[发明专利]存储器单元、半导体装置结构、存储器系统及制造方法

说明书

优先权主张

本申请案主张2012年6月19日申请的第13/527,173号美国专利申请案“存储器单元、半导体装置结构、存储器系统及制造方法(Memory Cells，Semiconductor Device Structures，Memory Systems，and Methods of Fabrication)”的申请日的权益。

技术领域

在各种实施例中，本发明大体上涉及存储器装置设计及制造的领域。更特定来说，本发明涉及表征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

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为非易失性的且因此可在MRAM存储器装置被断电时保存存储器内容。MRAM数据由磁阻元件存储。一般来说，MRAM单元中的磁阻元件由两个磁性区域制成，所述两个磁性区域中的每一者接受且维持磁化。一个区域(“固定区域”)的磁场在其磁性定向上固定，且另一区域(“自由区域”)的磁场可在操作期间改变。因此，编程电流可致使所述两个磁性区域的磁性定向平行以给出横跨磁阻元件的较低电阻(其可界定为“0”状态)，或致使所述两个磁性区域的磁性定向反平行(即，与平行定向方向相反，例如成180度)以给出横跨MRAM单元的磁阻元件的较高电阻(其可界定为“1”状态)。自由区域的磁性定向的切换及横跨磁阻元件的所得高或低电阻状态实现典型MRAM单元的写入及读取操作。

一种类型的MRAM单元为自旋力矩转移MRAM(STT-MRAM)单元。常规STT-MRAM可包含磁性单元核心(其可包含磁性隧道结(MTJ))，或可包含自旋阀结构。MTJ为包含两个磁性区域(一个固定及一个自由)及介于所述两个磁性区域之间的非磁性电绝缘区域的磁阻数据存储元件，其可通过数据线(例如位线)、存取线(例如字线)及存取晶体管而存取。自旋阀具有类似于所述MTJ的结构，只是自旋阀在所述两个磁性区域之间采用非磁性导电区域。

在操作中，可致使编程电流流动通过存取晶体管及磁性单元核心。单元核心内的固定区域使所述编程电流的电子自旋极化，且在所述自旋极化电流通过核心时产生力矩。自旋极化电子电流通过将力矩施加于自由区域上而与自由区域交互。当通过核心的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_c)时，由自旋极化电子电流施加的力矩足以切换自由区域的磁化方向。因此，所述编程电流可用于致使自由区域的磁性定向平行于或反平行于固定区域的定向而对准，且当自由区域的磁性定向在平行与反平行之间切换时，横跨核心的电阻状态被改变。

常规STT-MRAM单元的自由区域及固定区域展现与所述区域的宽度水平(也称为“平面内”)的磁性定向。已致力于形成垂直定向(“平面外”)的STT-MRAM单元，其中固定区域及自由区域展现垂直磁性定向(在此项技术中也称为垂直磁化)。然而，找到并实施适合于单元核心的材料及设计且形成单元核心结构已成为挑战。例如，如图1中所说明，在以PMA形成常规STT-MRAM单元的磁性单元核心时，材料可形成于衬底110上。所述材料可包含导电材料120、可选中间材料130、磁性材料140、非磁性材料150、额外可选中间材料160及硬掩模材料170，所述材料的组合一起形成前体结构100，如图1中所说明。待用在后续图案化工艺中的硬掩模材料170可为牺牲性非导电材料。参考图2，前体结构100内的磁性材料140中的一或多者可在初始形成之后展现垂直磁性定向180。

展现垂直磁性定向180的磁性材料140也可以磁性材料140的垂直磁各异向性(“PMA”)的强度来表征。所述强度(在本文也称为“磁性强度”或“PMA强度”)为磁性材料140的电阻对磁性定向的改动的指示。相比于具有较低磁性强度的展现垂直磁性定向180的磁性材料，具有高磁性强度的展现垂直磁性定向180的磁性材料更不易于偏离于垂直对准而改动其磁性定向。