TWI619278B - 記憶體胞、半導體裝置及製造方法 - Google Patents

記憶體胞、半導體裝置及製造方法 Download PDF

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Abstract

磁性胞包含磁性區域、次級氧化物區域，以及吸氣劑晶種區域。在形成期間，擴散性物質由於由吸氣劑物質引起之化學親和力而自前驅物磁性材料轉移至該吸氣劑晶種區域。該磁性材料之空乏達成在無來自現在為富集的該吸氣劑晶種區域之干擾之情況下透過自一相鄰結晶材料之晶體結構傳播的空乏磁性材料之結晶。此促進高穿隧磁阻及高磁各向異性強度。亦在形成期間，另一擴散性物質由於由另一吸氣劑物質引起之化學親和力而自前驅物氧化物材料轉移至吸氣劑晶種區域。氧化物材料之空乏達成胞結構中之較低電阻及低阻尼。亦揭示製造方法及半導體裝置。

Description

記憶體胞、半導體裝置及製造方法 優先權主張
本申請案主張2014年10月16日申請之標題為「MEMORY CELLS,SEMICONDUCTOR DEVICES,AND METHODS OF FABRICATION」之序列號為14/516,347之美國專利申請案之申請日期的權益。
在各種實施例中，本發明一般而言係關於記憶體裝置設計及製造之領域。更特定地，本發明係關於表徵為自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)胞之記憶體胞之設計及製造，係關於此類記憶體胞中採用之半導體結構，且係關於併入有此類記憶體胞之半導體裝置。
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。一種類型之MRAM係自旋扭矩轉移MRAM(STT-MRAM)，其中一磁性胞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」)以及在該至少兩個磁性區域之間的一非磁性區域之一磁穿隧接面(「MTJ」)子結構。自由區域及固定區域可展現相對於區域之寬度而經水平地定向(「平面中」)或經垂直地定向(「平面外」)之磁性定向。固定區域包含具體一實質上固定(例如，一不可切換)磁性定向之一磁性材料。另一方面，自由區域包含一磁性材料具 有可在胞之操作期間在一「平行」組態與一「反平行」組態之間切換之一磁性定向。在平行組態中，固定區域及自由區域之磁性定向係被引導於相同方向上(例如，分別地北及北、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被引導於相反方向上(例如，分別地北及南、東及西、南及北，或西及東)。在平行組態中，STT-MRAM胞展現跨越磁阻元件(例如，固定區域及自由區域)之一較低電阻，其定義MRAM胞之一「0」邏輯狀態。在反平行組態中，STT-MRAM胞展現跨越磁阻元件之一較高電阻，其定義STT-MRAM胞之一「1」邏輯狀態。
自由區域之磁性定向之切換可藉由使一程式化電流通過包含固定區域及自由區域之磁性胞核心而實現。固定區域極化程式化電流之電子自旋，且在經自旋極化電流通過核心時形成扭矩。經自旋極化電子電流將扭矩施加於自由區域上。當經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，自由區域之磁性定向之方向切換。因此，程式化電流可用以變更跨越磁性區域之電阻。所得之跨越磁阻元件之高或低電阻狀態達成MRAM胞之寫入及讀取操作。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中之一者之後，自由區域之磁性定向通常期望在一「儲存」階段期間被維持，直至MRAM胞被重寫為一不同組態(亦即，被重寫為一不同邏輯狀態)。
某些STT-MRAM胞包含雙氧化物區域，亦即，除MTJ子結構之一「中間氧化物區域」(其亦可被稱為一「穿隧障壁」)以外的另一氧化物區域。自由區域可介於中間氧化物區域與該另一氧化物區域之間。自由區域曝露於兩個氧化物區域可增加自由區域之磁各向異性(「MA」)強度並降低胞核心中之阻尼。舉例而言，該等氧化物區域可經組態以誘發與(例如)自由區域之相鄰材料之表面/介面MA。MA係 對一磁性材料之磁性性質之方向相依性之一指示。因而，MA亦係材料之磁性定向之強度及其對磁性定向變更之阻力之一指示。與展現具有一較低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遭受其磁性定向之變更。此外，由雙氧化物區域提供之低阻尼可達成在胞之程式化期間之一低程式化電流之使用。具有一高MA強度之一自由區域可在儲存期間比具有一低MA強度之一自由區域更穩定，且具有低阻尼之一胞核心可比具有較高阻尼之一胞核心更有效地經程式化。
儘管與毗鄰於僅一個氧化物區域(亦即，中間氧化物區域)之一自由區域相比，雙氧化物區域可增加自由區域之MA強度並降低胞核心之阻尼，但與包括僅一個氧化物區域(亦即，中間氧化物區域)之一胞核心相比，該磁性胞核心中之氧化物材料之經添加量可增加核心之電阻(例如，串聯電阻)，此降低胞之有效磁阻(例如，穿隧磁阻(「TMR」))。經增加電阻亦增加胞之電阻區(「RA」)且可增加在程式化期間切換自由區域之磁性定向所需之電壓。經減小有效磁阻可使胞之效能降級，如經增加RA及程式化電壓可能造成的一樣。因此，形成STT-MRAM胞以具有圍繞自由區域之雙氧化物區域以獲得高MA強度及低阻尼而不使其他性質(諸如，磁阻(例如，TMR)、RA及程式化電壓)降級已呈現挑戰性。
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)胞之TMR。TMR係胞在反平行組態中之電阻(Rap)與其在平行組態中之電阻(Rp)之差對比Rp之一比率(亦即，TMR=(Rap-Rp)/Rp)。一般地，具有一個一致晶體結構(例如，一bcc(001)晶體結構)之一自由區域在其磁性材料之微結構中具有極少結構性缺陷，其具有比具有結構性缺陷之一薄自由區域高之一TMR。具有高TMR之一胞可具有一高讀出信號，此可加速在操作期間之MRAM胞之讀取。 高TMR可伴隨有高MA及低阻尼，從而達成低程式化電流之使用。
已做出形成一所要晶體結構之磁性材料之努力。此等努力包含將所要晶體結構自一相鄰材料(在本文中被稱為「晶種材料」)傳播至磁性材料(在本文中被稱為「目標磁性材料」)，此傳播可由使材料退火來協助。然而，同時使晶種材料及目標磁性材料兩者結晶可導致在晶種材料具有一所要晶體結構以完全地傳播至目標磁性材料之前使目標磁性材料以一非所要晶體結構結晶。因而，已做出以下努力：延遲目標磁性材料之結晶，直至在使晶種材料結晶成一所要晶體結構之後為止。此等努力已包含將一添加劑併入於目標磁性材料中，因此該材料在首次形成時係非晶的。添加劑可在退火期間擴散出目標磁性材料，從而使目標磁性材料能夠在晶種材料已結晶成所要晶體結構之後在自晶種材料之傳播下結晶。然而，此等努力不會禁止來自除了晶種材料之外的相鄰材料的競爭性晶體結構之傳播。此外，自目標磁性材料擴散之添加劑可擴散至其中該添加劑干擾結構之其他特性(例如，MA強度)的結構內之區域。因而，形成具有一所要微結構之一磁性材料(例如)以達成一高TMR且同時不使所得之結構之磁性材料之其他特性(諸如MA強度)退化亦可提出挑戰。
揭示一記憶體胞。該記憶體胞包括一磁性胞核心。該磁性胞核心包括一磁穿隧接面子結構，該磁穿隧接面子結構包括一固定區域、一自由區域，以及在該固定區域與該自由區域之間的一中間氧化物區域。一次級氧化物區域毗鄰該磁穿隧接面子結構。一吸氣劑晶種區域接近該次級氧化物區域且包括一氧吸氣劑物質鍵合至氧。該次級氧化物區域及該吸氣劑區域中之至少一者包括鍵合至經擴散的一經擴散物質之另一吸氣劑物質。
亦揭示包括具有鈷(Co)及鐵(Fe)之一磁性區域之一記憶體胞。該 磁性區域展現一可切換磁性定向。一個氧化物區域安置於該磁性區域與展現一實質上固定磁性定向之另一磁性區域之間。另一個氧化物區域毗鄰該磁性區域且包括接近與該磁性區域之一介面濃縮之氧。一非晶吸氣劑晶種區域毗鄰該另一個氧化物區域。該吸氣劑晶種區域包括氧、硼、一氧吸氣劑物質及一個硼吸氣劑物質。
亦揭示一種形成一記憶體胞之方法。該方法包括形成一前驅物結構。形成一前驅物結構包括在一基板上方形成一前驅物吸氣劑晶種材料。在該前驅物吸氣劑晶種材料上方形成一前驅物氧化物材料。在該前驅物氧化物材料上方形成一前驅物磁性材料。將來自該前驅物磁性材料之一擴散性物質擴散至該前驅物吸氣劑晶種材料，且將來自該前驅物氧化物材料之氧擴散至該前驅物吸氣劑晶種材料，以將該前驅物磁性材料之至少一部分轉換成一空乏磁性材料，將該前驅物氧化物材料之至少一部分轉換成一種氧空乏材料，且將該前驅物吸氣劑晶種材料之至少一部分轉換成一富集吸氣劑晶種材料。圖案化該前驅物結構，以形成包括由該富集吸氣劑晶種材料形成之一吸氣劑晶種區域、由該氧空乏材料形成之一次級氧化物區域以及由該空乏磁性材料形成之一自由區域之一胞核心結構。
亦揭示一種形成一半導體結構之方法。該方法包括在一基板上方形成一非晶前驅物吸氣劑晶種材料。該非晶前驅物吸氣劑晶種材料包括一硼吸氣劑物質及一氧吸氣劑物質。在該非晶前驅物吸氣劑晶種材料上方形成包括氧之一前驅物氧化物材料。在該前驅物氧化物材料上方形成包括硼之一前驅物磁性材料。在該前驅物磁性材料上方形成另一種氧化物材料。退火至少該前驅物磁性材料及該前驅物氧化物材料，以使來自該前驅物磁性材料之該硼與該非晶前驅物吸氣劑晶種材料之該硼吸氣劑物質反應且使來自該前驅物氧化物材料之該氧與該非晶前驅物吸氣劑晶種材料之該氧吸氣劑物質反應。
另外，揭示一種包括包含STT-MRAM胞之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。該等STT-MRAM胞中之至少一個STT-MRAM胞包括在一基板上方之一磁穿隧接面子結構。該磁穿隧接面子結構包括一自由區域、一固定區域，以及一中間氧化物區域。該自由區域展現一垂直可切換磁性定向。該固定區域展現一垂直實質上固定磁性定向。該中間氧化物區域係介於該自由區域與該固定區域之間。另一個氧化物區域接觸該自由區域。一非晶區域接近該自由區域及該另一個氧化物區域。該非晶區域包括硼及氧。
1A‧‧‧框
1B‧‧‧框
3A‧‧‧框
4A‧‧‧框
7A‧‧‧框
8A‧‧‧框
100‧‧‧磁性胞結構
101‧‧‧磁性胞核心
102‧‧‧基板
104‧‧‧上部電極
105‧‧‧下部電極
110‧‧‧固定區域
110'‧‧‧固定區域
110"‧‧‧固定區域
112‧‧‧箭頭
112B‧‧‧箭頭
113‧‧‧吡鄰氧化物部分
115‧‧‧中間部分
117‧‧‧毗鄰電極部分
118‧‧‧磁性子區域
119‧‧‧耦合劑子區域
120‧‧‧自由區域
120"‧‧‧自由區域
122‧‧‧箭頭
123‧‧‧磁穿隧接面子結構
123'‧‧‧磁穿隧接面子結構
130‧‧‧中間氧化物區域
131‧‧‧介面
132‧‧‧介面
140‧‧‧下部中間區域
150‧‧‧上部中間區域
170‧‧‧次級氧化物區域
172‧‧‧介面
178‧‧‧介面
180‧‧‧吸氣劑晶種區域
200‧‧‧中間結構
205‧‧‧導電材料
240‧‧‧下部中間材料
280‧‧‧前驅物吸氣劑晶種材料
281‧‧‧吸氣劑物質
281'‧‧‧額外吸氣劑物質
282‧‧‧另一吸氣劑物質
291‧‧‧濺鍍目標/目標
292‧‧‧濺鍍目標/目標
300‧‧‧中間結構
320‧‧‧前驅物磁性材料
321‧‧‧擴散性物質
321'‧‧‧經擴散物質
330‧‧‧氧化物材料
370‧‧‧前驅物氧化物材料
372‧‧‧另一擴散性物質
372'‧‧‧另一經擴散物質
400‧‧‧經退火中間結構/經退火結構
420‧‧‧空乏磁性材料
470‧‧‧空乏氧化物材料
480‧‧‧富集吸氣劑晶種材料
500‧‧‧前驅物結構
504‧‧‧另一導電材料/導電材料
510‧‧‧另一磁性材料
550‧‧‧上部中間材料
600‧‧‧磁性胞結構
601‧‧‧磁性胞核心
670‧‧‧吸氣劑次級氧化物區域
700‧‧‧中間結構
770‧‧‧前驅物吸氣劑氧化物材料
800‧‧‧經退火結構
870‧‧‧富集-空乏氧化物材料
900‧‧‧前驅物結構
1000‧‧‧自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體系統
1002‧‧‧磁性胞核心
1003‧‧‧存取電晶體
1004‧‧‧資料/感測線
1005‧‧‧存取線
1006‧‧‧源極線
1007‧‧‧讀取/寫入電路
1008‧‧‧位元線參考
1009‧‧‧感測放大器
1012‧‧‧周邊裝置
1014‧‧‧自旋扭矩轉移磁性隨機存取記憶體胞
1100‧‧‧半導體裝置
1102‧‧‧記憶體陣列
1104‧‧‧控制邏輯組件
1200‧‧‧基於處理器之系統
1202‧‧‧處理器
1204‧‧‧電源供應器
1206‧‧‧使用者介面
1208‧‧‧顯示器
1210‧‧‧RF子系統/基頻處理器
1212‧‧‧通信埠
1214‧‧‧周邊裝置
1216‧‧‧系統記憶體
1218‧‧‧非揮發性記憶體
圖1係根據本發明之一實施例之一磁性胞結構之一剖面立視示意性圖解說明，其中一吸氣劑晶種區域毗鄰於一次級氧化物區域。
圖1A係根據本發明之一替代實施例之圖1之框1A之一放大視圖，其中固定區域包含一個毗鄰氧化物部分、一中間部分以及一毗鄰電極部分。
圖1B係根據本發明之一替代實施例之圖1之框1B之一視圖，其中固定區域及自由區域展現平面內磁性定向。
圖2至圖5係根據本發明之實施例之在製造圖1、圖1A及圖1B之磁性胞結構之各個處理階段期間之剖面立視示意性圖解說明，其中：圖2係在形成一前驅物吸氣劑晶種材料之一處理階段期間之一結構之一剖面立視示意性圖解說明；圖3係繼圖2之處理階段之後的一處理階段之一剖面立視示意性圖解說明，其中一前驅物氧化物材料及一前驅物磁性材料經形成以上覆於前驅物吸氣劑晶種材料上；圖3A係圖3之框3A之一放大視圖；圖4係繼圖3之處理階段之後的一處理階段之一剖面立視示意性圖解說明，其中圖3之結構已經退火； 圖4A係圖4之框4A之一放大視圖；及圖5係根據本發明之一實施例之在繼圖4之處理階段之後的一處理階段期間之一前驅物結構之一剖面立視示意性圖解說明。
圖6係根據本發明之另一實施例之一磁性胞結構之一剖面立視示意性圖解說明，其中一吸氣劑晶種區域毗鄰於一吸氣劑次級氧化物區域。
圖7至圖9係根據本發明之實施例之在製造圖6之磁性胞結構之各個處理階段期間之剖面立視示意性圖解說明，其中：圖7係在一處理階段期間之一結構之一剖面立視示意性圖解說明，其中一前驅物吸氣劑氧化物材料及一前驅物磁性材料經形成以上覆於一前驅物吸氣劑晶種材料上；圖7A係圖7之框7A之一放大視圖；圖8係繼圖7之處理階段之後的一處理階段之一剖面立視示意性圖解說明，其中圖7之結構已經退火；圖8A係圖8之框8A之一放大視圖；及圖9係根據本發明之一實施例之繼圖8之處理階段之後的一處理階段期間之一前驅物結構之一剖面立視示意性圖解說明。
圖10係根據本發明之一實施例之包含具有一磁性胞結構之一記憶體胞之一STT-MRAM系統之一示意圖。
圖11係根據本發明之一實施例之包含具有一磁性胞結構之記憶體胞之一半導體裝置結構之一簡化方塊圖。
圖12係根據本發明之一或多個實施例實施之一系統之一簡化方塊圖。
揭示記憶體胞、半導體結構、半導體裝置、記憶體系統電子系統、形成記憶體胞之方法，以及形成半導體結構之方法。在記憶體胞 之製造期間，由於一「擴散性物質」與一接近材料(諸如，一「前驅物吸氣劑晶種材料」)之至少一個「吸氣劑物質」之間的一化學親和力而自一磁性材料(其亦可在本文中表徵為一「前驅物磁性材料」)至少部分地移除該擴散性物質。另外，在記憶體胞之製造期間，由於另一擴散性物質(諸如，氧)與前驅物吸氣劑晶種材料之至少另一吸氣劑物質(諸如，一氧吸氣劑物質)之間的一化學親和力而自一種氧化物材料(其亦可在本文中表徵為一「前驅物氧化物材料」)至少部分地移除該氧。
例如，由於自另一相鄰材料之晶體結構傳播，因此自前驅物磁性材料(其形成可表徵為一「空乏磁性材料」之材料)移除擴散性物質促進空乏磁性材料結晶成一所要晶體結構(例如，一bcc(001)結構)。此結晶促成所得之胞核心結構中之高穿隧磁阻(「TMR」)。
自前驅物氧化物材料(其形成可表徵為一「氧空乏材料」之材料)移除氧降低氧化物材料之電阻，此促成所得之胞核心結構之低阻尼及低電阻區(「RA」)。因此，所得之胞核心結構包含接近自由區域之雙氧化物區域，而無實質上增加阻尼及電阻之次級氧化物區域。
如本文中所使用，術語「基板」意指及包含在其上形成諸如記憶體胞內之組件之組件的一基底材料或其他構造。基板可係一半導體基板、在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種材料、結構或區域之一半導體基板。基板可係一習用矽基板或包括一半導電材料之其他塊體基板。如本文中所使用，術語「塊體基板」不僅意指及包含矽晶圓，而且意指及包含絕緣體上矽(「SOI」)基板(諸如，藍寶石上矽(「SOS」)基板或玻璃上矽(「SOG」)基板)、位於一基底半導體基礎上之磊晶矽層，或其他半導體或光電子材料(諸如，矽-鍺(Si1-xGex)(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)。此外，當在以下闡述中提及一「基板」時，可能已利用先前製程步驟在基底半導體結構或基礎中形成材料、區域或接面。
如本文中所使用，術語「STT-MRAM胞」意指及包含包括具有安置於一自由區域與一固定區域之間的一非磁性區域之一磁性胞核心之一磁性胞結構。非磁性區域可係一磁穿隧接面(「MTJ」)結構之一電絕緣性(例如，介電)區域。MTJ結構包括自由區域與固定區域之間的非磁性區域。舉例而言，自由區域與固定區域之間的非磁性區域可係一個氧化物區域(在本文中被稱為「中間氧化物區域」)。
如本文中所使用，術語「次級氧化物區域」係指除了中間氧化物區域之外的一STT-MRAM胞之一個氧化物區域。次級氧化物區域可經配製及定位以誘發與一相鄰磁性材料(例如，自由區域)之磁各向異性(「MA」)。
如本文中所使用，術語「磁性胞核心」意指及包含包括自由區域及固定區域且在記憶體胞之使用及操作期間電流可通過(亦即，流過)其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之一記憶體胞結構。
如本文中所使用，術語「磁性區域」意指展現磁性之一區域。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。
如本文中所使用，術語「磁性材料」意指及包含鐵磁性材料、亞鐵磁性材料、反鐵磁性材料，以及順磁性材料。
如本文中所使用，術語「CoFeB材料」及「CoFeB前驅物材料」意指及包含包括鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)之一材料(例如，CoxFeyBz，其中x=10至80，y=10至80，且z=0至50)。一CoFeB材料或一CoFeB前驅物材料可或可不展現磁性，此取決於其組態(例如，其厚度)。
如本文中所使用，術語「物質」意指及包含來自組成一材料之元素週期表之一或多個元素。舉例而言(而非限制)，在一CoFeB材料 中，Co、Fe及B中之每一者可被稱為CoFeB材料之物質。
如本文中所使用，術語「擴散性物質」意指及包含其缺失將不會阻止一材料之所要功能性的該材料之一化學物質。舉例而言(而非限制)，在一磁性區域之一CoFeB材料中，硼(B)可被稱為一擴散性物質，此乃因在不存在硼(B)之情況下，鈷(Co)及鐵(Fe)亦可用作一磁性材料(亦即，展現磁性)。作為另一實例(而非限制)，在一次級氧化物區域之一個氧化鎂(MgO)材料中，氧(O)可被稱為一擴散性物質，此乃因在材料中存在實質上較少氧(O)之情況下，MgO亦可用以誘發與一相鄰磁性材料之MA。舉例而言，只要沿著與磁性材料之一介面存在氧(O)，MgO便可用以誘發介面MA，即使在誘發材料之主體之整個其餘部分中皆不存在氧(O)。繼擴散之後，「擴散性物質」可被稱為一「經擴散物質」。
如本文中所使用，術語「空乏」在用以闡述一材料時闡述自一前驅物材料整體或部分地移除一擴散性物質所得之一材料。
如本文中所使用，術語「富集」在用以闡述一材料時闡述經擴散物質已添加(例如，轉移)至其之一材料。
如本文中所使用，術語「前驅物」在係指一材料、區域或結構時意指及係指轉變為一所得之材料、區域或結構的一材料、區域或結構。舉例而言(而非限制)，一「前驅物材料」可係指一物質自其擴散以將前驅物材料轉變為一空乏材料之一材料；一「前驅物材料」可係指一物質擴散至其中以將前驅物材料轉變為一富集材料之一材料；一「前驅物材料」可係指一物質將擴散至其中且另一物質將自其擴散以將前驅物材料轉變成一「富集-空乏」材料之一材料；且「一前驅物結構」可係指將經圖案化以將前驅物結構轉變成一所得之經圖案化結構之材料或區域之一結構。
如本文中所使用，除非上下文指出，否則術語「由…形成」在 闡述一材料或區域時係指已自一前驅物材料或前驅物區域之一轉變之一動作所得之一材料或區域。
如本文中所使用，術語「化學親和力」意指及係指不相似化學物質趨向於藉由其形成化學化合物之電子性質。化學親和力可由化學化合物之形成熱指示。舉例而言，闡述為(例如)與擴散性物質和一第二材料構件之其他物質之間的化學親和力相比對該第二材料之一擴散性物質具有一較高化學親和力的一第一材料包含包括擴散性物質及來自第一材料之至少一個物質之一化學化合物之一形成熱低於包含擴散性物質及第二材料之其他物質之一化學化合物之一形成熱。
如本文中所使用，術語「非晶」在係指一材料時意指及係指具有一非結晶結構之一材料。舉例而言(而非限制)，一「非晶」材料包含玻璃。
如本文中所使用，術語「固定區域」意指及包含包括一磁性材料且在STT-MRAM胞之使用及操作期間具有一固定磁性定向的STT-MRAM胞內之一磁性區域，此乃因實現胞核心之一個磁性區域(例如，自由區域)之磁化方向之一改變的一電流或經施加場不可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及視情況地一或多個非磁性材料。舉例而言，固定區域可經組態為包含由磁性子區域鄰接之一釕(Ru)子區域的一合成反鐵磁體(SAF)。另一選擇係，固定區域可組態有磁性材料與耦合劑材料之交替性子區域之結構。磁性子區域中之每一者可包含一或多種材料及其中之一或多個區域。作為另一實例，固定區域可經組態為一單個均質磁性材料。因此，固定區域可具有均勻磁化，或總體上實現具有在STT-MRAM胞之使用及操作期間之一固定磁性定向之固定區域的不同磁化之子區域。
如本文中所使用，術語「耦合劑」在係指一材料、區域或子區域時意指及包含經配製或以其他方式經組態以反鐵磁性地耦合相鄰磁 性材料、區域或子區域之一材料、區域或子區域。
如本文中所使用，術語「自由區域」意指及包含包括一磁性材料且具有在STT-MRAM胞之使用及操作期間之一可切換磁性定向的STT-MRAM胞內之一磁性區域。磁性定向可藉由施加一電流或經施加場而在一平行組態與一反平行組態之間進行切換。
如本文中所使用，「切換」意指及包含在其期間程式化電流通過STT-MRAM胞之磁性胞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的記憶體胞之一使用及操作階段。
如本文中所使用，「儲存」意指及包含在其期間程式化電流不通過STT-MRAM胞之磁性胞核心且其中不有目的地變更自由區域及固定區域之磁性定向之平行或反平行組態的記憶體胞之一使用及操作階段。
如本文中所使用，術語「垂直」意指及包含垂直於各別區域之寬度及長度之一方向。「垂直」亦可意指及包含垂直於STT-MRAM胞位於其上之基板之一初級表面之一方向。
如本文中所使用，術語「水平」意指及包含平行於各別區域之寬度及長度中之至少一者之一方向。「水平」亦可意指及包含平行於STT-MRAM胞位於其上之基板之一初級表面之一方向。
如本文中所使用，術語「子區域」意指及包括包含於另一區域中之一區域。因此，一個磁性區域可包含一或多個磁性子區域，亦即，磁性材料之子區域，以及非磁性子區域，亦即，非磁性材料之子區域。
如本文中所使用，術語「子結構」意指及包括包含為另一結構之部分之一結構。因此，一個胞核心結構可包含一或多個子結構(例如，一MTJ子結構)。
如本文中所使用，術語「在…之間」係用以闡述一種材料、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「在…之間」」可涵蓋一種材料、區域或子區域直接毗鄰於其他材料、區域或子區域之一安置以及一種材料、區域或子區域間接毗鄰於其他材料、區域或子區域之一安置兩者。
如本文中所使用，術語「接近於」係用以闡述一種材料、區域或子區域靠近於另一材料、區域或子區域之安置之一空間相對術語。術語「接近」包含間接毗鄰於、直接毗鄰於以及在…內部之安置。
如本文中所使用，將一元件指代為「在另一元件上」或「在另一元件上方」意指及包含該元件直接在另一元件之頂部上、鄰近於另一元件、在另一元件下方或與另一元件直接接觸。其亦包含所述元件間接在另一元件之頂部上、鄰近於另一元件、在另一元件下方或靠近另一元件，其中在其之間具有其他元件。相反，當提及一元件「直接位於另一元件上」或「直接毗鄰於另一元件」時，不存在插入元件。
如本文中所使用，為便於說明，可使用其他空間相對術語(諸如「下面」、「下部」、「底部」、「上面」、「上部」、「頂部」及諸如此類)來闡述一個元件或特徵與另一(另外)元件或特徵之關係，如諸圖中所圖解說明。除非另有規定，否則該等空間相對術語意欲除圖中所繪示之定向以外亦涵蓋材料之不同定向。舉例而言，若倒轉諸圖中之材料，則闡述為在其他元件或特徵「下面」或「下方」或「之底部上」之元件將經定向為在該等元件或特徵「上面」或「之頂部上」。因此，術語「在…下面」可涵蓋在…上面及在…下面之一定向兩者，此取決於使用該術語之內容脈絡，此將為熟習此項技術者所明瞭。可以其他方式定向材料(旋轉90度、反轉等)且相應地解釋本文中所使用之空間相對闡述語。
如本文中所使用，術語「包括(comprise/comprising)」及/或「包含(include/including)」指定所述特徵、區域、階段、操作、元件、材 料、組件及/或群組之存在，但不排除一或多個其他特徵、區域、階段、操作、元件、材料、組件及/或其群組之存在或添加。
如本文中所使用，「及/或」包含相關聯所列舉項目中之一或多者之任一及所有組合。
如本文中所使用，除非上下文另有明確指示，否則單數形式「一(a/an)」及「該(the)」意欲亦包含複數形式。
本文中所呈現之圖解說明並非意在作為任何特定資料、物質、結構、裝置或系統之實際視圖，而僅係用於闡述本發明之實施例之理想化表示。
本文中參考係示意性圖解說明之剖面圖解說明來闡述實施例。因此，將預期由(例如)製造技術及/或公差引起之圖解說明之形狀之變化。因此，本文中所闡述之實施例不應理解為限於如所圖解說明之特定形狀或區域，而可包含由(例如)製造技術產生之形狀偏差。舉例而言，圖解說明或闡述為箱形狀之一區域可具有粗糙及/或非線性特徵。此外，所圖解說明之銳角可經修圓。因此，圖中所圖解說明之材料、特徵及區域本質上係示意性的，且其形狀並非意欲圖解說明一材料、特徵及區域之精確形狀且並非意欲限制本發明之申請專利範圍之範疇。
以下闡述提供特定細節(諸如，材料類型及處理條件)以便提供對所揭示裝置及方法之實施例之一透徹闡述。然而，熟習此項技術者應理解，可在不採用此等特定細節之情況下實踐該等裝置及方法之實施例。實際上，該等裝置及方法之實施例可結合喊個中所採用之習用半導體製造技術來實踐。
本文中所闡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。該程序流程之剩餘部分係熟習此項技術者已知的。因此，本文中僅闡述理解本發明裝置及方法之實施例所必需之方法及 半導體裝置結構。
除非上下文另有指示，否則本文中所闡述之材料可藉由任何適合技術來形成，包含(但不限於)旋塗、毯覆式塗覆、化學汽相沈積(「CVD」)、原子層沈積(「ALD」)、電漿增強ALD及物理汽相沈積(「PVD」)(例如，濺鍍)或磊晶生長。取決於將形成之具體材料，用於沈積或生長材料之技術可由熟習此項技術者選擇。
除非上下文另有指示，否則本文中所闡述之材料之移除可藉由任何適合技術來實現，包含(但不限於)蝕刻、離子研磨、磨料平面化或其他已知方法。
現在將參考圖式，其中在通篇中相似編號指代相似組件。圖式未必按比例繪製。
揭示一記憶體胞。該記憶體胞包含包括一磁穿隧接面(「MTJ」)子結構、一次級氧化物區域及一吸氣劑晶種區域之一磁性胞核心。該吸氣劑晶種區域包括對MTJ子結構之一前驅物磁性材料之一擴散性物質具有一化學親和力之一吸氣劑物質。該吸氣劑晶種區域亦包括對來自次級氧化物區域之氧具有一化學親和力之一氧吸氣劑物質。在記憶體胞形成期間，擴散性物質自前驅物磁性材料轉移至吸氣劑晶種區域。亦在記憶體胞形成期間，來自次級氧化物區域之氧自一前驅物氧化物材料轉移至吸氣劑晶種區域。
自前驅物磁性材料移除擴散性物質可達成及改良所得之空乏磁性材料之結晶。舉例而言，一旦擴散性物質已經自前驅物磁性材料移除，一結晶結構便可自一相鄰結晶材料(例如，(例如)MTJ子結構之中間氧化物區域之一結晶氧化物材料)傳播至空乏磁性材料。此外，所得之富集吸氣劑晶種區域可保持或變成非晶的。富集陷阱材料之非晶性質可不對抗或以其他方式消極地影響來自毗鄰結晶材料(例如，中間氧化物區域之氧化物材料)之晶體結構至空乏磁性材料之傳播。在 某些實施例中，富集陷阱材料可甚至在高溫(例如，大於約300℃，例如大於約500℃)下係非晶的。因而，一高溫退火可用以在不使富集吸氣劑晶種材料結晶之情況下促進空乏磁性材料之結晶。空乏磁性材料之結晶可達成一高TMR(例如，大於約100%，例如大於約120%)。此外，經擴散物質經由與吸氣劑物質之鍵合而留存於富集吸氣劑晶種材料中可禁止經擴散物質干擾沿著磁性區域與一毗鄰中間氧化物區域之間的介面之MA誘發。在不限於任一個理論之情況下，將考量非磁性材料與磁性材料之間(例如，在磁性區域中之鐵(Fe)與非磁性區域中之氧(O)之間，亦即，鐵-氧(Fe-O)鍵合)的鍵合可貢獻於較高MA強度及高TMR。在空乏磁性材料與相鄰氧化物區域之間的介面處較少或無擴散性物質可使得能夠形成較大之誘發MA之鍵合及自旋過濾之鍵合。因而，無經擴散物質對誘發MA之鍵合之干擾可達成高MA強度及TMR。
自次級氧化物區域之前驅物氧化物材料移除氧可達成次級氧化物區域之所得之空乏氧化物材料中之一低電阻及最終胞核心結構中之低阻尼。然而，考量並非自前驅物氧化物材料移除所有氧。而是，餘留於所得之空乏氧化物材料中之任何氧(其可在本文中被稱為「殘餘氧」)可包含沿著次級氧化物區域與MTJ子結構中之自由區域之(例如)一相鄰磁性材料之間的一介面之一最大濃度的氧。因此，空乏磁性材料中之(例如)鐵(Fe)與空乏氧化物區域中之殘餘氧(O)之間的誘發MA之鍵合仍可形成及誘發介面MA。因此，雙氧化物區域可用以促進高MA誘發，而次級氧化物區域中之氧濃度之空乏可達成胞核心結構中之低電阻及低阻尼，即使具有包含於該結構中之一第二氧化物區域。
藉助於來自前驅物磁性材料之擴散性物質之空乏以促成結晶，且藉助於來自前驅物氧化物材料之氧之空乏以促成低電阻及低阻尼，可形成具有高TMR、高MA強度、低電阻(包含低電阻區(「RA」))以 及低阻尼之一磁性記憶體胞。
圖1圖解說明根據本發明之一磁性胞結構100之一實施例。磁性胞結構100包含一基板102上方之一磁性胞核心101。磁性胞核心101可安置於一上部電極104與一下部電極105之間。磁性胞核心101包含一磁性區域及另一磁性區域，例如分別地一「固定區域」110及一「自由區域」120，其中在「固定區域」110與「自由區域」120之間具有一個氧化物區域(例如，一「中間氧化物區域」130)。固定區域110、自由區域120以及固定區域110與自由區域120之間的中間氧化物區域130之子結構可在本文中被稱為一磁穿隧接面(「MTJ」)子結構123或MTJ結構123。因此，中間氧化物區域130可經組態為一穿隧障壁區域且可沿著介面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中之任一者或兩者可均質地形成或視情況地可經形成以包含一個以上子區域。舉例而言，參考圖1A，在某些實施例中，磁性胞核心101(圖1)之一固定區域110'可包含多個部分。舉例而言，固定區域110'可包含一個毗鄰氧化物部分113之一磁性子區域。一中間部分115(諸如，一導電子區域)可分離毗鄰氧化物部分113與一毗鄰電極部分117。毗鄰電極部分117可包含磁性子區域118與耦合劑子區域119之一交替性結構。
繼續參考圖1，一或多個下部中間區域140可視情況地安置於磁性區域(例如，固定區域110及自由區域120)下方，且一或多個上部中間區域150可視情況地安置於磁性胞結構100之磁性區域上方。下部中間區域140及上部中間區域150(若包含)可經組態以在記憶體胞之操作期間禁止分別在下部電極105與上覆材料以及上部電極104與下伏材料之間的物質擴散。下部中間區域140及上部中間區域150可另外或另一選擇係包含經配製以促進相鄰材料中之所要結晶之材料。
一次級氧化物區域170接近於MTJ子結構123而安置。舉例而言，次級氧化物區域170可毗鄰自由區域120。在某些實施例中，次級氧化物區域170可沿著一介面172直接實體地接觸自由區域120。此類次級氧化物區域170因此可經安置以誘發自由區域120之磁性材料中之介面MA。在此類實施例中，磁性胞結構100可經組態有一「雙氧化物」結構。
自由區域120亦接近於一吸氣劑晶種區域180而安置。在某些實施例中，吸氣劑晶種區域180可藉由次級氧化物區域170而與自由區域120隔離。在某些實施例中，吸氣劑晶種區域180可沿著一介面178直接實體地接觸次級氧化物區域170。吸氣劑晶種區域180由包括至少一個吸氣劑物質之一前驅物吸氣劑晶種材料形成。在某些實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料包括至少兩個吸氣劑物質，該至少兩個吸氣劑物質中之至少一者經配製以對來自一相鄰前驅物磁性材料之一擴散性物質具有一化學親和力，且該等吸氣劑物質中之至少另一者經配製以對來自一相鄰前驅物氧化物材料之一擴散性物質(諸如，氧)具有一化學親和力。在某些實施例中，下文關於圖6至圖9進一步地論述，對前驅物磁性材料之擴散性物質具有一化學親和力之吸氣劑物質亦可包含於次級氧化物區域170中。每一吸氣劑物質可具有比對應相鄰前驅物材料之其他物質與對應目標擴散性物質之間的化學親和力高的對於其對應目標擴散性物質之一化學親和力。
前驅物磁性材料之擴散性物質之初始存在可禁止前驅物磁性材料之結晶，但吸氣劑晶種區域180接近於前驅物磁性材料可達成擴散性物質自前驅物磁性材料至吸氣劑晶種區域180之材料之擴散。一旦經擴散，經擴散物質可與吸氣劑物質發生化學反應，從而形成保持於最終結構中之吸氣劑晶種區域180中之一化合物。
自前驅物磁性材料移除擴散性物質留下能夠結晶成一所要晶體 結構(例如，一bcc(001))之一空乏磁性材料(亦即，具有與在擴散之前之一濃度相比一較低濃度之擴散性物質之一磁性材料)。所要晶體結構可自一或多個相鄰材料(例如，中間氧化物區域130之氧化物)傳播。具有所要晶體結構之經結晶空乏磁性材料可展現高TMR(例如，大於約100%(約1.00)，例如大於約120%(約1.20))。
前驅物氧化物材料之擴散性物質可係氧(O)，且其在前驅物氧化物材料中之初始存在貢獻於氧化物材料中之電阻及高阻尼。吸氣劑晶種區域180接近於前驅物氧化物材料可達成氧(O)自前驅物氧化物材料至吸氣劑晶種區域180之擴散。一旦經擴散，經擴散氧(O)可與其他吸氣劑物質(其可在本文中被稱為「氧吸氣劑物質」)發生化學反應，從而形成保持於最終結構中之氧吸氣劑晶種區域180中之一個氧化化合物。
在某些實施例中，吸氣劑晶種區域180可經配製為非晶的且在相鄰空乏磁性材料結晶時保持非晶。因此，吸氣劑晶種區域180之前驅物材料可在初始地形成時係非晶的且(例如)即使在一退火期間之高溫下且即使曾富集有來自前驅物磁性材料及前驅物氧化物材料之經擴散物質仍可保持非晶。因此，吸氣劑晶種區域180之材料不可禁止相鄰空乏磁性材料之結晶。
吸氣劑晶種區域180之厚度、組合物及結構可經選擇以在吸氣劑晶種區域180中為來自前驅物磁性材料之擴散性物質提供一充足量之吸氣劑物質且為來自前驅物氧化物材料之擴散性氧(O)提供一充足量之氧吸氣劑物質，以具有一所要容量以接納並鍵合來自相鄰前驅物磁性材料及相鄰前驅物氧化物材料之經擴散物質。與一較薄吸氣劑晶種區域相比，一較厚吸氣劑晶種區域可具有對經擴散物質之一相對較高容量。根據一實施例，諸如圖1中所圖解說明之實施例，吸氣劑晶種區域180可具有介於約7.5Å(約0.75nm)至約30Å(約3.0nm)之間的厚 度。
次級氧化物區域170之厚度、組合物及結構可經選擇以達成來自前驅物磁性材料之擴散性物質穿過次級氧化物區域170之材料至吸氣劑晶種區域180之擴散。舉例而言，次級氧化物區域170之厚度可經修改以具有一充分高之厚度使得沿著與自由區域120之介面172誘發介面MA，同時具有一充分低之厚度使得來自前驅物磁性材料之擴散性物質可擴散穿過次級氧化物區域170且使得充足氧可擴散出次級氧化物區域170之材料以到達吸氣劑晶種區域180，從而提供低電阻及低阻尼。因而，次級氧化物區域170之厚度可小於MTJ子結構123中之中間氧化物區域130之厚度。根據一實施例，諸如圖1中圖解說明之實施例，次級氧化物區域170可具有介於約2Å(約0.2nm)至約10Å(約1.0nm)之厚度，而中間氧化物區域130之厚度可介於約5Å(約0.5nm)至約10Å(約1.0nm)之間。
在某些實施例(未圖解說明)中，可存在額外吸氣劑晶種區域。舉例而言，另一吸氣劑晶種區域可安置於次級氧化物區域170內部或側向地毗鄰於次級氧化物區域170及自由區域120中之一者或兩者而安置。額外吸氣劑晶種區域亦可經配製以接納來自自由區域120之前驅物磁性材料之經擴散物質且經配製以接納自次級氧化物區域170之前驅物氧化物材料擴散之氧。
繼續參考圖1，在其中吸氣劑晶種區域180接近於自由區域120之實施例中，吸氣劑晶種區域180可藉由一或多個其他區域(例如，藉由自由區域120、中間氧化物區域130，以及次級氧化物區域170)與固定區域110實體地隔離。因而，吸氣劑晶種區域180之吸氣劑物質可不與固定區域110之物質發生化學反應。
圖1之磁性胞結構100經組態為一「頂部經釘紮」記憶體胞，亦即，其中固定區域110安置於自由區域120上方之一記憶體胞。在其他 實施例(未圖解說明)中，記憶體胞可經組態為一「底部經釘紮」記憶體胞，亦即，其中固定區域110安置於自由區域120下方之一記憶體胞。在此類實施例中，次級氧化物區域170可上覆於自由區域120上，且吸氣劑晶種區域180可上覆於次級氧化物區域170上。但是，吸氣劑晶種區域180可經配製以接納自自由區域120之前驅物磁性材料擴散之一物質，從而達成來自中間氧化物區域130之一所要晶體結構至空乏磁性材料之傳播，且接納自次級氧化物區域170之前驅物氧化物材料擴散之氧，從而達成次級氧化物區域中之低電阻及低阻尼。因此，本文中圖解說明或以其他方式闡述為「頂部經釘紮」之任何實施例可另一選擇係(例如)藉由胞核心結構(例如，圖1之胞核心結構101)之區域之次序之反轉而實現為一「底部經釘紮」組態。
本發明之實施例之記憶體胞可經組態為平面外STT-MRAM胞(如在圖1中)，或另一選擇係，經組態為平面中STT-MRAM胞(如在圖1B中所圖解說明)。「平面中」STT-MRAM胞包含展現主導地在一水平方向上定向之一磁性定向之磁性區域，而「平面外」STT-MRAM胞包含展現主導地在一垂直方向上定向之一磁性定向之磁性區域。舉例而言，如在圖1中所圖解說明，STT-MRAM胞可經組態以展現磁性區域(例如，固定區域110及自由區域120)中之至少一者中之一垂直磁性定向。所展現之垂直磁性定向可由垂直磁各向異性(「PMA」)強度表徵。如在圖1由箭頭112及雙向箭頭122所指示，在某些實施例中，固定區域110及自由區域120中之每一者可展現一垂直磁性定向。固定區域110之磁性定向可保持「實質上固定的」，亦即，在STT-MRAM胞之整個操作中被引導於基本上相同方向上(例如，由圖1之箭頭112指示之方向)。另一方面，自由區域120之磁性定向可在胞之操作期間在一平行組態與一反平行組態(如由圖1之雙向箭頭122所指示)之間切換。作為另一實例，如在圖1B中所圖解說明，一平面中STT-MRAM 胞可經組態以展現一MTJ子結構123'之磁性區域(例如，一固定區域110"及一自由區域120")中之至少一者之一水平磁性定向，如由固定區域110"中之箭頭112B以及自由區域120"中之箭頭122B所指示。
因此，揭示包括一磁性胞核心之一記憶體胞。該磁性胞核心包括一磁穿隧接面子結構，該磁穿隧接面子結構包括一固定區域、一自由區域，以及固定區域與自由區域之間的一中間氧化物區域。一次級氧化物區域毗鄰磁穿隧接面子結構。一吸氣劑晶種區域接近次級氧化物區域且包括鍵合至氧之一氧吸氣劑物質。次級氧化物區域及吸氣劑區域中之至少一者包括鍵合至經擴散之一經擴散物質之另一吸氣劑物質。
參考圖2至圖5，圖解說明製造磁性胞結構(諸如，圖1之磁性胞結構100)之一方法之階段。如在圖2中所圖解說明，可形成一中間結構200，其中在基板102上方形成一導電材料205，且在導電材料205上方係一前驅物吸氣劑晶種材料280。視情況，可在於導電材料205上方形成前驅物吸氣劑晶種材料280之前在導電材料205上方形成一或多個下部中間材料240。
下部電極105(圖1)由其形成之導電材料205可包括以下各項、基本上由以下各項形成或由以下各項形成：例如(但不限於)一金屬(例如，銅、鎢、鈦、鉭)、一金屬合金，或其一組合物。
在其中選用下部中間區域140(圖1)形成於下部電極105上方之實施例中，下部中間區域140由其形成之下部中間材料240可包括以下各項、基本上由以下各項形成或由以下各項形成：例如(但不限於)鉭(Ta)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、釕(Ru)、鎢(W)或其一組合物。在某些實施例中，下部中間材料240(若包含)可併入有下部電極105(圖1)將由其形成之導電材料205。舉例而言，下部中間材料240可係導電材料205之一最上部子區域。
前驅物吸氣劑晶種材料280可藉由(例如(但不限於))在先前形成之材料上方濺鍍包括至少一個吸氣劑物質之一材料而形成。前驅物吸氣劑晶種材料280經配製以包含經選擇以對來自自由區域120(圖1)將由其形成之一前驅物磁性材料之一擴散性物質具有一化學親和力之至少一個吸氣劑物質。舉例而言，至少一個吸氣劑物質可經選擇以與擴散性物質與前驅物磁性材料之另一物質之間的一化學親和力相比，對前驅物磁性材料之擴散性物質具有一較高化學親和力。因而，前驅物吸氣劑晶種材料280之至少一個吸氣劑物質經配製以吸引來自前驅物磁性材料之擴散性物質。
前驅物吸氣劑晶種材料280亦經配製以包含至少另一吸氣劑物質經選擇以具有對來自次級氧化物區域170(圖1)將由其形成之一前驅物氧化物材料之一擴散性物質之一化學親和力。舉例而言，至少另一吸氣劑物質可經選擇以與氧與前驅物氧化物材料之另一物質之間的一化學親和力相比對前驅物氧化物材料之氧(O)具有一較高化學親和力。因而，前驅物吸氣劑晶種材料280之至少另一吸氣劑物質經配製以吸引來自前驅物氧化物材料之一擴散性物質(例如，氧(O))。
在某些實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280之每一物質可經配製以具有來自前驅物磁性材料之經擴散物質及來自前驅物氧化物材料之經擴散物質(例如，氧(O))中之至少一者之一化學親和力(亦即，與化學鍵合該等經擴散物質中之至少一者相容)。在其他實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280之少於所有之物質可經配製以對擴散性物質具有所要化學親和力。因而，前驅物吸氣劑晶種材料280可包含不與經擴散物質中之一者或兩者反應之物質或可由或基本上由與經擴散物質中之一者或兩者反應之物質組成。
繼續參考圖2，在某些實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280可藉由使用一或多個目標291、292之濺鍍(亦即，物理汽相沈積(PVD)而 形成。舉例而言(而非限制)，可同時使用兩個濺鍍目標291、292，其中一濺鍍目標291經配製以包括對前驅物磁性材料之擴散性物質具有一化學親和力之吸氣劑物質，且其中另一濺鍍目標292經配製以包括對前驅物氧化物材料之擴散性物質(例如，氧(O))具有一化學親和力之吸氣劑物質(例如，一氧吸氣劑物質)。可同時使用目標291、292兩者使得在形成前驅物吸氣劑晶種材料280時，物質混合且實質上均勻地分佈。
參考圖3，次級氧化物區域170(圖1)將由其形成之一前驅物氧化物材料370可包括以下各項、基本上由以下各項組成或由以下各項組成：例如(但不限於)一非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)，或MTJ子結構之習用穿隧障壁區域之其他氧化物材料)。前驅物氧化物材料370可直接形成(例如，生長、沈積)於前驅物吸氣劑晶種材料280上。
至少一個前驅物磁性材料320可形成於前驅物吸氣劑晶種材料280上方，亦如在圖3中所圖解說明。自由區域120(圖1)最終由其形成之前驅物磁性材料320可包括以下各項、基本上由以下各項組成或由以下各項組成：例如(但不限於)一鐵磁性材料，其包含鈷(Co)及鐵(Fe)(例如，CoxFey，其中x=10至80且y=10至80)且在某些實施例中，亦包含硼(B)(例如，CoxFeyBz，其中x=10至80，y=10至80，且z=0至50)。因此，前驅物磁性材料320可包括Co、Fe及B中之至少一者(例如，一CoFeB材料、一FeB材料、一CoB材料)。在其他實施例中，前驅物磁性材料320可另一選擇係或另外包含鎳(Ni)(例如，一NiB材料)。
前驅物磁性材料320可形成為一均質區域。在其他實施例中，前驅物磁性材料320可包含(例如)CoFeB材料之一或多個子區域，其中該等子區域具有Co、Fe及B之不同相對原子比率。
參考圖3A，前驅物磁性材料320包含至少一個擴散性物質321。擴散性物質321使得其整體或部分地缺失將不禁止前驅物磁性材料320或由其形成之一空乏磁性材料展現磁性。然而，前驅物磁性材料320中之擴散性物質321之存在可使得能夠以一非晶狀態形成(例如，藉由濺鍍)前驅物磁性材料320。
亦參考圖3A，前驅物氧化物材料370包含至少一個擴散性物質372。擴散性物質372使得其自前驅物氧化物材料370之主體之缺失將不禁止前驅物氧化物材料370或由其形成之一空乏氧化物材料誘發與前驅物磁性材料320或空乏磁性材料之介面MA。而是，僅沿著前驅物氧化物材料370(或所得之空乏氧化物材料)與前驅物磁性材料320(或所得之空乏磁性材料)之間的介面172的擴散性物質372之存在可達成介面MA之誘發。
前驅物吸氣劑晶種材料280可經配製以包含至少兩個吸氣劑物質，其包含一吸氣劑物質281及另一吸氣劑物質282。吸氣劑物質281經配製以對前驅物磁性材料320之擴散性物質321具有一化學親和力，且另一吸氣劑物質282經配製以對前驅物氧化物材料370之擴散性物質372具有一化學親和力。
前驅物吸氣劑晶種材料280之吸氣劑物質281可經選擇以具有吸氣劑物質281與來自前驅物磁性材料320之擴散性物質321之間的一化合物之一吸熱性形成熱。此外，吸氣劑物質281可經選擇以係導電的(例如，可包括一導電金屬)，以便增加最終結構之吸氣劑晶種區域180(圖1)之導電率。最終，吸氣劑物質281可經選擇以實質上不與另一吸氣劑物質282反應且使前驅物吸氣劑晶種材料280能夠展現在高達高溫(例如，至少約500℃)之一非晶結構。
在某些實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280可包含鉭(Ta)、釕(Ru)、鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、氮(N)、鉿(Hf)及鎳(Ni)中之 至少一者，以作為對前驅物磁性材料320之擴散性物質321具有一化學親和力之吸氣劑物質281。
在一項特定實例中(而非限制)，前驅物磁性材料320可係一CoFeB磁性材料，其硼(B)係擴散性物質321。前驅物吸氣劑晶種材料280(及(例如)目標291(圖2))可經配製以包括以下、基本上由以下組成或由以下組成：具有約49.5：49.5：1.0之一原子比率之鎢-釕-氮(W-Ru-N)。此一組合物經配製以展現在高達高溫(例如，高達約500℃)下之一非晶結構。鎢(W)、釕(Ru)及氮(N)中之每一者可係展現對於硼(B)擴散性物質321之一化學親和力之吸氣劑物質281。
在其他實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280(及(例如)目標291(圖2))可經配製以包括以下各項、基本上由以下各項組成或由以下各項組成：具有約75：25之一原子比率之鎢-氮(W-N)，其中鎢(W)及氮(N)兩者可係展現對於硼(B)擴散性物質321之一化學親和力之吸氣劑物質281；具有約46：37：17之一原子比率之鎢-釕-硼(W-Ru-B)，其中鎢(W)及釕(Ru)可係展現對於硼(B)之一化學親和力之吸氣劑物質281；具有約45：55之一原子比率之鎢-釕(W-Ru)，w其中鎢(W)及釕(Ru)可係展現對於硼(B)之一化學親和力之吸氣劑物質281；及具有約小於82至大於18之FeCo對W之一原子比率之鐵-鈷-鎢(Fe-Co-W)，其中鎢(W)可係展現對於硼(B)之一化學親和力之吸氣劑物質281。
在其中氮(N)包含於前驅物吸氣劑晶種材料280中之實施例中之任一者中，在所得之胞結構中，材料中之氮(N)之存在亦達成低阻尼，且因此降低程式化電流。
前驅物吸氣劑晶種材料280之另一吸氣劑物質282可經選擇以具有另一吸氣劑物質282與來自前驅物氧化物材料270之另一擴散性物質372之間的一化合物之一形成熱，該形成熱小於或約等於另一擴散性物質372與前驅物氧化物材料270之另一物質之間的一化合物之形成 熱。舉例而言(而非限制)，在其中次級氧化物材料370經配製以基本上由氧化鎂(MgO)組成之實施例中，另一吸氣劑物質282可經選擇以與MgO之氧(O)與鎂(Mg)之間的一形成熱相比具有與係另一擴散性物質372之氧(O)的一較低形成熱。
在某些實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280可包含作為另一吸氣劑物質282之鈣(Ca)、鍶(Sr)、鈹(Be)、鑭(La)、鋇(Ba)、鋁(Al)及鎂(Mg)中之至少一者。
中間氧化物區域130(圖1)由其形成之一種氧化物材料330可(例如)在一退火之前形成於前驅物磁性材料320上，在該退火期間，前驅物磁性材料320(或，更確切地，由前驅物磁性材料320形成之一空乏磁性材料)經由來自氧化物材料330之一晶體結構之傳播而結晶。氧化物材料330可包括以下、基本上由以下組成或由以下組成：例如(但不限於)一非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)，或習用MTJ非磁性區域之其他氧化物材料)。另一種氧化物材料330可係與前驅物氧化物材料370相同之材料或係包括與前驅物氧化物材料370相同但以其不同原子比率之元素之一材料。舉例而言(而非限制)，氧化物材料330及另一個前驅物氧化物材料370兩者可包括以下、基本上由以下組成或由以下組成：MgO。
氧化物材料330可直接形成(例如，生長、沈積)於前驅物磁性材料320上。氧化物材料330可在初始地形成時結晶(例如，具有bcc(001)結構)或可稍後在退火期間結晶。氧化物材料330可經定位以使得在(例如)圖3之一中間結構300之退火期間，所要晶體結構可傳播至一相鄰磁性材料(例如，一空乏磁性材料420(圖4))以使得磁性材料(例如，空乏磁性材料420(圖4))結晶成相同晶體結構(例如，bcc(001)結構)。
在後續處理期間，諸如在使磁性材料(例如，空乏磁性材料420 (圖4))結晶之退火期間，或在圖3之中間結構300之一額外後續退火期間，擴散性物質321可自前驅物磁性材料320穿過前驅物氧化物材料370轉移(例如，擴散)至前驅物吸氣劑晶種材料280。同樣地，在退火期間，另一擴散性物質372可自前驅物氧化物材料370轉移(例如，擴散)至前驅物吸氣劑晶種材料280。在此發生時，如在圖4及圖4A中所圖解說明，吸氣劑物質281可與擴散性物質321(現在本文中被稱為一經擴散物質321')反應及鍵合，且另一吸氣劑物質282可與另一擴散性物質372(現在本文中被稱為另一經擴散物質372')反應及鍵合。因此，前驅物磁性材料320(圖3)轉換成一「空乏」磁性材料420，前驅物氧化物材料370(圖3)轉換成一「空乏」氧化物材料470，且前驅物吸氣劑晶種材料280(圖3)轉換成一「富集」吸氣劑晶種材料480。
至少在其中前驅物氧化物區域370(圖3)之另一擴散性物質372係氧(O)之一實施例中，空乏氧化物區域470不可完全缺乏另一擴散性物質372。而是，一量之氧(O)可保持接近與空乏磁性材料420之介面172。因此，餘留於空乏氧化物材料470中之任何氧可包含沿著介面172之一最大氧濃度。因而，介面172處之氧(O)可用以與空乏磁性材料420中之(例如)鐵(Fe)鍵合以誘發沿著介面172之介面MA。但是，在空乏氧化物材料470之整個其餘部分中之經減小濃度之氧(O)可減小空乏氧化物材料470之電阻。在某些實施例中，氧之減少但非完全空乏可使空乏氧化物材料470係導電的。因此，所得之磁性胞結構可包含雙氧化物區域(亦即，中間氧化物區域130及次級氧化物區域170(圖1)，其由空乏氧化物材料470形成)而不使記憶體胞之電阻降級(亦即，不使電阻實質上升高)。
繼續參考圖4A，富集吸氣劑晶種材料480包含經擴散物質321'、另一經擴散物質372'、吸氣劑物質281，以及另一吸氣劑物質282。因而，在其中前驅物磁性材料320(圖3)經配製為一CoFeB材料且前驅物 氧化物材料370(圖3)經配製以包含氧化鎂(MgO)之一實施例中，富集吸氣劑晶種材料480可包含來自CoFeB材料之硼(B)(作為經擴散物質321')，以及來自MgO之氧(O)之一部分(作為另一經擴散物質372')，從而留下沿著與CoFe空乏磁性材料420之介面172之某些氧(O)(作為擴散性物質372)。
因此，揭示包括包含鈷(Co)及鐵(Fe)之一磁性區域之一記憶體胞。該磁性區域展現一可切換磁性定向。一個氧化物區域安置於該磁性區域與展現一實質上固定磁性定向之另一磁性區域之間。另一個氧化物區域毗鄰該磁性區域且包括接近與該磁性區域之一介面濃縮之氧。一非晶吸氣劑晶種區域毗鄰該另一個氧化物區域。該吸氣劑晶種區域包括氧、硼、一氧吸氣劑物質，以及一硼吸氣劑物質。
在某些實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280(圖3)可經配製以在初始地形成於基板102上方時係非晶的且在轉換成富集吸氣劑晶種材料480時保持非晶。因此，前驅物吸氣劑晶種材料280(圖3)中之吸氣劑物質281、282之原子比率可經選擇以將最終富集吸氣劑晶種材料480中之原子比率修改為將係非晶的且在高退火溫度下保持非晶之一組合物。
此外，前驅物吸氣劑晶種材料280(圖3)可經配製以使得前驅物吸氣劑晶種材料280在用於使空乏磁性材料420結晶之退火期間使用之高溫下係穩定的(例如，物質將不擴散出)。因而，在無禁止結晶之前驅物吸氣劑晶種材料280之情況下可利用促進空乏磁性材料420至一所要晶體結構(例如，一bcc(001)結構)之結晶(例如，藉由自氧化物材料330之晶體結構傳播)之高溫。在不限於任一個理論之情況下，將考量富集吸氣劑晶種材料480之非晶性質避免空乏磁性材料420中之微結構缺陷，否則在晶體結構自一相鄰材料(例如，用於中間氧化物區域130(圖1)之氧化物材料330(圖3))傳播至空乏磁性材料420時，若富集吸氣 劑晶種材料480具有不同於所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)之微結構且與該微結構競爭之一微結構，則可形成該等微結構缺陷。此外，由於空乏磁性材料420可經形成以由於沒有空乏氧化物材料470對中間氧化物區域130(圖1)之氧化物材料330至空乏磁性材料420之間的晶體結構傳播之干擾而展現所要晶體結構，因此自由區域120(圖1)可經形成以展現促進高TMR之一晶體結構。
舉例而言，在其中前驅物磁性材料320(圖3)經配製以係一CoFeB材料之一實施例中，將考量藉助於包括對硼(B)具有一化學親和力之吸氣劑物質281之一前驅物吸氣劑晶種材料280自CoFeB前驅物磁性材料320移除硼(B)之擴散性物質321(圖3A)可達成在比CoFeB(亦即，仍包含擴散性物質321之前驅物磁性材料320(圖3))之結晶溫度低之一溫度下的空乏磁性材料420之結晶。因此，所使用之一退火溫度(例如，高達約500℃，或更大)可達成空乏磁性材料420之結晶(例如，藉由傳播來自一相鄰材料(例如，中間氧化物區域130(圖1)之氧化物材料330)之所要晶體結構)，而不會係如此高的以致於使相鄰材料降級(例如，而不使一物質(例如，鎢(W))自富集吸氣劑晶種材料480擴散出)。因而，空乏磁性材料420可結晶成一所要晶體結構(例如，一bcc(001)晶體結構)，該所要晶體結構在不遭受實質上結構性缺陷之情況下達成一磁性胞結構(例如，磁性胞結構100(圖1))之形成之。無實質上結構性缺陷可達成一高TMR。
中間結構300(圖3)之其他材料亦可由於退火而結晶以形成一經退火結構400(圖4)。退火程序可在約300℃至約700℃(例如，約500℃)之一退火溫度下執行且可保持在該退火溫度下達自約一分鐘(約1min.)至約一小時(約1hr.)。退火溫度及時間可基於中間結構300之材料、(例如)空乏磁性材料420之所要晶體結構、來自前驅物磁性材料320(圖3)之經擴散物質321'之一所要空乏量以及來自前驅物氧化物材 料370(圖3)之另一經擴散物質372'之一所要空乏量而經修改。
儘管擴散性物質321(圖3A)自前驅物磁性材料320(圖3)之移除可促進空乏磁性材料420之結晶，但進一步考量(而不限於任何特定理律)，該移除亦可促進沿著空乏磁性材料420與空乏氧化物材料470之間的介面172、沿著空乏磁性材料420與中間氧化物區域130(圖1)之間的介面132(圖1)或沿著介面172、132兩者之MA的誘發。舉例而言，在缺失擴散性物質321(圖3A)之情況下，空乏磁性材料420之其他物質可具有比該等其他物質在擴散性物質321仍併入於前驅物磁性材料320中之情況下將具有之與氧化物材料之相互作用更大之與氧化物材料的相互作用。此外，經擴散物質321'(圖4A)經由與吸氣劑物質281之化學鍵合而留存於富集吸氣劑晶種材料480中可避免經擴散物質321'擴散至磁性區域(例如，自由區域120)與其相鄰的誘發MA之氧化物區域之間的介面172、132(圖1)。此可達成比可以其他方式達成之誘發MA之相互作用更大的沿著介面172、132(圖1)之誘發MA之相互作用。因而，MA強度可由於存在前驅物吸氣劑晶種材料280(或，更確切地，富集吸氣劑晶種材料480)而比無前驅物吸氣劑晶種材料280(或，更確切地，富集吸氣劑晶種材料480)之相同結構之MA強度大。
舉例而言，在其中前驅物磁性材料320係一CoFeB材料(其中硼(B)係擴散性物質321)之實施例中，來自前驅物磁性材料320之硼(B)擴散性物質321之擴散可禁止硼(B)擴散性物質321沿著介面172逗留，否則在介面172中，硼(B)擴散性物質321可干擾介面MA之誘發。將考量，在沿著介面172具有大量硼(B)之情況下，硼(B)之存在可禁止在磁性材料(例如，空乏磁性材料420(圖4))與氧化物材料(例如，空乏氧化物材料470(圖4))之間形成鍵合(諸如，誘發MA之鐵-氧(Fe-O)鍵合)。因此，前驅物吸氣劑晶種材料380中之吸氣劑物質281接近於前驅物磁性材料320可達成較高介面MA誘發，此乃因擴散性物質321可 被引導至前驅物吸氣劑晶種材料380且遠離介面172。
儘管自由區域120(圖1)被闡述為「由包括擴散性物質321(圖3A)之前驅物磁性材料320(例如，一CoFeB材料)形成」，但所製造磁性胞核心101(圖1)(或本發明之任何胞核心)之自由區域120可包括比在前驅物磁性材料320經初始地形成時實質上少之擴散性物質321(例如硼(B))。同樣地，儘管次級氧化物區域170(圖1)被闡述為「由包括另一擴散性物質372(例如，氧(O))之前驅物氧化物材料320(圖3)(例如，一包含MgO之材料)形成」，但所製造磁性胞核心101(圖1)(或本發明之任何胞核心)之次級氧化物區域170可包括比在前驅物氧化物材料370經初始地形成時實質上少之另一擴散性物質372(例如氧(O))。
在退火之後，磁性胞結構之其他材料可形成於經退火中間結構400上方，以形成如在圖5中所圖解說明之一前驅物結構500。在其他實施例中，磁性胞結構100(圖1)之其他材料可(例如)在退火之前形成於(例如)氧化物材料330上方，且可與下部材料一起經退火。
繼續參考圖5，固定區域110(圖1)將由其形成之另一磁性材料510可(例如)在使空乏磁性材料420結晶之退火階段之前或之後直接形成(例如，生長、沈積)於氧化物材料330上。另一磁性材料510可包括以下、基本上由以下組成或由以下組成：例如(但不限於)包含鈷(Co)及鐵(Fe)之鐵磁性材料(例如，CoxFey，其中x=10至80且y=10至80)，且在某些實施例中，亦包含硼(B)之鐵磁性材料(例如，CoxFeyBz，其中x=10至80，y=10至80，且z=0至50)。因此，另一磁性材料510可包括一CoFeB材料。在某些實施例中，另一磁性材料510可包含與前驅物磁性材料320(圖3)相同之材料，或具有相同元素但依不同原子比率之一材料。
在其中固定區域110(圖1)經組態以具有圖1A之固定區域110'之結構之實施例中，用於中間部分115(圖1A)之一中間材料形成於另一磁 性材料510上方。中間材料可包括以下、基本上由以下組成或由以下組成：一導電材料(例如，鉭(Ta))。分別用於磁性子區域118(圖1A)及耦合劑子區域119(圖1A)之交替性磁性材料及耦合劑材料可形成於中間材料上。舉例而言(而非限制)，交替性磁性材料及耦合劑材料可包括以下各項、基本上由以下各項組成或由以下各項組成：鈷/鈀(Co/Pd)多子區域；鈷/鉑(Co/Pt)多子區域；鈷/鎳(Co/Ni)多子區域；鈷/銥(Co/Ir)多子區域；基於鈷/鐵/鋱(Co/Fe/Tb)之材料、L10材料、耦合劑材料，或習用固定區域之其他磁性材料。
在某些實施例中，視情況，一或多個上部中間材料550可形成於另一磁性材料510(以及固定區域110(圖1)將由其形成之任何其他材料)上方。形成選用上部中間區域150(圖1)之上部中間材料550(若包含)可包括以下、基本上由以下組成或由以下組成：經組態以確保相鄰材料中之一所要晶體結構之材料。上部中間材料550可另一選擇係或另外包含經組態以輔助在磁性胞之製造期間之圖案化程序之金屬材料、障壁材料或習用STT-MRAM胞核心結構之其他材料。在某些實施例中，上部中間材料550可包含將形成為一導電封蓋區域之一導電材料(例如，諸如銅、鉭、鈦、鎢、釕、鉿、鋯、氮化鉭或氮化鈦之一或多種材料)。
上部電極104(圖1)可由其形成之另一導電材料504可形成於另一磁性材料510(以及固定區域110(圖1)將由其形成之任何其他材料)以及(若存在)氧上部中間材料550上方。在某些實施例中，另一導電材料504與上部中間材料550(若存在)彼此整合，例如其中上部中間材料550係導電材料504之下部子區域。
前驅物結構500然後可在一或多個階段中經圖案化以形成根據圖1中圖解說明之實施例之磁性胞結構100。用於圖案化諸如前驅物結構500之結構以形成諸如磁性胞結構100(圖1)之結構之技術在此項技術 中係已知的且因此本文中不加以詳細闡述。
在圖案化前驅物結構500之後，磁性胞結構100包含磁性胞核心101，磁性胞核心101包含次級氧化物區域170及接近於自由區域120之吸氣劑晶種區域180。自由區域120包含由前驅物磁性材料320(圖3)形成之空乏磁性材料420(圖4)，且包括比在無接近於自由區域120之吸氣劑晶種區域180之情況下由前驅物磁性材料320(圖3)形成之一自由區域低之一擴散性物質321(圖3A)濃度。次級氧化物區域170包含由前驅物氧化物材料370(圖3)形成之空乏氧化物材料470(圖4)，且包括比在無接近於次級氧化物區域170之吸氣劑晶種區域180之情況下由前驅物氧化物材料370(圖3)形成之一次級氧化物區域低之另一擴散性物質372(圖3A)濃度。
在某些實施例中，接近於吸氣劑晶種區域180之磁性區域(例如，自由區域120)可實質上或完全空乏擴散性物質321。在其他實施例中，磁性區域可部分地空乏擴散性物質321。在此類實施例中，一或多個磁性區域可在其中具有一擴散性物質321(例如，硼)梯度，其中相對於彼此而言，一低濃度之擴散性物質321沿著介面172(圖1)毗鄰於吸氣劑晶種區域180，且一高濃度之擴散性物質321沿著介面132(圖1)與吸氣劑晶種區域180相對。在某些實施例中，在退火之後或期間，擴散性物質321之濃度可均衡。
由一結晶空乏磁性材料420(圖4)形成之自由區域120可具有可至少部分地由於擴散性物質321之移除以及經擴散物質321至吸氣劑物質281之鍵合且至少部分地由於吸氣劑晶種區域180之非晶微結構而實質上無缺陷的一所要晶體結構。
自由區域120之結晶性可使磁性胞結構100能夠在使用及操作期間展現一高TMR。此外，自由區域120之空乏磁性材料420可促進與相鄰氧化物區域(例如，次級氧化物區域170及中間氧化物區域130)之 MA誘發。
由空乏氧化物材料470(圖4)形成之次級氧化物區域170可具有低電阻，例如可係導電的，其中沿著與自由區域120之介面172具有一最大氧濃度。
因此，可由於自由區域120中自雙氧化物區域兩者(亦即，中間氧化物區域130及次級氧化物區域170)之MA誘發而促進高MA強度，而亦不展現高電阻(例如，高電阻區(RA))及高阻尼。在其中吸氣劑晶種區域180包含氮(N)之實施例中，甚至可進一步達成低阻尼。
因此，揭示一種形成一記憶體胞氧方法之方法，該方法包括形成一前驅物結構。形成一前驅物結構包括在一基板上方形成一前驅物吸氣劑晶種材料。在前驅物吸氣劑晶種材料上方形成一前驅物氧化物材料。在前驅物氧化物材料上方形成一前驅物磁性材料。將來自該前驅物磁性材料之一擴散性物質擴散至該前驅物吸氣劑晶種材料，且將來自該前驅物氧化物材料之氧擴散至該前驅物吸氣劑晶種材料，以將該前驅物磁性材料之至少一部分轉換成一空乏磁性材料，將該前驅物氧化物材料之至少一部分轉換成一種氧空乏材料，且將該前驅物吸氣劑晶種材料之至少一部分轉換成一富集吸氣劑晶種材料。圖案化該前驅物結構，以形成包括由該富集吸氣劑晶種材料形成之一吸氣劑晶種區域、由該氧空乏材料形成之一次級氧化物區域以及由該空乏磁性材料形成之一自由區域之一胞核心結構。
參考圖6，圖解說明根據本發明之另一實施例之一磁性胞結構600。磁性胞結構600包含一磁性胞核心601，磁性胞核心601包括一吸氣劑次級氧化物區域670。吸氣劑次級氧化物區域670可由如在圖7中所圖解說明之一前驅物吸氣劑氧化物材料770形成，前驅物吸氣劑氧化物材料770包含與上文闡述之前驅物氧化物材料370(圖3)相同之材料，同時亦包含經配製以具有對於前驅物磁性材料320之擴散性物質 321之一化學親和力之額外吸氣劑物質281'。舉例而言，在一項實施例，前驅物吸氣劑氧化物材料770可包含氧化鎂(MgO)以及經添加額外吸氣劑物質281'。前驅物吸氣劑氧化物材料770可安置於一中間結構700內，在前驅物吸氣劑晶種材料280與前驅物磁性材料320之間。
如在圖7A中所圖解說明，擴散性物質321(例如，硼(B))可不僅被吸引至前驅物吸氣劑晶種材料280中之吸氣劑物質281，而且亦被吸引至前驅物吸氣劑氧化物材料770中之額外吸氣劑物質281'。因而，繼退火之後，一經退火結構800(如在圖8及圖8A中所圖解說明)包含由前驅物吸氣劑氧化物材料770形成之一「富集-空乏」氧化物材料870。富集-空乏氧化物材料870富集有某一量之經擴散物質321'(其鍵合至額外吸氣劑物質281')，且除了沿著介面172之外空乏另一擴散性物質372(例如，氧(O))兩者。
額外吸氣劑物質281'可與富集吸氣劑晶種材料480中之氧吸氣劑物質281相同或不同。因此，額外吸氣劑物質281'可選自上文關於吸氣劑物質281所闡述之物質中之任何者。
為形成前驅物氧化物材料770(圖7)，額外吸氣劑物質281'可在形成前驅物磁性材料320之前經植入至前驅物氧化物材料370(圖3)中。舉例而言(而非限制)，可藉由使用物理汽相沈積(PVD)共濺鍍額外吸氣劑物質281'及前驅物氧化物材料370兩者而將額外吸氣劑物質281'併入至前驅物氧化物材料370(圖3)中。作為另一實例(而非限制)，可在沈積前驅物氧化物材料370期間將額外吸氣劑物質281'以一氣體之形式引入。然後可形成一前驅物結構900之剩餘材料，如在圖9中所圖解說明，且前驅物結構900經圖案化以形成圖6之磁性胞結構600。
在其中次級氧化物區域170(圖1)或吸氣劑次級氧化物區域670(圖6)經配製以包括氧化鎂(MgO)的本發明之此或前述實施例中，前驅物吸氣劑晶種材料280與前驅物氧化物材料370(圖3)或前驅物吸氣劑 氧化物材料770(圖7)之經組合組合物可使得鎂(Mg)對氧(O)對吸氣劑物質281(例如，硼吸氣劑物質)(包含額外吸氣劑物質281'(若使用前驅物吸氣劑氧化物材料770))對另一吸氣劑物質282(例如，氧吸氣劑物質)之一原子比率(亦即，Mg：O：吸B劑：吸O劑原子比率)可自約40：40：10：10至約45：45：5：5。因而，吸氣劑物質281(包含額外吸氣劑物質281'(若包含))及另一吸氣劑物質282中之一或多者可處於低原子能階(例如，小於約10%(例如小於約5%，例如小於約2%)之「摻雜」能階)。
因此，揭示一種形成一半導體結構之方法。該方法包括在一基板上方形成一非晶前驅物吸氣劑晶種材料。該非晶前驅物吸氣劑晶種材料包括一硼吸氣劑物質及一氧吸氣劑物質。在該非晶前驅物吸氣劑晶種材料上方形成包括氧之一前驅物氧化物材料。在該前驅物氧化物材料上方形成包括硼之一前驅物磁性材料。在該前驅物磁性材料上方形成另一種氧化物材料。退火至少該前驅物磁性材料及該前驅物氧化物材料，以使來自該前驅物磁性材料之該硼與該非晶前驅物吸氣劑晶種材料之該硼吸氣劑物質反應且使來自該前驅物氧化物材料之該氧與該非晶前驅物吸氣劑晶種材料之該氧吸氣劑物質反應。
參考圖10，圖解說明一STT-MRAM系統1000，STT-MRAM系統1000包含與一STT-MRAM胞1014可操作地通信之周邊裝置1012，可製造一STT-MRAM胞1014群組以形成呈包含數個行及列之一柵格圖案或依各種其他配置(其取決於系統要求及製造技術)之一記憶體胞陣列。STT-MRAM胞1014包含一磁性胞核心1002、一存取電晶體1003、可充當一資料/感測線1004(例如，一位元線)之一導電材料、可充當一存取線1005(例如，一字線)之一導電材料，以及可充當一源極線1006之一導電材料。STT-MRAM系統1000之周邊裝置1012可包含讀取/寫入電路1007、一位元線參考1008，以及一感測放大器1009。胞核心1002 可係上文所闡述之磁性胞核心(例如，磁性胞核心101(圖1)、601(圖6))中之任一者。由於胞核心1002之結構、製造方法或此兩者，STT-MRAM胞1014可具有高MA強度、低電阻(例如，低電阻區(RA)產品)、低阻尼，以及高TMR。
在使用及操作中，當一STT-MRAM胞1014經選擇以經程式化時，將一程式化電流施加至STT-MRAM胞1014，且該電流藉由胞核心1002之固定區域經自旋極化並將一扭矩施加於胞核心1002之自由區域上，此切換自由區域之磁化以「寫入至」或「程式化」STT-MRAM胞1014。在STT-MRAM胞1014之一讀取操作期間，一電流用以偵測胞核心1002之電阻狀態。
為起始STT-MRAM胞1014之程式化，讀取/寫入電路1007可產生至資料/感測線1004及源極線1006之一寫入電流(亦即，一程式化電流)。資料/感測線1004與源極線1006之間的電壓之極性判定胞核心1002中之自由區域之磁性定向之切換。藉由依據自旋極性而改變自由區域之磁性定向，根據程式化電流之自旋極性將自由區域磁化，將經程式化邏輯狀態寫入至STT-MRAM胞1014。
為讀取STT-MRAM胞1014，讀取/寫入電路1007產生穿過胞核心1002及存取電晶體1003至資料/感測線1004及源極線1006之一讀取電壓。STT-MRAM胞1014之經程式化狀態與跨越胞核心1002之電阻有關，該電阻可由資料/感測線1004與源極線1006之間的電壓差判定。在某些實施例中，電壓差可與位元線參考1008相比且由感測放大器1009放大。
圖10圖解說明一可操作STT-MRAM系統1000之一項實例。然而，考量磁性胞核心101(圖1)、601(圖6)可併入於且用於經組態以併入有具有磁性區域之一磁性胞核心之任一TT-MRAM系統內。
因此，揭示一種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)陣列包括STT-MRAM胞。STT-MRAM胞中之至少一個STT-MRAM胞包括在一基板上方之一磁穿隧接面子結構。該磁穿隧接面子結構包括一自由區域一固定區域，以及一中間氧化物區域。該自由區域展現一垂直可切換磁性定向。該固定區域展現一垂直實質上固定磁性定向。該中間氧化物區域係介於該自由區域與該固定區域之間。另一個氧化物區域接觸該自由區域。一非晶區域接近該自由區域及該另一個氧化物區域。該非晶區域包括硼及氧。
參考圖11，圖解說明根據本文中闡述之一或多項實施例實施之一半導體裝置1100之一簡化方塊圖。半導體裝置1100包含一記憶體陣列1102及一控制邏輯組件1104。記憶體陣列1102可包含包括上文論述之磁性胞核心(例如，磁性胞核心101(圖1)、601(圖6))中之任一者之複數個STT-MRAM胞1014(圖10)，該等磁性胞核心(例如，磁性胞核心101(圖1)、601(圖6))可根據上文闡述之一方法而形成且可根據上文闡述之一方法而操作。控制邏輯組件1104可經組態以與記憶體陣列1102可操作地相互作用，以便自記憶體陣列1102內之任一或所有記憶體胞(例如，STT-MRAM胞1014(圖10))讀取或寫入至其。
參考圖12，繪示一基於處理器之系統1200。基於處理器之系統1200可包含根據本發明之實施例製作之各種電子裝置。基於處理器之系統1200可係諸如一電腦、傳呼機、蜂巢式電話、個人備忘記事本、控制電路或其他電子裝置之各種類型中之任一者。基於處理器之系統1200可包含一或多個處理器1202(諸如，一微處理器)以控制基於處理器之系統1200中之系統功能及請求之處理。處理器1202及基於處理器之系統1200之其他子組件可包含根據本發明之實施例製作之磁性記憶體裝置。
基於處理器之系統1200可包含與處理器1202可操作地通信之一電源供應器1204。舉例而言，若基於處理器之系統1200係一可攜式系 統，則電源供應器1204可包含一燃料電池、一電力收集裝置、永久電池、可更換電池，以及可充電電池中之一或多者。電源供應器1204亦可包含一AC配接器；因而，例如，基於處理器之系統1200可插入至一壁裝插座中。例如，電源供應器1204亦可包含一DC配接器，使得基於處理器之系統1200可插入至一車載點煙器或一車載電源埠中。
各種其他裝置可耦合至處理器1202，此取決於基於處理器之系統1200執行之功能。舉例而言，一使用者介面1206可耦合至處理器1202。使用者介面1206可包含輸入裝置，諸如按鈕、開關、一鍵盤、一光筆、一滑鼠、一數位板及手寫筆、一觸控式螢幕、一語音辨識系統、一麥克風，或其一組合。一顯示器1208亦可耦合至處理器1202。顯示器1208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、一種三維投影儀、一視訊顯示器，或其一組合。此外，一RF子系統/基頻處理器1210亦可耦合至處理器1202。RF子系統/基頻處理器1210可包含耦合至一RF接收器及一RF傳輸器(未展示)之一天線。一通信埠1212或一個以上通信埠1212亦可耦合至處理器1202。例如，通信埠1212可經調適以耦合至一或多個周邊裝置1214(諸如，一數據機、一列印機、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、偏遠地區網路、內部彎路或網際網路)。
處理器1202可藉由實施儲存於記憶體中之軟體程式來控制基於處理器之系統1200。例如，該等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1202以儲存並促進各種程式之執行。舉例而言，處理器1202可耦合至系統記憶體1216，系統記憶體1216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，以及其他已知記憶體類型中之一或多者。系統記憶體1216可包含揮發性記憶體、非揮發性記憶體或其一組合。系統記憶體1216通常係大的以使得其可儲存動態加載之應用程式及資料。在某些實施例中，系統記憶體1216可包含半導體裝置(諸如，圖11之半導體裝置1100)、包含上文闡述之磁性胞核心101(圖1)、601(圖6)中之任一者之記憶體胞，或其一組合。
處理器1202亦可耦合至非揮發性記憶體1218，此不暗示系統記憶體1216必然係揮發性的。非揮發性記憶體1218可包含將與系統記憶體1216結合使用之STT-MRAM、MRAM、唯讀記憶體(ROM)(諸如，一EPROM、電阻式唯讀記憶體(RROM))及快閃記憶體中之一或多者。非揮發性記憶體1218之大小通常經選擇以剛好大至足以儲存任何必要作業系統、應用程式及固定資料。另外，例如，非揮發性記憶體1218可包含一高容量記憶體，諸如磁碟機記憶體，諸如一混合式硬碟(包含電阻式記憶體)或其他類型之非揮發性固態記憶體。非揮發性記憶體1218可包含半導體裝置(諸如，圖11之半導體裝置1100)、包含上文闡述之磁性胞核心101(圖1)、601(圖6)中之任一者之記憶體胞，或其一組合。
儘管本發明易於在其實施中作出各種修改及替代形式，但已在圖式中展示並在本文中詳細闡述具體實施例。然而，本發明並非意欲限於所揭示之特定形式。而是，本發明涵蓋歸屬於由所附申請專利範圍及其合法等效內容界定之本發明範疇內的所有修改、組合、等效內容、變化及替代方案。
1A‧‧‧框
1B‧‧‧框
100‧‧‧磁性胞結構
101‧‧‧磁性胞核心
102‧‧‧基板
104‧‧‧上部電極
105‧‧‧下部電極
110‧‧‧固定區域
112‧‧‧箭頭
120‧‧‧自由區域
122‧‧‧箭頭
123‧‧‧磁穿隧接面子結構
130‧‧‧中間氧化物區域
131‧‧‧介面
132‧‧‧介面
140‧‧‧下部中間區域
150‧‧‧上部中間區域
170‧‧‧次級氧化物區域
172‧‧‧介面
178‧‧‧介面
180‧‧‧吸氣劑晶種區域

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，其包括：至少一個記憶體胞，其包括一磁性胞核心，該磁性胞核心包括：一磁穿隧接面子結構，其包括：一固定區域；一自由區域；及一中間氧化物區域，其介於該固定區域與該自由區域之間；一次級氧化物區域，其毗鄰該磁穿隧接面子結構；及一吸氣劑晶種區域，其接近該次級氧化物區域且包括：鍵合至氧之一氧吸氣劑物質；及鍵合至一經擴散物質之另一吸氣劑物質。
  2. 如請求項1之半導體裝置，其中：該自由區域由一前驅物磁性材料形成；且鍵合至該另一吸氣劑物質之該經擴散物質係自該前驅物磁性材料擴散。
  3. 如請求項1之半導體裝置，其中：該次級氧化物區域由一前驅物氧化物材料形成；且鍵合至該氧吸氣劑物質之該氧係自該前驅物氧化物材料擴散。
  4. 如請求項1之半導體裝置，其中該次級氧化物區域係導電的。
  5. 如請求項1之半導體裝置，其中該氧吸氣劑物質包括鈣(Ca)、鍶(Sr)、鈹(Be)、鑭(La)、鋇(Ba)、鋁(Al)或鎂(Mg)中之至少一者。
  6. 如請求項1之半導體裝置，其中該另一吸氣劑物質包括鉭(Ta)、 釕(Ru)、鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、氮(N)、鉿(Hf)或鎳(Ni)中之至少一者。
  7. 如請求項1之半導體裝置，其中該經擴散物質包括硼(B)。
  8. 如請求項1之半導體裝置，其中該吸氣劑晶種區域展現一非晶結構。
  9. 如請求項1之半導體裝置，其中該記憶體胞展現大於約1.20(120%)之一穿隧磁阻(TMR)。
  10. 如請求項1之半導體裝置，其中該次級氧化物區域進一步包括該另一吸氣劑物質。
  11. 如請求項1之半導體裝置，其中僅該吸氣劑晶種區域包括該另一吸氣劑物質。
  12. 如請求項1之半導體裝置，其中：該自由區域包括鈷(Co)及鐵(Fe)，該自由區域展現一可切換磁性定向；該固定區域展現一實質上固定磁性定向；該次級氧化物區域包括接近與該自由區域之一介面濃縮之氧；該吸氣劑晶種區域展現一非晶結構；該另一吸氣劑物質經配製為一硼吸氣劑物質；該經擴散物質包括硼(B)；且該吸氣劑晶種區域包括鍵合至該氧之該氧吸氣劑物質且包括鍵合至該硼(B)之該硼吸氣劑物質。
  13. 如請求項12之半導體裝置，其中該自由區域及該固定區域展現垂直磁性定向。
  14. 如請求項1之半導體裝置，其中該另一吸氣劑物質包括：鎢(W)及氮(N)； 鎢(W)、釕(Ru)及硼(B)；鎢(W)及釕(Ru)；或鐵(Fe)、鈷(Co)及鎢(W)。
  15. 如請求項1至14中任一項之半導體裝置，其中該至少一個記憶體胞包括呈一陣列之複數個記憶體胞，該至少一個記憶體胞與至少一個周邊裝置可操作地通信。
  16. 一種形成一記憶體胞之方法，其包括：形成一前驅物結構，其包括：在一基板上方形成一前驅物吸氣劑晶種材料，該前驅物吸氣劑晶種材料包括：鎢及氮；鎢、釕及硼；鎢及釕；或鐵、鈷及鎢；在該前驅物吸氣劑晶種材料上方形成一前驅物氧化物材料；在該前驅物氧化物材料上方形成一前驅物磁性材料；及將來自該前驅物磁性材料之一擴散性物質擴散至該前驅物吸氣劑晶種材料，且將來自該前驅物氧化物材料之氧擴散至該前驅物吸氣劑晶種材料，以將該前驅物磁性材料之至少一部分轉換成一空乏磁性材料，將該前驅物氧化物材料之至少一部分轉換成一種氧空乏材料，且將該前驅物吸氣劑晶種材料之至少一部分轉換成一富集吸氣劑晶種材料；及圖案化該前驅物結構以形成一胞核心結構，該胞核心結構包括：來自該富集吸氣劑晶種材料之一吸氣劑晶種區域； 由該氧空乏材料形成之一次級氧化物區域；及由該空乏磁性材料形成之一自由區域。
  17. 如請求項16之方法，其中將來自該前驅物磁性材料之一擴散性物質擴散至該前驅物吸氣劑材料且將來自該前驅物氧化物材料之氧擴散至該前驅物吸氣劑材料包括將來自該前驅物磁性材料之該擴散性物質穿過該前驅物氧化物材料擴散至該前驅物吸氣劑材料。
  18. 如請求項16之方法，其中在該前驅物吸氣劑晶種材料上方形成一前驅物氧化物材料包括將對該擴散性物質具有一化學親和力之一吸氣劑物質併入至一種氧化物材料中。
  19. 如請求項16之方法：其中形成一前驅物吸氣劑晶種材料包括在該基板上方形成一非晶前驅物吸氣劑晶種材料，該非晶前驅物吸氣劑晶種材料包括一硼吸氣劑物質及一氧吸氣劑物質，該硼吸氣劑物質包括：鎢及氮；鎢、釕及硼；鎢及釕；或鐵、鈷及鎢；其中形成一前驅物磁性材料包括形成包括硼之一前驅物磁性材料；其進一步包括在該前驅物磁性材料上方形成另一種氧化物材料；且其中擴散來自該前驅物磁性材料之一擴散性物質且擴散來自該前驅物氧化物材料之氧包括至少將該前驅物磁性材料及該前驅物氧化物材料退火，以使來自該前驅物磁性材料之該硼與該非晶前驅物吸氣劑晶種材料之該硼吸氣劑物質反應且使來自該 前驅物氧化物材料之氧與該非晶前驅物吸氣劑晶種材料之該氧吸氣劑物質反應。
  20. 如請求項19之方法，其中在該基板上方形成一非晶前驅物吸氣劑晶種材料包括同時：濺鍍來自一濺鍍目標之該硼吸氣劑物質；及濺鍍來自另一濺鍍目標之該氧吸氣劑物質。
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