TWI602331B - 使用外部鐵磁偏壓膜之壓控磁各向異性切換裝置 - Google Patents
使用外部鐵磁偏壓膜之壓控磁各向異性切換裝置 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI602331B TWI602331B TW105117430A TW105117430A TWI602331B TW I602331 B TWI602331 B TW I602331B TW 105117430 A TW105117430 A TW 105117430A TW 105117430 A TW105117430 A TW 105117430A TW I602331 B TWI602331 B TW I602331B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- ferromagnetic layer
- magnet
- ferromagnetic
- mtj
- Prior art date
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 title claims description 61
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims description 51
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 30
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 18
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 10
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910018979 CoPt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 claims 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000007737 ion beam deposition Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000004774 atomic orbital Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/165—Auxiliary circuits
- G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/165—Auxiliary circuits
- G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
- H10N50/85—Magnetic active materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Description
本揭露之態樣總體上係關於資料儲存系統，且更特定而言，係關於一種使用外部鐵磁偏壓膜之壓控磁各向異性(VCMA)切換裝置。
現代電子裝置逐步併有大量之固態記憶體。電子行業不斷尋求提供低功率消耗的更高密度之裝置。就其本質而言，磁性記憶體提供非揮發性特性，且作為下一代記憶體類型受到越來越多之關注。
用在磁碟機中之磁性媒體的更高儲存位元密度已經減小了磁位元之大小(體積)。磁性隨機存取記憶體(MRAM)提供快速的存取時間、無限的讀取/寫入耐久性、耐輻射性及高儲存密度。不同於習知的RAM晶片技術，MRAM資料並非作為電荷被儲存，而是藉由儲存元件之磁性極化儲存。包括磁性隧道接面(MTJ)記憶體元件之MRAM單元可經設計用於MTJ層結構相對於膜表面之平面內或垂直磁化。該等元件由兩個磁性極化板組成(其中之每一個磁性極化板可維持磁性極化場)，該兩個磁性極化板由薄的絕緣層隔開，其共同形成MTJ堆疊。圖1係說明根據本揭露之某些態樣的實例MTJ堆疊100之圖。如圖1中所展示，該兩個板中之一者係設定成特定極性之永久磁體102(亦即，具有固定磁
化)；另一板106之極化將變成(亦即，具有自由磁化)與足夠強大的外場之極化相匹配。因此，該等單元具有允許該等單元充當非揮發性記憶體元件之兩個穩定狀態。
記憶體裝置可以由此種單元之網格構成。在晶片上陣列中之MRAM單元由金屬字線及位元線連接。每一個記憶體單元連接至字線及位元線。字線連接單元列，且位元線連接單元行。通常，互補金屬氧化物半導體(CMOS)結構包括選擇電晶體，該選擇電晶體經由頂部或底部金屬接點與MTJ堆疊電連接。電流之方向處於頂部或底部金屬電極之間。
讀取MRAM單元之極化狀態係藉由量測單元之MTJ的電阻來實現。特定單元習知地藉由對相關聯電晶體進行供電來進行選擇，該電晶體經由MTJ層將電流自電源線切換至接地。歸因於穿隧磁阻效應，在穿過穿隧障壁層104之電子的量子穿隧發生時，單元之電阻歸因於在MTJ之兩個磁性層中的極化之相對定向而發生改變。藉由量測所得電流，可判定在任何特定單元內之電阻，且由此判定自由可寫入(自由)層之極性。若該兩個層具有相同極化，則此被認為意謂狀態「0」，且電阻係「低」，而若該兩個層具有相反極化，則電阻將會更高且此意謂狀態「1」。使用多種技術將資料寫入至單元。
在習知MRAM中，外部磁場由靠近單元之電線中的電流提供，其足夠強大以將自由層對準。自旋轉移力矩(STT)MRAM使用自旋對準之(「極化之」)電子來直接扭轉自由層之域。流入自由層中之此種極化電子施加足夠的力矩以便將自由層之磁化進行重新對準(例如，反轉)。
磁阻式RAM(MeRAM)使用穿隧磁阻(TMR)效應以用於在雙端記憶體元件中進行讀出，此類似於其他類型之MRAM。然而，由在隧道障壁與自由層之界面處之VCMA來執行資訊之寫入，此與電流控制(例
如，STT或自旋軌道力矩(SOT))機制相反。在VCMA裝置中，藉由施加電場控制磁性質。VCMA裝置係基於奈米磁體之電場誘導切換。MeRAM裝置有可能大幅降低功率耗散。藉由消除操作裝置對電流之需要，顯著地降低歐姆耗散，從而導致非常低的動態(亦即，切換)能量耗散。除了降低的功率耗散之外，使用電場以用於寫入MeRAM亦提供增強位元密度方面之優勢。詳言之，在存取裝置(例如，電晶體)整合於電路中時，磁電寫入不對存取裝置施加基於電流驅動之大小限制，因此允許小得多的總體單元面積。同時，MeRAM原則上保持STT-MRAM之所有主要優勢，即高耐久性、高速、耐輻射性及非揮發性操作之可能性。
因此，存在對高密度及高能量效率磁性記憶體裝置之需要。
本揭露之系統、方法及裝置各自均具有若干態樣，其中並非僅靠任何單項態樣來負責其令人期望的屬性。在不限制本揭露之如隨後的申請專利範圍所表達的範疇的情況下，現將簡要地論述一些特徵。在考慮此論述後，且特定而言，在閱讀標題為「實施方式」的部分後，吾人將理解本揭露之該等特徵如何提供包括在無線網路中之存取點與站台之間的改善之通信的優勢。
本揭露之態樣總體上係關於資料儲存系統，且更特定而言，係關於一種使用外部鐵磁偏壓膜之VCMA切換裝置。
在一項態樣，提供一種MRAM裝置。該MRAM裝置總體上包括：一基板；至少一個MTJ堆疊，其安置於該基板上，其中該MTJ堆疊包含在具有固定磁化之第一鐵磁層與具有非固定磁化之第二鐵磁層之間的隧道障壁層；及一磁體，其安置成相鄰於該第二鐵磁層。
在另一態樣，提供一種用於製造MRAM裝置之方法。該方法總體上包括：在基板上形成至少一個MTJ堆疊，其中該MTJ堆疊包括在具
有固定磁化之第一鐵磁層與具有非固定磁化之第二鐵磁層之間的隧道障壁層；及安置成相鄰於該第二鐵磁層之磁體。
在又一態樣，提供一種MRAM裝置。該MRAM裝置總體上包括：一基板；至少一個MTJ堆疊，其安置於該基板上，其中該MTJ堆疊包含在具有固定磁化之第一鐵磁層與具有非固定磁化之第二鐵磁層之間的隧道障壁層；一鈍化層，其形成於該基板上，其中該鈍化層填充在MTJ之間的空間；及一磁體，其安置成相鄰於該第二鐵磁層，其中該磁體包含平行於該基板水平地安置且與該第二鐵磁層對準之鐵磁偏壓層，且其中當偏壓電壓經施加至該MTJ堆疊時，該第二鐵磁層之磁化圍繞來自該磁體之偏壓場進動，以使得當電場經施加至該MTJ堆疊時，該MTJ堆疊之磁極性被反轉。
為實現前述及相關目的，一或多項態樣包含下文中完整描述且在申請專利範圍中所特定指明的特徵。以下描述及所附圖式詳細陳述該一或多項態樣之某些說明性特徵。然而，此等特徵僅指示可以使用各項態樣之原理的少數各種方式，且此描述意欲包括所有此等態樣及其等效物。
100‧‧‧磁性隧道接面(MTJ)堆疊
102‧‧‧永久磁體
104‧‧‧穿隧障壁層
106‧‧‧板
200‧‧‧MTJ堆疊
202‧‧‧固定層
204‧‧‧隧道障壁層
206‧‧‧自由層
208‧‧‧鈍化層
210‧‧‧堆疊內磁偏壓層
500‧‧‧曲線圖
600‧‧‧操作
602‧‧‧步驟
604‧‧‧步驟
606‧‧‧步驟
700‧‧‧MRAM裝置
702‧‧‧基板
704‧‧‧MTJ堆疊
706‧‧‧固定層
708‧‧‧隧道障壁層
710‧‧‧自由層
712‧‧‧外部磁體
可藉由參考若干態樣來獲得可詳細理解本揭露之下述特徵(下文簡要概述之更特定描述)的方式，該等態樣中之一些在所附圖式中加以說明。然而應注意，該等所附圖式僅說明本揭露之某些典型態樣，且因此不被認為限制其範疇，此係因為本發明可以承認其他同等有效的態樣。
圖1係說明根據本揭露之某些態樣的實例MTJ堆疊之圖。
圖2係說明具有堆疊內磁偏壓層之實例MTJ堆疊之圖。
圖3根據本揭露之某些態樣說明施加磁場以調整能量障壁。
圖4根據本揭露之某些態樣說明藉由施加電壓來切換磁極性。
圖5係說明使用堆疊內偏壓場對垂直MTJ裝置進行之實例VCAM驅動寫入與TMR讀出的曲線圖。
圖6係說明根據本揭露之某些態樣的用於製造MRAM裝置之實例操作的方塊圖。
圖7係說明根據本揭露之某些態樣的具有MTJ堆疊與外部磁偏壓層之實例MRAM裝置的圖。
為了便於理解，在可能的情況下已使用相同的參考數字以便指定諸圖所共有的相同元件。預期在一項態樣中揭露之元件可有利地用於其他態樣而無需特定引用。
下文參看隨附圖式對本揭露之各項態樣進行更完整的描述。然而，本揭露可以以許多不同形式體現，且不應當被解釋為受限於貫穿本揭露所呈現之任何特定結構或功能。確切而言，提供此等態樣以使得本揭露將為充分且完整的，且將向熟習此項技術者充分地傳達本揭露之範疇。基於本文中之教示，熟習此項技術者應瞭解，本揭露之範疇意欲涵蓋在本文中揭露的本揭露之任何態樣，無論係獨立地實施抑或與本揭露之任何其他態樣組合地實施。舉例而言，可以使用本文中所陳述之任何數目項態樣實施設備或實踐方法。另外，除了本文中所陳述之本揭露的各項態樣以外或不同於該等態樣，本揭露之範疇意欲涵蓋使用其他結構、功能性或結構及功能性實踐之此設備或方法。應理解，本文中所揭露的本揭露之任何態樣可藉由申請專利範圍之一或多個元件體現。
詞「例示性」在本文中用以意謂「充當實例、例項或說明」。本文中描述為「例示性」之任何態樣不必解釋為較佳的或優於其他態樣。
本揭露之態樣總體上係關於一種使用外部鐵磁偏壓膜之VCMA切換裝置。舉例而言，如將在本文中更詳細論述的，可以在基板上形成
至少一個MTJ堆疊。MTJ堆疊可以包括在具有固定磁化之第一鐵磁層與具有非固定磁化之第二鐵磁層之間的隧道障壁層。外部磁體(例如，鐵磁偏壓層)可以安置成相鄰於第二鐵磁層。
在本揭露之態樣的以下描述中，參看形成本揭露之一部分的隨附圖式，且在附圖中以說明方式展示可以實踐本揭露之多個特定實施。應注意，本文中所論述之諸圖並未按比例繪製且不指示實際或相對大小。諸圖中之任何影線用於區分層且不表示所使用材料之類型。通常在單個晶圓上同時製造複數個MRAM單元陣列。本文中之諸圖及描述僅參考通常將在單一個晶圓上同時製造之複數個單元中的一些單元。
在金屬鐵磁膜(諸如，通常用在MTJ裝置中之彼等金屬鐵磁膜)中，電場由於材料之導電性而被屏蔽且因此僅穿透入膜表面幾埃。因此，接近表面之電場的強度原則上對於磁性質之電場控制係一種限制。然而，藉由利用超薄(例如，小於2nm)鐵磁膜，磁性質可能對界面效應敏感或甚至由界面效應主導，因此提供一種用於將所施加之電場耦合至材料之磁各向異性的機制。因此，經由壓控界面垂直磁各向異性(PMA)操縱金屬鐵磁體可用於實現電場受控磁性裝置。
可依據界面處之原子軌道的佔有率之電場誘導變化對VCMA效應進行解釋，該效應結合自旋軌道相互作用導致各向異性之變化。
圖2係說明具有堆疊內磁偏壓層之實例MTJ堆疊200之圖。如圖2中所展示，MTJ堆疊200包括固定層202、隧道障壁層204、自由層206、鈍化層208及堆疊內磁偏壓層210。MTJ堆疊之一個實例可包括CoFeB磁性層202及206以及作為隧道障壁層204之MgO。CoFeB-MgO MTJ(或其他相似類型MTJ)展現壓控磁各向異性(VCMA)，其中電場改變電子在CeFeB/MgO界面處之密度且影響垂直各向異性。舉例而言，在界面處之電子密度的降低增加了垂直各向異性。由於此磁電耦合並非應變
調節的，因此其無耐久性限制，此使得其與邏輯及記憶體應用相容。
外部磁場使能量障壁定向傾斜，而壓控各向異性取決於極性而減少或增加能量障壁。圖3根據本揭露之某些態樣說明施加磁場以調整能量障壁。當如圖4中所說明施加電壓(脈衝)時，調整能量障壁可實現判定性切換。舉例而言，如圖4中所展示，MTJ可以具有與初始磁化Heff對準之自由層磁化。在此實例中，Heff強調界面平面外各向異性且由其主導。電壓之施加導致電場通過MgO障壁且降低了界面各向異性。自由層之磁各向異性經由VCMA效應的此重新組態允許使用電場進行切換；換言之，歸因於VCMA效應之矯頑力的降低用以切換VMTJ之自由層的磁化而不影響自旋極化電流。如圖4中所展示，當施加電壓脈衝Vp時，影響自由層之有效場Heff在平面內傾斜，此係因為界面各向異性場被降低且Heff現由來自堆疊內層210之偏壓場主導。自由層之磁化將圍繞Heff進動直至其最終與Heff對準。阻尼在系統中足夠低，此係因為在進動停止前將發生許多振盪。可藉由斷開Vp來中斷進動，此可導致最終磁化狀態具有與初始磁化方向相反之極性。
此種電場受控MTJ可以與互補金屬氧化物半導體(CMOS)整合相容。可以經由TMR效應執行讀出且可以使用VCMA經由電場執行電寫入。舉例而言，寫入可為時間小於1ns之共振(進動)。對於可調性及密度，位元可為垂直的。
圖5係展示使用堆疊內偏壓場對垂直80nm×80nm MTJ裝置進行之VCMA驅動寫入與TMR讀出的曲線圖500。如圖5中所展示，可以實現100%切換(例如，在大約700ps±250ps之時間窗中)。在此實例中，切換能量可大約為10fJ/位元，其中寫入時間小於1ns。由於此進動的VCMA切換係觸發操作而非判定性操作(亦即，在每一次施加VCMA脈衝時發生切換)，因此讀取可以在切換前及/或切換後進行以便判定位元之極性，且無論是否應該施加觸發脈衝。
習知地，磁場由堆疊內磁偏壓層(諸如，圖2中所展示之堆疊內磁偏壓層210)提供。
根據本揭露之某些態樣，描述了具有外部(例如，與堆疊內相反)磁體(例如，偏壓層)之磁性隧道接面(MTJ)裝置。外部(例如，永久)磁體之使用可以允許更簡單的堆疊。
圖6係說明根據本揭露之某些態樣的用於製造MRAM裝置之實例操作600的呼叫流程。舉例而言，操作600可用於製造圖7中所說明之MRAM裝置700。
在602處，可以在基板(例如，基板702)上形成至少一個MTJ堆疊(例如，此MTJ堆疊704)，其中該MTJ堆疊包含在具有固定磁化(例如，固定層706)之第一鐵磁層(例如，CoFeB層)與具有非固定磁化(例如，自由層710)之第二鐵磁層(例如，CoFeB層)之間的隧道障壁層(例如，可為MgO層之隧道障壁層708)。
在604處，可以相鄰於第二鐵磁層安置(例如，形成)磁體(例如，外部磁體712)。根據某些態樣，可以將磁體安置於沈積在基板上之鈍化層中以防止短路(例如，在研磨裝置後)。根據某些態樣，磁體可為形成於基板(例如，晶圓)上的鐵磁偏壓層(例如，硬材料(諸如，CoPt層)或軟材料(諸如，由反鐵磁體釘紮之NiFe層))。如圖7中所展示，外部磁體712可以平行於基板702水平地形成且與自由層710對準。
在606處，向MTJ堆疊施加偏壓電壓，以使得自由層/障壁界面處之垂直各向異性被降低(亦即，VCMA效應)，致使自由層之磁化圍繞有效場(現在由偏壓磁體所產生之場主導)進動。脈衝持續時間可經最佳化以便使進動停止以使得自由層之磁極性被反轉。根據某些態樣，在製造裝置時，可以選擇所安置磁體之厚度及/或所安置磁體距第二鐵磁層之距離，以使得磁體將對MTJ堆疊施加所期望的(例如，最佳的)電場。
根據某些態樣，可以使用離子束沈積(IBD)、電鍍、濺鍍或用於沈積之其他技術安置外部磁體。
圖7係說明根據本揭露之某些態樣的具有MTJ堆疊704與外部磁體712之實例MRAM裝置700的圖。根據某些態樣，當向MTJ堆疊施加電場(例如，VCMA脈衝)時，自由層之磁化可以圍繞永久偏壓場(由外部磁體提供)進動。外部磁體之力矩及厚度的最佳化可以用於提供所期望的進動場。舉例而言，使用更強的磁場可以提供更快時間的進動。
根據某些態樣，外部磁場之使用可以導致改善之磁場控制、使用更大磁場之能力、更加容易地刻蝕MTJ堆疊之能力及更簡單之磁學。另外，由於層可更薄且更易於刻蝕透，因此可以使用更窄的最終間距。另外，堆疊內磁體可能需要大的平面內場退火場以便設定其方向，此可能不利於自由層性質及垂直各向異性。另外，應理解，儘管針對外部磁體712已經展示具有高矯頑力之永久磁性(硬磁體)，但亦可以使用耦合至反鐵磁偏壓層之低矯頑力永久磁體(軟磁體)。
在本文中所揭露之方法包含用於實現上述方法之一或多個步驟或動作。該等方法步驟及/或動作可以彼此互換而不背離申請專利範圍之範疇。換言之，除非指定了步驟或動作之特定次序，否則可以在不背離申請專利範圍之範疇的情況下修改特定步驟及/或動作之次序及/或使用。
如在本文中所使用的，參考項目清單「中之至少一者」的片語指彼等項目之任何組合，包括單個成員。舉例而言，「以下各項中的至少一者：a、b或c」意欲涵蓋a、b、c、a-b、a-c、b-c及a-b-c，以及與多個相同元件之組合(例如，a-a、a-a-a、a-a-b、a-a-c、a-b-b、a-c-c、b-b、b-b-b、b-b-c、c-c及c-c-c或a、b及c之任何其他排序)。
以上所描述之方法的各種操作可以由能夠執行相應功能之任何合適構件執行。該構件可以包括各種硬體及/或軟體組件。
應理解，申請專利範圍並不限於以上所說明之精確組態及組件。在不背離申請專利範圍的範疇之情況下，可以在以上所描述之方法及設備的配置、操作及細節中做出各種修改、改變及變化。
100‧‧‧磁性隧道接面(MTJ)堆疊
102‧‧‧永久磁體
104‧‧‧穿隧障壁層
106‧‧‧板
Claims (19)
- 一種磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)裝置，該裝置包括：一基板；至少一個磁性隧道接面(MTJ)堆疊，其安置於該基板上，其中該MTJ堆疊包含一隧道障壁層，該隧道障壁層在具有一固定磁化之一第一鐵磁層與具有非固定磁化之一第二鐵磁層之間；及一磁體，其安置成相鄰於該第二鐵磁層，其中該磁體為該MTJ堆疊外部之一磁體且水平地平行於該基板，並與該第二鐵磁層對準。
- 如請求項1之MRAM裝置，其中該磁體包含一鐵磁偏壓層。
- 如請求項1之MRAM裝置，其中該磁體包含由一反鐵磁體釘紮之一硬鐵磁層或一軟鐵磁層。
- 如請求項3之MRAM裝置，其中該硬鐵磁層包含CoPt且該軟鐵磁層包含NiFe。
- 如請求項1之MRAM裝置，其中該MRAM裝置進一步包含形成於該基板上之一鈍化層，且其中該磁體安置於該鈍化層中。
- 如請求項1之MRAM裝置，其中該第一鐵磁層及該第二鐵磁層包含CoFeB層。
- 如請求項1之MRAM裝置，其中該隧道障壁層包含一MgO層。
- 一種用於製造一磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)裝置之方法，該方法包含：在一基板上形成至少一個磁性隧道接面(MTJ)堆疊，其中該MTJ堆疊包含一隧道障壁層，該隧道障壁層在具有一固定磁化之一第一鐵磁層與具有非固定磁化之一第二鐵磁層之間；及相鄰於該第二鐵磁層安置一磁體，其中該磁體為該MTJ堆疊外 部之一磁體且水平地平行於該基板，並與該第二鐵磁層對準。
- 如請求項8之方法，其中該磁體包含一鐵磁偏壓層。
- 如請求項8之方法，其中該磁體包含由一反鐵磁體釘紮之一硬鐵磁層或一軟鐵磁層。
- 如請求項10之方法，其中該硬鐵磁層包含CoPt且該軟鐵磁層包含NiFe。
- 如請求項8之方法，其進一步包含：在該基板上形成一鈍化層，其中該磁體安置於該鈍化層中。
- 如請求項8之方法，其中該第一鐵磁層及該第二鐵磁層包含CoFeB層。
- 如請求項8之方法，其中該隧道障壁層包含一MgO層。
- 如請求項8之方法，其進一步包含：使用一壓控磁各向異性(VCMA)效應以使得該第二鐵磁層之該磁化圍繞來自該磁體之一偏壓場進動，以致該第二鐵磁層之一磁極性被反轉。
- 如請求項15之方法，其中相鄰於該第二鐵磁層之該磁體係一永久磁體。
- 一種磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)裝置，該裝置包含：一基板；至少一個磁性隧道接面(MTJ)堆疊，其安置於該基板上，其中該MTJ堆疊包含在具有一固定磁化之一第一鐵磁層與具有非固定磁化之一第二鐵磁層之間的一隧道障壁層；一鈍化層，其形成於該基板上，其中該鈍化層填充在MTJ之間的空間；及一磁體，其安置於該鈍化層中相鄰於該第二鐵磁層，其中該磁體包含平行於該基板水平地安置且與該第二鐵磁層對準之一鐵磁偏壓層，且其中當一偏壓電壓經施加至該MTJ堆疊時，該第二鐵 磁層之該磁化圍繞來自該磁體之一偏壓場進動，以使得當一電場經施加至該MTJ堆疊時，該MTJ堆疊之一磁極性被反轉。
- 如請求項17之MRAM裝置，其中該磁體包含由一反鐵磁體釘紮之一硬鐵磁層或一軟鐵磁層。
- 如請求項17之MRAM裝置，其中該磁體係一永久磁體。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14/728,788 US9620562B2 (en) | 2015-06-02 | 2015-06-02 | Voltage-controlled magnetic anisotropy switching device using an external ferromagnetic biasing film |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201705568A TW201705568A (zh) | 2017-02-01 |
| TWI602331B true TWI602331B (zh) | 2017-10-11 |
Family
ID=56410819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW105117430A TWI602331B (zh) | 2015-06-02 | 2016-06-02 | 使用外部鐵磁偏壓膜之壓控磁各向異性切換裝置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9620562B2 (zh) |
| JP (1) | JP2016225633A (zh) |
| KR (1) | KR101869149B1 (zh) |
| CN (1) | CN106374035B (zh) |
| DE (1) | DE102016006651A1 (zh) |
| FR (1) | FR3037185B1 (zh) |
| GB (1) | GB2539102B (zh) |
| TW (1) | TWI602331B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI783539B (zh) * | 2020-10-02 | 2022-11-11 | 美商桑迪士克科技有限責任公司 | 具有外部磁場程式化輔助的超低電力推理引擎 |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10103317B2 (en) | 2015-01-05 | 2018-10-16 | Inston, Inc. | Systems and methods for implementing efficient magnetoelectric junctions |
| US10217798B2 (en) | 2015-01-13 | 2019-02-26 | Inston, Inc. | Systems and methods for implementing select devices constructed from 2D materials |
| US9978931B2 (en) | 2015-02-13 | 2018-05-22 | Inston Inc. | Systems and methods for implementing robust magnetoelectric junctions |
| US20170033281A1 (en) * | 2015-07-29 | 2017-02-02 | Inston Inc. | Systems and Methods for Implementing Magnetoelectric Junctions Including Integrated Magnetization Components |
| US10102893B2 (en) | 2016-06-28 | 2018-10-16 | Inston Inc. | Systems for implementing word line pulse techniques in magnetoelectric junctions |
| US10998490B2 (en) | 2017-04-28 | 2021-05-04 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Magnetic element |
| WO2019006037A1 (en) | 2017-06-27 | 2019-01-03 | Inston, Inc. | REDUCTION OF WRITE ERROR RATE IN MAGNETOELECTRIC RAM |
| US10861527B2 (en) | 2017-06-27 | 2020-12-08 | Inston, Inc. | Systems and methods for optimizing magnetic torque and pulse shaping for reducing write error rate in magnetoelectric random access memory |
| JP2019057601A (ja) | 2017-09-20 | 2019-04-11 | 東芝メモリ株式会社 | 磁気記憶装置 |
| US10593866B2 (en) * | 2018-06-27 | 2020-03-17 | Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. | Magnetic field assisted MRAM structures, integrated circuits, and methods for fabricating the same |
| JP7005452B2 (ja) * | 2018-07-30 | 2022-01-21 | 株式会社東芝 | 磁気記憶装置 |
| US10636962B2 (en) | 2018-08-21 | 2020-04-28 | Qualcomm Incorporated | Spin-orbit torque (SOT) magnetic tunnel junction (MTJ) (SOT-MTJ) devices employing perpendicular and in-plane free layer magnetic anisotropy to facilitate perpendicular magnetic orientation switching, suitable for use in memory systems for storing data |
| US11195991B2 (en) | 2018-09-27 | 2021-12-07 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Magnetic random access memory assisted devices and methods of making |
| EP3671874B1 (en) | 2018-12-21 | 2022-06-22 | IMEC vzw | Zero-field switching for sot technology |
| CN110061127B (zh) * | 2019-05-20 | 2023-08-08 | 中国科学院微电子研究所 | 磁隧道结的形成方法及磁阻式随机存储器 |
| CN112310274A (zh) * | 2019-07-31 | 2021-02-02 | 中电海康集团有限公司 | 自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法 |
| US11069390B2 (en) * | 2019-09-06 | 2021-07-20 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Spin-orbit torque magnetoresistive random access memory with magnetic field-free current-induced perpendicular magnetization reversal |
| CN111490156A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-08-04 | 浙江驰拓科技有限公司 | 自旋轨道力矩磁存储器件及其制备方法 |
| WO2022046237A1 (en) * | 2020-08-27 | 2022-03-03 | Western Digital Technologies, Inc. | Multiferroic-assisted voltage controlled magnetic anisotropy memory device and methods of manufacturing the same |
| US11276446B1 (en) | 2020-08-27 | 2022-03-15 | Western Digital Technologies, Inc. | Multiferroic-assisted voltage controlled magnetic anisotropy memory device and methods of manufacturing the same |
| US11264562B1 (en) | 2020-08-27 | 2022-03-01 | Western Digital Technologies, Inc. | Multiferroic-assisted voltage controlled magnetic anisotropy memory device and methods of manufacturing the same |
| US11729996B2 (en) | 2021-07-30 | 2023-08-15 | International Business Machines Corporation | High retention eMRAM using VCMA-assisted writing |
| JP2023074096A (ja) * | 2021-11-17 | 2023-05-29 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 磁気抵抗効果メモリ、メモリアレイ及びメモリシステム |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120002463A1 (en) * | 2006-02-25 | 2012-01-05 | Avalanche Technology, Inc. | high capacity low cost multi-state magnetic memory |
| US20120018788A1 (en) * | 2008-10-09 | 2012-01-26 | Seagate Technology Llc | Magnetic stack with laminated layer |
| US20140233306A1 (en) * | 2003-08-19 | 2014-08-21 | New York University | Bipolar spin-transfer switching |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5729410A (en) | 1996-11-27 | 1998-03-17 | International Business Machines Corporation | Magnetic tunnel junction device with longitudinal biasing |
| US5936293A (en) * | 1998-01-23 | 1999-08-10 | International Business Machines Corporation | Hard/soft magnetic tunnel junction device with stable hard ferromagnetic layer |
| US6114719A (en) | 1998-05-29 | 2000-09-05 | International Business Machines Corporation | Magnetic tunnel junction memory cell with in-stack biasing of the free ferromagnetic layer and memory array using the cell |
| JP4575136B2 (ja) * | 2004-12-20 | 2010-11-04 | 株式会社東芝 | 磁気記録素子、磁気記録装置、および情報の記録方法 |
| US7285836B2 (en) * | 2005-03-09 | 2007-10-23 | Maglabs, Inc. | Magnetic random access memory with stacked memory cells having oppositely-directed hard-axis biasing |
| US7230845B1 (en) * | 2005-07-29 | 2007-06-12 | Grandis, Inc. | Magnetic devices having a hard bias field and magnetic memory devices using the magnetic devices |
| US7777261B2 (en) | 2005-09-20 | 2010-08-17 | Grandis Inc. | Magnetic device having stabilized free ferromagnetic layer |
| JP2008135432A (ja) * | 2006-11-27 | 2008-06-12 | Tdk Corp | トンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法 |
| JP2008171882A (ja) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Sony Corp | 記憶素子及びメモリ |
| JP4435189B2 (ja) * | 2007-02-15 | 2010-03-17 | 株式会社東芝 | 磁気記憶素子及び磁気記憶装置 |
| FR2914482B1 (fr) * | 2007-03-29 | 2009-05-29 | Commissariat Energie Atomique | Memoire magnetique a jonction tunnel magnetique |
| EP2015307B8 (en) * | 2007-07-13 | 2013-05-15 | Hitachi Ltd. | Magnetoresistive device |
| JP5077019B2 (ja) * | 2008-03-31 | 2012-11-21 | Ｔｄｋ株式会社 | 磁気記憶装置 |
| US9728240B2 (en) | 2009-04-08 | 2017-08-08 | Avalanche Technology, Inc. | Pulse programming techniques for voltage-controlled magnetoresistive tunnel junction (MTJ) |
| US9196332B2 (en) * | 2011-02-16 | 2015-11-24 | Avalanche Technology, Inc. | Perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) with in-plane magneto-static switching-enhancing layer |
| KR20140037111A (ko) * | 2011-05-19 | 2014-03-26 | 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 | 전압 제어 자기 이방성 스위치 및 자기 전기 메모리 |
| US9293694B2 (en) * | 2011-11-03 | 2016-03-22 | Ge Yi | Magnetoresistive random access memory cell with independently operating read and write components |
| WO2014022304A1 (en) | 2012-07-30 | 2014-02-06 | The Regents Of The University Of California | Multiple-bits-per-cell voltage-controlled magnetic memory |
| CN104704564B (zh) | 2012-08-06 | 2017-05-31 | 康奈尔大学 | 磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置 |
| US8988923B2 (en) | 2012-09-11 | 2015-03-24 | The Regents Of The University Of California | Nonvolatile magneto-electric random access memory circuit with burst writing and back-to-back reads |
| US9036407B2 (en) | 2012-12-07 | 2015-05-19 | The Regents Of The University Of California | Voltage-controlled magnetic memory element with canted magnetization |
-
2015
- 2015-06-02 US US14/728,788 patent/US9620562B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2016
- 2016-06-01 FR FR1654982A patent/FR3037185B1/fr not_active Expired - Fee Related
- 2016-06-01 GB GB1609565.5A patent/GB2539102B/en not_active Expired - Fee Related
- 2016-06-02 CN CN201610826624.8A patent/CN106374035B/zh active Active
- 2016-06-02 KR KR1020160068948A patent/KR101869149B1/ko active IP Right Grant
- 2016-06-02 TW TW105117430A patent/TWI602331B/zh not_active IP Right Cessation
- 2016-06-02 DE DE102016006651.2A patent/DE102016006651A1/de active Pending
- 2016-06-02 JP JP2016111167A patent/JP2016225633A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140233306A1 (en) * | 2003-08-19 | 2014-08-21 | New York University | Bipolar spin-transfer switching |
| US20120002463A1 (en) * | 2006-02-25 | 2012-01-05 | Avalanche Technology, Inc. | high capacity low cost multi-state magnetic memory |
| US20120018788A1 (en) * | 2008-10-09 | 2012-01-26 | Seagate Technology Llc | Magnetic stack with laminated layer |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI783539B (zh) * | 2020-10-02 | 2022-11-11 | 美商桑迪士克科技有限責任公司 | 具有外部磁場程式化輔助的超低電力推理引擎 |
| US12093812B2 (en) | 2020-10-02 | 2024-09-17 | Sandisk Technologies Llc | Ultralow power inference engine with external magnetic field programming assistance |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB201609565D0 (en) | 2016-07-13 |
| FR3037185B1 (fr) | 2019-10-25 |
| TW201705568A (zh) | 2017-02-01 |
| GB2539102B (en) | 2019-09-11 |
| DE102016006651A1 (de) | 2016-12-08 |
| GB2539102A (en) | 2016-12-07 |
| CN106374035B (zh) | 2019-11-26 |
| US9620562B2 (en) | 2017-04-11 |
| US20160358973A1 (en) | 2016-12-08 |
| JP2016225633A (ja) | 2016-12-28 |
| KR101869149B1 (ko) | 2018-06-19 |
| CN106374035A (zh) | 2017-02-01 |
| KR20160142255A (ko) | 2016-12-12 |
| FR3037185A1 (zh) | 2016-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI602331B (zh) | 使用外部鐵磁偏壓膜之壓控磁各向異性切換裝置 | |
| KR102353406B1 (ko) | 스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자 | |
| US8670271B2 (en) | Magnetic stack having assist layers | |
| US10262711B2 (en) | Magnetic memory | |
| US10953319B2 (en) | Spin transfer MRAM element having a voltage bias control | |
| US8362580B2 (en) | Spin-transfer switching magnetic element utilizing a composite free layer comprising a superparamagnetic layer | |
| JP5973959B2 (ja) | 面外磁気トンネル接合セルの強磁性自由層の磁化方向を切換える方法、磁気メモリシステムおよびデータを電子的に記憶する方法 | |
| US9705072B2 (en) | Spin transfer torque tunneling magnetoresistive device having a laminated free layer with perpendicular magnetic anisotropy | |
| US9461243B2 (en) | STT-MRAM and method of manufacturing the same | |
| US20220149269A1 (en) | Spintronics element and magnetic memory device | |
| JP2012533189A (ja) | 直交磁化配向方向を伴う基準層を有する磁気スタック | |
| US9741929B2 (en) | Method of making a spin-transfer-torque magnetoresistive random access memory (STT-MRAM) | |
| EP2656346B1 (en) | Memory array having local source lines | |
| US11094359B2 (en) | High retention multi-level-series magnetic random-access memory | |
| KR20120023560A (ko) | 기억 소자 및 기억 장치 | |
| CN110366756A (zh) | 磁存储器、半导体装置、电子设备和读取磁存储器的方法 | |
| US11264071B2 (en) | Magnetoresistance effect element and magnetic memory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |