具有对称切换及单方向电流编程的自旋力矩转移磁性存储器单元结构

摘要

本发明提供用于使用单向及／或对称编程电流来编程自旋力矩转移磁性随机存取存储器STT-MRAM单元的技术。单向编程电流沿一个方向流动穿过所述STT-MRAM单元的自由区域以沿至少两个不同方向切换所述自由区域的磁化。对称编程电流使用实质上类似电流量值将所述自由区域的所述磁化切换到所述两个不同方向中的任一者。在一些实施例中，所述STT-MRAM单元包含：两个固定区域，其各自具有沿相反方向的固定磁化；及自由区域，其经配置以被磁化切换为与所述固定区域中的一者的所述磁化平行或反平行。将所述自由区域切换到不同磁化方向可涉及将所述编程电流引导穿过所述两个经相反磁化固定区域中的一者。

说明书

技术领域

本发明的实施例一般来说涉及存储器，且更特定来说，涉及经配置以用于对称及单 向编程的STT-MRAM单元。

背景技术

本章节打算向读者介绍可与下文描述及／或所主张的本发明的各种方面相关的技术 的各种方面。据信，本论述有助于向读者提供背景信息以促进对本发明的各种方面的较 佳理解。因此，应理解，这些陈述应以此观点来阅读，而非作为对先前技术的认可。

磁性随机存取存储器(MRAM)是基于磁阻的非易失性存储器技术。不同于将数据存 储为电荷的典型随机存取存储器(RAM)技术，MRAM数据是通过磁阻元件来存储。通常， MRAM单元中的磁阻元件由两个磁性区域构成，所述两个磁性区域中的每一者保持磁 化。一个区域(“钉扎区域”)的磁化沿其磁性定向为固定的，且另一区域(“自由区域”) 的磁化可通过由编程电流产生的外部磁场而改变。因此，编程电流的磁场可致使两个磁 性区域的磁性定向平行(跨越磁阻元件给出较低电阻(“0”状态))或反平行(跨越MRAM 单元的磁阻元件给出较高电阻(“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提供典型MRAM单元的写入及读取操作。

自旋力矩转移MRAM(STT-MRAM)单元是通过改变磁阻元件的磁化而编程的另一 类型的存储器单元。所述STT-MRAM单元是通过将编程电流传输穿过包含自由区域及 钉扎区域的磁性单元堆叠而被写入的。所述编程电流由钉扎区域极化。接着，自旋极化 的电流对自由区域施加力矩，从而切换自由区域的磁化。自由区域的磁化可经对准以平 行或反平行于钉扎区域，且改变跨越堆叠的电阻状态。

通常，双向编程电流用以将自由区域磁化从与固定区域的磁化平行改变到与其反平 行及从与固定区域的磁化反平行改变到与其平行。为将自由区域磁化从平行于固定区域 的磁化改变到反平行于固定区域的磁化，电子从自由区域流动到固定区域，且来自具有 与固定区域的磁化相反的自旋的固定区域的经反射电子用以切换自由区域的磁化。与在 其流动穿过固定区域时被自旋极化的电子相比，可从固定区域反射具有与固定区域的磁 化相反的自旋的较少电子。因此，将自由区域磁化从与固定区域的磁化平行改变到与其 反平行通常使用比将自由区域磁化从与固定区域的磁化反平行改变到与其平行大的编 程电流(例如，以具有较大数目个具有与固定区域的磁化相反的自旋的经反射电子)。单 元编程中的此不对称性可导致制造及／或操作STT-MRAM单元时的各种效率低下。

发明内容

附图说明

在以下详细描述中且参考图式来描述某些实施例。

图1是具有经编程以具有平行于固定区域的磁化的磁化的自由区域的STT-MRAM 单元结构的图解说明；

图2是具有经编程以具有反平行于固定区域的磁化的磁化的自由区域的 STT-MRAM单元结构的图解说明；

图3是绘制经估计编程电流的图表的图解说明，所述经估计编程电流经采用以将自 由区域切换为具有平行及反平行于固定区域的磁化的磁化，如图1及2中所图解说明；

图4是根据本发明技术的实施例经配置以用于对称编程的STT-MRAM单元结构的 图解说明，所述STT-MRAM单元结构经编程以具有在参考固定区域与自由区域之间平 行的磁化；

图5是根据本发明技术的实施例经配置以用于对称编程的STT-MRAM单元结构的 图解说明，所述STT-MRAM单元结构经编程以具有在参考固定区域与自由区域之间反 平行的磁化；

图6是根据本发明技术的实施例经配置以用于非磁性区域中的自旋积累的 STT-MRAM单元结构的图解说明；

图7A到7J是根据本发明技术的实施例用于形成经配置以用于对称编程的 STT-MRAM单元的技术的沿x方向及沿y方向的一系列侧视图的图解说明；且

图8是根据本发明技术的实施例使用图7A到7E中所表示的技术形成的 STT-MRAM单元结构的图解说明。

具体实施方式

通常通过改变磁性存储器单元中的磁性电阻来编程所述单元。举例来说，磁性存储 器单元(本文中称为单元)可包含磁性材料的区域。在编程期间，所述单元的一个磁性区 域(称为“自由区域”)可进行磁化切换，且另一磁性区域(称为“钉扎区域”)可保持磁化 固定。通常，自由区域磁化可在两个相反方向之间切换为平行或反平行于钉扎区域磁化。 当自由区域与钉扎区域的磁化平行时，跨越所述区域的电阻可为低的，且当自由区域与 钉扎区域的磁化反平行时，跨越所述区域的电阻可为高的。因此，可通过切换自由区域 的磁化而将磁性存储器单元编程到低电阻状态或高电阻状态。

此磁性存储器单元的一个实例是自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM) 单元。图1及2中表示编程STT-MRAM单元(称为单元结构)的可编程结构。图1是经 编程到第一状态的单元结构的图解说明，其中自由区域14与固定区域10的磁化是平行 的，且图2是经编程到第二状态的单元结构的图解说明，其中自由区域14与固定区域 10的磁化是反平行的。

通常，编程例如图1及2中所图解说明的单元结构的单元结构利用双向编程电流。 双向编程电流可指代沿第一方向施加穿过自由层14以将自由层14的磁化切换到第一方 向(例如，切换为与固定层10的磁化平行)且沿第二(例如，相反)方向施加穿过自由层14 以将自由层14的磁化切换到第二状态(例如，切换为与固定层10的磁化反平行)的编程 电流。

更具体来说，如图1中所图解说明，从自由区域14的右侧施加编程电流I_p16。编 程电流16的电子18可沿与编程电流16的方向相反的方向(即，从自由区域14的左侧) 传播。通过固定区域10的电子18经自旋极化以具有固定区域10的自旋极性，如由上 指箭头20所表示。具有固定区域10的自旋极性20的电子18可传播穿过非磁性区域12 以将自由区域14的磁化切换为具有平行(如由自由区域14中的上指箭头所表示)于固定 区域10的磁化的磁化，借此将单元编程到第一状态。

为将单元编程到第二状态，可从自由区域14的左侧施加编程电流16，如图2中所 图解说明。编程电流16的电子18可沿与编程电流16的方向相反的方向(即，从自由区 域14的右侧)传播。电子18可通过自由区域14及非磁性区域12。由于自由区域14及 非磁性区域12可不具有强烈固定极性，因此电子18可在到达固定区域10之前仍为实 质上未极化的。一旦电子18到达固定区域10，电子18中的一些电子便可由固定区域 10自旋极化且从固定区域10反射。经反射电子18可具有与固定区域10的自旋极性相 反的经反射自旋极性22，如由下指箭头22所表示。具有固定区域10的相反自旋极性 22的经反射电子可传播穿过非磁性区域12以将自由区域14的磁化切换为具有反平行 (如由自由区域14中的下指箭头所表示)于固定区域10的磁化的磁化，借此将单元编程 到第二状态。

在如图1及2中所图解说明的此类典型单元配置中，且当使用具有相同量值的编程 电流时，由固定区域10反射以具有与固定区域10的磁化相反的自旋极化的电子18的 量可小于传播穿过固定区域10以具有固定区域10的自旋极化的电子18的量。因此， 可利用比用以将自由区域14的磁化从与固定区域10的磁化反平行切换为与其平行的编 程电流高的编程电流来将自由区域14的磁化从与固定区域10的磁化平行切换为与其反 平行。

图3的曲线图30绘制在单元结构直径范围32(以nm为单位)内的编程电流范围(以 μA为单位)34，所述编程电流用于将自由区域14磁化从反平行于固定区域10的磁化切 换到平行于固定区域10的磁化，如由绘图36所指示(称为切换到第一状态)，且所述编 程电流用于将自由区域14的磁化从平行于固定区域10的磁化切换到反平行于固定区域 10的磁化，如由绘图38所指示(称为切换到第二状态)。如由曲线图30所指示，用于切 换到第二状态的编程电流(绘图36)显著高于用于切换到第一状态的编程电流(绘图36)。

使用用于将单元编程到第二状态的双向编程电流及／或较高电流量值操作 STT-MRAM单元可归因于各种效率低下。借助双向编程电流编程单元可涉及能够双向 操作的感测放大器，所述感测放大器可比用于单方向操作的电路效率更低。此外，能够 双向操作的电路可比用于单方向操作的电路占用更多硅空间。使用较高电流量值来将单 元编程到第二状态(与将所述单元编程到第一状态相比)称为不对称编程。不对称编程可 降低单元的稳定性，因为在将高电压与低电压施加穿过自由区域之间切换可增加等待时 间及对自由层的干扰。

本发明技术的一个或一个以上实施例包含具有经配置以用于借助单向编程电流进 行对称编程的单元结构的STT-MRAM单元。单向编程电流指代通过沿一个方向将编程 电流引导穿过自由区域以使自由区域的磁化在两个不同方向之间切换来编程 STT-MRAM单元结构。在一些实施例中，可沿一个方向将单向编程电流施加穿过自由 层以将单元编程到第一状态，且可沿相同方向将单向编程电流施加穿过自由层以将单元 编程到第二状态。对称编程指代使用实质上类似电流量值将自由区域的磁化切换到两个 不同方向中的任一者。

图4及5中图解说明适合于对称单向编程的STT-MRAM单元结构的实施例。图4 是经编程到第一状态的单元结构40的图解说明，其中自由区域14的磁化与参考固定区 域10a的磁化平行，且图5是经编程到第二状态的单元结构40的图解说明，其中自由 区域14的磁化反平行于参考固定区域10a的磁化。如本文中所使用，参考固定区域10a 可用于描述具有两个固定区域10的实施例，其中通过跨越自由区域14及两个固定区域 10中的特定参考固定区域10a的电阻来判定STT-MRAM单元结构的经编程状态。

如图4及5中所图解说明，一些实施例可包含两个固定区域10a及10b，每一固定 区域具有固定到另一固定区域的相反方向的磁化，如由固定区域10a及10b中的每一者 中的相反指向箭头所表示。非磁性区域12可安置于两个固定区域10a与10b之间。在 一些实施例中，自由区域14可安置于非磁性区域12上方，且顶部电极42可安置于自 由区域14上方。在一些实施例中，隧道势垒可安置于自由区域14与非磁性区域12之 间。此外，自由区域14可通过电介质材料44与固定区域10a及10b分离。

在一些实施例中，固定区域10a及10b以及自由区域14可包含相同或不同材料。 举例来说，固定区域10及自由区域14中的每一者可包含磁性材料或铁磁材料，例如 Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe或经掺杂合金CoX、CoFeX、CoNiFeX(X= B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C)或例如Fe₃O₄、CrO₂、NiMnSb、PtMnSb及BiFeO 等其它半金属铁磁材料或以上材料的任何组合。

非磁性区域12可适合于使固定区域10a、固定区域10b及自由区域14彼此分离且 适合于实质上防止在固定区域10a、10b与自由区域14的磁化之间耦合。举例来说，非 磁性区域12可包含导电非磁性材料(例如Cu、Au、Ta、Ag、CuPt、CuMn)、非导电非 磁性材料(例如Al_xO_y、MgO_x、AlN_x、SiN_x、CaO_x、NiO_x、HfO_x、Ta_xO_y、ZrO_x、NiMnO_x、 MgF_x、SiC、SiO_x、SiO_xN_y)或以上材料的任何组合。

根据本发明技术，可借助单向编程电流来编程单元结构40。单向编程电流可沿一个 方向通过自由区域14以将自由区域14的磁化切换为与固定区域10a或10b中的一者的 磁化平行或反平行。

图4是编程STT-MRAM单元结构40使得自由区域14具有与参考固定区域10a平 行的磁化的图解说明。在一些实施例中，沿从自由区域14到非磁性区域12到固定区域 10a的方向施加编程电流(I_p)16。编程电流16的电子18可沿与编程电流16的方向相反 的方向从固定区域10a传播穿过非磁性区域12穿过自由区域14且到达顶部电极42。在 一些实施例中，取决于单元结构40将被写入成的状态，可通过偏置固定区域10a及10b 以及顶部电极42的导电引线来控制电子18的路径。举例来说，为将单元结构40写入 到第一状态，如图4中所图解说明，可将固定区域10a接地同时使固定区域10b浮动或 以与非磁性区域12相同的电位进行偏置，使得编程电流16的方向及电子18的传播可 在固定区域10a、非磁性区域12与自由区域14之间流动(而不穿过固定区域10b)。在一 些实施例中，取决于单元结构40的编程状态，可将固定区域10a及10b中的每一者耦 合到底部电极及／或到接地的开关以使其接地或被偏置。

通过固定区域10a的电子18经自旋极化以具有固定区域10a的自旋极性，其由上 指箭头表示。具有固定区域10a的自旋极性20a的电子18可穿过非磁性区域12朝向自 由区域14传播以将自由区域14的磁化切换为具有平行(如由自由区域14中的上指箭头 所表示)于参考固定区域10a的磁化的磁化，借此将单元编程到第一状态。

图5是编程STT-MRAM单元结构40使得自由区域14具有与参考固定区域10a反 平行且平行于固定区域10b的磁化的图解说明。为将单元编程到第二状态，可沿从自由 区域14到非磁性区域12到固定区域10b的方向施加编程电流16。编程电流16的电子 18可沿与编程电流16的方向相反的方向从固定区域10b传播穿过非磁性区域12、穿过 自由区域14且到达顶部电极42。在一些实施例中，可将固定区域10b接地同时使固定 区域10a浮动或以与非磁性区域12相同的电位进行偏置，使得电子18在固定区域10b、 非磁性区域12与自由区域14之间流动(而不穿过固定区域10a)。

通过固定区域10b的电子18经自旋极化以具有固定区域10b的自旋极性20b，其由 下指箭头表示。具有固定区域10b的自旋极性20的电子18可穿过非磁性区域12朝向 自由区域14传播以将自由区域14的磁化切换为具有反平行(如由自由区域14中的下指 箭头所表示)于参考固定区域10a的磁化的磁化，借此将单元编程到第二状态。

在一些实施例中，尽管可取决于单元结构40的编程状态而朝向固定区域10a或10b 中的任一者引导编程电流16，但可朝向固定区域10a或10b中的仅一者引导读取电流而 不管单元结构40的经编程状态如何。因此，可相对于固定区域10a或固定区域10b中 的一个固定磁化读取自由区域14的经切换磁化。在图4及5中所图解说明的实施例中， 相对于固定区域10a的固定磁化读取自由区域14的磁化定向。在不同实施例中，还可 相对于不同固定磁化定向(例如，固定区域10b的磁化)读取自由区域14的磁化。

一个或一个以上实施例还可涉及在编程期间在单元结构40的非磁性区域12中产生 自旋过滤效应，如图6中所图解说明。所述自旋过滤效应可指代经自旋极化电子跨越铁 磁材料与非磁性材料界面流动的行为及／或经自旋极化电子从非磁性材料与铁磁材料界 面反射的行为。如图6中所图解说明，电子18可正沿从固定区域10a穿过铁磁／非磁性 界面46到非磁性区域12的方向传播。电子18可被自旋极化到固定区域10a的磁化， 且经自旋磁化电子可积累于非磁性区域12中。电子18还可在非磁性／铁磁界面48处经 反射以自旋极化到与固定区域10b的磁化相反的方向。因此，从非磁性／铁磁界面48反 射的电子18的自旋极化还可被自旋极化到与由固定区域10a自旋极化的电子18相同的 方向。沿固定区域10a的磁化的方向(由图6的非磁性区域12中的上指箭头所指示)积累 经自旋极化电子可进一步影响自由区域14的切换。在一些实施例中，用于编程自由区 域14的编程电流16可由于非磁性区域12中的自旋过滤效应而被调整或减小。

图7A到7J中提供用于形成图4到6中所图解说明的单元结构40的工艺。工艺步 骤由在电介质材料58中形成三个STT-MRAM单元结构40时的中间结构从x方向的侧 视图(标示为50x、60x、66x、68x及72x)及从y方向的对应侧视图(标示为50y、60y、 66y、68y及72y)表示。为简化工艺，图7A到7J中所表示的工艺图解说明沿x方向(例 如，一行单元结构的视图)及y方向(例如，一列单元结构的视图)中的每一者的三个单元 的侧视图，但可由所描述的工艺形成任何数目个单元。

所述工艺以在衬底58中形成晶体管54及侧栅极56开始，如视图50x及50y(图7A 及7B)中所图解说明。衬底58可包含用于分离不同单元结构的电介质材料(且还可称为 电介质58)或任何其它适合材料。在一个实施例中，可使用光刻及干蚀刻工艺来使衬底 58凹入。可使用例如氮化钛(TiN)等适合金属来在凹部中形成侧栅极56，且可在两个侧 栅极56之间沉积或形成经P掺杂硅54(如视图50y中所图解说明)以在衬底58的凹部中 形成晶体管54。在一些实施例中，例如氮化硅(SiN)等牺牲材料52可用作用于形成视图 50x及50y中所图解说明的结构的蚀刻掩模。如图7C及7D中所图解说明，接着，所述 工艺可涉及移除牺牲材料52且在晶体管54上方沉积或形成经N掺杂硅62并在经N掺 杂硅62上方沉积或形成导电材料64(例如，CoSi₂或任何其它适合金属导电材料)，如视 图60x及60y中所图解说明。经N掺杂硅62及导电材料64可形成垂直晶体管54的漏 极。

可在导电材料64上方形成顶部电极42，如图7E及7F的视图66x及66y中所图解 说明。可通过沉积适合导电材料(例如TiN、W等)来形成顶部电极42。在一些实施例中， 可沿着凹部的侧壁在顶部电极42上方沉积电介质58。电介质58可充当间隔件以减小沉 积于电介质58的内周界内的材料的直径。如视图66x及66y中所图解说明，可在顶部 电极42上方及由电介质58形成的间隔件内形成自由区域14，且可在自由区域14上方 沉积非磁性材料12。

如图7G及7H中所图解说明，接着，所述工艺可涉及在每一单元结构上方形成非 磁性区域12。可通过沉积非磁性材料且将所述非磁性材料图案化成若干线而形成非磁性 区域12，使得在一行单元结构上方形成非磁性区域12的线，如视图68y中所图解说明。 如视图68x中所图解说明，可在用于每一单元结构的非磁性区域12的任一侧上形成固 定区域10a及10b，且可在固定区域10a及10b中的每一者的相对侧上形成金属带70。 固定区域10a及10b的铁磁材料可通过保形沉积而形成且可后续接着间隔件蚀刻或间隔 件形成工艺。此外，金属带70可经配置以降低固定区域10a及10b的电阻且可包含适 合导电金属(例如，TiN、W等)。金属带70还可保形地沉积于固定区域10a及10b上方 且可后续接着间隔件形成工艺。接着，可通过交叉线图案化来图案化非磁性区域12的 行以形成个别单元结构40，如图7I及7J的视图72x及72y中所图解说明。

图8是通过图7A到7J中所图解说明的工艺形成的STT-MRAM单元结构40的较大 视图的图解说明。图4到6及图8包含适合于对称编程及／或借助单向编程电流进行编程 的STT-MRAM单元结构的一个或一个以上实施例。图7A到7J包含形成单元结构40 的一个或一个以上实施例。根据本发明技术，实施例可包含可适合于对称编程及／或单向 编程的单元结构40的其它配置。此外，各实施例还包含图7A到7J中所图解说明的工 艺的变化形式。举例来说，各种类型的掩模、蚀刻及／或沉积技术可适合于根据本发明技 术形成单元结构40的不同区域。

应注意，尽管图4到6及图8中所图解说明的实施例将磁化定向描绘为相对于页面 沿z方向指向(例如，上指及下指箭头)，但本发明技术并不限于任何特定磁化定向。在 一些实施例中，与图4到6及图8中的所描绘磁化定向相比，自由区域14以及固定区 域10a及10b的磁化定向可沿不同方向(例如，沿x方向或y方向)。在此些实施例中， 自由区域14磁化定向可对应于固定区域10a及10的磁化定向且经编程以平行或反平行 于固定区域10a或10b，从而指示存储器单元的不同经编程状态。

如本文中所使用，当描述单元结构40的配置及／或用于形成单元结构40的技术(例 如，图7A到7J)时，例如“在…上方”、“在…下面”、“形成于…上方”、“形成于… 下方”、“安置于…上方”或“安置于…下方”等术语仅指代所描述结构或工艺的一个 可能定向且并不将本发明实施例限制于任何特定定向。举例来说，与图8中所图解说明 的单元结构40相比，图4到6中所图解说明的单元结构40可具有翻转定向(例如，沿着 x方向)。

此外，如本文中所使用，当称一区域“形成于另一区域上方”、“形成于另一区域 下方”、“安置于另一区域上方”、“安置于另一区域下方”或“安置于另一区域”时， 可存在形成或安置于那些区域之间的介入区域。举例来说，在一些实施例中，自由区域 14可安置于非磁性区域12上方，且隧道势垒15可安置于自由区域14与非磁性区域12 之间。相反地，如果称一层或材料“直接形成于…上”、“直接形成于…下方”、“直 接安置于…上”、“直接安置于…下方”、“直接沿着…安置”、“与…直接接触”或 “触碰”，那么所述材料或层在其间不包含任何介入材料或层。

尽管可易于对本发明作出各种修改及替代形式，但已在图式中通过举例方式展示且 已在本文中详细地描述特定实施例。然而，应理解，本发明并非打算限制于所揭示的特 定形式。而是，本发明将涵盖归属于如由所附权利要求书所界定的本发明的精神及范围 内的所有修改、等效内容及替代方案。