CN104395964A - 存储器单元、半导体装置结构、存储器系统及制作方法 - Google Patents

存储器单元、半导体装置结构、存储器系统及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示存储器单元。所述存储器单元内的磁性区包含磁性子区与耦合器子区的交替结构。所述耦合器子区的耦合器材料以反铁磁方式耦合相邻磁性子区，且实现或促进所述相邻磁性子区所展现的垂直磁性定向。通过耦合器子区彼此间隔开的相邻磁性子区展现相反指向的磁性定向。所述磁性子区及耦合器子区可各自为经定制而以紧凑结构形成所述磁性区的厚度。可减少或消除从所述磁性区发射的磁性偶极场之间对所述存储器单元中的自由区的切换的干扰。本发明还揭示半导体装置结构、自旋扭矩转移磁性随机存取存储器STT-MRAM系统及制作方法。

Description

存储器单元、半导体装置结构、存储器系统及制作方法
优先权主张
本申请案主张于2012年6月19日提出申请的名为“存储器单元、半导体装置结构、存储器系统及制作方法(Memory Cells，Semiconductor Device Structures，Memory Systems，and Methods ofFabrication)”的序号为13/527,262的美国专利申请案的申请日期的权益。
技术领域
在各种实施例中，本发明大体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
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，例如图1中所图解说明的STT-MRAM单元。常规STT-MRAM单元包含由衬底102支撑的磁性单元核心100。磁性单元核心100包含至少两个磁性区，举例来说，“固定区”130及“自由区170”，其中非磁性区160在其之间。一或多个下部中间区120及一或多个上部中间区180可分别安置于磁性单元核心100结构的磁性区(例如，固定区130及自由区170)下方及上方。
经配置以展现垂直磁性各向异性(“PMA”)的STT-MRAM单元包含具有固定垂直磁性定向的固定区130且包含具有在单元的操作期间在“平行”配置(图1)与“反平行”配置(图2)之间切换的垂直磁性定向的自由区170。在平行配置(图1)中，自由区170的磁性定向171是基本上沿与固定区130的磁性定向131相同的方向(例如，南或北)指向，从而跨越磁阻元件(即，固定区130及自由区170)给出较低电阻。此相对低电阻状态可定义为MRAM单元的“0”状态。在反平行配置(图2)中，自由区170的磁性定向172是基本上沿固定区130的磁性定向131的相反方向(例如，北或南)指向，从而跨越磁阻元件(即，固定区130及自由区170)给出较高电阻。此相对高电阻状态可定义为MRAM单元的“1”状态。
自由区170的磁性定向171、172及因此跨越磁阻元件的所得高或低电阻状态的切换实现典型MRAM单元的写入及读取操作。在操作中，可致使编程电流流动穿过存取晶体管及磁性单元核心100。磁性单元核心100内的固定区130使所述编程电流的电子自旋极化，且在自旋极化的电流通过磁性单元核心100时形成扭矩。自旋极化的电子电流通过对自由区170施加扭矩而与自由区170相互作用。当通过磁性单元核心100的自旋极化的电子电流的扭矩大于自由区130的临界切换电流密度(Jc)时，由自旋极化的电子电流施加的扭矩足以切换自由区170的磁化的方向(即，在磁性定向171与磁性定向172之间)。因此，可使用编程电流来致使自由区170的磁性定向171、172平行于(图1)或反平行于(图2)固定区130的磁性定向131而对准。
理想地，将自由区170从平行配置(图1)切换到反平行配置(图2)所需的编程电流量与从反平行配置(图2)切换到平行配置(图1)所需的编程电流量基本上相同。用于切换的此相等编程电流在本文中称为“对称切换”。
虽然对称切换可为理想的，但在常规磁性单元核心100中，一或多个磁性区由于其磁性本质可发射可干扰自由区170中的切换的磁性偶极场。举例来说，可由固定区130发射磁性偶极场132，如图1及2中所图解说明。(值得注意的是，虽然将磁性偶极场132图解说明为在固定区130的上部表面及下部表面的基本上整体之间通过，但实际上，固定区130可具有实质上小于固定区130的宽度的高度，以使得磁性偶极场132可从上部及下部表面基本上仅接近于固定区130的侧壁处发射。)当自由区170在一个配置(例如，平行配置(图1))中时，自由区170的磁性定向171可与来自固定区130的磁性偶极场132至少部分平行对准；然而，当自由区170在另一配置(例如，反平行配置(图2))中时，自由区170的磁性定向172可与磁性偶极场132至少部分反平行对准。如图1及2中所图解说明，然后，磁性偶极场132可从固定区130的上部表面发射且在起弧以进入固定区130的下部表面之前通过自由区170的一部分。当自由区170在平行配置(图1)中时，来自固定区130的磁性偶极场132及自由区170的磁性定向171两者可沿基本上相同方向(例如，分别向上及向上)指向。然而，当自由区170在反平行配置(图2)中时，来自固定区130的磁性偶极场132及自由区170的磁性定向172两者可沿基本上相反方向(例如，分别向上及向下)指向。因此，自由区170在平行配置(图1)中可比在反平行配置(图2)中具有更高亲和度以使得将自由区170从平行配置(图1)切换到反平行配置(图2)所需的编程电流可比将自由区170从反平行配置(图2)切换到平行配置(图1)所需的编程电流更多。因此，从固定区130发射的磁性偶极场132的存在可损害在MRAM单元的操作期间对称地切换自由区170的磁性定向171、172的能力。
已努力来消除由于来自杂散磁性偶极场132的干扰所致的对切换的负面效应。这些努力包含(举例来说)试图通过平衡磁性区(例如，固定区130)内的磁性定向来中和磁性偶极场132。举例来说，图3图解说明包含通过导电材料336分离的磁性材料334的常规固定区330。耦合器材料338耦合固定区330的下部区与上部区。安置于磁性材料334之间的导电材料336致使磁性材料334展现垂直各向异性(即，垂直磁性定向331、333)，而耦合器材料338经调配且经定位以提供邻近磁性材料的反平行耦合。因此，固定区330配置为其中固定区330的上部区与下部区经由单个介入耦合器材料338耦合的合成反铁磁体(SAF)。目标是上部区所发射的磁性偶极场将由于磁性定向331、333的相反方向而被下部区所发射的磁性偶极场有效地抵消。然而，单元的自由区将安置为较靠近固定区330的上部及下部区中的一者以使得自由区将经历的由上部及下部区中的较接近者发射的磁性偶极场比自由区将经历的另一磁性偶极场更强烈。因此，平衡上部及下部区的磁性定向可不有效地抵消单元的自由区所经历的磁性偶极场。因此，设计实现自由区的对称切换的单元核心结构已成为挑战。
发明内容
本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包括磁性区，所述磁性区包括磁性材料与耦合器材料的交替结构。所述磁性区展现垂直磁性定向。
本发明还揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括形成磁性区。形成所述磁性区包括形成展现垂直磁性定向的磁性子区。在所述磁性子区上形成耦合器子区。在所述耦合器子区上形成另一磁性子区。所述另一磁性子区展现与所述磁性子区所展现的垂直磁性定向相反指向的另一垂直磁性定向。在所述另一磁性子区上形成另一耦合器子区。
本发明还揭示一种包括至少两个磁性区的存储器单元。所述至少两个磁性区中的至少一者包括耦合器子区。所述耦合器子区中的每一者通过展现垂直磁性定向的磁性子区与所述耦合器子区中的另一者分离。
本发明还揭示一种包括磁性区的存储器单元。所述磁性区包括多个磁性子区。所述多个磁性子区中的至少一个磁性子区展现与所述多个磁性子区中的一对相邻磁性子区所展现的垂直磁性定向相反的垂直磁性定向。
本发明还揭示一种半导体装置结构。所述半导体装置结构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阵列包括多个STT-MRAM单元。所述多个STT-MRAM单元中的每一STT-MRAM单元包括单元核心，所述单元核心包括展现垂直磁性定向的磁性区。所述磁性区包括耦合器材料的多个间隔开的子区。
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。所述STT-MRAM系统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磁性区，所述磁性区包括磁性材料的多个子区。所述多个子区中的子区展现与所述多个子区中的另一子区所展现的另一垂直磁性定向相反指向的垂直磁性定向。至少一个外围装置与所述至少一个磁性存储器单元可操作通信。
附图说明
图1是包含在平行配置中的自由区的常规STT-MRAM单元的磁性单元核心的横截面立面示意性图解说明。
图2是包含在反平行配置中的自由区的图1的常规STT-MRAM单元的磁性单元核心的横截面立面示意性图解说明。
图3是常规STT-MRAM单元的固定区的横截面立面示意性图解说明。
图4是具有根据本发明的实施例的存储器单元的STT-MRAM系统的示意图。
图5是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的固定区的横截面立面示意性图解说明。
图6是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的单元核心结构的横截面立面示意性图解说明，所述STT-MRAM单元包含图5的固定区。
图7是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的单元核心结构的横截面立面示意性图解说明，所述STT-MRAM单元包含安置于自由区的两侧(即，顶部及底部)上的两个图5的固定区。
图8是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的单元核心结构的横截面立面示意性图解说明，所述STT-MRAM单元包含图5的固定区及窄自由区。
图9是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的单元核心结构的横截面立面示意性图解说明，所述STT-MRAM单元包含图5的固定区及根据本发明的实施例的结构的自由区。
图10是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的单元核心结构的横截面立面示意性图解说明，所述STT-MRAM单元包含图3的固定区及图9的自由区。
图11是根据本发明的实施例的STT-MRAM单元的单元核心结构的横截面立面示意性图解说明，所述STT-MRAM单元包含图5的固定区、图9的自由区及根据本发明的实施例的结构的参考区。
图12是包含根据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13是根据本发明的一或多个实施例实施的系统的简化框图。
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。所述存储器单元包含展现垂直磁性定向的磁性区。所述磁性区包含一或多个磁性材料及一或多个耦合器材料，其经布置以使得所述磁性材料与所述耦合器材料交替从而形成本文中称为“交替结构”的结构，其中一定量的磁性材料(即，“磁性子区”)邻近于一定量的耦合器材料(即，“耦合器子区”)安置，所述量的耦合器材料邻近于另一量的磁性材料(即，另一磁性子区)安置。另一量的耦合器材料(即，另一耦合器子区)可邻近于所述另一量的磁性材料(即，所述另一磁性子区)安置，且依次类推。因此，存储器单元的磁性区包含磁性子区与耦合器子区的交替结构。
所述交替结构的耦合器材料经调配而以反铁磁方式耦合相邻磁性材料。耦合器材料还可实现相邻磁性材料内的垂直磁性定向。由耦合器子区耦合的磁性子区展现相反指向的垂直磁性定向。因此，磁性区的交替结构进一步包含以垂直磁性定向交替的磁性子区。
由于耦合器材料既提供反铁磁耦合又实现相邻磁性材料中的垂直磁性定向，因此具有根据本发明的实施例的交替结构的磁性区可薄于具有提供反铁磁耦合的一种材料及用以实现垂直磁性定向的另一材料的常规磁性区。因此，存储器单元的单元核心可结构化为比常规存储器单元的单元核心更紧凑的结构。
此外，由于磁性区(例如，固定区)内的磁性子区可各自具有小于常规MRAM存储器单元的固定区的磁性区的厚度的厚度，因此磁性子区所发射的磁性偶极场可小于常规磁性区所发射的磁性偶极场。经最小化磁性偶极场减少所发射磁性偶极场对自由区的切换的干扰。
此外，由于磁性区内的每一磁性子区靠近展现相反指向的垂直磁性定向的至少一个相邻磁性子区安置，因此一个磁性子区所发射的磁性偶极场可被紧靠附近处所发射的另一磁性偶极场有效地实质上抵消。此实质抵消减小磁性偶极场干扰自由区的切换的可能性。
如本文中所使用，术语“衬底”意指且包含在其上形成例如存储器单元内的组件的组件的基底材料或构造。衬底可为半导体衬底、在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个材料、结构或区的半导体衬底。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”不仅意指且包含硅晶片，而且意指并包含绝缘体上硅(“SOI”)衬底(例如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)衬底)、在基底半导体基础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是(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)。此外，当在以下说明中提及“衬底”时，可能已利用先前处理阶段在基底半导体结构或基础中形成材料、区或结。
如本文中所使用，术语“STT-MRAM单元”意指且包含磁性单元结构，如果安置于自由区与固定区之间的非磁性区为电绝缘的(例如，电介质)，那么所述磁性单元结构可包含磁性隧道结(“MTJ”)。或者，如果安置于自由区与固定区之间的非磁性区为导电的，那么STT-MRAM单元的磁性单元结构可包含自旋阀。
如本文中所使用，术语“单元核心”意指且包含存储器单元结构，所述存储器单元结构包括自由区及固定区，且在存储器单元的操作期间电流流动穿过所述存储器单元结构以实现自由区内的平行或反平行磁性定向。
如本文中所使用，术语“垂直”意指且包含垂直于相应区的宽度的方向。“垂直”还可意指且包含垂直于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“磁性材料”意指且包含铁磁材料及亚铁磁材料两者。
如本文中所使用，术语“耦合器材料”意指且包含经调配以在磁性材料的相邻区之间提供RKKY(鲁德曼-基特尔-粕谷-吉田(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida))相互作用(还称为“反平行耦合”或“反铁磁耦合”)且在磁性材料的相邻区内实现或促进垂直各向异性(即，垂直磁性定向)的材料。举例来说且在无限制的情况下，根据本发明的实施例的耦合器材料包含钌(Ru)、铑(Rh)或其组合。
如本文中所使用，当提及材料、区或子区时，术语“相邻”意指且指代所识别组合物的下一个最接近材料、区或子区。除所识别组合物之外的组合物的材料、区或子区可安置于所识别组合物的一个材料、区或子区与其相邻材料、区或子区之间。举例来说，与特定耦合器子区“相邻”的磁性子区是(例如)多个磁性子区中下一个最接近于所述特定耦合器子区的磁性子区，所述“相邻”磁性子区可直接邻近于所述特定耦合器子区。作为另一实例，与特定磁性子区“相邻”的磁性子区是(例如)多个磁性子区中下一个最接近于所述特定磁性子区的磁性子区，所述“相邻”磁性子区可通过非磁性组合物的材料、区或子区(例如，耦合器材料)而与所述特定磁性子区间隔开。
如本文中使用，术语“子区”意指且包含另一区中所包含的区。因此，一个区可包含多个子区。
如本文中所使用，术语“固定区”意指且包含STT-MRAM单元内的区，所述区包含磁性材料且在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有固定磁性定向，因为实现单元核心的一个磁性区(例如，自由区)的磁化方向的改变的电流可不实现固定区的磁化方向的改变。
如本文中所使用，术语“自由区”意指且包含STT-MRAM单元内的区，所述区包含磁性材料且在STT-MRAM单元的操作期间具有可切换磁性定向。所述磁性定向可在其中自由区所展现的磁性定向及固定区所展现的磁性定向沿相同方向指向的“平行”方向与其中自由区所展现的磁性定向及固定区所展现的磁性定向沿相互垂直的相反方向指向的“反平行”方向之间切换。
如本文中所使用，为便于描述可使用例如“向上”、“向上指向”等等方向相对术语来描述一个磁性定向或磁性偶极场与另一磁性定向或磁性偶极场的方向关系。除非另有明确指定，否则方向相对术语打算除图中所描绘的方向之外还涵盖定向及场的不同方向。举例来说，如果切换定向，那么描述或图解说明为“向上指向”或“指向上”的磁性定向或磁性偶极场那么将为“向下指向”或“指向下”且描述或图解说明为“向下指向”或“指向下”的磁性定向或磁性偶极场那么将为“向上指向”或“指向上”。因此，术语“向上”涵盖与术语“向下”所涵盖的方向相反的方向。因此，举例来说，术语“向上”可涵盖从南向北及从北向南两者的方向，且术语“向下”可涵盖从北向南及从南向北两者的方向，这分别取决于所属领域的技术人员将明了的其中使用术语的上下文。磁性定向及磁性偶极场可以其它方式定向(旋转90度，倒置等)且相应地解释本文中所使用的方向相对描述语。
如本文中所使用，为便于描述，可使用例如“下方”、“下面”、“下部”、“底部”、“上面”、“上部”、“顶部”、“前部”、“后部”、“左侧”、“右侧”等等空间相对术语来描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中所图解说明。除非另有明确指定，否则空间相对术语打算除图中所描绘的定向之外还涵盖材料的不同定向。举例来说，如果倒置图中的材料，那么描述为在其它元件或特征的“下面”或“下方”或“底下”或“底部上”将定向为在其它元件或特征的“上面”或“顶部上”。因此，术语“下面”可涵盖上面及下面两者的定向，这取决于所属领域的技术人员将明了的其中使用术语的上下文。所述材料可以其它方式定向(旋转90度、倒置等)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述语。
如本文中所使用，对一元件在另一元件的“上”、“上方”或与另一元件“相邻”的提及意指且包含所述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。其还包含所述元件直接在另一元件的顶部上、邻近于另一元件、在另一元件的下方或在另一元件附近，而其之间存在其它元件。相比之下，当称一元件“直接在”另一元件“上”或“直接邻近于”另一元件时，那么不存在介入元件。
如本文中所使用，术语“包括(comprise、comprising)”、“包含(include及/或including)”指定存在所陈述特征、区、整数、阶段、操作、元件、材料、组件及/或群组，但并不排除存在或添加一或多个其它特征、区、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”包括相关联所列示物项中的一者或多者的任一及所有组合。
如本文中所使用，单数形式“一(a及an)”及“所述(the)”还打算包含复数形式，除非上下文另有明确指示。
本文中所呈现的图解说明并非打算作为任何特定材料、组件、区、子区、结构、装置或系统的实际视图，而仅仅是用以描述本发明的实施例的理想化表示。
本文中参考图解说明描述实施例。因此，预期图解说明的形状会因(例如)制造技术及/或公差而有所变化。因此，本文中所描述的实施例不应解释为限于所图解说明的特定形状或区，而是包含由(举例来说)制造产生的形状的偏差。举例来说，图解说明或描述为盒形的区可具有粗糙及/或非线性特征。此外，所图解说明的锐角实务上可为圆角。因此，图中所图解说明的区在本质上及其形状上为示意性的，且并非打算图解说明区的精确形状且并不限制本发明的范围。
以下描述提供特定细节(例如材料类型及处理条件)，以便提供对所揭示装置及方法的实施例的透彻描述。然而，所属领域的技术人员应理解，可在不采用这些特定细节的情况下实践所述装置及方法的实施例。实际上，可结合业内采用的常规半导体制作技术来实践所述装置及方法的实施例。
本文中所描述的制作工艺并不形成用于处理半导体装置结构的完整工艺流程。所属领域的技术人员已知所述工艺流程的其余部分。因此，本文中仅描述理解本发明装置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，否则本文中所描述的材料可通过任何常规技术形成，包含(但不限于)：旋转涂覆、毯覆式涂覆、化学气相沉积(“CVD”)、等离子增强CVD、原子层沉积(“ALD”)、等离子增强ALD或物理气相沉积(“PVD”)。或者，可原位生长所述材料。取决于待形成的特定材料，可由所属领域的技术人员选择用于沉积或生长材料的技术。
现在将参考图式，其中通篇中相似编号指代相似组件。图式未必按比例绘制。
本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包含具有磁性材料与耦合器材料交替(例如，磁性子区与耦合器子区交替)的磁性区。耦合器材料以反铁磁方式耦合相邻磁性子区并实现或促进相邻磁性子区所展现的垂直磁性定向。彼此相邻的磁性子区通过耦合器子区彼此间隔开且展现相反指向的垂直磁性定向。交替的磁性子区及耦合器子区可各自为经配置以形成具有紧凑结构的磁性区(例如，固定区、自由区)的厚度。可减少或消除从所述磁性区发射的磁性偶极场之间对所述存储器单元中的自由区的切换的干扰。
图4图解说明包含与STT-MRAM单元414可操作通信的外围装置412的STT-MRAM系统400，多个STT-MRAM单元414可经制作以取决于系统要求及制作技术而以包含若干个行及列的网格图案或以各种其它布置形成存储器单元阵列。STT-MRAM单元414包含单元核心402、存取晶体管403、可充当数据/感测线404(例如，位线)的导电材料、可充当存取线405(例如，字线)的导电材料及可充当源极线406的导电材料。STT-MRAM系统400的外围装置412可包含读取/写入电路407、位线参考408及感测放大器409。单元核心402包含自由区及固定区，其中非磁性区安置于其之间。自由区及固定区中的一者或两者可包含磁性子区与耦合器子区的交替结构。耦合器子区的耦合器材料以反铁磁方式耦合相邻磁性子区并实现相邻磁性子区所展现的垂直磁性定向。
在使用及操作中，当选择编程STT-MRAM单元414时，将编程电流施加到STT-MRAM单元414，且所述电流由单元核心402的固定区自旋极化并对单元核心402的自由区施加扭矩，此切换自由区的磁化以“写入到”或“编程”STT-MRAM单元414。在STT-MRAM单元414的读取操作中，使用电流来检测单元核心402的电阻状态。由于自由区、固定区或两个区具有磁性子区与耦合器子区的交替结构，因此用以将自由区的磁化从平行配置切换到反平行配置的临界切换电流可与用以将自由区的磁化从反平行配置切换到平行配置的临界切换电流基本上相同。此外，所述交替结构可进一步使得能够使用具有较小垂直尺寸的单元核心402，因此提供改进的可扩缩性及装置密度。磁性子区及耦合器子区的序列可进一步增强包含此交替结构的磁性区的稳定性。
为起始STT-MRAM单元414的编程，读取/写入电路407可产生到数据/感测线404及源极线406的写入电流。数据/感测线404与源极线406之间的电压的极性确定单元核心402中的自由区的磁性定向的切换。一旦根据编程电流的自旋极性将自由区磁化，便将经编程状态写入到STT-MRAM单元414。
为读取STT-MRAM单元414，读取/写入电路407产生穿过单元核心402及存取晶体管403到数据/感测线404及源极线406的读取电压。STT-MRAM单元414的经编程状态与跨越单元核心402的电阻相关，所述电阻可由数据/感测线404与源极线406之间的电压差来确定。在一些实施例中，所述电压差可与位线参考408进行比较且通过感测放大器409来放大。
参考图5，其图解说明根据本发明的实施例的存储器单元的磁性区，例如，固定区530。固定区530包含交替的磁性子区534及耦合器子区538。也就是说，固定区530包含多个磁性子区534，每一磁性子区534通过耦合器子区538中的一者与另一磁性子区534间隔开。耦合器子区538的耦合器材料以反铁磁方式耦合相邻磁性子区534并在其中实现相反指向的垂直磁性定向531、533。因此，一个磁性子区534展现向上的垂直磁性定向531，而通过一个耦合器子区538与所述一个磁性子区534间隔开的相邻磁性子区534展现向下的垂直磁性定向533。交替的磁性子区534及耦合器子区538的数目可经定制以实现固定区530或包括交替结构的其它磁性区的适当操作同时发射很少到不发射杂散磁性偶极场。
磁性子区534的磁性材料可包括铁磁材料或亚铁磁材料。举例来说，在无限制的情况下，磁性子区534的磁性材料可包含Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe或经掺杂合金CoX、CoFeX、CoNiFeX(其中X＝B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C)或其它半金属铁磁材料，例如(举例来说)NiMnSb及PtMnSb。在一些实施例中，磁性子区534的磁性材料可基本上由钴(Co)组成(例如，仅由钴(Co)组成)。
耦合器子区538的耦合器材料经调配且经定位以在相邻磁性子区534之间提供RKKY相互作用。耦合器子区538的耦合器材料进一步经调配且经定位以实现或促进相邻磁性子区534所展现的垂直磁性定向531、533。因此，耦合器子区538的耦合器材料是双重功能性材料。另一方面，(例如)图3中所图解说明的固定区330中的MRAM单元结构的常规磁性区可包含耦合器材料区(例如，耦合器材料338的仅一层)从而以反铁磁方式耦合固定区330的区(即，上部及下部区)同时采用导电材料336(例如钯或铂)的交替层来实现磁性材料334的层内的垂直磁性定向331、333。继续参考图5，由于根据本发明的实施例较少子区包含于固定区530中或利用磁性子区与耦合器子区的交替结构的其它此类磁性区中，因此磁性区(例如，固定区530)的结构可比常规磁性区(例如，图3的固定区330)的结构更紧凑。举例来说，固定区530的高度可为常规固定区(例如，图3的固定区330)的高度的大约一半。在一些实施例中，固定区530或根据本发明的交替结构的其它磁性区可不含钯、铂或两者，因为由常规磁性区中的此类材料实现的功能由根据本发明的磁性区(例如，固定区530)的耦合器子区538的耦合器材料来实现。
耦合器子区538的耦合器材料可由经调配且经定位而以反铁磁方式耦合相邻磁性子区534的一或多个材料形成。举例来说，在无限制的情况下，耦合器子区538的耦合器材料可由钌(Ru)及铑(Rh)中的一或多者形成。
由于磁性定向531、533从一个磁性子区534到相邻磁性子区534沿垂直方向交替，因此固定区530内的磁性子区534中的一者所发射的磁性偶极场可被一个或两个相邻磁性子区534所发射的相反指向的磁性偶极场实质上或完全地抵消。因此，磁性偶极场从固定区530产生并干扰自由区的切换的可能性得以最小化。
磁性子区534及耦合器子区538的厚度可经定制以实现所要结果。在一些实施例中，每一子区534、538分别形成为磁性材料或耦合器材料的单个单层。在其它实施例中，每一子区534、538分别包含磁性材料或耦合器材料的大约一个单层到大约五个单层，例如，大约三个单层。每一子区534、538可界定小于大约1纳米的厚度(例如，高度)。举例来说，磁性子区534可具有小于大约四埃(0.4nm)的厚度(高度)，例如，大约 (0.2nm)到大约(0.3nm)的高度。在那些或其它实施例中，耦合器子区538可具有小于大约(0.6nm)的厚度(例如，高度)，例如，大约(0.3nm)到大约(0.5nm)(例如，大约(0.4nm))的高度。
固定区530或利用磁性子区534与耦合器子区538的交替结构的其它磁性区可通过循序形成耦合器子区538及磁性子区534等(即，形成磁性子区534，然后在磁性子区534上形成耦合器子区538，然后在耦合器子区538上形成另一磁性子区534，然后在另一磁性子区534上形成另一耦合器子区538等)来形成。固定区530或具有交替结构的其它磁性区的最下部及最上部子区可为磁性子区534，如图5中所图解说明。
磁性子区534及耦合器子区538可通过PVD、通过溅镀、通过另一常规材料形成工艺或其任何组合来形成。可在相同制作工具中形成磁性子区534及耦合器子区538。
此后磁性子区534及耦合器子区538的经制作交替结构(图5)可连同安置于上面或下面的其它材料一起经图案化(即，经蚀刻)以形成单元核心结构600，如图6中所图解说明。由于固定区530可不含传统上难以蚀刻的材料(例如钯及铂)，因此图案化固定区530以形成单元核心结构600可比图案化含有例如钯及铂等材料的固定区(例如，图3的固定区330)更容易。相对于分别不具有交替结构的常规固定区(例如，图3的固定区330)或其它磁性区，还可由于交替结构的固定区530或其它磁性区的紧凑结构而使得图案化更容易。
继续参考图6，所得单元核心结构600可包含固定区530下面及上面的单元核心区。举例来说，固定区530可形成于由衬底102支撑的下部导电材料610上方。一或多个下部中间区620可安置于下部导电材料610与固定区530的下部表面之间。下部导电材料610可形成底部电极的部分。下部中间区620可包含非磁性区、过渡区、扩散势垒、缓冲物、兼容性区、常规STT-MRAM单元的其它区或其任何组合。
任选地，过渡区640、参考区650或两者可形成于固定区530上面。过渡区640(如果包含)可包含非磁性材料，例如，钽、钛、其氮化物或其组合。过渡区640可被形成为具有经定制以使得固定区530的最上部磁性子区534(图5)可与参考区650(如果包含于单元核心结构600中)以磁性方式相互作用的厚度。可使用过渡区640(如果包含)来以所要结晶结构形成磁性子区534(图5)及耦合器子区538(图5)。因此，在一些实施例中，交替结构的磁性区(例如，固定区530)可包含磁性子区534(图5)及耦合器子区538(图5)的超品格结构。
参考区650可包含与固定区530的磁性子区534(图5)的磁性材料具有相同或不同的组合物的磁性材料。如果存在，那么参考区650可展现可影响固定区530的净垂直磁性定向的垂直磁性定向。举例来说，参考区650可以磁性方式极化且经定位以展现向下指向的垂直磁性定向。在此情形中，固定区530的最上部磁性子区534(图5)可同样地展现向下指向的垂直磁性定向533(如图5中所图解说明)。在此类实施例中，固定区530内的展现向上指向的垂直磁性定向531的磁性子区534可比展现向下指向的磁性定向533的磁性子区534更厚，以便实现固定区530及参考区650内向下指向的磁性定向533与向上指向的磁性定向531的本质抵消。
继续参考图6，非磁性区660可安置于固定区530与自由区670之间。在单元核心结构600包含参考区650的实施例中，非磁性区660可安置于参考区650与自由区670之间。非磁性区660可包括AlxOy、MgO、AlN、SiN、CaOx、NiOx、HfxOy、TaxOy、ZrxOy、NiMnOx、MgxFy、SiC、SiO2、SiOxNy或上述材料的任何组合。在一些实施例中，非磁性区660可包括电绝缘材料且非磁性区660配置为MTJ。在其它实施例中，非磁性区660可包括导电材料且非磁性区660配置为自旋阀。
自由区670包含可为与固定区530内的磁性子区534(图5)的磁性材料的组合物相同或不同的磁性材料。在一些实施例中，自由区670可为常规自由区，即，不包含磁性子区534(图5)与耦合器子区538(图5)的交替结构的磁性区。
一或多个上部中间区680可形成于自由区670上方，且上部导电区690可形成为单元核心结构600的最上部区。上部中间区680(如果包含)可为上文关于下部中间区620所论述的区中的任何一或多者。上部导电区690可形成顶部电极的一部分，以使得上部导电区690可充当数据/感测线404(图4)。因此，单元核心结构600可实施于图4的STT-MRAM单元414中。
虽然图6将自由区670描绘为安置于固定区530上面，但在其它实施例中，自由区670可安置于固定区530下面。此外，所属领域的技术人员将认识到，可在不变更相应磁性子区(例如，图5的磁性子区534)的功能的情况下相反地图解说明磁性定向(例如，图5的磁性定向531、533)。
图6的单元核心结构600可实现实质上可对称地切换的自由区670，因为固定区530的紧凑交替结构使得从固定区530发射的磁性偶极场得以最小化(例如，归因于磁性子区534(图5)的薄尺寸)，且实质上被抵消(例如，归因于相反定向的磁性子区534(图5)的交替图案)。此外，由于多个单元核心结构600的材料可同时形成并然后进行图案化，因此固定区530的结构可适应形成若干个单元核心结构600，其中在如此形成的单元核心结构600当中具有实质上均匀性。
可在磁性存储器单元的单元核心结构中的别处利用交替结构(即，交替的磁性子区534及耦合器子区538)的磁性区(例如图5及6中所图解说明的固定区530)。交替结构的此类磁性区可经配置以充当额外固定区、充当自由区、充当参考区或其任何组合。交替结构中所利用的子区的数目、材料及尺寸可经定制以分别实现固定区、自由区、参考区或其组合的所要功能性。举例来说，包含于自由区中的子区的数目可为经选择以在MRAM单元的操作期间适应自由区的磁性定向的切换的数目，而包含于固定区中的子区的数目可为经选择以避免在操作期间磁性定向的切换的数目。
此外，虽然如本文中所揭示及描述的交替结构(例如，固定区530(图5)的结构)最小化来自固定区530的杂散磁性偶极场与自由区(例如，图6的自由区670)之间的负面干扰，但单元核心的结构可进一步经配置以最小化此干扰。
举例来说，参考图7，根据本发明的另一实施例，单元核心结构700可包含各自具有上文关于图5所图解说明及论述的交替结构的一个以上固定区530(例如，两个固定区530)。固定区530可基本上对称地安置于自由区670上面及下面。如此，单元核心结构700可经配置以使得由固定区530中的一者朝向自由区670发射的磁性偶极场可被由固定区530中的另一者从另一方向朝向自由区670发射的磁性偶极场抵消。因此，单元核心结构700不仅通过利用磁性子区534(图5)及耦合器子区538(图5)的交替结构而最小化磁性偶极场干扰，而且其相对于自由区670对称地安置固定区530以进一步抵消杂散磁性偶极场。
作为另一实例，参考图8，在根据本发明的实施例的另一单元核心结构800中，自由区870可形成为具有小于固定区530的横向尺寸(例如，宽度)的横向尺寸(例如，宽度)。因此，单元核心结构800可经配置以抑制固定区530所发射的可在固定区530的侧壁附近最强烈地发射的磁性偶极场与如所图解说明可不与固定区530的磁性偶极场从其最强烈地发射的侧壁垂直重叠的自由区870之间的干扰。因此，固定区530及较窄自由区870的交替结构各自最小化对自由区870切换的磁性偶极场干扰。
作为又一实例，参考图9，单元核心结构900可不仅包含具有交替结构的固定区530，还包含具有交替结构的自由区970。交替的磁性子区534(图5)及耦合器子区538(图5)的数目可经定制以确保在操作期间自由区970的磁性定向的可切换性。在一些此类实施例中，自由区970可包含少于固定区530的交替子区。由于交替结构，杂散磁性偶极场的效应可得以进一步最小化。
在其它实施例(例如图10中所图解说明的实施例)中，单元核心结构1000可在自由区970中而非其它磁性区中(例如固定区中)利用交替结构。因此，可结合常规固定区(例如，图3的固定区330)利用本发明的自由区970。然而，交替结构的自由区970可比常规单元核心结构的自由区(例如，图7的自由区670)经历来自杂散磁性偶极场(例如，固定区330所发射的磁性偶极场)的更少切换干扰。
在又一些实施例中，单元核心结构1100的磁性区中的每一者可包含交替结构。因此，固定区530、自由区970及参考区1150中的每一者可包含交替结构磁性子区534(图5)及耦合器子区538(图5)。同样，交替子区的数目、其材料、其尺寸(例如，厚度、宽度)及其相对于其它磁性区的安置可经定制以确保单元核心结构1100的有效操作。举例来说，参考区1150可包含比自由区970少的交替子区，自由区970可包含比固定区530少的交替子区。
因此，本发明揭示一种包括磁性区的存储器单元。所述磁性区包括磁性材料及耦合器材料的交替结构。所述磁性区展现垂直磁性定向。
本发明还揭示一种形成存储器单元、包括形成磁性区的方法。形成磁性区包括形成展现垂直磁性定向的磁性子区。在所述磁性子区上形成耦合器子区。在所述耦合器子区上形成另一磁性子区。所述另一磁性子区展现与所述磁性子区所展现的垂直磁性定向相反指向的另一垂直磁性定向。在所述另一磁性子区上形成另一耦合器子区。
此外，本发明揭示一种包括至少两个磁性区的存储器单元。所述至少两个磁性区中的至少一者包括耦合器子区。所述耦合器子区中的每一者通过展现垂直磁性定向的磁性子区与所述耦合器子区中的另一者分离。
此外，本发明揭示一种包括磁性区的存储器单元，所述磁性区包括多个磁性子区。所述多个磁性子区中的至少一个磁性子区展现具有与所述多个磁性子区中的一对相邻磁性子区所展现的垂直磁性定向相反的垂直磁性定向。
本发明还揭示一种包含至少一个STT-MRAM单元(例如，STT-MRAM单元阵列)的半导体装置结构。参考图12，其图解说明根据本文中所描述的一或多个实施例实施的半导体装置结构1200的简化框图。半导体装置结构1200包含存储器阵列1202及控制逻辑组件1204。存储器阵列1202可包含多个STT-MRAM单元414(图4)，多个STT-MRAM单元414包含上文所论述的单元核心结构600(图6)、700(图7)、800(图8)、900(图9)、1000(图10)、1100(图11)中的任一者，所述单元核心结构600、700、800、900、1000、1100可能已根据上文所描述的方法形成。控制逻辑组件1204可经配置而与存储器阵列1202以操作方式交互以便从存储器阵列1202内的任何或所有存储器单元(例如，STT-MRAM单元414)读取或写入到所述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。所述阵列包括多个STT-MRAM单元。所述多个STT-MRAM单元中的每一STT-MRAM单元包括单元核心，所述单元核心包括展现垂直磁性定向的磁性区。所述磁性区包括耦合器材料的多个间隔开的子区。
本发明还揭示一种包含存储器阵列(例如，存储器阵列1202)的系统。参考图13，其描绘基于处理器的系统1300。基于处理器的系统1300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1300可为多种类型中的任一者，例如计算机、寻呼机、蜂窝式电话、个人组织器、控制电路或其它电子装置。基于处理器的系统1300可包含一或多个处理器1302(例如微处理器)以控制基于处理器的系统1300中的系统功能及请求的处理。处理器1302及基于处理器的系统1300的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1300可包含电力供应器1304。举例来说，如果基于处理器的系统1300是便携式系统，那么电力供应器1304可包含燃料电池、电力回收装置、永久电池、可替换电池及可再充电电池中的一或多者。电力供应器1304还可包含AC适配器；因此，基于处理器的系统1300可插入到(举例来说)壁式插座中。电力供应器1304还可包含DC适配器，以使得基于处理器的系统1300可插入到(举例来说)车载点烟器中。
取决于基于处理器的系统1300执行的功能，可将各种其它装置耦合到处理器1302。举例来说，用户接口1306可耦合到处理器1302。用户接口1306可包含输入装置，例如按钮、开关、键盘、光笔、鼠标、数字化器及手写笔、触摸屏、话音辨识系统、麦克风或其组合。显示器1308也可耦合到处理器1302。显示器1308可包含LCD显示器、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子体显示器、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1310还可耦合到处理器1302。RF子系统/基带处理器1310可包含耦合到RF接收器并耦合到RF发射器的天线(未展示)。一通信端口1312或一个以上通信端口1312也可耦合到处理器1302。通信端口1312可经调适以耦合到例如调制解调器、打印机、计算机、扫描仪或相机等一个或多个外围装置1314，或耦合到(举例来说)例如局域网、远程区域网、内联网或因特网等网络。
处理器1302可通过实施存储于存储器中的软件程序而控制基于处理器的系统1300。举例来说，所述软件程序可包含操作系统、数据库软件、绘图软件、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1302以存储并促进各种程序的执行。举例来说，处理器1302可耦合到系统存储器1316，所述系统存储器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)、赛道存储器及其它已知存储器类型中的一或多者。系统存储器1316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1316通常较大，以使得其可存储动态地加载的应用程序及数据。在一些实施例中，系统存储器1316可包含半导体装置结构(例如图12的半导体装置1200)、包含单元核心结构600(图6)、700(图7)、800(图8)、900(图9)、1000(图10)、1100(图11)或其组合中的任一者的存储器单元。
处理器1302还可耦合到非易失性存储器1318，此并不表明系统存储器1316必需为易失性的。非易失性存储器1318可包含STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如EPROM)、电阻式只读存储器(RROM)及待结合系统存储器1316使用的快闪存储器中的一或多者。非易失性存储器1318的大小通常选择为刚好足够大以存储任何必需操作系统、应用程序及固定数据。另外，非易失性存储器1318可包含高容量存储器，例如磁盘驱动存储器，例如包含(举例来说)电阻式存储器或其它类型的非易失性固态存储器的混合驱动器。非易失性存储器1318可包含半导体装置结构(例如图12的半导体装置1200)、包含单元核心结构600(图6)、700(图7)、800(图8)、900(图9)、1000(图10)、1100(图11)或其组合中的任一者的存储器单元。
因此，本发明揭示一种包括至少一个磁性存储器单元的自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)系统，所述至少一个磁性存储器单元包括磁性区，所述磁性区包括磁性材料的多个子区。所述多个子区中的子区展现与所述多个子区中的另一子区所展现的另一垂直磁性定向相反指向的垂直磁性定向。所述STT-MRAM系统还包括与所述至少一个磁性存储器单元可操作通信的至少一个外围装置。
尽管易于对本发明的实施方案做出各种修改及替代形式，但特定实施例已以实例方式展示于图示中并已在本文中进行详细描述。然而，本发明并非打算限于所揭示的特定形式。而是，本发明涵盖归属于由所附权利要求书及其合法等效内容所界定的本发明范围内的所有修改、组合、等效形式、变化形式及替代形式。

Claims (20)

1.一种半导体装置，其包括：
至少一个存储器单元，所述至少一个存储器单元包括：
磁性区，其包括磁性材料与耦合器材料的交替结构，所述磁性区展现垂直磁性定向。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中磁性材料与耦合器材料的所述交替结构包括所述磁性材料的磁性子区及所述耦合器材料的耦合器子区。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中磁性材料与耦合器材料的所述交替结构包括所述磁性材料的至少三个磁性子区及所述耦合器材料的至少两个耦合器子区。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述磁性子区中的每一者通过所述耦合器子区中的一者与所述磁性子区中的另一者间隔开。
5.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述磁性子区中的每一者展现与所述磁性子区中的相邻磁性子区所展现的垂直磁性定向相反指向的垂直磁性定向。
6.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述磁性子区中的每一者界定小于大约四埃(0.4 nm)的高度。
7.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述至少一个存储器单元包括至少两个磁性区，所述至少两个磁性区包括所述磁性区及另一磁性区。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述至少两个磁性区包括自由区及固定区。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述至少两个磁性区中的至少两者包括所述耦合器子区。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其中所述至少两个磁性区中的一者包括不同于所述至少两个磁性区中的另一者的数目个耦合器子区。
11.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述耦合器材料经调配且经定位以提供与所述磁性材料的直接邻近子区的鲁德曼-基特尔-粕谷-吉田RKKY相互作用。
12.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述耦合器材料经调配而以反铁磁方式耦合所述磁性材料的相邻磁性子区。
13.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的半导体装置，其中所述磁性区不含铂及钯。
14.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的半导体装置，其中所述磁性材料基本上由钴组成。
15.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的半导体装置，其中所述耦合器材料包括钌及铑中的至少一者。
16.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的半导体装置，其中：
所述至少一个存储器单元包括一阵列中的多个存储器单元；且
所述半导体装置进一步包括与所述至少一个磁性存储器单元可操作通信的至少一个外围装置。
17.一种形成存储器单元的方法，所述方法包括：
形成磁性区，包括：
形成展现垂直磁性定向的磁性子区；
在所述磁性子区上形成耦合器子区；
在所述耦合器子区上形成另一磁性子区，所述另一磁性子区展现与所述磁性子区所展现的所述垂直磁性定向相反指向的另一垂直磁性定向；及
在所述另一磁性子区上形成另一耦合器子区。
18.根据权利要求17所述的方法，其中形成磁性区包括形成所述存储器单元的固定区、所述存储器单元的自由区及所述存储器单元的参考区中的一者。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括形成另一磁性区，包括形成通过额外耦合器子区彼此间隔开的额外磁性子区。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括形成安置于所述磁性区与所述另一磁性区之间的非磁性区。
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