自旋扭矩转移存储器单元结构及方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201180044874.1	申请日：	2011.09.13
公开号：	CN103119654A	公开日：	2013.05.22
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G11C 11/16申请日:20110913\|\|\|公开
IPC分类号：	G11C11/16	主分类号：	G11C11/16
申请人：	美光科技公司
发明人：	斯蒂芬·J·克拉梅尔; 居尔泰·S·桑德胡
地址：	美国爱达荷州
优先权：	2010.09.17 US 12/885,012
专利代理机构：	北京律盟知识产权代理有限责任公司 11287	代理人：	宋献涛
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内容摘要

本文中描述自旋扭矩转移STT存储器单元结构及方法。一个或一个以上STT存储器单元结构包含：隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。

权利要求书

权利要求书一种自旋扭矩转移存储器单元结构，其包括：
隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及
多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触；
其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。
根据权利要求1所述的存储器单元结构，其包含第三电极，所述第三电极经配置以响应于所述第三电极与所述第一电极及所述第二电极中的至少一者之间的所施加电压而将电场提供到所述多铁性材料。
根据权利要求2所述的存储器单元结构，其中提供到所述多铁性材料的所述电场足以：
诱发所述多铁性材料的反铁磁性及/或铁磁性排序的改变；及
提供所述多铁性材料与所述铁磁性存储材料之间的反铁磁性交换耦合及/或铁磁性耦合以使得更改所述铁磁性存储材料的磁化。
根据权利要求2所述的存储器单元结构，其中所述第三电极为垂直存取装置的栅极。
根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其包含第三电极及第四电极，所述第三电极及所述第四电极经配置以响应于施加于所述第三电极与所述第四电极之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。
根据权利要求5所述的存储器单元结构，其中所述第三电极及所述第四电极中的至少一者为耦合到所述自旋扭矩转移存储器单元结构的垂直存取装置的栅极。
根据权利要求6所述的存储器单元结构，其中所述第三电极及所述第四电极中的所述至少一者与所述多铁性材料接触。
根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其中所述反铁磁性材料为合成反铁磁体。
根据权利要求1所述的存储器单元结构，其中所述多铁性材料为铁酸铋(BiFeO3)。
根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其中所述第一电极及所述第二电极经配置以响应于施加于所述第一电极与所述第二电极之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。
一种自旋扭矩转移存储器单元，其包括：
磁性隧穿结MTJ元件，其定位于第一电极与第二电极之间；
多铁性材料，其与所述MTJ元件的铁磁性存储材料接触；及
存取装置，其耦合到所述MTJ元件。
根据权利要求11所述的存储器单元，其中所述存取装置包含第一栅极电极及第二栅极电极。
根据权利要求12所述的存储器单元，其中所述第一栅极电极及所述第二栅极电极中的至少一者经配置以响应于施加于所述第一电极与所述第一栅极电极及所述第二栅极电极中的至少一者之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。
根据权利要求12所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含耦合于所述第一栅极电极与所述铁磁性存储材料之间的第一部分。
根据权利要求14所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含耦合于所述第二栅极电极与所述铁磁性存储材料之间的第二部分。
根据权利要求14所述的存储器单元，其中所述多铁性材料的所述第一部分被配置为与所述存取装置相关联的栅极氧化物材料。
根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述多铁性材料的所述第一部分位于与所述存取装置相关联的栅极氧化物材料上方。
根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含：
第一部分，其耦合到所述铁磁性存储材料的第一边缘部分；及
第二部分，其耦合到所述铁磁性存储材料的第二边缘部分。
根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述隧穿势垒材料为氧化镁(MgO)。
一种操作自旋扭矩转移STT存储器单元的方法，所述方法包括：
通过将电场提供到与所述STT存储器单元的磁性隧穿结MTJ元件的自由铁磁性存储材料接触的多铁性材料来更改所述铁磁性存储材料的磁化；
其中所述MTJ元件包含：
钉扎铁磁性材料；
反铁磁性材料；及
隧穿势垒材料，其定位于所述铁磁性存储材料与所述钉扎铁磁性材料之间。
根据权利要求20所述的方法，其中更改所述自由铁磁性材料的所述磁化包含将磁化方向从第一配置切换到第二配置。
根据权利要求20所述的方法，其包含从以下各项中的至少一者切换所述磁化方向：
平行于所述钉扎铁磁性材料的磁化方向的配置到反平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的磁化方向；及
反平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的配置到平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的磁化方向。
根据权利要求20所述的方法，其包含确定由提供到所述多铁性材料的所述电场诱发的所述STT存储器单元的状态。
根据权利要求20所述的方法，其包含随后提供穿过所述MTJ元件的编程电流。
根据权利要求20所述的方法，其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含在所述STT存储器单元的顶部电极与底部电极之间施加电压差。
根据权利要求20所述的方法，其中所述STT存储器单元包含底部电极、顶部电极及至少一个额外电极，且其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含在所述顶部电极及底部电极中的至少一者与所述至少一个额外电极中的至少一者之间施加电压差。
根据权利要求20到26中任一权利要求所述的方法，其中所述STT存储器单元包含底部电极、顶部电极、第一额外电极及第二额外电极，且其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含在所述第一额外电极与所述第二额外电极之间施加电压差。
根据权利要求27所述的方法，其中所述第一额外电极及所述第二额外电极为与所述STT存储器单元相关联的垂直存取装置的栅极电极。
根据权利要求27所述的方法，其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含提供具有一量值的电场，所述量值足以：
诱发所述多铁性材料的反铁磁性排序的改变；及
提供所述多铁性材料与所述铁磁性存储材料之间的反铁磁性交换耦合。
根据权利要求20到26中任一权利要求所述的方法，其中将所述多铁性材料的第一部分配置为与关联于所述STT存储器单元的存取装置相关联的栅极氧化物材料。

说明书

说明书自旋扭矩转移存储器单元结构及方法
技术领域
本发明一般来说涉及半导体存储器装置、方法及系统，且更明确地说涉及自旋扭矩转移(STT)存储器单元结构及方法。
背景技术
通常提供存储器装置作为计算机或其它电子装置中的内部半导体集成电路。存在许多不同类型的存储器，包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、快闪存储器、电阻可变存储器(例如相变随机存取存储器(PCRAM)及电阻式随机存取存储器(RRAM))及磁性随机存取存储器(MRAM)(例如自旋扭矩转移随机存取存储器(STT RAM))等等。
MRAM装置可采用可由于磁矩的不同相对定向(例如，平行及反平行)而被视为多状态电阻器的磁性隧穿结(MTJ)，所述磁性隧穿结可改变穿过所述装置的电流的量值。在写入过程中，可使用由穿过传导线(例如，字线及位线)的电流所致的磁场来切换所述MTJ的“自由”材料的磁矩方向，此可将所述装置置于高或低电阻状态中。然后可使用读取过程来确定单元的状态。
随着MRAM单元的大小减少，邻近单元之间的距离也减少，此可导致由用于切换磁矩方向的电流携载线所致的单元干扰增加。作为一实例，与MRAM装置相关联的写入电流可为约10mA，随着MRAM单元及电流携载线的大小减少，此可为困难的。例如，较小宽度线可需要较大电流以产生必要切换场，此增加电力消耗。
STT装置共享先前MTJ单元的操作特征中的一些操作特征；然而，可通过自旋极化电流自身的通过产生自由材料磁矩的切换(例如，写入过程)。例如，优先地极化穿过使其磁矩沿给定方向定向的第一磁性材料(例如，“钉扎”材料)的非极化传导电子，此通过使所述非极化传导电子通过与所述材料中的极化束缚电子的量子机械交换相互作用穿过所述材料而实现。从经磁化材料的表面反射的传导电子以及穿过其的所述传导电子可发生此极化。此极化过程的效率可取决于所述材料的结晶结构。当此经极化传导电子流随后穿过其极化方向在空间中不固定的第二磁性材料(例如，“自由”材料)时，所述经极化传导电子对所述磁性材料中的束缚电子施加扭矩，所述扭矩如果充足那么可使所述束缚电子的极化反向且借此使所述磁性材料的磁矩反向。
使用所述单元内部的电流来致使磁矩反向提供与产生外部磁场(例如，从邻近电流携载线)所需的所述电流相比较小的电流(例如，约200微安)以产生力矩切换。然而，用于产生STT RAM单元中的磁矩切换的电流的进一步减小可提供益处，例如进一步减小与此些单元相关联的材料中的能量消耗及热分布(此可改进单元完整性及可靠性)以及其它益处。
发明内容
附图说明
图1A到1E图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图2A到2C图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图2D图解说明根据本发明的实施例穿过图2A到2C中所展示的切割线A的若干个实例性俯视横截面图。
图3A到3C图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。
图4图解说明根据本发明的实施例具有一个或一个以上STT存储器单元结构的存储器阵列的一部分。
具体实施方式
本文中描述自旋扭矩转移(STT)存储器单元结构及方法。一个或一个以上STT存储器单元结构包含：隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。
本发明的实施例提供各种益处，例如经由所施加电场提供STT存储器单元内的磁性切换(例如，由于多铁性材料和与所述单元相关联的铁磁性存储材料接触之间的交换耦合)。与先前STT存储器单元相比，实施例还可提供减小的编程电流。实施例还可提供例如在切换时的数据可靠性及/或稳定性增加(例如，通过防止热诱发的磁性切换)以及其它益处。
本文中的图遵循编号惯例，其中第一个数字或前几个数字对应于图式图编号，且其余数字识别图式中的元件或组件。不同图之间的类似元件或组件可通过使用类似数字来识别。举例来说，在图1中104可指代元件“04”，且在图2中类似元件可指代为204。如将了解，可添加、交换及/或省略本文中各种实施例中所展示的元件以便提供本发明的若干个额外实施例。另外，如将了解，图中所提供的元件的比例及相对标度打算图解说明本发明的实施例且不应被视为限制意义。
图1A到1E图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。图1A到1C中所图解说明的存储器单元结构100‑1包含定位于第一电极104(例如，顶部电极)与第二电极114(例如，底部电极)之间的磁性隧穿结(MTJ)元件。所述MTJ元件包含定位于铁磁性存储材料106与和反铁磁性材料112接触的钉扎铁磁性材料110之间的隧穿势垒材料108。
钉扎铁磁性材料110中所图解说明的箭头指示材料110中的磁化方向。结构100‑1的铁磁性存储材料106中的箭头105指示材料106中的交替磁化方向(例如，平行或反平行于材料110的磁化方向)。如所属领域的技术人员将了解，可将自旋极化电流施加到MTJ元件(例如，以垂直于电极104与114之间的平面配置的电流)，此可在超过临界切换电流密度(Jc)时切换铁磁性存储材料106的磁化方向。磁化的不同方向105可对应于STT RAM单元的特定数据状态。
本发明的一个或一个以上实施例可经由电场的施加来更改及/或控制STT存储器单元中的“自由”磁性材料的磁性极化(例如，铁磁性存储材料106的磁化方向105)，此可减小用于实现磁性极化切换的编程电流以及其它益处。一个或一个以上实施例包含与MTJ的铁磁性存储材料接触的多铁性材料(例如，铁电性反铁磁性多铁性材料及/或铁电性铁磁性多铁性材料)。将电场施加到多铁性材料可用于操纵多铁性材料内的反铁磁性排序及/或铁磁性排序(例如，通过改变耦合到多铁性材料内的铁磁性及/或反铁磁性排序的铁电性排序)。多铁性材料(例如，116‑1及116‑2)与铁磁性存储材料(例如，106)之间的交换耦合影响铁磁性存储材料的磁性极化(例如，105)。因此，可使用多铁性材料(例如，116‑1及116‑2)内的铁性次序参数的固有耦合(例如，铁电性次序参数与铁磁性及反铁磁性次序参数中的一者或两者耦合)来操纵(例如，切换)耦合到其的铁磁性材料(例如，106)的磁性极化(例如，105)。
在一些实例中，多铁性材料与铁磁性存储材料之间的交换耦合(例如，反铁磁性及/或铁磁性交换耦合)可足以切换存储材料的磁化方向(例如，从平行到反平行或反之亦然)。在其中多铁性材料与存储材料之间的交换耦合不足以诱发所述存储材料的磁化方向的完全切换的实例中，可诱发可减小诱发STT存储器单元中的完全切换所需的电流的“磁矩”。此外，所诱发的磁矩可提供在切换时的数据可靠性及/或稳定性增加(例如，通过防止热诱发的磁性切换)。
在图1A到1C中所图解说明的实例中，存储器单元结构100‑1包含与铁磁性存储材料106接触的多铁性材料116‑1及与铁磁性存储材料106接触的多铁性材料116‑2。结构100‑1包含第三电极118‑1及第四电极118‑2。电极118‑1及118‑2经配置以将电场提供到多铁性材料116‑1及116‑2。即，电极118‑1与118‑2之间的所施加电压差形成影响多铁性材料116‑1及116‑2的反铁磁性/铁磁性排序的电场，此可更改铁磁性存储材料106的磁化方向105，如上文所描述。
例如，图1B中所图解说明的实施例图解说明经由电极118‑1与118‑2之间的所施加电压差提供到多铁性材料116‑1及116‑2的电场120‑1。箭头117‑1及117‑2分别指示由于所施加电场120‑1而在多铁性材料116‑1及116‑2内诱发的磁化方向的实例。在图1A到1C中所图解说明的实施例中，电极118‑1及118‑2耦合到相应多铁性材料116‑1及116‑2(例如，与相应多铁性材料116‑1及116‑2接触)；然而，实施例不限于此。箭头105‑1指示响应于所施加场120‑1及多铁性材料116‑1/116‑2与MTJ的铁磁性存储材料106之间的对应交换耦合对应于铁磁性存储材料106的磁化方向(例如，在此实例中，平行于钉扎铁磁性材料110的磁化方向)的实例。箭头117‑1、117‑2及105‑1为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
图1C中所图解说明的实施例图解说明经由电极118‑1与118‑2之间的所施加电压差提供到多铁性材料116‑1及116‑2的电场120‑2。箭头119‑1及119‑2分别指示由于所施加电场120‑2而在多铁性材料116‑1及116‑2内诱发的磁化方向。箭头105‑2指示对应于MTJ的铁磁性存储材料106的磁化方向(例如，在此实例中，反平行于钉扎铁磁性材料110的磁化方向)。在图1C中所图解说明的实例中，电场120‑2所致的多铁性材料116‑1/116‑2与铁磁性存储材料106之间的交换耦合足以切换存储材料106内的磁化方向(例如，从图1B中所展示的平行方向105‑1到图1C中所展示的反平行方向105‑2)。箭头119‑1、119‑2及105‑2为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
如上文所提及，在一个或一个以上实施例中，电极(例如，118‑1与118‑2)之间的电场可不足以完全切换铁磁性存储材料106的磁化。然而，在此些情形中，可在存储材料106内诱发剩余磁矩，此可减小对STT存储器单元中的切换的势垒。例如，由于在所施加电场下多铁性材料116‑1/116‑2与存储材料106之间的交换耦合而减小诱发磁化切换(例如，从方向105‑1到105‑2)所需的电流密度。
图1D中所图解说明的存储器单元结构100‑2与图1A到1C中所展示的存储器单元结构100‑1的类似之处在于结构100‑2包含定位于第一电极104与第二电极114之间的MTJ元件。所述MTJ元件包含定位于铁磁性存储材料106与和反铁磁性材料112接触的钉扎铁磁性材料110之间的隧穿势垒材料108。
结构100‑2包含与铁磁性存储材料106接触的多铁性材料116‑3。结构100‑2还包含第三电极118‑3，所述第三电极经配置以响应于第三电极118‑3与第一电极104及第二电极114中的至少一者之间的所施加电压而将电场提供到多铁性材料116‑3。在图1D中所图解说明的实施例中，展示在第三电极118‑3与第一电极104(例如，顶部电极)之间的电场120‑3。电场120‑3足以诱发多铁性材料116‑3的磁性极化改变(例如，如箭头119‑3所指示)。多铁性材料116‑3与铁磁性存储材料106之间的交换耦合(例如，反铁磁性交换耦合及/或铁磁性耦合)可影响铁磁性存储材料106的磁化方向105‑3。箭头119‑3及105‑3为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
图1E中所图解说明的存储器单元结构100‑3与图1A到1C中所展示的存储器单元结构100‑1的类似之处在于结构100‑3包含定位于第一电极104与第二电极114之间的MTJ元件。所述MTJ元件包含定位于铁磁性存储材料106与和反铁磁性材料112‑1接触的钉扎铁磁性材料110‑1之间的隧穿势垒材料108。然而，在图1E中所图解说明的实例中，钉扎铁磁性材料110‑1及反铁磁性材料110‑2的磁化方向具有垂直定向(例如，如与图1A到1C中所图解说明的水平或横向定向相比)。
如图1B中所图解说明的实例，图1E中所展示的存储器单元结构100‑3包含与铁磁性存储材料106接触的多铁性材料116‑1/116‑2。结构100‑3还包含经配置以将电场提供到多铁性材料116‑1及116‑2的第三电极118‑1及第四电极118‑2。在此实例中，经由电极118‑1与118‑2之间的所施加电压差将电场120‑1提供到多铁性材料116‑1及116‑2。箭头117‑1及117‑2分别指示由于所施加电场120‑1而在多铁性材料116‑1及116‑2内诱发的磁化方向。箭头105‑1指示对应于MTJ的铁磁性存储材料106的磁化方向。箭头117‑1、117‑2及105‑1为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
铁磁性存储材料106的磁化方向105‑1可对应于STT存储器单元的特定数据状态(例如，“1”或“0”)。如上文所描述，然后可经由沿与电场120‑1相反的方向施加电场来更改(例如，切换)STT存储器单元的数据状态。
电极104、114、118‑1、118‑2、118‑3可由各种传导材料或复合结构制成，举例来说，其可包含(但不限于)钛、TiN(氮化钛)、TaN(氮化钽)、铜、铱、铂、钌、钽及/或钨。作为一实例，在一个或一个以上实施例中，底部电极114可包含种子材料或可包含种子材料/传导材料/覆盖材料复合配置。
尽管实施例不限于特定材料，但铁磁性存储材料106可为(举例来说)CoFeB、NiFe或经反铁磁性耦合的材料，例如CoFeB/Ru/CoFeB。隧穿势垒材料108可为(举例来说)MgO、Al2O3或其它磁性绝缘体。钉扎铁磁性材料110可为(举例来说)Fe、FeNi、Co、FeB、CoFeB或各种合成反铁磁性(SAF)结构，例如CoFe/Ru/CoFe或CoFe/Ru/CoFeB。反铁磁性材料112可为(举例来说)NiO、CoO、FeMn、PtMn、IrMn、NiMn或合成反铁磁体(例如，复合结构化反铁磁体)。多铁性材料(例如，116‑1、116‑2、116‑3)可为(举例来说)BiFeO3(BFO)、TbMn2O5或TbMnO3。多铁性材料还可为Bi4Fe2TiO12或NiBi2O4(例如，当所述多铁性为铁电性铁磁性多铁性时)。尽管在图1A到1E中未图解说明，但STT存储器单元结构100‑1、100‑2及100‑3可耦合到存取装置，例如(举例来说)在衬底上形成的存取晶体管。如下文连同图3A到3C一起描述，在一个或一个以上实施例中，所述存取装置可为垂直晶体管。
图2A到2C图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。图2A、2B及2C的存储器单元结构200‑1、200‑2及200‑3分别包含定位于顶部电极204与底部电极214之间的MTJ元件。所述MTJ元件包含定位于铁磁性存储材料206与和反铁磁性材料212接触的钉扎铁磁性材料210之间的隧穿势垒材料208。
钉扎铁磁性材料210中所图解说明的箭头指示材料210中的磁化方向。结构200的铁磁性存储材料206中的箭头205指示材料206内的交替磁化方向(例如，平行或反平行于材料210的磁化方向)。如上文所描述，可经由电场的施加来更改及/或控制“自由”材料(例如，存储材料206)的磁性极化，此可减小用于实现铁磁性存储材料206的磁性极化切换的编程电流以及其它益处。
存储器单元结构200‑1、200‑2及200‑3包含与铁磁性存储材料206接触的多铁性材料216‑1及与铁磁性存储材料206接触的多铁性材料216‑2。顶部电极204及底部电极214经配置以响应于施加于顶部电极204与底部电极214之间的电压而将电场提供到多铁性材料216‑1/216‑2。在此实例中，电极204与214之间的所施加电压差形成影响多铁性材料216‑1及216‑2的反铁磁性排序(例如，当所述多铁性材料为铁电性反铁磁性多铁性时)及/或铁磁性排序(例如，当所述多铁性为铁电性铁磁性多铁性时)的电场220，此可更改铁磁性存储材料206的磁化方向205，如上文所描述。
在图2A中，存储器结构200‑1的多铁性材料216‑1及216‑2在电极204与214之间为连续的。因此，存储器结构200‑1包含位于多铁性材料216‑1/216‑2的相应部分与材料208、210及212之间的氧化物间隔物222‑1及222‑2。实施例不限于此。举例来说，相应图2B及2C中所展示的存储器结构200‑2及200‑3的多铁性材料216‑1及216‑2在电极204与214之间不连续。因此，在一些实施例中，氧化物间隔物222‑1及222‑2可为可选的。在图2C中所图解说明的实例中，多铁性材料216‑1及216‑2不直接位于顶部电极204及底部电极214下方。然而，响应于所施加电压而在电极204与214之间形成的电场将仍影响多铁性材料216‑1及216‑2内的铁电性排序，此继而将影响多铁性材料216‑1及216‑2内的反铁磁性及/或铁磁性排序，从而导致铁磁性存储材料206的磁化方向205的改变。
箭头219‑1及219‑2可分别指示由于所施加电场220而在多铁性材料216‑1及216‑2内诱发的磁化方向。箭头205指示对应于MTJ的铁磁性存储材料206的磁化方向(例如，在此实例中，平行于钉扎铁磁性材料210的磁化方向)。箭头219‑1、217‑2及1205为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
如所属领域的技术人员在阅读本发明后将了解，将相反指向的电场220提供到结构200‑1、200‑2及200‑3的MTJ元件可在铁磁性存储材料206上施加磁矩(例如，经由存储材料206与多铁性材料216‑1/216‑2之间的交换耦合)。在各种实例中，所施加的磁矩可足以切换存储材料206内的磁化方向(例如，从平行到反平行)。因此，STT存储器单元结构200的所存储数据状态可经由所施加电场来切换。如上文所论述，即使所施加电场220不足以诱发磁化方向205的切换，但在存储材料206上施加的磁矩可足以减小在写入过程期间切换磁化方向205所需的电流密度。
图2D图解说明根据本发明的实施例穿过图2A到2C中所展示的切割线A的若干个实例性俯视横截面图。如图2D中所图解说明，铁磁性存储材料206及与存储材料206接触的多铁性材料216‑1/216‑2可具有各种形状。
例如，横截面图202‑1及202‑2图解说明具有四边形(例如，矩形)形状的铁磁性存储材料206，而横截面图202‑3及202‑4图解说明具有圆(例如，椭圆)形状的铁磁性存储材料206。实施例不限于特定横截面形状。举例来说，所述形状可为圆形、正方形或六边形以及各种其它形状。
如横截面图202‑1及202‑3中所图解说明，在各种实施例中，与铁磁性存储材料206接触的多铁性材料216可为连续材料216。因此，图2A到2C中所展示的多铁性材料216‑1及216‑2可为单个多铁性材料216。然而，实施例不限于此。举例来说，在一些实施例中，多铁性材料216‑1及216‑2可为不同的多铁性材料。
图3A到3C图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的STT存储器单元结构。分别在图3A、3B及3C中所图解说明的存储器单元结构300‑1、300‑2及300‑3包含定位于第一电极304(例如，顶部电极)与第二电极314(例如，底部电极)之间的MTJ元件。所述MTJ元件包含定位于铁磁性存储材料306与和反铁磁性材料312接触的钉扎铁磁性材料310之间的隧穿势垒材料308。STT存储器单元结构300‑1、300‑2及300‑3各自耦合到从衬底301形成或在衬底301上形成的存取装置325。在此实例中，存取装置325为垂直场效应晶体管(VFET)。衬底301可为硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底或蓝宝石上硅(SOS)衬底等等。
在图3A中所图解说明的实施例中，存储器单元结构300‑1包含与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316‑1及与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316‑2。结构300‑1包含第三电极318‑1及第四电极318‑2。电极318‑1及318‑2经配置以将电场提供到多铁性材料316‑1及316‑2。即，电极318‑1与318‑2之间的所施加电压差形成影响多铁性材料316‑1及316‑2的反铁磁性及/或铁磁性排序的电场，此可更改铁磁性存储材料306的磁化方向305，如上文所描述。
在图3A中所图解说明的实施例中，第三电极318‑1及第四电极318‑2还充当VFET325的栅极(例如，侧栅极)。如图3A中所展示，多铁性材料316‑1/316‑2用作VFET325的栅极氧化物。因此，多铁性材料316‑1/316‑2提供多铁性材料与铁磁性存储材料306之间的交换耦合，以及提供栅极电极318‑1/318‑2与底部电极314之间的绝缘材料。在一个或一个以上实施例中，栅极电极318‑1/318‑2可形成“环绕栅极”结构。例如，电极318‑1/318‑2可卷绕存取装置325。在一些此类实施例中，电极318‑1/318‑2可为可环绕存取装置325及/或多铁性材料(例如，316‑1及316‑2)的单个栅极电极。
在图3B中所图解说明的实施例中，存储器单元结构300‑2包含与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316‑3及与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316‑4。类似于图3A中所展示的结构300‑1，结构300‑2包含第三电极318‑1及第四电极318‑2，所述电极为VFET325的栅极。然而，除多铁性材料316‑3及316‑4外，结构300‑2还包含栅极氧化物材料322‑1及322‑2。在此实例中，多铁性材料316‑3位于与VFET325相关联的栅极氧化物材料322‑1上方且多铁性材料316‑4位于与VFET325相关联的栅极氧化物材料322‑2上方。铁磁性存储材料306的磁化方向305可经由施加到多铁性材料316‑3/316‑4的电场(例如，电极318‑1与318‑2之间的横向电场)所诱发的存储材料306与多铁性材料316‑3/316‑4之间的交换耦合来控制。
在图3C中所图解说明的实施例中，存储器单元结构300‑3包含与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316‑5及与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316‑6。类似于图3A中所展示的结构300‑1及图3B中所展示的结构300‑2，结构300‑3包含第三电极318‑3及第四电极318‑4，所述电极为VFET325的栅极。
然而，在图3C中所图解说明的实施例中，通过栅极电极318‑3/318‑4中的至少一者(例如，如图3C中所展示的318‑4)与顶部电极304之间的所施加电压差来提供经由材料306与多铁性材料316‑5/316‑6之间的交换耦合提供到多铁性材料316‑5/316‑6以控制铁磁性存储材料306的磁化方向305‑1的电场(例如，320)。
如图3C中所图解说明，栅极电极318‑4与顶部电极304之间的电场320提供多铁性材料316‑6内的磁性极化方向319。结果，多铁性材料316‑6与铁磁性存储材料306之间的交换耦合导致存储材料306的磁化方向305‑1具有反平行配置(例如，磁化305‑1反平行于钉扎铁磁性材料310的磁化方向)。箭头319及305‑1为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。
如连同图4一起进一步论述，STT存储器单元结构300‑1、300‑2及300‑3以及对应存取装置325可耦合到各种其它电子组件，例如位线、字线、源极线、读取电路及写入电路以及用于操作STT RAM阵列的其它组件。
图4图解说明根据本发明的实施例具有一个或一个以上STT存储器单元结构的存储器阵列450的一部分。STT RAM单元可包含耦合到存取晶体管425的STT存储器单元结构(例如，例如上文所描述的结构100‑1、100‑2、100‑3、200、300‑1、300‑2及300‑3)。存取晶体管425可为例如图3A到3C中所展示的VFET325的垂直FET。
在此实例中，阵列450包含位线452、字线454、源极线456、读取/写入电路460、位线参考466及读出放大器462。STT存储器结构400可包含MTJ元件。如上文所描述，STT存储器结构400可包含耦合到MTJ的铁磁性存储材料的一个或一个以上部分(例如，与所述一个或一个以上部分接触)的多铁性材料，以及额外电路(在必要时)以致动用于多铁性切换的电极。
在操作中，可选择将STT存储器单元结构400编程。可经由跨越对应于结构400的电极所施加的电压差来提供电场以便诱发结构400的多铁性材料的磁性极化改变，此导致结构400的铁磁性存储材料内的对应磁化改变。在各种实例中，所施加电场可足以切换存储材料的磁化方向(例如，在不将额外编程电流提供到单元的情况下)。
在其中所施加电场不足以诱发铁磁性存储材料的磁化的完全切换的实例中，可将编程电流施加到单元，且所述电流可由MTJ元件的钉扎铁磁性材料自旋极化以使得对铁磁性存储材料(例如，上文所描述的铁磁性存储材料106、206或306)施加扭矩(例如，除由于存储材料与多铁性材料之间的交换耦合而提供到铁磁性存储材料内的磁矩的扭矩之外的扭矩)，此可切换铁磁性存储材料的磁化以“写入到”或“编程”所述单元。以此方式，电场的施加可用于减小切换所述单元的磁化所需的编程电流(例如，临界切换电流)。
在其中使用编程电流的编程操作中，读取/写入电路460可产生到位线452及源极线456的编程电流。一旦根据所述编程电流的自旋极性磁化所述铁磁性存储材料，即将经编程状态写入到STT RAM单元。
为读取STT RAM单元，读取/写入电路460产生到位线452及穿过结构400及晶体管425到源极线456的读取电流。STT RAM单元的经编程状态取决于跨越结构400的电阻，所述电阻可由位线452与源极线456之间的电压差来确定。在一个或一个以上实施例中，所述电压差可与参考466进行比较并由读出放大器462放大。
本发明的一个或一个以上实施例可经由所施加电场诱发STT RAM单元的磁化切换，此可提供各种益处。例如，若干实施例可减小诱发STT RAM单元中的磁化切换所需的电流密度。若干实施例还可帮助防止热诱发的磁性切换，此可提供与STT RAM单元相关联的可靠性及/或稳定性增加以及其它益处。
本文中描述自旋扭矩转移(STT)存储器单元结构及方法。一个或一个以上STT存储器单元结构包含：隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。
尽管本文中已图解说明并描述了特定实施例，但所属领域的技术人员将了解，经计算以实现相同结果的布置可替代所展示的特定实施例。本发明打算涵盖本发明的各种实施例的更改或变化形式。应理解，已以说明性方式而非限定性方式作出以上说明。在审阅以上说明后，所属领域的技术人员将明了以上实施例的组合及本文中未具体描述的其它实施例。本发明的各种实施例的范围包含其中使用以上结构及方法的其它应用。因此，本发明各种实施例的范围应参考所附权利要求书以及此权利要求书授权的等效物的全部范围来确定。
在前述具体实施方式中，出于简化本发明的目的，将各种特征一起集合于单个实施例中。本发明的此方法不应解释为反映本发明的所揭示实施例必须使用比明确陈述于每一权利要求中更多的特征的意图。而是，如以上权利要求书反映：发明性标的物在于少于单个所揭示实施例的所有特征。因此，借此将以上权利要求书并入到具体实施方式中，其中每一权利要求独立地作为单独实施例。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 103119654 A (43)申请公布日 2013.05.22 CN 103119654 A *CN103119654A* (21)申请号 201180044874.1 (22)申请日 2011.09.13 12/885,012 2010.09.17 US G11C 11/16(2006.01) (71)申请人美光科技公司地址美国爱达荷州 (72)发明人斯蒂芬J克拉梅尔居尔泰S桑德胡 (74)专利代理机构北京律盟知识产权代理有限责任公司 11287 代理人宋献涛 (54) 发明名称自旋扭矩转移存储器单元结构及方法 (57) 摘要本文中描述自旋扭矩。

2、转移 STT 存储器单元结构及方法。一个或一个以上 STT 存储器单元结构包含：隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2013.03.18 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/001573 2011.09.13 (87)PCT申请的公布数据 WO2012/036728 EN 2012.03.22 (51)Int.Cl. 权利要求。

3、书 3 页说明书 8 页附图 13 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书3页说明书8页附图13页 (10)申请公布号 CN 103119654 A CN 103119654 A *CN103119654A* 1/3 页 2 1. 一种自旋扭矩转移存储器单元结构，其包括：隧穿势垒材料，其定位于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触；其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。 2. 根据权利要求 1 所述的存储器单元结构，。

4、其包含第三电极，所述第三电极经配置以响应于所述第三电极与所述第一电极及所述第二电极中的至少一者之间的所施加电压而将电场提供到所述多铁性材料。 3. 根据权利要求 2 所述的存储器单元结构，其中提供到所述多铁性材料的所述电场足以：诱发所述多铁性材料的反铁磁性及 / 或铁磁性排序的改变；及提供所述多铁性材料与所述铁磁性存储材料之间的反铁磁性交换耦合及 / 或铁磁性耦合以使得更改所述铁磁性存储材料的磁化。 4. 根据权利要求 2 所述的存储器单元结构，其中所述第三电极为垂直存取装置的栅极。 5. 根据权利要求 1 到 4 中任一权利要求所述的存储器单元结构，其包含第三电极。

5、及第四电极，所述第三电极及所述第四电极经配置以响应于施加于所述第三电极与所述第四电极之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。 6. 根据权利要求 5 所述的存储器单元结构，其中所述第三电极及所述第四电极中的至少一者为耦合到所述自旋扭矩转移存储器单元结构的垂直存取装置的栅极。 7. 根据权利要求 6 所述的存储器单元结构，其中所述第三电极及所述第四电极中的所述至少一者与所述多铁性材料接触。 8. 根据权利要求 1 到 4 中任一权利要求所述的存储器单元结构，其中所述反铁磁性材料为合成反铁磁体。 9. 根据权利要求 1 所述的存储器单元结构，其中所述多铁性材料为铁酸铋 (BiF。

6、eO3)。 10.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的存储器单元结构，其中所述第一电极及所述第二电极经配置以响应于施加于所述第一电极与所述第二电极之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。 11. 一种自旋扭矩转移存储器单元，其包括：磁性隧穿结 MTJ 元件，其定位于第一电极与第二电极之间；多铁性材料，其与所述 MTJ 元件的铁磁性存储材料接触；及存取装置，其耦合到所述 MTJ 元件。 12. 根据权利要求 11 所述的存储器单元，其中所述存取装置包含第一栅极电极及第二栅极电极。 13. 根据权利要求 12 所述的存储器单元，其中所述第一栅极电极及所述第二栅极。

7、电极中的至少一者经配置以响应于施加于所述第一电极与所述第一栅极电极及所述第二栅极电极中的至少一者之间的电压而将电场提供到所述多铁性材料。 14. 根据权利要求 12 所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含耦合于所述第一栅权利要求书 CN 103119654 A 2 2/3 页 3 极电极与所述铁磁性存储材料之间的第一部分。 15. 根据权利要求 14 所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含耦合于所述第二栅极电极与所述铁磁性存储材料之间的第二部分。 16. 根据权利要求 14 所述的存储器单元，其中所述多铁性材料的所述第一部分被配置为与所述存取装置相关联的栅极氧化物材。

8、料。 17.根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述多铁性材料的所述第一部分位于与所述存取装置相关联的栅极氧化物材料上方。 18.根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述多铁性材料包含：第一部分，其耦合到所述铁磁性存储材料的第一边缘部分；及第二部分，其耦合到所述铁磁性存储材料的第二边缘部分。 19.根据权利要求11到16中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述隧穿势垒材料为氧化镁 (MgO)。 20. 一种操作自旋扭矩转移 STT 存储器单元的方法，所述方法包括：通过将电场提供到与所述STT存储器单元的磁性隧穿结MTJ。

9、元件的自由铁磁性存储材料接触的多铁性材料来更改所述铁磁性存储材料的磁化；其中所述 MTJ 元件包含：钉扎铁磁性材料；反铁磁性材料；及隧穿势垒材料，其定位于所述铁磁性存储材料与所述钉扎铁磁性材料之间。 21. 根据权利要求 20 所述的方法，其中更改所述自由铁磁性材料的所述磁化包含将磁化方向从第一配置切换到第二配置。 22. 根据权利要求 20 所述的方法，其包含从以下各项中的至少一者切换所述磁化方向：平行于所述钉扎铁磁性材料的磁化方向的配置到反平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的磁化方向；及反平行于所述钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的配置到平行于所述。

10、钉扎铁磁性材料的所述磁化方向的磁化方向。 23. 根据权利要求 20 所述的方法，其包含确定由提供到所述多铁性材料的所述电场诱发的所述 STT 存储器单元的状态。 24. 根据权利要求 20 所述的方法，其包含随后提供穿过所述 MTJ 元件的编程电流。 25. 根据权利要求 20 所述的方法，其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含在所述 STT 存储器单元的顶部电极与底部电极之间施加电压差。 26.根据权利要求20所述的方法，其中所述STT存储器单元包含底部电极、顶部电极及至少一个额外电极，且其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含在所述顶部电极及底部电极中的至少一者与所述至。

11、少一个额外电极中的至少一者之间施加电压差。 27.根据权利要求20到26中任一权利要求所述的方法，其中所述STT存储器单元包含底部电极、顶部电极、第一额外电极及第二额外电极，且其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含在所述第一额外电极与所述第二额外电极之间施加电压差。权利要求书 CN 103119654 A 3 3/3 页 4 28. 根据权利要求 27 所述的方法，其中所述第一额外电极及所述第二额外电极为与所述 STT 存储器单元相关联的垂直存取装置的栅极电极。 29. 根据权利要求 27 所述的方法，其中将所述电场提供到所述多铁性材料包含提供具有一量值的电场，。

12、所述量值足以：诱发所述多铁性材料的反铁磁性排序的改变；及提供所述多铁性材料与所述铁磁性存储材料之间的反铁磁性交换耦合。 30.根据权利要求20到26中任一权利要求所述的方法，其中将所述多铁性材料的第一部分配置为与关联于所述 STT 存储器单元的存取装置相关联的栅极氧化物材料。权利要求书 CN 103119654 A 4 1/8 页 5 自旋扭矩转移存储器单元结构及方法技术领域 0001 本发明一般来说涉及半导体存储器装置、方法及系统，且更明确地说涉及自旋扭矩转移 (STT) 存储器单元结构及方法。背景技术 0002 通常提供存储器装置作为计算机或其它电子装置中。

13、的内部半导体集成电路。存在许多不同类型的存储器，包含随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、同步动态随机存取存储器 (SDRAM)、快闪存储器、电阻可变存储器 ( 例如相变随机存取存储器(PCRAM)及电阻式随机存取存储器(RRAM)及磁性随机存取存储器(MRAM) ( 例如自旋扭矩转移随机存取存储器 (STT RAM) 等等。 0003 MRAM 装置可采用可由于磁矩的不同相对定向 ( 例如，平行及反平行 ) 而被视为多状态电阻器的磁性隧穿结(MTJ)，所述磁性隧穿结可改变穿过所述装置的电流的量值。在写入过程中，可。

14、使用由穿过传导线 ( 例如，字线及位线 ) 的电流所致的磁场来切换所述 MTJ 的 “自由” 材料的磁矩方向，此可将所述装置置于高或低电阻状态中。然后可使用读取过程来确定单元的状态。 0004 随着 MRAM 单元的大小减少，邻近单元之间的距离也减少，此可导致由用于切换磁矩方向的电流携载线所致的单元干扰增加。作为一实例，与 MRAM 装置相关联的写入电流可为约10mA，随着MRAM单元及电流携载线的大小减少，此可为困难的。例如，较小宽度线可需要较大电流以产生必要切换场，此增加电力消耗。 0005 STT 装置共享先前 MTJ 单元的操作特征中的一些操作特征；然而。

15、，可通过自旋极化电流自身的通过产生自由材料磁矩的切换 ( 例如，写入过程 )。例如，优先地极化穿过使其磁矩沿给定方向定向的第一磁性材料 ( 例如，“钉扎” 材料 ) 的非极化传导电子，此通过使所述非极化传导电子通过与所述材料中的极化束缚电子的量子机械交换相互作用穿过所述材料而实现。从经磁化材料的表面反射的传导电子以及穿过其的所述传导电子可发生此极化。此极化过程的效率可取决于所述材料的结晶结构。当此经极化传导电子流随后穿过其极化方向在空间中不固定的第二磁性材料 ( 例如，“自由” 材料 ) 时，所述经极化传导电子对所述磁性材料中的束缚电子施加扭矩，所述扭矩如果充足那么。

16、可使所述束缚电子的极化反向且借此使所述磁性材料的磁矩反向。 0006 使用所述单元内部的电流来致使磁矩反向提供与产生外部磁场 ( 例如，从邻近电流携载线 ) 所需的所述电流相比较小的电流 ( 例如，约 200 微安 ) 以产生力矩切换。然而，用于产生 STT RAM 单元中的磁矩切换的电流的进一步减小可提供益处，例如进一步减小与此些单元相关联的材料中的能量消耗及热分布(此可改进单元完整性及可靠性)以及其它益处。发明内容说明书 CN 103119654 A 5 2/8 页 6 附图说明 0007 图 1A 到 1E 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的 STT 存储。

17、器单元结构。 0008 图 2A 到 2C 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的 STT 存储器单元结构。 0009 图 2D 图解说明根据本发明的实施例穿过图 2A 到 2C 中所展示的切割线 A 的若干个实例性俯视横截面图。 0010 图 3A 到 3C 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的 STT 存储器单元结构。 0011 图4图解说明根据本发明的实施例具有一个或一个以上STT存储器单元结构的存储器阵列的一部分。具体实施方式 0012 本文中描述自旋扭矩转移 (STT) 存储器单元结构及方法。一个或一个以上 STT 存储器单元结构包含：隧穿势垒材料，其定位。

18、于铁磁性存储材料与和反铁磁性材料接触的钉扎铁磁性材料之间；及多铁性材料，其与所述铁磁性存储材料接触，其中所述反铁磁性材料、所述铁磁性存储材料及所述钉扎铁磁性材料位于第一电极与第二电极之间。 0013 本发明的实施例提供各种益处，例如经由所施加电场提供 STT 存储器单元内的磁性切换 ( 例如，由于多铁性材料和与所述单元相关联的铁磁性存储材料接触之间的交换耦合 )。与先前 STT 存储器单元相比，实施例还可提供减小的编程电流。实施例还可提供例如在切换时的数据可靠性及 / 或稳定性增加 ( 例如，通过防止热诱发的磁性切换 ) 以及其它益处。 0014 本文中的图遵循编。

19、号惯例，其中第一个数字或前几个数字对应于图式图编号，且其余数字识别图式中的元件或组件。不同图之间的类似元件或组件可通过使用类似数字来识别。举例来说，在图 1 中 104 可指代元件 “04” ，且在图 2 中类似元件可指代为 204。如将了解，可添加、交换及 / 或省略本文中各种实施例中所展示的元件以便提供本发明的若干个额外实施例。另外，如将了解，图中所提供的元件的比例及相对标度打算图解说明本发明的实施例且不应被视为限制意义。 0015 图 1A 到 1E 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的 STT 存储器单元结构。图 1A 到 1C 中所图解说明的存储。

20、器单元结构 100-1 包含定位于第一电极 104( 例如，顶部电极 ) 与第二电极 114( 例如，底部电极 ) 之间的磁性隧穿结 (MTJ) 元件。所述 MTJ 元件包含定位于铁磁性存储材料 106 与和反铁磁性材料 112 接触的钉扎铁磁性材料 110 之间的隧穿势垒材料 108。 0016 钉扎铁磁性材料110中所图解说明的箭头指示材料110中的磁化方向。结构100-1 的铁磁性存储材料 106 中的箭头 105 指示材料 106 中的交替磁化方向 ( 例如，平行或反平行于材料 110 的磁化方向 )。如所属领域的技术人员将了解，可将自旋极化电流施加到 MTJ 元件。

21、( 例如，以垂直于电极 104 与 114 之间的平面配置的电流 )，此可在超过临界切换电流密度 (Jc) 时切换铁磁性存储材料 106 的磁化方向。磁化的不同方向 105 可对应于 STT RAM 单元的特定数据状态。说明书 CN 103119654 A 6 3/8 页 7 0017 本发明的一个或一个以上实施例可经由电场的施加来更改及/或控制STT存储器单元中的 “自由” 磁性材料的磁性极化 ( 例如，铁磁性存储材料 106 的磁化方向 105)，此可减小用于实现磁性极化切换的编程电流以及其它益处。一个或一个以上实施例包含与 MTJ 的铁磁性存储材料接触的多铁性材料 (。

22、例如，铁电性反铁磁性多铁性材料及 / 或铁电性铁磁性多铁性材料 )。将电场施加到多铁性材料可用于操纵多铁性材料内的反铁磁性排序及 /或铁磁性排序(例如，通过改变耦合到多铁性材料内的铁磁性及/或反铁磁性排序的铁电性排序 )。多铁性材料 ( 例如， 116-1 及 116-2) 与铁磁性存储材料 ( 例如， 106) 之间的交换耦合影响铁磁性存储材料的磁性极化 ( 例如， 105)。因此，可使用多铁性材料 ( 例如， 116-1 及116-2)内的铁性次序参数的固有耦合(例如，铁电性次序参数与铁磁性及反铁磁性次序参数中的一者或两者耦合)来操纵(例如，切换)耦合到其的铁磁性材料(。

23、例如， 106)的磁性极化 ( 例如， 105)。 0018 在一些实例中，多铁性材料与铁磁性存储材料之间的交换耦合 ( 例如，反铁磁性及 / 或铁磁性交换耦合 ) 可足以切换存储材料的磁化方向 ( 例如，从平行到反平行或反之亦然 )。在其中多铁性材料与存储材料之间的交换耦合不足以诱发所述存储材料的磁化方向的完全切换的实例中，可诱发可减小诱发 STT 存储器单元中的完全切换所需的电流的 “磁矩” 。此外，所诱发的磁矩可提供在切换时的数据可靠性及 / 或稳定性增加 ( 例如，通过防止热诱发的磁性切换 )。 0019 在图 1A 到 1C 中所图解说明的实例中，存储器单元结。

24、构 100-1 包含与铁磁性存储材料 106 接触的多铁性材料 116-1 及与铁磁性存储材料 106 接触的多铁性材料 116-2。结构 100-1 包含第三电极 118-1 及第四电极 118-2。电极 118-1 及 118-2 经配置以将电场提供到多铁性材料 116-1 及 116-2。即，电极 118-1 与 118-2 之间的所施加电压差形成影响多铁性材料 116-1 及 116-2 的反铁磁性 / 铁磁性排序的电场，此可更改铁磁性存储材料 106 的磁化方向 105，如上文所描述。 0020 例如，图 1B 中所图解说明的实施例图解说明经由电极 118-1 与 1。

25、18-2 之间的所施加电压差提供到多铁性材料 116-1 及 116-2 的电场 120-1。箭头 117-1 及 117-2 分别指示由于所施加电场 120-1 而在多铁性材料 116-1 及 116-2 内诱发的磁化方向的实例。在图 1A 到 1C 中所图解说明的实施例中，电极 118-1 及 118-2 耦合到相应多铁性材料 116-1 及 116-2(例如，与相应多铁性材料116-1及116-2接触) ；然而，实施例不限于此。箭头105-1 指示响应于所施加场 120-1 及多铁性材料 116-1/116-2 与 MTJ 的铁磁性存储材料 106 之间的对应交换耦合对应。

26、于铁磁性存储材料106的磁化方向(例如，在此实例中，平行于钉扎铁磁性材料 110 的磁化方向 ) 的实例。箭头 117-1、 117-2 及 105-1 为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。 0021 图 1C 中所图解说明的实施例图解说明经由电极 118-1 与 118-2 之间的所施加电压差提供到多铁性材料 116-1 及 116-2 的电场 120-2。箭头 119-1 及 119-2 分别指示由于所施加电场 120-2 而在多铁性材料 116-1 及 116-2 内诱发的磁化方向。箭头 105-2 指示对应于 MTJ 的铁磁性存储材料 106 的磁化方向 ( 例。

27、如，在此实例中，反平行于钉扎铁磁性材料 110 的磁化方向 )。在图 1C 中所图解说明的实例中，电场 120-2 所致的多铁性材料 116-1/116-2 与铁磁性存储材料 106 之间的交换耦合足以切换存储材料 106 内的磁化方向 ( 例如，从图 1B 中所展示的平行方向 105-1 到图 1C 中所展示的反平行方向 105-2)。箭头说明书 CN 103119654 A 7 4/8 页 8 119-1、 119-2 及 105-2 为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。 0022 如上文所提及，在一个或一个以上实施例中，电极 ( 例如， 118-1 与 11。

28、8-2) 之间的电场可不足以完全切换铁磁性存储材料 106 的磁化。然而，在此些情形中，可在存储材料 106 内诱发剩余磁矩，此可减小对 STT 存储器单元中的切换的势垒。例如，由于在所施加电场下多铁性材料 116-1/116-2 与存储材料 106 之间的交换耦合而减小诱发磁化切换 ( 例如，从方向 105-1 到 105-2) 所需的电流密度。 0023 图 1D 中所图解说明的存储器单元结构 100-2 与图 1A 到 1C 中所展示的存储器单元结构 100-1 的类似之处在于结构 100-2 包含定位于第一电极 104 与第二电极 114 之间的 MTJ 元件。所述。

29、MTJ 元件包含定位于铁磁性存储材料 106 与和反铁磁性材料 112 接触的钉扎铁磁性材料 110 之间的隧穿势垒材料 108。 0024 结构 100-2 包含与铁磁性存储材料 106 接触的多铁性材料 116-3。结构 100-2 还包含第三电极118-3，所述第三电极经配置以响应于第三电极118-3与第一电极104及第二电极 114 中的至少一者之间的所施加电压而将电场提供到多铁性材料 116-3。在图 1D 中所图解说明的实施例中，展示在第三电极 118-3 与第一电极 104( 例如，顶部电极 ) 之间的电场 120-3。电场 120-3 足以诱发多铁性材料 116。

30、-3 的磁性极化改变 ( 例如，如箭头 119-3 所指示 )。多铁性材料 116-3 与铁磁性存储材料 106 之间的交换耦合 ( 例如，反铁磁性交换耦合及 / 或铁磁性耦合 ) 可影响铁磁性存储材料 106 的磁化方向 105-3。箭头 119-3 及 105-3 为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。 0025 图 1E 中所图解说明的存储器单元结构 100-3 与图 1A 到 1C 中所展示的存储器单元结构 100-1 的类似之处在于结构 100-3 包含定位于第一电极 104 与第二电极 114 之间的 MTJ 元件。所述 MTJ 元件包含定位于铁磁性存储材料 106。

31、与和反铁磁性材料 112-1 接触的钉扎铁磁性材料110-1之间的隧穿势垒材料108。然而，在图1E中所图解说明的实例中，钉扎铁磁性材料 110-1 及反铁磁性材料 110-2 的磁化方向具有垂直定向 ( 例如，如与图 1A 到 1C 中所图解说明的水平或横向定向相比 )。 0026 如图 1B 中所图解说明的实例，图 1E 中所展示的存储器单元结构 100-3 包含与铁磁性存储材料 106 接触的多铁性材料 116-1/116-2。结构 100-3 还包含经配置以将电场提供到多铁性材料 116-1 及 116-2 的第三电极 118-1 及第四电极 118-2。在此实例中。

32、，经由电极118-1与118-2之间的所施加电压差将电场120-1提供到多铁性材料116-1及116-2。箭头 117-1 及 117-2 分别指示由于所施加电场 120-1 而在多铁性材料 116-1 及 116-2 内诱发的磁化方向。箭头 105-1 指示对应于 MTJ 的铁磁性存储材料 106 的磁化方向。箭头 117-1、 117-2 及 105-1 为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。 0027 铁磁性存储材料 106 的磁化方向 105-1 可对应于 STT 存储器单元的特定数据状态 ( 例如，“1” 或 “0” )。如上文所描述，然后可经由沿与电场 120-。

33、1 相反的方向施加电场来更改 ( 例如，切换 )STT 存储器单元的数据状态。 0028 电极 104、 114、 118-1、 118-2、 118-3 可由各种传导材料或复合结构制成，举例来说，其可包含 ( 但不限于 ) 钛、 TiN( 氮化钛 )、 TaN( 氮化钽 )、铜、铱、铂、钌、钽及 / 或钨。作为一实例，在一个或一个以上实施例中，底部电极 114 可包含种子材料或可包含种子材料 / 传导材料 / 覆盖材料复合配置。 0029 尽管实施例不限于特定材料，但铁磁性存储材料106可为(举例来说)CoFeB、 NiFe 说明书 CN 103119654 。

34、A 8 5/8 页 9 或经反铁磁性耦合的材料，例如CoFeB/Ru/CoFeB。隧穿势垒材料108可为(举例来说)MgO、 Al2O3或其它磁性绝缘体。钉扎铁磁性材料 110 可为 ( 举例来说 )Fe、 FeNi、 Co、 FeB、 CoFeB 或各种合成反铁磁性(SAF)结构，例如CoFe/Ru/CoFe或CoFe/Ru/CoFeB。反铁磁性材料112 可为 ( 举例来说 )NiO、 CoO、 FeMn、 PtMn、 IrMn、 NiMn 或合成反铁磁体 ( 例如，复合结构化反铁磁体 )。多铁性材料 ( 例如， 116-1、 116-2、 116-3) 可为 ( 举例来说 )。

35、BiFeO3(BFO)、 TbMn2O5 或TbMnO3。多铁性材料还可为Bi4Fe2TiO12或NiBi2O4(例如，当所述多铁性为铁电性铁磁性多铁性时 )。尽管在图 1A 到 1E 中未图解说明，但 STT 存储器单元结构 100-1、 100-2 及 100-3 可耦合到存取装置，例如 ( 举例来说 ) 在衬底上形成的存取晶体管。如下文连同图 3A 到 3C 一起描述，在一个或一个以上实施例中，所述存取装置可为垂直晶体管。 0030 图 2A 到 2C 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的 STT 存储器单元结构。图 2A、 2B 及 2C 的存储器单元结构 200。

36、-1、 200-2 及 200-3 分别包含定位于顶部电极 204 与底部电极 214 之间的 MTJ 元件。所述 MTJ 元件包含定位于铁磁性存储材料 206 与和反铁磁性材料 212 接触的钉扎铁磁性材料 210 之间的隧穿势垒材料 208。 0031 钉扎铁磁性材料 210 中所图解说明的箭头指示材料 210 中的磁化方向。结构 200 的铁磁性存储材料 206 中的箭头 205 指示材料 206 内的交替磁化方向 ( 例如，平行或反平行于材料 210 的磁化方向 )。如上文所描述，可经由电场的施加来更改及 / 或控制 “自由” 材料 ( 例如，存储材料 206) 的磁性极化，。

37、此可减小用于实现铁磁性存储材料 206 的磁性极化切换的编程电流以及其它益处。 0032 存储器单元结构 200-1、 200-2 及 200-3 包含与铁磁性存储材料 206 接触的多铁性材料 216-1 及与铁磁性存储材料 206 接触的多铁性材料 216-2。顶部电极 204 及底部电极 214 经配置以响应于施加于顶部电极 204 与底部电极 214 之间的电压而将电场提供到多铁性材料 216-1/216-2。在此实例中，电极 204 与 214 之间的所施加电压差形成影响多铁性材料 216-1 及 216-2 的反铁磁性排序 ( 例如，当所述多铁性材料为铁电性反铁磁性多。

38、铁性时 ) 及 / 或铁磁性排序 ( 例如，当所述多铁性为铁电性铁磁性多铁性时 ) 的电场 220，此可更改铁磁性存储材料 206 的磁化方向 205，如上文所描述。 0033 在图 2A 中，存储器结构 200-1 的多铁性材料 216-1 及 216-2 在电极 204 与 214 之间为连续的。因此，存储器结构 200-1 包含位于多铁性材料 216-1/216-2 的相应部分与材料 208、 210 及 212 之间的氧化物间隔物 222-1 及 222-2。实施例不限于此。举例来说，相应图 2B 及 2C 中所展示的存储器结构 200-2 及 200-3 的多铁。

39、性材料 216-1 及 216-2 在电极 204 与 214 之间不连续。因此，在一些实施例中，氧化物间隔物 222-1 及 222-2 可为可选的。在图 2C 中所图解说明的实例中，多铁性材料 216-1 及 216-2 不直接位于顶部电极 204 及底部电极 214 下方。然而，响应于所施加电压而在电极 204 与 214 之间形成的电场将仍影响多铁性材料 216-1 及 216-2 内的铁电性排序，此继而将影响多铁性材料 216-1 及 216-2 内的反铁磁性及 / 或铁磁性排序，从而导致铁磁性存储材料 206 的磁化方向 205 的改变。 0034 箭头 219。

40、-1 及 219-2 可分别指示由于所施加电场 220 而在多铁性材料 216-1 及 216-2内诱发的磁化方向。箭头205指示对应于MTJ的铁磁性存储材料206的磁化方向(例如，在此实例中，平行于钉扎铁磁性材料 210 的磁化方向 )。箭头 219-1、 217-2 及 1205 为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。 0035 如所属领域的技术人员在阅读本发明后将了解，将相反指向的电场 220 提供到结说明书 CN 103119654 A 9 6/8 页 10 构 200-1、 200-2 及 200-3 的 MTJ 元件可在铁磁性存储材料 206 上施加磁矩。

41、( 例如，经由存储材料206与多铁性材料216-1/216-2之间的交换耦合)。在各种实例中，所施加的磁矩可足以切换存储材料 206 内的磁化方向 ( 例如，从平行到反平行 )。因此， STT 存储器单元结构 200 的所存储数据状态可经由所施加电场来切换。如上文所论述，即使所施加电场 220 不足以诱发磁化方向 205 的切换，但在存储材料 206 上施加的磁矩可足以减小在写入过程期间切换磁化方向 205 所需的电流密度。 0036 图 2D 图解说明根据本发明的实施例穿过图 2A 到 2C 中所展示的切割线 A 的若干个实例性俯视横截面图。如图 2D 中所图解说明，。

42、铁磁性存储材料 206 及与存储材料 206 接触的多铁性材料 216-1/216-2 可具有各种形状。 0037 例如，横截面图 202-1 及 202-2 图解说明具有四边形 ( 例如，矩形 ) 形状的铁磁性存储材料 206，而横截面图 202-3 及 202-4 图解说明具有圆 ( 例如，椭圆 ) 形状的铁磁性存储材料 206。实施例不限于特定横截面形状。举例来说，所述形状可为圆形、正方形或六边形以及各种其它形状。 0038 如横截面图 202-1 及 202-3 中所图解说明，在各种实施例中，与铁磁性存储材料 206 接触的多铁性材料 216 可为连续材料 21。

43、6。因此，图 2A 到 2C 中所展示的多铁性材料 216-1 及 216-2 可为单个多铁性材料 216。然而，实施例不限于此。举例来说，在一些实施例中，多铁性材料 216-1 及 216-2 可为不同的多铁性材料。 0039 图 3A 到 3C 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的 STT 存储器单元结构。分别在图 3A、 3B 及 3C 中所图解说明的存储器单元结构 300-1、 300-2 及 300-3 包含定位于第一电极 304( 例如，顶部电极 ) 与第二电极 314( 例如，底部电极 ) 之间的 MTJ 元件。所述 MTJ 元件包含定位于铁磁性存储材料。

44、 306 与和反铁磁性材料 312 接触的钉扎铁磁性材料 310 之间的隧穿势垒材料 308。STT 存储器单元结构 300-1、 300-2 及 300-3 各自耦合到从衬底 301 形成或在衬底 301 上形成的存取装置 325。在此实例中，存取装置 325 为垂直场效应晶体管 (VFET)。衬底 301 可为硅衬底、绝缘体上硅 (SOI) 衬底或蓝宝石上硅 (SOS) 衬底等等。 0040 在图 3A 中所图解说明的实施例中，存储器单元结构 300-1 包含与铁磁性存储材料 306 接触的多铁性材料 316-1 及与铁磁性存储材料 306 接触的多铁性材料 316-2。结。

45、构 300-1 包含第三电极 318-1 及第四电极 318-2。电极 318-1 及 318-2 经配置以将电场提供到多铁性材料 316-1 及 316-2。即，电极 318-1 与 318-2 之间的所施加电压差形成影响多铁性材料 316-1 及 316-2 的反铁磁性及 / 或铁磁性排序的电场，此可更改铁磁性存储材料 306 的磁化方向 305，如上文所描述。 0041 在图 3A 中所图解说明的实施例中，第三电极 318-1 及第四电极 318-2 还充当 VFET325的栅极(例如，侧栅极)。如图3A中所展示，多铁性材料316-1/316-2用作VFET325 的栅。

46、极氧化物。因此，多铁性材料316-1/316-2提供多铁性材料与铁磁性存储材料306之间的交换耦合，以及提供栅极电极318-1/318-2与底部电极314之间的绝缘材料。在一个或一个以上实施例中，栅极电极 318-1/318-2 可形成 “环绕栅极” 结构。例如，电极 318-1/318-2 可卷绕存取装置325。在一些此类实施例中，电极318-1/318-2可为可环绕存取装置325及 / 或多铁性材料 ( 例如， 316-1 及 316-2) 的单个栅极电极。 0042 在图3B中所图解说明的实施例中，存储器单元结构300-2包含与铁磁性存储材料说明书 CN 10。

47、3119654 A 10 7/8 页 11 306接触的多铁性材料316-3及与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316-4。类似于图 3A 中所展示的结构 300-1，结构 300-2 包含第三电极 318-1 及第四电极 318-2，所述电极为 VFET325 的栅极。然而，除多铁性材料 316-3 及 316-4 外，结构 300-2 还包含栅极氧化物材料 322-1 及 322-2。在此实例中，多铁性材料 316-3 位于与 VFET325 相关联的栅极氧化物材料 322-1 上方且多铁性材料 316-4 位于与 VFET325 相关联的栅极氧化物材料 322-2 上。

48、方。铁磁性存储材料306的磁化方向305可经由施加到多铁性材料316-3/316-4的电场(例如，电极 318-1 与 318-2 之间的横向电场 ) 所诱发的存储材料 306 与多铁性材料 316-3/316-4 之间的交换耦合来控制。 0043 在图3C中所图解说明的实施例中，存储器单元结构300-3包含与铁磁性存储材料 306接触的多铁性材料316-5及与铁磁性存储材料306接触的多铁性材料316-6。类似于图 3A 中所展示的结构 300-1 及图 3B 中所展示的结构 300-2，结构 300-3 包含第三电极 318-3 及第四电极 318-4，所述电极为 VFET32。

49、5 的栅极。 0044 然而，在图 3C 中所图解说明的实施例中，通过栅极电极 318-3/318-4 中的至少一者 ( 例如，如图 3C 中所展示的 318-4) 与顶部电极 304 之间的所施加电压差来提供经由材料 306 与多铁性材料 316-5/316-6 之间的交换耦合提供到多铁性材料 316-5/316-6 以控制铁磁性存储材料 306 的磁化方向 305-1 的电场 ( 例如， 320)。 0045 如图 3C 中所图解说明，栅极电极 318-4 与顶部电极 304 之间的电场 320 提供多铁性材料 316-6 内的磁性极化方向 319。结果，多铁性材料 316-6 与铁磁性存储材料 306 之间的交换耦合导致存储材料 306 的磁化方向 305-1 具有反平行配置 ( 例如，磁化 305-1 反平行于钉扎铁磁性材料 310 的磁化方向 )。箭头 319 及 305-1 为实例且可不表示相应材料内的实际次序参数定向。 0046 如连同图 4 一起进一步论述， STT 存储器单元结构 300-1、 300-2 及 300-3 以及对应存取装置 32。

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