TWI500026B - 自旋轉矩轉移記憶體單元結構及方法 - Google Patents

自旋轉矩轉移記憶體單元結構及方法 Download PDF

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Description

自旋轉矩轉移記憶體單元結構及方法
本發明一般而言係關於半導體記憶體裝置、方法及系統，且更特定而言係關於自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構及方法。
通常提供記憶體裝置作為電腦或其他電子裝置中之內部半導體積體電路。存在諸多不同類型之記憶體，包含隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)、快閃記憶體、電阻可變記憶體(諸如相變隨機存取記憶體(PCRAM)及電阻式隨機存取記憶體(RRAM))及磁性隨機存取記憶體(MRAM)(諸如自旋轉矩轉移隨機存取記憶體(STT RAM))，以及其他記憶體。
MRAM裝置可採用可由於磁矩之不同相對定向(例如，平行及反平行)而被視為一多狀態電阻器之一磁性穿隧接面(MTJ)，該磁性穿隧接面可改變穿過該裝置之一電流之量值。在一寫入過程中，可使用由穿過導電線(例如，字線及位元線)之電流所致之磁場來切換該MTJ之一「自由」材料之一磁矩方向，此可將該裝置置於一高或低電阻狀態下。然後可使用一讀取過程來判定單元之狀態。
隨著MRAM單元之大小減少，毗鄰單元之間的距離亦減少，此可導致由用於切換磁矩方向之電流承載線所致之單元干擾增加。作為一實例，與一MRAM裝置相關聯之寫入電流可係約10 mA，隨著MRAM單元及電流承載線之大小減少，此可係困難的。舉例而言，較小寬度線可需要較大電流以產生必要切換場，此增加電力消耗。
STT裝置共用先前MTJ單元之操作特徵中之某些操作特徵；然而，可藉由自旋轉極化電流自身之通過產生自由材料磁矩之切換(例如，寫入過程)。舉例而言，優先地極化穿過使其磁矩沿一既定方向定向之一第一磁性材料(例如，一「釘紮」材料)之非極化傳導電子，此係藉由使該等非極化傳導電子藉由與該材料中之極化束縛電子之一量子機械交換相互作用而穿過彼材料所達成。自經磁化材料之表面反射之傳導電子以及穿過其之彼等傳導電子可出現此一極化。此一極化過程之效率可相依於該材料之結晶質結構。當經極化之傳導電子之此一串流順序地穿過其極化方向在空間中不固定之一第二磁性材料(例如，「自由」材料)時，該等經極化之傳導電子對磁性材料中之束縛電子施加一矩，其若充足則可使該等束縛電子之極化反向且藉此使該磁性材料之磁矩反向。
使用該單元內部之一電流來致使磁矩反向提供與產生一外部磁場(例如，自毗鄰電流承載線)所需要之彼等電流相比較小的電流(例如，約200微安)以產生力矩切換。然而，用於產生STT RAM單元中之磁矩切換之電流中之進一步減小可提供益處，諸如進一步減小與此等單元相關聯之材料中之能量消耗及熱分佈(此可改良單元完整性及可靠性)，以及其他益處。
本文中闡述自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構及方法。一或多個STT記憶體單元結構包含定位於一鐵磁性儲存材料與接觸一反鐵磁性材料之一釘紮鐵磁性材料與接觸該鐵磁性儲存材料之一多鐵性材料之間的一穿隧障壁材料，其中該反鐵磁性材料、該鐵磁性儲存材料與該釘紮鐵磁性材料係位於一第一電極與一第二電極之間。
本發明之實施例提供各種益處，諸如經由一所施加電場提供在STT記憶體單元內之磁性切換(例如，由於在一多鐵性材料接觸與該單元相關聯之一鐵磁性儲存材料之間的交換耦合)。與先前STT記憶體單元相比，實施例亦可具備一減小的程式化電流。實施例亦可提供諸如在切換時的資料可靠性及/或穩定性增加(例如，藉由防止熱誘發磁性切換)之益處以及其他益處。
本文中之圖遵循一編號慣例，其中第一個數字或前幾個數字對應於圖式圖編號，且其餘數字識別圖式中之一元件或組件。不同圖之間的類似元件或組件可藉由使用類似數字來識別。舉例而言，在圖1中104可指代元件「04」，且在圖2中一類似元件可指代為204。如將瞭解，可添加、交換及/或省略本文中各種實施例中所展示之元件以便提供本發明之若干個額外實施例。另外，如將瞭解，圖中所提供之該等元件之比例及相對標度意欲圖解說明本發明之實施例且不應被視為一限定意義。
圖1A至圖1C圖解說明根據本發明之一或多項實施例之STT記憶體單元結構。圖1A至圖1C中所圖解說明之記憶體單元結構100-1包含定位於一第一電極104(例如，一頂部電極)與一第二電極114(例如，一底部電極)之間的一磁性穿隧接面(MTJ)元件。該MTJ元件包含定位於一鐵磁性儲存材料106與接觸一反鐵磁性材料112之一釘紮鐵磁性材料110之間的一穿隧障壁材料108。
釘紮鐵磁性材料110中所圖解說明之箭頭指示材料110中之磁化方向。結構100-1之鐵磁性儲存材料106中之箭頭105指示材料106中之磁化之交替方向(例如，平行或反平行於材料110之磁化方向)。如熟習此項技術者將瞭解，可將一自旋轉極化電流施加至MTJ元件(例如，以垂直於電極104與114之間的平面組態之一電流)，當超過臨界切換電流密度(Jc )時該自旋轉極化電流可切換鐵磁性儲存材料106之磁化方向。磁化之不同方向105可對應於一STT RAM單元之特定資料狀態。
本發明之一或多項實施例可經由電場之施加來更改及/或控制一STT記憶體單元中之一「自由」磁性材料之磁性極化(例如，鐵磁性儲存材料106之磁化方向105)，此可減小用於達成磁性極化切換之程式化電流，以及其他益處。一或多項實施例包含接觸一MTJ之鐵磁性儲存材料之一多鐵性材料(例如，一鐵電性反鐵磁性多鐵性材料及/或一鐵電性鐵磁性材料)。將一電場施加至多鐵性材料可用於操縱多鐵性材料內之反鐵磁性排序及/或鐵磁性排序(例如，藉由改變耦合至鐵磁性材料之鐵電性排序及/或多鐵性材料內之反鐵磁性排序)。多鐵性材料(例如，116-1及116-2)與鐵磁性儲存材料(例如，106)之間的交換耦合影響鐵磁性儲存材料之磁化方向(例如，105)。因此，可使用一多鐵性材料(例如，116-1及116-2)內之鐵性次序參數之固有耦合(例如，鐵電性次序參數與鐵磁性及反鐵磁性次序參數中之一者或兩者耦合)來操縱(例如，切換)耦合至其之一鐵磁性材料(例如，106)之磁性極化(例如，105)。
在某些例項中，多鐵性材料與鐵磁性儲存材料之間的交換耦合(例如，反鐵磁性及/或鐵磁性交換耦合)可足以切換儲存材料之磁化方向(例如，自平行至反平行或反之亦然)。在其中多鐵性材料與儲存材料之間的交換耦合不足以誘發該儲存材料之磁化方向之一完全切換之例項中，可誘發可減小誘發STT記憶體單元中之完全切換所需之電流之一「磁矩」。此外，所誘發之磁矩可提供在切換時之資料可靠性及/或穩定性增加(例如，藉由防止熱誘發磁性切換)。
在圖1A至圖1C中圖解說明之實例中，記憶體單元結構100-1包含接觸鐵磁性儲存材料106之一多鐵側材料116-1與接觸鐵磁性儲存材料106之一多鐵性材料116-2。結構100-1包含一第三電極118-1及一第四電極118-2。電極118-1及118-2經組態以將一電場提供至多鐵性材料116-1及116-2。亦即，電極118-1與118-2之間的一所施加電壓差形成影響多鐵性材料116-1及116-2之反鐵磁性/鐵磁性次序之一電場，此可更改鐵磁性儲存材料106之磁化方向105，如上文所述。
例如，圖1B中圖解說明之實施例圖解說明經由閘極電極118-1與118-2之間的一所施加電壓差提供至多鐵性材料116-1及116-2之一電場120-1。箭頭117-1及117-2分別指示由於所施加電場120-1而在多鐵性材料116-1及116-2內誘發之磁化方向之一實例。在圖1A至圖1C中所圖解說明之實施例中，電極118-1及118-2耦合至(例如，接觸)各別多鐵性材料116-1及116-2；然而，實施例並不限在此。箭頭105-1指示回應於所施加場120-1及多鐵性材料116-1/116-2與鐵磁性儲存材料106之間的對應交換耦合對應於MTJ之鐵磁性儲存材料106之磁化方向(例如，在此實例中，平行於釘紮鐵磁性材料110之磁化方向)之一實例。箭頭117-1、117-2及105-1係實例且並不表示各別材料內之實際次序參數定向。
圖1C中圖解說明之實施例圖解說明經由電極118-1與118-2之間的一所施加電壓差提供至多鐵性材料116-1及116-2之一電場120-2。箭頭119-1及119-2分別指示由於所施加電場120-2而在多鐵性材料116-1及116-2內之所誘發磁化方向。箭頭105-2指示對應於MTJ之鐵磁性儲存材料106之磁化方向(例如，在此實例中，反平行於釘紮鐵磁性材料110之磁化方向)。在圖1C中所圖解說明之實例中，電場120-2所致之多鐵性材料116-1/116-2與鐵磁性儲存材料106之間的交換耦合足以切換儲存材料106內之磁化方向(例如，自圖1B中所展示之平行方向105-1至圖1C中所展示之反平行方向105-2)。箭頭119-1、119-2及105-2係實例且並不表示各別材料內之實際次序參數定向。
如上文提及，在一或多項實施例中，該等電極(例如，118-1與118-2)之間的電場並不足以完全切換鐵磁性儲存材料106之磁化。然而，於此等情形中，可在儲存材料106內誘發一剩餘磁矩，此可減小對STT記憶體單元中之切換之障壁。例如，由於在所施加電場下多鐵性材料116-1/116-2與儲存材料106之間的交換耦合而減小誘發該磁化之切換(例如，自方向105-1至105-2)所要求之電流密度。
圖1D中所圖解說明之記憶體單元結構100-2與圖1A至圖1C中所展示之記憶體單元結構100-1之類似之處在於結構100-2包含定位於一第一電極104與一第二電極114之間的一MTJ元件。該MTJ元件包含定位於一鐵磁性儲存材料106與接觸一反鐵磁性材料112之一釘紮鐵磁性材料110之間的一穿隧障壁材料108。
結構100-2包含接觸鐵磁性儲存材料106之一多鐵性材料116-3。結構100-2亦包含一第三電極118-3，該第三電極經組態以回應於第三電極118-3與第一電極104及第二電極114中之至少一者之間的一所施加電壓將一電場提供至多鐵性材料116-3。在圖1D中圖解說明之實施例中，展示在第三電極118-3與第一電極104(例如，頂部電極)之間的一電場120-3。電場120-3足以誘發多鐵性材料116-3中之一磁性極化改變(例如，如箭頭119-3所指示)。多鐵性材料116-3與鐵磁性儲存材料106之間的交換耦合(例如，反鐵磁性交換耦合及/或鐵磁性耦合)可影響鐵磁性儲存材料106之磁化方向105-3。箭頭119-3及105-3係實例且並不表示各別材料內之實際次序參數定向。
圖1E中圖解說明之記憶體單元結構100-3與圖1A至圖1C中所展示之記憶體單元結構100-1之類似之處在一結構100-3包含定位於一第一電極104與一第二電極114之間的一MTJ元件。該MTJ元件包含定位於一鐵磁性儲存材料106與接觸一反鐵磁性材料112-1之一釘紮鐵磁性材料110-1之間的一穿隧障壁材料108。然而，在圖1E中圖解說明之實例中，釘紮鐵磁性材料110-1與反鐵磁性材料110-2之磁化方向具有一垂直定向(例如，如與圖1A至圖1C中所圖解說明之一水平或橫向定向相比)。
如圖1B中圖解說明之實例，圖1E中所展示之記憶體單元結構100-3包含接觸鐵磁性儲存材料106之一多鐵性材料116-1/116-2。結構100-3亦包含經組態以將一電場提供至多鐵性材料116-1及116-2之一第三電極118-1及一第四電極118-2。在此實例中，經由電極118-1與118-2之間的一所施加電壓差將一電場120-1提供至多鐵性材料116-1及116-2。箭頭117-1及117-2分別指示由於所施加電場120-1而在多鐵性材料116-1及116-2內誘發之磁化方向。箭頭105-1指示對應於MTJ之鐵磁性儲存材料106之磁化方向。箭頭117-1、117-2及105-1係實例且並不表示各別材料內之實際次序參數定向。
鐵磁性儲存材料106之磁化方向105-1可對應於STT記憶體單元之一特定資料狀態(例如，「1」或「0」)。如上文所述，然後可經由沿與電場120-1相反之一方向施加一電場來更改(例如，切換)STT記憶體單元之資料狀態。
電極104、114、118-1、118-2、118-3可由各種導電材料或複合結構製成，舉例而言，其可包含(但不限於)鈦、TiN(氮化鈦)、TaN(氮化鉭)、銅、銥、鉑、釕、鉭及/或鎢。作為一實例，在一或多項實施例中，底部電極114可包含一種子材料或可包含一種子材料/導電材料/覆蓋材料複合組態。
儘管實施例不限於特定材料，但鐵磁性儲存材料106可係(舉例而言)CoFeB、NiFe或經反鐵磁性耦合之材料，諸如CoFeB/Ru/CoFeB。舉例而言，穿隧障壁材料108可係MgO、Al2 O3 或其他磁性絕緣體。釘紮鐵磁性材料110可係(舉例而言)Fe、FeNi、Co、FeB、CoFeB或各種合成反鐵磁性(SAF)結構，諸如CoFe/Ru/CoFe或CoFe/Ru/CoFeB。反鐵磁性材料112可係(舉例而言)NiO、CoO、FeMn、PtMn、IrMn、NiMn或一合成反鐵磁體(例如，一複合結構化反鐵磁體)。多鐵性材料(例如，116-1、116-2、116-3)可係(舉例而言)BiFeO3 (BFO)、TbMn2 O5 或TbMnO3 。多鐵性材料亦可係Bi4 Fe2 TiO12 或NiBi2 O4 (例如，當該多鐵性係一鐵電性鐵磁性多鐵性時)。儘管在圖1A至圖1E中未圖解說明，但STT記憶體單元結構100-1、100-2及100-3可耦合至一存取裝置，諸如(舉例而言)在一基板上形成之一存取電晶體。如下文結合圖3A至圖3C所闡述，在一或多項實施例中，該存取裝置可係一垂直電晶體。
圖2A至圖2C圖解說明根據本發明之一或多項實施例之STT記憶體單元結構。圖2A、圖2B及圖2C之記憶體單元結構200-1、200-2及200-3分別包含定位於一頂部電極204與一底部電極214之間的一MTJ元件。該MTJ元件包含定位於一鐵磁性儲存材料206與接觸一反鐵磁性材料212之一釘紮鐵磁性材料210之間的一穿隧障壁材料208。
釘紮鐵磁性材料210中所圖解說明之箭頭指示材料210中之磁化方向。結構200之鐵磁性儲存材料206中之箭頭205指示材料206內之磁化之交替方向(例如，平行或反平行於材料210之磁化方向)。如上文所述，「自由」材料(例如，儲存材料206)之磁性極化可經由電場之施加來更改及/或控制，此可減小用於達成鐵磁性儲存材料206之磁性極化切換之程式化電流以及其他益處。
記憶體單元結構200-1、200-2及200-3包含接觸鐵磁性儲存材料206之一多鐵性材料216-1及接觸鐵磁性儲存材料206之一多鐵性材料216-2。頂部電極204及底部電極214經組態以回應於施加於頂部電極204與底部電極214之間的一電壓將一電場提供至多鐵性材料216-1/216-2。在此實例中，如上文所述，電極204與214之間的一所施加電壓差形成影響多鐵性材料216-1及216-2之反鐵磁性排序(例如，當多鐵性材料係一鐵電性反鐵磁性多鐵性時)及/或鐵磁性排序(例如，當該多鐵性係一鐵電性鐵磁性多鐵性時)之一電場220，此可更改鐵磁性儲存材料206之磁化方向205。
在圖2A中，記憶體結構200-1之多鐵性材料216-1及216-2在電極204及214之間係連續的。因此，記憶體結構200-1包含位於多鐵性材料216-1/216-2之各別部分與材料208、210及212之間的氧化物間隔物222-1及222-2。實施例並不限在此。舉例而言，在各別圖2B及圖2C中所展示之記憶體結構200-2及200-3之多鐵性材料216-1及216-2在電極204及214之間並不連續。因此，在某些實施例中，氧化物間隔物222-1及222-2可係可選的。在圖2C中圖解說明之實例中，多鐵性材料216-1及216-2並不直接位於頂部電極204及底部電極214下方。然而，回應於一所施加電壓而在電極204與214之間形成之電場將仍影響多鐵性材料216-1及216-2內之鐵電性排序，此又將影響多鐵性材料216-1及216-2內之反鐵磁性及/或鐵磁性排序，導致鐵磁性儲存材料206之磁化方向205中之改變。
箭頭219-1及219-2可分別指示由於所施加電場220而在多鐵性材料216-1及216-2內誘發之磁化方向。箭頭205指示對應於MTJ之鐵磁性儲存材料206之磁化方向(例如，在此實例中平行於釘紮鐵磁性材料210之磁化方向)。箭頭219-1、217-2及1205係實例且並不表示各別材料內之實際次序參數定向。
如熟習此項技術者在閱讀本發明後將瞭解，將一相反指向之電場220提供至結構200-1、200-2及200-3之MTJ元件可在鐵磁性儲存材料206上施加一磁矩(例如，經由儲存材料206與多鐵性材料216-1/216-2之間的交換耦合)。在各種例項中，所施加之磁矩可足以切換儲存材料206內之磁化方向(例如，自平行至反平行)。因此，STT記憶體單元結構200之所儲存資料狀態可經由一所施加電場來切換。如上文論述，即使所施加電場220不足以誘發磁化方向205之一切換，但在儲存材料206上施加之磁矩可足以減小在一寫入過程期間切換磁化方向205所要求之電流密度。
圖2D圖解說明根據本發明之實施例透過圖2A至圖2C中所展示之切割線A之若干個實例性俯視剖面圖。如圖2D中所圖解說明，鐵磁性儲存材料206及接觸儲存材料206之多鐵性材料216-1/216-2可具有各種形狀。
例如，剖面圖202-1及202-2圖解說明具有一四邊形(例如，矩形)形狀之鐵磁性儲存材料206，而剖面圖202-3及202-4圖解說明具有一圓(例如，橢圓)形狀之鐵磁性儲存材料206。實施例不限於一特定剖面形狀。舉例而言，該等形狀可係圓形、方形或六邊形以及各種其他形狀。
如剖面圖202-1及202-3中圖解說明，在各種實施例中，接觸鐵磁性儲存材料206之多鐵性材料216可係一連續性材料216。因此，圖2A至圖2C中所展示之多鐵性材料216-1及216-2可係一單個多鐵性材料216。然而，實施例並不限在此。舉例而言，在某些實施例中，多鐵性材料216-1及216-2可係不同的多鐵性材料。
圖3A至圖3C圖解說明根據本發明之一或多項實施例之STT記憶體單元結構。分別在圖3A、圖3B及圖3C中圖解說明之記憶體單元結構300-1、300-2及300-3包含定位於一第一電極304(例如，一頂部電極)與一第二電極314(例如，一底部電極)之間的一MTJ元件。該MTJ元件包含定位於一鐵磁性儲存材料306與接觸一反鐵磁性材料312之一釘紮鐵磁性材料310之間的一穿隧障壁材料308。STT記憶體單元結構300-1、300-2及300-3各自耦合至自一基板301形成或在基板301上形成之一存取裝置325。在此實例中，存取裝置325係一垂直場效應電晶體(VFET)。基板301可係一矽基板、絕緣體上矽(SOI)基板或藍寶石上矽(SOS)基板以及其他。
在圖3A中圖解說明之實施例中，記憶體單元結構300-1包含接觸鐵磁性儲存材料306之一多鐵性材料316-1及接觸鐵磁性儲存材料306之一多鐵性材料316-2。結構300-1包含一第三電極318-1及一第四電極318-2。電極318-1及318-2經組態以將一電場提供至多鐵性材料316-1及316-2。亦即，電極318-1與318-2之間的一所施加電壓差形成影響多鐵性材料316-1及316-2之反鐵磁性及/或鐵磁性排序之一電場，此可更改鐵磁性儲存材料306之磁化方向305，如上文所述。
在圖3A中圖解說明之實施例中，第三電極318-1及第四電極318-2亦充當VFET 325之閘極(例如，側閘極)。如圖3A中所展示，多鐵性材料316-1/316-2充當VFET 325之一閘極氧化物。因此，多鐵性材料316-1/316-2提供多鐵性材料與鐵磁性儲存材料306之間的交換耦合，以及提供閘極電極318-1/318-2與底部電極314之間的一絕緣材料。在一或多項實施例中，閘極電極318-1/318-2可形成一「環繞閘極」結構。舉例而言，閘極電極318-1/318-2可捲繞存取裝置325。在某些此等實施例中，電極318-1/318-2可係可環繞存取裝置325及/或多鐵性材料(例如，316-1及316-2)之一單個閘極電極。
在圖3B中圖解說明之實施例中，記憶體單元結構300-2包含接觸鐵磁性儲存材料306之一多鐵性材料316-3及接觸鐵磁性儲存材料306之一多鐵性材料316-4。類似於圖3A中所展示之結構300-1，結構300-2包含一第三電極318-1及一第四電極318-2，其係VFET 325之閘極。然而，結構300-2除多鐵性材料316-3及316-4外亦包含一閘極氧化物材料322-1及322-2。在此實例中，多鐵性材料316-3係位於與VFET 325相關聯之一閘極氧化物材料322-1上方且多鐵性材料316-4係位於與VFET 325相關聯之一閘極氧化物材料322-2上方。鐵磁性儲存材料306之磁化方向305可經由施加至多鐵性材料316-3/316-4之電場(例如，電極318-1與318-2之間的一橫向電場)所誘發之儲存材料306與多鐵性材料316-3/316-4之間的交換耦合來控制。
在圖3C中圖解說明之實施例中，記憶體單元結構300-3包含接觸鐵磁性儲存材料306之一多鐵性材料316-5及接觸鐵磁性儲存材料306之一多鐵性材料316-6。類似於圖3A中所展示之結構300-1及圖3B中所展示之結構300-2，結構300-2包含一第三電極318-3及一第四電極318-4，其係VFET 325之閘極。
然而，在圖3C中圖解說明之實施例中，藉由閘極電極318-3/318-4中之至少一者(例如，如圖3C中所展示之318-4)與頂部電極304之間的一所施加電壓差來提供經由材料306與多鐵性材料316-5/316-6之間的交換耦合提供至多鐵性材料316-5/316-6以控制鐵磁性儲存材料306之磁化方向305-1之電場(例如，320)。
如圖3C中圖解說明，閘極電極318-4與頂部電極304之間的電場320提供多鐵性材料316-6內之一磁性極化方向319。結果，多鐵性材料316-6與鐵磁性儲存材料306之間的交換耦合導致儲存材料306之磁化方向305-1具有一反平行組態(例如，磁化305-1反平行於釘紮鐵磁性材料310之磁化方向)。箭頭319及305-1係實例且並不表示各別材料內之實際次序參數定向。
如結合圖4進一步論述，STT記憶體單元結構300-1、300-2及300-3及對應存取裝置325可耦合至各種其他電子組件，諸如位元線、字線、源極線、讀取電路及寫入電路以及用於操作一STT RAM陣列之其他組件。
圖4圖解說明根據本發明之實施例具有一或多個STT記憶體單元結構之一記憶體陣列450之一部分。一STT RAM單元可包含耦合至一存取電晶體425之一STT記憶體單元結構(例如，諸如上文所闡述之結構100-1、100-2、100-3、200、300-1、300-2及300-3)。存取電晶體425可係諸如圖3A至圖3C中所展示之VFET 325之一垂直FET。
在此實例中，陣列450包含一位元線452、一字線454、一源極線456、讀取/寫入電路460、一位元線參考466及一感測放大器462。STT記憶體結構400可包含一MTJ元件。如上文所述，STT記憶體結構400可包含耦合至(例如，接觸)MTJ之一鐵磁性儲存材料之一或多個部分之一多鐵性材料，以及額外電路(在必要時)以致動用於多鐵性切換之電極。
在操作中，STT記憶體單元結構400可經選擇以被程式化。可經由跨越對應於結構400之電極所施加之電壓差提供一電場以誘發結構400之多鐵性材料中之磁性極化改變，此導致結構400之鐵磁性儲存材料內之對應磁化改變。在各種例項中，所施加電場可足以切換儲存材料之磁化方向(例如，在不將額外程式化電流提供至該單元之情形下)。
在其中所施加電場不足以誘發鐵磁性儲存材料之磁化之完全切換之例項中，可將一程式化電流施加至該單元，且該電流可經MTJ元件之釘紮鐵磁性材料自旋轉極化以使得對鐵磁性儲存材料(例如，上文所述之鐵磁性儲存材料106、206或306)施加一矩(例如，除由於儲存材料與一多鐵性材料之間的交換耦合而被提供至鐵磁性儲存材料內之磁矩之矩之外的一矩)，此可切換鐵磁性儲存材料之磁化以「寫入至」或「程式化」該單元。以此方式，電場之施加可用於減小切換該單元之磁化所要求之程式化電流(例如，臨界切換電流)。
在其中使用一程式化電流之程式化操作中，讀取/寫入電路460可產生一程式化電流至位元線452及源極線456。一旦根據該程式化電流之自旋轉極性磁化該鐵磁性儲存材料，即將該經程式化狀態寫入至STT RAM單元。
為讀取該STT RAM單元，讀取/寫入電路460產生穿過結構400及電晶體425至位元線452及源極線456之一讀取電流。該STT RAM單元之經程式化狀態相依於跨越結構400之電阻，該電阻可由位元線452與源極線456之間的電壓差來判定。在一或多項實施例中，該電壓差可與一參考466進行比較並由一感測放大器462放大。
本發明之一或多項實施例可經由所施加電場誘發一STT RAM單元之磁化切換，此可提供各種益處。舉例而言，若干實施例可減小誘發STT RAM單元中之磁化切換所需之電流密度。若干實施例亦可協助避免熱誘發磁性切換，此可提供與STT RAM單元相關聯之可靠性及/或穩定性增加，以及其他益處。
本文中闡述自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構及方法。一或多個STT記憶體單元結構包含：一穿隧障壁材料，其定位於一鐵磁性儲存材料與接觸一反鐵磁性材料之一釘紮鐵磁性材料之間，及一多鐵性材料，其接觸該鐵磁性儲存材料，其中該反鐵磁性材料、該鐵磁性儲存材料及該釘紮鐵磁性材料係位於一第一電極與一第二電極之間。
儘管本文中已圖解說明並闡述了具體實施例，但熟習此項技術者將瞭解，經計算以達成相同結果之一配置可替代所展示之具體實施例。本發明意欲涵蓋本發明之各種實施例之修改或變化形式。應理解，已以一說明性方式而非一限制性方式作出以上闡述。在審閱以上說明之後，熟習此項技術者將明瞭以上實施例之組合及本文中未具體闡述之其他實施例。本發明之各種實施例之範疇包含其中使用以上結構及方法之其他應用。因此，本發明各種實施例之範疇應參考隨附申請專利範圍以及授權此等申請專利範圍之等效物之全部範圍來判定。
在前述實施方式中，出於簡化本發明之目的，將各種特徵一起組合於一單個實施例中。本發明之此方法不應解釋為反映本發明之所揭示實施例必須使用比明確陳述於每一請求項中更多之特徵之一意圖。而是，如以下申請專利範圍反映：發明性標的物在於少於一單個所揭示實施例之所有特徵。因此，藉此將以下申請專利範圍併入實施方式中，其中每一請求項獨立地作為一單獨實施例。
100-1．．．記憶體單元結構
100-2．．．記憶體單元結構
100-3．．．記憶體單元結構
104．．．第一電極
106．．．鐵磁性儲存材料
108．．．穿隧障壁材料
110．．．釘紮鐵磁性材料
112．．．反鐵磁性材料
114．．．第二電極
116-1．．．多鐵性材料
116-2．．．多鐵性材料
116-3．．．多鐵性材料
118-1．．．電極
118-2．．．電極
118-3．．．電極
120-1．．．電場
120-2．．．電場
120-3．．．電場
200-1．．．記憶體單元結構
200-2．．．記憶體單元結構
200-3．．．記憶體單元結構
204．．．頂部電極
206．．．鐵磁性儲存材料
208．．．穿隧障壁材料
210．．．釘紮鐵磁性材料
212．．．反鐵磁性材料
214．．．底部電極
216-1．．．多鐵性材料
216-2．．．多鐵性材料
220．．．電場
222-1．．．氧化物間隔物
222-2．．．氧化物間隔物
300-1．．．記憶體單元結構
300-2．．．記憶體單元結構
300-3．．．記憶體單元結構
301．．．基板
304．．．第一電極
306．．．鐵磁性儲存材料
308．．．穿隧障壁材料
310．．．釘紮鐵磁性材料
312．．．反鐵磁性材料
314．．．第二電極
316-1．．．多鐵性材料
316-2．．．多鐵性材料
316-5．．．多鐵性材料
316-6．．．多鐵性材料
318-1．．．電極
318-2．．．電極
318-3．．．第三電極
318-4．．．第四電極
320．．．電場
322-1．．．閘極氧化物材料
322-2．．．閘極氧化物材料
325．．．存取裝置
400．．．STT記憶體結構
425．．．存取電晶體
450．．．陣列
452．．．位元線
454．．．字線
456．．．源極線
460．．．讀取/寫入電路
462．．．感測放大器
466．．．位元線參考
圖1A至圖1E圖解說明根據本發明之一或多項實施例之STT記憶體單元結構。
圖2A至圖2C圖解說明根據本發明之一或多項實施例之STT記憶體單元結構。
圖2D圖解說明根據本發明之實施例透過圖2A至圖2C中所展示之切割線A之若干個實例性俯視剖面圖。
圖3A至圖3C圖解說明根據本發明之一或多項實施例之STT記憶體單元結構。
圖4圖解說明根據本發明之實施例具有一或多個STT記憶體單元結構之一記憶體陣列之一部分。
100-1．．．記憶體單元結構
104．．．第一電極
106．．．鐵磁性儲存材料
108．．．穿隧障壁材料
110．．．釘紮鐵磁性材料
112．．．反鐵磁性材料
114．．．第二電極
116-1．．．多鐵性材料
116-2．．．多鐵性材料
118-1．．．電極
118-2．．．電極

Claims (27)

  1. 一種自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構，其包括：一穿隧障壁材料，其定位於一鐵磁性儲存材料與接觸一反鐵磁性材料之一釘紮鐵磁性材料之間；及一多鐵性材料，其接觸該鐵磁性儲存材料；其中該反鐵磁性材料、該鐵磁性儲存材料及該釘紮鐵磁性材料係位於一第一電極與一第二電極之間；及一第三電極，其接觸該多鐵性材料且經組態以回應於該第三電極與該第一電極及該第二電極中之至少一者之間的一所施加電壓將一電場提供至該多鐵性材料。
  2. 如請求項1之記憶體單元結構，其中提供至該多鐵性材料之該電場足以：誘發該多鐵性材料之反鐵磁性及/或鐵磁性排序之一改變；及提供該多鐵性材料與該鐵磁性儲存材料之間的反鐵磁性交換耦合及/或鐵磁性耦合以使得更改該鐵磁性儲存材料之一磁化。
  3. 如請求項1之記憶體單元結構，其中該第三電極係一垂直存取裝置之一閘極。
  4. 如請求項1之記憶體單元結構，其包含一第四電極經組態以回應於施加於該第三電極與該第四電極之間的一電壓而將一電場提供至該多鐵性材料。
  5. 如請求項4之記憶體單元結構，其中該第三電極及該第四電極中之至少一者係耦合至該自旋轉矩轉移記憶體單 元結構之一垂直存取裝置之一閘極。
  6. 如請求項5之記憶體單元結構，其中該第三電極及該第四電極接觸該多鐵性材料。
  7. 如請求項1之記憶體單元結構，其中該反鐵磁性材料係一合成反鐵磁體。
  8. 如請求項1之記憶體單元結構，其中該多鐵性材料係鐵酸鉍(BiFeO3 )。
  9. 如請求項1之記憶體單元結構，其中該第一電極及該第二電極經組態以回應於施加於該第一電極與該第二電極之間的一電壓而將一電場提供至該多鐵性材料。
  10. 一種自旋轉矩轉移記憶體單元，其包括：一磁性穿隧接面(MTJ)元件，其定位於一第一電極與一第二電極之間；一多鐵性材料，其接觸該MTJ元件之一鐵磁性儲存材料；及一存取裝置，其耦合至該MTJ元件；其中該多鐵性材料包含耦合於該存取裝置之一第一閘極電極與該鐵磁性儲存材料之間的一第一部分；且其中該第一閘極電極接觸該多鐵性材料。
  11. 如請求項10之記憶體單元，其中該存取裝置包含一第二閘極電極。
  12. 如請求項11之記憶體單元，其中該第一閘極電極及該第二閘極電極中之至少一者經組態以回應於施加於該第一電極與該第一閘極電極及該第二閘極電極中之至少一者 之間的一電壓而將一電場提供至該多鐵性材料。
  13. 如請求項10之記憶體單元，其中該多鐵性材料包含耦合於一第二閘極電極與該鐵磁性儲存材料之間的一第二部分。
  14. 如請求項10之記憶體單元，其中該多鐵性材料之該第一部分係組態為與該存取裝置相關聯之一閘極氧化物材料。
  15. 如請求項10之記憶體單元，其中該多鐵性材料之該第一部分係位於與該存取裝置相關聯之一閘極氧化物材料上方。
  16. 如請求項12之記憶體單元，其中該多鐵性材料包含：一第一部分，其耦合至該鐵磁性儲存材料之一第一邊緣部分；及一第二部分，其耦合至該鐵磁性儲存材料之一第二邊緣部分。
  17. 如請求項10之記憶體單元，其中該穿隧障壁材料係氧化鎂(MgO)。
  18. 一種操作一自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元之方法，該方法包括：藉由將一電場提供至接觸一自由鐵磁性儲存材料之一多鐵性材料來更改該STT記憶體單元之一磁性穿隧接面(MTJ)元件之該鐵磁性儲存材料之一磁化；其中該MTJ元件包含：一釘紮鐵磁性材料； 一反鐵磁性材料；及一穿隧障壁材料，其定位於該鐵磁性儲存材料與該釘紮鐵磁性材料之間；其中該STT記憶體單元包含一底部電極、一頂部電極及至少一個額外電極，且其中將該電場提供至該多鐵性材料包含在該頂部電極及底部電極中之至少一者與該至少一個額外電極之至少一第一額外電極之間施加一電壓差；且其中該第一額外電極接觸該多鐵性材料。
  19. 如請求項18之方法，其中更改該自由鐵磁性材料之該磁化包含自一第一組態至一第二組態切換一磁化方向。
  20. 如請求項18之方法，其包含自以下各項中之至少一者切換該磁化方向：平行於該釘紮鐵磁性材料之一磁化方向之一組態至反平行於該釘紮鐵磁性材料之該磁化方向之一磁化方向；及反平行於該釘紮鐵磁性材料之該磁化方向之一組態至平行於該釘紮鐵磁性材料之該磁化方向之一磁化方向。
  21. 如請求項18之方法，其包含判定由提供至該多鐵性材料之該電場誘發之該STT記憶體單元之一狀態。
  22. 如請求項18之方法，其包含透過該MTJ元件順序地提供一程式化電流。
  23. 如請求項18之方法，其中將該電場提供至該多鐵性材料包含在該STT記憶體單元之該頂部電極與該底部電極之間施加一電壓差。
  24. 如請求項18之方法，其中該STT記憶體單元包含一第二額外電極，且其中將該電場提供至該多鐵性材料包含在該第一額外電極與該第二額外電極之間施加一電壓差。
  25. 如請求項24之方法，其中該第一額外電極及該第二額外電極係與該STT記憶體單元相關聯之一垂直存取裝置之閘極電極。
  26. 如請求項24之方法，其中將該電場提供至該多鐵性材料包含提供具有一量值之一電場，該量值足以：誘發該多鐵性材料之反鐵磁性排序之一改變；及提供該多鐵性材料與該鐵磁性儲存材料之間的反鐵磁性交換耦合。
  27. 如請求項18之方法，其中將該多鐵性材料之一第一部分組態為與關聯於該STT記憶體單元之一存取裝置相關聯之一閘極氧化物材料。
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