CN107078211A - 存储器单元、半导体装置及制造方法 - Google Patents

存储器单元、半导体装置及制造方法 Download PDF

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Abstract

磁性单元包含磁性区域、次要氧化物区域及吸气剂晶种区域。在形成期间，扩散性物质由于由吸气剂物质引起的化学亲和力而从前体磁性材料转移到所述吸气剂晶种区域。所述磁性材料的耗尽使得所述耗尽磁性材料能够在无来自现在为富集的所述吸气剂晶种区域的干扰的情况下通过从相邻结晶材料的晶体结构传播而结晶。此促成高隧穿磁阻及高磁性各向异性强度。此外，在形成期间，另一扩散性物质由于由另一吸气剂物质引起的化学亲和力而从前体氧化物材料转移到所述吸气剂晶种区域。所述氧化物材料的耗尽实现单元结构中的较低电阻及低阻尼。本发明还揭示制造方法及半导体装置。

Description

存储器单元、半导体装置及制造方法
优先权主张
本申请案主张2014年10月16日提出申请的标题为“存储器单元、半导体装置及制造方法(MEMORY CELLS,SEMICONDUCTOR DEVICES,AND METHODS OF FABRICATION)”的序列号为14/516,347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，本发明一般来说涉及存储器装置设计及制造的领域。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造，涉及此类存储器单元中采用的半导体结构，且涉及并入有此类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存储器技术。一种类型的MRAM是自旋扭矩转移MRAM(STT-MRAM)，其中磁性单元核心包含磁性隧穿结(“MTJ”)子结构，所述MTJ子结构具有在其间具非磁性区域的至少两个磁性区域(举例来说，“固定区域”及“自由区域”)。自由区域及固定区域可展现相对于区域的宽度而水平定向(“平面内”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。固定区域包含具有基本上固定(例如，不可切换)磁性定向的磁性材料。另一方面，自由区域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，固定区域及自由区域的磁性定向被引导于相同方向上(例如，分别地北及北、东及东、南及南，或西及西)。在“反平行”配置中，固定区域及自由区域的磁性定向被引导于相反方向上(例如，分别地北及南、东及西、南及北，或西及东)。在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件(例如，固定区域及自由区域)的较低电阻，其定义MRAM单元的“0”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件的较高电阻，其定义STT-MRAM单元的“1”逻辑状态。
自由区域的磁性定向的切换可通过使编程电流通过包含固定区域及自由区域的磁性单元核心而实现。固定区域使编程电流的电子自旋极化，且在经自旋极化电流通过核心时形成扭矩。经自旋极化电子电流将扭矩施加于自由区域上。当经自旋极化电子电流的扭矩大于自由区域的临界切换电流密度(Jc)时，自由区域的磁性定向的方向被切换。因此，编程电流可用于更改跨越磁性区域的电阻。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。在切换自由区域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，通常期望自由区域的磁性定向在“存储”阶段期间被维持，直到MRAM单元应被重写为不同配置(即，被重写为不同逻辑状态)为止。
一些STT-MRAM单元包含双氧化物区域，即，除MTJ子结构的“中间氧化物区域”(其还可被称为“隧穿势垒”)以外还存在另一个氧化物区域。自由区域可介于中间氧化物区域与所述另一个氧化物区域之间。自由区域暴露于两个氧化物区域可增加自由区域的磁性各向异性(“MA”)强度并降低单元核心中的阻尼。举例来说，所述氧化物区域可经配置以诱发与相邻材料(例如，自由区域的相邻材料)的表面/界面MA。MA是对磁性材料的磁性性质的方向相依性的指示。因此，MA还是对材料的磁性定向的强度及其对磁性定向更改的阻力的指示。与展现具有较低MA强度的磁性定向的磁性材料相比，展现具有高MA强度的磁性定向的磁性材料可较不易于遭受其磁性定向的更改。此外，由双氧化物区域提供的低阻尼可使得能够在单元的编程期间使用低编程电流。具有高MA强度的自由区域可在存储期间比具有低MA强度的自由区域更稳定，且具有低阻尼的单元核心可比具有较高阻尼的单元核心更有效地被编程。
虽然与邻近于仅一个氧化物区域(即，中间氧化物区域)的自由区域相比，双氧化物区域可增加自由区域的MA强度并降低单元核心的阻尼，但与包括仅一个氧化物区域(即，中间氧化物区域)的单元核心相比，磁性单元核心中的氧化物材料的经添加量可增加核心的电阻(例如，串联电阻)，此降低单元的有效磁阻(例如，隧穿磁阻(“TMR”))。经增加电阻还增加单元的电阻区(“RA”)且可增加在编程期间切换自由区域的磁性定向所需的电压。经减小有效磁阻可使单元的性能降级，如经增加RA及编程电压可能造成的一样。因此，形成STT-MRAM单元以具有围绕自由区域的双氧化物区域以获得高MA强度及低阻尼而不使其它性质(例如磁阻(例如，TMR)、RA及编程电压)降级已提出挑战。
自由区域的其它有益性质通常与自由区域的微结构相关联。这些性质包含(举例来说)单元的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)之间的差对比Rp的比率(即，TMR＝(Rap–Rp)/Rp)。一般来说，具有在其磁性材料的微结构中具极少结构缺陷的一致晶体结构(例如，bcc(001)晶体结构)的自由区域具有比具结构缺陷的薄自由区域高的TMR。具有高TMR的单元可具有高读出信号，此可加速在操作期间对MRAM单元的读取。高TMR可伴随有高MA及低阻尼，从而使得能够使用低编程电流。
已做出形成处于所要晶体结构的磁性材料的努力。这些努力包含将所要晶体结构从相邻材料(在本文中被称为“晶种材料”)传播到磁性材料(在本文中被称为“目标磁性材料”)，此传播可通过使材料退火来协助。然而，同时使晶种材料及目标磁性材料两者结晶可导致在晶种材料具有所要晶体结构以完全地传播到目标磁性材料之前使目标磁性材料以非所要晶体结构结晶。因此，已做出以下努力：延迟目标磁性材料的结晶，直到在使晶种材料结晶成所要晶体结构之后为止。这些努力已包含将添加剂并入于目标磁性材料中，因此所述材料在首次形成时是非晶的。添加剂可在退火期间扩散出目标磁性材料，从而使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从晶种材料的传播下结晶。然而，这些努力不会抑制来自除了晶种材料之外的相邻材料的竞争性晶体结构的传播。此外，从目标磁性材料扩散的添加剂可扩散到其中所述添加剂干扰结构的其它特性(例如，MA强度)的结构内的区域。因此，形成具有所要微结构的磁性材料(例如)以实现高TMR同时不使磁性材料或所得结构的其它特性(例如MA强度)退化还可提出挑战。
发明内容
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隧穿结子结构，所述磁性隧穿结子结构包括固定区域、自由区域及介于所述固定区域与所述自由区域之间的中间氧化物区域。次要氧化物区域邻近所述磁性隧穿结子结构。吸气剂晶种区域接近所述次要氧化物区域且包括键合到氧的氧吸气剂物质。所述次要氧化物区域及所述吸气剂区域中的至少一者包括键合到经扩散的经扩散物质的另一吸气剂物质。
还揭示包括具有钴(Co)及铁(Fe)的磁性区域的存储器单元。所述磁性区域展现可切换磁性定向。氧化物区域安置于所述磁性区域与展现基本上固定磁性定向的另一磁性区域之间。另一个氧化物区域邻近所述磁性区域且包括接近与所述磁性区域的界面浓缩的氧。非晶吸气剂晶种区域邻近所述另一个氧化物区域。所述吸气剂晶种区域包括氧、硼、氧吸气剂物质及硼吸气剂物质。
还揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括形成前体结构。形成前体结构包括在衬底上方形成前体吸气剂晶种材料。在所述前体吸气剂晶种材料上方形成前体氧化物材料。在所述前体氧化物材料上方形成前体磁性材料。使来自所述前体磁性材料的扩散性物质扩散到所述前体吸气剂晶种材料，且使来自所述前体氧化物材料的氧扩散到所述前体吸气剂晶种材料，以使所述前体磁性材料的至少一部分转化成耗尽磁性材料，使所述前体氧化物材料的至少一部分转化成氧耗尽材料，且使所述前体吸气剂晶种材料的至少一部分转化成富集吸气剂晶种材料。对所述前体结构进行图案化，以形成包括由所述富集吸气剂晶种材料形成的吸气剂晶种区域、由所述氧耗尽材料形成的次要氧化物区域以及由所述耗尽磁性材料形成的自由区域的单元核心结构。
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非晶前体吸气剂晶种材料。所述非晶前体吸气剂晶种材料包括硼吸气剂物质及氧吸气剂物质。在所述非晶前体吸气剂晶种材料上方形成包括氧的前体氧化物材料。在所述前体氧化物材料上方形成包括硼的前体磁性材料。在所述前体磁性材料上方形成另一种氧化物材料。至少对所述前体磁性材料及所述前体氧化物材料进行退火，以使来自所述前体磁性材料的所述硼与所述非晶前体吸气剂晶种材料的所述硼吸气剂物质反应且使来自所述前体氧化物材料的所述氧与所述非晶前体吸气剂晶种材料的所述氧吸气剂物质反应。
另外，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单元包括在衬底上方的磁性隧穿结子结构。所述磁性隧穿结子结构包括自由区域、固定区域及中间氧化物区域。所述自由区域展现垂直可切换磁性定向。所述固定区域展现垂直基本上固定磁性定向。所述中间氧化物区域介于所述自由区域与所述固定区域之间。另一个氧化物区域接触所述自由区域。非晶区域接近所述自由区域及所述另一个氧化物区域。所述非晶区域包括硼及氧。
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视示意性图解说明，其中吸气剂晶种区域邻近于次要氧化物区域。
图1A是根据本发明的替代实施例的图1的方框1A的放大视图，其中固定区域包含氧化物邻近部分、中间部分以及电极邻近部分。
图1B是根据本发明的替代实施例的图1的方框1B的视图，其中固定区域及自由区域展现平面内磁性定向。
图2到5是根据本发明的实施例的在制造图1、1A及1B的磁性单元结构的各个处理阶段期间的横截面立视示意性图解说明，其中：
图2是在形成前体吸气剂晶种材料的处理阶段期间的结构的横截面立视示意性图解说明；
图3是继图2的处理阶段之后的处理阶段的横截面立视示意性图解说明，其中前体氧化物材料及前体磁性材料经形成以叠置于前体吸气剂晶种材料上；
图3A是图3的方框3A的放大视图；
图4是继图3的处理阶段之后的处理阶段的横截面立视示意性图解说明，其中图3的结构已经退火；
图4A是图4的方框4A的放大视图；及
图5是根据本发明的实施例的在继图4的处理阶段之后的处理阶段期间的前体结构的横截面立视示意性图解说明。
图6是根据本发明的另一实施例的磁性单元结构的横截面立视示意性图解说明，其中吸气剂晶种区域邻近于吸气剂次要氧化物区域。
图7到9是根据本发明的实施例的在制造图6的磁性单元结构的各个处理阶段期间的横截面立视示意性图解说明，其中：
图7是在处理阶段期间的结构的横截面立视示意性图解说明，其中前体吸气剂氧化物材料及前体磁性材料经形成以叠置于前体吸气剂晶种材料上；
图7A是图7的方框7A的放大视图；
图8是继图7的处理阶段之后的处理阶段的横截面立视示意性图解说明，其中图7的结构已经退火；
图8A是图8的方框8A的放大视图；及
图9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体结构的横截面立视示意性图解说明。
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是根据本发明的一或多个实施例实施的系统的简化框图。
具体实施方式
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以及形成半导体结构的方法。在存储器单元的制造期间，由于“扩散性物质”与接近材料(例如“前体吸气剂晶种材料”)的至少一种“吸气剂物质”之间的化学亲和力而从磁性材料(其还可在本文中表征为“前体磁性材料”)至少部分地移除所述扩散性物质。另外，在存储器单元的制造期间，由于另一扩散性物质(例如，氧)与前体吸气剂晶种材料的至少另一吸气剂物质(例如，氧吸气剂物质)之间的化学亲和力而从一种氧化物材料(其还可在本文中表征为“前体氧化物材料”)至少部分地移除所述氧。
例如，由于从另一相邻材料的晶体结构传播，因此从前体磁性材料(其形成可表征为“耗尽磁性材料”的材料)移除扩散性物质促成耗尽磁性材料结晶成所要晶体结构(例如，bcc(001)结构)。此结晶促成所得单元核心结构中的高隧穿磁阻(“TMR”)。
从前体氧化物材料(其形成可表征为“氧耗尽材料”的材料)移除氧降低氧化物材料的电阻，此促成所得单元核心结构的低阻尼及低电阻区(“RA”)。因此，所得单元核心结构包含接近自由区域的双氧化物区域，而无基本上增加阻尼及电阻的次要氧化物区域。
如本文中所使用，术语“衬底”意指且包含在其上形成例如存储器单元内的那些组件的组件的基底材料或其它构造。衬底可为半导体衬底、在支撑结构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、结构或区域的半导体衬底。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外延硅层，或其它半导体或光电子材料(例如硅-锗(Si1-xGex)(其中x是(举例来说)介于0.2与0.8之间的莫耳分率)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)或磷化铟(InP)等)。此外，当在以下描述中提及“衬底”时，可能已利用先前工艺阶段来在基底半导体结构或基础中形成材料、区域或结。
如本文中所使用，术语“STT-MRAM单元”意指且包含包括具有安置于自由区域与固定区域之间的非磁性区域的磁性单元核心的磁性单元结构。非磁性区域可为磁性隧穿结(“MTJ”)结构的电绝缘性(例如，介电)区域。MTJ结构包括自由区域与固定区域之间的非磁性区域。举例来说，自由区域与固定区域之间的非磁性区域可为氧化物区域(在本文中被称为“中间氧化物区域”)。
如本文中所使用，术语“次要氧化物区域”是指STT-MRAM单元的除了中间氧化物区域之外的氧化物区域。次要氧化物区域可经调配及定位以诱发与相邻磁性材料(例如，自由区域)的磁性各向异性(“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域及固定区域且在存储器单元的使用及操作期间电流可通过(即，流过)其以实现自由区域及固定区域的磁性定向的平行或反平行配置的存储器单元结构。
如本文中所使用，术语“磁性区域”意指展现磁性的区域。磁性区域包含磁性材料且还可包含一或多种非磁性材料。
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、反铁磁性材料以及顺磁性材料。
如本文中所使用，术语“CoFeB材料”及“CoFeB前体材料”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前体材料可或可不展现磁性，此取决于其配置(例如，其厚度)。
如本文中所使用，术语“物质”意指且包含来自组成材料的元素周期表的一或若干元素。举例来说(而非限制)，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“扩散性物质”意指且包含材料的其缺失将不会阻止材料的所要功能性的化学物质。举例来说(而非限制)，在磁性区域的CoFeB材料中，硼(B)可被称为扩散性物质，这是因为在不存在硼(B)的情况下，钴(Co)及铁(Fe)还可用作磁性材料(即，展现磁性)。作为另一实例(而非限制)，在次要氧化物区域的氧化镁(MgO)材料中，氧(O)可被称为扩散性物质，这是因为在材料中存在基本上较少氧(O)的情况下，MgO还可用于诱发与相邻磁性材料的MA。举例来说，只要沿着与磁性材料的界面存在氧(O)，MgO便可用于诱发界面MA，即使在诱发MA的材料的主体的整个其余部分中均不存在氧(O)。继扩散之后，“扩散性物质”可被称为“经扩散物质”。
如本文中所使用，术语“耗尽”在用于描述材料时描述从前体材料整体或部分地移除扩散性物质所得的材料。
如本文中所使用，术语“富集”在用于描述材料时描述经扩散物质已添加(例如，转移)到其的材料。
如本文中所使用，术语“前体”在提及材料、区域或结构时意指且是指将转变为所得材料、区域或结构的材料、区域或结构。举例来说(而非限制)，“前体材料”可指物质将从其扩散以使前体材料转变为耗尽材料的材料；“前体材料”可指物质将扩散到其中以使前体材料转变为富集材料的材料；“前体材料”可指物质将扩散到其中且另一物质将从其扩散以使前体材料转变成“富集-耗尽”材料的材料；且“前体结构”可指将经图案化以使前体结构转变成所得经图案化结构的材料或区域的结构。
如本文中所使用，除非上下文指出，否则术语“由…形成”在描述材料或区域时是指已从产生前体材料或前体区域的转变的动作所得的材料或区域。
如本文中所使用，术语“化学亲和力”意指且是指不相似化学物质趋向于通过其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，第一材料被描述为对第二材料的扩散性物质具有较高化学亲和力(例如，与所述扩散性物质和所述第二材料的其它物质之间的化学亲和力相比)意指、包含包括扩散性物质及来自第一材料的至少一个物质的化学化合物的形成热低于包含扩散性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“非晶”在提及材料时意指且是指具有非结晶结构的材料。举例来说(而非限制)，“非晶”材料包含玻璃。
如本文中所使用，术语“固定区域”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固定磁性定向的磁性区域，这是因为实现单元核心的一个磁性区域(例如，自由区域)的磁化方向的改变的电流或经施加场不可实现固定区域的磁化方向的改变。固定区域可包含一或多种磁性材料及任选地一或多种非磁性材料。举例来说，固定区域可经配置为包含由磁性子区域邻接的钌(Ru)子区域的合成反铁磁体(SAF)。替代地，固定区域可配置有磁性材料与耦合剂材料的交替子区域的结构。磁性子区域中的每一者可包含一或多种材料及其中的一或多个区域。作为另一实例，固定区域可经配置为单一种均质磁性材料。因此，固定区域可具有均匀磁化，或总体上实现在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有固定磁性定向的固定区域的不同磁化的子区域。
如本文中所使用，术语“耦合剂”在提及材料、区域或子区域时意指且包含经调配或以其它方式经配置以反铁磁性地耦合相邻磁性材料、区域或子区域的材料、区域或子区域。
如本文中所使用，术语“自由区域”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域。磁性定向可通过施加电流或经施加场而在平行配置与反平行配置之间进行切换。
如本文中所使用，“切换”意指且包含在其期间编程电流通过STT-MRAM单元的磁性单元核心以实现自由区域及固定区域的磁性定向的平行或反平行配置的存储器单元的使用及操作阶段。
如本文中所使用，“存储”意指且包含在其期间编程电流不通过STT-MRAM单元的磁性单元核心且其中不有目的地更改自由区域及固定区域的磁性定向的平行或反平行配置的存储器单元的使用及操作阶段。
如本文中所使用，术语“垂直”意指且包含垂直于相应区域的宽度及长度的方向。“垂直”还可意指且包含垂直于STT-MRAM单元位于其上的衬底的主要表面的方向。
如本文中所使用，术语“水平”意指且包含平行于相应区域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STT-MRAM单元位于其上的衬底的主要表面的方向。
如本文中所使用，术语“子区域”意指且包含在另一区域中包含的区域。因此，一个磁性区域可包含一或多个磁性子区域(即，磁性材料的子区域)以及非磁性子区域(即，非磁性材料的子区域)。
如本文中所使用，术语“子结构”意指且包含作为另一结构的一部分包含的结构。因此，一个单元核心结构可包含一或多个子结构(例如，MTJ子结构)。
如本文中所使用，术语“在…之间”是用于描述一种材料、区域或子区域相对于至少两种其它材料、区域或子区域的相对安置的空间相对术语。术语“在…之间”可涵盖一种材料、区域或子区域直接邻近于其它材料、区域或子区域的安置以及一种材料、区域或子区域间接邻近于其它材料、区域或子区域的安置两者。
如本文中所使用，术语“接近于”是用于描述一种材料、区域或子区域靠近于另一材料、区域或子区域的安置的空间相对术语。术语“接近”包含间接邻近于、直接邻近于以及在…内部的安置。
如本文中所使用，将元件提及为“位于”另一元件“上”或“位于”另一元件“上方”意指且包含所述元件直接位于另一元件的顶部上、邻近于另一元件、位于另一元件下方或与另一元件直接接触。其还包含所述元件间接位于另一元件的顶部上、邻近于另一元件、位于另一元件下方或靠近另一元件，其中在其之间存在其它元件。相比来说，当提及元件“直接位于”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，为便于描述，可使用其它空间相对术语(例如“下面”、“下部”、“底部”、“上面”、“上部”、“顶部”等等)来描述一个元件或特征与另一(另外)元件或特征的关系，如各图中所图解说明。除非另有规定，否则所述空间相对术语打算除图中所描绘的定向以外还涵盖材料的不同定向。举例来说，如果倒转各图中的材料，那么描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”或“其底部上”的元件将经定向为在所述其它元件或特征“上面”或“其顶部上”。因此，术语“在…下面”可涵盖在…上面及在…下面的定向两者，此取决于使用所述术语的上下文，此将为所属领域的技术人员所明了。可使材料以其它方式定向(旋转90度、反转等)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述语。
如本文中所使用，术语“包括(comprise/comprising)”及/或“包含(include/including)”规定所述特征、区域、阶段、操作、元件、材料、组件及/或群组的存在，但不排除一或多个其它特征、区域、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”包含相关联所列举项目中的一或多者的任一及所有组合。
如本文中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a/an)”及“所述(the)”打算还包含复数形式。
本文中所呈现的图解说明并非意在作为任何特定材料、物质、结构、装置或系统的实际视图，而仅是用于描述本发明的实施例的理想化表示。
本文中参考是示意性图解说明的横截面图解说明来描述实施例。因此，将预期由(举例来说)制造技术及/或公差引起的图解说明的形状的变化。因此，本文中所描述的实施例不应被视为限于如所图解说明的特定形状或区域，而可包含由(举例来说)制造技术产生的形状偏差。举例来说，图解说明或描述为方框形状的区域可具有粗糙及/或非线性特征。此外，所图解说明的锐角可被修圆。因此，图中所图解说明的材料、特征及区域本质上是示意性的，且其形状并非打算图解说明材料、特征及区域的精确形状且并不限制本发明的权利要求书的范围。
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，所属领域的技术人员将理解，可在不采用这些特定细节的情况下实践所述装置及方法的实施例。实际上，所述装置及方法的实施例可联合行业中所采用的常规半导体制造技术来实践。
本文中所描述的制造工艺并不形成用于处理半导体装置结构的完整工艺流程。所述工艺流程的其余部分是所属领域的技术人员已知的。因此，本文中仅描述理解本发明装置及方法的实施例所必需的方法及半导体装置结构。
除非上下文另有指示，否则本文中所描述的材料可通过任何适合技术来形成，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”)、等离子体增强ALD、物理气相沉积(“PVD”)(例如，溅镀)或外延生长。取决于将形成的特定材料，用于沉积或生长材料的技术可由所属领域的技术人员选择。
除非上下文另有指示，否则本文中所描述的材料的移除可通过任何适合技术来实现，包含(但不限于)蚀刻、离子研磨、磨料平面化或其它已知方法。
现在将参考图式，其中在通篇中相似编号指代相似组件。图式未必按比例绘制。
揭示一种存储器单元。所述存储器单元包含包括磁性隧穿结(“MTJ”)子结构的磁性单元核心、次要氧化物区域及吸气剂晶种区域。所述吸气剂晶种区域包括对MTJ子结构的前体磁性材料的扩散性物质具有化学亲和力的吸气剂物质。所述吸气剂晶种区域还包括对来自次要氧化物区域的氧具有化学亲和力的氧吸气剂物质。在存储器单元形成期间，扩散性物质从前体磁性材料转移到吸气剂晶种区域。还在存储器单元形成期间，来自次要氧化物区域的氧从前体氧化物材料转移到吸气剂晶种区域。
从前体磁性材料移除扩散性物质可实现及改进所得耗尽磁性材料的结晶。举例来说，一旦扩散性物质已经从前体磁性材料移除，结晶结构便可从相邻结晶材料(例如，结晶氧化物材料(例如，MTJ子结构的中间氧化物区域的结晶氧化物材料))传播到耗尽磁性材料。此外，所得富集吸气剂晶种区域可保持或变成非晶的。富集陷阱材料的非晶本质可不对抗或以其它方式消极地影响来自邻近结晶材料(例如，中间氧化物区域的氧化物材料)的晶体结构到耗尽磁性材料的传播。在一些实施例中，富集陷阱材料可甚至在高温(例如，大于约300℃，例如，大于约500℃)下是非晶的。因此，高温退火可用于在不使富集吸气剂晶种材料结晶的情况下促成耗尽磁性材料的结晶。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120％)。此外，经扩散物质经由与吸气剂物质键合而留存于富集吸气剂晶种材料中可抑制经扩散物质干扰沿着磁性区域与邻近中间氧化物区域之间的界面的MA诱发。在不限于任一理论的情况下，预期非磁性材料与磁性材料之间的键合(例如，在磁性区域中的铁(Fe)与非磁性区域中的氧(O)之间，即，铁-氧(Fe-O)键合)可贡献于较高MA强度及高TMR。在耗尽磁性材料与相邻氧化物区域之间的界面处较少或无扩散性物质可使得能够形成较多MA诱发键合及自旋过滤键合。因此，无经扩散物质对MA键合诱发的干扰可实现高MA强度及TMR。
从次要氧化物区域的前体氧化物材料移除氧可实现次要氧化物区域的所得耗尽氧化物材料中的低电阻及最终单元核心结构中的低阻尼。然而，预期并非从前体氧化物材料移除所有氧。而是，余留于所得耗尽氧化物材料中的任何氧(其可在本文中被称为“残余氧”)可包含沿着次要氧化物区域与相邻磁性材料(例如，MTJ子结构中的自由区域的相邻磁性材料)之间的界面的最大氧浓度。因此，耗尽磁性材料中的(例如)铁(Fe)与耗尽氧化物区域中的残余氧(O)之间的MA诱发键合仍可形成及诱发界面MA。因此，双氧化物区域可用于促成高MA诱发，而次要氧化物区域中的氧浓度的耗尽可实现单元核心结构中的低电阻及低阻尼，即使在具有包含于所述结构中的第二氧化物区域的情况下。
利用来自前体磁性材料的扩散性物质的耗尽以促成结晶，且利用来自前体氧化物材料的氧的耗尽以促成低电阻及低阻尼，可形成具有高TMR、高MA强度、低电阻(包含低电阻区(“RA”))以及低阻尼的磁性存储器单元。
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包含磁性区域及另一磁性区域，(举例来说，分别地“固定区域”110及“自由区域”120)，其中在“固定区域”110与“自由区域”120之间具有氧化物区域(例如，“中间氧化物区域”130)。固定区域110、自由区域120以及其间的中间氧化物区域130的子结构可在本文中被称为磁性隧穿结(“MTJ”)子结构123或MTJ结构123。因此，中间氧化物区域130可经配置为隧穿势垒区域且可沿着界面131接触固定区域110且可沿着界面132接触自由区域120。
固定区域110及自由区域120中的任一者或两者可均质地形成或任选地可经形成以包含多于一个子区域。举例来说，参考图1A，在一些实施例中，磁性单元核心101(图1)的固定区域110′可包含多个部分。举例来说，固定区域110′可包含作为氧化物邻近部分113的磁性子区域。中间部分115(例如导电子区域)可分离氧化物邻近部分113与电极邻近部分117。电极邻近部分117可包含磁性子区域118与耦合剂子区域119的交替结构。
继续参考图1，一或多个下部中间区域140可任选地安置于磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)下方，且一或多个上部中间区域150可任选地安置于磁性单元结构100的磁性区域上方。下部中间区域140及上部中间区域150(如果包含)可经配置以在存储器单元的操作期间抑制分别在下部电极105与上覆材料之间以及上部电极104与下伏材料之间的物质扩散。下部中间区域140及上部中间区域150可另外或替代地包含经调配以促成相邻材料中的所要结晶的材料。
次要氧化物区域170接近于MTJ子结构123而安置。举例来说，次要氧化物区域170可邻近于自由区域120。在一些实施例中，次要氧化物区域170可沿着界面172直接物理地接触自由区域120。此次要氧化物区域170因此可经安置以诱发自由区域120的磁性材料中的界面MA。在此类实施例中，磁性单元结构100可经配置有“双氧化物”结构。
自由区域120还接近于吸气剂晶种区域180而安置。在一些实施例中，吸气剂晶种区域180可通过次要氧化物区域170而与自由区域120间隔开。在一些实施例中，吸气剂晶种区域180可沿着界面178直接物理地接触次要氧化物区域170。吸气剂晶种区域180由包括至少一种吸气剂物质的前体吸气剂晶种材料形成。在一些实施例中，前体吸气剂晶种材料包括至少两种吸气剂物质，所述至少两种吸气剂物质中的至少一者经调配以对来自相邻前体磁性材料的扩散性物质具有化学亲和力，且所述吸气剂物质中的至少另一者经调配以对来自相邻前体氧化物材料的扩散性物质(例如，氧)具有化学亲和力。在下文关于图6到9进一步地论述的一些实施例中，对前体磁性材料的扩散性物质具有化学亲和力的吸气剂物质还可包含于次要氧化物区域170中。每一吸气剂物质与其对应目标扩散性物质之间的化学亲和力可高于对应相邻前体材料的其它物质与对应目标扩散性物质的化学亲和力。
前体磁性材料的扩散性物质的初始存在可抑制前体磁性材料的结晶，但吸气剂晶种区域180接近于前体磁性材料可使得扩散性物质能够从前体磁性材料扩散到吸气剂晶种区域180的材料。一旦扩散，经扩散物质便可与吸气剂物质发生化学反应，从而形成保持于最终结构中的吸气剂晶种区域180中的化合物。
从前体磁性材料移除扩散性物质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，具有与在扩散之前的浓度相比较低浓度的扩散性物质的磁性材料)。所要晶体结构可从一或多个相邻材料(例如，中间氧化物区域130的氧化物)传播。具有所要晶体结构的经结晶耗尽磁性材料可展现高TMR(例如，大于约100％(约1.00)，例如，大于约120％(约1.20))。
前体氧化物材料的扩散性物质可为氧(O)，且其在前体氧化物材料中的初始存在贡献于氧化物材料中的电阻及高阻尼。吸气剂晶种区域180接近于前体氧化物材料可使得氧(O)能够从前体氧化物材料扩散到吸气剂晶种区域180。一旦扩散，经扩散氧(O)便可与其它吸气剂物质(其可在本文中被称为“氧吸气剂物质”)发生化学反应，从而形成保持于最终结构中的氧吸气剂晶种区域180中的氧化物化合物。
在一些实施例中，吸气剂晶种区域180可经调配为非晶的且在相邻耗尽磁性材料结晶时保持非晶。因此，吸气剂晶种区域180的前体材料可在最初形成时是非晶的且即使在高温(例如，在退火期间)下且即使曾富集有来自前体磁性材料及前体氧化物材料的经扩散物质仍可保持非晶。因此，吸气剂晶种区域180的材料不可抑制相邻耗尽磁性材料的结晶。
吸气剂晶种区域180的厚度、组合物及结构可经选择以在吸气剂晶种区域180中为来自前体磁性材料的扩散性物质提供充足量的吸气剂物质且为来自前体氧化物材料的扩散性氧(O)提供充足量的氧吸气剂物质，以具有所要容量以接纳并键合来自相邻前体磁性材料及相邻前体氧化物材料的经扩散物质。与较薄吸气剂晶种区域相比，较厚吸气剂晶种区域可具有对经扩散物质的相对较高容量。根据实施例(例如图1中所图解说明的实施例)，吸气剂晶种区域180可具有介于约(约0.75nm)到约(约3.0nm)之间的厚度。
次要氧化物区域170的厚度、组合物及结构可经选择以使得来自前体磁性材料的扩散性物质能够穿过次要氧化物区域170的材料扩散到吸气剂晶种区域180。举例来说，次要氧化物区域170的厚度可经修整以具有充分高的厚度使得沿着与自由区域120的界面172诱发界面MA，同时具有充分低的厚度使得来自前体磁性材料的扩散性物质可扩散穿过次要氧化物区域170且使得充足氧可扩散出次要氧化物区域170的材料以到达吸气剂晶种区域180，从而提供低电阻及低阻尼。因此，次要氧化物区域170的厚度可小于MTJ子结构123中的中间氧化物区域130的厚度。根据实施例(例如图1中图解说明的实施例)，次要氧化物区域170可具有介于约(约0.2nm)到约(约1.0nm)的厚度，而中间氧化物区域130的厚度可介于约(约0.5nm)到约(约1.0nm)之间。
在一些实施例(未图解说明)中，可存在额外吸气剂晶种区域。举例来说，另一吸气剂晶种区域可安置于次要氧化物区域170内部或侧向地邻近于次要氧化物区域170及自由区域120中的一者或两者而安置。额外吸气剂晶种区域还可经调配以接纳来自自由区域120的前体磁性材料的经扩散物质且经调配以接纳从次要氧化物区域170的前体氧化物材料扩散的氧。
继续参考图1，在其中吸气剂晶种区域180接近于自由区域120的实施例中，吸气剂晶种区域180可通过一或多个其它区域(例如，通过自由区域120、中间氧化物区域130及次要氧化物区域170)与固定区域110物理地隔离。因此，吸气剂晶种区域180的吸气剂物质可不与固定区域110的物质发生化学反应。
图1的磁性单元结构100经配置为“顶部钉扎”存储器单元，即，其中固定区域110安置于自由区域120上方的存储器单元。在其它实施例(未图解说明)中，存储器单元可经配置为“底部钉扎”存储器单元，即，其中固定区域110安置于自由区域120下方的存储器单元。在此类实施例中，次要氧化物区域170可叠置于自由区域120上，且吸气剂晶种区域180可叠置于次要氧化物区域170上。但是，吸气剂晶种区域180可经调配以接纳从自由区域120的前体磁性材料扩散的物质，以使得所要晶体结构能够从中间氧化物区域130传播到耗尽磁性材料，且接纳从次要氧化物区域170的前体氧化物材料扩散的氧，从而实现次要氧化物区域中的低电阻及低阻尼。因此，本文中图解说明或以其它方式描述为“顶部钉扎”的任何实施例可替代地(例如)通过单元核心结构(例如，图1的单元核心结构101)的区域的次序的反转而实现为“底部钉扎”配置。
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(如在图1中)，或替代地，经配置为平面内STT-MRAM单元(如在图1B中所图解说明)。“平面内”STT-MRAM单元包含展现主导地在水平方向上定向的磁性定向的磁性区域，而“平面外”STT-MRAM单元包含展现主导地在垂直方向上定向的磁性定向的磁性区域。举例来说，如在图1中所图解说明，STT-MRAM单元可经配置以展现磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)中的至少一者中的垂直磁性定向。所展现的垂直磁性定向可由垂直磁性各向异性(“PMA”)强度表征。如在图1由箭头112及双向箭头122所指示，在一些实施例中，固定区域110及自由区域120中的每一者可展现垂直磁性定向。固定区域110的磁性定向可保持“基本上固定的”，即，在STT-MRAM单元的整个操作中被引导于基本上相同方向上(举例来说，由图1的箭头112指示的方向上)。另一方面，自由区域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(如由图1的双向箭头122所指示)之间切换。作为另一实例，如在图1B中所图解说明，平面内STT-MRAM单元可经配置以展现MTJ子结构123'的磁性区域(例如，固定区域110"及自由区域120")中的至少一者的水平磁性定向，如由固定区域110"中的箭头112B以及自由区域120"中的双向箭头122B所指示。
因此，揭示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隧穿结子结构，所述磁性隧穿结子结构包括固定区域、自由区域及介于固定区域与自由区域之间的中间氧化物区域。次要氧化物区域邻近磁性隧穿结子结构。吸气剂晶种区域接近次要氧化物区域且包括键合到氧的氧吸气剂物质。次要氧化物区域及吸气剂区域中的至少一者包括键合到经扩散的经扩散物质的另一吸气剂物质。
参考图2到5，图解说明制造磁性单元结构(例如图1的磁性单元结构100)的方法中的阶段。如在图2中所图解说明，可形成中间结构200，其中在衬底102上方形成导电材料205，且在导电材料205上方形成前体吸气剂晶种材料280。任选地，可在于导电材料205上方形成前体吸气剂晶种材料280之前在导电材料205上方形成一或多个下部中间材料240。
下部电极105(图1)由其形成的导电材料205可包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：举例来说(但不限于)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域140(图1)形成于下部电极105上方的实施例中，下部中间区域140由其形成的下部中间材料240可包括以下各项、基本上由以下各项形成或由以下各项形成：举例来说(但不限于)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240(如果包含)可并入有下部电极105(图1)将由其形成的导电材料205。举例来说，下部中间材料240可为导电材料205的最上部子区域。
前体吸气剂晶种材料280可通过(举例来说(但不限于))在先前形成的材料上方溅镀包括至少一种吸气剂物质的材料而形成。前体吸气剂晶种材料280经调配以包含经选择以对来自自由区域120(图1)将由其形成的前体磁性材料的扩散性物质具有化学亲和力的至少一种吸气剂物质。举例来说，所述至少一种吸气剂物质可经选择以对前体磁性材料的扩散性物质具有较高化学亲和力(与所述扩散性物质与前体磁性材料的另一物质之间的化学亲和力相比)。因此，前体吸气剂晶种材料280的至少一种吸气剂物质经调配以吸引来自前体磁性材料的扩散性物质。
前体吸气剂晶种材料280还经调配以包含至少另一吸气剂物质，所述至少另一吸气剂物质经选择以对来自次要氧化物区域170(图1)将由其形成的前体氧化物材料的扩散性物质具有化学亲和力。举例来说，所述至少另一吸气剂物质可经选择以对前体氧化物材料的氧(O)具有较高化学亲和力(与氧和前体氧化物材料的另一物质之间的化学亲和力相比)。因此，前体吸气剂晶种材料280的至少另一吸气剂物质经调配以吸引来自前体氧化物材料的扩散性物质(例如，氧(O))。
在一些实施例中，前体吸气剂晶种材料280的每一物质可经调配以对来自前体磁性材料的经扩散物质及来自前体氧化物材料的经扩散物质(例如，氧(O))中的至少一者具有化学亲和力(即，可兼容以与所述经扩散物质中的至少一者化学键合)。在其它实施例中，前体吸气剂晶种材料280的少于所有的物质可经调配以对扩散性物质具有所要化学亲和力。因此，前体吸气剂晶种材料280可包含不与经扩散物质中的一者或两者反应的物质或可由或基本上由与经扩散物质中的一者或两者反应的物质组成。
继续参考图2，在一些实施例中，前体吸气剂晶种材料280可通过使用一或多个目标291、292进行溅镀(即，物理气相沉积(PVD)而形成。举例来说(而非限制)，可同时使用两个溅镀目标291、292，其中溅镀目标291经调配以包括对前体磁性材料的扩散性物质具有化学亲和力的吸气剂物质，且其中另一溅镀目标292经调配以包括对前体氧化物材料的扩散性物质(例如，氧(O))具有化学亲和力的吸气剂物质(例如，氧吸气剂物质)。可同时使用目标291、292两者使得在形成前体吸气剂晶种材料280时，物质混合且基本上均匀地分布。
参考图3，次要氧化物区域170(图1)将由其形成的前体氧化物材料370可包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：举例来说(但不限于)非磁性氧化物材料(例如，氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)，或MTJ子结构的常规隧穿势垒区域的其它氧化物材料)。前体氧化物材料370可直接形成(例如，生长、沉积)于前体吸气剂晶种材料280上。
至少一种前体磁性材料320可形成于前体吸气剂晶种材料280上方，还如在图3中所图解说明。自由区域120(图1)最终由其形成的前体磁性材料320可包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：举例来说(但不限于)铁磁性材料，其包含钴(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，前体磁性材料320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，前体磁性材料320可替代地或另外包含镍(Ni)(例如，NiB材料)。
前体磁性材料320可形成为均质区域。在其它实施例中，前体磁性材料320可包含一或多个子区域(例如，CoFeB材料的一或多个子区域)，其中所述子区域具有Co、Fe及B的不同相对原子比率。
参考图3A，前体磁性材料320包含至少一种扩散性物质321。扩散性物质321使得其整体或部分地缺失将不抑制前体磁性材料320或由其形成的耗尽磁性材料展现磁性。然而，前体磁性材料320中的扩散性物质321的存在可使得能够以非晶状态形成(例如，通过溅镀)前体磁性材料320。
还参考图3A，前体氧化物材料370包含至少一种扩散性物质372。扩散性物质372使得其从前体氧化物材料370的主体的缺失将不抑制前体氧化物材料370或由其形成的耗尽氧化物材料诱发与前体磁性材料320或耗尽磁性材料的界面MA。而是，仅沿着前体氧化物材料370(或所得耗尽氧化物材料)与前体磁性材料320(或所得耗尽磁性材料)之间的界面172的扩散性物质372的存在可实现界面MA的诱发。
前体吸气剂晶种材料280可经调配以包含至少两种吸气剂物质，其包含吸气剂物质281及另一吸气剂物质282。吸气剂物质281经调配以对前体磁性材料320的扩散性物质321具有化学亲和力，且另一吸气剂物质282经调配以对前体氧化物材料370的扩散性物质372具有化学亲和力。
前体吸气剂晶种材料280的吸气剂物质281可经选择以具有吸气剂物质281与来自前体磁性材料320的扩散性物质321之间的化合物的吸热性形成热。此外，吸气剂物质281可经选择为导电的(例如，可包括导电金属)，以便增加最终结构的吸气剂晶种区域180(图1)的导电率。最终，吸气剂物质281可经选择以基本上不与另一吸气剂物质282反应且使前体吸气剂晶种材料280能够展现在高达高温(例如，至少约500℃)下的非晶结构。
在一些实施例中，前体吸气剂晶种材料280可包含钽(Ta)、钌(Ru)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、氮(N)、铪(Hf)及镍(Ni)中的至少一者，以作为对前体磁性材料320的扩散性物质321具有化学亲和力的吸气剂物质281。
在一个特定实例中(而非限制)，前体磁性材料320可为CoFeB磁性材料，其硼(B)是扩散性物质321。前体吸气剂晶种材料280(及(举例来说)目标291(图2))可经调配以包括具有约49.5:49.5:1.0的原子比率的钨-钌-氮(W-Ru-N)、基本上由所述钨-钌-氮(W-Ru-N)组成或由所述钨-钌-氮(W-Ru-N)组成。此组合物经调配以展现在高达高温(例如，高达约500℃)下的非晶结构。钨(W)、钌(Ru)及氮(N)中的每一者可为展现对于硼(B)扩散性物质321的化学亲和力的吸气剂物质281。
在其它实施例中，前体吸气剂晶种材料280(及(举例来说)目标291(图2))可经调配以包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：具有约75:25的原子比率的钨-氮(W-N)，其中钨(W)及氮(N)两者可为展现对于硼(B)扩散性物质321的化学亲和力的吸气剂物质281；具有约46:37:17的原子比率的钨-钌-硼(W-Ru-B)，其中钨(W)及钌(Ru)可为展现对于硼(B)的化学亲和力的吸气剂物质281；具有约45:55的原子比率的钨-钌(W-Ru)，其中钨(W)及钌(Ru)可为展现对于硼(B)的化学亲和力的吸气剂物质281；及具有约小于82到大于18的FeCo对W的原子比率的铁-钴-钨(Fe-Co-W)，其中钨(W)可为展现对于硼(B)的化学亲和力的吸气剂物质281。
在其中氮(N)包含于前体吸气剂晶种材料280中的实施例中的任一者中，在所得单元结构中，材料中的氮(N)的存在还实现低阻尼，且因此实现较低编程电流。
前体吸气剂晶种材料280的另一吸气剂物质282可经选择以具有另一吸气剂物质282与来自前体氧化物材料270的另一扩散性物质372之间的化合物的形成热，所述形成热小于或约等于另一扩散性物质372与前体氧化物材料270的另一物质之间的化合物的形成热。举例来说(而非限制)，在其中次要氧化物材料370经调配以基本上由氧化镁(MgO)组成的实施例中，另一吸气剂物质282可经选择以具有与是另一扩散性物质372的氧(O)的较低形成热(与MgO的氧(O)与镁(Mg)之间的形成热相比)。
在一些实施例中，前体吸气剂晶种材料280可包含钙(Ca)、锶(Sr)、铍(Be)、镧(La)、钡(Ba)、铝(Al)及镁(Mg)中的至少一者作为另一吸气剂物质282。
中间氧化物区域130(图1)由其形成的氧化物材料330可(例如)在退火之前形成于前体磁性材料320上，在所述退火期间，前体磁性材料320(或，更确切地，由前体磁性材料320形成的耗尽磁性材料)经由来自氧化物材料330的晶体结构的传播而结晶。氧化物材料330可包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：举例来说(但不限于)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非磁性区域的其它氧化物材料)。另一种氧化物材料330可为与前体氧化物材料370相同的材料或是包括与前体氧化物材料370相同但具有不同原子比率的元素的材料。举例来说(而非限制)，氧化物材料330及另一前体氧化物材料370两者可包括MgO、基本上由MgO组成或由MgO组成。
氧化物材料330可直接形成(例如，生长、沉积)于前体磁性材料320上。氧化物材料330可在最初形成时结晶(例如，具有bcc(001)结构)或可稍后在退火期间结晶。氧化物材料330可经定位使得在退火(例如，图3的中间结构300的退火)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420(图4))以使得磁性材料(例如，耗尽磁性材料420(图4))能够结晶成相同晶体结构(例如，bcc(001)结构)。
在后续处理期间(例如在使磁性材料(例如，耗尽磁性材料420(图4))结晶的退火期间，或在图3的中间结构300的额外后续退火期间)，扩散性物质321可从前体磁性材料320穿过前体氧化物材料370转移(例如，扩散)到前体吸气剂晶种材料280。同样地，在退火期间，另一扩散性物质372可从前体氧化物材料370转移(例如，扩散)到前体吸气剂晶种材料280。在此发生时，如在图4及4A中所图解说明，吸气剂物质281可与扩散性物质321(现在本文中被称为经扩散物质321')反应及键合，且另一吸气剂物质282可与另一扩散性物质372(现在本文中被称为另一经扩散物质372')反应及键合。因此，前体磁性材料320(图3)转化成“耗尽”磁性材料420，前体氧化物材料370(图3)转化成“耗尽”氧化物材料470，且前体吸气剂晶种材料280(图3)转化成“富集”吸气剂晶种材料480。
至少在其中前体氧化物区域370(图3)的另一扩散性物质372是氧(O)的实施例中，耗尽氧化物区域470可不完全缺乏另一扩散性物质372。而是，一量的氧(O)可保持接近与耗尽磁性材料420的界面172。因此，余留于耗尽氧化物材料470中的任何氧可包含沿着界面172的最大氧浓度。因此，界面172处的氧(O)可用于与耗尽磁性材料420中的(例如)铁(Fe)键合以诱发沿着界面172的界面MA。但是，在耗尽氧化物材料470的整个其余部分中的经减小浓度的氧(O)可减小耗尽氧化物材料470的电阻。在一些实施例中，氧的减少但非完全耗尽可使耗尽氧化物材料470是导电的。因此，所得磁性单元结构可包含双氧化物区域(即，中间氧化物区域130及次要氧化物区域170(图1)，其由耗尽氧化物材料470形成)而不使存储器单元的电阻降级(即，基本上不使电阻升高)。
继续参考图4A，富集吸气剂晶种材料480包含经扩散物质321'、另一经扩散物质372'、吸气剂物质281及另一吸气剂物质282。因此，在其中前体磁性材料320(图3)经调配为CoFeB材料且前体氧化物材料370(图3)经调配以包含氧化镁(MgO)的实施例中，富集吸气剂晶种材料480可包含来自CoFeB材料的硼(B)(作为经扩散物质321')以及来自MgO的氧(O)的一部分(作为另一经扩散物质372')，从而留下沿着与CoFe耗尽磁性材料420的界面172的一些氧(O)(作为扩散性物质372)。
因此，揭示包括包含钴(Co)及铁(Fe)的磁性区域的存储器单元。所述磁性区域展现可切换磁性定向。一个氧化物区域安置于所述磁性区域与展现基本上固定磁性定向的另一磁性区域之间。另一个氧化物区域邻近所述磁性区域且包括接近与所述磁性区域的界面浓缩的氧。非晶吸气剂晶种区域邻近所述另一个氧化物区域。所述吸气剂晶种区域包括氧、硼、氧吸气剂物质以及硼吸气剂物质。
在一些实施例中，前体吸气剂晶种材料280(图3)可经调配以在最初形成于衬底102上方时是非晶的且在转化成富集吸气剂晶种材料480时保持非晶。因此，前体吸气剂晶种材料280(图3)中的吸气剂物质281、282的原子比率可经选择以将最终富集吸气剂晶种材料480中的原子比率修整为将是非晶的且在高退火温度下保持非晶的组合物。
此外，前体吸气剂晶种材料280(图3)可经调配使得前体吸气剂晶种材料280在用于使耗尽磁性材料420结晶的退火期间使用的高温下是稳定的(例如，物质将不扩散出)。因此，在前体吸气剂晶种材料280不抑制结晶的情况下可利用促成耗尽磁性材料420到所要晶体结构(例如，bcc(001)结构)的结晶(例如，通过从氧化物材料330的晶体结构传播)的高温。在不限于任一理论的情况下，预期富集吸气剂晶种材料480的非晶本质避免耗尽磁性材料420中的微结构缺陷，否则在晶体结构从相邻材料(例如，用于中间氧化物区域130(图1)的氧化物材料330(图3))传播到耗尽磁性材料420时，如果富集吸气剂晶种材料480具有不同于所要晶体结构(例如，bcc(001)结构)的微结构且与所述微结构竞争的微结构，那么可形成所述微结构缺陷。此外，由于耗尽磁性材料420可经形成以归因于没有耗尽氧化物材料470对中间氧化物区域130(图1)的氧化物材料330到耗尽磁性材料420之间的晶体结构传播的干扰而展现所要晶体结构，因此自由区域120(图1)可经形成以展现促成高TMR的晶体结构。
举例来说，在其中前体磁性材料320(图3)经调配为CoFeB材料的实施例中，预期利用包括对硼(B)具有化学亲和力的吸气剂物质281的前体吸气剂晶种材料280从CoFeB前体磁性材料320移除硼(B)的扩散性物质321(图3A)可使得耗尽磁性材料420能够在比CoFeB(即，仍包含扩散性物质321的前体磁性材料320(图3))的结晶温度低的温度下结晶。因此，所使用的退火温度(例如，高达约500℃或更大)可使得耗尽磁性材料420能够结晶(例如，通过传播来自相邻材料(例如，中间氧化物区域130(图1)的氧化物材料330)的所要晶体结构)，而不会是如此高的以致于使相邻材料降级(例如，而不使物质(例如，钨(W))从富集吸气剂晶种材料480扩散出)。因此，耗尽磁性材料420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在不遭受实质结构缺陷的情况下形成磁性单元结构(例如，磁性单元结构100(图1))。无实质结构缺陷可实现高TMR。
中间结构300(图3)的其它材料还可由于退火而结晶以形成经退火结构400(图4)。退火工艺可在从约300℃到约700℃(例如，约500℃)的退火温度下进行且可保持在所述退火温度下达从约一分钟(约1min.)到约一小时(约1hr.)。退火温度及时间可基于中间结构300的材料、所要晶体结构(例如，耗尽磁性材料420的所要晶体结构)、来自前体磁性材料320(图3)的经扩散物质321'的所要耗尽量以及来自前体氧化物材料370(图3)的另一经扩散物质372'的所要耗尽量而被修整。
虽然扩散性物质321(图3A)从前体磁性材料320(图3)的移除可促成耗尽磁性材料420的结晶，但进一步预期(而不限于任何特定理论)，所述移除还可促成沿着耗尽磁性材料420与耗尽氧化物材料470之间的界面172、沿着耗尽磁性材料420与中间氧化物区域130(图1)之间的界面132(图1)或沿着界面172、132两者的MA的诱发。举例来说，在缺失扩散性物质321(图3A)的情况下，耗尽磁性材料420的其它物质可具有比所述其它物质在扩散性物质321仍并入于前体磁性材料320中的情况下将具有的与氧化物材料的相互作用更大的与氧化物材料的相互作用。此外，经扩散物质321'(图4A)经由与吸气剂物质281的化学键合而留存于富集吸气剂晶种材料480中可避免经扩散物质321'扩散到磁性区域(例如，自由区域120)与其相邻MA诱发氧化物区域之间的界面172、132(图1)。此可实现比可以其它方式实现的MA诱发相互作用更大的沿着界面172、132(图1)的MA诱发相互作用。因此，MA强度可由于存在前体吸气剂晶种材料280(或，更确切地，富集吸气剂晶种材料480)而比无前体吸气剂晶种材料280(或，更确切地，富集吸气剂晶种材料480)的相同结构的MA强度大。
举例来说，在其中前体磁性材料320是CoFeB材料(其中硼(B)是扩散性物质321)的实施例中，来自前体磁性材料320的硼(B)扩散性物质321的扩散可抑制硼(B)扩散性物质321沿着界面172逗留，否则在界面172中，硼(B)扩散性物质321可干扰界面MA的诱发。预期在沿着界面172具有大量硼(B)的情况下，硼(B)的存在可抑制在磁性材料(例如，耗尽磁性材料420(图4))与氧化物材料(例如，耗尽氧化物材料470(图4))之间形成键合(例如诱发MA的铁-氧(Fe-O)键合)。因此，前体吸气剂晶种材料380中的吸气剂物质281接近于前体磁性材料320可实现较高界面MA诱发，这是因为扩散性物质321可被引导到前体吸气剂晶种材料380且远离界面172。
虽然自由区域120(图1)被描述为“由”包括扩散性物质321(图3A)的前体磁性材料320(例如，CoFeB材料)“形成”，但所制造磁性单元核心101(图1)(或本发明的任何单元核心)的自由区域120可包括比在前体磁性材料320最初形成时基本上少的扩散性物质321(例如硼(B))。同样地，虽然次要氧化物区域170(图1)被描述为“由”包括另一扩散性物质372(例如，氧(O))的前体氧化物材料320(图3)(例如，包含MgO的材料)“形成”，但所制造磁性单元核心101(图1)(或本发明的任何单元核心)的次要氧化物区域170可包括比在前体氧化物材料370最初形成时基本上少的另一扩散性物质372(例如氧(O))。
在退火之后，磁性单元结构的其它材料可形成于经退火中间结构400上方，以形成如在图5中所图解说明的前体结构500。在其它实施例中，磁性单元结构100(图1)的其它材料可(例如)在退火之前形成于(例如)氧化物材料330上方，且可与下部材料一起经退火。
继续参考图5，固定区域110(图1)将由其形成的另一磁性材料510可(例如)在使耗尽磁性材料420结晶的退火阶段之前或之后直接形成(例如，生长、沉积)于氧化物材料330上。另一磁性材料510可包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：举例来说(但不限于)铁磁性材料，其包含钴(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，另一磁性材料510可包括CoFeB材料。在一些实施例中，另一磁性材料510可包含与前体磁性材料320(图3)相同的材料，或具有相同元素但成不同原子比率的材料。
在其中固定区域110(图1)经配置以具有图1A的固定区域110'的结构的实施例中，用于中间部分115(图1A)的中间材料可形成于另一磁性材料510上方。中间材料可包括导电材料(例如，钽(Ta))、基本上由所述导电材料组成或由所述导电材料组成。分别用于磁性子区域118(图1A)及耦合剂子区域119(图1A)的交替磁性材料及耦合剂材料可形成于中间材料上。举例来说(而非限制)，交替磁性材料及耦合剂材料可包括以下各项、基本上由以下各项组成或由以下各项组成：钴/钯(Co/Pd)多子区域；钴/铂(Co/Pt)多子区域；钴/镍(Co/Ni)多子区域；钴/铱(Co/Ir)多子区域；基于钴/铁/铽(Co/Fe/Tb)的材料、L10材料、耦合剂材料，或常规固定区域的其它磁性材料。
在一些实施例中，任选地，一或多个上部中间材料550可形成于另一磁性材料510(以及固定区域110(图1)将由其形成的任何其它材料)上方。形成任选上部中间区域150(图1)的上部中间材料550(如果包含)可包括经配置以确保相邻材料中的所要晶体结构的材料、基本上由所述材料组成或由所述材料组成。上部中间材料550可替代地或另外包含经配置以辅助在磁性单元的制造期间的图案化工艺的金属材料、势垒材料或常规STT-MRAM单元核心结构的其它材料。在一些实施例中，上部中间材料550可包含将形成为导电封盖区域的导电材料(例如，例如铜、钽、钛、钨、钌、铪、锆、氮化钽或氮化钛等一或多种材料)。
上部电极104(图1)可由其形成的另一导电材料504可形成于另一磁性材料510(以及固定区域110(图1)将由其形成的任何其它材料)以及(如果存在)上部中间材料550上方。在一些实施例中，另一导电材料504与上部中间材料550(如果存在)彼此成整体，例如，其中上部中间材料550是导电材料504的下部子区域。
前体结构500接着可在一或多个阶段中经图案化以形成根据图1中图解说明的实施例的磁性单元结构100。用于对例如前体结构500等结构进行图案化以形成例如磁性单元结构100(图1)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。
在对前体结构500进行图案化之后，磁性单元结构100包含磁性单元核心101，磁性单元核心101包含次要氧化物区域170及接近于自由区域120的吸气剂晶种区域180。自由区域120包含由前体磁性材料320(图3)形成的耗尽磁性材料420(图4)，且包括比在无接近于自由区域120的吸气剂晶种区域180的情况下由前体磁性材料320(图3)形成的自由区域低的扩散性物质321(图3A)的浓度。次要氧化物区域170包含由前体氧化物材料370(图3)形成的耗尽氧化物材料470(图4)，且包括比在无接近于次要氧化物区域170的吸气剂晶种区域180的情况下由前体氧化物材料370(图3)形成的次要氧化物区域低的另一扩散性物质372(图3A)的浓度。
在一些实施例中，接近于吸气剂晶种区域180的磁性区域(例如，自由区域120)可基本上或完全耗尽扩散性物质321。在其它实施例中，磁性区域可部分地耗尽扩散性物质321。在此类实施例中，一或若干磁性区域可在其中具有扩散性物质321(例如，硼)的梯度，其中相对于彼此来说，低浓度的扩散性物质321沿着界面172(图1)邻近于吸气剂晶种区域180，且高浓度的扩散性物质321沿着界面132(图1)与吸气剂晶种区域180相对。在一些实施例中，在退火之后或期间，扩散性物质321的浓度可均衡。
由结晶耗尽磁性材料420(图4)形成的自由区域120可具有可至少部分地由于扩散性物质321的移除以及经扩散物质321到吸气剂物质281的键合且至少部分地由于吸气剂晶种区域180的非晶微结构而基本上无缺陷的所要晶体结构。
自由区域120的结晶性可使磁性单元结构100能够在使用及操作期间展现高TMR。此外，自由区域120的耗尽磁性材料420可促成与相邻氧化物区域(例如，次要氧化物区域170及中间氧化物区域130)的MA诱发。
由耗尽氧化物材料470(图4)形成的次要氧化物区域170可具有低电阻，例如，可为导电的，其中沿着与自由区域120的界面172具有最大氧浓度。
因此，可由于自由区域120中从双氧化物区域两者(即，中间氧化物区域130及次要氧化物区域170)的MA诱发而促成高MA强度，而还不展现高电阻(例如，高电阻区(RA))及高阻尼。在其中吸气剂晶种区域180包含氮(N)的实施例中，甚至可进一步实现低阻尼。
因此，揭示一种形成存储器单元的方法，所述方法包括形成前体结构。形成前体结构包括在衬底上方形成前体吸气剂晶种材料。在前体吸气剂晶种材料上方形成前体氧化物材料。在前体氧化物材料上方形成前体磁性材料。使来自所述前体磁性材料的扩散性物质扩散到所述前体吸气剂晶种材料，且使来自所述前体氧化物材料的氧扩散到所述前体吸气剂晶种材料，以使所述前体磁性材料的至少一部分转化成耗尽磁性材料，使所述前体氧化物材料的至少一部分转化成氧耗尽材料，且使所述前体吸气剂晶种材料的至少一部分转化成富集吸气剂晶种材料。对所述前体结构进行图案化，以形成包括由所述富集吸气剂晶种材料形成的吸气剂晶种区域、由所述氧耗尽材料形成的次要氧化物区域以及由所述耗尽磁性材料形成的自由区域的单元核心结构。
参考图6，图解说明根据本发明的另一实施例的磁性单元结构600。磁性单元结构600包含磁性单元核心601，磁性单元核心601包括吸气剂次要氧化物区域670。吸气剂次要氧化物区域670可由如在图7中所图解说明的前体吸气剂氧化物材料770形成，前体吸气剂氧化物材料770包含与上文描述的前体氧化物材料370(图3)相同的材料，同时还包含经调配以具有对于前体磁性材料320的扩散性物质321的化学亲和力的额外吸气剂物质281'。举例来说，在一个实施例中，前体吸气剂氧化物材料770可包含氧化镁(MgO)以及经添加额外吸气剂物质281′。前体吸气剂氧化物材料770可安置于中间结构700内，在前体吸气剂晶种材料280与前体磁性材料320之间。
如在图7A中所图解说明，扩散性物质321(例如，硼(B))可不仅被吸引到前体吸气剂晶种材料280中的吸气剂物质281，而且还被吸引到前体吸气剂氧化物材料770中的额外吸气剂物质281'。因此，继退火之后，经退火结构800(如在图8及8A中所图解说明)包含由前体吸气剂氧化物材料770形成的“富集-耗尽”氧化物材料870。富集-耗尽氧化物材料870富集有某一量的经扩散物质321'(其键合到额外吸气剂物质281')，且除了沿着界面172之外耗尽另一扩散性物质372(例如，氧(O))。
额外吸气剂物质281'可与富集吸气剂晶种材料480中的氧吸气剂物质281相同或不同。因此，额外吸气剂物质281'可选自上文关于吸气剂物质281所描述的物质中的任一者。
为形成前体氧化物材料770(图7)，可在形成前体磁性材料320之前将额外吸气剂物质281'植入到前体氧化物材料370(图3)中。举例来说(而非限制)，可通过使用物理气相沉积(PVD)共溅镀额外吸气剂物质281'及前体氧化物材料370(图3)两者而将额外吸气剂物质281'并入到前体氧化物材料370中。作为另一实例(而非限制)，可在沉积前体氧化物材料370期间以气体的形式引入额外吸气剂物质281'。接着可形成前体结构900的其余材料，如在图9中所图解说明，且前体结构900经图案化以形成图6的磁性单元结构600。
在其中次要氧化物区域170(图1)或吸气剂次要氧化物区域670(图6)经调配以包括氧化镁(MgO)的本发明的此实施例或前述实施例中，前体吸气剂晶种材料280与前体氧化物材料370(图3)或前体吸气剂氧化物材料770(图7)的经组合组合物可使得镁(Mg)对氧(O)对吸气剂物质281(例如，硼吸气剂物质)(包含额外吸气剂物质281'(如果使用前体吸气剂氧化物材料770))对另一吸气剂物质282(例如，氧吸气剂物质)的原子比率(即，Mg:O:B吸气剂:O吸气剂原子比率)可从约40:40:10:10到约45:45:5:5。因此，吸气剂物质281(包含额外吸气剂物质281'(如果包含))及另一吸气剂物质282中的一或多者可处于低原子能级(例如，小于约10原子％(例如，小于约5原子％，例如，小于约2原子％)的“掺杂剂”能级)。
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非晶前体吸气剂晶种材料。所述非晶前体吸气剂晶种材料包括硼吸气剂物质及氧吸气剂物质。在所述非晶前体吸气剂晶种材料上方形成包括氧的前体氧化物材料。在所述前体氧化物材料上方形成包括硼的前体磁性材料。在所述前体磁性材料上方形成另一种氧化物材料。至少对所述前体磁性材料及所述前体氧化物材料进行退火，以使来自所述前体磁性材料的所述硼与所述非晶前体吸气剂晶种材料的所述硼吸气剂物质反应且使来自所述前体氧化物材料的所述氧与所述非晶前体吸气剂晶种材料的所述氧吸气剂物质反应。
参考图10，图解说明STT-MRAM系统1000，STT-MRAM系统1000包含与STT-MRAM单元1014可操作地通信的外围装置1012，可制造STT-MRAM单元1014群组以形成呈包含若干个行及列的栅格图案或呈各种其它布置(其取决于系统要求及制造技术)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)的导电材料以及可充当源极线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以及读出放大器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)、601(图6))中的任一者。由于单元核心1002的结构、制造方法或此两者，STT-MRAM单元1014可具有高MA强度、低电阻(例如，低电阻区(RA)产品)、低阻尼以及高TMR。
在使用及操作中，当STT-MRAM单元1014经选择以被编程时，将编程电流施加到STT-MRAM单元1014，且所述电流通过单元核心1002的固定区域经自旋极化并将扭矩施加于单元核心1002的自由区域上，此切换自由区域的磁化以“写入到”或“编程”STT-MRAM单元1014。在STT-MRAM单元1014的读取操作期间，电流用于检测单元核心1002的电阻状态。
为起始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中的自由区域的磁性定向的切换。通过利用自旋极性而改变自由区域的磁性定向，根据编程电流的自旋极性将自由区域磁化，将经编程逻辑状态写入到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的经编程状态与跨越单元核心1002的电阻有关，所述电阻可由数据/感测线1004与源极线1006之间的电压差确定。在一些实施例中，可将所述电压差与位线参考1008进行比较且由读出放大器1009放大所述电压差。
图10图解说明可操作STT-MRAM系统1000的一个实例。然而，预期磁性单元核心101(图1)、601(图6)可并入于且用于经配置以并入有具有磁性区域的磁性单元核心的任一STT-MRAM系统内。
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单元包括在衬底上方的磁性隧穿结子结构。所述磁性隧穿结子结构包括自由区域、固定区域及中间氧化物区域。所述自由区域展现垂直可切换磁性定向。所述固定区域展现垂直基本上固定磁性定向。所述中间氧化物区域介于所述自由区域与所述固定区域之间。另一个氧化物区域接触所述自由区域。非晶区域接近所述自由区域及所述另一个氧化物区域。所述非晶区域包括硼及氧。
参考图11，图解说明根据本文中描述的一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可包含包括上文论述的磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、601(图6))中的任一者的多个STT-MRAM单元1014(图10)，所述磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、601(图6))可根据上文描述的方法而形成且可根据上文描述的方法而操作。控制逻辑组件1104可经配置以与存储器阵列1102操作地相互作用，以便从存储器阵列1102内的任一或所有存储器单元(例如，STT-MRAM单元1014(图10))读取或向其写入。
参考图12，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制作的各种电子装置。基于处理器的系统1200可为例如计算机、寻呼机、蜂窝式电话、个人备忘记事本、控制电路或其它电子装置等各种类型中的任一者。基于处理器的系统1200可包含一或多个处理器1202(例如，微处理器)以控制对基于处理器的系统1200中的系统功能及请求的处理。处理器1202及基于处理器的系统1200的其它子组件可包含根据本发明的实施例制作的磁性存储器装置。
基于处理器的系统1200可包含与处理器1202可操作地通信的电力供应器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、可更换电池以及可充电电池中的一或多者。电力供应器1204还可包含AC适配器；因此，举例来说，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。
各种其它装置可耦合到处理器1202，此取决于基于处理器的系统1200执行的功能。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、语音辨识系统、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、等离子体显示器、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接收器且耦合到RF发射器(未展示)的天线。一通信端口1212或多于一个通信端口1212也可耦合到处理器1202。举例来说，通信端口1212可适于耦合到一或多个外围装置1214(例如调制解调器、打印机、计算机、扫描仪或相机)，或耦合到网络(例如局域网、远程区域网络、内联网或因特网)。
处理器1202可通过实施存储于存储器中的软件程序来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。存储器可操作地耦合到处理器1202以存储各种程序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)、赛道存储器以及其它已知存储器类型中的一或多者。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通常是大的，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)、包含上文描述的磁性单元核心101(图1)、601(图6)中的任一者的存储器单元，或其组合。
处理器1202还可耦合到非易失性存储器1218，此不暗示系统存储器1216必然是易失性的。非易失性存储器1218可包含将联合系统存储器1216使用的STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如EPROM、电阻式只读存储器(RROM))及快闪存储器中的一或多者。非易失性存储器1218的大小通常经选择以刚好大到足以存储任何必要操作系统、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，例如混合式驱动器(包含电阻式存储器)或其它类型的非易失性固态存储器。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)、包含上文描述的磁性单元核心101(图1)、601(图6)中的任一者的存储器单元，或其组合。
虽然本发明易于在其实施方案中作出各种修改及替代形式，但已在图式中通过实例的方式展示并在本文中详细描述特定实施例。然而，本发明并非打算限于所揭示的特定形式。而是，本发明涵盖归属于由所附权利要求书及其合法等效内容界定的本发明范围内的所有修改、组合、等效内容、变化及替代方案。

Claims (20)

1.一种半导体装置，其包括：
至少一个存储器单元，其包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括：
磁性隧穿结子结构，其包括：
固定区域；
自由区域；及
中间氧化物区域，其介于所述固定区域与所述自由区域之间；
次要氧化物区域，其邻近所述磁性隧穿结子结构；及
吸气剂晶种区域，其接近所述次要氧化物区域且包括键合到氧的氧吸气剂物质，
所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域中的至少一者包括键合到经扩散物质的另一吸气剂物质。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述自由区域是由前体磁性材料形成；且
键合到所述另一吸气剂物质的所述经扩散物质是从所述前体磁性材料扩散。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述次要氧化物区域是由前体氧化物材料形成；且
键合到所述氧吸气剂物质的所述氧是从所述前体氧化物材料扩散。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述次要氧化物区域是导电的。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧吸气剂物质包括钙(Ca)、锶(Sr)、铍(Be)、镧(La)、钡(Ba)、铝(Al)及镁(Mg)中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述另一吸气剂物质包括钽(Ta)、钌(Ru)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、氮(N)、铪(Hf)及镍(Ni)中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述经扩散物质包括硼(B)。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述吸气剂晶种区域展现非晶结构。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述存储器单元展现大于约1.20(120％)的隧穿磁阻TMR。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域两者包括所述另一吸气剂物质。
11.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域中的所述至少一者中仅所述吸气剂晶种区域包括所述另一吸气剂物质。
12.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述自由区域包括钴(Co)及铁(Fe)，所述自由区域展现可切换磁性定向；
所述固定区域展现基本上固定磁性定向；
所述次要氧化物区域包括接近与所述自由区域的界面浓缩的氧；
所述吸气剂晶种区域展现非晶结构；
所述另一吸气剂物质经调配为硼吸气剂物质；
所述经扩散物质包括硼(B)；且
所述吸气剂晶种区域包括键合到所述氧的所述氧吸气剂物质且包括键合到所述硼(B)的所述硼吸气剂物质。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其中所述自由区域及所述固定区域展现垂直磁性定向。
14.根据权利要求12所述的存储器单元，其中所述硼吸气剂物质包括钨(W)、钌(Ru)及氮(N)。
15.根据权利要求1到14中任一权利要求所述的半导体装置，其中所述至少一个存储器单元包括呈阵列的多个存储器单元，所述至少一个存储器单元与至少一个外围装置可操作地通信。
16.一种形成存储器单元的方法，其包括：
形成前体结构，其包括：
在衬底上方形成前体吸气剂晶种材料；
在所述前体吸气剂晶种材料上方形成前体氧化物材料；
在所述前体氧化物材料上方形成前体磁性材料；及
使来自所述前体磁性材料的扩散性物质扩散到所述前体吸气剂晶种材料，且使来自所述前体氧化物材料的氧扩散到所述前体吸气剂晶种材料，以使所述前体磁性材料的至少一部分转化成耗尽磁性材料，使所述前体氧化物材料的至少一部分转化成氧耗尽材料，且使所述前体吸气剂晶种材料的至少一部分转化成富集吸气剂晶种材料；及
对所述前体结构进行图案化以形成单元核心结构，所述单元核心结构包括：
来自所述富集吸气剂晶种材料的吸气剂晶种区域；
由所述氧耗尽材料形成的次要氧化物区域；及
由所述耗尽磁性材料形成的自由区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其中使来自所述前体磁性材料的扩散性物质扩散到所述前体吸气剂材料且使来自所述前体氧化物材料的氧扩散到所述前体吸气剂材料包括：使来自所述前体磁性材料的所述扩散性物质穿过所述前体氧化物材料扩散到所述前体吸气剂材料。
18.根据权利要求16所述的方法，其中在所述前体吸气剂晶种材料上方形成前体氧化物材料包括：将对所述扩散性物质具有化学亲和力的吸气剂物质并入到氧化物材料中。
19.根据权利要求16所述的方法：
其中形成前体吸气剂晶种材料包括在所述衬底上方形成非晶前体吸气剂晶种材料，所述非晶前体吸气剂晶种材料包括硼吸气剂物质及氧吸气剂物质；
其中形成前体磁性材料包括形成包括硼的前体磁性材料；
所述方法进一步包括在所述前体磁性材料上方形成另一种氧化物材料；且
其中使来自所述前体磁性材料的扩散性物质扩散且使来自所述前体氧化物材料的氧扩散包括至少对所述前体磁性材料及所述前体氧化物材料进行退火，以使来自所述前体磁性材料的所述硼与所述非晶前体吸气剂晶种材料的所述硼吸气剂物质反应且使来自所述前体氧化物材料的氧与所述非晶前体吸气剂晶种材料的所述氧吸气剂物质反应。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在所述衬底上方形成非晶前体吸气剂晶种材料包括同时进行以下操作：
溅镀来自溅镀目标的所述硼吸气剂物质；及
溅镀来自另一溅镀目标的所述氧吸气剂物质。
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