JP6212646B2 - メモリセル、製造方法、及び、半導体デバイス - Google Patents
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Description
＜優先権の主張＞
この出願は、「 MEMORY CELLS, METHODS OF FABRICATION, AND SEMICONDUCTOR DEVICES」に対する、２０１３年９月１８日出願の米国特許出願第１４／０３０，７６３号の出願日の利益を主張する。
この出願は、「 MEMORY CELLS, METHODS OF FABRICATION, AND SEMICONDUCTOR DEVICES」に対する、２０１３年９月１８日出願の米国特許出願第１４／０３０，７６３号の出願日の利益を主張する。
＜技術分野＞
本開示は、様々な実施形態において、一般に、メモリデバイス設計及び製造の分野に関する。より詳しくは、この開示は、スピン注入メモリ（spin torque transfer magnetic random access memory（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ））セルとして特徴付けられるメモリセルの設計及び製造に関する。
本開示は、様々な実施形態において、一般に、メモリデバイス設計及び製造の分野に関する。より詳しくは、この開示は、スピン注入メモリ（spin torque transfer magnetic random access memory（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ））セルとして特徴付けられるメモリセルの設計及び製造に関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、磁気抵抗に基づいた、不揮発性コンピュータメモリ技術である。ＭＲＡＭの一つの種類は、基板に支持された磁気セルコアを含む、スピン注入メモリ（spin torque transfer MRAM （ＳＴＴ−ＭＲＡＭ））セルである。磁気セルコアは、間に非磁性領域を有する、例えば、「固定領域（ｆｉｘｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）」と「自由領域（ｆｒｅｅ ｒｅｇｉｏｎ）」の、少なくとも２つの磁性領域を含む。自由領域と固定領域は、領域の幅に対し、水平方向（平面内（ｉｎ ｐｌａｎｅ））あるいは、直交方向（平面外（ｏｕｔ ｏｆ ｐｌａｎｅ））のいずれかに方向づけられた磁性配向を示すことがある。固定領域は、実質的に固定された（例えば、スイッチング不可能な）磁性配向を有する磁性材料を含む。他方、自由領域は、「平行（ｐａｒａｌｌｅｌ）」構成と「反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）」構成との間で、セルの動作中に、スイッチングすることが出来る磁性配向を有する磁性材料を含む。平行構成においては、固定領域と自由領域の磁性配向は、同一の方向（例えば、それぞれ、北と北、東と東、南と南、あるいは西と西）に向けられる。「反平行」構成においては、固定領域と自由領域の磁性配向は、反対の方向（例えば、それぞれ、北と南、東と西、南と北、あるいは、西と東）に向けられる。平行構成においては、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁気抵抗素子（例えば、固定領域と自由領域）に渡って、より低い電気抵抗を示す。この低電気抵抗の状態は、ＭＲＡＭセルの「０」論理状態として規定されることが出来る。反平行構成においては、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁気抵抗素子に渡って、より高い電気抵抗を示す。この高い電気抵抗の状態は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの「１」論理状態として規定されることが出来る。
自由領域の磁性配向のスイッチングは、磁気セルコアと、その中の固定および自由領域とに、プログラミング電流を流すことによって達成されることが出来る。固定領域は、プログラミング電流の電子スピンを偏極させ、スピン偏極された電流がコアを流れることにより、トルクが生成される。スピン偏極された電子流は、自由領域にトルクを加える。コアを流れるスピン偏極された電子流のトルクが自由領域の臨界スイッチング電流密度（Ｊｃ）より大きい場合、自由領域の磁性配向の方向がスイッチングされる。従って、プログラミング電流は、磁性領域に渡って、電気抵抗を変化させるために用いられることが出来る。その結果として生じる、磁気抵抗素子に渡る高い、あるいは低い電気抵抗状態は、ＭＲＡＭセルの書き込み及び読み出し動作を可能とする。自由領域の磁性配向をスイッチングして、望ましい論理状態に関連した、平行構成及び反平行構成のうちの一つを達成した後、自由領域の磁性配向は、通常、ＭＲＡＭセルが、異なる構成（つまり異なる論理状態）書き換えられるまで、「格納」ステージの間、維持されることが望まれる。
磁性領域の磁気異方性（ＭＡ）は、材料の磁気特性の方向依存性を示す。従って、ＭＡは、また、材料の磁性配向の強さと、その方向の変化に対する抵抗の強さを示す。高いＭＡ強度を有する磁性配向を示す磁性材料は、低いＭＡ強度を有する磁性配向を示す磁性材料よりもその磁性配向が変化しにくいであろう。従って、高いＭＡ強度を有する自由領域は、低いＭＡ強度を有する自由領域よりも、格納の間、より安定であろう。
ある非磁性材料（例えば、酸化物材料）と磁性材料との間の接触、あるいは、準接触は、磁性材料の表面に沿ってＭＡを誘導し（例えば、ＭＡ強度を増加し）、磁性材料及びＭＲＡＭセルの全体のＭＡ強度を増加することが出来る。一般に、磁性材料の非接触部分に対するＭＡ誘導材料の表面／界面と接触する磁性材料の比が大きいほど、磁性領域のＭＡ強度は大きい。従って、一般に、従来の磁性セル構造は、磁性材料とＭＡ誘導材料の間に他の材料を挟むことなく、例えば、自由領域の磁性材料を隣接するＭＡ誘導酸化物領域に直接接触する。
自由領域の他の有益な特性は、しばしば、厚い（つまり、大きい、垂直方向の寸法を有する）自由領域と自由領域の微細構造とに関連している。これらの特性は、例えば、セルのトンネル磁気抵抗（「ＴＭＲ］）を含む。ＴＭＲは、反平行構成にあるセルの電気抵抗（Ｒａｐ）と平行構成にあるその抵抗（Ｒｐ）との差のＲｐに対する比（つまり、ＴＭＲ＝（Ｒａｐ−Ｒｐ）／Ｒｐ」である。一般に、磁気材料の微細構造における幾つかの構造的欠陥を有する厚い自由領域は、構造的欠陥を有する薄い自由領域よりも高いＴＭＲを有する。高いＴＭＲを有するセルは、大きい読み出し信号を有し、これは、動作中、ＭＲＡＭセルの読み出しを高速化することが出来る。高いＴＭＲは、また、小さいプログラミング電流の使用も可能にする。
厚く、欠陥のない自由領域は、また、薄く、欠陥のある自由領域に比べ、より高いエネルギーバリア（Ｅｂ）とより高いエネルギーバリア比（Ｅｂ／ｋＴ）を有している。エネルギーバリア比は、ｋをボルツマン定数、Ｔを温度として、ＥｂのｋＴに対する比である。Ｅｂとエネルギーバリア比は、セルの熱安定性、従って、そのデータ保持性を示す。より高いＥｂ及びより高いエネルギーバリア比により、セルに、早過ぎるスイッチング（例えば、格納の間、プログラムされた平行あるいは反平行構成からのスイッチング）が起こりにくくなるだろう。
「磁気的に連続」な（つまり、磁性材料間に分散される非磁性材料によって途切れることのない）欠陥のない自由領域は、欠陥のある、磁気的に途切れた自由領域よりも、より高い交換硬度を有するだろう。交換硬度（Ａ＝Ｅｅｘ／ａ，Ｅｅｘ＝原子ごとの交換エネルギー，ａ = 距離）は、磁性材料の特性である。一般に、磁性材料の交換硬度が高いほど、磁性材料は、ＭＲＡＭセルの自由領域として、より良く機能することが出来る。
２つのＭＡ誘導材料の間に、厚い自由領域を配置し、ＭＡ誘導材料に曝される磁気材料の表面積を２倍にすることによって、高いＴＭＲを引き起こす厚さ、あるいは、他の特性と共に、高いＭＡ強度を有する自由領域を形成する努力がなされてきた。しかし、従来のＭＡ誘導材料は、電気的に抵抗性を有するだろう。従って、ＭＲＡＭセルに、第２のＭＡ誘導材料領域を含めることは、磁気セルコアの電気抵抗を増加する。従来のＭＲＡＭセル構造に第２のＭＡ誘導材料領域を含めることは、また、セルコアにおける構造的欠陥を導くだろう。従って、高いＭＡ強度、高いＴＭＲ、高いエネルギーバリア及びエネルギーバリア比、及び高い交換硬度を有するＭＲＡＭセル構造を形成することは、挑戦的な課題を提示してきた。
メモリセルが開示される。メモリセルは、磁性領域と他の磁性領域とを含む磁気セルコアを含む。磁性領域は、スイッチング可能な磁性配向を示し、拡散可能な化学種と、少なくとも１つの他の化学種とを含む磁性材料から形成される。他の磁性領域は、固定磁性配向を示す。中間の酸化物領域は、磁性領域と他の磁性領域との間にある。他の酸化物領域は、磁性領域によって、中間の酸化物領域から離隔されている。アトラクタ材料は、磁性材料の近傍にある。拡散可能な化学種に対するアトラクタ材料の化学親和力は、拡散可能な化学種に対する少なくとも１つの他の化学種の化学親和力よりも大きい。
また、磁気メモリセルの形成方法が開示される。その方法は、前構造を形成することを含む。前構造を形成することは、酸化物材料と他の酸化物材料との間に磁性材料を形成することを含む。磁性材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す。磁性材料の近に、他のアトラクタ材料が形成される。アトラクタ材料は、磁性材料の拡散可能な化学種に対する化学親和力を有する。拡散可能な化学種は、磁性材料からアトラクタ材料に送達される。磁気セルコア構造は、前構造から形成される。
半導体デバイスも開示される。半導体デバイスは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルを含むスピン注入メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）アレイを含む。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのうちの少なくとも１つのＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、基板に渡って自由領域を含む。アトラクタ領域は、自由領域の近傍にある。アトラクタ領域は、アトラクタ材料と、自由領域から拡散された化学種とを含む。アトラクタ材料は、化学種に対する化学親和力を有する。化学種の酸化物は、自由領域に磁気異方性を誘導する。中間酸化物領域は、自由領域の上にあり、固定領域は、中間酸化物領域の上にある。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルを含む、スピン注入メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）アレイを含む半導体デバイスも開示される。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのうちの少なくとも１つのＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、基板上に酸化物領域を含む。結晶磁性領域は、酸化物領域上にある。結晶磁性領域は、磁性材料から形成される。アトラクタ材料は、結晶磁性領域の近傍にある。磁性材料から拡散された化学種に対するアトラクタ材料の化学親和力は、拡散された化学種に対する磁性材料の少なくとも１つの他の化学種の化学親和力よりも高い。中間酸化物領域は、結晶磁性領域の上にある。他の磁性領域は、中間酸化物領域の上にある。
半導体デバイスも開示される。半導体デバイスは、磁気メモリセルのアレイを含む。磁気メモリセルのアレイのうちの少なくとも１つの磁気メモリセルは、基板上の酸化物領域の上の少なくとも２つの磁性領域を含む。少なくとも２つの磁性領域のうちの１つは、スイッチング可能な磁性配向を示す。アトラクタ材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す少なくとも２つの磁性領域のうちの１つの近傍にある。アトラクタ材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す少なくとも２つの磁性領域のうちの１つから拡散された化学種へ化学結合される。中間酸化物領域は、少なくとも２つの磁性領域の間にある。
メモリセル、メモリセルを形成する方法、半導体デバイス、メモリシステム、及び電子システムが開示される。メモリセルは、２つの酸化物領域の間で、磁性材料から形成される、磁性領域（例えば、自由領域）を含む。両酸化物領域は、磁気異方性（ＭＡ）を誘導する領域とすることが出来る。磁性領域が形成される磁性材料は、「拡散可能な化学種」と、少なくとも１つの他の化学種とを含む。磁性材料内の拡散可能な化学種の存在は、磁性材料が磁性を示すのにかならずしも必要ではないことがある。アトラクタ材料は、磁性領域の近傍にあり、磁性材料の拡散可能な化学種と、少なくとも１つの他の化学種との間の化学親和力よりも大きな、拡散可能な化学種に対する化学親和力を有するように調製される。従って、アトラクタ材料の磁性領域への近接によって、例えば、アニールの間に、拡散可能な化学種が、磁性材料から除去され、アトラクタ材料に組み込まれることになる。磁性材料からの拡散可能な化学種の除去は、高いＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）を促進し、ほとんど構造的欠陥を含まない、望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）を有する磁性領域の結晶化を可能とすることが出来る。従って、磁性領域は、高いエネルギーバリア（Ｅｂ）とエネルギーバリア比（Ｅｂ／ｋＴ）を可能とする、厚さ（例えば、約１０Å（約１．０ｎｍ）より大きい、約８Å（約０．８ｎｍ）より大きい高さ）に形成されることが出来る。更に、２つのＭＡ誘導酸化物領域間に磁性材料を配置することは、高いＭＡ強度を可能とする。高いＭＡ強度は、アトラクタ材料が、酸化物材料と磁性材料との間にある実施形態においても、達成されることが出来る。更に、磁性領域は、非磁性材料によって途切れることのない、高い交換硬度を可能にする、連続な磁性領域として形成されることが出来る。
ここに用いられるように、語句「基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」は、メモリセル内のもののようなコンポーネントが形成される基礎材料あるいは他の構成を意味し、含む。基板は、半導体基板、支持構造上の基礎半導体材料、金属電極、あるいは、その上に形成される１以上の材料、構造あるいは、領域を有する半導体基板とすることが出来る。基板は、従来のシリコン基板あるいは、半導電性材料を含む他のバルクの基板とすることが出来る。ここに用いられるように、語句「バルクな基板（ｂｕｌｋ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」は、シリコンウエハのみを意味し、含むものではなく、他の中でも、シリコンオンサファイア（「ＳＯＳ」）基板、あるいは、シリコンオングラス（「ＳＯＧ」）基板などの、シリコンオンインスレータ（「ＳＯＩ」）基板、基礎の半導体下地上のシリコンのエピタキシャル層、あるいは、シリコン−ゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、ここで、ｘは、例えば、０．２と０．８の間のモル分率）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、あるいは、リン化インジウム（ＩｎＰ）などの他の半導体あるいは光電気材料も含む。更に、以下の記述において、「基板」を参照する場合には、以前の処理ステージが、基礎の半導体構造あるいは下地に、材料、領域、あるいは、接合を形成するために利用されることが出来る。
ここに用いられるように、語句「ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ ｃｅｌｌ）」は、自由領域と固定領域との間に配置される非磁性領域を含む磁気セルコアを含む磁気セル構造を意味し、含む。非磁性領域は、磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）構成において、電気的に絶縁（例えば、誘電体）領域とすることが出来る。例えば、自由領域及び固定領域の間の、非磁性領域は、酸化物領域（ここでは、「中間酸化物領域（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｏｘｉｄｅ ｒｅｇｉｏｎ）」と呼ぶ）とすることが出来る。
ここに用いられるように、語句「磁気セルコア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｅｌｌ ｃｏｒｅ）」は、自由領域と固定領域とを含み、メモリセルの使用及び動作中に、電流がそこを通って（つまり、流れて）、自由領域と固定領域との磁性配向の平行構成あるいは反平行構成を実現するメモリセル構造を意味し、含む。
ここに用いられるように、語句「磁性領域（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）」は、磁性を示す領域を意味する。磁性領域は、磁性材料を含み、また、１以上の非磁性材料を含むことが出来る。
ここに用いられるように、語句「磁性材料（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、強磁性材料、フェリ磁性材料、反強磁性、及び、常磁性材料を意味し、含む。
ここに用いられるように、語句「ＣｏＦｅＢ材料（ＣｏＦｅＢ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びボロン（Ｂ）（例えば、ＣｏｘＦｅｙＢｚ、ここで、ｘ＝１０から８０、ｙ＝１０から８０、及びｚ＝０から５０）を含む材料を意味し、含む。ＣｏＦｅＢ材料は、その構成（例えば、その厚さ）に依存して、磁性を示したり、示さなかったりする。
ここに用いられるように、語句「化学種（ｓｐｅｃｉｅｓ）」は、材料を構成する元素あるいは複数の元素を意味し、含む。例えば、限定的ではく、ＣｏＦｅＢ材料においては、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＢのそれぞれが、ＣｏＦｅＢの化学種と呼ばれることが出来る。
ここに用いられるように、語句「拡散可能な化学種（ｄｉｆｆｕｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｉｅｓ）」は、材料の中のその存在が、材料の機能に必ずしも必要ではない、材料の化学種を意味し、含む。例えば、限定的ではなく、磁性領域のＣｏＦｅＢ材料において、ＣｏとＦｅが、磁性材料として機能する（つまり、磁性を示す）ために、ＣｏとＦｅと共にＢがあることが必要ではないという点で、Ｂ（ボロン）は拡散可能な化学種と呼ばれることが出来る。拡散の後に、「拡散可能な化学種」は、「拡散された化学種」と呼ばれることが出来る。
ここに用いられるように、語句「固定領域（ｆｉｘｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）」は、磁性材料を含み、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用及び動作の間、セルコアの１つの磁性領域（例えば、自由領域）の磁化方向に変化をもたらす電流あるいは印加される場が、固定領域の磁化方向に変化をもたらさない、固定磁性配向を有する、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル内の磁性領域を意味し、含む。固定領域は、１以上の磁性材料と、オプションとして、１以上の非磁性材料を含むことが出来る。例えば、固定領域は、磁気サブ領域によって隣接するルテニウム（Ｒｕ）のサブ領域を含む、合成反強磁性体（ＳＡＦ）として構成されることが出来る。磁気サブ領域のそれぞれは、１以上の材料とその中の１以上の領域を含むことが出来る。他の例として、固定領域は、単一の、均一磁性材料として構成されることが出来る。従って、固定領域は、均一な磁化、あるいは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用及び動作の間、全体として、固定の磁性配向を有する固定領域を実現する異なる磁化のサブ領域を有することが出来る。
ここに用いられているように、語句「自由領域（ｆｒｅｅ ｒｅｇｉｏｎ）」は、磁性材料を含み、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用及び動作の間、スイッチング可能な磁性配向を有するＳＴＴ−ＭＲＡＭセル内の磁性領域を意味し、含む。磁性配向は、電流あるいは印加場の印加により、平行構成及び反平行構成の間でスイッチングすることが出来る。
ここに用いられるように、「スイッチングする（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」は、自由領域と固定領域の磁性配向の平行あるいは反平行構成を実現するために、プログラミング電流を、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁気セルコアに流す間のメモリセルの使用及び動作のステージを意味し、含む。
ここに用いられるように、「格納（ｓｔｏｒａｇｅ）」は、プログラミング電流がＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁気セルコアを流れず、自由領域と固定領域の磁性配向の平行あるいは反平行構成が意図的に変更されないメモリセルの使用及び動作のステージを意味し、含む。
ここに用いられるように、語句「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」は、それぞれの領域の幅及び長さに垂直な方向を意味し、含む。「垂直」は、また、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが配置される基板の主面に垂直な方向を意味し、含む。
ここに用いられるように、語句「平行（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」は、それぞれの領域の幅及び長さのうちの少なくとも１つに平行な方向を意味し、含む。「平行」は、また、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが配置される基板の主面に平行な方向を意味し、含む。
ここに用いられるように、語句「サブ領域（ｓｕｂ−ｒｅｇｉｏｎ）」は、他の領域に含まれる領域を意味し、含む。従って、１つの磁性領域は、非磁性サブ領域、つまり、非磁性材料のサブ領域、と共に、１以上の磁性サブ領域、つまり、磁性材料のサブ領域を含むことが出来る。
ここに用いられるように、語句「基礎（ｂａｓｅ）」は、領域あるいは材料を指すとき、特定された複数のそのような領域あるいは材料のうちで最も下の領域あるいは材料を意味し、含む。例えば、「基礎磁性領域（ｂａｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）」は、他の特定された磁性領域に比べ、最も下の磁性領域を指す。
ここに用いられるように、語句「間に（ｂｅｔｗｅｅｎ）」は、少なくとも２つの他の材料、領域、あるいは、サブ領域に対する、１つの材料、領域、あるいは、サブ領域の相対的な配置を記述するのに用いられる、空間的に相対的な語句である。語句「間に」は、他の材料、領域、あるいはサブ領域に直接隣接した、１つの材料、領域、あるいはサブ領域の配置、及び、他の材料、領域、あるいはサブ領域に間接的に隣接した、１つの材料、領域、あるいはサブ領域の配置の両方を含むことが出来る。
ここに用いられるように、語句「近傍に（ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｔｏ）」は、他の材料、領域、あるいはサブ領域の近くの１つの材料、領域、あるいはサブ領域の配置を記述するために用いられる空間的に相対的な語句である。語句「近傍」は、間接的に隣接する配置、直接隣接する配置、及び内部の配置を含む。
ここに用いられるように、他の要素「の上（ｏｎ）」あるいは他の要素「の上方（ｏｖｅｒ）」であるという要素への参照は、要素が、他の要素の直接上に、隣接して、下に、あるいは、直接接触していることを意味し、含む。それは、また、要素が、他の要素が間にあることも含めて、他の要素に間接的に上に、隣接して、下に、あるいは近くにあることを含む。対照的に、要素が、他の要素の「直接上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」あるいは「直接隣接して（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）」あるとして参照される場合、介在する要素がない。
ここに用いられるように、「下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「以下に（ｂｅｌｏｗ）」、「より低く（ｌｏｗｅｒ）」、「下部に（ｂｏｔｔｏｍ）」、「上に（ａｂｏｖｅ）」、「上部の（ｕｐｐｅｒ）」、「上の（ｔｏｐ）」、「前の（ｆｒｏｎｔ）」、「後ろの（ｒｅａｒ）」、「左の（ｌｅｆｔ）」、「右の（ｒｉｇｈｔ）」などの他の空間的に相対的な語句は、図示される、ある要素あるいはフィーチャの、他の（複数の）要素あるいは（複数の）フィーチャに対する関係を記述するために、記述の利便性のために用いられることが出来る。特に断らない限り、空間的に相対的な語句は、図に示される方向に加え、材料の異なる方向も含むことを意図されている。例えば、図の材料がひっくり返されたならば、他の要素あるいはフィーチャの「下の（ｂｅｌｏｗ）」、あるいは、「下方の（ｂｅｎｅａｔｈ）」、あるいは、「下に（ｕｎｄｅｒ）」、あるいは、「下部に（ｏｎ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ）」として記述される要素は、今度は、他の要素あるいはフィーチャの「上に（ａｂｏｖｅ）」あるいは「上部に（ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ）」方向付けられるだろう。従って、語句「下に（ｂｅｌｏｗ）」は、語句が用いられる文脈に依存して、上及び下の方向の両方を含むことができ、このことは当業者には明確であろう。材料は、別なように方向付けられることができ（９０°回転される、反転される、など）、ここに用いられる空間的に相対的な記述は、そのように解釈される。
ここに用いられるように、語句「備え（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、述べられたフィーチャ、領域、完全体、ステージ、動作、要素、材料、コンポーネント、及び／またはグループの存在を指定するが、１以上の他のフィーチャ、領域、完全体、ステージ、動作、要素、材料、コンポーネント、及び／あるいはそれらのグループの存在、あるいは追加を排除するものではない。
ここに用いられるように、「及び／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、関連して記載された１以上のアイテムの任意の組み合わせ、及び、全ての組み合わせを含む。
ここに用いられるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確に断らない限り、複数形も含むことが意図されている。
ここに提示される図は、任意の特定のコンポーネント、構造、デバイス、またはシステムの実際の図であることは意味しておらず、本開示の実施形態を記述するために用いられる、単なる理想的な表現にすぎない。
模式図である断面図を参照して、ここに実施形態が記述される。従って、例えば、製造技術及び／または、許容誤差の結果としての図の形状からの変形が、考えられる。従って、ここに記述される実施形態は、図示されるような特定の形状あるいは領域に限定されると解釈されるべきではなく、例えば、製造技術からの結果である形状の変形を含むことが出来る。例えば、箱状として図示され、あるいは、記述される領域は、でこぼこしたフィーチャ、及び／または非線形フィーチャを有することが出来る。更に、図示された鋭角は、丸みを帯びることが出来る。従って、図に図示された材料、フィーチャ、及び、領域は、本質的に模式的であり、それらの形状は、材料、フィーチャ、または、領域の正確な形状を図示することを意図されておらず、本請求項の範囲を限定しない。
以下の記述は、開示のデバイス及び方法の実施形態の完全な記述を提供するために、材料の種類及び処理条件などの特定の詳細事項を提供する。しかし、デバイス及び方法の実施形態は、これらの特定の詳細事項を用いることなく、実施することが出来ることを当業者は理解するだろう。事実、デバイス及び方法の実施形態は、業界で用いられる従来の半導体製造技術と共に、実施されることが出来る。
ここに記述された製造プロセスは、半導体デバイス構造を処理するための完全なプロセスフローを形成しない。プロセスフローの残りは、当業者には知られている。従って、本デバイス及び方法の実施形態を理解するのに必要な方法及び半導体デバイス構造のみがここに記述される。
文脈が特に示さない限り、ここに記述の材料は、スピンコーティング、ブランケットコーティング、化学蒸着（「ＣＶＤ」）、原子層堆積（「ＡＬＤ」）、プラズマ増強ＡＬＤ、物理蒸着（「ＰＶＤ」）、または、エピタキシャル成長を含むが、これらには限定されない、任意の適切な技術によって形成されることが出来る。形成されるべき特定の材料に応じて、材料を堆積し、あるいは、成長するための技術は、当業者によって選択されることが出来る。
文脈が他に示さない限り、ここに記述した材料の除去は、エッチング、イオンミリング、研磨平坦化（ａｂｒａｓｉｖｅ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）、あるいは、他の既知の方法を含むが、これらには限定されない、任意の適した技術によって達成されることが出来る。
図面への参照が行われ、同様な参照符号は、全体に渡って同様なコンポーネントを参照する。図は、必ずしも同一の縮尺で記載されてはいない。
メモリセルが開示される。メモリセルは、磁性領域（例えば、自由領域）の近傍のアトラクタ材料を含む磁気セルコアを含む。自由領域は、２つの酸化物領域（例えば、ＭＡ誘導領域）の間に配置され、２つの酸化物領域のうちの少なくとも１つは、トンネルバリアとして機能することが出来る。アトラクタ材料は、磁性材料の拡散可能な化学種と少なくとも１つの他の化学種との間の化学親和力に比較すると、磁性領域が形成される磁性材料の拡散可能な化学種に対しより高い化学親和力を有する。従って、アトラクタ材料は、磁性材料へ、拡散可能な化学種を引き付け、及び、この磁性材料から除去するように調製される。拡散可能な化学種の除去は、磁性領域の結晶化を可能とし、改善することができ、この結晶化は、磁性領域の他の構成と共に、高いＭＡ強度、高いＴＭＲ、高いエネルギーバリア及びエネルギーバリア比、及び高い交換硬度を有する自由領域の形成を可能とすることが出来る。
図１は、本開示による、磁気セル構造１００の一実施形態を図示する。磁気セル構造１００は、基板１０２上に磁気セルコア１０１を含む。磁気セルコア１０１は、上にある上部電極１０４と下にある下部電極１０５との間に配置されることが出来る。磁気セルコア１０１は、間にある中間酸化物領域１３０と共に、例えば、「固定領域」１１０及び「自由領域」１２０という、少なくとも２つの磁気領域を含む。固定領域１１０と自由領域１２０の一方、あるいは、両方は、均一に形成されることができ、または、オプションとして、１より多いサブ領域を含んで形成されることができる（図５参照、以下に更に議論する）。中間酸化物領域１３０は、トンネル領域として構成されることが出来、界面１３１に沿って、固定領域１１０に接触することができ、界面１３２に沿って、自由領域１２０に接触することが出来る。
１以上の下部中間領域１４０は、オプションとして、磁性領域（例えば、固定領域１１０と自由領域１２０）の下に配置されることができ、１以上の上部中間領域１５０は、オプションとして、磁気セル構造１００の磁性領域の上に配置されることが出来る。下部中間領域１４０と上部中間領域１５０は、含まれるならば、メモリセルの動作中、それぞれ、下部電極１０５とかぶさっている材料との間で、及び、上部電極１０４と下にある材料との間で、化学種の拡散を阻止するように構成されることが出来る。
磁気セルコア１０１は、基板１０２上に、下地領域１６０を含むことが出来る。下地領域１６０は、その上にかぶさる材料が形成される滑らかなテンプレートを提供することが出来る。幾つかの実施形態においては、下地領域１６０は、下部電極１０５上に直接形成されることが出来る。図１に図示されるもののような、他の実施形態においては、下地領域１６０は、１以上の下部中間領域１４０上に形成されることが出来る。
副次的酸化物領域１７０は、例えば、中間酸化物領域１３０の近傍の自由領域１２０の表面に対向する自由領域１２０の表面に隣接した自由領域１２０の近傍に形成される。従って、副次的酸化物領域１７０は、自由領域１２０によって、中間酸化物領域１３０から離隔されることが出来る。
図１に図示されるような幾つかの実施形態においては、副次的酸化物領域１７０は、下地領域１６０の上面と副次的酸化物領域１７０の下面が相互に接触することができるように、下地領域１６０上に（例えば、直接上に）形成されることが出来る。幾つかの実施形態においては、基盤領域１６０は、望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）で、副次的酸化物領域１７０上に、自由領域１２０の形成を可能とする結晶構造を有するように、副次的酸化物領域１７０の形成を可能とするように調製され、構成される。
自由領域１２０は、副次的酸化物領域１７０の近傍に（例えば、上に）形成され、アトラクタ領域１８０は、自由領域１２０の近傍に形成されることが出来る。幾つかの実施形態においては、アトラクタ領域１８０は、副次的酸化物領域１７０と自由領域１２０との間にあることが出来る。アトラクタ領域１８０は、薄くてもよく（例えば、高さが、約６Åより小さい（約０．６ｎｍより小さい）、例えば、高さが、約４Åより小さい（約０．４ｎｍより小さい）、例えば、高さが約３Å（約０．３ｎｍ）である）。幾つかの実施形態において、アトラクタ領域１８０は、不連続であってもよい（つまり、領域の材料間で、間隙を有することが出来る）。他の実施形態においては、アトラクタ領域１８０は、連続的であってもよい（つまり、領域の材料において、間隙が存在しない）。幾つかの実施形態においては、アトラクタ領域１８０と副次的酸化物領域１７０は、図１Ｂに図示されるように、アトラクタ酸化物領域１７８として、相互に一体化されることが出来る。従って、自由領域１２０の表面は、副次的酸化物領域１７０と単独で界面を形成しないことが出来る。むしろ、自由領域１２０の表面は、近傍にあるアトラクタ領域１８０と共に、副次的酸化物領域１７０の隣とすることが出来る。
図示されていない他の実施形態においては、アトラクタ領域１８０は、自由領域１２０と副次的酸化物領域１７０との間に配置されることなく、自由領域１２０の近傍に形成されることが出来る。例えば、アトラクタ領域１８０は、少なくとも部分的に、自由領域１２０を囲んで側方向に形成されることが出来る。
アトラクタ領域１８０は、例えば、自由領域１２０と中間酸化物領域１３０によってなど、１以上の領域によって、固定領域１１０から物理的に隔離されることが出来る。従って、アトラクタ領域１８０のコンポーネントは、固定領域１１０と化学的に反応しないことが出来る。
幾つかの実施形態においては、本開示の実施形態のメモリセルは、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルまたは、平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのいずれかとして構成されることが出来る。「平面内」ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、水平方向に主に配向された磁性配向を示す磁性領域を含み、「平面外」ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、垂直方向に主に配向された磁性配向を示す磁性領域を含む。例えば、図１に図示されるように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、少なくとも１つの磁性領域（例えば、固定領域１１０及び自由領域１２０）への垂直磁性配向を示すように構成されることが出来る。示される垂直磁性配向は、垂直磁気異方性（「ＰＭＡ」）強度によって特徴付けられることが出来る。幾つかの実施形態において、矢印１１２及び二重先端矢印１２２によって、図１に図示されるように、固定領域１１０と自由領域１２０のそれぞれは、垂直磁性配向を示すことが出来る。固定領域１１０の磁性配向は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの動作中ずっと、本質的に同一方向に、例えば、図１の矢印１１２によって示されている方向に、向けられ続けることが出来る。他方、自由領域１２０の磁性配向は、セルの動作中、図１の二重先端矢印１２２によって示されるように、平行構成と反平行構成との間でスイッチングされることが出来る。
図１の実施形態のような、幾つかの実施形態においては、副次的酸化物領域１７０は、自由領域１２０の下にあることが出来るが、図１Ｃの実施形態のような、他の実施形態においては、副次的酸化物領域１７０は、自由領域１２０の上にあることが出来る。例えば、限定的ではなく、図１Ｃにおいて、図示されているのは、固定領域１１０が、下部電極１０５と、存在する場合には、下部中間領域１４０との上にある、磁気セルコア１０１’を有する磁気セル構造１００’である。下地領域１６０（図１Ｃに図示されず）は、オプションとして、例えば、下部電極１０５（または、存在する場合には、下部中間領域１４０）と固定領域１１０との間に含まれることが出来る。磁気セルコア１０１’は、また、固定領域１１０の上に中間酸化物領域１３０、中間酸化物領域１３０の上に自由領域１２０、及び、自由領域１２０の上に副次的酸化物領域１７０を含み、アトラクタ領域１８０は、副次的酸化物領域１７０と自由領域１２０との間にある。幾つかのそのような実施形態においては、アトラクタ領域１８０は、例えば、副次的酸化物領域１７０のサブ領域として、または、アトラクタ酸化物領域１７８としてのいずれかで、副次的酸化物領域１７０を組み込むことが出来る（図１Ｂ）。上部電極１０４と、存在する場合には、上部中間領域１５０は、副次的酸化物領域１７０の上に配置されることが出来る。従って、ここに記述される実施形態のうちの任意の実施形態においては、固定領域１１０、中間酸化物領域１３０、自由領域１２０、及び副次的酸化物領域１７０の配置は、それぞれ回転されることができ、にもかかわらず、この回転は、自由領域１２０を、中間酸化物領域１３０と副次的酸化物領域１７０との間に配置するだろうし、アトラクタ領域１８０は、にもかかわらず、自由領域１２０の近傍にあるだろう。
図２〜図５を参照すると、図示されているのは、図１の磁気セル構造１００などの磁気セル構造を製造する方法におけるステージである。図２に図示されているように、構造２００は、下から上に、基板１０２の上に形成される導電性材料２０５、導電性材料２０５の上に下地材料２６０、下地材料２６０の上に酸化物材料２７０、酸化物材料２７０の上に磁性材料２２０、磁性材料２２０の上に他の酸化物材料２３０、他の酸化物材料２３０の上に他の磁性材料２１４が形成されることが出来る。オプションとして、下部中間材料２４０は、その上に下地材料２６０を形成する前に、導電性材料２０５の上に形成されることが出来る。アトラクタ材料２８０は、磁性材料２２０の近傍に形成される。例えば、図２に図示される実施形態により、アトラクタ材料２８０は、その上に磁性材料２２０を形成する前に、酸化物材料２７０の上に形成されることが出来る。
下部電極１０５（図１及び図１Ｃ）が形成される、導電性材料２０５は、例えば、限定的ではなく、金属（例えば、銅、タングステン、チタン、タンタル）、金属合金、または、それらの組み合わせを含むか、本質的にこれらを含むか、あるいは、これらのみからなることが出来る。
下部電極１０５上に、オプションの下部中間領域１４０（図１及び図１Ｃ）が形成される実施形態においては、下部中間領域１４０が形成される、下部中間材料２４０は、例えば、限定的ではなく、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、またはそれらの組み合わせを含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみからなることが出来る。幾つかの実施形態においては、下部中間材料２４０は、含まれるならば、下部電極１０５（図１及び図１Ｃ）が形成される、導電性材料２０５に組み込まれることが出来る。例えば、下部中間材料２４０は、導電性材料２０５の最も上のサブ領域とすることが出来る。
下地材料２６０は、例えば、限定的ではなく、コバルト（Ｃｏ）、及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも１つを含む材料（例えば、ＣｏＦｅＢ材料）、非磁性材料（例えば、非磁性導電性材料（例えば、ニッケルベース材料））を含む材料、または、それらの組み合わせを含むか、本質的にこれらを含むか、あるいは、これらのみからなることが出来る。下地材料２６０は、望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）で、その上に酸化物材料２７０を形成することが可能なテンプレートを提供するように調製され、及び、構成されることが出来る。
副次的酸化物領域１７０（図１及び図１Ｃ）が形成される酸化物材料２７０は、例えば、限定的ではなく、非磁性酸化物材料（例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、または、従来のＭＴＪ領域の他の酸化物材料）を含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみからなることが出来る。酸化物材料２７０は、直接、下地材料２６０上に形成（例えば、成長、堆積）されることが出来る。下地材料２６０が、最初に形成されるときアモルファスである実施形態においては、結果として生じる酸化物材料２７０は、最初に下地材料２６０上に形成されるとき、結晶である（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造を有する）ことが出来る。
自由領域１２０（図１及び図１Ｃ）が形成される、磁性材料２２０は、例えば、限定的ではなく、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）（例えば、ＣｏｘＦｅｙ、ここで、ｘ＝１０から８０及びｙ＝１０から８０）を含む、及び、幾つかの実施形態においては、ボロン（Ｂ）（例えば、ＣｏｘＦｅｙＢｚ、ここで、ｘ＝１０から８０、ｙ＝１０から８０、及びｚ＝０から５０）も含む、強磁性体材料を含むか、本質的にこれを含むか、または、これのみからなることが出来る。従って、磁性材料２２０は、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＢ（例えば、ＣｏＦｅＢ材料）を少なくとも１つ含むことが出来る。幾つかの実施形態においては、磁性材料２２０は、下地材料２６０と同一の材料、あるいは、下地材料２６０と同一の元素を有する材料、−最もそれらの元素とは異なる原子比を有することができるが−、を含むことが出来る。磁性材料２２０は、均一領域として形成されることが出来る。他の実施形態においては、磁性材料２２０は、例えば、ＣｏＦｅＢ材料の１以上のサブ領域を含むことができ、サブ領域は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＢの異なる相対原子比を有する。
磁性材料２２０は、少なくとも１つの拡散可能な化学種と少なくとも１つの他の化学種とを含む。拡散可能な化学種の存在は、磁性材料２２０が磁性を示すためにかならずしも必要ではない。更に、磁性材料２２０内の拡散可能な化学種の存在は、磁性材料２２０の結晶化を阻害することが出来る。例えば、磁性材料２２０が、ＣｏＦｅＢ材料である実施形態においては、ボロン（Ｂ）は、拡散可能な化学種とすることが出来る。磁性材料２２０におけるボロンの存在は、磁性材料２２０が、（例えば、後のアニールの間に）望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）に結晶化されることを阻害することが出来る。
幾つかの実施形態においては、導電性材料でありうる、アトラクタ材料２８０は、磁性材料２２０の他の化学種の拡散可能な化学種に対する化学親和力よりも、磁性材料２２０の拡散可能な化学種に対してより高い化学親和力を有するように調製されることが出来る。例えば、限定的ではなく、磁性材料２２０がＣｏＦｅＢ材料である実施形態において、アトラクタ材料２８０は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、それらの１以上の化合物、または、それらの１以上の組み合わせを含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみかなることが出来る。そのようなアトラクタ材料２８０は、ボロンとＣｏＦｅＢ磁性材料２２０の他の化学種（つまり、コバルトと鉄）との間の化学親和力に比較して、ＣｏＦｅＢ磁性材料２２０からのボロン拡散可能な化学種に対して、より高い化学親和力を有することが出来る。
アトラクタ材料２８０は、磁性材料２２０の他の化学種と比較して、拡散可能な化学種に対してより高い化学親和力を有しているので、アトラクタ材料２８０の磁性材料２２０への近接によって、磁性材料２２０からの拡散可能な化学種の除去を可能とすることが出来る。例えば、拡散可能な化学種は、アトラクタ材料２８０内に拡散することができ、アトラクタ材料２８０に化学的に結合することが出来る。アトラクタ材料２８０による、磁性材料２２０からの拡散可能な化学種の除去は、図３に図示されるように、アニールされた構造３００を形成するために、構成２００をアニールすることによって起こることがある。アニールされた構造３００において、従って、磁性材料２２０（図２）は、欠乏磁性材料３２０に変換されることが出来る。ここに用いられているように、語句「欠乏（ｄｅｐｌｅｔｅｄ）」は、材料を記述するために用いられるとき、拡散可能な化学種が除去された材料を記述する。対応して、アトラクタ材料２８０（図２）は、豊富アトラクタ材料３８０とするように構成されることが出来る。ここに用いられるように、語句「豊富材料（ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、材料を記述するために用いられると、拡散可能な化学種が追加された（例えば、送達された）材料を記述する。従って、豊富アトラクタ材料３８０の領域は、アトラクタ材料２８０（図２）と拡散可能な化学種とを含む。
例えば、限定的ではなく、磁性材料２２０（図２）が、ＣｏＦｅＢ材料である実施形態においては、欠乏磁性材料３２０は、ＣｏＦｅ材料（つまり、コバルトと鉄とを含む磁性材料）とすることが出来る。アトラクタ材料２８０（図２）がタンタルであるそのような実施形態においては、豊富材料３８０は、タンタルとボロンとの混合物とすることが出来る。任意の１つの理論に制限することなく、ＣｏＦｅＢ磁性材料２２０からボロンの拡散可能な化学種を除去することによって、磁性材料２２０（図２）の結晶化温度より低いアニール温度での欠乏磁性材料３２０の結晶化を可能とすることが出来ると考えられる。従って、欠乏磁性材料３２０は、実質的に構造欠陥の悪影響を受けることなく、望ましい厚さに自由領域１２０（図１）を形成することを可能とする望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）に結晶化し、高いＴＭＲ，及び、高いエネルギーバリアとエネルギーバリア比を持たせることが出来る。２つの酸化物領域の間に配置された連続的磁性領域を有するこれらの特性を達成することによって、また、自由領域１２０に、高い交換硬度と高いＭＡ強度とを持たせることを可能とする。
自由領域１２０（図１及び図１Ｃ）が、拡散可能な化学種を含む磁性材料２２０（例えば、ＣｏＦｅＢ材料）から形成される一方、製造された磁気セルコア１０１（図１）（または、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ））の自由領域１２０は、拡散可能な化学種（例えば、ボロン（Ｂ））を実質的により少なく含むことが出来る。むしろ、製造された、磁気セルコア１０１のアトラクタ領域１８０（図１及び図１Ｃ）は、アトラクタ材料２８０と、磁性材料２２０から拡散された拡散可能な化学種（例えば、ボロン（Ｂ））との両方を含むことが出来る。従って、文脈が別に示さない限り、ここに用いられるように、材料「から形成される（ｆｏｒｍｅｄ ｆｒｏｍ）」領域を記述するときは、「材料（ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、製造中、変換操作（例えば、拡散)の前の領域の物質を意味し、含む。
アトラクタ材料２８０は、また、その酸化物が、自由領域１２０（図１及び図１Ｃ）にＭＡを誘導することを実現するように調製されることが出来る。つまり、磁性材料２２０（図２）由来の拡散可能な化学種は、アトラクタ材料２８０と反応する（例えば、化学的に結合される）ことが出来る一方、アトラクタ材料２８０は、また、酸化物材料２７０由来の酸素と反応する（例えば、化学的に結合する）ことが出来る。アトラクタ材料２８０は、その酸化物が、自由領域１２０（図１及び図１Ｃ）にＭＡを誘導するように調製される実施形態において、アトラクタ材料２８０の酸化物は、ＭＡ誘導を劣化させるのではなく、副次的酸化物領域１７０と自由領域１２０との間に誘導されるＭＡを増強することが出来る。
中間酸化物領域１３０（図１及び図１Ｃ）が形成される他の酸化物材料２３０は、例えば、限定的ではなく、非磁性酸化物材料（例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、または、従来のＭＴＪ領域の他の酸化物材料）を含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみからなることが出来る。他の酸化物材料２３０は、酸化物材料２７０と同一の材料、または、酸化物材料２７０と同一の元素を含む材料とすることができ、それらは異なる原子比を有することが出来る。例えば、限定的ではなく、他の酸化物材料２３０と酸化物材料２７０の両方は、ＭｇＯを含むことが出来る。他の酸化物材料２３０は、磁性材料２２０の上に直接形成（例えば、成長、堆積）されることが出来る。他の酸化物材料２３０は、最初に形成されるとき、アモルファスとすることが出来る。
図２及び図３に図示されるような、幾つかの実施形態において、固定領域１１０の少なくとも一部（図１及び図１Ｃ）が形成される他の磁性材料２１４は、他の酸化物材料２３０上に直接形成（例えば、成長、堆積）されることが出来る。他の磁性材料２１４は、例えば、限定的ではなく、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含む（例えば、ＣｏｘＦｅｙ、ここで、ｘ＝１０から８０、及びｙ＝１０から８０）、及び、幾つかの実施形態においては、また、ボロン（Ｂ）（例えば、ＣｏｘＦｅｙＢｚ、ｘ＝１０から８０、ｙ＝１０から８０、及びｚ＝０から５０）を含む強磁性体材料を含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみからなることが出来る。従って、他の磁性材料２１４は、ＣｏＦｅＢ材料を含むことが出来る。幾つかの実施形態においては、他の磁性材料２１４は、磁性材料２２０及び下地材料２６０の一方もしくは両方と同一の材料、または、同一の元素を有する材料とすることができ、異なる原子比を有することが出来る。
図３のアニールされた構造３００を形成するために図２の構造２００をアニールする際に、自由領域１２０（図１及び図１Ｃ）の少なくとも磁性材料２２０（図２）は、アトラクタ材料２８０（図２）による化学親和力によって、磁性材料２２０（図２）からの拡散可能な化学種の除去によって結晶化が促進されることができる、望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）に結晶化されることが出来る。従って、少なくとも欠乏磁性材料３２０（図３）は、望ましい結晶構造を有することが出来る。アニールされた構造３００の他の材料は、また、アニーリングにより、結晶化されることが出来る。アニーリングの間、任意の特定の理論に制限されることなく、例えば、酸化物材料２７０、他の酸化物材料２３０、または、その両方の結晶構造は、例えば、磁性材料２２０と他の磁性材料２１４などの隣接するアモルファス材料に伝搬することが出来ると考えられる。従って、アニーリングは、磁性材料２２０などの、構造２００（図２）の１以上の材料の結晶構造を変化させることが出来る。アニーリングプロセスは、約３００℃から約６００℃（例えば、約４００℃）のアニーリング温度で実行することが出来、約１分（約１ｍｉｎ）から約１時間（約１ｈｒ）の間、アニーリング温度に保持されることが出来る。アニーリング温度と時間は、構造２００の材料、例えば、磁性材料２２０の望ましい結晶構造、及び磁性材料２２０からの拡散可能な化学種の望ましい欠乏量に基づいて、調整されることが出来る。
構造２００の形成の後、及び、アニールが実行されるならば、アニールされた構造３００の形成の後、磁気セル構造の残りの材料は、図４に示されるように、前構造４００を形成するように製造されることが出来る。例えば、他の固定領域材料４１６は、他の磁性材料２１４の上に形成されることが出来る。他の固定領域材料４１６は、コバルト／パラジウム（Ｃｏ／Ｐｄ）マルチサブ領域；コバルト／プラチナ（Ｃｏ／Ｐｔ）マルチサブ領域；コバルト鉄テルビウム（Ｃｏ／Ｆｅ／Ｔｂ）ベースの材料、Ｌ１０材料、カプラ材料、または、従来の固定領域の他の磁性材料を含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみからなることが出来る。従って、固定領域１１０（図１及び図１Ｃ）は、他の磁性材料２１４に加え、他の固定領域材料４１６を含むことが出来る。
幾つかの実施形態において、オプションとして、１以上の上部中間材料４５０は、他の固定領域材料４１６の上に形成されることが出来る。含まれる場合には、オプションの上部中間領域１５０（図１及び図１Ｃ）を形成する、上部中間材料４５０は、隣接する材料における望ましい結晶構造を確実に形成する用に構成される材料を含むか、本質的にこれを含むか、または、これのみからなることが出来る。上部中間材料４５０は、代替的に、または、追加的に、磁気セル、バリア材料、もしくは、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭセルコア構造の他の材料の製造中に、パターン化プロセスを支援するように構成された金属材料を含むことが出来る。幾つかの実施形態においては、上部中間材料４５０は、導電性キャッピング領域に形成される導電性材料（例えば、銅、タンタル、チタン、タングステン、ルテニウム、窒化タンタル、または、窒化チタンなどの１以上の材料）を含むことが出来る。
上部電極１０４（図１及び図１Ｃ）が形成されることが出来る導電性材料４０４は、他の固定領域材料４１６と、存在すれば、上部中間材料４５０との上に形成されることが出来る。幾つかの実施形態においては、導電性材料２０４と、存在すれば、上部中間材料４５０は、相互に一体化され、例えば、上部中間材料４５０は、導電性材料４０４の下部サブ領域となる。
前構造４００は、図５に示されるように、磁気セル構造５００を形成するように、１以上のステージで、その後パターン化されることが出来る。磁気セル構造５００などの構造を形成するために、前構造４００（図４）などの構造をパターン化する技術は、当分野で知られており、ここには、詳細には記述しない。
パターン化の後、磁気セル構造５００は、（アニールされ、結晶化されたかもしれない）他の磁性材料２１４から形成される一つのサブ領域（例えば、下部固定領域５１４）と、（アニールされていないかもしれない）他の固定領域材料４１６から形成される他のサブ領域（例えば、上部固定領域５１６）とを含む固定領域５１０を有する磁気セルコア５０１を含む。磁気セルコア５０１は、また、自由領域１２０に近接したアトラクタ領域１８０を含む。欠乏磁性材料３２０（図４）を含み、及び、磁性材料２２０（図２）から形成される自由領域１２０は、アトラクタ領域１８０を近くに設けることなく、磁性材料２２０（図２）から形成される自由領域よりも低濃度の拡散可能な化学種を含む。
幾つかの実施形態において、自由領域１２０は、完全に、拡散可能な化学種が欠乏することが出来る。他の実施形態においては、自由領域１２０は、部分的に、拡散可能な化学種が欠乏することが出来る。そのような実施形態においては、自由領域１２０は、拡散可能な化学種（例えば、ボロン）の勾配を有することが出来、アトラクタ領域１８０に隣接して、低濃度の拡散可能な化学種と、アトラクタ領域１８０に対向して、高濃度の拡散可能な化学種とを有することが出来る。幾つかの実施形態においては、拡散可能な化学種の濃度は、アニールの後、または、アニール中に平衡に達することが出来る。
結晶、欠乏磁性材料３２０（図４）によって形成される自由領域１２０は、少なくとも部分的に、拡散可能な化学種（図３）の除去により、欠陥が実質的にないことが出来る、望ましい結晶構造を有することが出来る。自由領域１２０の結晶性は、磁気セル構造５００の自由領域１２０が、高いＴＭＲと高いエネルギーバリアとエネルギーバリア比（Ｅｂ／ｋＴ）を実現する厚さに形成されることを可能とすることが出来る。更に、磁性材料（例えば、欠乏磁性材料３２０（図４））のみから成る場合、自由領域１２０の結晶化度は、また、高い交換硬度を有することが出来る。更に、磁気セルコア５０１において、ＭＡ誘導領域として調製され得、自由領域１２０の上面と下面における、自由領域１２０の、２つの非磁性領域（つまり、副次的酸化物領域１７０と中間酸化物領域１３０）への近接によって、両面における磁気異方性（「ＭＡ」）を誘導することが出来る。ＭＡは、自由領域１２０と副次的酸化物領域１７０との間に配置されるアトラクタ領域１８０を有していても、副次的酸化物領域１７０の近傍の自由領域１２０の面に沿って誘導されることが出来る。アトラクタ領域１８０を形成するために用いられるアトラクタ材料２８０（図２）の量は、磁性材料２２０（図２）からの拡散可能な化学種の少なくともいくらかの除去を実現するのに実質的に十分な量に調整されることが出来、同時に、副次的酸化物領域１７０と自由領域１２０との間のＭＡの誘導を阻止しない程度に多くない量とすることも出来る。
一実施形態においては、磁気セル構造５００は、ＣｏＦｅＢ材料から形成される下地領域１６０と、ＭｇＯから形成される副次的酸化物領域１７０と、ＣｏＦｅＢ材料から形成される自由領域１２０と、タンタル（Ｔａ）から形成されるアトラクタ領域１８０と、ＭｇＯから形成される中間酸化物領域１３０と、ＣｏＦｅＢ材料から形成される少なくとも下部固定領域５１４と、を含む。アトラクタ領域１８０は、自由領域１２０のＣｏＦｅＢ材料の拡散可能な化学種である、ボロンが豊富であることが出来、自由領域１２０は、ボロンが、少なくとも部分的に欠乏していることが出来る。従って、自由領域１２０は、もともとそれが形成された磁性材料（つまり、ＣｏＦｅＢ材料）に比べ、ボロンの濃度がより低く、下部固定領域５１４、下地領域１６０、または、その両方の濃度と比較してボロンの濃度がより低いことが出来る。自由領域１２０は、ｂｃｃ（００１）結晶構造、高いＴＭＲ（例えば、約０．４０より大きい（約４０％より大きい）、例えば、約１．０より大きい（約１００％より大きい））、高いＭＡ強度（例えば、少なくとも約１５００Ｏｅ（少なくとも約１１９ｋＡ／ｍ）、例えば、約２０００Ｏｅ（約１６０ｋＡ／ｍ）より大きい、例えば、約２２００Ｏｅ（約１７５ｋＡ／ｍ）より大きい）、及び、高い交換硬度を有することが出来る。
他の実施形態においては、副次的酸化物領域１７０、自由領域１２０、中間酸化物領域１３０、及び固定領域１１０は、基板１０２に対し、異なる関係で配置されることが出来る。例えば、これらは、アトラクタ領域１８０と共に、図１Ｃの磁気セル構造１００’におけるように、反転されることが出来る。図１Ｃの磁気セル構造１００’を形成する方法は、従って、下から上に、基板１０２の上の導電性材料２０５（図２）、導電性材料２０５の上の他の磁性材料２１４（図２）、他の磁性材料２１４の上の他の酸化物材料２３０（図２）、他の酸化物材料２３０の上の磁性材料２２０（図２）、磁性材料２２０の上のアトラクタ材料２８０（図２）、及びアトラクタ材料２８０の上の酸化物材料２７０（図２）を含む、前構造を形成することを含むことが出来る。幾つかの実施形態においては、他の磁性材料２１４を形成することは、他の固定領域材料４１６（図４）を形成することの前、あるいは、その後とすることが出来る。オプションとして、上部中間材料４５０（図４）は、酸化物材料２７０の上に形成されることが出来る。導電性材料４０４（図４）は、他の材料の上に形成されることが出来る。前構造は、磁気セルコア１０１’（図１）を形成するためのパターン化の前、あるいは、その後にアニールされることが出来る。アニーリングは、磁性材料２２０（図２）からアトラクタ材料２８０（図２）への、拡散可能な化学種の送達を促進することができ、それによって、欠乏磁性材料３２０（図３）と豊富アトラクタ材料３８０（図３）とを形成することが出来る。そのような実施形態においては、拡散可能な化学種を上方に送達し、豊富アトラクタ材料３８０は、欠乏磁性材料３２０の上となる。
従って、開示されるのは、磁気セルコアを含むメモリセルである。磁気セルコアは、スイッチング可能な磁性配向を示し、拡散可能な化学種と少なくとも１つの他の化学種とを含む磁性材料から形成される磁性領域を含む。磁気セルコアは、また、固定磁性配向を示す他の磁性領域を含む。中間酸化物領域は、磁性領域と他の磁性領域との間にある。他の酸化物領域は、磁性領域によって中間酸化物領域から離隔されている。アトラクタ材料は、磁性領域の近傍にある。拡散可能な化学種に対するアトラクタ材料の化学親和力は、拡散可能な化学種に対する少なくとも１つの他の化学種の化学親和力よりも高い。
図６から図１２を参照して、図示されているのは、本開示の実施形態による、磁気セルを形成する別の方法におけるステージである。図６に図示されるように、構造６００は、基板１０２上に、下から上へ、導電性材料２０５、オプションの下部中間材料２４０、下地材料２６０、ベース前材料６７０、及びアトラクタ材料２８０を含むように形成されることが出来る。ベース前材料６７０は、まだ酸化されていない材料とすることが出来る。例えば、ベース前材料６７０は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム （Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、または、酸化されると、自由領域１２０（図１）にＭＡを誘導するように調製されることのできる、他の金属を含むか、本質的にこれらを含むか、または、これらのみからなることが出来る。
構造６００は、図７の構造７００を形成するために、酸化環境に曝されることができ、矢印７０８は、酸化環境への暴露を示す。酸化に続いて、図８の構造８００において、ベース前材料６７０とアトラクタ材料２８０は、アトラクタ酸化物材料８７８に変換されることが出来る。従って、図１Ｂにあるように、副次的酸化物領域１７０（図１）とアトラクタ領域１８０（図１）は、アトラクタ酸化物材料８７８から形成されるアトラクタ酸化物領域１７８（図１）として相互に一体化されることが出来る。再び、アトラクタ酸化物材料８７８は、拡散可能な化学種と、磁性材料２２０の他の化学種との間の化学親和力よりも高い、磁性材料２２０（図２）の拡散可能な化学種に対する化学親和力を有するように調製されることが出来る。
アトラクタ酸化物材料８７８を形成した後、形成されるべき磁気セル構造の他の最下部材料は、アトラクタ酸化物材料８７８上に形成されることが出来る。例えば、図９に図示されるように、磁性材料２２０、他の酸化物材料２３０、及び他の磁性材料２１４は、順次、下から上へ、構造９００を形成するために、アトラクタ酸化物材料８７８上に、形成されることが出来る。
構造９００は、それから、欠乏磁性材料３２０と豊富アトラクタ酸化物材料１０７８とを含む、図１０のアニールされた構造１０００を形成するために、アニールされることが出来る。アニーリングは、欠乏磁性材料３２０と豊富アトラクタ酸化物材料１０７８を形成するために、磁性材料２２０（図９）からの拡散可能な化学種の拡散を促進することが出来る。磁性材料２２０（図９）からの拡散可能な化学種の除去は、望ましい結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）で、欠乏磁性材料３２０を形成するために、磁性材料２２０の結晶化を可能とすることが出来る。
図１１に図示されているように、前構造１１００の最上部材料は、その後、他の磁性材料２１４上に形成されることが出来る。そのような材料は、例えば、他の固定領域材料４１６、オプションの上部中間材料４５０、及び他の導電性材料４０４を含むことが出来る。前構造１１００は、その後、図１２に示されるように、磁気セル構造１２００を形成するようにパターン化されることが出来る。磁気セル構造１２００は、アトラクタ酸化物材料８７８（図９）から形成される、豊富アトラクタ酸化物材料１０７８（図１１）を含む、アトラクタ酸化物領域１７８を含む磁気セルコア１２０１を含む。磁気セル構造１２００は、従って、高いＴＭＲ，高いエネルギーバリアとエネルギーバリア比、自由領域１２０における高い交換硬度、及び高いＭＡ強度を有することが出来る。
従って、開示されるのは、磁気メモリセルを形成する方法であり、この方法は、前構造を形成することを含む。前構造を形成することは、酸化物材料と他の酸化物材料との間に磁性材料を形成することを含む。磁性材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す。アトラクタ材料は、磁性材料の近傍に形成される。アトラクタ材料は、磁性材料の拡散可能な化学種に対する化学親和力を有する。拡散可能な化学種は、磁性材料からアトラクタ材料に送達される。磁気セルコア構造は、前構造から形成される。
図１３を参照すると、図示されているのは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４と動作可能に通信する周辺デバイス１３１２を含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム１３００であり、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのグループ化は、複数の行と列を含み、あるいは、様々な他の配置においては、システム要求と製造技術に依存する、グリッドパターンとされるメモリセルのアレイを形成するために製造されることが出来る。ＳＴＴ−ＭＲＡＭ１３１４は、磁気セルコア１３０２、アクセストランジスタ１３０３、データ／センス線１３０４（例えば、ビット線）として機能することが出来る導電性材料、アクセス線１３０５（例えば、ワード線）として機能することが出来る導電性材料、及びソース線１３０６として機能することが出来る導電性材料を含む。ＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム１３００の周辺デバイス１３１２は、読み出し／書き込み回路１３０７、ビット線参照１３０８、及びセンス増幅器１３０９を含むことが出来る。セルコア１３０２は、上述の、磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１（図１）、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ）、磁気セルコア５０１（図５）、磁気セルコア１２０１（図１２））のうちの任意の一つとすることが出来る。セルコア１３０２の構造、製造方法、あるいは、その両方により、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４は、高いＴＭＲ，高いエネルギーバリアとエネルギーバリア比（Ｅｂ／ｋＴ）、高い交換硬度を有する自由領域、及び高いＭＡ強度を有することが出来る。
使用及び動作において、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ１３１４は、プログラムされるために選択され、プログラミング電流は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４に印加され、電流は、セルコア１３０２の固定領域によってスピン偏極され、セルコア１３０２の自由領域にトルクを与え、これによって、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４に「書き込み」または、「プログラムする」ように、自由領域の磁化をスイッチングする。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４の読み出し動作において、電流は、セルコア１３０２の抵抗状態を検出するために用いられる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４のプログラミングを開始するために、読み出し／書き込み回路１３０７は、データ／センス線１３０４とソース線１３０６に、書き込み電流（つまり、プログラミング電流）を生成することが出来る。データ／センス線１３０４とソース線１３０６との間の電圧の極性は、セルコア１３０２における自由領域の磁性配向のスイッチングを決定する。スピン極性で自由領域の磁性配向を変化させることにより、自由領域は、プログラミング電流のスピン極性により磁化され、プログラムされた論理状態は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４に書き込まれる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭ１３１４を読み出すために、読み出し／書き込み回路１３０７は、セルコア１３０２とアクセストランジスタ１３０３とを介して、データ／センス線１３０４とソース線１３０６に対して読み出し電圧を生成する。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４のプログラムされた状態は、セルコア１３０２に渡った電気抵抗に関連し、これは、データ／センス線１３０４とソース線１３０６との間の電圧差によって決定されることが出来る。幾つかの実施形態においては、電圧差は、ビット線参照１３０８と比較され、センス増幅器１３０９によって増幅されることが出来る。
図１３は、動作可能なＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム１３００の一例を図示する。しかし、磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１（図１）、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ）、磁気セルコア５０１（図５）、磁気セルコア１２０１（図１２））は、磁性領域を有する磁気セルコアを組み込むように構成された任意のＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム内に組み込まれ、かつ、このＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム内で利用されることが出来ることが考えられる。
従って、開示されるのは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルを含むスピン注入メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）アレイを含む半導体デバイスである。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのうちの少なくとも１つのＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、基板上の酸化物領域と、酸化物領域上の結晶磁性領域とを含む。結晶磁性領域は、磁性材料から形成される。アトラクタ材料は、結晶磁性領域の近傍にある。磁性材料からの拡散可能な化学種に対するアトラクタ材料の化学親和力は、拡散可能な化学種に対する磁性材料の少なくとも１つの他の化学種の化学親和力よりも高い。中間酸化物領域は、結晶磁性領域の上にあり、他の磁性領域は、中間酸化物領域の上にある。
図１４を参照すると、図示されるのは、ここに記述される１以上の実施形態によって実装される半導体デバイス１４００の簡単化されたブロック図である。半導体デバイス１４００は、メモリアレイ１４０２と制御論理コンポーネント１４０４とを含む。メモリアレイ１４０２は、上述した、磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１（図１）、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ）、磁気セルコア５０１（図５）、磁気セルコア１２０１（図１２））のうちの任意の磁気セルコアを含む、複数のＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４（図１３）を含むことが出来、その磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１（図１）、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ）、磁気セルコア５０１（図５）、磁気セルコア１２０１（図１２））は、上述した方法によって形成されることができ、上述した方法によって動作されることが出来る。制御論理コンポーネント１４０４は、メモリアレイ１４０２と動作可能に相互作用するように構成されることができ、メモリアレイ１４０２内の任意の、または、全てのメモリセル（例えば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル１３１４（図１３））から読み出したり、または、これに書き込んだりするようにする。
従って、開示されるのは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルを含むスピン注入メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）アレイを含む半導体デバイスである。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのうちの少なくとも１つのＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、基板上に自由領域を含む。アトラクタ領域は、自由領域の近傍にある。アトラクタ領域は、アトラクタ材料と、自由領域から拡散された化学種とを含む。アトラクタ材料は、化学種に対する化学親和力を有し、化学種の酸化物は、自由領域に磁気異方性を誘導する。中間酸化物領域は、自由領域の上にあり、固定領域は、中間酸化物領域の上にある。
図１５を参照すると、図示されるのはプロセッサベースのシステム１５００である。プロセッサベースのシステム１５００は、本開示の実施形態によって製造された様々な電子デバイスを含むことが出来る。プロセッサベースのシステム１５００は、コンピュータ、ページャ、携帯電話、パーソナルオーガナイザ、制御回路、または、他の電子デバイスなどの様々なタイプの任意のシステムとすることが出来る。プロセッサベースのシステム１５００は、マイクロプロセッサなどの１以上のプロセッサ１５０２を含み、プロセッサベースのシステム１５００におけるシステム機能とリクエストの処理を制御する。プロセッサ１５０２と、プロセッサベースのシステム１５００の他のサブコンポーネントは、本開示の実施形態によって製造される磁気メモリデバイスを含むことが出来る。
プロセッサベースのシステム１５００は、プロセッサ１５０２と動作可能なように通信する電源１５０４を含むことが出来る。例えば、プロセッサベースのシステム１５００が、携帯システムである場合には、電源１５０４は、１以上の、燃料電池、電源掃気装置（ｐｏｗｅｒ ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）、永久バッテリー（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ）、交換式バッテリー（ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ）、及び充電式バッテリーを含むことが出来る。電源１５０４は、また、ＡＣアダプタを含み；従って、プロセッサベースのシステム１５００は、例えば、壁のコンセントに差し込まれることが出来る。電源１５０４は、また、ＤＣアダプタを含むことができ、プロセッサベースのシステム１５００は、例えば、車載タバコライターあるいは車載電源ポートに差し込まれることが出来る。
様々な他のデバイスは、プロセッサベースのシステム１５００が実行する機能に依存して、プロセッサ１５０２に結合されることが出来る。例えば、ユーザインタフェース１５０６は、プロセッサ１５０２に結合されることが出来る。ユーザインタフェース１５０６は、ボタン、スイッチ、キーボード、ライトペン、マウス、デジタイザとスタイラス（ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ ａｎｄ ｓｔｙｌｕｓ ）、タッチスクリーン、音声認識システム、マイクロフォン、または、それらの組み合わせなどの入力デバイスを含むことが出来る。ディスプレイ１５０８は、また、プロセッサ１５０２に結合されることが出来る。ディスプレイ１５０８は、ＬＣＤディスプレイ、ＳＥＤディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ、ＤＬＰディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、３次元プロジェクション、音声ディスプレイ、または、それらの組み合わせを含むことが出来る。更に、ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ１５１０は、また、プロセッサ１５０２に結合されることが出来る。ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ１５１０は、ＲＦ受信機及びＲＦ送信機（不図示）に結合されるアンテナを含むことが出来る。通信ポート１５１２、または、２以上の通信ポート１５１２は、また、プロセッサ１５０２に結合されることが出来る。通信ポート１５１２は、モデム、プリンタ、コンピュータ、スキャナ、もしくは、カメラなどの１以上の周辺デバイス１５１４に、または、例えば、ローカルエリアネットワーク、リモートエリアネットワーク、イントラネット、もしくは、インターネットなどのネットワークに結合されるように適応されることが出来る。
プロセッサ１５０２は、メモリに格納されたソフトウェアプログラムを実装することによって、プロセッサベースのシステム１５００を制御することが出来る。ソフトウェアプログラムは、例えば、オペレーティングシステム、データベースソフトウェア、ドラフティングソフトウェア、ワードプロセッシングソフトウェア、メディア編集ソフトウェア、または、メディアプレイングソフトウェアを含むことが出来る。メモリは、様々なプログラムを格納し、様々なプログラムを実行するのを容易にする、プロセッサ１５０２に、動作可能なように結合される。例えば、プロセッサ１５０２は、１以上の、スピン注入メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、レーストラックメモリ、及び、他の既知のメモリタイプを含むことが出来る、システムメモリ１５１６に結合されることが出来る。システムメモリ１５１６は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、または、それらの組み合わせを含むことが出来る。システムメモリ１５１６は、典型的には、ロードされたアプリケーションとデータをダイナミックに格納出来るように、大容量なものである。幾つかの実施形態においては、システムメモリ１５１６は、図１４の半導体デバイス１４００などの半導体デバイス、上述の、任意の磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１（図１）、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ）、磁気セルコア５０１（図５）、磁気セルコア１２０１（図１２））を含むメモリセル、または、それらの組み合わせを含むことが出来る。
プロセッサ１５０２は、また、不揮発性メモリ１５１８に結合されることが出来るが、これは、システムメモリ１５１６が必ず揮発性であることを示唆するものではない。不揮発性メモリ１５１８は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ，ＭＲＡＭ，システムメモリ１５１６と共に用いられる、ＥＰＲＯＭ、抵抗型リードオンリメモリ（ＲＲＯＭ）、及び、フラッシュメモリなどのリードオンリメモリ（ＲＯＭ）のうちの１以上を含むことが出来る。不揮発性メモリ１５１８のサイズは、典型的には、任意の必要なオペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、及び固定データを格納するのにちょうど十分な大きさに選択される。更に、不揮発性メモリ１５１８は、例えば、ディスクドライブメモリなど、抵抗型メモリを含むハイブリッドドライブ、または、他の種類の不揮発性固体メモリなどの大容量メモリを含むことが出来る。不揮発性メモリ１５１８は、図１４の半導体デバイス１４００、上述の、任意の磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１（図１）、磁気セルコア１０１’（図１Ｃ）、磁気セルコア５０１（図５）、磁気セルコア１２０１（図１２））を含むメモリセル、または、それらの組み合わせなどの半導体デバイスを含むことが出来る。
従って、開示されるのは、磁気メモリセルのアレイを含む半導体デバイスである。磁気メモリセルのアレイのうちの少なくとも１つの磁気メモリセルは、基板上の酸化物領域の上の少なくとも２つの磁気領域を含む。少なくとも２つの磁気領域の一つは、スイッチング可能な磁性配向を示す。アトラクタ材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す少なくとも２つの磁性領域のうちの一つの磁性領域の近傍にある。アトラクタ材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す少なくとも２つの磁性領域のうちの一つから拡散された化学種へ化学的に結合される。中間酸化物領域は、少なくとも２つの磁性領域の間にある。
図１６から図２２を参照すると、アトラクタ材料を有する、及び、アトラクタ材料を有しない双方の、磁気セルコア構造は、ＴＭＲ、ＲＡ、及びＨｋ（ＭＡ強度の指標）などの特性が測定され、比較するために、製造され、検討された。
図１６を参照すると、アトラクタ材料を有しない磁気セルコア１６０１を有する、磁気セルコア構造１６００がテストされ、その結果が、図１７Ａから図１７Ｃに図示されている。磁気セルコア構造１６００は、タンタル（Ｔａ）の下部電極１６０５を含んでいた。その上に、ＣｏＦｅＢ下地領域１６６０が、６Å（０．６ｎｍ）の厚さで形成された。その上に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）副次的酸化物領域１６７０が、約５Å（約０．５ｎｍ）の厚さで形成された。その上に、自由領域１６２０が、１４Å（１．４ｎｍ）の厚さで、ＣｏＦｅＢから形成された。その上に、ＭｇＯの中間酸化物領域１６３０が、約７Å（約０．７ｎｍ）から約８Å（約０．８ｎｍ）の厚さで形成された。その上に、下部固定領域１６１４、中間固定領域１６１５、及び上部固定領域１６１６を有する固定領域１６１０が形成された。下部固定領域１６１４は、ＣｏＦｅＢから、１３Å（約１．３ｎｍ）の厚さで形成された。中間固定領域１６１５は、タンタル（Ｔａ）で、約３Å（約０．３ｎｍ）の厚さで形成された。上部固定領域１６１６は、コバルト（Ｃｏ）とパラジウム（Ｐｄ）の交互のサブ領域で形成された。その上に、上部電極１６０４の少なくとも一部が、少なくとも、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、及びルテニウム（Ｒｕ）のうちの少なくとも１つから形成された。
図１７Ａを参照すると、磁気セル構造１６００（図１６）のＲ−Ｈループ評価が、ＴＭＲとＲＡを測定するために行われた。これらの評価と測定は、ここには詳細は述べない、従来の技術（例えば、平面内電流技術（ａ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＣＩＰＴ）））によって行われた。Ｒ−Ｈループプロットにおいては、小さな場（例えば、約０％の場）における急峻な遷移は、自由領域反転（つまり、自由領域の、反平行及び平行の間、あるいは、その逆の磁気構成におけるスイッチング）を示唆する。Ｒ−Ｈループに急峻な遷移が無いことは、自由領域の反転がない（つまり、自由領域の、反平行及び平行の間、あるいは、その逆の磁気構成におけるスイッチングがない）ことを示す。特に、図１７Ａにおいては、アトラクタ材料がない、磁気セル構造１６００（図１６）については、実質的に遷移が無いことが示された。磁気セル構造１６００のＴＭＲは、約０．０１（つまり、約１％）であるとわかった。磁気セル構造１６００の抵抗面積積（ＲＡ、ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｒｅａ ｐｒｏｄｕｃｔ ）、磁気セル構造１６００の電気抵抗の印が、約１２Ω・μｍ２であるとわかった。図１７Ｂにおいては、平面内ループ評価は、ここには詳細には記述されない従来の方法を用いて、磁気セル構造１６００について実行された。平面内ループ評価は、１，６０７Ｏｅ（１２７．９ｋＡ／ｍ）のＨｋ値（ＭＡ強度の指標）を示す。図１７Ｃを参照して、ＴＭＲ測定は、ここには詳細には記述されない従来の方法を用いて実行された、Ｍ−Ｈループ評価で確認された。Ｍ−Ｈループ評価は、５％より少ないＴＭＲを示した。従って、自由領域１６２０の近傍のアトラクタ材料がない、磁気セル構造１６００は、弱いＴＭＲ（例えば、５％より少ない）、約１２Ω・μｍ２のＲＡ、及び約１６００Ｏｅ（例えば、１６０７Ｏｅ（１２７．９ｋＡ／ｍ））のＨｋ値（ＭＡ強度の指標）を有すると測定された。
図１８を参照すると、本開示の実施形態による構造を有し、本開示の実施形態によって形成された磁気セルコア構造１８００は、副次的酸化物領域１６７０と自由領域１６２０との間の、３Å（０．３ｎｍ）の厚さに形成された、タンタル（Ｔａ）のアトラクタ領域１８８０を除いて、磁気セルコア構造１６００（図１６）の構造と同一の構造を有するように形成された。
図１９Ａを参照すると、磁気セル構造１８００（図１８）のＲ−Ｈループ評価が行われた。磁気セル構造１８００のＴＭＲは、アトラクタ領域１８８０がない磁気セル構造１６００（図１６）について測定されたＴＭＲより５％小さい値より実質的に大きい、約４２％であるとわかった。アトラクタ領域１８８０を有する、磁気セル構造１８００のＲＡは、約１５Ω・μｍ２であると測定された。図１９Ｂを参照すると、磁気セル構造１８００の平面内ループ評価は、２，２７６Ｏｅ（１８１．１ｋＡ／ｍ）のＨｋを示した。従って、アトラクタ領域１８８０を有する、磁気セル構造１８００のＭＡ強度は、アトラクタ領域１８８０が、自由領域１６２０と副次的酸化物領域１６７０との間にあっても、アトラクタ領域１８８０なしの磁気セル構造１６００（図１６）のＭＡ強度より大きいことがわかった。図１９Ｃを参照すると、磁気セル構造１８００のＭ−Ｈループ評価は、約４２％のＴＭＲ測定を確認した。従って、自由領域１６２０の近傍のアトラクタ領域１８８０を有する、磁気セル構造１８００は、アトラクタ領域１８８０なしの磁気セル構造１６００（図１６）より大きい（つまり、５％より小さい値と比較すると４２％）ＴＭＲを有することが測定され、約１５Ω・μｍ２のＲＡで（磁気セル構造１６００の約１２Ω・μｍ２のＲＡと比較して）、約２，２７６Ｏｅ（１８１．１ｋＡ／ｍ）のＨｋであった（磁気セル構造１６００の１，６０７Ｏｅ（１２７．９ｋＡ／ｍ）と比較して）。
従って、アトラクタ領域１８８０を含めることによって、磁気セル構造１８００のＴＭＲを実質的に増加した。更に、ＭＡ強度は、実質的に増加することがわかった。従って、自由領域１６２０の近傍にアトラクタ領域１８８０を含めることによって、磁気セル構造１８００におけるより高いＴＭＲと高いＭＡ強度を可能にする。
図２０を参照すると、他の磁気セル構造２０００が評価された。磁気セル構造２０００は、磁気セルコア１８０１（図１８）と同一構造であるが、より厚いアトラクタ領域２０８０を有する、磁気セルコア２００１を含んでいた。アトラクタ領域２０８０は、副次的酸化物領域１６７０と自由領域１６２０との間に、５Å（０．５ｎｍ）の厚さで（３Å（０．３ｎｍ）のアトラクタ領域１８８０（図１８）に比較して）、タンタル（Ｔａ）で形成された。より厚いアトラクタ領域２０８０を有する、磁気セル構造２０００は、約７７％のＴＭＲ、約１１Ω・μｍ２のＲＡ、及び約２，３００Ｏｅ（約１８３．０ｋＡ／ｍ）のＨｋを有することがわかった（図１８の磁気セル構造１８００の４２％ＴＭＲ、１５Ω・μｍ２、及び２，２７６Ｏｅ（１８１．１ｋＡ／ｍ）に比較して）。従って、アトラクタ領域２０８０の厚さを増加することによって、ＴＭＲの増加を得た。
図２１及び図２２を参照すると、他の磁気セル構造２１００が評価された。磁気セル構造２１００は、磁気セルコア２００１（図２０）と同一の構造を有するが、より薄い副次的酸化物領域２１７０を有する磁気セルコア２１０１を含んでいた。副次的酸化物領域２１７０は、（図２０の約５Å（約０．５ｎｍ）の副次的酸化物領域１６７０と比較して）約３Å（約０．３ｎｍ）の厚さの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から形成された。より厚いアトラクタ領域２０８０とより薄い副次的酸化物領域２１７０を有する、磁気セル構造２１００は、約１３０％のＴＭＲ（図２２のＲ−Ｈループプロットを参照），約６．９Ω・μｍ２のＲＡ，及び１，５００Ｏｅ（約１１９．４ｋＡ／ｍ）のＨｋを有することがわかった。従って、副次的酸化物領域２１７０の厚さを減少することによって、ＴＭＲを実質的に増加させ（１３０％、図２０の磁気セル構造２０００の約７７％のＴＭＲに比較して）、依然、大きいＭＡ強度を維持した（例えば、ＭＡ強度は、磁気セル構造２０００（図２０）のＭＡ強度（約２，３００Ｏｅ（約１８３．０ｋＡ／ｍ））より小さかったが、約１，５００Ｏｅ（約１１９．４ｋＡ／ｍ）のＨｋ）。
副次的酸化物領域２１７０（図２１）（つまり、厚さで約３Å（約０．３ｎｍ）のＭｇＯ）とアトラクタ領域１８８０（図１８）（つまり、厚さで、３Å（０．３ｎｍ）のＴａ）を有する、他の磁気セル構造（不図示）は、また、ＭＡ強度が評価され、約１，２００Ｏｅ（約９５．５ｋＡ／ｍ）のＨｋを有するとわかった。従って、自由領域１６２０から副次的酸化物領域２１７０を分離するアトラクタ領域１８８０の厚さを減少することによって、ＭＡ強度を減少させた。
従って、自由領域とＭＡ誘導酸化物領域との間であっても、自由領域の近傍にアトラクタ材料を含めることによって、ＭＡ強度を劣化することなく、ＴＭＲを増加することが出来る。幾つかの実施形態においては、１００％より多いＴＭＲ値と大きいＭＡ値（例えば、少なくとも約１，５００Ｏｅ（約１１９．４ｋＡ／ｍ）より大きい）を達成することが出来る。
本開示は、その実装において、様々な改変及び別の形態が可能であるが、特定の実施形態が、図面に例として示され、ここに詳細に説明された。しかし、本開示は、開示される特定の形態に限定されることを意図されていない。むしろ、本開示は、以下の添付の請求項とそれらの法的均等物によって規定される本開示の範囲内に入る、全ての改変、組み合わせ、均等物、変形、及び代替品を含む。
Claims (12)
- 酸化物材料と他の酸化物材料との間に磁性材料を形成することであって、前記磁性材料は、スイッチング可能な磁性配向を示す、ことと、
前記磁性材料の近傍に、アトラクタ材料を形成することであって、前記アトラクタ材料は、前記磁性材料の拡散可能な化学種に対する化学親和力を有する、ことと、
前記磁性材料から前記アトラクタ材料へ、前記拡散可能な化学種を送達することと、
を含む前構造を形成することと、
前記前構造から磁気セルコア構造を形成することと、
を含み、
酸化物材料と他の酸化物材料との間に磁性材料を形成することは、
基板の上に金属を形成することと、
前記酸化物材料を形成するために、前記金属を酸化することと、
を含み、
前記磁性材料の近傍にアトラクタ材料を形成することは、前記金属を酸化する前に、前記金属に隣接して、前記アトラクタ材料を形成することを含み、
前記酸化材料を形成するために、前記金属を酸化することは、前記アトラクタ材料を、酸化環境に暴露することを含む、
磁気メモリセルを形成する方法。 - 前記基板の上に前記金属を形成することは、前記基板の上にマグネシウムを形成することを含み、
前記酸化物材料を形成するために前記金属を酸化することは、酸化マグネシウムを形成するために前記マグネシウムを酸化することを含む、
請求項１に記載の方法。 - 前記磁性材料から前記アトラクタ材料に前記拡散可能な化学種を送達することは、前記磁性材料を欠乏磁性材料に変換し、
前記欠乏磁性材料を結晶化することを更に含む、
請求項１又は２に記載の方法。 - 前記磁性材料から前記アトラクタ材料に前記拡散可能な化学種を送達することは、前記磁性材料、前記酸化物材料、及び前記アトラクタ材料をアニールすることを含む、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。 - 前記磁性材料から前記アトラクタ材料に前記拡散可能な化学種を送達することは、前記磁性材料から前記アトラクタ材料にボロンを送達することを含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。 - 前記アトラクタ材料は、タンタル、タングステン、ハフニウム、ジルコニウム、それらの化合物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。 - 前記磁性材料は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ)材料を含む、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。 - 前記磁性材料から形成される磁性領域は、ｂｃｃ（００１）結晶構造を有する、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。 - 前記磁気セルコア構造を有するメモリセルは、１００％より大きい、トンネル磁気抵抗を有する、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。 - 前記アトラクタ材料は、金属、または、金属化合物のみからなる、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。 - 前記磁性材料は、垂直なスイッチング可能な磁性配向を示す、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。 - 前記メモリセルは、周辺デバイスと動作可能に通信する、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
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