具有聲子阻斷絕緣層的存儲單元的製作方法
2023-05-29 20:50:51
專利名稱：具有聲子阻斷絕緣層的存儲單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有聲子阻斷絕緣層的存儲單元。
發明內容
本發明的各個實施例一般涉及配置有聲子阻斷絕緣層的非易失性存儲單元。根據各個實施例，磁性疊層具有隧道結、鐵磁自由層、釘扎層、以及由電和熱絕緣材料構成的絕緣層，該絕緣層阻斷聲子同時允許通過至少一個導電特徵部分的電傳輸。以本發明的各個實施例為表徵的這些和其他特徵和優點可考慮以下具體討論和所附附圖來理解。
圖1是根據本發明的各個實施例所構成和操作的示例性數據存儲設備的概括功能示圖。圖2示出用於從圖1的設備的存儲器陣列讀取數據和寫入數據的電路。圖3概括地示出一種可將數據寫入存儲器陣列的存儲單元的方式。圖4概括地示出一種可從圖3的存儲單元讀取數據的方式。圖5示出根據本發明的各個實施例所構成和操作的示例性存儲器疊層。圖6示出根據本發明的各個實施例所構成和操作的示例性存儲器疊層的等軸示圖。圖7顯示存儲器疊層的示例性替換構造。圖8A-8C示出能夠形成絕緣層中的導電特徵部分的示例性步驟。圖9圖解與聲子和電信號的傳輸相關的示例性操作數據。圖10提供根據本發明的各個實施例所進行的示例性單元製造例程的流程圖和相應說明性磁性疊層。
具體實施例方式本公開一般涉及非易失性存儲單元，諸如磁性和自旋扭矩隨機存取存儲器(MRAM 和STRAM)疊層。固態非易失性存儲器是在形狀因數不斷減小的情況下為了提供可靠的數據存儲和更快的數據傳輸速率而正在開發的技術。然而，隨著儲存設備的形狀因數減小，維持存儲器功能所需的各向異性場增大。這種各向異性場增大對應於實際困難，像增大的切換電流和低操作裕度。儘管最近已圍繞熱輔助固態單元降低所需切換電流作出了努力，但大多數固態存儲器材料的高導熱性驅散任何所施加的熱量。因此，具有被隧道結分開的鐵磁自由層和釘扎層的固態非易失性存儲單元耦合到呈現熱和電絕緣特性的絕緣層。這種絕緣層可將任何所施加的熱量保留在存儲單元中，同時允許通過延伸通過絕緣層的確定尺寸(dimensioned)的導電特徵部分的電傳輸。預定尺寸的導電特徵部分阻斷聲子、但允許電信號傳輸，這為通常的存儲單元操作提供了附加的貯熱能力和降低的切換電流。圖1示出了示例性數據存儲設備100的功能框圖，如根據本發明的各個實施例所構成和操作的。該數據存儲設備被構想成包括諸如PCMCIA卡或USB型的外部存儲器件之類的可攜式非易失性的存儲設備。然而，應當理解，設備100的這些特性僅僅是出於說明具體實施例的目的，而非限於所要求保護的主題。設備100的最高水平的控制由合適的控制器102進行，控制器102可以是可編程的或基於硬體的微控制器。控制器102經由控制器接口(I/F)電路104和主機I/F電路 106與主機設備通信。經由隨機存取存儲器(RAM) 108和只讀存取器(ROM) 110提供必需的命令、編程、操作數據等的本地存儲。緩衝器112用來臨時存儲來自主機設備的輸入寫入數據和讀回待傳輸到主機設備的數據。在114示出包括大量存儲器陣列116(標示為陣列0-N)的存儲空間，儘管應當理解可按需使用單個陣列。每個陣列116包括一塊選定存儲容量的半導體存儲器。控制器 102和存儲空間114之間的通信經由存儲器(MEM) I/F 118協調。根據需要，實時檢錯和糾錯(EDC)的編碼和解碼操作在數據傳輸期間通過EDC塊120進行。儘管並非限制，但在一些實施例中，圖1所示的各個電路被排列成單個晶片組，該單個晶片組在具有合適的封裝、外殼和互連特徵(出於清楚的目的而未單獨示出)的一個或多個半導體管芯上形成。操作設備的輸入功率由合適的功率管理電路122處理，並且從諸如電池、交流功率輸入等合適的電源供應。功率還可通過使用USB型接口等從主機直接供應給設備100。可使用任何數量的數據存儲和傳輸協議(諸如邏輯塊尋址(LBA))，由此數據被排列並存儲在固定尺寸的塊(諸如ECC、備份、報頭信息等的512個字節的用戶數據加上開銷字節)中。根據LBA發出主機命令，設備100可進行相應LBA到PBA(物理塊地址)的轉換來標識並提供與存儲或檢索數據相關聯的位置。圖2提供圖1的存儲空間114的所選方面的概括示圖。數據被存儲為可由各行 (字)線和列(位)線訪問的存儲單元124的行和列的排列。單元和其存取線的實際配置將取決於給定應用的要求。然而，一般而言，應當理解，各種控制線一般將包括選擇性地啟用和禁用對各個單元值相應的寫入和讀取的啟用線。控制邏輯1 分別沿多線總線路徑128、130和132接收和傳輸數據、尋址信息和控制/狀態值.X和Y解碼電路134、136提供訪問適當單元IM的適當切換和其他功能。寫入電路138表示用於進行向單元IM寫入數據的寫入操作的電路元件，而讀取電路140相應地用於從單元1 獲取讀回數據。可經由一個或多個本地寄存器144來提供傳輸數據和其他值的本地緩衝。在這一點上，應當理解，圖2的電路本質上僅僅是示例性的，並且取決於給定應用的要求很容易地按需採用任何數量的替換配置。如圖3概括描繪的，數據被寫入對應的存儲單元124。一般而言，寫入電源146施加必要輸入(諸如以電流、電壓、磁化等形式)以將存儲單元1 配置成期望狀態。可以理解，圖3僅僅是位寫入操作的代表性圖示。可適當地操縱寫入電源146、存儲單元IM和基準節點148的配置來允許向每個單元寫入所選邏輯狀態。如以下所解釋的，在一些實施例中，存儲單元IM採取經修改的STRAM配置，在此情況下，寫入電源146被表徵為經由存儲單元IM連接到合適的基準節點148(諸如接地)的電流驅動電路。寫入電源146提供通過移動穿過存儲單元IM中的磁性材料來自旋極化的功率流。所得極化自旋的旋轉產生改變存儲單元124的磁矩的扭矩。取決於磁矩，單元IM可採取相對低的電阻(RJ或相對高的電阻(Rh)。儘管並非限制，示例性&值可在約100歐姆(Ω)範圍中，而示例性&值可在約100ΚΩ範圍中。這些值由各自的單元保留，直到該狀態被後續寫入操作改變。儘管並非限制，在本示例中，可構想高電阻值(Rh)標示由單元IM存儲邏輯1，而低電阻值( )標示存儲邏輯0。可以諸如圖4所示的方式確定每個單元IM所存儲的邏輯位值。讀取電源150將適當輸入(例如，所選讀取電壓)施加到存儲單元124。流經單元124的讀取電流Ik的量將是單元的電阻(分別為&或。的函數。經由路徑152由比較器(感測放大器)巧4的正(+)輸入來感測跨存儲單元的電壓降(電壓VK)。將合適的基準(諸如電壓基準Vkef)從基準源156供應給比較器154的負㈠輸入。可從各個實施例選擇基準電壓Vkef，以使跨存儲單元124的電壓降Vsc在單元的電阻被設置為&時低於Vkef值，而在單元的電阻被設置為&時高於Vkef值。以此方式，比較器154的輸出電壓電平將指示存儲器單元IM所存儲的邏輯位值(0或1)。圖5概括示出根據本發明的各個實施例的非易失性存儲單元160。單元160具有鐵磁自由層162、釘扎層164和隧道結166，隧道結166將層162和164分開、同時允許磁阻效應編程和從單元160讀取。釘扎層164由絕緣層168以預定磁化設置和維持。可以理解， 絕緣層168不限於特定材料或構造，並且可以是設置釘扎層164的磁化的任何結構，諸如反鐵磁(AFM)層、合成反鐵磁層和硬磁層。絕緣層168還可由呈現最小導熱性和導電性的材料構成，諸如但不限於NiO。絕緣層168的這種配置為單元160提供了貯熱能力，可證明這對降低將自由層編程為所選磁化所需的切換電流是有益的。絕緣層168可允許電信號傳輸通過一個或多個導電特徵部分 170，這些導電特徵部分170被確定尺寸以允許電子傳輸同時阻斷聲子傳輸。導電特徵部分 170可進一步用提供附加聲子阻斷特性連同導電性的材料填充。用NiO構成絕緣層允許使用各種固態存儲器配置，諸如磁性和自旋扭矩隨機存取存儲器(MRAM和STRAM)。然而，各種應用可要求修改圖5所示的釘扎層168以提供期望操作。一種這樣的修改沉積具有預定厚度(如沿Y軸所測量的)的絕緣層，以生成必須具備的磁場來可靠地設置並維持釘扎層164的磁化。增加的絕緣層厚度可向STRAM應用提供增強操作，這些操作包括電流通過單元 160的各個層。但是，厚度大可證明對場編程MRAM應用是有問題的，其可受與更厚的釘扎層168相關聯的增大電阻的影響。對於這些MRAM應用，聲子阻斷電子傳輸(PBET)材料可用於構成具有電和熱絕緣特性的AFM釘扎層168。單元160作為MRAM或STRAM單元的操作不影響導電特徵部分170的配置，導電特徵部分170可在釘扎層168的指定導電區172中取向。如圖所示，如沿X軸所測量的，多個隔離的導電特徵部分各自具有統一的寬度，該寬度因電子和聲子傳輸之間的波長的差異而提供導電性和聲子阻斷。儘管在絕緣層168中可存在任何數量的導電特徵部分170，但在一些實施例中，導電區延伸至與單元176的寬度匹配，這將為更多的導電特徵部分170提供空間並且提供更高的電子傳輸能力。圖6示出示例性存儲單元180的等軸視圖，存儲單元180具有設置在磁性自由層184和釘扎層186之間的隧道結182。耦合到釘扎層184的絕緣層188被配置為使用交換偏磁場來維持釘扎層186的磁化的AFM。絕緣層188具有預定導電區190，預定導電區190具有各自被用來電和熱隔離每個特徵部分192的絕緣層材料包圍的多個導電特徵部分192。 導電區190按需以預定圖案延伸所選寬度194和長度196。在操作中，隧道結182可生成熱量，熱被絕緣層188保留在單元180中，這進而降低所需編程電流/場。在PBET材料用作絕緣層188的情況下，PBET還可因相對較高的電阻生成熱量。在絕緣層188中有多個導電特徵部分192的情況下，單元180具有的導電性足以進行電流或場編程。即，導電特徵部分192可傳輸足夠的電流密度以用作為STRAM單元、相位改變RAM單元和電阻性RAM單元。絕緣層188的絕緣特性也不妨礙單元180作為場編程MRAM單元或STRAM單元的操作。在一些實施例中，提供大量絕緣層以進一步將任何熱量都保留在存儲單元180 中。一種這樣的實施例將第二絕緣層配置成接觸式地毗鄰自由層184，以使絕緣材料在單元 180的頂面和底面上存在。在另一實施例中，如圖7所示，第二絕緣層可被定位成直接毗鄰第一絕緣層188以提供附加的操作益處。圖7概括示出示例性存儲單元200，存儲單元200具有各自被配置為AFM層的第一和第二絕緣層202和204。絕緣層202和204可單獨地或共同地維持釘扎層206中的預定磁化。雙絕緣層202和204可結合供應給單元200的熱輔助來提供增強的自旋扭矩和降低的編程場/電流。第一絕緣層202的厚度可比第二絕緣層204的厚度薄，第一絕緣層202 的密度可比第二絕緣層204的密度大，從而用很小幅度的單元200尺寸的增大來提供增強的操作。雙絕緣層202和204允許諸如NiO之類的強絕緣材料結合諸如PBET之類的強聲子阻斷材料用於第一絕緣層202和第二絕緣層204，從而提供兩種材料的操作特性。第一絕緣層202中的緻密絕緣材料可進一步被配置成將輸入電流和場自旋到預定方向以用於自由層206的STRAM編程。這種第一絕緣層202還將阻斷導電特徵部分210的導磁性以免從自由層或釘扎層212或206擴散任何磁化。圖8A-8C顯示可採取以形成圖5-7的存儲單元的導電特徵部分的示例性步驟。在圖8中，約3至10埃的籽晶層220和約20至200埃的絕緣層222以統一的預定形狀彼此連續地沉積。如可以理解地，形狀和沉積工藝不限於可構想和接受的用於構成各個層的任何形狀和工藝，諸如氣相沉積和晶體生長。絕緣層222用導電特徵部分2M形成或處理，導電特徵部分2M是層222的絕緣材料的預定導電區226中的經隔離中空空隙。導電材料隨後沉積在絕緣層222上作為導電層2 來包圍並填充導電區226中的每個導電特徵部分224。在用導電和熱絕緣聲子阻斷材料填充導電特徵部分2M的情況下， 可去除導電層228以露出佔據絕緣層222的多個部分的導電特徵部分224，如圖8所示。在各個實施例中，籽晶層220是比絕緣層222薄的緻密絕緣層。這種實施例可能通過經由用低氬壓力氣相沉積熱和電絕緣材料將籽晶層220配置為絕緣層來構成，這將導致緻密層。絕緣層和導電層222和2 隨後可用與籽晶層220相比較低的氬壓力來沉積以提供變化的密度。可完成退火工藝以設置層220、222和228的配置，之後通過在這些層上施加電壓並且將導電層材料注入絕緣層222來實現導電特徵部分的形成。由此，導電特徵部分2M可以預定圖案形成，如圖8C所示，或者隨機注入為絕緣層中的導電絲。儘管將導電材料注入絕緣層222的實踐類似於電阻性RAM存儲器的操作，但導電絲因永久形成無法去除的(如在RRAM中)絲而不提供存儲邏輯狀態的任何存儲器能力。然而，可構想絕緣層222能單獨或結合緻密絕緣籽晶層220，用來將熱量保留在RRAM存儲單元中以提供降低的編程要求。無論導電特徵部分2M是準確地形成還是注入絕緣層222，特徵部分2M的尺寸都被確定以導電和聲子阻斷。這種尺寸確定可通過使預定電壓通過導電層2 或通過為每個特徵部分2M掩模並蝕刻特定寬度來實現。對導電特徵部分224的寬度確定尺寸用來允許小波長的電信號通過同時阻斷相對大波長的聲子。圖9圖形化地比較具有與通過導電特徵部分的可變傳輸相對應的不同波長的示例性電信號230和聲子信號232。電信號230的波長小於聲子信號的波長，這允許傳輸經過用PBET材料填充的導電特徵部分同時阻斷更大波長的聲子信號232。因此，圖5-7的絕緣層中所示的導電特徵部分可被配置成阻斷聲子信號同時允許傳輸電信號。圖10提供了形成根據本發明的各個實施例的示例性存儲單元的單元製造例程 250的流程圖。例程250最初在步驟252提供被隧道結分開的鐵磁自由層和釘扎層。判定 254隨後確定存儲單元中所包括的絕緣層的數量。例如，圖5具有作為AFM的單個絕緣層， 而圖7具有各自作為AFM的雙絕緣層。然而，應當注意，儘管在各個附圖中明確地描繪了 AFM絕緣層，但這種配置並非限制，因為可使用其他磁性釘扎結構，諸如合成AFM多層。如果根據判定2M需要單個絕緣層，則在步驟256將AFM材料沉積到籽晶層上，如圖8A所示。步驟258前進到在所沉積的AFM絕緣層中形成特定尺寸的中空導電特徵部分。 導電材料隨後在步驟260沉積到絕緣AFM層上來填充中空導電特徵部分，並且隨後在步驟 262去除以為絕緣層留下實心的導電特徵部分。如以上所討論的，可選擇並優化AFM和導電材料以提供變化的存儲單元操作。在根據判定2M得到多個絕緣AFM層的情況下，在步驟264設置有第一密度的NiO 的第一絕緣AFM層，之後在步驟266沉積更小的第二密度的PBET的第二絕緣AFM層。導電材料層隨後在步驟268沉積在第二絕緣層上，之後在步驟270預定電壓通過這些層以將導電材料注入第二絕緣層作為具有預定寬度的導電特徵部分，這允許電信號傳輸同時阻斷聲子。最後，在步驟272去除導電材料層，並且所得存儲單元準備好磁性電流或場編程。 應當注意，製造例程250不限於圖10所示的步驟和相應的示例性磁性疊層。可按需修改或省略各個步驟，同時可添加新步驟。作為示例，步驟沈6-272可替換步驟256-262來產生具有具體確定尺寸的寬度的經注入導電特徵部分的單個絕緣AFM層。此外，可在判定邪4之前或之後形成或配置附加絕緣層和導電特徵部分。如本領域技術人員可以理解的，本文所示的各個實施例在存儲單元結構和操作兩者中提供了優點。用熱輔助降低所需切換場/電流的能力改進了存儲單元的功能和緻密存儲器陣列中的實際應用。此外，經過聲子阻斷同時允許電信號傳輸來將熱量保留在單元中的能力提供了增加的加熱效率而不損失編程速度或可靠性。然而，應當理解，本文所討論的各個實施例具有許多潛在應用，並且不限於特定的電子介質領域或特定的數據存儲裝置類型。應當理解，即使已在以上描述中闡述了本發明的各個實施例的許多特性和優點以及本發明的各個實施例的結構和功能的細節，該詳細描述只是說明性的，並且可在細節上作出改變，尤其可在所附權利要求表達的術語的寬泛意思所指示的最大可能範圍內，對落入本發明原理內的各部分的結構與排列作出改變。
權利要求
1.一種磁性疊層，包括隧道結、鐵磁自由層、釘扎層、以及由電和熱絕緣材料構成的至少一個絕緣層，所述絕緣層阻斷聲子同時允許通過至少一個導電特徵部分的電傳輸。
2.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述導電特徵部分被確定尺寸以允許導電性同時阻斷聲子傳輸。
3.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，由於電信號波長小於聲子波長，所述導電特徵部分阻斷聲子。
4.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述電傳輸是編程電流。
5.如權利要求4所述的磁性疊層，其特徵在於，所述編程電流具有對所述自由層施加公共自旋扭矩的均勻自旋。
6.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述電傳輸是讀電流，並且所述自由層用磁場來編程。
7.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述導電特徵部分的磁阻比所述絕緣層的磁阻低。
8.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述絕緣層為附0。
9.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述絕緣層是聲子阻斷電子傳輸 (PBET)材料。
10.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述導電特徵部分用聲子阻斷電子傳輸(PBET)材料填充。
11.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述導電特徵部分從所述釘扎層通過所述絕緣層延伸。
12.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，多個導電特徵部分以具有所選長度和寬度的預定圖案排列在所述絕緣層內。
13.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，具有導電特徵部分和第一密度的第一絕緣層接觸式地毗鄰沒有導電特徵部分但具有比第一密度大的第二密度的第二絕緣層。
14.如權利要求13所述的磁性疊層，其特徵在於，所述第一和第二絕緣層由相同材料構成。
15.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，第一絕緣層接觸式地毗鄰所述釘扎層，而第二絕緣層接觸式地毗鄰所述自由層。
16.一種方法，包括設置隧道結、鐵磁自由層、釘扎層、以及由電和熱絕緣材料構成的至少一個絕緣層；以及阻斷聲子同時允許通過所述絕緣層的至少一個導電特徵部分的電傳輸。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，通過使預定電流通過導電材料以將所述材料注入所述絕緣材料達預定寬度來形成所述導電特徵部分。
18.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，通過去除所述絕緣層的預定寬度的部分和用聲子阻斷電子傳輸(PBET)材料填充所去除部分來形成所述導電特徵部分。
19.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述絕緣層保留所述隧道結附近的熱量以降低對所述自由層中的磁化編程所需的電流。
20.一種存儲單元，包括隧道結、鐵磁自由層和釘扎層；以及各自由電和熱絕緣材料構成的第一和第二絕緣層，所述第一絕緣層具有中的聲子同時允許通過所述第一絕緣層的至少一個導電特徵部分的電傳輸，所述第二絕緣層沒有導電特徵部分但具有比所述第一絕緣層大的密度。
全文摘要
本發明提供了一種用於具有聲子阻斷絕緣層的非易失性存儲單元的裝置和相關聯的方法。根據各個實施例，磁性疊層具有隧道結、鐵磁自由層、釘扎層、以及由電和熱絕緣材料構成的絕緣層，該絕緣層阻斷聲子同時允許通過至少一個導電特徵部分的電傳輸。
文檔編號H01L43/08GK102468320SQ201110383020
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月15日 優先權日2010年11月16日
發明者X·婁, Y·鄭, Z·高, 習海文, 田偉 申請人:希捷科技有限公司