具有自旋霍尔mtj器件的交叉点阵列mram的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例涉及存储设备的领域，并且具体来说，涉及实施基于自旋霍尔磁 性隧道结（MTJ)的器件的交叉点阵列磁阻随机存取存储器（MRAM)以及这种阵列的操作方 法。
【背景技术】
[0002] 对于过去的几十年，集成电路中特征的缩放已经成为日益增长的半导体产业背后 的推动力量。缩放成越来越小的特征使得在半导体芯片的有限面积上增大功能单位的密度 成为可能。例如，缩小晶体管尺寸容许在芯片上并入数量增加的存储器件，以使得制造具有 增大容量的产品。然而，推动越来越大的容量并不是没有问题。优化每个器件性能的必要 性变得日益重要。
[0003] 诸如具有非易失性的片上嵌入式存储器之类的非易失性嵌入式存储器可以使得 能量和计算效率得以实现。然而，诸如自旋扭矩转移磁阻随机存取存储器（STT-MRAM)之类 的领先的嵌入式存储器的选择会在对单元进行编程（写）期间遭受高电压和高电流密度的 问题。此外，可能是由于大的写开关电流而引起的STT-MRAM的密度限制以及选择晶体管的 要求。特别地，由于要求驱动晶体管提供充足的自旋电流，传统的STT-MRAM具有单元尺寸 的限制。此外，这种存储器与基于常规磁性隧道结（MTJ)的器件的大的写电流（>100yA) 和电压O0.7V)要求相关联。
[0004] 正因如此，在基于MTJ的非易失性存储阵列的领域中，仍然需要显著改进。
【附图说明】
[0005] 图1例示了根据现有技术的巨自旋霍尔效应磁性隧道结（GSHE-MTJ)器件的工作 机制，其中，（a)所例示出的针对GSHE-MTJ的典型材料叠置体，（b)所例示出的（a)的器件 的俯视图，以及（c)描绘了如由金属中的自旋霍尔效应所确定的自旋电流和电荷电流的方 向的例示。
[0006] 图2A例示了根据本发明的实施例的具有与选择线（SL)、位线（BL)和字线（WL)的 连接的位单元的横截面视图，以及器件相对应的俯视示意图。
[0007] 图2B例示了根据本发明的实施例的图2A的器件的横截面视图，（a)如沿着轴线 a_a'，以及（b)如沿着轴线b-b'。
[0008] 图3例示了根据本发明的实施例具有位单元的交叉点阵列的（a)位单元透视图以 及（b)平面视图，位单元具有底部AFM层。
[0009] 图4例示了根据本发明的实施例的用于在交叉点GSHE-MRAM中写入逻辑1的方 法。
[0010] 图5例示了根据本发明的实施例的用于在交叉点GSHE-MRAM中写入逻辑0的方 法。
[0011] 图6例示了根据本发明的实施例的在交叉点GSHE-MRAM中读取位单元的方法。
[0012] 图7例示了根据本发明的实施例的具有与选择线（SL)、位线（BL)和字线（WL)的 连接的另一个位单元的横截面视图，以及器件的相对应的俯视示意图。
[0013] 图8例示了根据本发明的实施例的图7(a)的器件的横截面视图，（a)如沿着轴线 a_a'，以及（b)如沿着轴线b-b'。
[0014] 图9例示了根据本发明的实施例的具有位单元的交叉点阵列的位单元透视图，位 单元具有顶部AFM层。
[0015] 图10例示了根据本发明的实施例的图9的交叉点阵列的平面视图。
[0016] 图11例示了根据本发明的实施例的在交叉点GSHE-MRAM中写入逻辑1以避免反 常电流的方法。
[0017] 图12例示了根据本发明的实施例的在交叉点GSHE-MRAM中写入逻辑0以避免反 常电流的方法。
[0018] 图13例示了根据本发明的实施例的读取交叉点GSHE-MRAM以避免反常电流的方 法。
[0019] 图14是根据本发明的实施例，对于使用基于GSHE或MTJ的写入机制的STT开关 器件，开关时间（以ns)随着所施加的电压（以V)变化的图。
[0020] 图15是根据本发明的实施例的示出了对于具有4nm厚度的GSHE金属的变化的纳 米磁体宽度，用于基于GSHE和MTJ的磁性存储器写入的相对开关能量的图。
[0021] 图16是根据本发明的实施例的材料和传输参数的表。
[0022] 图17例示了根据本发明的实施例的电子系统的框图。
[0023] 图18例示了根据本发明的实施例的计算设备。
【具体实施方式】
[0024] 描述了实施基于自旋霍尔磁性隧道结（MTJ)的器件的交叉点阵列磁阻随机存取 存储器（MRAM)以及这种阵列的操作方法。在下面的描述中，阐述了许多具体细节（例如具 体的磁性隧道结（MTJ)层的域），以便提供对本发明的实施例的彻底理解。对本领域技术人 员来说将显而易见的是，没有这些具体细节也可以实施本发明的实施例。在其它实例中，并 没有详细描述公知的特征（例如集成工艺制造流程），以使得不会不必要地混淆本发明的 实施例。此外，要理解的是，在附图中所示出的各个实施例是例示的表示，而不是必须要按 比例绘制。
[0025] 本发明的一个或多个实施例涉及使用自旋霍尔MTJ器件的交叉点阵列MRAM。这种 阵列的通用应用包括但不限于嵌入式存储器、磁性隧道结结构、MRAM、非易失性存储器、自 旋霍尔效应、自旋扭矩存储器以及使用磁存储器件的嵌入式存储器。在一个实施例中，使用 本文所描述的自旋霍尔器件，基于MTJ的自旋扭矩MRAM在密度和能量/位上得到了改进。
[0026] 更具体地来说，一个或多个实施例的目的是使用或应用使用交叉连接架构的高度 紧凑的巨自旋霍尔效应MRAM(GSHE-MRAM)。在第一方面中，通过巨自旋霍尔效应（GSHE)使 得低编程（写）电流和电压成为可能。在第二方面中，实现了在每个位单元中不具有选 择晶体管的高密度交叉连接架构。实施例包括制造和/或实施在交叉点架构中所形成的 GSHE-MTJ单元阵列，并可以涉及交叉连接的自旋霍尔MRAM、使用三层金属层的位单元版图 和/或使用GSHE-MTJMRAM的交叉连接的位单元中的一个或多个。
[0027] 在一个方面中，描述了巨自旋霍尔效应（GSHE)MRAM交叉连接阵列，巨自旋霍尔效 应（GSHE)MRAM交叉连接阵列以基于自旋霍尔效应的对磁性元件的编程（写）以及基于 MTJ的读出为基础。为了提供背景，提供了图1以辅助对巨自旋霍尔MRAM的工作原理的例 示。具体地，图1例示了根据现有技术的GSHE-MTJ的工作机制，具有（a)所例示出的针对 GSHE-MTJ的典型材料叠置体100A，（b)所例示出的（a)的器件的俯视图100B，以及（c)描 绘了如由金属中的自旋霍尔效应所确定的自旋电流和电荷电流的方向的例示。
[0028] 再次参照图1，示出了具有自旋霍尔效应感应的写入机制和基于MTJ的读出的3端 子存储单元的名义上的几何结构。名义上的材料叠置体100A包括与GSHE金属104直接接 触的自由层纳米磁体102。名义上的MTJ叠置体由自由层102 (FM1)、氧化镁隧穿氧化物106、 具有基于CoFe/Ru的合成反铁磁体（SAF) 110的固定磁体108 (FM2)以及反铁磁体（AFM) 112 组成。SAF层110容许取消围绕自由层102的偶极子场。材料的广泛组合已经被研宄用于 这种材料叠置体。例如，写电极114包括由0-钽（0-Ta)、0-钨（0-W)或铂（Pt)组成 的GSHE金属。写电极114转换成正常的高导电率金属（例如，铜（Cu))，以使得写电极电阻 最小化。器件的俯视图100B显示了磁体沿着GSHE电极的宽度进行取向用于适当的自旋注 入。
[0029] 再次参考图1，磁性单元通过经由GSHE电极施加电荷电流来写入。磁写入的方向 由所施加的电荷电流的方向来确定。正电流（沿着+y)产生了自旋注入电流，具有传输方向 (沿着+Z)并且自旋指向（+X)方向。所注入的自旋电流反过来产生自旋扭矩以在+X或-X 方向上与磁体对齐。写电极中针对电荷电流的横向自旋电流在等式（1)中提供：
[0030] (1)
[0031] 其中，PSHE是自旋霍尔注入效率，其是横向自旋电流与侧向电荷电流大小的比率， w是磁体的宽度，t是GSHE金属电极的厚度，Asf是GSHE金属中的自旋翻转长度，0 _是 GSHE金属到FM1界面的自旋霍尔角度。用于自旋扭矩的所注入的自旋角动量可以通过首先 解出等式1来确定。
[0032] 根据本发明的各个实施例，下面描述了用于GSHE-MRAM交叉连接存储器的位单元 和阵列。在第一实施例中，GSHE-MTJ叠置体被提供为反铁磁体（AFM)是叠置体的底层。也 就是说，在一个实施例中，针对GSHE-MTJ的位单元基于在底层中具有AFM层的材料叠置体。 在示例性的实施例中，GSHE-MRAM位单元通过用于MTJ集成的传统工艺集成流程来制造。位 单元具有分别连接到选择线（SL)、字线（WL)和位线（BL)的三个端子。针对这种布置的写 入过程使得在BL与SL之间的电流能够向器件注入自旋电流。读取过程涉及读取在SL与 WL之间的隧穿磁阻（TMR)。
[0033] 举例而言，图2A例示了根据本发明的实施例的具有与选择线（SL)、位线（BL)和 字线（WL)的连接的位单元200的横截面视图，以及器件200的