具有偏移單元的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器(sttm)器件及其形成方法
【專利說(shuō)明】具有偏移單元的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器(STTM)器件及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例屬于存儲(chǔ)器器件領(lǐng)域，具體而言，屬于具有偏移單元的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器(STTM)器件和制造具有偏移單元的垂直STTM器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過(guò)去幾十年間，集成電路中特征的縮放已經(jīng)是不斷增長(zhǎng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力?？s放到越來(lái)越小的特征能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體芯片有限的面積上功能單元的增大的密度。例如，縮放晶體管尺寸容許在芯片上并入增加數(shù)量的存儲(chǔ)器器件，導(dǎo)致制造具有更大能力的產(chǎn)品。然而，對(duì)越來(lái)越大能力的驅(qū)動(dòng)并非沒(méi)有問(wèn)題。優(yōu)化每個(gè)器件的性能的必要性變得越來(lái)越重要。
[0003]自旋扭矩器件的工作基于自旋轉(zhuǎn)移扭矩現(xiàn)象。如果使電子電流通過(guò)被稱為固定磁性層的磁化層，其在離開(kāi)時(shí)會(huì)發(fā)生自旋極化。在快速行進(jìn)隧穿過(guò)程的每一個(gè)合格電子通過(guò)電介質(zhì)層時(shí)，其自旋(其被稱為電子的“本征”角動(dòng)量)將影響被稱為自由磁性層的下一磁性層中的磁化，導(dǎo)致小的變化。通過(guò)角動(dòng)量守恒原理，這引起扭矩導(dǎo)致的磁化的進(jìn)動(dòng)。由于電子的反射，扭矩還被施加到相關(guān)聯(lián)的固定磁性層(但是磁性層是“釘扎的(pinned)”)的磁化上。最后，如果電流超過(guò)一定臨界值(由磁性材料及其環(huán)境導(dǎo)致的阻尼給出)，則將由通常小于大約10納秒的電流脈沖切換自由磁性層的磁化。固定磁性層的磁化應(yīng)保持不變，因?yàn)橛捎趲缀谓Y(jié)構(gòu)或由于相鄰反鐵磁性層，相關(guān)聯(lián)的電流在其閾值以下。
[0004]自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以用于翻轉(zhuǎn)(flip)磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的有源元件。自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器或STTM相對(duì)于使用磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)有源元件的常規(guī)磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)具有更低的功率消耗和更好的可縮放性的優(yōu)點(diǎn)。然而，在STTM器件的制造和使用領(lǐng)域中仍然需要顯著的改進(jìn)。
【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1A是示出由于縮放STTM陣列中的單元接近度而引起的對(duì)磁場(chǎng)的影響的曲線圖。
[0006]圖1B是示出由于縮放STTM陣列中的單元接近度而引起的對(duì)所需電流的影響的曲線圖。
[0007]圖2A示出了垂直STTM器件的常規(guī)陣列的截面圖。
[0008]圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的垂直STTM器件構(gòu)成的錯(cuò)位陣列或偏移陣列的截面圖。
[0009]圖3A-3I示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造垂直STTM器件的陣列的方法的各個(gè)操作的截面圖。
[0010]圖4A-4H示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的制造垂直STTM器件的陣列的另一種方法的各個(gè)操作的截面圖。
[0011]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器(STTM)器件的材料層疊置體的截面圖
[0012]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括自旋轉(zhuǎn)移扭矩元件的自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器位單元的示意圖。
[0013]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子系統(tǒng)的框圖。
[0014]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的計(jì)算裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0015]描述了具有偏移單元的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲(chǔ)器(STTM)器件和制造具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的垂直STTM器件的方法。在以下描述中，闡述了很多特定細(xì)節(jié)，諸如特定的磁性層集成和材料域(regime)，以便提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的透徹理解。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的是，可以無(wú)需這些特定細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。在其它情況下，未詳細(xì)描述公知的特征，諸如集成電路設(shè)計(jì)布局，以免不必要地使本發(fā)明的實(shí)施例模糊不清。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，圖中所示的各個(gè)實(shí)施例是示例性表示，未必是按比例繪制的。
[0016]本文所描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例針對(duì)用于對(duì)垂直STTM系統(tǒng)進(jìn)行縮放的偏移存儲(chǔ)器器件。應(yīng)用可以包括在嵌入式存儲(chǔ)器、嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(NVM)、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、磁性隧穿結(jié)(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM和非嵌入式存儲(chǔ)器或獨(dú)立存儲(chǔ)器中的使用。在實(shí)施例中，通過(guò)使STTM器件的陣列內(nèi)的相鄰單元垂直位錯(cuò)實(shí)現(xiàn)垂直STTM器件內(nèi)的穩(wěn)定性，如下文更詳細(xì)地描述的。
[0017]一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例針對(duì)用于防止或減緩“串?dāng)_”(諸如來(lái)自STTM陣列中的邊緣場(chǎng))的方法，并且另外涉及提高這種陣列的封裝密度。隨著STTM縮放到越來(lái)越小的尺寸，還通常會(huì)因循守舊地縮放各個(gè)存儲(chǔ)器單元之間的間隔。在某一點(diǎn)上(例如，在某一技術(shù)節(jié)點(diǎn)上)，單元之間的間隔變得很小，使得來(lái)自一個(gè)存儲(chǔ)器器件的邊緣磁場(chǎng)能夠影響其鄰居的行為，導(dǎo)致降低的壽命和增大的開(kāi)關(guān)電流閾值。
[0018]例如，圖1A和IB分別是分別示出了由于縮放STTM陣列中的單元接近度而引起的對(duì)磁場(chǎng)的影響和所需電流的曲線圖100A和100B。更具體而言，曲線圖100A和100B分別關(guān)聯(lián)作為針對(duì)三個(gè)相鄰單元的單元間隔(△(!，以納米為單位)的函數(shù)的磁場(chǎng)(Hdisturt，其也是對(duì)單元的穩(wěn)定性的指示一Hdistmb越強(qiáng)，單元越穩(wěn)定)或所需結(jié)電流(其中，Jc是對(duì)器件切換的臨界電流密度)。參考曲線圖100A和100B，隨著Ad的降低(從右向左)，中央“受害者(victim) ”單元B的屬性受到干擾源(aggressor)單元A和C的磁場(chǎng)的影響。如果將受害者單元B排列為與單元A和C反平行(分別如頂部陣列102A和102B的情況)，那么隨著Δ d的降低，該單元將變得更難翻轉(zhuǎn)，而且更難寫(xiě)入。如果將受害者單元B排列為與單元A和C平行(如底部陣列104A和104B分別所示的情況一樣)，那么隨著d降低，該單元將變得更易于翻轉(zhuǎn)，而且更易于寫(xiě)入，因而更不穩(wěn)定。
[0019]曲線圖100A和100B中展示的現(xiàn)象示出了本領(lǐng)域尚未解決的問(wèn)題。一種方法可以是縮小每一個(gè)存儲(chǔ)元件的尺寸，以使得相鄰單元的邊緣之間的距離縮小。然而，尺寸的縮小還降低了穩(wěn)定性，因?yàn)榉€(wěn)定性隨著元件體積的降低而降低。
[0020]為了從結(jié)構(gòu)上展示相關(guān)問(wèn)題，圖2A示出了垂直STTM器件的常規(guī)陣列的截面圖，而圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的垂直STTM器件的錯(cuò)位陣列或偏移陣列的截面圖。
[0021]參考圖2A，例如，垂直STTM器件202A、204A、206A和208A的常規(guī)陣列200A例如被設(shè)置于底部電極210A上方。垂直STTM器件202A、204A、206A和208A通過(guò)負(fù)載線212A耦合至底部電極210A(應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)被示出為公共電極，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以將每一個(gè)器件耦合至其自身相對(duì)應(yīng)的晶體管電極，以形成1T-1STTM單元)。每一個(gè)垂直STTM器件202A、204A、206A和208A包括固定磁性層214A、隧穿氧化物層216A和自由磁性層218A。此外，垂直STTM器件202A、204A、206A和208A全都形成于同一平面內(nèi)(諸如，集成電路的同一后端互連層次內(nèi))，器件之間的示范性距離約為10納米，器件寬度約為40納米，以及負(fù)載線到負(fù)載線的距離(有效間距)約為50納米。在布置200A中，強(qiáng)邊緣場(chǎng)可能干擾相鄰器件的性能，如圖2A中所示，因?yàn)殚g隔大僅約為10納米。
[0022]相反，參考圖2B，例如，垂直STTM器件202B、204B、206B和208B的偏移陣列200B被設(shè)置于底部電極210B上方。垂直STTM器件202B、204B、206B和208B通過(guò)負(fù)載線212B耦合至底部電極210B(應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)被示為了公共電極，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，每一個(gè)器件耦合至其自身的相對(duì)應(yīng)的晶體管電極，以形成1T-1STTM單元)。每一個(gè)垂直STTM器件202B、204B、206B和208B包括固定磁性層214B、隧穿氧化物層216B和自由磁性層218B。然而，與陣列200A不同的是，垂直STTM器件202B、204B、206B和208B形成于兩個(gè)不同的平面內(nèi)，其中相鄰器件非共面。對(duì)于與200A相當(dāng)?shù)年嚵泄?jié)點(diǎn)而言，器件間的示范性距離保持為10納米。然而，在大約40納米的器件寬度的情況下，共面器件(例如，202B和206B共面，而204B和208B共面)之間的間隔約為60納米。因而共面器件的示范性的負(fù)載線到負(fù)載線的距離(有效間距)約為100納米。在示范性實(shí)施例中，相鄰器件之間的偏移的高度約為100納米。在布置200B中，共面器件之間(例如，器件204B與208B之間)的邊緣場(chǎng)和相鄰器件(例如，器件202B與204B之間)的邊緣場(chǎng)可能存在，如圖2B所示。然而，由于邊緣場(chǎng)在偏移的相鄰器件之間的或者在非相鄰的共面器件之間，因而有邊緣場(chǎng)(如果有的話)也相對(duì)較弱。由于邊緣場(chǎng)弱，因而實(shí)質(zhì)上消除了不穩(wěn)定性和/或開(kāi)關(guān)電流問(wèn)題。
[0023]此外，盡管陣列200B內(nèi)的器件的密度與陣列200A內(nèi)的器件的密度相同，但是在制造陣列200B中，可以減少光刻限制，如以下聯(lián)系示范性制造方法更詳細(xì)地描述的。例如，對(duì)于陣列200A，將兩個(gè)最小間隔特征之間的距離采取為大約50納米。在代間的0.7X縮放因子的情況下，針對(duì)陣列200B的布局(與200A的存儲(chǔ)密度相同)，可以采用2倍大的最小特征長(zhǎng)度或者采用早兩代的光刻限制來(lái)對(duì)所述單元進(jìn)行布局。即，陣列200A需要2F圖案化，而陣列200B只需4F圖案化。在光刻所面對(duì)的問(wèn)題而言，諸如陣列200B的陣列的制造將使得此方法的成本大大降低，盡管需要在兩個(gè)電介質(zhì)層上進(jìn)行圖案化，下文將更加詳細(xì)地描述權(quán)衡。在實(shí)施例中，與200A相比，隨著陣列200B中的存儲(chǔ)元件之間的距離的增大，有可能對(duì)存儲(chǔ)元件之間的距離中的某些進(jìn)行權(quán)衡，以獲得更大的密度。