磁致电阻结构及其制造方法、及磁随机存取存储器件

摘要

本发明公开了磁致电阻结构及其制造方法、及磁随机存取存储器件。一种磁致电阻结构包括：第一磁性层，其具有被固定的磁化方向；第二磁性层，其对应于第一磁性层，其中第二磁性层的磁化方向是可变的；以及磁致电阻（MR）增强层和中间层，二者都在第一磁性层和第二磁性层之间。一种磁随机存取存储器件可以包括前述磁致电阻结构。

说明书

技术领域

示例实施方式涉及磁致电阻结构、包括该磁致电阻结构的磁随机存取 存储器件、和/或制造该磁致电阻结构的方法。

背景技术

随着高真空状态下的薄膜沉积技术和表面处理技术已快速发展，精确 地生长制造磁随机存取存储器件中使用的在几纳米（nm）厚度内的磁性薄 膜已变得可能。磁性薄膜的厚度被生长以致于与磁随机存取存储器件的自 旋之间的交换相互作用距离相匹配。相应地，已经发现了在块体形式的磁 性材料中没有观察到的若干现象，由此这些若干现象正被应用于家用器具 和工业部件，例如，超高密度信息存储设备中用于记录信息的磁记录头或 磁随机存取存储器（MRAM）。

磁随机存取存储器件是通过利用磁隧道结（MTJ）中的电阻变化存储数 据的存储器件，磁隧道结是一种磁致电阻结构。磁致电阻结构形成为具有 被钉扎层和自由层。磁致电阻结构的电阻随自由层的磁化方向而变化。例 如，如果自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向相同，则磁致电阻结构可 具有低电阻值。如果自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向相反，则磁致 电阻结构可具有高电阻值。这样，如果磁随机存取存储器件的磁致电阻结 构具有低电阻值，则该低电阻值可与例如数据“0”相应。如果磁随机存取 存储器件的磁致电阻结构具有高电阻值，则该高电阻值可与数据“1”相应。

有必要实现高的磁致电阻（MR）率，以获得具有优异特性的磁随机存 取存储器件。为了实现此目的，正在进行大量的研究。

发明内容

磁致电阻结构得以提供，所述磁致电阻结构具有优异的磁致电阻特性， 并且可以允许高度的集成。

磁随机存取存储器件得以提供，其包括具有优异的磁致电阻特性并且 可允许高度的集成的磁致电阻结构。

制造磁致电阻结构的方法得以提供。

根据示例实施方式，一种磁致电阻结构包括：第一磁性层，其具有被 固定的磁化方向；第二磁性层，其对应于第一磁性层，其中第二磁性层的 磁化方向是可变的；以及磁致电阻（MR）增强层和中间层，二者都在第一 磁性层和第二磁性层之间。

第二磁性层的面积可以大于第一磁性层的面积。

MR增强层的面积和中间层的面积每个都可以大于第一磁性层的面积。

MR增强层可以覆盖第一磁性层的上表面和侧表面。

第二磁性层可以覆盖中间层的上表面。

MR增强层可以具有大约0.1nm至10nm的厚度。

第一磁性层和第二磁性层每个都可以包括具有水平的磁各向异性的材 料。

第一磁性层和第二磁性层每个都可以包括具有垂直的磁各向异性的材 料。

根据示例实施方式，一种磁随机存取存储器件包括：开关结构；以及 连接到开关结构的磁致电阻结构，其中磁致电阻结构包括：具有被固定的 磁化方向的第一磁性层；第二磁性层，其对应于第一磁性层，其中第二磁 性层的磁化方向是可变的；以及磁致电阻（MR）增强层和中间层，二者都 在第一磁性层和第二磁性层之间。

根据示例实施方式，一种形成磁致电阻结构的方法包括：形成第一磁 性层；在第一磁性层上形成磁致电阻（MR）增强层和中间层；以及在中间 层上形成第二磁性层，其中第二磁性层的面积大于第一磁性层的面积。

MR增强层可以覆盖第一磁性层的上表面和侧表面。

第一磁性层的形成可以包括：在第一磁性层的材料层上形成盖层和牺 牲层；在牺牲层上形成掩模层；以及在蚀刻工艺中使用掩模层形成第一磁 性层。

第一磁性层的形成可以包括：在第一磁性层上施加绝缘材料以形成钝 化层；以及使用化学机械抛光（CMP）工艺去除牺牲层以暴露盖层。

根据示例实施方式，一种磁随机存取存储器件包括：第一磁性层，其 具有被固定的磁化方向；第二磁性层，其可操作地连接到第一磁性层；以 及至少一个磁致电阻增强层和至少一个中间层，其将第一磁性层与第二磁 性层分隔开。第二磁性层在第一磁性层上方延伸，第二磁性层具有可变的 磁化方向。

第二磁性层的面积可以大于第一磁性层的面积。

第一磁性层和第二磁性层可以具有相同的磁各向异性。

所述至少一个磁致电阻增强层可以覆盖第一磁性层的上表面和第一磁 性层的侧表面中的至少一个，且所述至少一个中间层具有与所述至少一个 磁致电阻增强层的轮廓共形的轮廓。

该磁随机存取存储器件还可以包括至少一个钝化层，所述至少一个钝 化层覆盖第一磁性层的侧表面。所述至少一个钝化层和所述至少一个磁致 电阻增强层可以共同形成第一磁性层上方的保护盖。

所述至少一个中间层可以堆叠在所述至少一个磁致电阻增强层上方， 所述至少一个磁致电阻增强层可以接触第一磁性层。

第二磁性层的宽度可以大于第一磁性层的宽度。

附图说明

由以下结合附图做出的详细描述，示例实施方式将被更清楚地理解。 图1-5表示如本文描述的非限制性示例实施方式。

图1是示出根据示例实施方式的磁致电阻结构的横截面的示意图；

图2是示出根据另一实施方式的磁致电阻结构的横截面的示意图；

图3A至3K是示出根据示例实施方式的磁致电阻结构的制造方法的图；

图4是曲线图，该曲线图示出根据示例实施方式和比较例形成的磁致 电阻结构的磁致电阻（MR）率；以及

图5是示意图，该示意图示出根据示例实施方式的包括磁致电阻结构 的磁随机存取存储器件的结构的横截面。

具体实施方式

现在将参考其中示出一些示例实施方式的附图更充分地描述若干示例 实施方式。然而，在此公开的具体结构和功能细节仅是代表性的，用于描 述示例实施方式。因此，本发明可以以许多替换形式实现，并且不应被解 释为仅限于在此阐述的示例实施方式。因此，应当理解，不旨在将示例实 施方式限制于公开的具体形式，相反，示例实施方式将覆盖落入本发明范 围内的所有改进、等价物和替换。

在附图中，为了清楚可以夸大层和区域的厚度，并且在对附图的整个 描述中相同的附图标记指代相同的元件。

虽然术语第一、第二等可以在本文中用来描述各种元件，但是这些元件 不应受这些术语限制。这些术语只用于将一个元件与另一元件区分开。例 如，第一元件能被称为第二元件，类似地，第二元件能被称为第一元件， 而不背离示例实施方式的范围。当在本文中使用时，术语“和/或”包括相 关列举项目中的一个或更多个项目的任何和所有组合。

将理解，如果一元件被称为“连接到”或“联接到”另一元件，则它 能直接连接到或联接到另一元件，或者可以存在居间元件。相反，如果一 元件被称为“直接连接到”或“直接联接到”另一元件，则没有居间元件 存在。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释（例如， “在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等）。

这里使用的术语仅为了描述具体实施方式的目的，不旨在限制示例实 施方式。当这里使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式， 除非上下文清楚地另有所示。将进一步理解，如果在此使用，则术语“包 括”和/或“包含”表明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组分的存 在，但是不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组分 和/或其组合的存在或添加。

为了描述的方便，这里可以使用空间关系术语（例如“下面”、“下方”、 “下部”、“上方”、“上部”等）来描述如图所示的一个元件或者一个特征 与另外的元件或特征之间的关系。将理解，空间关系术语旨在包含除了图 中所绘的取向之外的装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的 装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件 于是将取向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，例如，术语“下方” 能包含下方和上方两个取向。装置也可以有其它取向（旋转90度，或以其 它取向观看或参考），这里使用的空间关系描述语应被相应地解释。

在这里参考横截面图描述了示例实施方式，该图是理想化实施方式（和 中间结构）的示意图。这样，可以预期作为例如制造技术和/或公差的结果 的相对于图示的形状的变化。因此，示例实施方式不应解释为限于这里所 示的区域的具体形状，而是可以包括例如由制造引起的形状的偏离。例如， 被示为矩形的注入区可以具有圆化或弯曲的特征和/或在其边缘处的梯度 （例如注入浓度的梯度），而不是从注入区到非注入区的突然变化。相似地， 由注入形成的埋入区可以引起埋入区和注入可经过其发生的表面之间的区 域中的某些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状 不必然示出器件的区域的实际形状，且不限制范围。

还应当注意，在一些替代实施中，被注明的功能/行为可以不按图中注 明的顺序发生。例如，接连示出的两张图实际上可以基本同时被执行，或 者有时可以按相反的顺序被执行，这取决于所涉及的功能/行为。

除非另有定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具 有与示例实施方式所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。 还可以理解，诸如通常使用的词典中定义的那些术语的术语应被解释为具 有与它们在相关领域中的含义一致的含义，而不应在理想化或过于形式化 的意义上被解释，除非在这里明确地如此界定。

如本发明团体理解的那样，根据此处描述的各种实施方式的器件和形 成器件的方法可以在微电子器件诸如集成电路中实施，其中多个根据此处 描述的各种实施方式的器件被集成在同一个微电子器件中。因而，此处示 出的横截面视图可以在微电子器件中，在两个不同的方向上被复制，这两 个方向不必正交。于是，实施根据此处描述的各种实施方式的器件的微电 子器件的俯视图可以包括成阵列和/或二维图案的多个器件，该阵列和/或二 维图案以微电子器件的功能性为基础。

根据此处描述的各种实施方式的器件可以根据微电子器件的功能性而 被散布在其它器件之间。此外，根据此处描述的各种实施方式的微电子器 件可以在第三方向上被复制，以提供三维集成电路，该第三方向可以正交 于所述两个不同的方向。

因而，此处示出的横截面视图为沿俯视图中的两个不同方向和/或在透 视图中的三个不同方向上延伸的，根据此处描述的各种实施方式的多个器 件提供支持。例如，当在器件/结构的横截面视图中示出单个有源区时，所 述器件/结构可以包括其上的多个有源区和晶体管结构（或在适当的情况下 的存储单元结构、栅结构等），如将被所述器件/结构的俯视图所示的那样。

关于根据示例实施方式的磁致电阻结构和包括该磁致电阻结构的磁随 机存取存储器件，现在将详细参考实施方式，所述实施方式的示例在附图 中示出。

图1是示意图，该示意图示出根据示例实施方式的磁致电阻结构的横 截面。

参考图1，根据示例实施方式，磁致电阻结构可包括第一磁性层13、 被形成来对应于第一磁性层13的第二磁性层17、以及形成在第一磁性层 13与第二磁性层17之间的磁致电阻（MR）增强层15和中间层16。

根据示例实施方式，第二磁性层17可以形成为具有比第一磁性层13 更大的面积。另外，MR增强层15和中间层16均可形成为具有比第一磁性 层13大的面积。MR增强层15和中间层16可以形成为具有三维（3D）结 构，该三维结构围绕第一磁性层13的上表面和侧表面。中间层16可以形 成为具有与MR增强层15的轮廓共形的轮廓。图1示出第二磁性层17仅 形成在中间层16的上表面上的结构。然而，这仅是示例，第二磁性层17 可以既形成在中间层16的侧表面上，又形成在中间层16的上表面上；并 且在此情形下，MR增强层15可以覆盖第一磁性层13的上表面和第一磁性 层13的侧表面中的至少一个。另外，钝化层14可以形成在第一磁性层13 的侧表面和MR增强层15之间。

第一磁性层13可以是其磁化方向被固定的被钉扎层。第一磁性层13 可以由铁磁材料形成，该铁磁材料由包括镍（Ni）、钴（Co）和铁（Fe）之 中的至少一种材料的金属或合金形成。此外，第一磁性层13还可包括硼（B）、 铬（Cr）、铂（Pt）或钯（Pd）。例如，第一磁性层13可以由镍铁（NiFe）、 钴铁（CoFe）、镍铁硼（NiFeB）、钴铁硼（CoFeB）、镍铁硅硼（NiFeSiB） 或钴铁硅硼（CoFeSiB）形成。另外，为了固定第一磁性层13的磁化方向， 在第一磁性层13下面可以选择性地还包括钉扎层12。钉扎层12可以用反 铁磁层或合成反铁磁（SAF）结构形成。如果反铁磁层用作钉扎层12，则 反铁磁层可以用包括锰（Mn）的合金形成。例如，反铁磁层可以用铱锰 （IrMn）、铁锰（FeMn）或镍锰（NiMn）合金形成。代替使用钉扎层12， 第一磁性层13的形状各向异性也可被用来固定第一磁性层13的磁化方向。 第一磁性层13可以形成在第一电极11上，使得电源可以施加到磁性层13。 第一电极11可以形成在诸如衬底的下部结构10上。第一电极11可以形成 为包括导电材料，诸如金属、导电金属氧化物或导电金属氮化物。

不同于第一磁性层13，第二磁性层17可以形成为使得第二磁性层17 的磁化方向可以被改变。第二磁性层17可以由铁磁材料形成，该铁磁材料 由包括Ni、Co和Fe之中的至少一种材料的金属或合金形成。此外，第二 磁性层17还可包括B、Cr、Pt或Pd。例如，第二磁性层17可以由NiFe、 CoFe、NiFeB、CoFeB、NiFeSiB或CoFeSiB形成。

MR增强层15用于提高磁致电阻结构的MR率。MR增强层15由Co、 Fe和Ni中的至少一种材料形成。另外，MR增强层15可以由进一步包括B、 Si、锆（Zr）或钛（Ti）的非晶磁性材料形成。MR增强层15可以被形成为 具有大约0.1nm至10nm的厚度。

中间层16可以形成为包括绝缘材料，诸如镁（Mg）氧化物或铝（Al） 氧化物。然而，中间层16不限于绝缘材料。中间层16可以由包括钌（Ru）、 铜（Cu）、Al、金（Au）和银（Ag）之中的至少一种材料的导电材料形成。 中间层16可以形成为具有几纳米的厚度，例如1nm至10nm。

钝化层14可以由绝缘材料——一般是用于电子器件的层间绝缘层的材 料——形成。钝化层14可以由硅氧化物或硅氮化物形成。

图2是示意图,该示意图示出根据示例实施方式的磁致电阻结构的横 截面。

参考图2，根据示例实施方式，磁致电阻结构可包括第一磁性层23、 被形成来对应于第一磁性层23的第二磁性层27、以及形成在第一磁性层 23和第二磁性层27之间的MR增强层25和中间层26。另外，第一钝化层 24a和第二钝化层24b可以形成在第一磁性层23的侧面。

第一磁性层23可以是其磁化方向被固定的被钉扎层。为了固定第一磁 性层23的磁化方向，在第一磁性层23下面可以选择性地还包括钉扎层22。 钉扎层22可以用反铁磁层或SAF结构形成。取代使用钉扎层22，第一磁 性层23的形状各向异性也可用来固定第一磁性层23的磁化方向。第一磁 性层23可以形成在第一电极21上，使得电源可以被施加到第一磁性层23。 第一电极21可以形成在诸如衬底的下部结构20上。第二磁性层27可以形 成为具有比第一磁性层23大的面积。另外，MR增强层25和中间层26均 可形成为具有比第一磁性层23大的面积。

有关图1所示的每个构件的材料的说明也可以应用于有关图2所示的 具有相同名称的每个构件的材料的说明，诸如有关厚度的说明。

根据图1和图2所示的示例实施方式，作为示例，第一磁性层13和23 以及第二磁性层17和27具有水平磁各向异性。然而，第一磁性层13和23 以及第二磁性层17和27不限于此。第一磁性层13和23以及第二磁性层 17和27也可具有垂直磁各向异性。如果第一磁性层13和23以及第二磁性 层17和27具有垂直磁各向异性，则磁各向异性能可以是大约106至 107erg/cc。在此情况下，第一磁性层13和23以及第二磁性层17和27可分 别具有多层结构，其中由Co和Co合金中的至少一种形成的第一层和由Pt、 Ni和Pd之中的至少一种形成的第二层被交替堆叠。不同地，第一磁性层 13和23以及第二磁性层17和27中的每个可以是具有L10结构的铁铂 （FePt）或钴铂（CoPt）层，或者由稀土元素或过渡金属形成的合金层。稀 土元素可以是铽（Tb）和钆（Gd）中的至少一个。过渡金属可以是Ni、Fe 和Co中的至少一个。

下面，通过参考图3A至图3K，描述制造根据示例实施方式的磁致电 阻结构的方法。

图3A至图3K是示出制造根据示例实施方式的磁致电阻结构的方法的 图。在下文，将描述制造图1所示的磁致电阻结构的方法。根据示例实施 方式，可以用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）法形成磁致 电阻结构的每个层。

参考图3A，第一磁性层13的材料被施加到第一电极11的材料层上， 第一电极11的材料层由诸如金属的导电材料形成。第一磁性层13可以由 铁磁材料形成，该铁磁材料由包括Ni、Co和Fe之中的至少一种材料的金 属或合金形成。另外，第一磁性层13还可包括B、Cr、Pt或Pd。例如，第 一磁性层13可以由NiFe、CoFe、NiFeB、CoFeB、NiFeSiB或CoFeSiB形 成。为了选择性地固定第一磁性层13的磁化方向，在形成第一磁性层13 之前，钉扎层12可以首先形成为位于第一磁性层13之下。如果反铁磁层 用作钉扎层12，则反铁磁层可以用包括Mn的合金形成。例如，反铁磁层 可以用IrMn、FeMn或NiMn合金形成。盖层31形成在第一磁性层13的指 定（或者预定）区域上，牺牲层32和掩模层33形成在盖层31上。

参考图3B，在除了被定义为磁致电阻结构的第一磁性层13的区域之外 的区域上执行蚀刻工艺，使得第一磁性层13可具有与掩模层33和牺牲层 32相同的宽度。离子束蚀刻（IBE）法可以用于该蚀刻工艺。

参考图3C，钝化层14和34可以形成在第一电极11和第一磁性层13 上。钝化层14和34可以形成为包括第一钝化层14和第二钝化层34。钝化 层14和34可以由彼此不同的材料形成，但是不限于此。钝化层14和34 可以由诸如金属氧化物或金属氮化物的绝缘材料形成。例如，第一钝化层 14可以由Mg氧化物形成，第二钝化层34可以由硅氧化物形成。

参考图3D，用例如化学机械抛光（CMP）工艺去除钝化层14和34的 部分区域以及牺牲层32，从而露出盖层31形成的区域。

另外，参考图3E，用蚀刻工艺可以去除第二钝化层34。例如，通过使 用反应离子蚀刻（RIE）工艺，可以去除第二钝化层34，由此可以暴露出第 一钝化层14。如果执行CMP工艺或蚀刻工艺，则需要形成盖层31，以保 护第一磁性层13。

参考图3F，盖层31被去除，然后可以顺序沉积MR增强层15、中间 层16和第二磁性层17的材料。此处描述的磁致电阻结构根据针对图1描 述的示例实施方式制造。因此，MR增强层15、中间层16和第二磁性层17 的材料可以被沉积来围绕第一磁性层13的上表面和侧表面。

如果要形成根据图2所示的示例实施方式的磁致电阻结构，则第二钝 化层34不被去除，仅盖层31自图3D所示的结构去除。然后，MR增强层 15、中间层16和第二磁性层17的材料可以顺序地直接沉积在第一磁性层 13和第二钝化层34上。

参考图3G，第二掩模层35形成在第二磁性层17上，以具有期望的宽 度。然后，通过使用IBE法，可以再次执行蚀刻工艺。

参考图3H，中间层16和第二磁性层17可以通过用IBE法形成为具有 期望的形状。因此，可以形成具有如图1所示的结构的磁致电阻结构。如 果第二掩模层35形成为具有更宽的宽度，则第二磁性层17可以形成为围 绕中间层16的上表面和侧表面。

另外，通过参考图3I至图3K描述形成电极连接结构的示例，该电极 连接结构可施加电源到第一磁性层13和第二磁性层17。

参考图3I，通过施加诸如硅氧化物或硅氮化物的材料形成绝缘层36。 然后，通过使用CMP工艺等暴露第二掩模层35，然后通过去除第二掩模层 35暴露第二磁性层17（如图3J所示）。

然后，参考图3K，孔38穿过绝缘层36形成，由此第一电极11被暴露。 然后，通过沉积导电材料，可以分别形成连接电极37和39。绝缘层可以进 一步形成在孔38的侧表面，使得可以保持MR增强层15与连接电极39之 间的绝缘。

图4是曲线图，该曲线图示出根据示例实施方式和比较示例形成的磁 致电阻结构的磁致电阻（MR）率。图4所示的曲线图示出取决于MR增强 层是否形成的MR率。

图4所示的对象样本包括以下磁致电阻结构，该磁致电阻结构中，PtMn 层被形成为反铁磁层，CoFe层形成在PtMn层上作为第一磁性层，Ru层被 形成为中间层，然后CoFeB层形成在Ru层上作为第二磁性层。在第二磁 性层的表面上进一步形成Ru层。在图4中，“A”和“B”是不包括附加的 MR增强层的样本，“C”和“D”是进一步包括MR增强层的样本，该MR 增强层被形成为第一磁性层和中间层之间的CoFeB层。图4所示的曲线图 中的水平轴表示每个样本的表面上形成的Ru层的厚度。射频（RF）蚀刻在 样本“A”和“C”上执行大约120秒。RF蚀刻在样本“B”和“D”上执 行大约180秒。然后，测量MR率。

图4表明，自包括MR增强层的“C”和“D”获得的传输介质要求（TMR） 值极大地不同于自没有额外地包括MR增强层的“A”和“B”获得的TMR 值。

根据示例实施方式，磁致电阻结构可以应用于各种类型的电子器件或 磁器件。例如，磁致电阻结构可以应用于磁随机存取存储器件。

图5是示意图，该示意图示出包括根据示例实施方式的磁致电阻结构 的磁随机存取存储器件的结构的横截面。

当前示例实施方式中的磁致电阻结构可以连接到开关结构。图5示出 其中磁致电阻结构被连接到晶体管结构的磁随机存取存储器件。

参考图5，描述开关结构。包括栅绝缘层51和栅电极52的栅极结构形 成在衬底50上。沟道可以形成在衬底50的在栅极结构下面的区域中，源 极53a和漏极53b的区域可以形成在沟道的两侧。源极53a和漏极53b的位 置可以互换。开关结构中的漏极53b也可经由穿过层间绝缘层54的连接电 极55连接到图1所示的第一电极11。

如上所述，根据以上示例实施方式中的一个或更多个，提供了磁致电阻 结构，其中第二磁性层被形成为具有比第一磁性层更宽的面积，并且其中包 括了MR增强层；于是，该磁致电阻结构具有高MR率。另外，提供了具有 高集成度的磁器件，其通过形成具有3D结构的磁致电阻结构来实现。

应当理解，在此描述的示例实施方式应当仅在说明的意义上被考虑， 不是为了限制。例如，对本领域技术人员而言，图1和2所示的磁致电阻 结构的诸多改进将会轻易地显然，而不脱离主旨和范围。例如，磁致电阻 结构可以包括至少一个MR增强层和至少一个中间层。再例如，钝化层和 MR增强层可以共同形成第一磁性层上方的保护盖。另外，根据示例实施方 式，磁致电阻结构不仅可以应用于图5所示的磁随机存取存储器件，还可 以应用于具有不同结构的存储器件或除了存储器件之外的磁器件。因此， 本发明的范围不是由发明的详细说明限定，而是由所附权利要求限定，在 该范围内的所有差异将被理解为被包括在本发明中。

本申请要求于2013年3月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申 请No.10-2013-0025745的优先权，其公开通过引用全部结合在此。