳-硼(fenib)、鈷-鐵-鎳(cofeni)和鈷-鐵-鎳-硼(cofenib)中的至少一種形成。另外，第二自由磁性層155a可以由通過用非磁性材料(即，w、mo、ta、ti、zr或hf)摻雜以上列出的合金(即，feni、fenib、cofeni和cofenib)實現(xiàn)的磁性合金層形成。在此時，在用于沉積第二自由磁性層155a的濺射工藝的靶中的鎳含量可以在從大約10at％到大約30at％的范圍內(nèi)。

熱處理工藝可以在第一和第二自由磁性層150a和155a的形成之后進行。第一自由磁性層150a和第二自由磁性層155a可以通過熱處理工藝結(jié)晶。但是，當?shù)诙杂纱判詫?55a包含大約15at％或更多的硼(b)時，在熱處理工藝之后，第二自由磁性層155a可以保持在非晶狀態(tài)。第一和第二自由磁性層150a和155a可以通過熱處理工藝顯示出隧道磁阻(tmr)特性。換句話說，第一和第二自由磁性層150a和155a可以獲得高磁阻比。為了獲得充分的磁阻比，熱處理工藝可以在350℃到450℃的高溫下進行。如果熱處理工藝的溫度低于大約350℃，不能獲得充分的磁阻比。如果熱處理工藝的溫度高于大約450℃，則會因為飽和磁化(ms)的增加和阻抗面積(ra)值的增加而發(fā)生切換錯誤。在一些實施方式中，熱處理工藝可以在大約400℃的高溫下進行。

在熱處理工藝期間，第一自由磁性層150a可以利用初步隧道勢壘層tbra作為籽晶來結(jié)晶。在一些實施方式中，初步隧道勢壘層tbra可以具有氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)，因而，第一自由磁性層150a可以被結(jié)晶以具有bcc晶體結(jié)構(gòu)。第二自由磁性層155a也可以結(jié)晶以具有bcc晶體結(jié)構(gòu)。

在一些實施方式中，在第二自由磁性層155a包含大約15at％或更多的硼(b)時，第二自由磁性層155a以及第一自由磁性層150a可以通過熱處理工藝結(jié)晶。

初步蓋層160a和第二初步導電結(jié)構(gòu)135a可以依次形成在第一初步自由層fl1a上。在一些實施方式中，熱處理工藝可以在第二初步導電結(jié)構(gòu)135a的形成之后執(zhí)行。在一些實施方式中，熱處理工藝可以在第一初步自由層fl1的形成之后并在初步蓋層160a的形成之前執(zhí)行。在一些實施方式中，熱處理工藝可以在初步蓋層160a的形成之后并在第二初步導電結(jié)構(gòu)135a的形成之前執(zhí)行。

例如，初步蓋層160a可以由鉭氧化物、鎂氧化物、鈦氧化物、鋯氧化物、鉿氧化物和鋅氧化物的至少一種形成。第二初步導電結(jié)構(gòu)135a可以形成為具有包括貴重金屬層、磁性合金層和金屬層中的至少之一的單層或多層結(jié)構(gòu)。例如，第二初步導電結(jié)構(gòu)135a可以由與以上參照圖4描述的第二導電結(jié)構(gòu)135相同的材料形成。

參照圖5b，第二初步導電結(jié)構(gòu)135a、初步蓋層160a、第一初步自由層fl1a、初步隧道勢壘層tbra、第二初步被釘扎層pl2a、初步交換耦合層140a、第一初步被釘扎層pl1a和第一初步導電結(jié)構(gòu)130a可以被順序地圖案化，以形成順序?qū)盈B的第一導電結(jié)構(gòu)130、第一被釘扎層pl1、交換耦合層140、第二被釘扎層pl2、隧道勢壘層tbr、第一自由層fl1、蓋層160和第二導電結(jié)構(gòu)135。第一自由層fl1可以包括在隧道勢壘層tbr上的第一自由磁性圖案150以及在第一自由磁性圖案150上的第二自由磁性圖案155。

再次參照圖4，第二電介質(zhì)層170可以形成為覆蓋第一導電結(jié)構(gòu)130、磁隧道結(jié)圖案mtj和第二導電結(jié)構(gòu)135。上部接觸插塞125可以形成為穿透第二電介質(zhì)層170。上部接觸插塞125可以連接到第二導電結(jié)構(gòu)135。互連180可以形成在第二電介質(zhì)層170上?；ミB180可以連接到上部接觸插塞125。

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。在本實施方式中，與圖4的實施方式中描述的相同元件將由相同的附圖標記或相同的參考標識來指示。為了解釋的容易和方便，與圖4的實施方式中的相同元件的描述將被省略或簡要提及。換句話說，本實施方式和圖4的實施方式之間的差異將在下面主要描述。

參照圖6，圖2b的第二類型磁隧道結(jié)圖案mtj2設(shè)置在襯底100上。詳細地說，第一磁性結(jié)構(gòu)ms1可以包括第一自由層fl1，第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以包括第一和第二被釘扎層pl1和pl2。換句話說，不同于根據(jù)圖4的實施方式的磁性存儲器件，第一自由層fl1可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr和第一導電結(jié)構(gòu)130之間，第一和第二被釘扎層pl1和pl2可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr和第二導電結(jié)構(gòu)135之間。

第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以包括在隧道勢壘層tbr上的第二被釘扎層pl2、在第二被釘扎層pl2上的第一被釘扎層pl1以及在第二被釘扎層pl2和第一被釘扎層pl1之間的交換耦合層140。不同于圖4，在第二導電結(jié)構(gòu)135下面的蓋層160可以被省略。

第一磁性結(jié)構(gòu)ms1可以包括在隧道勢壘層tbr下面的第一自由磁性圖案150和在第一自由磁性圖案150下面的第二自由磁性圖案155。在一些實施方式中，第一自由磁性圖案150可以包括鈷-鐵-硼(cofeb)，第二自由磁性圖案155可以包括鐵-鎳(feni)、鐵-鎳-硼(fenib)、鈷-鐵-鎳(cofeni)和鈷-鐵-鎳-硼(cofenib)中的至少一種。另外，第二自由磁性圖案155可以包括通過用非磁性材料(即，w、mo、ta、ti、zr或hf)摻雜上面列出的合金(即，feni、fenib、cofeni和cofenib)的至少一種而實現(xiàn)的磁性合金層。

圖7是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。在本實施方式中，與圖4的實施方式中描述的相同元件將由相同的附圖標記或相同的參考標識來指示。為了解釋的容易和方便，與圖4的實施方式中的相同元件的描述將被省略或簡要提及。換句話說，本實施方式和圖4的實施方式之間的差異將在下面主要描述。

參照圖7，第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以包括第一自由層fl1、在第一自由層fl1上的第二自由層fl2、在第一自由層fl1和第二自由層fl2之間的非磁性金屬層165以及在第二自由層fl2上的蓋層160。

非磁性金屬層165可以包括非磁性金屬材料。例如，非磁性金屬材料可以包括hf、zr、ti、ta、w、mo、cr和其任意合金的至少一種。第二自由層fl2可以通過非磁性金屬層165耦合到第一自由層fl1，使得第二自由層fl2可以具有平行于第一自由層fl1的磁化方向的垂直磁化方向。非磁性金屬層165可以具有大約或更小的厚度。在某些實施方式中，非磁性金屬層165可以被省略。

在一些實施方式中，第二自由層fl2可以包括fe、co、ni和其任意合金的至少一種。另外，第二自由層fl2可以進一步包括非磁性金屬材料。第二自由層fl2的非磁性金屬材料可以包括ta、ti、zr、hf、b、w、mo和cr中的至少一種。例如，第二自由層fl2可以包括fe或co，并可以包括非磁性金屬材料(例如，硼)。第二自由層fl2可以不包含鎳(ni)或可以包含少量的鎳，因而，第一自由層fl1的第二自由磁性圖案155的鎳含量可以大于第二自由層fl2的鎳含量。

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。在本實施方式中，與圖7的實施方式中描述的相同元件將通過相同的附圖標記或相同的參考標識來指示。為了解釋的容易和方便，與圖7的實施方式中的相同元件的描述將被省略或簡要提及。換句話說，下面將主要描述本實施方式和圖7的實施方式之間的差異。

參照圖8，第二自由層fl2可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr上。第二自由層fl1可以與隧道勢壘層tbr間隔開，且第二自由層fl2夾置于其間。非磁性金屬層165可以設(shè)置在第一自由層fl1和第二自由層fl2之間。換句話說，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的第一自由層fl1可以與隧道勢壘層tbr間隔開，且至少一個額外的自由層(例如，第二自由層fl2)可以設(shè)置在第一自由層fl1和隧道勢壘層tbr之間。

圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件的截面圖。在本實施方式中，與圖4的實施方式中描述的相同元件將通過相同附圖標記或相同的參考標識來指示。為了解釋的容易和方便，與圖4的實施方式中的相同元件的描述將被省略或簡要提及。換句話說，下面將主要描述本實施方式和圖4的實施方式之間的差異。

參照圖9，圖3a的第三類型磁隧道結(jié)圖案mtj3設(shè)置在襯底100上。不同于上面描述的磁性存儲器件，根據(jù)本實施方式的磁隧道結(jié)圖案mtj可以包括具有基本上平行于襯底100的頂表面的磁化方向的磁性層。

第一磁性結(jié)構(gòu)ms1可以包括釘扎層190、第一被釘扎層pl1、交換耦合層140和第二被釘扎層pl2。第一被釘扎層pl1可以設(shè)置在釘扎層190和交換耦合層140之間，第二被釘扎層pl2可以設(shè)置在交換耦合層140和隧道勢壘層tbr之間。換句話說，根據(jù)本實施方式的第一磁性結(jié)構(gòu)ms1可以具有包括被釘扎層pl1和pl2的多層結(jié)構(gòu)，該被釘扎層pl1和pl2具有基本上平行于襯底100的頂表面的磁化方向，例如水平磁化方向。

第一被釘扎層pl1的磁化方向可以通過釘扎層190固定。交換耦合層140可以以使得第二被釘扎層pl2的磁化方向與第一被釘扎層pl1的磁化方向反平行的方式將第二被釘扎層pl2耦合到第一被釘扎層pl1。

釘扎層190可以包括反鐵磁性材料。例如，釘扎層190可以包括鉑-錳(ptmn)、銥-錳(irmn)、錳氧化物(mno)、錳硫化物(mns)、錳-碲(mnte)和錳氟化物(mnf)中的至少一種。

第一被釘扎層pl1可以包括鐵磁材料。例如，第一被釘扎層pl1可以包括鈷-鐵-硼(cofeb)、鈷-鐵(cofe)、鎳-鐵(nife)、鈷-鐵-鉑(cofept)、鈷-鐵-鈀(cofepd)、鈷-鐵-鉻(cofecr)、鈷-鐵-鋱(cofetb)和鈷-鐵-鎳(cofeni)中的至少一種。交換耦合層140可以包括釕(ru)、銥(ir)和銠(rh)中的至少一種。

第二被釘扎層pl2可以包括鐵磁材料。例如，第二被釘扎層pl2可以包括鈷-鐵-硼(cofeb)、鈷-鐵(cofe)、鎳-鐵(nife)、鈷-鐵-鉑(cofept)、鈷-鐵-鈀(cofepd)、鈷-鐵-鉻(cofecr)、鈷-鐵-鋱(cofetb)和鈷-鐵-鎳(cofeni)中的至少一種。

第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以包括依次層疊在隧道勢壘層tbr上的第一自由層fl1和蓋層160。第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以包括具有基本上平行于襯底100的頂表面的磁化方向，例如水平磁化方向的至少一個自由層fl1。

第一自由層fl1可以包括在隧道勢壘層tbr上的第一自由磁性圖案150和在第一自由磁性圖案150上的第二自由磁性圖案155。在一些實施方式中，第一自由磁性圖案150可以包括鈷-鐵-硼(cofeb)，第二磁性圖案155可以包括鐵-鎳(feni)、鐵-鎳-硼(fenib)、鈷-鐵-鎳(cofeni)和鈷-鐵-鎳-硼(cofenib)的至少一種。另外，第二自由磁性圖案155可以額外地摻雜有非磁性材料(即，w、mo、ta、ti、zr或hf)。

同時，即使在圖中未示出，圖3b的第四類型磁隧道結(jié)圖案mtj4可以設(shè)置在襯底100上。在這種情況下，類似于上面參照圖6描述的實施方式，圖9的第一磁性結(jié)構(gòu)ms1可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr的頂表面上，圖9的第二磁性結(jié)構(gòu)ms2可以設(shè)置在隧道勢壘層tbr下面。

根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式的磁性存儲器件可以包括具有雙層結(jié)構(gòu)的自由層。自由層中的一個層由包括鐵(fe)和鎳(ni)的合金形成，鐵和鎳以適當?shù)暮勘葮?gòu)成。從而，磁性存儲器件的切換電流可以被減小且磁性存儲器件的tmr特性可以得以改善。

雖然已經(jīng)參照示例性實施方式描述了本發(fā)明構(gòu)思，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，將明顯的是，在不背離本發(fā)明構(gòu)思的精髓和范圍的前提下可以做出各種變化和修改。因此，應(yīng)該理解的是，以上實施方式不是限制性的，而是說明性的。從而，本發(fā)明構(gòu)思的范圍將通過權(quán)利要求及其等價物的最寬可允許解釋來確定，而不應(yīng)被前面的描述約束或限制。

本申請要求2015年9月25日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請第10-2015-0136183號的優(yōu)先權(quán)，該韓國專利申請的公開由此通過引用整體結(jié)合于此。