[发明专利]存储器单元、制造方法、半导体装置结构及存储器系统

说明书

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。

发明内容

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。