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JP2018501647A - 磁気セル構造体、および製造の方法 - Google Patents

磁気セル構造体、および製造の方法 Download PDF

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JP2018501647A JP2017528872A JP2017528872A JP2018501647A JP 2018501647 A JP2018501647 A JP 2018501647A JP 2017528872 A JP2017528872 A JP 2017528872A JP 2017528872 A JP2017528872 A JP 2017528872A JP 2018501647 A JP2018501647 A JP 2018501647A
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Abstract

磁気セル構造体は、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料を含む。シード材料は、タンタル部分の上にある白金部分と、白金部分の上にあるルテニウム部分とを含む。磁気セル構造体は、シード材料の上にある磁性領域と、磁性領域の上にある絶縁材料と、絶縁材料の上にある別の磁性領域とを含む。磁気セル構造体を含む半導体デバイス、ならびに、磁気セル構造体および半導体デバイスを形成する方法も、開示されている。【選択図】図２

Description

［優先権主張］
本出願は、「MAGNETIC CELL STRUCTURES, AND METHODS OF FABRICATION」について２０１４年１２月２日に出願された米国特許出願整理番号１４／５５８，３６７号の出願日の利益を享受する権利を主張する。
本明細書に開示されている実施形態は、磁性領域を含む磁気セル構造体に関係する。より詳細には、本明細書に開示されている実施形態は、シード材料と、改善した磁気特性を示す磁気構造体とを含む、半導体構造体および磁気セル構造体、関連する磁気セル構造体、ならびに、そうした半導体構造体および磁気セル構造体を形成する方法に関係する。
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、磁気抵抗効果に基づく不揮発性コンピュータ・メモリ技術である。ＭＲＡＭセルの一種は、スピン・トルク・トランスファＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルであり、これは、基板により支持された磁気セル・コアを含む。磁気セル・コアは、非磁性領域を間に挟んだ、例えば「固定領域」と「自由領域」といった少なくとも二つの磁性領域を含む。自由領域と固定領域は、当該領域の幅に対して水平に配向されている（「面内」）か、または垂直に配向されている（「面外」）かのいずれかの、磁気配向を示すことがある。固定領域は、実質的に固定された磁気配向（例えば、通常の動作中には反転不能な磁気配向）を有する磁性材料を含む。他方、自由領域は、セルの動作中に「平行な」配置と「反平行な」配置との間で反転され得る磁気配向を有する磁性材料を含む。平行な配置では、固定領域と自由領域の磁気配向が、同じ方向に向いている（例えば、それぞれ、北と北、東と東、南と南、または、西と西）。「反平行な」配置では、固定領域と自由領域の磁気配向が、逆方向に向いている（例えば、それぞれ、北と南、東と西、南と北、または、西と東）。平行な配置において、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁気抵抗効果素子（例えば、固定領域と自由領域）の全体にわたって、より低い電気抵抗を示す。この低電気抵抗の状態を、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの「０」論理状態として定義してもよい。反平行な配置において、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁気抵抗効果素子の全体にわたって、より高い電気抵抗を示す。この高電気抵抗の状態を、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの「１」論理状態として定義してもよい。
磁気セル・コア、ならびに、その中の固定領域および自由領域にプログラミング電流を通すことによって、自由領域の磁気配向の反転を成し遂げてもよい。固定領域がプログラミング電流の電子スピンを分極させ、スピン分極した電流がコアを通るのに連れてトルクが作り出される。スピン分極した電子流は、自由領域にトルクをかける。コアを通るスピン分極した電子流のトルクが、自由領域の臨界反転電流密度（Ｊｃ）よりも大きいとき、自由領域の磁気配向の方向が反転される。よって、磁性領域全体にわたる電気抵抗を変化させるために、プログラミング電流を使うことができる。結果として生じる、磁気抵抗効果素子全体にわたる高電気抵抗状態または低電気抵抗状態は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの読み出し動作および書き込み動作を可能とする。自由領域の磁気配向を反転させて、所望の論理状態に関連づけられた平行な配置または反平行な配置を達成した後は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが別の配置へと（つまり、異なる論理状態へと）上書きされることになるまでの「記憶」段階の間、自由領域の磁気配向を保持することが通常は望まれる。
しかし、固定領域から発せられる磁気双極子場の存在は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの動作中に自由領域の磁気配向を対称的に反転させる能力を損いかねない。浮遊磁気双極子場からの干渉により反転してしまうという負の影響をなくすために、努力が払われてきた。例えば、結合材料により隔てられた上側の磁性領域と下側の磁性領域とを含む合成反強磁性体を含む磁性材料は、浮遊磁気双極子場の負の影響を減少させる場合がある。上側の磁性領域と下側の磁性領域の各々は、導電性材料によってお互いから隔てられた磁性材料を含んでいてもよい。結合材料は、隣接する磁性材料同士の反平行な結合を提供するように、調製され、配置される。目標は、上側の領域から発せられる磁気双極子場が、下側の領域から発せられる磁気双極子によって、それぞれの磁気配向が逆方向であるがゆえに、実質的に相殺されることである。しかし、上側の領域と下側の領域との間の磁気結合が、強磁性結合と反強磁性結合との間で振動する振る舞いを示すことがある。さらに、従来の合成反強磁性体では、上側の磁性領域の成長が、結合材料の種類と厚さにより限定されることがある一方で、下側の磁性領域の磁気的性質（例えば、ＰＭＡや磁気ヒステリシスなど）が、タンタルやルテニウムを含むことのある、下方にある従来のシード材料により、定められてしまうことがある。例えば、他方の磁性領域よりもシード材料から遠く離れて位置している方の磁性領域（例えば、シード材料から遠位側にある磁性領域）は、上記の他方の磁性領域やシード材料とは異なる結晶構造を示すことがあり、それが原因となって、当該磁性領域を含む磁気セル構造体が、構造的欠陥や、低下したＰＭＡを示すことがある。
結合材料を上側と下側の磁性材料に結合させるための作業は、結合材料ならびに上側および下側の磁性材料を焼きなます（アニールする）ことを含む。しかし、焼きなましが、磁性材料の結晶構造を改善することがあり、磁性材料と結合材料との間の接着を改善することもあるとはいえ、焼きなましは、磁性材料の磁気特性（例えば、磁気異方性（「ＭＡ」）や垂直磁気異方性（「ＰＭＡ」））を低下させることがある。焼きなましは、結合された磁気構造体の反強磁性および／または反強磁性に影響することのある、磁性材料と結合材料との間の結合の強度に、悪影響を及ぼすこともある。例えば、焼きなましは、磁性材料の結晶方位を変えることがあるし、メモリセルの読み出し動作および書き込み動作を妨げ得る面内または面外の磁気モーメントを作り出すこともある。よって、焼きなましは、磁性材料のＰＭＡを低下させることがあるし、その磁性材料を組み入れている磁気セル構造体の動作を妨げる面外磁気双極子モーメントを作り出すこともある。
シード材料の上に形成される磁性材料の、簡略化断面図である。 磁性材料と導電性材料が交互になっている部分を含む磁性材料の、簡略化断面図である。 本開示の一実施形態による、シード材料を含む磁気セル構造体の、簡略化断面図である。 本開示の他の実施形態による、シード材料を含む磁気セル構造体の、簡略化断面図である。 図２の磁気セル構造体を形成する方法の実施形態について、種々の工程段階を示す、簡略化断面図である。 図２の磁気セル構造体を形成する方法の実施形態について、種々の工程段階を示す、簡略化断面図である。 図２の磁気セル構造体を形成する方法の実施形態について、種々の工程段階を示す、簡略化断面図である。 図２の磁気セル構造体を形成する方法の実施形態について、種々の工程段階を示す、簡略化断面図である。 本開示の実施形態による磁気セル構造体を有するメモリセルを含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステムの概略図である。 従来のシード材料を含む磁気構造体に対して、白金含有シード材料を含む磁気構造体の異方性磁界（つまりＨｋ）を比較する、面内ループ図である。 従来のシード材料を含む磁気セル構造体に対して、図２の磁気セル構造体の磁気特性を、それら構造体の各々を３００℃で焼きなました後において比較する、面外ループ図である。 従来のシード材料を含む磁気セル構造体に対して、図２の磁気セル構造体の磁気特性を、それら構造体の各々を３００℃で焼きなましてから、それら構造体の各々を３６０℃で焼なました後において比較する、面外ループ図である。 従来のシード材料を含む磁気セル構造体に対して、図２の磁気セル構造体の磁気特性を、それら構造体の各々を３００℃で焼きなましてから、それら構造体の各々を３６０℃で焼なました後において比較する、面内ループ図である。 結晶基板の上に成長させた磁気セル構造体の磁気特性と、非晶質基板の上に成長させた磁気セル構造体の磁気特性とを比較する、面外ループ図である。 結晶基板の上に成長させた磁気セル構造体の磁気特性と、非晶質基板の上に成長させた磁気セル構造体の磁気特性とを、それら磁気セル構造体の各々が基板とシード材料との間に非晶質材料を含む場合において比較する、面外ループ図である。
本明細書に添えて含まれている図面は、いかなる特定のシステムないし半導体構造体の実際の見え方を意図したものでもなく、単に、本明細書で説明される実施形態を説明するために使われる、理想化された表現に過ぎない。図面同士の間で共通の要素および特徴は、同じ数値的呼称を保持することがある。
以下の説明は、本明細書に記述される実施形態の完全な記述を与えるために、材料の種類や、材料の厚さや、加工条件などの具体的詳細を与えている。しかし、本明細書に開示されている実施形態が、これらの具体的詳細を用いることなく実施されてもよい、ということを当業者は理解するだろう。実際、実施形態は、半導体工業で使われている従来の製造技法とともに実施されてもよい。さらに、本明細書で与えられる説明は、半導体構造体、磁気セル構造体、またはメモリセルを製造するための完全な工程の流れをなす訳ではなく、また、以下に記述する半導体構造体、磁気セル構造体、およびメモリセルは、完全な半導体構造体、磁気セル構造体、またはメモリセルをなす訳ではない。本明細書に記述される実施形態を理解するのに必要な、工程上の行為および構造のみが、以下で詳しく記述される。完全な半導体構造体や当該半導体構造体を含むメモリセルを形成するための付加的な行為が、従来の技法によって行われてもよい。
ある実施形態によれば、磁気メモリセル構造体が、シード材料の上に一つ以上の磁性領域を含んでもよい。シード材料は、当該シード材料の上にある磁性領域の結晶構造および磁気配向に影響することがある。シード材料は、当該シード材料の上にある磁性領域と類似の結晶構造を示すように、調製および構成されてもよい。シード材料は、タンタルと白金とルテニウムといった三つの材料を含んでもよく、本明細書では「白金含有シード材料」と呼ばれることがある。本開示のタンタルと白金とルテニウムは、シード材料の別個の部分を形成し得る。本開示のシード材料を含む磁気セル構造体は、従来のシード材料を含む磁気セル構造体と比べて、改善した磁気異方性（例えば、改善したＰＭＡ）を示し得る。白金含有シード材料を含む磁気セル構造体は、約３００℃よりも上の温度での焼きなましの後で、磁気特性の劣化（例えば、減少したＰＭＡ、または、面内磁気モーメントの増加）を示すことなく、改善した接着をも示し得る。よって、白金含有シード材料を用いた、磁気セル構造体および当該磁気メモリセル構造体を含むメモリセルは、ただ二つの材料（例えば、タンタルとルテニウム）のみを含む従来のシード材料を用いた磁気セル構造体と比べて、改善した磁気特性と反転特性とを示し得る。
図１Ａは、磁気メモリセル構造体の一部分をなすことがある、シード材料１１０の上にある人工超格子（「ＡＳＬ」）構造１２０を含む磁気構造体１０５を示す。シード材料１１０は、タンタル部分１１２と、白金部分１１４と、ルテニウム部分１１６とを含んでもよい。人工超格子構造１２０は、シード材料１１０のすぐ上にあって、シード材料１１０に接触していてもよい。ルテニウム部分１１６の結晶構造と配向は、人工超格子構造１２０の結晶構造と実質的に類似していることがある。
シード材料１１０は、タンタル部分１１２と白金部分１１４とルテニウム部分１１６というように、一つよりも多くの部分を含んでいてもよい。タンタル部分１１２は、基板（不図示）の上、または磁気メモリセルの別の部分の上にあってもよい。白金部分１１４は、タンタル部分１１２のすぐ上にあって、タンタル部分１１２に接触していてもよく、ルテニウム部分１１６は、白金部分１１４のすぐ上にあって、白金部分１１４に接触していてもよい。白金部分１１４は、タンタル部分１１２とルテニウム部分１１６との間に配置されていてもよく、タンタル部分１１２とルテニウム部分１１６の各々に直接接触していてもよい。タンタル部分１１２と白金部分１１４とルテニウム部分１１６の各々は、別個の材料であり得るとともに、隣接する部分との間の一つの界面を形成し得る。タンタル部分１１２は、原子百分率で約９０％から原子百分率で約１００％までの間のタンタルを含んでもよく、白金部分１１４は、原子百分率で約９０％から原子百分率で約１００％までの間の白金を含んでもよく、ルテニウム部分１１６は、原子百分率で約９０％から原子百分率で約１００％までの間のルテニウムを含んでもよい。
タンタル部分１１２は、約２０Åから約２５Åまで、約２５Åから約３５Åまで、または約３５Åから約４０Åまで、というように、約２０Åから約４０Åまでの厚みを有していてもよい。ある実施形態では、タンタル部分１１２が約３０Åの厚さを有する。白金部分１１４は、約１０Åから約５０Åまで、約５０Åから約１００Åまで、約１００Åから約２００Åまで、約２００Åから約３００Å、約３００Åから約５００Åまで、または約５００Åから約１０００Åまで、というように、約１０Åから約１０００Åまでの厚みを有していてもよい。ある実施形態では、白金部分１１４が約５０Åの厚さを有する。ルテニウム部分１１６は、約３５Åから約４５Åまで、約４５Åから約５５Åまで、または約５５Åから約６５Åまで、というように、約３５Åから約６５Åまでの厚みを有していてもよい。ある実施形態では、ルテニウム部分１１６が約５０Åの厚さを有する。ある実施形態では、タンタル部分１１２の厚さが約３０Åでもよく、白金部分１１４の厚さが約５０Åでもよく、ルテニウム部分の厚さが約５０Åでもよい。
マグネトロン・スパッタリング（例えば、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、ＤＣマグネトロン・スパッタリングなど）、イオンビーム・スパッタリング、または他の物理蒸着（ＰＶＤ）方法などの、スパッタ蒸着により、シード材料１１０を形成してもよい。また、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、または他の薄膜蒸着プロセスのうちの少なくとも一つにより、シード材料１１０を形成してもよい。タンタル部分１１２をベース材料（不図示）の上に形成することによって、シード材料１１０を形成してもよい。白金部分１１４は、タンタル部分１１２の上に、かつ、タンタル部分１１２に直接接触して、形成されてもよい。ルテニウム部分１１６は、白金部分１１４の上に、かつ、白金部分１１４に直接接触して、形成されてもよい。シード材料１１０の、タンタル部分１１２と白金部分１１４とルテニウム部分１１６の各々を、室温で形成してもよい。
図１Ｂを参照すると、人工超格子構造１２０は、磁性材料１１７と導電性材料１１９の交互になっている部分を含んでいてもよい。導電性材料１１９は、隣接する磁性材料１１７同士の間にあってもよい。導電性材料１１９は、磁性材料１１７が垂直異方性（つまり、縦方向の磁気配向）を示すことを可能にする場合がある。磁性材料１１７は、コバルトと鉄のうち、少なくとも一つを含んでもよい。導電性材料１１９は、白金とパラジウムとイリジウムとニッケルのうち、少なくとも一つを含んでもよい。ある実施形態では、磁性材料１１７がコバルトを含み、導電性材料１１９が、白金とパラジウムとニッケルとイリジウムのうちの少なくとも一つを含む。図１Ｂは、人工超格子構造１２０の中の、磁性材料１１７でできた六つの領域と導電性材料１１９でできた六つの領域とを図示しているが、人工超格子構造１２０は、そのように限られるわけではなく、磁性材料１１７と導電性材料１１９の交互になっている領域を任意の個数（例えば、一つ、二つ、三つ、四つ、または五つ）含み得る。
磁性材料１１７は、およそ１モノレイヤの厚みを有していてもよい。限定としてではなく例示として、磁性材料１１７は、約１．０Åから約２．０Åまで、約２．０Åから約３．０Åまで、約３．０Åから約４．０Åまで、または約４．０Åから約６．０Åまでというように、約１．０Åから約６．０Åまでの厚さを有していてもよい。ある実施形態では、磁性材料１１７が約２．４Åの厚さを有する。導電性材料１１９は、およそ１モノレイヤの厚みを有していてもよい。限定としてではなく例示として、導電性材料１１９は、約１．２Åから約１．６Åまで、または約１．６Åから約２．０Åまでというように、約１．２Åから約２．０Åまでの厚さを有していてもよい。ある実施形態では、導電性材料１１９が約１．６Åの厚さを有する。
ある実施形態では、人工超格子構造１２０のうちの導電性材料１１９の領域が、シード材料１１０のすぐ上にあって、シード材料１１０に接触していてもよい。例えば、導電性材料１１９の領域が、シード材料１１０のルテニウム部分１１６のすぐ上にあって、これに接触していてもよい。他の実施形態では、磁性材料１１７の領域が、シード材料１１０のすぐ上にあって、これに接触していてもよい。
シード材料１１０の結晶構造は、シード材料１１０を焼きなまし状態にさらすことによって、（例えば、シード材料１１０の結晶粒組織における欠陥を取り除くことによって）改良され得る。図１Ａの磁気構造体１０５を焼きなますことは、また、人工超格子構造１２０の磁性材料１１７と導電性材料１１９との間の結合強度（例えば、接着）を増大させ得る。シード材料１１０と人工超格子構造１２０とを、約３００℃から約５００℃までの温度に約１分（１ｍｉｎ．）から約１時間（１ｈｒ．）の間さらすことによって、人工超格子構造１２０も、あるいはシード材料１１０に隣接する他のいかなる材料も、損傷することなしに、シード材料１１０と人工超格子構造１２０とを焼きなますことができる。ある実施形態では、シード材料１１０と人工超格子構造１２０とを、約３００℃よりも高温で約１時間にわたって焼きなましてもよい。他の実施形態では、シード材料１１０と人工超格子構造１２０とを、約４００℃の温度で約１５分から約３０分の間、焼きなます。さらに別の実施形態では、シード材料１１０と人工超格子構造１２０とを、３００℃で約１時間、または約３６０℃の温度で約１時間、焼きなます。焼きなましを真空中で行ってもよい。タンタルとルテニウムのみを含むシード材料のような従来のシード材料を含むメモリセルと比較して、シード材料１１０と人工超格子構造１２０は、改善したＰＭＡおよびＭＡを示し得る。例えば、シード材料１１０と人工超格子構造１２０とを含む図１Ａの構造は、従来のシード材料の上に形成された磁性材料よりも、磁気配向の変化を起こしにくい可能性がある。
したがって、磁気セル構造体が開示されている。その磁気セル構造体は、基板の上にあるタンタル部分と、タンタル部分の上にある白金部分と、白金部分の上にあるルテニウム部分と、シード材料の上にある磁性領域と、を含む。
したがって、磁気セル構造体を形成する方法が開示されている。その方法は、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料を基板の上に形成することを含み、ここで、シード材料を形成することは、タンタルを基板の上に形成することと、白金をタンタルの上に形成することと、ルテニウムを白金の上に形成することとを含み、上記方法はさらに、磁性材料をシード材料の上に形成することを含む。
図２を参照すると、ある実施形態による、シード材料１１０を含む磁気セル構造体１００が図示されている。磁気セル構造体１００は、基板１０２の上に磁気セル・コア１０１を含む。磁気セル・コア１０１は、上側電極１３６と下側電極１０４との間に配置されていてもよい。磁気セル・コア１０１は、ある磁性領域ともう一つの磁性領域――例えば、それぞれ「固定領域」１３０と「自由領域」１３２――を含んでいてもよい。絶縁領域１２８が、固定領域１３０と自由領域１３２との間に配置されていてもよい。
メモリセル内の構成部品などの構成部品がその上に形成された、ベース材料または他の構成を、基板１０２が含んでいてもよい。基板１０２は、半導体基板か、支持基板上のベース半導体材料か、金属電極か、または、一つ以上の材料、構造体、もしくは領域がその上に形成された半導体基板であってもよい。基板１０２は、従来のシリコン基板か、または、半導体材料を含む他のバルク基板であってもよい。本明細書で用いられるとおり、「バルク基板」という用語は、シリコン・ウェーハを意味し、かつ含むだけではなく、とりわけ、シリコン・オン・サファイア（「ＳＯＳ」）基板もしくはシリコン・オン・グラス（「ＳＯＧ」）基板のようなシリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）基板、ベース半導体下地の上のシリコンのエピタキシャル層、または、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘであって、ここでｘは、例えば０．２から０．８の間のモル分率である）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、もしくはリン化インジウム（ＩｎＰ）のような、他の半導体材料もしくは光電子材料をも、意味し、かつ含む。さらに、以下の説明において「基板」を参照する場合には、材料、領域、または接合をベース半導体構造体または下地に形成するために、前の工程段階が利用されたことがあってもよい。
下側電極１０４は、基板１０２の上にあってもよい。下側電極１０４は、銅、タングステン、白金、パラジウム、チタン、タンタル、ニッケルのような金属、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、ポリシリコン、金属シリサイド、金属合金、またはそれらの組み合わせを、含んでいてもよい。
一つ以上の下側中間領域１０６が、随意で、磁性領域（例えば、固定領域１３０と自由領域１３２）の下に配置されていてもよい。下側中間領域１０６は、もし含まれていれば、下側電極１０４と、下側電極１０４の上にある材料との間での、種の拡散を妨げるように構成されていてもよい。下側中間領域１０６は、銅、タンタル、チタン、タングステン、ルテニウム、窒化タンタル、および窒化チタンのうちの一つ以上といったような、導電性材料を含んでいてもよい。
随意で、非晶質材料１０８が、下側中間領域１０６がもしあればその上にあってもよく、下側中間領域１０６とシード材料１１０との間に配置されていてもよい。ある実施形態では、非晶質材料１０８が下側電極１０４のすぐ上にあってもよい。図２に図示されているものなど、他の実施形態では、非晶質材料１０８が下側中間領域１０６のすぐ上にあってもよい。非晶質材料１０８は、シード材料１１０および磁気セル構造体１００の結晶構造における欠陥の数を減少させ得る。シード材料１１０（例えば、シード材料１１０のうちのタンタル部分１１２（図１Ａ））などのような上に載る材料がその上に形成される、滑らかなテンプレートを、非晶質材料１０８は提供し得る。非晶質材料１０８は、磁気セル構造体１００のＰＭＡおよび磁気結合を向上させ得る。
ある実施形態では、シード材料１１０の形成が所望の結晶構造を示すことを可能とするように、非晶質材料１０８が調製かつ構成される。非晶質材料１０８は、磁気セル構造体１００全体を通じて、磁気セル構造体１００の各構成部分に類似の磁気配向を示させることがある。よって、磁気セル構造体１００の固定領域１３０は、非晶質材料１１０と類似の結晶方位を示すことがある。
非晶質材料１０８は、実質的に非晶質の材料を含んでいてもよい。非晶質材料１０８は、非晶質タンタル、非晶質酸化タンタル、ニッケルとクロムとそれらの酸化物とを含む非晶質材料、酸化ニッケルと酸化クロムとを含む非晶質材料、およびそれらの組み合わせを含んでいてもよい。非晶質材料１０８の上部は、酸化されていてもよい。例えば、上部が酸化タンタルを含んでいる状態のタンタルを、非晶質材料１０８が含んでいてもよいし、または、その上部が酸化ニッケルと酸化クロムとを含んでいる状態のニッケルとクロムとを、非晶質材料１０８が含んでいてもよい。ある実施形態では、非晶質材料１０８が、原子百分率で約４０％のニッケルと原子百分率で約６０％のクロム（例えば、Ｎｉ６０Ｃｒ４０）を含んでいてもよい。
非晶質材料１０８は、約５Åから約１０Åまで、または約１０Åから約１５Åまでなどの、約５Åから約１５Åまでの厚さを有していてもよい。ある実施形態では、非晶質材料１０８は約１０Åの厚さを有する。
シード材料１１０は、下側電極１０４の上に配置され得る。ある実施形態では、シード材料１１０が下側電極１０４に直接接触していてもよい。他の実施形態では、下側中間領域１０６が下側電極１０４とシード材料１１０との間に介在していてもよいし、あるいは、非晶質材料１０８がもしあれば、これにシード材料１１０が直接接触していてもよい。
シード材料１１０は、図１Ａを参照して上述したものと同じであってもよい。例えば、シード材料１１０は、タンタル部分１１２と、白金部分１１４と、ルテニウム部分１１６とを含んでいてもよい。白金部分１１４は、タンタル部分１１２とルテニウム部分１１６とのまさに間に、配置されていてもよい。ルテニウム部分１１６は、上にある人工超格子構造１２０に直接接触していてもよい。
固定領域１３０を、シード材料１１０のすぐ上に形成してもよい。固定領域１３０は、人工超格子構造１２０と、人工超格子構造１２０の上にある結合材料１２２と、結合材料１２２の上にある別の人工超格子構造１２４とを、含んでいてもよい。人工超格子構造１２０および別の人工超格子構造１２４は、図１Ｂを参照して上述したものと同じであってもよい。よって、人工超格子構造１２０および別の人工超格子構造１２４は、磁性材料１１７と導電性材料１１９の交互になっている領域を含んでいてもよい。人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４は、同じ材料を含んでいてもよいし、実質的に同じであってもよい。ある実施形態では、人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４の各々が、コバルト磁性材料と白金導電性材料の交互になっている部分を含んでいてもよい。
人工超格子構造１２０は、シード材料１１０のすぐ上にあってもよい。ある実施形態では、人工超格子構造１２０の導電性材料１１９が、シード材料１１０のルテニウム部分１１６に直接接触していてもよい。他の実施形態では、人工超格子構造１２０の磁性材料１１７が、シード材料１１０に直接接触していてもよい。
結合材料１２２は、人工超格子構造１２０のすぐ上にあってもよい。結合材料１２２は、ルテニウム、ロジウム、およびそれらの組み合わせを含んでいてもよい。結合材料１２２は、約１Åから約１０Åまでの厚さを有していてもよい。ある実施形態では、結合材料１２２が、約４Åから約５Åまでの厚さを有する。
別の人工超格子構造１２４は、結合材料１２２のすぐ上にあってもよい。上記のとおり、別の人工超格子構造１２４は、人工超格子構造１２０と同じ材料を含んでいてもよく、人工超格子構造１２０と実質的に同じであってもよい。
他の実施形態では、固定領域１３０が、コバルトと鉄とを含む強磁性材料（例えばＣｏｘＦｅｙであり、ここで、ｘ＝１０から８０、かつｙ＝１０から８０である）を含み、また、ある実施形態では、固定領域１３０が、ホウ素をも含む（例えばＣｏｘＦｅｙＢｚであり、ここで、ｘ＝１０から８０、かつｙ＝１０から８０、かつｚ＝０から５０である）。このように、固定領域１３０は、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＢのうち少なくとも一つ（例えば、ＣｏＦｅＢ材料、ＦｅＢ材料、ＣｏＢ材料）を含んでいてもよい。他の実施形態では、その代わりに、またはそれに加えて、固定領域１３０がニッケルを含んでいてもよい（例えばＮｉＢ材料）。
図２に示すように、固定領域１３０の人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４は、固定された磁気配向を含んでいてもよく、これが矢印１２１で示されている。固定された磁気配向は、北向き、南向き、東向き、西向きなどであり得る。人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４の固定された磁気配向は、同じであってもよい。
キャッピング材料１２６が、別の人工超格子構造１２４の上にあってもよい。キャッピング材料１２６は、ＣｏＦｅＢ材料を含んでいてもよい。本明細書で使われるとおり、「ＣｏＦｅＢ材料」という用語は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびホウ素（Ｂ）を含む材料（例えばＣｏｘＦｅｙＢｚであり、ここで、ｘ＝１０から８０、かつｙ＝１０から８０、かつｚ＝０から５０である）を、意味し、かつ含む。ＣｏＦｅＢ材料は、その構成（例えば、その厚さ）によって、磁気を示すこともあるし、あるいは、示さないこともある。キャッピング材料１２６は、別の人工超格子構造１２４のすぐ上にあって、これに直接接触していてもよい。キャッピング材料１２６は、人工超格子構造１２４の磁性材料１１７または導電性材料１１９に接していてもよい。キャッピング材料１２６は、約５Åから約１０Åまで、または約１０Åから約１５Åまでなどといった、約５Åから約１５Åまでの厚さを有していてもよい。ある実施形態において、キャッピング材料１２６は、約１０Åの厚さを有する。
絶縁領域１２８がキャッピング材料１２６の上にあってもよい。ある実施形態では、絶縁領域１２８が、キャッピング材料１２６のすぐ上にあって、これに接触している。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または、従来の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）領域における他の酸化物材料もしくは窒化物材料のような、酸化物材料と窒化物材料とを含む非磁性の（例えば磁気的に絶縁性の）材料を、絶縁領域１２８が含んでいてもよい。絶縁領域１２８は、自由領域１３２に磁気異方性を誘起するように、かつ、固定領域１３０と絶縁領域１２８と自由領域１３２との相互作用によって生じるＭＴＪの、トンネル領域として機能するように、構成されていてもよい。他の実施形態では、絶縁領域１２８が、スピン・バルブ構造で使われる材料などの、導電性のある非磁性材料を含んでいてもよい。
磁気セル・コア１０１は、絶縁領域１２８の上に配置された自由領域１３２をさらに含んでいてもよい。自由領域１３２は、均質であってもよく、あるいは、一つより多くの部分領域を含んでいてもよい。矢印１３３により示される反転可能な磁気配向をメモリセルの使用中および動作中に示す磁性材料を、自由領域１３２が含んでいてもよい。反転可能な磁気配向は、磁気セル構造体１００に対する電流の印加、または磁気セル構造体１００にかけられた電磁場により、平行な配置と反平行な配置との間で反転され得る。
ある実施形態では、自由領域１３２が、従来の自由領域（つまり、人工超格子構造１２０や別の人工超格子構造１２４や結合材料１２２とは異なる材料を含む磁性領域）であってもよい。他の実施形態では、自由領域１３２は、固定領域１３０の人工超格子構造１２０および別の人工超格子構造１２４の各々と、同じ材料を含んでいてもよい。自由領域１３２は、人工超格子構造１２０および別の人工超格子構造１２４に類似した、磁性材料１１７と導電性材料１１９の交互になっている部分を含んでいてもよい。しかし、自由領域１３２は、そのように限定されるわけではなく、反転可能な磁気配向を示す他の適切な磁性材料を含んでいてもよい。
一つ以上の上側中間領域１３４が、随意で、自由領域１３２の上に配置されていてもよい。上側中間領域１３４は、もし含まれていれば、メモリセルの動作中における上側電極１３６と下にある材料との間での種の拡散を、妨げるように構成されていてもよい。上側中間領域１３４は、導電性キャッピング領域を形成し得る導電性材料（例えば、銅、タンタル、チタン、タングステン、ルテニウム、窒化タンタル、または窒化チタンなどの、一つ以上の材料）を含んでいてもよい。他の実施形態では、上側中間領域１３４が、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、およびそれらの組み合わせなどの、絶縁材料をも含んでいてよい。
上側電極１３６は、上側中間領域１３４の上にあってもよい。上側電極１３６は、銅、タングステン、白金、パラジウム、チタン、タンタル、ニッケル、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、ポリシリコン、金属シリサイド、金属合金、またはそれらの組み合わせを含んでいてもよい。ある実施形態では、上側電極１３６は、下側電極１０４と同じ材料を含む。
図２の磁気セル構造体１００は、「下側が固定された（ｂｏｔｔｏｍ−ｐｉｎｎｅｄ）」メモリセル（つまり、固定領域１３０が自由領域１３２の下に配置されたメモリセル）として、構成されている。しかし、図３の実施形態などの他の実施形態では、固定領域１３０′が自由領域１３２′の上にあってもよい。よって、図３を参照すると、上側が固定された（ｔｏｐ−ｐｉｎｎｅｄ）メモリセルとして、磁気セル構造体１５０が構成されていてもよい。磁気セル構造体１５０は、下側電極１０４と上側電極１３４との間に配置された磁気セル・コア１０１′を含んでいてもよい。
磁気セル構造体１５０は、下側電極１０４の上にある下側中間領域１０６を含んでいてもよい。下側中間領域１０６がもしあれば、その上に非晶質材料１０８があってもよい。非晶質材料１０８がもしあれば、その上にシード材料１１０があってもよい。他の実施形態において、シード材料１１０は、下側中間領域１０６がもしあれば、そのすぐ上にあってもよいし、あるいは、下側電極１０４のすぐ上にあってもよい。シード材料１１０は、図１Ａおよび図２を参照して上述したものと同じものであってもよい。例えば、シード材料１１０は、タンタル部分１１２と白金部分１１４とルテニウム部分１１６とを含んでいてもよい。白金部分１１４は、タンタル部分１１２とルテニウム部分１１６とのまさに間に配置されていてもよい。
自由領域１３２′がシード材料１１０のすぐ上にあってもよい。例えば、自由領域１３２′は、シード材料１１０のルテニウム部分１１６のすぐ上にあって、これに接触していてもよい。自由領域１３２′は、図２を参照して上述したものと同じ材料を含んでいてもよい。自由領域１３２′は、矢印１３３により示される反転可能な磁気配向を含んでいてもよい。
絶縁領域１２８′が自由領域１３２′の上にあってもよい。絶縁領域１２８′は、図２を参照して上述したものと同じ材料を含んでいてもよい。絶縁領域１２８′は、自由領域１３２′と固定領域１３０′とのまさに間に配置されていてもよい。
固定領域１３０′が絶縁領域１２８′のすぐ上にあってもよい。固定領域１３０′は、矢印１２１により示される固定された磁気配向を含んでいてもよい。固定領域１３０′は、人工超格子構造１２０′、結合材料１２２′、別の人工超格子構造１２４′、およびキャッピング材料１２６′を含んでいてもよい。人工超格子構造１２０′、結合材料１２２′、別の人工超格子構造１２４′、およびキャッピング材料１２６′の各々は、図２を参照して上述したような、人工超格子構造１２０、結合材料１２２、別の人工超格子構造１２４、およびキャッピング材料１２６と、それぞれ同じであってもよい。しかし、固定領域１３０′は、図２の磁気セル構造体１００におけるのと同様にシード材料１１０のすぐ上にある、という訳ではなくてもよい。むしろ、固定領域１３０′の人工超格子構造１２０′は、下にある絶縁領域１２８′に直接接触していてもよい。
随意的な上側中間領域１３４が、キャッピング材料１２６′の上にあってもよい。上側電極１３６は、上側中間領域１３４がもしあれば、その上にあってもよい。
本開示の実施形態のメモリセルは、「面外」ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルとして構成されていてもよい。「面外」ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、主に垂直方向（例えば、それぞれの領域の幅および長さに対して垂直な方向、または、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルがその上に配置される基板の主表面に対して垂直な方向）に配向された磁気配向を示す磁性領域を、含んでいてもよい。例えば、図２と図３に示したとおり、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁性領域（例えば、固定領域１３０と自由領域１３２）のうち少なくとも一つにおいて、垂直な磁気配向を示すように構成されていてもよい。図２と図３に示したとおり、固定領域１３０と自由領域１３２の各々が、矢印１２１と矢印１３３により示されるような垂直な磁気配向を示していてもよい。固定領域１３０の磁気配向は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用中および動作中を通してずっと、本質的に同じ方向――例えば、矢印１２１により示される方向――に向いたままであってもよい。他方、自由領域１３２の磁気配向は、セルの使用中および動作中の間に、矢印１３３により示されるとおり、平行な配置と反平行な配置との間で反転され得る。
一対の電極の間に配置された本開示の磁気セル構造体を含むメモリセルを、少なくとも一つ、半導体デバイスが含んでいてもよい。
したがって、半導体デバイスが開示されている。半導体デバイスは、基板の上にある電極の上にある、少なくとも一つの磁気セル構造体を含み、その少なくとも一つの磁気セル構造体は、基板上の電極の上にあってタンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料と、シード材料の上にある磁性領域と、磁性領域の上にある絶縁材料と、絶縁材料の上にある別の磁性領域と、別の磁性領域の上にある別の電極とを含む。
図４Ａから図４Ｄを参照すると、図２の磁気セル構造体１００を形成する方法が示されている。その方法は、基板２０２の上に磁気セル構造体２００を形成することを含んでいてもよい。下側電極材料２０４を基板２０２の上に形成してもよい。下側電極材料２０４は、下側電極１０４を参照して上述した材料のうちのいずれを含んでいてもよい。
随意で、中間領域材料２０６を下側電極材料２０４の上に形成してもよい。下側中間領域材料２０６は、下側中間領域１０６を参照して上述した材料のうちのいずれから形成されていてもよい。ある実施形態では、下側中間領域材料２０６が、下側電極材料２０４の導電性材料と一体化されていてもよい。例えば、下側中間領域材料２０６が下側電極材料２０４の一番上の部分領域であってもよい。
下側電極材料２０４の上に、または、下側中間領域材料２０６がもしあればその上に、非晶質材料２０８を形成してもよい。非晶質材料２０８は、非晶質材料１０８を参照して上述したのと同じ材料を含んでいてもよい。非晶質材料２０８の上部を酸化するために、非晶質材料２０８を酸化状態にさらしてもよい。非限定的な例として、約２０℃から約５０℃までの温度で、約１分から約３０分にわたり、非晶質材料２０８を酸化性雰囲気にさらしてもよい。
図４Ｂを参照すると、非晶質材料２０８がもしあればその上に、または、下側中間領域材料２０６がもしあればその上に、または、下側電極材料２０４の上に、シード材料２１０を形成してもよい。図１Ａを参照して上述したようにして、シード材料２１０を形成してもよい。例えば、タンタル材料２１２を非晶質材料２０８の上に形成してもよい。白金材料２１４をタンタル材料２１２の上に形成してもよく、ルテニウム材料２１６を白金材料２１４の上に形成してもよい。タンタル材料２１２とルテニウム材料２１６とのまさに間に、白金材料２１４を形成してもよい。マグネトロン・スパッタリング（例えば、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、ＤＣマグネトロン・スパッタリングなど）、イオンビーム・スパッタリング、または他のＰＶＤ方法などのスパッタ蒸着により、タンタル材料２１２と白金材料２１４とルテニウム材料２１６の各々を形成してもよい。シード材料１１０も、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、または他の薄膜蒸着プロセスのうち少なくとも一つにより、形成され得る。タンタル材料２１２と白金材料２１４とルテニウム材料２１６の各々を、シード材料１１０を参照して上述した厚さに形成してもよい。
図４Ｃを参照すると、シード材料２１０の上に固定領域材料２３０を形成してもよい。固定領域材料２３０は、シード材料２１０の上の人工超格子構造材料２２０と、人工超格子材料２２０の上の結合材料２２２と、結合材料２２２の上の別の人工超格子材料２２４と、別の人工超格子材料２２４の上のキャッピング材料２２６とを含んでいてもよい。固定領域材料２３０は、固定された磁気配向を含んでいてもよく、これは矢印２２１により示されている。
シード材料２１０のうちのルテニウム材料２１６のすぐ上に、人工超格子構造材料２２０を形成してもよい。図１Ｂの人工超格子構造１２０を参照して上述したような、磁性材料１１７と導電性材料１１９の交互になっている部分から、人工超格子構造材料２２０を形成してもよい。
人工超格子構造材料２２０の上に結合材料２２２を形成してもよい。人工超格子構造材料２２０と別の人工超格子構造材料２２４との間に、結合材料２２２を形成してもよい。結合材料１２２を参照して上述したのと同じ材料で、結合材料２２２を形成してもよい。ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、または他の薄膜蒸着プロセスのうち少なくとも一つにより、結合材料２２２を形成してもよい。
結合材料２２２のすぐ上に、別の人工超格子材料２２４を形成してもよい。人工超格子材料２２０と同じ方法で、人工超格子材料２２０と同じ材料から、別の人工超格子材料２２４を形成してもよい。
別の人工超格子材料２２４のすぐ上に、キャッピング材料２２６を形成してもよい。ＣｏＦｅＢなどの磁性材料で、キャッピング材料２２６を形成してもよい。約５Åから約１０Åまで、または約１０Åから約１５Åまでといった、約５Åから約１５Åまでの厚さに、キャッピング材料２２６を形成してもよい。ある実施形態では、キャッピング材料２２６を約１０Åの厚さに形成する。
図４Ｄを参照すると、キャッピング材料２２６の上に、絶縁材料２２８を形成してもよい。固定領域材料２３０のキャッピング材料２２６と、自由領域材料２３２との間に、絶縁材料２２８を形成してもよい。絶縁領域１２８を参照して上述したのと同じ材料から、絶縁材料２２８を形成してもよい。ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、ＰＶＤ、または他の薄膜蒸着プロセスのうち少なくとも一つにより、絶縁材料２２８を形成してもよい。
絶縁材料２２８のすぐ上に、自由領域材料２３２を形成してもよい。固定領域材料２３０の人工超格子材料２２０および別の人工超格子材料２２４と同じ材料から、かつ、これらと類似の方法により、自由領域材料２３２を形成してもよい。自由領域材料２３２は、矢印２３３により示されている反転可能な磁気配向を示す磁性材料を含んでいてもよい。
随意で、自由領域材料２３２の上に上側中間領域材料２３４を形成してもよく、上側中間領域材料２３４は、下側中間領域材料２０６と同じ材料を含んでいてもよい。このように、磁気セル・コア２０１は、下側中間領域材料２０６、非晶質材料２０８、シード材料２１０、固定領域材料２３０、絶縁材料２２８、自由領域材料２３２、および上側中間領域材料２３４を含んでいてもよい。
上側中間領域材料２３４がもしあればその上に、または、自由領域材料２３２の上に、上側電極材料２３６を形成してもよい。上側電極材料２３６は、上側電極１３６を参照して上述したのと同じ材料を含んでいてもよい。
図２に示したような磁気セル構造体１００（図２）を形成するように、磁気セル構造体２００を加工してもよい。本明細書には詳しく記述されていない、従来の、フォトリソグラフィ、材料除去、エッチング、または他のプロセスによって、磁気セル構造体２００を加工してもよい。
磁気セル構造体１００の異なる部分を結晶化させるために、シード材料２１０、および、磁気セル構造体１００または磁気セル構造体２００を、焼きなまし状態にさらしてもよい。例えば、磁気セル構造体１００を、約３００℃から約５００℃まで（例えば約４００℃）の温度にさらしてもよく、約１分（約１ｍｉｎ．）から約１時間（約１ｈｒ．）にわたって焼きなまし温度のままに保っておいてもよい。ある実施形態では、磁気セル構造体１００を、約１時間にわたり約３００℃で焼きなます。磁気セル構造体１００の材料に基づいて、焼きなましの温度と時間とを調整してもよい。ある実施形態では、段階的に磁気セル構造体１００を焼きなます。例えば、磁気セル構造体１００を、３００℃で約１時間にわたり焼きなまし、それから、約３６０℃で約１時間にわたり焼きなましてもよい。他の実施形態では、磁気セル構造体１００を、約４００℃で約１５分から約３０分にわたり焼きなます。
図４Ａから図４Ｄを参照して記述した磁気セル構造体２００は、図２の磁気セル構造体１００を形成する様子を記述しているが、類似の方法によって図３の磁気セル構造体１５０を形成してもよい。しかし、自由領域１３２はシード材料１１０の上に形成されるだろうし、絶縁材料２２８は自由領域１３２の上に形成されるだろうし、固定領域１３０は絶縁材料２２８の上に形成されるだろうし、その結果として、図３の磁気セル構造体１５０ができあがるだろう。
磁気セル構造体１００を焼きなますことで、ＰＭＡ、ならびに、人工超格子構造１２０および別の人工超格子構造１２４の結合材料１２２への結合強度を、向上させ得る。人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４とを反強磁性的に結合するように、磁気セル構造体１００を焼きなましてもよい。厚さが約４Åから約５Åまでの結合材料は、人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４との間の向上した反強磁性結合を示すこともあるし、材料同士の強磁性結合を示さないこともある。
シード材料１１０の白金部分１１４は、磁気セル構造体１００の熱安定性を向上させ得る。例えば、ある実施形態では、磁気特性を劣化させること（例えば、面内磁気双極子モーメントの形成）なしに、約４００℃までの温度またはそれを超える温度で、磁気セル構造体１００を焼きなまし得る。
図５を参照すると、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４と動作可能に接続している周辺デバイス５１２を含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム５００が図示されており、システム要件および製造技術に応じた、多数の行および列を含むグリッド・パターン状または他の様々な配置になった、メモリセルのアレイを形成するように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４の集まりが製造されていてもよい。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４は、磁気セル・コア５０２と、アクセス・トランジスタ５０３と、データ／センス線５０４（例えばビット線）として機能し得る導電性材料と、アクセス線５０５（例えばワード線）として機能し得る導電性材料と、ソース線５０６として機能し得る導電性材料とを含んでいてもよい。ＳＴＴ−ＭＲＡＭシステムの周辺デバイス５１２は、読み書き回路５０７と、ビット線基準５０８と、センスアンプ５０９とを含んでいてもよい。磁気セル・コア５０２は、上述した磁気セル・コア１０１、１０１′のうちのいずれか一つであってもよい。
メモリセルのアレイは、基板の上にアレイ状に配置された、複数の磁気セル構造体１００、１５０を含む。磁気セル構造体１００、１５０は、それぞれ磁気セル・コア１０１、１０１′を含んでいてもよく、その磁石セル・コア１０１、１０１′は、上記の方法により形成されたものであってもよい。メモリセルのアレイは、グリッド・パターンに配置された複数のメモリセル構造体を含んでいてもよい。メモリセルのアレイの各メモリセルは、クロスポイント型のメモリセルのアレイにおけるのと同様に、下側電極１０４と上側電極１３６との間に配置されていてもよい。
したがって、半導体デバイスが開示されている。その半導体デバイスは、スピン・トルク・トランスファ磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルのアレイを含み、ここで各ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、基板上の第１の電極の上にあるシード材料――なお、そのシード材料は、タンタルと白金とルテニウムとを含む――と、シード材料の上にある磁性領域と、磁性領域の上にある絶縁材料と、絶縁材料の上にある別の磁性領域とを含み、また、半導体デバイスは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのそれぞれの上にある第２の電極を含む。
したがって、半導体デバイスを形成する方法が開示されている。その方法は、基板上の電極の上に磁気セル構造体のアレイを形成すること――なお、磁気セル構造体のアレイを形成することは、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料を基板上の電極の上に形成することと、シード材料の上に磁性材料を形成することと、磁性材料の上に絶縁材料を形成することと、絶縁材料の上に別の磁性材料を形成することとを含む――を含み、前記方法は、アレイの磁気セル構造体それぞれの前記別の磁性領域の上に別の電極を形成することを、さらに含む。
使用中および動作中のとき、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４がプログラムされるべく選択されると、プログラミング電流がＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４に印加され、その電流は、磁気セル・コア５０２の固定領域によりスピン分極されて、セル・コア５０２の自由領域にトルクをかけ、すると、そのことが、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４「に書き込む」かまたはＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４「をプログラムする」よう自由領域の磁化を反転させる。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４の読み出し動作では、磁気セル・コア５０２の抵抗状態を検出するために電流が使われる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４のプログラミングを開始するために、読み書き回路５０７が、データ／センス線５０４およびソース線５０６に対する書き込み電流（つまりプログラミング電流）を生成してもよい。データ／センス線５０４とソース線５０６との間の電圧の極性が、磁気セル・コア５０２内の自由領域の磁気配向の反転を定める。スピン極性を使って自由領域の磁気配向を変化させることによって、プログラミング電流のスピン極性にしたがって自由領域が磁化され、プログラムされた論理状態がＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４に書き込まれる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４を読み出すには、セル・コア５０２とアクセス・トランジスタ５０３とを通る、データ／センス線５０４とソース線５０６に対しての読み出し電圧を、読み書き回路５０７が生成する。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル５１４のプログラムされた状態は、セル・コア５０２両端の電気抵抗に関連しており、これは、データ／センス線５０４とソース線５０６との間の電圧差によって特定され得る。ある実施形態では、電圧差が、ビット線基準５０８と比較されてセンスアンプ５０９によって増幅されてもよい。
図５は、少なくとも一つのメモリセルを含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム５００の一例を示している。しかし、磁気セル・コア１０１、１０１′は、磁性領域を有する磁気セル・コアを組み込むように構成された任意のＳＴＴ−ＭＲＡＭシステムに組み込まれてもよいし、そこで利用されてもよい、と考えられる。また、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルだけでない他の磁気メモリセルにおいて、磁気セル・コア１０１、１０１′を利用してもよい、ということも考えられる。
［例］
［例１］
図６は、（例えば、タンタルとルテニウムのみを含む）従来のシード材料を含む磁気構造体と比べた、白金含有シード材料を含む磁気構造体の異方性磁界（つまり、Ｈｋ）のグラフ的表現である。コバルトと白金の交互になっている領域を含む磁気構造体を、白金含有シード材料と従来のシード材料のそれぞれの上に形成した。白金含有シード材料は、基板の上の約３０Åのタンタルと、タンタルの上の約５０Åの白金と、白金の上の約５０Åのルテニウムとを含んでいた。従来のシード材料は、基板の上の約３０Åのタンタルと、タンタルのすぐ上の約５０Åのルテニウムとを含んでいた。白金含有シード材料を含む磁気構造体の異方性磁界は、従来のシード材料を含む磁気構造体の異方性よりも、約２５パーセント（２５％）大きかった。例えば、面内ループ評価は、従来のシード材料を使った磁気構造体の約１２，０００ Ｏｅに比べて、白金含有シード材料を含む磁気構造体に対しては、約１５，０００ ＯｅというＨｋ値（ＭＡ強度の指標）を示した。面内ループ評価は、白金含有シード材料を含む磁気構造体について、改善したＰＭＡを示した。また、白金を含むシード材料を含む磁気構造体は、従来のシード材料の上に形成された磁気構造体よりも、磁気配向の変化を起こしにくかった。
［例２］
図７は、従来のシード材料を含む磁気セル構造体の磁気特性を、白金含有シード材料を含む磁気セル構造体の磁気特性と比較する、面外ループである。図２の磁気セル構造体１００と類似の磁気セル構造体を、白金含有シード材料の上と従来のシード材料の上に形成した。白金含有シード材料は、基板の上の約３０Åのタンタルと、タンタルの上の約５０Åの白金と、白金の上の約５０Åのルテニウムとを含んでいた。従来のシード材料は、基板の上のタンタルと、タンタルの上のルテニウムとを含んでいた。磁気セル構造体の各々を、約１時間にわたり約３００℃の焼きなまし状態にさらした。白金含有シード材料を含む磁気セル構造体は、従来のシード材料を含む磁気セル構造体と比べて、改善した交換結合を示した。従来のシード材料を使った磁気セル構造体が、固定領域の上側の人工超格子構造と下側の人工超格子構造との間（例えば、人工超格子構造１２０と別の人工超格子構造１２４との間）での、約７，７５０ Ｏｅという交換結合強度を示したのに対して、白金含有シード材料を使った磁気セル構造体は、固定領域の上側人工超格子構造（例えば、別の人工超格子構造１２４）についての、約８，２５５ Ｏｅという交換結合磁場を示した。このように、白金含有シード材料を含む磁気セル構造体は、他の磁気セル構造体と比べて、約７パーセント（７％）の面外磁界の増加（例えばＰＭＡの増加）を示した。
図８Ａを参照すると、約３６０℃での約１時間にわたる焼きなましにもう一度磁気セル構造体をさらした後での、図７を参照して説明した磁気セル構造体の磁気特性同士を比較する、面外ループ図が示されている。約３６０℃での追加の焼きなましの後で、白金含有シード材料を含む磁気セル構造体は、従来のシード材料を含む磁気セル構造体よりも軽度の磁気的な劣化しか示さなかった。例えば、白金含有シード材料を用いた磁気セル構造体の上側の磁性領域（例えば図２の別の人工超格子構造１２４）は、従来のシード材料を用いた磁気セル構造体よりも、改善したＰＭＡと、結合材料（例えば図２の結合材料１２２）に対するより強い結合とを示した。白金含有シード材料は、磁気セル構造体の磁気抵抗効果が焼きなましの後に減らされてしまう量を、最小化した。例えば、従来のシード材料を用いた磁気セル構造体を焼きなますことは、その構造体の磁気抵抗効果を約４６パーセント（４６％）減らしてしまうが、これに対して、白金含有シード材料を用いた磁気セル構造体を焼きなますことは、その構造体の磁気抵抗効果を約２７パーセント（２７％）減らした。
図８Ｂを参照すると、白金含有シード材料を用いた磁気セルは、最小の磁気的劣化で、改善した面外磁界（例えばＰＭＡ）を示した。例えば、白金含有シード材料を含む磁気セル構造体の面内ループは、面内磁気モーメントを示さなかった。他方、従来のシード材料を用いた磁気セル構造体は、３６０℃での焼きなましの後、磁気的劣化（例えば、減少したＰＭＡや、面内磁気モーメントの増加や、劣化した反転特性）を示した。
［例３］
図９Ａは、図７を参照して上述したような白金含有シード材料を用いた磁気セル構造体に類似した磁気セル構造体の、面外磁界を示すグラフ的表現である。図９Ａの磁気セル構造体のうちの一方における白金含有シード材料を結晶基板上に成長させ（左側目盛）、図９Ａの他方の磁気セル構造体を非晶質基板上に成長させた（右側目盛）。結晶基板上に成長させた磁気セル構造体のシード材料のタンタル部分もまた、結晶質であった。結晶質タンタルの上に形成された白金およびルテニウムは、異なる結晶方位を持った結晶粒を有する、多結晶の特徴を示した。シード材料の上に形成された人工超格子構造（例えば、固定領域のＣｏ／Ｐｔ人工超格子構造）は、ＰＭＡの減少と、ルテニウム結合材料を介した人工超格子構造同士の間の弱い反強磁性結合とを示した。非晶質基板の上に形成されたタンタル部分は、非晶質だった。シード材料の白金とルテニウムの部分は、一様な結晶構造を示し、シード材料の上に形成された人工超格子構造は、強いＰＭＡと、ルテニウム結合材料への反強磁性結合とを示した。グラフに示されているとおり、非晶質基板上に成長させた磁気セル構造体は、結晶基板上に成長させた磁気セル構造体と比べて、鋭い反転特性を示した。
図９Ｂを参照すると、非晶質基板の上に成長させた磁気セル構造体と、結晶基板の上に成長させた別の磁気セル構造体との、面外磁界を示すグラフ的表現が示されている。磁気セル構造体の各々は、基板とシード材料（例えば、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料）との間に形成された、非晶質材料を含んでいた。基板の上の非晶質材料は、約１０ÅのＮｉ６０Ｃｒ４０材料だった。非晶質材料のうち、露出している部分が酸化された。磁気セル構造体の各々のシード材料のタンタル部分は非晶質であり、磁気セル構造体の各々は、高いＰＭＡと、人工超格子構造と結合材料の間の強い反強磁性結合とを示した。
図面に関連して、ある種の例示的な実施形態を記述してきたが、本開示に含まれる実施形態が、本明細書において明示的に示されて記述されたそれらの実施形態に限られるわけではないということを、当業者は認識し、かつ、よく理解するだろう。むしろ、本明細書に記述した実施形態に対する多くの追加や削除や改変が、この後に請求項に記述したもの――法的な均等物を含む――などのように、本開示に含まれる実施形態の範囲から逸脱することなく、なされ得る。さらに、開示された一つの実施形態の特徴を、開示された別の実施形態の特徴と組み合わせてもよく、これは、発明者らによって想定されているとおり、本開示の範囲内に依然として含まれる。
結合材料を上側と下側の磁性材料に結合させるための作業は、結合材料ならびに上側および下側の磁性材料を焼きなます（アニールする）ことを含む。しかし、焼きなましが、磁性材料の結晶構造を改善することがあり、磁性材料と結合材料との間の接着を改善することもあるとはいえ、焼きなましは、磁性材料の磁気特性（例えば、磁気異方性（「ＭＡ」）や垂直磁気異方性（「ＰＭＡ」））を低下させることがある。焼きなましは、結合された磁気構造体の強磁性および／または反強磁性に影響することのある、磁性材料と結合材料との間の結合の強度に、悪影響を及ぼすこともある。例えば、焼きなましは、磁性材料の結晶方位を変えることがあるし、メモリセルの読み出し動作および書き込み動作を妨げ得る面内または面外の磁気モーメントを作り出すこともある。よって、焼きなましは、磁性材料のＰＭＡを低下させることがあるし、その磁性材料を組み入れている磁気セル構造体の動作を妨げる面外磁気双極子モーメントを作り出すこともある。
ある実施形態では、シード材料１１０の形成が所望の結晶構造を示すことを可能とするように、非晶質材料１０８が調製かつ構成される。非晶質材料１０８は、磁気セル構造体１００全体を通じて、磁気セル構造体１００の各構成部分に類似の磁気配向を示させることがある。よって、磁気セル構造体１００の固定領域１３０は、非晶質材料１０８と類似の結晶方位を示すことがある。
キャッピング材料１２６が、別の人工超格子構造１２４の上にあってもよい。キャッピング材料１２６は、ＣｏＦｅＢ材料を含んでいてもよい。本明細書で使われるとおり、「ＣｏＦｅＢ材料」という用語は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびホウ素（Ｂ）を含む材料（例えばＣｏｘＦｅｙＢｚであり、ここで、ｘ＝１０から８０、かつｙ＝１０から８０、かつｚ＝０から５０である）を、意味し、かつ含む。ＣｏＦｅＢ材料は、その構成（例えば、その厚さ）によって、磁気を示すこともあるし、あるいは、示さないこともある。キャッピング材料１２６は、別の人工超格子構造１２４のすぐ上にあって、これに直接接触していてもよい。キャッピング材料１２６は、別の人工超格子構造１２４の磁性材料１１７または導電性材料１１９に接していてもよい。キャッピング材料１２６は、約５Åから約１０Åまで、または約１０Åから約１５Åまでなどといった、約５Åから約１５Åまでの厚さを有していてもよい。ある実施形態において、キャッピング材料１２６は、約１０Åの厚さを有する。
図４Ｂを参照すると、非晶質材料２０８がもしあればその上に、または、下側中間領域材料２０６がもしあればその上に、または、下側電極材料２０４の上に、シード材料２１０を形成してもよい。図１Ａを参照して上述したようにして、シード材料２１０を形成してもよい。例えば、タンタル材料２１２を非晶質材料２０８の上に形成してもよい。白金材料２１４をタンタル材料２１２の上に形成してもよく、ルテニウム材料２１６を白金材料２１４の上に形成してもよい。タンタル材料２１２とルテニウム材料２１６とのまさに間に、白金材料２１４を形成してもよい。マグネトロン・スパッタリング（例えば、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、ＤＣマグネトロン・スパッタリングなど）、イオンビーム・スパッタリング、または他のＰＶＤ方法などのスパッタ蒸着により、タンタル材料２１２と白金材料２１４とルテニウム材料２１６の各々を形成してもよい。シード材料２１０も、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、または他の薄膜蒸着プロセスのうち少なくとも一つにより、形成され得る。タンタル材料２１２と白金材料２１４とルテニウム材料２１６の各々を、シード材料１１０を参照して上述した厚さに形成してもよい。
メモリセルのアレイは、基板の上にアレイ状に配置された、複数の磁気セル構造体１００、１５０を含む。磁気セル構造体１００、１５０は、それぞれ磁気セル・コア１０１、１０１′を含んでいてもよく、その磁気セル・コア１０１、１０１′は、上記の方法により形成されたものであってもよい。メモリセルのアレイは、グリッド・パターンに配置された複数のメモリセル構造体を含んでいてもよい。メモリセルのアレイの各メモリセルは、クロスポイント型のメモリセルのアレイにおけるのと同様に、下側電極１０４と上側電極１３６との間に配置されていてもよい。

Claims (19)

  1. 基板の上の電極の上にある少なくとも一つの磁気セル構造体であって、
    前記電極の上にある、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料、
    前記シード材料の上にある磁性領域、
    前記磁性領域の上にある絶縁材料、および
    前記絶縁材料の上にある別の磁性領域、
    を含む、前記少なくとも一つの磁気セル構造体、ならびに
    前記別の磁性領域の上にある別の電極
    を含む、半導体デバイス。
  2. 前記少なくとも一つの磁気セル構造体が、磁気セル構造体のアレイを含むことを特徴とする、請求項１の半導体デバイス。
  3. 前記タンタルを含む、前記シード材料の一領域と、前記ルテニウムを含む、前記シード材料の別の領域との間に、前記シード材料の前記白金が配置されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項の半導体デバイス。
  4. 前記磁性領域が、前記シード材料の前記ルテニウムのすぐ上にあることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項の半導体デバイス。
  5. 前記磁性領域が、コバルトと白金の交互になっている部分を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項の半導体デバイス。
  6. コバルトの前記交互になっている部分が、約１．０Åから約６．０Åまでのコバルトを含むことを特徴とする、請求項５の半導体デバイス。
  7. 前記シード材料の下にある、ニッケルとコバルトとを含む非晶質領域をさらに含む、請求項１から６のいずれか１項の半導体デバイス。
  8. 前記シード材料の前記タンタルが、前記非晶質領域に接触していることを特徴とする、請求項７の半導体デバイス。
  9. コバルトと、白金とパラジウムとニッケルとイリジウムのうちの少なくとも一つとが、交互になっている部分を、前記別の磁性領域が含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項の半導体デバイス。
  10. 前記磁性領域と前記別の磁性領域が、垂直な磁気配向を示すことを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項の半導体デバイス。
  11. 前記磁性領域が、固定された磁気配向を示すことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項の半導体デバイス。
  12. 前記シード材料が、約１０Åから約１，０００Åまでの厚さを有する白金部分を含むことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項の半導体デバイス。
  13. 前記白金部分が、原子百分率で約９０パーセントから原子百分率で約１００パーセントまでの白金を含むことを特徴とする、請求項１２の半導体デバイス。
  14. 前記シード材料が、前記基板の上にあるタンタル部分と、前記タンタル部分の上にある白金部分と、前記白金部分の上にあるルテニウム部分とを含むことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項の半導体デバイス。
  15. 基板上の電極の上に、磁気セル構造体のアレイを形成することであって、
    前記電極の上に、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料を形成すること、
    前記シード材料の上に磁性材料を形成すること、
    前記磁性材料の上に絶縁材料を形成すること、および
    前記絶縁材料の上に別の磁性材料を形成すること
    を含む、前記磁気セル構造体のアレイを形成すること、ならびに
    前記アレイの前記磁気セル構造体の各々の前記別の磁性材料の上に、別の電極を形成すること
    を含む、半導体デバイスを形成する方法。
  16. 前記シード材料と前記磁性材料とを、約３６０℃の温度で約１時間にわたり焼きなますことをさらに含む、請求項１５の方法。
  17. ニッケルとクロムとを含む非晶質材料を、前記基板と前記シード材料との間に形成することをさらに含む、請求項１５または１６のいずれか１項の方法。
  18. 前記シード材料の上に磁性材料を形成することが、固定された磁気配向を示す磁性材料を前記シード材料の上に形成することを含むことを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか１項の方法。
  19. 前記電極の上に、タンタルと白金とルテニウムとを含むシード材料を形成することが、
    前記基板の上にタンタルを形成すること、
    前記タンタルの上にルテニウムを形成すること、および
    前記タンタルと前記ルテニウムとの間に白金を形成すること
    を含むことを特徴とする、請求項１５から１８のいずれか１項の方法。
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