TWI574440B - 電場加強之自旋轉移力矩記憶體裝置及其製造與使用方法 - Google Patents

電場加強之自旋轉移力矩記憶體裝置及其製造與使用方法 Download PDF

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Description

電場加強之自旋轉移力矩記憶體裝置及其製造與使用方法
本發明之實施例係於記憶體裝置之領域，特別地，係自旋轉移力矩記憶體(STTM)裝置。
STTM裝置為非揮發性記憶體裝置，其係應用一種已知為穿隧磁電阻(TMR)之現象。針對一種包括由薄絕緣隧道層分離之兩鐵磁層的結構，電子在當磁化的兩磁性層為平行定向時比當其不是平行(非平行或反平行定向)時將更可能穿隧通過隧道層。如此一來，MTJ可被切換於電阻之兩狀態之間，一狀態具有低電阻而一狀態具有高電阻。
針對STTM裝置，電流感應的磁化切換被用以設定位元狀態。一鐵磁層之極化狀態係經由自旋轉移力矩現象而被切換相對於第二鐵磁層之固定極化，致能MTJ之狀態藉由施加電流而被設定。於使電流通過固定磁性層時，電子之角動量(自旋)係沿著固定層之磁化的方向而被極化。這些自旋極化的電子將其自旋角動量轉移至自由層之 磁化並致使其進動。如此一來，自由磁性層之磁化可藉由一超過某關鍵值之電流脈衝(例如，於約1奈秒)而被切換，以其固定磁性層之磁化保持不變，只要電流脈衝低於一可歸因於不同幾何、相鄰釘札層、不同抗磁性(Hc)等等之較高臨限值。
用於切換自由層之磁化所需的電流之關鍵值(文中稱之為「關鍵電流」)為影響一耦合至STTM裝置之電晶體的尺寸之因素，關鍵電流越大則需要越大的電晶體，導致針對1T-1 STTM元件單元大小之越大的足跡、越高的功率耗損，等等。為了使STTM陣列容量及功率耗損能與其他記憶體科技競爭(例如DRAM)，關鍵電流之減小是有利的。
101‧‧‧STTM裝置
103‧‧‧MTJ堆疊
105‧‧‧固定磁性層電極
106‧‧‧自由磁性層
108‧‧‧穿隧層
110‧‧‧固定磁性層
130‧‧‧自由磁性層電極
150‧‧‧電介質層
160‧‧‧場板
275‧‧‧周邊區
500‧‧‧電路板、基底、或插入器
600‧‧‧STTM位元單元
610‧‧‧自旋轉移力矩元件
611‧‧‧自由磁性層電極
614‧‧‧自由磁性層
616‧‧‧固定磁性層電極
618‧‧‧固定磁性層
622‧‧‧穿隧層
623‧‧‧電介質元件
632‧‧‧位元線
634‧‧‧電晶體
636‧‧‧字元線
638‧‧‧源極線
660‧‧‧場板
700‧‧‧計算裝置平台
705‧‧‧顯示螢幕
710‧‧‧封裝級集成微電子裝置
711‧‧‧控制器
713‧‧‧電池
715‧‧‧電力管理積體電路(PMIC)
721‧‧‧延伸視圖
725‧‧‧RF(無線)積體電路(RFIC)
730、731‧‧‧處理器核心
732‧‧‧電場加強的STTM
1000‧‧‧計算裝置
1002‧‧‧電路板
1004‧‧‧處理器
1006‧‧‧通訊晶片
本發明之實施例係藉由範例來闡明(而非限制)於後附圖形之圖示中’其中：圖1A闡明一種包括場板之STTM裝置的橫斷面視圖，依據本發明之實施例；圖1B闡明一種包括場板之STTM裝置的橫斷面視圖，依據本發明之實施例；圖2A、2B、2C及2D闡明一種包括場板之STTM裝置的橫斷面之等角視圖，當平行磁性層之極化狀態被切換時，依據一實施例；圖3A、3B、3C及3D闡明一種包括場板之STTM裝 置的橫斷面之等角視圖，當垂直磁性層之極化狀態被切換時，依據一實施例；圖4為闡明一種製造包括場板之STTM裝置的方法之流程圖，依據一實施例；圖5A、5B、5C、5D及5E闡明一種包括場板之STTM裝置的等角視圖，當圖4之方法中的操作被執行時，依據一實施例；圖6闡明一種包括自旋轉移力矩元件之STTM位元單元的概圖，依據本發明之實施例。圖7闡明一種行動計算裝置平台之等角視圖以及由該行動平台所利用之微電子裝置的概圖，依據本發明之實施例；及圖8闡明一計算裝置之功能方塊圖，依據本發明之一實施方式。
【發明內容及實施方式】
文中所描述者為利用已減少關鍵電流之電場的電壓輔助STTM裝置。於下列描述中，提出多項細節，然而，熟悉此項技術人士將清楚本發明可被實施而無這些特定細節。於一些例子中，眾所周知的方法及裝置被顯示以方塊圖形式(而非詳盡的)以避免混淆本發明。於本說明書內針對「一實施例」或「於一實施例中」之參考係表示關於該實施例所描述之特定特徵、結構、功能、或特性被包括於本發明內之至少一實施例中。因此，涵蓋本說明書於各 處中之術語「於一實施例中」的出現不一定指稱本發明之相同實施例。再者，特定特徵、結構、功能、或特性可被結合以任何適當的方式於一或更多實施例中。例如，第一實施例可結合與第二實施例於該兩任何實施例未被指明為互斥的任何地方。
術語「耦合」或「連接」連同其衍生詞可於文中被用以描述介於組件之間的結構關係。應理解這些術語並非被用為彼此的同義詞。反之，於特定實施例中，「連接」可被用以指示其二或更多元件係彼此直接實體或電氣接觸。「耦合」可被用以指示其二或更多元件係彼此直接或間接(有其他介於其間的中間元件)實體或電氣接觸，及/或其二或更多元件係彼此協作或互動(例如，造成效應關係)。
如文中所使用之術語「上方」、「下方」、「之間」及「上」指的是一材料層或組件相對於其他層或組件之相對位置。例如，配置於另一層上方(其上)或下方之一層可直接地接觸該另一層或者可有一或更多中間層。再者，配置於兩層間之一層可直接地接觸該兩層或者可有一或更多中間層。相對地，於第二層「上」之第一層係直接接觸該第二層。類似地，除非另外明確地指明，一配置於兩特徵間之特徵可直接接觸相鄰特徵或者可具有一或更多中間特徵。
文中所述之實施例包括一種自旋電子裝置，其通常不僅利用電流感應的磁場調處(自旋轉移力矩)，同時亦利 用磁性雙極定向之電場感應的調處，以設定磁性裝置元件中之狀態(例如，寫入至記憶體元件)。更明確地，磁性穿隧接面(MTJ)之自由磁性層被暴露至電場以透過自由磁性層之至少一部分來調變一或更多磁性性質(例如，表面磁性各向異性，Ks)，以減少該裝置元件之自旋轉移感應的磁化切換所需的關鍵電流。因此，文中所述之自旋電子裝置的實施例可被視為「電場加強的」自旋轉移力矩(EFESTT)裝置。
如文中進一步所述，EFESTT裝置實施例通常係利用一被定向為非平行於一通過(MTJ)堆疊或元件之自由磁性層的電流之電場。供應電場之此方向係相反於一種「電場控制的」自旋電子裝置，其嘗試透過施加一平行於流經MTJ之電流方向的電場以感應磁化切換，其中該電場被定向於一跨越自由磁性層之厚度的方向且跨越MTJ堆疊之直徑為實質上均勻的。值得注意的，開發一種平行於一流經其將延伸入自由磁性層之MTJ堆疊的電流方向之電場需要加入電介質絕緣體於MTJ堆疊與接點之間(例如，於自由磁性層與最接近該自由磁性層的接點之間)以致介於其通過該自由磁性層的接點之間的電阻變得太大而無法容許電流(DC)可用於自由磁性層之自旋轉移感應的磁化切換。如此一來，電場控制的自旋電子裝置是完全取決於電場感應的磁化切換，並面對數個所致的困難。然而，文中所述之EFESTT裝置實施例不是完全取決於電場感應的磁化切換，並避免將隔離電介質層加入於MTJ堆疊或 元件中。因此電流脈衝仍可被產生以跨越MTJ堆疊之接點之相當低的壓降，且被利用於自旋轉移力矩磁化切換。
圖1A闡明一種包括場板160之STTM裝置101的橫斷面視圖，依據本發明之實施例。通常，STTM裝置101為一種適於磁性儲存之裝置(亦即，自旋電子記憶體元件)且被顯示於一有利的垂直堆疊定向，雖然其他的定向(水平，等等)亦是可能的。通常，STTM裝置101包括MTJ堆疊103，其係配置於固定與自由磁性層電極105、130之間，個別地。值得注意的，文中之實施例係闡明透過施加電場以加強STT裝置之結構及技術，其係寬廣地可應用於任何在可應用於STT裝置之技術中已知的MTJ堆疊。如此一來，雖然為了清楚的緣故範例實施例包括一種有利的MTJ堆疊103之描述，但本發明之實施例不限於任一種MTJ堆疊而可被輕易地調適於本技術中已知的多種變化之一。於實施例中，MTJ堆疊103包括固定磁性層110、配置於固定磁性層110上之穿隧層108、及配置於穿隧層108上之自由磁性層106。於其他實施例中，MTJ堆疊103之功能層的順序被反轉。再者，根據實施例，MTJ堆疊103可具有平面內各向異性外延結構或者平面外(或「垂直」)各向異性外延/紋理結構。
通常，固定磁性層110係由適於維持固定磁化方向之材料或材料堆疊所組成，而自由磁性層106係由磁性地較軟材料或材料堆疊所組成(亦即，磁化可輕易地旋轉成相對於固定層之平行及非平行狀態)。穿隧層108係由適於 容許多數自旋之電流通過該層而同時阻擋少數自旋之電流(亦即，自旋過濾器)的材料或材料堆疊所組成。
於範例實施例中，MTJ堆疊103係根據CoFeB/MgO系統，其具有MgO穿隧層108及CoFeB層106、110。於某些實施例中，MTJ堆疊103之所有層具有(001)平面外紋理，其中紋理指的是MTJ結構之層內的結晶定向之分佈。針對文中所述之實施例，CoFeB/MgO/CoFeB MTJ堆疊103之晶體的高百分比具有較佳的(001)平面外定向(亦即，紋理之程度高)，針對至少100%之TMR比。於一有利的CoFeB/MgO實施例中，(001)定向的CoFeB磁性層106、108為富含鐵的合金(亦即，Fe>Co)，諸如(但不限定於)Co20Fe60B20。具有相等成分鈷和鐵之其他實施例亦為可能的(例如，Co40Fe40B20)，以及較少量的鐵(例如，Co70Fe10B20)。於又其他實施例中，穿隧層108組成係作用為一種適當的紋理範本但除了MgO之外，例如鋁氧化物(AlOx)。
穿隧層108可具有高達2nm之厚度，然而，既定裝置區域之電阻通常係隨著穿隧層厚度而指數地增加。於範例MgO實施例中，低於1nm之厚度有利地提供低電阻，而介於1nm與1.3nm之間的厚度亦提供可接受的低電阻。固定磁性層106之厚度亦可顯著地改變，例如介於1nm與2nm。於實施例中，自由磁性層106之厚度係超過1nm(例如，至少1.1nm)而自由磁性層106之範例的富含鐵CoFeB實施例具有介於1.3nm與2nm之間的厚度。 此較大厚度增進了自由磁性層106之熱穩定性，致能STTM裝置之較長的非揮發性壽命，相對於較少厚度之自由磁性層。
雖然針對範例實施例，MTJ堆疊103被直接地配置於電極105之上(例如，CoFeB固定磁性層106直接於Ta層上)，再次注意到其MTJ堆疊可顯著地改變而不背離本發明之實施例的範圍，例如，包括一或更多中間層可被配置於固定磁性層110與電極105之間。例如，反鐵磁層(諸如，但不限定於，銥錳(IrMn)或鉑錳(PtMn))或者包括鄰接另一鐵磁層(例如，CoFe)而有一非磁性間隔層(諸如，但不限定於，Ru)插入於固定磁性層106與SAF之間的此一反鐵磁層之合成反鐵磁(SAF)結構可存在以供各種目的，諸如釘札固定磁性層110之介面(例如，透過交換偏壓耦合)。
電極105及130係電連接至MTJ堆疊103。電極105及130各為可操作以供電氣接觸STTM裝置之磁性電極的材料或材料堆疊，且可為用於此一目的之本技術中已知的任何材料或材料堆疊。雖然電極105、130可具有層厚度之範圍(例如，5nm-50nm)並包括多種材料以形成與MTJ堆疊103和互連兩者之相容介面，但是於範例實施例中，固定磁性層電極105包括至少鉭(Ta)層並可進一步包括一額外下方導電緩衝，其包括至少一釕(Ru)層及第二Ta層。針對自由磁性層(頂部)電極130，具有高導電性之金屬(即使於表面上被氧化)是有利的，諸如(但 不限定於)Cu、Al、Ru、Au等等，以Ru有利地提供氧之良好障壁，減少MTJ堆疊103內之氧化的可能性。
如圖1A中所示，MTJ堆疊103係由電介質層150所圍繞。雖然電介質層150可一般地為任何習知的電介質材料，諸如(但不限定於)二氧化矽、氮化矽、氧氮化矽，但是於有利的實施例中，電介質層150為高k電介質材料，其具有大於至少8(有利地大於10，及更有利地大於15)之大塊電介質常數。此一高電介質常數有益於增加在場板160與MTJ電極(例如，自由磁性層電極130)之間所發生的電場之強度，透過減少電介質層150之厚度(圖1A之x維)。當STTM裝置101被配置於與驅動電晶體相同的基底上時(例如，於1電晶體自旋轉移力矩記憶體單元中，諸如圖6中所描繪者)，電介質層150為與電晶體中所使用之閘極電介質相同的電介質材料(及可能相同的厚度)。範例材料包括金屬氧化物，諸如(但不限定於)鉿氧化物(HFO2)、鋯氧化物(ZrO2)，等等。針對此一高k實施例，電介質層150可具有低於2nm之厚度(圖1A之x維)，及更明確地，介於1nm與2nm之間的任何值。如圖1A中進一步顯示，電介質層之垂直高度(H2)，其不大於自由磁性層電極130之頂部表面的垂直Z高度(H1)，允許路由金屬化以接觸電極130。電介質層150應進一步具有垂直高度，其為至少等於自由磁性層106之高度及更特別地至少等於MTJ堆疊103之高度，針對那些其中自由磁性層106被配置於固定磁性層 110之上的實施例，如圖1A中所示者。
場板160為配置鄰近於自由磁性層106之導電材料，但藉由中間的電介質層150而分離自磁性層106、及/或MTJ堆疊103。功能上，場板160係致能施加電壓差於場板160(其係於裝置101之操作期間被短路至MJT堆疊103之第一電極)與MJT堆疊103之第二電極之間，以降低其跨越電介質層150之電壓並產生電場(包括邊緣場，其可能於MTJ堆疊典型的幾何上為顯著的)，其延伸入自由磁性層106之至少一部分。雖然一般而言場板160可為任何導電材料，包括已摻雜的半導體(諸如，但不限定於，多晶矽)，但是於範例實施例中，場板160為金屬，諸如(但不限定於)電極105、103之一或更多者中所存在的一或更多金屬(例如，Ta、Ru、Au)、或其他金屬，諸如Al、Cu。場板160可具有選來依所需將電場導引通過自由磁性層106之垂直高度，而因此為一種根據實施方式可變的設計。通常，如圖1A中所示，場板160可具有小於電介質層150之垂直高度的垂直高度，以確保電隔離自電極130。於某些實施例中，場板之垂直高度幾乎等於MTJ堆疊之垂直高度(H3)，其將場板160放置接近於自由磁性層106及自由磁性層電極130。
如圖1A中所示，隨著場板160鄰近於MTJ堆疊103之側壁，電場線(虛線)係延伸於MTJ電極(其位在與自由磁性層106最近的近處)與場板160之間。這些電場線之強度及方向可透過電介質層150及場板160之設計而 被操縱，無關乎MTJ堆疊103，及進一步透過其供應於電極130與場板160之間的差動電壓之調處。值得注意的，電場之方向可隨著場板160及/或電介質層150之幾何相對於MTJ堆疊103之幾何的改變而變化。然而，因為場板160被配置於一通過MTJ堆疊103之導電路徑的外部(介於電極105與130之間)，所以電場非平行於該導電路徑、或其通過MTJ堆疊103之電流的方向。當自由磁性層106之電阻大於電極130之電阻時，其為典型的情況(例如，CoFeB膜具有數百至數千cm μΩ之導電率，通常隨著層厚度減少而增加，由於形態改變)，電場係延伸通過其配置最接近於場板160之自由磁性層106的周邊部分。於某些此類實施例中，電場實質上正交於其通過MTJ堆疊103之導電路徑的方向，於自由磁性層106之一或更多區內。其中有正交場存在之此類區的範圍及位置可針對一既定裝置幾何而被輕易地模擬。
於圖1A所示之範例實施例中，場板160可操作為兩MTJ電極105、130之一的延伸。場板160被直接地連接至(例如，配置成直接的歐姆接觸)MTJ電極105，而因此維持於一等於MTJ電極105之電位(例如，0V)的第一電壓電位，同時其他MTJ電極(例如，自由磁性層電極130)被維持於第二電壓電位(例如，1V)。因此，跨越自由磁性層106之至少一部分所產生的電場為跨越MTJ電極105、130所供應的電壓及/或所驅動的電流之函數。如此一來，電介質層150之厚度及場板160相對於自由磁 性層106之位置可根據將通過MTJ堆疊103以切換磁化狀態之關鍵電流而判定，其所得的電場係以圖2A-2D及3A-3D所進一步顯示之方式影響(例如，減少)關鍵電流之大小。
於圖1B所示之另一實施例中，場板160被電隔離(例如，藉由電介質層150)自MTJ電極105、130兩者。如此一來，場板可操作為STTM裝置101之第三獨立終端。當作第三獨立終端，可由電介質層150維持之任何差動電壓(例如，低於電介質崩潰電壓)可由一偏壓(Vb)來提供，該偏壓(Vb)係無關乎一供應於電位V0及V1上的MTJ電極105與130之間的電流驅動電壓，用來感應一通過自由磁性層106之關鍵電流。注意：穿隧層108可限制於MTJ電極105與130之間可維持的電壓位準差異，隨著電場亦被產生跨越穿隧層108，較高的電壓(及因而較強的電場)可被達成以其利用電氣獨立場板160(如圖1B中所示者)之實施例。
圖2A-2D闡明一種包括場板之STTM裝置的橫斷面之等角視圖，當平行磁性層之極化狀態被切換時，依據一實施例；而圖3A-3D闡明一種包括場板之STTM裝置的橫斷面之等角視圖，當垂直磁性層之極化狀態被切換時，依據另一實施例。如這些圖形中所示，場板160形成一圍繞電介質層150之周界，其進一步形成圍繞自由磁性層106之區段的環帶。如圖2A中所示，於初始狀態，自由磁性層106內之磁化雙極被實質上對準於一沿著x軸之第 一方向，以0電壓差介於場板160與自由磁性層電極(未顯示於圖2A中，但正如圖1A中之電極130係連接至自由磁性層106)之間。
針對圖2B中所示之狀態，電壓差被施加於場板160與自由磁性層電極之間(例如，+電壓施加於場板160而自由磁性層電極未偏壓或者於負電壓，如針對其中場板160被電連結至固定磁性層電極電位之範例實施例)。電壓差產生一電場，其延伸入自由磁性層106之至少一周邊區275。隨著場板160形成一周界於自由磁性層106周圍，周邊區275為環狀的且電場與環狀周邊區275內之磁性雙極互作用，將其定向(徑向地)遠離其初始(較佳)定向。
接下來，如圖2C中所示，關鍵電流(I)被傳遞通過自由磁性層106，而場板160被偏壓相對於自由磁性層電極。關鍵電流I之施加可與介於場板160與自由磁性層電極間的電壓差之施加實質上同時的(例如，其中場板160被電連結至固定磁性層電極電位)以致圖2B及2C中所示之狀態不被輕易地分辨。另一方面，圖2B及2C中所示之狀態可不同於其中場板160可被獨立地偏壓之實施例，如參考圖1B之別處所進一步描述者。針對某些此類實施例，可進一步得以在關鍵電流I之施加前從場板移除偏壓。圖2C闡明一轉移力矩感應的磁化切換至第二平面內方向。因為周邊區275(亦即，邊緣)內之雙極已於較佳定向之外，所以欲通過MTJ以切換磁化所需之電流 (密度)被有效地減少，相對於從圖2A中所示之初始狀態切換磁化所將需要者。如此一來，圖2B中所示之電場的施加係作用以加強圖2C中所示之轉移力矩感應的磁化切換。最後，隨著MTJ堆疊之狀態被切換，電場(及關鍵電流)被移除，如圖2D中所示。
雖然圖2A-2D闡明針對一包括具有平面內磁性各向異性之自由磁性層的MTJ堆疊的電場加強之自旋轉移力矩感應的磁化切換，但圖3A-3D則闡明針對一包括具有垂直磁性各向異性之自由磁性層的MTJ堆疊的電場加強之自旋轉移力矩感應的磁化切換。如圖3A中所示，場板160及電介質層150形成圍繞自由磁性層106之相同周界結構，如圖2A中所示者。自由磁性層106之初始磁化狀態係於第一平面外方向。於圖3B中，偏壓被施加於場板160與自由磁性層電極之間(例如，+偏壓至場板160)，而周邊區275內之雙極則失去其較佳定向。於圖3C中，關鍵電流I被傳遞通過MTJ堆疊，而轉移力矩感應的磁化切換發生以將雙極再定向為第二平面外方向。電場(及關鍵電流)被接著移除於圖3D中。
圖4為闡明一種製造包括場板之STTM裝置的方法400之流程圖，依據一實施例。圖5A、5B、5C、5D及5E闡明一種包括場板之STTM裝置的等角視圖，當圖4之方法中的操作被執行時，依據一實施例。
方法400一開始係藉由沈積MTJ堆疊於基底(例如，矽或其他半導體晶圓，等等)上以形成記憶體元件， 於操作401。圖5A闡明一範例MTJ堆疊，其包含固定磁性層電極105、於固定磁性層電極105上(例如，直接於其上)之固定磁性層110、於固定磁性層110上之自由磁性層106(以一穿隧層配置於其間但未描繪)、及於自由磁性層106上之自由磁性層電極130。任何習知技術均可被應用於操作401以形成任何習知的MTJ堆疊，諸如(但不限定於)沈積(例如，濺射)、圖案化(例如，微影)及蝕刻(例如，乾式或濕式)程序，其為針對特別是MTJ堆疊之材料的技術中所已知的程序。如圖5A中所示，MTJ堆疊之圖案化係停止於固定磁性層電極105上以致MTJ堆疊形成一垂直地從電極105延伸之記憶體元件，以電極105橫向地延伸超過MTJ堆疊。
再次參考圖4，方法400進行至操作405，其中MTJ堆疊被覆蓋於電介質層中，如圖5B中所進一步闡明者。如圖所示，電介質層150形成一具有可控制厚度之實質上共形層，於MTJ堆疊之實質上垂直側壁上。雖然針對選定電介質之本技術中已知的任何習知沈積技術(例如，針對二氧化矽之CVD)均可被利用於操作405，但於範例實施例中係利用原子層沈積程序(ALD)，例如，以沈積高k電介質層(例如，HfO2)。
回到圖4，方法400繼續於操作410A，其中電介質層150被回蝕以暴露MTJ及電極105之一部分，如圖5C中之進一步描繪；或者方法400可替代地延遲該回蝕直到在一場板被形成以電氣地將該場板與兩電極隔離(例如，以 形成圖1A中所示之結構)。當執行操作410A時，針對被選擇為電介質層150之材料的本技術中已知的任何各向異性蝕刻程序(例如，乾式電漿蝕刻)均可被利用以自對準地(亦即，無初步遮罩圖案化操作)沿著MTJ堆疊之側壁形成電介質間隔物。如圖5C中進一步所示，電介質之回蝕係暴露電極105及130兩者，其為能抵抗操作410上所應用之蝕刻程序的材料。
方法400(圖4)接著進行至操作415，其中用於場板160之一導電材料層被沈積於電介質層150及MTJ堆疊之上，如圖5D中進一步描繪者。雖然針對選定材料之本技術中已知的任何習知沈積技術可被利用於操作415，但於範例實施例中係利用ALD以沈積一高度共形的金屬層。於其中導電材料接觸與電極105之範例實施例中，導電材料成分被選擇以與電極105進行歐姆接觸。替代地，電極105可被利用以電解地電鍍金屬；或者催化層可被沈積(例如，濺射)並利用以無電地電鍍金屬。
如圖4中進一步描繪，於操作420，導電(例如，金屬)層被回蝕，再次有利地以一種自對準的(未圖案化的)各向異性蝕刻程序來形成一圍繞電介質層150之導電(金屬)間隔物，如圖5E中所示。於場板回蝕操作期間，MTJ電極130被暴露(能抵抗回蝕操作420中所應用之蝕刻處理)。如圖5D中進一步顯示，回蝕程序之歷時可被調諧以保留場板160有一理想高度(例如，近乎電介質層150之高度)，其有利地不凹陷於自由磁性層106底 下(或更底下)。在操作420之後，方法400使用習知技術以完成記憶體元件之互連，除非電介質回蝕操作410A未被執行，於此情況下電介質回蝕操作410B被執行在操作430之前(或當作其部分)以暴露用於互連之電極130。
圖6闡明一種包括自旋轉移力矩元件之STTM位元單元的概圖，依據本發明之實施例。自旋轉移力矩元件610包括：自由磁性層電極611、鄰接自由磁性層電極611之自由磁性層614、鄰接固定磁性層618之固定磁性層電極616、及配置於自由磁性層614與固定磁性層618之間的穿隧層622，以完成MTJ結構。電介質元件623被配置鄰近固定磁性層電極616、固定磁性層618、及穿隧層622，以一場板660配置鄰近第二電介質元件623。固定磁性層電極金屬化616被電連接至位元線632。自由磁性層電極金屬化611被連接至電晶體634。電晶體634被連接至字元線636及源極線638，以本技術中習知的任何方式。場板660被連接至固定磁性層電極金屬化616或(替代地)一獨立偏壓(VB)之任一者，以供STTM位元單元600之電場加強。STTM位元單元600可進一步包括額外的讀取和寫入電路(未顯示)、感應放大器(未顯示)、位元線參考(未顯示)，等等，如那些熟悉固態非揮發性記憶體裝置之技術的人士所將瞭解者，以供STTM位元單元600之操作。應理解其複數STTM位元單元600可操作以彼此連接而形成記憶體陣列(未顯示)，其中該記憶體 陣列可被併入非揮發性記憶體裝置內。
圖7闡明一種計算裝置平台700之等角視圖以及由該平台所利用之微電子裝置710的概圖721，依據本發明之實施例。計算平台700可為：針對電子資料顯示、電子資料處理、及無線電子資料傳輸之每一者所組態的任何可攜式裝置；或諸如桌上型電腦等固定裝置；或針對至少電子資料處理所組態的伺服器設備。針對範例行動實施例，計算平台700可為：輸入板、智慧型手機、膝上型電腦或輕薄型筆電等等之任一者；並包括顯示螢幕705，其可為觸控式螢幕(電容式、電感式、電阻式，等等)、晶片級(SoC)或封裝級集成微電子裝置710、及電池713。
集成裝置710被進一步闡明於延伸視圖721中。於範例實施例中，裝置710包括至少一記憶體及至少一處理器晶片(例如，多核心微處理器及/或圖形處理器核心730、731)。於實施例中，電場加強的STTM 732，如文中別處所更詳細地描述者(例如，圖1A、1B等等)，被集成入裝置710。裝置710進一步耦合至電路板、基底、或插入器500，連同一或更多電力管理積體電路(PMIC)715、RF(無線)積體電路(RFIC)725，包括寬頻RF(無線)傳輸器及/或接收器(例如，包括數位寬頻及類比前端模組進一步包含於傳輸路徑上之功率放大器以及於接收路徑上之低雜訊放大器)、及其控制器711。功能上，PMIC 715執行電池電力調節、DC至DC轉換等等，而因此具有一耦合至電池713之輸入並具有一提供電流供應至 所有其他功能性模組之輸出。如進一步闡明者，於範例實施例中，RFIC 725具有一耦合至天線之輸出以提供實施數種無線標準或協定之任一者，包括(但不限定於)Wi-Fi(IEEE 802.11家族)、WiMAX(IEEE 802.16家族)、IEEE 802.20、長期演進技術(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍牙、其衍生物，以及其被指定為3G、4G、5G、及以上的任何其他無線協定。於實施方式中，每一這些模組可被集成於單一晶片上而成為SoC、於其耦合至封裝裝置710之封裝基底的分離IC上、或者於電路板級。
圖8為一計算裝置1000之功能方塊圖，依據本發明之一實施例。計算裝置1000可發現於平台700之內部，例如，並進一步包括一控制數個組件之電路板1002，諸如(但不限定於)處理器1004(例如，應用程式處理器)及至少一通訊晶片1006。於實施例中，至少處理器1004被集成(例如，晶片上)與電場加強的STTM，依據文中別處所描述之實施例。處理器1004被實體地及電氣地耦合至電路板1002。處理器1004包括封裝於處理器1004內之積體電路晶粒。術語「處理器」可指稱任何裝置或裝置之部分，其處理來自暫存器及/或記憶體之電子資料以將該電子資料轉變為其可被儲存於暫存器及/或記憶體中之其他電子資料。
於某些實施方式中，至少一通訊晶片1006亦被實體 地及電氣地耦合至電路板1002。於進一步實施方式中，通訊晶片1006為處理器1004之部分。根據其應用，計算裝置1000可包括其他組件，其可被或可不被實體地及電氣地耦合至電路板1002。這些其他組件包括(但不限定於)揮發性記憶體(例如，DRAM)、以快閃記憶體之形式的非揮發性記憶體(例如，RAM或ROM)或STTM，等等、圖形處理器、數位信號處理器、密碼處理器、晶片組、天線、觸控螢幕顯示、觸控螢幕控制器、電池、音頻編碼解碼器、視頻編碼解碼器、功率放大器、全球定位系統(GPS)裝置、羅盤、加速計、迴轉儀、揚聲器、相機、及大量儲存裝置(諸如硬碟機、固態硬碟機(SSD)、光碟(CD)、數位光碟(DVD)，等等)。
通訊晶片1006之至少一者致能無線通訊，以供資料之轉移至及自計算裝置1000。術語「無線」及其衍生詞可被用以描述電路、裝置、系統、方法、技術、通訊頻道，等等，其可藉由使用透過非固體媒體之經調變的電磁輻射來傳遞資料。該術語並未暗示其相關裝置不含有任何佈線，雖然於某些實施例中其可能不含有。通訊晶片1006可實施數個無線標準或協定之任一者，包括(但不限定於)文中別處所描述的那些。計算裝置1000可包括複數通訊晶片1006。例如，第一通訊晶片1006可專用於較短距離無線通訊，諸如Wi-Fi及藍牙；而第二通訊晶片1006可專用於較長距離無線通訊，諸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO及其他。
應理解其上述描述係為了說明性，而非限制性。例如，雖然圖形中之流程圖顯示由本發明之某些實施例所執行的操作之特定順序，但應理解此順序可能不需要(例如，替代實施例可依不同順序執行操作、結合某些操作、重疊某些操作，等等)。再者，許多其他實施例將再閱讀並瞭解以上描述後被那些熟悉此技藝人士所清楚明白。雖然本發明係參考特定範例實施例而被描述，但應理解其本發明不限於所描述之實施例，而可於後附申請專利範圍之精神及範圍內進行修改及更改。因此，本發明之範圍應參考後附申請專利範圍(連同此申請專利範圍所主張之同等物的完整範圍)而被判定。
101‧‧‧STTM裝置
103‧‧‧MTJ堆疊
105‧‧‧固定磁性層電極
106‧‧‧自由磁性層
108‧‧‧穿隧層
110‧‧‧固定磁性層
130‧‧‧自由磁性層電極
150‧‧‧電介質層
160‧‧‧場板

Claims (23)

  1. 一種電場加強之自旋力矩轉移記憶體裝置，包含：一第一電極和一第二電極；一固定磁性層和一自由磁性層，其係配置於該第一電極與該第二電極之間，以一穿隧層進一步配置於該固定磁性層與該自由磁性層之間，其中該第一電極與該第二電極係分別電耦接至該固定磁性層與該自由磁性層；一電介質層，其係鄰近該自由磁性層；及一場板，其係藉由該電介質層而與該自由磁性層分離。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中電流係通過該自由磁性層之厚度，其中該電介質層係鄰近一與該自由磁性層之該厚度關聯的側壁，其中該場板係藉由該電介質層而分離自該自由磁性層側壁。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該場板係供應電場於該第一電極與該第二電極的至少一者之間，該電場具有一非平行於其通過該自由磁性層之電流的方向之成分。
  4. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該場板為導體，該導體被維持在等於該第一電極與該第二電極之一者的電壓之電位，其一供應電場為供應至該第一電極與該第二電極之電壓差的函數，且其中該電壓差係驅動介於該第一電極與該第二電極之間的電流通過該自由磁性層。
  5. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該場板被配置 成直接接觸與該第一電極與該第二電極之一者，且其中該自由磁性層被配置於該穿隧層之上，該穿隧層被配置於該固定磁性層之上以形成堆疊，其中該電介質層形成一圍繞該堆疊之側壁的周界，該電介質層之垂直高度為該堆疊之垂直高度的至少一部分；及其中該場板形成一圍繞該電介質層之周界，該場板之垂直高度為該堆疊之該垂直高度的至少一部分。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該堆疊、該電介質層、及該場板均配置於該第一電極之上，及其中垂直電介質高度係超過垂直堆疊高度以使該場板分離自該第二電極之側壁。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該垂直電介質高度係超過垂直板高度。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電介質層為具有大於8之電介質常數的高k電介質，且其中該場板及該第一電極均為金屬。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包含一電連接至該第一電極或該第二電極、源極線、及字元線之電晶體。
  10. 一種製造自旋力矩轉移記憶體裝置之方法，該方法包含：形成垂直定向的磁性穿隧接面(MTJ)元件；沈積電介質層於該MTJ元件之上； 沈積導電層於該電介質層之上；回蝕該電介質層之第一部分以暴露一接觸該MTJ元件之第一端的金屬層；回蝕該導電層以暴露該MTJ元件之第二端；及形成一通至該MTJ元件之該第二端的接點。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中沈積該電介質層進一步包含藉由原子層沈積(ALD)以沈積高k電介質材料，及其中回蝕該電介質層進一步包含各向異性地蝕刻該電介質層以形成一圍繞該MTJ元件之周界的間隔物。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中沈積該金屬層進一步包含藉由CVD、ALD、或電解或無電電鍍之至少一者以沈積金屬之至少一者。
  13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中形成該MTJ元件進一步包含：形成底部接點；形成固定磁性層於該底部接點之上；形成穿隧層於該固定磁性層之上；形成自由磁性層於該穿隧層之上；及暴露至少該自由磁性層之側壁。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中回蝕該電介質層之該第一部分進一步包含減少該電介質層之垂直高度以暴露該MTJ元件之該第二端而不會再暴露該自由磁性層之該側壁。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中回蝕該導電層進一步包含減少該導電層之垂直高度以暴露該電介質層之垂直側壁。
  16. 如申請專利範圍第10項之方法，其中形成該固定磁性層進一步包含沈積CoFeB，及其中形成該穿隧層進一步包含沈積MgO。
  17. 一種更改自旋力矩轉移記憶體裝置中的邏輯狀態之方法，該方法包含：感應一電流，其係通過配置於電極之間的固定磁性層、穿隧層、及自由磁性層；感應一電場，其係非平行於第一電極與一場板之間的電流之方向，該場板係藉由一鄰近該自由磁性層之電介質層而分離自該自由磁性層；及回應於該電流及電場而切換該自由磁性層中之磁性雙極的定向從第一定向至第二定向。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該電場係實質上正交於該電流之方向。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該第一定向和該第二定向係垂直於該電場。
  20. 一種電場加強之自旋力矩轉移記憶體裝置，包含：一第一電極和一第二電極；一固定磁性層和一自由磁性層，其係配置於該第一電極與該第二電極之間，以一穿隧層進一步配置於該固定磁 性層與該自由磁性層之間；一電介質層，其係鄰近該自由磁性層；一場板，其係藉由該電介質層而與該自由磁性層分離；其中電流係通過該自由磁性層之厚度，其中該電介質層係鄰近一與該自由磁性層之該厚度關聯的側壁，其中該場板係藉由該電介質層而分離自該自由磁性層側壁；及其中該場板為導體，該導體被維持在等於該第一電極與該第二電極之一者的電壓之電位，其一供應電場為供應至該第一電極與該第二電極之電壓差的函數，且其中該電壓差係驅動介於該第一電極與該第二電極之間的電流通過該自由磁性層。
  21. 一種電場加強之自旋力矩轉移記憶體裝置，包含：一第一電極和一第二電極；一固定磁性層和一自由磁性層，其係配置於該第一電極與該第二電極之間，以一穿隧層進一步配置於該固定磁性層與該自由磁性層之間；一電介質層，其係鄰近該自由磁性層；一場板，其係藉由該電介質層而與該自由磁性層分離；其中該場板係供應電場於該第一電極與該第二電極的至少一者之間，該電場具有一非平行於其通過該自由磁性層之電流的方向之成分； 其中該場板被配置成直接接觸與該第一電極與該第二電極之一者，且其中該自由磁性層被配置於該穿隧層之上，該穿隧層被配置於該固定磁性層之上以形成堆疊，其中該電介質層形成一圍繞該堆疊之側壁的周界，該電介質層之垂直高度為該堆疊之垂直高度的至少一部分；及其中該場板形成一圍繞該電介質層之周界，該場板之垂直高度為該堆疊之該垂直高度的至少一部分。
  22. 如申請專利範圍第21項之裝置，其中該堆疊、該電介質層、及該場板全都配置在該第一電極上，及其中該電介質層的垂直高度超過該堆疊之垂直高度，以將該場板與該第二電極的側壁分離。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該電介質層的垂直高度超過該場板的垂直高度。
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