自旋扭矩转移存储器单元结构及方法技术

本文中描述自旋扭矩转移STT存储器单元结构及方法。一个或一个以上STT存储器单元结构包含：隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般来说涉及半导体存储器装置、方法及系统，且更明确地说涉及自旋扭矩转移(STT)存储器单元结构及方法。
技术介绍
通常提供存储器装置作为计算机或其它电子装置中的内部半导体集成电路。存在许多不同类型的存储器，包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、快闪存储器、电阻可变存储器(例如相变随机存取存储器(PCRAM)及电阻式随机存取存储器(RRAM))及磁性随机存取存储器(MRAM)(例如自旋扭矩转移随机存取存储器(STT RAM))等等。MRAM装置可采用可由于磁矩的不同相对定向(例如，平行及反平行)而被视为多状态电阻器的磁性隧穿结(MTJ)，所述磁性隧穿结可改变穿过所述装置的电流的量值。在写入过程中，可使用由穿过传导线(例如，字线及位线)的电流所致的磁场来切换所述MTJ的“自由”材料的磁矩方向，此可将所述装置置于高或低电阻状态中。然后可使用读取过程来确定单元的状态。随着MRAM单元的大小减少，邻近单元之间的距离也减少，此可导致由用于切换磁矩方向的电流携载线所致的单元干扰增加。作为一实例，与MRAM装置相关联的写入电流可为约10mA，随着MRAM单元及电流携载线的大小减少，此可为困难的。例如，较小宽度线可需要较大电流以产生必要切换场，此增加电力消耗。STT装置共享先前MTJ单元的操作特征中的一些操作特征；然而，可通过自旋极化电流自身的通过产生自由材料磁矩的切换(例如，写入过程)。例如，优先地极化穿过使其磁矩沿给定方向定向的第一磁性材料(例如，“钉扎”材料)的非极化传导电子，此通过使所述非极化传导电子通过与所述材料中的极化束缚电子的量子机械交换相互作用穿过所述材料而实现。从经磁化材料的表面反射的传导电子以及穿过其的所述传导电子可发生此极化。此极化过程的效率可取决于所述材料的结晶结构。当此经极化传导电子流随后穿过其极化方向在空间中不固定的第二磁性材料(例如，“自由”材料)时，所述经极化传导电子对所述磁性材料中的束缚电子施加扭矩，所述扭矩如果充足那么可使所述束缚电子的极化反向且借此使所述磁性材料的磁矩反向。使用所述单元内部的电流来致使磁矩反向提供与产生外部磁场(例如，从邻近电流携载线)所需的所述电流相比较小的电流(例如，约200微安)以产生力矩切换。然而，用于产生STT RAM单元中的磁矩切换的电流的进一步减小可提供益处，例如进一步减小与此些单元相关联的材料中的能量消耗及热分布(此可改进单元完整性及可靠性)以及其它益处
技术实现思路
附图说明图1A到IE图解说明根据本专利技术的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。图2A到2C图解说明根据本专利技术的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。图2D图解说明根据本专利技术的实施例穿过图2A到2C中所展示的切割线A的若干个实例性俯视横截面图。图3A到3C图解说明根据本专利技术的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。图4图解说明根据本专利技术的实施例具有一个或一个以上STT存储器单元结构的存储器阵列的一部分。具体实施例方式本文中描述自旋扭矩转移(STT)存储器单元结构及方法。一个或一个以上STT存储器单元结构包含:隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。本专利技术的实施例提供各种益处，例如经由所施加电场提供STT存储器单元内的磁性切换(例如，由于多铁性材料和与所述单元相关联的铁磁性存储材料接触之间的交换耦合)。与先前STT存储器单元相比，实施例还可提供减小的编程电流。实施例还可提供例如在切换时的数据可靠性及/或稳定性增加(例如，通过防止热诱发的磁性切换)以及其它益处。本文中的图遵循编号惯例，其中第一个数字或前几个数字对应于图式图编号，且其余数字识别图式中的元件或组件。不同图之间的类似元件或组件可通过使用类似数字来识别。举例来说，在图1中104可指代元件“04”，且在图2中类似元件可指代为204。如将了解，可添加、交换及/或省略本文中各种实施例中所展示的元件以便提供本专利技术的若干个额外实施例。另外，如将了解，图中所提供的元件的比例及相对标度打算图解说明本专利技术的实施例且不应被视为限制意义。图1A到IE图解说明根据本专利技术的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。图1A到IC中所图解说明的存储器单元结构100-1包含定位于第一电极104 (例如，顶部电极)与第二电极114(例如，底部电极)之间的磁性隧穿结(MTJ)元件。所述MTJ元件包含定位于铁磁性存储材料106与和反铁磁性材料112接触的钉扎铁磁性材料110之间的隧穿势鱼材料108。钉扎铁磁性材料110中所图解说明的箭头指示材料110中的磁化方向。结构100-1的铁磁性存储材料106中的箭头105指示材料106中的交替磁化方向(例如，平行或反平行于材料HO的磁化方向)。如所属领域的技术人员将了解，可将自旋极化电流施加到MTJ元件(例如，以垂直于电极104与114之间的平面配置的电流)，此可在超过临界切换电流密度(J。)时切换铁磁性存储材料106的磁化方向。磁化的不同方向105可对应于STT RAM单元的特定数据状态。本专利技术的一个或一个以上实施例可经由电场的施加来更改及/或控制STT存储器单元中的“自由”磁性材料的磁性极化(例如,铁磁性存储材料106的磁化方向105)，此可减小用于实现磁性极化切换的编程电流以及其它益处。一个或一个以上实施例包含与MTJ的铁磁性存储材料接触的多铁性材料(例如，铁电性反铁磁性多铁性材料及/或铁电性铁磁性多铁性材料)。将电场施加到多铁性材料可用于操纵多铁性材料内的反铁磁性排序及/或铁磁性排序(例如，通过改变耦合到多铁性材料内的铁磁性及/或反铁磁性排序的铁电性排序)。多铁性材料(例如，116-1及116-2)与铁磁性存储材料(例如，106)之间的交换耦合影响铁磁性存储材料的磁性极化(例如，105)。因此，可使用多铁性材料(例如，116-1及116-2)内的铁性次序参数的固有耦合(例如，铁电性次序参数与铁磁性及反铁磁性次序参数中的一者或两者耦合)来操纵(例如，切换)耦合到其的铁磁性材料(例如，106)的磁性极化(例如，105)。在一些实例中，多铁性材料与铁磁性存储材料之间的交换耦合(例如，反铁磁性及/或铁磁性交换耦合)可足以切换存储材料的磁化方向(例如，从平行到反平行或反之亦然)。在其中多铁性材料与存储材料之间的交换耦合不足以诱发所述存储材料的磁化方向的完全切换的实例中，可诱发可减小诱发STT存储器单元中的完全切换所需的电流的“磁矩”。此外，所诱发的磁矩可提供在切换时的数据可靠性及/或稳定性增加(例如，通过防止热诱发的磁性切换)。在图1A到IC中所图解说明的实例中，存储器单元结构100-1包含与铁磁性存储材料106接触的多铁性材料116-1及与铁磁性存储材料106接触的多铁性材料116-2。结构100-1包含第三电极118-1及第四电极118-2。电极118-1及118-2经配置以将电场提供到多铁性材料116-1及116-2。即，电极118-1与1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】...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·J·克拉梅尔，居尔泰·S·桑德胡，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：
国别省市：