存儲器單元、半導體裝置及制造方法與流程
優先權主張
本申請案主張2014年10月16日提出申請的標題為“存儲器單元、半導體裝置及制造方法(memorycells,semiconductordevices,andmethodsoffabrication)”的序列號為14/516,347的美國專利申請案的申請日期的權益。
在各種實施例中，本發明一般來說涉及存儲器裝置設計及制造的領域。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造，涉及此類存儲器單元中采用的半導體結構，且涉及并入有此類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存儲器技術。一種類型的mram是自旋扭矩轉移mram(stt-mram)，其中磁性單元核心包含磁性隧穿結(“mtj”)子結構，所述mtj子結構具有在其間具非磁性區域的至少兩個磁性區域(舉例來說，“固定區域”及“自由區域”)。自由區域及固定區域可展現相對于區域的寬度而水平定向(“平面內”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。固定區域包含具有基本上固定(例如，不可切換)磁性定向的磁性材料。另一方面，自由區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，固定區域及自由區域的磁性定向被引導于相同方向上(例如，分別地北及北、東及東、南及南，或西及西)。在“反平行”配置中，固定區域及自由區域的磁性定向被引導于相反方向上(例如，分別地北及南、東及西、南及北，或西及東)。在平行配置中，stt-mram單元展現跨越磁阻元件(例如，固定區域及自由區域)的較低電阻，其定義mram單元的“0”邏輯狀態。在反平行配置中，stt-mram單元展現跨越磁阻元件的較高電阻，其定義stt-mram單元的“1”邏輯狀態。
自由區域的磁性定向的切換可通過使編程電流通過包含固定區域及自由區域的磁性單元核心而實現。固定區域使編程電流的電子自旋極化，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于自由區域上。當經自旋極化電子電流的扭矩大于自由區域的臨界切換電流密度(jc)時，自由區域的磁性定向的方向被切換。因此，編程電流可用于更改跨越磁性區域的電阻。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。在切換自由區域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，通常期望自由區域的磁性定向在“存儲”階段期間被維持，直到mram單元應被重寫為不同配置(即，被重寫為不同邏輯狀態)為止。
一些stt-mram單元包含雙氧化物區域，即，除mtj子結構的“中間氧化物區域”(其還可被稱為“隧穿勢壘”)以外還存在另一個氧化物區域。自由區域可介于中間氧化物區域與所述另一個氧化物區域之間。自由區域暴露于兩個氧化物區域可增加自由區域的磁性各向異性(“ma”)強度并降低單元核心中的阻尼。舉例來說，所述氧化物區域可經配置以誘發與相鄰材料(例如，自由區域的相鄰材料)的表面/界面ma。ma是對磁性材料的磁性性質的方向相依性的指示。因此，ma還是對材料的磁性定向的強度及其對磁性定向更改的阻力的指示。與展現具有較低ma強度的磁性定向的磁性材料相比，展現具有高ma強度的磁性定向的磁性材料可較不易于遭受其磁性定向的更改。此外，由雙氧化物區域提供的低阻尼可使得能夠在單元的編程期間使用低編程電流。具有高ma強度的自由區域可在存儲期間比具有低ma強度的自由區域更穩定，且具有低阻尼的單元核心可比具有較高阻尼的單元核心更有效地被編程。
雖然與鄰近于僅一個氧化物區域(即，中間氧化物區域)的自由區域相比，雙氧化物區域可增加自由區域的ma強度并降低單元核心的阻尼，但與包括僅一個氧化物區域(即，中間氧化物區域)的單元核心相比，磁性單元核心中的氧化物材料的經添加量可增加核心的電阻(例如，串聯電阻)，此降低單元的有效磁阻(例如，隧穿磁阻(“tmr”))。經增加電阻還增加單元的電阻區(“ra”)且可增加在編程期間切換自由區域的磁性定向所需的電壓。經減小有效磁阻可使單元的性能降級，如經增加ra及編程電壓可能造成的一樣。因此，形成stt-mram單元以具有圍繞自由區域的雙氧化物區域以獲得高ma強度及低阻尼而不使其它性質(例如磁阻(例如，tmr)、ra及編程電壓)降級已提出挑戰。
自由區域的其它有益性質通常與自由區域的微結構相關聯。這些性質包含(舉例來說)單元的tmr。tmr是單元在反平行配置中的電阻(rap)與其在平行配置中的電阻(rp)之間的差對比rp的比率(即，tmr＝(rap–rp)/rp)。一般來說，具有在其磁性材料的微結構中具極少結構缺陷的一致晶體結構(例如，bcc(001)晶體結構)的自由區域具有比具結構缺陷的薄自由區域高的tmr。具有高tmr的單元可具有高讀出信號，此可加速在操作期間對mram單元的讀取。高tmr可伴隨有高ma及低阻尼，從而使得能夠使用低編程電流。
已做出形成處于所要晶體結構的磁性材料的努力。這些努力包含將所要晶體結構從相鄰材料(在本文中被稱為“晶種材料”)傳播到磁性材料(在本文中被稱為“目標磁性材料”)，此傳播可通過使材料退火來協助。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所要晶體結構以完全地傳播到目標磁性材料之前使目標磁性材料以非所要晶體結構結晶。因此，已做出以下努力：延遲目標磁性材料的結晶，直到在使晶種材料結晶成所要晶體結構之后為止。這些努力已包含將添加劑并入于目標磁性材料中，因此所述材料在首次形成時是非晶的。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后在從晶種材料的傳播下結晶。然而，這些努力不會抑制來自除了晶種材料之外的相鄰材料的競爭性晶體結構的傳播。此外，從目標磁性材料擴散的添加劑可擴散到其中所述添加劑干擾結構的其它特性(例如，ma強度)的結構內的區域。因此，形成具有所要微結構的磁性材料(例如)以實現高tmr同時不使磁性材料或所得結構的其它特性(例如ma強度)退化還可提出挑戰。
技術實現要素：
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隧穿結子結構，所述磁性隧穿結子結構包括固定區域、自由區域及介于所述固定區域與所述自由區域之間的中間氧化物區域。次要氧化物區域鄰近所述磁性隧穿結子結構。吸氣劑晶種區域接近所述次要氧化物區域且包括鍵合到氧的氧吸氣劑物質。所述次要氧化物區域及所述吸氣劑區域中的至少一者包括鍵合到經擴散的經擴散物質的另一吸氣劑物質。
還揭示包括具有鈷(co)及鐵(fe)的磁性區域的存儲器單元。所述磁性區域展現可切換磁性定向。氧化物區域安置于所述磁性區域與展現基本上固定磁性定向的另一磁性區域之間。另一個氧化物區域鄰近所述磁性區域且包括接近與所述磁性區域的界面濃縮的氧。非晶吸氣劑晶種區域鄰近所述另一個氧化物區域。所述吸氣劑晶種區域包括氧、硼、氧吸氣劑物質及硼吸氣劑物質。
還揭示一種形成存儲器單元的方法。所述方法包括形成前體結構。形成前體結構包括在襯底上方形成前體吸氣劑晶種材料。在所述前體吸氣劑晶種材料上方形成前體氧化物材料。在所述前體氧化物材料上方形成前體磁性材料。使來自所述前體磁性材料的擴散性物質擴散到所述前體吸氣劑晶種材料，且使來自所述前體氧化物材料的氧擴散到所述前體吸氣劑晶種材料，以使所述前體磁性材料的至少一部分轉化成耗盡磁性材料，使所述前體氧化物材料的至少一部分轉化成氧耗盡材料，且使所述前體吸氣劑晶種材料的至少一部分轉化成富集吸氣劑晶種材料。對所述前體結構進行圖案化，以形成包括由所述富集吸氣劑晶種材料形成的吸氣劑晶種區域、由所述氧耗盡材料形成的次要氧化物區域以及由所述耗盡磁性材料形成的自由區域的單元核心結構。
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非晶前體吸氣劑晶種材料。所述非晶前體吸氣劑晶種材料包括硼吸氣劑物質及氧吸氣劑物質。在所述非晶前體吸氣劑晶種材料上方形成包括氧的前體氧化物材料。在所述前體氧化物材料上方形成包括硼的前體磁性材料。在所述前體磁性材料上方形成另一種氧化物材料。至少對所述前體磁性材料及所述前體氧化物材料進行退火，以使來自所述前體磁性材料的所述硼與所述非晶前體吸氣劑晶種材料的所述硼吸氣劑物質反應且使來自所述前體氧化物材料的所述氧與所述非晶前體吸氣劑晶種材料的所述氧吸氣劑物質反應。
另外，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單元包括在襯底上方的磁性隧穿結子結構。所述磁性隧穿結子結構包括自由區域、固定區域及中間氧化物區域。所述自由區域展現垂直可切換磁性定向。所述固定區域展現垂直基本上固定磁性定向。所述中間氧化物區域介于所述自由區域與所述固定區域之間。另一個氧化物區域接觸所述自由區域。非晶區域接近所述自由區域及所述另一個氧化物區域。所述非晶區域包括硼及氧。
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視示意性圖解說明，其中吸氣劑晶種區域鄰近于次要氧化物區域。
圖1a是根據本發明的替代實施例的圖1的方框1a的放大視圖，其中固定區域包含氧化物鄰近部分、中間部分以及電極鄰近部分。
圖1b是根據本發明的替代實施例的圖1的方框1b的視圖，其中固定區域及自由區域展現平面內磁性定向。
圖2到5是根據本發明的實施例的在制造圖1、1a及1b的磁性單元結構的各個處理階段期間的橫截面立視示意性圖解說明，其中：
圖2是在形成前體吸氣劑晶種材料的處理階段期間的結構的橫截面立視示意性圖解說明；
圖3是繼圖2的處理階段之后的處理階段的橫截面立視示意性圖解說明，其中前體氧化物材料及前體磁性材料經形成以疊置于前體吸氣劑晶種材料上；
圖3a是圖3的方框3a的放大視圖；
圖4是繼圖3的處理階段之后的處理階段的橫截面立視示意性圖解說明，其中圖3的結構已經退火；
圖4a是圖4的方框4a的放大視圖；及
圖5是根據本發明的實施例的在繼圖4的處理階段之后的處理階段期間的前體結構的橫截面立視示意性圖解說明。
圖6是根據本發明的另一實施例的磁性單元結構的橫截面立視示意性圖解說明，其中吸氣劑晶種區域鄰近于吸氣劑次要氧化物區域。
圖7到9是根據本發明的實施例的在制造圖6的磁性單元結構的各個處理階段期間的橫截面立視示意性圖解說明，其中：
圖7是在處理階段期間的結構的橫截面立視示意性圖解說明，其中前體吸氣劑氧化物材料及前體磁性材料經形成以疊置于前體吸氣劑晶種材料上；
圖7a是圖7的方框7a的放大視圖；
圖8是繼圖7的處理階段之后的處理階段的橫截面立視示意性圖解說明，其中圖7的結構已經退火；
圖8a是圖8的方框8a的放大視圖；及
圖9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體結構的橫截面立視示意性圖解說明。
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是根據本發明的一或多個實施例實施的系統的簡化框圖。
具體實施方式
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以及形成半導體結構的方法。在存儲器單元的制造期間，由于“擴散性物質”與接近材料(例如“前體吸氣劑晶種材料”)的至少一種“吸氣劑物質”之間的化學親和力而從磁性材料(其還可在本文中表征為“前體磁性材料”)至少部分地移除所述擴散性物質。另外，在存儲器單元的制造期間，由于另一擴散性物質(例如，氧)與前體吸氣劑晶種材料的至少另一吸氣劑物質(例如，氧吸氣劑物質)之間的化學親和力而從一種氧化物材料(其還可在本文中表征為“前體氧化物材料”)至少部分地移除所述氧。
例如，由于從另一相鄰材料的晶體結構傳播，因此從前體磁性材料(其形成可表征為“耗盡磁性材料”的材料)移除擴散性物質促成耗盡磁性材料結晶成所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)。此結晶促成所得單元核心結構中的高隧穿磁阻(“tmr”)。
從前體氧化物材料(其形成可表征為“氧耗盡材料”的材料)移除氧降低氧化物材料的電阻，此促成所得單元核心結構的低阻尼及低電阻區(“ra”)。因此，所得單元核心結構包含接近自由區域的雙氧化物區域，而無基本上增加阻尼及電阻的次要氧化物區域。
如本文中所使用，術語“襯底”意指且包含在其上形成例如存儲器單元內的那些組件的組件的基底材料或其它構造。襯底可為半導體襯底、在支撐結構上的基底半導體材料、金屬電極或其上形成有一或多種材料、結構或區域的半導體襯底。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外延硅層，或其它半導體或光電子材料(例如硅-鍺(si1-xgex)(其中x是(舉例來說)介于0.2與0.8之間的莫耳分率)、鍺(ge)、砷化鎵(gaas)、氮化鎵(gan)或磷化銦(inp)等)。此外，當在以下描述中提及“襯底”時，可能已利用先前工藝階段來在基底半導體結構或基礎中形成材料、區域或結。
如本文中所使用，術語“stt-mram單元”意指且包含包括具有安置于自由區域與固定區域之間的非磁性區域的磁性單元核心的磁性單元結構。非磁性區域可為磁性隧穿結(“mtj”)結構的電絕緣性(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。舉例來說，自由區域與固定區域之間的非磁性區域可為氧化物區域(在本文中被稱為“中間氧化物區域”)。
如本文中所使用，術語“次要氧化物區域”是指stt-mram單元的除了中間氧化物區域之外的氧化物區域。次要氧化物區域可經調配及定位以誘發與相鄰磁性材料(例如，自由區域)的磁性各向異性(“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域及固定區域且在存儲器單元的使用及操作期間電流可通過(即，流過)其以實現自由區域及固定區域的磁性定向的平行或反平行配置的存儲器單元結構。
如本文中所使用，術語“磁性區域”意指展現磁性的區域。磁性區域包含磁性材料且還可包含一或多種非磁性材料。
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、反鐵磁性材料以及順磁性材料。
如本文中所使用，術語“cofeb材料”及“cofeb前體材料”意指且包含包括鈷(co)、鐵(fe)及硼(b)的材料(例如，coxfeybz，其中x＝10到80，y＝10到80，且z＝0到50)。cofeb材料或cofeb前體材料可或可不展現磁性，此取決于其配置(例如，其厚度)。
如本文中所使用，術語“物質”意指且包含來自組成材料的元素周期表的一或若干元素。舉例來說(而非限制)，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“擴散性物質”意指且包含材料的其缺失將不會阻止材料的所要功能性的化學物質。舉例來說(而非限制)，在磁性區域的cofeb材料中，硼(b)可被稱為擴散性物質，這是因為在不存在硼(b)的情況下，鈷(co)及鐵(fe)還可用作磁性材料(即，展現磁性)。作為另一實例(而非限制)，在次要氧化物區域的氧化鎂(mgo)材料中，氧(o)可被稱為擴散性物質，這是因為在材料中存在基本上較少氧(o)的情況下，mgo還可用于誘發與相鄰磁性材料的ma。舉例來說，只要沿著與磁性材料的界面存在氧(o)，mgo便可用于誘發界面ma，即使在誘發ma的材料的主體的整個其余部分中均不存在氧(o)。繼擴散之后，“擴散性物質”可被稱為“經擴散物質”。
如本文中所使用，術語“耗盡”在用于描述材料時描述從前體材料整體或部分地移除擴散性物質所得的材料。
如本文中所使用，術語“富集”在用于描述材料時描述經擴散物質已添加(例如，轉移)到其的材料。
如本文中所使用，術語“前體”在提及材料、區域或結構時意指且是指將轉變為所得材料、區域或結構的材料、區域或結構。舉例來說(而非限制)，“前體材料”可指物質將從其擴散以使前體材料轉變為耗盡材料的材料；“前體材料”可指物質將擴散到其中以使前體材料轉變為富集材料的材料；“前體材料”可指物質將擴散到其中且另一物質將從其擴散以使前體材料轉變成“富集-耗盡”材料的材料；且“前體結構”可指將經圖案化以使前體結構轉變成所得經圖案化結構的材料或區域的結構。
如本文中所使用，除非上下文指出，否則術語“由…形成”在描述材料或區域時是指已從產生前體材料或前體區域的轉變的動作所得的材料或區域。
如本文中所使用，術語“化學親和力”意指且是指不相似化學物質趨向于通過其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，第一材料被描述為對第二材料的擴散性物質具有較高化學親和力(例如，與所述擴散性物質和所述第二材料的其它物質之間的化學親和力相比)意指、包含包括擴散性物質及來自第一材料的至少一個物質的化學化合物的形成熱低于包含擴散性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“非晶”在提及材料時意指且是指具有非結晶結構的材料。舉例來說(而非限制)，“非晶”材料包含玻璃。
如本文中所使用，術語“固定區域”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固定磁性定向的磁性區域，這是因為實現單元核心的一個磁性區域(例如，自由區域)的磁化方向的改變的電流或經施加場不可實現固定區域的磁化方向的改變。固定區域可包含一或多種磁性材料及任選地一或多種非磁性材料。舉例來說，固定區域可經配置為包含由磁性子區域鄰接的釕(ru)子區域的合成反鐵磁體(saf)。替代地，固定區域可配置有磁性材料與耦合劑材料的交替子區域的結構。磁性子區域中的每一者可包含一或多種材料及其中的一或多個區域。作為另一實例，固定區域可經配置為單一種均質磁性材料。因此，固定區域可具有均勻磁化，或總體上實現在stt-mram單元的使用及操作期間具有固定磁性定向的固定區域的不同磁化的子區域。
如本文中所使用，術語“耦合劑”在提及材料、區域或子區域時意指且包含經調配或以其它方式經配置以反鐵磁性地耦合相鄰磁性材料、區域或子區域的材料、區域或子區域。
如本文中所使用，術語“自由區域”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域。磁性定向可通過施加電流或經施加場而在平行配置與反平行配置之間進行切換。
如本文中所使用，“切換”意指且包含在其期間編程電流通過stt-mram單元的磁性單元核心以實現自由區域及固定區域的磁性定向的平行或反平行配置的存儲器單元的使用及操作階段。
如本文中所使用，“存儲”意指且包含在其期間編程電流不通過stt-mram單元的磁性單元核心且其中不有目的地更改自由區域及固定區域的磁性定向的平行或反平行配置的存儲器單元的使用及操作階段。
如本文中所使用，術語“垂直”意指且包含垂直于相應區域的寬度及長度的方向。“垂直”還可意指且包含垂直于stt-mram單元位于其上的襯底的主要表面的方向。
如本文中所使用，術語“水平”意指且包含平行于相應區域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stt-mram單元位于其上的襯底的主要表面的方向。
如本文中所使用，術語“子區域”意指且包含在另一區域中包含的區域。因此，一個磁性區域可包含一或多個磁性子區域(即，磁性材料的子區域)以及非磁性子區域(即，非磁性材料的子區域)。
如本文中所使用，術語“子結構”意指且包含作為另一結構的一部分包含的結構。因此，一個單元核心結構可包含一或多個子結構(例如，mtj子結構)。
如本文中所使用，術語“在…之間”是用于描述一種材料、區域或子區域相對于至少兩種其它材料、區域或子區域的相對安置的空間相對術語。術語“在…之間”可涵蓋一種材料、區域或子區域直接鄰近于其它材料、區域或子區域的安置以及一種材料、區域或子區域間接鄰近于其它材料、區域或子區域的安置兩者。
如本文中所使用，術語“接近于”是用于描述一種材料、區域或子區域靠近于另一材料、區域或子區域的安置的空間相對術語。術語“接近”包含間接鄰近于、直接鄰近于以及在…內部的安置。
如本文中所使用，將元件提及為“位于”另一元件“上”或“位于”另一元件“上方”意指且包含所述元件直接位于另一元件的頂部上、鄰近于另一元件、位于另一元件下方或與另一元件直接接觸。其還包含所述元件間接位于另一元件的頂部上、鄰近于另一元件、位于另一元件下方或靠近另一元件，其中在其之間存在其它元件。相比來說，當提及元件“直接位于”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，為便于描述，可使用其它空間相對術語(例如“下面”、“下部”、“底部”、“上面”、“上部”、“頂部”等等)來描述一個元件或特征與另一(另外)元件或特征的關系，如各圖中所圖解說明。除非另有規定，否則所述空間相對術語打算除圖中所描繪的定向以外還涵蓋材料的不同定向。舉例來說，如果倒轉各圖中的材料，那么描述為在其它元件或特征“下面”或“下方”或“其底部上”的元件將經定向為在所述其它元件或特征“上面”或“其頂部上”。因此，術語“在…下面”可涵蓋在…上面及在…下面的定向兩者，此取決于使用所述術語的上下文，此將為所屬領域的技術人員所明了。可使材料以其它方式定向(旋轉90度、反轉等)且相應地解釋本文中所使用的空間相對描述語。
如本文中所使用，術語“包括(comprise/comprising)”及/或“包含(include/including)”規定所述特征、區域、階段、操作、元件、材料、組件及/或群組的存在，但不排除一或多個其它特征、區域、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”包含相關聯所列舉項目中的一或多者的任一及所有組合。
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“所述(the)”打算還包含復數形式。
本文中所呈現的圖解說明并非意在作為任何特定材料、物質、結構、裝置或系統的實際視圖，而僅是用于描述本發明的實施例的理想化表示。
本文中參考是示意性圖解說明的橫截面圖解說明來描述實施例。因此，將預期由(舉例來說)制造技術及/或公差引起的圖解說明的形狀的變化。因此，本文中所描述的實施例不應被視為限于如所圖解說明的特定形狀或區域，而可包含由(舉例來說)制造技術產生的形狀偏差。舉例來說，圖解說明或描述為方框形狀的區域可具有粗糙及/或非線性特征。此外，所圖解說明的銳角可被修圓。因此，圖中所圖解說明的材料、特征及區域本質上是示意性的，且其形狀并非打算圖解說明材料、特征及區域的精確形狀且并不限制本發明的權利要求書的范圍。
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，所屬領域的技術人員將理解，可在不采用這些特定細節的情況下實踐所述裝置及方法的實施例。實際上，所述裝置及方法的實施例可聯合行業中所采用的常規半導體制造技術來實踐。
本文中所描述的制造工藝并不形成用于處理半導體裝置結構的完整工藝流程。所述工藝流程的其余部分是所屬領域的技術人員已知的。因此，本文中僅描述理解本發明裝置及方法的實施例所必需的方法及半導體裝置結構。
除非上下文另有指示，否則本文中所描述的材料可通過任何適合技術來形成，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”)、等離子體增強ald、物理氣相沉積(“pvd”)(例如，濺鍍)或外延生長。取決于將形成的特定材料，用于沉積或生長材料的技術可由所屬領域的技術人員選擇。
除非上下文另有指示，否則本文中所描述的材料的移除可通過任何適合技術來實現，包含(但不限于)蝕刻、離子研磨、磨料平面化或其它已知方法。
現在將參考圖式，其中在通篇中相似編號指代相似組件。圖式未必按比例繪制。
揭示一種存儲器單元。所述存儲器單元包含包括磁性隧穿結(“mtj”)子結構的磁性單元核心、次要氧化物區域及吸氣劑晶種區域。所述吸氣劑晶種區域包括對mtj子結構的前體磁性材料的擴散性物質具有化學親和力的吸氣劑物質。所述吸氣劑晶種區域還包括對來自次要氧化物區域的氧具有化學親和力的氧吸氣劑物質。在存儲器單元形成期間，擴散性物質從前體磁性材料轉移到吸氣劑晶種區域。還在存儲器單元形成期間，來自次要氧化物區域的氧從前體氧化物材料轉移到吸氣劑晶種區域。
從前體磁性材料移除擴散性物質可實現及改進所得耗盡磁性材料的結晶。舉例來說，一旦擴散性物質已經從前體磁性材料移除，結晶結構便可從相鄰結晶材料(例如，結晶氧化物材料(例如，mtj子結構的中間氧化物區域的結晶氧化物材料))傳播到耗盡磁性材料。此外，所得富集吸氣劑晶種區域可保持或變成非晶的。富集陷阱材料的非晶本質可不對抗或以其它方式消極地影響來自鄰近結晶材料(例如，中間氧化物區域的氧化物材料)的晶體結構到耗盡磁性材料的傳播。在一些實施例中，富集陷阱材料可甚至在高溫(例如，大于約300℃，例如，大于約500℃)下是非晶的。因此，高溫退火可用于在不使富集吸氣劑晶種材料結晶的情況下促成耗盡磁性材料的結晶。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120％)。此外，經擴散物質經由與吸氣劑物質鍵合而留存于富集吸氣劑晶種材料中可抑制經擴散物質干擾沿著磁性區域與鄰近中間氧化物區域之間的界面的ma誘發。在不限于任一理論的情況下，預期非磁性材料與磁性材料之間的鍵合(例如，在磁性區域中的鐵(fe)與非磁性區域中的氧(o)之間，即，鐵-氧(fe-o)鍵合)可貢獻于較高ma強度及高tmr。在耗盡磁性材料與相鄰氧化物區域之間的界面處較少或無擴散性物質可使得能夠形成較多ma誘發鍵合及自旋過濾鍵合。因此，無經擴散物質對ma鍵合誘發的干擾可實現高ma強度及tmr。
從次要氧化物區域的前體氧化物材料移除氧可實現次要氧化物區域的所得耗盡氧化物材料中的低電阻及最終單元核心結構中的低阻尼。然而，預期并非從前體氧化物材料移除所有氧。而是，余留于所得耗盡氧化物材料中的任何氧(其可在本文中被稱為“殘余氧”)可包含沿著次要氧化物區域與相鄰磁性材料(例如，mtj子結構中的自由區域的相鄰磁性材料)之間的界面的最大氧濃度。因此，耗盡磁性材料中的(例如)鐵(fe)與耗盡氧化物區域中的殘余氧(o)之間的ma誘發鍵合仍可形成及誘發界面ma。因此，雙氧化物區域可用于促成高ma誘發，而次要氧化物區域中的氧濃度的耗盡可實現單元核心結構中的低電阻及低阻尼，即使在具有包含于所述結構中的第二氧化物區域的情況下。
利用來自前體磁性材料的擴散性物質的耗盡以促成結晶，且利用來自前體氧化物材料的氧的耗盡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”))以及低阻尼的磁性存儲器單元。
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包含磁性區域及另一磁性區域，(舉例來說，分別地“固定區域”110及“自由區域”120)，其中在“固定區域”110與“自由區域”120之間具有氧化物區域(例如，“中間氧化物區域”130)。固定區域110、自由區域120以及其間的中間氧化物區域130的子結構可在本文中被稱為磁性隧穿結(“mtj”)子結構123或mtj結構123。因此，中間氧化物區域130可經配置為隧穿勢壘區域且可沿著界面131接觸固定區域110且可沿著界面132接觸自由區域120。
固定區域110及自由區域120中的任一者或兩者可均質地形成或任選地可經形成以包含多于一個子區域。舉例來說，參考圖1a，在一些實施例中，磁性單元核心101(圖1)的固定區域110′可包含多個部分。舉例來說，固定區域110′可包含作為氧化物鄰近部分113的磁性子區域。中間部分115(例如導電子區域)可分離氧化物鄰近部分113與電極鄰近部分117。電極鄰近部分117可包含磁性子區域118與耦合劑子區域119的交替結構。
繼續參考圖1，一或多個下部中間區域140可任選地安置于磁性區域(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可任選地安置于磁性單元結構100的磁性區域上方。下部中間區域140及上部中間區域150(如果包含)可經配置以在存儲器單元的操作期間抑制分別在下部電極105與上覆材料之間以及上部電極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可另外或替代地包含經調配以促成相鄰材料中的所要結晶的材料。
次要氧化物區域170接近于mtj子結構123而安置。舉例來說，次要氧化物區域170可鄰近于自由區域120。在一些實施例中，次要氧化物區域170可沿著界面172直接物理地接觸自由區域120。此次要氧化物區域170因此可經安置以誘發自由區域120的磁性材料中的界面ma。在此類實施例中，磁性單元結構100可經配置有“雙氧化物”結構。
自由區域120還接近于吸氣劑晶種區域180而安置。在一些實施例中，吸氣劑晶種區域180可通過次要氧化物區域170而與自由區域120間隔開。在一些實施例中，吸氣劑晶種區域180可沿著界面178直接物理地接觸次要氧化物區域170。吸氣劑晶種區域180由包括至少一種吸氣劑物質的前體吸氣劑晶種材料形成。在一些實施例中，前體吸氣劑晶種材料包括至少兩種吸氣劑物質，所述至少兩種吸氣劑物質中的至少一者經調配以對來自相鄰前體磁性材料的擴散性物質具有化學親和力，且所述吸氣劑物質中的至少另一者經調配以對來自相鄰前體氧化物材料的擴散性物質(例如，氧)具有化學親和力。在下文關于圖6到9進一步地論述的一些實施例中，對前體磁性材料的擴散性物質具有化學親和力的吸氣劑物質還可包含于次要氧化物區域170中。每一吸氣劑物質與其對應目標擴散性物質之間的化學親和力可高于對應相鄰前體材料的其它物質與對應目標擴散性物質的化學親和力。
前體磁性材料的擴散性物質的初始存在可抑制前體磁性材料的結晶，但吸氣劑晶種區域180接近于前體磁性材料可使得擴散性物質能夠從前體磁性材料擴散到吸氣劑晶種區域180的材料。一旦擴散，經擴散物質便可與吸氣劑物質發生化學反應，從而形成保持于最終結構中的吸氣劑晶種區域180中的化合物。
從前體磁性材料移除擴散性物質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，具有與在擴散之前的濃度相比較低濃度的擴散性物質的磁性材料)。所要晶體結構可從一或多個相鄰材料(例如，中間氧化物區域130的氧化物)傳播。具有所要晶體結構的經結晶耗盡磁性材料可展現高tmr(例如，大于約100％(約1.00)，例如，大于約120％(約1.20))。
前體氧化物材料的擴散性物質可為氧(o)，且其在前體氧化物材料中的初始存在貢獻于氧化物材料中的電阻及高阻尼。吸氣劑晶種區域180接近于前體氧化物材料可使得氧(o)能夠從前體氧化物材料擴散到吸氣劑晶種區域180。一旦擴散，經擴散氧(o)便可與其它吸氣劑物質(其可在本文中被稱為“氧吸氣劑物質”)發生化學反應，從而形成保持于最終結構中的氧吸氣劑晶種區域180中的氧化物化合物。
在一些實施例中，吸氣劑晶種區域180可經調配為非晶的且在相鄰耗盡磁性材料結晶時保持非晶。因此，吸氣劑晶種區域180的前體材料可在最初形成時是非晶的且即使在高溫(例如，在退火期間)下且即使曾富集有來自前體磁性材料及前體氧化物材料的經擴散物質仍可保持非晶。因此，吸氣劑晶種區域180的材料不可抑制相鄰耗盡磁性材料的結晶。
吸氣劑晶種區域180的厚度、組合物及結構可經選擇以在吸氣劑晶種區域180中為來自前體磁性材料的擴散性物質提供充足量的吸氣劑物質且為來自前體氧化物材料的擴散性氧(o)提供充足量的氧吸氣劑物質，以具有所要容量以接納并鍵合來自相鄰前體磁性材料及相鄰前體氧化物材料的經擴散物質。與較薄吸氣劑晶種區域相比，較厚吸氣劑晶種區域可具有對經擴散物質的相對較高容量。根據實施例(例如圖1中所圖解說明的實施例)，吸氣劑晶種區域180可具有介于約
次要氧化物區域170的厚度、組合物及結構可經選擇以使得來自前體磁性材料的擴散性物質能夠穿過次要氧化物區域170的材料擴散到吸氣劑晶種區域180。舉例來說，次要氧化物區域170的厚度可經修整以具有充分高的厚度使得沿著與自由區域120的界面172誘發界面ma，同時具有充分低的厚度使得來自前體磁性材料的擴散性物質可擴散穿過次要氧化物區域170且使得充足氧可擴散出次要氧化物區域170的材料以到達吸氣劑晶種區域180，從而提供低電阻及低阻尼。因此，次要氧化物區域170的厚度可小于mtj子結構123中的中間氧化物區域130的厚度。根據實施例(例如圖1中圖解說明的實施例)，次要氧化物區域170可具有介于約
在一些實施例(未圖解說明)中，可存在額外吸氣劑晶種區域。舉例來說，另一吸氣劑晶種區域可安置于次要氧化物區域170內部或側向地鄰近于次要氧化物區域170及自由區域120中的一者或兩者而安置。額外吸氣劑晶種區域還可經調配以接納來自自由區域120的前體磁性材料的經擴散物質且經調配以接納從次要氧化物區域170的前體氧化物材料擴散的氧。
繼續參考圖1，在其中吸氣劑晶種區域180接近于自由區域120的實施例中，吸氣劑晶種區域180可通過一或多個其它區域(例如，通過自由區域120、中間氧化物區域130及次要氧化物區域170)與固定區域110物理地隔離。因此，吸氣劑晶種區域180的吸氣劑物質可不與固定區域110的物質發生化學反應。
圖1的磁性單元結構100經配置為“頂部釘扎”存儲器單元，即，其中固定區域110安置于自由區域120上方的存儲器單元。在其它實施例(未圖解說明)中，存儲器單元可經配置為“底部釘扎”存儲器單元，即，其中固定區域110安置于自由區域120下方的存儲器單元。在此類實施例中，次要氧化物區域170可疊置于自由區域120上，且吸氣劑晶種區域180可疊置于次要氧化物區域170上。但是，吸氣劑晶種區域180可經調配以接納從自由區域120的前體磁性材料擴散的物質，以使得所要晶體結構能夠從中間氧化物區域130傳播到耗盡磁性材料，且接納從次要氧化物區域170的前體氧化物材料擴散的氧，從而實現次要氧化物區域中的低電阻及低阻尼。因此，本文中圖解說明或以其它方式描述為“頂部釘扎”的任何實施例可替代地(例如)通過單元核心結構(例如，圖1的單元核心結構101)的區域的次序的反轉而實現為“底部釘扎”配置。
本發明的實施例的存儲器單元可經配置為平面外stt-mram單元(如在圖1中)，或替代地，經配置為平面內stt-mram單元(如在圖1b中所圖解說明)。“平面內”stt-mram單元包含展現主導地在水平方向上定向的磁性定向的磁性區域，而“平面外”stt-mram單元包含展現主導地在垂直方向上定向的磁性定向的磁性區域。舉例來說，如在圖1中所圖解說明，stt-mram單元可經配置以展現磁性區域(例如，固定區域110及自由區域120)中的至少一者中的垂直磁性定向。所展現的垂直磁性定向可由垂直磁性各向異性(“pma”)強度表征。如在圖1由箭頭112及雙向箭頭122所指示，在一些實施例中，固定區域110及自由區域120中的每一者可展現垂直磁性定向。固定區域110的磁性定向可保持“基本上固定的”，即，在stt-mram單元的整個操作中被引導于基本上相同方向上(舉例來說，由圖1的箭頭112指示的方向上)。另一方面，自由區域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(如由圖1的雙向箭頭122所指示)之間切換。作為另一實例，如在圖1b中所圖解說明，平面內stt-mram單元可經配置以展現mtj子結構123'的磁性區域(例如，固定區域110"及自由區域120")中的至少一者的水平磁性定向，如由固定區域110"中的箭頭112b以及自由區域120"中的雙向箭頭122b所指示。
因此，揭示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隧穿結子結構，所述磁性隧穿結子結構包括固定區域、自由區域及介于固定區域與自由區域之間的中間氧化物區域。次要氧化物區域鄰近磁性隧穿結子結構。吸氣劑晶種區域接近次要氧化物區域且包括鍵合到氧的氧吸氣劑物質。次要氧化物區域及吸氣劑區域中的至少一者包括鍵合到經擴散的經擴散物質的另一吸氣劑物質。
參考圖2到5，圖解說明制造磁性單元結構(例如圖1的磁性單元結構100)的方法中的階段。如在圖2中所圖解說明，可形成中間結構200，其中在襯底102上方形成導電材料205，且在導電材料205上方形成前體吸氣劑晶種材料280。任選地，可在于導電材料205上方形成前體吸氣劑晶種材料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)由其形成的導電材料205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：舉例來說(但不限于)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域140(圖1)形成于下部電極105上方的實施例中，下部中間區域140由其形成的下部中間材料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：舉例來說(但不限于)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240(如果包含)可并入有下部電極105(圖1)將由其形成的導電材料205。舉例來說，下部中間材料240可為導電材料205的最上部子區域。
前體吸氣劑晶種材料280可通過(舉例來說(但不限于))在先前形成的材料上方濺鍍包括至少一種吸氣劑物質的材料而形成。前體吸氣劑晶種材料280經調配以包含經選擇以對來自自由區域120(圖1)將由其形成的前體磁性材料的擴散性物質具有化學親和力的至少一種吸氣劑物質。舉例來說，所述至少一種吸氣劑物質可經選擇以對前體磁性材料的擴散性物質具有較高化學親和力(與所述擴散性物質與前體磁性材料的另一物質之間的化學親和力相比)。因此，前體吸氣劑晶種材料280的至少一種吸氣劑物質經調配以吸引來自前體磁性材料的擴散性物質。
前體吸氣劑晶種材料280還經調配以包含至少另一吸氣劑物質，所述至少另一吸氣劑物質經選擇以對來自次要氧化物區域170(圖1)將由其形成的前體氧化物材料的擴散性物質具有化學親和力。舉例來說，所述至少另一吸氣劑物質可經選擇以對前體氧化物材料的氧(o)具有較高化學親和力(與氧和前體氧化物材料的另一物質之間的化學親和力相比)。因此，前體吸氣劑晶種材料280的至少另一吸氣劑物質經調配以吸引來自前體氧化物材料的擴散性物質(例如，氧(o))。
在一些實施例中，前體吸氣劑晶種材料280的每一物質可經調配以對來自前體磁性材料的經擴散物質及來自前體氧化物材料的經擴散物質(例如，氧(o))中的至少一者具有化學親和力(即，可兼容以與所述經擴散物質中的至少一者化學鍵合)。在其它實施例中，前體吸氣劑晶種材料280的少于所有的物質可經調配以對擴散性物質具有所要化學親和力。因此，前體吸氣劑晶種材料280可包含不與經擴散物質中的一者或兩者反應的物質或可由或基本上由與經擴散物質中的一者或兩者反應的物質組成。
繼續參考圖2，在一些實施例中，前體吸氣劑晶種材料280可通過使用一或多個目標291、292進行濺鍍(即，物理氣相沉積(pvd)而形成。舉例來說(而非限制)，可同時使用兩個濺鍍目標291、292，其中濺鍍目標291經調配以包括對前體磁性材料的擴散性物質具有化學親和力的吸氣劑物質，且其中另一濺鍍目標292經調配以包括對前體氧化物材料的擴散性物質(例如，氧(o))具有化學親和力的吸氣劑物質(例如，氧吸氣劑物質)。可同時使用目標291、292兩者使得在形成前體吸氣劑晶種材料280時，物質混合且基本上均勻地分布。
參考圖3，次要氧化物區域170(圖1)將由其形成的前體氧化物材料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：舉例來說(但不限于)非磁性氧化物材料(例如，氧化鎂(mgo)、氧化鋁(al2o3)、氧化鈦(tio2)，或mtj子結構的常規隧穿勢壘區域的其它氧化物材料)。前體氧化物材料370可直接形成(例如，生長、沉積)于前體吸氣劑晶種材料280上。
至少一種前體磁性材料320可形成于前體吸氣劑晶種材料280上方，還如在圖3中所圖解說明。自由區域120(圖1)最終由其形成的前體磁性材料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：舉例來說(但不限于)鐵磁性材料，其包含鈷(co)及鐵(fe)(例如，coxfey，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，coxfeybz，其中x＝10到80，y＝10到80，且z＝0到50)。因此，前體磁性材料320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，前體磁性材料320可替代地或另外包含鎳(ni)(例如，nib材料)。
前體磁性材料320可形成為均質區域。在其它實施例中，前體磁性材料320可包含一或多個子區域(例如，cofeb材料的一或多個子區域)，其中所述子區域具有co、fe及b的不同相對原子比率。
參考圖3a，前體磁性材料320包含至少一種擴散性物質321。擴散性物質321使得其整體或部分地缺失將不抑制前體磁性材料320或由其形成的耗盡磁性材料展現磁性。然而，前體磁性材料320中的擴散性物質321的存在可使得能夠以非晶狀態形成(例如，通過濺鍍)前體磁性材料320。
還參考圖3a，前體氧化物材料370包含至少一種擴散性物質372。擴散性物質372使得其從前體氧化物材料370的主體的缺失將不抑制前體氧化物材料370或由其形成的耗盡氧化物材料誘發與前體磁性材料320或耗盡磁性材料的界面ma。而是，僅沿著前體氧化物材料370(或所得耗盡氧化物材料)與前體磁性材料320(或所得耗盡磁性材料)之間的界面172的擴散性物質372的存在可實現界面ma的誘發。
前體吸氣劑晶種材料280可經調配以包含至少兩種吸氣劑物質，其包含吸氣劑物質281及另一吸氣劑物質282。吸氣劑物質281經調配以對前體磁性材料320的擴散性物質321具有化學親和力，且另一吸氣劑物質282經調配以對前體氧化物材料370的擴散性物質372具有化學親和力。
前體吸氣劑晶種材料280的吸氣劑物質281可經選擇以具有吸氣劑物質281與來自前體磁性材料320的擴散性物質321之間的化合物的吸熱性形成熱。此外，吸氣劑物質281可經選擇為導電的(例如，可包括導電金屬)，以便增加最終結構的吸氣劑晶種區域180(圖1)的導電率。最終，吸氣劑物質281可經選擇以基本上不與另一吸氣劑物質282反應且使前體吸氣劑晶種材料280能夠展現在高達高溫(例如，至少約500℃)下的非晶結構。
在一些實施例中，前體吸氣劑晶種材料280可包含鉭(ta)、釕(ru)、鎢(w)、鋁(al)、鈦(ti)、鋯(zr)、氮(n)、鉿(hf)及鎳(ni)中的至少一者，以作為對前體磁性材料320的擴散性物質321具有化學親和力的吸氣劑物質281。
在一個特定實例中(而非限制)，前體磁性材料320可為cofeb磁性材料，其硼(b)是擴散性物質321。前體吸氣劑晶種材料280(及(舉例來說)目標291(圖2))可經調配以包括具有約49.5:49.5:1.0的原子比率的鎢-釕-氮(w-ru-n)、基本上由所述鎢-釕-氮(w-ru-n)組成或由所述鎢-釕-氮(w-ru-n)組成。此組合物經調配以展現在高達高溫(例如，高達約500℃)下的非晶結構。鎢(w)、釕(ru)及氮(n)中的每一者可為展現對于硼(b)擴散性物質321的化學親和力的吸氣劑物質281。
在其它實施例中，前體吸氣劑晶種材料280(及(舉例來說)目標291(圖2))可經調配以包括以下各項、基本上由以下各項組成或由以下各項組成：具有約75:25的原子比率的鎢-氮(w-n)，其中鎢(w)及氮(n)兩者可為展現對于硼(b)擴散性物質321的化學親和力的吸氣劑物質281；具有約46:37:17的原子比率的鎢-釕-硼(w-ru-b)，其中鎢(w)及釕(ru)可為展現對于硼(b)的化學親和力的吸氣劑物質281；具有約45:55的原子比率的鎢-釕(w-ru)，其中鎢(w)及釕(ru)可為展現對于硼(b)的化學親和力的吸氣劑物質281；及具有約小于82到大于18的feco對w的原子比率的鐵-鈷-鎢(fe-co-w)，其中鎢(w)可為展現對于硼(b)的化學親和力的吸氣劑物質281。
在其中氮(n)包含于前體吸氣劑晶種材料280中的實施例中的任一者中，在所得單元結構中，材料中的氮(n)的存在還實現低阻尼，且因此實現較低編程電流。
前體吸氣劑晶種材料280的另一吸氣劑物質282可經選擇以具有另一吸氣劑物質282與來自前體氧化物材料270的另一擴散性物質372之間的化合物的形成熱，所述形成熱小于或約等于另一擴散性物質372與前體氧化物材料270的另一物質之間的化合物的形成熱。舉例來說(而非限制)，在其中次要氧化物材料370經調配以基本上由氧化鎂(mgo)組成的實施例中，另一吸氣劑物質282可經選擇以具有與是另一擴散性物質372的氧(o)的較低形成熱(與mgo的氧(o)與鎂(mg)之間的形成熱相比)。
在一些實施例中，前體吸氣劑晶種材料280可包含鈣(ca)、鍶(sr)、鈹(be)、鑭(la)、鋇(ba)、鋁(al)及鎂(mg)中的至少一者作為另一吸氣劑物質282。
中間氧化物區域130(圖1)由其形成的氧化物材料330可(例如)在退火之前形成于前體磁性材料320上，在所述退火期間，前體磁性材料320(或，更確切地，由前體磁性材料320形成的耗盡磁性材料)經由來自氧化物材料330的晶體結構的傳播而結晶。氧化物材料330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：舉例來說(但不限于)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非磁性區域的其它氧化物材料)。另一種氧化物材料330可為與前體氧化物材料370相同的材料或是包括與前體氧化物材料370相同但具有不同原子比率的元素的材料。舉例來說(而非限制)，氧化物材料330及另一前體氧化物材料370兩者可包括mgo、基本上由mgo組成或由mgo組成。
氧化物材料330可直接形成(例如，生長、沉積)于前體磁性材料320上。氧化物材料330可在最初形成時結晶(例如，具有bcc(001)結構)或可稍后在退火期間結晶。氧化物材料330可經定位使得在退火(例如，圖3的中間結構300的退火)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420(圖4))以使得磁性材料(例如，耗盡磁性材料420(圖4))能夠結晶成相同晶體結構(例如，bcc(001)結構)。
在后續處理期間(例如在使磁性材料(例如，耗盡磁性材料420(圖4))結晶的退火期間，或在圖3的中間結構300的額外后續退火期間)，擴散性物質321可從前體磁性材料320穿過前體氧化物材料370轉移(例如，擴散)到前體吸氣劑晶種材料280。同樣地，在退火期間，另一擴散性物質372可從前體氧化物材料370轉移(例如，擴散)到前體吸氣劑晶種材料280。在此發生時，如在圖4及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，前體磁性材料320(圖3)轉化成“耗盡”磁性材料420，前體氧化物材料370(圖3)轉化成“耗盡”氧化物材料470，且前體吸氣劑晶種材料280(圖3)轉化成“富集”吸氣劑晶種材料480。
至少在其中前體氧化物區域370(圖3)的另一擴散性物質372是氧(o)的實施例中，耗盡氧化物區域470可不完全缺乏另一擴散性物質372。而是，一量的氧(o)可保持接近與耗盡磁性材料420的界面172。因此，余留于耗盡氧化物材料470中的任何氧可包含沿著界面172的最大氧濃度。因此，界面172處的氧(o)可用于與耗盡磁性材料420中的(例如)鐵(fe)鍵合以誘發沿著界面172的界面ma。但是，在耗盡氧化物材料470的整個其余部分中的經減小濃度的氧(o)可減小耗盡氧化物材料470的電阻。在一些實施例中，氧的減少但非完全耗盡可使耗盡氧化物材料470是導電的。因此，所得磁性單元結構可包含雙氧化物區域(即，中間氧化物區域130及次要氧化物區域170(圖1)，其由耗盡氧化物材料470形成)而不使存儲器單元的電阻降級(即，基本上不使電阻升高)。
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及另一吸氣劑物質282。因此，在其中前體磁性材料320(圖3)經調配為cofeb材料且前體氧化物材料370(圖3)經調配以包含氧化鎂(mgo)的實施例中，富集吸氣劑晶種材料480可包含來自cofeb材料的硼(b)(作為經擴散物質321')以及來自mgo的氧(o)的一部分(作為另一經擴散物質372')，從而留下沿著與cofe耗盡磁性材料420的界面172的一些氧(o)(作為擴散性物質372)。
因此，揭示包括包含鈷(co)及鐵(fe)的磁性區域的存儲器單元。所述磁性區域展現可切換磁性定向。一個氧化物區域安置于所述磁性區域與展現基本上固定磁性定向的另一磁性區域之間。另一個氧化物區域鄰近所述磁性區域且包括接近與所述磁性區域的界面濃縮的氧。非晶吸氣劑晶種區域鄰近所述另一個氧化物區域。所述吸氣劑晶種區域包括氧、硼、氧吸氣劑物質以及硼吸氣劑物質。
在一些實施例中，前體吸氣劑晶種材料280(圖3)可經調配以在最初形成于襯底102上方時是非晶的且在轉化成富集吸氣劑晶種材料480時保持非晶。因此，前體吸氣劑晶種材料280(圖3)中的吸氣劑物質281、282的原子比率可經選擇以將最終富集吸氣劑晶種材料480中的原子比率修整為將是非晶的且在高退火溫度下保持非晶的組合物。
此外，前體吸氣劑晶種材料280(圖3)可經調配使得前體吸氣劑晶種材料280在用于使耗盡磁性材料420結晶的退火期間使用的高溫下是穩定的(例如，物質將不擴散出)。因此，在前體吸氣劑晶種材料280不抑制結晶的情況下可利用促成耗盡磁性材料420到所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)的結晶(例如，通過從氧化物材料330的晶體結構傳播)的高溫。在不限于任一理論的情況下，預期富集吸氣劑晶種材料480的非晶本質避免耗盡磁性材料420中的微結構缺陷，否則在晶體結構從相鄰材料(例如，用于中間氧化物區域130(圖1)的氧化物材料330(圖3))傳播到耗盡磁性材料420時，如果富集吸氣劑晶種材料480具有不同于所要晶體結構(例如，bcc(001)結構)的微結構且與所述微結構競爭的微結構，那么可形成所述微結構缺陷。此外，由于耗盡磁性材料420可經形成以歸因于沒有耗盡氧化物材料470對中間氧化物區域130(圖1)的氧化物材料330到耗盡磁性材料420之間的晶體結構傳播的干擾而展現所要晶體結構，因此自由區域120(圖1)可經形成以展現促成高tmr的晶體結構。
舉例來說，在其中前體磁性材料320(圖3)經調配為cofeb材料的實施例中，預期利用包括對硼(b)具有化學親和力的吸氣劑物質281的前體吸氣劑晶種材料280從cofeb前體磁性材料320移除硼(b)的擴散性物質321(圖3a)可使得耗盡磁性材料420能夠在比cofeb(即，仍包含擴散性物質321的前體磁性材料320(圖3))的結晶溫度低的溫度下結晶。因此，所使用的退火溫度(例如，高達約500℃或更大)可使得耗盡磁性材料420能夠結晶(例如，通過傳播來自相鄰材料(例如，中間氧化物區域130(圖1)的氧化物材料330)的所要晶體結構)，而不會是如此高的以致于使相鄰材料降級(例如，而不使物質(例如，鎢(w))從富集吸氣劑晶種材料480擴散出)。因此，耗盡磁性材料420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在不遭受實質結構缺陷的情況下形成磁性單元結構(例如，磁性單元結構100(圖1))。無實質結構缺陷可實現高tmr。
中間結構300(圖3)的其它材料還可由于退火而結晶以形成經退火結構400(圖4)。退火工藝可在從約300℃到約700℃(例如，約500℃)的退火溫度下進行且可保持在所述退火溫度下達從約一分鐘(約1min.)到約一小時(約1hr.)。退火溫度及時間可基于中間結構300的材料、所要晶體結構(例如，耗盡磁性材料420的所要晶體結構)、來自前體磁性材料320(圖3)的經擴散物質321'的所要耗盡量以及來自前體氧化物材料370(圖3)的另一經擴散物質372'的所要耗盡量而被修整。
雖然擴散性物質321(圖3a)從前體磁性材料320(圖3)的移除可促成耗盡磁性材料420的結晶，但進一步預期(而不限于任何特定理論)，所述移除還可促成沿著耗盡磁性材料420與耗盡氧化物材料470之間的界面172、沿著耗盡磁性材料420與中間氧化物區域130(圖1)之間的界面132(圖1)或沿著界面172、132兩者的ma的誘發。舉例來說，在缺失擴散性物質321(圖3a)的情況下，耗盡磁性材料420的其它物質可具有比所述其它物質在擴散性物質321仍并入于前體磁性材料320中的情況下將具有的與氧化物材料的相互作用更大的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的化學鍵合而留存于富集吸氣劑晶種材料480中可避免經擴散物質321'擴散到磁性區域(例如，自由區域120)與其相鄰ma誘發氧化物區域之間的界面172、132(圖1)。此可實現比可以其它方式實現的ma誘發相互作用更大的沿著界面172、132(圖1)的ma誘發相互作用。因此，ma強度可由于存在前體吸氣劑晶種材料280(或，更確切地，富集吸氣劑晶種材料480)而比無前體吸氣劑晶種材料280(或，更確切地，富集吸氣劑晶種材料480)的相同結構的ma強度大。
舉例來說，在其中前體磁性材料320是cofeb材料(其中硼(b)是擴散性物質321)的實施例中，來自前體磁性材料320的硼(b)擴散性物質321的擴散可抑制硼(b)擴散性物質321沿著界面172逗留，否則在界面172中，硼(b)擴散性物質321可干擾界面ma的誘發。預期在沿著界面172具有大量硼(b)的情況下，硼(b)的存在可抑制在磁性材料(例如，耗盡磁性材料420(圖4))與氧化物材料(例如，耗盡氧化物材料470(圖4))之間形成鍵合(例如誘發ma的鐵-氧(fe-o)鍵合)。因此，前體吸氣劑晶種材料380中的吸氣劑物質281接近于前體磁性材料320可實現較高界面ma誘發，這是因為擴散性物質321可被引導到前體吸氣劑晶種材料380且遠離界面172。
雖然自由區域120(圖1)被描述為“由”包括擴散性物質321(圖3a)的前體磁性材料320(例如，cofeb材料)“形成”，但所制造磁性單元核心101(圖1)(或本發明的任何單元核心)的自由區域120可包括比在前體磁性材料320最初形成時基本上少的擴散性物質321(例如硼(b))。同樣地，雖然次要氧化物區域170(圖1)被描述為“由”包括另一擴散性物質372(例如，氧(o))的前體氧化物材料320(圖3)(例如，包含mgo的材料)“形成”，但所制造磁性單元核心101(圖1)(或本發明的任何單元核心)的次要氧化物區域170可包括比在前體氧化物材料370最初形成時基本上少的另一擴散性物質372(例如氧(o))。
在退火之后，磁性單元結構的其它材料可形成于經退火中間結構400上方，以形成如在圖5中所圖解說明的前體結構500。在其它實施例中，磁性單元結構100(圖1)的其它材料可(例如)在退火之前形成于(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)將由其形成的另一磁性材料510可(例如)在使耗盡磁性材料420結晶的退火階段之前或之后直接形成(例如，生長、沉積)于氧化物材料330上。另一磁性材料510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：舉例來說(但不限于)鐵磁性材料，其包含鈷(co)及鐵(fe)(例如，coxfey，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，coxfeybz，其中x＝10到80，y＝10到80，且z＝0到50)。因此，另一磁性材料510可包括cofeb材料。在一些實施例中，另一磁性材料510可包含與前體磁性材料320(圖3)相同的材料，或具有相同元素但成不同原子比率的材料。
在其中固定區域110(圖1)經配置以具有圖1a的固定區域110'的結構的實施例中，用于中間部分115(圖1a)的中間材料可形成于另一磁性材料510上方。中間材料可包括導電材料(例如，鉭(ta))、基本上由所述導電材料組成或由所述導電材料組成。分別用于磁性子區域118(圖1a)及耦合劑子區域119(圖1a)的交替磁性材料及耦合劑材料可形成于中間材料上。舉例來說(而非限制)，交替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；基于鈷/鐵/鋱(co/fe/tb)的材料、l10材料、耦合劑材料，或常規固定區域的其它磁性材料。
在一些實施例中，任選地，一或多個上部中間材料550可形成于另一磁性材料510(以及固定區域110(圖1)將由其形成的任何其它材料)上方。形成任選上部中間區域150(圖1)的上部中間材料550(如果包含)可包括經配置以確保相鄰材料中的所要晶體結構的材料、基本上由所述材料組成或由所述材料組成。上部中間材料550可替代地或另外包含經配置以輔助在磁性單元的制造期間的圖案化工藝的金屬材料、勢壘材料或常規stt-mram單元核心結構的其它材料。在一些實施例中，上部中間材料550可包含將形成為導電封蓋區域的導電材料(例如，例如銅、鉭、鈦、鎢、釕、鉿、鋯、氮化鉭或氮化鈦等一或多種材料)。
上部電極104(圖1)可由其形成的另一導電材料504可形成于另一磁性材料510(以及固定區域110(圖1)將由其形成的任何其它材料)以及(如果存在)上部中間材料550上方。在一些實施例中，另一導電材料504與上部中間材料550(如果存在)彼此成整體，例如，其中上部中間材料550是導電材料504的下部子區域。
前體結構500接著可在一或多個階段中經圖案化以形成根據圖1中圖解說明的實施例的磁性單元結構100。用于對例如前體結構500等結構進行圖案化以形成例如磁性單元結構100(圖1)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。
在對前體結構500進行圖案化之后，磁性單元結構100包含磁性單元核心101，磁性單元核心101包含次要氧化物區域170及接近于自由區域120的吸氣劑晶種區域180。自由區域120包含由前體磁性材料320(圖3)形成的耗盡磁性材料420(圖4)，且包括比在無接近于自由區域120的吸氣劑晶種區域180的情況下由前體磁性材料320(圖3)形成的自由區域低的擴散性物質321(圖3a)的濃度。次要氧化物區域170包含由前體氧化物材料370(圖3)形成的耗盡氧化物材料470(圖4)，且包括比在無接近于次要氧化物區域170的吸氣劑晶種區域180的情況下由前體氧化物材料370(圖3)形成的次要氧化物區域低的另一擴散性物質372(圖3a)的濃度。
在一些實施例中，接近于吸氣劑晶種區域180的磁性區域(例如，自由區域120)可基本上或完全耗盡擴散性物質321。在其它實施例中，磁性區域可部分地耗盡擴散性物質321。在此類實施例中，一或若干磁性區域可在其中具有擴散性物質321(例如，硼)的梯度，其中相對于彼此來說，低濃度的擴散性物質321沿著界面172(圖1)鄰近于吸氣劑晶種區域180，且高濃度的擴散性物質321沿著界面132(圖1)與吸氣劑晶種區域180相對。在一些實施例中，在退火之后或期間，擴散性物質321的濃度可均衡。
由結晶耗盡磁性材料420(圖4)形成的自由區域120可具有可至少部分地由于擴散性物質321的移除以及經擴散物質321到吸氣劑物質281的鍵合且至少部分地由于吸氣劑晶種區域180的非晶微結構而基本上無缺陷的所要晶體結構。
自由區域120的結晶性可使磁性單元結構100能夠在使用及操作期間展現高tmr。此外，自由區域120的耗盡磁性材料420可促成與相鄰氧化物區域(例如，次要氧化物區域170及中間氧化物區域130)的ma誘發。
由耗盡氧化物材料470(圖4)形成的次要氧化物區域170可具有低電阻，例如，可為導電的，其中沿著與自由區域120的界面172具有最大氧濃度。
因此，可由于自由區域120中從雙氧化物區域兩者(即，中間氧化物區域130及次要氧化物區域170)的ma誘發而促成高ma強度，而還不展現高電阻(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)的實施例中，甚至可進一步實現低阻尼。
因此，揭示一種形成存儲器單元的方法，所述方法包括形成前體結構。形成前體結構包括在襯底上方形成前體吸氣劑晶種材料。在前體吸氣劑晶種材料上方形成前體氧化物材料。在前體氧化物材料上方形成前體磁性材料。使來自所述前體磁性材料的擴散性物質擴散到所述前體吸氣劑晶種材料，且使來自所述前體氧化物材料的氧擴散到所述前體吸氣劑晶種材料，以使所述前體磁性材料的至少一部分轉化成耗盡磁性材料，使所述前體氧化物材料的至少一部分轉化成氧耗盡材料，且使所述前體吸氣劑晶種材料的至少一部分轉化成富集吸氣劑晶種材料。對所述前體結構進行圖案化，以形成包括由所述富集吸氣劑晶種材料形成的吸氣劑晶種區域、由所述氧耗盡材料形成的次要氧化物區域以及由所述耗盡磁性材料形成的自由區域的單元核心結構。
參考圖6，圖解說明根據本發明的另一實施例的磁性單元結構600。磁性單元結構600包含磁性單元核心601，磁性單元核心601包括吸氣劑次要氧化物區域670。吸氣劑次要氧化物區域670可由如在圖7中所圖解說明的前體吸氣劑氧化物材料770形成，前體吸氣劑氧化物材料770包含與上文描述的前體氧化物材料370(圖3)相同的材料，同時還包含經調配以具有對于前體磁性材料320的擴散性物質321的化學親和力的額外吸氣劑物質281'。舉例來說，在一個實施例中，前體吸氣劑氧化物材料770可包含氧化鎂(mgo)以及經添加額外吸氣劑物質281′。前體吸氣劑氧化物材料770可安置于中間結構700內，在前體吸氣劑晶種材料280與前體磁性材料320之間。
如在圖7a中所圖解說明，擴散性物質321(例如，硼(b))可不僅被吸引到前體吸氣劑晶種材料280中的吸氣劑物質281，而且還被吸引到前體吸氣劑氧化物材料770中的額外吸氣劑物質281'。因此，繼退火之后，經退火結構800(如在圖8及8a中所圖解說明)包含由前體吸氣劑氧化物材料770形成的“富集-耗盡”氧化物材料870。富集-耗盡氧化物材料870富集有某一量的經擴散物質321'(其鍵合到額外吸氣劑物質281')，且除了沿著界面172之外耗盡另一擴散性物質372(例如，氧(o))。
額外吸氣劑物質281'可與富集吸氣劑晶種材料480中的氧吸氣劑物質281相同或不同。因此，額外吸氣劑物質281'可選自上文關于吸氣劑物質281所描述的物質中的任一者。
為形成前體氧化物材料770(圖7)，可在形成前體磁性材料320之前將額外吸氣劑物質281'植入到前體氧化物材料370(圖3)中。舉例來說(而非限制)，可通過使用物理氣相沉積(pvd)共濺鍍額外吸氣劑物質281'及前體氧化物材料370(圖3)兩者而將額外吸氣劑物質281'并入到前體氧化物材料370中。作為另一實例(而非限制)，可在沉積前體氧化物材料370期間以氣體的形式引入額外吸氣劑物質281'。接著可形成前體結構900的其余材料，如在圖9中所圖解說明，且前體結構900經圖案化以形成圖6的磁性單元結構600。
在其中次要氧化物區域170(圖1)或吸氣劑次要氧化物區域670(圖6)經調配以包括氧化鎂(mgo)的本發明的此實施例或前述實施例中，前體吸氣劑晶種材料280與前體氧化物材料370(圖3)或前體吸氣劑氧化物材料770(圖7)的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'(如果使用前體吸氣劑氧化物材料770))對另一吸氣劑物質282(例如，氧吸氣劑物質)的原子比率(即，mg:o:b吸氣劑:o吸氣劑原子比率)可從約40:40:10:10到約45:45:5:5。因此，吸氣劑物質281(包含額外吸氣劑物質281'(如果包含))及另一吸氣劑物質282中的一或多者可處于低原子能級(例如，小于約10原子％(例如，小于約5原子％，例如，小于約2原子％)的“摻雜劑”能級)。
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非晶前體吸氣劑晶種材料。所述非晶前體吸氣劑晶種材料包括硼吸氣劑物質及氧吸氣劑物質。在所述非晶前體吸氣劑晶種材料上方形成包括氧的前體氧化物材料。在所述前體氧化物材料上方形成包括硼的前體磁性材料。在所述前體磁性材料上方形成另一種氧化物材料。至少對所述前體磁性材料及所述前體氧化物材料進行退火，以使來自所述前體磁性材料的所述硼與所述非晶前體吸氣劑晶種材料的所述硼吸氣劑物質反應且使來自所述前體氧化物材料的所述氧與所述非晶前體吸氣劑晶種材料的所述氧吸氣劑物質反應。
參考圖10，圖解說明stt-mram系統1000，stt-mram系統1000包含與stt-mram單元1014可操作地通信的外圍裝置1012，可制造stt-mram單元1014群組以形成呈包含若干個行及列的柵格圖案或呈各種其它布置(其取決于系統要求及制造技術)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)的導電材料以及可充當源極線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以及讀出放大器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)、601(圖6))中的任一者。由于單元核心1002的結構、制造方法或此兩者，stt-mram單元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stt-mram單元1014經選擇以被編程時，將編程電流施加到stt-mram單元1014，且所述電流通過單元核心1002的固定區域經自旋極化并將扭矩施加于單元核心1002的自由區域上，此切換自由區域的磁化以“寫入到”或“編程”stt-mram單元1014。在stt-mram單元1014的讀取操作期間，電流用于檢測單元核心1002的電阻狀態。
為起始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中的自由區域的磁性定向的切換。通過利用自旋極性而改變自由區域的磁性定向，根據編程電流的自旋極性將自由區域磁化，將經編程邏輯狀態寫入到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的經編程狀態與跨越單元核心1002的電阻有關，所述電阻可由數據/感測線1004與源極線1006之間的電壓差確定。在一些實施例中，可將所述電壓差與位線參考1008進行比較且由讀出放大器1009放大所述電壓差。
圖10圖解說明可操作stt-mram系統1000的一個實例。然而，預期磁性單元核心101(圖1)、601(圖6)可并入于且用于經配置以并入有具有磁性區域的磁性單元核心的任一stt-mram系統內。
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單元包括在襯底上方的磁性隧穿結子結構。所述磁性隧穿結子結構包括自由區域、固定區域及中間氧化物區域。所述自由區域展現垂直可切換磁性定向。所述固定區域展現垂直基本上固定磁性定向。所述中間氧化物區域介于所述自由區域與所述固定區域之間。另一個氧化物區域接觸所述自由區域。非晶區域接近所述自由區域及所述另一個氧化物區域。所述非晶區域包括硼及氧。
參考圖11，圖解說明根據本文中描述的一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可包含包括上文論述的磁性單元核心(例如，磁性單元核心101(圖1)、601(圖6))中的任一者的多個stt-mram單元1014(圖10)，所述磁性單元核心(例如，磁性單元核心101(圖1)、601(圖6))可根據上文描述的方法而形成且可根據上文描述的方法而操作。控制邏輯組件1104可經配置以與存儲器陣列1102操作地相互作用，以便從存儲器陣列1102內的任一或所有存儲器單元(例如，stt-mram單元1014(圖10))讀取或向其寫入。
參考圖12，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制作的各種電子裝置。基于處理器的系統1200可為例如計算機、尋呼機、蜂窩式電話、個人備忘記事本、控制電路或其它電子裝置等各種類型中的任一者。基于處理器的系統1200可包含一或多個處理器1202(例如，微處理器)以控制對基于處理器的系統1200中的系統功能及請求的處理。處理器1202及基于處理器的系統1200的其它子組件可包含根據本發明的實施例制作的磁性存儲器裝置。
基于處理器的系統1200可包含與處理器1202可操作地通信的電力供應器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、可更換電池以及可充電電池中的一或多者。電力供應器1204還可包含ac適配器；因此，舉例來說，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。
各種其它裝置可耦合到處理器1202，此取決于基于處理器的系統1200執行的功能。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、語音辨識系統、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、等離子體顯示器、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接收器且耦合到rf發射器(未展示)的天線。一通信端口1212或多于一個通信端口1212也可耦合到處理器1202。舉例來說，通信端口1212可適于耦合到一或多個外圍裝置1214(例如調制解調器、打印機、計算機、掃描儀或相機)，或耦合到網絡(例如局域網、遠程區域網絡、內聯網或因特網)。
處理器1202可通過實施存儲于存儲器中的軟件程序來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。存儲器可操作地耦合到處理器1202以存儲各種程序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)、賽道存儲器以及其它已知存儲器類型中的一或多者。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通常是大的，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)、包含上文描述的磁性單元核心101(圖1)、601(圖6)中的任一者的存儲器單元，或其組合。
處理器1202還可耦合到非易失性存儲器1218，此不暗示系統存儲器1216必然是易失性的。非易失性存儲器1218可包含將聯合系統存儲器1216使用的stt-mram、mram、只讀存儲器(rom)(例如eprom、電阻式只讀存儲器(rrom))及快閃存儲器中的一或多者。非易失性存儲器1218的大小通常經選擇以剛好大到足以存儲任何必要操作系統、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，例如混合式驅動器(包含電阻式存儲器)或其它類型的非易失性固態存儲器。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)、包含上文描述的磁性單元核心101(圖1)、601(圖6)中的任一者的存儲器單元，或其組合。
雖然本發明易于在其實施方案中作出各種修改及替代形式，但已在圖式中通過實例的方式展示并在本文中詳細描述特定實施例。然而，本發明并非打算限于所揭示的特定形式。而是，本發明涵蓋歸屬于由所附權利要求書及其合法等效內容界定的本發明范圍內的所有修改、組合、等效內容、變化及替代方案。
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