電壓輔助的自旋轉移力矩磁隨機存取存儲器寫方案的製作方法

2024-01-28 18:52:15

電壓輔助的自旋轉移力矩磁隨機存取存儲器寫方案的製作方法
【專利摘要】本發明涉及電壓輔助的自旋轉移力矩磁隨機存取存儲器寫方案。實施例包括用於半導體存儲器件的三端頭磁元件。所述磁元件包括：參考層；自由層；布置在所述參考層與所述自由層之間的阻擋層；第一電極；布置在所述電極與所述自由層之間的絕緣層；以及耦接到所述自由層的側壁的第二電極。
【專利說明】電壓輔助的自旋轉移力矩磁隨機存取存儲器寫方案
【技術領域】
[0001]本申請涉及磁存儲器。
【背景技術】
[0002]磁存儲器，具體來說，磁隨機存取存儲器(MRAM)，已經由於其在操作期間的高讀/寫速度、傑出的耐用性、非易失性和低功耗的潛力而受到日益增長的關注。MRAM能夠利用磁性材料作為信息記錄介質來存儲信息。一種類型的MRAM是自旋轉移力矩隨機存取存儲器(spin transfer torque random access memory, STT-RAM)? STT-RAM 利用磁兀件，該磁兀件至少部分地由流過磁元件的電流寫入。
[0003]磁隧道結(magnetictunneling junction, MTJ)可被用於傳統的 STT-RAM。傳統MTJ通常形成在底部接觸上，使用(多個)種子層並且包括例如反鐵磁(AFM)層的釘扎層、被釘扎的層(或者參考層)、隧穿阻擋層、自由層和覆蓋層(capping layer)。頂部接觸被布置為電連接到自由層。頂部接觸和底部接觸形成雙端頭磁元件，其耦接在諸如位線和源極線和/或選擇電晶體的控制線之間。

【發明內容】

[0004]實施例包括用於半導體器件的磁元件，包括:參考層；自由層；布置在所述參考層與所述自由層之間的阻擋層；第一電極；布置在所述電極與所述自由層之間的絕緣層；以及耦接到所述自由層的側壁的第二電極。 [0005]另一實施例包括用於半導體器件的存儲單元，包括:磁元件，其包括自由層、耦接到所述自由層的側壁第一電極、第二電極、和第三電極，其中第一電極基本上與第三電極絕緣；位線，耦接到第一電極；源極線，耦接到第二電極；以及電壓線，耦接到第三電極。
[0006]另一實施例包括一種將數據寫到半導體器件的方法，包括:施加電壓到磁存儲單元的電壓線與位線之間；以及施加電壓到所述磁存儲單元的源極線與所述位線之間。
[0007]另一實施例包括從半導體器件讀數據的方法，包括:將與存儲單元關聯的電壓線和位線預充電到相應預充電電壓；施加電壓到與所述存儲單元關聯的源極線與所述位線之間；以及感測通過所述存儲單元的電流。
[0008]另一實施例包括一種方法，包括:順序地形成包括自由層、第一絕緣層和第一電極的磁元件；在第一電極的側表面上形成第二絕緣層；以及當在第一電極的側表面上形成第二絕緣層之後形成耦接到所述自由層的第二電極。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是根據實施例的磁元件的截面圖。
[0010]圖2是示出根據實施例的到磁元件的層的連接的截面圖。
[0011]圖3是示出根據另一實施例的到磁元件的層的連接的截面圖。
[0012]圖4是示出根據實施例的耦接到磁元件的電極的二維俯視圖。[0013]圖5是示出根據實施例的具有磁元件的存儲單元的示意圖。
[0014]圖6是示出根據另一實施例的具有磁元件的存儲單元的示意圖。
[0015]圖7至圖11是示出根據各種實施例的到磁元件的連接的截面圖。
[0016]圖12是示出根據實施例的具有磁元件的存儲單元陣列的示意圖。
[0017]圖13是示出根據另一實施例的具有磁元件的存儲單元陣列的示意圖。
[0018]圖14是根據實施例的向磁元件寫的時序圖。
[0019]圖15是根據另一實施例的向磁元件寫的時序圖。
[0020]圖16是根據實施例的從磁元件讀的時序圖。
[0021]圖17和圖18是不出根據實施例的存儲單兀陣列和讀/與電路的不意圖。
[0022]圖19和圖20是示出根據實施例的電壓線發生電路的示意圖。
[0023]圖21至圖23是示出根據實施例的讀電路的示意圖。
[0024]圖24至圖27是示出根據實施例的形成到磁元件的連接的技術的示意圖。
[0025]圖28至圖31是示出根據實施例的形成到磁元件的連接的技術的示意圖。
[0026]圖32是根據實施例的能夠在其中使用磁元件的電子系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0027]實施例涉及磁器件中可用的諸如磁存儲器的磁元件、使用這樣的磁元件的器件和形成這樣的磁元件的技術。給出以下描述以便本領域技術人員能夠做出和使用本發明，並且在專利申請及其必要條件的背景下提供以下描述。對這裡描述的示範性實施例以及一般原理和特徵的各種修改能夠容易地看出。主要就【具體實施方式】中提供的特定方法和系統來描述示範性實施例。
[0028]然而，所述方法和系統將在其它實施方式下有效地運行。諸如「示範性實施例」、「一個實施例」和「另一實施例」之類的短語可以指代相同或者不同的實施例以及多個實施例。將針對具有特定組件的系統和/或設備描述所述實施例。然而，所述系統和/或設備可以包括比所示更多或者更少的組件，並且可以在組件的布局和類型上進行變化而不脫離本發明的範圍。還將在具有特定步驟的具體方法的背景下描述示範性實施例。然而，所述方法和系統對於具有不同和/或附加步驟並且與示範性實施例不一致的不同次序的步驟的其它方法有效地運行，由此，本發明不意在限於所示的實施例，而是將符合與這裡描述的原理和特徵一致的最廣範圍。
[0029]將在具有某些組件的具體磁元件和磁存儲器的背景下描述示範性實施例。本領域普通技術人員將容易地認識到，本發明與具有與本發明不一致的其它和/或附加組件和/或其它特徵的磁元件和磁存儲器的使用一致。本領域普通技術人員還將容易地認識到，在與襯底具有特定關係的結構的背景下描述所述方法和系統。但是，本領域普通技術人員將容易地認識到，所述方法和系統適合其它結構。此外，本領域普通技術人員將容易地認識至IJ，所述層能夠具有其它結構。而且，在具有特定層的磁元件的背景下描述所述方法和系統。但是，本領域普通技術人員將容易地認識到，也可以使用具有不與所述方法和系統一致的附加和/或不同層的磁元件。而且，特定元件被描述為是磁的、鐵磁的(ferromagnetic)和亞鐵磁的(ferrimagnetic)。如這裡所使用的那樣，術語「磁的」或「鐵磁的」可以包括鐵磁的、亞鐵磁的或者類似結構。由此，如這裡所使用的那樣，術語「磁的」或者「鐵磁的」包括但是不局限於鐵磁和亞鐵磁。在單一元件的背景下描述所述方法和系統。但是，本領域普通技術人員將容易地認識到，所述方法和系統符合具有多個元件的磁存儲器的使用。
[0030]本領域技術人員將理解的是，通常，這裡使用的術語並且特別是在所附權利要求(例如，所附權利要求的主體)中使用的術語，通常意謂著「開放性」術語(例如，術語「包括」應當解釋為「包括但不限制於」，術語「具有」應當解釋為「至少具有」，術語「包含」應當解釋為「包含但不限制於」等等)。本領域技術人員還將理解的是，如果引入的權利要求敘述的特定數字是有意指的，那麼這樣的意指將在權利要求中明確敘述，並且如果不存在這樣的敘述則不存在這樣的意指。例如，為了幫助理解，所附權利要求可以包含使用介紹性短語「至少一個」和「一個或多個」以引入權利要求敘述。但是，這樣的短語的使用不應當被解釋為暗示由不定冠詞「一」所引入的權利要求敘述被將包含這樣的所引入的權利要求敘述的任意具體權利要求限制為僅包含一個這樣的敘述的示例，即使是相同的權利要求包括介紹性短語「一個或多個」或者「至少一個」以及諸如「一(a/an)」這樣的不定冠詞(例如，「一」應當被解釋為意指「至少一個」或「一個或多個」)也是如此；對於用於引入權利要求敘述的定冠詞的使用同樣也是。而且，在使用類似於「至少A、B或C等等其中之一」的慣例的那些實例中，通常這樣的結構意味著本領域技術人員應當理解這些慣例的意義(例如，「具有至少A、B或C其中之一的系統」應當包括然而並不限於只具有A、只具有B、只具有C、具有A和B 一起、A和C 一起、B和C 一起和/或A、B和C 一起等等的系統)。本領域技術人員還將理解的是，實際上，無論在說明書、權利要求還是附圖中存在兩個或更多替換術語的任意反意連接詞和/或短語應當理解為設想包括其中一個術語、術語二者之一或者兩個術語的可能性。例如，短語「A或 者B」將理解包括「A」或者「B」或者「A和B」的可能性。
[0031]圖1是根據實施例的磁元件的截面圖。在本實施例中,磁元件100包括參考層102、自由層106、布置在參考層102與自由層106之間的阻擋層104、電極110和布置在電極110與自由層106之間的絕緣層108。
[0032]參考層102或者被釘扎層可以是鐵磁層。例如，參考層102可以包括鈷Co、鐵Fe、鎳N1、這些材料的合金等等。儘管沒有示出釘扎參考層102的磁性(magnetization)的其它層，但是諸如反鐵磁性層這樣的層可以根據需要而存在。自由層106可以是類似於參考層102的鐵磁層；但是，自由層106可以被配置使得磁化方向可以轉換。
[0033]阻擋層104可以是具有允許電子隧穿通過阻擋層104的厚度的層。例如，阻擋層104 可以包括 A1203、MgO、AIN、Ta2O5, SiO2, HfO2, ZrO2^MgF2, CaF2 等等之類。
[0034]絕緣層108被配置為基本上絕緣電極110與自由層106之間的連接。可以當作絕緣體的任意材料可以用作絕緣層108。絕緣層108可以是類似於阻擋層104的Mg0、Si02材料，或者是可以被沉積並且基本上無缺陷(諸如針孔或者其它漏電流的源)的任意其它絕緣材料。例如，在MgO可以用作阻擋層104並且可以在特定厚度處導電的同時，在更大厚度處，MgO可以用作絕緣層108。在一些實施例中，絕緣層108的厚度可以是大約Inm到大約IOOnm之間。在其它實施例中，絕緣層的厚度可以是大約Inm到大約IOnm之間。
[0035]在實施例中，可以基於期望的施加的電場選擇絕緣層108的厚度。例如，如果期望的電場是從大約0.01V/nm到0.lV/nm並且將使用的電壓是從大約0.1V到IV，則絕緣層108的厚度可以是大約10nm。
[0036]電極110可以由任意導電材料形成。例如，電極110可以是Ta、T1、W、Al或者其它類似材料。在一些實施例中，可以使用具有相對較低工作功能的材料。如下面將更加詳細的描述的那樣，在一些實施例中，可以使用比用於自由層106、阻擋層104等等之類的材料更加容易氧化的材料。
[0037]如下面將更加詳細的那樣，使用電極110，可以將電場施加到自由層106。所述電場可以改變磁元件100的矯頑磁性(magnetic coercivity)。結果,寫操作可以使用更小電流和/或具有更低誤差比率，並且讀操作可以降低在讀的同時狀態偽改變的可能性。
[0038]圖2是示出根據實施例的到磁元件的層的連接的剖視圖。在本實施例中，磁元件200包括類似於參考層102、阻擋層104、自由層106、絕緣層108和電極110的參考層202、阻擋層204、自由層206、絕緣層208和電極210。在實施例中，電極210可以由導電材料形成，該導電材料能夠被氧化以形成例如圖26中所示的實質的氧化物覆蓋層，而自由層206主要是惰性的。換句話說，電極210的頂部和側部可以被充分氧化以形成覆蓋電極210的上表面和側表面的氧化物覆蓋層1252，而自由層206基本上不被氧化以使得電極212可以與其電耦接，如將在下面更加詳細的說明的。結果，自由層206 (和絕緣層208)可以在形成氧化物覆蓋層1252之後保持期望的屬性。
[0039]磁元件200包括電極212。電極212可以是類似於電極210的導電材料；但是，電極210和電極212不需要是相同的材料。
[0040]電極212被耦接到自由層206。在本實施例中，電極212耦接到自由層206的側壁(sidewall)。電極212電耦接到自由層206。
[0041]但是，絕緣層216被布置在電極210的側壁上。絕緣層216也可以布置在絕緣層208的側壁上。絕緣層216暴露自由層206的至少一部分。也就是說，絕緣層216不覆蓋自由層206的至少一部分。在本實施例中，絕緣層216暴露自由層206的側壁214。結果，電極212基本上與電極210絕緣。因此，通過在電極210與電極212之間施加電壓，可以將電場施加到自由層206。結果，可以改變磁元件200的矯頑磁性。
[0042]磁元件200也可以包括第三電極218。第三電極218耦接到參考層202。儘管第三電極218被示出為直接耦接到參考層202，但是其它居間層可以布置在第三電極218與參考層202之間。
[0043]圖3是示出根據另一實施例的到磁元件的層的連接的截面圖。在本實施例中，磁元件300包括類似於參考層202、阻擋層204、自由層206、絕緣層208、電極210、電極212、側壁214和電極218的參考層302、阻擋層304、自由層306、絕緣層308、電極310、電極312、側壁314和電極318。
[0044]在本實施例中，電極312耦接到自由層306的上表面320。例如，電極310、絕緣層308和絕緣層316可以具有小於自由層306的相應維度的維度。結果，上表面320可以被絕緣層316暴露。電極312可以在暴露的上表面320上形成。
[0045]在本申請中，本申請的實施例之一的一些特徵也可以用在其它實施例中。例如，因為如圖3所示，電極312也可以形成在暴露的上表面320上以便耦接到暴露的上表面320，所以在其它實施例中自由層的上表面的一部分也可以被暴露以使得電極或者位線可以接觸自由層的上表面的該部分。
[0046]圖4是示出根據實施例的耦接到磁元件的電極的二維俯視圖。在本實施例中，電極412可以類似於上面描述的電極212和/或312。電極412包括開口 422。儘管被示出為圓形開口，但是開口 422可以採用任意形狀。
[0047]絕緣層408可以類似於上面描述的絕緣層208和/或308。絕緣層408被布置在開口 422中。因此，自由層406的一部分被暴露。這裡，為了簡要起見，未示出類似於絕緣層216和/或316的絕緣層；但是，這樣的絕緣層可以布置在絕緣層408與開口 422的邊緣之間。
[0048]圖5是示出根據實施例的具有磁元件的存儲單元的示意圖。在本實施例中,存儲單元500包括磁元件530。磁元件530包括三個電極532、534和536。電極532可以是磁元件530的電極。電極534耦接到磁元件530的自由層。電極536是磁元件530的另一電極。
[0049]上面描述的圖2的磁元件將用作磁元件530的示例。參考圖2和圖5，電極532是電極210，電極534是電極212，而且電極536是電極218。儘管已經相對於特定層描述了電極532、534和536，但是電極532、534和536可以耦接到分別電連接到電極210、電極212和電極218的其它層。
[0050]存儲單元500包括耦接到電極534的位線542、耦接到電極536的源極線540和耦接到電極532的電壓線538。電壓線538通過電極536耦接到絕緣層208。因此，電壓線538與位線542之間的電壓差可被用於創建自由層206中的電場。
[0051]位線542通過電極534耦接到磁元件530的自由層206。在實施例中，電極212可以形成位線542的一部分。
[0052]源極線540通過電極536耦接到電極218。因此，可以使用電壓線538、位線542和源極線540存取磁元件530。
[0053]圖6是示出根據另一實施例的具有磁元件的存儲單元的示意圖。在本實施例中，磁兀件630、電極632、電極634、電極636、源極線640和位線642類似於上面描述的磁兀件530、電極532、電極534、電極536、源極線540和位線542。
[0054]但是，在本實施例中，諸如電晶體這樣的開關器件644耦接在源極線640與電極636之間。字線646稱接到開關器件644。開關器件644響應於字線646上的信號。
[0055]儘管上面已經將電壓線、位線和源極線描述為耦接到磁元件530和630的相應電極，但是電極可以形成相應電壓線、位線和源極線的一部分。使用位線作為示例，圖4的電極412可以是相應位線的一部分。由此，位線當作每個磁元件的自由層與其耦接的電極。
[0056]圖7至圖11是示出根據各種實施例的到磁元件的連接的截面圖。
[0057]在圖7中示出的實施例中，磁元件700包括類似於參考層202、阻擋層204、具有側壁214的自由層206、絕緣層208、電極210和電極218的參考層702、阻擋層704、具有側壁714的自由層706、絕緣層708、電極710和電極718。這裡，位線712當作電極212。因為位線712可以耦接到多個磁元件，所以位線712可以當作那些磁元件中的每一個的電極。因此，可以使用但是不需要使用單獨的電極。電壓線738可以形成在電極710上。這裡，電壓線738基本上垂直於位線712延伸。
[0058]在圖8中示出的實施例中，磁元件800包括類似於參考層702、阻擋層704、具有側壁714的自由層706、絕緣層708、電極710、位線712、電極718和電壓線738的參考層802、阻擋層804、具有側壁814的自由層806、絕緣層808、電極810、位線812、電極818和電壓線838。這裡，電壓線838基本上垂直於位線812延伸。[0059]在圖9中示出的實施例中，磁元件900包括類似於參考層702、阻擋層704、具有側壁714的自由層706、絕緣層708、電極710、位線712、電極718和電壓線738的參考層902、阻擋層904、具有側壁914的自由層906、絕緣層908、電極910、位線912、電極918和電壓線938。
[0060]在本實施例中，電極918耦接到源極線942。源極線942基本上垂直於位線912和電壓線938的延伸。
[0061]在圖10中示出的實施例中，磁元件1000包括類似於參考層702、阻擋層704、具有側壁714的自由層706、絕緣層708、電極710、位線712、電極718和電壓線738的參考層1002、阻擋層1004、具有側壁1014的自由層1006、絕緣層1008、電極1010、位線1012、電極1018和電壓線1038。這裡，電極1018延伸至電晶體1044。字線1046可以耦接到電晶體1044的柵極。源極線接觸1050將源極線1040耦接到電晶體1044。儘管源極線1040和電極1018被示出為處於相同的平面，但是源極線1040和電極1018彼此絕緣以使得電晶體1044可以響應於字線1046上的信號選擇性地耦接源極線1040和電極1018。
[0062]在圖11中示出的實施例中，磁元件1100包括類似於參考層1002、阻擋層1004、自由層1006、絕緣層1008、電極1010、位線1012、側壁1014、電極1018、電壓線1038、源極線1040、電晶體1044、字線1046和源極線接觸1050的參考層1102、阻擋層1104、自由層1106、絕緣層1108、電極1110、位線1112、側壁1114、電極1118、電壓線1138、源極線1140、電晶體1144、字線1146和源極線接觸1150。這裡，電壓線1138和源極線1140基本上垂直於位線1112。
[0063]儘管到磁元件的連接的以上實施例已經使用了圖2的結構作為示例，但是可以對其它磁元件做出類似的連接。例如，可以對圖3的磁元件或者其它類似的磁元件做出類似的連接。
[0064]圖12是示出根據實施例的具有磁元件的存儲單元陣列的示意圖。在本實施例中，磁兀件ME類似於上面描述的圖6的磁兀件600。參考圖6和圖12,磁兀件ME以陣列布置。每個磁元件ME耦接到電壓線VLl至VLn、位線BLl至BLn和源極線SLl至SLn中的相應一個。磁元件ME每個通過相應開關器件644耦接到相應源極線SL。字線WLl至WLm耦接到相應磁元件ME的開關器件644。
[0065]圖13是示出根據另一實施例的具有磁元件的存儲單元陣列的示意圖。在本實施例中，類似於圖5的存儲單元500的存儲單元以陣列布置。參考圖5和圖13，每個磁元件耦接到電壓線VLl至VLn、位線BLl至BLn和源極線SLl至SLn中的相應線。
[0066]行選擇電路1302布置在全局電壓線GVL和全局位線GBL與電壓線VL和位線BL的相應對之間。行選擇電路1302被配置為響應行選擇信號Rl至Rn。當被選擇時，行選擇電路1302被配置為將全局電壓線GVL和全局位線GBL分別耦接到所選擇的電壓線VL和位線BL。在實施例中，行選擇電路1302可以包括分別耦接在全局電壓線GVL與相應電壓線VL之間的、和全局位線GBL與相應位線BL之間的選擇電晶體。
[0067]列選擇電晶體1304布置在源極線SL與感測電路1306之間。列選擇電晶體1304每個響應於相應列選擇信號Cl至Cm。感測電路1306可以包括用於感測存儲單元的磁化的狀態的電流鏡、使能電路、感測放大器等等之類。
[0068]讀分流電晶體(Read shunt transistors)1308稱接在每一個源極線SL與電壓源之間。電壓源可以是地、Vbb等等之類。在實施例中，電壓源具有基本上類似於感測電路的相應電勢的電勢。例如，感測電路1306可以包括電流鏡，當讀時，該電流鏡耦接在選擇的源極線SL與地之間。因此，讀分流電晶體1308可以耦接在地與相應源極線SL之間。
[0069]讀分流電晶體1308響應於讀分流信號RSl至RSm。在實施例中，讀分流信號RS在寫周期期間被禁用。在讀周期期間，當相應源極線SL耦接到沒有正在被讀的存儲元件ME時，讀分流信號RS使能分流電晶體1308。耦接到與正在讀的存儲元件ME關聯的源極線SL的讀分流信號RS被禁用。因此，相應的讀絕緣電晶體1308被禁用。如下面將更加詳細地描述的那樣，響應於預充電信號的預充電電晶體也可以耦接到源極線SL。但是，將在不同時間使能這樣的預充電信號和讀分流信號RS。
[0070]因此，如果無法基本消除的話，則可以降低通過未選擇的存儲元件ME的漏電流。儘管電流可以流經耦接到所選擇的位線BL的未選擇的存儲元件ME，但是電流不流經耦接到未選擇的源極線SL的讀預充電電晶體1308。也就是說，電流基本上不通過附加存儲元件ME從未選擇的源極線SL洩漏到所選擇的源極線SL。結果，漏電流對感測到的電流的影響被降低。
[0071]儘管已經描述了圖12和圖13的陣列作為二維陣列，但是所述陣列也可以是具有相應電壓線VL、位線BL和源極線SL的磁元件ME的三維陣列。而且，利用適當的路由電路(routing circuitry),圖12或者圖13的陣列可以布置在分層結構的存儲體中。
[0072]圖14是示出根據實施例的向磁元件寫的時序圖。圖5的存儲單元500被用作參考的示例。參考圖5和圖9，在本實施例中，對於寫I來說，電壓線VL被設置為IV，位線BL被設置為0V，源極線SL被設置為IV。結果，電壓差既被施加在電壓線VL與位線BL之間又被施加在以及位線BL與源極線SL之間。這裡，IV的電壓差被施加在電壓線VL與位線BL之間以及-1V的電壓差在位線BL與源極線SL之間。
[0073]對於寫O來說，電壓線VL被設置為2V，位線BL被設置為IV，源極線SL被設置為OV0電壓線VL上的不同電壓仍導致在電壓線VL與位線BL之間施加IV電壓差。IV的電壓差被施加在位線BL與源極線SL之間。換句話說，當寫I或者O時正電壓差被施加在電壓線VL與位線BL之間，而位線BL與源極線SL之間的電壓差基於將被寫的數據而改變極性。
[0074]如上所述，當電壓被施加於電壓線VL時，可以在磁元件ME的自由層生成電場。利用第一極性的電場，可以降低矯頑磁性。當寫I或者O時電壓線VL與位線BL之間的IV電壓差降低矯頑磁性。因此，可以降低向磁元件ME寫所需的電流量。
[0075]在實施例中，可以分階段地執行將電壓線VL充電到2V。例如，如虛線所示，當寫O時，電壓線VL可以首先被充電到IV，然後被充電到2V。可以使用外部電源執行充電到IV，而可以使用內部的升壓電源執行隨後的充電到2V。因此，可以降低當生成升壓電源時變換效率的影響。
[0076]儘管0V、1V和2V已經用作示例，但是所述電壓可以是不同的。例如，在實施例中，電壓可以是Vbb、地、VdcUVpp等等之類。無論特定電壓是什麼，施加的電場都可以降低用於向磁元件ME寫的電流。雖然當寫I或者O時電壓線VL與位線BL之間的電壓差被描述為IV的單一電壓差，但是在電壓差具有足夠大的幅度以實現將矯頑磁性降低期望的水平的同時，電壓差可以具有不同幅度而且針對每個狀態也可以是不同的。
[0077]此外，儘管I和O被描述為將被寫的數據的狀態，但是狀態的名稱可以是不同的。[0078]圖15是根據另一實施例的向磁元件寫的時序圖。圖5的存儲單元500再次被用作參考的示例。參考圖5和圖10，電壓線VL、位線BL和源極線SL可以被預充電到相應預充電電壓。在本實施例中，電壓線VL、位線BL和源極線SL可以被預充電到IV。但是，在其它實施例中，電壓線VL、位線BL和源極線SL中的一個或多個可以被預充電到不同電壓。
[0079]在本實施例中，當寫I時，位線BL被放電到0V。因為源極線SL和電壓線VL被預充電到IV，所以位線BL的放電導致位線BL與電壓線VL之間以及位線BL與源極線SL之間的電壓差。
[0080]當寫O時，源極線SL被放電到OV並且電壓線VL被充電到2V。因此，具有類似於當寫I時的電壓差的極性的電壓差被施加在電壓線VL與位線BL之間，而對於位線BL與源極線SL之間的電壓差，極性被反向。
[0081]在實施例中，電壓線VL、位線BL和源極線SL可以被預充電到不同電壓。例如，在圖14中，電壓線VL被預充電到OV而位線BL和源極線SL被預充電到IV。電壓線VL、位線BL和源極線SL可以根據期望被預充電到不同電壓或者相似電壓。
[0082]圖16是根據實施例的從磁元件讀的時序圖。圖5的存儲單元500再次被用作參考的示例。參考圖5和圖11，在本實施例中，電壓線VL和位線BL被預充電。電壓線VL被預充電到OV並且位線BL被預充電到IV。源極線SL可以被預充電到IV。
[0083]為了讀磁元件ME的狀態，電壓差被施加在源極線SL與位線BL之間。通過存儲單元的電流可以被感測以檢測磁元件ME的狀態。
[0084]基於電壓線VL上的電壓，與上面描述的寫時的正電壓相反，在本實施例中，-1V的負電壓差被施加在電壓線VL與位線BL之間。結果，不是矯頑磁性降低，而是矯頑磁性升高。因此，在讀操作期間狀態改變的概率降低。儘管上面已經描述了 -1V的負電壓差，但是電壓線VL與位線BL之間的電壓差可以具有不同幅度以實現矯頑磁性的期望的增加量。
[0085]儘管已經描述電壓線VL上的電壓小於位線BL上的電壓，但是電壓線VL上的電壓可以基本上與位線BL上的電壓相同。例如，電壓線VL上的電壓可以是IV，如虛線所示。
[0086]儘管已經相對於圖5的磁元件ME描述了讀和寫，但是這樣的讀和寫可以視情況通過選擇電晶體執行。例如，上面描述的電壓可以通過圖6的開關器件644、圖13的列選擇電晶體804和行選擇電路802等等之類施加。
[0087]在實施例中，電壓線VL、位線BL和源極線SL可以像在寫操作之前那樣在讀操作之前被預充電到基本相同的電平。在相應操作期間，電壓線VL、位線BL和源極線SL可以根據需要改變為不同的電平。
[0088]圖17和圖18是示出根據實施例的存儲單元陣列和讀/寫電路的示意圖。本實施例類似於圖12的存儲單元陣列。預充電電晶體1702耦接到源極線SL、位線BL和電壓線VL0預充電電晶體1702響應於預充電信號PRE。可以在讀/寫周期之前和/或之後使能預充電信號PRE。例如，在圖14-16的時序圖中，在適當的控制信號被使能以在位線BL、源極線SL、電壓線VL等等之類上生成期望的電壓的時間之前和/或之後使能預充電信號。
[0089]如所示的那樣，當預充電信號PRE被使能時，源極線SL和位線BL耦接到地而電壓線VL耦接到Vbb。但是，在其它實施例中，預充電電晶體1702可以耦接到不同電壓源以實現期望的預充電電平。
[0090]列選擇電晶體1704耦接在源極線SL與中間源極線ISL之間、位線BL與中間位線IBL之間、電壓線VL與中間電壓線IVL之間。
[0091]圖18示出根據實施例的、用於圖17的存儲單元陣列的讀/寫電路。寫驅動器1802的數據輸入D和使能輸入EN響應於全局數據寫信號GDW和寫使能信號ENW。源極線輸出SL和位線輸出BL分別耦接到中間源極線ISL和中間位線IBL。
[0092]圖19和圖20是示出根據實施例的電壓線發生電路的示意圖。在圖19中，寫數據Dff和寫使能ENW被組合以生成寫O信號WR0\和寫I信號WR1\。在圖20中，寫信號WR0\和WRl\以及寫使能ENW被用於生成全局電壓線信號GVL。具體來說，在寫操作期間，如果將被寫的數據是0，則全局電壓線信號GVL可以被拉至Vdd。如果將被寫的數據是1，則全局電壓線信號GVL可以被拉至Vpp。在寫使能ENW被禁用時的讀操作期間，全局電壓線信號GVL可以被拉至Vbb。
[0093]儘管已經在上面相對於特定存儲架構描述了各種時序圖和電路，但是在一些實施例中信號的時序和電路可以基本上類似而無論存儲架構如何。例如，上面描述的時序圖可以被施加於圖12、圖13、圖17、圖21等等之類中所示的存儲架構之一或者全部。
[0094]圖21至圖22是示出根據實施例的讀電路的示意圖。在圖21中，讀分流電晶體2108響應於讀使能信號ENR。如果不發生讀操作，(即，讀使能信號ENR高)，則讀分流電晶體2108被禁用。在讀操作期間，對於耦接到未選擇的列(即，具有較低的列選擇信號Cm的列)的讀分流電晶體2108來說，讀分流電晶體2108被使能。對於耦接到選擇的列(即，具有較高的列選擇信號Cm的列)的讀分流電晶體2108來說，讀分流電晶體2108被禁用。對於選擇的列來說，諸如列C2，該列耦被接到電流鏡和感測放大器，以生成讀數據DR。圖21中示出的存儲單元陣列可以具有類似於圖17的預充電電晶體1708的預充電電晶體，但是，為了簡要而省略了這樣的元件。
[0095]圖22是與讀分流電晶體關聯的電路的示例。在本實施例中，電晶體2202、2204和2206可以將關聯的反相的列使能信號C0\至C3\與讀使能信號ENR組合以如上所述使能或者禁用分流路徑。而且，電晶體2202、2204和2206可以形成與用於未選擇的列的電流鏡2208基本上類似的負載。此外，在本實施例中，單個電流鏡2208和感測放大器SA耦接到多個列。儘管示出了耦接到單個電流鏡2208和感測放大器SA的三列，但是任意數量的列可以耦接到電流鏡2208和感測放大器SA。因此，因為可以降低讀電路的量，所以可以縮小管芯區域。圖23是感測放大器電路的示例，該感測放大器電路被配置為將輸入電流IBL與參考電流IREF比較以生成讀數據DR。
[0096]圖24至圖27是示出根據實施例的形成到磁元件的連接的技術的示意圖。在本實施例中，在圖24中，形成磁元件2400的自由層2406、絕緣層2408和電極2410。例如，各層可以沉積、圖案化(patterned)、刻蝕等等之類以形成磁元件2400的結構。為了簡明起見，沒有示出在自由層2406下面的層。填充層2450可以是介電層，諸如SiN或者氧化物。填充層2450沉積在磁元件2400上。
[0097]在圖25中，填充層2450被去除以暴露自由層2406。儘管填充層2450被示出為被去除到高於自由層2406的底部表面的水平，但是填充層2450可以被去除到一定水平以使得絕緣層保持在填充層2450的上表面與自由層2406之下的基底層(underlying layer)之間。這樣的絕緣層可以是填充層2450、先前形成的絕緣層等等之類。
[0098]在圖26中，電極2410被氧化，形成氧化物覆蓋層2452。氧化可以通過等離子體氧化、熱氧化等等之類執行。儘管自由層2406也被暴露，但是相對於氧化，自由層2406可以是相對惰性的。例如，可以選擇材料和處理參數以使得電極2410氧化足夠量同時自由層2406基本上不氧化。
[0099]在另一實施例中，可以通過填充層2450或者其它層來保護自由層2406不被氧化。一個或多個層可以被去除以使得填充層2450暴露自由層2406。
[0100]在圖25中，在氧化之後，第二電極2412可以形成在填充層2450上。第二電極2412耦接到自由層2406。具體來說，第二電極2412耦接到自由層2406的側壁。儘管如上所述第二電極2412被描述為耦接到自由層2406的側壁，但是第一電極2410和絕緣層2408可以被形成以使得自由層2406的上表面也被暴露。因此，第二電極2412也可以接觸自由層2406的上表面。第一電極2410和第二電極2412被氧化物層2452分隔。也就是說，即使第二電極2412在氧化之前接觸到第一電極2410，在第一電極2412上形成的氧化物覆蓋層2452也將剩餘的第一電極2412與第二電極2412絕緣。因此，電壓差可以施加在第一電極2410與第二電極2412之間以在自由層2406中創建電場，如上所述。
[0101]圖28至圖31是示出根據實施例的形成到磁元件的連接的技術的示意圖。在本實施例中，自由層2806、絕緣層2808、電極2810和填充層2850類似於上面描述的自由層2406、絕緣層2408、電極2410和填充層2450。相應結構可以與相對於圖24描述的類似地形成。
[0102]但是，在本實施例中，填充層2850被去除到低於絕緣層2808的上表面的水平。諸如氧化物層這樣的絕緣層2852形成在電極2810上，至少延伸到填充層2850。在本實施例中，絕緣層2852延伸跨過(acroos)填充層2850 ;但是，在其它實施例中，絕緣層2852可以延伸到(to)填充層2850。在其它實施例中，絕緣層2852可以使用諸如原子層沉積(ALD)處理的沉積處理來形成。
[0103]在圖29中，絕緣層2852被各向異性(anisotropically)刻蝕。例如,可以通過例如反應離子蝕刻(reactive ion etching)來刻蝕絕緣層2852。結果,延伸跨過填充層2850的絕緣層2852的一些部分被去除，暴露填充層2850。但是，絕緣層2852的一些部分至少保持在電極2810上。具體來說，絕緣層2852的一些部分保持在電極2810的側壁上。儘管絕緣層2852示出為保持在電極2810的上表面上，但是也可以通過各向異性刻蝕來去除這樣的部分。
[0104]在圖30中，在各向異性刻蝕第二絕緣層2852之後填充層2850的至少一部分被去除以暴露自由層2806。因此，布置在自由層2806的側壁上的填充層2850被去除，暴露自由層2806的側壁。
[0105]在圖31中，第二電極2812被形成為耦接到自由層2806。具體來說，第二電極2812可以形成到自由層2806的電連接。但是，絕緣層2852布置在第一電極2810與第二電極2812之間。因此，如上所述，電壓差可以施加在第一電極2810與第二電極2812之間以使得在自由層2806中創建電場。
[0106]在實施例中，一旦第二電極——諸如圖25的第二電極2412或者圖31的第二電極2812—被形成，就可以執行隨後處理以進行到相應第一電極2410或者2810的連接。例如，可以執行隨後的填充、圖案化、刻蝕、拋光等等之類以進行這樣的連接。
[0107]如上所述，諸如絕緣層2452和2852這樣的絕緣層可以分別形成在第一電極2410和2810的側表面上。因此，當第二電極2412或者2812形成時，第二電極2412或者2812與相應電極2410和2810絕緣。儘管沉積層的氧化和圖案化已經用作示例,但是在第一電極與第二電極之間的絕緣層的形成可以使用其它處理來形成以使得第一電極與第二電極絕緣。
[0108]圖32是根據實施例的能夠在其中使用磁元件的電子系統的示意圖。電子系統3200可以用於各種各樣電子設備，諸如計算機(包括但不限於可攜式筆記本計算機、超移動計算機(UMPC)、平板計算機、伺服器、工作站)、移動電信設備、衛星、機頂盒、電視等等。例如，電子系統3200可以包括存儲系統3212、處理器3214、RAM3216和用戶接口 3218，其可以使用總線3220執行數據通信。存儲系統3212可以包括如上所述的磁元件、存儲單元、存儲陣列等等之類。
[0109]處理器3214可以是微處理器或者移動處理器(AP)。處理器3214可以具有處理器核(未示出)，其可以包括浮動點單元(FPU)、算術邏輯單元(ALU)、圖形處理單元(GPU)和數位訊號處理核(DSP核)或者其任意組合。處理器3214可以執行程序和控制電子系統3200。
[0110]RAM3216可以用作處理器3214的運行存儲器。例如，處理器3214或者RAM3216可以包括根據上面描述的示例實施例的磁元件。可替換地，處理器3214和RAM3216可以封裝在單個封裝體中。
[0111]用戶接口 3218可以用於向電子系統3200輸入數據/從電子系統3200輸出數據。存儲系統3212可以存儲用於操作處理器3214的代碼、由處理器3214處理的數據或者外部輸入數據。存儲系統3212可以包括控制器和存儲器。
[0112]貫穿本說明書，對「 一個實施例」或「實施例」的引用指的是結合該實施例描述的特定特徵、結構或者特性包括在本發明的至少一個實施例中。
[0113]因此，貫穿說明書在各個位置出現短語「在一個實施例中」或者「在實施例中」並不一定全都指代相同的實施例。此外，特定特徵、結構或者特性可以在一個或多個實施例中以任意適合的方式組合。
[0114]已經描述了各種磁元件結構、存儲單元以及用於提供磁元件和使用磁元件製作的存儲單元的方法和系統。
[0115]儘管已經依照示範性實施例描述了所述結構、方法和系統，但是本領域普通技術人員將容易地認識到，對所公開的實施例可以進行許多變化，並且因此任意變化應當被認為是這裡公開的裝置、方法和系統的精神和範圍內。因此，本領域普通技術人員可以進行許多修改，而不脫離所附權利要求的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種用於半導體器件的磁元件，包括: 參考層； 自由層； 阻擋層，布置在所述參考層與所述自由層之間； 第一電極； 絕緣層，布置在所述電極與所述自由層之間；以及 第二電極，耦接到所述自由層的側壁。
2.如權利要求1所述的磁元件，其中: 第二電極包括開口 ；以及 所述絕緣層布置在所述開口中。
3.如權利要求1 所述的磁元件，其中，所述絕緣層是氧化物層。
4.如權利要求1所述的磁元件，還包括第二絕緣層，布置在第一電極的側壁上並且暴露所述自由層的至少一部分。
5.如權利要求4所述的磁元件，其中，第二絕緣層布置在所述自由層的上表面上並且暴露所述自由層的側壁。
6.如權利要求4所述的磁元件，其中: 所述自由層的上表面的一部分被暴露；以及 第二電極接觸所述自由層的上表面的所述部分。
7.如權利要求1所述的磁元件，其中，第二電極是位線。
8.如權利要求1所述的磁元件，還包括耦接到所述參考層的第三電極。
9.一種用於半導體器件的存儲單元，包括: 磁元件，包括: 自由層； 第一電極，耦接到所述自由層的側壁； 第二電極；以及 第三電極，其中第一電極與第三電極絕緣； 位線，耦接到第一電極； 源極線，耦接到第二電極；以及 電壓線，耦接到第三電極。
10.如權利要求9所述的存儲單元，其中，所述位線是第一電極。
11.如權利要求9所述的存儲單元，還包括耦接在所述源極線與第二電極之間的開關器件。
12.如權利要求11所述的存儲單元，還包括耦接到所述開關器件的字線。
13.如權利要求9所述的存儲單元，還包括: 列選擇電晶體，耦接到所述源極線；以及 讀分流電晶體，耦接在所述源極線與電壓源之間。
14.如權利要求9所述的存儲單元，還包括: 全局電壓線； 全局位線；以及行選擇電路，耦接在所述全局電壓線與所述電壓線之間、以及所述全局位線與所述位線之間； 其中，所述行選擇電路被配置為響應於行選擇信號，選擇性地將所述全局電壓線耦接到所述電壓線、以及選擇性地將所述全局位線耦接到所述位線。
15.一種將數據寫到半導體器件的方法，包括: 施加電壓差到磁存儲單元的電壓線與位線之間；以及 施加電壓差到所述磁存儲單元的源極線與所述位線之間。
16.如權利要求15所述的方法，還包括預充電所述電壓線、所述位線和所述源極線到相應預充電電壓。
17.如權利要求16所述的方法，還包括將所述位線放電。
18.如權利要求16所述的方法，還包括: 將所述源極線放電；以及 將所述電壓線充電。
19.如權利要求15所述的方法，還包括: 當將要寫的數據是第一狀態時，將所述電壓線充電到第一電平；以及 當將要寫的數據是第二狀態時，將所述電壓線充電到第二電平； 其中，第一電平和第二電平是不同的。
20.如權利要求16所述的方法，其中施加到所述電壓線與所述位線之間的電壓差的極性與在讀操作期間施加到所述電壓線與所述位線之間的電壓差的極性相反。
21.一種從半導體器件讀數據的方法，包括: 預充電與存儲單元關聯的電壓線和位線到相應預充電電壓； 施加電壓差到與所述存儲單元關聯的源極線與所述位線之間；以及 感測通過所述存儲單元的電流。
22.如權利要求21所述的方法，其中，預充電所述電壓線包括預充電所述電壓線到小於所述位線的預充電電壓的預充電電壓。
23.如權利要求22所述的方法，其中，所述電壓線與所述位線之間的電壓差的極性與在寫操作期間所述電壓線與所述位線之間的電壓差的極性相反。
24.如權利要求21所述的方法，其中，預充電所述電壓線和所述位線包括將所述電壓線和所述位線預充電到相同的電壓。
25.如權利要求21所述的方法，還包括:當感測到通過所述存儲單元的電流時將未選擇的源極線耦接到電壓電勢。
26.—種方法,包括: 順序地形成包括自由層、第一絕緣層和第一電極的磁元件； 在第一電極的側表面上形成第二絕緣層；以及 當在第一電極的側表面上形成第二絕緣層之後，形成耦接到所述自由層的第二電極。
27.如權利要求26所述的方法，其中形成第二絕緣層包括氧化第一電極的側表面。
28.如權利要求26所述的方法，其中形成所述絕緣層包括在第一電極的側表面上執行原子層沉積處理。
29.如權利要求26所述的方法，其中形成第二電極包括在第一電極的側表面上沉積與第二絕緣層接觸的第二電極。
30.如權利要求26所述的方法，還包括在所述自由層、第一絕緣層和第一電極上方沉積填充層。
31.如權利要求30所述的方法，還包括去除所述填充層以暴露所述自由層的至少一部分。
32.如權利要求26所述的方法，其中形成第二絕緣層包括沉積第二絕緣層，其在第一電極上方延伸到至少第一絕緣層。
33.如權利要求32所述的方法，還包括: 將填充層形成到低於第一絕緣層的上表面的水平； 其中，沉積第二絕緣層包括在所述填充層上方沉積第二絕緣層。
34.如權利要求32所述的方法，還包括各向異性蝕刻第二絕緣層。
35.如權利要求34所述的方法，還包括在各向異性蝕刻第二絕緣層之後暴露所述自由層。
36.一種用於半導體器件的磁元件，包括: 參考層； 自由層； 阻擋層，布置在所述參考層與所述自由層之間； 絕緣層，布置在所述自由層上；以及 第一電極，布置在所述絕緣層上。
37.如權利要求36所述的磁元件，還包括耦接到所述自由層的側壁的第二電極。
38.如權利要求37所述的磁元件，其中第二電極是用於多個磁元件的位線。
【文檔編號】G11C11/16GK103971726SQ201410042855
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優先權日:2013年1月29日
【發明者】A.E.昂, V.尼基廷, M.T.克朗比 申請人:三星電子株式會社