多铁辅助电压控制磁各向异性存储器设备及其制造方法技术

一种磁性存储器设备包含第一电极、第二电极和位于第一电极与第二电极之间的层叠堆。该层叠堆包含参考层、隧道势垒层、自由层和包含至少一种晶粒的磁电多铁层。该磁电多铁层的磁化可以是轴向的、侧倾的或平面内的。对于磁电多铁层的轴向或侧倾磁化，可通过与磁电多铁层的磁化的轴向分量耦合来实现自由层的确定性切换。替代地，磁电多铁层的平面内磁化可用于诱导自由层的磁化角度的进动。诱导自由层的磁化角度的进动。诱导自由层的磁化角度的进动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多铁辅助电压控制磁各向异性存储器设备及其制造方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年8月27日提交的第17/004,534号美国非临时专利申请以及2020年8月27日提交的第17/004,690号美国非临时专利申请的优先权权益；该等专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。


[0003]本公开大体上涉及磁性(例如，自旋)存储器设备领域，且确切地说涉及包含多铁层的磁阻随机存取存储器(“MRAM”)设备以及其制造方法。

技术介绍

[0004]磁阻存储器设备可存储采用第一构型和第二构型的电阻差的信息，在第一构型中，铁磁自由层的磁化方向平行于铁磁参考层的磁化，在第二构型中，自由层的磁化方向反平行于参考层的磁化。对磁阻存储器设备进行编程需要采用各种外部电源来翻转自由层的磁化方向，这些外部电源本质上可为磁性的或可采用自旋转移机制。
[0005]电压控制磁各向异性(VCMA)是指其中自由层的垂直磁各向异性与位于磁性隧道结中的自由层上的外部施加电压具有一级相关性的效应，该磁性隧道结包含自由层与铁磁参考层之间的介电隧道势垒层。介电隧道势垒层的厚度可至少为1nm，这减小了低于在编程期间切换自由层的磁化方向所需的临界电流的流动穿过介电隧道势垒层的隧穿电流。因此，所施加的电压用于切换自由层的磁化方向。所施加的电压在一个偏置方向上降低能量垂直磁各向异性，且在另一个偏置方向上将其提高。然而，VCMA编程是非确定性的，且需要精确控制施加电压脉冲的时机以获得自由层的所要磁化方向。

技术实现思路
r/>[0006]根据本公开的一方面，提供了一种磁性存储器设备，其包括：第一电极；第二电极；和层叠堆，其位于第一电极与第二电极之间且从一侧到另一侧依次包括：参考层、隧道势垒层、自由层和包含至少一种晶粒的磁电多铁层，该至少一种晶粒沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的第一倾斜角的第一倾斜方向具有易磁化轴，轴向方向垂直于自由层与隧道势垒层之间的界面。
[0007]根据本公开的另一方面，一种对磁性存储器设备进行编程的方法包含应用第一编程电压模式且应用第二编程电压模式，该第一编程电压模式包括量值大于足以切换磁电多铁层的磁化方向的矫顽电压的第一正电压，该第二编程电压模式包括量值大于矫顽电压的负电压，接着是量值小于矫顽电压的第二正电压。
[0008]在一个实施方案中，第一正电压将磁电多铁层的磁化方向确定地编程为平行于参考层的磁化方向，且第一正电压的量值足以减弱自由层的垂直磁各向异性，这允许自由层将其磁化方向切换成平行于参考层的磁化方向。负电压将磁电多铁层的磁化方向确定地编程为反平行于参考层的磁化方向，且负电压增强自由层的垂直磁各向异性，使得自由层无
法切换其磁化方向。第二正电压的量值不足以切换磁电多铁层的磁化方向，且第二正电压的量值足以减弱自由层的垂直磁各向异性，这允许自由层将其磁化方向确定地切换成反平行于参考层的磁化方向。
[0009]根据本公开的又一方面，一种磁性存储器设备包括第一电极、第二电极和位于第一电极与第二电极之间的层叠堆，且从一侧到另一侧依次包括参考层、隧道势垒层、自由层和具有平面内磁化方向的电压控制磁各向异性(VCMA)辅助结构。
附图说明
[0010]图1是根据本公开的实施方案的磁性隧道结设备的随机存取阵列的示意图。
[0011]图2A是根据本公开的第一实施方案的形成之后的第一示例性结构的竖直剖面图。
[0012]图2B是根据本公开的第一实施方案的第一示例性结构的替代实施方案的竖直剖面图。
[0013]图3A是具有铁电极化和磁矩的BiFeO3晶胞的透视图。
[0014]图3B示出图3A的BiFeO3晶胞的铁电极化与磁矩方向之间的相对空间定向。
[0015]图4A是根据本公开的第一实施方案的在第一编程状态下的第一示例性结构的竖直剖面图。
[0016]图4B是根据本公开的第一实施方案的在第二编程状态下的第一示例性结构的竖直剖面图。
[0017]图5是示出根据本公开的第一实施方案的磁电多铁层的轴向铁电极化的变化的图。
[0018]图6A是示出根据本公开的方面的用于将第一示例性结构的磁性存储器单元编程为第一磁性状态的第一电压脉冲模式的图。
[0019]图6B是示出根据本公开的方面的用于将第一示例性结构的磁性存储器单元编程为第二磁性状态的第二电压脉冲模式的图。
[0020]图7A是根据本公开的第一实施方案的形成之后的第二示例性结构的竖直剖面图。
[0021]图7B是根据本公开的第一实施方案的第二示例性结构的替代实施方案的竖直剖面图。
[0022]图8是根据本公开的第二实施方案的第二示例性结构的另一替代实施方案的竖直剖面图。
[0023]图9A是根据本公开的第二实施方案的在第一磁性状态下的第二示例性结构的竖直剖面图。
[0024]图9B是根据本公开的第二实施方案的在第二磁性状态下的第二示例性结构的竖直剖面图。
[0025]图10A是根据本公开的第二实施方案的用于感测第二示例性结构的磁性存储器设备的磁性状态的感测电压模式的图。
[0026]图10B是根据本公开的第二实施方案的用于对第二示例性结构的磁性存储器设备的磁性状态进行编程的编程电压模式的图。
具体实施方式
[0027]本公开的实施方案涉及一种含有磁电多铁层的电压控制磁各向异性存储器设备及其操作方法，其各个方面在下文详细描述。磁电多铁层提供确定性VCMA编程机制(例如，其中自由层的磁化方向不取决于编程电压脉冲的持续时间)和/或提供由磁电多铁层的晶体特性确定的精确控制的平面内辅助磁场。
[0028]附图未按比例绘制。在其中示出元件的单个实例的情况下可以重复元件的多个实例，除非明确地描述或以其他方式清楚地指出不存在元件的重复。序号诸如“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于标识类似的元件，并且在本公开的整个说明书和权利要求书中可采用不同序号。术语“至少一个”元件是指包括单个元件的可能性和多个元件的可能性的所有可能性。相同的附图标号表示相同的元件或相似的元件。除非另有说明，具有相同附图标号的元件被假定具有相同的组成和相同的功能。除非另外指明，否则元件之间的“接触”是指提供元件共享的边缘或表面的元件之间的直接接触。如果两个或更多个元件彼此或彼此之间不直接接触，则这两个元件彼此“分离”或彼此“之间分离”。如本文所用，定位在第二元件“上”的第一元件可以定位在第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。如本文所用，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在物理接触，则第一元件“直接”定位在第二元件上。如本文所用，如果在第一元件和第二元件之间存在由至少一种导电材料构成的导电路径，则第一元件“电连接到”第二元件。如本文所用，“原型”结构或“过程中”结构是指随后在其中至少一个部件的形状或组成中被修改的瞬态结构。
[0029]如本文所用，“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可在下层或上覆结构的整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁性存储器设备，所述磁性存储器设备包括：第一电极；第二电极；和层叠堆，所述层叠堆位于所述第一电极与所述第二电极之间且从一侧到另一侧依次包括：参考层、隧道势垒层、自由层和包含至少一种晶粒的磁电多铁层，所述至少一种晶粒沿轴向方向或沿相对于所述轴向方向具有小于90度的第一倾斜角的第一倾斜方向具有易磁化轴，所述轴向方向垂直于所述自由层与所述隧道势垒层之间的界面。2.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，其中所述磁电多铁层的所述至少一种晶粒沿所述轴向方向或沿相对于所述轴向方向具有小于90度的第二倾斜角的第二倾斜方向具有易铁电极化轴。3.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，所述磁性存储器设备进一步包括编程电路，所述编程电路被配置成在所述第一电极与所述第二电极之间施加编程电压模式，其中所述编程电压模式包括：第一编程电压模式，所述第一编程电压模式包括具有第一极性且量值大于足以切换所述磁电多铁层的磁化方向的矫顽电压的第一电压；和第二编程电压模式，所述第二编程电压模式包括具有与所述第一极性相反的第二极性且量值大于所述矫顽电压的第二电压，随后是具有所述第一极性且量值小于所述矫顽电压的第三电压。4.根据权利要求3所述的磁性存储器设备，其中：所述第一电压包括第一正电压，所述第一正电压将所述磁电多铁层的所述磁化方向确定性地编程为平行于所述参考层的磁化方向；并且所述第一正电压的量值足以降低所述自由层的垂直磁各向异性，这允许所述自由层将其磁化方向确定地切换成平行于所述参考层的所述磁化方向。5.根据权利要求4所述的磁性存储器设备，其中：所述第二电压包括负电压，所述负电压将所述磁电多铁层的所述磁化方向确定性地编程为反平行于所述参考层的所述磁化方向；并且所述负电压增强了所述自由层的所述垂直磁各向异性，使得所述自由层无法切换其磁化方向。6.根据权利要求5所述的磁性存储器设备，其中：所述第三电压包括第二正电压，所述第二正电压的量值不足以切换所述磁电多铁层的所述磁化方向；并且所述第二正电压的量值足以降低所述隧道势垒层与所述自由层之间的所述界面处的所述垂直磁各向异性，以允许所述自由层将其磁化方向确定地切换成反平行于所述参考层的磁化方向。7.根据权利要求6所述的磁性存储器设备，其中：第一正电压脉冲的量值介于0.5V与2V之间；负电压脉冲的量值介于
‑
0.5V与
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2V之间；并且第二正电压脉冲的量值介于0.3V与1V之间，且其绝对值小于所述负电压脉冲的绝对值。
8.根据权利要求6所述的磁性存储器设备，其中所述自由层的所述磁化方向耦合到所述磁电多铁层的所述磁化方向。9.根据权利要求6所述的磁性存储器设备，其中：所述磁性存储器设备通过所述第一编程电压模式被编程为较低电阻状态；并且所述磁性存储器设备通过所述第二编程电压模式被编程为较高电阻状态。10.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，其中所述磁电多铁层的所述至少一种晶粒的所述易磁化轴沿着所述轴向方向。11.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，其中所述磁电多铁层的所述至少一种晶粒的所述易磁化轴沿着所述第一倾斜方向。12.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，其中所述层叠堆进一步包括邻近所述参考层定位的SAF结构。13.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，其中所述层叠堆进一步包括非磁性导电覆盖层，所述非磁性导电覆盖层接触所述磁电多铁层和所述电极和所述第二电极中的一者。14.根据权利要求1所述的磁性存储器设备，其中：所述隧道势垒层包括厚度为1nm至2nm的介电层；并且所述磁电多铁层包括选自BiFeO3、h
‑
YMnO3、BaNiF4、PbVO3、BiMnO3、LuFe2O4、HoMn2O5、h
‑
HoMnO3、h
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ScMnO3、h
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ErMnO3、h
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TmMnO3、h
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YbMnO3、h
‑
LuMnO3、K2SeO4、Cs2CdI4、TbMnO3、Ni3V2O8、MnWO4、CuO、ZnCr2Se4、LiCu2O2或Ni3B7O
13
I的材料。15.根据权利要求14所述的磁性存储器设备，其中所述磁电多铁层包括厚度为1nm或更小的BiFeO3层。16.一种对根据权利要求1所述的磁性存储器设备进行编程的方法，其包括：施加第一编程电压模式，所述第一编程电压模式包括具有第一极性且量值大于足以切换所述磁电多铁层的磁化方向的矫顽电压的第一电压；以及施加第二编程电压模式，所述第二编程电压模式包括具有与所述第一极性相反的第二极性且量值大于所述矫顽电压的第二电压，随后是具有所述第一极性且量值小于所述矫顽电压的第三电压。17.根据权利要求16所述的方法，其中：所述第一电压包括第一正电压，所述第一正电压将所述磁电多铁层的所述磁化方向确定性地编程为平行于所述参考层的磁化方向；并且所述第一正电压的量值足以降低所述隧道势垒层与所述自由层之间的界面处的垂直磁各向异性，以允许所述自由层将其磁化方向确定地切换成平行于所述参考层的所述磁化方向。18.根据权利要求17所述的方法，其中：所述第二电压包括负电压，所述负电压将所述磁电多铁层的所述磁化方向确定性地编程为反平行于所述参考层的所述磁化方向；所述负电压增强了所述自由层的所述垂直磁各向异性，使得所述自由层无法切换其磁化方向；所述第三电压包括第二正电压，所述第二正电压的量值不足以切换所述磁电多铁层的所述磁化方向；并且
所述第二正电压的量值足以降低所述隧道势垒层与所述自由层之间的所述界面处的所述垂直磁各向异性，以允许所述自由层将其磁化方向确...

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：西部数据技术公司，
类型：发明
国别省市：