JP6280225B2 - メモリセル、製造方法、半導体デバイス、メモリシステムおよび電子システム - Google Patents

メモリセル、製造方法、半導体デバイス、メモリシステムおよび電子システム Download PDF

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Description

本出願は、2013年9月13日に出願された米国特許出願整理番号14/026,627“MEMORY CELLS,METHODS OF FABRICATION,SEMICONDUCTOR DEVICES,MEMORY SYSTEMS,AND ELECTRONIC SYSTEMS”の出願日の利益を享受する権利を主張する。
本開示は、種々の実施形態において、概して、メモリデバイスの設計および製造の分野に関する。より詳細には、本開示は、スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ(STT−MRAM)セルとして特徴づけられるメモリセルの設計および製造に関する。
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セルの一種は、スピントルクトランスファーMRAM(STT−MRAM)セルであり、STT−MRAMセルは、基板によって支持される磁性セルコアを含む。磁性セルコアは、例えば、“固定領域(fixed region)”および“自由領域(free region)”などの少なくとも二つの磁性領域を含み、その間に非磁性領域(例えば、トンネルバリア領域として構成された酸化物領域)を有する。自由領域および固定領域は、その領域の幅にわたって、水平方向に配向される(“平面内(in−plane)”)か、または垂直方向に配向された(“平面外(out−of−plane)”)磁性配向(方位、orientation)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、スイッチングできない)磁性配向を有する磁性材料を含む。一方、自由領域は、“平行な”配置と“反平行な”配置との間でセル動作中に、スイッチングされ得る磁性配向を有する磁性材料を含む。平行な配置においては、固定領域および自由領域の磁性配向は、同一方向に向けられる(例えば、其々、北と北、東と東、南と南または西と西)。反平行な配置においては、固定領域および自由領域の磁性配向は、逆方向に向けられる(例えば、其々、北と南、東と西、南と北、または西と東)。平行な配置においては、STT−MRAMセルは、磁気抵抗素子(例えば、固定領域および自由領域)にわたって、より低い電気抵抗を示す。この低電気抵抗状態は、MRAMセルの“0”の論理状態として定義されてもよい。反平行な配置においては、STT−MRAMセルは、磁気抵抗素子にわたって、より高い電気抵抗を示す。この高電気抵抗状態は、STT−MRAMセルの“1”の論理状態として定義されてもよい。
自由領域の磁性配向のスイッチングは、磁性セルコアおよびその中の固定領域と自由領域にプログラミング電流を通すことによって達成されてもよい。固定領域は、プログラミング電流の電子スピンを分極させ、スピン分極した電流がコアを通ると、トルクが作り出される。スピン分極した電子流は、自由領域にトルクを及ぼす。コアを通るスピン分極し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(J)よりも大きいとき、自由領域の磁性配向の方向はスイッチングされる。したがって、プログラミング電流は、磁性領域にわたって電気抵抗を変化させるために使用することができる。結果として生じる、磁気抵抗素子にわたる高電気抵抗状態または低電気抵抗状態は、MRAMセルの書き込みおよび読み出し動作を可能とする。平行な配置および反平行な配置のうち所望の論理状態に関連付けられた方を達成するために自由領域の磁性配向をスイッチングした後、自由領域の磁性配向は、“保存(storage)”段階(ステージ)の間、MRAMセルが異なる配置(即ち、異なる論理状態)へと上書きされることになるまで、保持されることが通常望ましい。
幾つかのSTT−MRAMセルは、自由領域と固定領域との間の酸化物領域(“中間酸化物領域”)に加えて、別の酸化物領域を含む。自由領域は、中間酸化物領域と別の酸化物領域との間にあってもよい。自由領域の二つの酸化物領域への接触は、自由領域の磁性異方性(“MA”)強度を増加させることがある。例えば、酸化物領域は、例えば自由領域などの隣接している材料に対する表面/界面MAを誘起するように、構成されてもよい。MAは、磁性材料の磁性特性の、方向依存性の指標である。したがって、MAは、材料の磁性配向の強度の指標でもあり、その材料の、磁性配向の変化のしにくさの指標でもある。高いMA強度を有する磁性配向を示す磁性材料は、より低いMA強度を有する磁性配向を示す磁性材料よりも、その磁性配向の変化を生じにくい可能性がある。したがって、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、保存中に、より安定である可能性がある。
唯一つの酸化物領域(即ち、中間酸化物領域)のみに隣接する自由領域と比較すると、二つの酸化物領域が自由領域のMA強度を増加させることがあるが、磁性セルコア内に追加された酸化物材料の量は、コアの電気抵抗(例えば、直列抵抗)を増加させることがあり、それによって、唯一つの酸化物領域(即ち、中間酸化物領域)のみを含むセルコアと比較すると、セルの実効的な磁性抵抗(例えば、トンネル磁性抵抗)を低下させる。電気抵抗の増加は、セルの抵抗面積(“RA”)も増加させ、プログラミング中に自由領域の磁性配向をスイッチングするために必要とされる電圧を増加させることがある。実効的な磁性抵抗の減少がセルの性能を低下させることがあるのとともに、RAの増加およびプログラミング電圧の増加セルの性能を低下させることがある。したがって、磁性抵抗(例えば、トンネル磁性抵抗)、RAおよびプログラミング電圧などの他の特性を劣化させることなく、高いMA強度のために自由領域の周囲に二つの酸化物領域を有するようにSTT−MRAMセルを形成することは、課題を提示してきた。
メモリセルが開示される。メモリセルは磁性セルコアを含む。磁性セルコアは、スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域と、固定された磁性配向を示す別の磁性領域と、前記磁性領域と前記別の磁性領域との間の中間酸化物領域と、を含む。別の酸化物領域は、前記磁性領域によって中間酸化物領域から離隔されており、中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する。ゲッター領域が、前記別の酸化物領域に近接しており、酸素および金属を含む。
磁性メモリセルの形成方法も開示される。方法は、中間酸化物領域と別の酸化物領域との間に自由領域を形成することを含む。ゲッター材料が、前記別の酸化物領域に近接して形成される。酸素が、前記別の酸化物領域からゲッター材料へと移動させられて、前記別の酸化物領域の電気抵抗を低下させる。
スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ(STT−MRAM)システムも開示される。STT−MRAMシステムは、STT−MRAMセルを含む。STT−MRAMセルのうちの少なくとも一つのSTT−MRAMセルは、一対の磁性領域と、一対の酸化物領域とを含む。磁性領域の対は、スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域と、固定された磁性配向を示す別の磁性領域とを含む。酸化物領域の対は、中間酸化物領域と別の酸化物領域とを含む。中間酸化物領域は、前記磁性領域と前記別の磁性領域との間にある。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域と前記磁性領域との間の界面に対向する、前記磁性領域の表面に隣接する。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する。ゲッター領域は、前記別の酸化物領域に近接しており、金属と酸素とを含む。少なくとも一つの周辺デバイスが、前記少なくとも一つのSTT−MRAMセルと、動作可能に接続している。アクセストランジスタ、ビット線、ワード線、ソース線のうちの少なくとも一つが、前記少なくとも一つのSTT−MRAMセルと、動作可能に接続している。
半導体デバイスも開示される。半導体デバイスは、STT−MRAMセルを含むスピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ(STT−MRAM)アレイを含む。STT−MRAMセルのうちの少なくとも一つのSTT−MRAMセルは、自由領域と固定領域との間の中間酸化物領域を含む。別の酸化物領域は自由領域に隣接し、中間酸化物領域から離隔される。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する。ゲッター領域は、前記別の酸化物領域に近接しており、金属酸化物の生成熱が前記別の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも10%未満までしか大きくはない金属を含む。
少なくとも一つのプロセッサを含む電子システムも開示される。前記少なくとも一つのプロセッサは、少なくとも一つの磁性メモリセルを含む。前記少なくとも一つの磁性メモリセルは、固定された磁性配向を示す固定領域と、固定領域に隣接する中間酸化物領域と、中間酸化物領域に隣接する自由領域とを含む。自由領域は、スイッチング可能な磁性配向を示す。別の酸化物領域は自由領域に隣接し、ゲッター材料が前記別の酸化物領域に近接している。ゲッター材料は、金属と酸素とを含む。前記金属の金属酸化物は、生成熱が、前記別の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも約10%未満までしか大きくはない。電源が、前記少なくとも一つのプロセッサと、動作可能に接続している。
本開示の一実施形態による磁性セル構造の概略断面立面図であり、ゲッター領域はベース酸化物領域に隣接している。 図1の長方形ABの拡大図であり、本開示の一実施形態に従い、図1の磁性セル構造の自由領域および固定領域が垂直方向の磁性配向を示す。 図1の長方形ABの拡大図であり、本開示の一実施形態に従い、図1の磁性セル構造の自由領域および固定領域が水平方向の磁性配向を示す。 本開示の一実施形態による磁性セル構造の概略断面立面図であって、ゲッター領域はベース酸化物領域内にある。 酸化物領域から近接するゲッター領域への酸素の移動前の、加工段階中の、磁性セル構造の部分的な概略断面立面図である。 図3の加工段階の後、かつ、酸化物領域から近接するゲッター領域への酸素の移動後の、加工段階中の、磁性セル構造の部分的な概略断面立面図である。 本開示の一実施形態による磁性セル構造の概略断面立面図であり、ゲッター領域は、自由領域の上にあるキャップ酸化物領域に隣接し、かつ、キャップ酸化物領域の上にある。 本開示の一実施形態による磁性セル構造の部分的な概略断面立面図であり、ゲッター領域は、ベース酸化物領域に間接的に隣接している。 本開示の一実施形態による磁性セル構造の部分的な概略断面立面図であり、ゲッター領域はベース酸化物領域を側面から包囲している。 直線8−8に沿って描かれた図7の構造の平面図である。 本開示の一実施形態による磁性セル構造を有するメモリセルを含むSTT−MRAMシステムの概略図である。 本開示の一実施形態による磁性セル構造を有するメモリセルを含む半導体デバイス構造の簡略化ブロック図である。 本開示の一つ以上の実施形態により実現されるシステムの簡略化ブロック図である。
メモリセル、メモリセルの形成方法、半導体デバイス、メモリシステムおよび電子システムが開示される。メモリセルは、二つの酸化物領域の間に、磁性材料から形成された磁性領域(例えば、自由領域)を含み、二つの酸化物領域の双方は、磁性異方性(“MA”)誘起領域であってもよい。例えば、自由領域と別の磁性領域(例えば、固定領域)との間に配置され、“中間酸化物領域”と本明細書で称される酸化物領域のうちの一つは、メモリセルのトンネルバリアとして機能するように構成されてもよい。本明細書で“第二の酸化物領域”と称される他方の酸化物領域は、トンネルバリアとして機能するように構成されなくてもよい。ゲッター材料は、第二の酸化物領域に近接し、かつ、第二の酸化物領域から酸素を除去するように調製され、第二の酸化物領域の電気抵抗を低下させ、それによって、メモリセルの実効的な磁性抵抗の実質的な低下を回避する。第二の酸化物領域の電気抵抗は、中間酸化物領域の電気抵抗の約50%よりも小さく(例えば、約1%から約20%の間)てもよい。幾つかの実施形態においては、第二の酸化物領域は、ゲッター材料による酸素の除去の結果として、導電性になる可能性がある。したがって、STT−MRAMセル全体の電気抵抗は、第二の酸化物領域に近接するゲッター材料を欠くSTT−MRAMセルと比較すると、減少してもよい。さらに、電気抵抗の低下は、セルの磁性抵抗の低下を回避し、それによって、第二の酸化物領域に近接するゲッター材料を有するSTT−MRAMセルは、このようなゲッター材料領域を欠くSTT−MRAMセルと比較すると、より高い実効的な磁性抵抗を有してもよい。それにもかかわらず、ゲッターを含むSTT−MRAMセルの二つの酸化物領域は、やはり自由領域にMAを誘起し得る。したがって、MA強度は低下しないかもしれないが、電気抵抗は低下して、最大のトンネリング磁性抵抗と、小さな抵抗面積(“RA”)積と、低いプログラミング電圧の使用とを可能にする。
本明細書で用いられるように、“基板(substrate)”という用語は、メモリセル内のコンポーネントなどの諸コンポーネントがその上に形成される、ベース材料または他の構造を意味し、含む。基板は、半導体基板、支持構造上のベース半導体材料、金属電極、または、その上に形成された材料、構造もしくは領域のうちの一つ以上を有する半導体基板であってもよい。基板は、従来のシリコン基板、または半導電性材料を含む他のバルク基板であってもよい。本明細書で用いられるように、“バルク基板”という用語は、シリコンウェーハだけではなく、例えばシリコン・オン・サファイア(“SOS”)基板もしくはシリコン・オン・グラス(“SOG”)基板などのシリコン・オン・インシュレータ(“SOI”)基板、ベース半導体の下地の上のシリコンのエピタキシャル層、または、例えばシリコン・ゲルマニウム(Si1−xGe、ここでxは例えば、0.2から0.8の間のモル分率である)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、もしくはリン化インジウム(InP)などの他の半導体もしくは光電子材料なども意味し、含む。さらに、以下の説明において“基板”に対して参照が行われるときには、それ以前の処理段階は、ベース半導体の構造または下地内の材料、領域または接合を形成するために利用されたのであってもよい。
本明細書で用いられるように、“STT−MRAMセル(STT−MRAM cell)”という用語は、自由領域と固定領域との間に配置された非磁性領域を含む磁性セルコアを含む磁性セル構造を意味し、含む。STT−MRAMセルは、磁性トンネル接合(“MTJ”)配置の形で構成されてもよく、MTJ配置において、非磁性領域は、酸化物などの電気的に絶縁性の(例えば、誘電性の)材料を含む。自由領域と固定領域との間に配置された、このような電気的に絶縁性の酸化物の非磁性領域は、本明細書では、“中間酸化物領域(intermediate oxide region)”と称される。
本明細書で用いられるように、“磁性セルコア(magnetic cell core)”という用語は、自由領域および固定領域を含むメモリセル構造であって、メモリセルの使用および動作中に、自由領域および固定領域の磁性配向の平行または反平行な配置を引き起こすように、そこに電流を通す(即ち、流す)ことのできるメモリセル構造を、意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“磁性領域(magnetic region)”という用語は、磁性を示す領域を意味する。磁性領域は、磁性材料を含み、さらに一つ以上の非磁性材料を含むこともある。
本明細書で用いられるように、“磁性材料(magnetic material)”という用語は、強磁性材料、フェリ磁性材料、反強磁性材料、常磁性材料を意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“CoFeB材料(CoFeB material)”という用語は、コバルト(Co)、鉄(Fe)およびホウ素(B)を含む材料(例えば、CoFeであり、x=10から80、y=10から80、z=0から50である)を意味し、含む。CoFeB材料は、その形状(例えば、その厚さ)によって、磁性を示すこともあるし、磁性を示さないこともある。
本明細書で用いられるように、“固定領域(fixed region)”という用語は、磁性材料を含み、STT−MRAMセルの使用および動作中に固定された磁性配向を有するSTT−MRAMセル内の磁性領域のことを意味し、含み、その固定とは、セルコアのうちの一つの磁性領域、例えば、自由領域の、磁化方向内の変化をもたらす電流または印加された電界が、固定領域の磁化方向内の変化をもたらさないかもしれない、という意味においてである。固定領域は、一つ以上の磁性材料を含んでもよく、任意で、一つ以上の非磁性材料を含んでもよい。例えば、固定領域は、磁性サブ領域同士によって結びつけられたルテニウム(Ru)のサブ領域を含む合成反強磁性体(SAF)として構成されてもよい。磁性サブ領域の各々は、一つ以上の材料および一つ以上の領域をその中に含んでもよい。別の例として、固定領域は、単一の均質な磁性材料として構成されてもよい。したがって、固定領域は、一様な磁化を有することもあるし、あるいは、STT−MRAMセルの使用および動作中に固定された磁性配向を有する固定領域を全体としてもたらすような、相異なる磁化のサブ領域を有してもよい。
本明細書で用いられるように、“自由領域(free region)”という用語は、磁性材料を含み、STT−MRAMセルの使用中および動作中に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、電流または印加される電界の適用によって、平行な配置と反平行な配置との間でスイッチングされてもよい。
本明細書で用いられるように、“スイッチング(switching)”という用語は、自由領域および固定領域の磁性配向の平行な配置または反平行な配置をもたらすために、STT−MRAMセルの磁性セルコアにプログラミング電流が通されているメモリセルの使用および動作の段階を意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“保存(storage)”という用語は、STT−MRAMセルの磁性セルコアにプログラミング電流が通されておらず、かつ、自由領域および固定領域の磁性配向の平行な配置または反平行な配置が故意に変化しない間の、メモリセルの使用および動作段階のことを意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“垂直方向(vertical)”という用語は、其々の領域の幅および長さに垂直な方向を意味し、含む。“垂直方向(vertical)”とは、STT−MRAMセルが配置される基板の主表面に対して垂直な方向も意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“水平方向(horizontal)”という用語は、其々の領域の幅および長さのうちの少なくとも一つに平行な方向を意味し、含む。“水平方向(horizontal)”とは、STT−MRAMセルが配置される基板の主表面に平行な方向も意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“サブ領域(sub−region)”という用語は、別の領域に含まれる領域を意味し、含む。このように、一つの磁性領域は、非磁性サブ領域、即ち、非磁性材料のサブ領域とともに、一つ以上の磁性サブ領域、即ち、磁性材料のサブ領域を含んでもよい。
本明細書で用いられるように、“間(between)”という用語は、少なくとも二つの他の材料、領域またはサブ領域について、一つの材料、領域またはサブ領域の相対的配置を記述するために使用される空間的相対用語である。“間(between)”という用語は、前記の他の材料、領域またはサブ領域に直接的に隣接する一つの材料、領域、またはサブ領域の配置と、前記の他の材料、領域またはサブ領域に間接的に隣接する一つの材料、領域、またはサブ領域の配置との双方を包含する可能性がある。
本明細書で用いられるように、“近接する(proximate to)”という用語は、別の材料、領域、またはサブ領域の近くの、ある材料、領域またはサブ領域の配置を記述するために使用される空間的相対用語である。“近接する(proximate)”という用語は、間接的に隣接する配置、直接的に隣接する配置および内部にある配置を含む。
本明細書で用いられるように、他の構成要素の“上(on)”または“上方(over)”にあるものとして一要素に言及することは、当該他の構成要素の上部に直接的に接して存在するか、当該他の構成要素と直接的に隣接するか、当該他の構成要素の直接下にあるか、または当該他の構成要素と直接的に接触している構成要素を意味し、含む。また、間に別の構成要素を置いて、上記他の構成要素の上部に間接的に存在するか、間接的に上記他の構成要素に隣接するか、間接的に上記他の構成要素の下にあるか、または上記他の構成要素の近傍にある構成要素も含む。対照的に、ある構成要素が、別の構成要素の“直接上にある(directly on)”または別の構成要素に“直接隣接している(directly adjacent to)”ものとして言及されるとき、介在する構成要素は存在しない。
本明細書で用いられるように、“下(beneath)”、“下(below)”、“下部(lower)”、“底部(bottom)”、“上(above)”、“上部(upper)”、“上部(top)”、“前(front)”、“後ろ(rear)”、“左(left)”、“右(right)”などの他の空間的相対用語は、図面に示されるような、他の(一つもしくは複数の)構成要素または(一つもしくは複数の)形体に対する、ある構成要素または形体の関係を記述するために、記述を容易にするために用いられることがある。特に別段の指定がされない限りは、これらの空間的相対用語は、図面に示されるような方向に加えて、材料の別の方向も包含することを意図される。例えば、図面内の材料が反転される場合、他の構成要素または形体の“下(below)”または“下(beneath)”または“下(under)”または“底部(on bottom of)”にあるものとして記述されている構成要素は、今度は、他の構成要素または形体の“上(above)”または“上部(on top of)”に方向づけられるだろう。したがって、“下(below)”という用語は、その用語が用いられる文脈によっては、上および下の方向づけの双方を包含することができ、そのことは、当業者に明らかであろう。材料は、他の方法で方向づけられてもよく(90度回転される、反転される、など)、本明細書で用いられる空間的相対記述語は、それに従って解釈される。
本明細書で用いられるように、“含む(comprises)”、“含む(comprising)”、“含む(includes)”および/または“含む(including)”という用語は、言及される特徴、領域、整数、段階、動作、構成要素、材料、コンポーネントおよび/または集合の存在を特定するものであるが、一つ以上の他の特徴、領域、整数、段階、動作、構成要素、材料、コンポーネントおよび/またはそれらの集合の存在または追加を排除することはない。
本明細書で用いられるように、“および/または(and/or)”は、関連付けられ列挙された項目のうちの一つ以上のものの、ありとあらゆる組み合わせを含む。
本明細書で用いられるように、“一つの(a)”、“一つの(an)”および“その(the)”という単数形は、そうではないと文脈から明確に示されない限りは、複数形をさらに含むことを意図される。
本明細書に提示される図面は、いかなる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外観を意味するものでもなく、本開示の実施形態を記述するために使用される単なる理想的表現に過ぎない。
実施形態は、概略図である断面図を参照して、本明細書に記述される。したがって、例えば、製造技法および/または許容誤差の結果としての、図面の形状からの変形が予測されるべきである。したがって、本明細書に記述される実施形態は、図示された特定の形状または領域に限定すると解釈されるべきではなく、例えば、製造技法に起因する、形状におけるずれを含んでもよい。例えば、箱形として図示されるかまたは記述される領域は、でこぼこの形体および/または直線的でない形体を有することがある。さらに、図示される鋭い角は、丸みを帯びていることがある。このように、図面に示される材料、特徴および領域は、本質的に概略であって、これらの形状は、材料、特徴または領域の正確な形状を図示することを意図するものではなく、本請求項の範囲を限定することはない。
以下の記述は、開示されるデバイスおよび方法の実施形態についての十分な理解を提供するために、材料の種類および処理条件などの具体的詳細事項を提供する。しかしながら、これらの具体的詳細事項を使用しなくても、デバイスおよび方法の実施形態が実現され得ることを、当業者は理解するであろう。実際には、デバイスおよび方法の実施形態は、本産業で使用される従来の半導体製造技法と組み合わせて実現されることがある。
本明細書で記述される製造プロセスは、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、当業者には既知のものである。したがって、本デバイスおよび本方法の実施形態を理解するのに必要な方法および半導体デバイス構造のみが本明細書に記述される。
特に別段の指定がされない限りは、本明細書で記述される材料は、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そのいずれにも限定はされない任意の好適な技法によって、形成されてもよい。形成されることになる特定の材料によっては、材料を堆積するかまたは成長させるための技法は、当業者によって選択されてもよい。
特に別段の指定がされない限りは、本明細書で記述される材料の除去は、エッチング、イオンミリング、研磨による平坦化、または他の既知の方法を含むがそのいずれにも限定はされない任意の好適な技法によって、達成されてもよい。
ここで、図面に対して参照が行われ、類似の参照番号は、図面を通して類似のコンポーネントを示す。図面は、必ずしも同じ縮尺で描かれるとは限らない。
メモリセルが開示される。メモリセルは、中間酸化物領域と第二の酸化物領域とを含む二つの酸化物領域の間に配置された自由領域を含む磁性セルコアを含む。双方の領域は、自由領域にMA(磁性異方性)を誘起するように構成されてもよい。中間酸化物領域は、トンネルバリアとして機能するようにも構成されてもよい。ゲッター材料は、第二の酸化物領域に近接している。ゲッター材料は、第二の酸化物領域の酸化物材料の酸素に対する化学親和性よりも大きいか、それとほぼ等しい酸素に対する化学親和性を有する。例えば、ゲッター材料は、その金属からの金属酸化物の生成熱が第二の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも低い(例えば、より負の方向に大きい)金属で、形成されてもよい。したがって、ゲッター材料は、第二の酸化物領域から酸素を除去するように調製され、第二の酸化物領域内の酸素濃度を低下させ、それによって、第二の酸化物領域の電気抵抗を低下させる。電気抵抗の低下は、ゲッター物質のないSTT−MRAMセルと比較すると、より高い磁気抵抗と、より小さなRA(抵抗面積)積と、より低いプログラミング電圧とを可能とする。したがって、STT−MRAMセルは、二つのMA誘起領域を含むように形成されてもよく、それにより、トンネル磁気抵抗、RA積またはプログラミング電圧を悪化させることなく、高いMA強度を提供する。
図1は、本開示による磁性セル構造100の一実施形態を示す。磁性セル構造100は、基板102の上の磁性セルコア101を含む。磁性セルコア101は、上方の上部電極104と下方の下部電極105との間に配置されてもよい。導電性材料は、上部電極104および下部電極105のうちのいずれかまたはその双方が形成され、この導電性材料は、限定はしないが、例えば、金属(例えば、銅、タングステン、チタン、タンタル)、金属合金、もしくはその組み合わせを含んでもよく、実質的に金属(例えば、銅、タングステン、チタン、タンタル)、金属合金、もしくはその組み合わせのみから成っていてもよく、または、金属(例えば、銅、タングステン、チタン、タンタル)、金属合金、もしくはその組み合わせのみから成っていてもよい。
磁性セルコア101は、例えば、“固定領域”110および“自由領域”120などの、少なくとも二つの磁性領域を含む。自由領域120および固定領域110は、例えばCo,Fe,Niもしくはこれらの合金であるNiFe、CoFe、CoNiFeなどの強磁性材料、または、CoX、CoFeX、CoNiFeX(X=B,Cu,Re,Ru,Rh,Hf,Pd,Pt,C)などのドープされた合金、または、例えば、NiMnSbおよびPtMnSbなどの他のハーフメタリック(half−metallic)強磁性材料から形成されてもよいし、こうしたものを含んでもよいし、本質的にこうしたもののみから成ってもよいし、または、こうしたもののみから成っていてもよい。幾つかの実施形態においては、例えば、自由領域120、固定領域110またはその双方は、CoFeから、全体としてまたは部分的に形成されてもよく、ここでxは10から80で、yは10から80で、zは0から50である。他の実施形態においては、自由領域120、固定領域110またはその双方は、鉄(Fe)およびホウ素(B)で、全体としてまたは部分的に形成されてもよく、かつ、コバルト(Co)を含まなくてもよい。自由領域120および固定領域110の組成および構造(例えば、厚さおよび他の物理的寸法)は、同一であってもよいし、異なってもよい。
代替的または追加的に、幾つかの実施形態においては、自由領域120、固定領域110、またはその双方は、複数の材料で形成されるか、複数の材料を含んでもよく、複数の材料のうちのいくつかは、磁性材料であってもよく、複数の材料のうちのいくつかは、非磁性材料であってもよい。例えば、このような複数材料の自由領域、固定領域またはその双方のうちのいくつかは、複数のサブ領域を含んでもよい。例えば、限定はしないが、自由領域120、固定領域110またはその双方は、コバルトおよびプラチナの繰り返しサブ領域から形成されるか、コバルトおよびプラチナの繰り返しサブ領域を含んでもよく、プラチナのサブ領域は、コバルトのサブ領域同士の間に配置されてもよい。別の例として、限定はしないが、自由領域120、固定領域110またはその双方は、コバルトおよびニッケルの繰り返しサブ領域を含んでもよく、ニッケルのサブ領域は、コバルトのサブ領域同士の間に配置されてもよい。したがって、固定領域110および自由領域120のいずれかまたはその双方は、同種のもので形成されてもよく、または、任意で、磁性材料とさらに任意で非磁性材料(例えばカップリング剤)のサブ領域を、一つより多く含むように形成されてもよい。
幾つかの実施形態においては、固定領域110および自由領域120の双方は、例えば、CoFeB材料などの同一の材料から、全体としてまたは部分的に形成されてもよい。しかしながら、このような幾つかの実施形態においては、Co:Fe:Bの相対的な原子比は、固定領域110および自由領域120において異なる可能性がある。固定領域110および自由領域120のうちの一方またはその双方は、互いに同一の元素を含むがそれらのサブ領域中の元素の相対的な原子比同士は異なるような、磁性材料の複数のサブ領域を含んでもよい。例えば、限定はしないが、自由領域120のサブ領域は、自由領域120の別のサブ領域よりも、CoFeと比較すると、より低い濃度のホウ素(B)を有してもよい。
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、平面外STT−MRAMセルとして構成されてもよい。“平面外”STT−MRAMセルは、主に垂直方向に方向づけられた磁性配向を示す磁性領域を含む。例えば、図1の長方形ABの図である図1Aに示されるように、STT−MRAMセルは、磁性領域(例えば、固定領域110および自由領域120)のうちの少なくとも一つにおいて垂直方向の磁性配向を示すように構成されてもよい。示された垂直方向の磁性配向は、垂直方向磁性異方性(“PMA”)強度によって特徴づけられることがある。矢印112および両矢印122によって図1Aに示されるように、幾つかの実施形態においては、固定領域110および自由領域120のうちの各々は、垂直方向の磁性配向を示すことがある。固定領域110の磁性配向は、例えば、図1Aの矢印112によって示される方向、というように、STT−MRAMセルの動作中ずっと、本質的に同一の方向に方向づけられたままであってもよい。一方、自由領域120の磁性配向は、図1Aの両矢印122によって示されるように、平行な配置と反平行な配置との間で、セルの動作中にスイッチングされてもよい。
他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セルとして構成されてもよい。“平面内”STT−MRAMセルは、主に水平方向に方向づけられた磁性配向を示す磁性領域を含む。例えば、図1の長方形ABの図である図1Bに示されるように、STT−MRAMセルは、磁性領域(例えば、固定領域110および自由領域120)のうちの少なくとも一つにおいて水平方向の磁性配向を示すように構成されてもよい。示された水平方向の配向は、水平方向磁性異方性(“HMA”)強度によって特徴づけられることがある。矢印112および両矢印122によって図1Bに示されるように、幾つかの実施形態においては、固定領域110および自由領域120のうちの各々は、水平方向の磁性配向を示すことがある。固定領域110の磁性配向は、例えば、図1Bの矢印112によって示される方向、というように、STT−MRAMセルの動作中ずっと、本質的に同一の方向に方向づけられたままであってもよい。一方、自由領域120の磁性配向は、図1Bの両矢印122によって示されるように、平行な配置と反平行な配置との間で、セルの動作中に、スイッチングされてもよい。
引き続き図1を参照すると、中間酸化物領域130は、自由領域120および固定領域110の間に配置されてもよい。中間酸化物領域130は、トンネル領域として構成されてもよく、界面131に沿って固定領域110と接触し、界面132に沿って自由領域120と接触することがある。中間酸化物領域130は、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化チタン(TiO)もしくは他の従来のトンネルバリア領域の酸化物材料などの非磁性酸化物材料から形成されるか、こうした非磁性酸化物材料を含むか、本質的にこうした非磁性酸化物材料のみから成るか、または、こうした非磁性酸化物材料のみから成っていてもよい。一つ以上の非磁性酸化物材料が含まれてもよい。幾つかの実施形態においては、追加の非酸化物材料が含まれてもよい。したがって、中間酸化物領域130は、同種のものでできた領域として形成されてもよいし、または、異種のものでできた混合物を有する領域として形成されてもよいし、もしくは一つ以上の材料の個別のサブ領域を有する領域として、形成されてもよい。
一つ以上の下部中間領域140は、任意で、下部電極105の上、かつ、固定領域110と自由領域120との下に配置されてもよい。下部中間領域140は、被覆材料がその上に形成されるような平坦なテンプレートを提供するように、かつ、所望の結晶構造での被覆材料の形成を可能とするように、調製され構成された下地材料を含んでもよい。下部中間領域140は、下部電極105と、下部中間領域140を被覆する材料との間で、メモリセルの動作中に拡散を抑制するように構成された材料を代替的または追加的に含んでもよい。例えば、限定はしないが、下部中間領域140は、コバルト(Co)および鉄(Fe)のうちの少なくとも一つ(例えば、CoFeB材料)か、非磁性材料(例えば、金属(例えば、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W))、金属窒化物(例えば、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN))、金属合金)か、もしくは、それらのあらゆる組合せを含む材料で形成されるか、そうした材料を含むか、本質的にそうした材料のみから成るか、または、そうした材料のみから成っていてもよい。幾つかの実施形態においては、下部中間領域140は、含まれる場合には、下部電極105に組み込まれてもよい。例えば、下部中間領域140は、下部電極105の最上部サブ領域を含むか、または、下部電極105の最上部サブ領域のみから成っていてもよい。
一つ以上の上部中間領域150は、磁性セルコア101の磁性領域(例えば、固定領域110および自由領域120)の上に、任意で配置されてもよい。上部中間領域150は、含まれる場合には、隣接する材料内での所望の結晶構造を確実にするため、または磁性セルの製造中のパターン化・プロセスを支援するため、または拡散バリアとして機能するように構成されてもよい。幾つかの実施形態においては、上部中間領域150は、含まれる場合には、導電性材料(例えば、銅(Cu)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、ルテニウム(Ru)、窒化タンタル(TaN)または窒化チタン(TaN)などの一つ以上の材料)から形成されるか、こうした導電性材料を含むか、本質的にこうした導電性材料のみから成るか、または、こうした導電性材料のみから成っていてもよい。幾つかの実施形態においては、上部中間領域150は、含まれる場合には、上部電極104に組み込まれていてもよい。例えば、上部中間領域150は、上部電極104の最下部サブ領域を含むか、または、上部電極104の最下部サブ領域のみから成っていてもよい。
磁性セルコア101は、自由領域120に隣接する第二の酸化物領域170も含む。第二の酸化物領域170は、下部電極105の上かつ、存在する場合には下部中間領域140がその上に、形成されてもよい。第二の酸化物領域170は、例えば、限定はしないが、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(Al)、酸化チタン(TiO)もしくは他の従来のトンネルバリア領域の酸化物材料)から形成されるか、こうした非磁性酸化物材料を含むか、本質的にこうした非磁性酸化物材料のみから成るか、または、こうした非磁性酸化物材料のみから成っていてもよい。幾つかの実施形態においては、第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130が形成されるのと同一の材料から形成されてもよいが、このような材料の元素の相対的な原子比は、第二の酸化物領域170と中間酸化物領域130とでは異なっていてもよい。例えば、第二の酸化物領域170および中間酸化物領域130の双方がMgOから形成されていてもよい。しかしながら、以下で議論されるように、第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130よりもより低濃度の酸素を有してもよい。
ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170に近接して形成される。幾つかの実施形態においては、図1に示されるように、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170に隣接して(例えば、その直下に)存在してもよい。したがって、第二の酸化物領域170は、上部表面に沿って、例えば、界面172において、自由領域120に隣接してもよく、一方で、第二の酸化物領域170は、対向する下部表面に沿って、例えば、界面178において、ゲッター領域180に隣接してもよい。
ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170内の酸素濃度を低下させ、それによって第二の酸化物領域170の電気抵抗を低下させるために、第二の酸化物領域170から酸素を除去するように調製および構成され、それによって、磁性セルコア101の磁性抵抗を最大化する。例えば、ゲッター領域180の材料(本明細書では、“ゲッター材料”と称される)が、第二の酸化物領域170の酸素獲得に対して競合するように調製された状態になるように、ゲッター領域180は、酸素に対する化学親和性が、第二の酸化物領域170の材料の酸素に対する化学親和性とほぼ等しいか、それより大きいような材料から形成されるか、そのような材料を含むか、本質的にそのような材料のみから成るか、または、そのような材料のみから成っていてもよい。ゲッター材料が金属を含む実施形態においては、金属酸化物の生成熱は、酸素に対するゲッター材料の化学親和性の指標である。したがって、ゲッター領域180のゲッター材料は、金属酸化物の生成熱が、第二の酸化物領域170の酸化物の生成熱とほぼ同一(例えば、約10%以下だけ高い)か、またはそれより小さくてもよい。
例えば、限定はしないが、第二の酸化物領域170が酸化マグネシウム(MgO)で形成され、約−6.29(eV)の金属酸化物の生成熱を有する実施形態においては、ゲッター領域180のゲッター材料は、例えば、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、アルミニウム(Al)、バリウム(Ba)、ジルコニウム(Zr)などの、金属酸化物の生成熱が約−5.66(eV)以下の金属、それらの化合物、もしくはその組み合わせから形成されるか、そのようなものを含むか、本質的にそのようなもののみから成るか、または、そのようなもののみから成っていてもよい。酸化カルシウム(CaO)は、約−6.58(eV)の(即ち、MgOの生成熱よりも小さい)金属酸化物の生成熱を有する。酸化ストロンチウム(SrO)は、約−6.13(eV)(即ち、MgOの生成熱よりも約2.5%のみ高いだけである)の金属酸化物の生成熱を有する。酸化アルミニウム(Al)は、約−5.79(eV)(即ち、MgOの生成熱よりも約7.9%高いだけである)の金属酸化物の生成熱を有する。酸化バリウム(BaO)および酸化ジルコニウム(ZrO)は、約−5.68(eV)(即ち、MgOの生成熱よりも約9.7%高いだけである)の金属酸化物の生成熱を有する。このように、ゲッター領域180のゲッター材料は、第二の酸化物領域170の材料と酸素に対して競合するように選択されてもよい。
ゲッター領域180は、酸素に対する所望の化学親和性(例えば、金属酸化物の生成熱)を有する純粋な単体金属、またはそのような金属の化合物の、均質な領域として、形成されてもよい。例えば、第二の酸化物領域170が酸化マグネシウム(MgO)で形成される実施形態においては、ゲッター領域180は、純粋なカルシウム(Ca)から形成されてもよいし、またはカルシウム化合物(例えば、炭酸カルシウム(CaCO))から形成されてもよい。他の実施形態においては、ゲッター領域180は、例えば酸化マグネシウム(MgO)や酸化チタン(TiO)などのキャリア材料内に埋め込まれた、ゲッター材料(例えば金属)を含んでもよい。しかしながら、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170の酸素濃度の低下および電気抵抗の低下をもたらすように第二の酸化物領域170からの酸素の吸引および除去を達成するために、十分な量の遊離した(即ち、酸素との化学反応および/または化学結合に使用可能な)金属原子を提供するよう調製および構成され得る、と考えられる。例えば、ゲッター領域180は、ある濃度の遊離金属を含むように調製されてもよく、かつ、第二の酸化物領域170からの所望の量の酸素の除去を可能とする量(例えば、厚さ)を有するように構成されてもよい。ゲッター材料内の遊離金属の濃度が低い実施形態においては、ゲッター領域180は、厚くなるように形成されてもよい。一方、ゲッター材料内の遊離金属の濃度が高い実施形態においては、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170からの酸素の同様な除去を達成するために薄くなるように形成されてもよい。
ゲッター領域180による第二の酸化物領域170から酸素の除去は、その製造中に磁性セルコア101の材料をアニーリングすることによって開始されてもよい。このような実施形態においては、アニールが一つ以上の段階において実行されてもよいが、アニールの温度および期間は、第二の酸化物領域170からゲッター領域180への所望の酸素の移動を達成するように適合されてもよい。より高いアニール温度およびより長いアニール期間は、より低いアニール温度およびより短いアニール期間と比較すると、より多くの酸素除去を促進することがある。第二の酸化物領域170からゲッター領域180への酸素の移動は、いったん移動すると酸素が第二の酸化物領域170に拡散して戻り得ないような、実質的に永久的なものだろう、と考えられる。
少なくとも、中間酸化物領域130および第二の酸化物領域170が同一の酸化物材料(例えば、MgO)から形成される実施形態においては、第二の酸化物領域170とゲッター領域180との間の酸素の移動後に、結果として生じる磁性セルコア101は、中間酸化物領域130と比較すると、より低い濃度の酸素を有する第二の酸化物領域170を含む。この実施形態または他の実施形態においては、第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130と比較するとより低い電気抵抗を有する。例えば、限定はしないが、第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130の電気抵抗の約50%よりも低い(例えば、約1%から約20%の)電気抵抗を有してもよい。幾つかの実施形態においては、第二の酸化物領域170は、酸素除去の結果として導電性を有することがある。したがって、本明細書で記述されるように、第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130ほどではなくても電気的に抵抗性を有してもよいし、または、導電性を有してもよく、その双方の状態が、本明細書で用いられる“より低い電気抵抗”という記述によって包含される。したがって、第二の酸化物領域170は、セルの磁性抵抗を低下させ(例えば、実質的に減少させ)ない。
第二の酸化物領域170内の酸素のうちの全てがゲッター領域180によって除去されるとは限らない。むしろ、ゲッター領域180は、酸素の一部のみを除去して、第二の酸化物領域170内に最小限の酸素濃度を残すように、調製され、構成されてもよい。最小限の酸素濃度とは、第二の酸化物領域170が自由領域120に表面/界面MAを誘起し続けることを可能とするのに十分な濃度である、と考えられる。幾つかの実施形態においては、結果として生じる、第二の酸化物領域170内の低下した酸素濃度は、第二の酸化物領域170の全体にわたって均一であってもよい。他の実施形態においては、第二の酸化物領域170は、第二の酸化物領域170からゲッター領域180への酸素の移動後、酸素の勾配を有してもよい。このような酸素の勾配は、自由領域120との界面172に近接する部分でのより高い濃度と、ゲッター領域180との界面178に近接する部分でのより低い酸素濃度とを含んでもよい。このような実施形態においては、酸素濃度は、後に平衡して、第二の酸化物領域170の全体にわたって実質的に均一な酸素濃度になってもよい。
ゲッター領域180が中間酸化物領域130から酸素を除去して中間酸化物領域130の酸素濃度を低下させるのを抑制するために、ゲッター領域180は、中間酸化物領域130から物理的に隔離されてもよい、と考えられる。したがって、図1に示されるように、ゲッター領域180は、例えば、限定はしないが、第二の酸化物領域170および自由領域120を含む磁性セルコア101の他の領域によって、中間酸化物領域130から離隔されてもよい。そうした実施形態において、ゲッター領域180は、中間酸化物領域130とは化学的に相互作用し得ない。
本開示の一実施形態においては、磁性セル構造100は、カルシウム(Ca)またはカルシウム化合物(例えば、CaCO)で形成されたゲッター領域180と、酸化マグネシウム(MgO)で形成された第二の酸化物領域170と、CoFeB材料で形成された自由領域120と、MgOで形成された中間酸化物領域130と、少なくとも部分的にCoFeB材料で形成された固定領域110と、を含む。MgOの生成熱(即ち、−6.28(eV))と比較すると、CaOの生成熱はより低い(即ち、−6.58(eV))ため、酸素は、第二の酸化物領域170からゲッター領域180へと移動する。したがって、ゲッター領域180は、Caおよび酸素を含み、この酸素は、第二の酸化物領域170に由来する。さらに、この実施形態の第二の酸化物領域170および中間酸化物領域130の双方は、同一の材料、即ちMgOで形成されているが、結果として生じる磁性セルコア101の第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130よりも低い酸素濃度と低い電気抵抗とを有する。第二の酸化物領域170は、中間酸化物領域130の電気抵抗の約20%よりも小さい電気抵抗を有することがある。
図1では、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170の下に直接隣接しているが、図2の実施形態など、他の実施形態においては、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域270の内部に配置されることによって、第二の酸化物領域170に近接することがある。例えば、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域270の中央サブ領域であってもよく、ゲッター領域180の上に上部酸化物サブ領域276があり、かつ、ゲッター領域180の下に下部酸化物サブ領域278があるのでもよい。上部酸化物サブ領域276は、界面272に沿って自由領域120に隣接してもよく、下部酸化物サブ領域278は、下部電極105に隣接してもよいし、または、界面274に沿って、もし下部中間領域140が存在する場合には、下部中間領域140に隣接してもよい。
他の実施形態においては、ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170(図1)に近接する(例えば、隣接するか、または内部にある)個別の領域ではないことがあるが、第二の酸化物領域170に隣接する材料内に埋め込まれたゲッター材料の領域であってもよい。何らかの点において、ゲッター材料は、第二の酸化物領域170に近接しており、かつ、第二の酸化物領域170の酸素濃度および電気抵抗を低下させるために、第二の酸化物領域170から酸素を除去するように構成され、調製される。
したがって、磁性セルコアを含むメモリセルが開示される。磁性セルコアは、スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域を含む。別の磁性領域は、固定された磁性配向を示す。中間酸化物領域は、前記磁性領域と前記別の磁性領域との間に配置される。別の酸化物領域は、前記磁性領域によって中間酸化物領域から離隔されている。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する。ゲッター領域が、前記別の酸化物領域に近接しており、酸素と金属とを含む。
本開示のメモリセルを形成することは、底部から上部へ、各領域の一つ以上の材料を逐次的に形成することを含んでもよい。したがって、例えば、図1の磁性セル構造100を形成するために、下部電極の導電性材料が、基板102の上に形成されてもよい。その後、下部中間領域140が含まれる場合には、下部中間領域140の材料が導電性材料の上に形成されてもよい。その後、ゲッター領域180のゲッター材料は、(例えば、スパッタリング、CVD、PVD、ALDまたは他の既知の堆積技法によって)形成されてもよい。第二の酸化物領域170の酸化物材料は、ゲッター材料の上に形成されてもよく、自由領域120の磁性材料は、酸化物材料の上に形成されてもよい。中間酸化物領域130の酸化物材料は、その後、自由領域120の磁性材料の上に形成されてもよい。固定領域110の磁性材料は、中間酸化物領域130の酸化物材料の上に形成されてもよい。上部中間領域150の材料は、含まれる場合には、その上に形成されてもよい。最後に、上部電極104の導電性材料が形成されてもよい。その後、一つ以上の段階で、磁性セルコア101の構造を形成するために、これらの材料がパターン化されてもよい。記述された材料の前駆構造などの構造をパターン化して図1の磁性セル構造100などの構造を形成するための技法は、本技術分野で既知であるため、詳細には記述されていない。
下部酸化物サブ領域278と上部酸化物サブ領域276との間にゲッター領域180を形成するために、第二の酸化物領域270の酸化物材料の構造が複数の段階で形成され得ることを除いて、図2の磁性セル構造200は、同様に形成されてもよい。
少なくともゲッター領域180のゲッター材料と、第二の酸化物領域(例えば、図1の第二の酸化物領域170、図2の第二の酸化物領域270)の酸化物材料との形成の後、酸素は、第二の酸化物領域(例えば、図1の170、図2の270)とゲッター領域180との間で(例えば、アニールの間に)移動させられてもよい。図3を参照すると、酸素371を含む酸化物材料370がゲッター材料380に近接している、部分的セルコア構造300が図示されている。図3は、材料を最初に形成したときの、酸化物材料370とゲッター材料380との状態を表すことがある。その後、かつ、幾つかの実施形態においてはアニール後、少なくとも酸素371のうちの幾らかは、酸化物材料370からゲッター材料380へと拡散し、図4に示されるように、酸素の欠乏した酸化物材料470と、酸素の豊富なゲッター材料480とを有する部分的セルコア構造400を形成する。少なくとも幾つかの実施形態においては、欠乏状態の酸化物材料470が自由領域120にMAを誘起するよう調製および構成されたままであるように、酸素371のうちの幾らかは、欠乏状態の酸化物材料470内にとどまる。欠乏状態の酸化物材料470(図4)の電気抵抗は、酸化物材料370(図3)の電気抵抗よりも低い。
一つ以上のアニール段階は、磁性セルコア101の材料の形成中または形成後に実行されてもよい。幾つかの実施形態においては、アニールは、パターン化後に実行されてもよい。
図1および図2の実施形態においては、自由領域120が固定領域110よりも基板102に対してより近接しているものとして図示されているが、他の実施形態においては、固定領域110が基板102に対してより近接していてもよい。例えば、図5を参照すると、本開示の別の実施形態による磁性セル構造500は、底部(基板102と、下部電極105と、下部中間領域140が含まれる場合には下部中間領域140とに近接している)から、上部(上部電極104と、上部中間領域150が含まれる場合には上部中間領域150とに近接している)へと向かって、固定領域110、中間酸化物領域130、自由領域120および第二の酸化物領域170を含む磁性セルコア501を代替的に含んでもよい。ゲッター領域180は、第二の酸化物領域170に近接していてもよく、例えば、(図5におけるように)第二の酸化物領域170の上で第二の酸化物領域170に隣接していてもよいし、または、(図2の第二の酸化物領域270におけるように)第二の酸化物領域170の内部にあってもよい。
少なくとも第二の酸化物領域170およびゲッター領域180の形成の後、酸素は、第二の酸化物領域170からゲッター領域180へと移動させられて、第二の酸化物領域170の酸素濃度および電気抵抗を低下させてもよい。図5の実施形態においては、酸素は上方に移動させられる。
これに従い、磁性メモリセルを形成する方法が開示される。当該方法は、中間酸化物領域と別の酸化物領域との間に自由領域を形成することを含む。ゲッター材料は、前記別の酸化物領域に近接して形成される。酸素が、前記別の酸化物領域からゲッター材料に移動させられて、前記別の酸化物領域の電気抵抗を低下させる。
幾つかの実施形態においては、第二の酸化物領域170およびゲッター領域180は、直接接触していなくてもよい。例えば、図6に示されるように、第二の酸化物領域170が界面676に沿って中間領域660と接触するように、部分的セルコア構造600は、第二の酸化物領域170とゲッター領域180との間に中間領域660を含んでもよい。中間領域660は、第二の酸化物領域170からゲッター領域180への酸素の拡散を可能とするように調製されてもよい。したがって、第二の酸化物領域170がゲッター領域180に近接はするが直接隣接してはいない場合であっても、ゲッター領域180が第二の酸化物領域170に対する近接性によって、第二の酸化物領域170の酸素濃度および電気抵抗の低下が可能となることがある。
図7および図8を参照すると、幾つかの実施形態においては、部分的セルコア構造700のゲッター材料は、側面で第二の酸化物領域170に隣接することによって第二の酸化物領域170に近接していてもよい。したがって、ゲッター領域780が、第二の酸化物領域170を側面から包囲していてもよく、第二の酸化物領域170から酸素を除去して、第二の酸化物領域170の電気抵抗を低下させることがある。
図9を参照すると、STT−MRAMセル914と動作可能に接続している周辺デバイス912を含むSTT−MRAMシステム900が図示されており、そのSTT−MRAMセル914の集まりは、システム要件および製造技術に応じて、多数の行と列とを含むグリッドパターンまたは種々の他の配置の、メモリセルのアレイを形成するように、製造されてもよい。STT−MRAMセル914は、磁性セルコア902、アクセストランジスタ903、データ/センス線904(例えば、ビット線)として機能し得る導電性材料、アクセス線905(例えば、ワード線)として機能し得る導電性材料、および、ソース線906として機能し得る導電性材料を含む。STT−MRAMシステム900の周辺デバイス912は、読み出し/書き込み回路907、ビット線基準(bit line reference)908、およびセンス増幅器909を含んでもよい。セルコア902は、上述された磁性セルコア(例えば、磁性セルコア101(図1)、磁性セルコア201(図2)、磁性セルコア501(図5))のうちの何れの磁性セルコアであってもよい。セルコア902の構造、製造方法またはその双方によって、STT−MRAMセル914は、MAを誘起する二つの酸化物領域(例えば、中間酸化物領域130(図1)と第二の酸化物領域170(図1))の間に自由領域120(図1)を含んでいてもよく、ここで、第二の酸化物領域170による電気抵抗への寄与は、中間酸化物領域130による電気抵抗への寄与の約50%よりも小さい。したがって、STT−MRAMセル914は、高いMA強度、高い磁性抵抗、低いRA積および低いプログラミング電圧を有することがある。
使用中および動作中のとき、STT−MRAMセル914がプログラムされるように選択されると、プログラミング電流がSTT−MRAMセル914に印加され、電流は、セルコア902の固定領域によってスピン分極され、セルコア902の自由領域にトルクを及ぼし、それによって、STT−MRAMセル914に“書き込む”か、またはSTT−MRAMセル914を“プログラムする”ために、自由領域の磁化をスイッチングする。STT−MRAMセル914の読み出し動作においては、電流は、セルコア902の抵抗状態を検出するために使用される。
STT−MRAMセル914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907は、データ/センス線904およびソース線906に対して、書き込み電流(即ち、プログラミング電流)を生成してもよい。データ/センス線904とソース線906との間のプログラミング電圧の極性は、セルコア902内の自由領域の磁性配向におけるスイッチングを決定づける。スピン極性を使って自由領域の磁性配向を変化させることによって、自由領域はプログラミング電流のスピン極性に従って磁化され、プログラムされた論理状態がSTT−MRAMセル914に書き込まれる。
STT−MRAMセル914を読み出すために、読み出し/書き込み回路907は、セルコア902およびアクセストランジスタ903を通る、データ/センス線904およびソース線906に対しての読み出し電圧を、生成する。STT−MRAMセル914のプログラムされた状態は、セルコア902にわたる電気抵抗に関連し、これは、データ/センス線904とソース線906との間の電圧差によって決定されてもよい。したがって、ゲッター領域180(図1)により低下した第二の酸化物領域170(図1)の電気抵抗に起因する、より低いSTT−MRAMセル914の電気抵抗により、より低いプログラミング電圧の使用が可能となる。STT−MRAMセル914は、ゲッター領域180(図1)のために実効的な磁気抵抗がより高くなっている場合があり、これによって、STT−MRAMセル914の性能をさらに向上することがある。幾つかの実施形態においては、電圧差は、ビット線基準908と比較されセンス増幅器909によって増幅されてもよい。
図9は、動作可能なSTT−MRAMシステム900の一例を示す。しかしながら、磁性セルコア(例えば、磁性セルコア101(図1)、磁性セルコア201(図2)、磁性セルコア501(図5))は、磁性領域を有する磁性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てもよく、またはそこで使用されてもよい、と考えられる。
したがって、STT−MRAMセルを含むスピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ(STT−MRAM)システムが開示される。STT−MRAMセルのうちの少なくとも一つのSTT−MRAMセルは、一対の磁性領域と一対の酸化物領域とを含む。一対の磁性領域は、スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域と、固定された磁性配向を示す別の磁性領域とを含む。一対の酸化物領域は、中間酸化物領域と別の酸化物領域とを含む。中間酸化物領域は、前記磁性領域と前記別の磁性領域との間にある。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域と前記磁性領域との間の界面に対向する、前記磁性領域の表面に隣接している。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する。前記少なくとも一つのSTT−MRAMセルは、前記別の酸化物領域に近接するゲッター領域も含む。ゲッター領域は金属と酸素とを含む。少なくとも一つの周辺デバイスが、前記少なくとも一つのSTT−MRAMセルと動作可能に接続している。アクセストランジスタ、ビット線、ワード線およびソース線のうちの少なくとも一つは、磁性セルコアと、動作可能に接続している。
図10を参照すると、本明細書に記述された一つ以上の実施形態により実現される半導体デバイス1000の簡略化ブロック図が示されている。半導体デバイス1000は、メモリアレイ1002と制御論理コンポーネント1004とを含む。メモリアレイ1002は、上述された磁性セルコア(例えば、磁性セルコア101(図1)、磁性セルコア201(図2)、磁性セルコア501(図5))のうちの任意の磁性セルコアを含む複数のSTT−MRAMセル914(図9)を含んでもよく、これらの磁性セルコア(例えば、磁性セルコア101(図1)、磁性セルコア201(図2)、磁性セルコア501(図5))は、上述された方法により形成されたのであってもよく、上述された方法に従って運用されてもよい。制御論理コンポーネント1004は、メモリアレイ1002内の任意のメモリセルまたは全てのメモリセル(例えば、STT−MRAMセル914(図9))から読み出すか、任意のメモリセルまたは全てのメモリセルに書き込むために、稼働中にメモリアレイ1002と相互作用するように構成されてもよい。
したがって、STT−MRAMセルを含むスピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ(STT−MRAM)アレイを含む半導体デバイスが開示される。STT−MRAMセルのうちの少なくとも一つのSTT−MRAMセルは、自由領域と固定領域との間に中間酸化物領域を含む。別の酸化物領域は、自由領域に隣接し、中間酸化物領域からは離隔されている。前記別の酸化物領域は、中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する。ゲッター領域は、前記別の酸化物領域に近接しており、金属酸化物の生成熱が前記別の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも10%未満までしか大きくはない金属を含む。
図11を参照すると、プロセッサベースのシステム1100が図示されている。プロセッサベースのシステム1100は、本開示の実施形態により製造された種々の電子デバイスを含んでもよい。プロセッサベースのシステム1100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種類のうちの任意のものであってもよい。プロセッサベースのシステム1100は、プロセッサベースのシステム1100内のシステム機能および要求の処理を制御するために、マイクロプロセッサなど、一つ以上のプロセッサ1102を含んでもよい。プロセッサ1102や、プロセッサベースのシステム1100の他のサブコンポーネントは、本開示の実施形態により製造された磁性メモリデバイスを含んでもよい。
プロセッサベースのシステム1100は、プロセッサ1102と動作可能に接続している電源1104を含んでもよい。例えば、プロセッサベースのシステム1100がポータブルシステムである場合、電源1104は、燃料電池、環境発電デバイス、永久電池、交換式電池および再充電可能電池のうちの一つ以上を含んでもよい。電源1104は、ACアダプタも含んでよい。したがって、プロセッサベースのシステム1100は、例えば、壁付コンセントにプラグを挿されてもよい。プロセッサベースのシステム1100が、例えば、自動車の煙草用ライターまたは自動車の電源ポートなどにつながれてもよいように、電源1104は、DCアダプタも含んでいてよい。
プロセッサベースのシステム1100が実施する機能に応じて、種々の他のデバイスがプロセッサ1102に結合されてもよい。例えば、ユーザインターフェイス1106が、プロセッサ1102に結合されてもよい。ユーザインターフェイス1106は、ボタン、スイッチ、キーボード、ライトペン、マウス、デジタイザーおよびスタイラス、タッチスクリーン、音声認識システム、マイクロフォン、またはその組み合わせなどの、入力デバイスを含んでいてもよい。ディスプレイ1108も、プロセッサ1102に結合されていてよい。ディスプレイ1108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、三次元投影、音声ディスプレイ、またはその組み合わせを含んでいてもよい。さらに、RFサブシステム/ベースバンドプロセッサ1110も、プロセッサ1102に結合されていてよい。RFサブシステム/ベースバンドプロセッサ1110は、RF受信機およびRF送信機(図示せず)に結合されたアンテナを含んでいてもよい。一つの通信ポート1112、または二以上の通信ポート1112も、プロセッサ1102に結合されていてよい。通信ポート1112は、例えば、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一つ以上の周辺デバイス1114に結合されるようになっていてもよく、または、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なっていてもよい。
プロセッサ1102は、メモリ内に記憶されたソフトウェアプログラムを実行することによって、プロセッサベースのシステム1100を制御してもよい。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、ワープロソフトウェア、メディア編集ソフトウェア、またはメディア再生ソフトウェアを含んでいてもよい。種々のプログラムを記憶し、種々のプログラムの実行を容易にするために、メモリがプロセッサ1102に、動作可能に結合される。例えば、プロセッサ1102は、システムメモリ1116に結合されてもよく、システムメモリ1116は、スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ(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および他の既知の種類のメモリのうちの一つ以上を含んでいてもよい。システムメモリ1116は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはその組み合わせを含んでいてもよい。システムメモリ1116は、動的にロードされたアプリケーションおよびデータを記憶できるように、典型的には大容量である。幾つかの実施形態においては、システムメモリ1116は、図10の半導体デバイス1000などの半導体デバイス、上述の磁性セルコア(例えば、磁性セルコア101(図1)、磁性セルコア201(図2)、磁性セルコア501(図5))のうちの任意の磁性セルコアを含むメモリセル、またはその組み合わせを含んでいてもよい。
プロセッサ1102は、不揮発性メモリ1118にも結合されていてよいが、このことは、システムメモリ1116が必ずしも揮発性であると示唆するものではない。不揮発性メモリ1118は、システムメモリ1116と組み合わせて使用されるSTT−MRAM、MRAM、EPROMなどのリードオンリーメモリ(ROM)、抵抗変化型リードオンリーメモリ(RROM)およびフラッシュメモリのうちの一つ以上を、含んでいてもよい。不揮発性メモリ1118の規模は、典型的には、あらゆる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および固定データを記憶するのにちょうど十分なだけ大きいように、選択される。さらに、不揮発性メモリ1118は、例えば、抵抗変化型メモリまたは他の種類の不揮発性ソリッドステートメモリを含む、ハイブリッド・ドライブなどのディスクドライブメモリなどの高容量メモリを含んでいてもよい。不揮発性メモリ1118は、図10の半導体デバイス1000などの半導体デバイス、上述の磁性セルコア(例えば、磁性セルコア101(図1)、磁性セルコア201(図2)、磁性セルコア501(図5))のうちの任意の磁性セルコアを含むメモリセル、またはその組み合わせを含んでいてもよい。
したがって、少なくとも一つのプロセッサを含む電子システムが開示される。前記少なくとも一つのプロセッサは、少なくとも一つの磁性メモリセルを含む。前記少なくとも一つの磁性メモリセルは、固定された磁性配向を示す固定領域と、固定領域に隣接する中間酸化物領域と、中間酸化物領域に隣接する自由領域とを含む。自由領域は、スイッチング可能な磁性配向を示す。別の酸化物領域は自由領域に隣接し、ゲッター材料は前記別の酸化物領域に近接している。ゲッター材料は、金属と酸素とを含む。前記金属の金属酸化物は、生成熱が、前記別の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも約10%未満までしか大きくはない。電源が、前記少なくとも一つのプロセッサと、動作可能に接続している。
本開示は、その実現における種々の改変および代替的形態を受け入れることが可能であるが、特定の実施形態が、例示として図面に示され、本明細書に詳細に記述されてきた。しかしながら、本開示は、開示された特定の形態に限定されることを意図するものではない。むしろ、本開示は、以下に添付する請求項およびその法的均等物によって定義されるように、本開示の範囲内にある全ての改変、組み合わせ、均等物、変形および代替物を包含する。

Claims (21)

  1. スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域と、
    固定された磁性配向を示す別の磁性領域と、
    前記磁性領域と前記別の磁性領域との間の中間酸化物領域と、
    前記磁性領域によって前記中間酸化物領域から離隔されており、前記中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する、別の酸化物領域と、
    前記別の酸化物領域に近接しており、酸素と金属とを含むゲッター領域と、
    を含む
    磁性セルコアを含む、少なくとも一つのメモリセルを含み、
    前記金属の金属酸化物は、生成熱が、前記別の酸化物領域の前記酸化物の生成熱よりも小さい、
    半導体デバイス。
  2. スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域と、
    固定された磁性配向を示す別の磁性領域と、
    前記磁性領域と前記別の磁性領域との間の中間酸化物領域と、
    前記磁性領域によって前記中間酸化物領域から離隔されており、前記中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する、別の酸化物領域と、
    前記別の酸化物領域に近接しており、酸素と金属とを含むゲッター領域と、
    を含む
    磁性セルコアを含む、少なくとも一つのメモリセルを含み、
    前記ゲッター領域は、前記別の酸化物領域の内部にある、
    半導体デバイス。
  3. スイッチング可能な磁性配向を示す磁性領域と、
    固定された磁性配向を示す別の磁性領域と、
    前記磁性領域と前記別の磁性領域との間の中間酸化物領域と、
    前記磁性領域によって前記中間酸化物領域から離隔されており、前記中間酸化物領域よりも低い電気抵抗を有する、別の酸化物領域と、
    前記別の酸化物領域に近接しており、酸素と金属とを含むゲッター領域と、
    を含む
    磁性セルコアを含む、少なくとも一つのメモリセルを含み、
    前記ゲッター領域は、カルシウム化合物を含む、
    半導体デバイス。
  4. 前記金属の金属酸化物は、生成熱が、前記別の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも約10%未満までしか大きくはない、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  5. 前記金属の金属酸化物は、前記生成熱が、前記別の酸化物領域の前記酸化物の生成熱よりも小さい、
    請求項2又は3に記載の半導体デバイス。
  6. 前記中間酸化物領域と前記別の酸化物領域は、同一の酸化物材料から形成されている、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  7. 前記別の酸化物領域は、前記中間酸化物領域よりも低い酸素濃度を有する、
    請求項6に記載の半導体デバイス。
  8. 前記ゲッター領域は、前記別の酸化物領域に直接隣接している、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  9. 前記ゲッター領域は、前記別の酸化物領域の内部にある、
    請求項1又は3に記載の半導体デバイス。
  10. 前記別の酸化物領域は、酸化マグネシウム(MgO)を含み、
    前記ゲッター領域は、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、アルミニウム(Al)、バリウム(Ba)、ジルコニウム(Zr)およびそれらの化合物のうちの少なくとも一つを含む、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  11. 前記ゲッター領域は、カルシウム化合物を含む、
    請求項1又は2に記載の半導体デバイス。
  12. 前記別の酸化物領域の電気抵抗は、前記中間酸化物領域の電気抵抗の50%よりも小さい、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  13. 前記ゲッター領域の前記金属の金属酸化物の生成熱は、約−5.66(eV)よりも小さい、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  14. 前記少なくとも一つのメモリセルは、アレイ状の複数のメモリセルを含み、前記少なくとも一つのメモリセルは、少なくとも一つの周辺デバイスと動作可能に接続している、
    請求項1乃至13のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
  15. 磁性メモリセルを形成する方法であって、
    中間酸化物領域と別の酸化物領域との間に自由領域を形成することと、
    前記別の酸化物領域に近接してゲッター材料を形成することと、
    前記別の酸化物領域から前記ゲッター材料に酸素を移動させて前記別の酸化物領域の電気抵抗を低下させることと、
    を含み、
    前記別の酸化物領域に近接してゲッター材料を形成することは、
    前記別の酸化物領域のうちの下部酸化物サブ領域を形成することと、
    前記下部酸化物サブ領域の上に前記ゲッター材料を形成することと、
    前記ゲッター材料の上に前記別の酸化物領域のうちの上部酸化物サブ領域を形成することと、
    を含む、
    方法。
  16. 前記自由領域および前記ゲッター材料を形成することは、
    基板の上に前記下部酸化物サブ領域を形成することと、
    前記下部酸化物サブ領域の上に前記ゲッター材料を形成することと、
    前記ゲッター材料の上に前記上部酸化物サブ領域を形成することと、
    前記上部酸化物サブ領域の上に前記自由領域を形成することと、
    前記自由領域の上に前記中間酸化物領域を形成することと、
    を含む、
    請求項15に記載の方法。
  17. 前記自由領域および前記ゲッター材料を形成することは、
    基板の上に前記中間酸化物領域を形成することと、
    前記中間酸化物領域の上に前記自由領域を形成することと、
    前記自由領域の上に前記下部酸化物サブ領域を形成することと、
    前記下部酸化物サブ領域の上に前記ゲッター材料を形成することと、
    前記ゲッター材料の上に前記上部酸化物サブ領域を形成することと、
    を含む、
    請求項15に記載の方法。
  18. 前記別の酸化物領域から前記ゲッター材料へと酸素を移動させることは、前記別の酸化物領域と前記ゲッター材料とをアニーリングすることを含む、
    請求項15に記載の方法。
  19. 前記別の酸化物領域から前記ゲッター材料へと酸素を移動させることは、前記別の酸化物領域から前記ゲッター材料へと前記酸素の一部を移動させることを含む、
    請求項15に記載の方法。
  20. 前記中間酸化物領域に隣接して固定領域を形成することをさらに含む、
    請求項15に記載の方法。
  21. 金属酸化物の生成熱が、前記別の酸化物領域の酸化物の生成熱よりも約10%までしか高くはないように、前記ゲッター材料を選択することをさらに含む、
    請求項15に記載の方法。
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