自旋转移矩存储器中的减小的切换电流的制作方法
【技术领域】
[0001]本说明书涉及垂直自旋转移矩存储器中的写入操作的领域，并且具体而言，涉及利用加热来减小切换电流的领域。
【背景技术】
[0002]垂直自旋转移矩存储器(STTM)器件通过驱动电流使其流过被基于氧化物的间隔体分开的一对铁磁电极来进行操作。电流在存储单元中的电极的磁矩上施加转矩(自旋转移矩)，以使自由层相对于钉扎层而处于平行或反平行状态。转矩的方向取决于电流的极性。转矩的量与被驱动而流过电极的电流量和施加电流的时间量相关。对于计算机和其它数据处理应用所期望的高速存储器，期望的是高电流，以减少所需时间量。然而，较高的电流会增大功率损耗。
[0003]STTM具有冲突的设计需求。一方面，强磁体和大体积使磁存储器元件的状态更稳定，但是难以进行切换。另一方面，弱磁体和小体积使单元容易通过使较小电流流过钉扎层来进行切换，但是使器件较不稳定。因此，磁体的强度由其尺寸来平衡。已经开发出多种磁体设计材料和成分，以在这两种性质之间找到适当的平衡。
【附图说明】
[0004]在附图的各图中通过示例而非限制的方式示出了本发明的实施例，在附图中，相似的附图标记指代相似的元件。
[0005]图1A是根据本发明的实施例的具有加热器的自旋转移矩磁存储器单元的简化图。
[0006]图1B是根据本发明的实施例的绝缘自旋转移矩磁存储器单元的简化图。
[0007]图2是根据本发明的实施例的针对STTM中的写入信号的电压和温度随时间变化的曲线图。
[0008]图3A是根据本发明的实施例的针对STTM中的修改的写入信号的电压和温度随时间变化的曲线图。
[0009]图3B是根据本发明的实施例的针对STTM中的第二修改写入信号的电压和温度随时间变化的曲线图。
[0010]图3C是根据本发明的实施例的针对典型STTM中的第三修改写入信号的电压和温度随时间变化的曲线图。
[0011]图4是根据本发明的实施例的向STTM进行写入的工艺流程图。
[0012]图5是根据本发明的实施例的包括STTM的存储器阵列的方框图。
[0013]图6是根据本发明的实施例的包含STTM的计算设备的方框图。
【具体实施方式】
[0014]在本发明的实施例中，可以将垂直自旋转移矩存储器(STTM)的写入电流与单元的稳定性解除关联。对于一些存储器单元，可以通过加热形成存储器单元的存储元件的磁自由层来减小写入电流。在钉扎层的磁矩将其取向从垂直改变为平面内时，加热引起磁化重新取向。在加热之后，可以利用较小的电流将单元状态切换到平行或反平行取向。
[0015]尽管为每个单元提供加热器增大了存储器阵列的复杂性，但也可以通过施加足够高的写入电流来为存储器单元加热。由位线或字线上的写入电流通过材料所产生的焦耳加热使STTM中的自由层变热并且变得不稳定。该不稳定性减小了自由层的临界切换电流。然后，在编程脉冲之后可以使该状态冷却，以恢复其稳定性。
[0016]图1A是示例性STTM 100的简化图。该垂直STTM的顶部102和底部104材料由诸如铜、钨、钽(氮化物)、钛(氮化物)、掺杂硅、铝等的互连件组成。这些物质为互连件提供了良好的导电性。顶部与底部之间是存储器单元的有源部分:自由层106 ;势皇层108 ;和钉扎层110。上层电极116位于自由层106与上层互连件层102之间。类似地，下层电极118位于钉扎层110与下层互连件104之间。沿存储器单元的侧壁112建立二氧化硅或低K电介质。
[0017]存储器单元的上层电极连接到位线122并且下层电极连接到字线124，以向存储器中写入值。如上所述，通过在一种极化或另一种中施加电流并且使自由层的极性反转来对存储器进行写入。
[0018]STTM还可以具有由自由层106附近放置的非晶碳形成的加热器元件120。由单独的加热器线126为加热器层供电。可以由与控制位线和字线的存储器控制器相同的存储器控制器来控制该线。为了向单元进行写入，首先使用加热器线来加热单元，并且然后由写入控制器来写入单元。加热器和加热器线增加了存储器单元的复杂性。第三端子、加热器、以及相关驱动器和控制电路都可以通过去掉加热器来避免。
[0019]图1B是另一个示例性垂直STTM 150的简化图。该存储器单元没有分立的加热器。如被加热的示例中那样，顶部152和底部154互连件材料可以是铜、钨、钽(氮化物)、钛(氮化物)、掺杂硅、铝等。这些常规材料是廉价的良导体或良好的隔离器。因为它们的电气性质而非热性质而选择它们。然而，为了更好地调节存储器单元的温度，可以使用热材料。
[0020]在本发明的实施例中，选择热材料作为热绝缘体。这允许利用较少能量为单元加热并且允许与其它单元的热状态进行一些隔离。作为热绝缘材料的示例，垂直堆叠体的顶部152和底部154层可以由热电阻层形成，所述热电阻层例如结晶导电硫属化物、导电非晶氧化物或导电磁性硫属化物、或提供较高的每界面边界热阻的值的热界面。已经发现小于lW/km的热导率是有用的。为进一步提高单元的温度，可以将非晶碳层120夹在自由层与电极之间。
[0021]存储器单元的有源部分放置在顶部152层与底部154层之间并且包括自由层156、自由层与钉扎层之间的势皇层158和钉扎层160。提供上层电极116来将位线172耦合到自由层156与上层互连件层152之间的存储器单元。类似地，提供下层电极118来将字线174耦合到钉扎层156与下层互连件154之间。存储器单元类似地包括侧壁162，以隔离存储器单元的有源部件。
[0022]图1A和IB的示图是截面，因此侧壁看起来是两个单独的结构，一个侧壁位于存储器单元的任一侧上。实际的存储器单元是三维形式并且仅有一个侧壁162，其完全包围存储器单元的外部，除了互连件以及顶部和底部层所在的顶部和底部之外。可以构造存储器单元，以使此处被标识为顶部152和底部154层的层实际上是顶部和底部层。存储器单元可以被构建在硅衬底上，并且底部层更接近衬底并且位于顶部层下方。然而，本发明并不限制于此。可以采用多种不同取向来构建存储器单元，并且可以根据特定应用来增加、去除或修改连接和层。
[0023]通常，侧壁162由二氧化硅或低K电介质形成。为了更有效的热隔离，可以在侧壁内使用空气间隙164。可以使用多种不同类型的热包层来部分或完全包封从互连件166到互连件168的整个STTM堆叠体。除了此处提及的材料之外或作为那些材料的替代，可以使用多种不同的热绝缘材料。
[0024]在没有加热器元件的情况下，与图1A的三端子结构中的两个相比，可以将图1B的存储器单元连接到具有一个单个晶体管的单个位线172和单个字线174。因此也可以减小单元尺寸。如更详细描述的，在图1B中由通过位线施加的电流(就像施加写入电流那样)来替换图1A的单独的加热器。通过使用与向存储器单元写入所使用的端子相同的端子来进行加热，由用于将器件加热到不稳定点的那些结构供应的电压结构和端子与用于切换器件的那些相同。
[0025]图2中部分描述了可以用于利用用于对单元进行加热的写入电流来向单元进行写入的现象。在图2中，电压曲线图201示出了垂直轴上的写入信号202的电压随水平轴上的时间的变化。写入电压线示出了施加到STTM单元的单个脉冲。脉冲开始于时间a并且结束于时间d。第二时间对准温度曲线图221示出了由温度测量信号204测量的存储器单元内的(尤其是自由层中的)温度在相同时间内的变化。通过示出自由层220、222、224、226