CN106415868A - 存储器单元、半导体结构、半导体装置及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁性单元包含磁性区，所述磁性区由包括扩散物质及至少一种其它物质的前驱物磁性材料形成。非晶区接近于所述磁性区且由包括至少一种吸子物质的前驱物陷获材料形成，所述至少一种吸子物质具有至少一个陷获位点及对所述扩散物质的化学亲和力。所述扩散物质从所述前驱物磁性材料转移到所述前驱物陷获材料，其中所述扩散物质在所述陷获位点处键结到所述至少一种吸子物质。所述浓化陷获材料的物质可互混，使得所述浓化陷获材料变成或保持非晶的。接着可在无来自所述非晶浓化陷获材料的干扰的情况下通过来自相邻结晶材料的传播使耗尽磁性材料结晶。此实现高隧道磁阻及高磁各向异性强度。本发明还揭示制作方法及半导体装置。
Description
优先权主张
本申请案主张于2014年4月9日提出申请的标题为“存储器单元、半导体结构、半导体装置及制作方法(MEMORY CELLS,SEMICONDUCTOR STRUCTURES,SEMICONDUCTOR DEVICES,AND METHODS OF FABRICATION)”的序号为14/249,183的美国专利申请案的申请日期的权益。
技术领域
在各种实施例中，本发明大体来说涉及存储器装置设计及制作的领域。更特定来说，本发明涉及表征为自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的存储器单元的设计及制作，涉及此些存储器单元中所采用的半导体结构，且涉及并入有此些存储器单元的半导体装置。
背景技术
磁性随机存取存储器(MRAM)是基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。一种类型的MRAM单元是包含由衬底支撑的磁性单元核心的自旋扭矩转移MRAM(STT-MRAM)单元。磁性单元核心包含至少两个磁性区(举例来说，“固定区”及“自由区”)及介于其间的非磁性区。自由区及固定区可展现相对于所述区的宽度为水平定向(“平面内”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。固定区包含具有大致上固定(例如，非可切换)磁性定向的磁性材料。另一方面，自由区包含具有可在单元的操作期间在“平行”配置与“反平行”配置之间切换的磁性定向的磁性材料。在平行配置中，固定区及自由区的磁性定向是被定向成相同方向(例如，分别为北与北、东与东、南与南或西与西)。在“反平行”配置中，固定区及自由区的磁性定向是被定向成相反方向(例如，分别为北与南、东与西、南与北或西与东)。在平行配置中，STT-MRAM单元跨越磁阻元件(例如，固定区及自由区)展现较低电阻。此低电阻状态可被定义为MRAM单元的“0”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元跨越磁阻元件展现较高电阻。此高电阻状态可被定义为STT-MRAM单元的“1”逻辑状态。
对自由区的磁性定向的切换可通过使编程电流通过磁性单元核心及其中的固定区及自由区而完成。固定区使编程电流的电子自旋极化，且随着经自旋极化电流通过核心，会形成扭矩。经自旋极化电子电流对自由区施加扭矩。在通过核心的经自旋极化电子电流的扭矩大于自由区的临界切换电流密度(Jc)时，自由区的磁性定向的方向得以切换。因此，编程电流可用于跨越磁性区变更电阻。跨越磁阻元件的所得高或低电阻状态实现对MRAM单元的写入及读取操作。在切换自由区的磁性定向以实现与所要逻辑状态相关联的平行配置及反平行配置中的一者之后，通常期望在“存储”阶段期间维持自由区的磁性定向直到将MRAM单元重新写入到不同配置(即，到不同逻辑状态)为止。
磁性区的磁各向异性(“MA”)是材料的磁性性质的方向相依性的指示。因此，MA也是材料的磁性定向的强度及其对其定向的变更的抵抗的指示。某些非磁性材料(例如，氧化物材料)与磁性材料之间的相互作用可沿着磁性材料的表面诱发MA(例如，增加MA强度)，从而增加磁性材料及MRAM单元的整体MA强度。呈现具有高MA强度的磁性定向的磁性材料可比呈现具有低MA强度的磁性定向的磁性材料较不易于变更其磁性定向。因此，具有高MA强度的自由区在存储期间可比具有低MA强度的自由区更稳定。
自由区的其它有益性质通常与自由区的微结构相关联。举例来说，这些性质包含单元的隧道磁阻(“TMR”)。TMR是单元在反平行配置中的电阻(Rap)与其在平行配置中的电阻(Rp)之间的差对Rp的比率(即，TMR＝(Rap–Rp)/Rp)。通常，在其磁性材料的微结构中具有较少结构缺陷的具有一致晶体结构(例如，bcc(001)晶体结构)的自由区具有比具有结构缺陷的薄自由区高的TMR。具有高TMR的单元可具有高读出信号，所述高读出信号可在操作期间加速对MRAM单元的读取。高TMR还可实现对低编程电流的使用。
已努力形成具有高MA强度且具有有益于高TMR的微结构的自由区。然而，由于促进所要特性(例如实现高MA、高TMR或两者的特性)的组合物及制作条件通常抑制MRAM单元的其它特性或性能，因而形成具有高MA强度及高TMR两者的MRAM单元已提出挑战。
举例来说，在所要晶体结构处形成磁性材料的努力包含：将所要晶体结构从相邻材料(本文中称作“晶种材料”)传播到磁性材料(本文中称作“目标磁性材料”)。然而，使晶体结构传播可在以下情况下受到抑制或可在目标磁性材料中导致微结构缺陷：在晶种材料在其晶体结构中具有缺陷的情况下，在目标磁性材料具有与晶体材料的晶体结构对抗的晶体结构，或在对抗性晶体结构也从除晶种材料外的材料传播到目标磁性材料的情况下。
确保晶种材料具有可成功传播到目标磁性材料的一致无缺陷晶体结构的努力已包含了对晶种材料进行退火。然而，由于晶种材料及目标磁性材料两者通常同时暴露于退火温度，因此尽管退火会改善晶种材料的晶体结构，但退火还可开始其它材料(包含目标磁性材料及其它相邻材料)的结晶。此种其它结晶可对抗所要晶体结构从晶种材料的传播并抑制所述传播。
使目标磁性材料的结晶延迟直到在晶种材料结晶成所要晶体结构之后的努力已包含：在目标磁性材料最初形成时，将添加剂并入到目标磁性材料中，使得目标磁性材料最初是非晶的。举例来说，在目标磁性材料是钴铁(CoFe)磁性材料的情况下，可添加硼(B)使得钴铁硼(CoFeB)磁性材料可用作前驱物材料且形成为最初非晶状态。添加剂可在退火期间从目标磁性材料扩散出，从而使得目标磁性材料能够在晶种材料已结晶成所要晶体结构之后在来自晶种材料的传播下结晶。虽然这些努力可降低目标磁性材料将最初形成有将与待从晶种材料传播的晶体结构对抗的微结构的可能性，但所述努力并未抑制对抗性晶体结构从除晶种材料以外的相邻材料的传播。此外，从目标磁性材料扩散的添加剂可扩散到结构内的区，其中添加剂干扰结构的其它特性，例如，MA强度。因此，形成具有所要微结构(例如，实现高TMR)的磁性材料而不使磁性材料或所得结构的其它特性(例如MA强度)劣化可提出挑战。
发明内容
本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括磁性区、另一磁性区、氧化物区及非晶区。所述磁性区包括由前驱物磁性材料形成的耗尽磁性材料，所述前驱物磁性材料包括至少一种扩散物质及至少一种其它物质。所述耗尽磁性材料包括所述至少一种其它物质。所述氧化物区介于磁性区与另一磁性区之间。所述非晶区接近于所述磁性区且由包括至少一种吸子物质的前驱物陷获材料形成，所述至少一种吸子物质具有至少一个陷获位点且对所述至少一种扩散物质的化学亲和力高于所述至少一种其它物质对所述至少一种扩散物质的化学亲和力。所述非晶区包括所述至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质键结到来自所述前驱物磁性材料的所述至少一种扩散物质。
本发明还揭示一种包括磁性区及陷获区的半导体结构。所述磁性区位于衬底上方且包括前驱物磁性材料，所述前驱物磁性材料包括扩散物质。所述陷获区包括至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质包括至少一个陷获位点。所述至少一种吸子物质经调配以对所述前驱物材料的所述扩散物质展现高于所述扩散物质与所述前驱物磁性材料的另一物质之间的化学亲和力的化学亲和力。
本发明揭示一种形成磁性存储器单元的方法。所述方法包括：形成前驱物结构。形成所述前驱物结构包括在衬底上方形成包括陷获位点的前驱物陷获材料。邻近于所述前驱物陷获材料形成包括扩散物质的前驱物磁性材料。所述扩散物质从所述前驱物材料转移到所述前驱物陷获材料以将所述前驱物磁性材料的至少一部分转换成耗尽磁性材料且将所述前驱物陷获材料的至少一部分转换成浓化陷获材料。在所述转移之后，由所述前驱物结构形成磁性单元核心结构。
本发明还揭示一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：在衬底上方形成包括至少一种扩散物质的非晶前驱物磁性材料。接近所述非晶前驱物磁性材料形成前驱物陷获材料。所述前驱物陷获材料包括具有至少一个陷获位点的吸子物质。所述非晶前驱物磁性材料及所述前驱物陷获材料经退火以使所述扩散物质与所述吸子物质的所述至少一个陷获位点发生反应。
本发明还揭示一种半导体装置。所述半导体装置包括自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列。所述STT-MRAM阵列包括STT-MRAM单元。所述STT-MRAM单元中的至少一个STT-MRAM单元包括位于衬底上方的结晶磁性区。所述结晶磁性区展现可切换磁性定向。结晶氧化物区邻近所述结晶磁性区。磁性区展现大致上固定的磁性定向且通过所述结晶氧化物区与所述结晶磁性区间隔开。非晶陷获区邻近所述结晶磁性区。所述非晶陷获区包括从所述结晶磁性区的前驱物磁性材料扩散且键结到所述非晶陷获区的前驱物陷获材料的吸子物质的物质。所述前驱物磁性材料具有从所述前驱物磁性材料扩散的所述物质键结到所述非晶陷获区中的所述吸子物质的陷获位点。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面示意性图解说明，其中所述磁性单元结构包含上覆于自由区上的固定区、单一氧化物区及接近于所述自由区的陷获区。
图1A是根据本发明的替代实施例的图1的框1AB的放大图，其中固定区包含氧化物邻近部分、中间部分及电极邻近部分。
图1B是根据本发明的另一替代实施例的图1的框1AB的放大图，其中固定区包含氧化物邻近部分、中间陷获部分及电极邻近部分。
图2是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面示意性图解说明，其中所述磁性单元结构包含上覆于自由区上的固定区、接近于所述自由区的双重氧化物区及也接近于所述自由区的陷获区。
图2C是根据本发明的替代实施例的图2的框2C的放大图，其中陷获区通过中间区与磁性区间隔开。
图3是根据本发明的实施例的磁性单元结构的区段的横截面、立面示意性图解说明，其中自由区及固定区展现平面内磁性定向。
图4A是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面示意性图解说明，其中所述磁性单元结构包含下伏于自由区下的固定区、接近于所述自由区的单一氧化物区及也接近于所述自由区的陷获区。
图4B是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面示意性图解说明，其中所述磁性单元结构包含下伏于自由区下的固定区、接近于所述自由区的单一氧化物区、也接近于所述自由区的陷获区，及接近于所述固定区的另一陷获区。
图5是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面示意性图解说明，其中所述磁性单元结构包含下伏于自由区下的固定区、双重氧化物区、接近于所述双重氧化物区中的一者且也接近于所述自由区的陷获区，及接近于所述固定区的另一陷获区。
图5A是根据本发明的替代实施例的图5的框5A的放大图，其中离散陷获子区与离散次级氧化物子区交替。
图6到9C是根据本发明的实施例用以制造图1、1A及1B的磁性单元结构的各种处理阶段期间的横截面、立面示意性图解说明，其中：
图6是在处理阶段期间的结构的横截面、立面示意性图解说明，所述结构包含前驱物陷获材料；
图6A是根据本发明的实施例的其中进一步详细图解说明前驱物陷获材料的图6的结构的横截面、立面示意性图解说明，其中所述前驱物陷获材料经形成以具有交替吸子物质的结构；
图6B是在图6的处理阶段之前进行的处理阶段的横截面、立面示意性图解说明，其中吸子材料经轰击以形成图6的前驱物陷获材料；
图6C是在图6的处理阶段之前且在图6A的处理阶段之后的处理阶段的横截面、立面示意性图解说明，其中交替吸子物质的结构经轰击以形成图6的前驱物陷获材料；
图6D是根据图6A或6C的实施例的图6的框6D的放大图，其中简化图解说明图6的前驱物陷获材料的陷获位点；
图6E是在继图6D的处理阶段之后的处理阶段期间的图6的框6D的放大图，其中扩散物质已与图6D的陷获位点发生反应以形成浓化中间陷获材料；
图6F是在继图6E的处理阶段之后的处理阶段期间的图6的框6D的放大图，其中图6E的浓化中间陷获材料中的吸子物质及扩散物质已经互混以形成非晶陷获材料；
图6G是根据实施例的在图6的处理阶段期间的框6D的放大图，其中前驱物陷获材料包括钴(Co)、铁(Fe)及钨(W)；
图6H是根据另一实施例的图6的处理阶段期间的框6D的放大图，其中前驱物陷获材料包括钌(Ru)及钨(W)；
图7是在继图6及6D的处理阶段之后且在图6E的处理阶段之前的处理阶段期间的结构的横截面、立面示意性图解说明；
图7A是图7的框7A的放大图，其中简化图解说明邻近于图6及图6D的前驱物陷获材料的前驱物磁性材料中的扩散物质；
图8是在继图7及7A的处理阶段之后且与图6F的处理阶段同时的处理阶段期间的经退火结构的横截面、立面示意性图解说明；
图8A是图8的框8A的放大图，其中简化图解说明来自图7A的前驱物磁性材料的现在为图6F的非晶陷获材料中的扩散物质的扩散物质；
图9A是根据本发明的实施例的在继图8的处理阶段之后的处理阶段期间的前驱物结构的横截面、立面示意性图解说明；
图9B是根据本发明的替代实施例的在继图8的处理阶段之后的处理阶段期间的前驱物结构的横截面、立面示意性图解说明；且
图9C是图解说明继图9B的处理阶段之后的处理阶段的图9B的框9C的放大图。
图10是根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的STT-MRAM系统的示意图。
图11是根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的半导体装置结构的简化框图。
图12是根据本发明的一个或多个实施例实施的系统的简化框图。
具体实施方式
本发明揭示存储器单元、半导体结构、半导体装置、存储器系统、电子系统、形成存储器单元的方法及形成半导体结构的方法。在存储器单元的制作期间，从磁性材料(其也可被表征为“前驱物磁性材料”)至少部分地移除“扩散物质”，此归因于前驱物磁性材料接近于包含至少一种吸子物质的“前驱物陷获材料”。所述至少一种吸子物质具有至少一个陷获位点，且对所述扩散物质具有与所述扩散物质与所述前驱物磁性材料中的其它物质之间的化学亲和力相比更高的化学亲和力。所述扩散物质可从前驱物磁性材料扩散到前驱物陷获材料。其中，所扩散物质可与吸子物质在陷获位点处键结。扩散物质从前驱物磁性材料(其形成可被表征为“耗尽磁性材料”的材料)的移除促进耗尽磁性材料结晶成所要晶体结构(例如，bcc(001)结构)。此外，所扩散物质存在于在前驱物陷获材料(其形成可被表征为“浓化前驱物陷获材料”的材料)中且使浓化前驱物陷获材料的物质互混可形成具有微结构(例如，非晶微结构)的浓化陷获材料，所述微结构不会不利地影响磁性材料的结晶成所要晶体结构的能力。因此，耗尽磁性材料可结晶成微结构，所述微结构使包含耗尽磁性材料的存储器单元能够展现高隧道磁阻(“TMR”)且具有由一种或多种相邻氧化物材料沿着磁性材料(例如，耗尽磁性材料)的界面诱发的磁各向异性(“MA”)。
如本文中所使用，术语“衬底”意指且包含上面形成有例如存储器单元内的那些组件等组件的基底材料或其它构造。衬底可为半导体衬底、位于支撑结构上的基底半导体材料、金属电极或上面形成有一种或多种材料、一个或多个结构或区的半导体衬底。衬底可为常规硅衬底或包含半导电材料的其它块体衬底。如本文中所使用，术语“块体衬底”不仅意指且包含硅晶片，而且意指且包含绝缘体上硅(“SOI”)衬底(例如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)衬底)、位于基底半导体基础上的硅外延层或者其它半导体或光电材料(例如硅-锗(Si1-xGex，其中x是(举例来说)介于0.2与0.8之间的摩尔分数)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)或磷化铟(InP)以及其它)。此外，当在以下说明中提及“衬底”时，可能已利用先前工艺阶段在基底半导体结构或基础中形成材料、区或结。
如本文中所使用，术语“STT-MRAM单元”意指且包含磁性单元结构，所述磁性单元结构包含磁性单元核心，所述磁性单元核心包含安置于自由区与固定区之间的非磁性区。非磁性区可为呈磁性隧道结(“MTJ”)配置的电绝缘(例如，电介质)区。举例来说，介于自由区与固定区之间的非磁性区可为氧化物区(本文中称作“中间氧化物区”)。
如本文中所使用，术语“次级氧化物区”是指STT-MRAM单元的氧化物区而非中间氧化物区。次级氧化物区可经调配且经定位以用相邻磁性材料诱发磁各向异性(“MA”)。
如本文中所使用，术语“磁性单元核心”意指且包含包括自由区及固定区的存储器单元结构，且在存储器单元的使用及操作期间电流可通过(即，流过)所述存储器单元结构以影响自由区及固定区的磁性定向的平行配置或反平行配置。
如本文中所使用，术语“磁性区”意指展现磁性的区。磁性区包含磁性材料且也可包含一种或多种非磁性材料。
如本文中所使用，术语“磁性材料”意指且包含铁磁性材料、亚铁磁性材料、反铁磁性及顺磁性材料。
如本文中所使用，术语“CoFeB材料”及“CoFeB前驱物材料”意指且包含包括钴(Co)、铁(Fe)及硼(B)的材料(例如，CoxFeyBz，其中x＝10到80，y＝10到80，且z＝0到50)。CoFeB材料或CoFeB前驱物材料可展现或可不展现磁性，此取决于其配置(例如，其厚度)。
如本文中所使用，术语“物质”意指且包含来自元素周期表的构成材料的一种元素或多种元素。举例来说，且非限制性地，在CoFeB材料中，Co、Fe及B中的每一者可被称为CoFeB材料的物质。
如本文中所使用，术语“扩散物质”意指且包含材料的化学物质，其在材料中的存在并非是材料的功能性所必需的或在至少一个情况中并非是所要的。举例来说，且非限制性地，在磁性区的CoFeB材料中，在B(硼)结合Co及Fe的存在并非是使Co及Fe充当磁性材料(即，展现磁性)所必需的条件下，B可被称作扩散物质。在扩散之后，“扩散物质”可称作“所扩散物质”。
如本文中所使用，术语“耗尽”在用于描述材料时描述由扩散物质从前驱物材料被全部或部分移除所产生的材料。
如本文中所使用，术语“浓化”在用于描述材料时描述所扩散物质已添加(例如，转移)到的材料。
如本文中所使用，术语“前驱物”在指代材料、区或结构时意指且指代待转变成所得材料、区或结构的材料、区或结构。举例来说，且非限制性地，“前驱物材料”可指代将从中扩散出物质以将前驱物材料转变成耗尽材料的材料；“前驱物材料”可指代物质将扩散到其中以将前驱物材料转变成浓化材料的材料；“前驱物材料”可指代具有陷获位点的不饱和材料，物质将与所述陷获位点化学键结以将所述“前驱物材料”转换成其中一次可用陷获位点现在由所述物质占据的材料；且“前驱物结构”可指代将被图案化以将前驱物结构转变成所得经图案化结构的材料或区的结构。
如本文中所使用，除非上下文另有指示，否则术语“由...形成”在描述材料或区时是指已由产生前驱物材料或前驱物区的转变的动作产生的材料或区。
如本文中所使用，术语“化学亲和力”意指且指代不同化学物质往往借以形成化学化合物的电子性质。化学亲和力可由化学化合物的形成热指示。举例来说，经描述为对第二材料的扩散物质具有与扩散物质与第二材料的其它物质之间的化学亲和力相比更高的化学亲和力的第一材料意指且包含：包含扩散物质及来自第一材料的至少一种物质的化学化合物的形成热低于包含扩散物质及第二材料的其它物质的化学化合物的形成热。
如本文中所使用，术语“不饱和材料”意指且指代包括具有至少一个陷获位点的原子的材料。
如本文中所使用，术语“陷获位点”意指且指代包括陷获位点的材料的原子或结构的配位不足、不稳态性或悬空键或点缺陷中的至少一者。举例来说，且非限制性地，“陷获位点”包含原子上的未满足价。由于未满足配位或价，陷获位点具有高反应性，且在共价键结的情形中，悬空键的未配对电子与其它原子中的电子发生反应以便填充原子的价壳。具有陷获位点的原子可为固定化材料(例如，固体)中的自由基。
如本文中所使用，术语“非晶”在指代材料时意指且指代具有非结晶结构的材料。举例来说，且非限制性地，“非晶”材料包含玻璃。
如本文中所使用，术语“固定区”意指且包含STT-MRAM单元内的磁性区，所述磁性区包含磁性材料且在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有固定磁性定向，因为影响单元核心的一个磁性区(例如，自由区)的磁化方向的改变的电流或所施加场可不影响固定区的磁化方向的改变。固定区可包含一种或多种磁性材料及任选地一种或多种非磁性材料。举例来说，固定区可被配置为包含由磁性子区邻接的钌(Ru)子区的合成反铁磁体(SAF)。coupler material另一选择是，固定区可配置有交替的磁性材料子区与耦合剂材料子区的结构。磁性子区中的每一者可在其中包含一种或多种材料及一个或多个区。作为另一实例，固定区可被配置为单一均质磁性材料。因此，固定区可具有均匀磁化或不同磁化的子区，总体上说，此在STT-MRAM单元的使用及操作期间实现具有固定磁性定向的固定区。
如本文中所使用，术语“耦合剂”在指代材料、区或子区时意指且包含经调配或以其它方式经配置以反铁磁性耦合相邻磁性材料、区或子区的材料、区或子区。
如本文中所使用，术语“自由区”意指且包含STT-MRAM单元内的包含磁性材料且在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有可切换磁性定向的磁性区。磁性定向可通过电流或所施加场的施加而在平行配置与反平行配置之间切换。
如本文中所使用，“切换”意指且包含存储器单元的使用及操作的阶段，在所述阶段期间编程电流通过STT-MRAM单元的磁性单元核心以实现自由区及固定区的磁性定向的平行或反平行配置。
如本文中所使用，“存储”意指且包含存储器单元的使用及操作的阶段，在所述阶段期间编程电流不通过STT-MRAM单元的磁性单元核心且其中并不有目的地更改自由区及固定区的磁性定向的平行或反平行配置。
如本文中所使用，术语“垂直”意指且包含垂直于相应区的宽度及长度的方向。“垂直”还可意指且包含垂直于衬底的上面定位有STT-MRAM单元的主要表面的方向。
如本文中所使用，术语“水平”意指且包含平行于相应区的宽度及长度中的至少一者的方向。“水平”还可意指且包含平行于衬底的上面定位有STT-MRAM单元的主要表面的方向。
如本文中所使用，术语“子区”意指且包含另一区中所包含的区。因此，一个磁性区可包含一个或多个磁性子区(即，磁性材料子区)以及非磁性子区(即，非磁性材料子区)。
如本文中所使用，术语“在…之间”是用以描述一种材料、区或子区相对于至少两种其它材料、区或子区的相对安置的空间相对性术语。术语“在…之间”可囊括一种材料、区或子区直接邻近于其它材料、区或子区的安置及一种材料、区或子区间接邻近于其它材料、区或子区的安置两者。
如本文中所使用，术语“接近于”是用以描述一种材料、区或子区靠近另一材料、区或子区的安置的空间相对性术语。术语“接近”包含间接邻近、直接邻近及在内部安置。
如本文中所使用，将元件称为在另一元件“上”或“上方”意指且包含所述元件直接在所述另一元件的顶部上、邻近于所述另一元件、在所述另一元件下方或与所述另一元件直接接触。其还包含元件间接在另一元件的顶部上、邻近于另一元件、在另一元件的下方或在另一元件附近，而其之间存在其它元件。相比来说，当将元件称为“直接在”另一元件“上”或“直接邻近于”另一元件时，不存在介入元件。
如本文中所使用，为便于说明，可使用其它空间相对性术语(例如，“下面”、“下部”、“底部”、“上面”、“上部”、“顶部”等)来描述如各图中所图解说明一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系。除非另有规定，否则空间相对性术语意欲除图中所描绘的定向之外还囊括材料的不同定向。举例来说，如果倒置各图中的材料，那么被描述为在其它元件或特征的“下面”或“下方”或“底部上”的元件则将被定向为在所述其它元件或特征的“上面”或“顶部上”。因此，术语“在...下面”取决于其中使用所述术语的上下文而可囊括在…上面及在…下面两种定向，此对所属领域的普通技术人员将是显而易见的。材料可以其它方式定向(旋转90度、倒置等)且可相应地解释本文中所使用的空间相对性描述符。
如本文中所使用，术语“包括(comprise/comprising)”及/或“包含(include/including)”指明所陈述特征、区、阶段、操作、元件、材料、组件及/或群组的存在，但不排除一个或多个其它特征、区、阶段、操作、元件、材料、组件及/或其群组的存在或添加。
如本文中所使用，“及/或”包含相关联所列项目中的一者或多者的任何及全部组合。
如本文中所使用，单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”意欲也包含复数形式，除非上下文另有明确指示。
本文中所呈现的图解说明并非意在作为任一特定材料、物质、结构、装置或系统的实际视图，而仅仅是用于描述本发明的实施例的理想化表示。
本文中参考为示意性图解说明的横截面图解说明来描述实施例。因此，预期图解说明的形状会由于(举例来说)制造技术及/或公差而有所变化。因此，本文中所描述的实施例不应理解为限于如所图解说明的特定形状或区，而是可包含因(举例来说)制造技术所引起的形状偏差。举例来说，被图解说明或描述为盒形的区可具有粗糙及/或非线性特征。此外，所图解说明的锐角可为圆角。因此，各图中所图解说明的材料、特征及区在本质上是示意性的，且其形状并非意欲图解说明材料、特征或区的精确形状且并非限制本权利要求书的范围。
以下描述提供特定细节(例如材料类型及处理条件)，以便提供对所揭示装置及方法的实施例的透彻描述。然而，所属领域的普通技术人员应理解，可在不采用这些特定细节的情况下实践装置及方法的实施例。实际上，可结合业内采用的常规半导体制作技术来实践装置及方法的实施例。
本文中所描述的制作工艺并不形成用于处理半导体装置结构的完整工艺流程。所属领域的普通技术人员已知工艺流程的其余部分。因此，本文中仅描述对于理解本发明装置的及方法实施例所必需的方法及半导体装置结构。
除非上下文另外指示，否则本文中所描述的材料可通过包含但不限于旋涂、毯覆式涂覆、化学气相沉积(“CVD”)、原子层沉积(“ALD”)、等离子增强型ALD、物理气相沉积(“PVD”)(例如，溅镀)或外延生长的任何适合技术而形成。取决于待形成的特定材料，可由所属领域的普通技术人员选择用于沉积或生长材料的技术。
除非上下文另外指示，否则本文中所描述的材料的移除可通过包含但不限于蚀刻、离子研磨、磨料平面化或其它已知方法的任何适合技术而完成。
现在将参考图式，其中在通篇中相似编号指代相似组件。所述图式未必按比例绘制。
本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包含磁性单元核心，所述磁性单元核心包含接近于磁性区的非晶区。所述非晶区由包括具有至少一个陷获位点的至少一种吸子物质的前驱物陷获材料形成。所述吸子物质对形成磁性区的前驱物磁性材料的扩散物质具有化学亲和力。因此，所述吸子物质经选择以从前驱物磁性材料吸引扩散物质，且前驱物陷获材料配置有其陷获位点以提供所扩散物质可与吸子物质发生反应且键结到所述吸子物质的位点。
为促进陷获位点存在于前驱物陷获材料中，前驱物陷获材料可经配置以包含多种吸子物质的交替子区，使得陷获位点在子区之间的多个界面处是普遍的。另一选择是或另外，可通过(例如)用“轰击物质”来轰击前驱物陷获材料而在材料中形成额外陷获位点来促进陷获位点的存在。前驱物陷获材料中一种或多种吸子物质的陷获位点的浓度增加会将前驱物陷获材料配置成从前驱物磁性材料吸引扩散物质且将所扩散物质至少大致上保留于浓化陷获材料中。
扩散物质从前驱物磁性材料的移除可实现并改善耗尽磁性材料的结晶。举例来说，一旦已从前驱物磁性材料移除扩散物质，结晶结构可从相邻结晶材料(例如，结晶氧化物材料)传播到耗尽磁性材料。此外，一旦所扩散物质与浓化陷获材料的至少一种吸子物质及任何其它物质(如果存在)互混，浓化陷获材料便可保持或变成非晶的。浓化陷获材料的非晶本质可不对抗或以其它方式不利地影响晶体结构从邻近结晶材料材料到耗尽磁性材料的传播。在一些实施例中，浓化陷获材料甚至在高温(例如，大于约300℃，例如，大于约500℃)下可为非晶的。因此，高温退火可用于促进耗尽磁性材料的结晶而不使浓化陷获材料结晶。耗尽磁性材料的结晶可实现高TMR(例如，大于约100％，例如，大于约200％)。此外，所扩散物质经由一次可用陷获位点保留于浓化陷获材料中可抑制所扩散物质干扰沿着磁性区与邻近中间氧化物区之间的界面的MA诱发。在不限于任何一种理论的情况下，预期非磁性材料与磁性材料之间的键结(例如，磁性区中的铁(Fe)与非磁性区中的氧(O)，即，铁氧(Fe-O)键结)可促进MA强度。界面处较少或无扩散物质可使得能够形成更多MA诱发键结。因此，不存在所扩散物质对MA诱发键结的干扰可实现高MA强度。因此，具有由具有陷获位点的前驱物陷获材料形成的非晶、浓化陷获区的磁性存储器单元可形成有高TMR及高MA强度两者。
图1图解说明根据本发明的磁性单元结构100的实施例。磁性单元结构100包含位于衬底102上方的磁性单元核心101。磁性单元核心101可安置于上部电极104与下部电极105之间。磁性单元核心101包含磁性区及另一磁性区(举例来说，分别为“固定区”110及“自由区”120)，其间具有氧化物区(例如，“中间氧化物区”130)。中间氧化物区130可被配置为隧道区且可沿着界面131接触固定区110且可沿着界面132接触自由区120。
固定区110及自由区120中的任一者或两者可均质形成，或任选地可经形成以包含多个子区。举例来说，参考图1A，在一些实施例中，磁性单元核心101的固定区110′(图1)可包含多个部分。举例来说，固定区110′可包含作为氧化物邻近部分113的磁性子区。中间部分115(例如，导电子区)可将氧化物邻近部分113与电极邻近部分117分离。电极邻近部分117可包含磁性子区118与耦合剂子区119的交替结构。
继续参考图1，一个或多个下部中间区140可任选地安置于磁性区(例如，固定区110及自由区120)下方，且一个或多个上部中间区150可任选地安置于磁性单元结构100的磁性区上方。下部中间区140及上部中间区150(如果包含)可经配置以在存储器单元的操作期间抑制物质分别在下部电极105与上覆材料之间以及在上部电极104与下伏材料之间扩散。
自由区120是接近于陷获区180而形成。陷获区180由包括具有陷获位点的至少一种吸子物质的前驱物陷获材料形成。前驱物陷获材料在本文中还称作“不饱和吸子材料”。陷获位点可由于(举例来说且非限制性地)吸子物质的交替子区的不匹配晶格结构、用轰击物质(例如，离子及等离子)轰击吸子材料以形成陷获位点(即，通过使现有键断裂)或两者而形成。
吸子物质被调配成对来自相邻前驱物磁性材料的扩散物质的化学亲和力高于所述相邻前驱物磁性材料的其它物质与所述扩散物质之间的化学亲和力。扩散物质最初存在于前驱物磁性材料中可抑制前驱物磁性材料的结晶，但陷获区180接近于前驱物磁性材料可实现扩散物质从前驱物磁性材料到陷获区180的材料的扩散。一旦经扩散，所扩散物质可在陷获位点处与吸子物质发生化学反应。
从前驱物磁性材料移除扩散物质会留下能够结晶成所要晶体结构(例如，bcc(001))的耗尽磁性材料(即，具有与扩散之前的浓度相比较低的浓度的扩散物质的磁性材料)。可使所要晶体结构从一种或多种相邻材料(例如，中间氧化物区130的氧化物)传播。经结晶的耗尽磁性材料(具有所要晶体结构)可展现高TMR(例如，大于约100％(约1.00)，例如，大于约200％(约2.00))。
在一些实施例中，陷获区180可经调配成非晶的且在相邻耗尽磁性材料结晶时保持非晶。在一些此类实施例中，陷获区180的前驱物材料可在最初形成时是非非晶的(即，结晶的)，但一旦来自前驱物磁性材料的所扩散物质已被接收且与陷获区180的前驱物材料互混(例如，在退火期间)，前驱物材料即可转换成非晶结构。在其它实施例中，陷获区180的前驱物材料可在最初形成时是非晶的且可甚至在高温下(例如，在退火期间)且甚至一旦浓化有所扩散物质也保持非晶的。因此，陷获区180的材料可并不抑制相邻耗尽磁性材料的结晶。
陷获区180的厚度、组合物及结构可经选择以在陷获区180中提供充足量的不饱和吸子材料(即，充足数目个陷获位点)，从而具有从相邻前驱物磁性材料接收所扩散物质并与其键结的所要能力。与较薄陷获区相比，较厚陷获区可对所扩散物质具有相对较高容量。根据例如图1中所图解说明的实施例等实施例，陷获区180的厚度可介于约(约1.0nm)到约(约10.0nm)之间。
参考图1B，在一些实施例中，可存在额外陷获区。举例来说，另一陷获区182可包含于磁性单元核心101(图1)中。另一陷获区182可接近于固定区110″的磁性材料(例如，最初为前驱物磁性材料，且随后为耗尽磁性材料)。在一些实施例中，另一陷获区182可在氧化物邻近部分114与电极邻近部分117之间形成固定区110″的中间部分。
另一陷获区182还包含至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质可与邻近于自由区120的陷获区180的吸子物质相同或不同。另一陷获区182的至少一种吸子物质在接收到所扩散物质之前也包含陷获位点。因此，另一陷获区182可经调配、结构化及安置以便从(例如，氧化物邻近部分114的)相邻前驱物磁性材料吸引扩散物质且与所扩散物质发生反应以促进耗尽磁性材料的结晶。例如，一旦所扩散物质已键结到吸子物质且吸子物质与所扩散物质已互混，另一陷获区182便可为非晶的。因此浓化有所扩散物质的另一陷获区182可在相邻耗尽磁性材料结晶时保持非晶，以便不干扰结晶。
继续参考图1，在陷获区180接近于自由区120的实施例中，陷获区180可通过一个或多个其它区(例如，通过自由区120及中间氧化物区130)与固定区110物理隔离。因此，陷获区180的物质可不与固定区110的物质发生化学反应。
在例如图1B的实施例等实施例中，接近于固定区110″的另一陷获区182可通过一个或多个其它区(例如，通过固定区110″的氧化物邻近部分114且通过中间氧化物区130)与自由区120物理隔离。因此，另一陷获区182的物质可不与自由区120的物质发生化学反应。
图1的磁性单元结构100被配置为“顶部钉扎式”存储器单元，即，其中固定区110安置于自由区120上方的存储器单元。磁性单元结构100还包含单一氧化物区(即，中间氧化物区130)，所述单一氧化物区可经配置以在自由区120中诱发MA且充当由自由区120、中间氧化物区130及固定区110的相互作用实现的磁性隧道结(MTJ)的隧道区。
另一选择是，参考图2，根据本发明的实施例，磁性单元结构200可被配置为具有含有双重MA诱发氧化物区(例如，中间氧化物区130及次级氧化物区270)的磁性单元核心201的顶部钉扎式存储器单元。在一些实施例(例如图2中所图解说明的实施例)中，次级氧化物区270可形成于基础区260上方(例如，直接在其上)，使得基础区260的上部表面及次级氧化物区270的下部表面可彼此接触。
基础区260可提供上面形成有上覆材料(例如次级氧化物区270的材料)的平滑模板。在一些实施例中，基础区260经调配且经配置以使得能够将次级氧化物区270形成为展现晶体结构，所述晶体结构使得能够在次级氧化物区270上方以所要晶体结构(例如，bcc(001)晶体结构)来形成自由区120。举例来说，且非限制性地，基础区260可使得次级氧化物区270能够在其上形成有bcc(001)晶体结构或稍后结晶成bcc(001)晶体结构，所述结构可传播到将形成自由区120的耗尽磁性材料。
在一些实施例中，基础区260可直接形成于下部电极105上。在其它实施例(例如图2中所图解说明的实施例)中，基础区260可形成于一个或多个下部中间区140上。
在磁性单元核心201中，双重氧化物区中的第二者(即，次级氧化物区270)可接近于自由区120而安置，例如，邻近于自由区120的与自由区120接近于中间氧化物区130的表面相对的表面。因此，次级氧化物区270可通过自由区120与中间氧化物区130间隔开。
陷获区280可将自由区120与次级氧化物区270分离。然而，预期，陷获区280可形成为实现自由区120与次级氧化物区270之间的MA诱发的厚度，甚至而不需使自由区120与次级氧化物区270直接物理接触。举例来说，陷获区280的厚度可为薄的(例如，小于约(小于约0.6nm)(例如，高度介于约(约0.25nm)与约(约0.5nm)之间)。因此，陷获区280可大致上不使氧化物区(例如，次级氧化物区270)与磁性区(例如，自由区120)之间的MA诱发降级。因此，磁性区可结晶成在相邻氧化物区促进高MA强度时促进高TMR的结构。
在图2的顶部钉扎式、双重氧化物区配置中，另一选择是，固定区110可被配置为图1A的固定区110′或图1B的固定区110″，如上文所论述。因此，与图1B的固定区110″一样，磁性单元结构200可包含多个陷获区(例如，陷获区280(图2)及另一陷获区182(图1B))。
关于图2C，在此实施例中或在本文中所揭示的任何其它磁性单元结构实施例中，陷获区280可通过一个或多个中间区290与相邻磁性区(例如，自由区120)间隔开。此中间区290可经调配且经配置以允许扩散物质从磁性区(例如，自由区120)扩散到陷获区280。
本发明的实施例的存储器单元可被配置为平面外STT-MRAM单元(如图1及2中)，或被配置为平面内STT-MRAM单元(如图3中所图解说明)。“平面内”STT-MRAM单元包含展现主要沿水平方向定向的磁性定向的磁性区，而“平面外”STT-MRAM单元包含展现主要沿垂直方向定向的磁性定向的磁性区。举例来说，如图1中所图解说明，STT-MRAM单元可经配置以在磁性区(例如，固定区110及自由区120)中的至少一者中展现垂直磁性定向。所展现的垂直磁性定向可由垂直磁各向异性(“PMA”)强度来表征。如图1中通过箭头112及双头箭头122所指示，在一些实施例中，固定区110及自由区120中的每一者可展现垂直磁性定向。固定区110的磁性定向可在STT-MRAM单元的整个操作中保持沿基本上相同方向定向，举例来说，沿由图1的箭头112指示的方向。另一方面，自由区120的磁性定向可在单元的操作期间在平行配置与反平行配置之间切换，如由图1的双头箭头122指示。作为另一实例，如图3中所图解说明，平面内STT-MRAM单元可经配置以在磁性区(例如，固定区310及自由区320)中的至少一者中展现水平磁性定向，如由固定区310中的箭头312及自由区320中的双头箭头322所指示。尽管图3仅图解说明固定区310、中间氧化物区130及自由区320，但上覆区可为上覆于图1及2的固定区110上的那些区且下伏区可为下伏于图1及2中的自由区120下的那些区。
尽管在一些实施例(例如图1及2的实施例)中，固定区110可上覆于自由区120上，但在其它实施例(例如图4A、4B及5中的实施例)中，固定区110可下伏于自由区120下。举例来说，且非限制性地，在图4A中，图解说明具有磁性单元核心401的磁性单元结构400，其中固定区410上覆于下部电极105及(如果存在)下部中间区140上。基础区260(图2)(图4A中未图解说明)可任选地包含于(例如)下部电极105(或下部中间区140，如果存在)与固定区410之间。固定区410可(举例来说且非限制性地)被配置为多子区固定区410，其具有电极邻近部分417，电极邻近部分417可被配置为交替结构(如在图1A及1B的电极邻近部分117中)。(例如)均质磁性材料的氧化物邻近部分113可上覆于电极邻近部分417上。子区(例如图1A的中间部分115)可安置于电极邻近部分417与氧化物邻近部分113之间。中间氧化物区130可上覆于固定区410上，且自由区420可上覆于中间氧化物区130上。
陷获区480可接近于固定区410及自由区420中的至少一者。举例来说，如图4A中所图解说明，陷获区480可上覆于自由区420上。在其它实施例中(图4A中未图解说明)，陷获区480或另一陷获区可(另一选择是或另外)下伏于自由区420上或安置于自由区420内部。
无论如何，陷获区480是由前驱物陷获材料接近于前驱物磁性材料(例如，将形成自由区420的材料)而形成。所述前驱物陷获材料包含至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质具有陷获位点、经调配及结构化以从前驱物磁性材料吸引所扩散物质且与其发生反应以促进耗尽磁性材料结晶成实现高TMR的所要晶体结构。
上部电极104及(如果存在)上部中间区150可上覆于陷获区480及自由区420上。因此，磁性单元结构400被配置为具有单一MA诱发氧化物区(例如，中间氧化物区130)的“底部钉扎式”存储器单元。
参考图4B，被配置为具有单一MA诱发氧化物区的底部钉扎式存储器单元的磁性单元结构400′的替代实施例可包含与图4A的磁性单元结构400大致上相同的结构，但其中磁性单元核心401′的固定区410′包含另一陷获区482而非图4A的固定区410的中间部分115。因此，磁性单元核心401′还可包含耗尽氧化物邻近部分414而非图4A的非耗尽氧化物邻近部分113。
参考图5，其图解说明也被配置为底部钉扎式存储器单元的磁性单元结构500。所图解说明存储器单元结构500包含具有双重氧化物区(例如，中间氧化物区130及次级氧化物区570)的磁性单元核心501。次级氧化物区570可位于上部电极104下面且位于自由区420及陷获区480两者上方。
在此实施例中，或在本文中所描述的任何其它实施例中，陷获区480可并入有次级氧化物区570，例如，作为次级氧化物区570的一个或多个子区。此并入有陷获及氧化物的区可在本文中称作“陷获氧化物区”。举例来说，如图5A中所图解说明，陷获氧化物区578可包含与离散次级氧化物区570′相互间置的离散陷获子区480′。然而，离散陷获子区480′可由前驱物陷获材料形成，所述前驱物陷获材料具有含有可键结到的已从前驱物磁性材料扩散的所扩散物质的陷获位点的吸子物质。
本文中所揭示的实施例中的任一者的陷获区(例如，陷获区180(图1))可为大致上连续的(即，所述区的材料中不具有间隙)。然而，在其它实施例中，根据本文中所揭示的实施例中的任一者，陷获区可为不连续的(即，在所述区的材料之间可具有间隙)。
在本文所述的实施例中的任一者中，可分别反转固定区110(图1及2)、110′(图1A)、110″(图1B)、310(图3)、410(图4A)、410′(图4B及5)、中间氧化物区130(图1到2及3到5)，自由区120(图1及2)、320(图3)、420(图4A、4B及5)、陷获区180(图1)、182(图1B)、280(图2)、480(图4A、4B及5)、482(图4B及5)、次级氧化物区270(图2)、570(图5)(如果存在)、陷获氧化物区578(图5A)(如果存在)以及任何子区(如果存在)的相对安置。即使被反转，中间氧化物区130也安置在自由区120(图1及2)、320(图3)、420(图4A、4B、及5)与固定区110(图1及2)、110′(图1A)、110″(图1B)、310(图3)、410(图4A)、410′(图4B及5)之间，其中至少一个陷获区(例如，陷获区180(图1)、另一陷获区182(图1B)、陷获区280(图2)、陷获区480(图4A、4B及5)、另一陷获区482(图4B及5)、陷获氧化物区578(图5A))接近于磁性区中的至少一者(例如，自由区120(图1及2)、320(图3)、420(图4A、4B及5)及固定区110(图1及2)、110′(图1A)、110″(图1B)、310(图3)、410(图4A)、410′(图4B及5)中的至少一者)的前驱物磁性材料。
在其它实施例(未图解说明)中，陷获区可包含横向邻近于磁性区(例如，自由区120)的一部分。所述横向邻近部分可为对垂直相邻部分的添加或替代方案。
因此，揭示一种包括磁性单元核心的存储器单元。所述磁性单元核心包括磁性区，所述磁性区包括由前驱物磁性材料形成的耗尽磁性材料，所述前驱物磁性材料包括至少一种扩散物质及至少一种其它物质。所述耗尽磁性材料包括所述至少一种其它物质。所述磁性单元核心还包括另一磁性区及介于所述磁性区与另一磁性区之间的氧化物区。非晶区接近于所述磁性区。所述非晶区由包括至少一种吸子物质的前驱物陷获材料形成，所述至少一种吸子物质具有至少一个陷获位点且对至少一种扩散物质的化学亲和力高于至少一种其它物质对所述至少一种扩散物质的化学亲和力。所述非晶区包括所述至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质键结到来自所述前驱物磁性材料的至少一种扩散物质。
参考图6到9C，其图解说明制作磁性单元结构(例如图1的磁性单元结构100)的方法中且根据图1A及1B的实施例的阶段。如图6中所图解说明，中间结构600可形成有形成于衬底102上方的导电材料605及位于导电材料605上方的前驱物陷获材料680。任选地，在于导电材料605上方形成前驱物陷获材料680之前，可先在导电材料605上方形成一种或多种下部中间材料640。
在例如可用于形成图2的磁性单元结构200或包括基底次级氧化物区(例如，次级氧化物区270(图2))的另一结构的其它实施例中，可在导电材料605及下部中间材料640(如果存在)上方形成基础材料(未展示)。在于所述基础材料上方形成前驱物陷获材料680之前，可先在所述基础材料上方形成氧化物材料(未展示)。
形成下部电极105(图1、2、4A、4B及5)的导电材料605可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)金属(例如，铜、钨、钛、钽)、金属合金，或其组合。
在其中任选下部中间区140(图1、2、4A、4B及5)形成于下部电极105上方的实施例中，形成下部中间区140的下部中间材料640可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)钽(Ta)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、钌(Ru)、钨(W)或其组合。在一些实施例中，下部中间材料640(如果包含)可并入有将形成下部电极105(图1、2、4A、4B及5)的导电材料605。举例来说，下部中间材料640可为导电材料605的最上部子区。
在其中基础材料形成于导电材料上方(犹如形成图2的磁性单元结构200)的实施例中，基础材料可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)包括钴(Co)及铁(Fe)中的至少一者的材料(例如，CoFeB材料)、包括非磁性材料的材料(例如，非磁性导电材料(例如，基于镍的材料))或其组合。基础材料可经调配且经配置以提供使得能够在其上方以所要晶体结构(例如，bcc(001)晶体结构)形成材料(例如，氧化物材料)的模板。
此外，在用以形成图2的磁性单元结构200的实施例中，将形成次级氧化物区270(图2)的氧化物材料可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)非磁性氧化物材料(例如，氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)或常规MTJ区的其它氧化物材料)。所述氧化物材料可直接形成(例如，生长、沉积)于基础材料(如果存在)上。在其中基础材料在最初形成时为非晶的实施例中，所得氧化物材料可在最初形成于基础材料上方时是结晶的(例如，具有bcc(001)晶体结构)。
前驱物陷获材料680可通过(举例来说且非限制性地)将至少一种吸子物质溅镀于先前所形成材料上方而形成。前驱物陷获材料680经调配(即，选择至少一种吸子物质)以对来自将邻近前驱物陷获材料680形成的前驱物磁性材料的扩散物质具有与所述扩散物质与前驱物磁性材料的其它物质之间的化学亲和力相比更高的化学亲和力。因此，前驱物陷获材料680经调配以从前驱物磁性材料吸引扩散物质。
在一些实施例中，前驱物陷获材料680中的每一物质可经调配以对来自前驱物磁性材料的所扩散物质具有化学亲和力(即，兼容而与其化学键结)。在其它实施例中，前驱物陷获材料680的并非全部的物质可经调配以对扩散物质具有所要化学亲和力。因此，前驱物陷获材料680可包含不与所扩散物质发生反应的物质或可由与所扩散物质发生反应的物质组成或基本上由与所扩散物质发生反应的物质组成。
参考图6到6F，前驱物陷获材料680经结构化且经调配以提供至少一种吸子物质684、686(图6A及6C到6F)的至少一个陷获位点687(图6D)。陷获位点687(图6D)使扩散物质(一旦从前驱物磁性材料扩散)能够与至少一种吸子物质684、686中的至少一者键结，使得所扩散物质可保留于本文中被称作“浓化前驱物陷获材料”681(图6E)的材料中。
将前驱物陷获材料680结构化成包含陷获位点687(图6D)可包含形成在吸子物质684、686的相邻子区之间具有不匹配晶体晶格的结构的前驱物陷获材料680。如本文中所使用，术语“不匹配晶体晶格”指代彼此未对准的相邻物质的晶体晶格结构，使得将使物质完全饱和的物质之间的1:1键结可不容易实现。举例来说，参考图6A及6D，多种吸子物质684、686可彼此上下形成，以形成具有在吸子物质684、686中的两者彼此邻接处形成的界面685的交替结构。参考图6D，此不匹配晶体晶格结构可在吸子物质684、686的原子684′、686′、686″上留下陷获位点687。陷获位点687可至少部分地由于吸子物质684、686的晶体晶格结构之间的不匹配而尤其占据物质之间的界面685。
在不受限于任何特定理论的情况下，预期界面685的数目越大，且因此吸子物质684、686的交替子区的数目越大，可包含于前驱物陷获材料680中的陷获位点687的数目即越大。每一个别子区的厚度可为最小的(例如，大约一个原子厚或数个原子厚)，其中此中间结构600′的总厚度经修整以提供最大数目个陷获位点687(即，在后续处理动作期间，所扩散物质的潜在键结位点)而不使待形成的单元的其它特性(例如，电阻率)降级。
在一些实施例中，前驱物陷获材料680可包含过渡金属(例如，钨(W)、铪(Hf)、钼(Mo)及锆(Zr))作为吸子物质684、686(例如，图6A及6C到6F的吸子物质684)中的至少一者且包含铁(Fe)、钴(Co)、钌(Ru)及镍(Ni)中的至少一者作为吸子化学品(例如，图6A及6C到6F的吸子物质686)中的至少另一者。
在一个特定实施例(并非限制性地)中，前驱物陷获材料680可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：钴及铁(作为一种类型的吸子物质(例如，吸子物质686))及钨(W)(作为另一吸子物质(例如，吸子物质684))。钴-铁及钨中的每一者可对经调配为CoFeB磁性材料的相邻前驱物磁性材料的扩散物质(例如硼(B))具有化学亲和力。至少钨对硼的化学亲和力可大于硼与前驱物磁性材料的其它物质(例如，钴及铁)之间的化学亲和力。
在另一特定实例(并非限制性地)中，前驱物陷获材料680可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：钌(Ru)(作为一种吸子物质)及钨(W)(作为另一吸子物质)。此外，钌及钨中的每一者可对扩散物质(例如，硼(B))具有化学亲和力。
参考图6B，用于将前驱物陷获材料680结构化成包含陷获位点687(图6D)的另一方法是：在衬底102上方形成吸子材料680″(其在最初形成时可未必是不饱和的)，且接着用来自等离子的(例如)一个或多个离子或自由基作为轰击物质来轰击吸子材料680″以在吸子材料680″的微结构中诱发点缺陷、不稳态键结、配位不足位点或悬空键(即，陷获位点)。举例来说，轰击物质(例如氩(Ar)、氮(N)、氦(He)、氙(Xe))可如由箭头688所指示被驱动到中间结构600″的吸子材料680″中以使经占据键断裂且形成陷获位点687(图6D)。在此些实施例中，轰击物质可保留于前驱物陷获材料680(图6及6D)中。
参考图6C，可使用技术组合来将前驱物陷获材料680结构化成包含陷获位点687(图6D)。举例来说，具有不匹配晶体晶格结构的图6A的中间结构600′可经受图6B的轰击688过程。经轰击不匹配晶体晶格中间结构600″′可包含多于可仅由图6A及6B的技术产生的陷获位点的陷获位点687(图6D)。
在后续处理期间，例如在退火阶段期间，扩散物质621′(图7A)可从相邻前驱物磁性材料转移(例如，扩散)到前驱物陷获材料680。在上述情况发生时，如图6E中所图解说明，陷获位点687(图6D)可接收所扩散物质621并与其发生反应以形成浓化前驱物陷获材料681。所扩散物质621的原子可键结到吸子物质684、686的原子684′、686′、686″中的一者或多者(参见图6E)。
在一些实施例(例如图6A及图6C以及(任选地)6B的实施例)中，前驱物陷获材料680可在最初形成于衬底102上方时是结晶的。在所扩散物质621开始扩散到陷获位点687(图6D)中且与其发生反应时，前驱物陷获材料680可(至少最初地)保持结晶。然而，随着浓化前驱物陷获材料681的组合物改变，即，随着所扩散物质621的大部分变得由陷获位点687(图6D)陷获，且随着退火的高温促进材料移动，浓化前驱物陷获材料681的物质(例如，所扩散物质621及吸子物质684、686)可互混且将浓化前驱物陷获材料681转换成非晶陷获材料682(在本文中也称作“浓化陷获材料682”及“浓化非晶陷获材料682”)，如图6F中所图解说明。
在其它实施例(例如图6G及6H的那些实施例)中，前驱物陷获材料680(图6)可经调配以在最初形成于衬底102上时是非晶的且贯穿(例如)退火保持非晶的。举例来说，参考图6G，前驱物陷获材料680IV可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：铁(Fe)、钴(Co)及钨(W)，且可在最初形成于衬底102上方(图6)时是非晶的。Fe、Co及W的原子中的至少一者可为配位不足、不稳态或具有悬空键或点缺陷，使得原子包含陷获位点687(参见图6D)(图6G中未图解说明)。作为另一实例，参考图6H，前驱物陷获材料680V可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：钌(Ru)及钨(W)，且可在最初形成于衬底102上方(图6)时是非晶的。Ru及W的原子中的至少一者可为配位不足、不稳态或具有悬空键或点缺陷使得原子包含陷获位点687(参见图6D)(图6H中未图解说明)。在任一此种实施例中，陷获位点687(参见图6D)可不沿着所界定界面对准，而是可遍及前驱物陷获材料680IV(图6G)、680V(图6H)分布。此外，浓化前驱物陷获材料681也可为非晶的在此些实施例中，前驱物陷获材料680IV(图6G)、680V(图6H)的物质的原子比率可经选择以使前驱物陷获材料680IV(图6G)、680V(图6H)能够是非晶的且甚至在高退火温度(例如，大于约500℃)下也保持非晶。
在任何情形中，前驱物陷获材料680中的吸子物质684、686的原子比率可经选择以将最终浓化陷获材料682中的原子比率修整成将是非晶的且在高退火温度下保持非晶的组合物。举例来说，在其中前驱物陷获材料680包括铁(Fe)、钴(Co)及钨(W)、基本上由铁(Fe)、钴(Co)及钨(W)组成或由铁(Fe)、钴(Co)及钨(W)组成且其中硼(B)是扩散物质621的实施例中，前驱物陷获材料680的组合物可经选择使得包含所扩散物质621及(任选地)轰击物质的浓化陷获材料682的组合物包括至少约35at.％钨(W)(其可保持非晶的直到约700℃的温度)。
此外，前驱物陷获材料680可经调配使得前驱物陷获材料680在退火期间用于使耗尽磁性材料结晶的高温下是稳定的(例如，物质将不向外扩散)。因此，可利用促进源自前驱物磁性材料的耗尽磁性材料结晶成所要晶体结构(例如，bcc(001)结构)的高温，而前驱物陷获材料680不会抑制结晶。在不受限于任何一种理论的情况下，预期浓化陷获材料682的非晶本质避免耗尽磁性材料中的微结构缺陷，所述微结构缺陷在以下情况下原本可会形成：浓化陷获材料682具有不同于所要晶体结构(例如，bcc(001)结构)的微结构且随晶体结构从相邻材料传播到耗尽磁性材料而与所述晶体结构的微结构对抗的微结构。
因此，揭示一种包括位于衬底上方的磁性区的半导体结构。所述磁性区包括前驱物磁性材料，所述前驱物磁性材料包括扩散物质。陷获区包括至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质包括至少一个陷获位点。所述至少一种吸子物质经调配以对磁性前驱物材料的扩散物质展现高于扩散物质与前驱物磁性材料的另一物质之间的化学亲和力的化学亲和力。
参考图7，在已形成图6的前驱物陷获材料680之后，且在使扩散物质621′扩散以与陷获位点687发生反应(图6D及6E)之前，可在前驱物陷获材料680上方形成至少一种前驱物磁性材料720，如图7中所图解说明。最终形成自由区120(图1)的前驱物磁性材料720可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)铁磁材料(包含钴(Co)及铁(Fe)(例如，CoxFey，其中x＝10到80且y＝10到80)且在一些实施例中还包含硼(B)(例如，CoxFeyBz，其中x＝10到80，y＝10到80且z＝0到50))。因此，前驱物磁性材料720可包括Co、Fe及B中的至少一者(例如，CoFeB材料、FeB材料、CoB材料)。在其它实施例中，另一选择是或另外，前驱物磁性材料720可包含镍(Ni)(例如，NiB材料)。在一些实施例中，前驱物磁性材料720可包括与基础材料(如果包含于衬底102上的导电材料605上方)相同的材料或具有基础材料相同的元素但具有那些元素的不同原子比率的材料。前驱物磁性材料720可形成为均质区。在其它实施例中，前驱物磁性材料720可包含(例如)CoFeB材料的一个或多个子区，其中所述子区具有不同相对原子比率的Co、Fe及B。
参考图7A，前驱物磁性材料720包含至少一种扩散物质621′及至少一种其它物质。扩散物质621′的存在对使前驱物磁性材料720或由其形成的耗尽磁性材料展现磁性来说并非是必需的。然而，扩散物质621′在前驱物磁性材料720中的存在可使前驱物磁性材料720能够以非晶状态形成(例如，通过溅镀)。
前驱物陷获材料680接近于前驱物磁性材料720且前驱物陷获材料680与前驱物磁性材料720的其它物质相比对扩散物质621′(图7A)较高的化学亲和力可实现扩散物质621′(图7A)从前驱物磁性材料720的移除。参考图8及8A，所述移除形成耗尽磁性材料820及浓化陷获材料682，如图8中所图解说明。举例来说，且参考图8B，扩散物质621′(图7A)可扩散到前驱物陷获材料680中，其中所扩散物质621可化学键结到前驱物陷获材料680的吸子物质684、686。通过前驱物陷获材料680从前驱物磁性材料720对所扩散物质621的此种移除可在对中间结构700(图7)进行退火以形成经退火中间结构800期间发生，如图8中所图解说明。
在经退火中间结构800中，耗尽磁性材料820具有较低浓度的所扩散物质621(图8A)，而浓化陷获材料682包含所扩散物质621，如图8A中所图解说明。磁性单元结构100(图1)、200(图2)、400(图4A)、400′(图4B)及500(图5)可因此包含耗尽磁性材料820(例如，在自由区120(图1及2)、320(图3)、420(图4A、4B及5中)；在固定区110″的氧化物邻近部分114(图1B)中；及在固定区410′的氧化物邻近部分414(图4及5)中)及包含所扩散物质的浓化陷获材料682(例如，在陷获区180(图1)、280(图2及2C)、480(图4A、4B及5)中；在另一陷获区182(图1B)、482(图4B及5)中；在陷获氧化物区578的离散陷获子区480′(图5A)中)。
举例来说，且非限制性地，在其中前驱物磁性材料720(图7)是CoFeB材料的实施例中，耗尽磁性材料820可为CoFe材料(即，包括钴及铁的磁性材料)。在其中前驱物陷获材料680(图7)是钴-铁(CoFe)吸子物质的子区与钨(W)吸子物质的子区的交替结构的此些实施例中，浓化陷获材料682可为钴、铁、钨及硼(B)的非晶混合物(即，CoFeWB混合物或合金)。
在不受限于任何一种理论的情况下，预期借助具有对硼具有亲和力的吸子物质的陷获位点687(图6D)的前驱物陷获材料680将硼的扩散物质621′(图7A)从CoFeB前驱物磁性材料720移除可使得耗尽磁性材料820能够在低于包含扩散物质621′的前驱物磁性材料720(图7)的结晶温度的温度下结晶。因此，所使用的退火温度(例如，大于约500℃)可使得耗尽磁性材料820能够结晶(例如，通过使所要晶体结构从相邻材料(例如，中间氧化物区130(图1)的材料)传播)，而无需高到使相邻材料降级(例如，不使钨(W)从浓化陷获材料682向外扩散)。因此，耗尽磁性材料820可结晶成所要晶体结构(例如，bcc(001)晶体结构)，所述所要晶体结构使得能够形成磁性单元结构(例如，磁性单元结构100(图1)、200(图2)、400(图4A)、400′(图4B)、500(图5))，而不会遭受实质性结构缺陷。不存在实质性结构缺陷可实现高TMR。
在不受限于任何一种理论的情况下，进一步预期扩散物质621′(图7A)从前驱物磁性材料720(及/或从另一前驱物磁性材料713′(图9B))的移除还可促进沿着耗尽磁性材料820与相邻氧化物材料(例如，次级氧化物区270(图2)或中间氧化物区130(图1)的氧化物材料)之间的界面诱发MA。举例来说，在不存在扩散物质621′(图7A)的情况下，耗尽磁性材料820的其它物质与氧化物材料的相互作用性可比在扩散物质621′仍并入于前驱物磁性材料720中的情况下所述其它物质原本所具有的相互作用性更大。此外，所扩散物质621(图8A)经由化学键结保留于浓化陷获材料682中的一次可用陷获位点687(图6D)处可避免所扩散物质621扩散到磁性区(例如，自由区120)与其相邻MA诱发氧化物区(例如，中间氧化物区130(图1))之间的界面(例如，界面132(图1))。此可沿着界面(例如，界面132(图1))实现比原本可实现的更大的MA诱发相互作用性。因此，甚至在其中仅包含单一MA诱发氧化物区(例如，中间氧化物区130)的实施例中，MA强度可因存在前驱物陷获材料680(或确切地说，浓化陷获材料682)而大于不具有前驱物陷获材料680(或确切地说，浓化陷获材料682)的相同结构的MA强度。
虽然将自由区120(例如，图1)描述为由包括扩散物质621′(图7A)的前驱物磁性材料720(例如，CoFeB材料)“形成”，但所制作的磁性单元核心101(图1)(或本发明的任何单元核心)的自由区120可包括比在前驱物磁性材料720最初形成时大致上少的扩散物质621′(例如，硼(B))。同样地，在其中固定区110(图1)的磁性材料受陷获材料的相邻区影响的实施例中，固定区110可包括比其在无附近陷获材料的情况下原本将包括的扩散物质大致上少的扩散物质621′。实际上，所制作的磁性单元核心101的陷获区180(图1)可包括前驱物陷获材料680的物质及已从前驱物磁性材料720扩散的所扩散物质621(例如，硼(B))两者。
继续参考图7及8，形成中间氧化物区130(图1)的氧化物材料730可形成于前驱物磁性材料720上，例如，在使耗尽磁性材料820结晶的退火之前。氧化物材料730可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)非磁性氧化物材料(例如，氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)或常规MTJ非磁性区的其它氧化物材料)。在其中于前驱物陷获材料680之前形成另一氧化物材料的实施例中，所述另一氧化物材料可为与氧化物材料730相同的材料或为包括与氧化物材料730相同的元素但其中具有不同原子比率的材料。举例来说，且非限制性地，在双重氧化物实施例中，氧化物材料730及另一氧化物材料两者可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：MgO。
氧化物材料730可直接形成(例如，生长、沉积)于前驱物磁性材料720上。氧化物材料730可在最初形成时是结晶的(例如，具有bcc(001)结构)或可稍后在退火期间结晶。氧化物材料730可经定位使得在退火期间所要晶体结构可传播到相邻磁性材料(例如，耗尽磁性材料820(图8))以使磁性材料(例如，耗尽磁性材料820(图8))能够结晶成相同晶体结构(例如，bcc(001)结构)。
经退火中间结构800的其它材料也可由于退火而结晶。退火过程可在从约300℃到约700℃(例如，约500℃)的退火温度下进行且可在所述退火温度下保持从约一分钟(约1分钟)到约一小时(约1小时)。退火温度及时间可基于中间结构700的材料、(例如)耗尽磁性材料820的所要晶体结构及所扩散物质621从前驱物磁性材料720的所要耗尽量而加以修整。
在一些实施例(例如图7及8中所图解说明的实施例)中，形成固定区110′(图1A)的氧化物邻近部分113的另一磁性材料713可直接形成(例如，生长、沉积)于氧化物材料730上，例如，在使耗尽磁性材料820结晶的退火阶段之前或之后。另一磁性材料713可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：(举例来说且非限制性地)包含钴(Co)及铁(Fe)的铁磁材料(例如，CoxFey，其中x＝10到80且y＝10到80)且在一些实施例中还包含硼(B)(例如，CoxFeyBz，其中x＝10到80、y＝10到80及z＝0到50)。因此，另一磁性材料713可包括CoFeB材料。在一些实施例中，另一磁性材料713可为与前驱物磁性材料720及基础材料(如果包含于中间结构800中)中的任一者或两者相同的材料，或具有相同元素但呈不同原子比率的材料。
参考图9A，根据用以根据图1及1A形成磁性单元结构100的实施例，非陷获中间材料915可在已形成经退火中间结构800(图8)之后形成于另一磁性材料713上。因此，中间材料915可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：导电材料(例如，钽(Ta))。
另一选择是，参考图9B，根据用以根据图1及1B形成磁性单元结构100的实施例，可形成另一前驱物陷获材料680′而非图9A的中间材料915。在此些实施例中，另一磁性材料713可被表征为包含扩散物质621′(图7A)(例如，硼(B))的另一前驱物磁性材料713′，所述扩散物质可通过另一前驱物陷获材料680′从另一前驱物磁性材料713′移除。另一前驱物陷获材料680′可在退火之前形成于另一前驱物磁性材料713′上，使得经退火结构分段900″(图9C)可包含由另一前驱物磁性材料713′形成的另一耗尽磁性材料820′(图9C)。经退火结构分段900″还包含接近于另一耗尽磁性材料820′的另一非晶浓化陷获材料682′。
磁性单元结构(例如，磁性单元结构100(图1、1A、1B))的剩余材料可根据图9A的实施例制作于中间材料915上方或根据图9B及9C的实施例制作于另一浓化陷获材料682′上方，以分别形成前驱物结构900(图9A)或900′(图9B)。举例来说，材料917(例如交替磁性材料918及耦合剂材料919)可形成于中间材料915(图9A)上或另一浓化陷获材料682′(图9C)上。举例来说，且非限制性地，材料917可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：钴/钯(Co/Pd)多子区；钴/铂(Co/Pt)多子区；钴/镍(Co/Ni)多子区；常规固定区的基于钴/铁/铽(Co/Fe/Tb)的材料、L10材料、耦合剂材料或其它磁性材料。因此，固定区110′(图1A)或110″(图1B)分别可包含由材料917形成的电极邻近部分117(图1A及1B)。固定区110′(图1A)或110″(图1B)还可包含分别由中间材料915或另一浓化陷获材料682′形成的中间部分115(图1A)或另一陷获区182(图1B)以及分别由另一前驱物磁性材料713(图9A)或另一耗尽磁性材料820′(图9C)形成的氧化物邻近部分113(图1A)或114(图1B)。
在一些实施例中，任选地，一种或多种上部中间材料950可形成于用于固定区110′(图1A)、110″(图1B)的电极邻近部分117的材料917上方。上部中间材料950(在被包含的情况下其形成任选上部中间区150(图1))可包括以下材料、基本上由以下材料组成或由以下材料组成：经配置以确保相邻材料中的所要晶体结构的材料。另一选择是或另外，上部中间材料950可包含经配置以在常规STT-MRAM单元核心结构的磁性单元、阻挡材料或其它材料的制作期间辅助图案化工艺的金属材料。在一些实施例中，上部中间材料950可包含待形成为导电封盖区的导电材料(例如，例如铜、钽、钛、钨、钌、氮化钽或氮化钛等一种或多种材料)。
可形成上部电极104(图1)的另一导电材料904可形成于用于固定区110′(图1A)、110″(图1B)的电极邻近部分117的材料917及(如果存在)上部中间材料950上方。在一些实施例中，另一导电材料904及上部中间材料950(如果存在)可彼此集成在一起，例如，其中上部中间材料950是导电材料904的下部子区。
接着可分别根据图1及1A或图1及1B中所图解说明的实施例在一个或多个阶段中将前驱物结构900(图9A)、900′(图9B)图案化以形成磁性单元结构100。用于将例如前驱物结构900(图9A)、900′(图9B)等结构图案化以形成例如磁性单元结构100(图1、1A及1B)等结构的技术在此项技术中是已知的且因此本文中不加以详细描述。
在图案化之后，磁性单元结构100包含磁性单元核心101，所述磁性单元核心包含接近于自由区120的陷获区180且在图1B的实施例中接近于固定区110″的另一陷获区182。自由区120包含由前驱物磁性材料720(图7)形成的耗尽磁性材料820(图8)且包括浓度比由前驱物磁性材料720(图7)形成但接近其无陷获区180的自由区低的扩散物质621′(图7A)。此外，根据图1B的实施例，包含氧化物邻近部分114中的由另一前驱物磁性材料713′(图9B)形成的另一耗尽磁性材料820′(图9C)的固定区110″包括浓度比由另一前驱物磁性材料713′(图9B)形成但接近其无另一陷获区182的固定区低的扩散物质621′(图7A)。
在一些实施例中，接近于陷获区(例如，陷获区180、另一陷获区182(图1B))的磁性区(例如，自由区120、固定区110″(图1B))可大致上或完全被耗尽扩散物质621′。在其它实施例中，磁性区可部分地被耗尽扩散物质621′。在此些实施例中，磁性区遍及其中可具有扩散物质621′(例如，硼)梯度，其中相对来说，低浓度的扩散物质621′邻近于陷获区180且高浓度的扩散物质621′与陷获区180相对。在一些实施例中，扩散物质621′的浓度可在退火之后或期间平衡。
形成有结晶、耗尽磁性材料820(图8)或其它耗尽磁性材料的自由区120或其它磁性区(例如，固定区110″(图1B)的氧化物邻近部分114)可具有可大致上无缺陷的所要晶体结构，此至少部分地归因于扩散物质621′的移除及所扩散物质621到陷获位点687(图6D)的键结且至少部分地归因于陷获区180(或另一陷获区182)的非晶微结构。
自由区120的结晶度可使磁性单元结构100能够在使用及操作期间展现高TMR。此外，自由区120的耗尽磁性材料820可促进与相邻氧化物区(例如，次级氧化物区270及中间氧化物区130)的MA诱发。
此外，在其中自由区120安置于双重氧化物区(例如，图2的中间氧化物区130及次级氧化物区270)之间的实施例中，可因来自双重氧化物区两者的MA诱发而进一步促进高MA强度。在此些实施例中，可沿着自由区120的接近于次级氧化物区270的表面诱发MA，甚至在陷获区180安置于自由区120与次级氧化物区270之间的情况也如此。用于形成陷获区180的前驱物陷获材料680(图7)的量可被修整成足以实现将扩散物质621′(图7A)中的至少一些扩散物质从前驱物磁性材料720(图7A)移除的量，同时也是不会大到抑制次级氧化物区270与自由区120之间的MA诱发的量。
因此，揭示一种形成磁性存储器单元的方法。所述方法包括：形成前驱物结构。形成所述前驱物结构包括：在衬底上方形成包括陷获位点的前驱物陷获材料。形成所述前驱物结构还包括：邻近于前驱物陷获材料形成包括扩散物质的前驱物磁性材料。使扩散物质从前驱物磁性材料转移到前驱物陷获材料以将前驱物磁性材料的至少一部分转换成耗尽磁性材料并将前驱物陷获材料的至少一部分转换成浓化陷获材料。在所述转移之后，由所述前驱物结构形成磁性单元核心结构。
图4A的磁性单元结构400包含可被表征为图1及1A的磁性单元核心101的反转的磁性单元核心401。可通过从衬底102向上形成磁性单元结构400的材料并将所述材料图案化来制作图4A的磁性单元结构400，其中在形成用于上覆于自由区420上的陷获区480的前驱物陷获材料680(图6)之后进行至少一次退火。
图4B的磁性单元结构400′包含可被表征为图1及1B的磁性单元核心101的反转的磁性单元核心401′。可通过从衬底102向上形成磁性单元结构400′的材料并将所述材料图案化来制作图4B的磁性单元结构400′，其中在形成用于上覆于自由区420上的陷获区480的前驱物陷获材料680(图6)之后进行至少一次退火。任选地，可在形成用于固定区410′的氧化物邻近部分414的另一前驱物磁性材料713′(图9B)之后执行中间退火。
图5的磁性单元结构500包含可被表征为图2的磁性单元核心201的反转的磁性单元核心501。可通过从衬底102向上形成磁性单元结构500的材料并将所述材料图案化来制作图5的磁性单元结构500，其中在形成用于陷获区480的前驱物陷获材料680(图6)之后进行至少一次退火。任选地，可在形成固定区410′的氧化物邻近部分414的另一前驱物磁性材料713′(图9B)之后执行中间退火。
因此，揭示一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：在衬底上方形成包括至少一种扩散物质的非晶前驱物磁性材料。接近所述非晶前驱物磁性材料形成包括具有至少一个陷获位点的吸子物质的前驱物陷获材料。所述非晶前驱物磁性材料及所述前驱物陷获材料经退火以使所述扩散物质与所述吸子物质的所述至少一个陷获位点发生反应。
参考图10，其图解说明包含与STT-MRAM单元1014进行可操作通信的外围装置1012的STT-MRAM系统1000，取决于系统要求及制作技术，可制作STT-MRAM单元1014的群组以形成呈包含若干个行及行的栅格图案或呈各种其它布置的存储器单元阵列。STT-MRAM单元1014包含磁性单元核心1002、存取晶体管1003、可充当数据/感测线1004(例如，位线)的导电材料、可充当存取线1005(例如，字线)的导电材料及可充当源极线1006的导电材料。STT-MRAM系统1000的外围装置1012可包含读取/写入电路1007、位线参考1008及感测放大器1009。单元核心1002可为上文所描述的磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、201(图2)、401(图4A)、401′(图4B)、501(图5))中的任何一者。由于单元核心1002的结构、制造方法或两者，STT-MRAM单元1014因此可具有高TMR及高MA强度。
在使用及操作中，当选择STT-MRAM单元1014来予以编程时，将编程电流施加到STT-MRAM单元1014，且所述电流由单元核心1002的固定区自旋极化且对单元核心1002的自由区施加扭矩，此将自由区的磁化切换成“写入到”或“编程”STT-MRAM单元1014。在STT-MRAM单元1014的读取操作中，使用电流来检测单元核心1002的电阻状态。
为起始对STT-MRAM单元1014的编程，读取/写入电路1007可产生到数据/感测线1004及源极线1006的写入电流(即，编程电流)。数据/感测线1004与源极线1006之间的电压的极性确定单元核心1002中的自由区的磁性定向的切换。通过随自旋极性而改变自由区的磁性定向，自由区根据编程电流的自旋极性而被磁化，经编程逻辑状态被写入到STT-MRAM单元1014。
为读取STT-MRAM单元1014，读取/写入电路1007产生穿过单元核心1002及存取晶体管1003到数据/感测线1004及源极线1006的读取电压。STT-MRAM单元1014的编程状态与跨越单元核心1002的电阻相关，可通过数据/感测线1004与源极线1006之间的电压差来确定所述电阻。在一些实施例中，所述电压差可与位线参考1008进行比较且通过感测放大器1009来放大。
图10图解说明可操作STT-MRAM系统1000的一个实例。然而，预期可在经配置以并入有磁性区的磁性单元核心的任何STT-MRAM系统内并入且利用磁性单元核心101(图1)、201(图2)、401(图4A)、401′(图4B)、501(图5)。
因此，揭示一种包括自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列的半导体装置，所述STT-MRAM阵列包括STT-MRAM单元。所述STT-MRAM单元中的至少一个STT-MRAM单元包括位于衬底上方的结晶磁性区。所述结晶磁性区展现可切换磁性定向。结晶氧化物区邻近所述结晶磁性区。展现大致上固定磁性定向的磁性区通过结晶氧化物区与结晶磁性区间隔开。非晶陷获区邻近所述结晶磁性区。所述非晶陷获区包括从所述结晶磁性区的前驱物磁性材料扩散且键结到所述非晶陷获区的前驱物陷获材料的吸子物质的物质。前驱物磁性材料具有陷获位点，在所述陷获位点处从前驱物磁性材料扩散的物质键结到非晶陷获区中的吸子物质。
参考图11，其图解说明根据本文中所描述的一个或多个实施例实施的半导体装置1100的简化框图。半导体装置1100包含存储器阵列1102及控制逻辑组件1104。存储器阵列1102可包含多个STT-MRAM单元1014(图10)，其包含上文所论述的磁性单元核心101(图1)、201(图2)、401(图4A)、401′(图4B)、501(图5)中的任一者，磁性单元核心101(图1)、201(图2)、401(图4A)、401′(图4B)、501(图5)可已根据上文所描述的方法形成且可根据上文所描述的方法操作。控制逻辑组件1104可经配置以与存储器阵列1102以操作方式交互作用以便对存储器阵列1102内的任何或所有存储器单元(例如，STT-MRAM单元1014(图10))进行读取或写入。
参考图12，其描绘基于处理器的系统1200。基于处理器的系统1200可包含根据本发明的实施例所制造的各种电子装置。基于处理器的系统1200可为多种类型中的任一者，例如计算机、传呼机、蜂窝式电话、个人记事薄、控制电路或其它电子装置。基于处理器的系统1200可包含例如微处理器等的一个或多个处理器1202以控制基于处理器的系统1200中对系统功能及请求的处理。基于处理器的系统1200的处理器1202及其它子组件可包含根据本发明的实施例所制造的磁性存储器装置。
基于处理器的系统1200可包含与处理器1202进行可操作通信的电力供应器1204。举例来说，如果基于处理器的系统1200是便携式系统，那么电力供应器1204可包含燃料电池、电力收集装置、永久电池、可替换电池及可再充电电池中的一者或多者。举例来说，电力供应器1204还可包含AC适配器；因此，基于处理器的系统1200可插入到壁式插座中。举例来说，电力供应器1204还可包含DC适配器，使得基于处理器的系统1200可插入到车载点烟器或车载电力端口中。
取决于基于处理器的系统1200所执行的功能，各种其它装置可耦合到处理器1202。举例来说，用户接口1206可耦合到处理器1202。用户接口1206可包含输入装置，例如按钮、开关、键盘、光笔、鼠标、数字化器及手写笔、触摸屏、话音辨识系统、麦克风或其组合。显示器1208也可耦合到处理器1202。显示器1208可包含LCD显示器、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子显示器、OLED显示器、LED显示器、三维投影、音频显示器或其组合。此外，RF子系统/基带处理器1210也可耦合到处理器1202。RF子系统/基带处理器1210可包含耦合到RF接收器并耦合到RF发射器的天线(未展示)。通信端口1212或多个通信端口1212也可耦合到处理器1202。举例来说，通信端口1212可适于耦合到例如调制解调器、打印机、计算机、扫描仪或相机等的一个或多个外围装置1214，或耦合到例如局域网、远程局域网、内联网或因特网等的网络。
处理器1202可通过实施存储于存储器中的软件程序而控制基于处理器的系统1200。举例来说，所述软件程序可包含操作系统、数据库软件、制图软件、字处理软件、媒体编辑软件或媒体播放软件。所述存储器可操作地耦合到处理器1202以存储并促进各种程序的执行。举例来说，处理器1202可耦合到系统存储器1216，系统存储器1216可包含自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、赛道存储器及其它已知存储器类型中的一者或多者。系统存储器1216可包含易失性存储器、非易失性存储器或其组合。系统存储器1216通常较大，以使得其可存储动态加载的应用程序及数据。在一些实施例中，系统存储器1216可包含半导体装置(例如图11的半导体装置1100)、包含上文所描述的磁性单元核心101(图1)、201(图2)、401(图4A)、401′(图4B)、501(图5)中的任一者或其组合的存储器单元。
处理器1202还可耦合到非易失性存储器1218，此并不暗示系统存储器1216必定为易失性。非易失性存储器1218可包含STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如EPROM、电阻式只读存储器(RROM))及将结合系统存储器1216使用的快闪存储器中的一者或多者。非易失性存储器1218的大小通常经选择以恰好大到足以存储任何必需的操作系统、应用程序及固定数据。另外，举例来说，非易失性存储器1218可包含高容量存储器，例如磁盘驱动存储器，例如包含电阻式存储器或其它类型的非易失性固态存储器等的混合式驱动器。非易失性存储器1218可包含半导体装置(例如图11的半导体装置1100)、包含上文所描述的磁性单元核心结构101(图1)、201(图2)、401(图4A)、401′(图4B)、501(图5)中的任一者或其组合的存储器单元。
虽然易于对本发明的实施方案做出各种修改及替代形式，但已在图示中以举例方式展示并已在本文中详细地描述了特定实施例。然而，本发明并不意欲限于所揭示的特定形式。而是，本发明囊括归属于由所附权利要求书及其合法等效内容所界定的本发明范围内的所有修改、组合、等效形式、变化形式及替代形式。
Claims (20)
1.一种存储器单元，其包括：
磁性单元核心，其包括：
磁性区，其包括由前驱物磁性材料形成的耗尽磁性材料，所述前驱物磁性材料包括至少一种扩散物质及至少一种其它物质，所述耗尽磁性材料包括所述至少一种其它物质；
另一磁性区；
氧化物区，其介于所述磁性区与所述另一磁性区之间；及
非晶区，其接近于所述磁性区，所述非晶区由前驱物陷获材料形成，所述前驱物陷获材料包括至少一种吸子物质，所述至少一种吸子物质具有至少一个陷获位点且对所述至少一种扩散物质的化学亲和力高于所述至少一种其它物质对所述至少一种扩散物质的化学亲和力，所述非晶区包括键结到来自所述前驱物磁性材料的所述至少一种扩散物质的所述至少一种吸子物质。
2.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述磁性区具有大致上匹配所述氧化物区的晶体结构的晶体结构。
3.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述磁性区及所述另一磁性区展现垂直磁性定向。
4.根据权利要求1所述的存储器单元，其中：
所述至少一种扩散物质包括硼；且
所述至少一种其它物质包括钴及铁。
5.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述至少一种吸子物质包括钴、铁及钨，所述非晶区包括大于约三十五原子百分比(35at.％)的钨。
6.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述存储器单元展现大于约1.00(100％)的隧道磁阻。
7.根据权利要求1所述的存储器单元，其进一步包括通过所述非晶区与所述磁性区间隔开的次级氧化物区。
8.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述前驱物磁性材料是非晶的。
9.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述至少一种吸子物质包括吸子物质及另一吸子物质。
10.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述前驱物陷获材料包括与所述另一吸子物质的子区交替的所述吸子物质的子区。
11.一种形成磁性存储器单元的方法，其包括：
形成前驱物结构，包括：
在衬底上方形成包括陷获位点的前驱物陷获材料；
邻近于所述前驱物陷获材料形成包括扩散物质的前驱物磁性材料；及
将所述扩散物质从所述前驱物磁性材料转移到所述前驱物陷获材料以将所述前驱物磁性材料的至少一部分转换成耗尽磁性材料且将所述前驱物陷获材料的至少一部分转换成浓化陷获材料；及
在所述转移之后，由所述前驱物结构形成磁性单元核心结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
在衬底上方形成包括陷获位点的前驱物陷获材料包括：形成包括与至少一种其它吸子物质的子区交替的吸子物质的子区的材料结构，所述材料结构包括所述吸子物质及所述至少一种其它吸子物质中的一者或多者的所述陷获位点，所述陷获位点至少沿着介于所述吸子物质的所述子区与所述至少一种其它吸子物质的所述子区之间的界面而安置；且
将所述扩散物质从所述前驱物磁性材料转移到所述前驱物陷获材料包括：使所述扩散物质与所述吸子物质及所述至少一种其它吸子物质中的至少一者的所述陷获位点发生反应。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：轰击所述材料结构以使所述材料结构的附接键破裂且形成额外陷获位点。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
在衬底上方形成包括陷获位点的前驱物陷获材料包括：
在所述衬底上方形成吸子物质；及
轰击所述吸子物质以使所述吸子物质的附接键破裂且形成所述陷获位点；且
将所述扩散物质从所述前驱物磁性材料转移到所述前驱物陷获材料包括：将所述扩散物质扩散到所述前驱物陷获材料中且使所述扩散物质与所述陷获位点发生反应。
15.根据权利要求11所述的方法，其中：
在衬底上方形成前驱物陷获材料包括：在所述衬底上的导电材料上方形成所述前驱物陷获材料；及
邻近于所述前驱物陷获材料形成前驱物磁性材料包括：在所述前驱物陷获材料上方形成所述前驱物磁性材料。
16.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：在所述转移之前，在所述前驱物磁性材料上方形成氧化物材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：在形成所述氧化物材料之后，在所述氧化物材料上方形成另一磁性材料。
18.根据权利要求11所述的方法，其中转移所述扩散物质包括：使所述前驱物磁性材料及所述前驱物陷获材料在大于500℃的温度下退火。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使所述前驱物磁性材料及所述前驱物陷获材料退火包括：将所述前驱物陷获材料的微结构从结晶微结构转换成非晶微结构。
20.根据权利要求11所述的方法，其中在衬底上方形成包括陷获位点的前驱物陷获材料包括：形成多种吸子物质的交替子区，所述多种吸子物质包括所述陷获位点。
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