存儲器單元、半導體結構、半導體裝置及制作方法與流程

本申請案主張于2014年4月9日提出申請的標題為“存儲器單元、半導體結構、半導體裝置及制作方法(MEMORY CELLS,SEMICONDUCTOR STRUCTURES,SEMICONDUCTOR DEVICES,AND METHODS OF FABRICATION)”的序號為14/249,183的美國專利申請案的申請日期的權益。

技術領域

在各種實施例中，本發明大體來說涉及存儲器裝置設計及制作的領域。更特定來說，本發明涉及表征為自旋扭矩轉移磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元的存儲器單元的設計及制作，涉及此些存儲器單元中所采用的半導體結構，且涉及并入有此些存儲器單元的半導體裝置。

背景技術：

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。一種類型的MRAM單元是包含由襯底支撐的磁性單元核心的自旋扭矩轉移MRAM(STT-MRAM)單元。磁性單元核心包含至少兩個磁性區(舉例來說，“固定區”及“自由區”)及介于其間的非磁性區。自由區及固定區可展現相對于所述區的寬度為水平定向(“平面內”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。固定區包含具有大致上固定(例如，非可切換)磁性定向的磁性材料。另一方面，自由區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，固定區及自由區的磁性定向是被定向成相同方向(例如，分別為北與北、東與東、南與南或西與西)。在“反平行”配置中，固定區及自由區的磁性定向是被定向成相反方向(例如，分別為北與南、東與西、南與北或西與東)。在平行配置中，STT-MRAM單元跨越磁阻元件(例如，固定區及自由區)展現較低電阻。此低電阻狀態可被定義為MRAM單元的“0”邏輯狀態。在反平行配置中，STT-MRAM單元跨越磁阻元件展現較高電阻。此高電阻狀態可被定義為STT-MRAM單元的“1”邏輯狀態。

對自由區的磁性定向的切換可通過使編程電流通過磁性單元核心及其中的固定區及自由區而完成。固定區使編程電流的電子自旋極化，且隨著經自旋極化電流通過核心，會形成扭矩。經自旋極化電子電流對自由區施加扭矩。在通過核心的經自旋極化電子電流的扭矩大于自由區的臨界切換電流密度(J_c)時，自由區的磁性定向的方向得以切換。因此，編程電流可用于跨越磁性區變更電阻。跨越磁阻元件的所得高或低電阻狀態實現對MRAM單元的寫入及讀取操作。在切換自由區的磁性定向以實現與所要邏輯狀態相關聯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的磁性定向直到將MRAM單元重新寫入到不同配置(即，到不同邏輯狀態)為止。

磁性區的磁各向異性(“MA”)是材料的磁性性質的方向相依性的指示。因此，MA也是材料的磁性定向的強度及其對其定向的變更的抵抗的指示。某些非磁性材料(例如，氧化物材料)與磁性材料之間的相互作用可沿著磁性材料的表面誘發MA(例如，增加MA強度)，從而增加磁性材料及MRAM單元的整體MA強度。呈現具有高MA強度的磁性定向的磁性材料可比呈現具有低MA強度的磁性定向的磁性材料較不易于變更其磁性定向。因此，具有高MA強度的自由區在存儲期間可比具有低MA強度的自由區更穩定。

自由區的其它有益性質通常與自由區的微結構相關聯。舉例來說，這些性質包含單元的隧道磁阻(“TMR”)。TMR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(R_p)之間的差對R_p的比率(即，TMR＝(R_ap–R_p)/R_p)。通常，在其磁性材料的微結構中具有較少結構缺陷的具有一致晶體結構(例如，bcc(001)晶體結構)的自由區具有比具有結構缺陷的薄自由區高的TMR。具有高TMR的單元可具有高讀出信號，所述高讀出信號可在操作期間加速對MRAM單元的讀取。高TMR還可實現對低編程電流的使用。

已努力形成具有高MA強度且具有有益于高TMR的微結構的自由區。然而，由于促進所要特性(例如實現高MA、高TMR或兩者的特性)的組合物及制作條件通常抑制MRAM單元的其它特性或性能，因而形成具有高MA強度及高TMR兩者的MRAM單元已提出挑戰。

舉例來說，在所要晶體結構處形成磁性材料的努力包含：將所要晶體結構從相鄰材料(本文中稱作“晶種材料”)傳播到磁性材料(本文中稱作“目標磁性材料”)。然而，使晶體結構傳播可在以下情況下受到抑制或可在目標磁性材料中導致微結構缺陷：在晶種材料在其晶體結構中具有缺陷的情況下，在目標磁性材料具有與晶體材料的晶體結構對抗的晶體結構，或在對抗性晶體結構也從除晶種材料外的材料傳播到目標磁性材料的情況下。

確保晶種材料具有可成功傳播到目標磁性材料的一致無缺陷晶體結構的努力已包含了對晶種材料進行退火。然而，由于晶種材料及目標磁性材料兩者通常同時暴露于退火溫度，因此盡管退火會改善晶種材料的晶體結構，但退火還可開始其它材料(包含目標磁性材料及其它相鄰材料)的結晶。此種其它結晶可對抗所要晶體結構從晶種材料的傳播并抑制所述傳播。

使目標磁性材料的結晶延遲直到在晶種材料結晶成所要晶體結構之后的努力已包含：在目標磁性材料最初形成時，將添加劑并入到目標磁性材料中，使得目標磁性材料最初是非晶的。舉例來說，在目標磁性材料是鈷鐵(CoFe)磁性材料的情況下，可添加硼(B)使得鈷鐵硼(CoFeB)磁性材料可用作前驅物材料且形成為最初非晶狀態。添加劑可在退火期間從目標磁性材料擴散出，從而使得目標磁性材料能夠在晶種材料已結晶成所要晶體結構之后在來自晶種材料的傳播下結晶。雖然這些努力可降低目標磁性材料將最初形成有將與待從晶種材料傳播的晶體結構對抗的微結構的可能性，但所述努力并未抑制對抗性晶體結構從除晶種材料以外的相鄰材料的傳播。此外，從目標磁性材料擴散的添加劑可擴散到結構內的區，其中添加劑干擾結構的其它特性，例如，MA強度。因此，形成具有所要微結構(例如，實現高TMR)的磁性材料而不使磁性材料或所得結構的其它特性(例如MA強度)劣化可提出挑戰。

技術實現要素：

本發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、另一磁性區、氧化物區及非晶區。所述磁性區包括由前驅物磁性材料形成的耗盡磁性材料，所述前驅物磁性材料包括至少一種擴散物質及至少一種其它物質。所述耗盡磁性材料包括所述至少一種其它物質。所述氧化物區介于磁性區與另一磁性區之間。所述非晶區接近于所述磁性區且由包括至少一種吸子物質的前驅物陷獲材料形成，所述至少一種吸子物質具有至少一個陷獲位點且對所述至少一種擴散物質的化學親和力高于所述至少一種其它物質對所述至少一種擴散物質的化學親和力。所述非晶區包括所述至少一種吸子物質，所述至少一種吸子物質鍵結到來自所述前驅物磁性材料的所述至少一種擴散物質。

本發明還揭示一種包括磁性區及陷獲區的半導體結構。所述磁性區位于襯底上方且包括前驅物磁性材料，所述前驅物磁性材料包括擴散物質。所述陷獲區包括至少一種吸子物質，所述至少一種吸子物質包括至少一個陷獲位點。所述至少一種吸子物質經調配以對所述前驅物材料的所述擴散物質展現高于所述擴散物質與所述前驅物磁性材料的另一物質之間的化學親和力的化學親和力。

本發明揭示一種形成磁性存儲器單元的方法。所述方法包括：形成前驅物結構。形成所述前驅物結構包括在襯底上方形成包括陷獲位點的前驅物陷獲材料。鄰近于所述前驅物陷獲材料形成包括擴散物質的前驅物磁性材料。所述擴散物質從所述前驅物材料轉移到所述前驅物陷獲材料以將所述前驅物磁性材料的至少一部分轉換成耗盡磁性材料且將所述前驅物陷獲材料的至少一部分轉換成濃化陷獲材料。在所述轉移之后，由所述前驅物結構形成磁性單元核心結構。

本發明還揭示一種形成半導體結構的方法。所述方法包括：在襯底上方形成包括至少一種擴散物質的非晶前驅物磁性材料。接近所述非晶前驅物磁性材料形成前驅物陷獲材料。所述前驅物陷獲材料包括具有至少一個陷獲位點的吸子物質。所述非晶前驅物磁性材料及所述前驅物陷獲材料經退火以使所述擴散物質與所述吸子物質的所述至少一個陷獲位點發生反應。

本發明還揭示一種半導體裝置。所述半導體裝置包括自旋扭矩轉移磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)陣列。所述STT-MRAM陣列包括STT-MRAM單元。所述STT-MRAM單元中的至少一個STT-MRAM單元包括位于襯底上方的結晶磁性區。所述結晶磁性區展現可切換磁性定向。結晶氧化物區鄰近所述結晶磁性區。磁性區展現大致上固定的磁性定向且通過所述結晶氧化物區與所述結晶磁性區間隔開。非晶陷獲區鄰近所述結晶磁性區。所述非晶陷獲區包括從所述結晶磁性區的前驅物磁性材料擴散且鍵結到所述非晶陷獲區的前驅物陷獲材料的吸子物質的物質。所述前驅物磁性材料具有從所述前驅物磁性材料擴散的所述物質鍵結到所述非晶陷獲區中的所述吸子物質的陷獲位點。

附圖說明

圖1是根據本發明的實施例的磁性單元結構的橫截面、立面示意性圖解說明，其中所述磁性單元結構包含上覆于自由區上的固定區、單一氧化物區及接近于所述自由區的陷獲區。

圖1A是根據本發明的替代實施例的圖1的框1AB的放大圖，其中固定區包含氧化物鄰近部分、中間部分及電極鄰近部分。

圖1B是根據本發明的另一替代實施例的圖1的框1AB的放大圖，其中固定區包含氧化物鄰近部分、中間陷獲部分及電極鄰近部分。

圖2是根據本發明的實施例的磁性單元結構的橫截面、立面示意性圖解說明，其中所述磁性單元結構包含上覆于自由區上的固定區、接近于所述自由區的雙重氧化物區及也接近于所述自由區的陷獲區。

圖2C是根據本發明的替代實施例的圖2的框2C的放大圖，其中陷獲區通過中間區與磁性區間隔開。

圖3是根據本發明的實施例的磁性單元結構的區段的橫截面、立面示意性圖解說明，其中自由區及固定區展現平面內磁性定向。

圖4A是根據本發明的實施例的磁性單元結構的橫截面、立面示意性圖解說明，其中所述磁性單元結構包含下伏于自由區下的固定區、接近于所述自由區的單一氧化物區及也接近于所述自由區的陷獲區。

圖4B是根據本發明的實施例的磁性單元結構的橫截面、立面示意性圖解說明，其中所述磁性單元結構包含下伏于自由區下的固定區、接近于所述自由區的單一氧化物區、也接近于所述自由區的陷獲區，及接近于所述固定區的另一陷獲區。

圖5是根據本發明的實施例的磁性單元結構的橫截面、立面示意性圖解說明，其中所述磁性單元結構包含下伏于自由區下的固定區、雙重氧化物區、接近于所述雙重氧化物區中的一者且也接近于所述自由區的陷獲區，及接近于所述固定區的另一陷獲區。

圖5A是根據本發明的替代實施例的圖5的框5A的放大圖，其中離散陷獲子區與離散次級氧化物子區交替。

圖6到9C是根據本發明的實施例用以制造圖1、1A及1B的磁性單元結構的各種處理階段期間的橫截面、立面示意性圖解說明，其中：

圖6是在處理階段期間的結構的橫截面、立面示意性圖解說明，所述結構包含前驅物陷獲材料；

圖6A是根據本發明的實施例的其中進一步詳細圖解說明前驅物陷獲材料的圖6的結構的橫截面、立面示意性圖解說明，其中所述前驅物陷獲材料經形成以具有交替吸子物質的結構；

圖6B是在圖6的處理階段之前進行的處理階段的橫截面、立面示意性圖解說明，其中吸子材料經轟擊以形成圖6的前驅物陷獲材料；

圖6C是在圖6的處理階段之前且在圖6A的處理階段之后的處理階段的橫截面、立面示意性圖解說明，其中交替吸子物質的結構經轟擊以形成圖6的前驅物陷獲材料；

圖6D是根據圖6A或6C的實施例的圖6的框6D的放大圖，其中簡化圖解說明圖6的前驅物陷獲材料的陷獲位點；

圖6E是在繼圖6D的處理階段之后的處理階段期間的圖6的框6D的放大圖，其中擴散物質已與圖6D的陷獲位點發生反應以形成濃化中間陷獲材料；

圖6F是在繼圖6E的處理階段之后的處理階段期間的圖6的框6D的放大圖，其中圖6E的濃化中間陷獲材料中的吸子物質及擴散物質已經互混以形成非晶陷獲材料；

圖6G是根據實施例的在圖6的處理階段期間的框6D的放大圖，其中前驅物陷獲材料包括鈷(Co)、鐵(Fe)及鎢(W)；

圖6H是根據另一實施例的圖6的處理階段期間的框6D的放大圖，其中前驅物陷獲材料包括釕(Ru)及鎢(W)；

圖7是在繼圖6及6D的處理階段之后且在圖6E的處理階段之前的處理階段期間的結構的橫截面、立面示意性圖解說明；

圖7A是圖7的框7A的放大圖，其中簡化圖解說明鄰近于圖6及圖6D的前驅物陷獲材料的前驅物磁性材料中的擴散物質；

圖8是在繼圖7及7A的處理階段之后且與圖6F的處理階段同時的處理階段期間的經退火結構的橫截面、立面示意性圖解說明；

圖8A是圖8的框8A的放大圖，其中簡化圖解說明來自圖7A的前驅物磁性材料的現在為圖6F的非晶陷獲材料中的擴散物質的擴散物質；

圖9A是根據本發明的實施例的在繼圖8的處理階段之后的處理階段期間的前驅物結構的橫截面、立面示意性圖解說明；

圖9B是根據本發明的替代實施例的在繼圖8的處理階段之后的處理階段期間的前驅物結構的橫截面、立面示意性圖解說明；且

圖9C是圖解說明繼圖9B的處理階段之后的處理階段的圖9B的框9C的放大圖。

圖10是根據本發明的實施例的包含具有磁性單元結構的存儲器單元的STT-MRAM系統的示意圖。

圖11是根據本發明的實施例的包含具有磁性單元結構的存儲器單元的半導體裝置結構的簡化框圖。

圖12是根據本發明的一個或多個實施例實施的系統的簡化框圖。

具體實施方式

本發明揭示存儲器單元、半導體結構、半導體裝置、存儲器系統、電子系統、形成存儲器單元的方法及形成半導體結構的方法。在存儲器單元的制作期間，從磁性材料(其也可被表征為“前驅物磁性材料”)至少部分地移除“擴散物質”，此歸因于前驅物磁性材料接近于包含至少一種吸子物質的“前驅物陷獲材料”。所述至少一種吸子物質具有至少一個陷獲位點，且對所述擴散物質具有與所述擴散物質與所述前驅物磁性材料中的其它物質之間的化學親和力相比更高的化學親和力。所述擴散物質可從前驅物磁性材料擴散到前驅物陷獲材料。其中，所擴散物質可與吸子物質在陷獲位點處鍵結。擴散物質從前驅物磁性材料(其形成可被表征為“耗盡磁性材料”的材料)的移除促進耗盡磁性材料結晶成所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)。此外，所擴散物質存在于在前驅物陷獲材料(其形成可被表征為“濃化前驅物陷獲材料”的材料)中且使濃化前驅物陷獲材料的物質互混可形成具有微結構(例如，非晶微結構)的濃化陷獲材料，所述微結構不會不利地影響磁性材料的結晶成所要晶體結構的能力。因此，耗盡磁性材料可結晶成微結構，所述微結構使包含耗盡磁性材料的存儲器單元能夠展現高隧道磁阻(“TMR”)且具有由一種或多種相鄰氧化物材料沿著磁性材料(例如，耗盡磁性材料)的界面誘發的磁各向異性(“MA”)。

如本文中所使用，術語“襯底”意指且包含上面形成有例如存儲器單元內的那些組件等組件的基底材料或其它構造。襯底可為半導體襯底、位于支撐結構上的基底半導體材料、金屬電極或上面形成有一種或多種材料、一個或多個結構或區的半導體襯底。襯底可為常規硅襯底或包含半導電材料的其它塊體襯底。如本文中所使用，術語“塊體襯底”不僅意指且包含硅晶片，而且意指且包含絕緣體上硅(“SOI”)襯底(例如藍寶石上硅(“SOS”)襯底或玻璃上硅(“SOG”)襯底)、位于基底半導體基礎上的硅外延層或者其它半導體或光電材料(例如硅-鍺(Si_1-xGe_x，其中x是(舉例來說)介于0.2與0.8之間的摩爾分數)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)或磷化銦(InP)以及其它)。此外，當在以下說明中提及“襯底”時，可能已利用先前工藝階段在基底半導體結構或基礎中形成材料、區或結。

如本文中所使用，術語“STT-MRAM單元”意指且包含磁性單元結構，所述磁性單元結構包含磁性單元核心，所述磁性單元核心包含安置于自由區與固定區之間的非磁性區。非磁性區可為呈磁性隧道結(“MTJ”)配置的電絕緣(例如，電介質)區。舉例來說，介于自由區與固定區之間的非磁性區可為氧化物區(本文中稱作“中間氧化物區”)。

如本文中所使用，術語“次級氧化物區”是指STT-MRAM單元的氧化物區而非中間氧化物區。次級氧化物區可經調配且經定位以用相鄰磁性材料誘發磁各向異性(“MA”)。

如本文中所使用，術語“磁性單元核心”意指且包含包括自由區及固定區的存儲器單元結構，且在存儲器單元的使用及操作期間電流可通過(即，流過)所述存儲器單元結構以影響自由區及固定區的磁性定向的平行配置或反平行配置。

如本文中所使用，術語“磁性區”意指展現磁性的區。磁性區包含磁性材料且也可包含一種或多種非磁性材料。

如本文中所使用，術語“磁性材料”意指且包含鐵磁性材料、亞鐵磁性材料、反鐵磁性及順磁性材料。

如本文中所使用，術語“CoFeB材料”及“CoFeB前驅物材料”意指且包含包括鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)的材料(例如，Co_xFe_yB_z，其中x＝10到80，y＝10到80，且z＝0到50)。CoFeB材料或CoFeB前驅物材料可展現或可不展現磁性，此取決于其配置(例如，其厚度)。

如本文中所使用，術語“物質”意指且包含來自元素周期表的構成材料的一種元素或多種元素。舉例來說，且非限制性地，在CoFeB材料中，Co、Fe及B中的每一者可被稱為CoFeB材料的物質。

如本文中所使用，術語“擴散物質”意指且包含材料的化學物質，其在材料中的存在并非是材料的功能性所必需的或在至少一個情況中并非是所要的。舉例來說，且非限制性地，在磁性區的CoFeB材料中，在B(硼)結合Co及Fe的存在并非是使Co及Fe充當磁性材料(即，展現磁性)所必需的條件下，B可被稱作擴散物質。在擴散之后，“擴散物質”可稱作“所擴散物質”。

如本文中所使用，術語“耗盡”在用于描述材料時描述由擴散物質從前驅物材料被全部或部分移除所產生的材料。

如本文中所使用，術語“濃化”在用于描述材料時描述所擴散物質已添加(例如，轉移)到的材料。

如本文中所使用，術語“前驅物”在指代材料、區或結構時意指且指代待轉變成所得材料、區或結構的材料、區或結構。舉例來說，且非限制性地，“前驅物材料”可指代將從中擴散出物質以將前驅物材料轉變成耗盡材料的材料；“前驅物材料”可指代物質將擴散到其中以將前驅物材料轉變成濃化材料的材料；“前驅物材料”可指代具有陷獲位點的不飽和材料，物質將與所述陷獲位點化學鍵結以將所述“前驅物材料”轉換成其中一次可用陷獲位點現在由所述物質占據的材料；且“前驅物結構”可指代將被圖案化以將前驅物結構轉變成所得經圖案化結構的材料或區的結構。

如本文中所使用，除非上下文另有指示，否則術語“由...形成”在描述材料或區時是指已由產生前驅物材料或前驅物區的轉變的動作產生的材料或區。

如本文中所使用，術語“化學親和力”意指且指代不同化學物質往往借以形成化學化合物的電子性質。化學親和力可由化學化合物的形成熱指示。舉例來說，經描述為對第二材料的擴散物質具有與擴散物質與第二材料的其它物質之間的化學親和力相比更高的化學親和力的第一材料意指且包含：包含擴散物質及來自第一材料的至少一種物質的化學化合物的形成熱低于包含擴散物質及第二材料的其它物質的化學化合物的形成熱。

如本文中所使用，術語“不飽和材料”意指且指代包括具有至少一個陷獲位點的原子的材料。

如本文中所使用，術語“陷獲位點”意指且指代包括陷獲位點的材料的原子或結構的配位不足、不穩態性或懸空鍵或點缺陷中的至少一者。舉例來說，且非限制性地，“陷獲位點”包含原子上的未滿足價。由于未滿足配位或價，陷獲位點具有高反應性，且在共價鍵結的情形中，懸空鍵的未配對電子與其它原子中的電子發生反應以便填充原子的價殼。具有陷獲位點的原子可為固定化材料(例如，固體)中的自由基。

如本文中所使用，術語“非晶”在指代材料時意指且指代具有非結晶結構的材料。舉例來說，且非限制性地，“非晶”材料包含玻璃。

如本文中所使用，術語“固定區”意指且包含STT-MRAM單元內的磁性區，所述磁性區包含磁性材料且在STT-MRAM單元的使用及操作期間具有固定磁性定向，因為影響單元核心的一個磁性區(例如，自由區)的磁化方向的改變的電流或所施加場可不影響固定區的磁化方向的改變。固定區可包含一種或多種磁性材料及任選地一種或多種非磁性材料。舉例來說，固定區可被配置為包含由磁性子區鄰接的釕(Ru)子區的合成反鐵磁體(SAF)。coupler material另一選擇是，固定區可配置有交替的磁性材料子區與耦合劑材料子區的結構。磁性子區中的每一者可在其中包含一種或多種材料及一個或多個區。作為另一實例，固定區可被配置為單一均質磁性材料。因此，固定區可具有均勻磁化或不同磁化的子區，總體上說，此在STT-MRAM單元的使用及操作期間實現具有固定磁性定向的固定區。

如本文中所使用，術語“耦合劑”在指代材料、區或子區時意指且包含經調配或以其它方式經配置以反鐵磁性耦合相鄰磁性材料、區或子區的材料、區或子區。

如本文中所使用，術語“自由區”意指且包含STT-MRAM單元內的包含磁性材料且在STT-MRAM單元的使用及操作期間具有可切換磁性定向的磁性區。磁性定向可通過電流或所施加場的施加而在平行配置與反平行配置之間切換。

如本文中所使用，“切換”意指且包含存儲器單元的使用及操作的階段，在所述階段期間編程電流通過STT-MRAM單元的磁性單元核心以實現自由區及固定區的磁性定向的平行或反平行配置。

如本文中所使用，“存儲”意指且包含存儲器單元的使用及操作的階段，在所述階段期間編程電流不通過STT-MRAM單元的磁性單元核心且其中并不有目的地更改自由區及固定區的磁性定向的平行或反平行配置。

如本文中所使用，術語“垂直”意指且包含垂直于相應區的寬度及長度的方向。“垂直”還可意指且包含垂直于襯底的上面定位有STT-MRAM單元的主要表面的方向。

如本文中所使用，術語“水平”意指且包含平行于相應區的寬度及長度中的至少一者的方向。“水平”還可意指且包含平行于襯底的上面定位有STT-MRAM單元的主要表面的方向。

如本文中所使用，術語“子區”意指且包含另一區中所包含的區。因此，一個磁性區可包含一個或多個磁性子區(即，磁性材料子區)以及非磁性子區(即，非磁性材料子區)。

如本文中所使用，術語“在…之間”是用以描述一種材料、區或子區相對于至少兩種其它材料、區或子區的相對安置的空間相對性術語。術語“在…之間”可囊括一種材料、區或子區直接鄰近于其它材料、區或子區的安置及一種材料、區或子區間接鄰近于其它材料、區或子區的安置兩者。

如本文中所使用，術語“接近于”是用以描述一種材料、區或子區靠近另一材料、區或子區的安置的空間相對性術語。術語“接近”包含間接鄰近、直接鄰近及在內部安置。

如本文中所使用，將元件稱為在另一元件“上”或“上方”意指且包含所述元件直接在所述另一元件的頂部上、鄰近于所述另一元件、在所述另一元件下方或與所述另一元件直接接觸。其還包含元件間接在另一元件的頂部上、鄰近于另一元件、在另一元件的下方或在另一元件附近，而其之間存在其它元件。相比來說，當將元件稱為“直接在”另一元件“上”或“直接鄰近于”另一元件時，不存在介入元件。

如本文中所使用，為便于說明，可使用其它空間相對性術語(例如，“下面”、“下部”、“底部”、“上面”、“上部”、“頂部”等)來描述如各圖中所圖解說明一個元件或特征與另一(些)元件或特征的關系。除非另有規定，否則空間相對性術語意欲除圖中所描繪的定向之外還囊括材料的不同定向。舉例來說，如果倒置各圖中的材料，那么被描述為在其它元件或特征的“下面”或“下方”或“底部上”的元件則將被定向為在所述其它元件或特征的“上面”或“頂部上”。因此，術語“在...下面”取決于其中使用所述術語的上下文而可囊括在…上面及在…下面兩種定向，此對所屬領域的普通技術人員將是顯而易見的。材料可以其它方式定向(旋轉90度、倒置等)且可相應地解釋本文中所使用的空間相對性描述符。

如本文中所使用，術語“包括(comprise/comprising)”及/或“包含(include/including)”指明所陳述特征、區、階段、操作、元件、材料、組件及/或群組的存在，但不排除一個或多個其它特征、區、階段、操作、元件、材料、組件及/或其群組的存在或添加。

如本文中所使用，“及/或”包含相關聯所列項目中的一者或多者的任何及全部組合。

如本文中所使用，單數形式“一(a、an)”及“所述(the)”意欲也包含復數形式，除非上下文另有明確指示。

本文中所呈現的圖解說明并非意在作為任一特定材料、物質、結構、裝置或系統的實際視圖，而僅僅是用于描述本發明的實施例的理想化表示。

本文中參考為示意性圖解說明的橫截面圖解說明來描述實施例。因此，預期圖解說明的形狀會由于(舉例來說)制造技術及/或公差而有所變化。因此，本文中所描述的實施例不應理解為限于如所圖解說明的特定形狀或區，而是可包含因(舉例來說)制造技術所引起的形狀偏差。舉例來說，被圖解說明或描述為盒形的區可具有粗糙及/或非線性特征。此外，所圖解說明的銳角可為圓角。因此，各圖中所圖解說明的材料、特征及區在本質上是示意性的，且其形狀并非意欲圖解說明材料、特征或區的精確形狀且并非限制本權利要求書的范圍。

以下描述提供特定細節(例如材料類型及處理條件)，以便提供對所揭示裝置及方法的實施例的透徹描述。然而，所屬領域的普通技術人員應理解，可在不采用這些特定細節的情況下實踐裝置及方法的實施例。實際上，可結合業內采用的常規半導體制作技術來實踐裝置及方法的實施例。

本文中所描述的制作工藝并不形成用于處理半導體裝置結構的完整工藝流程。所屬領域的普通技術人員已知工藝流程的其余部分。因此，本文中僅描述對于理解本發明裝置的及方法實施例所必需的方法及半導體裝置結構。

除非上下文另外指示，否則本文中所描述的材料可通過包含但不限于旋涂、毯覆式涂覆、化學氣相沉積(“CVD”)、原子層沉積(“ALD”)、等離子增強型ALD、物理氣相沉積(“PVD”)(例如，濺鍍)或外延生長的任何適合技術而形成。取決于待形成的特定材料，可由所屬領域的普通技術人員選擇用于沉積或生長材料的技術。

除非上下文另外指示，否則本文中所描述的材料的移除可通過包含但不限于蝕刻、離子研磨、磨料平面化或其它已知方法的任何適合技術而完成。

現在將參考圖式，其中在通篇中相似編號指代相似組件。所述圖式未必按比例繪制。

本發明揭示一種存儲器單元。所述存儲器單元包含磁性單元核心，所述磁性單元核心包含接近于磁性區的非晶區。所述非晶區由包括具有至少一個陷獲位點的至少一種吸子物質的前驅物陷獲材料形成。所述吸子物質對形成磁性區的前驅物磁性材料的擴散物質具有化學親和力。因此，所述吸子物質經選擇以從前驅物磁性材料吸引擴散物質，且前驅物陷獲材料配置有其陷獲位點以提供所擴散物質可與吸子物質發生反應且鍵結到所述吸子物質的位點。

為促進陷獲位點存在于前驅物陷獲材料中，前驅物陷獲材料可經配置以包含多種吸子物質的交替子區，使得陷獲位點在子區之間的多個界面處是普遍的。另一選擇是或另外，可通過(例如)用“轟擊物質”來轟擊前驅物陷獲材料而在材料中形成額外陷獲位點來促進陷獲位點的存在。前驅物陷獲材料中一種或多種吸子物質的陷獲位點的濃度增加會將前驅物陷獲材料配置成從前驅物磁性材料吸引擴散物質且將所擴散物質至少大致上保留于濃化陷獲材料中。

擴散物質從前驅物磁性材料的移除可實現并改善耗盡磁性材料的結晶。舉例來說，一旦已從前驅物磁性材料移除擴散物質，結晶結構可從相鄰結晶材料(例如，結晶氧化物材料)傳播到耗盡磁性材料。此外，一旦所擴散物質與濃化陷獲材料的至少一種吸子物質及任何其它物質(如果存在)互混，濃化陷獲材料便可保持或變成非晶的。濃化陷獲材料的非晶本質可不對抗或以其它方式不利地影響晶體結構從鄰近結晶材料材料到耗盡磁性材料的傳播。在一些實施例中，濃化陷獲材料甚至在高溫(例如，大于約300℃，例如，大于約500℃)下可為非晶的。因此，高溫退火可用于促進耗盡磁性材料的結晶而不使濃化陷獲材料結晶。耗盡磁性材料的結晶可實現高TMR(例如，大于約100％，例如，大于約200％)。此外，所擴散物質經由一次可用陷獲位點保留于濃化陷獲材料中可抑制所擴散物質干擾沿著磁性區與鄰近中間氧化物區之間的界面的MA誘發。在不限于任何一種理論的情況下，預期非磁性材料與磁性材料之間的鍵結(例如，磁性區中的鐵(Fe)與非磁性區中的氧(O)，即，鐵氧(Fe-O)鍵結)可促進MA強度。界面處較少或無擴散物質可使得能夠形成更多MA誘發鍵結。因此，不存在所擴散物質對MA誘發鍵結的干擾可實現高MA強度。因此，具有由具有陷獲位點的前驅物陷獲材料形成的非晶、濃化陷獲區的磁性存儲器單元可形成有高TMR及高MA強度兩者。

圖1圖解說明根據本發明的磁性單元結構100的實施例。磁性單元結構100包含位于襯底102上方的磁性單元核心101。磁性單元核心101可安置于上部電極104與下部電極105之間。磁性單元核心101包含磁性區及另一磁性區(舉例來說，分別為“固定區”110及“自由區”120)，其間具有氧化物區(例如，“中間氧化物區”130)。中間氧化物區130可被配置為隧道區且可沿著界面131接觸固定區110且可沿著界面132接觸自由區120。

固定區110及自由區120中的任一者或兩者可均質形成，或任選地可經形成以包含多個子區。舉例來說，參考圖1A，在一些實施例中，磁性單元核心101的固定區110′(圖1)可包含多個部分。舉例來說，固定區110′可包含作為氧化物鄰近部分113的磁性子區。中間部分115(例如，導電子區)可將氧化物鄰近部分113與電極鄰近部分117分離。電極鄰近部分117可包含磁性子區118與耦合劑子區119的交替結構。

繼續參考圖1，一個或多個下部中間區140可任選地安置于磁性區(例如，固定區110及自由區120)下方，且一個或多個上部中間區150可任選地安置于磁性單元結構100的磁性區上方。下部中間區140及上部中間區150(如果包含)可經配置以在存儲器單元的操作期間抑制物質分別在下部電極105與上覆材料之間以及在上部電極104與下伏材料之間擴散。

自由區120是接近于陷獲區180而形成。陷獲區180由包括具有陷獲位點的至少一種吸子物質的前驅物陷獲材料形成。前驅物陷獲材料在本文中還稱作“不飽和吸子材料”。陷獲位點可由于(舉例來說且非限制性地)吸子物質的交替子區的不匹配晶格結構、用轟擊物質(例如，離子及等離子)轟擊吸子材料以形成陷獲位點(即，通過使現有鍵斷裂)或兩者而形成。

吸子物質被調配成對來自相鄰前驅物磁性材料的擴散物質的化學親和力高于所述相鄰前驅物磁性材料的其它物質與所述擴散物質之間的化學親和力。擴散物質最初存在于前驅物磁性材料中可抑制前驅物磁性材料的結晶，但陷獲區180接近于前驅物磁性材料可實現擴散物質從前驅物磁性材料到陷獲區180的材料的擴散。一旦經擴散，所擴散物質可在陷獲位點處與吸子物質發生化學反應。

從前驅物磁性材料移除擴散物質會留下能夠結晶成所要晶體結構(例如，bcc(001))的耗盡磁性材料(即，具有與擴散之前的濃度相比較低的濃度的擴散物質的磁性材料)。可使所要晶體結構從一種或多種相鄰材料(例如，中間氧化物區130的氧化物)傳播。經結晶的耗盡磁性材料(具有所要晶體結構)可展現高TMR(例如，大于約100％(約1.00)，例如，大于約200％(約2.00))。

在一些實施例中，陷獲區180可經調配成非晶的且在相鄰耗盡磁性材料結晶時保持非晶。在一些此類實施例中，陷獲區180的前驅物材料可在最初形成時是非非晶的(即，結晶的)，但一旦來自前驅物磁性材料的所擴散物質已被接收且與陷獲區180的前驅物材料互混(例如，在退火期間)，前驅物材料即可轉換成非晶結構。在其它實施例中，陷獲區180的前驅物材料可在最初形成時是非晶的且可甚至在高溫下(例如，在退火期間)且甚至一旦濃化有所擴散物質也保持非晶的。因此，陷獲區180的材料可并不抑制相鄰耗盡磁性材料的結晶。

陷獲區180的厚度、組合物及結構可經選擇以在陷獲區180中提供充足量的不飽和吸子材料(即，充足數目個陷獲位點)，從而具有從相鄰前驅物磁性材料接收所擴散物質并與其鍵結的所要能力。與較薄陷獲區相比，較厚陷獲區可對所擴散物質具有相對較高容量。根據例如圖1中所圖解說明的實施例等實施例，陷獲區180的厚度可介于約(約1.0nm)到約(約10.0nm)之間。

參考圖1B，在一些實施例中，可存在額外陷獲區。舉例來說，另一陷獲區182可包含于磁性單元核心101(圖1)中。另一陷獲區182可接近于固定區110″的磁性材料(例如，最初為前驅物磁性材料，且隨后為耗盡磁性材料)。在一些實施例中，另一陷獲區182可在氧化物鄰近部分114與電極鄰近部分117之間形成固定區110″的中間部分。

另一陷獲區182還包含至少一種吸子物質，所述至少一種吸子物質可與鄰近于自由區120的陷獲區180的吸子物質相同或不同。另一陷獲區182的至少一種吸子物質在接收到所擴散物質之前也包含陷獲位點。因此，另一陷獲區182可經調配、結構化及安置以便從(例如，氧化物鄰近部分114的)相鄰前驅物磁性材料吸引擴散物質且與所擴散物質發生反應以促進耗盡磁性材料的結晶。例如，一旦所擴散物質已鍵結到吸子物質且吸子物質與所擴散物質已互混，另一陷獲區182便可為非晶的。因此濃化有所擴散物質的另一陷獲區182可在相鄰耗盡磁性材料結晶時保持非晶，以便不干擾結晶。

繼續參考圖1，在陷獲區180接近于自由區120的實施例中，陷獲區180可通過一個或多個其它區(例如，通過自由區120及中間氧化物區130)與固定區110物理隔離。因此，陷獲區180的物質可不與固定區110的物質發生化學反應。

在例如圖1B的實施例等實施例中，接近于固定區110″的另一陷獲區182可通過一個或多個其它區(例如，通過固定區110″的氧化物鄰近部分114且通過中間氧化物區130)與自由區120物理隔離。因此，另一陷獲區182的物質可不與自由區120的物質發生化學反應。

圖1的磁性單元結構100被配置為“頂部釘扎式”存儲器單元，即，其中固定區110安置于自由區120上方的存儲器單元。磁性單元結構100還包含單一氧化物區(即，中間氧化物區130)，所述單一氧化物區可經配置以在自由區120中誘發MA且充當由自由區120、中間氧化物區130及固定區110的相互作用實現的磁性隧道結(MTJ)的隧道區。

另一選擇是，參考圖2，根據本發明的實施例，磁性單元結構200可被配置為具有含有雙重MA誘發氧化物區(例如，中間氧化物區130及次級氧化物區270)的磁性單元核心201的頂部釘扎式存儲器單元。在一些實施例(例如圖2中所圖解說明的實施例)中，次級氧化物區270可形成于基礎區260上方(例如，直接在其上)，使得基礎區260的上部表面及次級氧化物區270的下部表面可彼此接觸。

基礎區260可提供上面形成有上覆材料(例如次級氧化物區270的材料)的平滑模板。在一些實施例中，基礎區260經調配且經配置以使得能夠將次級氧化物區270形成為展現晶體結構，所述晶體結構使得能夠在次級氧化物區270上方以所要晶體結構(例如，bcc(001)晶體結構)來形成自由區120。舉例來說，且非限制性地，基礎區260可使得次級氧化物區270能夠在其上形成有bcc(001)晶體結構或稍后結晶成bcc(001)晶體結構，所述結構可傳播到將形成自由區120的耗盡磁性材料。

在一些實施例中，基礎區260可直接形成于下部電極105上。在其它實施例(例如圖2中所圖解說明的實施例)中，基礎區260可形成于一個或多個下部中間區140上。

在磁性單元核心201中，雙重氧化物區中的第二者(即，次級氧化物區270)可接近于自由區120而安置，例如，鄰近于自由區120的與自由區120接近于中間氧化物區130的表面相對的表面。因此，次級氧化物區270可通過自由區120與中間氧化物區130間隔開。

陷獲區280可將自由區120與次級氧化物區270分離。然而，預期，陷獲區280可形成為實現自由區120與次級氧化物區270之間的MA誘發的厚度，甚至而不需使自由區120與次級氧化物區270直接物理接觸。舉例來說，陷獲區280的厚度可為薄的(例如，小于約(小于約0.6nm)(例如，高度介于約(約0.25nm)與約(約0.5nm)之間)。因此，陷獲區280可大致上不使氧化物區(例如，次級氧化物區270)與磁性區(例如，自由區120)之間的MA誘發降級。因此，磁性區可結晶成在相鄰氧化物區促進高MA強度時促進高TMR的結構。

在圖2的頂部釘扎式、雙重氧化物區配置中，另一選擇是，固定區110可被配置為圖1A的固定區110′或圖1B的固定區110″，如上文所論述。因此，與圖1B的固定區110″一樣，磁性單元結構200可包含多個陷獲區(例如，陷獲區280(圖2)及另一陷獲區182(圖1B))。

關于圖2C，在此實施例中或在本文中所揭示的任何其它磁性單元結構實施例中，陷獲區280可通過一個或多個中間區290與相鄰磁性區(例如，自由區120)間隔開。此中間區290可經調配且經配置以允許擴散物質從磁性區(例如，自由區120)擴散到陷獲區280。

本發明的實施例的存儲器單元可被配置為平面外STT-MRAM單元(如圖1及2中)，或被配置為平面內STT-MRAM單元(如圖3中所圖解說明)。“平面內”STT-MRAM單元包含展現主要沿水平方向定向的磁性定向的磁性區，而“平面外”STT-MRAM單元包含展現主要沿垂直方向定向的磁性定向的磁性區。舉例來說，如圖1中所圖解說明，STT-MRAM單元可經配置以在磁性區(例如，固定區110及自由區120)中的至少一者中展現垂直磁性定向。所展現的垂直磁性定向可由垂直磁各向異性(“PMA”)強度來表征。如圖1中通過箭頭112及雙頭箭頭122所指示，在一些實施例中，固定區110及自由區120中的每一者可展現垂直磁性定向。固定區110的磁性定向可在STT-MRAM單元的整個操作中保持沿基本上相同方向定向，舉例來說，沿由圖1的箭頭112指示的方向。另一方面，自由區120的磁性定向可在單元的操作期間在平行配置與反平行配置之間切換，如由圖1的雙頭箭頭122指示。作為另一實例，如圖3中所圖解說明，平面內STT-MRAM單元可經配置以在磁性區(例如，固定區310及自由區320)中的至少一者中展現水平磁性定向，如由固定區310中的箭頭312及自由區320中的雙頭箭頭322所指示。盡管圖3僅圖解說明固定區310、中間氧化物區130及自由區320，但上覆區可為上覆于圖1及2的固定區110上的那些區且下伏區可為下伏于圖1及2中的自由區120下的那些區。

盡管在一些實施例(例如圖1及2的實施例)中，固定區110可上覆于自由區120上，但在其它實施例(例如圖4A、4B及5中的實施例)中，固定區110可下伏于自由區120下。舉例來說，且非限制性地，在圖4A中，圖解說明具有磁性單元核心401的磁性單元結構400，其中固定區410上覆于下部電極105及(如果存在)下部中間區140上。基礎區260(圖2)(圖4A中未圖解說明)可任選地包含于(例如)下部電極105(或下部中間區140，如果存在)與固定區410之間。固定區410可(舉例來說且非限制性地)被配置為多子區固定區410，其具有電極鄰近部分417，電極鄰近部分417可被配置為交替結構(如在圖1A及1B的電極鄰近部分117中)。(例如)均質磁性材料的氧化物鄰近部分113可上覆于電極鄰近部分417上。子區(例如圖1A的中間部分115)可安置于電極鄰近部分417與氧化物鄰近部分113之間。中間氧化物區130可上覆于固定區410上，且自由區420可上覆于中間氧化物區130上。

陷獲區480可接近于固定區410及自由區420中的至少一者。舉例來說，如圖4A中所圖解說明，陷獲區480可上覆于自由區420上。在其它實施例中(圖4A中未圖解說明)，陷獲區480或另一陷獲區可(另一選擇是或另外)下伏于自由區420上或安置于自由區420內部。

無論如何，陷獲區480是由前驅物陷獲材料接近于前驅物磁性材料(例如，將形成自由區420的材料)而形成。所述前驅物陷獲材料包含至少一種吸子物質，所述至少一種吸子物質具有陷獲位點、經調配及結構化以從前驅物磁性材料吸引所擴散物質且與其發生反應以促進耗盡磁性材料結晶成實現高TMR的所要晶體結構。

上部電極104及(如果存在)上部中間區150可上覆于陷獲區480及自由區420上。因此，磁性單元結構400被配置為具有單一MA誘發氧化物區(例如，中間氧化物區130)的“底部釘扎式”存儲器單元。

參考圖4B，被配置為具有單一MA誘發氧化物區的底部釘扎式存儲器單元的磁性單元結構400′的替代實施例可包含與圖4A的磁性單元結構400大致上相同的結構，但其中磁性單元核心401′的固定區410′包含另一陷獲區482而非圖4A的固定區410的中間部分115。因此，磁性單元核心401′還可包含耗盡氧化物鄰近部分414而非圖4A的非耗盡氧化物鄰近部分113。

參考圖5，其圖解說明也被配置為底部釘扎式存儲器單元的磁性單元結構500。所圖解說明存儲器單元結構500包含具有雙重氧化物區(例如，中間氧化物區130及次級氧化物區570)的磁性單元核心501。次級氧化物區570可位于上部電極104下面且位于自由區420及陷獲區480兩者上方。

在此實施例中，或在本文中所描述的任何其它實施例中，陷獲區480可并入有次級氧化物區570，例如，作為次級氧化物區570的一個或多個子區。此并入有陷獲及氧化物的區可在本文中稱作“陷獲氧化物區”。舉例來說，如圖5A中所圖解說明，陷獲氧化物區578可包含與離散次級氧化物區570′相互間置的離散陷獲子區480′。然而，離散陷獲子區480′可由前驅物陷獲材料形成，所述前驅物陷獲材料具有含有可鍵結到的已從前驅物磁性材料擴散的所擴散物質的陷獲位點的吸子物質。

本文中所揭示的實施例中的任一者的陷獲區(例如，陷獲區180(圖1))可為大致上連續的(即，所述區的材料中不具有間隙)。然而，在其它實施例中，根據本文中所揭示的實施例中的任一者，陷獲區可為不連續的(即，在所述區的材料之間可具有間隙)。

在本文所述的實施例中的任一者中，可分別反轉固定區110(圖1及2)、110′(圖1A)、110″(圖1B)、310(圖3)、410(圖4A)、410′(圖4B及5)、中間氧化物區130(圖1到2及3到5)，自由區120(圖1及2)、320(圖3)、420(圖4A、4B及5)、陷獲區180(圖1)、182(圖1B)、280(圖2)、480(圖4A、4B及5)、482(圖4B及5)、次級氧化物區270(圖2)、570(圖5)(如果存在)、陷獲氧化物區578(圖5A)(如果存在)以及任何子區(如果存在)的相對安置。即使被反轉，中間氧化物區130也安置在自由區120(圖1及2)、320(圖3)、420(圖4A、4B、及5)與固定區110(圖1及2)、110′(圖1A)、110″(圖1B)、310(圖3)、410(圖4A)、410′(圖4B及5)之間，其中至少一個陷獲區(例如，陷獲區180(圖1)、另一陷獲區182(圖1B)、陷獲區280(圖2)、陷獲區480(圖4A、4B及5)、另一陷獲區482(圖4B及5)、陷獲氧化物區578(圖5A))接近于磁性區中的至少一者(例如，自由區120(圖1及2)、320(圖3)、420(圖4A、4B及5)及固定區110(圖1及2)、110′(圖1A)、110″(圖1B)、310(圖3)、410(圖4A)、410′(圖4B及5)中的至少一者)的前驅物磁性材料。

在其它實施例(未圖解說明)中，陷獲區可包含橫向鄰近于磁性區(例如，自由區120)的一部分。所述橫向鄰近部分可為對垂直相鄰部分的添加或替代方案。

因此，揭示一種包括磁性單元核心的存儲器單元。所述磁性單元核心包括磁性區，所述磁性區包括由前驅物磁性材料形成的耗盡磁性材料，所述前驅物磁性材料包括至少一種擴散物質及至少一種其它物質。所述耗盡磁性材料包括所述至少一種其它物質。所述磁性單元核心還包括另一磁性區及介于所述磁性區與另一磁性區之間的氧化物區。非晶區接近于所述磁性區。所述非晶區由包括至少一種吸子物質的前驅物陷獲材料形成，所述至少一種吸子物質具有至少一個陷獲位點且對至少一種擴散物質的化學親和力高于至少一種其它物質對所述至少一種擴散物質的化學親和力。所述非晶區包括所述至少一種吸子物質，所述至少一種吸子物質鍵結到來自所述前驅物磁性材料的至少一種擴散物質。

參考圖6到9C，其圖解說明制作磁性單元結構(例如圖1的磁性單元結構100)的方法中且根據圖1A及1B的實施例的階段。如圖6中所圖解說明，中間結構600可形成有形成于襯底102上方的導電材料605及位于導電材料605上方的前驅物陷獲材料680。任選地，在于導電材料605上方形成前驅物陷獲材料680之前，可先在導電材料605上方形成一種或多種下部中間材料640。

在例如可用于形成圖2的磁性單元結構200或包括基底次級氧化物區(例如，次級氧化物區270(圖2))的另一結構的其它實施例中，可在導電材料605及下部中間材料640(如果存在)上方形成基礎材料(未展示)。在于所述基礎材料上方形成前驅物陷獲材料680之前，可先在所述基礎材料上方形成氧化物材料(未展示)。

形成下部電極105(圖1、2、4A、4B及5)的導電材料605可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)金屬(例如，銅、鎢、鈦、鉭)、金屬合金，或其組合。

在其中任選下部中間區140(圖1、2、4A、4B及5)形成于下部電極105上方的實施例中，形成下部中間區140的下部中間材料640可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)鉭(Ta)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、釕(Ru)、鎢(W)或其組合。在一些實施例中，下部中間材料640(如果包含)可并入有將形成下部電極105(圖1、2、4A、4B及5)的導電材料605。舉例來說，下部中間材料640可為導電材料605的最上部子區。

在其中基礎材料形成于導電材料上方(猶如形成圖2的磁性單元結構200)的實施例中，基礎材料可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)包括鈷(Co)及鐵(Fe)中的至少一者的材料(例如，CoFeB材料)、包括非磁性材料的材料(例如，非磁性導電材料(例如，基于鎳的材料))或其組合。基礎材料可經調配且經配置以提供使得能夠在其上方以所要晶體結構(例如，bcc(001)晶體結構)形成材料(例如，氧化物材料)的模板。

此外，在用以形成圖2的磁性單元結構200的實施例中，將形成次級氧化物區270(圖2)的氧化物材料可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)或常規MTJ區的其它氧化物材料)。所述氧化物材料可直接形成(例如，生長、沉積)于基礎材料(如果存在)上。在其中基礎材料在最初形成時為非晶的實施例中，所得氧化物材料可在最初形成于基礎材料上方時是結晶的(例如，具有bcc(001)晶體結構)。

前驅物陷獲材料680可通過(舉例來說且非限制性地)將至少一種吸子物質濺鍍于先前所形成材料上方而形成。前驅物陷獲材料680經調配(即，選擇至少一種吸子物質)以對來自將鄰近前驅物陷獲材料680形成的前驅物磁性材料的擴散物質具有與所述擴散物質與前驅物磁性材料的其它物質之間的化學親和力相比更高的化學親和力。因此，前驅物陷獲材料680經調配以從前驅物磁性材料吸引擴散物質。

在一些實施例中，前驅物陷獲材料680中的每一物質可經調配以對來自前驅物磁性材料的所擴散物質具有化學親和力(即，兼容而與其化學鍵結)。在其它實施例中，前驅物陷獲材料680的并非全部的物質可經調配以對擴散物質具有所要化學親和力。因此，前驅物陷獲材料680可包含不與所擴散物質發生反應的物質或可由與所擴散物質發生反應的物質組成或基本上由與所擴散物質發生反應的物質組成。

參考圖6到6F，前驅物陷獲材料680經結構化且經調配以提供至少一種吸子物質684、686(圖6A及6C到6F)的至少一個陷獲位點687(圖6D)。陷獲位點687(圖6D)使擴散物質(一旦從前驅物磁性材料擴散)能夠與至少一種吸子物質684、686中的至少一者鍵結，使得所擴散物質可保留于本文中被稱作“濃化前驅物陷獲材料”681(圖6E)的材料中。

將前驅物陷獲材料680結構化成包含陷獲位點687(圖6D)可包含形成在吸子物質684、686的相鄰子區之間具有不匹配晶體晶格的結構的前驅物陷獲材料680。如本文中所使用，術語“不匹配晶體晶格”指代彼此未對準的相鄰物質的晶體晶格結構，使得將使物質完全飽和的物質之間的1:1鍵結可不容易實現。舉例來說，參考圖6A及6D，多種吸子物質684、686可彼此上下形成，以形成具有在吸子物質684、686中的兩者彼此鄰接處形成的界面685的交替結構。參考圖6D，此不匹配晶體晶格結構可在吸子物質684、686的原子684′、686′、686″上留下陷獲位點687。陷獲位點687可至少部分地由于吸子物質684、686的晶體晶格結構之間的不匹配而尤其占據物質之間的界面685。

在不受限于任何特定理論的情況下，預期界面685的數目越大，且因此吸子物質684、686的交替子區的數目越大，可包含于前驅物陷獲材料680中的陷獲位點687的數目即越大。每一個別子區的厚度可為最小的(例如，大約一個原子厚或數個原子厚)，其中此中間結構600′的總厚度經修整以提供最大數目個陷獲位點687(即，在后續處理動作期間，所擴散物質的潛在鍵結位點)而不使待形成的單元的其它特性(例如，電阻率)降級。

在一些實施例中，前驅物陷獲材料680可包含過渡金屬(例如，鎢(W)、鉿(Hf)、鉬(Mo)及鋯(Zr))作為吸子物質684、686(例如，圖6A及6C到6F的吸子物質684)中的至少一者且包含鐵(Fe)、鈷(Co)、釕(Ru)及鎳(Ni)中的至少一者作為吸子化學品(例如，圖6A及6C到6F的吸子物質686)中的至少另一者。

在一個特定實施例(并非限制性地)中，前驅物陷獲材料680可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：鈷及鐵(作為一種類型的吸子物質(例如，吸子物質686))及鎢(W)(作為另一吸子物質(例如，吸子物質684))。鈷-鐵及鎢中的每一者可對經調配為CoFeB磁性材料的相鄰前驅物磁性材料的擴散物質(例如硼(B))具有化學親和力。至少鎢對硼的化學親和力可大于硼與前驅物磁性材料的其它物質(例如，鈷及鐵)之間的化學親和力。

在另一特定實例(并非限制性地)中，前驅物陷獲材料680可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：釕(Ru)(作為一種吸子物質)及鎢(W)(作為另一吸子物質)。此外，釕及鎢中的每一者可對擴散物質(例如，硼(B))具有化學親和力。

參考圖6B，用于將前驅物陷獲材料680結構化成包含陷獲位點687(圖6D)的另一方法是：在襯底102上方形成吸子材料680″(其在最初形成時可未必是不飽和的)，且接著用來自等離子的(例如)一個或多個離子或自由基作為轟擊物質來轟擊吸子材料680″以在吸子材料680″的微結構中誘發點缺陷、不穩態鍵結、配位不足位點或懸空鍵(即，陷獲位點)。舉例來說，轟擊物質(例如氬(Ar)、氮(N)、氦(He)、氙(Xe))可如由箭頭688所指示被驅動到中間結構600″的吸子材料680″中以使經占據鍵斷裂且形成陷獲位點687(圖6D)。在此些實施例中，轟擊物質可保留于前驅物陷獲材料680(圖6及6D)中。

參考圖6C，可使用技術組合來將前驅物陷獲材料680結構化成包含陷獲位點687(圖6D)。舉例來說，具有不匹配晶體晶格結構的圖6A的中間結構600′可經受圖6B的轟擊688過程。經轟擊不匹配晶體晶格中間結構600″′可包含多于可僅由圖6A及6B的技術產生的陷獲位點的陷獲位點687(圖6D)。

在后續處理期間，例如在退火階段期間，擴散物質621′(圖7A)可從相鄰前驅物磁性材料轉移(例如，擴散)到前驅物陷獲材料680。在上述情況發生時，如圖6E中所圖解說明，陷獲位點687(圖6D)可接收所擴散物質621并與其發生反應以形成濃化前驅物陷獲材料681。所擴散物質621的原子可鍵結到吸子物質684、686的原子684′、686′、686″中的一者或多者(參見圖6E)。

在一些實施例(例如圖6A及圖6C以及(任選地)6B的實施例)中，前驅物陷獲材料680可在最初形成于襯底102上方時是結晶的。在所擴散物質621開始擴散到陷獲位點687(圖6D)中且與其發生反應時，前驅物陷獲材料680可(至少最初地)保持結晶。然而，隨著濃化前驅物陷獲材料681的組合物改變，即，隨著所擴散物質621的大部分變得由陷獲位點687(圖6D)陷獲，且隨著退火的高溫促進材料移動，濃化前驅物陷獲材料681的物質(例如，所擴散物質621及吸子物質684、686)可互混且將濃化前驅物陷獲材料681轉換成非晶陷獲材料682(在本文中也稱作“濃化陷獲材料682”及“濃化非晶陷獲材料682”)，如圖6F中所圖解說明。

在其它實施例(例如圖6G及6H的那些實施例)中，前驅物陷獲材料680(圖6)可經調配以在最初形成于襯底102上時是非晶的且貫穿(例如)退火保持非晶的。舉例來說，參考圖6G，前驅物陷獲材料680^IV可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：鐵(Fe)、鈷(Co)及鎢(W)，且可在最初形成于襯底102上方(圖6)時是非晶的。Fe、Co及W的原子中的至少一者可為配位不足、不穩態或具有懸空鍵或點缺陷，使得原子包含陷獲位點687(參見圖6D)(圖6G中未圖解說明)。作為另一實例，參考圖6H，前驅物陷獲材料680^V可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：釕(Ru)及鎢(W)，且可在最初形成于襯底102上方(圖6)時是非晶的。Ru及W的原子中的至少一者可為配位不足、不穩態或具有懸空鍵或點缺陷使得原子包含陷獲位點687(參見圖6D)(圖6H中未圖解說明)。在任一此種實施例中，陷獲位點687(參見圖6D)可不沿著所界定界面對準，而是可遍及前驅物陷獲材料680^IV(圖6G)、680^V(圖6H)分布。此外，濃化前驅物陷獲材料681也可為非晶的在此些實施例中，前驅物陷獲材料680^IV(圖6G)、680^V(圖6H)的物質的原子比率可經選擇以使前驅物陷獲材料680^IV(圖6G)、680^V(圖6H)能夠是非晶的且甚至在高退火溫度(例如，大于約500℃)下也保持非晶。

在任何情形中，前驅物陷獲材料680中的吸子物質684、686的原子比率可經選擇以將最終濃化陷獲材料682中的原子比率修整成將是非晶的且在高退火溫度下保持非晶的組合物。舉例來說，在其中前驅物陷獲材料680包括鐵(Fe)、鈷(Co)及鎢(W)、基本上由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎢(W)組成或由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎢(W)組成且其中硼(B)是擴散物質621的實施例中，前驅物陷獲材料680的組合物可經選擇使得包含所擴散物質621及(任選地)轟擊物質的濃化陷獲材料682的組合物包括至少約35at.％鎢(W)(其可保持非晶的直到約700℃的溫度)。

此外，前驅物陷獲材料680可經調配使得前驅物陷獲材料680在退火期間用于使耗盡磁性材料結晶的高溫下是穩定的(例如，物質將不向外擴散)。因此，可利用促進源自前驅物磁性材料的耗盡磁性材料結晶成所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)的高溫，而前驅物陷獲材料680不會抑制結晶。在不受限于任何一種理論的情況下，預期濃化陷獲材料682的非晶本質避免耗盡磁性材料中的微結構缺陷，所述微結構缺陷在以下情況下原本可會形成：濃化陷獲材料682具有不同于所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)的微結構且隨晶體結構從相鄰材料傳播到耗盡磁性材料而與所述晶體結構的微結構對抗的微結構。

因此，揭示一種包括位于襯底上方的磁性區的半導體結構。所述磁性區包括前驅物磁性材料，所述前驅物磁性材料包括擴散物質。陷獲區包括至少一種吸子物質，所述至少一種吸子物質包括至少一個陷獲位點。所述至少一種吸子物質經調配以對磁性前驅物材料的擴散物質展現高于擴散物質與前驅物磁性材料的另一物質之間的化學親和力的化學親和力。

參考圖7，在已形成圖6的前驅物陷獲材料680之后，且在使擴散物質621′擴散以與陷獲位點687發生反應(圖6D及6E)之前，可在前驅物陷獲材料680上方形成至少一種前驅物磁性材料720，如圖7中所圖解說明。最終形成自由區120(圖1)的前驅物磁性材料720可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)鐵磁材料(包含鈷(Co)及鐵(Fe)(例如，Co_xFe_y，其中x＝10到80且y＝10到80)且在一些實施例中還包含硼(B)(例如，Co_xFe_yB_z，其中x＝10到80，y＝10到80且z＝0到50))。因此，前驅物磁性材料720可包括Co、Fe及B中的至少一者(例如，CoFeB材料、FeB材料、CoB材料)。在其它實施例中，另一選擇是或另外，前驅物磁性材料720可包含鎳(Ni)(例如，NiB材料)。在一些實施例中，前驅物磁性材料720可包括與基礎材料(如果包含于襯底102上的導電材料605上方)相同的材料或具有基礎材料相同的元素但具有那些元素的不同原子比率的材料。前驅物磁性材料720可形成為均質區。在其它實施例中，前驅物磁性材料720可包含(例如)CoFeB材料的一個或多個子區，其中所述子區具有不同相對原子比率的Co、Fe及B。

參考圖7A，前驅物磁性材料720包含至少一種擴散物質621′及至少一種其它物質。擴散物質621′的存在對使前驅物磁性材料720或由其形成的耗盡磁性材料展現磁性來說并非是必需的。然而，擴散物質621′在前驅物磁性材料720中的存在可使前驅物磁性材料720能夠以非晶狀態形成(例如，通過濺鍍)。

前驅物陷獲材料680接近于前驅物磁性材料720且前驅物陷獲材料680與前驅物磁性材料720的其它物質相比對擴散物質621′(圖7A)較高的化學親和力可實現擴散物質621′(圖7A)從前驅物磁性材料720的移除。參考圖8及8A，所述移除形成耗盡磁性材料820及濃化陷獲材料682，如圖8中所圖解說明。舉例來說，且參考圖8B，擴散物質621′(圖7A)可擴散到前驅物陷獲材料680中，其中所擴散物質621可化學鍵結到前驅物陷獲材料680的吸子物質684、686。通過前驅物陷獲材料680從前驅物磁性材料720對所擴散物質621的此種移除可在對中間結構700(圖7)進行退火以形成經退火中間結構800期間發生，如圖8中所圖解說明。

在經退火中間結構800中，耗盡磁性材料820具有較低濃度的所擴散物質621(圖8A)，而濃化陷獲材料682包含所擴散物質621，如圖8A中所圖解說明。磁性單元結構100(圖1)、200(圖2)、400(圖4A)、400′(圖4B)及500(圖5)可因此包含耗盡磁性材料820(例如，在自由區120(圖1及2)、320(圖3)、420(圖4A、4B及5中)；在固定區110″的氧化物鄰近部分114(圖1B)中；及在固定區410′的氧化物鄰近部分414(圖4及5)中)及包含所擴散物質的濃化陷獲材料682(例如，在陷獲區180(圖1)、280(圖2及2C)、480(圖4A、4B及5)中；在另一陷獲區182(圖1B)、482(圖4B及5)中；在陷獲氧化物區578的離散陷獲子區480′(圖5A)中)。

舉例來說，且非限制性地，在其中前驅物磁性材料720(圖7)是CoFeB材料的實施例中，耗盡磁性材料820可為CoFe材料(即，包括鈷及鐵的磁性材料)。在其中前驅物陷獲材料680(圖7)是鈷-鐵(CoFe)吸子物質的子區與鎢(W)吸子物質的子區的交替結構的此些實施例中，濃化陷獲材料682可為鈷、鐵、鎢及硼(B)的非晶混合物(即，CoFeWB混合物或合金)。

在不受限于任何一種理論的情況下，預期借助具有對硼具有親和力的吸子物質的陷獲位點687(圖6D)的前驅物陷獲材料680將硼的擴散物質621′(圖7A)從CoFeB前驅物磁性材料720移除可使得耗盡磁性材料820能夠在低于包含擴散物質621′的前驅物磁性材料720(圖7)的結晶溫度的溫度下結晶。因此，所使用的退火溫度(例如，大于約500℃)可使得耗盡磁性材料820能夠結晶(例如，通過使所要晶體結構從相鄰材料(例如，中間氧化物區130(圖1)的材料)傳播)，而無需高到使相鄰材料降級(例如，不使鎢(W)從濃化陷獲材料682向外擴散)。因此，耗盡磁性材料820可結晶成所要晶體結構(例如，bcc(001)晶體結構)，所述所要晶體結構使得能夠形成磁性單元結構(例如，磁性單元結構100(圖1)、200(圖2)、400(圖4A)、400′(圖4B)、500(圖5))，而不會遭受實質性結構缺陷。不存在實質性結構缺陷可實現高TMR。

在不受限于任何一種理論的情況下，進一步預期擴散物質621′(圖7A)從前驅物磁性材料720(及/或從另一前驅物磁性材料713′(圖9B))的移除還可促進沿著耗盡磁性材料820與相鄰氧化物材料(例如，次級氧化物區270(圖2)或中間氧化物區130(圖1)的氧化物材料)之間的界面誘發MA。舉例來說，在不存在擴散物質621′(圖7A)的情況下，耗盡磁性材料820的其它物質與氧化物材料的相互作用性可比在擴散物質621′仍并入于前驅物磁性材料720中的情況下所述其它物質原本所具有的相互作用性更大。此外，所擴散物質621(圖8A)經由化學鍵結保留于濃化陷獲材料682中的一次可用陷獲位點687(圖6D)處可避免所擴散物質621擴散到磁性區(例如，自由區120)與其相鄰MA誘發氧化物區(例如，中間氧化物區130(圖1))之間的界面(例如，界面132(圖1))。此可沿著界面(例如，界面132(圖1))實現比原本可實現的更大的MA誘發相互作用性。因此，甚至在其中僅包含單一MA誘發氧化物區(例如，中間氧化物區130)的實施例中，MA強度可因存在前驅物陷獲材料680(或確切地說，濃化陷獲材料682)而大于不具有前驅物陷獲材料680(或確切地說，濃化陷獲材料682)的相同結構的MA強度。

雖然將自由區120(例如，圖1)描述為由包括擴散物質621′(圖7A)的前驅物磁性材料720(例如，CoFeB材料)“形成”，但所制作的磁性單元核心101(圖1)(或本發明的任何單元核心)的自由區120可包括比在前驅物磁性材料720最初形成時大致上少的擴散物質621′(例如，硼(B))。同樣地，在其中固定區110(圖1)的磁性材料受陷獲材料的相鄰區影響的實施例中，固定區110可包括比其在無附近陷獲材料的情況下原本將包括的擴散物質大致上少的擴散物質621′。實際上，所制作的磁性單元核心101的陷獲區180(圖1)可包括前驅物陷獲材料680的物質及已從前驅物磁性材料720擴散的所擴散物質621(例如，硼(B))兩者。

繼續參考圖7及8，形成中間氧化物區130(圖1)的氧化物材料730可形成于前驅物磁性材料720上，例如，在使耗盡磁性材料820結晶的退火之前。氧化物材料730可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)或常規MTJ非磁性區的其它氧化物材料)。在其中于前驅物陷獲材料680之前形成另一氧化物材料的實施例中，所述另一氧化物材料可為與氧化物材料730相同的材料或為包括與氧化物材料730相同的元素但其中具有不同原子比率的材料。舉例來說，且非限制性地，在雙重氧化物實施例中，氧化物材料730及另一氧化物材料兩者可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：MgO。

氧化物材料730可直接形成(例如，生長、沉積)于前驅物磁性材料720上。氧化物材料730可在最初形成時是結晶的(例如，具有bcc(001)結構)或可稍后在退火期間結晶。氧化物材料730可經定位使得在退火期間所要晶體結構可傳播到相鄰磁性材料(例如，耗盡磁性材料820(圖8))以使磁性材料(例如，耗盡磁性材料820(圖8))能夠結晶成相同晶體結構(例如，bcc(001)結構)。

經退火中間結構800的其它材料也可由于退火而結晶。退火過程可在從約300℃到約700℃(例如，約500℃)的退火溫度下進行且可在所述退火溫度下保持從約一分鐘(約1分鐘)到約一小時(約1小時)。退火溫度及時間可基于中間結構700的材料、(例如)耗盡磁性材料820的所要晶體結構及所擴散物質621從前驅物磁性材料720的所要耗盡量而加以修整。

在一些實施例(例如圖7及8中所圖解說明的實施例)中，形成固定區110′(圖1A)的氧化物鄰近部分113的另一磁性材料713可直接形成(例如，生長、沉積)于氧化物材料730上，例如，在使耗盡磁性材料820結晶的退火階段之前或之后。另一磁性材料713可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：(舉例來說且非限制性地)包含鈷(Co)及鐵(Fe)的鐵磁材料(例如，Co_xFe_y，其中x＝10到80且y＝10到80)且在一些實施例中還包含硼(B)(例如，Co_xFe_yB_z，其中x＝10到80、y＝10到80及z＝0到50)。因此，另一磁性材料713可包括CoFeB材料。在一些實施例中，另一磁性材料713可為與前驅物磁性材料720及基礎材料(如果包含于中間結構800中)中的任一者或兩者相同的材料，或具有相同元素但呈不同原子比率的材料。

參考圖9A，根據用以根據圖1及1A形成磁性單元結構100的實施例，非陷獲中間材料915可在已形成經退火中間結構800(圖8)之后形成于另一磁性材料713上。因此，中間材料915可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：導電材料(例如，鉭(Ta))。

另一選擇是，參考圖9B，根據用以根據圖1及1B形成磁性單元結構100的實施例，可形成另一前驅物陷獲材料680′而非圖9A的中間材料915。在此些實施例中，另一磁性材料713可被表征為包含擴散物質621′(圖7A)(例如，硼(B))的另一前驅物磁性材料713′，所述擴散物質可通過另一前驅物陷獲材料680′從另一前驅物磁性材料713′移除。另一前驅物陷獲材料680′可在退火之前形成于另一前驅物磁性材料713′上，使得經退火結構分段900″(圖9C)可包含由另一前驅物磁性材料713′形成的另一耗盡磁性材料820′(圖9C)。經退火結構分段900″還包含接近于另一耗盡磁性材料820′的另一非晶濃化陷獲材料682′。

磁性單元結構(例如，磁性單元結構100(圖1、1A、1B))的剩余材料可根據圖9A的實施例制作于中間材料915上方或根據圖9B及9C的實施例制作于另一濃化陷獲材料682′上方，以分別形成前驅物結構900(圖9A)或900′(圖9B)。舉例來說，材料917(例如交替磁性材料918及耦合劑材料919)可形成于中間材料915(圖9A)上或另一濃化陷獲材料682′(圖9C)上。舉例來說，且非限制性地，材料917可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：鈷/鈀(Co/Pd)多子區；鈷/鉑(Co/Pt)多子區；鈷/鎳(Co/Ni)多子區；常規固定區的基于鈷/鐵/鋱(Co/Fe/Tb)的材料、L₁0材料、耦合劑材料或其它磁性材料。因此，固定區110′(圖1A)或110″(圖1B)分別可包含由材料917形成的電極鄰近部分117(圖1A及1B)。固定區110′(圖1A)或110″(圖1B)還可包含分別由中間材料915或另一濃化陷獲材料682′形成的中間部分115(圖1A)或另一陷獲區182(圖1B)以及分別由另一前驅物磁性材料713(圖9A)或另一耗盡磁性材料820′(圖9C)形成的氧化物鄰近部分113(圖1A)或114(圖1B)。

在一些實施例中，任選地，一種或多種上部中間材料950可形成于用于固定區110′(圖1A)、110″(圖1B)的電極鄰近部分117的材料917上方。上部中間材料950(在被包含的情況下其形成任選上部中間區150(圖1))可包括以下材料、基本上由以下材料組成或由以下材料組成：經配置以確保相鄰材料中的所要晶體結構的材料。另一選擇是或另外，上部中間材料950可包含經配置以在常規STT-MRAM單元核心結構的磁性單元、阻擋材料或其它材料的制作期間輔助圖案化工藝的金屬材料。在一些實施例中，上部中間材料950可包含待形成為導電封蓋區的導電材料(例如，例如銅、鉭、鈦、鎢、釕、氮化鉭或氮化鈦等一種或多種材料)。

可形成上部電極104(圖1)的另一導電材料904可形成于用于固定區110′(圖1A)、110″(圖1B)的電極鄰近部分117的材料917及(如果存在)上部中間材料950上方。在一些實施例中，另一導電材料904及上部中間材料950(如果存在)可彼此集成在一起，例如，其中上部中間材料950是導電材料904的下部子區。

接著可分別根據圖1及1A或圖1及1B中所圖解說明的實施例在一個或多個階段中將前驅物結構900(圖9A)、900′(圖9B)圖案化以形成磁性單元結構100。用于將例如前驅物結構900(圖9A)、900′(圖9B)等結構圖案化以形成例如磁性單元結構100(圖1、1A及1B)等結構的技術在此項技術中是已知的且因此本文中不加以詳細描述。

在圖案化之后，磁性單元結構100包含磁性單元核心101，所述磁性單元核心包含接近于自由區120的陷獲區180且在圖1B的實施例中接近于固定區110″的另一陷獲區182。自由區120包含由前驅物磁性材料720(圖7)形成的耗盡磁性材料820(圖8)且包括濃度比由前驅物磁性材料720(圖7)形成但接近其無陷獲區180的自由區低的擴散物質621′(圖7A)。此外，根據圖1B的實施例，包含氧化物鄰近部分114中的由另一前驅物磁性材料713′(圖9B)形成的另一耗盡磁性材料820′(圖9C)的固定區110″包括濃度比由另一前驅物磁性材料713′(圖9B)形成但接近其無另一陷獲區182的固定區低的擴散物質621′(圖7A)。

在一些實施例中，接近于陷獲區(例如，陷獲區180、另一陷獲區182(圖1B))的磁性區(例如，自由區120、固定區110″(圖1B))可大致上或完全被耗盡擴散物質621′。在其它實施例中，磁性區可部分地被耗盡擴散物質621′。在此些實施例中，磁性區遍及其中可具有擴散物質621′(例如，硼)梯度，其中相對來說，低濃度的擴散物質621′鄰近于陷獲區180且高濃度的擴散物質621′與陷獲區180相對。在一些實施例中，擴散物質621′的濃度可在退火之后或期間平衡。

形成有結晶、耗盡磁性材料820(圖8)或其它耗盡磁性材料的自由區120或其它磁性區(例如，固定區110″(圖1B)的氧化物鄰近部分114)可具有可大致上無缺陷的所要晶體結構，此至少部分地歸因于擴散物質621′的移除及所擴散物質621到陷獲位點687(圖6D)的鍵結且至少部分地歸因于陷獲區180(或另一陷獲區182)的非晶微結構。

自由區120的結晶度可使磁性單元結構100能夠在使用及操作期間展現高TMR。此外，自由區120的耗盡磁性材料820可促進與相鄰氧化物區(例如，次級氧化物區270及中間氧化物區130)的MA誘發。

此外，在其中自由區120安置于雙重氧化物區(例如，圖2的中間氧化物區130及次級氧化物區270)之間的實施例中，可因來自雙重氧化物區兩者的MA誘發而進一步促進高MA強度。在此些實施例中，可沿著自由區120的接近于次級氧化物區270的表面誘發MA，甚至在陷獲區180安置于自由區120與次級氧化物區270之間的情況也如此。用于形成陷獲區180的前驅物陷獲材料680(圖7)的量可被修整成足以實現將擴散物質621′(圖7A)中的至少一些擴散物質從前驅物磁性材料720(圖7A)移除的量，同時也是不會大到抑制次級氧化物區270與自由區120之間的MA誘發的量。

因此，揭示一種形成磁性存儲器單元的方法。所述方法包括：形成前驅物結構。形成所述前驅物結構包括：在襯底上方形成包括陷獲位點的前驅物陷獲材料。形成所述前驅物結構還包括：鄰近于前驅物陷獲材料形成包括擴散物質的前驅物磁性材料。使擴散物質從前驅物磁性材料轉移到前驅物陷獲材料以將前驅物磁性材料的至少一部分轉換成耗盡磁性材料并將前驅物陷獲材料的至少一部分轉換成濃化陷獲材料。在所述轉移之后，由所述前驅物結構形成磁性單元核心結構。

圖4A的磁性單元結構400包含可被表征為圖1及1A的磁性單元核心101的反轉的磁性單元核心401。可通過從襯底102向上形成磁性單元結構400的材料并將所述材料圖案化來制作圖4A的磁性單元結構400，其中在形成用于上覆于自由區420上的陷獲區480的前驅物陷獲材料680(圖6)之后進行至少一次退火。

圖4B的磁性單元結構400′包含可被表征為圖1及1B的磁性單元核心101的反轉的磁性單元核心401′。可通過從襯底102向上形成磁性單元結構400′的材料并將所述材料圖案化來制作圖4B的磁性單元結構400′，其中在形成用于上覆于自由區420上的陷獲區480的前驅物陷獲材料680(圖6)之后進行至少一次退火。任選地，可在形成用于固定區410′的氧化物鄰近部分414的另一前驅物磁性材料713′(圖9B)之后執行中間退火。

圖5的磁性單元結構500包含可被表征為圖2的磁性單元核心201的反轉的磁性單元核心501。可通過從襯底102向上形成磁性單元結構500的材料并將所述材料圖案化來制作圖5的磁性單元結構500，其中在形成用于陷獲區480的前驅物陷獲材料680(圖6)之后進行至少一次退火。任選地，可在形成固定區410′的氧化物鄰近部分414的另一前驅物磁性材料713′(圖9B)之后執行中間退火。

因此，揭示一種形成半導體結構的方法。所述方法包括：在襯底上方形成包括至少一種擴散物質的非晶前驅物磁性材料。接近所述非晶前驅物磁性材料形成包括具有至少一個陷獲位點的吸子物質的前驅物陷獲材料。所述非晶前驅物磁性材料及所述前驅物陷獲材料經退火以使所述擴散物質與所述吸子物質的所述至少一個陷獲位點發生反應。

參考圖10，其圖解說明包含與STT-MRAM單元1014進行可操作通信的外圍裝置1012的STT-MRAM系統1000，取決于系統要求及制作技術，可制作STT-MRAM單元1014的群組以形成呈包含若干個行及行的柵格圖案或呈各種其它布置的存儲器單元陣列。STT-MRAM單元1014包含磁性單元核心1002、存取晶體管1003、可充當數據/感測線1004(例如，位線)的導電材料、可充當存取線1005(例如，字線)的導電材料及可充當源極線1006的導電材料。STT-MRAM系統1000的外圍裝置1012可包含讀取/寫入電路1007、位線參考1008及感測放大器1009。單元核心1002可為上文所描述的磁性單元核心(例如，磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4A)、401′(圖4B)、501(圖5))中的任何一者。由于單元核心1002的結構、制造方法或兩者，STT-MRAM單元1014因此可具有高TMR及高MA強度。

在使用及操作中，當選擇STT-MRAM單元1014來予以編程時，將編程電流施加到STT-MRAM單元1014，且所述電流由單元核心1002的固定區自旋極化且對單元核心1002的自由區施加扭矩，此將自由區的磁化切換成“寫入到”或“編程”STT-MRAM單元1014。在STT-MRAM單元1014的讀取操作中，使用電流來檢測單元核心1002的電阻狀態。

為起始對STT-MRAM單元1014的編程，讀取/寫入電路1007可產生到數據/感測線1004及源極線1006的寫入電流(即，編程電流)。數據/感測線1004與源極線1006之間的電壓的極性確定單元核心1002中的自由區的磁性定向的切換。通過隨自旋極性而改變自由區的磁性定向，自由區根據編程電流的自旋極性而被磁化，經編程邏輯狀態被寫入到STT-MRAM單元1014。

為讀取STT-MRAM單元1014，讀取/寫入電路1007產生穿過單元核心1002及存取晶體管1003到數據/感測線1004及源極線1006的讀取電壓。STT-MRAM單元1014的編程狀態與跨越單元核心1002的電阻相關，可通過數據/感測線1004與源極線1006之間的電壓差來確定所述電阻。在一些實施例中，所述電壓差可與位線參考1008進行比較且通過感測放大器1009來放大。

圖10圖解說明可操作STT-MRAM系統1000的一個實例。然而，預期可在經配置以并入有磁性區的磁性單元核心的任何STT-MRAM系統內并入且利用磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4A)、401′(圖4B)、501(圖5)。

因此，揭示一種包括自旋扭矩轉移磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)陣列的半導體裝置，所述STT-MRAM陣列包括STT-MRAM單元。所述STT-MRAM單元中的至少一個STT-MRAM單元包括位于襯底上方的結晶磁性區。所述結晶磁性區展現可切換磁性定向。結晶氧化物區鄰近所述結晶磁性區。展現大致上固定磁性定向的磁性區通過結晶氧化物區與結晶磁性區間隔開。非晶陷獲區鄰近所述結晶磁性區。所述非晶陷獲區包括從所述結晶磁性區的前驅物磁性材料擴散且鍵結到所述非晶陷獲區的前驅物陷獲材料的吸子物質的物質。前驅物磁性材料具有陷獲位點，在所述陷獲位點處從前驅物磁性材料擴散的物質鍵結到非晶陷獲區中的吸子物質。

參考圖11，其圖解說明根據本文中所描述的一個或多個實施例實施的半導體裝置1100的簡化框圖。半導體裝置1100包含存儲器陣列1102及控制邏輯組件1104。存儲器陣列1102可包含多個STT-MRAM單元1014(圖10)，其包含上文所論述的磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4A)、401′(圖4B)、501(圖5)中的任一者，磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4A)、401′(圖4B)、501(圖5)可已根據上文所描述的方法形成且可根據上文所描述的方法操作。控制邏輯組件1104可經配置以與存儲器陣列1102以操作方式交互作用以便對存儲器陣列1102內的任何或所有存儲器單元(例如，STT-MRAM單元1014(圖10))進行讀取或寫入。

參考圖12，其描繪基于處理器的系統1200。基于處理器的系統1200可包含根據本發明的實施例所制造的各種電子裝置。基于處理器的系統1200可為多種類型中的任一者，例如計算機、傳呼機、蜂窩式電話、個人記事薄、控制電路或其它電子裝置。基于處理器的系統1200可包含例如微處理器等的一個或多個處理器1202以控制基于處理器的系統1200中對系統功能及請求的處理。基于處理器的系統1200的處理器1202及其它子組件可包含根據本發明的實施例所制造的磁性存儲器裝置。

基于處理器的系統1200可包含與處理器1202進行可操作通信的電力供應器1204。舉例來說，如果基于處理器的系統1200是便攜式系統，那么電力供應器1204可包含燃料電池、電力收集裝置、永久電池、可替換電池及可再充電電池中的一者或多者。舉例來說，電力供應器1204還可包含AC適配器；因此，基于處理器的系統1200可插入到壁式插座中。舉例來說，電力供應器1204還可包含DC適配器，使得基于處理器的系統1200可插入到車載點煙器或車載電力端口中。

取決于基于處理器的系統1200所執行的功能，各種其它裝置可耦合到處理器1202。舉例來說，用戶接口1206可耦合到處理器1202。用戶接口1206可包含輸入裝置，例如按鈕、開關、鍵盤、光筆、鼠標、數字化器及手寫筆、觸摸屏、話音辨識系統、麥克風或其組合。顯示器1208也可耦合到處理器1202。顯示器1208可包含LCD顯示器、SED顯示器、CRT顯示器、DLP顯示器、等離子顯示器、OLED顯示器、LED顯示器、三維投影、音頻顯示器或其組合。此外，RF子系統/基帶處理器1210也可耦合到處理器1202。RF子系統/基帶處理器1210可包含耦合到RF接收器并耦合到RF發射器的天線(未展示)。通信端口1212或多個通信端口1212也可耦合到處理器1202。舉例來說，通信端口1212可適于耦合到例如調制解調器、打印機、計算機、掃描儀或相機等的一個或多個外圍裝置1214，或耦合到例如局域網、遠程局域網、內聯網或因特網等的網絡。

處理器1202可通過實施存儲于存儲器中的軟件程序而控制基于處理器的系統1200。舉例來說，所述軟件程序可包含操作系統、數據庫軟件、制圖軟件、字處理軟件、媒體編輯軟件或媒體播放軟件。所述存儲器可操作地耦合到處理器1202以存儲并促進各種程序的執行。舉例來說，處理器1202可耦合到系統存儲器1216，系統存儲器1216可包含自旋扭矩轉移磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)、靜態隨機存取存儲器(SRAM)、賽道存儲器及其它已知存儲器類型中的一者或多者。系統存儲器1216可包含易失性存儲器、非易失性存儲器或其組合。系統存儲器1216通常較大，以使得其可存儲動態加載的應用程序及數據。在一些實施例中，系統存儲器1216可包含半導體裝置(例如圖11的半導體裝置1100)、包含上文所描述的磁性單元核心101(圖1)、201(圖2)、401(圖4A)、401′(圖4B)、501(圖5)中的任一者或其組合的存儲器單元。

處理器1202還可耦合到非易失性存儲器1218，此并不暗示系統存儲器1216必定為易失性。非易失性存儲器1218可包含STT-MRAM、MRAM、只讀存儲器(ROM)(例如EPROM、電阻式只讀存儲器(RROM))及將結合系統存儲器1216使用的快閃存儲器中的一者或多者。非易失性存儲器1218的大小通常經選擇以恰好大到足以存儲任何必需的操作系統、應用程序及固定數據。另外，舉例來說，非易失性存儲器1218可包含高容量存儲器，例如磁盤驅動存儲器，例如包含電阻式存儲器或其它類型的非易失性固態存儲器等的混合式驅動器。非易失性存儲器1218可包含半導體裝置(例如圖11的半導體裝置1100)、包含上文所描述的磁性單元核心結構101(圖1)、201(圖2)、401(圖4A)、401′(圖4B)、501(圖5)中的任一者或其組合的存儲器單元。

雖然易于對本發明的實施方案做出各種修改及替代形式，但已在圖示中以舉例方式展示并已在本文中詳細地描述了特定實施例。然而，本發明并不意欲限于所揭示的特定形式。而是，本發明囊括歸屬于由所附權利要求書及其合法等效內容所界定的本發明范圍內的所有修改、組合、等效形式、變化形式及替代形式。