磁存储器件和用于制造磁存储器件的方法与流程

磁存储器件和用于制造磁存储器件的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年7月14日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2020-0086510的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
3.本公开涉及一种磁存储器件和/或用于制造磁存储器件的方法。更具体地，本公开涉及一种包括用于在自由层中引起界面垂直磁各向异性(i-pma)的氧化层在内的磁存储器件和/或用于制造该磁存储器件的方法。


背景技术：

4.随着电子设备变得更快且功率更低，内置于电子设备中的存储器件可能也需要快速的读取/写入操作和低工作电压。正在研究磁存储器件作为可以满足该需求的存储器件。磁存储器件作为下一代存储器备受关注，因此它们是非易失性的并且能够高速操作。
5.同时，随着磁存储元件变得越来越高度集成，正在研究利用自旋转移扭矩(stt)现象存储信息的stt-mram。stt-mram可以通过将电流直接施加到磁隧道结元件而引起磁化反转来存储信息。高度集成的stt-mram可能需要高速操作和低电流操作。


技术实现要素：

6.本公开的各方面提供了一种具有改善的产品可靠性、性能和/或分布的磁存储器件。
7.本公开的各方面还提供了一种用于制造具有改善的产品可靠性、性能和/或分布的磁存储器件的方法。
8.然而，本公开的各方面不限于本文所阐述的那些内容。通过参考下面给出的详细描述，本公开的上述和其他方面对于本公开所属领域的普通技术人员而言将变得更加显而易见。
9.根据一个实施例，磁存储器件可以包括：钉扎层；自由层；钉扎层和自由层之间的隧道势垒层；第一氧化物层，与隧道势垒层间隔开，其中自由层在第一氧化物层和隧道势垒层之间；以及第二氧化物层，与自由层间隔开，其中第一氧化物层在第二氧化物层和自由层之间。第一氧化物层可以包括第一材料的氧化物，并且第一氧化物层的厚度可以是至第二氧化物层可以包括第二材料的氧化物，并且第二氧化物层的厚度可以是至第一材料可以具有第一氧亲和性。第二材料可以具有第二氧亲和性。第二氧亲和性可以小于第一氧亲和性。
10.根据一个实施例，磁存储器件可以包括：钉扎层；自由层；钉扎层和自由层之间的隧道势垒层；第一氧化物层，与隧道势垒层间隔开，其中自由层在第一氧化物层和隧道势垒层之间；以及第二氧化物层，与自由层间隔开，其中第一氧化物层在第二氧化物层和自由层之间。第一氧化物层可以包括第一材料，该第一材料包括以下至少一种：钙(ca)、锶(sr)、镁
(mg)、铪(hf)、锆(zr)和铝(al)。第二氧化物层可以包括与第一材料不同的第二材料。第一材料可以具有第一氧亲和性。第二材料可以具有第二氧亲和性，第二氧亲和性可以小于第一氧亲和性。
11.根据一个实施例，磁存储器件可以包括：钉扎层；自由层；钉扎层和自由层之间的隧道势垒层；第一氧化物层，与隧道势垒层间隔开，其中自由层在第一氧化物层和隧道势垒层之间；以及第二氧化物层，与自由层间隔开，其中第一氧化物层在第二氧化物层和自由层之间。第一氧化物层可以包括具有第一氧化物分解电势的第一金属氧化物。第二氧化物层可以包括与第一金属氧化物不同的第二金属氧化物。第二金属氧化物可以具有比第一氧化物分解电势小的第二氧化物分解电势。
12.根据一个实施例，一种用于制造磁存储器件的方法可以包括：在衬底上形成钉扎层；在钉扎层上形成隧道势垒层；在隧道势垒层上形成自由层；在自由层上形成第一氧化物层，第一氧化物层包括第一材料的氧化物，第一材料具有第一氧亲和性；以及在第一氧化物层上形成第二氧化物层，第二氧化物层包括第二材料的氧化物，第二材料的第二氧亲和性小于第一氧亲和性。
附图说明
13.通过参考附图详细描述本公开的示例实施例，本公开的上述和其它方面和特征将变得更清楚，在附图中：
14.图1是根据一些实施例的磁存储器件的示例框图。
15.图2是根据一些实施例的磁存储器件的单元阵列的示例电路图。
16.图3和图4是示出了根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件的示意性截面图。
17.图5至图8是示出了根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件的各种示意性截面图。
18.图9是示出了根据一些实施例的磁存储器件的示意性截面图。
19.图10至图14是示出了根据一些实施例的用于制造磁存储器件的方法的中间步骤的示图。
具体实施方式
20.诸如
“……
中的至少一个”之类的表述当在元件列表(例如，a、b和c)之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，“a、b和c中的至少一个”、“a、b或c中的至少一个”、“a、b、c中的一个、或其组合”和“a、b、c中的一个、以及其组合”分别可以被解释为涵盖以下组合中的任意一项：a；b；a和b；a和c；b和c；以及a、b和c。
21.当在本说明书中与数值相结合地使用术语“约”或“基本上”时，相关联的数值旨在包括所述数值附近的制造或操作公差(例如，
±
10％)。此外，当词语“一般地”和“基本上”与几何形状结合使用时，意图是不要求几何形状的精度，但是该形状的界限在本公开的范围内。此外，无论数值或形状被修改为“大约”还是“基本上”，应理解，这些数值和形状应被解释为包括所述数值或形状附近的制造或操作公差(例如，
±
10％)。
22.在下文中，将参照图1至图9描述根据本公开的一些实施例的磁隧道结元件和磁存
储器件。
23.图1是根据一些实施例的磁存储器件的示例框图。
24.参照图1，根据一些实施例的磁存储器件包括单元阵列1、行解码器2、列解码器3、读取/写入电路4和控制逻辑器件5。
25.单元阵列1可以包括多个字线和多个位线。存储单元可以连接到字线和位线彼此交叉的点。稍后将参考图2更详细地描述单元阵列1。
26.行解码器2可以通过字线连接到单元阵列1。行解码器2可以通过对外部输入的地址进行解码来选择多个字线之一。
27.列解码器3可以通过位线连接到单元阵列1。列解码器3可以通过对外部输入的地址进行解码来选择多个位线之一。由列解码器3选择的位线可以连接到读取/写入电路4。
28.读取/写入电路4可以在控制逻辑器件5的控制下提供位线偏置以用于访问所选择的存储单元。例如，读取/写入电路4可以向选择的位线提供位线偏置以将输入数据写入存储单元或从存储单元读取输入数据。
29.在一些实施例中，控制逻辑器件5、行解码器2和列解码器3可以包括：诸如包括逻辑电路在内的硬件之类的处理电路；诸如执行软件的处理器之类的硬件/软件组合；或其组合。例如，处理电路更具体地可以包括但不限于中央处理单元(cpu)、算术逻辑单元(alu)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程门阵列(fpga)、片上系统(soc)、可编程逻辑单元、微处理器、专用集成电路(asic)等。
30.控制逻辑器件5可以根据从外部提供的命令信号来输出用于控制磁存储器件的控制信号。从控制逻辑器件5输出的控制信号可以控制读取/写入电路4。控制逻辑器件5可以响应于从外部源(例如，主机(未示出))向其输入的控制/命令信号、命令或指令来操作，并且可以被配置为访问单元阵列1并控制本文讨论的磁存储器件的操作，由此将控制逻辑器件5转换成专用控制器。
31.图2是根据一些实施例的磁存储器件的单元阵列的示例电路图。图3和图4是示出了根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件的示意性截面图。作为参考，图3和图4是构成自旋转移扭矩磁随机存取存储器(stt-mram)的磁存储器件的示例。
32.参照图2，单元阵列1包括多个位线bl、多个字线wl和多个单位存储单元mc。
33.字线wl在第一方向上延伸。位线bl可以在与第一方向交叉的第二方向上延伸以与字线wl交叉。
34.单位存储单元mc可以二维地或三维地布置。单位存储单元mc中的每一个可以连接到彼此交叉的字线wl和位线bl的交叉点。因此，连接到字线wl的单位存储单元mc中的每一个可以通过位线bl连接到读取/写入电路(例如，图1中的读取/写入电路40)。单元存储单元mc中的每一个可以包括磁隧道结元件me和选择元件se。
35.磁隧道结元件me可以连接在位线bl和选择元件se之间，并且选择元件se可以连接在磁隧道结元件me和字线wl之间。磁隧道结元件me可以包括钉扎层(例如，图3中的210)、自由层(例如，图3中的230)和隧道势垒层(例如，图3中的220)。
36.选择元件se可以被配置为选择性地控制电荷通过磁隧道结元件me的流动。例如，选择元件sf可以包括以下至少一个：二极管、pnp双极晶体管、npn双极晶体管、nmos场效应晶体管、或pmos场效应晶体管。当使用双极晶体管(其是3-端子元件)或mos场效应晶体管构
成选择元件se时，附加导线(例如，源极线)可以连接到选择元件se。
37.参照图3和图4，根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件包括钉扎层210、自由层230、隧道势垒层220、第一氧化物层240和第二氧化物层250。
38.钉扎层210可以具有钉扎的磁化方向。例如，钉扎层210的磁化方向可以被钉扎，而不管流过其中的编程电流如何。
39.钉扎层210可以包括铁磁性物质。例如，钉扎层210可以包括以下至少一种：非晶稀土元素合金、铁磁性金属(fm)和非磁性金属(nm)交替堆叠的多层薄膜、具有l10型晶体结构的合金、钴基合金、或其组合，但不限于此。
40.非晶稀土元素合金可以包括例如诸如tbfe、tbco、tbfeco、dytbfeco和gdtbco等的合金。铁磁性金属(fm)和非磁性金属(nm)交替堆叠的多层薄膜可以包括例如诸如co/pt、co/pd、cocr/pt、co/ru、co/os、co/au和ni/cu等的多层薄膜。具有l10型晶体结构的合金可以包括例如诸如fe
50
pt
50
、fe
50
pd
50
、co
50
pt
50
、fe
30
ni
20
pt
50
和co
30
ni
20
pt
50
等的合金。钴基合金可以包括例如诸如cocr、copt、cocrpt、cocrta、cocrptta、cocrnb和cofeb等的合金。例如，下面将描述钉扎层210包括cofeb的示例。
41.在一些实施例中，钉扎层210可以具有垂直磁各向异性(pma)。也就是说，钉扎层210可以在垂直于钉扎层210的延伸方向的方向上具有易磁化轴。图3中的单向箭头a指示钉扎层210的磁化方向被垂直地钉扎。
42.自由层230可以具有可变的磁化方向。例如，自由层230的磁化方向可以根据流过其中的编程电流而变化。在一些实施例中，自由层230的磁化方向可以通过自旋转移扭矩(stt)而改变。
43.自由层230可以包括至少一个磁性元素。关于磁性元素，例如，自由层230可以包括铁(fe)、镍(ni)或钴(co)中的至少一种，但不限于此。
44.在一些实施例中，自由层230可以具有垂直磁各向异性(pma)。也就是说，自由层230可以在垂直于自由层230的延伸方向的方向上具有易磁化轴。图3的双向箭头b指示自由层230的磁化方向可以平行于钉扎层210的磁化方向而被磁化或可以反平行于钉扎层210的磁化方向而被磁化。
45.在一些实施例中，自由层230可以包括能够通过与氧结合而引起界面垂直磁各向异性(i-pma)的磁性元素。磁性元素可以是例如铁(fe)。例如，下面将自由层230描述为包括cofe或cofeb。
46.在一些实施例中，自由层230可以具有晶体结构。例如，自由层230的至少一部分可以具有体心立方(bcc)晶体结构。
47.隧道势垒层220可以介于钉扎层210和自由层230之间。隧道势垒层220可以用作用于在钉扎层210和自由层230之间产生量子力学隧穿的绝缘隧道势垒。
48.隧道势垒层220可以包括例如以下至少一种：氧化镁(mgo)、氧化铝(al2o3)、氧化硅(sio2)、氧化钽(ta2o5)、氮化硅(sin)、氮化铝(aln)、或其组合，但不限于此。例如，以下将隧道势垒层220描述为包括具有面心立方(fcc)晶体结构的氧化镁、或氯化钠(nacl)晶体结构。
49.包括钉扎层210、隧道势垒层220和自由层230在内的磁隧道结元件可以用作可变电阻元件，该可变电阻元件可以通过施加到其上的电信号(例如，编程电流)切换到两个电
阻状态。例如，当钉扎层210的磁化方向和自由层230的磁化方向平行时，磁隧道结元件可以具有低电阻值并且可以将其存储为数据“0”。相反，当钉扎层210的磁化方向和自由层230的磁化方向反平行时，磁隧道结元件具有高电阻值并且可以将其存储为数据“1”。
50.在一些实施例中，钉扎层210、隧道势垒层220和自由层230可以顺序地堆叠在衬底100上。衬底100可以是例如硅衬底、砷化镓衬底、硅锗衬底、陶瓷衬底、石英衬底或用于显示的玻璃衬底或绝缘体上半导体(soi)衬底，但不限于此。
51.第一氧化物层240可以与隧道势垒层220间隔开，其中自由层230在第一氧化物层240和隧道势垒层220之间。例如，第一氧化物层240可以覆盖自由层230的顶表面。第一氧化物层240可以与自由层230接触。
52.第一氧化物层240可以包括第一材料的氧化物。例如，第一氧化物层240可以是第一材料的自然氧化物。第一材料可以具有第一氧亲和性。第一材料可以包括例如以下至少一种：金属(例如，钙(ca)、锶(sr)、铍(be)，镁(mg)、铪(hf)、锆(zr)、钡(ba)和铝(al))、金属的硼化物(例如，硼化钙(cab)、硼化铝(alb)和硼化锆(zrb))、硼化钽(tab)、硼化钛(tib)或碳化钽(tac)，但不限于此。
53.第二氧化物层250可以与自由层230间隔开，其中第一氧化物层240在第二氧化物层250和自由层230之间。例如，第二氧化物层250可以覆盖第一氧化物层240的顶表面。在一些实施例中，第二氧化物层250可以与第一自由层230接触。
54.第二氧化物层250可以包括第二材料的氧化物。例如，第二氧化物层250可以是第二材料的自然氧化物。第二材料可以具有第二氧亲和性。第二材料可以包括例如以下至少一种：钛(ti)、钽(ta)、镓(ga)、钒(v)、锌(zn)、锰(mn)或铌(nb)，但是不限于此。在一些实施例中，第二材料可以不同于第一材料。
55.第一氧化物层240的第一氧亲和性可以大于第二氧化物层250的第二氧亲和性。例如，第一材料的氧化物的第一氧化物分解电势可以大于第二材料的氧化物的第二氧化物分解电势。第一氧化物分解电势与第二氧化物分解电势之差可以为0.1v或更大(例如，0.1v至2.0v和/或0.1v至1.55v)。在此，氧化物分解电势是指在氧化物的电解中测量的分解电势的绝对值。
56.以下表1示出了在1300k下几种金属的已知氧化物分解电势。
57.[表1]
[0058][0059][0060]
例如，第一材料可以是钙(ca)，并且第二材料可以是钽(ta)。也就是说，第一氧化物层240可以包括氧化钙(cao)，并且第二氧化物层250可以包括氧化钽(ta2o5)。参考上面的表1，在1300k下钙(ca)的氧化物分解电势(约2.590v)大于在1300k下钽(ta)的氧化物分解电势(约1.529v)。因此，第一氧化物层240的第一氧亲和性可以大于第二氧化物层250的第二氧亲和性。
[0061]
在一些实施例中，第一材料可以是第一金属，并且第二材料可以是与第一金属不同的第二金属。例如，第一氧化物层240可以包括第一金属氧化物，并且第二氧化物层250可以包括与第一金属氧化物不同的第二金属氧化物。在这种情况下，第一金属氧化物的第一氧化物分解电势可以大于第二金属氧化物的第二氧化物分解电势。
[0062]
在一些实施例中，在1300k下，第一金属氧化物的第一氧化物分解电势可以为2.1v或更大，并且第二金属氧化物的第二氧化物分解电势可以为2.0v或更小。
[0063]
在一些实施例中，第一金属氧化物可以包括以下至少一种元素：钙(ca)、锶(sr)、镁(mg)、铪(hf)、锆(zr)或铝(al)。也就是说，第一氧化物层240可以包括以下至少一种：氧化钙(cao)、氧化锶(sro)、氧化镁(mgo)、氧化铪(hfo2)、氧化锆(zro2)或氧化铝(alo)。
[0064]
在一些实施例中，第二金属氧化物可以包括以下至少一种：钛(ti)、钽(ta)、镓
(ga)、钒(v)或锌(zn)。也就是说，第二氧化物层250可以包括以下至少一种：氧化钛(tio2、ti2o3)、氧化钽(ta2o5)、氧化镓(ga2o3)、氧化钒(vo、v2o3、vo2、v2o5)或氧化锌(zno)。
[0065]
第二氧化物层250可以向自由层230与第一氧化物层240之间的界面供应氧原子。从第二氧化物层250供应的氧原子可以与自由层230的磁性原子(例如，铁(fe)原子)结合以引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。例如，如图4所示，自由层230可以包括与第一氧化物层240接触的界面层235。界面层235可以与从第二氧化物层250供应的氧原子键合，以引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。在一些实施例中，界面层235可以包括铁-氧(fe-o)键。
[0066]
第一氧化物层240可以控制从第二氧化物层250供应到自由层230的氧原子。由于第一氧化物层240的氧亲和性比第二氧化物层250的氧亲和性大，因此第一氧化物层240可以限制和/或防止氧原子在自由层230内部过度扩散和/或过度扩散到隧道势垒层220中。另外，第一氧化物层240和第二氧化物层250可以彼此键合，使得可以控制氧原子以均匀地提供给自由层230。
[0067]
在一些实施例中，第一氧化物层240的厚度th1可以是在至的范围内。当第一氧化物层240的厚度th1小于时，可能无法控制从第二氧化物层250提供给自由层230的氧原子。因此，氧原子可能在自由层230内部过度扩散和/或过度扩散到隧道势垒层220中，并且磁隧道结元件的特性(例如，保持力、矫顽力(hc)、电阻面积乘积(ra)、隧穿磁阻比(tmr比)等)可能劣化。当第一氧化物层240的厚度th1超过时，没有充足的氧原子被提供给自由层230。因此，在自由层230和第一氧化物层240之间的界面处，可能不充分地引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。
[0068]
在一些实施例中，第二氧化物层250的厚度th2可以是至当第二氧化物层250的厚度th2小于时，没有充足的氧原子被提供给自由层230。因此，在自由层230和第一氧化物层240之间的界面处，可能不充分地引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。当第二氧化物层250的厚度th2超过时，切换电流过度增加。因此，可能无法实现磁隧道结元件的低电流操作。
[0069]
为了改善磁存储器件的热稳定性，可以通过将氧原子供应给自由层的界面来引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。然而，当氧原子在自由层内部过度扩散和/或过度扩散到隧道势垒层中时，自由层和/或隧道势垒层中的氧浓度增加，磁隧道结元件的特性(例如，保持力、矫顽力(hc)、电阻面积乘积(ra)、隧穿磁阻比(tmr比)等)可能劣化。
[0070]
然而，根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件可以通过控制供应给自由层230的界面的氧原子来限制和/或防止磁隧道结元件的特性劣化。例如，如上所述，由于第一氧化物层240的氧亲和性比第二氧化物层250的氧亲和性大，因此第一氧化物层240可以限制和/或防止氧原子在自由层230内部过度扩散和/或过度扩散到隧道势垒层220中。因此，可以通过限制和/或防止磁隧道结元件的特性劣化来提供具有改善的产品可靠性和性能的磁存储器件。
[0071]
另外，在根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件中，可以在自由层230与第一氧化物层240之间的界面(例如，界面层235)处提供均匀的界面垂直磁各向异性(i-pma)。例如，第一氧化物层240和第二氧化物层250可以彼此键合，使得可以控制氧原子以均匀地提供给自由层230。因此，可以提供界面垂直磁各向异性的分布得到改善的磁存储器件。
[0072]
在一些实施例中，第一氧化物层240还可以包括硼(b)。例如，第一氧化物层240可以包括以下至少一种：硼化钙(cab)、硼化铝(alb)、硼化锆(zrb)、硼化钽(tab)或硼化钛(tib)。在一些实施例中，第一氧化物层240的硼化物形成能量可以低于自由层230的硼化物形成能量。
[0073]
在一些实施例中，自由层230可以包括晶体部分和非晶部分。例如，自由层230的晶体部分可以与隧道势垒层220相邻，并且自由层230的非晶部分可以与第一氧化物层240相邻。在一些实施例中，自由层230的非晶部分(例如，界面层235)的硼浓度可以大于自由层230的晶体部分(例如，自由层230的中心)的硼浓度。
[0074]
在一些实施例中，第一氧化物层240的(最大)硼浓度可以大于自由层230的(最大)硼浓度。例如，第一氧化物层240的中心的硼浓度可以大于自由层230的非晶部分(例如，界面层235)中的硼浓度。
[0075]
在一些实施例中，自由层230和/或第一氧化物层240可以具有均匀的硼浓度。在这种情况下，第一氧化物层240的均匀硼浓度可以大于自由层230的均匀硼浓度。在一些实施例中，自由层230可以不包括硼。
[0076]
在一些实施例中，自由层230的硼浓度可以是30at％或更少，并且第一氧化物层240的硼浓度可以是50at％或更少。在一些实施例中，第二氧化物层250可以不包括硼(b)。
[0077]
根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件可以连接到衬底100和第一导线300。
[0078]
例如，第一层间绝缘层105可以形成在衬底100上。钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250可以顺序地堆叠在第一层间绝缘层105上。此外，例如，可以在第一层间绝缘层105上形成第二层间绝缘层205。第二层间绝缘层205可以覆盖第一层间绝缘层105、钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250。第一导线300可以形成在第二层间绝缘层205上。
[0079]
第一层间绝缘层105和第二层间绝缘层205可以各自包括绝缘材料，例如，氧化硅或氮氧化硅，但不限于此。
[0080]
在一些实施例中，第一接触插塞190可以形成在磁隧道结元件(例如，钉扎层210)和衬底100之间。第一接触插塞190可以穿透第一层间绝缘层105以连接到衬底100。第一接触插塞190可以包括例如以下至少一种：掺杂的半导体材料(例如，掺杂硅)、金属(例如，钨、铝、铜、钛和/或钽)、导电金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽和/或氮化钨)或金属半导体化合物(例如，金属硅化物)，但不限于此。
[0081]
在一些实施例中，底部电极be可以形成在第一层间绝缘层105上。例如，底部电极be可以覆盖钉扎层210的底表面。底部电极be可以与第一接触插塞190连接。因此，磁隧道结元件(例如，钉扎层210)可以通过底部电极be和/或第一接触插塞190连接到衬底100。
[0082]
底部电极be可以包括例如导电金属氮化物或金属。在一些实施例中，底部电极be可以用作钉扎层210的种子层。例如，当钉扎层210由具有l10型晶体结构的材料形成时，底部电极be可以包括具有面心立方晶体结构(或氯化钠(nacl)晶体结构)的导电金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽、氮化铬或氮化钒)。备选地，例如，当钉扎层210具有致密的六方晶体结构时，底部电极be可以包括具有致密的六方晶体结构的导电材料(例如，钌)。然而，这仅是示例，并且底部电极be可以包括导电材料(例如，钛或钽)。
[0083]
在一些实施例中，第二接触插塞290可以形成在磁隧道结元件(例如，第二氧化物层250)和衬底100之间。第二接触插塞290可以穿透第二层间绝缘层205以连接到第一导线300。第二接触插塞290可以包括例如以下至少一种：掺杂的半导体材料(例如，掺杂硅)、金属(例如，钨、铝、铜、钛和/或钽)、导电金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽和/或氮化钨)或金属半导体化合物(例如，金属硅化物)，但不限于此。
[0084]
在一些实施例中，可以在第二氧化物层250上形成顶部电极te。例如，顶部电极te可以覆盖第二氧化物层250的顶表面。顶部电极te可以连接到第二接触插塞290。因此，磁隧道结元件(例如，第二氧化物层250)可以通过顶部电极te和/或第二接触插塞290连接到第一导线300。
[0085]
顶部电极te可以包括例如导电金属氮化物或金属。在一些实施例中，顶部电极te可以保护第二氧化物层250。例如，顶部电极te可以包括钌(ru)、钽(ta)或其氮化物中的至少一种。
[0086]
图5至图8是示出了根据一些实施例的磁存储器件的磁隧道结元件的各种示意性截面图。为了简化描述，将简要给出或省略与参照图1至图4的描述重复的描述。
[0087]
参照图5，根据一些实施例的磁存储器件还包括种子层215。
[0088]
种子层215可以形成在衬底100上。在一些实施例中，种子层215可以覆盖钉扎层210的底表面。种子层215可以与隧道势垒层220间隔开，其中钉扎层210在种子层215和隧道势垒层220之间。
[0089]
种子层215可以用作钉扎层210的种子层。例如，当钉扎层210由具有l10型晶体结构的材料形成时，种子层215可以包括具有面心立方晶体结构(或氯化钠(nacl)晶体结构)的导电金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽、氮化铬或氮化钒)。备选地，例如，当钉扎层210具有致密的六方晶体结构时，种子层215可以包括具有致密的六方晶体结构的导电材料(例如，钌)。
[0090]
在一些实施例中，种子层215可以包括以下至少一种：钽(ta)、钌(ru)、钛(ti)、钯(pd)、铂(pt)、镁(mg)、铝(al)、或其氮化物。在一些实施例中，可以使用堆叠了不同非磁性金属的多层薄膜构成种子层215。例如，种子层215可以包括顺序堆叠的第一非磁性层和第二非磁性层。第一非磁性层可以包括钽(ta)，并且第二非磁性层可以包括铂(pt)，但不限于此。
[0091]
参照图6，在根据一些实施例的磁存储器件中，自由层230、隧道势垒层220和钉扎层210顺序地堆叠在衬底100上。
[0092]
例如，第二氧化物层250、第一氧化物层240、自由层230、隧道势垒层220和钉扎层210可以顺序地堆叠在第一层间绝缘层105上。
[0093]
在一些实施例中，第二氧化物层250可以通过底部电极be和/或第一接触插塞190连接到衬底100。在一些实施例中，钉扎层210可以通过顶部电极te和/或第二接触插塞290连接到第一导线300。
[0094]
参照图7，根据一些实施例的磁存储器件还包括第一封盖层260。
[0095]
第一封盖层260可以形成在磁隧道结元件上。在一些实施例中，第一封盖层260可以覆盖磁隧道结元件的顶表面。例如，第一封盖层260可以覆盖第二氧化物层250的顶表面。第一封盖层260可以与第一氧化物层240间隔开，其中第二氧化物层250介于第一封盖层260
和第一氧化物层240之间。
[0096]
第一封盖层260可以用作保护第二氧化物层250的保护层。在一些实施例中，第一封盖层260可以包括金属或金属氧化物。金属可以包括例如以下至少一种：钴(co)、镍(ni)、铁(fe)、钽(ta)、钨(w)和钌(ru)，但不限于此。金属氧化物可以包括例如以下至少一种：氧化镁(mgo)、氧化镁铝(mgalo)、氧化铪(hfo)、氧化锆(zro)或氧化铝(alo)，但不限于此。
[0097]
在一些实施例中，第二接触插塞290可以穿透第二层间绝缘层205和第一封盖层260以连接到第二氧化物层250。
[0098]
参照图8，根据一些实施例的磁存储器件还包括第二封盖层270。
[0099]
第二封盖层270可以形成在磁隧道结元件上。在一些实施例中，第二封盖层270可以覆盖磁隧道结元件的侧表面和顶表面。例如，第二封盖层270可以沿着钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250共形地延伸。更具体地，第二封盖层270可以覆盖钉扎层210的侧表面、隧道势垒层220的侧表面、自由层230的侧表面、第一氧化物层240的侧表面、第二氧化物层250的侧表面、以及第一封盖层260的侧表面和顶表面。
[0100]
在一些实施例中，第二封盖层270还可以沿第一层间绝缘层105延伸。例如，第二封盖层270可以覆盖第一层间绝缘层105的顶表面。
[0101]
第二封盖层270可以用作保护层，该保护层保护磁隧道结元件免受水分或氧化。例如，第二封盖层270可以限制和/或防止磁隧道结元件的特性(例如，保持力、矫顽力(hc)、电阻面积乘积(ra)、隧穿磁阻比(tmr比)等)不会由于水分或氧化而劣化。第二封盖层270可以包括例如氮化硅，但是不限于此。
[0102]
在一些实施例中，第二层间绝缘层205可以覆盖第二封盖层270。
[0103]
在一些实施例中，第二接触插塞290可以穿透第二层间绝缘层205、第二封盖层270和第一封盖层260以连接到第二氧化物层250。
[0104]
图9是示出了根据一些实施例的磁存储器件的示意性截面图。为了简化描述，将简要给出或省略与参照图1至图8的描述重复的描述。作为参考，图9示出了构成stt-mram的磁存储器件。
[0105]
参照图9，根据一些实施例的磁存储器件包括选择元件12、13、21和22、第一磁隧道结元件me1和第二磁隧道结元件me2。选择元件12、13、21和22被示出为mos场效应晶体管，但是这仅是示例，并且本公开的技术精神不限于此。例如，与示出的示例不同，二极管或双极晶体管可以构成选择元件。
[0106]
选择元件12、13、21和22可以形成在衬底100上。在一些实施例中，选择元件12、13、21和22可以包括源极区13、漏极区12、栅电极22和栅极绝缘层21。源极区13和漏极区12可以彼此间隔开以形成在衬底100中。栅电极22可以在源极区13和漏极区12之间形成在衬底100上。例如，栅电极22可以跨衬底100的顶表面延伸，以用作字线(例如，图2中的字线wl)。栅电极22可以通过栅极绝缘层21与衬底100绝缘。衬底100可以包括隔离层11，该隔离层11包括诸如氧化硅的绝缘材料，并与漏极区12相邻。如图9所示，隔离层11可以限定衬底100的包括源极区12、漏极区13、栅电极22下方的有源区的区域。
[0107]
第三层间绝缘层20可以形成在衬底100上以覆盖选择元件12、13、21和22。源极线32可以形成在第三层间绝缘层20的与源极区13相对应的部分区域上。例如，源极线32可以
形成为在与栅电极22相同的方向上延伸。在图9中，示出了相邻的选择元件12、13、21和22共享源极线32，但这仅是示例。例如，当然，可以提供与各个选择元件12、13、21和22相对应的源极线32。
[0108]
源极线接触部24和着陆接触部23可以形成在第三层间绝缘层20中。源极线接触部24可以穿透第三层间绝缘层20以将源极线32电连接到源极区13。着陆接触部23可以穿透第三层间绝缘层20以电连接到漏极区12。
[0109]
第四层间绝缘层30可以形成在第三层间绝缘层20上。第三接触插塞31可以形成在第四层间绝缘层30中。第三接触插塞31可以穿透第四层间绝缘层30以电连接到着陆接触部23。
[0110]
第一磁隧道结元件me1和第二磁隧道结元件me2可以设置在第四层间绝缘层30上。第一磁隧道结元件me1和第二磁隧道结元件me2中的每一个可以与以上参考图1至图8描述的磁隧道结元件相对应。例如，第一磁隧道结元件me1和第二磁隧道结元件me2中的每一个可以包括钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250。
[0111]
第一磁隧道结元件me1和第二磁隧道结元件me2可以例如通过底部电极be、第三接触插塞31和着陆接触部23电连接到漏极区12。
[0112]
第五层间绝缘层40可以形成在第四层间绝缘层30上。第二导线50可以形成在第五层间绝缘层40上。例如，第二导线50可以通过第四接触插塞41电连接到第一磁隧道结元件me1和第二磁隧道结元件me2。第二导线50可以延伸以与栅电极22交叉，以用作位线(例如，图2中的位线bl)。
[0113]
第三层间绝缘层20、第四层间绝缘层30和第五层间绝缘层40中的每一个可以包括绝缘材料，例如，氧化硅或氮氧化硅，但是不限于此。着陆接触部23、源极线接触部24、源极线32、第三接触插塞31、第四接触插塞41和第二导线50可以包括导电材料，例如，钨(w)、钌(ru)、钽(ta)，铜(cu)、铝(al)或掺杂的多晶硅，但不限于此。
[0114]
尽管未示出，但是与外围电路单元(未示出)的电路电连接的金属线还可以形成在第二导线50上。
[0115]
在下文中，将参考图1至图14描述根据本公开的一些示例实施例的用于制造磁隧道结元件和磁存储器件的方法。
[0116]
图10至图14是示出了根据一些实施例的用于制造磁存储器件的方法的中间步骤的示图。为了简化描述，将简要给出或省略与参照图1至图9的描述重复的描述。
[0117]
参照图10，第一层间绝缘层105和第一接触插塞190形成在衬底100上。
[0118]
例如，第一层间绝缘层105可以形成在衬底100上。随后，可以形成穿透第一层间绝缘层105以与衬底100连接的第一接触插塞190。
[0119]
参照图11，在衬底100上形成初步钉扎层210l、初步隧道势垒层220l、初步自由层230l、第一初步氧化物层240l和第二初步氧化物层250l。
[0120]
在一些实施例中，初步钉扎层210l、初步隧道势垒层220l、初步自由层230l、第一初步氧化物层240l和第二初步氧化物层250l可以顺序地堆叠在第一层间绝缘层105上。
[0121]
初步钉扎层210l、初步隧道势垒层220l和初步自由层230l可以分别包括与以上在图3和图4的描述中描述的钉扎层210、隧道势垒层220和自由层230相同的材料。例如，初步钉扎层210l可以包括cofeb，初步隧道势垒层220l可以包括mgo，并且初步自由层230l可以
包括cofeb。
[0122]
初步钉扎层210l、初步隧道势垒层220l和初步自由层230l中的每一个可以通过例如物理气相沉积(pvd)工艺(例如，溅射工艺)、化学气相沉积(cvd)工艺、或原子层沉积(ald)工艺来形成，但不限于此。
[0123]
第一初步氧化物层240l可以包括具有第一氧亲和性的第一材料。第一材料可以包括例如以下至少一种：金属(例如，钙(ca)、锶(sr)、铍(be)，镁(mg)、铪(hf)、锆(zr)、钡(ba)和铝(a1))、金属的硼化物(例如，硼化钙(cab)、硼化铝(a1b)和硼化锆(zrb))、硼化钽(tab)、硼化钛(tib)或碳化钽(tac)，但不限于此。
[0124]
第一初步氧化物层240l可以包括第一材料的氧化物。例如，第一初步氧化物层240l可以是第一材料的自然氧化物。
[0125]
第二初步氧化物层250l可以包括第二材料，该第二材料的第二氧亲和性小于第一氧亲和性。第二材料可以包括例如以下至少一种：钛(ti)、钽(ta)、镓(ga)、钒(v)、锌(zn)、锰(mn)或铌(nb)，但是不限于此。在一些实施例中，第二材料可以不同于第一材料。
[0126]
第二初步氧化物层250l可以包括第二材料的氧化物。例如，第二初步氧化物层250l可以是第二材料的自然氧化物。
[0127]
在一些实施例中，第一初步氧化物层240l和第二初步氧化物层250l中的每一个可以通过沉积工艺来形成。例如，第一初步氧化物层240l和第二初步氧化物层250l中的每一个可以通过pvd工艺、cvd工艺或ald工艺来形成，但是不限于此。
[0128]
在一些实施例中，还可以在第一层间绝缘层105上形成底部电极层bel。例如，在形成初步钉扎层210l之前，可以形成沿第一层间绝缘层105的顶表面和第一接触插塞190的顶表面延伸的底部电极层bel。底部电极层bel可以包括与以上参照图3和图4描述的底部电极be的材料相同的材料。
[0129]
在一些实施例中，还可以在第一层间绝缘层105上形成初步种子层215l。例如，在形成初步钉扎层210l之前，可以形成沿底部电极层bel的顶表面延伸的初步种子层215l。初步种子层215l可以用作初步钉扎层210l的种子层。初步种子层215l可以包括与以上在图5的描述中描述的种子层215的材料相同的材料。
[0130]
在一些实施例中，还可以在第二初步氧化物层250l上形成初步封盖层260l。例如，在形成第二初步氧化物层250l之后，可以形成沿第二初步氧化物层250l的顶表面延伸的初步封盖层260l。初步封盖层260l可以用作保护第二初步氧化物层250l的保护层。初步封盖层260l可以包括与以上在图7的描述中描述的第一封盖层260的材料相同的材料。
[0131]
参照图12，在衬底100上形成钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250。
[0132]
例如，可以对图11的初步钉扎层210l、初步隧道势垒层220l、初步自由层230l、第一初步氧化物层240l和第二初步氧化物层250l进行图案化。因此，可以形成包括钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250在内的磁隧道结元件。
[0133]
在一些实施例中，底部电极层bel、初步种子层215l和初步封盖层260l可以与初步钉扎层210l、初步隧道势垒层220l、初步自由层230l、第一初步氧化物层240l和第二初步氧化物层250l一起被图案化。因此，可以形成底部电极bf、种子层215和第一封盖层260。
[0134]
参照图13，第二封盖层270和第二层间绝缘层205形成在衬底100上。
[0135]
例如，第二封盖层270可以覆盖钉扎层210的侧表面、隧道势垒层220的侧表面、自由层230的侧表面、第一氧化物层240的侧表面、第二氧化物层250的侧表面、以及第一封盖层260的侧表面和顶表面。在一些实施例中，第二封盖层270可以覆盖第一层间绝缘层105的顶表面。
[0136]
第二层间绝缘层205可以覆盖第一层间绝缘层105、钉扎层210、隧道势垒层220、自由层230、第一氧化物层240和第二氧化物层250。例如，第二层间绝缘层205可以覆盖第二封盖层270。
[0137]
参照图14，执行热处理工艺。
[0138]
热处理工艺可以包括例如退火工艺，但不限于此。
[0139]
通过热处理工艺，第二氧化物层250可以将氧原子供应到自由层230与第一氧化物层240之间的界面。从第二氧化物层250供应的氧原子可以与自由层230的磁性原子(例如，铁(fe)原子)结合以引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。例如，界面层235可以与从第二氧化物层250供应的氧原子键合以引起界面垂直磁各向异性(i-pma)。在一些实施例中，界面层235可以包括铁-氧(fe-o)键。
[0140]
在热处理工艺期间，第一氧化物层240可以控制从第二氧化物层250供应给自由层230的氧原子。由于第一氧化物层240的氧亲和性比第二氧化物层250的氧亲和性大，因此第一氧化物层240可以限制和/或防止氧原子在自由层230内部过度扩散和/或过度扩散到隧道势垒层220中。另外，第一氧化物层240和第二氧化物层250可以彼此键合，使得可以控制氧原子以均匀地提供给自由层230。
[0141]
因此，可以提供一种用于制造具有改善的产品可靠性、性能和分布的磁存储器件的方法。
[0142]
尽管已经描述了一些示例实施例，但是本公开呈现的实施例仅在一般和描述性意义上使用，而不是出于限制的目的。本领域技术人员将理解，可以在基本上不脱离由所附权利要求限定的本公开中的发明构思的原理的情况下，对本发明构思的实施例进行许多变化和修改。