存储器单元、制造方法及半导体装置的制造方法
【专利说明】
[00011 优先权主张
[0002] 本申请案主张2013年9月18日申请的标题为"存储器单元、制造方法及半导体装置 (MEMORY CELLS,METHODS OF FABRICATION,AND SEMICONDUCTOR DEVICES)" 的第 14/030， 763号美国专利申请案的申请日期的权利。
技术领域
[0003] 在各种实施例中，本发明大体上涉及存储器装置设计及制造领域。更特定地说，本 发明涉及以自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元为特征的存储器单元的设 计及制造。
【背景技术】
[0004] 磁性随机存取存储器(MRAM)是基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。一种类型 的MRAM单元是自旋力矩转移MRAM( STT-MRAM)单元，其包含由衬底支撑的磁性单元核心。磁 性单元核心包含至少两个磁性区域，例如，"固定区域"及"自由区域"，其间具有非磁性区 域。自由区域及固定区域可展现相对于所述区域的宽度水平定向（"平面内"）或垂直定向 ("平面外"）的磁性定向。固定区域包含具有大致上固定(例如，不可切换）的磁性定向的磁 性材料。另一方面，自由区域包含具有可在单元的操作期间在"平行"配置与"反平行"配置 之间切换的磁性定向的磁性材料。在平行配置中，固定区域及自由区域的磁性定向指向相 同方向（例如，分别指向北方及北方、东方及东方、南方及南方或西方及西方）。在反平行配 置中，固定区域及自由区域的磁性定向指向相反方向（例如，分别指向北方及南方、东方及 西方、南方及北方或西方及东方）。在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件(例如，固 定区域及自由区域)的较低电阻。此低电阻状态可定义为MRAM单元的"0"逻辑状态。在反平 行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件的较高电阻。此高电阻状态可定义为STT-MRAM单 元的"Γ逻辑状态。
[0005] 可通过使编程电流通过磁性单元核心及其中的固定区域及自由区域来完成自由 区域的磁性定向的切换。固定区域使编程电流的电子自旋极化，且随着自旋极化电流通过 核心而产生力矩。自旋极化电子电流将力矩施加于自由区域上。当通过核心的自旋极化电 子电流的力矩大于自由区域的临界切换电流密度(J。）时，切换自由区域的磁性定向的方 向。因此，编程电流可用于更改跨磁性区域的电阻。跨磁阻元件的所得高电阻或低电阻实现 MRAM单元的写入及读取操作。在切换自由区域的磁性定向以实现与所需逻辑状态相关联的 平行配置及反平行配置中的一者之后，通常期望在"存储"阶段期间维持自由区域的磁性定 向直到MRAM单元被重新写入到不同配置(即，到不同逻辑状态)为止。
[0006] 磁性区域的磁各向异性（"MA"）是对材料的磁性质的方向相依性的指示。因此，MA 同样是对材料的磁性定向的强度及其更改其定向的阻力的指示。与展现具有低MA强度的磁 性定向的磁性材料相比，展现具有高MA强度的磁性定向的磁性材料可较不容易更改其磁性 定向。因此，与具有低MA强度的自由区域相比，具有高MA强度的自由区域在存储期间可更稳 定。
[0007] 特定非磁性材料(例如，氧化物材料)与磁性材料之间的接触或近乎接触可沿着磁 性材料的表面感应MA(例如，增大MA强度），从而增加磁性材料及MRAM单元的总MA强度。一般 来说，与MA感应材料的表面/界面接触的磁性材料与磁性材料的未接触部分的比率越大，磁 性区域的MA强度就越高。因此，一般来说，常规磁性单元结构使(例如）自由区域的磁性材料 与相邻Μ感应氧化物区域直接接触，且磁性材料与Μ感应材料之间不具有另一材料。
[0008] 自由区域的其它有益性质通常与厚（即，高垂直尺寸）自由区域构相关联且与自由 区域的微结构相关联。这些性质包含(例如)单元的隧道磁阻（"TMR"）JMR是单元在反平行 配置中的电阻（R aP)与其在平行配置中的电阻（RP)之间的差异与RP的比率（即，TMR=(R ap-RP)/RP)。一般来说，在其磁性材料的微结构中具有较少结构缺陷的厚自由区域具有高于具 有结构缺陷的薄自由区域的TMR。具有高TMR的单元可具有高读出信号，其可在操作期间加 速MRAM单元的读取。高TMR还可实现低编程电流的使用。
[0009] 与薄、包含缺陷的自由区域相比，厚、无缺陷的自由区域还可具有较高能量势皇 (Eb)及较高能量势皇比(Eb/kT)。能量势皇比是Eb与kT的比率，其中k是波兹曼(Boltzmann) 常数且T是温度。Eb及能量势皇比是对单元的热稳定性及因此其数据保持的指示。Eb越高且 能量势皇比越高，单元可越不容易于过早切换(例如，在存储期间切换出编程平行或反平行 配置）。
[0010] "磁性地连续"（即，未被分散于磁性材料中的非磁性材料中断）的无缺陷自由区域 可具有高于包含缺陷、磁性地中断的自由区域的交换劲度。交换劲度(AiEex/ajexi每一 原子的交换能量，a =距离)是磁性材料的性质。一般来说，磁性材料的交换劲度越高，磁性 材料可越好地执行为MRAM单元的自由区域。
[00?1 ]已致力于通过将厚自由区域定位于两个MA感应材料之间、加倍磁性材料暴露到MA 感应材料的表面积而形成具有高MA强度以及有益于高TMR的厚度或其它性质的自由区域。 然而，常规MA感应材料可为电阻的。因此，在MRAM单元中包含第二MA感应材料区域增大磁性 单元核心的电阻。在常规MRAM单元结构中包含第二MA感应材料区域还可导致单元核心中的 结构缺陷。因此，形成具有高MA强度、高TMR、高能量势皇及能量势皇比以及高交换劲度的 MRAM单元结构具有所呈现的挑战。
【发明内容】
[0012] 本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元核心，所述磁性单元 核心包括磁性区域及另一磁性区域。所述磁性区域展现可切换磁性定向且由包括可扩散物 质及至少一个其它物质的磁性材料形成。所述另一磁性区域展现固定磁性定向。中间氧化 物区域在所述磁性区域与所述另一磁性区域之间。另一个氧化物区域通过所述磁性区域而 与所述中间氧化物区域间隔。吸子材料接近于所述磁性区域。所述吸子材料对于所述可扩 散物质的化学亲和力高于所述至少一个其它物质对于所述可扩散物质的化学亲和力。
[0013] 本发明还揭示一种形成磁性存储器单元的方法。所述方法包括形成前体结构。形 成所述前体结构包括在一种氧化物材料与另一种氧化物材料之间形成磁性材料。所述磁性 材料展现可切换磁性定向。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 对于所述磁性材料的可扩散物质的化学亲和力。所述可扩散物质从所述磁性材料转移到所 述吸子材料。磁性单元核心由所述前体结构形成。
[0014] 本发明还揭示一种半导体装置。所述半导体装置包括包含自旋力矩转移磁性随机 存取存储器(STT-MRAM)单元的STT-MRAM阵列。所述STT-MRAM单元的至少一个STT-MRAM单元 包括衬底上方的自由区域。吸子区域接近于所述自由区域。所述吸子区域包括吸子材料及 从所述自由区域扩散的物质。所述吸子材料具有对于所述物质的化学亲和力。所述物质的 一种氧化物感应所述自由区域中的磁各向异性。中间氧化物区域在所述自由区域上方，且 固定区域在所述中间氧化物区域上方。
[0015] 本发明还揭示一种半导体装置，其包括包含自旋力矩转移磁性随机存取存储器 (STT-MRAM)单元的STT-MRAM阵列。所述STT-MRAM单元的至少一个STT-MRAM单元包括衬底上 方的氧化物区域。结晶磁性区域在所述氧化物区域上方。所述结晶磁性区域由磁性材料形 成。吸子材料接近于所述结晶磁性区域。所述吸子材料对于来自所述磁性材料的扩散物质 的化学亲和力高于所述磁性材料的至少一个其它物质对于所述扩散物质的化学亲和力。中 间氧化物区域在所述结晶磁性区域上方。另一磁性区域在所述中间氧化物区域上方。
[0016] 本发明还讨论一种半导体装置。所述半导体装置包括磁性存储器单元的阵列。磁 性存储器单元的所述阵列的至少一个磁性存储器单元包括衬底上方的氧化物区域上方的 至少两个磁性区域。所述至少两个磁性区域中的一者展现可切换磁性定向。吸子材料接近 于展现所述可切换磁性定向的所述至少两个磁性区域中的所述一者。所述吸子材料化学键 合到从展现所述可切换磁性定向的所述至少两个磁性区域中的一者扩散的物质。中间氧化 物区域在所述至少两个磁性区域之间。
【附图说明】
[0017] 图1是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面、示意性说明，其中吸 子区域接近于所述结构的次氧化物区域及自由区域，所述次氧化物区域下伏于自由区域及 吸子区域。
[0018] 图1B是根据本发明的替代实施例的图1的方框B的放大图，其中吸子区域及次氧化 物区域与彼此整合。
[0019] 图1C是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面、立面、示意性说明，其中吸 子区域接近于所述结构的次氧化物区域及自由区域，所述次氧化物区域上覆于自由区域及 吸子区域。
[0020] 图2到5是根据本发明的实施例的在处理的各个阶段期间的磁性单元结构的横截 面、立面、示意性说明，其中吸子材料形成为接近于氧化物材料及磁性材料。
[0021] 图6到12是根据本发明的实施例的在处理的各个阶段期间的磁性单元结构的横截 面、立面、示意性说明，其中吸子氧化物区域形成为接近于磁性材料。
[0022] 图13是根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的STT-MRAM 系统的不意图。
[0023] 图14是根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的半导体装 置结构的简化框图。
[0024]图15是根据本发明的一或多个实施例实施的系统的简化框图。
[0025]图16是不具有接近于氧化物材料及磁性材料的吸子区域的磁性单元结构的横截 面、立面、示意性说明。
[0026]图17A是图16的磁性单元结构的R-H循环图。
[0027]图17B是图16的磁性单元结构的平面内循环图。
[0028]图17C是图16的磁性单元结构的M-Η循环图。
[0029] 图18是磁性单元结构的横截面、立面、示意性说明，其中吸子区域接近于氧化物材 料及磁性材料。
[0030] 图19A是图18的磁性单元结构的R-H循环图。
[0031] 图19B是图18的磁性单元结构的平面内循环图。
[0032]图19C是图18的磁性单元结构的M-Η循环图。
[0033]图20是包括厚于图18的磁性单元结构的吸子区域的磁性单元结构的横截面、立 面、示意性说明。
[0034]图21是包括薄于图20的磁性单元结构的氧化物区域(接近于吸子区域）的磁性单 元结构的横截面、立面、示意性说明。
[0035]图22是图21的磁性单元结构的R-H循环图。
【具体实施方式】
[0036] 本发明揭示存储器单元、形成存储器单元的方法、半导体装置、存储器系统及电子 系统。存储器单元包含由磁性材料形成于两个氧化物区域之间的磁性区域（例如，自由区 域）。两个氧化物区域可为磁各向异性（"MA"）感应区域。形成磁性区域的磁性材料包含"可 扩散物质"及至少一个其它物质。在磁性材料中存在可扩散物质对于磁性材料展现磁性可 为不必要的。吸子材料接近于磁性区域且经调配以具有对于可扩散物质的高于磁性材料的 可扩散物质与至少一个其它物质之间的化学亲和力的化学亲和力。因此，吸子材料与磁性 区域的接近性导致可扩散物质从磁性材料移除且并入到吸子材料中（例如，在退火期间）。 可扩散物质从磁性材料的移除可实现具有促进高TMR(隧道磁阻)且包含较少结构缺