存储器单元、半导体装置及制造方法制造方法及图纸

磁性单元包含磁性区域、次要氧化物区域及吸气剂晶种区域。在形成期间，扩散性物质由于由吸气剂物质引起的化学亲和力而从前体磁性材料转移到所述吸气剂晶种区域。所述磁性材料的耗尽使得所述耗尽磁性材料能够在无来自现在为富集的所述吸气剂晶种区域的干扰的情况下通过从相邻结晶材料的晶体结构传播而结晶。此促成高隧穿磁阻及高磁性各向异性强度。此外，在形成期间，另一扩散性物质由于由另一吸气剂物质引起的化学亲和力而从前体氧化物材料转移到所述吸气剂晶种区域。所述氧化物材料的耗尽实现单元结构中的较低电阻及低阻尼。本发明专利技术还揭示制造方法及半导体装置。

Memory unit, semiconductor device and manufacturing method

The magnetic unit includes magnetic regions, secondary oxide region and getter seed area. During the formation of diffusion material due to the chemical affinity caused by getter substances and precursor magnetic material transferred to the getter seed area. Run out of the magnetic material makes the depletion of magnetic materials can spread from the crystal structure of crystalline materials and crystallization in adjacent non from now for interfering with the enrichment of the getter seed area under the condition of. This leads to high tunneling magnetoresistance and high magnetic anisotropy intensity. In addition, during the formation of another diffusible substance due to chemical affinity caused by another substance and getter precursor oxide material transferred to the getter seed area. The depletion of the oxide material achieves lower resistance and low damping in the cell structure. The invention also discloses a manufacturing method and a semiconductor device.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权主张本申请案主张2014年10月16日提出申请的标题为“存储器单元、半导体装置及制造方法(MEMORYCELLS,SEMICONDUCTORDEVICES,ANDMETHODSOFFABRICATION)”的序列号为14/516,347的美国专利申请案的申请日期的权益。
在各种实施例中，本专利技术一般来说涉及存储器装置设计及制造的领域。更特定来说，本专利技术涉及表征为自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的存储器单元的设计及制造，涉及此类存储器单元中采用的半导体结构，且涉及并入有此类存储器单元的半导体装置。
技术介绍
磁性随机存取存储器(MRAM)是基于磁阻的非易失性存储器技术。一种类型的MRAM是自旋扭矩转移MRAM(STT-MRAM)，其中磁性单元核心包含磁性隧穿结(“MTJ”)子结构，所述MTJ子结构具有在其间具非磁性区域的至少两个磁性区域(举例来说，“固定区域”及“自由区域”)。自由区域及固定区域可展现相对于区域的宽度而水平定向(“平面内”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。固定区域包含具有基本上固定(例如，不可切换)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被引导于相同方向上(例如，分别地北及北、东及东、南及南，或西及西)。在“反平行”配置中，固定区域及自由区域的磁性定向被引导于相反方向上(例如，分别地北及南、东及西、南及北，或西及东)。在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件(例如，固定区域及自由区域)的较低电阻，其定义MRAM单元的“0”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件的较高电阻，其定义STT-MRAM单元的“1”逻辑状态。自由区域的磁性定向的切换可通过使编程电流通过包含固定区域及自由区域的磁性单元核心而实现。固定区域使编程电流的电子自旋极化，且在经自旋极化电流通过核心时形成扭矩。经自旋极化电子电流将扭矩施加于自由区域上。当经自旋极化电子电流的扭矩大于自由区域的临界切换电流密度(Jc)时，自由区域的磁性定向的方向被切换。因此，编程电流可用于更改跨越磁性区域的电阻。跨越磁阻元件的所得高或低电阻状态实现对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要逻辑状态相关联的平行配置及反平行配置中的一者之后，通常期望自由区域的磁性定向在“存储”阶段期间被维持，直到MRAM单元应被重写为不同配置(即，被重写为不同逻辑状态)为止。一些STT-MRAM单元包含双氧化物区域，即，除MTJ子结构的“中间氧化物区域”(其还可被称为“隧穿势垒”)以外还存在另一个氧化物区域。自由区域可介于中间氧化物区域与所述另一个氧化物区域之间。自由区域暴露于两个氧化物区域可增加自由区域的磁性各向异性(“MA”)强度并降低单元核心中的阻尼。举例来说，所述氧化物区域可经配置以诱发与相邻材料(例如，自由区域的相邻材料)的表面/界面MA。MA是对磁性材料的磁性性质的方向相依性的指示。因此，MA还是对材料的磁性定向的强度及其对磁性定向更改的阻力的指示。与展现具有较低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易于遭受其磁性定向的更改。此外，由双氧化物区域提供的低阻尼可使得能够在单元的编程期间使用低编程电流。具有高MA强度的自由区域可在存储期间比具有低MA强度的自由区域更稳定，且具有低阻尼的单元核心可比具有较高阻尼的单元核心更有效地被编程。虽然与邻近于仅一个氧化物区域(即，中间氧化物区域)的自由区域相比，双氧化物区域可增加自由区域的MA强度并降低单元核心的阻尼，但与包括仅一个氧化物区域(即，中间氧化物区域)的单元核心相比，磁性单元核心中的氧化物材料的经添加量可增加核心的电阻(例如，串联电阻)，此降低单元的有效磁阻(例如，隧穿磁阻(“TMR”))。经增加电阻还增加单元的电阻区(“RA”)且可增加在编程期间切换自由区域的磁性定向所需的电压。经减小有效磁阻可使单元的性能降级，如经增加RA及编程电压可能造成的一样。因此，形成STT-MRAM单元以具有围绕自由区域的双氧化物区域以获得高MA强度及低阻尼而不使其它性质(例如磁阻(例如，TMR)、RA及编程电压)降级已提出挑战。自由区域的其它有益性质通常与自由区域的微结构相关联。这些性质包含(举例来说)单元的TMR。TMR是单元在反平行配置中的电阻(Rap)与其在平行配置中的电阻(Rp)之间的差对比Rp的比率(即，TMR＝(Rap–Rp)/Rp)。一般来说，具有在其磁性材料的微结构中具极少结构缺陷的一致晶体结构(例如，bcc(001)晶体结构)的自由区域具有比具结构缺陷的薄自由区域高的TMR。具有高TMR的单元可具有高读出信号，此可加速在操作期间对MRAM单元的读取。高TMR可伴随有高MA及低阻尼，从而使得能够使用低编程电流。已做出形成处于所要晶体结构的磁性材料的努力。这些努力包含将所要晶体结构从相邻材料(在本文中被称为“晶种材料”)传播到磁性材料(在本文中被称为“目标磁性材料”)，此传播可通过使材料退火来协助。然而，同时使晶种材料及目标磁性材料两者结晶可导致在晶种材料具有所要晶体结构以完全地传播到目标磁性材料之前使目标磁性材料以非所要晶体结构结晶。因此，已做出以下努力：延迟目标磁性材料的结晶，直到在使晶种材料结晶成所要晶体结构之后为止。这些努力已包含将添加剂并入于目标磁性材料中，因此所述材料在首次形成时是非晶的。添加剂可在退火期间扩散出目标磁性材料，从而使目标磁性材料能够在晶种材料已结晶成所要晶体结构之后在从晶种材料的传播下结晶。然而，这些努力不会抑制来自除了晶种材料之外的相邻材料的竞争性晶体结构的传播。此外，从目标磁性材料扩散的添加剂可扩散到其中所述添加剂干扰结构的其它特性(例如，MA强度)的结构内的区域。因此，形成具有所要微结构的磁性材料(例如)以实现高TMR同时不使磁性材料或所得结构的其它特性(例如MA强度)退化还可提出挑战。
技术实现思路
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隧穿结子结构，所述磁性隧穿结子结构包括固定区域、自由区域及介于所述固定区域与所述自由区域之间的中间氧化物区域。次要氧化物区域邻近所述磁性隧穿结子结构。吸气剂晶种区域接近所述次要氧化物区域且包括键合到氧的氧吸气剂物质。所述次要氧化物区域及所述吸气剂区域中的至少一者包括键合到经扩散的经扩散物质的另一吸气剂物质。还揭示包括具有钴(Co)及铁(Fe)的磁性区域的存储器单元。所述磁性区域展现可切换磁性定向。氧化物区域安置于所述磁性区域与展现基本上固定磁性定向的另一磁性区域之间。另一个氧化物区域邻近所述磁性区域且包括接近与所述磁性区域的界面浓缩的氧。非晶吸气剂晶种区域邻近所述另一个氧化物区域。所述吸气剂晶种区域包括氧、硼、氧吸气剂物质及硼吸气剂物质。还揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括形成前体结构。形成前体结构包括在衬底上方形成前体吸气剂晶种材料。在所述前体吸气剂晶种材料上方形成前体氧化物材料。在所述前体氧化物材料上方形成前体磁性材料。使来自所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，其包括：至少一个存储器单元，其包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括：磁性隧穿结子结构，其包括：固定区域；自由区域；及中间氧化物区域，其介于所述固定区域与所述自由区域之间；次要氧化物区域，其邻近所述磁性隧穿结子结构；及吸气剂晶种区域，其接近所述次要氧化物区域且包括键合到氧的氧吸气剂物质，所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域中的至少一者包括键合到经扩散物质的另一吸气剂物质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.16 US 14/516,3471.一种半导体装置，其包括：至少一个存储器单元，其包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括：磁性隧穿结子结构，其包括：固定区域；自由区域；及中间氧化物区域，其介于所述固定区域与所述自由区域之间；次要氧化物区域，其邻近所述磁性隧穿结子结构；及吸气剂晶种区域，其接近所述次要氧化物区域且包括键合到氧的氧吸气剂物质，所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域中的至少一者包括键合到经扩散物质的另一吸气剂物质。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：所述自由区域是由前体磁性材料形成；且键合到所述另一吸气剂物质的所述经扩散物质是从所述前体磁性材料扩散。3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：所述次要氧化物区域是由前体氧化物材料形成；且键合到所述氧吸气剂物质的所述氧是从所述前体氧化物材料扩散。4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述次要氧化物区域是导电的。5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧吸气剂物质包括钙(Ca)、锶(Sr)、铍(Be)、镧(La)、钡(Ba)、铝(Al)及镁(Mg)中的至少一者。6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述另一吸气剂物质包括钽(Ta)、钌(Ru)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、氮(N)、铪(Hf)及镍(Ni)中的至少一者。7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述经扩散物质包括硼(B)。8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述吸气剂晶种区域展现非晶结构。9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述存储器单元展现大于约1.20(120％)的隧穿磁阻TMR。10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域两者包括所述另一吸气剂物质。11.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述次要氧化物区域及所述吸气剂晶种区域中的所述至少一者中仅所述吸气剂晶种区域包括所述另一吸气剂物质。12.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：所述自由区域包括钴(Co)及铁(Fe)，所述自由区域展现可切换磁性定向；所述固定区域展现基本上固定磁性定向；所述次要氧化物区域包括接近与所述自由区域的界面浓缩的氧；所述吸气剂晶种区域展现非晶结构；所述另一吸气剂物质经调配为硼吸气剂物质；所述经扩散物质包括硼(B)；且所述吸气剂晶种区域包括键合到所述氧的所述氧吸气剂物质且包括键合到所述硼(B)的所述硼吸气剂物质。13.根据权利要求12所述的半导体装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：古尔特杰·S·桑胡，苏密特·C·潘迪，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US