JP6532946B2 - 半導体デバイス、磁気トンネル接合およびその製造方法 - Google Patents

半導体デバイス、磁気トンネル接合およびその製造方法 Download PDF

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Description

［優先権主張］
本出願は、２０１５年１月１５日に出願された、米国特許出願整理番号１４／５９７，９０３“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ”の出願日の利益を享受する権利を主張する。
本明細書に開示された実施形態は、磁気トンネル接合を有する磁気メモリセルを含む半導体デバイスと、そのようなデバイスおよび磁気トンネル接合を形成する方法に関する。より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、高いトンネル磁気抵抗において低い抵抗面積積を示す磁気トンネル接合、磁気トンネル接合を含む半導体デバイス、磁気トンネル接合および半導体デバイスを形成する方法に関する。
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メモリ技術である。ＭＲＡＭの一種は、スピントルクトランスファーＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）であり、磁気セルコアは、例えば、“固定領域”および“自由領域”の少なくとも二つの磁気領域と、その間の非磁気領域（例えば、トンネルバリア材料）とを有する磁気トンネル接合（“ＭＴＪ”）サブ構造を含む。自由領域および固定領域は、領域の厚さに対して、水平に方向づけられる（“平面内”）か、または垂直に方向づけられる（“平面外”）かのいずれかの磁気配向を示すことができる。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）磁気配向を有する磁気材料を含む。一方、自由領域は、セルの動作中に、“パラレル”構造と“アンチパラレル”構造との間でスイッチングされることができる磁気配向を有する磁気材料を含む。パラレル構造においては、固定領域および自由領域の磁気配向は、同一方向（例えば、其々、北と北、東と東、南と南または西と西）に方向づけられる。“アンチパラレル”構造においては、固定領域および自由領域の磁気配向は、反対方向（例えば、其々、北と南、東と西、南と北または西と東）に方向づけられる。パラレル構造においては、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し、ＭＲＡＭセルの“０”論理状態を規定する。アンチパラレル構造においては、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し、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの“１”論理状態を規定する。
自由領域の磁気配向のスイッチングは、固定領域および自由領域を含む磁気セルコアにプログラム電流を流すことによって達成されることができる。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、コアをスピン分極電流が通ると、トルクが生成される。スピン分極された電子の流れは、自由領域に対してトルクを及ぼす。スピン分極された電子の流れのトルクが自由領域の臨界スイッチング電流密度（Ｊｃ）より大きくなると、自由領域の磁気配向の方向はスイッチングされる。このように、プログラミング電流は、磁気領域にわたる電気抵抗を変化させるために用いられることができる。結果として生じる磁気抵抗素子にわたる高い抵抗状態または低い電気抵抗状態は、ＭＲＡＭセルの書き込みおよび読み出し動作を可能とする。所望の論理状態に関連付けられるパラレル構造とアンチパラレル構造とのうちの一つを達成するために、自由領域の磁気配向をスイッチングした後、ＭＲＡＭセルが異なる構造（即ち、ことなる論理状態）に書き換えられるときまでは、自由領域の磁気配向は、“保存”段階の間は維持されることが通常望ましい。
ＭＴＪを含む磁気メモリセルの自由領域の磁気配向のスイッチングは、セルのトンネル磁気抵抗（“ＴＭＲ”）と、抵抗面積積（“ＲＡ”）とによって影響されることがある。ＭＴＪのＴＭＲは、高い電気抵抗状態と低い電気抵抗状態とにおいて、ＭＴＪが間に配置される上部電極と底部電極との間の抵抗の関数である。具体的には、ＴＭＲは、Ｒｐに対して、アンチパラレル構造におけるセルの電気抵抗（Ｒａｐ）と、パラレル構造におけるその電気抵抗（Ｒｐ）との間の差を測定する（即ち、ＴＭＲ＝（Ｒａｐ−Ｒｐ）／Ｒｐ）。したがって、ＴＭＲは、自由層の磁気状態を変化させることによって観察される抵抗の変化に等価である。一般的に、その磁気材料の微細構造内にほとんど構造的欠陥を有さない、均質な結晶構造（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）を有するＭＴＪは、構造的欠陥を有するＭＴＪよりも高いＴＭＲを有する。高いＴＭＲを有するセルは、高い読み出し信号を有することができ、それは、動作中にＭＲＡＭセルの読み出しを高速化することができる。より高いＴＭＲは、セルのオン状態とオフ状態との間のより大きい信号差を生成するために、信頼性の高い読み出し動作に対して望ましい。換言すると、ＴＭＲがより高いと、デバイスはより高感度になり、関連するメモリセルの論理状態を区別するのがより容易になる。
磁気メモリセルコアの別の顕著な特徴はＲＡを含む。磁気メモリセルのＲＡは、プログラミング中に自由領域の磁気配向をスイッチングするために用いられる電圧（例えば、閾値スイッチング電圧）の指標である。磁気メモリセルのＲＡの増加は、より高い閾値スイッチング電圧を用いることによってセルの性能が劣化させることがあり、セルの有効寿命を短縮する。ＲＡは、トンネルバリア材料の厚さを減らすことによって減少させることができる。しかしながら、トンネルバリア材料の厚さを減らすことは、またＴＭＲも減少させることがある。したがって、高いＴＭＲおよび低いＲＡが望ましいが、一般的には、ＭＴＪのＴＭＲの増加は、より高いＲＡの代償として得られる。従来のＭＴＪは、約４Ωμｍ２より大きいＲＡにおいて、約１２０％未満のＴＭＲを示す。
低いＲＡを維持しながらＭＴＪのＴＭＲを増加させるための努力は、ＭＴＪの結晶構造における構造的欠陥を減少させるための試みを含む。例えば、酸化マグネシウムトンネルバリア材料は、温度が上昇しても形成されることができ、化学量論比率と、最小の酸素空孔または格子間酸素を有するトンネルバリア材料を生成する。しかしながら、上昇した温度は、望ましくない結晶配向で下にある磁気材料を結晶化させることがある。磁気材料の結晶配向とトンネルバリア材料との不整合は、不必要にＲＡを増加させ、ＭＴＪのＴＭＲを減少させる。ＲＡの増加は、プログラミング中に自由領域の磁気配向をスイッチングするために必要な電圧を増加させ、接合抵抗を増加させ、デバイスの閾値スイッチング電圧を増加させる。ＴＭＲの減少は、それらがＭＴＪを通
過すると、電子の有効なスピン分極を減少させ、ＭＴＪを通るトンネル現象を減少させる。
あるいは、トンネルバリア材料は、より低い温度で形成されることができる。しかしながら、トンネルバリア材料がより低い温度で形成されると、トンネルバリア材料内の酸素空孔および格子間酸素原子などの欠陥は、増加する。トンネルバリア材料内の原子欠陥は、それらがＭＴＪを通ると、電子を散乱させ、ＭＴＪのＴＭＲを減少させることによってデバイスの性能を劣化させることがある。
本開示の一実施形態による磁気セル構造の簡略化断面図である。 磁気材料と導電性材料との交互の部分を含む磁気材料の簡略化断面図である。 本開示の別の実施形態による磁気セル構造の簡略化断面図である。 本開示の一実施形態による磁気セル構造の簡略化断面図であって、固定領域および自由領域は平面内磁気配向を示す。 図１の磁気セル構造を形成するための方法の一実施形態に対する異なる処理段階を図示する簡略化断面図である。 図１の磁気セル構造を形成するための方法の一実施形態に対する異なる処理段階を図示する簡略化断面図である。 図１の磁気セル構造を形成するための方法の一実施形態に対する異なる処理段階を図示する簡略化断面図である。 本開示の一実施形態による磁気セル構造を有するメモリセルを含むＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの概略図である。 本開示の一実施形態による磁気セル構造を有するメモリセルを含む半導体デバイス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装されるシステムの簡略化ブロック図である。 本開示の一実施形態により形成された磁気トンネル接合のＴＭＲとＲＡとを比較するグラフ図であって、磁気トンネル接合は、従来の方法によって形成される。 本開示の実施形態により形成された磁気トンネル接合のＴＭＲとＲＡとのグラフ図である。
本明細書に含まれる図は、任意の特定のシステムまたは半導体構造の実際の外観を意味するものではなく、本明細書に記述された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過ぎない。図面間で共通の要素および特徴は、同一の参照記号を維持することがある。
以下の記述は、本明細書で記述された実施形態の十分な記述を提供するために、材料種、材料の厚さおよび処理条件などの特定の詳細事項を提供する。しかしながら、本明細書に開示される実施形態は、これらの特定の詳細事項を用いなくても実施されることができることを当業者は理解するだろう。実際には、実施形態は、半導体産業で用いられる従来の製造技術と組み合わせて実施されることができる。さらに、本明細書で提供される記述は、半導体デバイス、磁気トンネル接合または磁気メモリセルを製造するための完全なプロセスフローを記述するものではなく、以下に記述される半導体デバイス、磁気トンネル接合および磁気メモリセルは、完全な半導体デバイス、磁気トンネル接合または磁気メモリセルを形成しない。本明細書に記述された実施形態を理解するために必要なそれらのプロセス動作および構造のみが、以下に詳細に記述される。完全な半導体デバイスおよび半導体デバイスを含む磁気メモリセルを形成するためのさらなる動作は、従来の技術によって実施されることができる。
幾つかの実施形態により、半導体デバイスは、ＭＴＪを含む磁気セル構造を含むことができる。ＭＴＪは、隣接する磁気材料間に配置されるトンネルバリア材料を含むことができる。磁気材料は、基板の上にあることができ、トンネルバリア材料は、磁気材料の上にあることができる。別の磁気材料は、トンネルバリア材料の上にあることができる。トンネルバリア材料は、隣接する磁気材料と同一の結晶配向を示すことができる。ＭＴＪを含む半導体デバイスは、約８Ωμｍ２未満など、低いＲＡにおいて、約１８０％を超えるなどの高いＴＭＲを示すことができる。
本開示の実施形態によるトンネルバリア材料は、少なくとも二つの部分を含むことができる。トンネルバリア材料の第一部分は、第一の温度で磁気材料の上に形成されることができる。トンネルバリア材料の第一部分と磁気材料は、磁気材料を結晶化させ、トンネルバリア材料の第一部分の結晶構造と整合をとって磁気材料の結晶構造を方向づけるためにアニールされることができる。磁気材料と、トンネルバリア材料の第一部分は、磁気材料を結晶化させるのに十分な期間、約３００℃から約６００℃の間の温度でアニールされることができる。アニール後、トンネルバリア材料の第二部分は、第二の温度で第一部分の上に形成されることができ、第二の温度は、トンネルバリア材料の第一部分が形成される第一の温度よりも高い。第一部分および第二部分を含むトンネルバリア材料は、従来のトンネルバリア材料よりも、約８Ωμｍ２未満の低いＲＡにおいて、約１８０％を超えるより高いＴＭＲを示すことができる。トンネルバリア材料は、また、低いＲＡを維持しながら、従来のトンネルバリア材料よりもより厚く、高いＴＭＲを示すことができる。幾つかの実施形態においては、トンネルバリア材料のＲＡは、約４Ωμｍ２から約８Ωμｍ２の間であり、トンネルバリア材料のＴＭＲは約１８０％から約２０５％の間である。
図１を参照すると、幾つかの実施形態による磁気セルコア１０１を含む磁気メモリセル１００が示される。磁気セルコア１０１は、磁気トンネル接合１５０を含むことができ、基板１０２の上の下部電極１０４と上部電極１２６との間に配置されることができる。ＭＴＪ１５０は、磁気領域および別の磁気領域、例えば、其々“自由領域１１０”および“固定領域”１４０を含むことができる。トンネルバリア材料１３０は、自由領域１１０と固定領域１４０との間に配置されることができる。
基板１０２は、メモリセル内などコンポーネントが形成されるベース材料または他の構造を含むことができる。基板１０２は、半導体基板、支持基板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一つ以上の材料、構造、もしくは領域を有する半導体基板とすることができる。基板１０２は、従来のシリコン基板または半導体材料を含む他のバルク基板とすることができる。本明細書で用いられるように、“バルク基板”とは、シリコンウェーハのみならず、とりわけ、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、ベース半導体基盤上のシリコンのエピタキシャル層、または、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、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も意味し、含む。さらに、以下の記述においては、“基板”に対して参照が行われる場合、以前の処理段階は、材料、領域、または接合をベース半導体構造もしくは基盤内に形成するために用いられることができる。
下部電極１０４は、基板１０２の上にあることができる。下部電極１０４は、銅、タングステン、プラチナ、パラジウム、チタン、タンタル、ニッケル、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）などの金属、ポリシリコン、金属シリサイド、金属合金またはその組み合わせを含むことができる。
一つ以上の下部中間領域１０６は、任意で、磁気領域（例えば、自由領域１１０および固定領域１４０）の下に配置されることができる。下部中間領域１０６は、含まれる場合には、下部電極１０４と、下部電極１０４の上にある材料との間の種の拡散を抑制するように構成されることができる。下部中間領域１０６は、銅、タンタル、チタン、タングステン、ルテニウム、窒化タンタルおよび窒化チタンのうちの一つ以上などの導電性材料を含むことができる。
シード材料１０８は、存在する場合には下部中間領域１０６の上にあることができ、下部中間領域１０６が存在しない場合、下部電極１０４の上にあることができる。シード材料１０８は、タンタル、プラチナ、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、銅、亜鉛、ロジウム、銀、ハフニウム、タングステン、イリジウム、窒化タンタルおよびその組み合わせを含むことができる。限定しない例として、シード材料１０８は、タングステンと、鉄、コバルト、ニッケル、または別の適切な材料のうちの少なくとも一つとを含むことができる。他の実施形態においては、シード材料１０８は、鉄とコバルトとを含むことができ、タンタル、プラチナ、ルテニウム、ニッケル、クロム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、銅、亜鉛、ロジウム、銀、ハフニウムおよびタングステンなどの少なくとも一つの遷移元素をさらに含むことができる。さらに他の実施形態においては、シード材料１０８は、ＦｅＨｆなど、ハフニウム、ジルコニウムおよびタンタルのうちの少なくとも一つと、鉄、コバルト、ニッケルのうちの少なくとも一つとを含むことができる。シード材料１０８は、シード材料１０８の均質な合成物とすることができ、または、タンタル、プラチナ、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、銅、亜鉛、ロジウム、銀、ハフニウム、タングステンおよびイリジウムのうちの別の個別部分に隣接した、タンタル、プラチナ、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、銅、亜鉛、ロジウム、銀、ハフニウム、タングステンおよびイリジウムのうちの一つ以上の個別部分を含むことができる。
自由領域１１０は、シード材料１０８の上にあることができる。幾つかの実施形態においては、自由領域１１０はシード材料１０８のすぐ上にあり接触する。自由領域１１０は、磁気メモリセル１００の使用および動作中に、矢印１０９によって示されるように、スイッチング可能な磁気配向を示す磁気材料を含むことができる。スイッチング可能な磁気配向は、磁気メモリセル１００に電流または電界を印加することによって、パラレル構造とアンチパラレル構造との間でスイッチングされることができる。
幾つかの実施形態においては、自由領域１１０は、従来の自由領域とすることができる。他の実施形態においては、自由領域１１０は、磁気材料と導電性材料との交互の部分を含むことができる。しかしながら、自由領域１１０は、そのように限定されることはなく、スイッチング可能な磁気配向を示す他の適切な磁気材料を含むことができる。
幾つかの実施形態においては、自由領域１１０は、コバルト（Ｃｏ）および鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも一つを含む強磁性材料（例えば、ＣｏｘＦｅｙ、ここで、ｘ＝１０から８０、ｙ＝１０から８０）を含むことができ、幾つかの実施形態においては、ホウ素（Ｂ）（例えば、ＣｏｘＦｅｙＢｚ、ここで、ｘ＝１０から８０、ｙ＝１０から８０、ｚ＝０から５０）も含むことができる。したがって、自由領域１１０は、Ｃｏ、ＦｅおよびＢのうちの少なくとも一つ（例えば、ＣｏＦｅＢ材料、ＣｏＦｅ材料、ＦｅＢ材料、ＣｏＢ材料など）を含むことができる。本明細書で用いられるように、“ＣｏＦｅＢ材料”という語は、コバルト、鉄およびホウ素を含む材料（例えば、ＣｏｘＦｅｙＢｚ、ここで、ｘ＝１０から８０、ｙ＝１０から８０、ｚ＝０から５０）を意味し、含む。ＣｏＦｅＢ材料は、その構造（例えば、その厚さ）によって、磁性を示してもよいし、示さなくてもよい。他の実施形態においては、自由領域１１０は、代替的または追加的にニッケル（Ｎｉ）（例えば、ＮｉＢ材料）を含むことができる。幾つかの実施形態においては、自由領域１１０は、ホウ素が実質的になくてもよく、例えば、ＣｏＦｅを含むことができる。ＣｏＦｅは、ＣｏＦｅＢとして形成されることができ、ホウ素は、その形成後に自由領域１１０から拡散されるか、またはＣｏＦｅは、如何なるホウ素もなく、ＣｏＦｅとして形成される（堆積される）ことができる。
自由領域１１０は、均質とすることができ、または一つ以上のサブ領域を含むことができる（例えば、異なる相対的原子比率のＣｏ、ＦｅおよびＢを有するサブ領域を有するＣｏＦｅＢ材料）。
トンネルバリア材料１３０は、自由領域１１０の上にあることができる。幾つかの実施形態においては、トンネルバリア材料１３０は、自由領域のすぐ上にあり、接触する。トンネルバリア材料１３０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）またはその組み合わせなどの、非磁気結晶材料を含むことができる。トンネルバリア材料１３０は、自由領域１１０および固定領域１４０内の界面磁気異方性を誘発するように構成されることができ、自由領域１１０、トンネルバリア材料１３０、固定領域１４０の相互作用によって影響されるＭＴＪ１５０のトンネル領域として機能するように構成されることもできる。
トンネルバリア材料１３０は、第一部分１１２と第二部分１１４とを含むことができる。第一部分１１２は、自由領域１１０の上にあることができる。幾つかの実施形態においては、第一部分１１２は、自由領域１１０のすぐ上にあり、接触する。第一部分１１２は、自由領域１１０とトンネルバリア材料１３０との間の界面１１１を形成するために、自由領域１１０の上に形成されることができる。ＭＴＪ１５０の結晶配向は、第一部分１１２と自由領域１１０との間の界面１１１において変化し得ない。例示として、限定ではなく、自由領域１１０および第一部分１１２の各々は、ｂｃｃ（００１）結晶構造を示すことができる。以下により詳細に記述されるように、第一部分１１２および自由領域１１０の各々は、形成されると、非晶質（例えば、結晶質ではない）とすることができ、所望の結晶構造はアニール後に生じる。幾つかの実施形態においては、第一部分１１２は、酸化物材料であり、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＲｕＯ２、Ｂ２Ｏ３またはその組み合わせを含むことができる。
第二部分１１４は、第一部分１１２の上にあることができる。幾つかの実施形態においては、第二部分１１４は、第一部分のすぐ上にあり、接触する。第一部分１１２と第二部分１１４との間の界面１１３は、滑らかであって、第一部分１１２および自由領域１１０と同一の結晶配向（例えば、ｂｃｃ（００１）結晶構造）を示すことができる。第二部分１１４は、酸化物材料とすることができ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＲｕＯ２、Ｂ２Ｏ３またはその組み合わせを含むことができる。第一部分１１２および第二部分１１４は、同一材料を含むことができる。幾つかの実施形態においては、第一部分１１２および第二部分１１４はＭｇＯを含む。幾つかのこのような実施形態においては、第二部分１１４は、第一部分１１２よりも定比により近い、（例えば、１：１）マグネシウムに対する酸素の割合を含む。したがって、第二部分１１４は、より酸素空孔および格子間酸素が少なく、また、第一部分１１２よりも高密度を有することができる。第二部分１１４は、第一部分１１２よりも構造的欠陥が少なく、幾つかの実施形態においては、第一部分１１２よりも高いＴＭＲおよび低いＲＡを示すことができる。
トンネルバリア材料１３０は、約１０Åから約１５Åの間、約１５Åから約２０Åの間、約２０Åから約２５Åの間、または約２５Åから約３０Åの間など、約１０Åから約３０Åの間の総厚（即ち、第一部分１１２の厚さと第二部分１１４の厚さとの和）を有することができる。トンネルバリア材料１３０は、約１０Åから約２０Åの間の厚さを有することができる。幾つかの実施形態においては、トンネルバリア材料１３０の厚さは、約１８Åである。
第一部分１１２および第二部分１１４は、同一の厚さを有することができ、第一部分１１２は、第二部分１１４よりも大きい厚さを有することができるか、または第二部分１１４は第一部分１１２よりも大きい厚さを有することができる。ＭＴＪ１５０のＲＡおよびＴＭＲは、トンネル接合材料１３０の第二部分１１４の厚さに対して、第一部分１１２の厚さを変化させることによって調整されることができる。第二部分１１４の厚さに対する第一部分１１２の厚さの比率は、約０．９から約１．０の間、約１．０から約１．２５の間、約１．２５から約１．５の間、約１．２から約１．８の間または約１．５から約２．０の間など、約０．９から約２．０の間とすることができる。幾つかの実施形態においては、比率は、約１．０から約１．５の間であって、トンネルバリア材料１３０の総厚は、約１８Åである。
第一部分１１２および第二部分１１４を有するトンネルバリア材料１３０は、約１８０％から約２００％の間、約１８０％から約２２５％の間、約１８０％から約３００％の間、約２００％から約２２０％の間、約２２０％から約２５０％の間、約２５０％から約３００％の間、約３００％から約４００％の間、または約４００％から約６００％の間など、約１８０％から約６００％の間のＴＭＲを示すことができる。幾つかの実施形態においては、ＴＭＲは、約１８０％から約３００％の間である。トンネルバリア材料１３０は、約３Ωμｍ２から約４Ωμｍ２の間、約４Ωμｍ２から約５Ωμｍ２の間、約５Ωμｍ２から約６Ωμｍ２の間、約６Ωμｍ２から約７μｍ２の間、または約７Ωμｍ２から約８Ωμｍ２の間など、約３Ωμｍ２から約８Ωμｍ２の間のＲＡを示すことができる。幾つかの実施形態においては、ＲＡは、約６Ωμｍ２から約７Ωμｍ２の間である。他の実施形態においては、トンネルバリア材料１３０は、約４Ωμｍ２から約８Ωμｍ２の間のＲＡと、約１８０％から約２０５％の間のＴＭＲとを示す。限定しない例として、トンネルバリア材料１３０は、約１０Åから約２０Åの間の厚さで、約４Ωμｍ２のＲＡと、約１８０％のＴＭＲ、または約８Ωμｍ２のＲＡと約２０５％のＴＭＲを示すことができる。
固定領域１４０は、トンネルバリア材料１３０の上にあることができる。幾つかの実施形態においては、固定領域１４０は、トンネルバリア材料１３０の第二部分１１４のすぐ上にあり、接触する。
固定領域１４０は、一つ以上の磁気材料と、任意で一つ以上の非磁気材料とを含むことができる。例えば、固定領域１４０は、磁気サブ領域によって隣接されたルテニウムまたはタンタルのサブ領域を含む合成反強磁性体として構成されることができる。磁気サブ領域は、コバルト、パラジウムおよびプラチナのうちの少なくとも一つ、その組み合わせ、ＣｏＦｅＢ材料、その組み合わせを含む材料を含むことができる。あるいは、固定領域１４０は、磁気材料とカプラ材料との交互のサブ領域の構造で構成されることができる。磁気サブ領域の各々は、一つ以上の材料と一つ以上のその中の領域とを含むことができる。別の例として、固定領域１４０は、単一で均質の磁気材料として構成されることができる。したがって、固定領域１４０は、均一の磁化または、磁気メモリセル１００の使用および動作中に固定された磁気配向を有する固定領域１４０を全体としてもたらす異なる磁化のサブ領域を有することができる。
固定領域１４０は、トンネルバリア材料１３０の第二部分１１４の上の第一の磁気部分１１６と、第一の磁気部分１１６の上のカップリング材料１１８と、カップリング材料１１８の上の第二の磁気部分１２０とを含むことができる。幾つかの実施形態においては、第一の磁気部分１１６は、第二部分１１４の上にあるＣｏＦｅＢ材料を含むことができる第一の磁気サブ領域１１６ａと、第一部分１１６ａの上にあるタンタル材料を含むことができるスペーサ１１６ｂと、スペーサ１１６ｂの上にコバルトとパラジウムおよびプラチナのうちの少なくとも一つとを含む材料を含むことができる第二の磁気サブ領域１１６ｃとを含む。カップリング材料１１８は、第一の磁気部分１１６の第二の磁気サブ領域１１６ｃの上にあるルテニウム材料を含むことができる。第二の磁気部分１２０は、コバルト、パラジウム、プラチナ、コバルトとパラジウムおよびプラチナのうちの少なくとも一つなどその組み合わせを含む材料を含むことができる。幾つかの実施形態においては、第二の磁気部分１２０は、第一の磁気部分１１６の第二の磁気サブ領域１１６ｃと同一の材料を含む。
他の実施形態においては、第一の磁気部分１１６は、人工超格子構造を含み、第二の磁気部分１２０は、カップリング材料１１８の上にある別の人工超格子構造を含む。図２を参照すると、第一の磁気部分１１６の人工超格子構造は、磁気材料１１７と導電性材料１１５との交互の部分を含むことができる。導電性材料１１５は、垂直方向の異方性（即ち、垂直方向の磁気配向）を磁気材料１１７が示すことを可能にすることができる。磁気材料１１７は、コバルト、鉄およびその組み合わせを含むことができる。導電性材料１１５は、プラチナ、パラジウム、ニッケルおよびイリジウムの少なくとも一つを含むことができる。幾つかの実施形態においては、磁気材料１１７は、コバルトを含み、導電性材料１１５はプラチナを含む。図２は、第一の磁気部分１１６内に６個の磁気材料１１７の領域と、６個の導電性材料１１５の領域とを示しているが、第一の磁気部分１１６の人工超格子構造は、そのように限定されることはなく、任意の数（例えば、１、２、３、４、５個など）の磁気材料１１７および導電性材料１１５の交互の領域を含むことができる。
幾つかの実施形態においては、第一の磁気部分１１６の導電性材料１１５の領域は、トンネルバリア材料１３０の第二部分１１４のすぐ上にあり、接触することができる。例えば、導電性材料１１５の領域は、トンネルバリア材料１３０の第二部分１１４のすぐ上にあり、接触することができる。他の実施形態においては、磁気材料１１７の領域は、トンネルバリア材料１３０の第二部分１１４のすぐ上にあり、接触することができる。
再度図１を参照すると、カップリング材料１１８は、第一の磁気部分１１６の上にあることができる。幾つかの実施形態においては、カップリング材料１１８は、第一の磁気部分１１６（例えば、第一の磁気部分１１６の第二の磁気サブ領域１１６ｃ）のすぐ上にあり、接触する。カップリング材料１１８は、タンタル、ルテニウム、ロジウムおよびその組み合わせを含むことができる。幾つかの実施形態においては、カップリング材料１１８は、ルテニウムである。カップリング材料１１８は、約１Åから約１０Åの間の厚さを有することができる。幾つかの実施形態においては、カップリング材料１１８は、約４Åから約５Åの間の厚さを有する。
第二の磁気部分１２０は、カップリング材料１１８のすぐ上にあることができる。第二の磁気部分１２０は、第一の磁気部分１１６の少なくとも一部と同一の材料を含むことができ、実質的に同一であってもよい。幾つかの実施形態においては、第二の磁気部分１２０は、コバルトと、パラジウムおよびプラチナのうちの少なくとも一つとを含む材料を含み、第一の磁気部分１１６の第二の磁気サブ領域１１６ｃと同一の材料を含むことができる。
固定領域１４０の第一の磁気部分１１６および第二の磁気部分１２０は、矢印１１９によって示されるように、固定された磁気配向を示すことができる。固定された磁気配向は、北、南、東、西等とすることができる。第一の磁気部分１１６および第二の磁気部分１２０の固定された磁気配向は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
一つ以上の上部中間領域１２４は、固定領域１４０の上に任意で配置されることができる。上部中間領域１２４は、含まれる場合には、メモリセルの動作中に上部電極１２６と下部の材料との間の種の拡散を抑制するように構成されることができる。上部中間領域１２４は、導電性キャッピング領域を形成することができる導電性材料（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、窒化チタンなどの一つ以上の材料）を含むことができる。
上部電極１２６は、上部中間領域１２４の上にあることができる。上部電極１２６は、銅、タングステン、プラチナ、パラジウム、チタン、タンタル、ニッケル、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、ポリシリコン、金属シリサイド、金属合金またはその組み合わせを含むことができる。幾つかの実施形態においては、上部電極１２６は、下部電極１０４と同一の材料を含む。
図１の磁気メモリセル１００は、“トップピン”メモリセル（即ち、自由領域１１０の上に固定領域１４０が配置されるメモリセル）として構成される。しかしながら、図３などの他の実施形態においては、自由領域１１０’は、固定領域１４０’の上にあることができる。したがって、図３を参照すると、ＭＴＪ１５０’を含む磁気メモリセル１００’は、“ボットムピン”メモリセルとして構成されることができる。磁気メモリセル１００’は、下部電極１０４と上部電極１２６との間に配置された磁気セルコア１０１’を含むことができる。
磁気メモリセル１００’は、下部電極１０４の上にある下部中間領域１０６を含むことができる。シード材料１０８は、存在する場合には下部中間領域１０６の上にあることができる。他の実施形態においては、シード材料１０８は、下部電極１０４のすぐ上にあり、接触することができる。シード材料１０８は、図１を参照して上述されたのと同一とすることができる。
固定領域１４０’は、シード材料１０８のすぐ上にあり、接触することができる。固定領域１４０’は、矢印１１９によって示されるように、固定された磁気配向を含むことができる。固定領域１４０’は、固定領域１４０について上述されたのと同一の材料を含むことができる。幾つかの実施形態においては、固定領域１４０’は、第二の磁気部分１２０’と、カップリング材料１１８’と、第一の磁気部分１１６’とを含む。第一の磁気部分１１６’は、第一の磁気サブ領域１１６ａ’と、スペーサ１１６ｂ’と、第二の磁気サブ領域１１６ｃ’と、を含むことができる。第一の磁気サブ領域１１６ａ’と、スペーサ１１６ｂ’と、第二の磁気サブ領域１１６ｃ’は、図１を参照して上述されたように、第一の磁気サブ領域１１６ａと、スペーサ１１６と、第二の磁気サブ領域１１６ｃとそれぞれ同一とすることができる。第一の磁気部分１１６’と、カップリング材料１１８’と、第二の磁気部分１２０’は、図１を参照して上述されたように、第一の磁気部分１１６と、カップリング材料１１８と、第二の磁気部分１２０とそれぞれ同一とすることができる。しかしながら、固定領域１４０’は、図１の磁気メモリセル１００におけるように、トンネルバリア材料１３０のすぐ上にあることはできない。むしろ、固定領域１４０’の第二の磁気部分１２０’は、下部のシード材料１０８のすぐ上にあり、接触することができる。カップリング材料１１８’は、第二の磁気部分１２０’の上にあることができ、第一の磁気部分１１６’は、カップリング材料１１８’の上にあることができる。
トンネルバリア材料１３０は、固定領域１４０’の上にあることができる。トンネルバリア材料１３０の第一部分１１２は、固定領域１４０’のすぐ上にあり、接触することができる。第一部分１１２は、固定領域１４０’の上に形成されることができ、固定領域１４０’とトンネルバリア材料１３０との間に界面１１１’を形成する。固定領域１４０’は、第一部分１１２の結晶構造と整合をとられた結晶構造を示すことができる。例示として限定することはなく、第一部分１１２および固定領域１４０’の各々は、界面１１１’におけるＭＴＪ１５０’の結晶構造の変化なく、ｂｃｃ（００１）結晶構造を示すことができる。
トンネルバリア材料１３０は、図１を参照して上述されたのと同一の材料を含むことができる。したがって、トンネルバリア材料１３０の第一部分１１２および第二部分１１４の各々は、図１を参照して上述されたのと同一とすることができる。第一部分１１２と第二部分１１４との間の界面１１３’は、滑らかにすることができ、第一部分１１２が形成される界面１１１’と同一の結晶配向を示すことができる。トンネルバリア材料１３０は、固定領域１４０’と自由領域１１０’との間に直接配置されることができる。
自由領域１１０’は、トンネルバリア材料１３０のすぐ上にあり、接触することができる。幾つかの実施形態においては、自由領域１１０’は、トンネルバリア材料１３０の第二部分１１４のすぐ上にあり、接触する。自由領域１１０’は、図１を参照して上述されたのと同一の材料を含むことができる。自由領域１１０’は、矢印１０９によって示されるようにスイッチング可能な磁気配向を含むことができる。
任意の上部中間領域１２４は、自由領域１１０’の上にあることができる。上部電極１２６は、存在する場合には、上部中間領域１２４の上にあることができる。
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ることができる。“平面外”ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、垂直方向（例えば、其々の領域の幅および長さに対して垂直な方向、または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）に主に方向づけられる磁気配向を示す磁気領域を含むことができる。例えば、図１および図３に示されるように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル（例えば、磁気メモリセル１００、磁気メモリセル１００’）は、磁気領域（例えば、自由領域１１０、１１０’および固定領域１４０、１４０’）の少なくとも一つにおいて垂直方向の磁気配向を示すように構成されることができる。図１および図３に示されるように、自由領域１１０、１１０’および固定領域１４０、１４０’の各々は、矢印１０９および矢印１１９によって示されるような垂直方向の磁気配向を示すことができる。固定領域１４０、１４０’の磁気配向は、例えば、矢印１１９によって示される方向において、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用および動作中に、実質的に同一方向に方向づけられたままとすることができる。一方、自由領域１１０、１１０’の磁気配向は、矢印１０９によって示されるように、パラレル構造とアンチパラレル構造との間でセルの使用および動作中にスイッチングされることができる。別の例として、図４に示されるように、磁気セルコア１０１”を含む平面内磁気メモリセル１００”は、自由領域１１０”における矢印１０９’および固定領域１４０”における矢印１１９’によって示されるように、ＭＴＪ１５０”の磁気領域（例えば、自由領域１１０”および固定領域１４０”）の少なくとも一つにおいて水平方向の磁気配向を示すように構成されることができる。
半導体デバイスは、一対の電極間に配置された本開示の磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”を含む少なくとも一つの磁気メモリセルを含むことができる。
このように、半導体デバイスが開示される。半導体デバイスは、基板上のシード材料の上に磁気トンネル接合を含み、磁気トンネル接合は、約１８０％から約３００％の間のトンネル磁気抵抗を示し、シード材料の上の磁気材料と、磁気材料の上の酸化物材料と、酸化物材料の上の別の酸化物材料と、別の酸化物材料の上の別の磁気材料と、を含み、酸化物材料および別の酸化物材料は、約１０Åから約２０Åの間の厚さを有する。
図５Ａから図５Ｃを参照すると、図１の磁気メモリセル１００を形成する方法が示される。方法は、基板２０２の上に磁気メモリセル２００を形成することを含むことができる。下部電極材料２０４は、基板２０２の上に形成されることができる。下部電極材料は、下部電極１０４について上述された材料のうちの任意の材料を含むことができる。
中間領域材料２０６は、下部電極材料２０４の上に任意で形成されることができる。下部中間領域材料２０６は、下部中間領域１０６について上述された材料のうちの任意の材料から形成されることができる。幾つかの実施形態においては、下部中間領域材料２０６は、下部電極材料２０４の導電性材料と一体とすることができる。例えば、下部中間領域材料２０６は、下部電極材料２０４の最上部サブ領域とすることができる。
シード材料２０８は、存在する場合には、下部中間領域材料２０６の上に、または下部電極材料２０４の上に形成されることができる。シード材料２０８は、図１を参照して上述されたように形成されることができる。シード材料２０８の各部分は、マグネトロンスパッタリング（例えば、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、ｄｃマグネトロンスパッタリングなど）、イオンビームスパッタリング、または他のＰＶＤ法などのスパッタリング蒸着によって形成されることができる。シード材料２０８は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）または他の薄膜蒸着プロセスのうちの少なくとも一つによって形成されることもできる。
自由領域材料２１０は、シード材料２０８の上に形成されることができる。自由領域材料２１０は、自由領域１１０について上述された材料のうちの任意の材料で形成されることができる。例えば、自由領域材料２１０は、ＣｏＦｅＢ材料を含むことができる。他の実施形態においては、自由領域材料２１０は、図２の第一の磁気部分１１６について上述されたように、磁気材料１１７と導電性材料１１５との交互の部分で形成された人工超格子構造を含むことができる。自由領域材料２１０は、形成されたときに非晶質とすることができ、自由領域材料２１０が非晶質状態のままであるような温度で形成されることができる。自由領域材料２１０は、矢印２０９によって示されるようにスイッチング可能な磁気配向を示すことができる。
図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、トンネルバリア材料２３０は、自由領域材料２１０の上に形成されることができる。トンネルバリア材料２３０は、第一部分２１２と第二部分２１４とを含むことができる。トンネルバリア材料２３０の第一部分２１２は、界面２１１を形成するように、自由領域材料２１０の上に形成されることができる。トンネルバリア材料２３０の第一部分２１２は、トンネルバリア材料１３０の第一部分１１２について上述されたのと同一の材料から形成されることができる。
第一部分２１２は、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、ＰＶＤまたは他の薄膜蒸着プロセスのうちの少なくとも一つによって形成されることができる。幾つかの実施形態においては、第一部分２１２は、マグネトロンスパッタリング（例えば、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、ＤＣスパッタリングなど）、ＲＦスパッタリング、電子ビーム物理蒸着、イオンビーム反応性スパッタリングまたは他のＰＶＤ法などのスパッタ蒸着によって形成される。幾つかの実施形態においては、第一部分２１２はＭｇＯから形成される。第一部分２１２は、マグネシウム部分を酸化条件に暴露することによってその後にＭｇＯに酸化されるマグネシウム部分として形成されるのではなく、ＭｇＯから形成されることができる。ＭｇＯのソースは、単一の結晶ＭｇＯまたは多結晶ＭｇＯ蒸着ソースまたはスパッタリングターゲットとすることができる。
第一部分２１２は、下部の自由領域２１０が結晶化されないような第一の温度で自由領域材料２１０の上に形成されることができる。換言すると、自由領域材料２１０は、トンネルバリア材料２３０の第一部分２１２の形成中に非晶質のままであり得る。形成されると、第一部分２１２は非晶質または結晶質とすることができる。幾つかの実施形態においては、自由領域材料２１０は、第一部分２１２の形成中に非晶質のまままであるＣｏＦｅＢ材料を含む。幾つかの実施形態においては、第一部分２１２は、最初に形成されたときに結晶質である。第一部分２１２は、約−１５０℃から約０℃の間、約０℃から約２５℃の間、約２０℃から約２５℃の間、約２５℃から約５０℃の間または約５０℃から約１５０℃の間など、約−１５０℃から約１５０℃の間の温度で形成されることができる。幾つかの実施形態においては、第一部分２１２は、室温（例えば、約２０℃から約２５度の間）で形成される。第一部分２１２が、室温で形成される場合、下部の自由領域材料２１０は、非晶質状態のままであることができる。
自由領域材料２１０の上にトンネルバリア材料２３０の第一部分２１２を形成した後、自由領域材料２１０および第一部分２１２は、熱アニールなどによってアニールされることができる。自由領域材料２１０および第一部分２１２をアニーリング条件に晒すことは、自由領域材料２１０を通って界面２１１から自由領域材料２１０を結晶化することができる。第一部分２１２および自由領域材料２１０をアニールした後、自由領域材料２１０は、第一部分２１２の結晶構造と整合のとれ（即ちマッチングされた）結晶構造を有することができる。幾つかの実施形態においては、ＣｏＦｅＢ自由領域材料２１０は、界面２１１から結晶化され、ＭｇＯを含む第一部分２１２と同一の結晶構造を含む。第一部分２１２のアニールは、また、第一部分２１２内のあらゆる酸素空孔を酸素で充填させ、トンネルバリア材料２３０の第一部分２１２の化学量論比を増加させる。限定しない例として、第一部分２１２がＭｇＯを含む場合、第一部分２１２をアニールすることは、第一部分２１２に酸素を引き付けることができ、第一部分２１２の低温形成中に形成され得たあらゆる酸素空孔を充填する。
自由領域材料２１０および第一部分２１２をアニールするために、自由領域材料２１０および第一部分２１２は、十分な期間、自由領域材料２１０を結晶化するために十分な温度に晒されることができる。第一部分２１２をアニーリング条件に晒すことは、第一部分２１２の結晶品質を向上させることができ、より詳細に以下に記述されるように、第二部分２１４は、その後形成されることができる。アニーリングは、また、第一部分２１２の滑らかな表面を形成することができ、その表面上に第二部分２１４が形成される。自由領域材料２１０および第一部分２１２は、約３００℃から約６００℃の間の温度に約６０秒から約１時間（１ｈｒ）の間暴露されることができる。自由領域材料２１０および第一部分２１２は、約約３００℃から約３５０℃の間、約３５０℃から約４００度の間、約４００℃から約５００℃の間、または約５００℃から約６００℃の間の温度に暴露されることができる。暴露時間は、約６０秒から約５分の間、約５分から約１５分の間、約１５分から約３０分の間または約３０分から約６０分の間とすることができる。
図５Ｂを参照すると、自由領域材料２１０および第一部分２１２のアニールの後、トンネルバリア材料２３０の第二部分２１４が形成されることができる。第二部分２１４は、第一部分２１２の上に直接形成され、第一部分２１２と接触することができる。第二部分は、第二部分１１４について上述されたのと同一の材料で形成されることができる。幾つかの実施形態においては、第二部分２１４は、第一部分２１２と同一の材料で形成される。アニールされたトンネルバリア材料２３０の第一部分２１２は、第二部分２１４が形成されるシードとして機能することができ、第二部分２１４の結晶構造が第一部分２１２の結晶構造とマッチングするようにする。第一部分２１２の露出表面は、第一部分２１２および自由領域材料２１０と同一の結晶配向に第二部分２１４が形成されるシードとすることができる。第一部分２１２および第二部分２１４は、界面２１３において同一の結晶配向を示すことができる。
トンネルバリア材料２３０の第二部分２１４は、第一部分２１２が形成される第一の温度よりも高い第二の温度で形成されることができる。第二部分２１４は、第一部分２１２を形成するために上述されたのと同一の方法のうちの一つによって形成されることができる。例えば、第二部分２１４は、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、ＰＶＤまたは他の薄膜蒸着プロセスのうちの少なくとも一つなど、スパッタ蒸着によって形成されることができる。幾つかの実施形態においては、第二部分２１４は、マグネトロンスパッタリング（例えば、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、ＤＣスパッタリングなど）、ＲＦスパッタリング、電子ビーム物理蒸着、イオンビーム反応性スパッタリングまたは他のＰＶＤ法など、スパッタ蒸着によって形成される。しかしながら、第二部分２１４は、第一部分２１２が形成されるのとは異なる、より高い温度で形成されることができる。例えば、第二部分２１４は、上述されたように、約３００℃から約６００℃の間の温度で形成されることができる。第二部分２１４は、第一部分２１２および自由領域材料２１０がアニールされる温度と同一の温度で形成されることができる。他の実施形態においては、第二部分２１４は、第一部分２１２および自由領域材料２１０がアニールされる温度とは異なる温度で形成されることができる。限定しない例として、第二部分２１４は、約３００℃から約３５０℃の間、約３５０℃から約４００℃の間、約４００℃から約５００℃の間、または約５００℃から約６００℃の間などの約３００℃から約６００度の間の温度で形成されることができる。第二部分２１４を高い温度で形成することは、結晶品質の向上した、より化学量論的に定比な材料を形成することができる。例えば、第二部分２１４がＭｇＯを含む場合、第二部分２１４は、第一部分２１２よりも少ない酸素空孔と少ない格子間酸素を有する化学量論的な量の酸素を含むことができる。幾つかの実施形態においては、第一部分２１２および第二部分２１４の各々は、おおよそ１対１の割合の酸素に対するマグネシウムの比を有する。
第二部分２１４は、第一部分２１２と同一の厚さ、第一部分２１２よりも大きい厚さ、または第一部分２１２よりも小さい厚さに形成されることができる。幾つかの実施形態においては、割合は、約１．５であり、トンネルバリア材料１３０の総厚は、約１８Åである。第二部分２１４に対する第一部分２１２の厚さの割合は、ＴＭＲを増加させ、トンネルバリア材料２３０のＲＡを減少させるように調整されることができる。トンネルバリア材料２３０は、トンネルバリア材料１３０について上述されたように、約１８０％から約６００％のＴＭＲと、約３Ωμｍ２から約８Ωμｍ２のＲＡとを示すように形成されることができる。幾つかの実施形態においては、第二部分２１４の厚さは、第一部分２１２の厚さよりも小さい。
図５Ｃを参照すると、固定領域材料２４０は、トンネルバリア材料２３０の第二部分２１４の上に形成されることができる。固定領域材料２４０は、トンネルバリア材料２３０の第二部分２１４の上の第一の磁気材料２１６と、第一の磁気材料２１６の上のカップリング材料２１８と、カップリング材料２１８の上の第二の磁気材料２２０とを含むことができる。第一の磁気材料２１６は、第一の磁気サブ領域２１６ａと、スペーサ材料２１６ｂと、第二の磁気サブ領域２１６ｃとを含むことができる。磁気サブ領域２１６ａ、スペーサ材料２１６ｂ、第二の磁気サブ領域２１６ｃの各々は、上述されたような第一の磁気サブ領域１１６ａ、スペーサ１１６ｂ、第二の磁気サブ領域１１６ｃと其々同一の材料で形成されることができる。第一の磁気材料２１６、カップリング材料２１８および第二の磁気材料２２０の各々は、上述されたような、それぞれ第一の磁気部分１１６、カップリング材料１１８および第二の磁気部分１２０と同一の材料形成されることができる。固定領域材料２４０の第一の磁気材料２１６および第二の磁気材料２２０は、矢印２１９によって示されるように固定された磁気配向を含むことができる。
カップリング材料２１８は第一の磁気材料２１６の上に（例えば、第一の磁気材料２１６の第二の磁気サブ領域２１６ｃの上に）形成されることができる。カップリング材料２１８は、第一の磁気材料２１６と第二の磁気材料２２０との間に形成されることができる。カップリング材料２１８は、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、または他の薄膜蒸着プロセスのうちの少なくとも一つによって形成されることができる。
第二の磁気材料２２０は、カップリング材料２１８の直接上に形成されることができる。第二の磁気材料２２０は、第一の磁気材料２１６と同一の方法で同一の材料から形成されることができる。
上部中間領域材料２２４は、第二の磁気材料２２０の上に任意で形成されることができ、下部中間領域材料２０６と同一の材料を含むことができる。上部電極材料２２６は、存在する場合には、上部中間領域材料２２４の上に、または第二の磁気材料２２０の上に形成されることができる。上部電極材料２２６は、上部電極１２６について上述されたのと同一の材料で形成されることができる。
磁気メモリセル２００は、図１に示されるように磁気メモリセル１００を形成するために処理されることができる。磁気メモリセル２００の構造は、従来のフォトリソグラフィー、材料除去、エッチングまたは本明細書には詳細に記述されない他のプロセスによって処理されることができる。
図５Ａから図５Ｃを参照して記述された磁気メモリセル２００は、図１の磁気メモリセル１００を形成することを記述しているが、図３の磁気メモリセル１００’は、類似の方法によって形成されることができる。しかしながら、固定領域材料２４０は、シード材料２０８の上に形成され、トンネルバリア材料２３０の第一部分２１２は、固定領域材料２４０の上に形成され、自由領域材料２１０は、トンネルバリア材料２３０の第二部分２１４の上に形成され、結果として、図３の磁気メモリセルを生じる。他の実施形態においては、図４の磁気メモリセル１００”は、自由領域材料２１０および固定領域材料２４０を形成することによって形成されることができ、水平方向の磁気配向を示す。
第一部分２１２および第二部分２１４からトンネルバリア材料２３０を形成することは、磁気トンネル接合のＴＭＲを増加させ、ＲＡを減少させることができる。ＭＴＪ１５０は、トンネルバリア材料２３０の結晶構造内の酸素空孔または格子間酸素などの欠陥が実質的にないことがある。トンネルバリア材料２３０は、したがって、高いＴＭＲおよび低いＲＡでトンネリング特性の改善を示すことができる。
このように、半導体デバイスを形成する方法が開示される。方法は、基板上の電極の上に磁気材料を形成することと、磁気材料の上に第一のトンネルバリア材料を形成することと、磁気材料および第一のトンネルバリア材料をアニールすることと、アニールされた第一のトンネルバリア材料の上に第二のトンネルバリア材料を形成することと、第二のトンネルバリア材料の上に別の磁気材料を形成することと、別の磁気材料の上に別の電極を形成することと、を含む。
このように、磁気トンネル接合を形成する方法が開示される。方法は、磁気材料の上にバリア材料を第一の温度で形成することと、バリア材料および磁気材料をアニールすることと、アニールされたバリア材料の上に別のバリア材料を第二の温度で形成することと、別のバリア材料の上に別の磁気材料を形成することと、を含む。
このように、半導体デバイスを形成する方法が開示される。方法は、基板の上にシード材料を形成することと、シード材料の上に磁気材料を形成することと、磁気材料の上に酸化物材料を第一の温度で形成することと、第一の温度よりも高い第二の温度で、酸化物材料の上に別の酸化物材料を形成することと、別の酸化物材料の上に別の磁気材料を形成することと、を含む。
図６を参照すると、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４と動作可能なように通信する周辺デバイス６１２を含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム６００が図示され、その集合は、システム要件および製造技術によって、多数の行および列を含むグリッドパターンで、または様々な他の配置でメモリセルのアレイを形成するように製造されることができる。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４は、磁気セルコア６０１と、アクセストランジスタ６０３と、データ／センス線６０４（例えば、ビット線）として機能することができる導電性材料と、アクセス線６０５（例えば、ワード線）として機能することができる導電性材料と、ソース線６０６として機能することができる導電性材料と、を含むことができる。ＳＴＴ−ＭＲＡＭシステムの周辺デバイス６１２は、読み出し／書き込み回路６０７と、ビット線基準６０８と、センス増幅器６０９とを含むことができる。磁気セルコア６０１は、上述された磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”のうちの任意の一つとすることができる。セルコア６０１の構造、製造方法またはその双方によって、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４は、高いＴＭＲおよび低い抵抗（例えば、低いＲＡ積）を有することができる。
使用および動作においては、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４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６１４に印加され、電流は磁気セルコア６０１の固定領域によってスピン分極され、セルコア６０１の自由領域に対してトルクを及ぼし、これによって、自由領域の磁化をスイッチングして、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４に“書き込む”かまたは“プログラムする”。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４の読み出し動作においては、電流は、磁気セルコア６０１の抵抗状態を検出するために用いられる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４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６０７は、データ／センス線６０４およびソース線６０６に対して書き込み電流（即ちプログラミング電流）を生成することができる。データ／センス線６０４とソース線６０６との間の電圧の極性は、磁気セルコア６０１の自由領域の磁気配向におけるスイッチングを決定する。スピン分極で自由領域の磁気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６１４に書き込まれる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４を読み出すために、読み出し／書き込み回路６０７は、セルコア６０１およびアクセストランジスタ６０３を通じて、データ／センス線６０４およびソース線６０６に対して読み出し電圧を生成する。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４のプログラムされた状態は、セルコア６０１にわたる電気抵抗に関連し、これは、データ／センス線６０４とソース線６０６との間の電圧差によって決定されることができる。幾つかの実施形態においては、電圧差は、ビット線基準６０８に対して比較されて、センス増幅器６０９によって増幅されることができる。
図６は、少なくとも一つの磁気メモリセルを含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム６００の一例を示す。しかしながら、磁気領域を有する磁気セルコアを組み込むために構成されたＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム内に、磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”が組み込まれることができ、この中で用いられることができると考えられる。また、磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”がＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの他に、他の磁気メモリセルで用いられることができることも考えられる。
図７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装された半導体デバイス７００の簡略化されたブロック図が示される。半導体デバイス７００は、メモリアレイ７０２と、制御論理コンポーネント７０４とを含む。メモリアレイ７０２は、上述された磁気セルコア（例えば、其々、図１、図３および図４の磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”）のうちの任意のものを含む複数のＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４（図６）を含むことができ、磁気セルコア（例えば、磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”）は、上述された方法に従って形成されたものであって、上述された方法に従って動作することができる。制御論理コンポーネント７０４は、メモリアレイ７０２内の任意のまたは全てのメモリセル（例えば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル６１４（図６））から読み出し、そこに書き込むために、メモリアレイ７０２と動作可能なように相互作用するように構成されることができる。
このように、半導体デバイスが開示される。半導体デバイスは、磁気セル構造のアレイを含み、各磁気セル構造は、基板上の電極の上に磁気トンネル接合を含み、各磁気トンネル接合は、基板の上の磁気材料と、磁気材料の上の第一のトンネルバリア材料と、第一のトンネルバリア材料の上の第二のトンネルバリア材料と、第二のトンネルバリア材料の上の別の磁気材料と、を含み、各磁気トンネル接合は、約１８０％から約６００％の間のトンネル磁気抵抗と、約８Ωμｍ２未満の抵抗面積積とを示すように構成される。半導体デバイスは、別の磁気材料の上に別の電極をさらに含む。
図８を参照すると、プロセッサベースのシステム８００が示される。プロセッサベースのシステム８００は、本開示の実施形態により製造された様々な電子デバイスを含むことができる。プロセッサベースのシステム８００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種類とすることができる。プロセッサベースのシステム８００は、マイクロプロセッサなど、プロセッサベースのシステム８００内のシステム機能および要求の処理を制御するための一つ以上のプロセッサ８０２を含むことができる。プロセッサ８０２およびプロセッサベースのシステム８００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気メモリデバイスを含むことができる。
プロセッサベースのシステム８００は、プロセッサ８０２と動作可能なように通信する電源８０４を含むことができる。例えば、プロセッサベースのシステム８００がポータブルシステムである場合、電源８０４は、燃料電池、電力掃気デバイス、永久電池、取外し可能な電池および再充電可能な電池のうちの一つ以上を含むことができる。電源８０４は、また、ＡＣアダプタを含むことができ、したがって、プロセッサベースのシステム８００は、例えば、壁のコンセントにプラグを挿されることができる。電源８０４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８００は、例えば、自動車のシガレットライター、または自動車の電源ポートにプラグを挿されることができるようにする。
様々な他のデバイスは、プロセッサベースのシステム８００が実施する機能によって、プロセッサ８０２に結合されることができる。例えば、ユーザインターフェイス８０６は、プロセッサ８０２に結合されることができる。ユーザインターフェイス８０６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、マイクまたはその組み合わせなどの入力デバイスを含むことができる。ディスプレイ８０８は、また、プロセッサ８０２に結合されることができる。ディスプレイ８０８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、オーディオディスプレイ、またはその組み合わせを含むことができる。さらに、ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ８１０が、またプロセッサ８０２に結合されることができる。ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ８１０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むことができる。通信ポート８１２または２以上の通信ポート８１２は、また、プロセッサ８０２に結合されることができる。通信ポート８１２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一つ以上の周辺デバイス８１４に対して、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対して結合されるように適合されることができる。
プロセッサ８０２は、メモリ内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８００を制御することができる。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むことができる。メモリは、様々なプログラムの実行を格納し、容易にするために、プロセッサ８０２に動作可能なように結合される。例えば、プロセッサ８０２は、システムメモリ８１６に結合されることができ、システムメモリ８１６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メモリ種類のうちの一つ以上を含むことができる。システムメモリ８１６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むことができる。システムメモリ８１６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格納することができるように、典型的には大型である。幾つかの実施形態においては、システムメモリ８１６は、上述された図７の半導体デバイス７００などの半導体デバイス、図１、図３および図４の其々の磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”、またはその組み合わせを含むことができる。
プロセッサ８０２は、また、不揮発性メモリ８１８にも結合されることができ、このことは、システムメモリ８１６が必ずしも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８１８は、システムメモリ８１６と組み合わせて用いられるような、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＭＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、抵抗性リードオンリーメモリ（ＲＲＯＭ）などのリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリのうちの一つ以上を含むことができる。不揮発性メモリ８１８のサイズは、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格納するのにちょうど十分な大きさとなるように典型的には選択される。さらに、不揮発性メモリ８１８は、例えば、抵抗メモリまたは、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むことができる。不揮発性メモリ８１８は、図７の半導体デバイス７００などの半導体デバイス、図１、図３および図４の其々の磁気セルコア１０１、１０１’、１０１”のうちの任意のものを含むメモリセル、またはその組み合わせを含むことができる。
［例］
図９は、従来の方法によって形成されたＭＴＪに対して、本開示の実施形態により形成されたＭＴＪのＲＡとＴＭＲとを比較するグラフ図である。ＭｇＯトンネルバリア材料は、ＣｏＦｅＢ磁気材料の上に約２０℃でＲＦスパッタリングによって形成された。ＭｇＯおよびＣｏＦｅＢは、ＭｇＯと同一の結晶配向でＣｏＦｅＢ磁気材料を結晶化するために、約５００℃の温度でアニールされた。第二のＭｇＯトンネルバリア材料は、アニールされたＭｇＯの上に約５００℃でＲＦスパッタリングによって形成された。別のＣｏＦｅＢ材料は、第二のＭｇＯトンネルバリア材料の上に形成された。タンタル材料は、ＣｏＦｅＢ磁気材料の上に形成され、コバルト／パラジウム磁気材料は、ＭＴＪ構造を完成させるためにタンタルの上に形成された。従来のＭＴＪは、室温でＣｏＦｅＢ磁気材料の上にＭｇＯトンネルバリア材料を形成することによって形成された。ＭｇＯおよびＣｏＦｅＢは、約５００℃の温度でアニールされた。別のＣｏＦｅＢ磁気材料は、ＭｇＯの上に形成された。ＭＴＪ構造のＴＭＲおよびＲＡは従来技術を用いて測定された。図９の左上の線は、本開示の実施形態により形成されたＭＴＪのＴＭＲおよびＲＡを示し、右下の線は、従来の方法によって形成されたＭＴＪのＴＭＲおよびＲＡを示す。グラフに示されるように、本明細書に開示された方法によって形成されたＭＴＪは、従来の方法によって形成されたＭＴＪよりも高いＴＭＲおよび低いＲＡを示す。
図１０は、本開示により形成されたＭＴＪのＴＭＲ対ＲＡのグラフ図である。第一のＭｇＯトンネルバリア材料は、ＣｏＦｅＢ磁気材料の上に第一の厚さ（“Ｘ”）に形成された。ＭｇＯは、約２０℃でＲＦスパッタリングによって形成された。ＭｇＯおよびＣｏＦｅＢはＭｇＯと同一の結晶配向にＣｏＦｅＢを結晶化するために、約５００℃の温度でアニールされた。第二のＭｇＯトンネルバリア材料は、アニールされたＭｇＯの上に約５００℃でＲＦスパッタリングによって形成された。第二のＭｇＯトンネルバリア材料は、第二の厚さ（“Ｙ”）に形成された。別のＣｏＦｅＢ磁気材料は、第二のＭｇＯトンネルバリア材料の上に形成された。タンタル材料は、ＣｏＦｅＢ磁気材料の上に形成され、コバルト／パラジウム磁気材料は、ＭＴＪ構造を完成させるために、タンタルの上に形成された。ＭＴＪ構造のＴＭＲおよびＲＡは、従来技術によって測定された。図１０は、第二のＭｇＯトンネルバリア材料の厚さに対する、第一のＭｇＯトンネルバリア材料の厚さの異なる比率（即ち、Ｘ／Ｙ）を有するＭＴＪのＴＭＲおよびＲＡのグラフである。このように、Ｘ／Ｙの比率は、所望のＲＡにおいて所望のＴＭＲを示すＭＴＪを形成するために調整されることができる。
ある例示的実施形態が図面に関連して記述されてきたが、本開示に包含される実施形態は、本明細書に明示的に示され、記述されたこれらの実施形態に限定されないことを当業者は認識し、理解するだろう。むしろ、本明細書に記述された実施形態に対する多くの追加、削除および改変は、法的均等物を含み、この後に請求されるような本開示に包含される実施形態の範囲から逸脱することなく行われることができる。さらには、開示された一実施形態による特徴は、本開示の範囲内に依然包含されながら、別の開示された実施形態の特徴と組み合わせられることができる。

Claims (19)

  1. 電子デバイスを形成する方法であって、
    ベース材料上の電極の上に磁気材料を形成することと、
    前記磁気材料が結晶化されない温度で、前記磁気材料の上に第一のトンネルバリア材料を形成することと、
    前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料をアニールすることにより、前記磁気材料の結晶構造を前記第一のトンネルバリア材料の結晶構造に整合させることと、
    前記アニールされた第一のトンネルバリア材料の上に第二のトンネルバリア材料を前記第一のトンネルバリア材料よりも高い温度で形成することと、
    前記第二のトンネルバリア材料の上に別の磁気材料を形成することと、
    前記別の磁気材料の上に別の電極を形成することと、
    を含む、
    方法。
  2. 前記ベース材料の上にメモリセルのアレイを形成することをさらに含み、各メモリセルは、前記磁気材料と、前記第一のトンネルバリア材料と、前記第二のトンネルバリア材料と、前記別の磁気材料とを含む、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記磁気材料の上に第一のトンネルバリア材料を形成することは、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化タンタル、酸化ルテニウムのうちの少なくとも一つを前記磁気材料の上に形成することを含む、
    請求項１に記載の方法。
  4. 第一のトンネルバリア材料を形成することは、スパッタ蒸着によって酸化マグネシウムを形成することを含む、
    請求項１に記載の方法。
  5. 前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料をアニールすることは、同一の結晶構造を示すように前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料を結晶化することを含む、
    請求項１に記載の方法。
  6. 前記アニールされた第一のトンネルバリア材料の上に第二のトンネルバリア材料を形成することは、前記第一のトンネルバリア材料と同一の材料を含む前記第二のトンネルバリア材料を形成することを含む、
    請求項１に記載の方法。
  7. 第一のトンネルバリア材料を形成することは、前記第二のトンネルバリア材料の約１．０倍から約１．５倍の厚さに前記第一のトンネルバリア材料を形成することを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記磁気材料の上に第一のトンネルバリア材料を形成することは、約２０℃から約２５度の間の温度で前記第一のトンネルバリア材料を形成することを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料をアニールすることは、約３００℃から約６００℃の間の温度に前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料を晒すことを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料をアニールすることは、前記第一のトンネルバリア材料の上に前記第二のトンネルバリア材料を形成する前に、前記磁気材料および前記第一のトンネルバリア材料をアニールすることを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記アニールされた第一のトンネルバリア材料の上に第二のトンネルバリア材料を形成することは、約３００℃から約６００℃の温度で前記第二のトンネルバリア材料を形成することを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  12. 第一のトンネルバリア材料を形成することは、約０℃から約２５℃の間の温度で前記第一のトンネルバリア材料を形成することを含み、
    第二のトンネルバリア材料を形成することは、約３００℃から約６００℃の間の温度で前記第二のトンネルバリア材料を形成することを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  13. 磁気セル構造のアレイであって、各磁気セル構造は、ベース材料の上の電極の上に磁気トンネル接合を含み、各磁気トンネル接合は、
    前記ベース材料の上の磁気材料と、
    前記磁気材料の結晶構造と同じ結晶構造を有する前記磁気材料の上の第一のトンネルバリア材料と、
    前記第一のトンネルバリア材料の上の第二のトンネルバリア材料であって、前記第二のトンネルバリア材料は前記第一のトンネルバリア材料よりも高い温度で形成され、前記第一のトンネルバリア材料層よりも酸素空孔が少なくて密度が高い、第二のトンネルバリア材料と、
    前記第二のトンネルバリア材料の上の別の磁気材料であって、各磁気トンネル接合は、約８Ωμｍ２未満の抵抗面積積で、約１８０％から約６００％の間のトンネル磁気抵抗を示すように構成される、別の磁気材料と、
    前記別の磁気材料の上の別の電極と、
    を含む、
    電子デバイス。
  14. 前記磁気材料の上の前記第一のトンネルバリア材料は、酸化マグネシウムを含む、
    請求項１３に記載の電子デバイス。
  15. 前記第一のトンネルバリア材料および前記第二のトンネルバリア材料の各々は酸化マグネシウムを含む、
    請求項１３に記載の電子デバイス。
  16. 各磁気トンネル接合は、約４Ωμｍ２から約８Ωμｍ２の間の抵抗面積積で、約１８０％から約２０５％の間のトンネル磁気抵抗を示すように構成される、
    請求項１３から１５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
  17. 各磁気トンネル接合は、約６Ωμｍ２から約７Ωμｍ２の間の抵抗面積積で、約１８０％から約３００％の間のトンネル磁気抵抗を示すように構成される、
    請求項１３から１５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
  18. 前記第二のトンネルバリア材料の厚さに対する前記第一のトンネルバリア材料の厚さの比率は、約１．０から約１．５の間である、
    請求項１３から１５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
  19. 前記第二のトンネルバリア材料は、前記第一のトンネルバリア材料よりも高密度を示す、
    請求項１３から１５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
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