具有橫向釘扎的非易失性存儲器單元的製作方法
2023-05-23 22:55:21
專利名稱：具有橫向釘扎的非易失性存儲器單元的製作方法
具有橫向釘扎的非易失性存儲器單元
發明內容
本發明的各個實施例一般涉及配置有橫向磁化釘扎層的非易失性存儲器單元。根據各個實施例，磁性自由層通過非磁性間隔層與反鐵磁性層(AFM)橫向隔開， 並通過磁性隧道結與合成反鐵磁性層(SAF)中間地隔開。AFM通過與SAF的釘扎區接觸來釘扎住SAF的磁化，所述SAF的釘扎區橫向地延伸超過磁性隧道結。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向其寫入數據的電路。圖3概括地示出一種可將數據寫入存儲器陣列的存儲器單元的方式。圖4概括地示出一種可從圖3的存儲器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單元。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單元的等距示圖。圖7顯示存儲器單元的示例性替換構造。圖8顯示根據本發明各種實施例進行的示例性單元製造例程的一種流程圖和相應說明的磁性疊層。
具體實施例方式本公開一般涉及非易失性存儲器單元，諸如自旋矩隨機存取存儲器(STRAM)單元。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，與固態單元關聯的若干問題抑制了實際應用，例如大的切換電流、低的工作裕量以及導致低的總數據容量的低的面密度。在近期的嘗試中， 高易失性通過降低單元的隧道磁阻(TMR)效應而進一步敗壞了固態單元，這對應於降低的單元可讀性和可寫性。因此，具有由相對磁性自由層橫向定位的反鐵磁性層(AFM)磁性釘扎的合成反鐵磁性(SAF)層的固態非易失性存儲器單元降低了易失性，同時提高了可讀性和可寫性。AFM 相對於自由層的橫向取向允許高溫退火以增加單元的TMR，並且同時不會通過來自AFM的易失性原子擴散而增加易失性。AFM的這種橫向結構也提供了較小的單元總厚度，該較小的單元總厚度能導致各數據存儲設備中增加的存儲容量。圖1提供根據本發明的各種實施例來配置和操作的數據存儲設備100的功能框圖。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的最高層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。必要命令、編程、操作數據等的本地存儲經由隨機存取存儲器(RAM)IOS 和只讀存儲器(ROM) 110提供。緩衝器112用來暫存來自主機設備的輸入寫數據並將待傳輸的數據回讀給主機設備。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，儘管應當理解可根據需要使用單個陣列。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和存儲器空間114之間的通信是經由存儲器(MEM)接口 118來協調的。根據需要， 實時差錯檢測和校正(EDC)編碼和解碼操作是藉由EDC塊120在數據傳輸過程中執行的。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集，該單個晶片集在具有合適的封裝、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。運作該設備的輸入功率由合適的功率管理電路122處理並從例如電池、AC電源輸入等適當源提供。功率也能例如通過使用USB式接口等從主機直接被提供給設備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512個字節的用戶數據加上ECC、備份、報頭信息等的開銷字節)中。根據LBA發布主機命令，並且設備100可進行相應LBA至PBA(物理塊地址)的轉換來標識並提供與擬存儲或檢索的數據相關聯的位置。圖2提供圖1的存儲器空間114的選擇方面的一般表示。數據被存儲為存儲器單元124的行列布局，它們可由各行(字)和列(位)線訪問。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提供適當的切換和其它工能以訪問適當的單元124。 寫電路138代表用以執行將數據寫至單元124的寫操作的電路元素，而讀電路140相應地用以從單元1 獲得讀回數據。經傳輸的數據和其它值的局部緩存可經由一個或多個局部寄存器144提供。在這一點上，要理解圖2的電路本質上僅是示例性的，並能取決於給定場合的需求根據需要容易地採用任何數量的替代性配置。數據大體如圖3所示的那樣被寫至相應的存儲器單元124。一般而言，寫入電源 146施加必要的輸入(例如以電流、電壓、磁化等形式)以將存儲器單元IM配置成期望的狀態。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、存儲器單元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。如下面所解釋的，在一些實施例中，存儲器單元124採取經改型的STRAM配置，在此情況下，寫入電源146被特徵化為通過存儲器單元IM連接到合適的基準節點148(諸如接地點)的電流驅動器。寫入電源146提供一功率流，該功率流通過移動過存儲器單元124 中的磁性材料而被自旋極化。經極化的自旋所導致的轉動產生改變存儲器單元1 的磁矩的扭矩。根據磁矩，單元IM可採取相對低電阻(RJ或相對高電阻(Rh)。雖然不是限制性的，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。雖然不是限制性的，在本示例中打算用高電阻值(Rh)表示由單元1 存儲邏輯1，而低電阻值( )表示存儲邏輯0。由每個單元IM存儲的邏輯位值可以例如圖4所示的方式確定。讀電源150將適當的輸入(例如選定的讀電壓)施加於存儲器單元124。流過單元124的讀電流Ik的量將是單元電阻(分別為&或1^)的函數。跨存儲器單元的電壓降(電壓Vk)是通過比較器 (感測放大器)154的正⑴輸入端經由路徑152測得的。從基準源156將合適基準(例如電壓基準Vkef)提供給比較器154的負㈠輸入端。可從各種實施例中選出基準電壓Vkef，以使存儲單元124兩端的電壓降Vsc在該單元的電阻被設為&時低於Vkef值，而在該單元的電阻被設為&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124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器疊層160。疊層160具有設置在磁性隧道結164、頂部電極166之間的磁性自由層162以及非磁性間隔層168。隧道結164以寬度170取向並附連於合成反鐵磁性(SAF)層172的中間部分，該SAF層172 具有由接觸相鄰的底部電極176共享的寬度174。如圖所示，頂部電極166和自由層162各自具有比隧道結170的寬度更短的寬度 178。這種寬度差容納了間隔層168，該間隔層168使自由層162與如沿X軸測量的橫向相鄰的反鐵磁性層(AFM)ISO隔開。AFM180提供一種磁交換偏置，該磁交換偏置通過與由隧道結寬度170和SAF寬度174之間的寬度差184定義的SAF172釘扎區182的接觸而釘扎住SAF172的磁化。釘扎區182的這種橫向布置允許AFM層180位於自由層162相對的橫向側而無需向疊層160增加沿Y軸測得的任何厚度。在操作中，自由層162磁性響應於預定編程電流，該預定編程電流設定層162中的磁方向，例如正極性或負極性。該磁方向與無磁響應SAF172結合地作用，所述無磁響應 SAF172通過AFM180釘扎在預定磁化以產生一 TMR效應，該TMR效應提供擬存儲至疊層160 的邏輯狀態，例如0或1。隧道結164隨後允許SAF172和自由層162的磁方向相互作用以產生能讀取作為一經編程邏輯狀態的TMR效應。可通過增加TMR效應來改善疊層160的功能，所述TMR效應對應於經編程邏輯狀態之間的較大磁差以及設置和切換自由層162的磁方向所需的低編程電流。TMR效應可隨著暴露於通過退火而升高的溫度而增加。然而，這種退火可能因為通過來自AFM180的原子反鐵磁性遷移增大SAF172和自由層162的磁化的易失性而不利地影響到疊層160。對於圖5的存儲器疊層160，相比SAF172和自由層162，退火可能發生而不會增加由於AFM180橫向布置引起的易失性。也就是說，AFM180和自由層162通過非磁性間隔層 168的間隔與AFM180沿釘扎區182與SAF172的橫向附連結合以減少易失性AFM原子遷移進入SAF172和自由層162。結果，疊層160通過由於退火引起的增強TMR效應加上低磁易失性而具有較好的可讀性和可寫性。圖6示出根據各實施例構造的示例性非易失性存儲器單元190的等距示圖。磁性自由層192附連於MgO的隧道結194，該隧道結194較為有利地作用以產生TMR，因為其具有使自由層192更靠近SAF三層196的減小厚度。自由層192和SAF三層196各自分別附連於頂部電極198和底部電極200，這些電極可以是各種電流傳導材料，例如但不局限於Ta和Cu，它們能夠將電流傳輸通過單元190。如所示那樣，SAF三層196可具有設置在一對鐵磁性層204之間的例如Ru的耦合間隔層202，所述鐵磁性層204可以是各種材料，例如但不局限於類似Ni和Co的金屬、類似( 和Nii^e的合金以及類似Coi^eB的高極化比複合物。該鐵磁性層204磁響應於從 AFM208沿SAF196的釘扎區206施加的交換偏置，該AFM208可以是例如PtMn和IrMn的任何反鐵磁性有序材料。然而，已觀察到錳尤其具有易失性並且當退火時其原子容易擴散遍及一個單元。 因此，來自AFM208的擴散因SAF196至AFM208的有限附連而被扼制。換句話說，釘扎區206 的有限表面積抑制了錳原子擴散通過單元190和增加磁易失性。擴散進一步由非磁性間隔層210抑制，該非磁性間隔層210物理和磁性地將AFM208與自由層192和頂部電極198隔開。如此，單元190可經受具有Mn原子的最低遷移和保持AFM208產生釘扎SAF196的磁化的交換偏置的能力的TMR增強退火。隨著讀或寫電流通過單元190傳輸，薄MgO隧道結194、橫向AFM208取向以及退火的結合允許較薄單元中提高的TMR效應，這導致邏輯狀態之間的較高裕量、較低的編程電流以及數據存儲設備中增加的面密度。在圖7中，示出用單個鐵磁性釘扎層212取代圖6的SAF的另一示例性單元210。 類似於圖6的單元190的操作，單元210通過橫向設置的AFM層214釘紮鐵磁性釘扎層212 的磁化。單個鐵磁性釘扎層212的使用允許單元210相對於單元190具有減小的厚度，同時在退火和通過增加的TMR效應改善可讀性和可寫性的過程中仍然抑制易失性原子的擴散。單元210僅為示例性的並且不僅限於圖7所示的結構。實際上，可根據需要實現對單元210的尺寸、形狀、材料和操作的多種改型。如圖所示，一種這樣的改型可以是將釘扎層212和底部電極216延伸至等於或大於自由層222和頂部電極224的寬度220兩倍的寬度218。這種結構提供相對大的釘扎區226，其結果是增加了表面積和AFM層214和釘扎層212之間的釘扎連接。此外，可修正隧道結230的寬度228以在AFM214和自由層222之間提供增大量的非磁性間隔材料232，例如NiO，以保護自由層222的磁性自由度。在又一改型中，可去除 AFM214並用單獨保持預定磁方向的非對稱SAF來替代釘扎層212。儘管對單元20的各種改型可改變結構和操作，然而AFM214與釘扎層212的橫向取向和連接保持退火過程中對易失性原子擴散的抑制，這允許增加TMR並改善單元210功能。圖8中大體地示出單元製造例程240和相應的解說性圖示，其中在步驟242最初形成根據本發明各實施例的示例性存儲器單元，預定數量的層被沉積成至少兩個寬度。儘管各層的次序、數目和厚度是不受限制的，然而磁性疊層342示出來自步驟M2的樣本結果，其中底部電極、SAF和隧道結具有第一寬度而自由層和頂部電極共同具有較小的第二寬度。步驟244隨後在之前沉積的層上沉積一掩模層以圍住頂部。疊層344從外觀上提供該掩模層的一個示例，在一些實施例中，該掩模層是絕緣材料，例如附0。經沉積的掩模層和隧道結隨後在預定圖案中被去除，以在自由層周圍維持選定量的掩模層，如疊層346所示。疊層346進一步示出去除隧道結以在自由層和SAF的橫向側上界定釘扎區。在步驟M8，AFM材料被沉積在已有的磁性疊層上以至少接觸之前界定的釘扎區上的SAF。AFM層的形狀和材料不受限制，但通過疊層348提供一樣本構成，該構成表示AFM 材料圍住SAF的頂部和側邊。例程240繼續至步驟250以預定圖案去除一些部分的AFM材料，由此使AFM與頂部電極隔開。儘管步驟250採用銑削操作來去除AFM材料，但該操作不是必須的或限制性的，因為例如拋光和侵蝕的多種工藝可單獨或結合地使用以產生與疊層 350類似的疊層。在形成和成形單元的各個組件層之後，步驟252在升高的溫度和面內磁場的條件下對該結構退火。如前所述，AFM材料的橫向位置允許易失性反鐵磁性原子在退火過程中最低程度地擴散入SAF。疊層352展示退火維持單元的前一結構但不表示退火增強自由層、 SAF和隧道結之間的相互作用的TMR效果。最終，在步驟254中，位線被沉積在頂部電極上以提供通過該單元引導讀和寫電流的導電路徑。步驟2M可具有多個子步驟，這些子步驟製備頂部電極的上表面以沉積或生長位線材料。疊層3M總地示出來自步驟254的完成單元，該完整單元能被編程以特定磁方向並維持該方向直到被再次編程為止。要注意，製造例程240不僅限於圖8所示的步驟和相應的示例性磁性疊層。可根據需要改變或省去各步驟並能添加新步驟。舉例來說，步驟242可修改為包括沉積單個鐵磁性層而不是疊層342中所示的SAF，同時可省去步驟254以使步驟252和相應的疊層352 是能實現在存儲數據的陣列中的完成單元。如本領域技術人員所理解地，本文所示的各種實施例在存儲器單元效率與複雜性兩者上都提供優點。通過退火改善存儲單元的TMR效應的能力因此需要較小的編程電流並同時增加了操作裕量。此外，AFM層的橫向沉積允許較薄的存儲器器件結構，其因關聯於退火過程中的AFM原子擴散的磁易失性而具有減少的錯誤數量。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器件類型。要理解，即使已在前面的描述中闡述了本發明各實施例的許多特徵和優勢以及本發明各種實施例的結構和功能的細節，然而該詳細描述僅為解說性的，並可在細節上做出改變，尤其可在術語的寬泛意思所指示的全面範圍對落入本發明原理內的部分的結構與安排做出改變，其中以術語來表達所附權利要求。
權利要求
1.一種磁性疊層，包括通過非磁性間隔層與反鐵磁性層(AFM)橫向隔開以及通過磁性隧道結與合成反鐵磁性層(SAF)中間隔開的磁性自由層，所述AFM通過與SAF的釘扎區接觸來釘扎所述SAF的磁化，所述SAF的釘扎區橫向地延伸過所述磁性隧道結。
2.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述隧道磁阻效應通過在存在升高溫度和面內磁場的情況下進行退火而增加。
3.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述釘扎區抑制退火過程中易失性AFM 原子的擴散。
4.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述自由層具有第一寬度，所述隧道結具有第二寬度，而所述SAF具有第三寬度，所述釘扎區由所述第三和第二寬度之差限定。
5.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，釘扎區位於所述自由層的相對橫向側上。
6.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述SAF是單個鐵磁性層。
7.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述AFM通過所述間隔層物理和磁性地與所述自由層和頂部電極分隔。
8.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述AFM是錳化合物。
9.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述錳化合物是IrMn。
10.如權利要求1所述的磁性疊層，其特徵在於，所述磁性疊層是非易失性的並通過自旋極化電流對所述自由層編程一邏輯狀態。
11.一種方法，包括提供磁性自由層，所述磁性自由層通過非磁性間隔層與反鐵磁性層(AFM)橫向隔開並通過磁性隧道結與合成反鐵磁性層(SAF)中間地隔開；以及用AFM通過與SAF的釘扎區接觸來釘扎住所述SAF的磁化，所述SAF的釘扎區橫向地延伸超過磁性隧道結。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，還包括在存在升高溫度和面內磁場的條件下進行退火以增加所述自由層、隧道結和SAF的隧道磁阻的步驟。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述釘扎區抑制在退火過程中磁性易失性AFM原子擴散至所述SAF。
14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，沉積所述AFM以使其通過所述間隔層物理和磁性地與所述自由層和頂部電極分隔。
15.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述AFM用交換偏置場來釘扎住所述SAF。
16.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述SAF被沉積具有第一寬度，所述隧道結具有第二寬度，而所述自由層具有第三寬度，所述釘扎區由所述第一和第二寬度之差限定。
17.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述SAF具有自由層寬度至少兩倍那麼長的寬度。
18.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述釘扎區通過去除隧道結的橫向部分形成。
19.一種存儲器單元，包括具有第一寬度的磁性自由層，所述磁性自由層附連於具有比所述第一寬度更大的第二寬度的磁性隧道結，所述隧道結附連於具有至少兩倍於所述第一寬度的第三寬度的合成反鐵磁性層(SAF)的中間部分；以及反鐵磁性層(AFM)，所述AFM通過非磁性間隔層與所述自由層分隔並連接於橫向地從所述第二寬度延伸至所述第三寬度的SAF的釘扎區，所述釘扎區抑制AFM原子的擴散並同時在升高溫度和面內磁場存在的條件下進行退火。
20.如權利要求19所述的存儲器單元，其特徵在於，對ATM原子擴散的抑制增加了 SAF 的磁穩定性並且退火增加了所述存儲器單元的隧道磁阻。
全文摘要
一種用於例如STRAM單元的非易失性存儲器單元的裝置和關聯方法。根據各個實施例，磁性自由層通過非磁性間隔層與反鐵磁性層(AFM)橫向隔開並通過磁性隧道結與合成反鐵磁性層(SAF)中間地隔開。AFM通過與SAF的釘扎區接觸來釘扎住SAF的磁化，所述SAF的釘扎區橫向地延伸超過磁性隧道結。
文檔編號H01L43/12GK102544352SQ20111042775
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月19日 優先權日2010年12月20日
發明者A·克利亞, B·李, P·J·瑞安, 習海文 申請人:希捷科技有限公司