TWI583034B - 半導體裝置、磁穿隧接面及其製造方法 - Google Patents

半導體裝置、磁穿隧接面及其製造方法 Download PDF

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TWI583034B TW105100413A TW105100413A TWI583034B TW I583034 B TWI583034 B TW I583034B TW 105100413 A TW105100413 A TW 105100413A TW 105100413 A TW105100413 A TW 105100413A TW I583034 B TWI583034 B TW I583034B
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Description

半導體裝置、磁穿隧接面及其製造方法 優先權主張
本申請案主張2015年1月15日申請之「Semiconductor Devices,Magnetic Tunnel Junctions,and Methods of Fabrication Thereof」之美國專利申請案第14/597,903號之申請日期之權利。
本文揭示之實施例係關於包含具有一磁穿隧接面之磁性記憶體單元之半導體裝置及形成此等裝置及磁穿隧接面之方法。更特定言之，本文揭示之實施例係關於在一高穿隧磁阻下展現一低電阻面積乘積之磁穿隧接面、包含磁穿隧接面之半導體裝置及形成磁穿隧接面及半導體裝置之方法。
磁性隨機存取記憶體(MRAM)係基於磁阻之非揮發性記憶體技術。一類型之MRAM係自旋扭矩轉移MRAM(STT-MRAM)，其中一磁性單元核心包含具有至少兩個磁性區域(例如，一「固定區域」及一「自由區域」)之一磁穿隧接面(「MTJ」)子結構，在該等磁性區域之間具有一非磁性區域(例如，一穿隧障壁材料)。自由區域及固定區域可展現相對於該等區域之厚度水平定向(「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)之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指向相同方向(例如，分別指向北及北、東及東、南及南或西及西)。在「反平行」組態中，固定區域及自由區域之磁性定向指向相反方向(例如，分別指向北及南、東及西、南及北或西及東)。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，從而定義MRAM單元之「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，從而定義STT-MRAM單元之「1」邏輯狀態。
可藉由使一程式化電流通過磁性單元核心(包含固定區域及自由區域)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(Jc)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狀態或低電阻狀態實現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MRAM單元被重新寫入至一不同組態(即，至一不同邏輯狀態)。
包含一MTJ之一磁性記憶體單元之自由區域之磁性定向之切換可受單元之穿隧磁阻(「TMR」)及電阻面積乘積(「RA」)影響。一MTJ之TMR係處於高電阻狀態及低電阻狀態中之一頂部電極與一底部電極(MTJ安置於其等之間)之間的電阻之一函數。特定言之，TMR量測一單元在反平行組態中之電阻(Rap)與其在平行組態中之電阻(Rp)之間的差對Rp之比率(即，TMR=(Rap-Rp)/Rp)。因此，TMR等效於藉由改變 自由層之磁性狀態所觀察之電阻改變。一般言之，具有一均質晶體結構(例如，一bcc(001)晶體結構)之一MTJ(在其磁性材料之微結構中具有較少結構缺陷)具有高於具有結構缺陷之一MTJ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。一較高TMR較佳用於可靠讀取操作，因為其將產生單元之開啟及關閉狀態之間的一較大信號差。換言之，TMR愈高，裝置愈靈敏，且愈容易區分一相關聯記憶體單元之邏輯狀態。
一磁性記憶體單元核心之另一顯著特性包含RA。一磁性記憶體單元之RA係用於在程式化期間切換自由區域之磁性定向之電壓(例如，臨限切換電壓)之一指示。一磁性記憶體單元之RA之一增大可藉由利用一較高臨限切換電壓使單元之效能降級而降低單元之使用壽命。可藉由減小穿隧障壁材料之一厚度而降低RA。然而，減小穿隧障壁材料之厚度亦可減小TMR。因此，儘管期望高TMR及低RA，但一般言之，以較高RA為代價獲得MTJ之TMR之增大。一習知MTJ在大於約4歐姆μm2之一RA下展現小於約120%之一TMR。
努力增大一MTJ之TMR同時維持一低RA包含嘗試減少MTJ之晶體結構中之結構缺陷。舉例而言，可在高溫下形成氧化鎂穿隧障壁材料以產生具有理想配比及最小氧空位或間隙氧之穿隧障壁材料。然而，高溫可非所要地使一下層磁性材料在一非所要晶體定向中結晶。磁性材料及穿隧障壁材料之晶體定向之一失配非所要地增大RA且減少MTJ之TMR。RA之增大增大在程式化期間切換自由區域之磁性定向所需之電壓，增大接面電阻且增大裝置之臨限切換電壓。MTR之減小降低電子通過MTJ時電子之有效自旋極化，從而降低通過MTJ之穿隧。
替代地，可在較低溫度下形成穿隧障壁材料。然而，在較低溫度下形成穿隧障壁材料時，穿隧障壁材料內之缺陷(諸如氧空位及間 隙氧原子)增多。穿隧障壁材料中之原子缺陷可藉由使電子在其等行進通過MTJ時散射且降低MTJ之TMR而使裝置效能降級。
100‧‧‧磁性記憶體單元
100’‧‧‧磁性記憶體單元
100”‧‧‧磁性記憶體單元
101‧‧‧磁性單元核心
101’‧‧‧磁性單元核心
101”‧‧‧磁性單元核心
102‧‧‧基板
104‧‧‧下電極
106‧‧‧下中間區域
108‧‧‧晶種材料
109‧‧‧箭頭
109’‧‧‧箭頭
110‧‧‧自由區域
110’‧‧‧自由區域
110”‧‧‧自由區域
111‧‧‧介面
111’‧‧‧介面
112‧‧‧第一部分
113‧‧‧介面
113’‧‧‧介面
114‧‧‧第二部分
115‧‧‧導電材料
116‧‧‧第一磁性部分
116’‧‧‧第一磁性部分
116a‧‧‧第一磁性子區域
116a’‧‧‧第一磁性子區域
116b‧‧‧間隔件
116b’‧‧‧間隔件
116c‧‧‧第二磁性子區域
116c’‧‧‧第二磁性子區域
117‧‧‧磁性材料
118‧‧‧耦合材料
118’‧‧‧耦合材料
119‧‧‧箭頭
119’‧‧‧箭頭
120‧‧‧第二磁性部分
120’‧‧‧第二磁性部分
124‧‧‧上中間區域
126‧‧‧上電極
130‧‧‧穿隧障壁材料
140‧‧‧固定區域
140’‧‧‧固定區域
140”‧‧‧固定區域
150‧‧‧磁穿隧接面
150’‧‧‧磁穿隧接面
150”‧‧‧磁穿隧接面
200‧‧‧磁性記憶體單元
202‧‧‧基板
204‧‧‧下電極材料
206‧‧‧下中間區域材料
208‧‧‧晶種材料
209‧‧‧箭頭
210‧‧‧自由區域材料
211‧‧‧介面
212‧‧‧第一部分
213‧‧‧介面
214‧‧‧第二部分
216‧‧‧第一磁性材料
216a‧‧‧第一磁性子區域
216b‧‧‧間隔件材料
216c‧‧‧第二磁性子區域
218‧‧‧耦合材料
219‧‧‧箭頭
220‧‧‧第二磁性材料
224‧‧‧上中間區域材料
226‧‧‧上電極材料
230‧‧‧穿隧障壁材料
240‧‧‧固定區域材料
600‧‧‧STT-MRAM系統
601‧‧‧磁性單元核心
603‧‧‧存取電晶體
604‧‧‧資料/感測線
605‧‧‧存取線
606‧‧‧源極線
607‧‧‧讀取/寫入電路
608‧‧‧位元線參考
609‧‧‧感測放大器
612‧‧‧周邊裝置
614‧‧‧STT-MRAM單元
700‧‧‧半導體裝置
702‧‧‧記憶體陣列
704‧‧‧控制邏輯組件
800‧‧‧基於處理器之系統
802‧‧‧處理器
804‧‧‧電源供應器
806‧‧‧使用者介面
808‧‧‧顯示器
810‧‧‧RF子系統/基頻處理器
812‧‧‧通信埠
814‧‧‧周邊裝置
816‧‧‧系統記憶體
818‧‧‧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簡化橫截面視圖；圖2係包含一磁性材料與一導電材料之交替部分之一磁性材料之一簡化橫截面視圖；圖3係根據本發明之另一實施例之一磁性單元結構之一簡化橫截面視圖；圖4係根據本發明之一實施例之一磁性單元結構之一簡化橫截面視圖，其中固定區域及自由區域展現平面內磁性定向；圖5A至圖5C係繪示用於形成圖1之磁性單元結構之一方法之一實施例之不同程序階段之簡化橫截面視圖；圖6係根據本發明之一實施例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7係根據本發明之一實施例包含具有一磁性單元結構之記憶體單元之一半導體裝置之一簡化方塊圖；圖8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；圖9係比較根據本發明之實施例形成之磁穿隧接面與藉由習知方法形成之磁穿隧接面之TMR相對於RA之一圖示；及圖10係根據本發明之實施例形成之磁穿隧接面之TMR相對於RA之一圖示。
在本文中包含之圖解不旨在係任何特定系統或半導體結構之實際視圖，而僅係用以描述本文中描述之實施例之理想化表示。圖之間 所共有的元件及特徵可保持相同數字符號。
以下描述提供諸如材料類型、材料厚度及處理條件之具體細節，以便提供對本文描述之實施例之一全面描述。然而，一般技術者將理解，可在不採用此等具體細節之情況下實踐本文揭示之實施例。實際上，可結合在半導體行業中採用之習知製造技術實踐該等實施例。另外，本文提供之描述並未描述用於製造半導體裝置、磁穿隧接面或磁性記憶體單元之一完整程序流程，且下文描述之半導體裝置、磁穿隧接面及磁性記憶體單元未形成一完整的半導體裝置、磁穿隧接面或磁性記憶體單元。在下文中僅詳細描述理解本文描述之實施例所需之該等程序動作及結構。可藉由習知技術執行形成一完整半導體裝置及包含該半導體裝置之一磁性記憶體單元之額外動作。
根據一些實施例，一半導體裝置可包含包括一MTJ之一磁性單元結構。MTJ可包含安置於相鄰磁性材料之間的一穿隧障壁材料。一磁性材料可上覆於一基板且穿隧障壁材料可上覆於該磁性材料。另一磁性材料可上覆於穿隧障壁材料。穿隧障壁材料可展現與相鄰磁性材料相同之晶體定向。包含MTJ之半導體裝置可在一低RA(諸如低於約8歐姆μm2)下展現一高TMR(諸如大於約180%)。
根據本發明之實施例之穿隧障壁材料可包含至少兩個部分。穿隧障壁材料之一第一部分可係在一第一溫度下形成於磁性材料上方。穿隧障壁材料之第一部分及磁性材料可經退火以使磁性材料結晶，且定向磁性材料的晶體結構使之與穿隧障壁材料之第一部分的晶體結構對準。磁性材料及穿隧障壁材料之第一部分可係在約300℃與約600℃之間之一溫度下退火達足以使磁性材料結晶之一時間量。退火後，穿隧障壁材料之一第二部分可係在一第二溫度下形成於第一部分上方，第二溫度高於形成穿隧障壁材料之第一部分之第一溫度。包含第一部分及第二部分之穿隧障壁材料在一低RA(諸如低於約8歐姆μm2)下可 展現高於一習知穿隧障壁材料之一TMR(諸如大於約180%)。穿隧障壁材料亦可比一習知穿隧障壁材料更厚且展現更高之TMR，同時維持低RA。在一些實施例中，穿隧障壁材料之RA係在約4歐姆μm2與約8歐姆μm2之間，且穿隧障壁材料之TMR係在約180%與約205%之間。
參考圖1，繪示根據一些實施例包含一磁性單元核心101之一磁性記憶體單元100。磁性單元核心101可包含一磁穿隧接面150且可被安置在一基板102上方一下電極104與一上電極126之間。MTJ 150可分別包含一磁性區域及另一磁性區域，例如，一「自由區域110」及一「固定區域」140。一穿隧障壁材料130可經安置於自由區域110與固定區域140之間。
基板102可包含一基底材料或其上形成組件(諸如在記憶體單元內之組件)的其他構造。基板102可為一半導體基板、一支撐基板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102可為一習知矽基板或包含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，亦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(Si1-xGex，其中x係(例如)介於0.2與0.8之間之一莫耳分率)、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來形成基底半導體結構或基座中的材料、區域或接面。
下電極104可上覆於基板102。下電極104可包含一金屬(諸如銅、鎢、鉑、鈀、鈦、鉭、鎳)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、多晶矽、一金屬矽化物、一金屬合金或其等之組合。
視情況，一或多個下中間區域106可被安置於磁性區域(例如，自 由區域110及固定區域140)下方。下中間區域106(若包含)可經組態以抑制下電極104與上覆於下電極104之材料之間的物種擴散。下中間區域106可包含一導電材料，諸如銅、鉭、鈦、鎢、釕、氮化鉭及氮化鈦中之一或多者。
一晶種材料108可上覆於下中間區域106(若存在)或上覆於下電極104(若下中間區域106不存在)。晶種材料108可包含鉭、鉑、釕、鐵、鎳、鈷、鉻、鈦、鋯、釩、銅、鋅、銠、銀、鉿、鎢、銥、氮化鉭及其等之組合。藉由非限制性實例，晶種材料108可包含鎢及鐵、鈷、鎳或另一適當材料之至少一者。在其他實施例中，晶種材料108可包含鐵及鈷，且可進一步包含至少一個過渡元素，諸如鉭、鉑、釕、鎳、鉻、鈦、鋯、釩、銅、鋅、銠、銀、鉿及鎢。在又其他實施例中，晶種材料108可包含鉿、鋯及鉭中之至少一者，及鐵、鈷及鎳中之至少一者，諸如FeHf。晶種材料108可係晶種材料108之一均質組合物，或可包含鉭、鉑、釕、鐵、鎳、鈷、鉻、鈦、鋯、釩、銅、鋅、銠、銀、鉿、鎢及銥中之一或多者之相異部分，該等部分相鄰於鉭、鉑、釕、鐵、鎳、鈷、鉻、鈦、鋯、釩、銅、鋅、銠、銀、鉿、鎢及銥中之另一者之一相異部分。
自由區域110可上覆於晶種材料108。在一些實施例中，自由區域110直接上覆於晶種材料108且接觸晶種材料108。自由區域110可包含在磁性記憶體單元100之使用及操作期間展現由箭頭109指示之一可切換磁性定向之一磁性材料。可藉由施加一電流或施加場至磁性記憶體單元100而在一平行組態與一反平行組態之間切換可切換磁性定向。
在一些實施例中，自由區域110可係一習知自由區域。在其他實施例中，自由區域110可包含一磁性材料及一導電材料之交替部分。然而，自由區域110並不如此受限制且可包含展現一可切換磁性定向之其他適當磁性材料。
在一些實施例中，自由區域110可包含包含鈷(Co)及鐵(Fe)之至少一者之一鐵磁性材料(例如，CoxFey，其中x=10至80且y=10至80)且在一些實施例中亦包含硼(B)、鈷(Co)及鐵(Fe)之至少一者之一鐵磁性材料(例如，CoxFeyBz，其中x=10至80，y=10至80且z=0至50)。因此，自由區域110可包含Co、Fe及B之至少一者(例如，CoFeB材料、CoFe材料、FeB材料、CoB材料等等)。如在本文中使用，術語「CoFeB材料」意謂且包含包括鈷、鐵及硼之一材料(例如，CoxFeyBz，其中x=10至80，y=10至80且z=0至50)。CoFeB材料取決於其組態(例如，其厚度)可或可不展現磁性。在其他實施例中，自由區域110可替代性地或另外包含鎳(Ni)(例如，NiB材料)。在一些實施例中，自由區域110可實質上不含硼且可包含(例如)CoFe。CoFe可經形成為CoFeB且在其形成後硼可擴散出自由區域110，或CoFe可在無任何硼的情況下形成(例如，沈積)為CoFe。
自由區域110可係均質的或可包含一或多個子區域(例如，CoFeB材料，其中子區域具有Co、Fe及B之不同相對原子比率)。
一穿隧障壁材料130可上覆於自由區域110。在一些實施例中，穿隧障壁材料130直接上覆於自由區域110且接觸自由區域110。穿隧障壁材料130可包含一非磁性、結晶材料，諸如氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化釕(RuO2)、氧化硼(B2O3)及其等之組合。穿隧障壁材料130可經組態以引發自由區域110及固定區域140中之介面磁異向性，且亦可經組態以用作受自由區域110、穿隧障壁材料130及固定區域140之相互作用影響之MTJ 150之一穿隧區域。
穿隧障壁材料130可包含一第一部分112及一第二部分114。第一部分112可上覆於自由區域110。在一些實施例中，第一部分112直接上覆於自由區域110且接觸自由區域110。第一部分112可形成於自由 區域110上方以形成自由區域110與穿隧障壁材料130之間的一介面111。MTJ 150之一晶體定向在第一部分112與自由區域110之間的介面111處可不改變。藉由實例且不限制，自由區域110與第一部分112之各者可展現一bcc(001)晶體結構。如下文更詳細描述，第一部分112與自由區域110之各者可係如形成般非晶(例如，非結晶)，其中在一退火後出現所要晶體結構。在一些實施例中，第一部分112係氧化物材料且可包含MgO、Al2O3、TiO2、Ta2O5、RuO2、B2O3或其等之組合。
第二部分114可上覆於第一部分112。在一些實施例中，第二部分114直接上覆於第一部分112且接觸第一部分112。第一部分112與第二部分114之間的一介面113可係平滑的且展現與第一部分112及自由區域110相同之晶體定向(例如，一bcc(001)晶體結構)。第二部分114可係氧化物材料且可包含MgO、Al2O3、TiO2、Ta2O5、RuO2、B2O3或其等之組合。第一部分112及第二部分114可包含相同材料。在一些實施例中，第一部分112及第二部分114包含MgO。在一些此等實施例中，第二部分114包含比第一部分112更靠近理想配比(例如，1：1)之氧對鎂之比率。因此，第二部分114可具有少於第一部分112之氧空位及間隙氧且亦具有高於第一部分112之一密度。第二部分114可展現少於第一部分112之結構缺陷，且在一些實施例中可展現高於第一部分112之一TMR及低於第一部分112之一RA。
穿隧障壁材料130可具有在約10Å與約30Å之間(諸如在約10Å至約15Å之間，在約15Å至約20Å之間，在約20Å至約25Å之間或在約25Å至約30Å之間)的一總厚度(即，第一部分112之一厚度及第二部分114之一厚度之一總和)。穿隧障壁材料130可具有在約10Å與約20Å之間的一厚度。在一些實施例中，穿隧障壁材料130之厚度為約18Å。
第一部分112及第二部分114可具有相同厚度，第一部分112可具有大於第二部分114之一厚度或第二部分114可具有大於第一部分112之一厚度。可藉由相對於穿隧接面材料130之第二部分114之厚度更改第一部分112之厚度而定製MTJ 150之RA及TMR。第一部分112之厚度對第二部分114之厚度之比率可在約0.9與約2.0之間，諸如在約0.9與約1.0之間，在約1.0與約1.25之間，在約1.25與約1.5之間，在約1.2與約1.8之間或在約1.5與約2.0之間。在一些實施例中，該比率在約1.0與約1.5之間且穿隧障壁材料130之總厚度為約18Å。
具有第一部分112及第二部分114之穿隧障壁材料130可展現在約180%與約600%之間(諸如在約180%與約200%之間，在約180%與約225%之間，在約180%與約300%之間，在約200%與約220%之間，在約220%與約250%之間，在約250%與約300%之間，在約300%與約400%之間或在約400%與約600%之間)的一TMR。在一些實施例中，TMR在約180%與約300%之間。穿隧障壁材料130可展現在約3歐姆μm2與約8歐姆μm2之間(諸如在約3歐姆μm2與約4歐姆μm2之間，在約4歐姆μm2與約5歐姆μm2之間，在約5歐姆μm2與約6歐姆μm2之間，在約6歐姆μm2與約7歐姆μm2之間或在約7歐姆μm2與8歐姆μm2之間)的一RA。在一些實施例中，RA在約6歐姆μm2與約7歐姆μm2之間。在其他實施例中，穿隧障壁材料130展現在約4歐姆μm2與約8歐姆μm2之間的一RA及在約180%與約205%之間的一TMR。藉由非限制性實例，穿隧障壁材料130在約10Å與約20Å之間的一厚度下可展現約4歐姆μm2之一RA及約180%之一TMR或約8歐姆μm2之一RA及約205%之一TMR。
固定區域140可上覆於穿隧障壁材料130。在一些實施例中，固定區域140直接上覆於穿隧障壁材料130之第二部分114且接觸該第二部分114。
固定區域140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140可係組態為包含藉由磁性子區域鄰接之釕或鉭之一子區域之一合成反鐵磁體。磁性子區域可包含包含鈷以及鈀及鉑之至少一者及其等之組合之一材料、CoFeB材料及其等之組合。替代地，固定區域140可經組態而具有磁性材料及耦合器材料之交替子區域的結構。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140可組態為一單一、均質磁性材料。因此，固定區域140可具有均勻磁化或整體上實現在磁性記憶體單元100之使用及操作期間具有一固定磁性定向之固定區域140之不同磁化的子區域。
固定區域140可包含在穿隧障壁材料130之第二部分114上方之一第一磁性部分116、在第一磁性部分116上方之一耦合材料118，及在耦合材料118上方之一第二磁性部分120。在一些實施例中，第一磁性部分116包含：一第一磁性子區域116a，其可包含上覆於第二部分114之CoFeB材料；一間隔件116b，其可包含上覆於第一磁性子區域116a之鉭材料；及一第二磁性子區域116c，其可包含在間隔件116b上方包含鈷以及鈀及鉑之至少一者之一材料(例如CoPd、CoPt)。耦合材料118可包含上覆於第一磁性部分116之第二磁性子區域116c的釕材料。第二磁性部分120可包含包含鈷、鈀、鉑及其等之組合(諸如鈷以及鈀及鉑之至少一者)之一材料。在一些實施例中，第二磁性部分120包含與第一磁性部分116之第二磁性子區域116c相同的材料。
在其他實施例中，第一磁性部分116包含一人工超晶格結構，且第二磁性部分120包含上覆於耦合材料118之另一人工超晶格結構。參考圖2，第一磁性部分116之人工超晶格結構可包含一磁性材料117及一導電材料115之交替部分。導電材料115可使磁性材料117能夠展現一垂直異向性(即，一垂直磁性定向)。磁性材料117可包含鈷、鐵及 其等之組合。導電材料115可包含鉑、鈀、鎳及銥中之至少一者。在一些實施例中，磁性材料117包含鈷，且導電材料115包含鉑。儘管圖2描繪在第一磁性部分116中之磁性材料117之六個區域及導電材料115之六個區域，但第一磁性部分116之人工超晶格結構並不如此受限制，且可包含磁性材料117及導電材料115之任意數目(例如，一、二、三、四、五等等)個交替區域。
在一些實施例中，第一磁性部分116之導電材料115之一區域可直接上覆於穿隧障壁材料130之第二部分114且接觸第二部分114。舉例而言，導電材料115之一區域可直接上覆於穿隧障壁材料130之第二部分114且接觸第二部分114。在其他實施例中，磁性材料117之一區域可直接上覆於穿隧障壁材料130之第二部分114且接觸第二部分114。
再次參考圖1，耦合材料118可上覆於第一磁性部分116。在一些實施例中，耦合材料118直接上覆於第一磁性部分116(例如，第一磁性部分116之第二磁性子區域116c)且接觸第一磁性部分116。耦合材料118可包含鉭、釕、銠及其等之組合。在一些實施例中，耦合材料118係釕。耦合材料118可具有在約1Å與約10Å之間之一厚度。在一些實施例中，耦合材料118具有在約4Å與約5Å之間之一厚度。
第二磁性部分120可直接上覆於耦合材料118。第二磁性部分120可包含相同材料，且實質上可與第一磁性部分116之至少一部分相同。在一些實施例中，第二磁性部分120包含包含鈷，以及鈀及鉑中之至少一者之一材料，且可包含與第一磁性部分116之第二磁性子區域116c相同的材料。
固定區域140之第一磁性部分116及第二磁性部分120可包含藉由箭頭119指示之一固定磁性定向。固定磁性定向可係北、南、東、西等等。第一磁性部分116及第二磁性部分120之固定磁性定向可係相同或可係不同的。
一或多個上中間區域124可視情況被安置於固定區域140上方。上中間區域124(若包含)可經組態以在記憶體單元之操作期間抑制上電極126與下層材料之間的物種擴散。上中間區域124可包含可形成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、氮化鈦)。
上電極126可上覆於上中間區域124。上電極126可包含銅、鎢、鉑、鈀、鈦、鉭、鎳、氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢、多晶矽、一金屬矽化物、一金屬合金或其等之組合。在一些實施例中，上電極126包含與下電極104相同之材料。
圖1之磁性記憶體單元100係組態為一「頂部釕紮」記憶體單元(即，其中固定區域140安置於自由區域110上方之一記憶體單元)。然而，在其他實施例中(諸如圖3之實施例)，一自由區域110’可上覆於一固定區域140’。因此，參考圖3，包含一MTJ 150’之一磁性記憶體單元100’可組態為一「底部釕紮」記憶體單元。磁性記憶體單元100’可包含安置於下電極104與頂部電極126之間的一磁性單元核心101’。
磁性記憶體單元100’可包含上覆於下電極104之一下中間區域106。晶種材料108可上覆於下中間區域106(若存在)。在其他實施例中，晶種材料108可直接上覆於下電極104且接觸下電極104。晶種材料108可相同於上文參考圖1描述。
固定區域140’可直接上覆於晶種材料108且接觸晶種材料108。固定區域140’可包含藉由箭頭119指示之一固定磁性定向。固定區域140’可包含上文參考固定區域140描述之相同材料。在一些實施例中，固定區域140’包含一第二磁性部分120’、一耦合材料118’及一第一磁性部分116’。第一磁性部分116’可包含一第一磁性子區域116a’、一間隔件116b’及一第二磁性子區域116c’。第一磁性子區域116a’、間隔件116b’及第二磁性子區域116c’可分別與上文參考圖1描述之第一磁 性子區域116a、間隔件116b及第二磁性子區域116c相同。第一磁性部分116’、耦合材料118’及第二磁性部分120’之各者可分別與上文參考圖1描述之第一磁性部分116、耦合材料118及第二磁性部分120相同。然而，固定區域140’無法如在圖1之磁性記憶體單元100中般直接上覆於穿隧障壁材料130。實情係，固定區域140’之第二磁性部分120’可直接上覆於下層晶種材料108且接觸下層晶種材料108。耦合材料118’可上覆於第二磁性部分120’且第一磁性部分116’可上覆於耦合材料118’。
穿隧障壁材料130可上覆於固定區域140’。穿隧障壁材料130之第一部分112可直接上覆於固定區域140’且接觸固定區域140’。第一部分112可形成於固定區域140’上方以形成固定區域140’與穿隧障壁材料130之間的一介面111’。固定區域140’可展現與第一部分112之一晶體結構對準之一晶體結構。藉由實例且不限制，第一部分112及固定區域140’之各者可展現一bcc(001)晶體結構而不改變介面111’處之MTJ 150’之晶體結構。
穿隧障壁材料130可包含與上文參考圖1描述相同之材料。因此，穿隧障壁材料130之第一部分112及第二部分114之各者可與上文參考圖1描述相同。第一部分112與第二部分114之間的一介面113’可係平滑的且展現與其上形成第一部分112之介面111’相同之晶體定向。穿隧障壁材料130可直接安置於固定區域140’與自由區域110’之間。
自由區域110’可直接上覆於穿隧障壁材料130且接觸穿隧障壁材料130。在一些實施例中，自由區域110’直接上覆於穿隧障壁材料130之第二部分114且接觸第二部分114。自由區域110’可包含與上文參考圖1描述相同之材料。自由區域110’可包含藉由箭頭109指示之一可切換磁性定向。
選用上中間區域124可上覆於自由區域110’。上電極126可上覆於上中間區124(若存在)。
本發明之實施例之記憶體單元可組態為「平面外」STT-MRAM單元。「平面外」STT-MRAM單元可包含展現主要在一垂直方向(例如，垂直於各自區域之一寬度及長度之一方向或垂直於STT-MRAM單元所處之基板之一主表面之一方向)上定向之一磁性定向之磁性區域。舉例而言，如在圖1及圖3中繪示，一STT-MRAM單元(例如，磁性記憶體單元100、磁性記憶體單元100’)可經組態以展現在磁性區域(例如，自由區域110、110’及固定區域140、140’)之至少一者中之一垂直磁性定向。如在圖1及圖3中指示，自由區域110、110’及固定區域140、140’之各者可展現藉由箭頭109及箭頭119指示之一垂直磁性定向。貫穿STT-MRAM單元之使用及操作，固定區域140、140’之磁性定向可保持指向本質上相同之方向，例如，在藉由箭頭119指示之方向。另一方面，在單元之使用及操作期間，自由區域110、110’之磁性定向可在一平行組態與一反平行組態之間切換，如藉由箭頭109指示。作為另一實例，如在圖4中繪示，包含一磁性單元核心101”之一平面內磁性記憶體單元100”可經組態以在一MTJ 150”之磁性區域(例如，一自由區域110”及一固定區域140”)之至少一者中展現一水平磁性定向，如藉由自由區域110”中之箭頭109’及固定區域140”中之箭頭119’所指示。
一半導體裝置可包含包含安置於一對電極之間的本發明之磁性單元核心101、101’、101”之至少一磁性記憶體單元。
因此，揭示一種半導體裝置。該半導體裝置包括在一基板上之一晶種材料上方之一磁穿隧接面，該磁穿隧接面展現在約180%與約300%之間的一穿隧磁阻且包括在該晶種材料上方之一磁性材料、在該磁性材料上方之一個氧化物材料、在該氧化物材料上方之另一個氧 化物材料(該氧化物材料及該另一氧化物材料具有在約10Å與約20Å之間的一厚度)及在該另一個氧化物材料上方之另一磁性材料。
參考圖5A至圖5C，展示形成圖1之磁性記憶體單元100之一方法。方法可包含在一基板202上方形成一磁性記憶體單元200。一下電極材料204可形成於基板202上方。下電極材料可包含上文參考下電極104描述之材料之任一者。
一中間區域材料206可視情況形成於下電極材料204上方。下中間區域材料206可由上文參考下中間區域106描述之材料之任一者形成。在一些實施例中，下中間區域材料206可與下電極材料204之導電材料整合。舉例而言，下中間區域材料206可係下電極材料204之一最上子區域。
一晶種材料208可形成於下中間區域材料206(若存在)或下電極材料204上方。可如上文參考圖1描述般形成晶種材料208。晶種材料208之各部分可藉由濺鍍沈積形成，諸如藉由磁控濺鍍(例如，高功率脈衝磁控濺鍍(HIPIMS)、dc磁控濺鍍等等)、離子束濺鍍或其他PVD方法形成。晶種材料208亦可藉由原子層沈積(ALD)、化學氣相沈積(CVD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)、低壓化學氣相沈積(LPCVD)或其他膜沈積程序之至少一者形成。
一自由區域材料210可形成於晶種材料208上方。自由區域材料210可由上文參考自由區域110描述之材料之任一者形成。舉例而言，自由區域材料210可包含CoFeB材料。在其他實施例中，自由區域材料210可包含由磁性材料117及導電材料115之交替部分形成之一人工超晶格結構材料，如上文參考圖2之第一磁性部分116描述。自由區域材料210在形成時可係非晶的且可在一溫度下形成使得自由區域材料210保持在一非晶狀態中。自由區域材料210可展現藉由箭頭209指示之一可切換磁性定向。
如在圖5A及圖5B中展示，一穿隧障壁材料230可形成於自由區域材料210上方。穿隧障壁材料230可包含一第一部分212及一第二部分214。穿隧障壁材料230之第一部分212可形成於自由區域材料210上方以形成一介面211。穿隧障壁材料230之第一部分212可由與上文參考穿隧障壁材料130之第一部分112相同之材料形成。
第一部分212可藉由ALD、CVD、PECVD、LPCVD、PVD或其他膜沈積程序之至少一者形成。在一些實施例中，第一部分212藉由濺鍍沈積形成，諸如藉由磁控濺鍍(例如，高功率脈衝磁控濺鍍(HIPIMS)、DC濺鍍等等)、RF濺鍍、電子束物理氣相沈積、離子束反應性濺鍍或其他PVD方法形成。在一些實施例中，第一部分212由MgO形成。第一部分212可形成為MgO，而非形成為後續藉由將一鎂部分曝露於氧化條件而氧化至MgO之鎂部分。MgO之源可係一單晶MgO或一多晶MgO沈積源或濺鍍標靶。
第一部分212可在一第一溫度下形成於自由區域材料210上方，使得下層自由區域材料210不結晶。換言之，自由區域材料210可在穿隧障壁材料230之第一部分212之形成期間保持非晶。如形成，第一部分212可係非晶或結晶。在一些實施例中，自由區域材料210包含在第一部分212之形成期間保持非晶之CoFeB材料。在一些實施例中，第一部分212在最初形成時係結晶。第一部分212可在約-150℃與約150℃之間(諸如在約-150℃與約0℃之間，在約0℃與約25℃之間，在約20℃與約25℃之間，在約25℃與約50℃之間或在約50℃與約150℃之間)之一溫度下形成。在一些實施例中，第一部分212在室溫下形成(例如，在約20℃與約25℃之間)。若第一部分212在室溫下形成，則下層自由區域材料210可保持在其非晶狀態中。
在自由區域材料210上方形成穿隧障壁材料230之第一部分212之後，諸如可藉由熱退火而退火自由區域材料210及第一部分212。將自 由區域材料210及第一部分212曝露於退火條件可使自由區域材料210自介面211至自由區域材料210結晶。在退火第一部分212及自由區域材料210之後，自由區域材料210可具有與第一部分212之一晶體結構對準(即，匹配)之一晶體結構。在一些實施例中，CoFeB自由區域材料210自介面211結晶，且包含與包含MgO之第一部分212相同之晶體結構。退火第一部分212亦可使第一部分212內之任何氧空位充滿氧，從而增大穿隧障壁材料230之第一部分212之理想配比。藉由非限制性實例，在第一部分212包含MgO的情況下，退火第一部分212可將氧吸引至第一部分212，從而充填可在第一部分212之低溫形成期間已形成之任何氧空位。
為退火自由區域材料210及第一部分212，可將自由區域材料210及第一部分212曝露於足以使自由區域材料210結晶之一溫度且達足夠時間量。將第一部分212曝露於退火條件可增加第一部分212之晶體品質，隨後可在第一部分212上形成第二部分214，如在下文中更詳細描述。退火亦可形成第一部分212之一平滑表面(在其上形成第二部分214)。自由區域材料210及第一部分212可曝露於在約300℃與約600℃之間的一溫度達約60秒與約一小時(1hr.)之間。自由區域材料210及第一部分212可曝露於在約300℃與約350℃之間、在約350℃與約400℃之間、在約400℃與約500℃之間、在約500℃與約600℃之間的一溫度。曝露時間可在約60秒與約5分鐘之間、在約5分鐘與約15分鐘之間、在約15分鐘與約30分鐘之間或在約30分鐘與約60分鐘之間。
參考圖5B，在退火自由區域材料210及第一部分212之後，可形成穿隧障壁材料230之第二部分214。第二部分214可直接形成於第一部分212上方且與第一部分212接觸。第二部分可由與上文參考第二部分114描述相同之材料形成。在一些實施例中，第二部分214由與第一部分212相同之材料形成。已經退火之穿隧障壁材料230之第一部分 212可充當一晶種(在其上形成第二部分214)，使得第二部分214之晶體結構匹配第一部分212之晶體結構。第一部分212之一曝露表面可係一晶種，在其上形成第二部分214至與第一部分212及自由區域材料210相同之晶體定向。第一部分212及第二部分214可在一介面213處展現相同晶體定向。
穿隧障壁材料230之第二部分214可在高於形成第一部分212之第一溫度之一第二溫度下形成。第二部分214可藉由上文描述用於形成第一部分212之相同方法之一者形成。舉例而言，第二部分214可藉由濺鍍沈積，諸如藉由ALD、CVD、PECVD、LPCVD、PVD或其他膜沈積程序之至少一者形成。在一些實施例中，第二部分214藉由濺鍍沈積形成，諸如藉由磁控濺鍍(例如，高功率脈衝磁控濺鍍(HIPIMS)、DC濺鍍等等)、RF濺鍍、電子束物理氣相沈積、離子束反應性濺鍍或其他PVD方法形成。然而，與第一部分212相比，第二部分214可在一不同、較高溫度下形成。舉例而言，第二部分214可在約300℃與約600℃之間的一溫度下形成，如上文描述。第二部分214可在與退火第一部分212及自由區域材料210之溫度相同之溫度下形成。在其他實施例中，第二部分214可在與退火第一部分212及自由區域材料210之溫度不同之一溫度下形成。藉由非限制性實例，第二部分214可在約300℃與約600℃之間(諸如在約300℃與約350℃之間，在約350℃與約400℃之間，在約400℃與約500℃之間或在約500℃與約600℃之間)的一溫度下形成。在一高溫下形成第二部分214可形成具有一增大晶體品質之一更理想配比材料。舉例而言，在第二部分214包含MgO之情況下，第二部分214可包含具有少於第一部分212之氧空位及間隙氧之理想配比量之氧。在一些實施例中，第一部分212及第二部分214之各者具有約1比1之鎂對氧之比率。
第二部分214可形成至相同於、大於或小於第一部分212之一厚 度。在一些實施例中，該比率為約1.5且穿隧障壁材料130之總厚度為約18Å。可定製第一部分212對第二部分214之厚度比率以增大穿隧障壁材料230之TMR且減少其之RA。穿隧障壁材料230可經形成以展現在約180%與約600%之間的一TMR及在約3歐姆μm2與約8歐姆μm2之間的一RA，如上文參考穿隧障壁材料130描述。在一些實施例中，第二部分214之厚度低於第一部分212之一厚度。
參考圖5C，一固定區域材料240可形成於穿隧障壁材料230之第二部分214上方。固定區域材料240可包含在穿隧障壁材料230之第二部分214上方之一第一磁性材料216、在第一磁性材料216上方之一耦合材料218及在耦合材料218上方之一第二磁性材料220。第一磁性材料216可包含一第一磁性子區域216a、一間隔件材料216b及一第二磁性子區域216c。第一磁性子區域216a、間隔件材料216b及第二磁性子區域216c之各者可由分別與上文描述之第一磁性子區域116a、間隔件116b及第二磁性子區域116c相同之材料形成。第一磁性材料216、耦合材料218及第二磁性材料220之各者可由分別與上文描述之第一磁性部分116、耦合材料118及第二磁性部分120相同之材料形成。固定區域材料240之第一磁性材料216及第二磁性材料220可包含藉由箭頭219指示之一固定磁性定向。
耦合材料218可形成於第一磁性材料216上方(例如，在第一磁性材料216之第二磁性子區域216c上方)。耦合材料218可形成於第一磁性材料216與第二磁性材料220之間。耦合材料218可藉由ALD、CVD、PVD、PECVD、LPCVD或其他膜沈積程序之至少一者形成。
第二磁性材料220可直接形成於耦合材料218上方。第二磁性材料220可以與第一磁性材料216相同之方式且由與第一磁性材料216相同之材料形成。
一上中間區域材料224可視情況形成於第二磁性材料220上方且 可包含與下中間區域材料206相同之材料。一上電極材料226可形成於上中間區域材料224(若存在)或第二磁性材料220上方。上電極材料226可由與上文參考上電極126描述相同之材料形成。
磁性記憶體單元200可經處理以形成如在圖1中展示之磁性記憶體單元100。磁性記憶體單元200結構可藉由習知微影術、材料移除、蝕刻或未在本文中詳細描述之其他程序處理。
儘管參考圖5A至圖5C描述之磁性記憶體單元200描述形成圖1之磁性記憶體單元100，然可藉由相似方法形成圖3之磁性記憶體單元100’。然而，固定區域材料240將形成於晶種材料208上方，穿隧障壁材料230之第一部分212將形成於固定區域材料240上方，且自由區域材料210將形成於穿隧障壁材料230之第二部分214上方，從而導致圖3之磁性記憶體單元。在其他實施例中，圖4之磁性記憶體單元100”可藉由形成自由區域材料210及固定區域材料240以展現一水平磁性定向而形成。
由第一部分212及第二部分214形成穿隧障壁材料230可增大磁穿隧接面之TMR且減少其之RA。MTJ 150可實質上不含缺陷，諸如穿隧障壁材料230之晶體結構內之氧空位或間隙氧。因此，穿隧障壁材料230在一高TMR及一低RA下可展現改良穿隧特性。
因此，揭示一種形成一半導體裝置之方法。該方法包括：在一基板上之一電極上方形成一磁性材料；在該磁性材料上方形成一第一穿隧障壁材料；退火該磁性材料及該第一穿隧障壁材料；在退火之第一穿隧障壁材料上方形成一第二穿隧障壁材料；在該第二穿隧障壁材料上方形成另一磁性材料；及在該另一磁性材料上方形成另一電極。
因此，揭示一種形成一磁穿隧接面之方法。該方法包括：在一第一溫度下在一磁性材料上方形成一障壁材料；退火障壁材料及磁性材料；在一第二溫度下在經退火障壁材料上方形成另一障壁材料；及 在該另一障壁材料上方形成另一磁性材料。
因此，揭示一種形成一半導體裝置之方法。該方法包括：在一基板上方形成一晶種材料；在該晶種材料上方形成一磁性材料；在一第一溫度下在該磁性材料上方形成氧化物材料；在高於第一溫度之一第二溫度下在該氧化物材料上方形成另一個氧化物材料；及在該另一個氧化物材料上方形成另一磁性材料。
參考圖6，繪示一STT-MRAM系統600，其包含與一STT-MRAM單元614可操作地通信之周邊裝置612，周邊裝置612之一分組可經製造以取決於系統要求及製造技術而形成呈包含數個列及行之一網格圖案或呈各種其他配置之一記憶體單元陣列。STT-MRAM單元614可包含一磁性單元核心601、一存取電晶體603、可用作一資料/感測線604(例如，一位元線)之一導電材料、可用作一存取線605(例如，一字線)之一導電材料及可用作一源極線606之一導電材料。STT-MRAM系統之周邊裝置612可包含讀取/寫入電路607、一位元線參考608及一感測放大器609。磁性單元核心601可係上文描述之磁性單元核心101、101’、101”之任一者。歸因於單元核心601之結構、製造方法或兩者，STT-MRAM單元614可具有一高TMR及一低MA電阻(例如，低RA乘積)。
在使用及操作中，當選擇程式化一STT-MRAM單元614時，將一程式化電流施加至STT-MRAM單元614，且藉由磁性單元核心601之固定區域使電流自旋極化且施加一扭矩於單元核心601之自由區域上，此將自由區域之磁化切換至「寫入」或「程式化」STT-MRAM單元614。在STT-MRAM單元614之一讀取操作中，使用一電流以偵測磁性單元核心601之電阻狀態。
為起始STT-MRAM單元614之程式化，讀取/寫入電路607可產生至資料/感測線604及源極線606之一寫入電流(即，一程式化電流)。資 料/感測線604與源極線606之間的電壓之極性判定磁性單元核心601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，根據程式化電流之自旋極性使自由區域磁化，且將程式化之邏輯狀態寫入至STT-MRAM單元614。
為讀取STT-MRAM單元614，讀取/寫入電路607產生透過單元核心601及存取電晶體603至資料/感測線604及源極線606之一讀取電壓。STT-MRAM單元614之程式化狀態係關於可藉由資料/感測線604與源極線606之間的電壓差判定之跨單元核心601之電阻。在一些實施例中，電壓差可與位元線參考608比較且藉由感測放大器609放大。
圖6繪示包含至少一磁性記憶體單元之一STT-MRAM系統600之一實例。然而，可預期，磁性單元核心101、101’、101”可經併入且用於經組態以併入具有磁性區域之一磁性單元核心之任何STT-MRAM系統內。亦可預期，磁性單元核心101、101’、101”可用於除STT-MRAM單元外之其他磁性記憶體單元中。
參考圖7，繪示根據本文中描述之一或多項實施例實施之一半導體裝置700之一簡化方塊圖。半導體裝置700包含一記憶體陣列702及一控制邏輯組件704。記憶體陣列702可包含複數個STT-MRAM單元614(圖6)，STT-MRAM單元614包含上文論述之磁性單元核心(例如，分別為圖1、圖3及圖4之磁性單元核心101、101’、101”)之任一者，該等磁性單元核心(例如，磁性單元核心101、101’、101”)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704可經組態以與記憶體陣列702可操作地互動，以自記憶體陣列702內之任何或所有記憶體單元(例如，STT-MRAM單元614(圖6))讀取或寫入至該等記憶體單元。
因此，揭示一種半導體裝置。該半導體裝置包括一磁性單元結構陣列，各磁性單元結構包括一基板上之一電極上方之一磁穿隧接 面，各磁穿隧接面包括在該基板上方之一磁性材料、在該磁性材料上方之一第一穿隧障壁材料、在該第一穿隧障壁材料上方之一第二穿隧障壁材料及在該第二穿隧障壁材料上方之另一磁性材料，各磁穿隧接面經組態以在小於約8歐姆μm2之一電阻面積乘積下展現在約180%與約600%之間的一穿隧磁阻。半導體裝置進一步包括另一磁性材料上方之另一電極。
參考圖8，描繪一基於處理器之系統800。基於處理器之系統800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800可為各種類型之任一者，諸如一電腦、呼叫器、蜂巢式電話、個人記事簿、控制電路或其他電子裝置。基於處理器之系統800可包含一或多個處理器802(諸如一微處理器)來控制基於處理器之系統800中之系統功能及請求之處理。基於處理器之系統800之處理器802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800可包含可與處理器802操作地通信之一電源供應器804。舉例而言，若基於處理器之系統800係一可攜式系統，則電源供應器804可包含一燃料電池、一電力採集裝置、永久電池、可更換電池及可充電電池之一或多者。電源供應器804亦可包含一AC轉接器；因此，舉例而言，基於處理器之系統800可插入至一壁式插座中。電源供應器804亦可包含一DC轉接器，使得例如基於處理器之系統800可插入至一汽車點煙器或一汽車電力埠中。
取決於基於處理器之系統800執行之功能，各種其他裝置可耦合至處理器802。舉例而言，一使用者介面806可耦合至處理器802。使用者介面806可包含輸入裝置，諸如按鈕、開關、一鍵盤、一光筆、一滑鼠、一數位板及尖筆、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808亦可耦合至處理器802。顯示器808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、一三維投影器、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810亦可耦合至處理器802。RF子系統/基頻處理器810可包含耦合至一RF接收器及一RF傳輸器之一天線(未展示)。一通信埠812或一個以上通信埠812亦可耦合至處理器802。舉例而言，通信埠812可經調適以耦合至一或多個周邊裝置814(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(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802可藉由實施儲存於記憶體中之軟體程式而控制基於處理器之系統800。舉例而言，軟體程式可包含一作業系統、資料庫軟體、繪圖軟體、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802以儲存及促進各種程式之執行。舉例而言，處理器802可耦合至系統記憶體816，系統記憶體816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816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816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816可包含半導體裝置(諸如圖7之半導體裝置700)、分別包含上文描述之圖1、圖3及圖4之磁性單元核心101、101’、101”之任一者之記憶體單元或其等之一組合。
處理器802亦可耦合至非揮發性記憶體818，此並非暗示系統記憶體816必須為揮發性。非揮發性記憶體818可包含結合系統記憶體816使用之STT-MRAM、MRAM、唯讀記憶體(ROM)(諸如一EPROM)、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818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，非揮發性記憶體818可包含一高容量記憶體(諸如磁碟機記憶體)，諸如包含(例如)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磁碟機。非揮發性記憶體818可包含半導體裝置(諸如圖7之半導體裝置700)、分別包含圖1、圖3及圖4之磁性單元核心101、101’、101”之任一者之記憶體單元或其等之一組合。
實例 實例
圖9係比較根據本發明之實施例形成之MTJ與藉由習知方法形成之MTJ之TMR相對於RA之一圖示。藉由在約20℃下在CoFeB磁性材料上方進行RF濺鍍而形成MgO穿隧障壁材料。在約500℃之一溫度下退火MgO及CoFeB以使CoFeB磁性材料在與MgO相同之晶體定向上結晶。藉由在約500℃下在經退火MgO上方進行RF濺鍍而形成一第二MgO穿隧障壁材料。另一CoFeB磁性材料形成於第二MgO穿隧障壁材料上方。鉭材料形成於CoFeB磁性材料上方且鈷/鈀磁性材料形成於鉭上方以完成MTJ結構。藉由在室溫下在CoFeB磁性材料上方形成MgO穿隧障壁材料而形成一習知MTJ。在約500℃之一溫度下退火MgO及CoFeB。另一CoFeB磁性材料形成於MgO上方。使用習知技術量測MTJ結構之TMR及RA。圖9之左上線展示根據本發明之實施例形成之MTJ之TMR及RA且右下線展示藉由習知方法形成之MTJ之TMR及RA。如在圖中展示，藉由本文揭示之方法形成之MTJ在低於藉由習知方法形成之MTJ之一RA下展現一更高之TMR。
圖10係根據本發明形成之MTJ之TMR相對於RA之一圖示。在一CoFeB磁性材料上方形成一第一MgO穿隧障壁材料至一第一厚度(「X」)。在約20℃下藉由RF濺鍍形成MgO。在約500℃之一溫度下 退火MgO及CoFeB以使CoFeB在與MgO相同之晶體定向上結晶。在經退火MgO上方在約500℃下藉由RF濺鍍形成一第二MgO穿隧障壁材料。第二MgO穿隧障壁材料經形成至一第二厚度(「Y」)。另一CoFeB磁性材料形成於第二MgO穿隧障壁材料上方。一鉭材料形成於CoFeB磁性材料上方且一鈷/鈀磁性材料形成於鉭上方以完成MTJ結構。藉由習知技術量測MTJ結構之TMR及RA。圖10描繪具有第一MgO穿隧障壁材料之厚度對第二MgO穿隧障壁材料之厚度之不同比率(即，X/Y)之MTJ之TMR及RA。因此，可定製X/Y之比率以形成在一所要RA下展現一所要TMR之一MTJ。
雖然已結合該等圖描述特定繪示性實施例，一般技術者將認知且瞭解藉由本發明涵蓋之實施例不限於本文明確展示且描述之該等實施例。實情係，可在不脫離藉由本發明涵蓋之實施例之範疇的情況下，對本文描述之實施例做出諸如下文主張之許多添加、刪除及修改，包含合法等效物。另外，來自一所揭示實施例之特徵可與另一所揭示實施例之特徵組合，同時仍涵蓋於本發明之範疇內。
100‧‧‧磁性記憶體單元
101‧‧‧磁性單元核心
102‧‧‧基板
104‧‧‧下電極
106‧‧‧下中間區域
108‧‧‧晶種材料
109‧‧‧箭頭
110‧‧‧自由區域
111‧‧‧介面
112‧‧‧第一部分
113‧‧‧介面
114‧‧‧第二部分
116‧‧‧第一磁性部分
116a‧‧‧第一磁性子區域
116b‧‧‧間隔件
116c‧‧‧第二磁性子區域
118‧‧‧耦合材料
119‧‧‧箭頭
120‧‧‧第二磁性部分
124‧‧‧上中間區域
126‧‧‧上電極
130‧‧‧穿隧障壁材料
140‧‧‧固定區域
150‧‧‧磁穿隧接面

Claims (20)

  1. 一種形成一半導體裝置之方法，該方法包括：在一基板上之一電極上方形成一磁性材料；在該磁性材料上方形成一氧化穿隧障壁材料之一第一部分；退火該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分；在該經退火之該氧化穿隧障壁材料之該第一部分上方形成該氧化穿隧障壁材料之一第二部分；在該氧化穿隧障壁材料之該第二部分上方形成另一磁性材料；及在該另一磁性材料上方形成另一電極。
  2. 如請求項1之方法，進一步包括在該基板上方形成一記憶體單元陣列，各記憶體單元包括該磁性材料、該氧化穿隧障壁材料之該第一部分、該氧化穿隧障壁材料之該第二部分及該另一磁性材料。
  3. 如請求項1之方法，其中在該磁性材料上方形成一氧化穿隧障壁材料之一第一部分包括在該磁性材料上方形成氧化鎂、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鉭及氧化釕中之至少一者。
  4. 如請求項1之方法，其中形成一氧化穿隧障壁材料之一第一部分包括藉由濺鍍沈積來形成氧化鎂。
  5. 如請求項1之方法，其中退火該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分包括使該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分結晶以展現相同晶體結構。
  6. 如請求項1之方法，其中在該經退火之該氧化穿隧障壁材料之該第一部分上方形成該氧化穿隧障壁材料之一第二部分包括在高於該氧化穿隧障壁材料之該第一部分之一溫度下形成該氧化穿 隧障壁材料之該第二部分。
  7. 如請求項1之方法，其中在該經退火之該氧化穿隧障壁材料之該第一部分上方形成該氧化穿隧障壁材料之一第二部分包括形成包括與該氧化穿隧障壁材料之該第一部分相同之材料之該氧化穿隧障壁材料之該第二部分。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中形成一氧化穿隧障壁材料之一第一部分包括形成該氧化穿隧障壁材料之該第一部分至該氧化穿隧障壁材料之該第二部分之一厚度之約1.0倍與約1.5倍之間之一厚度。
  9. 如請求項1至7中任一項之方法，其中在該磁性材料上方形成一氧化穿隧障壁材料之一第一部分包括在約20℃與約25℃之間之一溫度下形成該氧化穿隧障壁材料之該第一部分。
  10. 如請求項1至7中任一項之方法，其中退火該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分包括將該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分曝露於在約300℃與約600℃之間之一溫度。
  11. 如請求項1至7中任一項之方法，其中退火該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分包括在該氧化穿隧障壁材料之該第一部分上方形成該氧化穿隧障壁材料之該第二部分之前，退火該磁性材料及該氧化穿隧障壁材料之該第一部分。
  12. 如請求項1至7中任一項之方法，其中在該經退火之該氧化穿隧障壁材料之該第一部分上方形成該氧化穿隧障壁材料之一第二部分包括在約300℃與約600℃之間之一溫度下，形成該氧化穿隧障壁材料之該第二部分。
  13. 如請求項1至7中任一項之方法，其中：形成一氧化穿隧障壁材料之一第一部分包括在約0℃與約25℃ 之間之一溫度下，形成該氧化穿隧障壁材料之該第一部分；及形成該氧化穿隧障壁材料之一第二部分包括在約300℃與約600℃之間之一溫度下，形成該氧化穿隧障壁材料之該第二部分。
  14. 一種半導體裝置，其包括：一磁性單元結構陣列，各磁性單元結構包括在一基板之一電極上方之一磁穿隧接面，各磁穿隧接面包括：在該基板上方之一磁性材料；在該磁性材料上方之一氧化穿隧障壁材料之一第一部分；在該氧化穿隧障壁材料之該第一部分上方之該氧化穿隧障壁材料之一第二部分；及在該氧化穿隧障壁材料之該第二部分上方之另一磁性材料，各磁穿隧接面經組態以在低於約8歐姆μm2之一電阻面積乘積下展現在約180%與約600%之間之一穿隧磁阻；及在該另一磁性材料上方之另一電極。
  15. 如請求項14之半導體裝置，其中該磁性材料上方之該氧化穿隧障壁材料之該第一部分包括氧化鎂。
  16. 如請求項14之半導體裝置，其中該氧化穿隧障壁材料之該第一部分及該氧化穿隧障壁材料之該第二部分之每一者包括氧化鎂。
  17. 如請求項14至16中任一項之半導體裝置，其中各磁穿隧接面經組態以在約4歐姆μm2與約8歐姆μm2之間之一電阻面積乘積下展現在約180%與約205%之間之一穿隧磁阻。
  18. 如請求項14至16中任一項之半導體裝置，其中各磁穿隧接面經組態以在約6歐姆μm2與約7歐姆μm2之間之一電阻面積乘積下展現在約180%與約300%之間之一穿隧磁阻。
  19. 如請求項14至16中任一項之半導體裝置，其中該氧化穿隧障壁材料之該第一部分之一厚度對該氧化穿隧障壁材料之該第二部分之一厚度之一比率係在約1.0至約1.5之間。
  20. 如請求項14至16中任一項之半導體裝置，其中該氧化穿隧障壁材料之該第一部分展現高於該氧化穿隧障壁材料之該第二部分之一密度。
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