存储器单元、制造方法、半导体装置结构及存储器系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权主张
[0002] 本申请案主张2013年3月12日申请的"存储器单元、制造方法、半导体装置 结构及存储器系统（MemoryCells,MethodsofFabrication,SemiconductorDevice Structures,andMemorySystems) "的第13/797, 185号美国专利申请案的申请日的权益。
技术领域
[0003] 本发明在各种实施例中大体上涉及存储器装置设计及制造的领域。更特定地说， 本发明涉及被特性化为自旋扭矩转移磁性随机存取存储器（STT-MRAM)单元的存储器单元 的设计及制造。
【背景技术】
[0004] 磁性随机存取存储器（MRAM)是基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。一种类 型的MRAM单元是自旋扭矩转移MRAM(STT-MRAM)单元，其包含由衬底支撑的磁性单元芯。 磁性单元芯包含其中非磁性区域在中间的至少两个磁性区域，例如，"固定区域"及"自由区 域"。固定区域包含具有固定（例如，非可切换）磁性定向的磁性材料，而自由区域包含具有 可在单元的操作期间在"平行"配置（其中固定区域的磁性定向与自由区域的磁性定向被 引导在相同方向上（例如，分别为北方与北方、东方与东方、南方与南方，或西方与西方）） 与"反平行"配置（其中固定区域的磁性定向与自由区域的磁性定向被引导在相反方向上 (例如，分别为北方与南方、东方与西方、南方与北方，或西方与东方））之间切换的磁性定 向的磁性材料。
[0005] 在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件（S卩，固定区域及自由区域）的较 低电阻。此相对低的电阻状态可被定义为MRAM单元的" 0 "状态。在反平行配置中，STT-MRAM 单元展现跨越磁阻元件（即，磁性材料的区域，例如，固定区域及自由区域）的较高电阻。此 相对高的电阻状态可被定义为MRAM单元的"1"状态。自由区域的磁性定向及跨越磁阻元 件的所得高或低电阻状态的切换实现常规MRAM单元的写入及读取操作。理想地，将自由区 域从平行配置切换到反平行配置所需要的编程电流的量基本上与从反平行配置切换到平 行配置所需要的编程电流的量相同。用于切换的此类相等编程电流在本文中被称为"对称 切换"。
[0006]STT-MRAM单元的自由区域及固定区域可展现关于所述区域的宽度水平地定向 ("平面内"）或垂直地定向（"平面外"）的磁性定向。在具有垂直定向磁性区域的STT-MRAM 单元中，展现垂直磁性定向的磁性材料的特征可为磁性材料的垂直磁性各向异性（"PMA"） 的强度。所述强度（在本文中也被称为"磁性强度"或"PMA强度"）是磁性材料的电阻对 磁性定向的变更的指示。展现具有高PM强度的垂直磁性定向的磁性材料相比于展现具有 较低磁性强度的垂直磁性定向的磁性材料可较不倾于其磁性定向离开垂直定向的变更。然 而，实现高PM强度本身可能不足以进行成功的STT-MRAM单元操作。例如，低电阻-面积 (RA)、低切换电流、低切换电压及对称切换也可对STT-MRAM单元的成功操作有贡献。然而， 寻找其中在无不利地影响STT-MRAM单元的操作的其它特性（尤其是所述单元的RA)的情 况下展现高PM强度的材料及设计可呈现挑战。
【发明内容】
[0007] 本发明揭示一种存储器单元。存储器单元包括衬底上的磁性单元芯。磁性单元芯 包括氧化物区域与另一氧化物区域之间的磁性区域。磁性区域展现垂直磁性定向。磁性单 元芯还包括氧化物区域与另一氧化物区域之间的磁性界面区域。
[0008] 本发明还揭示一种包括磁性单元芯的存储器单元，磁性单元芯包括经配置以展现 可切换垂直磁性定向的自由区域及经配置以展现固定垂直磁性定向的自由区域。非磁性区 域在自由区域与固定区域之间。磁性界面区域通过自由区域及固定区域中的一者而与非磁 性区域隔开。
[0009] 本发明揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括在衬底上方形成氧化物材 料。在氧化物材料上方形成磁性材料。在磁性材料上方形成另一氧化物材料。在磁性材料 与氧化物材料及另一氧化物材料中的一者之间形成基于铁的材料。将氧化物材料、磁性材 料、另一氧化物材料及基于铁的材料图案化以形成磁性单元芯。磁性单元芯包括来自氧化 物区域的隧道结区域、来自磁性材料的自由区域及固定区域中的一者、来自基于铁的材料 的磁性界面区域及来自另一氧化物材料的氧化物顶盖区域。磁性材料展现垂直磁性定向。
[0010] 本发明还揭示一种包括自旋扭矩转移磁性随机存取存储器（STT-MRAM)阵列的半 导体装置结构。STT-MRAM阵列包括多个STT-MRAM单元。多个STT-MRAM单元中的每一者包 括单元芯，单元芯包括磁性区域与另一磁性区域之间的非磁性区域。磁性区域及另一磁性 区域中的每一者经配置以展现垂直磁性定向。单元芯还包括通过磁性区域及另一磁性区域 中的一者而与非磁性区域隔开的氧化物区域。单元芯还包括氧化物区域与非磁性区域之间 的磁性界面区域。
[0011] 本发明还揭示一种自旋扭矩转移磁性随机存取存储器（STT-MRAM)系统。 STT-MRAM系统包括磁性单元芯及与磁性单元芯进行可操作通信的多种导电材料。磁性单元 芯包括磁性区域上或磁性区域中的磁性界面区域。磁性区域经配置以展现垂直磁性定向。 磁性单元芯还包括与磁性界面区域隔开的氧化物区域。
【附图说明】
[0012] 图1是包含直接安置在自由区域与磁性隧道结区域之间的磁性界面区域的 STT-MRAM单元的磁性单元芯的横截面正视示意图。
[0013] 图2是包含直接安置在自由区域与氧化物顶盖区域之间的磁性界面区域的 STT-MRAM单元的磁性单元芯的横截面正视示意图。
[0014] 图3是包含直接安置在自由区域的磁性子区域与氧化物顶盖区域之间的磁性界 面区域的STT-MRAM单元的磁性单元芯的横截面正视示意图。
[0015] 图4是包含安置在自由区域中的磁性界面区域的STT-MRAM单元的磁性单元芯的 横截面正视示意图。
[0016] 图5是包含两个磁性界面区域的STT-MRAM单元的磁性单元芯的横截面正视示意 图，其中一者直接安置在自由区域与氧化物顶盖区域之间且另一者直接安置在自由区域与 磁性隧道结区域之间。
[0017] 图6是包含四个磁性界面区域的STT-MRAM单元的磁性单元芯的横截面正视示意 图，其中一对安置在自由区域的顶部上及底部上且另一对安置在固定区域的顶部上及底部 上。
[0018] 图7是包含自由区域内的一个磁性界面区域及固定区域的顶部上的另一磁性界 面区域的STT-MRAM单元的磁性单元芯的横截面正视示意图。
[0019]图8是根据本发明的实施例的具有存储器单元的STT-MRAM系统的示意图。
[0020] 图9是包含本发明的实施例的存储器单元的半导体装置结构的简化框图。
[0021] 图10是根据本发明的一或多个实施例实施的系统的简化框图。
[0022] 图11是显示并有磁性界面区域的磁性单元芯与缺少磁性界面区域的磁性单元芯 相比较的PM强度测量的曲线图。
【具体实施方式】
[0023]本发明揭示存储器单元、包含此类存储器单元的半导体装置结构、存储器系统及 形成此类存储器单元的方法。存储器单元包含展现垂直磁性定向的磁性区域，例如自由 区域或固定区域。存储器单元还包含至少一个氧化物区域，例如基于氧化物的磁性隧道结 ("MTJ"）区域及氧化物顶盖区域中的一或多者。直接或间接安置在磁性区域与氧化物区 域之间的是磁性界面区域，磁性界面区域经配置以与缺少磁性界面区域的存储器单元相比 较增加存储器单元的PM强度，但无显著不利地影响存储器单元的其它特性，例如存储器 单元的电阻-面积。例如，即使在增强的PM强度（例如，单轴各向异性磁场（Hk)超过约 4,0000e(奥斯特）（约318. 3kA/m))的情况下仍可维持低RA(例如，小于约20Q?ym2(欧 姆X平方微米））。因此，磁性界面区域可增强适应高数据保持时间及低功率操作的磁性存 储器单元结构中的磁性区域（例如，自由区域或固定区域）的操作性能。
[0024] 如本文中所使用，术语"衬底"意谓且包含基底材料或其上形成例如存储器单元中 的组件的组件的其它构造。衬底可为半导体衬底、支撑结构上的基底半导体材料、金属电 极，或其上形成有一或多种材料、结构或区域的半导体衬底。衬底可为常规硅衬底或包含半 导电材料的其它块体衬底。如本文中所使用，术语"块体衬底"意谓且不仅包含硅晶片，而且 还包含绝缘体上硅（"SOI"）衬底（例如，蓝宝石上硅（"S0S"）衬底或玻璃上硅（"S0G"） 衬底）、基底半导体基座上的硅的外延层，或其它半导体或光电材料（例如，硅锗（SilxGex, 其中X是（例如）0. 2与0. 8之间的摩尔分数）、锗（Ge)、砷化镓（GaAs)、氮化镓（GaN)，或 磷化铟（InP)等）。此外，当下文描述中提及"衬底"时，可能已利用先前工艺阶段在基底半 导体结构或基座中形成材料、区域或结。
[0025] 如本文中所使用，术语"STT-MRAM单元"意谓且包含磁性单元结构，所述磁性单元 结构包含安置在自由区域与固定区域之间的非磁性区域。非磁性区域可为呈磁性隧道结 ("MTJ"）配置的电绝缘（例如，电介质）区域。或者，非磁性区域可为呈自旋阀配置的导 电区域。
[0026] 如本文中所使用，术语"单元芯"意谓且包含存储器单元结构，所述存储器单元结 构包括自由区域及固定区域，且在存储器单元的使用及操作期间，电流通过自由区域及固 定区域以影响自由区域内的平行或反平行磁性定向。
[0027] 如本文中所使用，术语"垂直"意谓且包含垂直于相应区域的宽度及长度的方向。 "垂直"还可意谓且包含垂直于STT-MRAM单元位于其上的衬底的主要表面的方向。
[0028] 如本文中所使用，术语"水平"意谓且包含平行于相应区域的宽度及长度中的至少 一者的方向。"水平"还可意谓且包含平行于STT-MRAM单元位于其上的衬底的主要表面的 方向。
[0029] 如本文中所使用，术语"磁性材料"意谓且包含铁磁性材料、亚铁磁性材料