CN103119653A - 自旋扭矩转移存储器单元结构及方法 - Google Patents

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Abstract

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的隧穿势垒材料。所述隧穿势垒材料为多铁性材料且所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料定位于第一电极与第二电极之间。

Description

自旋扭矩转移存储器单元结构及方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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来产生必要切换场，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。
发明内容
附图说明
图1A图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图1B图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图1C到1E图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图2A图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图2B图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图3图解说明根据本发明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的隧穿势垒材料。所述隧穿势垒材料为多铁性材料且所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料定位于第一电极与第二电极之间。
本发明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，由于多铁性隧穿势垒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)、多位STT存储器单元容量及与先前STT存储器单元相比的经减小物理占用面积等益处以及其它益处。
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发明的若干个额外实施例。另外，如将了解，图中所提供的所述元件的比例及相对标度打算图解说明本发明的实施例且不应被视为限制意义。
图1A图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构100-1。存储器单元结构10)0)-1包括堆叠结构，所述堆叠结构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之间的隧穿势垒材料108。材料106、108、110及112形成磁性隧穿结(MTJ)元件且定位于第一电极104(例如，顶部电极)与第二电极114(例如，底部电极)之间。在本发明的各种实施例中，MTJ元件的隧穿势垒材料108为多铁性材料108。多铁性材料108可展现耦合的铁电性以及铁磁性及/或反铁磁性。作为实例，多铁性材料108可为BiFeO3(BFO)、TbMn2O5、TbMnO3、Bi4Fe2TiO12或NiBi2O4以及其它多铁性材料。
钉扎铁磁性材料110中所图解说明的箭头指示材料110内的磁化方向。箭头105指示结构100-1的铁磁性存储材料106内的交替磁化方向(例如，与材料110的磁化方向相比，磁化方向105可在平行或反平行定向之间切换)。如所属领域的技术人员将了解，可将自旋极化电流施加到存储器结构100-1(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(Jc)时切换铁磁性存储材料106的磁化方向。不同磁化方向105可对应于STT RAM单元的特定数据状态。
在本发明的一个或一个以上实施例中，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)，此可提供例如减小用于实现所述单元内的磁性极化切换的编程电流的益处以及其它益处。一个或一个以上实施例包含充当与所述STT存储器单元相关联的MTJ元件的隧穿结材料的多铁性材料(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隧穿势垒材料(例如，108)可用于操纵(例如，旋转)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)。作为一实例，流过结构100-1的电流116(例如，编程电流)可产生穿过所述堆叠结构的电场115(例如，在顶部电极104与底部电极114之间产生的电场)。电场115旋转多铁性隧穿势垒材料108内的铁电性极化，此可减小在编程操作期间诱发从平行到反平行(或反之亦然)的磁化105(例如，相对于钉扎铁磁性材料110的磁化方向)的切换所需的电流。在各种实施例中，多铁性隧穿材料108可具有约1纳米(nm)或小于1nm的厚度。然而，材料108的厚度不限于此。例如，材料108的厚度可为适合于执行为自旋极化隧穿材料的各种厚度。
如下文所进一步描述，在各种实施例中，多铁性隧穿势垒材料108内的铁电性极化改变(例如，作为所施加电场的结果)可改变多铁性材料108的反铁磁性及/或铁磁性排序。作为多铁性材料108与铁磁性存储材料106之间的交换耦合的结果，所述多铁性材料的反铁磁性及/或铁磁性排序影响铁磁性存储材料106的磁性极化105。因此，多铁性材料(例如，108)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任一者或两者的耦合)可用于操纵(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)。
在各种实施例中，可使用除顶部电极104及底部电极114之外的一个或一个以上电极来将电场提供到多铁性材料108以便更改铁磁性存储材料106的磁化方向105。如下文所描述，所述额外电极可在STT堆叠结构100-1外部。在一个或一个以上实施例中，所述额外电极可为耦合到STT堆叠100-1的存取装置(例如，垂直存取装置)的栅极电极。
在一些实例中，多铁性隧穿势垒108与铁磁性存储材料106之间的交换耦合可足以切换存储材料106的磁化方向105(例如，从平行或反平行于钉扎材料110的磁化方向到反平行或平行)。在其中多铁性材料108与存储材料106之间的交换耦合不足以诱发存储材料106的磁化方向105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)。
作为一实例，除顶部电极104及底部电极114之外，图1B中所图解说明的STT存储器单元结构100-2还包含电极119-1及119-2。电极119-1及119-2在图1A中所展示的STT堆叠结构100-1外部。在此实例中，电极119-1及119-2经配置以将电场120提供到多铁性隧穿势垒材料108(例如，由于电极119-1与119-2之间的所施加电压差)。电场120影响多铁性材料108的反铁磁性排序，此可更改铁磁性存储材料106的可切换磁化方向105，如上文所描述。箭头117表示多铁性隧穿势垒材料108的可切换铁电性极化方向。
STT结构100-2包含定位于电极119-1与多铁性材料108的外边缘部分之间的电介质材料123-1及定位于电极119-2与多铁性材料108的对置外边缘部分之间的电介质材料123-2。电介质材料123-1及123-2可为氧化物材料或其它电介质材料，且可防止对多铁性隧穿势垒材料108的损害。
在一些实施例中，可响应于电极119-1/119-2中的一者与电极104/114中的一者之间的所施加电压而将电场施加到多铁性材料108。在各种实施例中，此电场可足以更改材料106的磁化方向105(例如，由于多铁性材料108中的所诱发极化改变所致的所述多铁性材料与材料106之间的交换耦合)。
图1C到1E图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构100-3。存储器结构100-3包含图1A中所展示的耦合到存取装置125的STT堆叠结构100-1。在此实例中，所述存取装置为从衬底101形成或在其上形成的垂直场效晶体管(VFET)125。所述衬底可为硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底或蓝宝石上硅(SOS)衬底等等。
如连同图1A及1B一起描述，STT结构100-3包含定位于顶部电极104与底部电极114之间的MTJ元件。所述MTJ的隧穿势垒材料108为多铁性材料。在此实例中，多铁性隧穿势垒材料108位于垂直存取装置125的第一栅极电极118-1与第二栅极电极118-2之间。多铁性隧穿势垒材料108与铁磁性存储材料106及钉扎铁磁性材料110接触。多铁性材料108的第一边缘部分与铁磁性存储材料106的第一边缘部分对准，且多铁性材料108的第二边缘部分与铁磁性存储材料106的第二边缘部分对准。
栅极电极118-1及118-2经配置以与对STT存储器单元执行的编程操作相关联地将电场120提供到多铁性材料108。在此实例中，对应于VFET125的栅极氧化物122-1/122-2使多铁性隧穿势垒材料108与相应栅极电极118-1/118-2绝缘。如上文所描述，磁化方向105为可切换的(例如，在相对于钉扎材料110的磁化方向的平行定向与反平行定向之间)。电场120的方向影响多铁性材料108的铁电性极化方向117，此可诱发多铁性材料108与铁磁性材料106之间的反铁磁性交换耦合，此可借此更改材料106的磁化方向105。
例如，图1D的实施例图解说明经由栅极电极118-1与118-2之间的所施加电压差提供到STT结构100-3的电场120-1。箭头117-1指示由于所施加电场120-1在多铁性隧穿势垒材料108内的所诱发铁电性极化方向。箭头105-1指示对应于MTJ的铁磁性存储材料106的磁化方向(例如，在此实例中，平行于钉扎铁磁性材料110的磁化方向)。材料108内的所诱发铁电性极化117-1影响多铁性材料108的反铁磁性排序，此继而影响铁磁性存储材料106的磁化方向105-1。箭头117-1及105-1为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
图1E中所图解说明的实施例图解说明经由栅极电极118-1与118-2之间的所施加电压差提供到STT结构100-3的电场120-2。箭头117-2指示由于所施加电场120-2在多铁性隧穿势垒材料108内的所诱发铁电性极化方向。箭头105-2指示对应于所述MTJ的铁磁性存储材料106的磁化方向(例如，反平行于钉扎铁磁性材料110的磁化方向)。在此实例中，由于电场120-2所致的多铁性材料108与存储材料106之间的所诱发交换耦合足以切换存储材料106的磁化方向105(例如，从图1D中所展示的平行定向105-1到图1E中所展示的反平行定向105-2)。箭头112-1及105-2为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
如上文所提及，在一个或一个以上实施例中，电极(例如，118-1与118-2)之间的电场(例如，120-2)可不足以完全切换铁磁性存储材料106的磁化105。然而，在此些情形中，可在存储材料106内诱发剩余磁矩，此可减小对STT存储器单元中的切换的势垒。例如，由于在所施加电场120-2下多铁性隧穿势垒材料108与存储材料106之间的交换耦合而减小用以诱发磁化切换(例如，从方向105-1到105-2)的所需编程电流密度。
在一个或一个以上实施例中，栅极电极118-1/118-2可形成“环绕栅极”结构。例如，电极118-1/118-2可卷绕存取装置125。在一些此类实施例中，电极118-1/118-2可为可环绕存取装置125及/或多铁性材料(例如，108)的单个栅极电极。
图2A图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构200-1。存储器单元结构200-1为包括堆叠结构的多位结构，所述堆叠结构包含定位于第一铁磁性存储材料206-1与第一钉扎铁磁性材料210-1之间的第一多铁性隧穿势垒材料208-1。结构200-1包含定位于第二铁磁性存储材料206-2与第二钉扎铁磁性材料210-2之间的第二多铁性隧穿势垒材料208-2。反铁磁性材料212位于钉扎铁磁性材料210-1与210-2之间。因此，材料206-1、208-1、210-1及212形成定位于顶部电极204与底部电极214之间的第一MTJ元件。类似地，材料206-2、208-2、210-2及212形成定位于顶部电极204与底部电极214之间的第二MTJ元件。在此实例中，第一铁磁性存储材料506-1与顶部电极204接触且第二铁磁性存储材料506-2与底部电极214接触。
钉扎铁磁性材料210-1及210-2中所图解说明的箭头指示相应材料210-1及210-2内的磁化方向。箭头205-1及205-2指示结构200-1的相应铁磁性存储材料206-1及206-2内的交替磁化方向(例如，与相应钉扎材料210-1及210-2的磁化方向相比，磁化方向205-1及205-2可在平行或反平行定向之间切换)。
电流216可表示施加到存储器结构200-1的自旋极化电流(例如，以垂直于电极204与214之间的平面配置的电流)。电流216产生旋转多铁性隧穿势垒材料208-1及208-2的铁电性极化的电场215，此可减小诱发相应铁磁性存储材料506-1及506-2的磁化方向205-1及205-2的切换所需的临界电流密度(Jc)的量值。
如上文所描述，响应于所施加电场的多铁性材料208-1/208-2与铁磁性存储材料206-1/206-2之间的交换耦合可影响铁磁性存储材料206-1/206-2的磁性极化205-1//205-2。作为一实例，图2B中所图解说明的STT结构200-2包含堆叠结构，例如耦合到垂直存取装置225的结构200-1。VFET225的栅极电极218-1及218-2经配置以将电场(例如，220)提供到多铁性隧穿势垒材料208-1及208-2以便更改铁磁性存储材料206-1的磁化方向205-1及/或更改铁磁性存储材料206-2的磁化方向205-2。栅极氧化物材料222-1/222-3使第一及第二MTJ元件与栅极电极218-1/218-2绝缘。
在图2B中所图解说明的实例中，所提供电场220导致磁化方向205-1及205-2具有相对于钉扎铁磁性材料210-1及210-2的磁化的反平行配置。箭头217-1及217-2分别指示由于所施加电场220所致的多铁性材料208-1及208-2的所诱发铁电性极化方向。如上文所描述，所诱发极化217-1及217-2可有助于(例如，影响)由于多铁性隧穿势垒材料208-1/208-2与相应铁磁性存储材料206-1/206-2之间的交换耦合所致的磁化方向205-1及205-2。箭头217-1、217-2、205-1及205-2为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
在各种实施例中，第一多铁性隧穿势垒材料208-1可具有与第二多铁性隧穿势垒材料208-2不同的铁电极化性。多铁性材料208-1/208-2之间的不同铁电极化性可导致与特定多铁性材料相关联的不同电压需要。因此，产生足以旋转多铁性材料(例如，208-1及208-2)内的反铁磁性及/或铁磁性次序的电场(例如，220)所需的栅极电极218-1与218-2之间的所施加电压差可取决于多铁性材料的类型而变化。作为一实例，第一多铁性隧穿势垒材料208-1可为BiFeO3(BFO)且第二多铁性隧穿势垒材料208-2可为TbMn2O5或具有不同于多铁性材料208-1的铁电极化性的铁电极化性的另一多铁性材料。在一些此类实施例中，提供到堆叠结构200-2的特定电场(例如，220)可足以切换第一与第二铁磁性存储材料206-1/206-2中的一者的磁化方向，但不足以切换另一铁磁性存储材料5206-1/206-2的磁化方向。因此，磁化方向205-1与205-2的相对定向可经由所施加电场(例如，220)来控制。
磁化方向205-1与205-2的不同相对定向可对应于堆叠结构200-2的不同电阻值，所述不同电阻值又可对应于多个不同数据状态。举例来说，可通过提供穿过堆叠200-2的读取电流(例如，经由如图3中所描述的位线及源极线)并确定与其相关联的电阻电平(例如，经由位线与源极线之间的所感测电压差)来执行读取操作。作为一个实例，当磁化205-1及205-2两者均反平行于钉扎铁磁性材料210-1及210-2的磁化(例如，如图2B中所展示)时，结构200-2的电阻电平可对应于第一多位数据状态(例如，“11”)。在此实例中，当磁化205-1反平行于材料210-1且磁化205-2平行于材料210-2时，结构200-2的电阻电平可对应于第二多位数据状态(例如，“10”)；当磁化205-1平行于材料210-1且磁化205-2反平行于材料210-2时，结构200-2的电阻电平可对应于第三多位数据状态(例如，“01”)；且当磁化205-1及205-2两者均平行于材料210-1及210-2时，结构200-2的电阻电平可对应于第四多位数据状态(例如，“00”)。
本文中所描述的电极(例如，104、114、118-1、118-2、119-1、119-2、204、214、218-1、218-2)可由各种传导材料或复合结构制成，举例来说，包含但不限于钛(Ti)、TiN(氮化钛)、TaN(氮化钽)、铜、铱、铂、钌、钽及/或钨。作为一实例，在一个或一个以上实施例中，底部电极(例如，114、214)可包含种子材料或可包含种子材料/传导材料/覆盖材料复合配置。
尽管实施例不限于特定材料，但铁磁性存储材料(例如，106、206-1、206-2)可为(举例来说)CoFeB、NiFe或经反铁磁性耦合的材料(例如CoFeB/Ru/CoFeB)。隧穿势垒材料(例如，108、208-1、208-2)可为(举例来说)MgO、Al2O3或其它磁性绝缘体。钉扎铁磁性材料(例如，110、210-1、210-2)可为(举例来说)Fe、FeNi、Co、FeB、CoFeB或各种合成反铁磁性(SAF)结构(例如CoFe/Ru/CoFe或CoFe/Ru/CoFeB)。反铁磁性材料(例如，112、212)可为(举例来说)NiO、CoO、FeMn、PtMn、IrMn或NiMn。多铁性隧穿势垒材料(例如，108、208-1、208-2)可为(举例来说)BiFeO3(BFO)、TbMn2O5、TbMnO3、Bi4Fe2TiO12或NiBi2O4。
图3图解说明根据本发明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350的一部分。STT RAM单元可包含耦合到存取晶体管325的STT存储器单元结构(例如，例如上文所描述的结构100-1、100-2、100-3、200-1及200-2)。存取晶体管325可为例如图1A到1C及图2B中所展示的所述垂直FET的垂直FET。
在此实例中，阵列350包含位线352、字线354、源极线356、读取/写入电路360、位线参考366及读出放大器362。STT存储器结构300可包含一个或一个以上MTJ元件。如上文所描述，STT存储器结构300的MTJ元件可包含为多铁性材料(例如，108、208-1、208-2)的隧穿势垒材料。
在操作中，可选择将STT存储器单元结构300编程。可经由跨越对应于结构300的电极(例如，电极118-1、118-2、119-1、119-2、218-1、218-2)施加的电压差提供电场以便诱发结构300的多铁性隧穿势垒材料的磁性极化改变，此导致结构300的所述铁磁性存储材料内的对应磁化改变。在各种实例中，所施加电场可足以切换所述存储材料的磁化方向(例如，在不将额外编程电流提供到所述单元的情况下)。
在其中所施加电场不足以诱发铁磁性存储材料的磁化的完全切换的实例中，可将编程电流施加到所述单元，且所述电流可由单元结构300的钉扎铁磁性材料自旋极化以使得对所述铁磁性存储材料(例如，铁磁性存储材料106、206-1、206-2)施加扭矩(例如，除由于所述铁磁性存储材料与和其接触的一个或一个以上多铁性材料之间的交换耦合而提供到所述存储材料内的磁矩的扭矩之外的扭矩)，此可切换所述铁磁性存储材料的磁化以编程(例如，写入到)所述单元。以此方式，电场的施加可用于减小切换STT存储器单元的铁磁性存储材料内的磁化方向所需的编程电流(例如，临界切换电流)。
在其中使用编程电流的编程操作中，读取/写入电路360可产生到位线352及源极线356的编程电流。一旦根据所述编程电流的自旋极性磁化铁磁性存储材料，即将经编程状态写入到STT RAM单元。
为读取STT RAM单元，读取/写入电路360产生到位线352及穿过结构300及晶体管325到源极线356的读取电流。STT RAM单元的经编程状态取决于跨越结构300的电阻，所述电阻可由位线352与源极线356之间的电压差来确定。在一个或一个以上实施例中，所述电压差可与参考366进行比较并由读出放大器362放大。
本发明的一个或一个以上实施例可经由所施加电场诱发STT RAM单元内的磁化切换，此可提供各种益处。例如，若干实施例可减小诱发STT RAM单元中的磁化切换所需的电流密度。若干实施例还可帮助防止热诱发的磁性切换，此可提供与STT RAM单元相关联的可靠性及/或稳定性增加以及其它益处。若干实施例可包含具有用于编程的减小的电流密度需要的多位STT存储器单元结构且可具有与先前STT存储器单元相比减小的物理占用面积以及其它益处。
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的隧穿势垒材料。所述隧穿势垒材料为多铁性材料且所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料定位于第一电极与第二电极之间。
尽管本文中已图解说明并描述了特定实施例，但所属领域的技术人员将了解，经计算以实现相同结果的布置可替代所展示的特定实施例。本发明打算涵盖本发明的各种实施例的更改或变化形式。应理解，已以说明性方式而非限定性方式作出以上说明。在审阅以上说明之后，所属领域的技术人员将明了以上实施例的组合及本文中未具体描述的其它实施例。本发明的各种实施例的范围包含其中使用以上结构及方法的其它应用。因此，本发明的各种实施例的范围应参考所附权利要求书以及此权利要求书授权的等效物的全部范围来确定。
在前述具体实施方式中，出于简化本发明的目的，将各种特征一起组合于单个实施例中。本发明的此方法不应解释为反映本发明的所揭示实施例必须使用比明确陈述于每一权利要求中更多的特征的意图。而是，如所附权利要求书反映：发明性标的物在于少于单个所揭示实施例的所有特征。因此，借此将所附权利要求书并入到具体实施方式中，其中每一权利要求独立地作为单独实施例。

Claims (31)

1.一种自旋扭矩转移STT存储器单元结构，其包括：
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；
其中所述隧穿势垒材料为多铁性材料，且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定位于第一电极与第二电极之间。
2.根据权利要求1所述的存储器单元结构，其包含第三电极，所述第三电极经配置以响应于所述第三电极与所述第一电极及所述第二电极中的至少一者之间的所施加电压而将电场提供到所述多铁性材料。
3.根据权利要求2所述的存储器单元结构，其中提供到所述多铁性材料的所述电场足以：
诱发所述多铁性材料的反铁磁性及/或铁磁性排序的改变；及
提供所述多铁性材料与所述铁磁性存储材料之间的反铁磁性交换耦合及/或铁磁性交换耦合以使得更改所述铁磁性存储材料的磁化。
4.根据权利要求2所述的存储器单元结构，其中所述第三电极为垂直存取装置的栅极。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其包含第三电极及第四电极，所述第三电极及所述第四电极经配置以响应于施加于所述第三电极与所述第四电极之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。
6.根据权利要求5所述的存储器单元结构，其中所述第三电极及所述第四电极中的至少一者为垂直存取装置的栅极。
7.根据权利要求5所述的存储器单元结构，其中电介质材料定位于所述多铁性材料与所述第三电极及所述第四电极之间。
8.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其中所述多铁性材料与所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料接触。
9.根据权利要求1所述的存储器单元结构，其中所述多铁性材料为铁酸铋(BiFeO3)。
10.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其中所述多铁性材料具有约1纳米(nm)或小于1nm的厚度。
11.一种自旋扭矩转移STT存储器单元，其包括：
堆叠结构，其包含：
第一磁性隧穿结MTJ元件，其定位于顶部电极与底部电极之间，其中所述第一MTJ的隧穿势垒材料为第一多铁性材料；
第二MTJ元件，其定位于所述顶部电极与所述底部电极之间，其中所述第二MTJ的隧穿势垒材料为第二多铁性材料；及
存取装置，其耦合到所述堆叠结构。
12.根据权利要求11所述的存储器单元，其中所述存取装置为垂直存取装置，且其中所述第一多铁性材料及所述第二多铁性材料位于所述垂直存取装置的第一栅极电极与第二栅极电极之间。
13.根据权利要求12所述的存储器单元，其中所述第一栅极电极及所述第二栅极电极经配置以与对所述STT存储器单元执行的编程操作相关联地将电场提供到所述第一MTJ及所述第二MTJ的所述隧穿势垒材料。
14.根据权利要求11所述的存储器单元，其中：
所述第一多铁性材料定位于与所述第一MTJ元件相关联的第一铁磁性存储材料与第一钉扎铁磁性材料之间；且
所述第二多铁性材料定位于与所述第二MTJ元件相关联的第二铁磁性存储材料与第二钉扎铁磁性材料之间。
15.根据权利要求14所述的存储器单元，其中所述堆叠结构包含定位于所述第一钉扎铁磁性材料与所述第二钉扎铁磁性材料之间的反铁磁性材料。
16.根据权利要求14所述的存储器单元，其中所述第一铁磁性存储材料与所述顶部电极接触且所述第二铁磁性存储材料与所述底部电极接触。
17.根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述第一多铁性材料及所述第二多铁性材料具有不同的铁电极化性。
18.一种自旋扭矩转移STT存储器单元，其包括：
磁性隧穿结MTJ元件，其定位于顶部电极与底部电极之间，其中所述MTJ的隧穿势垒材料为多铁性材料；及
垂直存取装置，其耦合到所述MTJ元件。
19.根据权利要求18所述的存储器单元，其中所述多铁性材料位于所述垂直存取装置的第一栅极电极与第二栅极电极之间。
20.根据权利要求19所述的存储器单元，其中所述第一栅极电极及所述第二栅极电极中的至少一者经配置以与对所述STT存储器单元执行的编程操作相关联地将电场提供到所述多铁性材料。
21.根据权利要求18到20中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含：
第一边缘部分，其与所述MTJ元件的铁磁性存储材料的第一边缘部分对准；及
第二边缘部分，其与所述MTJ元件的所述铁磁性存储材料的第二边缘部分对准。
22.一种操作自旋扭矩转移STT存储器单元的方法，所述方法包括：
通过将电场提供到所述STT存储器单元的第一磁性隧穿结MTJ元件的第一多铁性隧穿势垒材料来更改所述第一MTJ元件的第一自由铁磁性存储材料的磁化方向。
23.根据权利要求22所述的方法，其中更改所述第一自由铁磁性存储材料的所述磁化方向包含将所述磁化方向从第一配置切换到第二配置。
24.根据权利要求23所述的方法，将所述磁化方向从所述第一配置切换到所述第二配置包含以下各项中的至少一者：
将所述磁化方向从平行于所述MTJ元件的钉扎铁磁性材料的磁化方向的配置切换到反平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的磁化方向；及
将所述磁化方向从反平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的配置切换到平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的磁化方向。
25.根据权利要求22所述的方法，其包含确定由提供到所述第一多铁性隧穿势垒材料的所述电场诱发的所述STT存储器单元的状态。
26.根据权利要求22所述的方法，其包含随后提供穿过所述STT存储器单元的编程电流。
27.根据权利要求22所述的方法，其中将所述电场提供到所述第一多铁性隧穿势垒材料包含在对应于所述STT存储器单元的垂直存取装置的第一栅极电极与第二栅极电极之间施加电压差。
28.根据权利要求22到27中任一权利要求所述的方法，其包含通过将所述电场提供到所述STT存储器单元的第二MTJ元件的第二多铁性隧穿势垒材料来更改所述第二MTJ元件的第二自由铁磁性存储材料的磁化方向。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述STT存储器单元包含底部电极、顶部电极、第一额外电极及第二额外电极，且其中将所述电场提供到所述第一多铁性隧穿势垒材料及所述第二多铁性隧穿势垒材料包含在所述第一额外电极与所述第二额外电极之间施加电压差。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一额外电极及所述第二额外电极为与所述STT存储器单元相关联的垂直存取装置的栅极电极。
31.根据权利要求22到27中任一权利要求所述的方法，其包含响应于经提供而穿过所述STT存储器单元的读取电流来确定所述STT存储器单元的数据状态。
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