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    • 专利摘要:
    可使用一單向及/或對稱程式化電流(16)來程式化自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元。單向程式化電流(16)沿一個方向流動經過該STT-MRAM單元(40)之自由區域(14)以沿至少兩個不同方向切換該自由區域(14)之磁化。對稱程式化電流(16)使用一實質上類似電流量值將該自由區域(14)之該磁化切換至該等方向中之任一者。該STT-MRAM單元(40)可包含：兩個固定區域(10a、10b)，其各自具有沿相反方向之固定磁化；及一自由區域(14)，其經組態以磁化切換為與該等固定區域(10a、10b)中之一者之該磁化平行或反平行於該等固定區域(10a、10b)中之一者之該磁化。將該自由區域(14)切換至不同磁化方向涉及將該程式化電流(16)引導穿過該兩個經相反磁化固定區域(10a，10b)中之一者。
    公开号:TW201310449A
    申请号:TW101122523
    申请日:2012-06-22
    公开日:2013-03-01
    发明作者:Jun Liu
    申请人:Micron Technology Inc；
    IPC主号:H01L43-00
    专利说明:
    具有對稱切換及單一方向程式化之自旋轉矩轉移記憶體單元結構
    本發明之實施例一般而言係關於記憶體，且更特定而言，係關於經組態以用於對稱及單向程式化之STT-MRAM單元。
    本章節意欲向讀者介紹可與下文闡述及/或所主張之本發明之各種態樣相關之技術之各種態樣。據信，本論述有助於向讀者提供背景資訊以促進對本發明之各種態樣之一較佳理解。因此，應理解，應以此觀點來閱讀此等陳述，而非作為對先前技術之認可。
    磁性隨機存取記憶體(MRAM)係基於磁阻之一非揮發性記憶體技術。不同於將資料儲存為電荷之典型隨機存取記憶體(RAM)技術，MRAM資料係藉由磁阻元件儲存。通常，一MRAM單元中之磁阻元件係由兩個磁性區域構成，兩個磁性區域中之每一者保持一磁化。一個區域(「釘紮區域」)之磁化沿其磁性定向係固定的，且另一區域(「自由區域」)之磁化可藉由由一程式化電流產生之一外部磁場而改變。因此，程式化電流之磁場可致使兩個磁性區域之磁性定向係平行(跨越磁阻元件給出一較低電阻(「0」狀態))或反平行(跨越MRAM單元之磁阻元件給出一較高電阻(「1」狀態))。自由區域之磁性定向及跨越磁阻元件之所得高或低電阻狀態之切換提供典型MRAM單元之寫入及讀取操作。
    一自旋轉矩轉移MRAM(STT-MRAM)單元係藉由改變磁阻元件之磁化而程式化之另一類型之記憶體單元。該STT-MRAM單元係藉由將一程式化電流傳輸穿過包含一自由區域及一釘紮區域之一磁性單元堆疊而被寫入。該程式化電流係藉由釘紮區域而極化。然後，自旋極化之電流對自由區域施加轉矩，從而切換自由區域之磁化。自由區域之磁化可經對準以係平行或反平行於釘紮區域，且改變跨越該堆疊之電阻狀態。
    通常，一雙向程式化電流用以將自由區域磁化自與固定區域之磁化平行改變至與其反平行及自與固定區域之磁化反平行改變至與其平行。為將自由區域磁化自平行於固定區域之磁化改變至反平行於固定區域之磁化，電子自自由區域流動至固定區域，且來自具有與固定區域之磁化相反之自旋之固定區域之經反射電子用以切換自由區域之磁化。與在其流動經過固定區域時經自旋極化之電子相比，可自固定區域反射具有與固定區域之磁化相反之一自旋之較少電子。因此，將自由區域磁化自與固定區域之磁化平行改變至與其反平行通常使用一較大程式化電流(例如，以具有具有與固定區域之磁化相反之一自旋之較大數目個經反射電子)而非將自由區域磁化自與固定區域之磁化反平行改變至與其平行。單元程式化中之此不對稱可導致製造及/或操作一STT-MRAM單元時之各種無效率。
    在以下詳細說明中且參考圖式闡述某些實施例。
    通常藉由改變一磁性記憶體單元中之一磁性電阻來程式化該單元。舉例而言，一磁性記憶體單元(本文中稱為一單元)可包含磁性材料之若干區域。在程式化期間，該單元之一個磁性區域(稱為「自由區域」)可進行磁化切換，且另一磁性區域(稱為「釘紮區域」)可保持磁化固定。通常，自由區域磁化可在兩個相反方向之間切換為平行或反平行於釘紮區域磁化。當自由區域與釘紮區域之磁化係平行時，跨越該等區域之電阻可係低，且當自由區域與釘紮區域之磁化係反平行時，跨越該等區域之電阻可係高。因此，可藉由切換自由區域之磁化而將一磁性記憶體單元程式化至一低電阻狀態或一高電阻狀態。
    此一磁性記憶體單元之一項實例係一自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元。圖1及2中表示程式化STT-MRAM單元(稱為一單元結構)之一可程式化結構。圖1係經程式化至一第一狀態之一單元結構之一圖解說明，其中自由區域14與固定區域10之磁化係平行的，且圖2係經程式化至一第二狀態之一單元結構之一圖解說明，其中自由區域14與固定區域10之磁化係反平行的。
    通常，程式化諸如圖1及2中所圖解說明之單元結構之一單元結構利用一雙向程式化電流。一雙向程式化電流可係指沿一第一方向施加穿過自由層14以將自由層14之磁化切換至一第一方向(例如，切換為與固定層10之磁化平行)且沿一第二(例如，相反)方向施加穿過自由層14以將自由層14之磁化切換至一第二狀態(例如，切換為與固定層10之磁化反平行)之一程式化電流。
    更特定而言，如圖1中所圖解說明，自自由區域14之一右側施加程式化電流Ip 16。程式化電流16之電子18可沿與程式化電流16之方向相反之一方向(亦即，自自由區域14之一左側)傳播。傳遞穿過固定區域10之電子18經自旋極化以具有固定區域10之自旋極性，如由上指箭頭20所表示。具有固定區域10之自旋極性20之電子18可傳播穿過非磁性區域12以將自由區域14之磁化切換為具有平行(如由自由區域14中之上指箭頭所表示)於固定區域10之磁化之一磁化，藉此將單元程式化至一第一狀態。
    為將一單元程式化至一第二狀態，可自自由區域14之一左側施加程式化電流16，如圖2中所圖解說明。程式化電流16之電子18可沿與程式化電流16之方向相反之一方向(亦即，自自由區域14之一右側)傳播。電子18可傳遞穿過自由區域14及非磁性區域12。由於自由區域14及非磁性區域12可不具有一強烈固定極性，因此電子18可在到達固定區域10之前仍係實質上未極化的。一旦電子18到達固定區域10，電子18中之某些電子即可藉由固定區域10經自旋極化且自固定區域10反射。經反射電子18可具有與固定區域10之自旋極性相反之一經反射自旋極性22，如由下指箭頭22所表示。具有固定區域10之相反自旋極性22之經反射電子可傳播穿過非磁性區域12以將自由區域14之磁化切換為具有反平行(如由自由區域14中之下指箭頭所表示)於固定區域10之磁化之一磁化，藉此將單元程式化至第二狀態。
    在如圖1及2中所圖解說明之此等典型單元組態中，且當使用具有相同量值之一程式化電流時，由固定區域10反射以具有與固定區域10之磁化相反之一自旋極化之電子18之量可小於傳播穿過固定區域10以具有固定區域10之一自旋極化之電子18之量。因此，可利用一較高程式化電流以將自由區域14之磁化自與固定區域10之磁化平行切換至與其反平行而非利用該程式化電流以將自由區域14之磁化自與固定區域10之磁化反平行切換至與其平行。
    圖3之圖表30繪製在一單元結構直徑範圍32(以nm為單位)內之一程式化電流範圍(以μA為單位)34，該程式化電流用於將一自由區域14磁化自反平行於一固定區域10之磁化切換至平行於一固定區域10之磁化，如由繪圖36所指示(稱為切換至一第一狀態)，且該程式化電流用於將自由區域14磁化自平行於一固定區域10之磁化切換至反平行於一固定區域10之磁化，如由繪圖38所指示(稱為切換至一第二狀態)。如由圖表30所指示，用於切換至第二狀態(繪圖36)之程式化電流顯著高於用於切換至第一狀態(繪圖36)之程式化電流。
    使用用於將一單元程式化至第二狀態之一雙向程式化電流及/或一較高電流量值操作一STT-MRAM單元可歸因於各種無效率。藉助一雙向程式化電流程式化一單元可涉及能夠雙向操作之一感測放大器，該感測放大器可比用於單一方向操作之電路效率更低。此外，能夠雙向操作之電路可比用於單一方向操作之電路佔用更多矽空間。使用一較高電流量值來將一單元程式化至第二狀態(與將該單元程式化至第一狀態相比)稱為不對稱程式化。不對稱程式化可降低單元之穩定性，此乃因在將高電壓與低電壓施加穿過自由區域之間切換可增加對自由層之延時及干擾。
    本發明技術之一或多項實施例包含具有經組態以用於藉助一單向程式化電流進行對稱程式化之單元結構之STT-MRAM單元。一單向程式化電流係指藉由沿一個方向將一程式化電流引導穿過一自由區域以使自由區域之磁化在兩個不同方向之間切換來程式化一STT-MRAM單元結構。在某些實施例中，可沿一個方向將一單向程式化電流施加穿過自由層以將單元程式化至一第一狀態，且可沿相同方向將單向程式化電流施加穿過自由層以將單元程式化至一第二狀態。對稱程式化係指使用一實質上類似電流量值將自由區域之磁化切換至該等兩個不同方向中之任一者。
    圖4及5中圖解說明適合於對稱單向程式化之一STT-MRAM單元結構之一實施例。圖4係經程式化至一第一狀態之一單元結構40之一圖解說明，其中自由區域14之磁化與一參考固定區域10a之磁化平行，且圖5係經程式化至一第二狀態之一單元結構40之一圖解說明，其中自由區域14之磁化反平行於一參考固定區域10a之磁化。如本文中所使用，一參考固定區域10a可用於闡述具有兩個固定區域10之實施例，其中藉由跨越自由區域14及兩個固定區域10中之一特定參考固定區域10a之電阻來判定STT-MRAM單元結構之經程式化狀態。
    如圖4及5中所圖解說明，某些實施例可包含兩個固定區域10a及10b，其各自具有固定至另一固定區域之一相反方向之一磁化，如由固定區域10a及10b中之每一者中之相反指向箭頭所表示。一非磁性區域12可安置於兩個固定區域10a與10b之間。在某些實施例中，一自由區域14可安置於非磁性區域12上方，且一頂部電極42可安置於自由區域14上方。在某些實施例中，一穿隧障壁可安置於自由區域14與非磁性區域12之間。此外，可藉由介電材料44分離自由區域14與固定區域10a及10b。
    在某些實施例中，固定區域10a及10b以及自由區域14可包含相同或不同材料。舉例而言，固定區域10及自由區域14中之每一者可包含磁性材料或鐵磁材料，諸如Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe或經摻雜合金CoX、CoFeX、CoNiFeX(X=B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C)或諸如Fe3O4、CrO2、NiMnSb、PtMnSb及BiFeO等其他半金屬鐵磁材料或以上材料之任何組合。
    非磁性區域12可適合於使固定區域10a、固定區域10b及自由區域14彼此分離且適合於實質上防止在固定區域10a、10b與自由區域14之磁化之間耦合。舉例而言，非磁性區域12可包含導電非磁性材料(諸如Cu、Au、Ta、Ag、CuPt、CuMn)、非導電非磁性材料(諸如AlxOy、MgOx、AlNx、SiNx、CaOx、NiOx、HfOx、TaxOy、ZrOx、NiMnOx、MgFx、SiC、SiOx、SiOxNy)或以上材料之任何組合。
    根據本發明技術，可藉助一單向程式化電流來程式化單元結構40。單向程式化電流可沿一個方向傳遞穿過自由區域14以將自由區域14之磁化切換為與固定區域10a或10b中之一者之磁化平行或與其反平行。
    圖4係程式化STT-MRAM單元結構40以使得自由區域14具有與參考固定區域10a平行之一磁化之一圖解說明。在某些實施例中，沿自自由區域14至非磁性區域12至固定區域10a之一方向施加一程式化電流(Ip)16。程式化電流16之電子18可沿與程式化電流16之方向相反之一方向自固定區域10a傳播穿過非磁性區域12穿過自由區域14且至頂部電極42。在某些實施例中，可藉由施偏壓於固定區域10a及10b以及頂部電極42之導線來控制電子18之路徑，此取決於欲寫入於單元結構40中之狀態。舉例而言，為將單元結構40寫入至一第一狀態，如圖4中所圖解說明，可將固定區域10a接地同時使固定區域10b浮動或以與非磁性區域12相同之電位施偏壓，以使得程式化電流16之引導及電子18之傳播可流動於固定區域10a、非磁性區域12與自由區域14之間(而不穿過固定區域10b)。在某些實施例中，可將固定區域10a及10b中之每一者耦合至一底部電極及/或至接地之一切換器以使其接地或被施以偏壓，此取決於單元結構40之程式化狀態。
    傳遞穿過固定區域10a之電子18經自旋極化以具有固定區域10a之自旋極性(其由上指箭頭表示)。具有固定區域10a之自旋極性20a之電子18可傳播穿過非磁性區域12朝向自由區域14以將自由區域14之磁化切換為具有平行(如由自由區域14中之上指箭頭所表示)於參考固定區域10a之磁化之一磁化，藉此將單元程式化至一第一狀態。
    圖5係程式化STT-MRAM單元結構40以使得自由區域14具有與參考固定區域10a反平行且平行於固定區域10b之一磁化之一圖解說明。為將一單元程式化至一第二狀態，可沿自自由區域14至非磁性區域12至固定區域10b之一方向施加程式化電流16。程式化電流16之電子18可沿與程式化電流16之方向相反之一方向自固定區域10b傳播穿過非磁性區域12穿過自由區域14且至頂部電極42。在某些實施例中，可將固定區域10b接地同時使固定區域10a浮動或以與非磁性區域12相同之電位施偏壓，以使得電子18流動於固定區域10b、非磁性區域12與自由區域14之間(而不穿過固定區域10a)。
    傳遞穿過固定區域10b之電子18經自旋極化以具有固定區域10b之自旋極性20b，其由下指箭頭表示。具有固定區域10b之自旋極性20之電子18可傳播穿過非磁性區域12朝向自由區域14以將自由區域14之磁化切換為具有反平行(如由自由區域14中之下指箭頭所表示)於參考固定區域10a之磁化之一磁化，藉此將單元程式化至一第二狀態。
    在某些實施例中，儘管可取決於單元結構40之程式化狀態而朝向固定區域10a或10b中之任一者引導程式化電流16，但可朝向固定區域10a或10b中之僅一者引導一讀取電流而不管單元結構40之經程式化狀態如何。因此，可相對於固定區域10a或固定區域10b中之一個固定磁化讀取自由區域14之經切換磁化。在圖4及5中所圖解說明之實施例中，相對於固定區域10a之固定磁化讀取自由區域14之磁化定向。在不同實施例中，亦可相對於一不同固定磁化定向(例如，固定區域10b之磁化)讀取自由區域14之磁化。
    一或多項實施例亦可涉及在程式化期間在單元結構40之非磁性區域12中產生一自旋過濾效應，如圖6中所圖解說明。該自旋過濾效應可係指跨越一鐵磁材料及非磁性材料介面流動之經自旋極化電子之一行為及/或自一非磁性材料及鐵磁材料介面反射之經自旋極化電子之一行為。如圖6中所圖解說明，電子18可正沿自固定區域10a穿過一鐵磁/非磁性介面46至非磁性區域12之一方向傳播。電子18可經自旋極化至固定區域10a之磁化，且經自旋磁化電子可累積於非磁性區域12中。電子18亦可在非磁性/鐵磁介面48處經反射以自旋磁化至與固定區域10b之磁化相反之一方向。因此，自非磁性/鐵磁介面48反射之電子18之自旋極化亦可經自旋極化至與藉由固定區域10a自旋極化之電子18相同之方向。沿固定區域10a之磁化之方向(由圖6之非磁性區域12中之上指箭頭所指示)累積經自旋極化電子可進一步影響自由區域14之切換。在某些實施例中，用於程式化自由區域14之程式化電流16可由於非磁性區域12中之自旋過濾效應而調整或減小。
    圖7A至7J中提供用於形成圖4至6中所圖解說明之單元結構40之一製程。製程步驟係由自在一介電材料58中形成三個STT-MRAM單元結構40時之中間結構之一x方向之側視圖(標示50x、60x、66x、68x及72x)及一y方向之對應側視圖(標示50y、60y、66y、68y及72y)表示。為簡化製程，圖7A至7J中所表示之製程圖解說明沿x方向(例如，一單元結構列之一視圖)及y方向(例如，一單元結構行之一視圖)中之每一者之三個單元之側視圖，但可由所闡述之製程形成任何數目個單元。
    該製程以在基板58中形成電晶體54及側閘極56開始，如視圖50x及50y(圖7A及7B)中所圖解說明。基板58可包含用於分離不同單元結構之介電材料(且亦可稱為介電質58)或任何其他適合材料。在一項實施例中，可使用一光微影蝕刻及乾式蝕刻製程來使基板58凹入。可使用諸如氮化鈦(TiN)之一適合金屬來在凹部中形成側閘極56，且可在兩個側閘極56之間沈積或形成經P摻雜矽54(如視圖50y中所圖解說明)以在基板58之凹部中形成電晶體54。在某些實施例中，諸如氮化矽(SiN)之一犧牲材料52可用作用於形成視圖50x及50y中所圖解說明之結構之一蝕刻遮罩。如圖7C及7D中所圖解說明，然後，該製程可涉及移除犧牲材料52且在電晶體54上方沈積或形成經N摻雜矽62且在N摻雜矽62上方沈積或形成一導電材料64(例如，CoSi2或任何其他適合金屬導電材料)，如視圖60x及60y中所圖解說明。經N摻雜矽62及導電材料64可形成垂直電晶體54之汲極。
    可在導電材料64上方形成一頂部電極42，如圖7E及7F之視圖66x及66y中所圖解說明。可藉由沈積一適合導電材料(諸如TiN、W等)來形成頂部電極42。在某些實施例中，可沿凹部之側壁在頂部電極42上方沈積介電質58。介電質58可充當一間隔件以減小沈積於介電質58之內周邊內之材料之直徑。如視圖66x及66y中所圖解說明，可在頂部電極42上方及由介電質58形成之間隔件內形成自由區域14，且可在自由區域14上方沈積非磁性材料12。
    如圖7G及7H中所圖解說明，然後，該製程可涉及在每一單元結構上方形成一非磁性區域12。可藉由沈積非磁性材料且將該等非磁性材料圖案化成若干線而形成非磁性區域12，以使得在一單元結構列上方形成非磁性區域12之一線，如視圖68y中所圖解說明。如視圖68x中所圖解說明，可在用於每一單元結構之非磁性區域12之任一側上形成固定區域10a及10b，且可在固定區域10a及10b中之每一者之一相反側上形成一金屬帶70。固定區域10a及10b之鐵磁材料可係藉由保形沈積而形成且可後續接著一間隔件蝕刻或間隔件形成製程。此外，金屬帶70可經組態以降低固定區域10a及10b之電阻且可包含一適合導電金屬(例如，TiN、W等)。金屬帶70亦可保形地沈積於固定區域10a及10b上方且可後續接著一間隔件形成製程。然後，可藉由交叉線圖案化來圖案化非磁性區域12列以形成個別單元結構40，如圖7I及7J之視圖72x及72y中所圖解說明。
    圖8係藉由圖7A至7J中所圖解說明之製程形成之一STT-MRAM單元結構40之一較大視圖之一圖解說明。圖4至6及圖8包含適合於藉助一單向程式化電流進行對稱程式化及/或程式化之一STT-MRAM單元結構之一或多項實施例。圖7A至7J包含形成單元結構40之一或多項實施例。根據本發明技術，實施例可包含可適合於對稱程式化及/或單向程式化之單元結構40之其他組態。此外，各實施例亦包含圖7A至7J中所圖解說明之製程之變化形式。舉例而言，各種類型之遮罩、蝕刻及/或沈積技術可適合於形成根據本發明技術之單元結構40之不同區域。
    應注意，儘管圖4至6及圖8中所圖解說明之實施例將一磁化定向繪示為相對於頁面沿一z方向指向(例如，上指及下指箭頭)，但本發明技術並不限於任何特定磁化定向。在某些實施例中，與圖4至6及圖8中之所繪示磁化定向相比，自由區域14以及固定區域10a及10b之磁化定向可係沿一不同方向(例如，沿一x方向或y方向)。在此等實施例中，自由區域14磁化定向可對應於固定區域10a及10b之磁化定向且經程式化以平行或反平行於固定區域10a或10b，從而指示記憶體單元之不同經程式化狀態。
    如本文中所使用，當闡述單元結構40之組態及/或用於形成單元結構40之技術(例如，圖7A至7J)時，諸如「在...上方」、「在...下面」、「形成於...上方」、「形成於...下方」、「安置於...上方」或「安置於...下方」等術語僅係指所闡述結構或製程之一個可能定向且並不將本發明實施例限制於任何特定定向。舉例而言，與圖8中所圖解說明之單元結構40相比，圖4至6中所圖解說明之單元結構40可具有一翻轉定向(例如，沿x方向)。
    此外，如本文中所使用，當一區域被認為係「形成於另一區域上方」、「形成於另一區域下方」、「安置於另一區域上方」、「安置於另一區域下方」或「安置有另一區域」時，可存在形成或安置於彼等區域之間的介入區域。舉例而言，在某些實施例中，自由區域14可安置於非磁性區域12上方，且一穿隧障壁15可安置於自由區域14與非磁性區域12之間。相反地，若一層或材料被認為係「直接形成於...上」、「直接形成於...下方」、「直接安置於...上」、「直接安置於...下方」、「沿...直接安置」、「與...直接接觸」或「觸碰」，則該等材料或層不在其間包含任何介入材料或層。
    儘管易於對本發明作出各種修改及替代形式，但已在圖式中藉由舉例方式展示且已在本文中詳細地闡述特定實施例。然而，應理解，本發明並非意欲限制於所揭示之特定形式。而是，本發明欲涵蓋歸屬於如由以下隨附申請專利範圍所定義之本發明之精神及範疇內之所有修改、等效物及替代方案。
    10‧‧‧固定區域/固定層
    10a‧‧‧參考固定區域/固定區域
    10b‧‧‧固定區域
    12‧‧‧非磁性區域/非磁性材料
    14‧‧‧自由區域
    15‧‧‧穿隧障壁
    16‧‧‧程式化電流
    18‧‧‧電子/經反射電子
    20‧‧‧上指箭頭/固定區域之自旋極性/自旋極性
    20a‧‧‧自旋極性
    20b‧‧‧自旋極性
    22‧‧‧下指箭頭/經反射自旋極性
    30‧‧‧圖表
    32‧‧‧單元結構直徑範圍
    34‧‧‧程式化電流範圍
    36‧‧‧繪圖
    38‧‧‧繪圖
    40‧‧‧單元結構/自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體
    42‧‧‧頂部電極
    44‧‧‧介電材料
    46‧‧‧鐵磁/非磁性介面
    48‧‧‧非磁性/鐵磁介面
    50x‧‧‧視圖
    50y‧‧‧視圖
    52‧‧‧犧牲材料
    54‧‧‧電晶體/經P摻雜矽
    56‧‧‧側閘極
    58‧‧‧基板/介電質/介電材料
    60x‧‧‧視圖
    60y‧‧‧視圖
    62‧‧‧經N摻雜矽
    64‧‧‧導電材料
    66x‧‧‧視圖
    66y‧‧‧視圖
    68x‧‧‧視圖
    68y‧‧‧視圖
    70‧‧‧金屬帶
    72x‧‧‧視圖
    72y‧‧‧視圖
    圖1係具有經程式化以具有平行於一固定區域之磁化之一磁化之一自由區域之一STT-MRAM單元結構之一圖解說明；圖2係具有經程式化以具有反平行於一固定區域之磁化之一磁化之一自由區域之一STT-MRAM單元結構之一圖解說明；圖3係繪製經估計程式化電流之一曲線圖之一圖解說明，該等經估計程式化電流經採用以將一自由區域切換為具有平行及反平行於一固定區域之磁化之一磁化(如圖1及2中所圖解說明)；圖4係根據本發明技術之實施例經組態以用於對稱程式化之一STT-MRAM單元結構之一圖解說明，該STT-MRAM單元結構經程式化以具有在參考固定區域與自由區域之間平行之磁化；圖5係根據本發明技術之實施例經組態以用於對稱程式化之一STT-MRAM單元結構之一圖解說明，該STT-MRAM單元結構經程式化以具有在參考固定區域與自由區域之間反平行之磁化；圖6係根據本發明技術之實施例經組態以用於一非磁性區域中之自旋累積之一STT-MRAM單元結構之一圖解說明；圖7A至7J係根據本發明技術之實施例用於形成經組態以用於對稱程式化之一STT-MRAM單元之一技術的沿一x方向及沿一y方向之一系列側視圖之圖解說明；且圖8係根據本發明技術之實施例使用圖7A至7E中所表示之技術形成之一STT-MRAM單元結構之一圖解說明。
    10a‧‧‧參考固定區域/固定區域
    10b‧‧‧固定區域
    12‧‧‧非磁性區域/非磁性材料
    14‧‧‧自由區域
    16‧‧‧程式化電流
    18‧‧‧電子/經反射電子
    20a‧‧‧自旋極性
    40‧‧‧單元結構/自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體
    42‧‧‧頂部電極
    44‧‧‧介電材料
    权利要求:
    Claims (25)
    [1] 一種自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元結構，其包括：一非磁性區域，其具有至少一第一側、一第二側及一第三側；一第一固定區域，其沿著該非磁性區域之該第一側安置；一第二固定區域，其沿著該非磁性區域之該第二側安置；及一自由區域，其沿著該非磁性區域之該第三側安置。
    [2] 如請求項1之STT-MRAM單元結構，其中該自由區域、該第一固定區域或該第二固定區域皆未彼此直接接觸。
    [3] 如請求項1之STT-MRAM單元結構，其包括一頂部電極，該頂部電極沿著該自由區域安置與該非磁性區域相對。
    [4] 如請求項1之STT-MRAM單元結構，其中該第一固定區域經組態以被接地以使得穿過該自由區域去往該非磁性區域且去往該第一固定區域之一程式化電流導致電子自該第一固定區域傳播穿過該非磁性區域且穿過該自由區域以將該自由區域之一磁化切換為與該第一固定區域之一磁化平行。
    [5] 如請求項4之STT-MRAM單元結構，其中該第二固定區域經組態以被接地以使得驅動穿過該自由區域去往該非磁性區域且去往該第二固定區域之一程式化電流導致電子自該第二固定區域傳播穿過該非磁性區域且穿過該自由區域以將該自由區域之一磁化切換為與該第一固定區域之一磁化反平行。
    [6] 如請求項1之STT-MRAM單元結構，其包括安置於該自由區域與該非磁性區域之間的一穿隧障壁。
    [7] 如請求項1之STT-MRAM單元結構，其包括：一第一介面，其中該第一固定區域接觸該非磁性區域，其中自該第一固定區域傳遞穿過該第一介面之電子累積於該非磁性區域中，其中該等傳遞電子經自旋極化至該第一固定區域之一磁化；及一第二介面，其中該第二固定區域接觸該非磁性區域，其中自該第二固定區域反射至該非磁性區域中之電子累積於該非磁性區域中，其中該等反射電子經自旋極化至與該第二固定區域相反之一磁化，且其中該等傳遞電子及該等反射電子經自旋極化至一實質上類似方向。
    [8] 一種自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元，其經組態以藉由一單向程式化電流而程式化，其中該STT-MRAM單元包括：一第一固定區域，其具有沿一第一方向之一磁化；一第二固定區域，其具有沿一第二方向之一磁化；一非磁性區域，其在該第一固定區域與該第二固定區域之間；及一自由區域，其安置於該非磁性區域上方，其中該自由區域經組態以藉由一單向程式化電流而磁化切換為具有與該第一固定區域之該磁化平行或反平行於該第一固定區域之該磁化之一磁化。
    [9] 如請求項8之STT-MRAM單元，其包括一頂部電極，該頂部電極安置於該自由區域上方與該非磁性區域相對之該自由區域之一側上。
    [10] 如請求項9之STT-MRAM單元，其包括安置於該頂部電極上方之一電晶體。
    [11] 如請求項8之STT-MRAM單元，其中該第一固定區域及該第二固定區域各自經組態以在該STT-MRAM單元之一操作期間接地或浮動。
    [12] 如請求項8之STT-MRAM單元，其中該自由區域經組態以在一程式化電流自該自由區域之一第一側流動至該自由區域之一第二側時進行磁化切換，其中該自由區域之該第一側毗鄰於該非磁性區域。
    [13] 一種經組態以用於對稱程式化之自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元，其中該STT-MRAM單元包括：一第一固定區域，其具有一第一磁化；一第二固定區域，其具有一第二磁化；一非磁性區域，其安置於該第一固定區域與該第二固定區域之間；及一自由區域，安置於該非磁性區域上方，其中該自由區域經組態以藉由一第一程式化電流切換為具有該第一磁化或藉由一第二程式化電流切換為具有該第二磁化，其中該第一程式化電流之一量值實質上類似於該第二程式化電流之一量值。
    [14] 如請求項13之STT-MRAM單元，其中該第一固定區域、該第二固定區域及該自由區域係不觸碰的。
    [15] 如請求項13之STT-MRAM單元，其中該第一固定區域、該第二固定區域及該自由區域各自包括Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe、CoX、CoFeX、CoNiFeX(X=B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C)、Fe3O4、CrO2、NiMnSb及PtMnSb、BiFeO或該等以上材料之任何組合。
    [16] 如請求項13之STT-MRAM單元，其中該非磁性區域包括Cu、Au、Ta、Ag、CuPt、CuMn、AlxOy、MgOx、AlNx、SiNx、CaOx、NiOx、HfOx、TaxOy、ZrOx、NiMnOx、MgFx、SiC、SiOx、SiOxNy或該等以上材料之任何組合。
    [17] 如請求項13之STT-MRAM單元，其中該非磁性區域經組態以將一自旋過濾效應轉移至該自由區域。
    [18] 如請求項13之STT-MRAM單元，其中該第一程式化電流及該第二程式化電流兩者皆係沿一個方向傳播穿過該自由區域之單向程式化電流。
    [19] 一種操作一自旋轉矩轉移磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)單元之方法，該方法包括：引導一第一程式化電流以將該STT-MRAM單元程式化成一第一狀態，其中將該第一程式化電流引導穿過一自由區域且穿過具有一第二磁化之一第二固定區域，以使得自該第二固定區域流動之電子經自旋極化至該第二磁化且將該自由區域之一磁化切換至該第二磁化；及引導一第二程式化電流以將該STT-MRAM單元程式化成一第二狀態，其中將該第二程式化電流引導穿過該自由區域且穿過具有一第一磁化之一第一固定區域，以使得自該第一固定區域流動之電子經自旋極化至該第一磁化且將該自由區域之該磁化切換至該第一磁化，其中該第一程式化電流及該第二程式化電流具有一實質上類似量值且沿相同方向傳遞穿過該自由區域。
    [20] 如請求項19之操作STT-MRAM單元之方法，其包括在該第一固定區域與該第二固定區域之間的一非磁性區域中產生一自旋過濾效應，其中該自旋過濾效應有助於將該自由區域之該磁化切換至該第一磁化或該第二磁化。
    [21] 如請求項19之操作STT-MRAM單元之方法，其中將該自由區域之該磁化切換至該第一磁化使該STT-MRAM單元程式化至一第一記憶體狀態且將該自由區域之該磁化切換至該第二磁化使該STT-MRAM單元程式化至一第二記憶體狀態。
    [22] 一種用於形成一單元結構之方法，該方法包括：在一基板中形成一凹部；在該凹部中形成一電晶體；在該凹部中且在該電晶體上方形成一自由區域；在該自由區域上方形成一非磁性區域，以使得該自由區域接觸該非磁性區域之一第一側；及形成第一固定區域及一第二固定區域，以使得該第一固定區域接觸該非磁性區域之一第二側且該第二固定區域毗鄰於該非磁性區域之一第三側，其中該自由區域、該第一固定區域或該第二固定區域皆未觸碰的。
    [23] 如請求項22之方法，其包括在該電晶體上方形成一頂部電極及在該頂部電極上方形成該自由區域。
    [24] 如請求項23之方法，其包括在該頂部電極上方形成一間隔件區域且在該間隔件區域之一內周邊內沈積該自由區域。
    [25] 如請求項22之方法，其包括耦合一切換器以使該第一固定區域或該第二固定區域接地。
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