CN107004764B - 磁单元结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种磁单元结构，其包括包含钽、铂及钌的晶种材料。所述晶种材料包括上覆钽部分的铂部分及上覆所述铂部分的钌部分。所述磁单元结构包括上覆所述晶种材料的磁区、上覆所述磁区的绝缘材料及上覆所述绝缘材料的另一磁区。本发明还揭示包含所述磁单元结构的半导体装置、形成所述磁单元结构及所述半导体装置的方法。

Description

磁单元结构及其制造方法
优先权主张
本申请案主张2014年12月2日申请的标题为“磁单元结构及其制造方法(MAGNETICCELL STRUCTURES,AND METHODS OF FABRICATION)”的第14/558,367号美国专利申请案的申请日期的权利。
技术领域
本文中揭示的实施例涉及包含磁区的磁单元结构。更特定地说，本文中揭示的实施例涉及包含展现改善磁性质的晶种材料及磁结构的半导体结构及磁单元结构、相关联磁单元结构且涉及形成此类半导体结构及磁单元结构的方法。
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单元是自旋力矩转移MRAM(STT-MRAM)单元，其包含由衬底支撑的磁单元核心。磁单元核心包含至少两个磁区，例如，“固定区”及“自由区”，在所述两个磁区之间具有非磁区。自由区及固定区可展现相对于所述区的宽度水平定向(“平面内”)或垂直定向(“平面外”)的磁定向。固定区包含具有基本上固定磁定向(例如，正常操作期间的不可切换磁定向)的磁材料。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”配置之间切换的磁定向的磁材料。在平行配置中，固定区及自由区的磁定向指向相同方向(例如，分别指向北方及北方、东方及东方、南方及南方或西方及西方)。在反平行配置中，固定区及自由区的磁定向指向相反方向(例如，分别指向北方及南方、东方及西方、南方及北方或西方及东方)。在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件(例如，固定区及自由区)的较低电阻。此低电阻状态可定义为STT-MRAM单元的“0”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件的较高电阻。此高电阻状态可定义为STT-MRAM单元的“1”逻辑状态。
可通过使编程电流通过磁单元核心及其中的固定区及自由区而完成自由区的磁定向的切换。固定区使编程电流的电子自旋极化，且随着自旋极化电流通过核心而产生力矩。自旋极化电子电流将力矩施加于自由区上。当通过核心的自旋极化电子电流的力矩大于自由区的临界切换电流密度(Jc)时，切换自由区的磁定向的方向。因此，编程电流可用于更改跨磁区的电阻。跨磁阻元件的所得高电阻或低电阻状态实现STT-MRAM单元的读取及写入操作。在切换自由区的磁定向以实现与所需逻辑状态相关联的平行配置或反平行配置之后，通常期望在“存储”阶段期间维持自由区的磁定向直到STT-MRAM单元被重写入到不同配置(即，到不同逻辑状态)。
然而，从固定区发射的磁偶极场的存在可损害在STT-MRAM单元的操作期间对称地切换自由区的磁定向的能力。已致力于消除归因于来自杂散磁偶极场的干扰的切换的负面效应。举例来说，包含合成反铁磁体(包含通过耦合材料分开的上磁区及下磁区)的磁材料可减小杂散磁偶极场的负面效应。上磁区及下磁区中的每一者可包含通过传导材料彼此分开的磁材料。耦合材料经配制及定位以提供相邻磁材料的反平行耦合。目标是归因于相应磁定向的相反方向而通过由下区发射的磁偶极抵消由上区发射的磁偶极场。然而，上区与下区之间的磁耦合可展现铁磁耦合与反铁磁耦合之间的振荡行为。此外，在常规合成反铁磁体中，上磁区的生长可受限于耦合材料的类型及厚度，而可通过可包含钽及钌的下伏常规晶种材料确定下磁区的磁特性(例如，PMA、磁滞等等)。举例来说，定位成比其它磁区距晶种材料更远的磁区(例如，远离晶种材料的磁区)可展现不同于其它磁区及晶种材料的结晶结构，这可导致包含磁区的磁单元结构展现结构缺陷及减小的PMA。
将耦合材料耦合到上磁材料及下磁材料的努力包含退火耦合材料及上磁材料及下磁材料。然而，虽然退火可改善磁材料的晶体结构且改善磁材料与耦合材料之间的粘合性，但退火可减小磁材料的磁性质(例如，磁异向性(“MA”)及垂直磁异向性(“PMA”))。退火也可影响磁材料与耦合材料之间的耦合强度，这可影响反铁磁性及/或经耦合磁结构的反铁磁性。举例来说，退火可更改磁材料的晶体定向且可产生可干扰存储器单元的读取及写入操作的平面内或平面外磁矩。因此，退火可减小磁材料的PMA且可产生干扰并入磁材料的磁单元结构的操作的平面外磁偶极矩。
附图说明
图1A是形成于晶种材料上方的磁材料的简化横截面视图；
图1B是包含磁材料与传导材料的交替部分的磁材料的简化横截面视图；
图2是根据本发明的实施例的包含晶种材料的磁单元结构的简化横截面视图；
图3是根据本发明的另一实施例的包含晶种材料的磁单元结构的简化横截面视图；
图4A到图4D是说明用于形成图2的磁单元结构的方法的实施例的不同工艺阶段的简化横截面视图；
图5是根据本发明的实施例的包含具有磁单元结构的存储器单元的STT-MRAM系统的示意图；
图6是比较包含含铂晶种材料的磁结构相较于包含常规晶种材料的磁结构的异向性场(即，Hk)的平面内循环图；
图7是在300℃退火图2的磁单元结构及包含常规晶种材料的磁单元结构中的每一者之后比较所述结构的磁性质的平面外循环图；
图8A是在300℃退火图2的磁单元结构及包含常规晶种材料的磁单元结构中的每一者接着在360℃退火所述结构中的每一者之后比较所述结构的磁性质的平面外循环图；
图8B是在300℃退火图2的磁单元结构及包含常规晶种材料的磁单元结构中的每一者接着在360℃退火所述结构中的每一者之后比较所述结构的磁性质的平面内循环图；
图9A是比较生长在结晶衬底上方的磁单元结构的磁性质与生长在非晶衬底上方的磁单元结构的磁性质的平面外循环图；及
图9B是当生长在结晶衬底上方的磁单元结构及生长在非晶衬底上方的磁单元结构中的每一者包含衬底与晶种材料之间的非晶材料时比较所述磁单元结构的磁性质的平面外循环图。
具体实施方式
包含于本文中的图示不旨在是任何特定系统或半导体结构的实际视图，而仅是经采用以描述在本文中描述的实施例的理想化表示。图之间共同的元件及特征可保持相同数字指示。
以下描述提供例如材料类型、材料厚度及处理条件的特定细节，以便提供在本文中描述的实施例的全面描述。然而，所属领域的一般技术人员将理解，可在不采用这些特定细节的情况下实践本文中揭示的实施例。实际上，可结合在半导体行业中采用的常规制造技术实践实施例。另外，本文中提供的描述并不形成用于制造半导体结构、磁单元结构或存储器单元的完整工艺流程，且下文描述的半导体结构、磁单元结构及存储器单元并不形成完整半导体结构、磁单元结构或存储器单元。在下文仅详细描述理解本文中描述的实施例所需的所述工艺动作及结构。可通过常规技术执行形成完整半导体结构及包含半导体结构的存储器单元的额外动作。
根据一些实施例，磁存储器单元结构可包含晶种材料上方的一或多个磁区。晶种材料可影响上覆晶种材料的磁区的晶体结构及磁定向。晶种材料可经配制及配置以展现类似于上覆晶种材料的磁区的结晶结构。晶种材料可包含三种材料(例如钽、铂及钌)且可在本文中被称为“含铂晶种材料”。本发明的钽、铂及钌可形成晶种材料的相异部分。包含本发明的晶种材料的磁单元结构可展现相较于包含常规晶种材料的磁单元结构的改善磁异向性(例如，改善PMA)。包含含铂晶种材料的磁单元结构也可在高于约300℃的温度下退火之后展现改善粘合性而不展现磁性质的降级(例如，减小PMA或平面内磁矩的增大)。磁单元结构及包含具有含铂晶种材料的磁存储器单元结构的存储器单元可因此展现相较于具有仅包含两种材料(例如，钽及钌)的常规晶种材料的磁单元结构的改善磁性质及切换特性。
图1A说明磁结构105，其包含上覆可形成磁存储器单元结构的部分的晶种材料110的人造超晶格(“ASL”)结构120。晶种材料110可包含钽部分112、铂部分114及钌部分116。人造超晶格结构120可直接上覆及接触晶种材料110。钌部分116的晶体结构及定向可基本上类似于人造超晶格结构120的晶体结构。
晶种材料110可包含一个以上部分，例如钽部分112、铂部分114及钌部分116。钽部分112可上覆磁存储器单元的衬底(未展示)或另一部分。铂部分114可直接上覆及接触钽部分112且钌部分116可直接上覆及接触铂部分114。铂部分114可安置于钽部分112与钌部分116之间且可直接接触钽部分112及钌部分116中的每一者。钽部分112、铂部分114及钌部分116中的每一者可为相异材料且可与相邻部分形成界面。钽部分112可包含介于约九十原子百分比与约一百原子百分比之间的钽，铂部分114可包含介于约九十原子百分比与约一百原子百分比之间的铂，且钌部分116可包含介于约九十原子百分比与约一百原子百分比之间的钌。
钽部分112可具有介于约
Figure GDA0001405150430000041
与约
Figure GDA0001405150430000042
之间(例如介于约
Figure GDA0001405150430000043
与约
Figure GDA0001405150430000044
之间、介于约
Figure GDA0001405150430000045
与约
Figure GDA0001405150430000046
之间或介于约
Figure GDA0001405150430000047
与约
Figure GDA0001405150430000048
之间)的厚度。在一些实施例中，钽部分112具有约
Figure GDA0001405150430000049
的厚度。铂部分114可具有介于约
Figure GDA00014051504300000410
与约
Figure GDA00014051504300000411
之间(例如介于约
Figure GDA00014051504300000412
与约
Figure GDA00014051504300000413
之间、介于约
Figure GDA00014051504300000414
与约
Figure GDA00014051504300000415
之间、介于约
Figure GDA00014051504300000416
与约
Figure GDA00014051504300000417
之间、介于约
Figure GDA00014051504300000418
与约
Figure GDA00014051504300000419
之间、介于约
Figure GDA00014051504300000420
与约
Figure GDA00014051504300000421
之间或介于约
Figure GDA00014051504300000422
与约
Figure GDA00014051504300000423
Figure GDA00014051504300000424
之间)的厚度。在一些实施例中，铂部分114具有约
Figure GDA00014051504300000425
的厚度。钌部分116可具有介于约
Figure GDA00014051504300000426
与约
Figure GDA00014051504300000427
之间(例如介于约
Figure GDA00014051504300000428
与约
Figure GDA00014051504300000429
之间、介于约
Figure GDA00014051504300000430
与约
Figure GDA00014051504300000431
之间或介于约
Figure GDA00014051504300000432
与约
Figure GDA00014051504300000433
之间)的厚度。在一些实施例中，钌部分116具有约
Figure GDA00014051504300000434
的厚度。在一些实施例中，钽部分112的厚度可为约
Figure GDA00014051504300000435
铂部分114的厚度可为约
Figure GDA00014051504300000436
且钌部分的厚度可为约
Figure GDA00014051504300000437
晶种材料110可由溅镀沉积形成，例如通过磁控溅镀(例如，高功率脉冲磁控溅镀(HIPIMS)、DC磁控溅镀等等)、离子束溅镀或其它物理气相沉积(PVD)方法。晶种材料110也可由原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或其它膜沉积工艺中的至少一者形成。晶种材料110可通过在基底材料(未展示)上方形成钽部分112而形成。铂部分114可形成于钽部分112上方且与钽部分112直接接触。钌部分116可形成于铂部分114上方且与铂部分114直接接触。可在室温下形成晶种材料110的钽部分112、铂部分114及钌部分116中的每一者。
参考图1B，人造超晶格结构120可包含磁材料117与传导材料119的交替部分。传导材料119可在相邻磁材料117之间。传导材料119可使磁材料117能够展现垂直异向性(即，垂直磁定向)。磁材料117可包含钴及铁中的至少一者。传导材料119可包含铂、钯、铱及镍中的至少一者。在一些实施例中，磁材料117包含钴且传导材料119包含铂、钯、镍及铱中的至少一者。虽然图1B描绘在人造超晶格结构120中磁材料117的六个区及传导材料119的六个区，但人造超晶格结构120不限于此且可包含磁材料117与传导材料119的任何数目个(例如，一个、两个、三个、四个或五个)交替区。
磁材料117可具有约一个单层的厚度。通过实例且非限制性，磁材料117可具有介于约
Figure GDA0001405150430000051
与约
Figure GDA0001405150430000052
之间(例如介于约
Figure GDA0001405150430000053
与约
Figure GDA0001405150430000054
之间、介于约
Figure GDA0001405150430000055
与约
Figure GDA0001405150430000056
之间、介于约
Figure GDA0001405150430000057
与约
Figure GDA0001405150430000058
之间或介于约
Figure GDA0001405150430000059
与约
Figure GDA00014051504300000510
之间)的厚度。在一些实施例中，磁材料117具有约
Figure GDA00014051504300000511
的厚度。传导材料119可具有约一个单层的厚度。通过实例且非限制性，传导材料119可具有介于约
Figure GDA00014051504300000512
与约
Figure GDA00014051504300000513
之间(例如介于约
Figure GDA00014051504300000514
与约
Figure GDA00014051504300000515
之间或介于约
Figure GDA00014051504300000516
与约
Figure GDA00014051504300000517
之间)的厚度。在一些实施例中，传导材料119具有约
Figure GDA00014051504300000518
的厚度。
在一些实施例中，人造超晶格结构120的传导材料119的区可直接上覆及接触晶种材料110。举例来说，传导材料119的区可直接上覆及接触晶种材料110的钌部分116。在其它实施例中，磁材料117的区可直接上覆及接触晶种材料110。
可通过将晶种材料110暴露到退火条件(例如，通过移除晶种材料110的晶粒结构中的缺陷)来改善晶种材料110的晶体结构。退火图1A的磁结构105也可增大人造超晶格结构120的磁材料117与传导材料119之间的耦合强度(例如，粘合性)。可通过将晶种材料110及人造超晶格结构120暴露到介于约300℃与约500℃之间的温度达约1分钟(1min.)到约一小时(1hr.)之间而不损坏人造超晶格结构120或相邻于晶种材料110的任何其它材料来退火晶种材料110及人造超晶格结构120。在一些实施例中，可在大于约300℃的温度下退火晶种材料110及人造超晶格结构120达约一小时。在其它实施例中，在约400℃的温度下退火晶种材料110及人造超晶格结构120达约十五分钟与约三十分钟之间。在又其它实施例中，在300℃退火晶种材料110及人造超晶格结构120达约一小时或在约360℃的温度下退火达约一小时。可在真空中执行退火。晶种材料110及人造超晶格结构120可展现相较于包含常规晶种材料(例如仅包含钽及钌的晶种材料)的存储器单元的改善PMA及MA。举例来说，包含晶种材料110及人造超晶格结构120的图1A的结构与形成于常规晶种材料上方的磁材料相比可较不易于更改其磁定向。
因此，本发明揭示一种磁单元结构。磁单元结构包括上覆衬底的钽部分、上覆钽部分的铂部分及上覆铂部分的钌部分及晶种材料上方的磁区。
因此，本发明揭示一种形成磁单元结构的方法。所述方法包括：在衬底上方形成包括钽、铂及钌的晶种材料，形成晶种材料包括在衬底上方形成钽，在钽上方形成铂，在铂上方形成钌；且进一步包括在晶种材料上方形成磁材料。
参考图2，说明根据一些实施例的包含晶种材料110的磁单元结构100。磁单元结构100包含在衬底102上方的磁单元核心101。磁单元核心101可安置于上电极136与下电极104之间。磁单元核心101可包含磁区及另一磁区，例如，分别是“固定区”130及“自由区”132。绝缘区128可安置于固定区130与自由区132之间。
衬底102可包含其上形成有例如存储器单元内的组件的组件的基底材料或其它构造。衬底102可为半导体衬底、支撑衬底上的基底半导体材料、金属电极或其上形成有一或多种材料、结构或区的半导体衬底。衬底102可为常规硅衬底或包含半导体材料的其它块体衬底。如在本文中使用，术语“块体衬底”不仅意谓且包含硅晶片，而且意谓且包含绝缘体上硅(“SOI”)衬底(例如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)衬底)、在基底半导体基座上的硅外延层或其它半导体或光电材料，例如硅锗(Si1-xGex，其中x是(例如)介于0.2与0.8之间的摩尔分率)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)或磷化铟(InP)等等。此外，当在以下描述中参考“衬底”时，可已利用先前工艺阶段形成基底半导体结构或基座中的材料、区或结。
下电极104可上覆衬底102。下电极104可包含金属(例如铜、钨、铂、钯、钛、钽、镍、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN))、多晶硅、金属硅化物、金属合金或其组合。
任选地，一或多个下中间区106可安置于磁区(例如，固定区130及自由区132)下方。下中间区106(如果包含)可经配置以抑制下电极104与上覆下电极104的材料之间的物种扩散。下中间区106可包含传导材料，例如铜、钽、钛、钨、钌、氮化钽及氮化钛中的一或多者。
任选地，非晶材料108可上覆下中间区106(如果存在)且安置于下中间区106与晶种材料110之间。在一些实施例中，非晶材料108可直接上覆下电极104。在其它实施例中，例如在图2中说明，非晶材料108可直接上覆下中间区106。非晶材料108可减少晶种材料110及磁单元结构100的晶体结构中的缺陷数目。非晶材料108可提供平滑模板，其上形成上覆材料，例如晶种材料110(例如，晶种材料110的钽部分112(图1A))。非晶材料108可增大磁单元结构100的PMA及磁耦合。
在一些实施例中，非晶材料108经配制及配置以实现晶种材料110的形成以展现所需晶体结构。非晶材料108可致使磁单元结构100的每一组件展现贯穿整个磁单元结构100的类似磁定向。因此，磁单元结构100的固定区130可展现类似于非晶材料110的晶体定向。
非晶材料108可包含基本上非晶的材料。非晶材料108可包含非晶钽、非晶氧化钽、包含镍、铬、其的氧化物的非晶材料、包含氧化镍及氧化铬的非晶材料及其组合。可使非晶材料108的上部氧化。举例来说，非晶材料108可包含钽，其中上部包含氧化钽，或非晶材料108可包含镍及铬，其中其上部包含氧化镍及氧化铬。在一些实施例中，非晶材料108可包含约四十原子百分比的镍及约六十原子百分比的铬(例如，Ni60Cr40)。
非晶材料108可具有介于约
Figure GDA0001405150430000071
与约
Figure GDA0001405150430000072
之间(例如介于约
Figure GDA0001405150430000073
与约
Figure GDA0001405150430000074
之间或介于约
Figure GDA0001405150430000075
与约
Figure GDA0001405150430000076
之间)的厚度。在一些实施例中，非晶材料108具有约
Figure GDA0001405150430000077
的厚度。
晶种材料110可安置于下电极104上方。在一些实施例中，晶种材料110可与下电极104直接接触。在其它实施例中，下中间区106可介入下电极104与晶种材料110之间，或晶种材料110可与非晶材料108(如果存在)直接接触。
晶种材料110可与上文参考图1A描述的材料相同。举例来说，晶种材料110可包含钽部分112、铂部分114及钌部分116。铂部分114可直接安置于钽部分112与钌部分116之间。钌部分116可与上覆人造超晶格结构120直接接触。
固定区130可直接形成于晶种材料110上方。固定区130可包含人造超晶格结构120、上覆人造超晶格结构120的耦合材料122及上覆耦合材料122的另一人造超晶格结构124。人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124可与上文参考图1B描述的结构相同。因此，人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124可包含磁材料117与传导材料119的交替区。人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124可包含相同材料且可基本上相同。在一些实施例中，人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124中的每一者可包含钴磁材料与铂传导材料的交替部分。
人造超晶格结构120可直接上覆晶种材料110。在一些实施例中，人造超晶格结构120的传导材料119可与晶种材料110的钌部分116直接接触。在其它实施例中，人造超晶格结构120的磁材料117可与晶种材料110直接接触。
耦合材料122可直接上覆人造超晶格结构120。耦合材料122可包含钌、铑及其组合。耦合材料122可具有介于约
Figure GDA0001405150430000081
与约
Figure GDA0001405150430000082
之间的厚度。在一些实施例中，耦合材料122具有介于约
Figure GDA0001405150430000083
与约
Figure GDA0001405150430000084
之间的厚度。
另一人造超晶格结构124可直接上覆耦合材料122。如上文描述，另一人造超晶格结构124可包含相同材料且可与人造超晶格结构120基本上相同。
在其它实施例中，固定区130包含含有钴及铁(例如，CoxFey，其中x＝10到80且y＝10到80)且在一些实施例中也含有硼(例如，CoxFeyBz，其中x＝10到80，y＝10到80且z＝0到50)的一铁磁材料。因此，固定区130可包含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，固定区130可替代性地或另外包含镍(例如，NiB材料)。
如在图2中展示，固定区130的人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124可包含固定磁定向，其由箭头121指示。固定磁定向可为北方、南方、东方、西方等等。人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124的固定磁定向可相同。
覆盖材料126可上覆另一人造超晶格结构124。覆盖材料126可包含CoFeB材料。如在本文中使用，术语“CoFeB材料”意谓且包含包括钴(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材料可取决于其配置(例如，其厚度)展现或不展现磁性。覆盖材料126可直接上覆及接触另一人造超晶格结构124。覆盖材料126可接触人造超晶格结构124的磁材料117或传导材料119。覆盖材料126可具有介于约
Figure GDA0001405150430000085
与约
Figure GDA0001405150430000086
之间(例如介于约
Figure GDA0001405150430000087
与约
Figure GDA0001405150430000088
之间或介于约
Figure GDA0001405150430000089
与约
Figure GDA00014051504300000810
之间)的厚度。在一些实施例中，覆盖材料126具有约
Figure GDA00014051504300000811
的厚度。
绝缘区128可上覆覆盖材料126。在一些实施例中，绝缘区128直接上覆及接触覆盖材料126。绝缘区128可包含含有氧化物材料及氮化物材料(例如氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氮化钛(TiN)、氮化铝(AlN)或常规磁穿隧结(MTJ)区中的其它氧化物或氮化物材料)的非磁(例如，磁绝缘)材料。绝缘区128可经配置以感应自由区132中的磁异向性且用作受到固定区130、绝缘区128及自由区132的相互作用影响的MTJ的穿隧区。在其它实施例中，绝缘区128可包含导电、非磁材料，例如在自旋阀结构中使用的材料。
磁单元核心101可进一步包含安置于绝缘区128上方的自由区132。自由区132可为均匀的或可包含一个以上子区。自由区132可包含在存储器单元的使用及操作期间展现可切换磁定向(通过箭头133指示)的磁材料。可通过施加电流或施加场到磁单元结构100而使可切换磁定向在平行配置与反平行配置之间切换。
在一些实施例中，自由区132可为常规自由区(即，包含与人造超晶格结构120、另一人造超晶格结构124及耦合材料122不同的材料的磁区)。在其它实施例中，自由区132可包含与固定区130的人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124中的每一者相同的材料。自由区132可包含磁材料117与传导材料119的交替部分，类似于人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124。然而，自由区132不限于此且可包含展现可切换磁定向的其它合适磁材料。
任选地，一或多个上中间区134可安置于自由区132上方。上中间区134(如果包含)可经配置以在存储器单元的操作期间抑制上电极136与下伏材料之间的物种扩散。上中间区134可包含可形成传导覆盖区的传导材料(例如，例如铜、钽、钛、钨、钌、氮化钽或氮化钛的一或多种材料)。在其它实施例中，上中间区134也可包含绝缘材料，例如MgO、Al2O3、TiO2及其组合。
上电极136可上覆上中间区134。上电极136可包含铜、钨、铂、钯、钛、钽、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钨、多晶硅、金属硅化物、金属合金或其组合。在一些实施例中，上电极136包含与下电极104相同的材料。
图2的磁单元结构100经配置为“底部钉扎”存储器单元(即，其中固定区130安置于自由区132下方的存储器单元)。然而，在其它实施例中(例如图3的实施例)，固定区130’可上覆自由区132’。因此，参考图3，磁单元结构150可经配置为顶部钉扎存储器单元。磁单元结构150可包含安置于下电极104与顶电极134之间的磁单元核心101’。
磁单元结构150可包含上覆下电极104的下中间区106。非晶材料108可上覆下中间区106(如果存在)。晶种材料110可上覆非晶材料108(如果存在)。在其它实施例中，晶种材料110可直接上覆下中间区106(如果存在)或下电极104。晶种材料110可与上文参考图1A及图2描述的材料相同。举例来说，晶种材料110可包含钽部分112、铂部分114及钌部分116。铂部分114可直接安置于钽部分112与钌部分116之间。
自由区132’可直接上覆晶种材料110。举例来说，自由区132’可直接上覆及接触晶种材料110的钌部分116。自由区132’可包含与上文参考图2描述相同的材料。自由区132’可包含通过箭头133指示的可切换磁定向。
绝缘区128’可上覆自由区132’。绝缘区128’可包含与上文参考图2描述相同的材料。绝缘区128’可直接安置于自由区132’与固定区130’之间。
固定区130’可直接上覆绝缘区128’。固定区130’可包含通过箭头121指示的固定磁定向。固定区130’可包含人造超晶格结构120’、耦合材料122’、另一人造超晶格结构124’及覆盖材料126’。人造超晶格结构120’、耦合材料122’、另一人造超晶格结构124’及覆盖材料126’中的每一者可分别与人造超晶格结构120、耦合材料122、另一人造超晶格结构124及覆盖材料126相同，如上文参考图2所描述。然而，固定区130’可并不如在图2中的磁单元结构100中那样直接上覆晶种材料110。而是，固定区130’的人造超晶格结构120’可直接接触下伏绝缘区128’。
任选上中间区134可上覆覆盖材料126’。上电极136可上覆上中间区134(如果存在)。
本发明的实施例的存储器单元可经配置为“平面外”STT-MRAM单元。“平面外”STT-MRAM单元可包含展现主要定向在垂直方向上(例如，垂直于相应区的宽度及长度的方向或垂直于其STT-MRAM单元所处的衬底的主表面的方向)的磁定向的磁区。举例来说，如在图2及图3中说明，STT-MRAM单元可经配置以展现在磁区(例如，固定区130及自由区132)中的至少一者中的垂直磁定向。如在图2及图3中指示，固定区130及自由区132中的每一者可展现如通过箭头121及箭头133指示的垂直磁定向。贯穿STT-MRAM单元的使用及操作，固定区130的磁定向可保持指向本质上相同方向，例如，指向通过箭头121指示的方向。另一方面，在单元的使用及操作期间，自由区132的磁定向可在平行配置与反平行配置之间切换，如通过箭头133指示。
半导体装置可包含至少一个存储器单元(其包含安置于一对电极之间的本发明的存储器单元结构)。
因此，本发明揭示一种半导体装置。半导体装置包括上覆衬底上方的电极的至少一个磁单元结构，所述至少一个磁单元结构包括：上覆衬底上的电极的包含钽、铂及钌的晶种材料、上覆晶种材料的磁区、上覆磁区的绝缘材料、上覆绝缘材料的另一磁区及上覆另一磁区的另一电极。
参考图4A到图4D，展示形成图2的磁单元结构100的方法。方法可包含在衬底202上方形成磁单元结构200。下电极材料204可形成于衬底202上方。下电极材料204可包含上文参考下电极104描述的材料中的任一者。
任选地，中间区材料206可形成于下电极材料204上方。下中间区材料206可由上文参考下中间区106描述的材料中的任一者形成。在一些实施例中，下中间区材料206可与下电极材料204的传导材料合并。举例来说，下中间区材料206可为下电极材料204的最上子区。
非晶材料208可形成于下电极材料204或下中间区材料206(如果存在)上方。非晶材料208可包含与上文参考非晶材料108描述相同的材料。非晶材料208可暴露于氧化条件以氧化非晶材料208的上部。通过非限制性实例，非晶材料208可在介于约20℃与约50℃之间的温度下暴露到氧化气氛达约一分钟与约三十分钟之间。
参考图4B，晶种材料210可形成于非晶材料208(如果存在)、下中间区材料206(如果存在)或下电极材料204上方。可如上文参考图1A描述般形成晶种材料210。举例来说，钽材料212可形成于非晶材料208上方。铂材料214可形成于钽材料212上方且钌材料216可形成于铂材料214上方。铂材料214可直接形成于钽材料212与钌材料216之间。钽材料212、铂材料214及钌材料216中的每一者可由溅镀沉积形成，例如通过磁控溅镀(例如，高功率脉冲磁控溅镀(HIPIMS)、dc磁控溅镀等等)、离子束溅镀或其它PVD方法形成。晶种材料110也可由ALD、CVD、PECVD、LPCVD或其它膜沉积工艺中的至少一者形成。钽材料212、铂材料214及钌材料216中的每一者可形成为如上文参考晶种材料110描述的厚度。
参考图4C，固定区材料230可形成于晶种材料210上方。固定区材料230可包含晶种材料210上方的人造超晶格结构材料220、人造超晶格材料220上方的耦合材料222、耦合材料222上方的另一人造超晶格材料224及另一人造超晶格材料224上方的覆盖材料226。固定区材料230可包含通过箭头221指示的固定磁定向。
人造超晶格结构材料220可直接形成于晶种材料210的钌材料216上方。人造超晶格结构材料220可由磁材料117与传导材料119的交替部分形成，如上文参考图1B的人造超晶格结构120所描述。
耦合材料222可形成于人造超晶格结构材料220上方。耦合材料222可形成于人造超晶格结构材料220与另一人造超晶格结构材料224之间。耦合材料222可由与上文参考耦合材料122描述相同的材料形成。耦合材料222可由ALD、CVD、PVD、PECVD、LPCVD或其它膜沉积工艺中的至少一者形成。
另一人造超晶格材料224可直接形成于耦合材料222上方。另一人造超晶格材料224可以相同方式形成且由与人造超晶格材料220相同的材料形成。
覆盖材料226可直接形成于另一人造超晶格材料224上方。覆盖材料226可由例如CoFeB的磁材料形成。覆盖材料226可形成为介于约
Figure GDA0001405150430000111
与约
Figure GDA0001405150430000112
之间，例如介于约
Figure GDA0001405150430000113
Figure GDA0001405150430000114
与约
Figure GDA0001405150430000115
之间或介于约
Figure GDA0001405150430000116
与约
Figure GDA0001405150430000117
之间的厚度。在一些实施例中，覆盖材料226形成为约
Figure GDA0001405150430000118
的厚度。
参考图4D，绝缘材料228可形成于覆盖材料226上方。绝缘材料228可形成于固定区材料230的覆盖材料226与自由区材料232之间。绝缘材料228可由与上文参考绝缘区128描述的相同材料形成。绝缘材料228可由ALD、CVD、PECVD、LPCVD、PVD或其它膜沉积工艺中的至少一者形成。
自由区材料232可直接形成于绝缘材料228上方。自由区材料232可由与固定区材料230的人造超晶格材料220及另一人造超晶格材料224相同的材料且由类似于固定区材料230的人造超晶格材料220及另一人造超晶格材料224的方法形成。自由区材料232可包含展现可切换磁定向(通过箭头233指示)的磁材料。
上中间区材料234可任选地形成于自由区材料232上方且可包含与下中间区材料206相同的材料。因此，磁单元核心201可包含下中间区材料206、非晶材料208、晶种材料210、固定区材料230、绝缘材料228、自由区材料232及上中间区材料234。
上电极材料236可形成于上中间区材料234(如果存在)上方或自由区材料232上方。上电极材料236可包含如上文参考上电极136描述的相同材料。
磁单元结构200可经处理以形成如在图2中展示的磁单元结构100(图2)。可通过常规光刻、材料移除、蚀刻或未在本文中详细描述的其它工艺来处理磁单元结构200。
晶种材料210及磁单元结构100或磁单元结构200可暴露于退火条件以使磁单元结构100的不同部分结晶。举例来说，磁单元结构100可暴露于介于约300℃与约500℃之间的温度(例如，约400℃)且可在退火温度下保持约一分钟(约1min.)到约一小时(约1hr)。在一些实施例中，在约300℃退火磁单元结构100达约一小时。可基于磁单元结构100的材料调整退火温度及时间。在一些实施例中，按阶段退火磁单元结构100。举例来说，可在300℃退火磁单元结构100达约一小时且接着在约360℃退火达约一小时。在其它实施例中，在约400℃退火磁单元结构100达约十五分钟与约三十分钟之间。
虽然参考图4A到图4D描述的磁单元结构200描述形成图2的磁单元结构100，但图3的磁单元结构150可由类似方法形成。然而，自由区132将形成于晶种材料110上方，绝缘材料228将形成于自由区132上方，且固定区130将形成于绝缘材料228上方，从而获得图3的磁单元结构150。
退火磁单元结构100可增大人造超晶格结构120及另一人造超晶格结构124到耦合材料122的PMA及耦合强度。磁单元结构100可经退火以反铁磁地耦合人造超晶格结构120与另一人造超晶格结构124。具有介于约
Figure GDA0001405150430000121
与约
Figure GDA0001405150430000122
之间的厚度的耦合材料可展现人造超晶格结构120与另一人造超晶格结构124之间的改善反铁磁耦合且可不展现材料的铁磁耦合。
晶种材料110的铂部分114可增大磁单元结构100的热稳定性。举例来说，在一些实施例中，可在高达或超过约400℃的温度下退火磁单元结构100而不使磁性质降级(例如，平面内磁偶极距的形成)。
参考图5，说明STT-MRAM系统500，其包含与STT-MRAM单元514可操作通信的外围装置512，外围装置512的分组可经制造以形成呈包含数个行及列的网格图案或呈各种其它布置(取决于系统要求及制造技术)的存储器单元阵列。STT-MRAM单元514可包含磁单元核心502、存取晶体管503、可用作数据/感测线504(例如，位线)的传导材料、可用作存取线505(例如，字线)的传导材料及可用作源极线506的传导材料。STT-MRAM系统的外围装置512可包含读取/写入电路507、位线参考508及感测放大器509。磁单元核心502可为上文描述的磁单元核心101、101’中的任一者。
存储器单元阵列包含以阵列布置在衬底上方的多个磁单元结构100、150。磁单元结构100、150各自可包含磁单元核心101、101’，可已根据上文描述的方法形成所述磁单元核心101、101’。存储器单元阵列可包含布置成网格图案的多个存储器单元结构。存储器单元阵列的每一存储器单元可安置于下电极104与上电极136之间，例如在存储器单元的交叉点阵列中。
因此，本发明揭示一种半导体装置。所述半导体装置包括自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的阵列，每一STT-MRAM单元包括：上覆衬底上的第一电极的晶种材料，晶种材料包括钽、铂及钌；上覆晶种材料的磁区；上覆磁区的绝缘材料；及上覆绝缘材料的另一磁区；及上覆STT-MRAM单元中的每一者的第二电极。
因此，本发明揭示一种形成半导体装置的方法。所述方法包括：在衬底上的电极上方形成磁单元结构阵列，形成所述磁单元结构阵列包括在衬底上的电极上方形成包括钽、铂及钌的晶种材料，在晶种材料上方形成磁材料，在磁材料上方形成绝缘材料，且在绝缘材料上方形成另一磁材料；且进一步包括在阵列的磁单元结构中的每一者的另一磁区上方形成另一电极。
在使用及操作中，当STT-MRAM单元514被选择为待编程时，将编程电流施加到STT-MRAM单元514，且电流通过磁单元核心502的固定区自旋极化且在单元核心502的自由区上施加力矩，这切换自由区的磁化以“写入”或“编程”STT-MRAM单元514。在STT-MRAM单元514的读取操作中，使用电流以检测磁单元核心502的电阻状态。
为起始STT-MRAM单元514的编程，读取/写入电路507可产生写入电流(即，编程电流)到数据/感测线504及源极线506。数据/感测线504与源极线506之间的电压的极性确定磁单元核心502中的自由区的磁定向的切换。通过使用自旋极性改变自由区的磁定向，自由区根据编程电流的自旋极性而磁化且将经编程的逻辑状态写入到STT-MRAM单元514。
为读取STT-MRAM单元514，读取/写入电路507产生读取电压通过单元核心502及存取晶体管503到数据/感测线504及源极线506。STT-MRAM单元514的编程状态与可通过数据/感测线504与源极线506之间的电压差确定的跨单元核心502的电阻有关。在一些实施例中，电压差可与位线参考508比较且通过感测放大器509放大。
图5说明包含至少一个存储器单元的STT-MRAM系统500的一个实例。然而，可预期，磁单元核心101、101’可并入且用于经配置以并入具有磁区的磁单元核心的任何STT-MRAM系统内。还预期，可在除STT-MRAM单元以外的其它磁存储器单元中使用磁单元核心101、101’。
实例
实例1
图6是包含含铂晶种材料的磁结构相较于包含常规晶种材料(例如，仅包含钽及钌)的磁结构的异向性场(即，Hk)的图示。包含钴与铂的交替区的磁结构形成于含铂晶种材料及常规晶种材料中的每一者上方。含铂晶种材料包含衬底上方的约
Figure GDA0001405150430000141
的钽、钽上方的约
Figure GDA0001405150430000142
的铂及铂上方的约
Figure GDA0001405150430000143
的钌。常规晶种材料包含衬底上方的约
Figure GDA0001405150430000144
的钽及钽正上方的约
Figure GDA0001405150430000145
的钌。包含含铂晶种材料的磁结构的异向性场比包含常规晶种材料的磁结构的异向性大约百分之二十五(25％)。举例来说，相较于具有常规晶种材料的磁结构的约12,000Oe，平面内循环评估针对包含含铂晶种材料的磁结构指示约15,000Oe的Hk值(MA强度的指示)。平面内循环评估针对包含含铂晶种材料的磁结构指示改善PMA。与形成于常规晶种材料上方的磁结构相比，包含含铂晶种材料的磁结构也较不易于更改其磁定向。
实例2
图7是比较包含常规晶种材料的磁单元结构的磁性质与包含含铂晶种材料的磁单元结构的磁性质的平面外循环。在含铂晶种材料上方及常规晶种材料上方形成类似于图2的磁单元结构100的磁单元结构。含铂晶种材料包含衬底上方的约
Figure GDA0001405150430000146
的钽、钽上方的约
Figure GDA0001405150430000147
的铂及铂上方的约
Figure GDA0001405150430000148
的钌。常规晶种材料包含衬底上方的钽及钽上方的钌。使磁单元结构中的每一者暴露到约300℃的退火条件达约1小时。包含含铂晶种材料的磁单元结构展现相较于包含常规晶种材料的磁单元结构的改善交换耦合。具有含铂晶种材料的磁单元结构展现针对固定区的上人造超晶格结构(例如，另一人造超晶格结构124)约8,255Oe的交换耦合场，而具有常规晶种材料的磁单元结构展现固定区的上人造超晶格结构与下人造超晶格结构之间(例如，人造超晶格结构120与另一人造超晶格结构124之间)约7,750Oe的交换耦合强度。因此，相较于其它磁单元结构，包含含铂晶种材料的磁单元结构展现平面外磁场的约百分之七(7％)的增大(例如，PMA的增大)。
参考图8A，展示在使参考图7描述的磁单元结构暴露到约360℃的另一退火达约1小时之后比较所述磁单元结构的磁性质的平面外循环图。在约360℃的额外退火之后，包含含铂晶种材料的磁单元结构展现小于包含常规晶种材料的磁单元结构的磁降级。举例来说，与具有常规晶种材料的磁单元结构相比，具有含铂晶种材料的磁单元结构上磁区(例如，图2的另一人造超晶格结构124)展现改善的PMA及到耦合材料(例如，图2的耦合材料122)的更强耦合。含铂晶种材料最小化在退火之后磁单元结构的磁阻减小的量。举例来说，退火具有常规晶种材料的磁单元结构使结构的磁阻减小约百分之四十六(46％)，而退火具有含铂晶种材料的磁单元结构使结构的磁阻减小约百分之二十七(27％)。
参考图8B，具有含铂晶种材料的磁单元展现具有最小磁降级的改善平面外磁场(例如，PMA)。举例来说，包含含铂晶种材料的磁单元结构的平面内循环并不展现平面内磁矩。另一方面，具有常规晶种材料的磁单元结构在360℃退火之后展现磁降级(例如，减小PMA、平面内磁矩的增大及降级切换特性)。
实例3
图9A是展示与具有含铂晶种材料的磁单元结构类似的磁单元结构的平面外磁场的图示，如上文参考图7描述。图9A的磁单元结构中的一者中的含铂晶种材料生长于结晶衬底上(左标度)且图9A的其它磁单元结构生长于非晶衬底上(右标度)。生长于结晶衬底上的磁单元结构的晶种材料的钽部分也是结晶的。形成于结晶钽上方的铂及钌展现多晶特性，其中晶粒具有不同晶体定向。形成于晶种材料上方的人造超晶格结构(例如，固定区的Co/Pt人造超晶格结构)展现PMA的减小及经由人造超晶格结构之间的钌耦合材料的弱反铁磁耦合。形成于非晶衬底上方的钽部分是非晶的。晶种材料的铂及钌部分展现均匀结晶结构且形成于晶种材料上方的人造超晶格结构展现强PMA及到钌耦合材料的反铁磁耦合。如在图中展示，相较于生长于结晶衬底上的磁单元结构，生长于非晶衬底上的磁单元结构展现敏锐切换特性。
参考图9B，展示展示生长于非晶衬底上方的磁单元结构及生长于结晶衬底上方的另一磁单元结构的平面外磁场的图示。磁单元结构中的每一者包含形成于衬底与晶种材料(例如，晶种材料包含钽、铂及钌)之间的非晶材料。衬底上方的非晶材料是约
Figure GDA0001405150430000151
的Ni60Cr40材料。非晶材料的暴露部分经氧化。磁单元结构中的每一者中的晶种材料的钽部分是非晶的且磁单元结构中的每一者展现高PMA及人造超晶格结构与耦合材料之间的强反铁磁耦合。
虽然已结合图描述特定说明性实施例，但所属领域的一般技术人员将认知及明白，本发明涵盖的实施例不限于在本文中明确展示及描述的所述实施例。而是，可在不脱离本发明涵盖的实施例的范围(例如在下文中主张的范围，包含合法等效物)的情况下作出对本文中描述的实施例的许多添加、删除及修改。另外，如由本发明者所预期，来自一个所揭示实施例的特征可与另一所揭示实施例的特征组合同时仍涵盖于本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种半导体装置，其包括：
至少一个磁单元结构，其上覆衬底上方的电极，所述至少一个磁单元结构包括：
晶种材料，其包括上覆所述电极的非晶钽部分、上覆所述非晶钽部分的铂部分及上覆所述铂部分的钌部分；
磁区，其上覆所述晶种材料；
绝缘材料，其上覆所述磁区；及
另一磁区，其上覆所述绝缘材料；
另一电极，其上覆所述另一磁区；及
非晶区，其下伏于所述晶种材料且上覆所述电极，其中所述非晶钽部分位于所述非晶区上方。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述至少一个磁单元结构包括磁单元结构的阵列。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述磁区包括：人造超晶格结构，其包括钴与铂、钯、镍或铱中的至少一者的交替部分；直接在所述人造超晶格结构上方的包括钌的耦合材料；及直接在所述耦合材料上的包括钴与铂、钯、镍或铱中的至少一者的交替部分的另一人造超晶格结构。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述磁区直接上覆所述晶种材料的所述钌。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述另一磁区包括：人造超晶格结构，其包括钴与铂、钯、镍或铱中的至少一者的交替部分；直接在所述人造超晶格结构上方的包括钌的耦合材料；及直接在所述耦合材料上的包括钴与铂、钯、镍或铱中的至少一者的交替部分的另一人造超晶格结构。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中钴与铂的所述交替部分包括介于
Figure FDA0002354453030000011
与
Figure FDA0002354453030000012
之间的钴。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述非晶区包括镍及铬。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述晶种材料的所述非晶钽部分接触所述非晶区。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述另一磁区包括钴与铂、钯、镍及铱中的至少一者的交替部分。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述磁区及所述另一磁区展现垂直磁定向。
11.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述磁区展现固定磁定向。
12.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述铂部分包括介于
Figure FDA0002354453030000021
与
Figure FDA0002354453030000022
之间的厚度。
13.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述铂部分包括介于九十原子百分比与一百原子百分比之间的铂。
14.根据权利要求1所述的半导体装置，其进一步包括非晶区，所述非晶区包括选自由以下项组成的群组的材料：钽、镍、铬及其下伏于且直接接触所述晶种材料的所述非晶钽部分的组合。
15.根据权利要求1所述的半导体装置，其进一步包括中间区，所述中间区包括以下项中的一或多者：所述电极与所述晶种材料之间的铜、钽、钛、钨、钌、氮化钽或氮化钛。
16.一种形成半导体装置的方法，所述方法包括：
在衬底上方的电极上方形成磁单元结构的阵列，形成磁单元结构的所述阵列包括：
在所述电极上方形成晶种材料，形成所述晶种材料包括：
在所述电极上方形成包括非晶钽的第一部分；
在所述第一部分上方形成包括铂的第二部分；及
在所述第二部分上方形成包括钌的第三部分；
在所述晶种材料上方形成磁材料；
在所述磁材料上方形成绝缘材料；及
在所述绝缘材料上方形成另一磁材料；
在所述阵列的所述磁单元结构中的每一者的所述另一磁材料上方形成另一电极；及
在介于所述电极与所述晶种材料之间形成非晶材料，其中所述非晶钽形成于所述非晶材料上方。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括在约360℃的温度下退火所述晶种材料及所述磁材料达约一小时。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述非晶材料包括非晶钽或非晶氧化钽，或所述非晶材料包括镍、铬或其氧化物。
19.根据权利要求16所述的方法，其中在所述晶种材料上方形成磁材料包括：在所述晶种材料上方形成展现固定磁定向的磁材料。
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