TW201543726A - 記憶體單元、製造方法以及半導體裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種磁性單元，其包含由包括一可擴散物種及至少一其他物種之前驅體磁性材料所形成之磁性區域。一氧化物區域安置於該磁性區域與另一磁性區域之間，且一非晶區域接近於該磁性區域。非晶區域包括具有對於可擴散物種之一化學親和力之一吸子材料，化學親和力高於至少一其他物種對於可擴散物種之一化學親和力。因此，可擴散物種自前驅體磁性材料轉移至吸子材料，從而形成一空乏磁性材料。可擴散物種之移除及吸子材料之區域之非晶本質促進空乏磁性材料之結晶，此實現高穿隧磁阻及高磁異向性強度。本發明亦揭示製造方法及半導體裝置。

Description

記憶體單元、製造方法以及半導體裝置 優先權主張

此申請案主張2014年2月28日申請之標題為「MEMORY CELLS,METHODS OF FABRICATION,AND SEMICONDUCTOR DEVICES」之美國專利申請案第14/193,979號之申請日期之權利。

在各種實施例中，本發明大體上係關於記憶體裝置設計及製造領域。更特定言之，本發明係關於特性化為自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元之記憶體單元之設計及製造。

磁性隨機存取記憶體(MRAM)係基於磁阻之一非揮發性電腦記憶體技術。一種類型的MRAM單元係一自旋扭矩轉移MRAM(STT-MRAM)單元，其包含藉由一基板支撐之一磁性單元核心。磁性單元核心包含至少兩個磁性區域，例如，一「固定區域」及一「自由區域」，在該磁性區域之間具有一非磁性區域。自由區域及固定區域可展現相對於該等區域之寬度水平定向(「平面內」)或垂直定向(「平面外」)之磁性定向。固定區域包含具有一實質上固定(例如，不可切換)磁性定向之一磁性材料。另一方面，自由區域包含具有可在單元之操作期間在一「平行」組態與一「反平行」組態之間切換之一磁性定向之一磁性材料。在平行組態中，固定區域及自由區域之磁性定向沿著 相同方向(例如，分別沿著北方及北方、東方及東方、南方及南方或西方及西方)引導。在反平行組態中，固定區域及自由區域之磁性定向沿著相反方向(例如，分別沿著北方及南方、東方及西方、南方及北方或西方及東方)引導。在平行組態中，STT-MRAM單元展現跨磁阻元件(例如，固定區域及自由區域)之一較低電阻。此低電阻狀態可定義為MRAM單元之一「0」邏輯狀態。在反平行組態中，STT-MRAM單元展現跨磁阻元件之一較高電阻。此高電阻狀態可定義為STT-MRAM單元之一「1」邏輯狀態。

可藉由使一程式化電流通過磁性單元核心及其中之固定區域及自由區域而完成自由區域之磁性定向之切換。固定區域使程式化電流之電子自旋極化，且在自旋極化之電流通過核心時產生扭矩。自旋極化電子電流將扭矩施加於自由區域上。當通過核心之自旋極化電子電流之扭矩大於自由區域之一臨界切換電流密度(J_c)時，切換自由區域之磁性定向之方向。因此，程式化電流可用於更改跨磁性區域之電阻。跨磁阻元件之所得高電阻或低電阻狀態實現MRAM單元之寫入及讀取操作。在切換自由區域之磁性定向以達成與一所要邏輯狀態相關聯之平行組態及反平行組態之一者之後，通常期望在一「儲存」階段期間維持自由區域之磁性定向直至將MRAM單元重寫至一不同組態(即，至一不同邏輯狀態)。

一磁性區域的磁異向性(「MA」)係材料的磁性質之方向相依性之一指示。因此，MA亦係材料的磁性定向之強度及其對其定向更改之抗性之一指示。與展現具有一低MA強度之一磁性定向之一磁性材料相比，展現具有一高MA強度之一磁性定向之一磁性材料可較不易於更改其磁性定向。因此，與具有一低MA強度之一自由區域相比，具有一高MA強度之一自由區域在儲存期間可更穩定。

特定非磁性材料(例如，氧化物材料)與磁性材料之間的相互作用 可沿著磁性材料之一表面引發MA(例如，增大MA強度)，從而增加磁性材料及MRAM單元之總體MA強度。一般言之，與表面/介面MA引發材料接觸之磁性材料對磁性材料之未接觸部分之比率愈大，磁性區域之MA強度愈高。因此，一般言之，習知磁性單元結構使(例如)自由區域之磁性材料與一鄰近MA引發氧化物區域直接接觸，且在磁性材料與MA引發材料之間不具有另一材料。

自由區域之其他有益性質通常與自由區域之微結構相關聯。此等性質包含(例如)單元的穿隧磁阻(「TMR」)。TMR係單元在反平行組態中之電阻(R_ap)與其在平行組態中之電阻(R_p)之間的差對R_p之一比率(即，TMR=(R_ap-R_p)/R_p)。一般言之，具有在其磁性材料之微結構中具有較少結構缺陷之一致結晶結構(例如，一bcc(001)結晶結構)之一自由區域具有高於具有結構缺陷之一薄自由區域之一TMR。具有高TMR之一單元可具有一高讀出信號，其可在操作期間加速MRAM單元之讀取。高TMR亦可實現低程式化電流之使用。

已作出努力以形成具有高MA強度且具有有利於高TMR之微結構之自由區域。舉例而言，一磁性材料之一高溫(例如，大於約500℃)退火可促進磁性材料之結晶，此結晶可實現高TMR。使待形成之MRAM單元中之氧化物材料退火亦可改良氧化物材料之晶體結構且進一步實現高TMR。然而，退火之高溫亦可導致其他材料之降級。此外，若鄰近材料具有與磁性材料之所要結晶結構衝突之微結構，則可阻礙磁性材料之一致結晶。因此，形成具有高TMR及高MA強度之MRAM單元結構已提出挑戰。

本發明揭示一種記憶體單元。該記憶體單元包括一磁性單元核心。該磁性單元核心包括一磁性區域，該磁性區域包括由一前驅體磁性材料形成之一空乏磁性材料。形成該空乏磁性區域之該前驅體磁性 材料包含一可擴散物種及至少一其他物種。該空乏磁性材料包括該至少一其他物種。該記憶體單元核心亦包括另一磁性區域。一中間氧化物區域介於該磁性區域與該另一磁性區域之間。一非晶區域接近於該磁性區域。該非晶區域包括具有對於該可擴散物種之一化學親和力之一吸子材料。該吸子材料對於該可擴散物種之該化學親和力高於該至少一其他物種對於該可擴散物種之一化學親和力。該非晶區域包括該吸子材料及來自該前驅體磁性材料之該可擴散物種之至少一部分。

本發明亦揭示一種形成一磁性記憶體單元之方法。該方法包括形成一結構。形成該結構包括：在一基板上方形成一磁性材料；在該磁性材料上方形成氧化物材料；在該氧化物材料上方形成另一磁性材料；及接近於該磁性材料及該另一磁性材料之至少一者形成一非晶吸子材料。該結構之至少一部分經退火以：將一可擴散物種自該磁性材料及該另一磁性材料之該至少一者轉移至該非晶吸子材料；將該磁性材料及該另一磁性材料之該至少一者轉換為一空乏磁性材料；及使該空乏磁性材料結晶而不使該非晶吸子材料結晶。在退火之後，由該結構形成一磁性單元核心結構。

本發明亦揭示一種半導體裝置。該半導體裝置包括一自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)陣列。該STT-MRAM陣列包括STT-MRAM單元。該等STT-MRAM單元之至少一STT-MRAM單元包括一自由區域、一固定區域及一非晶吸子區域。該自由區域係在一基板上方。該固定區域藉由一中間氧化物區域而與該自由區域間隔。該非晶吸子區域接近於該自由區域及該固定區域之至少一者。該非晶吸子區域包括自該自由區域及該固定區域之至少一者擴散之一物種。

本發明亦揭示一種包括一自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)陣列之半導體裝置，該STT-MRAM陣列包括STT-MRAM單元，該等STT-MRAM單元之至少一STT-MRAM單元包括一結晶磁性 區域、一非晶吸子材料及一中間氧化物區域。該結晶磁性區域係在一基板上方。該結晶磁性區域係由一前驅體磁性材料形成且展現具有一垂直磁性定向之磁性。該非晶吸子材料接近於該結晶磁性區域。該非晶吸子材料包括來自該前驅體磁性材料之一擴散物種。該中間氧化物區域介於該結晶磁性區域與展現具有該垂直磁性定向之磁性之另一磁性區域之間。

本發明亦揭示一種包括磁性記憶體單元之一陣列之半導體裝置。磁性記憶體單元之該陣列之至少一磁性記憶體單元包括在一基板上方之至少兩個磁性區域。一吸子區域接近於該至少兩個磁性區域之至少一者。該吸子區域包括一吸子材料。該吸子材料包括至少一過渡元素與至少一其他過渡元素之一合金。該至少一過渡元素自由鈷、鐵及鎳組成之群組選擇。該吸子區域亦包括自該至少兩個磁性區域之該一者擴散之一物種。一中間氧化物區域介於該至少兩個磁性區域兩者之間。

1AB‧‧‧方塊

1CD‧‧‧方塊

8A‧‧‧方塊

8B‧‧‧方塊

15A‧‧‧部分

15B‧‧‧部分

16A‧‧‧部分

16B‧‧‧部分

100‧‧‧磁性單元結構

101‧‧‧磁性單元核心

102‧‧‧基板

104‧‧‧上電極

105‧‧‧下電極

110‧‧‧固定區域

110"‧‧‧固定區域

112‧‧‧箭頭

113‧‧‧氧化物相鄰部分

114‧‧‧氧化物相鄰部分

115‧‧‧中間部分

117‧‧‧電極相鄰部分

118‧‧‧磁性子區域

119‧‧‧耦合器子區域

120‧‧‧自由區域

122‧‧‧雙向箭頭

130‧‧‧中間氧化物區域

131‧‧‧介面

132‧‧‧介面

140‧‧‧下中間區域

150‧‧‧上中間區域

160‧‧‧基座區域

170‧‧‧副氧化物區域

178‧‧‧吸子氧化物區域

180‧‧‧吸子區域

182‧‧‧吸子區域

190‧‧‧中間區域

200‧‧‧磁性單元結構

201‧‧‧磁性單元核心

280‧‧‧吸子區域

310‧‧‧固定區域

312‧‧‧箭頭

320‧‧‧自由區域

322‧‧‧雙向箭頭

400‧‧‧磁性單元結構

401‧‧‧磁性單元核心

410‧‧‧固定區域

414‧‧‧氧化物相鄰部分

417‧‧‧電極相鄰部分

420‧‧‧自由區域

480‧‧‧吸子區域

480'‧‧‧間斷吸子區域

480"‧‧‧吸子子區域

482‧‧‧吸子區域

500‧‧‧磁性單元結構

501‧‧‧磁性單元核心

570‧‧‧副氧化物區域

570'‧‧‧間斷副氧化物區域

570"‧‧‧副氧化物子區域

578'‧‧‧吸子氧化物區域

578"‧‧‧吸子氧化物區域

680‧‧‧吸子區域

684‧‧‧橫向相鄰部分

686‧‧‧垂直相鄰部分

700‧‧‧結構

705‧‧‧導電材料

713‧‧‧前驅體磁性材料

720‧‧‧前驅體磁性材料

721‧‧‧可擴散物種

730‧‧‧氧化物材料

740‧‧‧下中間材料

760‧‧‧基座材料

770‧‧‧氧化物材料

780‧‧‧吸子材料

800‧‧‧退火結構

820‧‧‧空乏磁性材料

880‧‧‧濃化吸子材料

900‧‧‧前驅體結構

904‧‧‧導電材料

915‧‧‧中間材料

917‧‧‧材料

918‧‧‧磁性材料

919‧‧‧耦合器材料

950‧‧‧上中間材料

1000‧‧‧結構

1070‧‧‧前驅體材料

1080‧‧‧箭頭

1100‧‧‧結構

1178‧‧‧吸子氧化物材料

1200‧‧‧退火結構

1278‧‧‧濃化吸子氧化物材料

1300‧‧‧結構

1400‧‧‧退火結構

1500‧‧‧結構

1582‧‧‧吸子材料

1600‧‧‧退火結構

1613‧‧‧空乏磁性材料

1682‧‧‧濃化吸子材料

1700‧‧‧自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)系統

1702‧‧‧磁性單元核心

1703‧‧‧存取電晶體

1704‧‧‧資料/感測線

1705‧‧‧存取線

1706‧‧‧源極線

1707‧‧‧讀取/寫入電路

1708‧‧‧位元線參考

1709‧‧‧感測放大器

1712‧‧‧周邊裝置

1714‧‧‧自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元

1800‧‧‧半導體裝置

1802‧‧‧記憶體陣列

1804‧‧‧控制邏輯組件

1900‧‧‧基於處理器之系統

1902‧‧‧處理器

1904‧‧‧電源供應器

1906‧‧‧使用者介面

1908‧‧‧顯示器

1910‧‧‧RF子系統/基頻處理器

1912‧‧‧通信埠

1914‧‧‧周邊裝置

1916‧‧‧系統記憶體

1918‧‧‧非揮發性記憶體

圖1係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一橫截面、立面、示意性圖解，其中磁性單元結構包含上覆於一自由區域之一固定區域、雙氧化物區域及接近於雙氧化物區域及自由區域之一者之一吸子區域。

圖1A係根據本發明之一替代實施例之圖1之方塊1AB之一放大圖，其中固定區域包含氧化物相鄰部分、中間部分及電極相鄰部分。

圖1B係根據本發明之另一替代實施例之圖1之方塊1AB之一放大圖，其中固定區域包含氧化物相鄰部分、中間吸子部分及電極相鄰部分。

圖1C係根據本發明之一替代實施例之圖1之方塊1CD之一放大圖，其中一吸子區域及一副氧化物區域彼此整合。

圖1D係根據本發明之另一替代實施例之圖1之方塊1CD之一放大圖，其中一吸子區域藉由一中間區域而與一磁性區域間隔。

圖2係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一橫截面、立面、示意性圖解，其中磁性單元結構包含上覆於一自由區域之一固定區域、接近於自由區域之一單氧化物區域及亦接近於自由區域之一吸子區域。

圖3係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一截面之一橫截面、立面、示意性圖解，其中一自由區域及一固定區域展現平面內磁性定向。

圖4係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一橫截面、立面、示意性圖解，其中磁性單元結構包含下伏於一自由區域之一固定區域、接近於自由區域之一單氧化物區域、亦接近於自由區域之一吸子區域及接近於固定區域之另一吸子區域。

圖5係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一橫截面、立面、示意性圖解，其中磁性單元結構包含下伏於一自由區域之一固定區域、雙氧化物區域、接近於雙氧化物區域之一者且亦接近於自由區域之一吸子區域及接近於固定區域之另一吸子區域。

圖5A係根據本發明之一替代實施例之圖5之方塊5AB之一放大圖，其中一吸子氧化物區域包含與吸子子區域整合之一間斷副氧化物區域。

圖5B係根據本發明之另一替代實施例之圖5之方塊5AB之一放大圖，其中一吸子氧化物區域包含與副氧化物子區域交替之吸子子區域。

圖6係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一截面之一橫截面、立面、示意性圖解，其中一吸子區域橫向且垂直相鄰於一自由區域。

圖6A係沿著圖6之截面線6A-6A獲取之圖6之磁性單元結構之截面之一橫截面俯視平面示意性圖解。

圖7至圖9係根據本發明之一實施例在製造圖1及圖1A之磁性單元結構之各種處理階段期間之橫截面、立面、示意性圖解，其中：圖7係在一處理階段期間之一結構之一橫截面、立面、示意性圖解；圖8係在圖7之處理階段之後的一處理階段期間之一退火結構之一橫截面、立面、示意性圖解；圖8A係圖7之方塊8A之一放大圖；圖8B係圖8之方塊8B之一放大圖；及圖9係在圖8之處理階段之後的一處理階段期間之一前驅體結構之一橫截面、立面、示意性圖解。

圖10A至圖12B係根據本發明之一實施例在製造圖1及圖1C之磁性單元結構之各種處理階段期間之橫截面、立面、示意性圖解，其中：圖10A係在一處理階段期間之一結構之一橫截面、立面、示意性圖解；圖10B係在圖10A之處理階段之後的一氧化處理階段期間之圖10A之結構之一橫截面、立面、示意性圖解；圖11係在圖10B之處理階段之後的一處理階段期間之一氧化結構之一橫截面、立面、示意性圖解；圖12A係在圖11之處理階段之後的一處理階段期間之一結構之一橫截面、立面、示意性圖解；及圖12B係在圖12A之處理階段之後的一處理階段期間之一退火結構之一橫截面、立面、示意性圖解。

圖13及圖14係根據本發明之一實施例在製造圖2之磁性單元結構之各種處理階段期間之橫截面、立面、示意性圖解，其中： 圖13係在一處理階段期間之一結構之一橫截面、立面、示意性圖解；及圖14係在圖13之處理階段之後的一處理階段期間之一退火結構之一橫截面、立面、示意性圖解。

圖15及圖16係根據本發明之一實施例在製造圖4或圖5之磁性單元結構之各種處理階段期間之橫截面、立面、示意性圖解，其中：圖15係在一處理階段期間之一結構之一橫截面、立面、示意性圖解；且圖16係在圖15之處理階段之後的一處理階段期間之一退火結構之一橫截面、立面、示意性圖解。

圖17係根據本發明之一實施例之包含具有一磁性單元結構之一記憶體單元之一STT-MRAM系統之一示意圖。

圖18係根據本發明之一實施例之包含具有一磁性單元結構之記憶體單元之一半導體裝置結構之一簡化方塊圖。

圖19係根據本發明之一或多項實施例實施之一系統之一簡化方塊圖。

本發明揭示記憶體單元、形成記憶體單元之方法、半導體裝置、記憶體系統及電子系統。在記憶體單元之製造期間，一「可擴散物種」至少部分自磁性材料(其亦可特性化為一「前驅體磁性材料」)移除，此係歸因於前驅體磁性材料接近於對於可擴散物種具有高於前驅體磁性材料中之其他物種之一化學親和力之一吸子材料。可擴散物種自前驅體磁性材料之移除(其形成可特性化為一「空乏磁性材料」之材料)促進空乏磁性材料結晶為一所要結晶結構(例如，一bcc(001)結構)。再者，吸子材料可具有未不利地影響磁性材料結晶為所要結晶結構之能力之一微結構，例如，一非晶微結構。因此，空乏磁性材 料可經結晶為一微結構，該微結構使包含空乏磁性材料之一記憶體單元能夠具有高穿隧磁阻(「TMR」)且具有藉由一或多個鄰近氧化物材料沿著磁性材料(例如，空乏磁性材料)之介面引發之磁異向性(「MA」)。

如在本文中所使用，術語「基板」意謂且包含一基底材料或其他構造，其上形成諸如在記憶體單元內之組件之組件。基板可為一半導體基板、一支撐結構上之一基底半導體材料、一金屬電極或其上形成有一或多個材料、結構或區域之一半導體基板。基板可為一習知矽基板或包含一半導體材料之其他塊體基板。如在本文中所使用，術語「塊體基板」不僅意謂且包含矽晶圓，而且意謂且包含絕緣體上矽(「SOI」)基板(諸如藍寶石上矽(「SOS」)基板或玻璃上矽(「SOG」)基板)、在一基底半導體基座上之矽磊晶層或其他半導體或光電材料(諸如矽鍺(Si_1-xGe_x，其中x係(例如)介於0.2與0.8之間的一莫耳分率)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)或磷化銦(InP)等等)。此外，當在以下描述中參考一「基板」時，可已利用先前程序階段以在基底半導體結構或基座中形成材料、區域或接面。

如在本文中所使用，術語「STT-MRAM單元」意謂且包含包含一磁性單元核心之一磁性單元結構，該磁性單元核心包含安置於一自由區域與一固定區域之間的一非磁性區域。非磁性區域可為在一磁性穿隧接面(「MTJ」)組態中之一電絕緣(例如，介電)區域。舉例而言，介於自由區域與固定區域之間的非磁性區域可為氧化物區域(在本文中被稱為「中間氧化物區域」)。

如在本文中所使用，術語「副氧化物區域」係指除中間氧化物區域以外之一STT-MRAM單元之氧化物區域。副氧化物區域可經配製及定位以與一鄰近磁性材料引發磁異向性(「MA」)。

如在本文中所使用，術語「磁性單元核心」意謂且包含包括自 由區域及固定區域之一記憶體單元結構，在記憶體單元之使用及操作期間，電流可通過(即，流動通過)自由區域及固定區域以影響自由區域及固定區域之磁性定向之一平行或反平行組態。

如在本文中所使用，術語「磁性區域」意謂展現磁性之一區域。一磁性區域包含一磁性材料且亦可包含一或多個非磁性材料。

如在本文中所使用，術語「磁性材料」意謂且包含鐵磁性材料、亞鐵磁性材料、反鐵磁及順磁性材料。

如在本文中所使用，術語「CoFeB材料」及「CoFeB前驅體材料」意謂且包含包括鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)之一材料(例如，Co_xFe_yB_z，其中x=10至80，y=10至80且z=0至50)。一CoFeB材料或一CoFeB前驅體材料取決於其組態(例如，其厚度)可或可不展現磁性。

如在本文中所使用，術語「物種」意謂且包含來自元素週期表之構成一材料之一或多個元素。舉例而言且非限制，在一CoFeB材料中，Co、Fe及B之各者可被稱為CoFeB材料之物種。

如在本文中所使用，術語「可擴散物種」意謂且包含一材料之一化學物種，在材料中存在該化學物種對於材料之功能性而言係不必要的。舉例而言且非限制，在一磁性區域之一CoFeB材料中，在B(硼)與Co及Fe組合之存在對於Co及Fe用作為一磁性材料(即，展現磁性)係不必要之程度上，可將B稱為一可擴散物種。擴散之後，「可擴散物種」可被稱為一「擴散物種」。

如在本文中所使用，術語「化學親和力」意謂且係指電子性質，異種化學物種藉由電子性質傾向於形成化學化合物。可藉由化學化合物之形成熱指示化學親和力。舉例而言，描述為相較於一第二材料之一可擴散物種與其他物種之間的化學親和力，具有對於第二材料之可擴散物種之一更高化學親和力之一第一材料意謂且包含：包含可擴散物種及來自第一材料之至少一物種之一化學化合物之一形成熱低 於包含第二材料之可擴散物種及其他物種之一化學化合物之一形成熱。

如在本文中所使用，術語「固定區域」意謂且包含STT-MRAM單元內之一磁性區域，其包含一磁性材料且在STT-MRAM單元之使用及操作期間具有一固定磁性定向，其中實現單元核心之一磁性區域(例如，自由區域)之磁化方向之一改變之一電流或所施加電場可不實現固定區域之磁化方向之一改變。固定區域可包含一或多個磁性材料且視情況包含一或多個非磁性材料。舉例而言，固定區域可組態為包含毗連磁性子區域之一釕(Ru)子區域之一合成反鐵磁體(SAF)。替代性地，可使用磁性材料及耦合器材料之交替子區域之結構組態固定區域。磁性子區域之各者可包含一或多個材料及其中之一或多個區域。作為另一實例，固定區域可組態為一單一、均勻磁性材料。因此，固定區域可具有均勻磁化或整體實現在STT-MRAM單元之使用及操作期間具有一固定磁性定向之固定區域之不同磁化子區域。

如在本文中所使用，術語「耦合器材料」意謂且包含經配製以反鐵磁地耦合鄰近磁性材料之一材料。

如在本文中所使用，術語「自由區域」意謂且包含STT-MRAM單元內之一磁性區域，其包含一磁性材料且在STT-MRAM單元之使用及操作期間具有一可切換磁性定向。磁性定向可藉由施加一電流或所施加電場在一平行組態與一反平行組態之間切換。

如在本文中所使用，「切換」意謂且包含記憶體單元之使用及操作之一階段，在該階段期間程式化電流通過STT-MRAM單元之磁性單元核心以實現自由區域及固定區域之磁性定向之一平行或反平行組態。

如在本文中所使用，「儲存」意謂且包含記憶體單元之使用及操作之一階段，在該階段期間程式化電流未通過STT-MRAM單元之磁性 單元核心且其中未有目的地更改自由區域及固定區域之磁性定向之平行或反平行組態。

如在本文中所使用，術語「垂直」意謂且包含垂直於各自區域之寬度及長度之一方向。「垂直」亦可意謂且包含垂直於其上定位STT-MRAM單元之基板之一主要表面之一方向。

如在本文中所使用，術語「水平」意謂且包含平行於各自區域之寬度及長度之至少一者之一方向。「水平」亦可意謂且包含平行於其上定位STT-MRAM單元之基板之一主要表面之一方向。

如在本文中所使用，術語「子區域」意謂且包含包含於另一區域中之一區域。因此，一磁性區域可包含一或多個磁性子區域(即，磁性材料之子區域)以及非磁性子區域(即，非磁性材料之子區域)。

如在本文中所使用，術語「介於...之間」係用於描述一材料、區域或子區域相對於至少兩個其他材料、區域或子區域之相對安置之一空間相對術語。術語「介於...之間」可涵蓋一材料、區域或子區域直接相鄰於其他材料、區域或子區域之一安置及一材料、區域或子區域間接相鄰於其他材料、區域或子區域之一安置兩者。

如在本文中所使用，術語「接近於」係用於描述一材料、區域或子區域靠近另一材料、區域或子區域之安置之一空間相對術語。術語「接近」包含間接相鄰於、直接相鄰於及在內部之安置。

如在本文中所使用，將一元件參考為在另一元件「上」或「上方」意謂且包含該元件直接在該另一元件之頂部上、鄰近於該另一元件、在該另一元件下方或與該另一元件直接接觸。其亦包含該元件間接在該另一元件之頂部上、鄰近於該另一元件、在該另一元件下方或在該另一元件附近，在該元件與該另一元件之間具有其他元件。相反地，當一元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接鄰近於」另一元件時，不存在中介元件。

如在本文中所使用，為易於描述可使用諸如「在......下面」、「在......下方」、「下」、「底部」、「在......上方」、「上」、「頂部」、「前」、「後」、「左」、「右」及類似物之其他空間相對術語以描述一元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係(如在圖中圖解說明)。除非另有指定，否則空間相對術語旨在涵蓋除在圖中描繪之定向以外之不同材料定向。舉例而言，若反轉圖中之材料，則描述為在其他元件或特徵「下方」或「下面」或「之下」之元件將定向為在其他元件或特徵「上方」或「頂部上」。因此，一般技術者將明白，取決於使用術語之背景內容，術語「在......下面」可涵蓋上方及下方兩個定向。材料可以其他方式定向(旋轉90度、反轉等等)且因此可解釋在本文中使用之空間相對描述符。

如在本文中所使用，術語「包括」及/或「包含」指定陳述之特徵、區域、整數、階段、操作、元件、材料、組件及/或群組之存在，但不排除存在或添加一或多個其他特徵、區域、整數、階段、操作、元件、材料、組件及/或其等之群組。

如在本文中所使用，「及/或」包含一或多個相關聯列出項目之任何及所有組合。

如在本文中所使用，單數形式「一」及「該」亦旨在包含複數形式，除非在背景內容中另有明確指示。

在本文中呈現之圖解並非意欲係任何特定組件、結構、裝置或系統之實際視圖，而僅係經採用以描述本發明之實施例之理想化表示。

在本文中參考係示意圖解之橫截面圖解描述實施例。因此，可預期由於(例如)製造技術及/或容限所致之圖解形狀之變動。因此，在本文中描述之實施例不應解釋為限於如圖解說明之特定形狀或區域而可包含源自(例如)製造技術之形狀之偏差。舉例而言，圖解說明或描 述為方塊狀之一區域可具有粗糙及/或非線性特徵。再者，圖解說明之銳角可經修圓。因此，在圖中圖解說明之材料、特徵及區域本質上係示意性的且其等形狀不旨在圖解說明一材料、特徵或區域之精確形狀且不限制本申請專利範圍之範疇。

以下描述提供諸如材料類型及處理條件之特定細節，以便提供對所揭示裝置及方法之實施例之一全面描述。然而，一般技術者將理解，可在不採用此等特定細節之情況下實踐裝置及方法之實施例。實際上，可結合在行業中採用之習知半導體製造技術實踐裝置及方法之實施例。

在本文中描述之製造程序並不形成用於處理半導體裝置結構之一完整程序流程。一般技術者已知剩餘程序流程。因此，僅在本文中描述理解本發明裝置及方法之實施例所需之方法及半導體裝置結構。

除非在背景內容中另有指示，否則在本文中描述之材料可藉由任何合適技術形成，包含(但不限於)自旋塗佈、毯覆式塗佈、化學氣相沈積(「CVD」)、原子層沈積(「ALD」)、電漿增強型ALD、物理氣相沈積(「PVD」)或磊晶生長。取決於待形成之特定材料，一般技術者可選擇用於沈積或生長材料之技術。

除非在背景內容中另有指示，否則在本文中描述之材料之移除可藉由任何合適技術完成，包含(但不限於)蝕刻、離子銑削、研磨平坦化或其他已知方法。

現將參考圖式，其中貫穿全文，相同數字指代相同組件。圖式不必按比例繪製。

本發明揭示一種記憶體單元。記憶體單元包含一磁性單元核心，該磁性單元核心包含一吸子材料，該吸子材料接近於由一前驅體磁性材料形成之至少一磁性區域(例如，自由區域、固定區域)，該前驅體磁性材料包括一可擴散物種及至少一其他物種且可經空乏以形成 至少一磁性區域之一空乏磁性材料。相較於前驅體磁性材料之可擴散物種與至少一其他物種之間的一化學親和力，吸子材料具有對於可擴散物種之一較高化學親和力。因此，吸子材料經配製以吸引可擴散物種且自前驅體磁性材料移除可擴散物種。可擴散物種之移除可實現及改良空乏磁性材料之結晶，該結晶連同磁性區域之其他組態可能夠形成除具有高MA強度以外亦具有高TMR(例如，大於100%，例如，大於200%)之一記憶體單元之一磁性區域。

在一些實施例中，吸子材料可為非晶且甚至在已被移除可擴散物種之空乏磁性材料之退火及結晶期間仍保持非晶。因此，吸子材料可經配製及組態以不干擾空乏磁性材料之結晶；再者，能夠在記憶體單元中形成具有高TMR及高MA強度之磁性區域。

圖1圖解說明根據本發明之一磁性單元結構100之一實施例。磁性單元結構100包含在一基板102上方之一磁性單元核心101。磁性單元核心101可安置於上方之一上電極104與下方之一下電極105之間。磁性單元核心101包含一磁性區域及另一磁性區域(例如，分別係一「固定區域」110及一「自由區域」120)，在該兩個磁性區域之間具有氧化物區域(例如，一「中間氧化物區域」130)。中間氧化物區域130可經組態為一穿隧區域且可沿著介面131接觸固定區域110且可沿著介面132接觸自由區域120。

固定區域110及自由區域120之一者或二者可均勻地形成或視情況可經形成以包含一個以上子區域。舉例而言，參考圖1A，在一些實施例中，磁性單元核心101之一固定區域110'(圖1)可包含多個部分。舉例而言，固定區域110'可包含一磁性子區域作為氧化物相鄰部分113。一中間部分115(諸如一導電子區域)可使氧化物相鄰部分113與一電極相鄰部分117分開。電極相鄰部分117可包含磁性子區域118及耦合器子區域119之一交替結構。

一或多個下中間區域140可視情況安置於磁性區域(例如，固定區域110及自由區域120)之下，且一或多個上中間區域150可視情況安置於磁性單元結構100之磁性區域上方。在記憶體單元之操作期間，下中間區域140及上中間區域150(若包含)可經組態以分別抑制在下電極105與上覆材料之間及上電極104與下伏材料之間的物種之擴散。

磁性單元核心101可包含在基板102上方之一基座區域160。基座區域160可提供其上形成上覆材料之一光滑模板。在一些實施例中，基座區域160可直接形成於下電極105上。在其他實施例中，諸如在圖1中圖解說明，基座區域160可形成於一或多個下中間區域140上。

在一些實施例中，如在圖1中圖解說明，磁性單元核心101亦可包含一副氧化物區域170，副氧化物區域170經形成接近於自由區域120(例如，相鄰於自由區域120之一表面，該表面對置於自由區域120接近於中間氧化物區域130之一表面)。因此，副氧化物區域170可藉由自由區域120而與中間氧化物區域130間隔。因此，副氧化物區域170可經安置以沿著自由區域120接近於副氧化物區域170之一表面引發磁異向性(「MA」)。

在一些實施例中，諸如在圖1中圖解說明，副氧化物區域170可形成於基座區域160上方(例如，直接形成在基座區域160上)，使得基座區域160之一上表面及副氧化物區域170之一下表面可彼此接觸。在一些實施例中，基座區域160經配製及組態以能夠形成副氧化物區域170以在副氧化物區域170上方具有能夠形成自由區域120之具有一所要晶體結構(例如，一bcc(001)結晶結構)之一晶體結構。

自由區域120經形成接近於副氧化物區域170(例如，在副氧化物區域170上方)，且一吸子區域180可經形成接近於自由區域120。在一些實施例中，吸子區域180可在副氧化物區域170與自由區域120之間。

如在下文更詳細論述，吸子區域180之材料可經配製以具有對於來自一鄰近前驅體磁性材料之一可擴散物種之一較高化學親和力，該化學親和力高於鄰近前驅體磁性材料之其他物種與可擴散物種之間的化學親和力。可擴散物種在前驅體磁性材料中之初始存在可展現前驅體磁性材料之結晶，但吸子區域180接近於前驅體磁性材料可實現可擴散物種自前驅體磁性材料至吸子區域180之材料之轉移，從而留下能夠結晶為一所要結晶結構(例如，一bcc(001))之一空乏磁性材料(即，具有低於轉移前之一濃度之一可擴散物種之濃度之一磁性材料)。所要結晶結構可自另一鄰近材料(例如，中間氧化物區域130或副氧化物區域170之氧化物)傳播。在一些實施例中，吸子區域180可經配製為非晶且甚至在鄰近空乏磁性材料結晶時仍保持非晶。因此，吸子區域180之材料可不展現鄰近空乏磁性材料之結晶。再者，即使安置於氧化物區域(例如，中間氧化物區域130)與一磁性區域(例如，自由區域120)之間，吸子區域180仍可實質上不使氧化物區域與磁性區域之間的MA引發降級。因此，一磁性區域可結晶於促進高TMR之一結構中，而一相鄰氧化物區域促進高MA強度。

吸子區域180可為薄的(例如，厚度小於約6Å(小於約0.6nm)(例如高度介於約3Å(約0.3nm)與約5Å(約0.5nm)之間))。吸子區域180之厚度可經選擇以在吸子區域180中提供具有接收來自鄰近前驅體磁性材料之可擴散物種，同時仍實現一鄰近氧化物區域(例如，中間氧化物區域130)與鄰近磁性區域(例如，自由區域120)之間的MA引發之一所要能力之吸子材料。相較於一較薄吸子區域180，一較厚吸子區域180可具有對於可擴散物種之一相對較高能力，而一較薄吸子區域180相較於一較厚吸子區域180可供應相對較大之MA引發。因此，吸子區域180之厚度可經定製至所要引力及MA引發。吸子區域180中之吸子材料可用作為用於形成磁性材料(例如，前驅體磁性材料)之一晶 種。

參考圖1B，在一些實施例中，可存在額外吸子區域。舉例而言，另一吸子區域182可包含於磁性單元核心101(圖1)中。另一吸子區域182可接近於一固定區域110"之磁性材料(例如，最初係前驅體磁性材料且隨後係空乏磁性材料)。在一些實施例中，另一吸子區域182可在氧化物相鄰部分114與電極相鄰部分117之間形成固定區域110"之一中間部分。因此，另一吸子區域182可經配製及安置，以便吸引來自一鄰近前驅體磁性材料(例如，氧化物相鄰部分114)之一可擴散物種，以促進空乏磁性材料結晶為一所要結晶結構。另一吸子區域182亦可經配製為非晶且在鄰近空乏磁性材料結晶時保持非晶，以便不干擾結晶。

在一些實施例中，吸子區域180(圖1)及副氧化物區域170(圖1)可彼此整合為一吸子氧化物區域178，如在圖1C中圖解說明。舉例而言，吸子材料可為副氧化物區域170(圖1)上或中之一子區域，或替代性地，吸子材料可與副氧化物區域170(圖1)混合以形成吸子氧化物區域178。因此，在一些實施例中，自由區域120之一表面不僅可干擾氧化物材料，亦可干擾吸子材料。儘管如此，自由區域120之一表面可鄰近((例如，副氧化物區域170(圖1)或吸子氧化物區域178(圖1C)之)氧化物材料，其中(例如，區域180(圖1)或吸子氧化物區域178(圖1C)之)吸子材料接近於自由區域120之該表面。

繼續參考圖1，在其中吸子區域180接近於自由區域120之實施例中，吸子區域180可藉由一或多個區域(例如，藉由自由區域120及中間氧化物區域130)而與固定區域110實體地隔離。因此，吸子區域180之組合物可不與固定區域110化學反應。

在諸如圖1B之實施例之實施例中，接近於固定區域110"之另一吸子區域182可藉由一或多個區域(例如，藉由固定區域110"之氧化物 相鄰部分114及中間氧化物區域130)而與自由區域120實體地隔離。因此，另一吸子區域182之組合物可不與自由區域120化學反應。

關於圖1D，在一些實施例中，吸子區域180可藉由一或多個中間區域190而與一鄰近磁性區域(例如，自由區域120)間隔。此中間區域190可經配製及組態以允許可擴散物種自磁性區域(例如，自由區域120)擴散至吸子區域180。

因此，圖1之磁性單元結構100經組態為一「頂部釘紮」記憶體單元，即，其中固定區域110安置於自由區域120上方之一記憶體單元。磁性單元結構100亦包含雙氧化物區域，即，中間氧化物區域130及副氧化物區域170。中間氧化物區域130及副氧化物區域170可經組態以引發自由區域120中之MA，甚至將吸子區域180安置於副氧化物區域170與自由區域120之間。

替代性地，如在圖2中圖解說明，根據本發明之一實施例之一磁性單元結構200可經組態為具有一單一MA引發氧化物區域(例如，中間氧化物區域130)之一頂部釘紮記憶體單元。因此，一磁性單元核心201可包含在下電極105上方之一吸子區域280及(若存在)下中間區域140，而不具有一相鄰氧化物區域(即，不具有副氧化物區域170(圖1))。在此等實施例中，吸子區域280可經形成至大於雙氧化物組態(參見圖1)之吸子區域180之厚度之一厚度，此係因為(例如)吸子區域280無需實現一鄰近磁性區域(例如，自由區域120)與鄰近氧化物區域之間的MA引發。舉例而言且非限制，吸子區域280之厚度可介於約10Å(約1.0nm)至約100Å(約10.0nm)之間。吸子區域280之厚度可經選擇以提供自鄰近前驅體磁性材料(例如，自由區域120中)移除可擴散物種之一所要能力。

在圖2之頂部釘紮、單氧化物區域組態中，固定區域110可替代性地組態為圖1A之固定區域110'或圖1B之固定區域110"，如在上文所論 述。因此，正如圖1B之固定區域110"，磁性單元結構200可包含一個以上吸子區域(例如，吸子區域280(圖2))及另一吸子區域182(圖1B)。在此等或其他實施例中，吸子區域280可藉由一或多個區域或子區域(例如，正如圖1D之中間區域190)而與其鄰近磁性區域(例如，自由區域120)分開。

本發明之實施例之記憶體單元可經組態為平面外STT-MRAM單元(如在圖1及圖2中)或平面內STT-MRAM單元(如在圖3中圖解說明)。「平面內」STT-MRAM單元包含展現主要定向於一水平方向上之一磁性定向之磁性區域，而「平面外」STT-MRAM單元包含展現主要定向於一垂直方向上之一磁性定向之磁性區域。舉例而言，如在圖1中圖解說明，STT-MRAM單元可經組態以在磁性區域(例如，固定區域110及自由區域120)之至少一者中展現一垂直磁性定向。所展現之垂直磁性定向可藉由垂直磁異向性(「PMA」)強度特性化。如在圖1中藉由箭頭112及雙向箭頭122圖解說明，在一些實施例中，固定區域110及自由區域120之各者可展現一垂直磁性定向。貫穿STT-MRAM單元之操作，固定區域110之磁性定向可仍沿著本質上相同之方向引導，例如，在藉由圖1之箭頭112所指示之方向上。另一方面，在單元之操作期間，自由區域120之磁性定向可在一平行組態與一反平行組態之間切換，如藉由圖1之雙向箭頭122所指示。作為另一實例，如在圖3中圖解說明，一平面內STT-MRAM單元可經組態以在磁性區域(例如，一固定區域310及一自由區域320)之至少一者中展現一水平磁性定向，如藉由固定區域310中之箭頭312及自由區域320中之雙向箭頭322所指示。雖然圖3僅圖解說明固定區域310、中間氧化物區域130及自由區域320，但上覆區域可為上覆於圖1及圖2之固定區域110之區域，且下伏區域可為下伏於圖1及圖2中之自由區域120之區域。

儘管在一些實施例(諸如圖1及圖2之實施例)中，固定區域110可 上覆於自由區域120，但在其他實施例(諸如圖4及圖5之實施例)中，固定區域110可下伏於自由區域120。舉例而言且非限制，在圖4中圖解說明具有一磁性單元核心401之一磁性單元結構400，在磁性單元核心401中，一固定區域410上覆於下電極105及(若存在)下中間區域140。基座區域160(未在圖4中圖解說明)可視情況包含於(例如)下電極105(或下中間區域140，若存在)與固定區域410之間。舉例而言且非限制，固定區域410可經組態為一多子區域固定區域410，其具有可組態為如在圖1A及圖1B之電極相鄰部分117中之一交替結構之一電極相鄰部分417。(例如)一均勻磁性材料(例如，一前驅體磁性材料)之一個氧化物相鄰部分414可上覆於電極相鄰部分417。一另一吸子區域482或替代性地諸如圖1A之中間部分115之一子區域可安置於電極相鄰部分417與氧化物相鄰部分414之間。中間氧化物區域130可上覆於固定區域410，且一自由區域420可上覆於中間氧化物區域130。

一吸子區域480可接近於固定區域410及自由區域420之至少一者。舉例而言，如在圖4中圖解說明，吸子區域480可上覆於自由區域420。在其他實施例(未在圖4中圖解說明)中，替代性地或此外，吸子區域480或另一吸子區域可下伏於自由區域420或安置於自由區域420內部。

無論如何，吸子區域480接近於(例如，自由區域420之)一前驅體磁性材料且經配製以吸引來自前驅體磁性材料之一可擴散物種以促進空乏磁性材料結晶為實現高TMR之一所要結晶結構。

上電極104及(若存在)上中間區域150可上覆於吸子區域480及自由區域420。因此，磁性單元結構400經組態為具有一單一MA引發氧化物區域(例如，中間氧化物區域130)之一「底部釘紮」記憶體單元。

參考圖5，圖解說明亦組態為一底部釘紮記憶體單元之一磁性單 元結構500。圖解說明之記憶體單元結構500包含一磁性單元核心501，磁性單元核心501具有雙氧化物區域，例如，中間氧化物區域130及介於自由區域(例如，吸子區域480)與上電極104之間的一副氧化物區域570。在一些此等實施例中，吸子區域480可與副氧化物區域570合併為(例如)副氧化物區域570之一子區域或一吸子氧化物區域(諸如圖1C之吸子氧化物區域178)。因此，在本文中描述之實施例之任一者中，可分別反轉固定區域110、中間氧化物區域130、自由區域120、自由區域120之子區域(若有)及吸子區域180(圖1、圖1D)、182(圖1B)、280(圖2)、480(圖4及圖5)以及副氧化物區域170(圖1)、570(圖5)或吸子氧化物區域178(圖1C)(若存在)之相對安置。即使經反轉，中間氧化物區域130仍安置於自由區域120(圖1、圖2)、420(圖4及圖5)與固定區域110(圖1及圖2)、110'(圖1A)、110"(圖1B)、410(圖4及圖5)之間，其中至少一吸子區域(例如，吸子區域180(圖1及圖1D)、吸子氧化物區域178(圖1C)、另一吸子區域182(圖1B)、吸子區域280(圖2)、另一吸子區域482(圖4及圖5))接近於磁性區域之至少一者(例如，自由區域120(圖1、圖2)、420(圖4及圖5)及固定區域110(圖1及圖2)、110'(圖1A)、110"(圖1B)、410(圖4及圖5)之至少一者)之前驅體磁性材料。

吸子區域(例如，吸子區域180(圖1))可為連續的(即，在區域之吸子材料中不具有間隙)。然而，在其他實施例中，如在圖5A及圖5B中圖解說明，一吸子區域(例如，吸子區域180(圖1)、另一吸子區域182(圖1B)、吸子區域280(圖2)、吸子區域480(圖4)、另一吸子區域482(圖4))可為間斷的(即，在區域之吸子材料之間可具有間隙)。舉例而言，如在圖5A中圖解說明，一間斷吸子區域480'可與一間斷副氧化物區域570'互置(inter-disposed)，從而形成一吸子氧化物區域578'。作為一替代實例，如在圖5B中圖解說明，一吸子氧化物區域578"可經 組態為具有交替吸子子區域480"及副氧化物子區域570"之一結構。

在其他實施例(諸如圖6及圖6A之實施例)中，一吸子區域680可包含橫向相鄰於一磁性區域(例如，自由區域120)之一部分684。橫向相鄰部分684可為除一垂直相鄰部分686之外之部分或可為垂直相鄰部分686之一替代。

因此，本發明揭示一種包括一磁性單元核心之記憶體單元。磁性單元核心包括一磁性區域，磁性區域包括一空乏磁性材料，該空乏磁性材料係由包括一可擴散物種及至少一其他物種之一前驅體磁性材料形成。空乏磁性材料包括至少一其他物種。磁性單元核心亦包括另一磁性區域及介於磁性區域與另一磁性區域之間的一中間氧化物區域。一非晶區域接近於磁性區域。非晶區域包括具有對於可擴散物種之一化學親和力之一吸子材料，該化學親和力高於至少一其他物種對於可擴散物種之一化學親和力。非晶區域包括吸子材料及來自前驅體磁性材料之可擴散物種之至少一部分兩者。

參考圖7至圖9，圖解說明製造磁性單元結構(諸如圖1之磁性單元結構100)之一方法中之階段。如在圖7中圖解說明，一結構700可經形成而具有在基板102上方之一導電材料705、在導電材料705上方之一基座材料760、在基座材料760上方之氧化物材料770、在氧化物材料770上方之一前驅體磁性材料720、在前驅體磁性材料720上方之另一個氧化物材料730及在另一個氧化物材料730上方之另一磁性材料713(其亦可特性化為「另一前驅體磁性材料713」)。視情況，在導電材料705上方形成基座材料760之前，可於導電材料705上方形成一下中間材料740。一吸子材料780經形成接近於前驅體磁性材料720及另一前驅體磁性材料713之至少一者。舉例而言，根據圖7中圖解說明之實施例，在氧化物材料770上方形成前驅體磁性材料720之前，可於氧化物材料770上方形成吸子材料780(例如，於氧化物材料770上濺鍍吸 子材料780)。

形成下電極105(圖1、圖1C、圖1D、圖2、圖4及圖5)之導電材料705可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)：一金屬(例如銅、鎢、鈦、鉭)、一金屬合金或其等之一組合。

在其中選用下中間區域140(圖1、圖1C、圖1D、圖2、圖4及圖5)形成於下電極105上方之實施例中，形成下中間區域140之下中間材料740可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)：鉭(Ta)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、釕(Ru)、鎢(W)或其等之一組合。在一些實施例中，下中間材料740(若包含)可與形成下電極105(圖1、圖1C、圖1D、圖2、圖4及圖5)之導電材料705合併。舉例而言，下中間材料740可為導電材料705之一最上子區域。

基座材料760可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)：包括鈷(Co)及鐵(Fe)之至少一者之一材料(例如，一CoFeB材料)、包括一非磁性材料之一材料(例如一非磁性導電材料(例如，一鎳基材料))或其等之一組合。基座材料760可經配製及組態以提供能夠按一所要結晶結構(例如，一bcc(001)結晶結構)在其上方形成一材料(例如，氧化物材料770)之一模板。

形成副氧化物區域170(圖1及圖1D)之氧化物材料770可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)一非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)或習知MTJ區域之其他氧化物材料)。氧化物材料770可直接形成(例如，生長、沈積)於基座材料760上。在其中基座材料760在最初形成時係非晶之實施例中，所得氧化物材料770在最初形成於基座材料760上方時可為結晶(例如，具有一bcc(001)結晶結構)。

最終形成自由區域120(圖1)之前驅體磁性材料720可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)包含鈷(Co)及鐵(Fe)(例如， Co_xFe_y，其中x=10至80且y=10至80)且在一些實施例中亦包含硼(B)(例如，Co_xFe_yB_z，其中x=10至80，y=10至80且z=0至50)之鐵磁性材料。因此，前驅體磁性材料720可包括Co、Fe及B之至少一者(例如，CoFeB材料、FeB材料、CoB材料)。在其他實施例中，前驅體磁性材料720可替代性地或另外包含鎳(Ni)(例如，NiB材料)。在一些實施例中，前驅體磁性材料720可包括相同於基座材料760之材料或具有相同於基座材料760之元素但具有該等元素之不同原子比之一材料。前驅體磁性材料720可形成為一均勻區域。在其他實施例中，前驅體磁性材料720可包含(例如)CoFeB材料之一或多個子區域，其中子區域具有Co、Fe及B之不同相對原子比。

前驅體磁性材料720包含至少一可擴散物種及至少一其他物種。可擴散物種之存在對於前驅體磁性材料720或由其形成之一空乏磁性材料展現磁性係不必要的。再者，可擴散物種存在於前驅體磁性材料720中可抑制前驅體磁性材料720之結晶。舉例而言，在其中前驅體磁性材料720係CoFeB材料之實施例中，硼(B)可為可擴散物種。硼存在於前驅體磁性材料720中可抑制前驅體磁性材料720(例如，在一後續退火期間)結晶為一所要結晶結構(例如，一bcc(001)結晶結構)。

吸子材料780(在一些實施例中，其可為或可包含一導電材料(例如，一金屬)，例如，一導電合金(例如，一金屬合金))可經配製以相較於前驅體磁性材料720之其他物種之化學親和力而具有對於前驅體磁性材料720之可擴散物種之一更高化學親和力。吸子材料780之導電材料可吸收前驅體磁性材料720之可擴散物種。

吸子材料780亦可在最初形成於氧化物材料770上時經配製為非晶，且在由磁性材料720形成之一空乏磁性材料結晶時保持非晶。空乏磁性材料可在一退火階段期間結晶，在退火階段期間，一晶體結構自一鄰近結晶材料(例如，另一氧化物材料730)傳播至磁性材料(例 如，前驅體磁性材料720或空乏磁性材料)。吸子材料780之非晶狀態可實現空乏磁性材料之結晶而無來自吸子材料780之干擾。

舉例而言且非限制，在其中前驅體磁性材料720係CoFeB材料之實施例中，吸子材料780可包括、本質上包含有或包含有選自包含有鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)之群組之一過渡金屬與另一過渡金屬(例如，鎢(W)、鉿(Hf)、鉬(Mo)及鋯(Zr))之一合金。過渡金屬可具有對於硼之化學親和力。舉例而言且非限制，吸子材料780可包括、本質上包含有或包含有與鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)之至少一者形成合金之鎢(W)(例如，鐵鈷鎢(FeCoW)合金)；另一過渡金屬之鐵鈷(FeCo)合金；或與鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)之至少一者形成合金之鉿(Hf)(例如，鐵鉿(FeHf)合金)。相較於CoFeB前驅體磁性材料720之硼與其他物種(即，鈷及鐵)之間的化學親和力，此吸子材料780可具有對於CoFeB前驅體磁性材料720中之硼之一更高化學親和力。

吸子材料780之元素之原子比可經選擇以使吸子材料780能夠變為非晶且甚至在足以使空乏磁性材料結晶之高退火溫度(例如，大於約500℃)下保持非晶(至少在已自前驅體磁性材料720至少部分移除可擴散物種之後)。舉例而言，在其中吸子材料780係FeCoW合金之實施例中，FeCoW合金可包括大於約17at.%鎢(W)，在此組合物下，FeCoW可為非晶直至約700℃之溫度。再者，吸子材料780可經配製，使得吸子材料780在用於使空乏磁性材料結晶之退火期間之高溫下穩定(例如，物種將不向外擴散)。因此，可利用促進源自前驅體磁性材料720之空乏磁性材料結晶為一所要結晶結構(例如，一bcc(001)結構)之高溫，且吸子材料780並不抑制該結晶。在不限於任一理論之情況下，可預期，吸子材料780之非晶本質避免空乏磁性材料中在吸子材料780具有與空乏磁性材料之所要結晶結構(例如，bcc(001)結構)之微結構不同之一微結構之情況下原本可形成之微結構缺陷。

此外，由於相較於前驅體磁性材料720之其他物種，吸子材料780具有對於可擴散物種之一更高化學親和力，故吸子材料780接近於前驅體磁性材料720可實現可擴散物種自前驅體磁性材料720之移除，此移除形成一空乏磁性材料820及一濃化吸子材料880，如在圖8中圖解說明。舉例而言，且參考圖8A及圖8B，一可擴散物種721可擴散至吸子材料780中且可化學結合至吸子材料780。可在使結構700(圖7)退火以形成一退火結構800(如在圖8中圖解說明)期間發生可擴散物種721藉由吸子材料780自前驅體磁性材料720之此移除。在退火結構800中，空乏磁性材料820具有可擴散物種721(圖8A及圖8B)之一較低濃度，而濃化吸子材料880包含擴散物種721，如在圖8B中圖解說明。如在本文中所使用，當術語「空乏」用於描述一材料時，其描述源於自一前驅體材料整體或部分移除一可擴散物種之一材料。如在本文中所使用，當術語「濃化材料」用於描述一材料時，其描述已添加(例如，轉移)可擴散物種之一材料。因此，磁性單元結構100(圖1)、200(圖2)、400(圖4)及500(圖5)可包含空乏磁性材料(例如，在自由區域120(圖1、圖1C、圖1D、圖2及圖6)、320(圖3)、420(圖4、圖5、圖5A及圖5B)中；在固定區域110"之氧化物相鄰部分114(圖1B)中；及在固定區域410之氧化物相鄰部分414(圖4及圖5)中)及包含可擴散物種之濃化材料(例如，在吸子區域180(圖1及圖1D)、680(圖6)中；在另一吸子區域182(圖1B)、482(圖4及圖5)中；在吸子氧化物區域178(圖1C)中；在吸子區域280(圖2)中；在吸子氧化物區域578'(圖5A)中；及在吸子氧化物區域578"(圖5B)中)。

舉例而言且非限制，在其中前驅體磁性材料720(圖7)係CoFeB材料之實施例中，空乏磁性材料820可為CoFe材料(即，包括鈷及鐵之一磁性材料)。在其中吸子材料780(圖7)係鐵鈷鎢(FeCoW)合金或鐵鉿(FeHf)合金之此等實施例中，濃化材料880可為FeCoW或FeHf分別與 硼(B)之一混合物。

在不限於任一理論之情況下，可預期使用一非晶吸子材料780自CoFeB前驅體磁性材料720移除硼之可擴散物種可使空乏磁性材料820能夠在低於前驅體磁性材料720(圖7)之結晶溫度之一退火溫度下結晶。因此，所使用之一退火溫度(例如，大於約500℃)可確保空乏磁性材料820之結晶而並不如此高以使鄰近材料降級(例如，並不使鎢(W)自FeCoW合金濃化吸子材料880向外擴散)。因此，空乏磁性材料820可結晶為能夠將一磁性區域(例如，自由區域120(圖1、圖1C、圖1D、圖2及圖6)、320(圖3)、420(圖4、圖5、圖5A及圖5B))；固定區域110"之氧化物相鄰部分114(圖1B)；固定區域410之氧化物相鄰部分414(圖4及圖5)形成至一所要厚度而不遭受實質結構缺陷之一所要結晶結構(例如，一bcc(001)結晶結構)，且實質結構缺陷之缺乏可實現一高TMR。在其中自由區域120(圖1、圖1C、圖1D、圖2及圖6)、320(圖3)、420(圖4、圖5、圖5A及圖5B)安置於雙氧化物區域(例如，中間氧化物區域130及副氧化物區域170(圖1))之間的實施例中，亦可實現高MA強度。

在不限於任一理論之情況下，可進一步預期可擴散物種自前驅體磁性材料720(及/或自另一前驅體磁性材料713)之移除亦可促進沿著空乏磁性材料820與一鄰近氧化物材料(例如，氧化物材料770)之間之一介面引發MA，其中相較於在可擴散物種721仍併入前驅體磁性材料720中之情況下物種將具有之相互作用，空乏磁性材料820之其他物種可具有與氧化物材料770之更多相互作用。因此，甚至在其中僅包含一單一MA引發氧化物區域(例如，中間氧化物區域130)之實施例中，歸因於吸子材料780(或，實情係，濃化吸子材料880)之存在，MA強度可大於不具有吸子材料780(或，實情係，濃化吸子材料880)之相同結構之MA強度。

雖然將自由區域120(圖1)論述為由包括可擴散物種721之前驅體磁性材料720(例如，CoFeB材料)「形成」，但所製造的磁性單元核心101(圖1)(或本發明之任何單元核心)之自由區域120可包括實質上少於最初形成時之可擴散物種721(例如，硼(B))。同樣地，在其中固定區域110(圖1)之磁性材料受到一吸子材料之一鄰近區域影響之實施例中，固定區域110可包括實質上少於在不具有鄰近吸子材料之情況下將包括之可擴散物種721。實情係，所製造的磁性單元核心101之吸子區域180(圖1)可包括吸子材料780及已自前驅體磁性材料720擴散之可擴散物種721(例如，硼(B))。因此，除非在背景內容中另有指示，否則如在本文中所使用，當描述一區域「由」一材料「形成」時，「材料」意謂且包含在製造期間之一變形行為(例如，擴散)之前的區域物質。

在一些實施例中，吸子材料780亦可經配製，使得其氧化物與自由區域120(圖1)實現MA之一引發。即，在來自前驅體磁性材料720之可擴散物種721可與(例如，化學結合至)吸子材料780反應時，來自吸子材料780之一物種亦可與(例如，化學結合至)來自氧化物材料770之氧反應。在其中吸子材料780經配製使得其氧化物與自由區域120(圖1)引發MA之實施例中，吸子材料780之氧化物可增強在副氧化物區域170與自由區域120之間引發之MA而非使MA引發降級。

繼續參考圖7及圖8，(例如)在退火以使空乏磁性材料820結晶之前，形成中間氧化物區域130(圖1)之另一氧化物材料730可形成於前驅體磁性材料720上。另一氧化物材料730可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)一非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)或習知MTJ區域之其他氧化物材料)。另一氧化物材料730可為相同於氧化物材料770之材料或包括相同於氧化物材料770之元素但具有該等元素之不同原子比之一材料。舉例而言且非 限制，另一氧化物材料730及氧化物材料770兩者可包括MgO。另一氧化物材料730可直接形成(例如，生長、沈積)於前驅體磁性材料720上。另一氧化物材料730在最初形成時可係結晶(例如，具有bcc(001)結構)且可經定位使得在退火期間，所要結晶結構可傳播至一鄰近磁性材料以使空乏磁性材料820能夠結晶為相同結晶結構(例如，bcc(001)結構)。

歸因於退火，亦可使退火結構800之其他材料結晶。退火程序可在自約300℃至約700℃(例如，約500℃)之一退火溫度下進行且可保持在退火溫度達自約一分鐘(約1min.)至約一小時(約1hr)。可基於結構700之材料、(例如)空乏磁性材料820之所要晶體結構及可擴散物種721自前驅體磁性材料720之一所要空乏量而定製退火溫度及時間。

在一些實施例中，諸如在圖7及圖8中圖解說明，(例如)在使空乏磁性材料820結晶之退火階段之前或之後，形成固定區域110'(圖1A)之氧化物相鄰部分113之另一前驅體磁性材料713可直接形成(例如，生長、沈積)於另一氧化物材料730上。另一前驅體磁性材料713可包括、本質上包含有或包含有(例如且非限制)包含鈷(Co)及鐵(Fe)(例如，Co_xFe_y，其中x=10至80且y=10至80)且在一些實施例中亦包含硼(B)(例如，Co_xFe_yB_z，其中x=10至80，y=10至80且z=0至50)之鐵磁性材料。因此，另一前驅體磁性材料713可包括CoFeB材料。在一些實施例中，另一前驅體磁性材料713可為相同於前驅體磁性材料720及基座材料760之一者或二者之材料或具有相同元素但具有不同原子比之一材料。

在一些實施例(諸如製造圖1B之結構之一實施例)中，另一前驅體磁性材料713可包含一可擴散物種(例如，硼(B))，可藉由可作為一中間材料915形成在另一前驅體磁性材料713上(例如，上方)之另一吸子材料自另一前驅體磁性材料713移除該可擴散物種，如在圖9中圖解說 明。因此，在此等實施例中，在退火以形成退火結構800之前，中間材料915可形成於另一前驅體磁性材料713上，使得退火結構800可包含由另一前驅體磁性材料713形成之一空乏磁性材料及接近於空乏磁性材料之一濃化吸子材料。

在其中形成圖1A之結構之實施例中，可不以將中間材料915組態為另一吸子材料之一方式配製或以其他方式形成中間材料915。在此等實施例中，在已形成退火結構800(圖8)之後，可在另一前驅體磁性材料713上形成中間材料915。因此，中間材料915可包括、本質上包含有或包含有一導電材料(例如，鉭(Ta))。

磁性單元結構(例如，磁性單元結構100(圖1、圖1A及圖1B))之剩餘材料可製造於中間材料915上方以形成一前驅體結構900，如在圖9中圖解說明。舉例而言，材料917(諸如交替磁性材料918及耦合器材料919)可形成於中間材料915上。舉例而言且非限制，材料917可包括、本質上包含有或包含有鈷/鈀(Co/Pd)多子區域；鈷/鉑(Co/Pt)多子區域；鈷/鎳(Co/Ni)多子區域；基於鈷鐵鋱(Co/Fe/Tb)之材料、L₁0材料、耦合器材料或習知固定區域之其他磁性材料。因此，110'(圖1A)、110"(圖1B)可包含由材料917形成之電極相鄰部分117、中間部分115(圖1A)或由中間材料915形成之另一吸子區域182(圖1B)，及由另一前驅體磁性材料713形成之氧化物相鄰部分113(圖1A)或114(圖1B)。在其中中間材料915經配製為另一吸子材料之實施例中，氧化物相鄰部分114(圖1B)包含源於藉由另一吸子材料(即，中間材料915)自另一前驅體磁性材料713移除一可擴散物種之一空乏磁性材料。

在一些實施例中，視情況，一或多個上中間材料950可形成於用於固定區域110'(圖1A)、110"(圖1B)之電極相鄰部分117之材料917上方。形成選用上中間區域150(圖1)之上中間材料950(若包含)可包括、本質上包含有或包含有經組態以確保鄰近材料中之一所要晶體結 構之材料。上中間材料950可替代性地或另外包含經組態以在磁性單元、障壁材料、或習知STT-MRAM單元核心結構之其他材料之製造期間有助於圖案化程序之金屬材料。在一些實施例中，上中間材料950可包含待形成為一導電覆蓋區域之一導電材料(例如，一或多個材料諸如銅、鉭、鈦、鎢、釕、氮化鉭或氮化鈦)。

形成上電極104(圖1)之另一導電材料904可形成於用於固定區域110'(圖1A)、110"(1B)之電極相鄰部分117之材料917及(若存在)上中間材料950上方。在一些實施例中，另一導電材料904及上中間材料950(若存在)可彼此整合，(例如)其中上中間材料950係導電材料904之下子區域。

接著，可在一或多個階段中圖案化前驅體結構900以形成根據圖1及圖1A中圖解說明之實施例之磁性單元結構100。在其中中間材料915配製為另一吸子材料，使得使另一前驅體磁性材料713退火且中間材料915可使可擴散物種自另一前驅體磁性材料713擴散至中間材料915並促進另一空乏磁性材料之結晶之實施例中，圖案化前驅體結構900可形成在圖1及圖1B中圖解說明之實施例之磁性單元結構100。用於圖案化諸如前驅體結構900之結構以形成諸如磁性單元結構100(圖1及圖1B)之結構之技術在此項技術中係已知的且因此在本文中未詳細描述。

在圖案化之後，磁性單元結構100包含磁性單元核心101，磁性單元核心101包含接近於自由區域120之吸子區域180且在圖1B之實施例中包含接近於固定區域110"之另一吸子區域182。包含空乏磁性材料820(圖8)且由前驅體磁性材料720(圖7)形成之自由區域120包括低於由前驅體磁性材料720(圖7)形成但不具有接近於其之吸子區域180之一自由區域之可擴散物種721(圖7)之一濃度。再者，根據圖1B之實施例，包含由另一前驅體磁性材料713(圖7)形成之氧化物相鄰部分 114中之空乏磁性材料之固定區域110"包括低於由另一前驅體磁性材料713形成但不具有接近於其之另一吸子區域182之一固定區域之一可擴散物種濃度。

在一些實施例中，接近於吸子區域(例如，吸子區域180、另一吸子區域182(圖1B))之磁性區域(例如，自由區域120、固定區域110"(圖1B))可使可擴散物種完全空乏。在其他實施例中，磁性區域可使可擴散物種部分空乏。在此等實施例中，磁性區域可具有貫穿其之一可擴散物種(例如，硼)梯度，其中相鄰於吸子區域具有一低可擴散物種濃度且對置於吸子區域具有一高可擴散物種濃度。在一些實施例中，可擴散物種濃度可在退火後或退火期間保持平衡。

使用一結晶、空乏磁性材料820(圖8)或其他空乏磁性材料形成之自由區域120或其他磁性區域(例如，固定區域110"(圖1B)之氧化物相鄰部分114)可具有可至少部分歸因於可擴散物種之移除及吸子區域180(或另一吸子區域182)之非晶微結構而實質上無缺陷之一所要結晶結構。可預期，吸子區域180(或另一吸子區域182)甚至在其中接收擴散物種之情況下仍可為非晶。

自由區域120之結晶度可實現一高TMR。此外，自由區域120之空乏磁性材料820可促進與一鄰近氧化物區域(例如，副氧化物區域170及中間氧化物區域130)之MA引發。再者，在其中自由區域120安置於雙氧化物區域(例如，中間氧化物區域130及副氧化物區域170)之間的實施例中，可歸因於來自雙氧化物區域兩者之MA引發而進一步促進高MA強度。在此等實施例中，甚至在吸子區域180安置於自由區域120與副氧化物區域170之間的情況下，可沿著自由區域120接近於副氧化物區域170之表面引發MA。吸子材料780(圖7)用於形成吸子區域180之量可經定製為足夠實現至少一些可擴散物種自前驅體磁性材料720(圖7)移除之一量，同時亦為不那麼大以抑制副氧化物區域170 與自由區域120之間的MA引發之一量。

在一實施例中，磁性單元結構100包含由鉭(Ta)形成之下電極105、由CoFeB材料形成至約6Å(約0.6nm)之一厚度之基座區域160、由MgO形成之副氧化物區域170、由包括大於約17at.%鎢(W)之FeCoW合金形成至約3Å(約0.3nm)至約5Å(約0.5nm)之一高度之吸子區域180、由CoFeB前驅體材料形成至約14Å(約1.4nm)之一厚度之自由區域120、由MgO形成之中間氧化物區域130、由CoFeB前驅體材料形成至約13Å(約1.3nm)之一厚度之氧化物相鄰部分114、由鉭(Ta)形成至約3Å(約0.3nm)之一厚度之中間部分115及由交替鈷(Co)及鈀(Pd)或交替鈷(Co)及鉑(Pt)子區域形成之電極相鄰部分117。吸子區域180可富含硼，自由區域120之CoFeB前驅體材料之可擴散物種可使硼至少部分空乏。因此，自由區域120具有低於最初形成其之前驅體磁性材料(即，CoFeB前驅體材料)之硼濃度且可具有低於固定區域110'之氧化物相鄰部分114(圖1A)、基座區域160或兩者之硼濃度之硼濃度。自由區域120可具有一bcc(001)結晶結構、一高TMR(例如，大於約1.00(大於約100%)，例如大於約2.0(大於約200%))及一高MA強度(例如，至少約1500Oe(至少約119kA/m)，例如大於約2000Oe(約160kA/m)，例如大於約2200Oe(約175kA/m))。

因此，本發明揭示一種形成一磁性記憶體單元之方法。該方法包括形成一結構。形成該結構包括：在一基板上方形成一磁性材料；在磁性材料上方形成氧化物材料；在氧化物材料上方形成另一磁性材料；及接近於磁性材料及另一磁性材料之至少一者形成一非晶吸子材料。使該結構之至少一部分退火以將一可擴散物種自磁性材料及另一磁性材料之至少一者轉移至非晶吸子材料，以將磁性材料及另一磁性材料之至少一者轉換為一空乏磁性材料，且使空乏磁性材料結晶而不使非晶吸子材料結晶。在退火之後，由該結構形成一磁性單元核心結 構。

參考圖10A至圖12B，圖解說明根據本發明之一實施例之形成一磁性單元結構(諸如圖1及圖1C之磁性單元結構100)之一替代方法中之階段。如在圖10A中圖解說明，一結構1000可經形成以在基板102上方包含導電材料705、(視情況)下中間材料740、基座材料760、一前驅體材料1070及吸子材料780。前驅體材料1070可為一未經氧化之金屬材料。舉例而言，前驅體材料1070可包括、本質上包含有或包含有鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)或一旦經氧化便可經配製以與自由區域120(圖1及圖1C)引發MA之另一金屬。

如在圖10B中圖解說明，可使結構1000曝露至一氧化環境(藉由箭頭1080指示)以形成圖11之結構1100。在氧化之後，前驅體材料1070及吸子材料780在圖11之結構1100中可轉換為一吸子氧化物材料1178。因此，如在圖1C中，副氧化物區域170(圖1)及吸子區域180(圖1)可彼此整合為由吸子氧化物材料1178形成之吸子氧化物區域178(圖1C)。再者，與前驅體磁性材料720(圖7)之可擴散物種與另一物種之間之一化學親和力相比，吸子氧化物材料1178可經配製以具有對於前驅體磁性材料720之可擴散物種之一更高化學親和力。吸子氧化物材料1178可為非晶且甚至在退火溫度下可保持非晶。

在形成吸子氧化物材料1178之後，可於吸子氧化物材料1178上方形成待形成之一磁性單元結構之其他最底材料。舉例而言，如在圖12A中圖解說明，前驅體磁性材料720、另一氧化物材料730及在一些實施例中(未在圖12A中圖解說明)另一前驅體磁性材料713(見圖7)可依序且自底部至頂部形成於吸子氧化物材料1178上方，且接著經退火以形成圖12B之退火結構1200，包含空乏磁性材料820及一濃化吸子氧化物材料1278。退火可促進可擴散物種自前驅體磁性材料720(圖12A)之擴散以形成空乏磁性材料820及濃化吸子氧化物材料1278。可 擴散物種自前驅體磁性材料720(圖12A)之移除及吸子氧化物材料1178之非晶本質可使空乏磁性材料820能夠按一所要結晶結構(例如，一bcc(001)結晶結構)結晶。

接著，可形成一前驅體結構之最上材料。此等材料可包含(例如)另一前驅體磁性材料713(若並未存在)、中間材料915、材料917、(視情況)上中間材料950及另一導電材料904。接著，可圖案化前驅體結構以形成一磁性單元結構，諸如圖1及圖1C之磁性單元結構。此磁性單元結構100包含磁性單元核心101，磁性單元核心101包含包括由吸子氧化物材料1178(圖12A)形成之濃化吸子氧化物材料1278(圖12B)之吸子氧化物區域178。因此，磁性單元結構101可具有一高TMR及高MA強度。

參考圖13至圖14，圖解說明根據本發明之一實施例之形成一磁性單元結構(諸如圖2之磁性單元結構200)之另一替代方法中之階段。如在圖13中圖解說明，一結構1300可經形成以在基板102上方且自底部至頂部包含導電材料705、(視情況)下中間材料740、(視情況)基座材料760(在圖13中未圖解說明)、吸子材料780、前驅體磁性材料720及另一氧化物材料730。在其中一固定區域110'(圖1A)或110"(圖1B)待形成於多個部分中之一些實施例中，另一前驅體磁性材料713(圖7)亦可形成於該另一氧化物材料730上。

結構1300可經退火以形成一退火結構1400，如在圖14中圖解說明，其中吸子材料780已轉換為包括源自前驅體磁性材料720之擴散物種之一濃化吸子材料880，前驅體磁性材料720已轉換為一空乏磁性材料820。因此，空乏磁性材料820可結晶為一所要結晶結構(例如，bcc(001)結構)以促進高TMR及高MA。磁性單元結構200(圖2)之剩餘材料可形成於退火結構上方或退火之前的結構1300上方，且接著藉由習知技術圖案化以形成圖2之磁性單元結構200。

根據一實施例，磁性單元結構200(圖2)包含由鉭(Ta)形成之下電極105、由一非晶FeCoW合金形成至約10Å(約1.0nm)至約100Å(約10.0nm)之一厚度之吸子區域280、由CoFeB材料形成至約12Å(約1.2nm)之一厚度之自由區域120、由MgO形成之中間氧化物區域130、由CoFeB前驅體材料形成至約13Å(約1.3nm)之一厚度之氧化物相鄰部分114、由鉭(Ta)形成至約3Å(約0.3nm)之一厚度之中間部分115及由交替鈷(Co)及鈀(Pd)或交替鈷(Co)及鉑(Pt)子區域形成之電極相鄰部分117。吸子區域280可富含硼，自由區域120之CoFeB前驅體材料之可擴散物種可使硼至少部分空乏。因此，自由區域120具有低於最初形成其之前驅體磁性材料(即，CoFeB前驅體材料)之硼濃度且可具有低於固定區域110'之氧化物相鄰部分114(圖1A)之硼濃度之一硼濃度。自由區域120可具有一bcc(001)結晶結構、一高TMR(例如，大於約1.00(大於約100%)，例如大於約2.0(大於約200%))及一高MA強度(例如，至少約1500Oe(至少約119kA/m)，例如大於約2000Oe(約160kA/m)，例如大於約2200Oe(約175kA/m))。

參考圖15及圖16，圖解說明根據本發明之一實施例之形成一磁性單元結構(諸如圖4之磁性單元結構400或圖5之磁性單元結構500)之另一方法中之階段。如在圖15中圖解說明，一結構1500可經形成以在基板102上方且自底部至頂部包含導電材料705、(視情況)下中間材料740、(視情況)基座材料(在圖15中未圖解說明)、交替磁性材料918及耦合器材料919之材料917、一另一吸子材料1582(如中間材料915(圖9))、另一前驅體磁性材料713及另一氧化物材料130，因此在基板102上方提供部分15A之材料。在一些實施例中，前驅體磁性材料720及吸子材料780亦可包含於結構1500中，使得部分15B可在材料退火之前形成於部分15A上方。另一吸子材料1582可為相同於上文論述之吸子材料之任一者之材料。另一吸子材料1582可具有相同於或不同於吸 子材料780之一組合物。

結構1500(僅具有部分15A(在已形成部分15B之前)或具有部分15A及部分15B)可經退火以形成退火結構1600(僅具有部分16A或具有部分16A及部分16B兩者)。在其中部分15A經退火以形成部分16A而不存在部分15B/16B之實施例中，部分15B之材料可接著形成於部分16A上方且經退火以在部分16A上方形成部分16B。在退火結構1600中，另一吸子材料1582轉換為另一濃化吸子材料1682(包含來自另一前驅體磁性材料713之一擴散物種)，前驅體磁性材料713經轉換為另一空乏磁性材料1613。另外，前驅體磁性材料720轉換為空乏磁性材料820，其中擴散物種轉移至吸子材料780，吸子材料780轉換為濃化吸子材料880。因此，空乏磁性材料820及另一空乏磁性材料1613兩者可結晶為促進高TMR及高MA強度之一所要結晶結構(例如，一bcc(001))。磁性單元結構400(圖4)或500(圖5)之剩餘材料可形成於退火結構上方或退火之前的結構1500上方，且接著經圖案化以形成圖4之磁性單元結構400或圖5之磁性單元結構500。

根據一實施例，磁性單元結構400(圖4)包含由鉭(Ta)形成之下電極105、由交替鈷(Co)及鈀(Pd)或交替鈷(Co)及鉑(Pt)子區域形成之電極相鄰部分417、由一非晶FeCoW合金形成至約3Å(約0.3nm)至約5Å(約0.5nm)之一厚度之另一吸子區域482、由CoFeB前驅體材料形成至約13Å(約1.3nm)之一厚度之氧化物相鄰部分414、由MgO形成之中間氧化物區域130、由CoFeB前驅體材料形成至約14Å(約1.4nm)之一厚度之自由區域420及由一非晶FeCoW合金形成至約3Å(約0.3nm)至約5Å(約0.5nm)之一厚度之吸子區域480。吸子區域480及另一吸子區域482兩者可富含硼，自由區域420及氧化物相鄰部分414之CoFeB前驅體材料之可擴散物種各可分別使硼至少部分空乏。因此，自由區域420及氧化物相鄰部分414具有低於最初形成其等之前驅體磁 性材料(即，CoFeB前驅體材料)之一硼濃度。自由區域420及氧化物相鄰部分414可具有一bcc(001)結晶結構，且磁性單元結構400可具有一高TMR(例如，大於約1.00(大於約100%)，例如大於約2.0(大於約200%))及一高MA強度(例如，至少約1500Oe(至少約119kA/m)，例如大於約2000Oe(約160kA/m)，例如大於約2200Oe(約175kA/m))。

此外，根據其中在圖案化之前在結構1500(圖15)或退火結構1600(圖16)上形成另一氧化物材料730(圖7)之一實施例，磁性單元結構500(圖5)包含由鉭(Ta)形成之下電極105、由交替鈷(Co)及鈀(Pd)或交替鈷(Co)及鉑(Pt)子區域形成之電極相鄰部分417、由一非晶FeCoW合金形成至約3Å(約0.3nm)至約5Å(約0.5nm)之一厚度之另一吸子區域482、由CoFeB前驅體材料形成至約13Å(約1.3nm)之一厚度之氧化物相鄰部分414、由MgO形成之中間氧化物區域130、由CoFeB前驅體材料形成至約14Å(約1.4nm)之一厚度之自由區域420、由一非晶FeCoW合金形成至約3Å(約0.3nm)至約5Å(約0.5nm)之一厚度之吸子區域480及由MgO形成之副氧化物區域570。正如圖4之結構400，圖5之結構500之吸子區域480及另一吸子區域482兩者可富含硼，自由區域420及氧化物相鄰部分414之CoFeB前驅體材料之可擴散物種各可分別使硼至少部分空乏。因此，自由區域420及氧化物相鄰部分414具有低於最初形成其等之前驅體磁性材料(即，CoFeB前驅體材料)之一硼濃度。自由區域420及氧化物相鄰部分414可具有一bcc(001)結晶結構，且磁性單元結構400可具有一高TMR(例如，大於約1.00(大於約100%)，例如大於約2.0(大於約200%))及一高MA強度(例如，至少約1500Oe(至少約119kA/m)，例如大於約2000Oe(約160kA/m)，例如大於約2200Oe(約175kA/m))。

參考圖17，圖解說明一STT-MRAM系統1700，其包含與一STT- MRAM單元1714可操作地通信之周邊裝置1712，周邊裝置1712之一分組可經製造以取決於系統要求及製造技術而以包含數個列及行之一網格圖案或各種其他配置形成一記憶體單元陣列。STT-MRAM單元1714包含一磁性單元核心1702、一存取電晶體1703、可用作為一資料/感測線1704(例如，一位元線)之一導電材料、可用作為一存取線1705(例如，一字線)之一導電材料及可用作為一源極線1706之一導電材料。STT-MRAM系統1700之周邊裝置1712可包含讀取/寫入電路1707、一位元線參考1708及一感測放大器1709。單元核心1702可為上文描述之磁性單元核心(例如，磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4)、501(圖5))之任一者。歸因於單元核心1702之結構、製造方法或兩者，STT-MRAM單元1714可具有一高TMR及一高MA強度。

在使用及操作中，當選擇一STT-MRAM單元1714以進行程式化時，將一程式化電流施加至STT-MRAM單元1714，且藉由單元核心1702之固定區域使電流自旋極化且對單元核心1702之自由區域施加一扭矩，此切換自由區域之磁化以「寫入」或「程式化」STT-MRAM單元1714。在STT-MRAM單元1714之一讀取操作中，使用一電流以偵測單元核心1702之電阻狀態。

為起始STT-MRAM單元1714之程式化，讀取/寫入電路1707可產生至資料/感測線1704及源極線1706之一寫入電流(即，一程式化電流)。資料/感測線1704與源極線1706之間的電壓之極性判定單元核心1702中之自由區域之磁性定向之切換。藉由使用自旋極性改變自由區域之磁性定向，自由區域根據程式化電流之自旋極性而磁化，程式化之邏輯狀態被寫入至STT-MRAM單元1714。

為讀取STT-MRAM單元1714，讀取/寫入電路1707產生通過單元核心1702及存取電晶體1703至資料/感測線1704及源極線1706之一讀取電壓。STT-MRAM單元1714之程式化狀態與跨單元核心1702之電阻 有關，該電阻可藉由資料/感測線1704與源極線1706之間的電壓差來判定。在一些實施例中，可比較電壓差與位元線參考1708且藉由感測放大器1709放大電壓差。

圖17圖解說明一可操作STT-MRAM系統1700之一實例。然而，可預期，磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4)、501(圖5)可合併且利用於經組態以合併具有磁性區域之一磁性單元核心之任何STT-MRAM系統內。

因此，本發明揭示一種包括一自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)陣列之半導體裝置，該STT-MRAM陣列包括STT-MRAM單元。STT-MRAM單元之至少一STT-MRAM單元包括在一基板上方之一自由區域且亦包括藉由一中間氧化物區域與自由區域間隔之一固定區域。一非晶吸子區域接近於自由區域及固定區域之至少一者。非晶吸子區域包括自自由區域及固定區域之至少一者擴散之一物種。

參考圖18，圖解說明根據在本文中描述之一或多項實施例實施之一半導體裝置1800之一簡化方塊圖。半導體裝置1800包含一記憶體陣列1802及一控制邏輯組件1804。記憶體陣列1802可包含複數個STT-MRAM單元1714(圖17)，包含上文論述之磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4)、501(圖5)之任一者，該等磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4)、501(圖5)可已根據上文描述之一方法形成且可根據上文描述之一方法操作。控制邏輯組件1804可經組態以與記憶體陣列1802可操作地互動，以便自記憶體陣列1802內之任何或所有記憶體單元(例如，STT-MRAM單元1714(圖17))讀取或寫入至記憶體陣列1802內之任何或所有記憶體單元。

因此，本發明揭示一種包括一自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)陣列之半導體裝置，該STT-MRAM陣列包括STT- MRAM單元。STT-MRAM單元之至少一STT-MRAM單元包括在一基板上方之一結晶磁性區域。結晶磁性區域係由一前驅體磁性材料形成且展現具有一垂直磁性定向之磁性。一非晶吸子材料接近於結晶磁性區域。非晶吸子材料包括來自前驅體磁性材料之一擴散物種。一中間氧化物區域介於結晶磁性區域與展現具有垂直磁性定向之磁性之另一磁性區域之間。

參考圖19，描繪一基於處理器之系統1900。基於處理器之系統1900可包含根據本發明之實施例製造之各種電子裝置。基於處理器之系統1900可為各種類型之任一者，諸如一電腦、傳呼器、蜂巢式電話、個人組織器、控制電路或其他電子裝置。基於處理器之系統1900可包含一或多個處理器1902(諸如一微處理器)以控制基於處理器之系統1900中之系統功能及請求之處理。基於處理器之系統1900之處理器1902及其他子組件可包含根據本發明之實施例製造之磁性記憶體裝置。

基於處理器之系統1900可包含與處理器1902可操作地通信之一電源供應器1904。舉例而言，若基於處理器之系統1900係一可攜式系統，則電源供應器1904可包含一燃料電池、一電力採集裝置、永久電池、可替換電池及可充電電池之一或多者。電源供應器1904亦可包含一AC配接器；因此，舉例而言，基於處理器之系統1900可插入至一壁式插座中。電源供應器1904亦可包含一DC配接器，使得(舉例而言)基於處理器之系統1900可插入至一車載點煙器或一車載電力埠中。

取決於基於處理器之系統1900執行之功能，各種其他裝置可耦合至處理器1902。舉例而言，一使用者介面1906可耦合至處理器1902。使用者介面1906可包含輸入裝置，諸如按鈕、開關、一鍵盤、一光筆、一滑鼠、一數位化器及尖筆、一觸控螢幕、一語音辨識系統、一麥克風或其等之一組合。一顯示器1908亦可耦合至處理器 1902。顯示器1908可包含一LCD顯示器、一SED顯示器、一CRT顯示器、一DLP顯示器、一電漿顯示器、一OLED顯示器、一LED顯示器、一三維投影、一音訊顯示器或其等之一組合。此外，一RF子系統/基頻處理器1910亦可耦合至處理器1902。RF子系統/基頻處理器1910可包含耦合至一RF接收器且耦合至一RF發射器之一天線(未展示)。一通信埠1912或一個以上通信埠1912亦可耦合至處理器1902。通信埠1912可經調適以耦合至一或多個周邊裝置1914(諸如一數據機、一印表機、一電腦、一掃描器或一相機)或耦合至一網路(舉例而言，諸如一區域網路、遠端區域網路、內部網路或網際網路)。

處理器1902可藉由實施儲存於記憶體中之軟體程式控制基於處理器之系統1900。舉例而言，軟體程式可包含一作業系統、資料庫軟體、製圖軟體、文字處理軟體、媒體編輯軟體或媒體播放軟體。記憶體可操作地耦合至處理器1902以儲存及促進各種程式之執行。舉例而言，處理器1902可耦合至系統記憶體1916，系統記憶體1916可包含自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)、磁性隨機存取記憶體(MRAM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、賽道記憶體(racetrack memory)及其他已知記憶體類型之一或多者。系統記憶體1916可包含揮發性記憶體、非揮發性記憶體或其等之一組合。系統記憶體1916通常較大，使得其可儲存動態載入之應用程式及資料。在一些實施例中，系統記憶體1916可包含半導體裝置(諸如圖18之半導體裝置1800)、包含上文描述之磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4)、501(圖5)之任一者之記憶體單元或其等之一組合。

處理器1902亦可耦合至非揮發性記憶體1918，此並不暗示系統記憶體1916必需為揮發性。非揮發性記憶體1918可包含結合系統記憶體1916使用之STT-MRAM、MRAM、諸如一EPROM之唯讀記憶體 (ROM)、電阻式唯讀記憶體(RROM)及快閃記憶體之一或多者。非揮發性記憶體1918之大小通常經選擇而足夠大以儲存任何必要作業系統、應用程式及固定資料。另外，舉例而言，非揮發性記憶體1918可包含諸如磁碟機記憶體之一高容量記憶體，諸如包含電阻式記憶體或其他類型之非揮發性固態記憶體之一混合式磁碟機。非揮發性記憶體1918可包含半導體裝置(諸如圖18之半導體裝置1800)、包含上文描述之磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4)、501(圖5)之任一者之記憶體單元或其等之一組合。

因此，本發明揭示一種包括磁性記憶體單元之一陣列之半導體裝置。磁性記憶體單元之陣列之至少一磁性記憶體單元包括在一基板上方之至少兩個磁性區域且亦包括接近於該至少兩個磁性區域之至少一者之一吸子區域。吸子區域包括一吸子材料，吸子材料包括選自包含有鈷、鐵及鎳之群組之至少一過渡元素與至少一其他過渡元素之一合金。吸子區域亦包括自該至少兩個磁性區域之一者擴散之一物種。該至少一磁性記憶單元亦包括介於該至少兩個磁性區域之兩者之間的一中間氧化物區域。

雖然本發明在其之實施方案中易於以各種修改及替代形式呈現，但特定實施例已在圖式中藉由實例展示且已在本文中詳細描述。然而，本發明不旨在限於所揭示之特定形式。實情係，本發明涵蓋落於藉由以下隨附申請專利範圍及其等合法等效物定義之本發明之範疇內之所有修改、組合、等效物、變動及替代。

1AB‧‧‧方塊

1CD‧‧‧方塊

100‧‧‧磁性單元結構

101‧‧‧磁性單元核心

102‧‧‧基板

104‧‧‧上電極

105‧‧‧下電極

110‧‧‧固定區域

112‧‧‧箭頭

120‧‧‧自由區域

122‧‧‧雙向箭頭

130‧‧‧中間氧化物區域

131‧‧‧介面

132‧‧‧介面

140‧‧‧下中間區域

150‧‧‧上中間區域

160‧‧‧基座區域

170‧‧‧副氧化物區域

180‧‧‧吸子區域

Claims (20)

1. 一種半導體裝置，其包括：至少一記憶體單元，其包括一磁性單元核心，該磁性單元核心包括：一磁性區域，其包括由一前驅體磁性材料形成之一空乏磁性材料，該前驅體磁性材料包括一可擴散物種及至少一其他物種，該空乏磁性材料包括該至少一其他物種；另一磁性區域；一中間氧化物區域，其介於該磁性區域與該另一磁性區域之間；及一非晶區域，其接近於該磁性區域，該非晶區域包括具有對於該可擴散物種之一化學親和力之一吸子材料，該化學親和力高於該至少一其他物種對於該可擴散物種之一化學親和力，該非晶區域包括該吸子材料及來自該前驅體磁性材料之該可擴散物種之至少一部分兩者。
2. 如請求項1之半導體裝置，其中該非晶區域介於該磁性區域與另一氧化物區域之間。
3. 如請求項1之半導體裝置，其進一步包括接近於該另一磁性區域之另一吸子材料之另一非晶區域。
4. 如請求項1之半導體裝置，其中該另一吸子材料在該另一磁性區域內部。
5. 如請求項1之半導體裝置，其中該磁性區域具有一bcc(001)結晶結構。
6. 如請求項1之半導體裝置，其中該記憶體單元具有大於100%之一穿隧磁阻。
7. 如請求項1之半導體裝置，其中：該磁性區域展現一可切換磁性定向；且該另一磁性區域展現一固定磁性定向。
8. 如請求項7之半導體裝置：其中展現該固定磁性定向之該另一磁性區域上覆於展現該可切換磁性定向之該磁性區域；且進一步包括下伏於該磁性區域及該非晶吸子區域之一副氧化物區域。
9. 如請求項7之半導體裝置：其中展現該可切換磁性定向之該磁性區域上覆於展現該固定磁性定向之該另一磁性區域；且進一步包括上覆於該磁性區域及該非晶吸子區域之一副氧化物區域。
10. 如請求項7之半導體裝置，其中：該可切換磁性定向係一可切換垂直磁性定向；且該固定磁性定向係一固定垂直磁性定向。
11. 如請求項1至10中任一項之半導體裝置，其中該吸子材料包括以下各者之一合金：鈷、鐵及鎳之至少一者，及另一過渡元素。
12. 如請求項1至10中任一項之半導體裝置，其中：該空乏磁性材料包括由一個鈷鐵硼(CoFeB)前驅體材料形成之一空乏磁性材料；且該可擴散物種包括硼。
13. 如請求項1至10中任一項之半導體裝置，其中該吸子材料包括一個鐵鈷鎢(FeCoW)合金及一個鐵鉿(FeHf)合金之至少一者。
14. 一種形成一磁性記憶體單元之方法，其包括：形成一結構，包括：在一基板上方形成一磁性材料；在該磁性材料上方形成一個氧化物材料；在該氧化物材料上方形成另一磁性材料；及接近於該磁性材料及該另一磁性材料之至少一者形成一非晶吸子材料；使該結構之至少一部分退火以將一可擴散物種自該磁性材料及該另一磁性材料之該至少一者轉移至該非晶吸子材料，以將該磁性材料及該另一磁性材料之該至少一者轉換為一空乏磁性材料，且使該空乏磁性材料結晶而不使該非晶吸子材料結晶；及在退火之後，由該結構形成一磁性單元核心結構。
15. 如請求項14之方法，其中：形成該非晶吸子材料係在該基板上方形成該磁性材料之前；且形成一磁性材料包括在該基板上方及該非晶吸子材料上方形成該磁性材料。
16. 如請求項15之方法：進一步包括，在形成該非晶吸子材料之前，在該基板上方形成另一氧化物材料；且其中形成該非晶吸子材料包括在該另一氧化物材料上方形成該非晶吸子材料。
17. 如請求項14之方法，其中在該氧化物材料上方形成該另一磁性材料前進行該退火。
18. 如請求項14之方法： 進一步包括接近於該磁性材料及該另一磁性材料之另一者形成另一非晶吸子材料；且其中退火包括：使該結構之至少該部分退火以將另一可擴散物種自該磁性材料及該另一磁性材料之該另一者轉移至該另一非晶吸子材料，以將該磁性材料及該另一磁性材料之該另一者轉換為另一空乏磁性材料，且使該空乏磁性材料及該另一空乏磁性材料兩者結晶而不使該非晶吸子材料及該另一非晶吸子材料結晶。
19. 如請求項14之方法，其中形成一個氧化物材料包括：在一基板上方形成一金屬；及使該金屬氧化以形成該氧化物材料。
20. 如請求項14至19中任一項之方法，其中形成一非晶吸子材料包括濺鍍一導電合金。