专利名称：包含压电应力材料的自旋力矩转移磁性随机存取存储器单元结构的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及磁性随机存取存储器，且更明确地说，涉及自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)。
背景技术：
此部分意在向读者介绍在下文描述和/或主张的可与本发明的各种方面相关的技术的各种方面。相信此论述在向读者提供背景信息以促进对本发明的各种方面的较佳理解方面有所帮助。因此，应理解，将以此角度阅读这些陈述，且不承认其为现有技术。磁性随机存取存储器(MRAM)是基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。MRAM在若干方面不同于易失性随机存取存储器(RAM)。因为MRAM是非易失性的，所以MRAM可在存储器装置不被供电时维持存储器内容。虽然非易失性RAM通常比易失性RAM慢，但MRAM具有可与易失性RAM的读取和写入响应时间相当的读取和写入响应时间。与将数据存储为电荷的典型RAM技术不同，MRAM数据是由磁阻元件存储。通常，磁阻元件是由两个磁性层组成，所述磁性层中的每一者保持一磁化。一个层(“针扎层”)的磁化在其磁定向上是固定的，且另一层(“自由层”)的磁化可通过由编程电流产生的外部磁场来改变。因此，所述编程电流的磁场可致使两个磁性层的磁定向平行(提供跨越所述层的较低电阻(“0”状态)) 或反平行(提供跨越所述层的较高电阻(“1”状态))。自由层的磁定向的切换和跨越所述磁性层的所得高电阻状态或低电阻状态提供了典型MRAM单元的写入操作和读取操作。虽然MRAM技术提供非易失性和较快的响应时间，但MRAM单元在可缩放性方面受限且易受写入干扰影响。用以在跨越MRAM磁性层的高电阻状态与低电阻状态之间切换的编程电流通常较高。因此，当在MRAM阵列中排列多个单元时，导引到一个存储器单元的编程电流可在邻近单元的自由层中引发场变化。可使用自旋力矩转移技术来解决写入干扰的此潜在可能(也称为“半选问题”)。常规自旋力矩转移MRAM (STT-MRAM)单元包括磁性隧道结(MTJ)，所述磁性隧穿结 (MTJ)为磁阻数据存储元件，其包括两个磁性层(一个针扎层和一个自由层)和位于所述两个磁性层之间的绝缘层、一位线、一字线、一源极线和一存取晶体管。编程电流通常流经所述存取晶体管和所述MTJ。所述针扎层使编程电流的电子自旋极化，且当经自旋极化的电流穿过MTJ时产生力矩。经自旋极化的电子流通过对自由层施加力矩而与自由层相互作用。 当穿过MTJ的经自旋极化的电子流的力矩大于临界切换电流密度(J。)时，由经自旋极化的电子流施加的力矩足以切换自由层的磁化。因此，可使自由层的磁化对准而平行于针扎层或反平行于针扎层，且改变跨越MTJ的电阻状态。STT-MRAM具有优于MRAM的有利特性，因为经自旋极化的电子流消除了对用以切换磁阻元件中的自由层的外部磁场的需要。另外，因为编程电流随单元大小减小而减小，所以可缩放性得以改进，且写入干扰和半选问题得以解决。另外，STT-MRAM技术允许较高的隧穿磁阻比，意味着在高电阻状态与低电阻状态之间存在较大比率，从而改进磁畴中的读取操作。然而，穿过STT-MRAM单元的高编程电流密度仍造成问题，因为穿过磁性层的高电流密度增加了单元中的能量消耗和层中的热分布，从而影响单元的完整性和可靠性。穿过磁性层的高电流密度还可导致每一单元的较大占用面积(real estate)消耗。
在以下详细描述中且参看图式来描述特定实施例，其中图1描绘根据本发明的技术的实施例的基于处理器的系统的框图；图2描绘具有根据本发明实施例而制造的存储器单元的存储器阵列的一部分的示意图；图3A和图3B，以及图4A和图4B描绘根据本发明实施例的具有内置式压电层的 STT-MRAM单元堆叠；以及图5描绘根据本发明实施例的包含压电间隔物的STT-MRAM单元堆叠；图6描绘根据本发明实施例的包含绝缘压电材料的两个STT-MRAM单元堆叠；以及图7描绘根据本发明实施例的在STT-MRAM单元中的压电材料的可能实施方案。
具体实施例方式如先前所论述，自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元是通过切换所述单元的磁性隧道结(MTJ)中的自由层的磁化来编程。切换在穿过存储器单元的电流密度大于临界切换电流密度时发生。因此，为了编程所述单元，编程电流密度仅需要略微高于临界切换电流密度。由于传递较大切换电流会增加MTJ中的能量消耗和热分布(其影响单元的完整性和可靠性)，所以需要在不影响单元的热稳定性的情况下降低临界切换电流。降低临界切换电流将允许在编程所述单元时用较小电流来切换自由层。以下论述描述根据本发明的技术的实施例的系统和装置，以及所述系统和装置的操作。图1描绘基于处理器的系统，其由参考标号10概括表示。如以下所阐释，系统10 可包括根据本发明的技术的实施例而制造的各种电子装置。系统10可为例如计算机、寻呼机、蜂窝式电话、个人备忘记事本、控制电路等多种类型中的任一者。在典型的基于处理器的系统中，例如微处理器等一个或一个以上处理器12控制系统10中的系统功能和请求的处理。如以下所阐释，处理器12和系统10的其它子组件可包括根据本发明的技术的实施例而制造的电阻性存储器装置。系统10通常包括电源14。举例来说，如果系统10为便携式系统，那么电源14可有利地包括燃料电池、电力收集(power scavenging)装置、永久电池、可替换电池和/或可再充电电池。举例来说，电源14还可包括AC适配器，因此系统10可插入到壁式插座中。 举例来说，电源14还可包括DC适配器，使得系统10可插入到交通工具点烟器(vehicle cigarette lighter)中。视系统10执行的功能而定，各种其它装置可耦合到处理器12。举例来说，用户接口 16可耦合到处理器12。举例来说，用户接口 16可包括按钮、开关、键盘、光笔、鼠标、数字转换器和触笔和/或语音辨识系统。显示器18还可耦合到处理器12。举例来说，显示器 18可包括IXD、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子体显示器、OLED显示器、LED和/或音频显示器。此外，RF子系统/基带处理器20也可耦合到处理器12。RF子系统/基带处理器20可包括耦合到RF接收器且耦合到RF发射器(未图示)的天线。一个或一个以上通信端口 22也可耦合到处理器12。举例来说，通信端口 22可适于耦合到一个或一个以上外围装置24(例如，调制解调器、打印机、计算机)或耦合到网络(例如，局域网、远程域网络(remote area network)、企业内部网络或因特网)。处理器12通常通过实施存储于存储器中的软件程序来控制系统10。举例来说， 所述软件程序可包括操作系统、数据库软件、绘图软件、文字处理软件，和/或视频、相片或声音编辑软件。存储器以可操作方式耦合到处理器12以存储各种程序和促进各种程序的执行。举例来说，处理器12可耦合到系统存储器沈，所述系统存储器沈可包括自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)和/或静态随机存取存储器(SRAM)。系统存储器沈可包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。系统存储器26通常较大，使得其可存储动态加载的应用程序和数据。 在一些实施例中，系统存储器沈可包括STT-MRAM装置，例如下文进一步论述的装置。处理器12还可耦合到非易失性存储器观，这并不暗示系统存储器沈必定为易失性的。非易失性存储器28可包括STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如EPR0M、电阻性只读存储器(RROM))，和/或结合系统存储器沈使用的快闪存储器。ROM的大小通常被选择为恰好足够大以便存储任何必要的操作系统、应用程序和固定数据。另外，例如，非易失性存储器观可包括高容量存储器，例如磁带或磁盘驱动器存储器，例如包括电阻性存储器的混合驱动器，或其它类型的非易失性固态存储器。如下文更详细地阐释，非易失性存储器 28可包括根据本发明的技术的实施例而制造的STT-MRAM装置。图2说明STT-MRAM单元50，视系统要求和制造技术而定，其可被制造为形成呈包括若干行和列的栅格图案或呈各种其它布置的存储器单元阵列。可在图1中所描绘的系统存储器26或易失性存储器观中实施存储器单元的布置。STT-MRAM单元50包括堆叠52、存取晶体管M、位线56、字线58、源极线60、读取 /写入电路62、位线参考64和读出放大器66。堆叠52可包括磁性隧道结(MTJ)，所述磁性隧道结(MTJ)包括自由层和针扎层。如下文将特定参看图3A、图;3B、图4A、图4B和图5到图7而进一步描述，堆叠52可进一步包括压电材料和根据本发明的技术的实施例的非磁性层。在下文所描述的各种实施例中，堆叠52中的压电材料可为安置于堆叠52的MTJ上或下方的压电层(图3A、图;3B、图4A和图4B)，或所述压电材料可邻近于堆叠52的MTJ而形成，作为间隔物(图5)或邻近单元之间的隔离材料(图6)。如本文中所使用，STT-MRAM单元50通常包括“磁性单元结构”。如上文所论述，如果堆叠52的自由层与针扎层之间的非磁性层为绝缘的，那么所述磁性单元结构可为MTJ。 或者，如果自由层与针扎层之间的非磁性层为导电的，那么所述磁性单元结构可为自旋阀 (spin valve) 0如本说明书中所使用，术语“堆叠”可指代存储器单元堆叠、磁性单元堆叠、 STT-MRAM单元堆叠，或根据本发明的技术的实施例的可包括层和材料的存储器单元的任何组件。另外，当压电材料形成于MTJ上方或下方、平行于MTJ的层时，所述材料被称作“层”。 当压电材料与MTJ的一部分形成于同一平面中时，所述压电材料被称作“邻近于”MTJ。当压电材料在MTJ的任一侧上形成间隔物时(在横截面方向观看时)，或当将压电材料用作邻近单元之间的隔离材料时，压电材料可邻近于MTJ。所属领域的技术人员将了解压电材料形成为层或形成为邻近于MTJ之间的区别，且应记住此区别而阅读本申请案的所附权利要求书。也如本文中所使用，应理解，当将一层称作“形成于”另一层“上”或“安置于”另一层“上”时，可能存在形成于或安置于所述层之间的介入层。类似地，如果将材料称作“邻近于”其它材料，那么可能存在位于所述材料之间的介入材料。相反，如果将一层或材料称作 “直接形成于…上”、“直接安置于…上”或形成/安置为“直接邻近于…”或“直接接触…”， 那么所述材料或层之间不包括介入材料或层。当选择STT-MRAM单元50待编程时，将编程电流施加到所述单元，且所述电流由针扎层自旋极化且将力矩施加于自由层上，所述力矩切换自由层的磁化以“写入到”所述单元或“编程”所述单元。在STT-MRAM单元50的读取操作中，使用电流来检测存储器单元堆叠 52的电阻状态。如将进一步论述，将压电层并入堆叠52中可降低切换自由层的磁化所需的临界切换电流，因此允许使用较小的编程电流来写入STT-MRAM单元50。如先前所论述，针对STT-MRAM单元50的写入操作而施加编程电流。为了起始编程电流，读取/写入电路62可产生到位线56和源极线60的写入电流。位线56与源极线 60之间的电压的极性决定堆叠52中的自由层的磁化的切换。一旦自由层根据编程电流的自旋极性而磁化，就将编程状态写入到STT-MRAM单元50。为了读取STT-MRAM单元50，读取/写入电路62产生经由堆叠52和晶体管M到位线56和源极线60的读取电流。STT-MRAM单元50的编程状态视跨越堆叠52的电阻而定，所述电阻可由位线56与源极线60之间的电压差决定。在一些实施例中，可将所述电压差与参考64进行比较，且通过读出放大器66来放大。在图3A中说明本发明的一个实施例，其将压电材料并入到STT-MRAM单元中，其中压电层102包括于STT-MRAM单元的存储器单元堆叠100中以降低临界切换电流。下文在各图中说明和描述的堆叠中的每一者可并入到图2中所描述的STT-MRAM单元50中。在图 3A的所说明实施例中，压电层102安置于自由层104之上。自由层104和针扎层106借助非磁性层108而分离，借此视非磁性层108导电还是不导电而定形成MTJ或自旋阀。可通过切换存储器单元堆叠100中的自由层104的磁化来编程存储器单元，且可通过确定跨越自由层104和针扎层106的电阻来读取所述单元。举例来说，层104和106可包含铁磁性材料(例如Co、Fe、Ni或其合金，NiFe、Co!^e、CoNiFe，或经掺杂合金CoX、Co!^eX、 CoNiFeX (X = B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C))或其它半金属铁磁性材料(例如!^e3O4、CrO2、 NiMnSb和PtMnSb，以及Bii^eO)。如此命名针扎层106是因为其具有有固定或针扎的优选定向的固定磁化，且这是通过针扎层106中所说明的单向箭头表示。可将额外的反铁磁性材料层沉积在针扎层106下方，以经由交换耦合(exchange coupling)而实现针扎。自由层 104中所说明的双向箭头表示自由层104可在平行于针扎层106的方向上磁化(其提供低电阻)或在反平行于针扎层106的方向上磁化(其提供高电阻)。堆叠100还可包括位于自由层104与针扎层106之间以充当所述两个层104和106之间的绝缘体的非磁性层108。 非磁性层 108 可包含 Alx0y、Mg0、AlN、SiN、Ca0x、Ni0x、Hfx0y、Tax0y、&x0y、NiMn0x、MgxFy、SiC、 SiO2, SiOxNy，或以上材料的任何组合。当穿过存储器单元的电流密度大于临界切换电流密度时，发生自由层104的切换。在一个实施例中，在堆叠100中，压电层102直接并入于自由层104之上。压电层102
7通过产生影响自由层104中的有效磁场的瞬时应力来影响自由层的磁性反转，因此减小临界切换电流密度且允许使用较小的电流来切换自由层和编程所述单元。更具体地说，如果选择存储器单元待编程，那么可将电压施加于存储器单元堆叠100上。当将电压施加于堆叠100上时，压电层102可在自由层104中产生瞬时应力以促进切换。所述瞬时应力经由磁致弹性效应而影响磁性各向异性场Hk以降低磁性反转的能量势垒。以下等式表示临界切换电流密度J。，其中α表示阻尼常数，Ms表示磁化，tF表示自由层的厚度，且Hk表示自由层的磁性各向异性场
权利要求
1.一种存储器单元，其包含磁性单元结构；以及压电材料。
2.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述磁性单元结构包含自由层；针扎层；以及安置于所述自由层与所述针扎层之间的非磁性层。
3.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述压电材料包含形成于所述磁性单元结构上的压电层。
4.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述压电材料包含邻近于所述磁性单元结构而形成的压电间隔物。
5.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述压电材料包含压电隔离材料，所述压电隔离材料邻近于所述磁性单元结构而形成且经配置以使所述存储器单元与邻近存储器单元隔离。
6.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述存储器单元包含存取晶体管，所述存取晶体管电耦合到所述磁性单元结构且经配置以提供对所述磁性单元结构的电存取。
7.根据权利要求6所述的存储器单元，其中所述存取晶体管的栅极耦合到存储器阵列的字线；且所述存储器单元电耦合于位线与源极线之间以促进从磁性隧道结读取和写入到所述磁性隧道结。
8.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述压电材料包含非磁性材料。
9.一种存储器单元，其包含针扎铁磁性层；形成于所述针扎铁磁性层上的非磁性层；形成于所述非磁性层上的自由铁磁性层；以及形成于所述自由铁磁性层上的压电层。
10.根据权利要求9所述的存储器单元，其包含形成于所述自由铁磁性层与所述压电层之间的第二非磁性层。
11.根据权利要求10所述的存储器单元，其中所述非磁性层和所述第二非磁性层中的一者或两者包含导电材料。
12.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述非磁性层和所述第二非磁性层中的一者或两者包含不导电的层。
13.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述针扎铁磁性层、所述非磁性层和所述自由铁磁性层形成第一磁性单元堆叠组件，且其中所述存储器单元进一步包含形成于所述第一磁性单元堆叠组件上的第二磁性隧道结堆叠组件。
14.根据权利要求13所述的存储器单元，其中所述压电层形成于所述第一磁性单元堆叠组件与所述第二磁性隧道结堆叠组件之间。
15.根据权利要求14所述的存储器单元，其中所述第一磁性单元堆叠组件的所述自由铁磁性层包含编程自由层，且其中所述第二磁性隧道结堆叠组件包含感测自由层。
16.根据权利要求15所述的存储器单元，其中所述编程自由层静磁地耦合到所述感测自由层，使得改变所述编程自由层的磁化将改变所述感测自由层的磁化。
17.根据权利要求15所述的存储器单元，其中所述第二磁性隧道结堆叠组件包含感测自由层，所述感测自由层静磁地耦合到所述编程自由层以在磁化上相对于所述编程自由层为反平行的。
18.根据权利要求15所述的存储器单元，其包含安置于所述压电层与所述第二磁性隧道结堆叠组件之间的第二非磁性层。
19.根据权利要求18所述的存储器单元，其中所述感测自由层直接耦合到所述第二非磁性层，且其中所述第二非磁性层直接耦合到所述压电层。
20.根据权利要求9所述的存储器单元，其包含耦合到所述针扎铁磁性层的反铁磁性层。
21.一种存储器单元，其包含针扎铁磁性层；形成于所述针扎铁磁性层上的非磁性层；形成于所述非磁性层上的自由铁磁性层；以及邻近于所述自由铁磁性层而形成的压电材料。
22.根据权利要求21所述的存储器单元，其中所述非磁性层包含CU、AU、Ta、Ag、CUPt、 CuMn或其它非磁性过渡金属，或其任何组合。
23.根据权利要求21所述的存储器单元，其中所述非磁性层包含Alx0y、Mg0、AlN、SiN、 CaOx、NiOx, HfxOy、TaxOy, ZrxOy、NiMnOx、MgxFy、SiC、Si02、SiOxNy 或任何组合。
24.根据权利要求21所述的存储器单元，其中所述压电材料包含邻近于所述自由铁磁性层而形成的间隔物。
25.根据权利要求21所述的存储器单元，其中所述压电材料包含压电隔离材料，所述压电隔离材料邻近于所述自由铁磁性层而形成且经配置以使所述存储器单元与邻近存储器单元隔离。
26.根据权利要求21所述的存储器单元，其包含形成于所述压电材料与所述自由铁磁性层之间的绝缘间隔物。
27.一种操作存储器单元的方法，其包含降低所述存储器单元的临界切换电流；以及对所述存储器单元进行编程。
28.根据权利要求27所述的方法，其中降低所述临界切换电流包含在所述存储器单元中引发瞬时应力效应。
29.根据权利要求观所述的方法，其中引发所述瞬时应力效应包含在所述存储器单元的自由铁磁性层中引发所述瞬时应力效应。
30.根据权利要求四所述的方法，其中引发所述瞬时应力效应包含使用压电材料在所述自由铁磁性层中产生瞬时应力。
全文摘要
本发明提供一种包括压电材料(102)的磁性存储器单元(104、106、108)和操作所述存储器单元的方法。所述存储器单元包括堆叠，且所述压电材料可形成为所述堆叠中的层或邻近于单元堆叠的若干层的层。所述压电材料可用以在所述存储器单元的编程期间引发瞬时应力以减小所述存储器单元的临界切换电流。
文档编号G11C11/16GK102171766SQ200980138787
公开日2011年8月31日 申请日期2009年9月15日 优先权日2008年9月30日
发明者刘峻, 古尔特杰·桑胡, 史蒂夫·克雷默 申请人:美光科技公司