存儲器單元、制造方法、半導體裝置結(jié)構(gòu)及存儲器系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)主張
[0002] 本申請案主張2013年3月12日申請的"存儲器單元、制造方法、半導體裝置 結(jié)構(gòu)及存儲器系統(tǒng)（MemoryCells,MethodsofFabrication,SemiconductorDevice Structures,andMemorySystems) "的第13/797, 185號美國專利申請案的申請日的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明在各種實施例中大體上涉及存儲器裝置設(shè)計及制造的領(lǐng)域。更特定地說， 本發(fā)明涉及被特性化為自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)單元的存儲器單元 的設(shè)計及制造。
【背景技術(shù)】
[0004] 磁性隨機存取存儲器（MRAM)是基于磁阻的非易失性計算機存儲器技術(shù)。一種類 型的MRAM單元是自旋扭矩轉(zhuǎn)移MRAM(STT-MRAM)單元，其包含由襯底支撐的磁性單元芯。 磁性單元芯包含其中非磁性區(qū)域在中間的至少兩個磁性區(qū)域，例如，"固定區(qū)域"及"自由區(qū) 域"。固定區(qū)域包含具有固定（例如，非可切換）磁性定向的磁性材料，而自由區(qū)域包含具有 可在單元的操作期間在"平行"配置（其中固定區(qū)域的磁性定向與自由區(qū)域的磁性定向被 引導在相同方向上（例如，分別為北方與北方、東方與東方、南方與南方，或西方與西方）） 與"反平行"配置（其中固定區(qū)域的磁性定向與自由區(qū)域的磁性定向被引導在相反方向上 (例如，分別為北方與南方、東方與西方、南方與北方，或西方與東方））之間切換的磁性定 向的磁性材料。
[0005] 在平行配置中，STT-MRAM單元展現(xiàn)跨越磁阻元件（S卩，固定區(qū)域及自由區(qū)域）的較 低電阻。此相對低的電阻狀態(tài)可被定義為MRAM單元的" 0 "狀態(tài)。在反平行配置中，STT-MRAM 單元展現(xiàn)跨越磁阻元件（即，磁性材料的區(qū)域，例如，固定區(qū)域及自由區(qū)域）的較高電阻。此 相對高的電阻狀態(tài)可被定義為MRAM單元的"1"狀態(tài)。自由區(qū)域的磁性定向及跨越磁阻元 件的所得高或低電阻狀態(tài)的切換實現(xiàn)常規(guī)MRAM單元的寫入及讀取操作。理想地，將自由區(qū) 域從平行配置切換到反平行配置所需要的編程電流的量基本上與從反平行配置切換到平 行配置所需要的編程電流的量相同。用于切換的此類相等編程電流在本文中被稱為"對稱 切換"。
[0006]STT-MRAM單元的自由區(qū)域及固定區(qū)域可展現(xiàn)關(guān)于所述區(qū)域的寬度水平地定向 ("平面內(nèi)"）或垂直地定向（"平面外"）的磁性定向。在具有垂直定向磁性區(qū)域的STT-MRAM 單元中，展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性材料的特征可為磁性材料的垂直磁性各向異性（"PMA"） 的強度。所述強度（在本文中也被稱為"磁性強度"或"PMA強度"）是磁性材料的電阻對 磁性定向的變更的指示。展現(xiàn)具有高PM強度的垂直磁性定向的磁性材料相比于展現(xiàn)具有 較低磁性強度的垂直磁性定向的磁性材料可較不傾于其磁性定向離開垂直定向的變更。然 而，實現(xiàn)高PM強度本身可能不足以進行成功的STT-MRAM單元操作。例如，低電阻-面積 (RA)、低切換電流、低切換電壓及對稱切換也可對STT-MRAM單元的成功操作有貢獻。然而， 尋找其中在無不利地影響STT-MRAM單元的操作的其它特性（尤其是所述單元的RA)的情 況下展現(xiàn)高PM強度的材料及設(shè)計可呈現(xiàn)挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明揭示一種存儲器單元。存儲器單元包括襯底上的磁性單元芯。磁性單元芯 包括氧化物區(qū)域與另一氧化物區(qū)域之間的磁性區(qū)域。磁性區(qū)域展現(xiàn)垂直磁性定向。磁性單 元芯還包括氧化物區(qū)域與另一氧化物區(qū)域之間的磁性界面區(qū)域。
[0008] 本發(fā)明還揭示一種包括磁性單元芯的存儲器單元，磁性單元芯包括經(jīng)配置以展現(xiàn) 可切換垂直磁性定向的自由區(qū)域及經(jīng)配置以展現(xiàn)固定垂直磁性定向的自由區(qū)域。非磁性區(qū) 域在自由區(qū)域與固定區(qū)域之間。磁性界面區(qū)域通過自由區(qū)域及固定區(qū)域中的一者而與非磁 性區(qū)域隔開。
[0009] 本發(fā)明揭示一種形成存儲器單元的方法。所述方法包括在襯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 與氧化物材料及另一氧化物材料中的一者之間形成基于鐵的材料。將氧化物材料、磁性材 料、另一氧化物材料及基于鐵的材料圖案化以形成磁性單元芯。磁性單元芯包括來自氧化 物區(qū)域的隧道結(jié)區(qū)域、來自磁性材料的自由區(qū)域及固定區(qū)域中的一者、來自基于鐵的材料 的磁性界面區(qū)域及來自另一氧化物材料的氧化物頂蓋區(qū)域。磁性材料展現(xiàn)垂直磁性定向。
[0010] 本發(fā)明還揭示一種包括自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)陣列的半 導體裝置結(jié)構(gòu)。STT-MRAM陣列包括多個STT-MRAM單元。多個STT-MRAM單元中的每一者包 括單元芯，單元芯包括磁性區(qū)域與另一磁性區(qū)域之間的非磁性區(qū)域。磁性區(qū)域及另一磁性 區(qū)域中的每一者經(jīng)配置以展現(xiàn)垂直磁性定向。單元芯還包括通過磁性區(qū)域及另一磁性區(qū)域 中的一者而與非磁性區(qū)域隔開的氧化物區(qū)域。單元芯還包括氧化物區(qū)域與非磁性區(qū)域之間 的磁性界面區(qū)域。
[0011] 本發(fā)明還揭示一種自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)系統(tǒng)。 STT-MRAM系統(tǒng)包括磁性單元芯及與磁性單元芯進行可操作通信的多種導電材料。磁性單元 芯包括磁性區(qū)域上或磁性區(qū)域中的磁性界面區(qū)域。磁性區(qū)域經(jīng)配置以展現(xiàn)垂直磁性定向。 磁性單元芯還包括與磁性界面區(qū)域隔開的氧化物區(qū)域。
【附圖說明】
[0012] 圖1是包含直接安置在自由區(qū)域與磁性隧道結(jié)區(qū)域之間的磁性界面區(qū)域的 STT-MRAM單元的磁性單元芯的橫截面正視示意圖。
[0013] 圖2是包含直接安置在自由區(qū)域與氧化物頂蓋區(qū)域之間的磁性界面區(qū)域的 STT-MRAM單元的磁性單元芯的橫截面正視示意圖。
[0014] 圖3是包含直接安置在自由區(qū)域的磁性子區(qū)域與氧化物頂蓋區(qū)域之間的磁性界 面區(qū)域的STT-MRAM單元的磁性單元芯的橫截面正視示意圖。
[0015] 圖4是包含安置在自由區(qū)域中的磁性界面區(qū)域的STT-MRAM單元的磁性單元芯的 橫截面正視示意圖。
[0016] 圖5是包含兩個磁性界面區(qū)域的STT-MRAM單元的磁性單元芯的橫截面正視示意 圖，其中一者直接安置在自由區(qū)域與氧化物頂蓋區(qū)域之間且另一者直接安置在自由區(qū)域與 磁性隧道結(jié)區(qū)域之間。
[0017] 圖6是包含四個磁性界面區(qū)域的STT-MRAM單元的磁性單元芯的橫截面正視示意 圖，其中一對安置在自由區(qū)域的頂部上及底部上且另一對安置在固定區(qū)域的頂部上及底部 上。
[0018] 圖7是包含自由區(qū)域內(nèi)的一個磁性界面區(qū)域及固定區(qū)域的頂部上的另一磁性界 面區(qū)域的STT-MRAM單元的磁性單元芯的橫截面正視示意圖。
[0019]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有存儲器單元的STT-MRAM系統(tǒng)的示意圖。
[0020] 圖9是包含本發(fā)明的實施例的存儲器單元的半導體裝置結(jié)構(gòu)的簡化框圖。
[0021] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的一或多個實施例實施的系統(tǒng)的簡化框圖。
[0022] 圖11是顯示并有磁性界面區(qū)域的磁性單元芯與缺少磁性界面區(qū)域的磁性單元芯 相比較的PM強度測量的曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明揭示存儲器單元、包含此類存儲器單元的半導體裝置結(jié)構(gòu)、存儲器系統(tǒng)及 形成此類存儲器單元的方法。存儲器單元包含展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性區(qū)域，例如自由 區(qū)域或固定區(qū)域。存儲器單元還包含至少一個氧化物區(qū)域，例如基于氧化物的磁性隧道結(jié) ("MTJ"）區(qū)域及氧化物頂蓋區(qū)域中的一或多者。直接或間接安置在磁性區(qū)域與氧化物區(qū) 域之間的是磁性界面區(qū)域，磁性界面區(qū)域經(jīng)配置以與缺少磁性界面區(qū)域的存儲器單元相比 較增加存儲器單元的PM強度，但無顯著不利地影響存儲器單元的其它特性，例如存儲器 單元的電阻-面積。例如，即使在增強的PM強度（例如，單軸各向異性磁場（Hk)超過約 4,0000e(奧斯特）（約318. 3kA/m))的情況下仍可維持低RA(例如，小于約20Q?ym2(歐 姆X平方微米））。因此，磁性界面區(qū)域可增強適應(yīng)高數(shù)據(jù)保持時間及低功率操作的磁性存 儲器單元結(jié)構(gòu)中的磁性區(qū)域（例如，自由區(qū)域或固定區(qū)域）的操作性能。
[0024] 如本文中所使用，術(shù)語"襯底"意謂且包含基底材料或其上形成例如存儲器單元中 的組件的組件的其它構(gòu)造。襯底可為半導體襯底、支撐結(jié)構(gòu)上的基底半導體材料、金屬電 極，或其上形成有一或多種材料、結(jié)構(gòu)或區(qū)域的半導體襯底。襯底可為常規(guī)硅襯底或包含半 導電材料的其它塊體襯底。如本文中所使用，術(shù)語"塊體襯底"意謂且不僅包含硅晶片，而且 還包含絕緣體上硅（"SOI"）襯底（例如，藍寶石上硅（"S0S"）襯底或玻璃上硅（"S0G"） 襯底）、基底半導體基座上的硅的外延層，或其它半導體或光電材料（例如，硅鍺（SilxGex, 其中X是（例如）0. 2與0. 8之間的摩爾分數(shù)）、鍺（Ge)、砷化鎵（GaAs)、氮化鎵（GaN)，或 磷化銦（InP)等）。此外，當下文描述中提及"襯底"時，可能已利用先前工藝階段在基底半 導體結(jié)構(gòu)或基座中形成材料、區(qū)域或結(jié)。
[0025] 如本文中所使用，術(shù)語"STT-MRAM單元"意謂且包含磁性單元結(jié)構(gòu)，所述磁性單元 結(jié)構(gòu)包含安置在自由區(qū)域與固定區(qū)域之間的非磁性區(qū)域。非磁性區(qū)域可為呈磁性隧道結(jié) ("MTJ"）配置的電絕緣（例如，電介質(zhì)）區(qū)域?；蛘?，非磁性區(qū)域可為呈自旋閥配置的導 電區(qū)域。
[0026] 如本文中所使用，術(shù)語"單元芯"意謂且包含存儲器單元結(jié)構(gòu)，所述存儲器單元結(jié) 構(gòu)包括自由區(qū)域及固定區(qū)域，且在存儲器單元的使用及操作期間，電流通過自由區(qū)域及固 定區(qū)域以影響自由區(qū)域內(nèi)的平行或反平行磁性定向。
[0027] 如本文中所使用，術(shù)語"垂直"意謂且包含垂直于相應(yīng)區(qū)域的寬度及長度的方向。 "垂直"還可意謂且包含垂直于STT-MRAM單元位于其上的襯底的主要表面的方向。
[0028] 如本文中所使用，術(shù)語"水平"意謂且包含平行于相應(yīng)區(qū)域的寬度及長度中的至少 一者的方向。"水平"還可意謂且包含平行于STT-MRAM單元位于其上的襯底的主要表面的 方向。
[0029] 如本文中所使用，術(shù)語"磁性材料"意謂且包含鐵磁性材料、亞鐵磁性材料