存储器单元、制造方法、半导体装置结构及存储器系统与流程

本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2014年3月10日、申请号为201480013988.3、发明名称为“存储器单元、制造方法、半导体装置结构及存储器系统”的发明专利申请案。

优先权主张

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(Memory Cells,Methods of Fabrication,Semiconductor Device Structures,and Memory Systems)”的第13/797,185号美国专利申请案的申请日的权益。

技术领域

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：

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。

在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨越磁阻元件(即，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”。

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PMA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PMA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PMA强度的材料及设计可呈现挑战。

技术实现要素：

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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PMA强度测量的曲线图。

具体实施方式

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PMA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PMA强度(例如，单轴各向异性磁场(Hk)超过约4,000Oe(奥斯特)(约318.3kA/m))的情况下仍可维持低RA(例如，小于约20Ω·μm²(欧姆×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。

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(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)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(Si1-xGex，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。

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。

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。

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。

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。

如本文中所使用，术语“磁性材料”意谓且包含铁磁性材料、亚铁磁性材料及反铁磁性材料。

如本文中所使用，术语“基于铁的材料”意谓且包含一种包含铁的材料。例如(且不限于)，基于铁的材料包含纯铁、铁合金及包含钴及铁的材料。基于铁的材料的成分可归因于磁性存储器单元的制造期间基于铁的材料的退火而变更，但此材料在本文中仍可被称为基于铁的材料。

如本文中所使用，术语“磁性区域”意谓且包含展现磁性的区域。磁性区域包含磁性材料且还可包含一或多种非磁性材料。

如本文中所使用，术语“子区域”意谓且包含另一区域中包含的区域。因此，一个磁性区域可包含一或多个磁性子区域(即，磁性材料的子区域)及非磁性子区域(即，非磁性材料的子区域)。

如本文中所使用，术语“固定区域”意谓且包含STT-MRAM单元内的磁性区域，所述磁性区域包含磁性材料且在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有固定磁性定向，这在于实现单元芯的一个磁性区域(例如，自由区域)的磁化方向的改变的电流或外加磁场可不实现固定区域的磁化方向的改变。固定区域可包含一或多种磁性材料，且任选地包含一或多种非磁性材料。例如，固定区域可被配置为包含由磁性子区域邻接的钌(Ru)的子区域的合成反铁磁性物质(SAF)。磁性子区域中的每一者可包含一或多种材料及其中的一或多个区域。作为另一实例，固定区域可被配置为单一同质磁性材料。因此，固定区域可具有均匀磁化或在STT-MRAM单元的使用及操作期间总体实现固定区域具有固定磁性定向的不同磁化的子区域。

如本文中所使用，术语“自由区域”意谓且包含STT-MRAM单元内的磁性区域，所述磁性区域包含磁性材料且在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有可切换磁性定向。磁性定向可在“平行”方向(其中由自由区域展现的磁性定向与由固定区域展现的磁性定向被定向在相同方向上)与“反平行”方向(其中由自由区域展现的磁性定向与由固定区域展现的磁性定向被定向在彼此相反的方向上)之间切换。

如本文中所使用，术语“氧化物区域”意谓且包含STT-MRAM单元内的区域，所述区域包含氧化物材料。例如(且不限于)，氧化物区域可包含基于氧化物的MTJ区域、氧化物顶盖区域，或所述两者。

如本文中所使用，术语“在……之间”是用以描述一种材料、区域或子区域相对于至少两种其它材料、区域或子区域的相对位置的空间相对术语。术语“在……之间”可涵盖直接邻近于其它材料、区域或子区域的一种材料、区域或子区域的安置，及非直接邻近于其它材料、区域或子区域的一种材料、区域或子区域的安置两者。

如本文中所使用，元件被称为在另一元件“上”或“上方”意谓且包含元件直接在另一元件的顶部上、邻近于另一元件、在另一元件下方或与另一元件直接接触。其还包含元件间接在另一元件的顶部上、邻近于另一元件、在另一元件下方，或在另一元件附近(元件与另一元件之间存在其它元件)。与此对比，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接邻近于”另一元件时，不存在中介元件。

如本文中所使用，为便于描述而可使用例如“之下”、“下”、“下部”、“底部”、“上”、“上部”、“顶部”、“前”、“后”、“左”、“右”及类似术语的其它空间相对术语描述如图式中说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除非另有说明，否则空间相对术语打算涵盖除如图式中描绘的定向的材料的不同定向。例如，如果图式中的材料颠倒，那么被描述为其它元件或特征“下”或“之下”或“下方”或“底部上”的元件将定向为其它元件或特征“上”或“顶部上”。因此，取决于使用术语的上下文，术语“下”可涵盖上定向及下定向两者，其对所属领域的一般技术人员将是显而易见的。可以其它方式定向(旋转90度、颠倒等)材料且因此解释本文中使用的空间相对描述符。

如本文中所使用，术语“包括”(“comprises”、“comprising”)及/或“包含”(“includes”、“including”)指定所陈述的特征、区域、整数、阶段、操作、元件、材料、组件及/或群组的存在，但不排除存在或添加一或多个其它特征、区域、整数、阶段、操作、元件、材料、组件及/或其群组。

如本文中所使用，“及/或”包括所列举的相关联项中的一或多者的任何及所有组合。

如本文中所使用，除非上下文另有清楚指示，否则单数形式“一”、“一个”及“所述”也打算包含复数形式。

本文中呈现的说明不意谓任何特定组件、结构、装置或系统的实际视图，而仅仅是经采用以描述本发明的实施例的理想化表示。

本文中参考是示意图的横截面图描述实施例。因此，可预期(例如)由制造技术及/或容差引起的说明的形状的变化。因此，本文中描述的实施例不应被解释为限于如所说明的特定形状或区域，而是包含(例如)由制造引起的形状的偏差。例如，被说明或描述为盒状的区域可具有粗略及/或非线性特征。此外，所说明的尖锐角可为圆的。因此，图式中说明的材料、特征及区域本质上是示意性的，且其形状不打算说明材料、特征或区域的确切形状且不限制权利要求书的范围。

下文描述提供详细细节(例如材料类型及处理条件)以便提供所揭示装置及方法的实施例的详尽描述。然而，所属领域的一般技术人员应理解，可在不采用此类详细细节的情况下实践装置及方法的实施例。实际上，可结合工业上采用的常规半导体制造技术实践装置及方法的实施例。

本文中描述的制造工艺未形成用以处理半导体装置结构的完整工艺流程。所属领域的一般技术人员知道工艺流程的剩余部分。因此，本文中只描述理解本装置及方法的实施例所需的方法及半导体装置结构。

除非上下文另有指示，否则本文中描述的材料可通过包含(但不限于)旋涂、毯覆式涂布、化学气相沉积(“CVD”)、原子层沉积(“ALD”)、等离子增强型ALD或物理气相沉积(“PVD”)的任何合适技术而形成。或者，材料可在原地生长。取决于待形成的特定材料，可由所属领域的一般技术人员选择沉积或生长材料的技术。

除非上下文另有指示，否则本文中描述的材料的移除可通过包含(但不限于)蚀刻、离子铣、研磨平面化或其它已知方法的任何合适技术而完成。

现将参考图式，其中贯穿全文相同数字表示相同组件。图式未必按比例绘制。

本发明揭示一种存储器单元。存储器单元包含展现垂直磁性定向的至少一个磁性区域(例如，自由区域或固定区域)及氧化物区域(例如，MTJ区域或氧化物顶盖区域)，其中磁性界面区域直接或间接安置在两者之间。磁性界面区域可增强磁性存储器单元的PMA强度。磁性界面区域可安置在其相应磁性区域附近或相应磁性区域内。在一些实施例中，存储器单元可只包含一个磁性界面区域；然而，在其它实施例中，存储器单元中可包含一个以上磁性界面区域。

图1说明根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的磁性单元芯100。磁性单元芯100是由衬底102支撑。磁性单元芯100包含至少两个磁性区域(例如，“固定区域”110及“自由区域”120)，其中非磁性区域130在所述两个磁性区域之间。一或多个下部中间区域140及一或多个上部中间区域150可任选地分别安置在磁性单元芯100结构的磁性区域(固定区域110及自由区域120)下方及上方。

在一些实施例中，如图1中所说明，磁性单元芯100可包含在衬底102上形成晶种区域160的任选导电材料。晶种区域160(如果存在)或下部中间区域140(如果晶种区域160不存在)可形成于底部导电材料(未示出)上方，底部导电材料可包含(例如且无限制)铜、钨、钛，或其组合。晶种区域160(如果存在)可包含(例如且无限制)基于镍的材料且可经配置以控制上覆材料或区域的晶体结构。下部中间区域140(如果存在)可包含经配置以确保磁性单元芯100中的上覆材料的所需晶体结构的材料。

STT-MRAM单元可经配置以在磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)中的至少一者中展现垂直磁性定向。展现的垂直磁性定向的特征可为垂直磁性各向异性(“PMA”)强度。如图1中由箭头112及122所说明，在一些实施例中，固定区域110及自由区域120中的每一者可展现垂直磁性定向。固定区域110的磁性定向可贯穿STT-MRAM单元的操作保持被引导在基本上相同方向上(例如，由图1的箭头112指示的方向上)。另一方面，自由区域120的磁性定向可在单元的操作期间在“平行”配置与“反平行”配置(如由图1中的双向箭头122指示)之间切换。在平行定向中，自由区域120的磁性定向122实质上被引导在与固定区域110的磁性定向112(例如，向北)的相同方向上(例如，向北)，从而跨越磁阻性元件(即，固定区域110及自由区域120)产生较低电阻，其可被定义为STT-MRAM单元的“0”状态。在反平行配置中，自由区域120的磁性定向122实质上被引导在固定区域110的磁性定向112(例如，向北)的相反方向上(例如，向南)，从而跨越磁阻性元件(即，固定区域110及自由区域120)产生较高电阻，其可被定义为STT-MRAM单元的“1”状态。

在使用及操作中，可使编程电流通过存取晶体管(未示出)及磁性单元芯100。磁性单元芯100中的固定区域110偏振编程电流的电子自旋。经自旋偏振电子电流通过将扭矩施加在自由区域120上而与自由区域120相互作用。当通过自由区域120的经自旋偏振电子电流的扭矩大于自由区域120的临界切换电流密度(Jc)时，通过经自旋偏振电子电流施加的扭矩足以(例如)在指向北的磁性定向与指向南的定向之间切换自由区域120的磁化方向。因此，可使用编程电流使自由区域120的磁性定向122平行或反平行对准于固定区域110的磁性定向112。

自由区域120及固定区域110可由铁磁材料(例如，Co、Fe、Ni或其合金、NiFe、CoFe、CoNiFe，或经掺杂合金CoX、CoFeX、CoNiFeX(X＝B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C))或其它半金属性铁磁材料(例如(例如)，NiMnSb及PtMnSb)形成或包括铁磁材料或其它半金属性铁磁材料。在一些实施例中，(例如)自由区域120、固定区域110或所述两者可由CoxFeyBz(其中x＝10到80，y＝10到80且z＝0到50)形成。在其它实施例中，自由区域120、固定区域110或所述两者可由铁(Fe)及硼(B)形成且不包含钴(Co)。自由区域120与固定区域110的成分及结构(例如，厚度及其它物理尺寸)可相同或不同。

或者或此外，在一些实施例中，自由区域120、固定区域110或所述两者可由多种材料形成或包括多种材料，所述多种材料中的一些可为磁性材料且一些可为非磁性材料。例如，一些此类多材料自由区域、固定区域或所述两者可包含多个子区域。例如(且无限制)，自由区域120、固定区域110或所述两者可由钴及铂的重复子区域形成或包括钴及铂的重复子区域，其中铂的子区域可安置在钴的子区域之间。作为另一实例(无限制)，自由区域120、固定区域110或所述两者可包括钴及镍的重复子区域，其中镍的子区域可安置在钴的子区域之间。

安置在固定区域110与自由区域120之间的非磁性区域130可包含非磁性材料(例如，非磁性氧化物材料，例如，氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)或常规MTJ区域的其它氧化物材料)。因此，此类包含氧化物的MTJ区域在本文中可被称为“基于氧化物的MTJ区域”或“基于氧化物的非磁性区域”。非磁性区域130可包含一或多种此类非磁性材料。或者或此外，非磁性区域130可包含一或多种非磁性材料的子区域。

如图1中所说明，在一些实施例中，磁性单元芯100可包含氧化物顶盖区域170，所述氧化物顶盖区域170可包含氧化物，例如，MgO、TiO2、五氧化二钽(Ta2O5)或其组合。因此，此类包含氧化物的顶盖区域在本文中也可被称为“基于氧化物的非磁性区域”。在一些实施例中，氧化物顶盖区域170可包含非磁性区域130的相同材料、结构或所述两者；例如，氧化物顶盖区域170及非磁性区域130两者均可包含氧化镁(例如，MgO)、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铪、氧化钌或氧化钽。

任选上部中间区域150(如果存在)可包含经配置以确保磁性单元芯100的相邻材料中的所需晶体结构的材料。上部中间区域150可(或者或此外)包含经配置以在磁性单元芯100的制造期间辅助图案化工艺的金属材料、障壁材料或常规STT-MRAM单元芯结构的其它材料。在一些实施例中，例如在如图1中说明的实施例中，上部中间区域150可包含导电顶盖区域，所述导电顶盖区域可包含一或多种材料，例如，铜、钽、钛、钨、钌、氮化钽或氮化钛。

根据本发明的磁性单元芯100还包含安置在磁性区域或磁性子区域中的一者(例如，固定区域110、固定区域110的磁性子区域、自由区域120或自由区域120的磁性子区域)与氧化物区域中的一者(例如，非磁性区域130及氧化物顶盖区域170)之间的磁性界面区域180。如图1中所说明，磁性界面区域180可直接安置在磁性区域或磁性子区域中的一者及氧化物区域中的一者附近。根据图1中说明的实施例，磁性界面区域180可直接安置在非磁性区域130的顶部上及自由区域120的正下方。如所处，磁性界面区域180可安置在两个氧化物区域之间(即，在基于氧化物的MTJ(例如，非磁性区域130)与氧化物顶盖区域170之间)。

磁性界面区域180可经配置以增强磁性单元芯100或更特定地说其相邻磁性区域(例如，根据图1中说明的实施例的自由区域120)的PMA强度。可在维持磁性单元芯100的低电阻-面积(例如，小于约20Ω·μm²(欧姆×平方微米))的同时实现增加的PMA。磁性界面区域180可由磁性材料(例如，基于铁的材料(例如，只有铁(Fe)、铁合金)或(在一些实施例中)基于钴铁(CoFe)的材料)形成。

磁性界面区域180的材料可呈安置在非磁性区域130与氧化物顶盖区域170之间的铁或其它包含铁的化合物的单层的形式。或者或此外，磁性界面区域180可具有小于约(约1.0nm)(例如，小于约(约0.5nm)，例如，约(约0.3nm))的厚度(即，沿着垂直于衬底102的上部表面的轴的高度)。因而，磁性界面区域180可比其相邻区域更薄。例如，图1的上覆自由区域120可经形成以具有约(约1.5nm)到约(约3.0nm)的厚度，且图1的下伏非磁性区域130可经形成以具有约(约0.7nm)到约(约1.0nm)的厚度。

磁性界面区域180可由某种材料形成，所述材料经配制或以其它方式配置以具有与所述材料形成于其上的材料的晶体定向相同的晶体定向。例如，根据图1中说明的实施例，磁性界面区域180可由铁(Fe)以具有与非磁性区域130内的MgO相同的晶体定向的此方式(例如，通过磁控溅射)而形成。

磁性界面区域180可通过(例如)磁控溅射而形成。例如，磁性单元芯100的下部区域的材料可连续地形成于(例如)层中，之后磁性界面区域180的磁性材料可在先前形成的材料上方形成。接着，在磁性界面区域180的磁性材料上的(例如)层中，磁性单元芯100的上部区域的材料可连续地形成。因此，磁性界面区域180的材料可经形成以安置在两个基于氧化物的材料(即，形成非磁性区域130及氧化物顶盖区域170的氧化物材料)之间。

在形成磁性单元芯100的材料之后，材料可经图案化以形成包括其各种区域的磁性单元芯100。所属领域中知道形成及图案化磁性单元芯100的下部及上部区域的材料的技术，且因此，本文中未详细描述。例如，磁性单元芯100可通过从基底到顶部循序形成其区域的材料中的每一者且接着将材料图案化以界定磁性单元芯100而形成。可在图案化之前或之后以至少150℃(例如，在约150℃与约400℃之间)的温度使磁性单元芯100结构退火。或者或此外，可在磁性单元芯100结构的制造期间(例如，在形成磁性单元芯100结构的一或多种材料之后且在形成其的其它材料之前)使磁性单元芯100结构的材料退火。

在例如图1中说明的实施例的实施例中，其中磁性界面区域180直接安置在非磁性区域130与自由区域120之间，且其中磁性界面区域180安置在非磁性区域130与氧化物顶盖区域170之间，预期到，在不限于任何一种特定理论的情况下，磁性界面区域180实现磁性界面区域180中的铁与相邻基于氧化物的区域(例如，非磁性区域130)的氧化物材料中的氧的铁氧结合。铁氧结合可对界面PMA强度有贡献。预期到，铁氧结合对界面PMA强度的贡献可大于来自其它氧结合(例如，钴氧结合)的贡献。因此，磁性单元芯100中包含磁性界面区域180可实现比缺少磁性界面区域180在磁性区域(例如，自由区域120)与氧化物区域(例如，非磁性区域130)之间的磁性单元芯结构实现的PMA更强的PMA。

因此，本发明揭示一种包括衬底上的磁性单元芯的存储器单元。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。磁性界面区域安置在氧化物区域与另一氧化物区域之间。

参考图2，说明其中磁性界面区域180安置在非磁性区域130与氧化物顶盖区域170之间但在自由区域120上的磁性单元芯200。因此，非磁性区域130安置在自由区域120的一侧(例如，自由区域120之下)，而磁性界面区域180安置在自由区域120的另一侧(例如，自由区域120上)。磁性单元芯200的材料可与上文中描述的磁性单元芯100(图1)的材料相同。磁性单元芯200可通过从基底到顶部循序形成其区域的材料中的每一者且接着将材料图案化以界定磁性单元芯200结构而形成。因此，磁性界面区域180可直接形成于自由区域120上，且氧化物顶盖区域170可直接形成于磁性界面区域180上。在其它实施例(图2中未示出)中，自由区域120与固定区域110的位置可互换，使得磁性界面区域180将安置在氧化物顶盖区域170与固定区域110之间，其将位于非磁性区域130上。

因此，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包括来自氧化物材料的隧道结区域、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的磁性单元芯。磁性材料展现垂直磁性定向。

参考图3，在一些实施例中，根据本发明的磁性单元芯300可包含具有多材料结构的磁性区域(例如，自由区域、固定区域或所述两者)。例如，图3的实施例或前述或后文描述的实施例中的任一者的固定区域110可被配置为其中Ru子区域通过磁性子区域而与其在顶部及底部上相邻的SAF。作为另一实例，如所说明，磁性单元芯300可包含多材料自由区域320。多材料自由区域320可包含通过间隔片328而与下部磁性子区域326隔开(即，非直接物理接触)的上部磁性子区域324。在其它实施例中，多材料自由区域320可无间隔片328。在其它实施例中，多材料自由区域320可具有两个以上磁性子区域、一个以上间隔片328或所述两者。

形成上部磁性子区域324及下部磁性子区域326的一或若干材料可为分别与形成自由区域120的一或若干材料相同的材料，如上所述。例如(且无限制)，上部磁性子区域324及下部磁性子区域326中的每一者可由CoxFeyBz(其中x＝1，y＝50到60且z＝1到30，例如，CoFe50B30)形成。作为另一实例，上部磁性子区域324可由CoFeB60形成，而下部磁性子区域326可由CoFe50B30形成。

上部磁性子区域324及下部磁性子区域326中的每一者可经形成为各自厚于间隔片328。在一些实施例中，下部磁性子区域326可具有约(约1.0nm)的厚度，且上部磁性子区域324可具有约(约0.6nm)的厚度。在其它实施例中，上部磁性子区域324及下部磁性子区域326可经形成以具有大致相等厚度，例如，从约(约0.6nm)到约(约1.0nm)。

间隔片328可由导电材料(例如(例如)且无限制，钽(Ta))形成。与上覆及下伏子区域相比较，间隔片328可相对薄。例如，间隔片328可具有小于约(约0.3nm)(例如，约(约0.15nm))的厚度。

多材料自由区域320可在将材料图案化以形成磁性单元芯300之前通过从基底到顶部循序形成其材料中的每一者而形成。

根据图3的实施例，磁性界面区域180可在多材料自由区域320上方形成，以安置在非磁性区域130与氧化物顶盖区域170之间。因此，磁性界面区域180可直接在上部磁性子区域324与氧化物顶盖区域170之间。

因此，本发明揭示一种包括磁性单元芯的存储器单元，所述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固定区域。非磁性区域安置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。

参考图4，根据本发明的具有包括上部磁性子区域324、下部磁性子区域326及间隔片328的多材料自由区域420的磁性单元芯400可经结构化以还包括磁性界面区域180。即，磁性界面区域180可直接安置在间隔片328以及上部磁性子区域324及下部磁性子区域326中的一者的上方或下方附近。在此结构中，磁性界面区域180与基于氧化物的区域的两者(即，非磁性区域130及氧化物顶盖区域170)隔开。然而，磁性界面区域180的存在可增强至少并有磁性界面区域180的磁性区域的PMA强度，所述磁性区域可为自由区域(例如，多材料自由区域420)，如图4中所说明。例如，磁性区域(例如，多材料自由区域420)的PMA强度可大于约4,000奥斯特(约318.3kA/m)(例如，大于约5,000奥斯特(约397.9kA/m))。

在例如图4的磁性单元芯400的结构的结构中，上部磁性子区域324及下部磁性子区域326可具有相同厚度。或者，磁性界面区域180及与磁性界面区域180相邻的上部磁性子区域324及下部磁性子区域326中的一者的整体厚度可约等于上部磁性子区域324及下部磁性子区域326的另一者的厚度。例如，下部磁性子区域326可具有约(约1.0nm)的厚度，而上部磁性子区域324可具有约(约0.6nm)的厚度且磁性界面区域180可具有约(约0.4nm)的厚度。

多材料自由区域420的材料可从基底到顶部循序形成，借此磁性界面区域180可直接形成于间隔片328上，且上部磁性子区域324可直接形成于磁性界面区域180上。

参考图5，根据本发明的磁性单元芯500可(或者)包含一个以上的磁性界面区域180。例如，如图5中所说明，一对磁性界面区域180可经安置使得一个磁性界面区域180上覆磁性单元芯500的磁性区域中的一者(例如，上覆自由区域120)，而所述对的另一磁性界面区域180下伏相同磁性区域(例如，下伏自由区域120)。再者，磁性单元芯500的材料可从基底到顶部循序形成，且可经图案化以形成磁性单元芯500。

参考图6，在一些实施例中，磁性单元芯600可包含两个以上的磁性界面区域180，例如，直接在磁性单元芯600的磁性区域(例如，自由区域120及固定区域110)中的每一者的顶部及底部中的每一者上的一个磁性界面区域180。再者，磁性单元芯600的材料可从基底到顶部循序形成，且此后可经图案化以形成磁性单元芯600。

参考图7，预期到，磁性单元芯700的磁性区域中的一者(例如，自由区域或(例如)多材料自由区域720)可并有磁性界面区域180，而磁性单元芯700的另一磁性区域(例如，固定区域110)可邻近于另一磁性界面区域180。再者，此类磁性单元芯700的材料可从基底到顶部循序形成。

因此，磁性界面区域180的数目及此类磁性界面区域180的安置可根据所需STT-MRAM结构及可操作性而定制。同样地，磁性界面区域180的确切成分及厚度可经定制以实现所需PMA强度，所述强度可为在无不利地影响STT-MRAM单元的操作的情况下可实现的最高PMA强度(例如，Hk(Oe))。预期到，磁性界面区域180的厚度经通过测试而优化以具有某一厚度，所述厚度足够大以增强PMA强度，同时小于将不利地影响STT-MRAM单元的操作特性的厚度。

在其中磁性单元芯(例如，磁性单元芯500、600或700)包含磁性界面区域180的实施例中，磁性单元芯500、600或700中的磁性界面区域180可具有相等厚度，或(或者)磁性界面区域180的厚度可彼此不同。再者，预期到，多个磁性界面区域180的相对厚度可通过测试而优化。

在形成磁性单元芯(例如，磁性单元芯100至700中的一者)之后，如所属领域中所知，半导体装置结构可经受额外制造步骤以形成操作半导体装置，例如STT-MRAM单元、STT-MRAM单元的阵列、STT-MRAM系统、基于处理器的系统或其任何组合。

参考图8，说明包含与STT-MRAM单元814进行可操作通信的外围装置812的STT-MRAM系统800，可制造多个STT-MRAM单元814以形成包含呈多行及列的栅格图案或呈各种其它布置(取决于系统要求及制造技术)的存储器单元阵列。STT-MRAM单元814包含单元芯802、存取晶体管803、可运作为数据/感测线804(例如，位线)的导电材料、可运作为存取线805(例如，字线)的导电材料，及可运作为源极线806的导电材料。STT-MRAM系统800的外围装置812可包含读取/写入电路807、位线参考808，及感测放大器809。单元芯802可为上述磁性单元芯100至700中的任一者。归因于单元芯802的结构(即，包含与非磁性区域130(例如，隧道区域或MTJ)或氧化物顶盖区域170隔开的磁性界面区域180(图1到7))及STT-MRAM单元814的PMA强度的所得增强，STT-MRAM单元814相比于常规STT-MRAM单元可展现更高的数据保持时间且以更低功率有效地操作。

在使用及操作中，当STT-MRAM单元814经选择以编程时，编程电流施加到STT-MRAM单元814，且所述电流是通过单元芯802的固定区域而自旋偏振且将扭矩施加在单元芯802的自由区域上，所述扭矩切换自由区域的磁化以“写入”或“编程”STT-MRAM单元814。在STT-MRAM单元814的读取操作中，使用电流侦测单元芯802的电阻状态。

为了起始编程STT-MRAM单元814，读取/写入电路807可产生到数据/感测线804及源极线806的写入电流。数据/感测线804与源极线806之间的电压的极性确定单元芯802中的自由区域的磁性定向的切换。通过使用自旋极性改变自由区域的磁性定向，自由区域根据编程电流的自旋极性而磁化，编程状态被写入到STT-MRAM单元814。

为了读取STT-MRAM单元814，读取/写入电路807产生通过单元芯802及存取晶体管803到数据/感测线804及源极线806的读取电压。STT-MRAM单元814的编程状态是指跨越单元芯802的电阻，所述电阻可通过数据/感测线804与源极线806之间的电压差而确定。在一些实施例中，电压差可与位线参考808相比较且由感测放大器809放大。

图8说明可操作STT-MRAM系统800的一个实例。然而，预期到，经配置以并有具有展现垂直磁性定向的磁性区域的磁性单元芯的任何STT-MRAM系统内可并入且利用磁性单元芯100到700(图1到7)。显然，因为磁性界面区域180(图1到7)的厚度相对于磁性单元芯100到700的其它区域可相对薄，所以磁性单元芯100到700的整体高度相比于STT-MRAM单元的常规磁性单元芯的高度可相同或未大许多。此外，因为磁性界面区域180可使用相同或类似于用以形成磁性单元芯100到700的其它区域的技术的技术而形成，所以可不显著变更总体制造工艺以根据本发明的实施例完成磁性单元芯100到700的形成。

因此，本发明揭示一种包括磁性单元芯的自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)系统，所述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。氧化物区域与磁性界面区域隔开。STT-MRAM系统还包括与磁性单元芯进行可操作通信的多种导电材料。

参考图9，说明根据本文中描述的一或多个实施例实施的半导体装置结构900的简化框图。半导体装置结构900包含存储器阵列902及控制逻辑组件904。存储器阵列902可包含多个STT-MRAM单元814(图8)，所述STT-MRAM单元814包含上述磁性单元芯100到700(图1到7)中的任一者，所述磁性单元芯100到700(图1到7)可已根据上述的方法而形成。控制逻辑组件904可经配置以与存储器阵列902操作性地相互作用以从存储器阵列902内的任何或所有存储器单元(例如，STT-MRAM单元814)读取或写入到存储器阵列902内的任何或所有存储器单元。

因此，本发明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，所述自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列包括多个STT-MRAM单元。所述多个STT-MRAM单元中的每一者包括单元芯，所述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。氧化物区域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。磁性界面区域安置在氧化物区域与非磁性区域之间。

参考图10，描绘基于处理器的系统1000。基于处理器的系统1000可包含根据本发明的实施例制造的各种电子装置。基于处理器的系统1000可为(例如)计算机、传呼器、移动电话、个人记事薄、控制电路或其它电子装置的多种类型中的一者。基于处理器的系统1000可包含一或多个处理器1002(例如微处理器)以控制基于处理器的系统1000中的系统功能及请求的处理。基于处理器的系统1000的处理器1002及其它子组件可包含根据本发明的实施例制造的磁性存储器装置。

基于处理器的系统1000可包含电源1004。例如，如果基于处理器的系统1000是便携式系统，那么电源1004可包含燃料电池、电力捕集装置、永久性电池、可更换电池及可再充电电池中的一或多者。电源1004还可包含AC适配器；因此，基于处理器的系统1000可插入(例如)壁式插座中。电源1004还可包含DC适配器，使得基于处理器的系统1000可插入(例如)汽车点烟器或汽车电源端口中。

取决于基于处理器的系统1000执行的功能，各种其它装置可耦合到处理器1002。例如，用户接口1006可耦合到处理器1002。用户接口1006可包含输入装置，例如，按钮、开关、键盘、光笔、鼠标、数字转换器及触控笔、触控屏幕、语音识别系统、麦克风或其组合。显示器1008也可耦合到处理器1002。显示器1008可包含LCD显示器、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子显示器、OLED显示器、LED显示器、三维投影、音频显示器或其组合。此外，RF子系统/基带处理器1010也可耦合到处理器1002。RF子系统/基带处理器1010可包含耦合到RF接收器及RF发射器(未示出)的天线。通信端口1012，或一个以上通信端口1012也可耦合到处理器1002。通信端口1012可适应于耦合到一或多个外围装置1014(例如，调制解调器、打印机、计算机、扫描仪或相机)或网络(例如(例如)，局域网、远程局域网、企业内部网或因特网)。

处理器1002可通过实施存储在存储器中的软件程序控制基于处理器的系统1000。软件程序可包含(例如)操作系统、数据库软件、绘图软件、文字处理软件、媒体编辑软件或媒体播放软件。存储器可操作地耦合到处理器1002以存储且促进各种程序的执行。例如，处理器1002可耦合到系统存储器1016，所述系统存储器1016可包含自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、赛道(racetrack)存储器及其它已知存储器类型中的一或多者。系统存储器1016可包含易失性存储器、非易失性存储器或其组合。系统存储器1016通常较大，使得其可动态存储经加载的应用程序及数据。在一些实施例中，系统存储器1016可包含半导体装置结构(例如，图9的半导体装置结构900)、包含磁性单元芯100到700(图1到7)中的任一者的存储器单元或其组合。

处理器1002也可耦合到非易失性存储器1018，其不暗示系统存储器1016必是易失性的。非易失性存储器1018可包含结合系统存储器1016使用的STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如EPROM)、电阻性只读存储器(RROM)及闪速存储器中的一或多者。非易失性存储器1018的大小通常经选择为只足够大以存储任何必需的操作系统、应用程序及固定数据。此外，非易失性存储器1018可包含高容量存储器，(例如)例如硬盘存储器，例如包含电阻性存储器或其它类型的非易失性固态存储器的混合驱动。非易失性存储器1018可包含半导体装置结构，例如图9的半导体装置结构900、包含磁性单元芯100到700(图1到7)中的任一者的存储器单元或其组合。

下文实例经呈现以更详细图解说明本发明的实例。此实例不应被解释为是关于本发明的范围详尽或穷举的。

实例

制造无来自固定区域的磁性贡献的部分磁性单元芯结构以评估根据本发明的实施例制造的自由区域的PMA强度。部分磁性单元芯结构包含：导电晶种区域，其具有约(约5.0nm)的厚度；CoFeB的上覆虚拟固定区域，其具有约(约0.5nm)的厚度；MgO的上覆非磁性区域，其具有约(约1.2nm)的厚度；上覆多材料自由区域，其包括具有约(约1.0nm)的厚度的CoFeB的下部磁性子区域、具有约(约0.15nm)的厚度的Ta的上覆间隔片，及其中B浓度稍微不同于下部磁性子区域、具有约(约0.6nm)的厚度的CoFeB的上覆上部磁性子区域；Fe的上覆磁性界面区域，其具有约(约0.4nm)的厚度；MgO的上覆氧化物顶盖区域，其具有约(约0.7nm)的厚度；及上覆上部导电顶盖区域，其具有约(约50nm)的厚度。此部分磁性单元芯结构展现5,007Oe(398.4kA/m)的PMA强度(通过Hk(Oe)测量)，如由图11的数据线1200所指示。此与2,992Oe(238.1kA/m)的PMA强度相比较，如由图11的数据线1100所指示，由缺少Fe的磁性界面区域的相同结构展现。因此，磁性界面区域邻近于氧化物顶盖区域而安置在自由区域上方的磁性单元芯结构与无磁性界面区域的相同结构相比较展现PMA强度的50％以上的增加。

虽然本发明的实施方案容许各种修改及替代形式，但已在图式中作为实例而展示且已在本文中详细地描述特定实施例。然而，本发明不打算限于所揭示的特定形式。更确切地，本发明涵盖属于如由所附权利要求书及其合法等效物所定义的本发明的范围的所有修改、组合、等效物、变化及替代。