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    本發明揭示自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構及方法。一或多個STT記憶體單元結構包括一環狀STT堆疊，該環狀STT堆疊包含介於一第一鐵磁材料與一第二鐵磁材料之間之一非磁性材料；及包圍該環狀STT堆疊之至少一部分之一軟磁性材料。
    公开号:TW201301483A
    申请号:TW101116991
    申请日:2012-05-11
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Jun Liu；Gurtej S Sandhu
    申请人:Micron Technology Inc；
    IPC主号:G11C11-00
    专利说明:
    自旋轉矩轉移記憶體單元結構及方法
    本發明大致上係關於半導體記憶體裝置及方法，且更特定言之係關於自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構及方法。
    記憶體裝置通常係提供作為電腦或其他電子裝置中之內部半導體積體電路。存在許多不同類型的記憶體，包含隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)、快閃記憶體、電阻可變記憶體(諸如相變隨機存取記憶體(PCRAM)及電阻性隨機存取記憶體(RRAM))及磁性隨機存取記憶體(MRAM)(諸如自旋轉矩轉移隨機存取記憶體(STTRAM))以及其他記憶體。
    MRAM裝置可採用歸因於可改變穿過該裝置之一電流之量級之磁矩之不同相對定向(例如，平行及反向平行)而可被視為一多狀態電阻器之一磁性穿隧接面(MTJ)。在一寫入程序中，由電流穿過導線引起的磁場可用以切換該MTJ之一「自由」材料之一磁矩方向，從而可將該裝置放置在一高電阻狀態或一低電阻狀態中。接著可使用一讀取程序來判定記憶體單元之狀態。
    MRAM裝置亦可採用展現出巨磁阻(GMR)之結構，諸如自旋閥。GMR可在由交替鐵磁材料與非磁性材料構成之薄膜結構中觀察到。GMR可取決於相鄰鐵磁材料之磁化係平行對準或一反向平行對準而導致電阻發生變化。一自旋閥可取決於兩種或兩種以上導磁材料之對準而使其電阻交替(例如，自高至低或自低至高)，以善用巨磁阻效應。
    隨著MRAM單元之大小降低，相鄰記憶體單元之間之距離亦降低，從而可導致由用以切換磁矩方向之載流線引起的記憶體單元干擾增加。作為一實例，與一MRAM裝置相關聯之寫入電流可為約10mA，由於MRAM單元及載流線之大小降低，該寫入電流可能有問題。例如，較小寬度的線可需要更多的電流來產生所需切換場，從而增加功耗。
    STT裝置共用先前MTJ及GMR記憶體單元之一些運行特徵；然而，自由材料磁矩之切換(例如，寫入程序)可藉由穿過自旋極化電流自身產生。例如，穿過磁矩定向在一給定方向上之一第一磁性材料(例如，一「固定」材料)之未極化導電電子藉由與該材料中之極化束縛電子的量子力學交換互動穿過該材料而優先極化。自磁化材料之表面反射之導電電子及穿過該磁化材料之表面之導電電子可發生此一極化。此一極化程序之效率可取決於材料之結晶結構。當一串極化導電電子隨後穿過其極化方向在空間中並不固定之一第二磁性材料(例如，「自由」材料)時，該等極化導電電子施加一轉矩於磁性材料中之束縛電子上，若該轉矩充足，則可顛倒該等束縛電子之極化，且藉此顛倒該磁性材料之磁矩。
    使用記憶體單元內部導致磁矩顛倒之一電流提供小於產生一外部磁場(例如，自相鄰載流線)所需的電流之電流(例如，約200微安培)以產生矩切換。然而，STT RAM單元中用以產生磁矩切換之電流之進一步減小亦可提供若干好處，諸如進一步減小材料中與此等記憶體單元相關聯之能量消耗及熱分佈以及其他好處，從而可改良記憶體單元完整性及可靠性。
    本文描述自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構及方法。一或多個STT記憶體單元結構包括一環狀STT堆疊，該環狀STT堆疊包含介於一第一鐵磁材料與一第二鐵磁材料之間之一非磁性材料；及包圍該環狀STT堆疊之至少一部分之一軟磁性材料。
    本發明之實施例可提供若干好處，諸如減小相鄰記憶體單元中由一電流感應磁場(例如，一暫態厄司特(Oersted)場)引起的串擾。實施例亦可提供與先前STT記憶體單元相比有所減小的程式化電流，且對一記憶體單元之熱穩定性具有極小影響或沒有影響。例如，在一或多項實施例中，與穿過記憶體單元之一程式化電流相關聯之暫態厄司特場可用以引致該記憶體單元內之一暫態鐵磁耦合，從而可減小與該記憶體單元相關聯之臨界切換電流。
    在本發明之下列實施方式中，參考形成本發明之一部分之隨附圖式，且其中藉由圖解方式展示可如何實踐本發明之若干實施例。此等實施例以充分細節描述以使一般技術者能夠實踐本發明之實施例，且應瞭解可使用其他實施例且可在不脫離本發明之範疇之情況下作出程序、電及/或結構改變。
    本文之圖式遵循一編號慣例，其中第一個數字對應於繪製圖編號且剩餘數字識別該圖式中之一元件或組件。可藉由使用類似數字來識別不同圖式之間之類似元件或組件。例如，102可指圖1中之元件「02」，且一類似元件可在圖2中定為202。應明白，可增加、交換及/或去掉本文之各種實施例中展示之元件以提供本發明之若干額外實施例。此外，該等圖式中提供之元件之比例及相對尺度意欲圖解說明本發明之各種實施例，且不應以限制性意義使用。
    圖1A至圖1B圖解根據本發明之一或多項實施例之一STT記憶體單元結構之截面圖。圖1A及圖1B之截面圖100-1及100-2圖解可定位在一第一電極與一第二電極(未畫出)之間之一環狀STT記憶體單元。該等電極可用合適的電壓偏壓以程式化、讀取及/或擦除該等記憶體單元。例如，截面圖100-1圖解受一特定方向上之一程式化電流(例如，116-1)影響之環狀STT記憶體單元結構，而截面圖100-2圖解受一相反方向上之一程式化電流(例如，116-2)影響之環狀STT記憶體單元結構。
    記憶體單元結構100-1及100-2可包含一第一磁性材料112及一第二磁性材料108。在一或多項實施例中，該第一磁性材料可為一「自由」鐵磁材料112，且該第二磁性材料可為一「固定」鐵磁材料108，然而，實施例並不因此受到限制。介於該第一磁性材料112與該第二磁性材料108之間的係可為一絕緣材料或一導電材料之非磁性材料110。諸如圖1A及圖1B中圖解之環狀記憶體單元結構可形成不具邊緣去磁的一完全封閉磁通量路徑，從而可導致與一習知(例如，非環狀)記憶體單元堆疊相比有所增加的熱穩定性。
    如圖1A至圖1B中圖解，環狀記憶體單元結構經組態使得該固定材料108之一第一邊緣部分142與該非磁性材料110之一第一邊緣部分144接觸，且該自由材料112之一第一邊緣部分146與該非磁性材料110之一第二邊緣部分148接觸。如圖1A至圖1B中圖解，該固定材料108、該非磁性材料110及該自由材料112之各者可與一耦合材料104之一內部邊緣154接觸。耦合材料104可具有與一第三或「軟」磁性材料102之一內部邊緣152接觸之一外部邊緣150。
    非磁性材料110可為一非磁性金屬(例如，銅)或一介電材料(例如，氧化鋁)。例如，在一或多項實施例中，圖1A及圖1B中圖解之STT結構可包含一自旋閥結構及/或展現出GMR之其他結構。在此等實施例中，該自由材料112及該固定材料108可藉由一非磁性材料110分離。GMR可取決於相鄰鐵磁材料(例如，112與108)之磁化係一平行對準(例如，如圖1A中所示之120及122-1)或一反向平行對準(例如，如圖1B中所示之120及122-2)導致電阻發生變化。平行對準之總電阻可較低，且反向平行對準之總電阻可較高。因此，記憶體單元結構100-1可表示一低電阻狀態，且記憶體單元結構100-2可表示一高電阻狀態。
    在一或多項實施例中，圖1A及圖1B中所示之STT結構可包含一磁性穿隧接面(MTJ)。在此等實施例中，該自由鐵磁材料112及該固定鐵磁材料108可藉由電子可穿隧通過之一介電材料110分離。該自由鐵磁材料112之磁化方向122-1/122-2可經由藉由自旋極化程式化電流116-1/116-2產生之一自旋轉矩轉移效應切換。
    該第三磁性材料102可為一「軟」磁性材料且可囊封該等記憶體單元結構100-1及100-2。軟磁性材料102具有一高磁導率，從而可導致藉由一程式化電流產生之一磁場以較少場洩露或無場洩露而限制在該軟磁性材料102內。
    軟磁性材料102可具有一高磁導率(例如，大於約500 Hm-1)，且其可包含一摻雜矽的鐵材料、一鎳-鐵-銅-鉬合金材料、一錳-鋅鐵氧體、一鎳鋅鐵氧體、一基於鈷之非晶形金屬及/或一基於鐵之非晶形金屬。軟磁性材料可進一步包含合金材料，諸如一鈷-鐵合金材料、一鎳-鐵合金材料、一鎳-鐵-銅-鉻合金材料及/或一鈷-鋯-鈀-錳合金材料。軟磁性材料102亦可包含一金屬鐵氧體，其中該金屬可包含錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎂及/或鎘。軟磁性材料102可進一步包含一鐵金屬氮化物，其中該金屬可包含鋁、鉭、銠、鉬、矽及/或鋯。軟磁性材料102並不限於上述提及的材料，且亦可包含一高電阻高導磁率合金(Mu-metal)材料、一高導磁合金材料、一鐵氧體材料及/或一電氣鋼片材料。
    箭頭116-1及116-2分別指示提供給記憶體單元結構100-1及100-2之一電流(例如，一程式化電流)之方向。程式化電流可取決於(例如)一記憶體單元結構之大小而變化，且可自約20微安培至約1,000,000微安培。圖解為在一特定方向上流動之程式化電流可表示在相反方向上流動之電子電流。例如，在記憶體單元結構100-1中，程式化電流係展示在一向上方向上(例如，自自由材料112朝向固定材料108)流動，意謂電子電流係在一向下方向上(例如，自固定材料108朝向自由材料112)流動。箭頭114-1指示由程式化電流116-1引起的環狀磁場。箭頭114-2指示由程式化電流116-2引起的環狀磁場。因此，該等磁場114-1及114-2可稱為厄司特場。符號120指示與結構100-1及100-2之固定磁性材料108相關聯之環狀磁化。符號124-1指示結構100-1之軟磁性材料102內之磁場方向。符號124-2指示結構100-2之軟磁性材料102內之磁場方向。
    符號122-1指示與該自由磁性材料112相關聯之環狀磁化(例如，歸因於程式化電流116-1)。符號122-2指示與該鐵磁材料112相關聯之環狀磁化(歸因於相反方向上之程式化電流(例如，電流116-2))。在操作中，該等程式化電流116-1及116-2可用以在一順時針方向定向與一逆時針方向定向之間切換該自由鐵磁材料112之磁化。如本文進一步描述，本發明之一或多項實施例可減小切換自由鐵磁材料112內之磁化方向(例如，自方向122-1至122-2，或反之亦然)需要的程式化電流(例如，116-1及116-2)之量值。
    一STT記憶體單元結構之電阻取決於該自由磁性材料112與該固定磁性材料108之相對磁化方向(例如，平行或反向平行)。可提供一程式化電流以在一第一電阻狀態(例如，對應於如圖1A中所示之一平行定向)與一第二電阻狀態(例如，對應於如圖1B中所示之一反向平行定向)之間切換該自由磁性材料112之環狀磁化。具體言之，可使用一自旋極化注入程式化電流與該自由鐵磁材料112之磁化之間之一自旋轉矩轉移效應，將一STT記憶體單元裝置之磁化方向自一旋渦狀態切換為相反狀態。具有一量值小於該程式化電流之一讀取電流可施加於該記憶體單元以判定該記憶體單元之電阻狀態，該電阻狀態取決於該自由鐵磁材料112與該固定鐵磁材料108之相對磁化。在諸如圖1A及圖1B中所示之環狀STT記憶體單元結構中，與程式化電流116-1/116-2相關聯之厄司特場114-1/114-2可有助於切換自由鐵磁材料112之磁化方向，從而與非環狀STT記憶體單元結構相比可減小切換所需的電流量值。然而，該環狀厄司特場114-1/114-2不一定局部受限於一特定STT記憶體單元。因此，該厄司特場114-1/114-2可產生(例如)與相鄰記憶體單元之串擾問題。
    圖1A及圖1B中圖解之記憶體單元結構包含包圍自由材料112之至少一部分之耦合材料104及軟磁性材料102。耦合材料104係用以引致該軟磁性材料102與該自由鐵磁材料112之間之平行鐵磁耦合之一材料。該耦合材料104可包含(例如)三氧化二鉻(Cr2O3)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)及氧化鎂(MgO)之至少一者，且亦可具有適合引致該自由材料112與該磁化軟磁性材料102之間之平行耦合之一厚度。
    在操作中，藉由該程式化電流116-1/116-2產生之厄司特場114-1/114-2可磁化該軟磁性材料102(例如，如藉由磁化124-1及124-2圖解)。耦合材料104引致該磁化軟磁性材料102與該自由材料112之間之平行鐵磁耦合，該平行鐵磁耦合促進該自由材料112之切換。因此，該軟磁性材料102與該自由鐵磁材料112之間之平行鐵磁耦合歸因於自旋極化電子之自旋轉矩轉移效應及與該程式化電流116-1/116-2相關聯之場114-1/114-2促成磁化122-1/122-2之切換。例如，施加於該自由鐵磁材料112上之轉矩(歸因經由該耦合材料104引致之與軟磁性材料102之鐵磁耦合)可減小切換所需的一自旋電流轉矩。當移除該程式化電流時，該軟磁性材料102可失去其磁化或保持一較小磁化，該磁化平行於該自由材料112之磁化122-1/122-2(歸因於藉由耦合材料104引致之鐵磁耦合)。該軟磁性材料102亦可有助於加強該自由材料112之一熱穩定性。
    因此，諸如圖1A及圖1B中圖解之一或多個記憶體單元結構可促進用一降低的電流程式化一STT記憶體單元，同時保持或增強資料保留所需的一熱穩定性。該軟磁性囊封材料102亦可使厄司特場114-1/114-2之至少一部分局部限制於STT記憶體單元，從而可降低對相鄰記憶體單元之干擾。軟磁性材料102具有一高磁導率，從而可導致由一程式化電流產生之一磁場以較少場洩露或無場洩露而限制在該軟磁性材料102內。在一或多項實施例中，可在無耦合材料104之情況下形成記憶體單元結構100-1及100-2。即，軟磁性囊封材料102在不存在耦合材料104之情況下可限制一電流感應磁場(例如，114-1/114-2)之至少一部分。
    如圖1A至圖1B中圖解，軟磁性材料102包圍(例如，囊封)包含固定材料108、非磁性材料110及自由材料112之整個環狀記憶體單元堆疊。然而，實施例並不限於圖1A及圖1B中所示之實例。例如，在一或多項實施例中，該軟磁性材料102僅囊封該自由鐵磁材料112或該自由鐵磁材料112之一部分。如圖1A至圖1B中圖解，耦合材料104可沿整個記憶體單元(例如，自固定材料108至自由材料112)存在於記憶體單元結構100-1及100-2中，或耦合材料104可受限於自由材料112與軟材料102之間之一區域(例如，耦合材料104並未與固定材料108或非磁性材料110接觸)。
    圖1A中圖解之實例圖解自一STT記憶體單元之自由材料112流至固定材料108之一程式化電流116-1。該電流116-1產生一厄司特場114-1，從而引致該軟磁性材料102中之一環狀磁化(例如，逆時針方向)。如上所述，該軟磁性材料102可使該場114-1局部限制於該記憶體單元。
    與向下電子流(例如，相反方向116-1)相關聯之自旋轉矩可促成該自由磁性材料112中之逆時針方向磁化122-1。該軟磁性材料102與該自由材料112之間經由該耦合材料104引致之鐵磁耦合亦可產生促成該自由材料112中之一逆時針方向磁化122-1之一轉矩。該磁化120與該磁化122-1之平行對準可導致該記憶體單元結構具有一低電阻狀態。歸因於該軟磁性材料102與該自由鐵磁材料112之間之鐵磁耦合產生之轉矩可減小與引致該鐵磁材料112之磁化之切換(例如，自反向平行至平行)所需的向下電子流相關聯之自旋轉矩量。
    圖1B中圖解之實例展示向下流動(例如，與方向116-1相反)之一程式化電流116-2。因此，與電流116-2相關聯之自旋極化電子向上(例如，自自由材料112朝向固定材料108)流動，且施加轉矩於該自由鐵磁材料112上，從而可引起該自由磁性材料112之順時針方向磁化。該軟磁性材料102與該自由材料112之間經由該耦合材料104引致之鐵磁耦合亦可減小促成該自由材料112中之順時針方向磁化122-2之一轉矩。該磁化120與該磁化122-2之反向平行對準可導致該記憶體單元結構具有一高電阻狀態。如上所述，歸因於該軟磁性材料102與該自由鐵磁材料112之間之鐵磁耦合產生之轉矩可有助於切換該鐵磁材料112之磁化(例如，自平行至反向平行)。
    圖1C圖解圖1A及圖1B中圖解之STT記憶體單元結構之一俯視圖。實施例並不限於圖1C中圖解之實例。例如，在一或多項實施例中，該等材料102、104及108不一定跨該記憶體單元之一整個周長。而且，雖然該等材料102、104及108展示具有一圓形幾何形狀，但是實施例並不因此受到限制。
    如圖1C中圖解，記憶體單元結構100-3經組態使得該軟磁性材料102之一內部邊緣部分152與該耦合材料104之一外部邊緣部分150接觸。在一些實施例中，耦合材料104不一定存在，且因此，軟磁性材料102之一內部邊緣152可與一固定材料108或自由鐵磁材料112(圖1C中未展示)之一外部邊緣156接觸。如圖1C中進一步圖解，該記憶體單元結構經組態使得該耦合材料104之一內部邊緣部分154與材料108之一外部邊緣156接觸。
    圖2圖解根據本發明之一或多項實施例之一STT記憶體單元結構280之一截面圖。記憶體單元結構280係一環狀STT記憶體單元結構且可包含軟磁性材料202、耦合材料204、一第一電極206A及一第二電極206B。記憶體單元結構280亦可包含固定磁性材料208、非磁性材料210及自由磁性材料212，該自由磁性材料212至少部分藉由耦合材料204及軟磁性材料202包圍。耦合材料204可形成於該自由材料212與該軟材料202之間，使得該耦合材料204之內部表面254與該自由材料212之外部表面256之至少一部分接觸。
    記憶體單元結構280亦可導致一程式化電流需求減小，此係因為自由鐵磁材料212藉由鐵磁耦合材料204與軟磁性囊封材料202分離。該軟材料202與該自由材料212之間之鐵磁耦合可促進該自由材料之切換，從而可減小一程式化電流需求(例如，一臨界切換電流)並加強該自由材料212之熱穩定性。
    實施例並不限於圖2中圖解之實例。在一些實例中，該記憶體單元結構280在無該耦合材料204之情況下可足以減小所需要的程式化電流。在一些實施例中，可使用各種程序(例如，乾式蝕刻或濕式蝕刻)蝕刻軟材料202。
    圖3圖解具有根據本發明之一或多項實施例之一或多個STT記憶體單元結構之一記憶體陣列390之一部分。一STT RAM單元可包含耦合至一存取裝置340之一STT記憶體單元結構300(例如，諸如上文結合圖1A至圖1C及圖2描述之STT結構)。例如，存取裝置340可為二極體、一場效電晶體(FET)或雙極性接面電晶體(BJT)。
    在此實例中，該陣列390包含一位元線328、一字線336、一源極線338、讀取/寫入電路330、一位元線參考334及一感測放大器332。該STT記憶體單元結構300可包含一或多個MTJ或GMR元件。如上所述，該STT記憶體單元結構300可包含一環狀STT堆疊，該環狀STT堆疊包含介於一固定鐵磁材料與一自由鐵磁磁性材料之間之一非磁性材料。該環狀STT堆疊之至少一部分可藉由一軟磁性材料(例如，圖1A至圖1C中所示之軟磁性材料102)囊封。一或多項實施例包含介於軟磁性材料與自由鐵磁材料之至少一部分之間之一耦合材料(例如，圖1A及圖1B中所示之耦合材料104)。
    在操作中，可選擇程式化該STT記憶體單元結構300。程式化電流可經由跨對應於結構300之電極施加之電壓差提供。與程式化電流相關聯之厄司特場可引致該結構300之軟磁性材料之環狀磁化(例如，在與厄司特場相同之方向上)。在軟磁性材料與自由鐵磁材料之間經由耦合材料可引致平行鐵磁耦合。所引致鐵磁耦合可施加一轉矩於該自由鐵磁材料之磁化上，從而可減小引致切換所需的程式化電流。
    當移除程式化電流時，軟磁性材料可失去其磁化或可由於鐵磁耦合而保持平行於自由鐵磁材料之一小磁化。軟磁性材料可用以使與程式化電流相關聯之厄司特場局部限制於記憶體單元，且亦可有助於加強自由鐵磁材料之熱穩定性。
    為讀取STT RAM單元，讀取/寫入電路330透過該結構300及該存取裝置340對該位元線328及該源極線338產生一讀取電流。STT RAM單元之程式化狀態取決於跨該結構300之電阻，該電阻可藉由該位元線328與該源極線338之間之電壓差判定。在一或多項實施例中，該電壓差可與一參考334比較且藉由一感測放大器332放大。實施例並不限於圖3中圖解之實例。
    雖然已在此圖解說明並描述特定實施例，但是一般技術者應明白，計劃達成相同結果之一配置可替代展示之特定實施例。本發明意欲涵蓋本發明之各種實施例之調適或變動。應瞭解上述描述係以一闡釋性方式而非一限制性方式完成。熟習此項技術者在檢視上述描述後應瞭解上述實施例之組合及本文未明確描述之其他實施例。本發明之各種實施例之範疇包含其中使用上述結構及方法之其他應用。因此，應參考隨附申請專利範圍以及此等申請專利範圍有權擁有之等效物之完整範圍判定本發明之各種實施例之範疇。
    在前述實施方式中，為簡化本發明之目的使各種特徵一起分組在一單一實施例中。此發明方法不應被解釋為反映本發明之所揭示之實施例必須使用比每一申請專利範圍中明確引用之特徵更多的特徵之一意圖。相反地，如下列申請專利範圍反映，發明標的係位在小於一單一揭示之實施例之全部特徵的範圍中。因此特此將下列申請專利範圍併入「實施方式」中，每一申請專利範圍均可獨立作為本發明之一個別實施例。
    100-1‧‧‧記憶體單元結構
    100-2‧‧‧記憶體單元結構
    100-3‧‧‧記憶體單元結構
    102‧‧‧第三磁性材料/軟磁性材料/軟磁性囊封材料
    104‧‧‧耦合材料
    108‧‧‧第二磁性材料/固定鐵磁材料
    110‧‧‧非磁性材料
    112‧‧‧第一磁性材料/自由鐵磁材料
    114-1‧‧‧厄司特場
    114-2‧‧‧厄司特場
    116-1‧‧‧自旋極化程式化電流
    116-2‧‧‧自旋極化程式化電流
    120‧‧‧磁化
    122-1‧‧‧自由材料之逆時針方向磁化/自由鐵磁材料之磁化方向
    122-2‧‧‧自由材料之順時針方向磁化/自由鐵磁材料之磁化方向
    124-1‧‧‧磁化
    124-2‧‧‧磁化
    142‧‧‧固定材料之第一邊緣部分
    144‧‧‧非磁性材料之第一邊緣部分
    146‧‧‧自由材料之第一邊緣部分
    148‧‧‧非磁性材料之第二邊緣部分
    150‧‧‧耦合材料之外部邊緣
    152‧‧‧第三磁性材料/軟磁性材料之內部邊緣
    154‧‧‧耦合材料之內部邊緣
    156‧‧‧固定鐵磁材料之一外部邊緣
    202‧‧‧軟磁性材料
    204‧‧‧耦合材料
    206A‧‧‧第一電極
    206B‧‧‧第二電極
    208‧‧‧固定磁性材料
    210‧‧‧非磁性材料
    212‧‧‧自由磁性材料
    254‧‧‧耦合材料之內部表面
    256‧‧‧自由材料之外部表面
    280‧‧‧自旋轉矩轉移記憶體單元結構
    300‧‧‧自旋轉矩轉移記憶體單元結構
    328‧‧‧位元線
    330‧‧‧讀取/寫入電路
    332‧‧‧感測放大器
    334‧‧‧位元線參考
    336‧‧‧字線
    338‧‧‧源極線
    340‧‧‧存取裝置
    390‧‧‧記憶體陣列
    圖1A至圖1B圖解根據本發明之一或多項實施例之一STT記憶體單元結構之截面圖。
    圖1C圖解圖1A及圖1B中圖解之STT記憶體單元結構之一俯視圖。
    圖2圖解根據本發明之一或多項實施例之一STT記憶體單元結構之一截面圖。
    圖3圖解具有根據本發明之一或多項實施例之一或多個STT記憶體單元結構之一記憶體陣列之一部分。
    100-1‧‧‧記憶體單元結構
    102‧‧‧第三磁性材料/軟磁性材料/軟磁性囊封材料
    104‧‧‧耦合材料
    108‧‧‧第二磁性材料/固定鐵磁材料
    110‧‧‧非磁性材料
    112‧‧‧第一磁性材料/自由鐵磁材料
    114-1‧‧‧厄司特場
    116-1‧‧‧自旋極化程式化電流
    120‧‧‧磁化
    122-1‧‧‧自由鐵磁材料之磁化方向
    124-1‧‧‧磁化
    142‧‧‧固定材料之第一邊緣部分
    144‧‧‧非磁性材料之第一邊緣部分
    146‧‧‧自由材料之第一邊緣部分
    148‧‧‧非磁性材料之第二邊緣部分
    150‧‧‧耦合材料之外部邊緣
    152‧‧‧第三磁性材料/軟磁性材料之內部邊緣
    154‧‧‧耦合材料之內部邊緣
    权利要求:
    Claims (30)
    [1] 一種自旋轉矩轉移(STT)記憶體單元結構，其包括：一環狀STT堆疊，其包含介於一第一鐵磁材料與一第二鐵磁材料之間之一非磁性材料；及一軟磁性材料，其包圍該環狀STT堆疊之至少一部分。
    [2] 如請求項1之記憶體單元結構，其進一步包括形成於該軟磁性材料與該第一鐵磁材料之間之一鐵磁耦合材料。
    [3] 如請求項2之記憶體單元結構，其中該第一鐵磁材料係一自由材料，且該第二鐵磁材料係一固定材料。
    [4] 如請求項3之記憶體單元結構，其中該鐵磁耦合材料經組態以引致該自由鐵磁材料與該軟磁性材料之間之平行耦合。
    [5] 如請求項1之記憶體單元結構，其中該非磁性材料係一介電材料。
    [6] 如請求項1之記憶體單元結構，其中該非磁性材料導電。
    [7] 如請求項1之記憶體單元結構，其中該軟磁性材料具有大於約500 Hm-1之一磁導率。
    [8] 如請求項1之記憶體單元結構，其中該環狀STT堆疊係形成於一第一電極與一第二電極之間。
    [9] 一種STT記憶體單元結構，其包括：一環狀STT堆疊，其包含介於一自由鐵磁材料與一固定鐵磁材料之間之一非磁性材料；一軟磁性材料，其包圍該自由鐵磁材料之至少一部分；及一鐵磁耦合材料，其形成於該軟磁性材料與該自由鐵磁材料之間。
    [10] 如請求項9之記憶體單元結構，其中該環狀STT堆疊及該軟磁性材料係位於一第一電極與一第二電極之間。
    [11] 如請求項9之記憶體單元結構，其中該環狀STT堆疊提供一圍封磁通量路徑。
    [12] 如請求項9之記憶體單元結構，其中經由該鐵磁耦合材料引致該軟磁性材料影響該自由鐵磁材料之一磁化。
    [13] 如請求項9之記憶體單元結構，其中該鐵磁耦合材料包含三氧化二鉻(Cr2O3)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)及氧化鎂(MgO)之至少一者。
    [14] 如請求項9之記憶體單元結構，其中該軟磁性材料限制藉由與該環狀STT記憶體單元結構相關聯之一程式化電流產生之一磁場之至少一部分。
    [15] 如請求項9之記憶體單元結構，其中該鐵磁耦合材料提供介於該自由鐵磁材料與該軟磁性材料之間之暫態、平行鐵磁耦合。
    [16] 一種操作一環狀STT記憶體單元之方法，其包括：提供穿過一第一電極與一第二電極之間之一環狀STT堆疊之一電流，該環狀STT堆疊包含：一非磁性材料，其形成於一自由鐵磁材料與一固定鐵磁材料之間；其中該電流引致包圍該自由鐵磁材料之至少一部分之一軟磁性材料中之一環狀磁化；及其中該所引致環狀磁化經由該軟磁性材料與該自由鐵磁材料之間之一鐵磁耦合材料變更該自由鐵磁材料之一磁化。
    [17] 如請求項16之方法，其中該電流係一程式化電流。
    [18] 如請求項16之方法，其包含減小與該STT記憶體單元相關聯之一臨界切換電流。
    [19] 如請求項16之方法，其中該軟磁性材料之磁化施加一力於該自由鐵磁材料上。
    [20] 一種形成一STT記憶體單元結構之方法，其包括：在一第一電極與一第二電極之間形成一環狀STT堆疊，該環狀STT堆疊包含形成於一第一鐵磁材料與一第二鐵磁材料之間之一非磁性材料；在該第一鐵磁材料及該第二鐵磁材料及該非磁性材料周圍形成一耦合材料；及在該耦合材料周圍形成一軟磁性材料，其中該軟磁性材料包圍該第一鐵磁材料之至少一部分。
    [21] 如請求項20之方法，其中該耦合材料引致該第一鐵磁材料與該軟磁性材料之間之平行耦合。
    [22] 如請求項20之方法，其中形成該軟磁性材料包含：形成該軟磁性材料使得該軟磁性材料囊封該耦合材料之一整個外部表面。
    [23] 如請求項20之方法，其中形成該耦合材料包含：形成該軟磁性材料使得該軟磁性材料囊封該第一鐵磁材料之一整個外部表面。
    [24] 如請求項20之方法，其中該軟磁性材料限制藉由與該STT記憶體單元結構相關聯之一程式化電流產生之一磁場之至少一部分。
    [25] 如請求項20之方法，其中該第一鐵磁材料係一自由材料，且該第二鐵磁材料係一固定鐵磁材料。
    [26] 如請求項20之方法，其中該軟磁性材料具有大於約500 Hm-1之一磁導率。
    [27] 如請求項26之方法，其中該軟磁性材料係一高電阻高導磁率合金材料、一高導磁合金材料、一鐵氧體材料及一電氣鋼片材料之至少一者。
    [28] 一種形成一STT記憶體單元結構之方法，其包括：在一第一電極與一第二電極之間形成一環狀堆疊，該環狀堆疊包含形成於一自由鐵磁材料與一固定鐵磁材料之間並與該自由鐵磁材料及該固定鐵磁材料接觸之一非磁性材料；及在該環狀堆疊周圍形成一軟磁性材料，使得該軟磁性材料囊封第一自由鐵磁材料之一整個外部表面，且限制藉由與操作該STT記憶體單元結構相關聯之一電流產生之一磁場之至少一部分。
    [29] 如請求項28之方法，其包含在該環狀堆疊與該軟磁性材料之間形成一耦合材料，使得該耦合材料之內部表面與該自由鐵磁材料之該外部表面之至少一部分接觸。
    [30] 如請求項28之方法，其中該電流引致該軟磁性材料中之一環狀磁化。
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    EP2710633A2|2014-03-26|
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