存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统的制作方法
【专利说明】存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统
[0001]优先权主张
[0002]本申请案主张2013年7月1日申请的“存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统(MEMORY CELLS, METHODS OF OPERAT1N ANDFABRICAT1N, SEMICONDUCTOR DEVICE STRUCTURES, AND MEMORY SYSTEMS)，，的第13/932，497号美国专利申请案的申请日的权利。
技术领域
[0003]在各种实施例中，本发明整体而言涉及存储器装置设计及制造的领域。更特定来说，本发明涉及特性化为自旋力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)为基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。MRAM单元的一种类型为包含通过衬底支撑的磁性单元核心的自旋力矩转移MRAM(STT-MRAM)单元。所述磁性单元核心包含至少两个磁性区域(例如，“固定区域”及“自由区域”)，在所述两个磁性区域之间具有非磁性区域。STT-MRAM单元的自由区域及固定区域可展现相对于所述区域的宽度水平定向(“平面内”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。
[0005]固定区域包含具有实质上固定(例如，不可切换)磁性定向的磁性材料。另一方面，自由区域包含具有可在单元的操作期间于“平行”配置与“反平行”配置之间切换的磁性定向的磁性材料。在平行配置中，固定区域及自由区域的磁性定向为在相同方向(例如，分别为北及北、东及东、南及南或西及西)上引导。在“反平行”配置中，固定区域及自由区域的磁性定向为在相反方向(例如，分别为北及南、东及西、南及北或西及东)上引导。
[0006]在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件(即，固定区域及自由区域)的较低电阻。低电阻的此状态可定义为MRAM单元的“0”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件(即，磁性材料的区域，例如，固定区域及自由区域)的较高电阻。高电阻的此状态可定义为STT-MRAM单元的“ 1 ”逻辑状态。
[0007]可通过使编程电流通过磁性单元核心及其中的固定区域及自由区域来完成所述自由区域的磁性定向的切换。磁性单元核心内的固定区域使编程电流的电子自旋极化，且在所述经自旋极化的电流通过所述核心时产生力矩。所述经自旋极化的电子电流通过对自由区域施加力矩而与所述自由区域交互。当通过核心的经自旋极化电子电流的力矩大于自由区域的临界切换电流密度(J。)时，通过所述经自旋极化的电子电流施加的力矩足以切换自由区域的磁性定向的方向。因此，编程电流可用于改变跨磁性区域的电阻。跨磁阻元件的所得高或低电阻状态实现常规MRAM单元的写入及读取操作。在切换自由区域的磁性定向以实现与所要逻辑状态相关联的平行配置及反平行配置中的一者之后，通常期望在“存储”阶段期间维持自由区域的磁性定向直到将MRAM单元重写到不同配置(即，不同逻辑状态)。
[0008]磁性区域的磁各向异性(“MA”)为其磁性定向的强度的指示，且因此为改变所述磁性定向的磁性材料的电阻的指示。与展现具有较低MA强度的磁性定向的磁性材料相比，展现具有高MA强度的磁性定向的磁性材料可较少倾向于使其磁性定向从所述定向改变。
[0009]使自由区域从平行配置切换到反平行配置所需的编程电流的量受磁性区域的MA强度影响。具有较强(即，较高)MA强度的自由区域可比具有较弱(S卩，较低)MA强度的自由区域需要更大量的编程电流来切换其磁性定向。然而，在存储期间具有弱MA强度的自由区域通常也较不稳定。即，具有弱MA强度的自由区域倾向于从其经编程配置(即，经编程的平行或反平行配置)过早改变，尤其在MRAM单元的固定区域具有强MA强度时。因此，形成具有自由区域及固定区域(所述区域具有能够在不使MRAM单元存储经编程逻辑状态的能力劣化的情况下使用最小化的编程电流进行切换而不出现故障(即，无过早切换自由区域的磁性定向)的MA强度)的MRAM单元通常为挑战。
【发明内容】
[0010]本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括磁性区域及应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换所述磁性区域的磁性定向期间所述应力源结构经受通过所述磁性单元核心的编程电流时施加应力于所述磁性区域上且改变所述磁性区域的磁各向异性。
[0011]本发明还揭示一种操作自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的方法。所述方法包括改变跨所述STT-MRAM单元的磁性单元核心的磁性区域及另一磁性区域的电阻以编程所述STT-MRAM单元的逻辑状态。改变所述电阻包括使电流通过所述磁性单元核心以切换所述磁性区域的可切换磁性定向。改变所述电阻还包括:至少部分响应于使所述电流通过，改变接近于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的应力源结构的至少一个尺寸以施加应力于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者上且改变所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的磁各向异性。
[0012]本发明还揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括于衬底上方形成磁性材料。非磁性材料形成于所述磁性材料上方。另一磁性材料形成于所述非磁性材料上方。应力源材料经形成而接近于所述磁性材料及所述另一磁性材料中的至少一者。所述应力源材料具有不同于所述磁性材料及所述另一磁性材料中的最近者的热膨胀系数的热膨胀系数。
[0013]本发明还揭示一种半导体装置。所述半导体装置包括自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列(所述阵列包括STT-MRAM单元)。所述STT-MRAM单元的STT-MRAM单元包括磁性单元核心。所述磁性单元核心包括介于磁性区域与另一磁性区域之间的非磁性区域。所述磁性单元核心还包括接近于所述磁性区域的应力源结构。所述应力源结构具有不同于所述磁性区域的热膨胀系数。所述应力源结构经配置以在所述STT-MRAM单元的切换期间经受编程电流时改变至少一个尺寸且施加应力于所述磁性区域上以改变所述磁性区域的磁各向异性。
[0014]本发明还揭示一种自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)系统。所述STT-MRAM系统包括磁性单元核心及与所述磁性单元核心可操作连通的导电材料。所述磁性单元核心包括接近于磁性区域的应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换期间响应于通过所述磁性单元核心中的所述应力源结构的电流改变大小且施加应力于所述磁性区域上，以改变跨所述磁性区域的电阻。
【附图说明】
[0015]图1为平面外STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
[0016]图2A为在存储配置中的图1的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
[0017]图2B为在切换配置中的图2A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的应力源结构。
[0018]图2C为在切换配置中的图2A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的应力源结构。
[0019]图3A为在存储配置中的图1的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
[0020]图3B为在切换配置中的图3A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的应力源结构。
[0021]图3C为在切换配置中的图3A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的应力源结构。
[0022]图4为平面内STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
[0023]图5A为在存储配置中的图4的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
[0024]图5B为在切换配置中的图5A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的应力源结构。
[0025]图5C为在切换配置中的图5A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的应力源结构。
[0026]图6A为在存储配置中的图4的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
[0027]图6B为在切换配置中的图6A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的应力源结构。
[0028]图6C为在切换配置中的图6A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的应力源结构。
[0029]图7为平面外STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
[0030]图8A为在存储配置中的图7的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
[0031]图8B为在切换配置中的图8A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的下应力源结构。
[0032]图8C为在切换配置中的图8A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的下应力源结构。
[0033]图9A为在存储配置中的图7的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
[0034]图9B为在切换配置中的图9A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的下应力源结构。
[0035]图9C为在切换配置中的图9A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的下应力源结构。
[0036]图10A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面外STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域及所述固定区域由具有正磁致伸缩的磁性材料形成。
[0037]图10B为在切换配置中的图10A的磁性单元结构的横截面正视示意说明，上应力源结构经配置以在切换期间垂直膨胀且下应力源结构经配置以在切换期间垂直收缩。
[0038]图11A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面外STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域由具有正磁致伸缩的磁性材料形成且所述固定区域由具有负磁致伸缩的磁性材料形成。
[0039]图11B为在切换配置中的图11A的磁性单元结构的横截面正视示意说明，上应力源结构及下应力源结构经配置以在切换期间垂直膨胀。
[0040]图12为平面内STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
[0041]图13A为在存储配置中的图12的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
[0042]图13B为在切换配置中的图13A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的下应力源结构。
[0043]图13C为在切换配置中的图13A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的下应力源结构。
[0044]图14A为在存储配置中的图12的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
[0045]图14B为在切换配置中的图14A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的下应力源结构。
[0046]图14C为在切换配置中的图14A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的下应力源结构。
[0047]图15A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面内STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域由具有负磁致伸缩的磁性材料形成且所述固定区域由具有正磁致伸缩的磁性材料