专利名称：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：
本发明大体来说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：
此章节旨在向读者介绍此项技术的各个方面，所述方面可涉及下文所描述及/或主张的本发明各个方面。据信此论述将有助于向读者提供背景信息以促进对本发明各个方面的更好理解。因此，应理解，应就此阅读这些陈述，而非作为对先前技术的认可。磁性随机存取存储器(MRAM)是基于磁电阻的非易失性计算机存储器技术。MRAM 在数个方面不同于易失性随机存取存储器(RAM)。由于MRAM是非易失性，因此在存储器装置未通电时MRAM可维持存储器内容。尽管非易失性RAM通常比易失性RAM慢，但MRAM的读取及写入响应时间与易失性RAM的读取及写入响应时间可相当。不同于将数据存储为电荷的典型RAM技术，MRAM数据是由磁电阻元件存储。通常，磁电阻元件是由两个磁性层组成，每一磁性层保持磁化。一个层(“钉扎层”)的磁化是固定沿其磁性定向，而另一个层 (“自由层”)的磁化可由编程电流产生的外部磁场改变。因此，所述编程电流的磁场可致使两个磁性层的磁性定向平行(跨越所述层给出较低电阻，“0”状态)或反平行(跨越所述层给出较高电阻，“1”状态)。为典型MRAM单元的写入及读取操作提供自由层的磁性定向及跨越所述磁性层的所得高或低电阻状态的切换。尽管MRAM技术提供非易失性及更快的响应时间，但MRAM单元在可缩放性及对写入干扰的易受性方面受限。跨越所述MRAM磁性层在高电阻状态与低电阻状态之间切换所采用的编程电流通常较高。因此，在将多个单元布置成MRAM阵列时，指向一个存储器单元的编程电流可诱发邻近单元的自由层中的场变。此写入干扰的可能性(还称为“半选问题”)可使用自旋力矩转移技术来解决。常规自旋力矩转移MRAM(STT-MRAM)单元可包含磁性单元堆叠，其可以是磁性穿隧接面(MTJ)或自旋阀结构。MTJ是磁电阻数据存储元件，其包含两个磁性层(一个是钉扎的且一个是自由的)及介于二者之间的绝缘层、位线、字线、源极线及存取晶体管。自旋阀具有类似于所述MTJ的结构，但自旋阀在所述两个磁性层之间具有导电层。编程电流通常流过所述存取晶体管及磁性单元堆叠。所述钉扎层使编程电流的电子自旋发生极化，且随所述经自旋极化的电流穿过所述堆叠而形成力矩。所述经自旋极化的电子电流通过对自由层施加力矩而与所述自由层交互作用。在穿过所述堆叠的经自旋极化的电子电流的力矩大于临界切换电流密度(J。)时，所述经自旋极化的电子电流所施加的力矩足以切换自由层的磁化。因此，所述自由层的磁化可经对准以平行或反平行于钉扎层，且改变跨越所述堆叠的电阻状态。STT-MRAM具有优于MRAM的有利特性，这是因为经自旋极化的电子电流会消除对用以切换磁电阻元件中的自由层的外部磁场的需要。此外，由于编程电流随单元大小减小而减小，因此可缩放性得以改进，且解决写入干扰及半选问题。另外，STT-MRAM技术允许更
5高的穿隧磁电阻率，意指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，贯穿STT-MRAM单元的高编程电流密度仍可能有问题。贯穿所述磁性层的高电流密度可增加单元中的能量消耗及所述层中的热曲线，从而影响单元的完整性及可靠性，且还可导致每一单元具有较大硅面积消耗。
参考所述图式在以下详细说明中描述某些实施例，其中图1描绘根据本技术一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制造的存储器单元的存储器阵列的一部分的示意图；图3A描绘根据本发明实施例的具有连接自由层与钉扎层的非磁性层的磁性单元结构；图;3B描绘穿过图3A的磁性单元结构的电流路径的实例。图4A及4B描绘制造描绘于图3A及中的磁性单元结构的侧视图及俯视图；图5A及5B描绘根据本发明实施例制造具有连接自由层与钉扎层的非磁性材料的磁性单元结构的侧视图及俯视图；图6A及6B描绘根据本发明实施例制造具有连接自由层与钉扎层的非磁性材料的另一磁性单元结构的侧视图及俯视图；图7A及7B描绘根据本发明实施例制造具有连接自由层与钉扎层的非磁性材料的又一磁性单元结构的一方法的侧视图及俯视图；及图8A及8B描绘根据本发明实施例制造在图7A及7B中所制造的磁性单元结构的另一方法的侧视图及俯视图。
具体实施例方式如先前论述，通过切换自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的磁性单元堆叠中的自由层的磁化来编程所述单元。切换发生在穿过所述存储器单元的电流密度大于临界切换电流密度时。因此，为编程所述单元，所述编程电流密度仅需稍微高于临界切换电流密度。由于通过较大的编程电流会增加单元堆叠中的能量消耗及热曲线(此影响单元的整体性及可靠性)，因此期望降低临界切换电流而不影响单元的热稳定性。应用较低编程电流同时维持高于临界切换电流密度的编程电流密度将允许以较小电流切换所述单元的自由层。根据本技术实施例，以下论述描述各种系统及装置，以及此类系统及装置的操作。图1描绘基于处理器的系统(大体由参考编号10指定)。如下文阐释，系统10可包含根据本技术实施例制造的各种电子装置。系统10可以是例如计算机、寻呼机、蜂窝电话、个人备忘记事本、控制电路等各种类型中的任一者。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控制对系统10中的系统功能及请求的处理。如下文阐释，系统10的处理器12及其它子组件可包含根据本技术实施例制造的电阻式存储器装置。
系统10通常包含电源14。例如，如果系统10是便携式系统，那么电源14可有利地包含燃料电池、电力提取装置、永久电池、可更换电池及/或可充电电池。电源14还可包含AC适配器，因此可将系统10插入到(例如)壁式插座中。电源14还可包含DC适配器以使得可将系统10插入到(例如)车载点烟器中。端视系统10执行的功能，可将各种其它装置耦合到处理器12。例如，可将用户接口 16耦合到处理器12。用户接口 16可包含(例如)按钮、开关、键盘、光笔、鼠标、数字化器及记录针及/或语音辨识系统。还可将显示器18耦合到处理器12。举例来说，显示器 18可包含LCD、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子显示器、OLED显示器、LED及/ 或音频显示器。此外，还可将RF子系统/基带处理器20耦合到处理器12。RF子系统/基带处理器20可包含耦合到RF接收器且耦合到RF发射器(未展示)的天线。还可将一个或一个以上通信端口 22耦合到处理器12。通信端口 22可适于耦合到例如调制解调器、打印机、计算机等一个或一个以上外围装置24，或耦合到例如局域网络、远程区域网络、内部网络或因特网(例如)等网络。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，所述软件程序可包含操作系统、数据库软件、绘图软件、文书处理软件及/或视频、图片或声音编辑软件。所述存储器可操作地耦合到处理器12以存储并促进各种程序的执行。例如， 处理器12可耦合到系统存储器沈，所述系统存储器可包含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)及/或静态随机存取存储器(SRAM)。系统存储器沈可包含易失性存储器、非易失性存储器或其一组合。 系统存储器26通常较大，以使得其可存储动态加载的应用程序及数据。在一些实施例中， 系统存储器26可包含STT-MRAM装置，例如下文进一步论述的那些装置。处理器12还可耦合到非易失性存储器观，此并不暗示系统存储器沈必须为易失性。非易失性存储器28可包含STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如，EPR0M、电阻式只读存储器(RROM))及/或将与系统存储器沈结合使用的快闪存储器。ROM的大小通常经选择以恰好足够大来存储任何必需操作系统、应用程序及固定数据。另外，非易失性存储器观可包含高容量存储器，例如磁带或磁盘驱动存储器，例如包含(例如)电阻式存储器或其它类型的非易失性固态存储器的混合驱动机。如下文将更详细地阐释，非易失性存储器观可包含根据本技术实施例制造的STT-MRAM装置。图2图解说明STT-MRAM单元50，其可经制造以端视系统要求及制造技术而形成呈栅格图案(包含若干行及若干列)或呈各种其它布置的存储器单元阵列。存储器单元布置可实施于图1所描绘的系统存储器26或易失性存储器观中。STT-MRAM单元50包含磁性单元结构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及读出放大器66。磁性单元结构52可包含自旋阀。如下文将参考图3A到图8B描述，根据本技术实施例，结构52可进一步在自由层与钉扎层之间包含非磁性桥接器。在下文所描述的各种实施例中，结构52中的非磁性桥接器可以是安置于结构52中或周围的层，或沿结构52分层(图3A到图8B)。如本文中使用，STT-MRAM单元50通常包含“磁性单元结构”。如上文论述，如果在自由层与钉扎层之间是非磁性导电材料，那么所述磁性单元结构可以是自旋阀。如本说明书中使用，术语“结构”可包含磁性单元结构，且可以是指存储器单元结构、磁性单元结构、STT-MRAM单元结构或根据本技术实施例可包含各种层及材料的存储器单元的任一组件。此外，术语“结构”可以是指在制造本技术的磁性单元结构的工艺期间的过渡结构。如将阐释，术语“桥接器”可以是指层、衬里、间隔件、条带或在自由层与钉扎层之间提供路径或电连接的某一其它形成物。根据本技术实施例，所述桥接器可平行或垂直于所述结构(即，所述结构的各层)且可通过沉积、生长或任一(任何)其它工艺来形成。如本文中还使用，当在所述结构(例如，衬里或条带)上方或下方或所述结构内形成材料时， 所述材料可称为“层”。层可平行或垂直于所述结构。应理解，在论及层“形成于另一层上”、 “形成于另一层下方”、“安置于另一层上”或“安置于另一层下方”时，在那些层之间可形成或安置有中间层。相反地，如果论及层或材料是“直接形成于…上”、“直接形成于…下方”、 “直接安置于…上”、“直接安置于…下方”或“直接与…接触”，那么所述材料或层之间不包含中间材料或中间层。在选择STT-MRAM单元50以进行编程时，将编程电流应用到所述单元，且所述电流的电子通过钉扎层自旋极化以对所述自由层施加力矩，所述力矩切换自由层的磁化以“写入到”或“编程”所述单元。为起始所述写入操作，读取/写入电路62可产生写入电流到位线56及源极线60。位线56与源极线60之间的电压的极性确定结构52中的自由层的磁化切换。此外，且如下文详细论述，并入有非磁性材料以电连接所述自由层及钉扎层可引导编程电流流过磁性单元结构52以减小所述编程电流的截面积。通过减小穿过自由层的编程电流的截面积，较小的编程电流仍可导致自由层中的编程电流密度大于切换自由层的磁化所需的临界切换电流密度。因此，较小的编程电流可写入STT-MRAM单元50。一旦已根据编程电流的自旋极性来磁化所述自由层，便将所述编程状态写入到STT-MRAM单元50。在STT-MRAM单元50的读取操作中，使用电流来检测磁性单元结构52的电阻状态。为起始读取操作，读取/写入电路62产生读取电流穿过结构52及晶体管M到位线56 及源极线60。STT-MRAM单元50的编程状态取决于跨越结构52的电阻，所述电阻可由位线 56与源极线60之间的电压差确定。在一些实施例中，电压差可与参考值64相比且由读出放大器66放大。图3A及;3B中图解说明本技术的一个实施例，所述实施例用于借助减小的编程电流来编程STT-MRAM单元。所述STT-MRAM单元包含具有非磁性层114的存储器单元结构 100，所述非磁性层可用于减小所述编程电流的截面积。如将进一步阐释，本技术使得较低编程电流能够促进自由层106的磁化切换以编程所述存储器单元。图3A的存储器单元结构100可包含自由层106及钉扎层110，所述二者之间有电介质层108。钉扎层110因其具有具固定或优选定向的磁化而得名，且此是由指示钉扎层 110的磁化是沿进入图页中的方向的标记表示。自由层106具有可经切换以允许编程所述存储器单元的磁化。如先前论述，切换自由层106的磁化会改变跨越自由层106及钉扎层 110的电阻，以使得将所述存储器单元编程到低电阻状态(在自由层106及钉扎层110具有平行磁化时)或高电阻状态(在自由层106及钉扎层110具有反平行磁化时)。可通过确定跨越自由层106及钉扎层110的电阻来读取所述单元。切换自由层106的磁化发生在穿过存储器单元的编程电流具有大于临界切换电流密度的电流密度时。通常，编程电流经应用垂直地穿过STT-MRAM单元结构的各层。由于所述编程电流是轴向地流过自由层，因此自由层中的编程电流密度通常将是每截面积的电流，或电流的安培数除以自由层的宽度及深度。然而，如下文根据本发明实施例论述，可在不变更自由层的体积的情况下减小所述编程电流。在一个实施例中，在自由层106与钉扎层110之间形成非磁性层114。在选择所述单元进行编程时，编程电流可流过钉扎层Iio及非磁性层114，且横向穿过自由层106。非磁性层114提供钉扎层110的侧与自由层106的侧之间的电连接。此外，电介质层108可在钉扎层110与自由层106之间提供绝缘，以使得编程电流将流过非磁性层114且横向穿过自由层106，而不是轴向穿过自由层106。由于电流流过自由层106的截面积在轴向方向上将明显大于在横向方向上，因此在自由层106中横向流动的较小编程电流可与轴向流过自由层106的相对较大的编程电流具有相同的电流密度。参考先前所描述的电流密度关系，在所述编程电流横向流动时穿过自由层106的电流密度可以是电流的安培数除以自由层106的高度及深度。在一些实施例中，自由层106 的高度(或厚度)可小于自由层106的宽度。因此，小得多的编程电流在流过自由层106 时可具有足够大的电流密度以写入所述STT-MRAM单元。如本文中使用，如在图3A、4A、5A、 6A、7A及8A中的磁性单元结构的侧视图中可看到，所述深度可以是指沿进入图页的方向的层的长度，且所述宽度可以是指跨越所述图页的层的长度。所述高度可以是指层的顶部到底部的长度。所述高度还可以是指层的厚度。图;3B描绘如图3A中的STT-MRAM单元结构100与根据本技术实施例的编程电流的实例。结构100中的箭头表示电流流动的方向。所述编程电流可沿向左的方向在非磁性层114上方横向流过钉扎层110，且沿向右的方向横向流过自由层106，且然后向上流到电极102。如所论述，可将钉扎层110磁化到进入图页的方向，且在编程电流向右横向流过自由层106时，应用到自由层106的自旋力矩可将所述编程电流磁化到从图页向外的方向，如自由层106中的标记所指示。因此，在此实例中，钉扎层110及自由层106具有反平行磁化， 且已将STT-MRAM单元编程到高电阻状态。结构100还可包含在钉扎层110下方的反铁磁层112以经由交换耦合实现钉扎且进一步增加单元稳定性。所述结构还可包含电极102，使其接触到自由层106及在自由层 106的顶部上的另一电介质层104。此实施例与下文所图解说明及描述的实施例中的每一者均可并入到STT-MRAM单元50中且进一步并入到STT-MRAM单元阵列中，如图2中所描述。下文论述的材料的实例可用于如图3A到图:3B中的实施例中或根据本技术的任一其它实施例中。在一些实施例中，例如，自由层106及钉扎层110可包括铁磁材料，例如Co、 Fe,Ni 或其合金、NiFe、CoFe、CoNiFe 或经掺杂合金 CoX、CoFeX、CoNiFeX (X = B、Cu、Re、Ru、 Rh、Hf、Pd、Pt、C)或例如!^304、002、NiMnSb及PtMnSb及BiFeO等其它半金属铁磁材料。 连接自由层106及钉扎层110的非磁性层114可包括例如01、411、1^、48、0^仏0^11、上述材料的任一组合或任一其它导电非磁性材料等材料。电介质层108及104可包括例如SiN 等任一绝缘材料且可具有约为IOnm到30nm的厚度。图4A描绘沿形成图3A及中所描绘的STT-MRAM单元结构100的制造工艺中的不同步骤的磁性单元结构120、130、140、150及160的侧视图。图4B描绘在对应于图4A中各步骤的不同制造步骤处及根据本发明的实施例的两个结构120、130、140、150及160的俯视图。尽管图4A中所描绘的侧视图展示每一步骤处的一个结构120、130、140、150及160， 但图4B中的俯视图可展示两个结构120、130、140、150及160作为可如何在存储器单元阵列中制造或布置多于一个结构的实例。在所述制造工艺的第一步骤中，结构120包括自由层106及钉扎层110，其中所述两个层之间有电介质层108。结构120还可具有安置于自由层106上的电介质层104及在钉扎层110下方的反铁磁层112。将结构120蚀刻成条带，停止于钉扎层110中。如从俯视图(图4B的结构120)可看到，电介质层104及钉扎层110是可见的，这是因为已向下蚀刻结构120以暴露钉扎层110。如在结构130中所看到，在蚀刻到钉扎层110中之后，可形成非磁性层114以桥接自由层106与钉扎层110。非磁性层114可与自由层106及钉扎层110 垂直地形成且可跨越绝缘电介质层108形成，从而形成从钉扎层110穿过非磁性层114到自由层106的电路径。如所论述，此电路径可允许编程电流横向流过自由层106，因此使得较低编程电流能够满足穿过自由层106的临界切换电流密度。结构130的侧视图(图4A) 描绘此垂直布置的实例，而结构130的俯视图(图4B)可描绘两个连续结构130。在形成非磁性层114之后，可蚀刻结构140以形成停止于电介质层108处的沟槽 142。如从结构140的俯视图可看到，在蚀刻沟槽142之后电介质层108可以是可见的。在所述制造工艺的下一结构150中，可接着在沟槽142中(如在先前论述的结构140中)形成电极102，且所述电极的一个部分巧4可与自由层106的侧接触而另一部分152可在电介质层104上方横向延伸。此配置可允许编程电流横向流过自由层106，从自由层106的一个边缘处的非磁性层114到自由层106的另一边缘处的电极102的部分154。对应俯视图 (图4B)可描绘两个连续结构150。在形成电极102之后，所述单元可经图案化以减小单元大小及隔离邻近单元。如在经图案化结构160的俯视图中所看到，在与先前论述的结构150 相比时单元深度可以是减小的。如本文中使用，“蚀刻”可以是指对所述磁性单元结构(或制造所述磁性单元结构的过渡结构)中各层的化学移除。尽管可论述不同的蚀刻工艺(例如，各向同性蚀刻、干式蚀刻、沟槽蚀刻、通孔蚀刻、台面蚀刻等)，但可根据本技术使用任一蚀刻程序或适合于移除所述结构中的各个层的任一程序。举例来说，蚀刻可移除电介质层的一部分以暴露钉扎层或自由层中的一者或一者以上。还如本文中使用，“形成”可以是指材料在所述结构中的任何沉积或生长。举例来说，可使用物理气相沉积、化学气相沉积、保形化学气相沉积、电镀或任一其它适合沉积来在所述结构中沉积材料、层或间隔件。此外，“图案化”可以是指使用 (例如)光刻技术对所述结构的部分的任何移除。图案化可用于当前技术中以在存储器阵列中减小结构的大小或隔离所述结构与邻近结构。尽管本文中所描述的各步骤可连续地或以编号方式(例如，第一、第二等)描述， 但所述步骤可不必以与所描述的序列或编号相同的次序来执行。根据本技术，可以不同次序执行一些步骤，修改或跳过一些步骤，或可添加额外步骤。可在图5A及5B的制造步骤中描绘用于减小切换STT-MRAM单元的自由层所需的编程电流的本技术的另一实施例。图5A可描绘不同制造步骤处的结构200、210、220及230 的侧视图，且图5B可描绘对应于图5A的不同制造步骤处的结构200、210、220及230的俯视图。图5A及5B两者中的结构200、210、220及230可描绘两个邻近磁性单元结构200、 210,220及230以给出可如何根据本技术实施例来制造所述磁性单元结构或结构阵列的实例。第一步骤可涉及将沟槽202蚀刻到结构200的电介质材料108中。所述沟槽蚀刻可停止于钉扎层110处，且结构200的俯视图可将电介质材料108及钉扎层110描绘成可见的，
10这是因为沟槽202已被蚀刻、停止于钉扎层110处。下一结构210描绘可沿电介质层108的经蚀刻侧在沟槽202中形成非磁性衬里 114。非磁性衬里114可垂直于钉扎层110。在形成非磁性衬里114之后，沟槽202的剩余部分可填充有电介质材料108。如在结构220中所看到，非磁性衬里114可垂直于钉扎层 110且在两侧上环绕有电介质材料108。当在沟槽202中填充电介质材料108之后，结构 220可经受化学机械平面化(CMP)，此CMP可暴露非磁性衬里114的顶部边缘。自由层106 可沉积于电介质材料108的顶部上且可与非磁性衬里114的经暴露顶部边缘接触。如在结构230中所看到，电极102还可沉积于自由层106上。如在图5B中的结构230的俯视图中可看到，结构230可经图案化且与邻近结构230隔离。结构230还可通过其它制造工艺来实现。举例来说，可对电介质材料108进行通孔蚀刻，且可在所述空间中沉积非磁性材料以形成非磁性衬里114，而不是沟槽蚀刻到电介质材料108中，且然后在形成非磁性衬里114之后重新填充电介质材料108。在此实施例中，编程电流可从钉扎层110穿过非磁性衬里114流到自由层106。由于在流过自由层106之前编程电流的流动受限于非磁性衬里114的厚度，因此编程电流流过自由层106的截面积可由非磁性衬里114的厚度及自由层106的深度大致确定。在此实施例中，尽管编程电流仍沿自由层106轴向的方向流动，但所述电流的截面积可小于典型的磁性单元配置。在典型的磁性单元中，穿过自由层的编程电流的截面积可由自由层的沿轴向方向的整个截面(即，自由层的宽度乘以深度)确定。在本结构230中，穿过自由层106 的编程电流的截面积可明显较小，这是因为所述电流从非磁性衬里114流到自由层106，所述非磁性衬里具有小得多的截面(即，非磁性衬里114的宽度乘以自由层106的深度)。由于穿过自由层106的编程电流的截面积较小，因此自由层106中的编程电流密度还可更高且因此较低编程电流可切换自由层106或自由层106的一部分的磁化。在一些实施例中， 自由层106的一部分中的磁化切换还可在某一时间周期之后传播穿过自由层106的剩余部分。切换自由层106或自由层106的某一部分的磁化可发生在编程电流达到自由层 106中的临界切换电流密度时，其中所述编程电流中电子的自旋力矩可切换自由层106的磁化以将所述单元写入到高或低电阻状态。使用图5A中的结构230作为实例，如果所述编程电流在自由层106中向上流动，那么所述电流密度可足以切换自由层106的某一部分的磁化，这是因为编程电流流过自由层106的所述部分的截面积较小。向下流动的电子的自旋力矩将向左切换自由层106中的磁化，以使得钉扎层110与自由层106反平行且将结构 230编程到高电阻状态。读取操作还可涉及发送读取电流，所述读取电流可流过所述单元以确定自由层 106与钉扎层110之间的电阻。根据本技术，由于在其它实施例中所述读取电流还可流过非磁性衬里114或某一其它非磁性导电材料，因此穿过自由层106的读取电流的路径还可受限于约为非磁性衬里114的宽度与自由层106的深度的区域。因此，所述读取电流可测量结构230穿过自由层106的已由所述编程电流切换的部分的电阻。图6A及6B可描绘本技术的另一实施例，其中可在磁性单元结构中的电介质层108 的侧上形成非磁性层114，以电连接自由层106与钉扎层110。图6A可描绘不同制造步骤处的结构300、310、320及330的侧视图，且图6B可描绘对应于图6A的不同制造步骤处的结构300、310、320及330的俯视图。首先，可通过蚀刻将磁性单元结构300隔离成个别单元。如图6B的结构300中所描绘，个别结构300可呈椭圆形状，或可根据本技术呈任一其它形状。每一结构300可包含自由层106及钉扎层110，所述二者之间有电介质层108。电极102可安置于自由层106上， 且反铁磁层112可在钉扎层110下方。在将结构300蚀刻成个别结构300之后，可在自由层106下方的电介质层108中形成凹入部312。举例来说，可使用各向同性蚀刻程序来形成此凹入部312。由于凹入部 312是在自由层106及顶部电极102下方，因此从结构310的俯视图中可能不能看到凹入部 312，但在图6B的结构310中以所描绘的凹入部分314描绘其中凹入部312可位于顶部电极102下方何处的实例。可沉积导电非磁性材料322以使得所述导电非磁性材料环绕结构320的表面，包含凹入部312 (如在结构310中)。举例来说，所述沉积可以是通过保形化学气相沉积(CVD) 或根据本技术的任一其它方法。结构320的俯视图可展示由导电非磁性材料322覆盖整个结构320。可通过各向同性蚀刻来移除非磁性材料322的不期望部分以产生在凹入部312 中(如在先前结构310中)保留有薄非磁性层114的结构330。结构330的俯视图可仅展示结构330的顶部电极102。在此实施例中，穿过自由层106的编程电流的截面积可由临进入自由层106之前的电流路径的小截面积限定。更明确地说，所述编程电流在到达自由层106之前从钉扎层 110流过非磁性层114。由于编程电流的截面积在临到达自由层106之前较小(S卩，受限于非磁性层114的截面积)，因此所述编程电流的截面积在自由层106中也可较小。所述编程电流穿过自由层的截面积可由结构330的圆周及非磁性层114的厚度近似。因此，在自由层106的所述电流行进穿过的部分中，较小的编程电流可比在所述编程电流轴向地行进穿过自由层106的整个截面积时具有更大的电流密度。图7A到图8B描绘本技术的另一实施例，其中在磁性单元结构中形成非磁性层114 以电连接自由层106与钉扎层110。图7A及7B可描绘在用于形成此实施例的一个制造方法的不同步骤中的结构400、410、420、430及440的侧视图及俯视图，而图8A及8B可描绘用于形成此实施例的另一制造方法的结构450、460、470、480及490的侧视图及俯视图。首先参考图7A及7B，结构400可包含在钉扎层110的顶部上的电介质层108。反铁磁层112还可在钉扎层110下方。结构400的俯视图(在图7B中)可展示电介质层108 可见。所述制造方法可包含通孔蚀刻到电介质层108中，停止于钉扎层110上以在所述制造的下一步骤中形成结构410。从侧视图中，在结构410中可看到凹入部412，且从俯视图中，可经由电介质层108的通过蚀刻而移除的部分看见钉扎层110。通孔蚀刻可在结构410 中产生呈各种形状的凹入部412，包含如结构410的俯视图中所描绘的圆形形状。可在凹入部412中形成非磁性材料以形成非磁性间隔件114。如从图7B中的结构420的俯视图中所看到，非磁性间隔件114可沿凹入部412的边缘形成以使得其与钉扎层110接触且垂直于钉扎层110。在沿凹入部412的边缘形成非磁性间隔件114之后，可用电介质材料108 填充凹入部412的剩余部分。所述制造工艺可包含通过CMP进行平面化以使得可在顶部边缘处暴露所得结构430中的非磁性间隔件114。如在结构430的俯视图中可看到，由电介质层108环绕的非磁性间隔件114可具有可见的顶部边缘。
在平面化之后，可在具有经暴露非磁性间隔件114的电介质层108上沉积自由层 106，且可在自由层106上沉积电极层102。所得结构440可经图案化以使得结构440可与其它结构或其它存储器单元隔离。图7B中的结构440的俯视图描绘可如何在图案化之后显现一个磁性单元结构440的实例。尽管从俯视图中仅顶部电极层102可见，但此图描绘环的轮廓，其可表示下伏非磁性间隔件114的位置。现参考图8A及8B，结构450可包含在钉扎层110的顶部上的电介质层108。反铁磁层112还可在钉扎层110下方。结构450的俯视图(在图8B中)可展示电介质层108可见。如在所述制造工艺的下一结构460中所看到，所述制造方法可包含将电介质层108蚀刻成台面及停止于钉扎层110上。如从结构460的俯视图中可看到，所述蚀刻可停止于钉扎层110上以使得其在所述台面或电介质层108的剩余部分周围是可见。电介质台面108 可呈任一形状，包含在结构460的俯视图中所描绘的圆形形状。然后，非磁性间隔件114可沿电介质台面108的侧面形成且可垂直于钉扎层110。此结构470的俯视图描绘围绕电介质台面108的侧面的非磁性间隔件114，其可能看似围绕圆形电介质台面108的环。所述制造中的下一步骤可涉及沉积电介质材料108以环绕结构480的非磁性间隔件114，且结构480的俯视图展示非磁性间隔件114可由电介质层108环绕以使得仅显露非磁性间隔件 114的顶部边缘。然后在电介质层108及非磁性间隔件114上沉积自由层106。在暴露非磁性间隔件114的顶部边缘时，非磁性间隔件114可充当钉扎层110与自由层106之间的桥接器。电极层102可安置于自由层106上。如在图8B的结构490的俯视图中可看到，结构490可经图案化以隔离所述单元堆叠。在图7A到图8B的实施例中，穿过自由层106的编程电流的截面积可由临进入自由层106之前的电流路径的小截面积限定。更明确地说，编程电流在到达自由层106之前从钉扎层110流过非磁性间隔件114。所述编程电流的截面积在临到达自由层106之前较小，这是因为非磁性间隔件114中的编程电流的截面积受限于细环形状的面积。因此，编程电流的截面积在自由层106中也可能较小且可近似于非磁性间隔件114的圆周及非磁性间隔件114的厚度。然后，在自由层106的所述电流行进穿过的部分中，较小的编程电流可具有比在所述相同编程电流轴向行进穿过自由层106的整个截面积时更大的电流密度。如先前阐释，在自由层106中，所述编程电流必须达到某一电流密度以使得所述编程电流中的电子的自旋力矩可切换自由层106的磁化以将所述单元写入到高或低电阻状态。使用图8A中的结构490作为实例，如果所述编程电流正向上流到自由层106，那么所述电流密度可足以切换自由层的磁化，这是因为穿过自由层106的编程电流的截面积较小。向下流动的电子的自旋力矩将向左切换自由层106中的磁化，以使得钉扎层110与自由层106反平行且将结构490编程到高电阻状态。读取操作还可涉及发送读取电流，所述读取电流可行进穿过所述单元以确定自由层106与钉扎层110之间的电阻。由于所述读取电流还可穿过非磁性间隔件114，因此所述读取电流可读取所述结构的跨越自由层106的已由编程电流切换的部分的电阻。尽管可易于对本发明作出各种修改及替代形式，但已在图式中以实例方式展示了特定实施例并在本文中对所述特定实施例进行了详细描述。然而，应理解，并不打算将本发明限于所揭示的特定形式。而是，本发明将涵盖归属于如由以上所附权利要求书界定的本发明精神及范围内的所有修改、等效形式及替代形式。
权利要求
1.一种磁性单元结构，其包括 自旋阀，其包括自由层；及钉扎层；及非磁性桥接器，其介于所述自由层与所述钉扎层之间。
2.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其中所述自旋阀包括 电介质材料，其安置于所述自由层与所述钉扎层之间。
3.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其包括安置于所述自由层上的电极层。
4.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其中所述自由层与所述钉扎层包括铁磁材料。
5.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其中所述非磁性桥接器包括Cu、Au、Ta、Ag、 CuPt、CuMn或其任一组合。
6.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其中所述非磁性桥接器将所述自由层电耦合到所述钉扎层。
7.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其中编程电流从所述钉扎层穿过所述非磁性桥接器流到所述自由层。
8.根据权利要求1所述的磁性单元结构，其中编程电流在所述自由层中的截面积小于所述磁性单元结构的截面。
9.一种存储器单元，其包括 钉扎铁磁层；电介质层，其形成于所述钉扎铁磁层上； 自由铁磁层，其形成于非磁性层上；及非磁性桥接器，其耦合到所述钉扎层与所述自由层中的每一者。
10.根据权利要求9所述的存储器单元，其包括在所述钉扎铁磁层下方的反铁磁层。
11.根据权利要求9所述的存储器单元，其包括安置于所述自由铁磁层上的电极层。
12.根据权利要求9所述的存储器单元，其包括 第二电介质层，其安置于所述自由铁磁层上；及电极层，其安置于所述第二电介质层上。
13.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述非磁性桥接器形成于所述电介质层内部。
14.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述非磁性桥接器环绕所述电介质层。
15.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述非磁性桥接器形成为所述电介质层中的间隔件。
16.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述非磁性桥接器包括导电材料。
17.根据权利要求9所述的存储器单元，其中所述存储器单元包括存取晶体管，其电耦合到所述存储器单元且经配置以提供对所述存储器单元的电存取。
18.根据权利要求17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所述存储器单元读取及写入到所述存储器单元。
19.一种操作存储器单元的方法，其包括引导编程电流穿过所述存储器单元中的自由层以使得穿过所述自由层的所述编程电流的截面积小于所述存储器单元的截面；及编程所述存储器单元。
20.根据权利要求19所述的方法，其中穿过所述存储器单元的所述自由层的所述编程电流的所述截面积小于所述自由层的轴向截面。
21.根据权利要求19所述的方法，其中引导编程电流穿过所述自由层包括引导所述编程电流在所述自由层中横向流动，其中所述自由层的横向截面小于所述自由层的轴向截
22.根据权利要求19所述的方法，其包括引导所述编程电流流过非磁性桥接器，其中所述非磁性桥接器的截面小于所述存储器单元的截面。
23.根据权利要求22所述的方法，其中引导所述编程电流从所述存储器单元中的钉扎层穿过所述非磁性桥接器且穿过所述自由层。
24.根据权利要求22所述的方法，其中穿过所述自由层的所述编程电流的所述截面积约为所述非磁性桥接器的所述截面。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述非磁性桥接器为所述存储器单元中的非磁性层、非磁性间隔件或非磁性衬里。
26.根据权利要求19所述的方法，其中在穿过所述自由层的所述编程电流的密度足够高以将所述自由层的磁化切换为平行或反平行于所述存储器单元中的钉扎层的磁化时编程所述存储器单元。
27.一种制造存储器单元的方法，其包括在所述存储器单元中形成从钉扎层到自由层的第一横向边缘的非磁性桥接器；蚀刻所述存储器单元以暴露所述自由层的第二横向边缘；及形成电极，使其接触到所述自由层的所述第二横向边缘。
28.根据权利要求27所述的方法，其中形成从所述钉扎层穿过所述非磁性桥接器、横向穿过所述自由层且到达所述电极的电流路径。
29.根据权利要求27所述的方法，其中形成非磁性桥接器包括使用物理气相沉积、化学气相沉积、保形化学气相沉积、电镀或任一其它适合沉积来形成。
30.根据权利要求27所述的方法，其中蚀刻所述存储器单元包括干式蚀刻。
31.根据权利要求27所述的方法，其包括图案化所述存储器单元以减小所述存储器单元的大小。
32.—种制造存储器单元的方法，其包括蚀刻电介质层以形成暴露钉扎层的一部分的凹入部；及与所述钉扎层的所述部分接触地在所述凹入部中沉积非磁性材料。
33.根据权利要求32所述的方法，其包括在所述凹入部中沉积电介质材料，其中形成电介质与非磁性材料层；平面化所述电介质与非磁性材料层；在所述电介质与非磁性材料层上沉积自由层，其中使所述自由层与所述非磁性材料接触；及在所述自由层上沉积电极层。
34.根据权利要求32所述的方法，其中蚀刻所述电介质层以形成凹入部暴露自由层的一部分；且在所述凹入部中沉积所述非磁性材料包括通过保形气相沉积与所述自由层的所述部分接触地沉积所述非磁性材料。
35.根据权利要求34所述的方法，其包括移除非磁性材料的第一部分，其中非磁性材料的第二部分在所述凹入部中且与所述钉扎层的所述部分及所述自由层的所述部分接触。
36.根据权利要求35所述的方法，其中移除非磁性材料的所述第一部分包括各向同性蚀刻或适合于移除非磁性材料的所述第一部分的任一其它蚀刻。
37.根据权利要求32所述的方法，其包括沉积电介质材料以环绕所述非磁性材料的各侧，其中形成电介质与非磁性材料层； 平面化所述电介质与非磁性材料层以暴露所述非磁性材料；及在所述电介质与非磁性材料层上沉积自由层，其中使所述自由层与所述非磁性材料接触。
38.根据权利要求32所述的方法，其中蚀刻所述电介质层包括干式蚀刻、各向同性蚀刻、蚀刻沟槽、通孔、台面或任一其它蚀刻以暴露所述钉扎层的所述部分。
39.根据权利要求32所述的方法，其中沉积所述非磁性材料包括经由物理气相沉积、 化学气相沉积、保形化学气相沉积、电镀或任一其它适合沉积来进行沉积以与所述钉扎层接触地沉积所述非磁性材料。
全文摘要
本发明提供一种包含非磁性桥接器的磁性单元结构及用于制造所述结构的方法。所述磁性单元结构包含自由层、钉扎层及电连接所述自由层与所述钉扎层的非磁性桥接器。所述非磁性桥接器的形状及/或配置引导编程电流穿过所述磁性单元结构，以使得所述编程电流在所述结构的所述自由层中的截面积小于所述结构的截面。所述编程电流在所述自由层中的所述截面积的减小使得较低编程电流能够达到所述自由层中的临界切换电流密度且切换所述自由层的磁化，从而编程所述磁性单元。
文档编号G11C11/15GK102272844SQ200980154150
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年1月9日
发明者刘峻, 古尔特杰·桑胡 申请人:美光科技公司