存儲器單元、制造方法及半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利說明】
[00011 優(yōu)先權(quán)主張
[0002] 本申請案主張2013年9月18日申請的標(biāo)題為"存儲器單元、制造方法及半導(dǎo)體裝置 (MEMORY CELLS,METHODS OF FABRICATION,AND SEMICONDUCTOR DEVICES)" 的第 14/030， 763號美國專利申請案的申請日期的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 在各種實施例中，本發(fā)明大體上涉及存儲器裝置設(shè)計及制造領(lǐng)域。更特定地說，本 發(fā)明涉及以自旋力矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元為特征的存儲器單元的設(shè) 計及制造。
【背景技術(shù)】
[0004] 磁性隨機存取存儲器(MRAM)是基于磁阻的非易失性計算機存儲器技術(shù)。一種類型 的MRAM單元是自旋力矩轉(zhuǎn)移MRAM( STT-MRAM)單元，其包含由襯底支撐的磁性單元核心。磁 性單元核心包含至少兩個磁性區(qū)域，例如，"固定區(qū)域"及"自由區(qū)域"，其間具有非磁性區(qū) 域。自由區(qū)域及固定區(qū)域可展現(xiàn)相對于所述區(qū)域的寬度水平定向（"平面內(nèi)"）或垂直定向 ("平面外"）的磁性定向。固定區(qū)域包含具有大致上固定(例如，不可切換）的磁性定向的磁 性材料。另一方面，自由區(qū)域包含具有可在單元的操作期間在"平行"配置與"反平行"配置 之間切換的磁性定向的磁性材料。在平行配置中，固定區(qū)域及自由區(qū)域的磁性定向指向相 同方向（例如，分別指向北方及北方、東方及東方、南方及南方或西方及西方）。在反平行配 置中，固定區(qū)域及自由區(qū)域的磁性定向指向相反方向（例如，分別指向北方及南方、東方及 西方、南方及北方或西方及東方）。在平行配置中，STT-MRAM單元展現(xiàn)跨磁阻元件(例如，固 定區(qū)域及自由區(qū)域)的較低電阻。此低電阻狀態(tài)可定義為MRAM單元的"0"邏輯狀態(tài)。在反平 行配置中，STT-MRAM單元展現(xiàn)跨磁阻元件的較高電阻。此高電阻狀態(tài)可定義為STT-MRAM單 元的"Γ邏輯狀態(tài)。
[0005] 可通過使編程電流通過磁性單元核心及其中的固定區(qū)域及自由區(qū)域來完成自由 區(qū)域的磁性定向的切換。固定區(qū)域使編程電流的電子自旋極化，且隨著自旋極化電流通過 核心而產(chǎn)生力矩。自旋極化電子電流將力矩施加于自由區(qū)域上。當(dāng)通過核心的自旋極化電 子電流的力矩大于自由區(qū)域的臨界切換電流密度(J。）時，切換自由區(qū)域的磁性定向的方 向。因此，編程電流可用于更改跨磁性區(qū)域的電阻?？绱抛柙乃酶唠娮杌虻碗娮鑼崿F(xiàn) MRAM單元的寫入及讀取操作。在切換自由區(qū)域的磁性定向以實現(xiàn)與所需邏輯狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的 平行配置及反平行配置中的一者之后，通常期望在"存儲"階段期間維持自由區(qū)域的磁性定 向直到MRAM單元被重新寫入到不同配置(即，到不同邏輯狀態(tài))為止。
[0006] 磁性區(qū)域的磁各向異性（"MA"）是對材料的磁性質(zhì)的方向相依性的指示。因此，MA 同樣是對材料的磁性定向的強度及其更改其定向的阻力的指示。與展現(xiàn)具有低MA強度的磁 性定向的磁性材料相比，展現(xiàn)具有高MA強度的磁性定向的磁性材料可較不容易更改其磁性 定向。因此，與具有低MA強度的自由區(qū)域相比，具有高MA強度的自由區(qū)域在存儲期間可更穩(wěn) 定。
[0007] 特定非磁性材料(例如，氧化物材料)與磁性材料之間的接觸或近乎接觸可沿著磁 性材料的表面感應(yīng)MA(例如，增大MA強度），從而增加磁性材料及MRAM單元的總MA強度。一般 來說，與MA感應(yīng)材料的表面/界面接觸的磁性材料與磁性材料的未接觸部分的比率越大，磁 性區(qū)域的MA強度就越高。因此，一般來說，常規(guī)磁性單元結(jié)構(gòu)使(例如）自由區(qū)域的磁性材料 與相鄰Μ感應(yīng)氧化物區(qū)域直接接觸，且磁性材料與Μ感應(yīng)材料之間不具有另一材料。
[0008] 自由區(qū)域的其它有益性質(zhì)通常與厚（即，高垂直尺寸）自由區(qū)域構(gòu)相關(guān)聯(lián)且與自由 區(qū)域的微結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。這些性質(zhì)包含(例如)單元的隧道磁阻（"TMR"）JMR是單元在反平行 配置中的電阻（R aP)與其在平行配置中的電阻（RP)之間的差異與RP的比率（即，TMR=(R ap-RP)/RP)。一般來說，在其磁性材料的微結(jié)構(gòu)中具有較少結(jié)構(gòu)缺陷的厚自由區(qū)域具有高于具 有結(jié)構(gòu)缺陷的薄自由區(qū)域的TMR。具有高TMR的單元可具有高讀出信號，其可在操作期間加 速MRAM單元的讀取。高TMR還可實現(xiàn)低編程電流的使用。
[0009] 與薄、包含缺陷的自由區(qū)域相比，厚、無缺陷的自由區(qū)域還可具有較高能量勢皇 (Eb)及較高能量勢皇比(Eb/kT)。能量勢皇比是Eb與kT的比率，其中k是波茲曼(Boltzmann) 常數(shù)且T是溫度。Eb及能量勢皇比是對單元的熱穩(wěn)定性及因此其數(shù)據(jù)保持的指示。Eb越高且 能量勢皇比越高，單元可越不容易于過早切換(例如，在存儲期間切換出編程平行或反平行 配置）。
[0010] "磁性地連續(xù)"（即，未被分散于磁性材料中的非磁性材料中斷）的無缺陷自由區(qū)域 可具有高于包含缺陷、磁性地中斷的自由區(qū)域的交換勁度。交換勁度(AiEex/ajexi每一 原子的交換能量，a =距離)是磁性材料的性質(zhì)。一般來說，磁性材料的交換勁度越高，磁性 材料可越好地執(zhí)行為MRAM單元的自由區(qū)域。
[00?1 ]已致力于通過將厚自由區(qū)域定位于兩個MA感應(yīng)材料之間、加倍磁性材料暴露到MA 感應(yīng)材料的表面積而形成具有高MA強度以及有益于高TMR的厚度或其它性質(zhì)的自由區(qū)域。 然而，常規(guī)MA感應(yīng)材料可為電阻的。因此，在MRAM單元中包含第二MA感應(yīng)材料區(qū)域增大磁性 單元核心的電阻。在常規(guī)MRAM單元結(jié)構(gòu)中包含第二MA感應(yīng)材料區(qū)域還可導(dǎo)致單元核心中的 結(jié)構(gòu)缺陷。因此，形成具有高MA強度、高TMR、高能量勢皇及能量勢皇比以及高交換勁度的 MRAM單元結(jié)構(gòu)具有所呈現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明揭示一種存儲器單元。所述存儲器單元包括磁性單元核心，所述磁性單元 核心包括磁性區(qū)域及另一磁性區(qū)域。所述磁性區(qū)域展現(xiàn)可切換磁性定向且由包括可擴散物 質(zhì)及至少一個其它物質(zhì)的磁性材料形成。所述另一磁性區(qū)域展現(xiàn)固定磁性定向。中間氧化 物區(qū)域在所述磁性區(qū)域與所述另一磁性區(qū)域之間。另一個氧化物區(qū)域通過所述磁性區(qū)域而 與所述中間氧化物區(qū)域間隔。吸子材料接近于所述磁性區(qū)域。所述吸子材料對于所述可擴 散物質(zhì)的化學(xué)親和力高于所述至少一個其它物質(zhì)對于所述可擴散物質(zhì)的化學(xué)親和力。
[0013] 本發(fā)明還揭示一種形成磁性存儲器單元的方法。所述方法包括形成前體結(jié)構(gòu)。形 成所述前體結(jié)構(gòu)包括在一種氧化物材料與另一種氧化物材料之間形成磁性材料。所述磁性 材料展現(xiàn)可切換磁性定向。形成接近于所述磁性材料的另一吸子材料。所述吸子材料具有 對于所述磁性材料的可擴散物質(zhì)的化學(xué)親和力。所述可擴散物質(zhì)從所述磁性材料轉(zhuǎn)移到所 述吸子材料。磁性單元核心由所述前體結(jié)構(gòu)形成。
[0014] 本發(fā)明還揭示一種半導(dǎo)體裝置。所述半導(dǎo)體裝置包括包含自旋力矩轉(zhuǎn)移磁性隨機 存取存儲器(STT-MRAM)單元的STT-MRAM陣列。所述STT-MRAM單元的至少一個STT-MRAM單元 包括襯底上方的自由區(qū)域。吸子區(qū)域接近于所述自由區(qū)域。所述吸子區(qū)域包括吸子材料及 從所述自由區(qū)域擴散的物質(zhì)。所述吸子材料具有對于所述物質(zhì)的化學(xué)親和力。所述物質(zhì)的 一種氧化物感應(yīng)所述自由區(qū)域中的磁各向異性。中間氧化物區(qū)域在所述自由區(qū)域上方，且 固定區(qū)域在所述中間氧化物區(qū)域上方。
[0015] 本發(fā)明還揭示一種半導(dǎo)體裝置，其包括包含自旋力矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器 (STT-MRAM)單元的STT-MRAM陣列。所述STT-MRAM單元的至少一個STT-MRAM單元包括襯底上 方的氧化物區(qū)域。結(jié)晶磁性區(qū)域在所述氧化物區(qū)域上方。所述結(jié)晶磁性區(qū)域由磁性材料形 成。吸子材料接近于所述結(jié)晶磁性區(qū)域。所述吸子材料對于來自所述磁性材料的擴散物質(zhì) 的化學(xué)親和力高于所述磁性材料的至少一個其它物質(zhì)對于所述擴散物質(zhì)的化學(xué)親和力。中 間氧化物區(qū)域在所述結(jié)晶磁性區(qū)域上方。另一磁性區(qū)域在所述中間氧化物區(qū)域上方。
[0016] 本發(fā)明還討論一種半導(dǎo)體裝置。所述半導(dǎo)體裝置包括磁性存儲器單元的陣列。磁 性存儲器單元的所述陣列的至少一個磁性存儲器單元包括襯底上方的氧化物區(qū)域上方的 至少兩個磁性區(qū)域。所述至少兩個磁性區(qū)域中的一者展現(xiàn)可切換磁性定向。吸子材料接近 于展現(xiàn)所述可切換磁性定向的所述至少兩個磁性區(qū)域中的所述一者。所述吸子材料化學(xué)鍵 合到從展現(xiàn)所述可切換磁性定向的所述至少兩個磁性區(qū)域中的一者擴散的物質(zhì)。中間氧化 物區(qū)域在所述至少兩個磁性區(qū)域之間。
【附圖說明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截面、立面、示意性說明，其中吸 子區(qū)域接近于所述結(jié)構(gòu)的次氧化物區(qū)域及自由區(qū)域，所述次氧化物區(qū)域下伏于自由區(qū)域及 吸子區(qū)域。
[0018] 圖1B是根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的圖1的方框B的放大圖，其中吸子區(qū)域及次氧化 物區(qū)域與彼此整合。
[0019] 圖1C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截面、立面、示意性說明，其中吸 子區(qū)域接近于所述結(jié)構(gòu)的次氧化物區(qū)域及自由區(qū)域，所述次氧化物區(qū)域上覆于自由區(qū)域及 吸子區(qū)域。
[0020] 圖2到5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在處理的各個階段期間的磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截 面、立面、示意性說明，其中吸子材料形成為接近于氧化物材料及磁性材料。
[0021] 圖6到12是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在處理的各個階段期間的磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截 面、立面、示意性說明，其中吸子氧化物區(qū)域形成為接近于磁性材料。
[0022] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包含具有磁性單元結(jié)構(gòu)的存儲器單元的STT-MRAM 系統(tǒng)的不意圖。
[0023] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包含具有磁性單元結(jié)構(gòu)的存儲器單元的半導(dǎo)體裝 置結(jié)構(gòu)的簡化框圖。
[0024]圖15是根據(jù)本發(fā)明的一或多個實施例實施的系統(tǒng)的簡化框圖。
[0025]圖16是不具有接近于氧化物材料及磁性材料的吸子區(qū)域的磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截 面、立面、示意性說明。
[0026]圖17A是圖16的磁性單元結(jié)構(gòu)的R-H循環(huán)圖。
[0027]圖17B是圖16的磁性單元結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)循環(huán)圖。
[0028]圖17C是圖16的磁性單元結(jié)構(gòu)的M-Η循環(huán)圖。
[0029] 圖18是磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截面、立面、示意性說明，其中吸子區(qū)域接近于氧化物材 料及磁性材料。
[0030] 圖19A是圖18的磁性單元結(jié)構(gòu)的R-H循環(huán)圖。
[0031] 圖19B是圖18的磁性單元結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)循環(huán)圖。
[0032]圖19C是圖18的磁性單元結(jié)構(gòu)的M-Η循環(huán)圖。
[0033]圖20是包括厚于圖18的磁性單元結(jié)構(gòu)的吸子區(qū)域的磁性單元結(jié)構(gòu)的橫截面、立 面、示意性說明。
[0034]圖21是包括薄于圖20的磁性單元結(jié)構(gòu)的氧化物區(qū)域(接近于吸子區(qū)域）的磁性單 元結(jié)構(gòu)的橫截面、立面、示意性說明。
[0035]圖22是圖21的磁性單元結(jié)構(gòu)的R-H循環(huán)圖。
【具體實施方式】
[0036] 本發(fā)明揭示存儲器單元、形成存儲器單元的方法、半導(dǎo)體裝置、存儲器系統(tǒng)及電子 系統(tǒng)。存儲器單元包含由磁性材料形成于兩個氧化物區(qū)域之間的磁性區(qū)域（例如，自由區(qū) 域）。兩個氧化物區(qū)域可為磁各向異性（"MA"）感應(yīng)區(qū)域。形成磁性區(qū)域的磁性材料包含"可 擴散物質(zhì)"及至少一個其它物質(zhì)。在磁性材料中存在可擴散物質(zhì)對于磁性材料展現(xiàn)磁性可 為不必要的。吸子材料接近于磁性區(qū)域且經(jīng)調(diào)配以具有對于可擴散物質(zhì)的高于磁性材料的 可擴散物質(zhì)與至少一個其它物質(zhì)之間的化學(xué)親和力的化學(xué)親和力。因此，吸子材料與磁性 區(qū)域的接近性導(dǎo)致可擴散物質(zhì)從磁性材料移除且并入到吸子材料中（例如，在退火期間）。 可擴散物質(zhì)從磁性材料的移除可實現(xiàn)具有促進高TMR(隧道磁阻)且包含較少結(jié)構(gòu)缺