[发明专利]存储器单元、半导体装置结构、包括此类单元的系统及制造方法

说明书

优先权声明

本申请案主张2012年3月22日申请的第13/427,339号美国专利申请案“存储器单元、半导体装置结构、包括此类单元的系统及制造方法(Memory Cells，Semiconductor Device Structures，Systems Including Such Cells，and Methods of Fabrication)”的申请日期的权益。

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。更特定地说，本发明涉及特征是自旋扭矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)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。MRAM是非易失性的且因此可在存储器装置不被供电时维持存储器内容。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(“钉扎区域”)的磁化在其磁定向上固定，且另一区域(“自由区域”)的磁化定向可改变。因此，编程电流可使得两个磁性区域的磁定向平行，从而给出较低的跨越磁阻元件的电阻(其可定义为“0”状态)，或使得两个磁性区域的磁定向反向平行，从而给出较高的跨越MRAR单元的磁阻元件的电阻(其可定义为“1”状态)。自由区域的磁定向的切换及所得的跨越磁阻元件的高电阻状态或低电阻状态提供典型MRAM单元的写入及读取操作。

一种类型的MRAM单元是自旋扭矩转移MRAM(STT-MRAM)单元。常规的STT-MRAM单元可包括磁性单元核，所述磁性单元核可包括磁性穿隧接面(MTJ)或自旋阀结构。MTJ是磁阻数据存储元件，所述磁阻数据存储元件包括两个磁性区域(一个是钉扎的且一个是自由的)及两者之间的非磁性、电绝缘区域，其可通过数据线(例如，位线)、存取线(例如，字线)及存取晶体管存取。自旋阀具有与MTJ类似的结构，区别在于自旋阀在两个磁性区域之间具有导电区域。

在操作中，编程电流可流经存取晶体管及磁性单元核。所述单元核内的钉扎区域使编程电流的电子自旋极化，且当自旋极化电流穿过所述核时产生扭矩。自旋极化电子流通过在自由区域上施加扭矩来与所述自由区域相互作用。当穿过核的自旋极化电子流的扭矩大于自由区域的临界切换电流密度(J_c)时，由自旋极化电子流施加的扭矩足以切换自由区域的磁化方向。因此，编程电流可用于引起自由区域的磁化与钉扎区域的磁化平行或反向平行而对准，且当在平行与反向平行之间切换自由区域的磁化时，跨越核的电阻状态被改变。

常规的STT-MRAM单元的自由区域及钉扎区域展现与区域的宽度水平(也称为“平面内”)的磁化定向。因此，磁化定向与由支撑STT-MRAM单元的衬底的主表面界定的平面平行(或反向平行)。这些较宽的、平面内STT-MRAM单元具有大占据面积，使得所述单元低于二十五纳米的缩放成为艰巨的任务。

垂直定向的STT-MRAM单元可需要比平面内STT-MRAM单元小的单元宽度，从而容纳较大的单元封装。并且，与平面内STT-MRAM单元相比，垂直定向的STT-MRAM单元的相关联垂直磁化(在本领域中也称为垂直磁性各向异性(“PMA”))可具有极大地减少的所需的切换电压。因此，已努力形成其中钉扎区域及自由区域展现垂直磁化定向的垂直定向(“平面外”)的STT-MRAM单元。然而，找到及实施用于单元核的合适材料及设计以实现垂直磁化定向已成为艰巨的任务。

发明内容

揭示存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元核。所述磁性单元核包括展现引起垂直磁化定向的应变的自由区域。

还揭示包括单元核的存储器单元。所述单元核包括处于展现垂直磁化定向的应变状态中的自由区域。所述单元核还包括钉扎区域及安置在所述自由区域与所述钉扎区域之间的另一区域。

还揭示形成存储器单元的方法。所述方法包括形成单元核及将应力施加至所述单元核以影响单元核内的材料展现的磁化定向。