存储器单元、制作方法、半导体装置、存储器系统及电子系统的制作方法
【专利说明】存储器单元、制作方法、半导体装置、存储器系统及电子系统
[0001 ] 优先权主张
[0002]本申请案主张2013年9月13日提出申请的序列号为14/026,627的美国专利申请案“存储器单元、制作方法、半导体装置、存储器系统及电子系统(MEMORY CELLS,METHODS OFFABRICAT1N, SEMICONDUCTOR DEVICES ,MEMORY SYSTEMS, AND ELECTRONIC SYSTEMS)” 的申请日期的权益。
技术领域
[0003]在各种实施例中，本发明一般来说涉及存储器装置设计及制作的领域。更特定来说，本发明涉及表征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作。
【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。一种类型的MRAM单元为包含由衬底支撑的磁性单元芯的自旋扭矩转移MRAM(STT-MRAM)单元。磁性单元芯包含至少两个磁性区域，举例来说，“固定区域”及“自由区域”以及其之间的非磁性区域(例如，配置为隧穿势皇区域的氧化物区域)。自由区域及固定区域可展现随着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。固定区域包含具有大致固定(例如，非可切换)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在“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是沿相同方向引导(例如，分别为北与北、东与东、南与南或西与西)。在“反平行”配置中，固定区域及自由区域的磁性定向是沿相反方向引导(例如，分别为北与南、东与西、南与北或西与东)。在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件(例如，固定区域及自由区域)的较低电阻。此低电阻状态可定义为MRAM单元的“O”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件的较高电阻。此高电阻状态可定义为STT-MRAM单元的“I”逻辑状态。
[0005]切换自由区域的磁性定向可通过将编程电流传递穿过磁性单元芯及其中的固定区域及自由区域而完成。固定区域极化编程电流的电子自旋，且扭矩形成为通过芯的自旋极化电流。自旋极化电子电流将扭矩施加于自由区域上。在通过芯的自旋极化电子电流的扭矩大于自由区域的临界切换电流密度(Jc)时，自由区域的磁性定向的方向得以切换。因此，编程电流可用于更改跨越磁性区域的电阻。跨越磁阻元件的所得高或低电阻状态实现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(S卩，到不同逻辑状态)为止。
[0006]除自由区域与固定区域之间的氧化物区域(“中间氧化物区域”)以外，一些STT-MRAM单元还包含另一氧化物区域。自由区域可在中间氧化物区域与另一氧化物区域之间。自由区域暴露于两个氧化物区域可增加自由区域的磁各向异性(“MA”)强度。举例来说，氧化物区域可经配置以诱发与(例如)自由区域的相邻材料的表面/界面MAIA为磁性材料的磁性性质的方向相依性的指示。因此，MA也为材料的磁性定向及更改磁性定向的其电阻的强度的指示。展现具有高MA强度的磁性定向的磁性材料可比展现具有较低MA强度的磁性定向的磁性材料较不易受其磁性定向的更改。因此，具有高MA强度的自由区域在存储期间可比具有低MA强度的自由区域更稳定。
[0007]虽然双氧化物区域与仅邻近于一个氧化物区域(S卩，中间氧化物区域)的自由区域相比可增加自由区域的MA强度，但磁性单元芯中的氧化物材料的所添加量可增加芯的电阻(例如，串联电阻)，与仅包括一个氧化物区域(即，中间氧化物区域)的单元芯相比，此降低了单元的有效磁阻(例如，隧穿磁阻)。增加的电阻也增加单元的电阻面积(“RA”)且可增加在编程期间用于切换自由区域的磁性定向所需要的电压。降低的有效磁阻可使单元的性能降级，正如增加的RA及编程电压可使单元性能降级一样。因此，形成出于高MA强度具有围绕自由区域的双氧化物区域而不使例如磁阻(例如，隧穿磁阻)、RA及编程电压的其它性质降级的STT-MRAM单元已呈现挑战。
【发明内容】
[0008]揭示存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元芯。所述磁性单元芯包括:磁性区域，其展现可切换磁性定向；另一磁性区域，其展现固定磁性定向；及中间氧化物区域，其在所述磁性区域与所述另一磁性区域之间。另一氧化物区域通过所述磁性区域与所述中间氧化物区域间隔开且具有比所述中间氧化物区域低的电阻。吸气剂区域接近于所述另一氧化物区域且包括氧及金属。
[0009]还揭示一种形成磁性存储器单元的方法。所述方法包括在中间氧化物区域与另一氧化物区域之间形成自由区域。接近于所述另一氧化物区域形成吸气剂材料。将氧从所述另一氧化物区域转移到所述吸气剂材料以降低所述另一氧化物区域的电阻。
[0010]还揭示自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)系统。所述STT-MRAM系统包括STT-MRAM单元。所述STT-MRAM单元中的至少一个STT-MRAM单元包括一对磁性区域及一对氧化物区域。所述对磁性区域包括展现可切换磁性定向的磁性区域及展现固定磁性定向的另一磁性区域。所述对氧化物区域包括中间氧化物区域及另一氧化物区域。所述中间氧化物区域在所述磁性区域与所述另一磁性区域之间。所述另一氧化物区域邻近和所述中间氧化物区域与所述磁性区域之间的界面相对的磁性区域的表面。所述另一氧化物区域具有比所述中间氧化物区域低的电阻。吸气剂区域接近于所述另一氧化物区域且包括金属及氧。至少一个外围装置与所述至少一个STT-MRAM单元以可操作方式通信。存取晶体管、位线、字线及源极线中的至少一者与所述至少一个STT-MRAM单元以可操作方式通信。
[0011]还揭示半导体装置。所述半导体装置包括自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列，所述STT-MRAM阵列包括STT-MRAM单元。所述STT-MRAM单元中的至少一个STT-MRAM单元包括自由区域与固定区域之间的中间氧化物区域。另一氧化物区域邻近所述自由区域且与所述中间氧化物区域间隔开。所述另一氧化物区域具有比所述中间氧化物区域低的电阻。吸气剂区域接近所述另一氧化物区域且包括金属，所述金属具有比所述另一氧化物区域的氧化物的生成热大不到1 %的金属氧化物生成热。
[0012]还揭示包括至少一个处理器的电子系统。所述至少一个处理器包括至少一个磁性存储器单元。所述至少一个磁性存储器单元包括展现固定磁性定向的固定区域、邻近于所述固定区域的中间氧化物区域及邻近于所述中间氧化物区域的自由区域。所述自由区域展现可切换磁性定向。另一氧化物区域邻近于所述自由区域，且吸气剂材料接近于所述另一氧化物区域。所述吸气剂材料包括金属及氧。所述金属的金属氧化物具有比所述另一氧化物区域的氧化物的生成热大不到约10%的生成热。电力供应器与所述至少一个处理器以可操作方式通信。
【附图说明】
[0013]图1是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面立面示意性图解说明，其中吸气剂区域邻近于基底氧化物区域。
[0014]图1A是根据本发明的实施例的图1的方框AB的放大视图，其中图1的磁性单元结构的自由区域及固定区域展现垂直磁性定向。
[0015]图1B是根据本发明的实施例的图1的方框AB的放大视图，其中图1的磁性单元结构的自由区域及固定区域展现水平磁性定向。
[0016]图2是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面立面示意性图解说明，其中吸气剂区域是在基底氧化物区域内。
[0017]图3是在处理阶段期间、在将氧从氧化物区域转移到接近吸气剂区域之前的磁性单元结构的部分横截面立面示意性图解说明。
[0018]图4是在图3的处理阶段之后且在将氧从氧化物区域转移到接近吸气剂区域之后的处理阶段期间的磁性单元结构的部分横截面立面示意性图解说明。
[0019]图5是根据本发明的实施例的磁性单元结构的横截面立面示意性图解说明，其中吸气剂区域邻近在自由区域上面的帽盖氧化物区域且在所述帽盖氧化物区域上面。
[0020]图6是根据本发明的实施例的磁性单元结构的部分横截面立面示意性图解说明，其中吸气剂区域间接邻近于基底氧化物区域。
[0021]图7是根据本发明的实施例的磁性单元结构的部分横截面立面示意性图解说明，其中吸气剂区域横向地环绕基底氧化物区域。
[0022]图8是沿着线8—8截取的图7的结构的平面图。
[0023]图9是根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的STT-MRAM系统的示意图。
[0024]图10是根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的半导体装置结构的简化框图。
[0025]图11是根据本发明的一个或多个实施例实施的系统的简化框图。
【具体实施方式】
[0026]揭示了存储器单元、形成存储器单元的方法、半导体装置、存储器系统及电子系统。存储器单元包含两个氧化物区域之间的由磁性材料形成的磁性区域(例如，自由区域)，所述两个氧化物区域均可为磁各向异性(“MA”)诱发区域。(例如)定位于自由区域与另一磁性区域(例如，固定区域)之间且在本文中称作“中间氧化物区域”的氧化物区域中的一者可经配置以用作存储器单元的隧穿势皇。在本文中称作“第二氧化物区域”的另一氧化物区域可不经配置以用作隧穿势皇。吸气剂材料接近于第二氧化物区域且经调配以从第二氧化物区域移除氧，从而减小第二氧化物区域的电阻，且因此避免了存储器单元的有效磁阻的实质降低。第二氧化物区域的电阻可小于中间氧化物区域的电阻的约50 % (例如，介于约I %与约20%之间)。在一些实施例中，作为由吸气剂材料移除氧的结果，第二氧化物区域可变得导电。因此，与缺乏接近第二氧化物区域的吸气剂材料的STT-MRAM单元相比，STT-MRAM单元的总体电阻可降低。此外，降低的电阻避免对单元的磁阻的降级；因此，与缺乏此吸气剂材料区域的STT-MRAM单元相比，具有接近第二氧化物区域的吸气剂材料的STT-MRAM单元可具有更高有效磁阻。尽管如此，吸气剂的两个氧化物区域-包含STT-MRAM单元仍可诱发与自由区域的MA。因此，MA强度可不降级，而电阻降低以实现最大隧穿磁阻、低电阻面积(“RA”)乘积及低编程电压的使用。
[0027]如本文中所使用，术语“衬底”意指并包含基底材料或其上形成有例如存储器单元内的所述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个或多个材料、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”不仅意指并包含硅晶片，而且意指并包含绝缘体上硅(“SOI”)衬底(例如蓝宝石上硅(“S0S”)衬底或玻璃上硅(“S0G”)衬底)、基底半导体基础部上的硅外延层或其它半导体或光电材料(例如硅锗(Si1-xGex，其中X为(举例来说)介于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)以及其它)。