具有增强热稳定性的自旋轨道扭矩MRAM存储器单元的制作方法

存储器广泛用于各种电子设备，诸如蜂窝电话、数字相机、个人数字助理、医疗电子器件、移动计算设备、非移动计算设备和数据服务器。存储器可包括非易失性存储器或易失性存储器。即使当非易失性存储器未连接到电源(例如，电池)时，非易失性存储器也允许存储和保留信息。

非易失性存储器的一个示例是磁阻随机存取存储器(mram)，其使用磁化来表示所存储的数据，这与使用电荷来存储数据的其他存储器技术相反。一般来讲，mram包括在半导体衬底上形成的大量磁存储器单元，其中每个存储器单元都代表一个数据位。通过改变存储器单元内的磁性元件的磁化方向将数据位写入存储器单元，并且通过测量存储器单元的电阻来读取位(例如低电阻通常表示“0”位且高电阻通常表示“1”位)。

图1a是利用自旋轨道扭矩(sot)进行切换的示例性现有技术mram存储器单元100的示意透视图。一般来讲，自旋霍尔效应(she)可用于产生在横向于所施加电流的方向的方向上流动的自旋电流。存储器单元100包括：三个端子a、b和c；磁性隧道结(mtj)101；和she层120。mtj101包括钉扎层(pl)102、层间耦合(ilc)层104、参考层(rl)106、隧道势垒(tb)108和自由层(fl)110。对于平面内sot存储器单元，自由层(fl)110具有可在进入页面和离开页面之间切换的磁化方向。参考层(rl)106具有进入页面的磁化方向。钉扎层(pl)102具有离开页面的磁化方向。ilc层104促进pl(102)和rl(106)之间的强反铁磁(即，反平行)耦合，使得它们的净磁矩大部分抵消，因而大大减少了自由层上的不需要的杂散场影响。

为了将数据写入存储器单元100，在端子b和端子c之间施加写入电流122。通过在端子a与端子b之间传递电流来实现读取，以便感测存储器单元100的电阻。如果自由层(fl)110的磁化方向与rl(106)的磁化方向平行，例如进入页面，则存储器单元100具有较低的电阻。如果自由层(fl)110的磁化方向与rl(106)的磁化方向反平行，例如离开页面，则存储器单元100具有较高的电阻。

图1b为存储器单元100的顶视图，其中双向箭头130指示自由层110的可切换的磁化方向。如图所示，mtj101的形状为椭圆形，以便保持热稳定性。也就是说，fl的椭圆形形状引入了磁性形状各向异性，这为fl的热活化磁化反转提供能量势垒，从而使fl磁化热稳定。she层120的形状为矩形。

利用了she的sot切换设计的主要优点在于写入电流122仅通过she层120，而不流过隧道势垒108。这避免了通过切换电流的隧道势垒的长期退化。然而，随着存储器单元100的尺寸被缩小，存储器单元100失去其保留数据的能力。这是因为磁性形状各向异性能量与fl的体积成正比，并且随着该体积减小，针对热活化的磁化反转的能量势垒降低，最终无法保持fl的热稳定磁化。

附图说明

类似编号的元件是指不同图中的共同部件。

图1a是mram存储器单元的侧视图的框图。

图1b是mram存储器单元的顶视图的框图。

图2a是mram存储器单元的侧视图的框图。

图2b是mram存储器单元的顶视图的框图。

图3是描述了写入mram存储器单元的过程的一个实施方案的流程图。

图4a是mram存储器单元的侧视图的框图。

图4b是mram存储器单元的顶视图的框图。

图5a是mram存储器单元的侧视图的框图。

图5b是mram存储器单元的顶视图的框图。

图6a是mram存储器单元的侧视图的框图。

图6b是mram存储器单元的顶视图的框图。

图7是包括许多mram存储器单元的存储器系统的框图。

具体实施方式

为了改善数据保持(即，平面内sotmram非易失性存储器单元的磁热稳定性)，由邻近自由层的反铁磁层提供矫顽钉扎机构。一个实施方案包括具有可切换磁化方向的铁磁材料和与铁磁材料接触的反铁磁材料。在一个示例性具体实施中，铁磁材料为磁性隧道结的自由层，并且反铁磁材料的厚度小于为自由层提供交换偏置所需的最小临界厚度。下面说明了更多详细信息。

图2a是利用she并利用自旋轨道扭矩(sot)进行切换的mram存储器单元200的一个实施方案的示意透视图。图2b是存储器单元200的顶视图。出于本文档的目的，存储器单元为存储器系统中的存储器单元。存储器单元200包括三个端子a、b和c；磁性隧道结(mtj)202；以及she层220。she层通常为具有高自旋轨道耦合(并且通常对应的高电阻率和短自旋扩散长度)的重金属，例如铂、钽或钨。如果电流通过she层在平面内运行，则在垂直方向上(向上流向fl)产生自旋极化电流，其经由自旋传递机构对fl施加扭矩并且可切换fl的磁化。端子b和c连接到she层220。

一般来讲，磁性隧道结(mtj)为包括由薄绝缘体隔开的两个铁磁体的装置。因此，mtj202的一个实施方案包括钉扎层、自由层以及钉扎层与自由层之间的隧道势垒。mtj202也可以具有多于三个层。例如，如图2a所描绘，mtj202包括钉扎层(pl)204、层间耦合(ilc)层206、参考层(rl)208、隧道势垒(tb)210和自由层(fl)212。钉扎层204和参考层208具有固定的磁化，这意味着它们的磁化方向不会改变。钉扎层204可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴层和/或钴和铁的合金层。参考层208可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴层和钴、铁和硼的合金层。在一个示例中，ilc层104由钌制成；然后，也可以使用其他材料。钉扎层204具有与参考层208的方向相反的磁化方向。例如，图2a示出了钉扎层204的磁化方向为离开页面，并且参考层208的磁化方向为进入页面。在很大程度上，参考层208的磁化抵消了钉扎层204的磁化(或反之亦然)，以总体上产生具有接近零净磁化的组合层。ilc层206促进pl204和rl208之间的这种反平行(即反铁磁)耦合。

在一个示例中，隧道势垒210由氧化镁(mgo)制成；然后，也可以使用其他材料。隧道势垒210位于自由层212和一个或多个固定磁化层之间；因此，在一个实施方案中，隧道势垒210定位于自由层212和参考层208之间。自由层212为铁磁金属，其具有改变/切换其磁化方向的能力。基于过渡金属如co、fe及其合金的多层可用于形成自由层212。在一个实施方案中，自由层212包括钴、铁和硼的合金。自由层(fl)212具有可以在进入页面和离开页面之间切换的磁化方向。如果fl212的磁化方向与rl208的磁化方向平行，则存储器单元200具有较低的电阻。如果fl212的磁化方向与rl208的磁化方向反平行，则存储器单元200具有较高的电阻。低电阻表示“0”位，并且高电阻表示“1”位，或反之亦然。

通过测量存储器单元200的电阻来读取存储在存储器单元200中的数据(“0”或“1”)。如图所示，存储器单元200包括三个端子：a、b和c。通过在端子a与端子b之间传递电流来实现读取，以便感测存储器单元200的电阻。为了将数据写入存储器单元200，在端子b和端子c之间施加电写入电流222，以便通过切换自由层212的磁化方向来改变存储器单元200的电阻。取决于对于电流222的给定极性在she层220中的自旋霍尔效应的符号(其取决于she材料的选择)，fl的磁化方向可唯一地设置在进入页面或离开页面方向中的任一者中，即，平行于或反平行于rl的磁化方向。因此，通过选择写入电流222的极性，可以在存储器单元200中写入“0”或“1”位。

存储器单元200还包括两个反铁磁层：反铁磁层(afmeb)214和反铁磁层(afm-c)216。在表现出反铁磁性的材料中，原子或分子的磁矩(与电子自旋相关)以规则的模式排列，其中(在不同的子晶格上的)相邻自旋指向相反的方向，以实现零净磁化。也就是说，磁矩在整个材料中使其本身排列成相反或反平行的布置，使得它几乎不表现出聚合外部磁力。

当反铁磁材料与铁磁材料接触时，铁磁材料将在交接处耦合到反铁磁材料，使得在反铁磁材料和铁磁材料之间的交接处的磁矩之间将存在强交互作用，以将它们排列，从而为铁磁体产生优选的磁化方向。这种现象被称为“交换偏置”。由于反铁磁材料和铁磁材料之间的耦合，改变铁磁材料的磁化方向明显更加困难。在许多情况下，当将磁场施加到正经受交换偏置的铁磁材料上时，可以暂时改变或部分改变铁磁材料的磁化方向；然而，一旦磁场被移除，则铁磁材料的磁化方向将(在大多数情况下)立即并自动恢复到其初始状态。反铁磁材料充当正经受交换偏置的铁磁材料的恢复力或锚定件。就这一点而言，与钉扎层204接触的反铁磁层(afmeb)214为钉扎层204提供交换偏置，以便将钉扎层204的磁化方向锚定为保持在页面之外。端子a连接到反铁磁层214。

已观察到，对于许多反铁磁材料，如果材料不足够厚，则不会发生交换偏置。更具体地，交换偏置的开始出现在“最小临界厚度”处，并且随着反铁磁材料的厚度増加至“饱和厚度”而继续増加，其中交换偏置的量饱和。还已观察到，在最小临界厚度处或大约最小临界厚度(包括恰好在最小临界厚度以下和恰好在最小临界厚度以上)，反铁磁材料可向相邻铁磁材料提供显著的矫顽磁力(即单轴而不是单向磁性各向异性)。因此，具有小于临界最小厚度但接近临界最小厚度的厚度的反铁磁材料将不会提供交换偏置，而是将为与反铁磁材料接触的铁磁材料提供矫顽磁力。这种矫顽磁力将増加针对两个磁化方向的fl的热活化磁化反转的能量势垒，这不同于仅针对一个磁化方向这样做的交换偏置机构，因此不适用于其中需要两个稳定磁化方向的存储器应用。因此，除了前文所述的形状各向异性能量之外，这种矫顽磁力还将増强fl的热稳定性。反铁磁材料的一个示例为irmn，其具有的最小临界厚度。

建议使用与自由层212接触的反铁磁材料以提供矫顽磁力(使自由层212更稳定并且能够更好地保持数据)，但不提供交换偏置(因为交换偏置将阻止自由层212的切换)。就这一点而言，定位于自由层212和she层220之间以使得其与自由层212接触的反铁磁层(afm-c)216具有小于为自由层212(铁磁材料)提供交换偏置所需的最小临界厚度的厚度；然而，反铁磁层216确实为自由层212提供矫顽磁力。因此，反铁磁层216和自由层212之间的原子相互作用使得其更难以为两个磁化方向切换自由层212的磁化方向(但它是可切换的)，这使得自由层212更稳定并且更好地保持数据。

在一个实施方案中，反铁磁层(afm-c)216为厚度介于之间的irmn，而反铁磁层(afm-eb)214为的irmn。可用于反铁磁层(afm-c)216的其它材料包括femn、ptmn和nimn。

图2b为存储器单元200的顶视图，其中双向箭头230指示自由层212的可切换的磁化方向。如图所示，mtj202的形状为椭圆形，以便经由磁性形状各向异性能量保持热稳定性。然而，she层220的形状为矩形。在一个实施方案中，反铁磁层216的形状为椭圆形以呈现与mtj202相同的形状。在另一个实施方案中，反铁磁层216的形状为矩形以呈现与she层220相同的形状。

图3是描述用于将数据写入存储器单元200的方法的一个实施方案的流程图。如上所述，写入存储器单元200包括在平行和反平行于参考层208的磁化方向之间改变自由层212的磁化方向。当自由层212的磁化方向平行于参考层208的磁化方向时，则存储器单元200的电阻较低，对应于数据“0”当自由层212的磁化方向平行于参考层208的磁化方向时，则存储器单元200的电阻较高，对应于数据“1”

在图3的步骤302中，在端子b和c之间的she层220中施加写入电流222。例如，图2a示出了在she层220中从端子c施加到端子b的写入电流222。另选地，写入电流可在相反的方向上施加，从端子b到端子c，从而以相反方式改变磁化方向。在步骤304中，响应于步骤302的写入电流，由于自旋霍尔效应而在she层220中产生自旋电流(但不是电流)。该自旋电流具有与fl的磁化方向共线的自旋极化方向，并且其向上流动，即在朝向mtj202的方向上流动。即，she层220充当mtj202的自旋电流源。在步骤306中，自旋电流将反铁磁层216传递到自由层212中，并且在步骤308中在自由层磁化上赋予扭矩。响应于该扭矩，在步骤310中将改变自由层的磁化方向。例如，该扭矩导致自由层212中的磁化方向改变为向外，因此，自由层212中的磁化方向变得与参考层208的磁化方向反平行。如上所述，在图2a的示例中，将写入电流从端子b施加到端子c(而不是从端子c到端子b)将产生使自由层212中的磁化方向改变为向内的扭矩，因此，自由层212中的磁化方向变得与参考层208的磁化方向平行。

图4a是利用she并利用sot进行切换的mram存储器单元400的另一个实施方案的示意透视图。图4b是存储器单元400的顶视图。存储器单元400包括三个端子a、b和c；磁性隧道结(mtj)402。如图所示，mtj402包括与图2a的mtj202相同的钉扎层(pl)204、层间耦合(ilc)层206、参考层(rl)208、隧道势垒(tb)210和自由层(fl)212。存储器单元400还包括与图2a的存储器单元200相同的反铁磁层(afm-eb)214，其具有常规厚度(例如，大于最小临界厚度的厚度)，以为钉扎层204提供交换偏置。端子a连接到反铁磁层214。

在mtj402下方并且与mtj402的自由层212接触的是反铁磁层(afm-c)420，其厚度小于为自由层212提供交换偏置所需的最小临界厚度；然而，反铁磁层420确实为自由层212提供矫顽磁力。端子b和c连接到反铁磁层420。

图4b为存储器单元400的顶视图，其中双向箭头440指示自由层212的可切换的磁化方向。如图所示，mtj402的形状为椭圆形以便保持热稳定性。然而，反铁磁层(afm-c)420的形状为矩形。在一些具体实施中，反铁磁层(afm-c)420可被研磨成与自由层212相同的宽度440。

在图4a和图4b的实施方案中，反铁磁层(afm-c)420也充当在自由层212上施加扭矩的自旋电流源。也就是说，反铁磁层(afm-c)420提供she，因此不需要单独的she层。在端子b和c之间通过反铁磁层(afm-c)420施加写入电流422。在一个方向上施加写入电流以在自由层212上施加扭矩，以将磁化方向改变为向内，并沿相反方向在自由层212上施加扭矩以将磁化方向改变为向外。

图5a是利用she并利用sot进行切换的mram存储器单元500的另一个实施方案的示意透视图。图5b为存储器单元500的顶视图。存储器单元500包括三个端子a、b和c；以及磁性隧道结(mtj)502。如图所示，mtj502包括与图2a的mtj202相同的钉扎层(pl)204、层间耦合(ilc)层206、参考层(rl)208、隧道势垒(tb)210和自由层(fl)212。存储器单元500还包括与图2a的存储器单元200相同的反铁磁层(afm-eb)214，其具有常规厚度，以为钉扎层204提供交换偏置。端子a连接到反铁磁层214。

在mtj502下方并且与mtj402的自由层212接触的是反铁磁层(afm-c)520，其厚度小于为自由层212提供交换偏置所需的最小临界厚度；然而，反铁磁层520确实为自由层212提供矫顽磁力。垫片层522与反铁磁层520相邻。第二反铁磁层、反铁磁层(afm)524与垫片522相邻。在一个实施方案中，垫片522为薄的、非磁性的并且对自旋电流透明(即，允许自旋电流通过)，但中断来自afm524的任何交换偏置。例如，垫片522可由银、铜或金制成。端子b和c连接到反铁磁层524和/或520。

图5b为存储器单元500的顶视图，其中双向箭头530指示自由层212的可切换的磁化方向。如图所示，mtj502的形状为椭圆形以便保持热稳定性。然而，反铁磁层(afm-c)520、垫片522和反铁磁层(afm)524的形状为矩形。

在图5a和图5b的实施方案中，反铁磁层524和520均充当在自由层212上施加扭矩的自旋电流源，从而改变自由层212的磁化方向。即，反铁磁层524和520均提供she。在端子b和端子c之间通过这两个层施加写入电流526。在一个方向上施加写入电流以在自由层212上施加扭矩，以将磁化方向改变为向内并沿相反方向在自由层212上施加扭矩以将磁化方向改变为向外。

图6a是利用she并利用sot进行切换的mram存储器单元600的另一个实施方案的示意透视图。图6b为存储器单元600的顶视图。存储器单元600包括三个端子a、b和c；以及磁性隧道结(mtj)602。如图所示，mtj602包括钉扎层(pl)604、层间耦合(ilc)层606、参考层(rl)608、隧道势垒(tb)层610和自由层(fl)612。存储器单元600还包括以常规厚度(例如，大于最小临界厚度的厚度)与钉扎层604接触的同一反铁磁层(afm-eb)614，以为钉扎层604提供交换偏置。端子a连接到反铁磁层614。

在mtj602下方并且与mtj602的自由层612接触的是反铁磁层(afm-c)620，其厚度小于为自由层612提供交换偏置所需的最小临界厚度；然而，反铁磁层620确实为自由层612提供矫顽磁力。在一个实施方案中，反铁磁层620与图4的反铁磁层420相同。端子b和c连接到反铁磁层620。从图6a的侧透视图，存储器单元600的层类似于图4a的存储器单元400的层。然而，如相对于图6b所讨论的，mtj602的形状不同于mtj402的形状。

图6b为存储器单元600的顶视图，其中双向箭头630指示自由层612的可切换的磁化方向。如图所示，mtj602的形状为圆形或环形(与椭圆形相对)。然而，反铁磁层(afm-c)620的形状为矩形。在一些具体实施中，反铁磁层(afm-c)620可研磨至与自由层612相同的宽度640。将mtj602成形为圆形允许mtj更积极地缩放，因为圆形比椭圆更容易缩放，因为椭圆的小半径在大半径足够小之前可能变得太窄。先前的磁性隧道结使用椭圆形形状以保持热稳定性。然而，预期反铁磁层(afm-c)620自身将提供必要的热稳定性，从而允许圆形形状。出于相同的原因，建议图2a的实施方案的mtj202和图5a的实施方案的mtj402也可以环形或圆形的形状实现。

如上文相对于图4a和图4b所述，反铁磁层(afm-c)620也充当在自由层612上施加扭矩的自旋电流源。也就是说，反铁磁层(afm-c)620提供she，因此不需要单独的she层。因此，在端子b和c之间通过反铁磁层(afm-c)620施加写入电流622。在一个方向上施加写入电流以在自由层612上施加扭矩，以将磁化方向改变为向内，并沿相反方向在自由层612上施加扭矩以将磁化方向改变为向外。

图7是描绘可以实现本文描述的技术的存储器系统700的一个示例的框图。存储器系统700包括存储器阵列702，该存储器阵列可包括数千或数百万上述任何存储器单元。存储器阵列702的阵列端子线包括组织为行的各个字线层，以及组织为列的各个位线层。然而，也可以实现其他取向。存储器系统700包括行控制电路720，该行控制电路的输出708连接到存储器阵列702的相应字线。行控制电路720从系统控制逻辑电路770接收一组m行地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如行解码器722、阵列端子驱动器724和块选择电路726等电路以用于读取操作和写入操作两者。存储器系统700包括列控制电路710，该列控制电路的输入/输出706连接到存储器阵列702的相应位线。列控制电路706从系统控制逻辑770接收一组n个列地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如列解码器712、阵列端子接收器或驱动器714、块选择电路716、以及读/写电路和i/o多路复用器等电路。系统控制逻辑770从主机接收数据和命令，并向主机提供输出数据。在其他实施方案中，系统控制逻辑770从单独的控制器电路接收数据和命令，并向该控制器电路提供输出数据，其中控制器电路与主机通信。系统控制逻辑770可以包括一个或多个状态机、寄存器和用于控制存储器系统700的操作的其他控制逻辑。

在一个实施方案中，图7中所描绘的所有部件都布置在单个集成电路上。例如，系统控制逻辑770、列控制电路710和行控制电路720形成在衬底的表面上，并且存储器阵列702是在衬底上方(并且因此在系统控制逻辑770、列控制电路710和行控制电路720上方)形成的单片三维存储器阵列。在一些情况下，控制电路的一部分可形成在与存储器阵列的一些相同的层上。

结合存储器阵列的集成电路通常将阵列细分为多个子阵列或块。块是连续的存储器单元组，其具有通常未被解码器、驱动器、感测放大器和输入/输出电路破坏的连续字和位线。

在一个实施方案中，行控制电路720、行解码器722、阵列驱动器724、块选择器726、列控制电路710、列解码器712、驱动电路714、块选择电路716和/或系统控制逻辑770中的任何一者或任何组合可被视为控制电路，该控制电路连接到存储器阵列702的存储器单元并且被配置为通过改变存储器单元的自由层的磁化方向来将非易失性数据编程到存储器单元中。

一个实施方案包括非易失性存储器单元，该非易失性存储器单元包括具有可切换的磁化方向的第一铁磁材料和与第一铁磁材料接触的第一反铁磁材料。

一个实施方案包括一种装置，该装置包括磁性隧道结和邻近磁性隧道结的反铁磁材料层。反铁磁材料层的厚度小于提供交换偏置所需的最小临界厚度。

一个实施方案包括一种方法，该方法包括：在邻近磁性隧道结的材料层中施加写入电流；响应于所述写入电流，由于自旋霍尔效应而在所述材料层中产生自旋电流；使自旋电流穿过反铁磁材料进入磁性隧道结的自由层中；通过进入自由层上的自旋电流在自由层上赋予扭矩；以及响应于该扭矩而改变自由层的磁化方向。

一个实施方案包括一种装置，该装置包括磁性隧道结，该磁性隧道结包括钉扎的铁磁层和自由铁磁层。自由铁磁层具有可切换的磁化方向。钉扎的铁磁层具有固定的磁化方向。该装置还包括用于向自由铁磁层提供矫顽磁力和自旋电流而不为自由铁磁层提供交换偏置的装置。在一个示例性具体实施中，用于提供矫顽磁力和自旋电流的装置包括与自由铁磁层接触的反铁磁材料。

出于本文件的目的，说明书中提到“实施方案”、“一个实施方案”、“一些实施方案”或“另一个实施方案”可用于描述不同的实施方案或相同的实施方案。

出于本文件的目的，连接可为直接连接或间接连接(例如，经由一个或多个其他部件)。在一些情况下，当元件被提及连接或耦接到另一个元件时，该元件可直接连接到另一个元件，或者经由居间元件间接连接到另一个元件。当元件被提及直接连接到另一个元件时，则在该元件与另一个元件之间没有居间元件。如果两个设备是直接连接或间接连接的，则两个设备是“通信”的，使得它们能够在它们之间进行电子信号通信。连接包括电连接或机械连接，并且还可包括两个接触的材料

出于本文档的目的，术语“基于”可理解为“至少部分地基于”。

出于本文档的目的，在没有附加上下文的情况下，诸如“第一”对象、“第二”对象和“第三”对象的数字术语的使用可能不意味着对象的排序，而是可用于识别目的以识别不同的对象。

出于本文档的目的，对象的术语“组”可指一个或多个对象的“组”。

出于说明和描述的目的已提供了上述详细描述。其并非旨在详尽的或旨在限制本发明所公开的精确形式。根据以上教导内容，很多修改形式和变型形式都是可能的。选择所述实施方案以便最好地解释所建议的技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方案中和适合于设想的具体使用的各种修改中最好地利用它。本发明的范围旨在由所附权利要求书限定。