磁阻随机存取存储器装置的制作方法

磁阻随机存取存储器装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年9月16日在韩国知识产权局(kipo)提交的韩国专利申请no.10-2021-0123786的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.实施例涉及磁阻随机存取存储器(mram)装置。


背景技术：

4.最近，为了降低功耗，已经考虑使用自旋轨道矩写入数据的自旋轨道矩磁阻存储器(sot-mram)装置。


技术实现要素：

5.实施例可以通过提供一种磁阻随机存取存储器装置来实现，所述磁阻随机存取存储器装置包括：自旋轨道矩结构，所述自旋轨道矩结构包括氧化物层图案、铁磁图案和非磁性图案的堆叠件；和磁隧道结(mtj)结构，所述mtj结构位于所述自旋轨道矩结构上，并且包括自由层图案、隧道势垒图案和钉扎层图案的堆叠件，其中，所述自旋轨道矩结构在平行于所述自旋轨道矩结构的上表面的第一方向上延伸，所述铁磁图案包括水平磁性材料，并且所述自由层图案具有在垂直于所述自旋轨道矩结构的上表面的垂直方向上的磁化方向，所述磁化方向可响应于在所述自旋轨道矩结构中产生的自旋电流而改变。
6.实施例可以通过提供一种磁阻随机存取存储器装置来实现，所述磁阻随机存取存储器装置包括：自旋轨道矩结构，所述自旋轨道矩结构在第一方向上延伸，并且具有金属氧化物层图案、包括水平磁性材料的铁磁图案和包括非磁性金属材料的非磁性图案依次堆叠的结构；自由层图案，所述自由层图案直接接触所述自旋轨道矩结构，并且具有垂直于所述自旋轨道矩结构的上表面的磁化方向，并且所述磁化方向可响应于在所述自旋轨道矩结构中产生的自旋电流而改变；隧道势垒图案，所述隧道势垒图案位于所述自由层图案上；以及钉扎层图案，所述钉扎层图案位于所述隧道势垒图案上，并且具有固定的垂直磁化方向。
7.实施例可以通过提供一种磁阻随机存取存储器装置来实现，所述磁阻随机存取存储器装置包括：金属氧化物层图案；铁磁图案，所述铁磁图案直接接触所述金属氧化物层图案的上表面，并且包括水平磁性材料；非磁性图案，所述非磁性图案直接接触所述铁磁图案的上表面，并且包括非磁性金属材料；自由层图案，所述自由层图案直接接触所述非磁性图案的上表面的一部分并且具有垂直于所述非磁性图案的上表面的磁化方向，并且所述磁化方向可响应于在包括所述金属氧化物层图案、所述铁磁图案和所述非磁性图案的堆叠结构中产生的自旋电流而改变；隧道势垒图案，所述隧道势垒图案位于所述自由层图案上；以及钉扎层图案，所述钉扎层图案位于所述隧道势垒图案上，并且具有固定的在垂直方向上的磁化方向；其中，当面内电流施加到包括所述金属氧化物层图案、所述铁磁图案和所述非磁性图案的堆叠结构时，产生所述自旋电流，并且所述自旋电流包括由自旋霍尔效应产生的
自旋电流、在所述氧化物层图案和所述铁磁图案之间的第一界面处产生的第一界面自旋电流以及在所述铁磁图案和所述非磁性图案之间的第二界面处产生的第二界面自旋电流。
附图说明
8.通过参照附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员来说将是显而易见的，其中：
9.图1和图2分别是根据示例实施例的sot-mram单元结构的截面图和透视图；
10.图3和图4分别是根据示例实施例的sot-mram装置的透视图和截面图；
11.图5至图10是根据示例实施例的制造sot-mram装置的方法中的阶段的透视图和截面图；
12.图11是示例1和比较示例1中的每一者中的垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度(δsz)的图。
具体实施例
13.图1和图2分别是根据示例实施例的sot-mram单元结构的截面图和透视图。
14.参照图1和图2，存储单元结构130可以包括氧化物层图案110、铁磁图案112、非磁性图案114和磁隧道结(mtj)结构126。
15.存储单元结构130可以在下部结构上。在一种实施方式中，下部结构可以包括衬底。在一种实施方式中，下部结构可以包括衬底和位于衬底上的下部电元件。
16.包括氧化物层图案110、铁磁图案112和非磁性图案114的堆叠结构可以是用于产生自旋轨道矩(sot)的自旋轨道矩结构116。可以在自旋轨道矩结构116中产生自旋轨道矩，并且产生的自旋轨道矩可以被施加到mtj结构126的自由层图案120，从而可以改变自由层图案120的磁化方向。氧化物层图案110、铁磁图案112和非磁性图案114的上表面和下表面可以是基本平坦的。
17.自旋轨道矩结构116可以具有在第一方向x上延伸的线形。第一方向x可以是平行于自旋轨道矩结构116的上表面的方向。
18.氧化物层图案110可以包括金属氧化物。在一种实施方式中，氧化物层图案可以包括例如氧化钴(coo
x
)、氧化铁(feo
x
)、氧化镍(nio
x
)、氧化镁(mgo
x
)、氧化铝(alo
x
)、氧化钽(tao
x
)或氧化锆(zro
x
)。如本文使用的，术语“或”不是排他性术语，例如，“a或b”将包括a、b或a和b。氧化物层图案110可以包括一个金属氧化物层或堆叠的两个或更多个金属氧化物层。
19.铁磁图案112可以直接接触氧化物层图案110的上表面。在一种实施方式中，第一界面可以在氧化物层图案110和铁磁图案112之间。
20.铁磁图案112可以包括水平磁性材料。在一种实施方式中，铁磁图案112可以包括具有面内磁化方向的水平磁化铁磁材料。铁磁图案112的磁化方向10可以是第一方向x。
21.铁磁图案112可以被配置为通过自旋霍尔效应产生垂直自旋电流(z-自旋电流)。当面内电流12沿第一方向x施加到自旋轨道矩结构116时，可以在铁磁图案112中引起垂直自旋电流。
22.氧化物层图案110可以被配置为在垂直方向z上引起界面自旋电流以用于无场磁
化切换。在一种实施方式中，当面内电流12沿第一方向x施加到自旋轨道矩结构116时，可以在氧化物层图案110和铁磁图案112之间的第一界面处引起在垂直方向上的第一界面自旋电流。第一界面自旋电流可以具有垂直方向(z)分量的自旋极化。在一种实施方式中，垂直方向(z)的自旋分量可以转移到自由层图案120，从而可以引起自由层图案120的磁化切换。
23.氧化物层图案110和铁磁图案112之间的界面效应可以用于引起界面自旋电流，并且氧化物层图案110的厚度可以是合适的厚度。
24.铁磁图案112可以包括铁磁材料，例如铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、铬(cr)、铂(pt)等。铁磁图案还可以包括例如硼(b)、硅(si)或锆(zr)。这些可以单独使用或两种以上组合使用。在一种实施方式中，铁磁图案112可以包括复合材料，例如cofe、nife、fecr、cofeni、ptcr、cocrpt、cofeb、nifesib、cofesib等。
25.铁磁图案112的厚度(例如，在z方向上)可以小于铁磁图案112的自旋扩散(spin diffusion)长度。在一种实施方式中，铁磁图案112的厚度可以是5nm或更小，例如大约1nm至大约5nm。
26.非磁性图案114可以包括重金属。非磁性图案114可以包括例如ti、cu、pt、w或ta，或者含有其中两种或更多种的复合材料。
27.非磁性图案114可以直接接触铁磁图案112的上表面。在一种实施方式中，第二界面可以在铁磁图案112和非磁性图案114之间。
28.非磁性图案114可以被配置为引起用于无场磁化切换的在垂直方向(z方向)上的界面自旋电流。在一种实施方式中，当面内电流沿第一方向x施加到自旋轨道矩结构116时，可以在非磁性图案114和铁磁图案112之间的第二界面处引起在垂直方向上的第二界面自旋电流。第二界面自旋电流可以具有垂直方向分量的自旋极化。在一种实施方式中，垂直方向(z)的自旋分量可以转移到自由层图案120，从而可以引起自由层图案120的磁化切换。
29.非磁性图案114的厚度(例如，在z方向上)可以小于非磁性图案114的自旋扩散长度。在一种实施方式中，非磁性图案的厚度可以是5nm或更小，例如大约1nm至大约5nm。在一种实施方式中，非磁性图案114可以包括pt或ta，并且非磁性图案的厚度可以是大约2nm至大约3nm。
30.在自旋轨道矩结构116中，铁磁图案112和非磁性图案114可以是面内电流流过的导线。
31.mtj结构126可以包括顺序堆叠的自由层图案120、隧道势垒图案122和钉扎层图案124。mtj结构126可以具有柱状。
32.在一种实施方式中，在mtj结构126中，下宽度和上宽度(例如，在x方向上)可以基本相同。在一种实施方式中，mtj结构126的侧壁可以具有垂直斜度。在一种实施方式中，在mtj结构126中，下宽度可以大于上宽度。在一种实施方式中，mtj结构126的宽度可以从mtj结构126的顶部到mtj结构126的底部逐渐增加。在一种实施方式中，mtj结构126的侧壁可以具有倾斜斜度。
33.自由层图案120可以包括垂直磁化铁磁材料。自由层图案120的磁化方向14可以是垂直方向(例如，z方向)。在一种实施方式中，自由层图案120的磁化方向可以是可变的。在一种实施方式中，自由层图案120的磁化方向可以通过或响应于施加到自由层图案120的自旋轨道矩而改变。
34.自旋极化电流可以穿过自由层图案120，从而自由层图案120的磁化方向可以改变并且可以写入数据。在一种实施方式中，可以通过自旋霍尔效应在自旋轨道矩结构116中的铁磁图案112处产生自旋电流。可以在氧化物层图案110和铁磁图案112之间的第一界面处引起第一界面自旋电流，并且可以在铁磁图案112和非磁性图案114之间的第二界面处引起第二界面自旋电流。自旋电流以及第一界面自旋电流和第二界面自旋电流可以将垂直方向的自旋分量转移到自由层图案120，从而可以执行无场磁化切换。在一种实施方式中，可以在没有外部磁场的情况下执行磁化切换。
35.在一种实施方式中，自旋轨道矩结构116可以具有包括氧化物层图案110、铁磁图案112和非磁性图案114的堆叠结构，并且可以引起更多的界面自旋电流。在一种实施方式中，可以以低阈值电流引起自由层图案120的磁化切换。
36.在一种实施方式中，自由层图案120可以包括铁磁材料，例如铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、铬(cr)、铂(pt)等。自由层图案120还可以包括例如硼(b)、硅(si)或锆(zr)。这些可以单独使用或两种以上组合使用。在一种实施方式中，自由层图案120可以包括复合材料，例如cofe、nife、fecr、cofeni、ptcr、cocrpt、cofeb、nifesib和cofesib。
37.钉扎层图案124可以包括垂直磁化铁磁材料。钉扎层图案124的磁化方向16可以是垂直方向。钉扎层图案124的磁化方向16可以在一个方向上是固定的。钉扎层图案124的磁化方向16可以不因或响应于流过mtj结构126的电流而改变。
38.在一种实施方式中，钉扎层图案124可以包括钉扎图案、下铁磁图案、反铁磁耦合间隔物图案和上铁磁图案的堆叠件。在一种实施方式中，钉扎图案可以包括例如锰铁(femn)、锰铱(irmn)、锰铂(ptmn)、氧化锰(mno)、硫化锰(mns)、碲锰(mnte)、氟化锰(mnf2)、氟化铁(fef2)、氯化铁(fecl2)、氧化铁(feo)、氯化钴(cocl2)、氧化钴(coo)、氯化镍(nicl2)、氧化镍(nio)、铬(cr)等。上铁磁图案和下铁磁图案均可以包括例如包含铁(fe)、镍(ni)或钴(co)的铁磁材料。反铁磁耦合间隔物图案可以包括例如钌(ru)、铱(ir)或铑(rh)。
39.隧道势垒图案122可以位于自由层图案120和钉扎层图案124之间。在一种实施方式中，自由层图案120和钉扎层图案124可以不直接彼此接触。
40.在一种实施方式中，隧道势垒图案122可以包括绝缘金属氧化物。在一种实施方式中，隧道势垒图案122可以包括例如氧化镁(mgo
x
)或氧化铝(alo
x
)。
41.如上所述，氧化物层图案110的上表面可以接触铁磁图案112的下表面。非磁性图案114的下表面可以接触铁磁图案112的上表面。非磁性图案114可以接触自由层图案120的下表面。第一界面自旋电流和第二界面自旋电流可以分别在氧化物层图案110和铁磁图案112之间的第一界面处以及在铁磁图案112和非磁性图案114之间的第二界面处产生。因此，界面自旋电流会增加。因此，可以减少施加到自旋轨道矩结构116以用于自由层图案120的磁化切换的电流。此外，可以降低包括多个存储单元结构的sot-mram器件的工作电流。
42.图3和图4分别是根据示例实施例的sot-mram器件的透视图和截面图。
43.sot-mram器件可以包括与参照图1描述的sot-mram单元结构基本相同的sot-mram单元结构。sot-mram器件可以具有交叉点阵列。在图3中，省略了第一上绝缘图案和第二上绝缘图案。
44.参照图3和图4，氧化物层图案110、铁磁图案112、非磁性图案114、mtj结构126、上
电极128和第一导电图案140可以位于下部结构20上。在一种实施方式中，下绝缘图案118、第一上绝缘图案138和第二上绝缘图案142可以位于下部结构20上。
45.包括氧化物层图案110、铁磁图案112和非磁性图案114的堆叠结构可以是产生自旋轨道矩的自旋轨道矩结构116。
46.铁磁图案112可以直接接触氧化物层图案110的上表面，非磁性图案114可以直接接触铁磁图案112的上表面。
47.自旋轨道矩结构116可以具有在平行于自旋轨道矩结构116的上表面的第一方向x上延伸(例如，纵长地延伸)的线形。在一种实施方式中，可以在垂直于第一方向x的第二方向y上布置多个自旋轨道矩结构116。自旋轨道矩结构116可以彼此平行。
48.下绝缘图案118可以位于自旋轨道矩结构116之间的空间中。自旋轨道矩结构116的上表面和下绝缘图案118的上表面可以彼此共面。
49.mtj结构126可以位于自旋轨道矩结构116上并且彼此间隔开(例如，在第一方向x上)。自由层图案120可以接触非磁性图案114的上表面。
50.上电极128可以分别位于mtj结构126上。
51.自旋轨道矩结构116和mtj结构126可以分别与参照图1和图2描述的自旋轨道矩结构和mtj结构基本相同。
52.第一上绝缘图案138可以填充包括mtj结构126和上电极128的堆叠结构之间的空间。在一种实施方式中，第一上绝缘图案138可以包括例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在一种实施方式中，上电极128的上表面和第一上绝缘图案138的上表面可以基本上彼此共面。
53.第一导电图案140可以位于上电极128上。在一种实施方式中，可以省略上电极128。在这种情况下，第一导电图案140可以位于(例如，直接位于)mtj结构126的钉扎层图案124上。在一种实施方式中，每个第一导电图案140可以电连接到钉扎层图案124。
54.每个第一导电图案140可以具有在平行于自旋轨道矩结构116的上表面的第二方向y上延伸(例如，纵长地延伸)的线形。第一导电图案140可以彼此平行。
55.第二上绝缘图案142可以填充第一导电图案140之间的空间。在一种实施方式中，第二上绝缘图案142可以包括例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。第一导电图案140的上表面和第二上绝缘图案142的上表面可以基本上彼此共面。
56.mtj结构126可以分别位于自旋轨道矩结构116和第一导电图案140的交叉点处。在一种实施方式中，sot-mram器件可以具有交叉点阵列。
57.在sot-mram器件中，自旋极化电流可以通过自旋轨道矩结构116流向自由层图案，从而可以将数据写入mtj结构中。自旋极化电流可以包括自旋空穴电流、氧化物层图案110和铁磁图案112之间的第一界面电流以及铁磁图案112和非磁性图案114之间的第二界面电流。自旋空穴电流、第一界面电流和第二界面电流可以在自旋轨道矩结构116中产生。数据可以通过自旋空穴电流以及第一界面电流和第二界面电流写入mtj结构126的自由层图案中。通过控制第一导电图案140的电压，可以将数据仅写入选定的一个mtj结构126。
58.图5至图10是根据示例实施例的制造sot-mram器件的方法中的阶段的透视图和截面图。
59.图5和图6是透视图，图7至10是截面图。
60.参照图5，可以在下部结构20上依次形成氧化物层109、铁磁层111和非磁性层113。
61.在一种实施方式中，下部结构20可以包括衬底。在一种实施方式中，下部结构20可以包括衬底和位于衬底上的下部电元件。
62.参照图6和图7，可以图案化氧化物层109、铁磁层111和非磁性层113以在下部结构20上形成包括氧化物层图案110、铁磁图案112和非磁性图案114的自旋轨道矩结构116。自旋轨道矩结构116可以具有在第一方向x上延伸的线形。
63.可以形成下绝缘层以覆盖自旋轨道矩结构116。可以将下绝缘层平坦化直到暴露下绝缘层的上表面以形成下绝缘图案118。平坦化工艺可以包括化学机械抛光工艺或回蚀工艺。
64.下绝缘图案118可以包括例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。当执行平坦化工艺时，自旋轨道矩结构116的上表面和下绝缘图案118的上表面可以基本上彼此共面。
65.参照图8，可以在自旋轨道矩结构116和下绝缘图案118上形成mtj层125。可以在mtj层125上形成上电极128。
66.mtj层125可以包括自由层119、隧道势垒层121和钉扎层123。在一种实施方式中，自由层119、隧道势垒层121和钉扎层123可以顺序堆叠在非磁性图案114和下绝缘图案118上。自由层119可以接触非磁性图案114的上表面和下绝缘图案118的上表面。
67.可以在钉扎层123上形成上电极层，并且可以将上电极层图案化以形成上电极128。在一种实施方式中，上电极层可以包括例如钨、铜、铂、镍、银、金等。
68.参照图9，可以使用上电极128作为蚀刻掩模对mtj层125进行各向异性蚀刻以形成mtj结构126。mtj结构126可以形成在非磁性图案114上。
69.mtj层125的蚀刻工艺可以包括物理蚀刻工艺，例如离子束蚀刻(ibe)工艺。例如，蚀刻工艺可以包括氩离子溅射。在一种实施方式中，可以在改变用作蚀刻源的离子束的入射角的同时执行蚀刻工艺。
70.mtj结构126可以包括顺序堆叠的自由层图案120、隧道势垒图案122和钉扎层图案124。mtj结构126可以具有柱状。
71.在一种实施方式中，mtj结构126的下部宽度可以大于mtj结构126的上部宽度。在一种实施方式中，mtj结构126的宽度可以从mtj结构126的顶部至mtj结构126的底部逐渐增加。mtj结构126的侧壁可以具有倾斜斜度。在一种实施方式中，在mtj结构126中，下部宽度和上部宽度可以基本相同。在一种实施方式中，mtj结构的侧壁可以具有垂直斜度。
72.通过执行上述工艺，可以形成sot-mram单元结构。
73.第一上绝缘层可以形成在自旋轨道矩结构116和下绝缘图案118上以填充包括mtj结构126和上电极128的堆叠结构之间的空间。第一上绝缘层可以被平坦化直到第一上绝缘层的上表面被暴露以形成第一上绝缘图案138。第一上绝缘图案138可以形成在包括mtj结构126和上电极128的堆叠结构之间。
74.参照图10，可以在第一上绝缘图案138和上电极128上形成第一导电图案140。每个第一导电图案140可以具有在第二方向上延伸的线形。可以在第一导电图案140之间形成第二上绝缘图案142。
75.在一种实施方式中，第一导电图案140可以通过镶嵌工艺形成。在一种实施方式中，可以在第一上绝缘图案138和上电极128上沉积第二上绝缘层。可以图案化第二上绝缘层以形成第二上绝缘图案142。此后，可以在第二上绝缘图案142上形成第一导电层以填充
第二上绝缘图案142之间的空间。可以平坦化第一导电层直到暴露第二上绝缘图案142的上表面以形成第一导电图案140。平坦化工艺可以包括化学机械抛光工艺或回蚀工艺。
76.在一种实施方式中，可以通过浮雕图案化工艺形成第一导电图案140。在一种实施方式中，可以在第一上绝缘图案138和上电极128上形成第一导电层。可以图案化第一导电层以形成第一导电图案140。此外，可以形成第二上绝缘层以覆盖第一导电图案140。第二上绝缘层可以被平坦化直到第一导电图案140的上表面被暴露以形成第二上绝缘图案142。平坦化工艺可以包括化学机械抛光工艺或回蚀工艺。
77.通过执行上述工艺，可以制造具有交叉点阵列的sot-mram器件。
78.示例1
79.自由层图案形成在自旋轨道矩结构上，自旋轨道矩结构中堆叠了氧化物层图案、铁磁图案和非磁性图案。氧化物层图案包括氧化钴(coo)，铁磁图案包括钴(co)，非磁性图案包括钛(ti)。自由层图案包括钴(co)。自由层图案的磁化方向沿垂直方向z对齐。面内电流沿第一方向x施加到自旋轨道矩结构。此后，计算在自由层图案中引起的垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度(δsz)。
80.比较示例1
81.在铁磁图案和非磁性图案堆叠的自旋轨道矩结构上形成自由层图案。即，自旋轨道矩结构不包括氧化物层图案。铁磁图案包括钴，并且非磁性图案包括钛。自由层图案包括钴。自由层图案的磁化方向沿垂直方向z对齐。面内电流沿第一方向x施加到自旋轨道矩结构。此后，计算在自由层图案中引起的垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度(δsz)。
82.图11示出了实施例1和比较示例1中的每一者的垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度(δsz)。
83.参照图11，示例1中的垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度大于比较示例1中的垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度。即，当在自旋轨道矩结构中进一步包括氧化物层图案时，垂直自旋分量(z-自旋)的非平衡自旋浓度增加，因此在垂直方向上的界面自旋电流可能增加。因此，可以以低阈值电流引起自由层图案的磁化切换。
84.根据实施例的sot-mram器件可以用作包括在诸如移动设备、存储卡和计算机的电子产品中的存储器。
85.通过总结和回顾，sot-mram器件可具有优异的数据写入特性。
86.一个或更多个实施例可以提供一种自旋轨道矩-磁阻存储器(sot-mram)器件。
87.一个或更多个实施例可以提供一种具有良好特性的sot-mram器件。
88.在根据示例实施例的mram器件中，可以分别在氧化物层图案和铁磁图案之间的界面以及铁磁图案和非磁性图案之间的界面处产生界面自旋电流，因此界面自旋电流可以增加。因此，施加到自旋轨道矩结构以用于自由层图案的磁化切换的电流可以减少。
89.已在本文中公开了示例实施例，尽管使用了特定术语，但它们仅以一般和描述性的意义使用和解释，而不是为了限制的目的。在一些情况下，如在提交本技术时本领域普通技术人员将显而易见的，除非另有特别说明，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用或与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件特征组合使用。因此，本领域的技术人员将理解，在不背离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。