多铁辅助电压控制磁各向异性存储器设备及其制造方法与流程

多铁辅助电压控制磁各向异性存储器设备及其制造方法
1.相关申请
2.本技术要求2020年8月27日提交的第17/004,534号美国非临时专利申请以及2020年8月27日提交的第17/004,690号美国非临时专利申请的优先权权益；该等专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开大体上涉及磁性(例如，自旋)存储器设备领域，且确切地说涉及包含多铁层的磁阻随机存取存储器(“mram”)设备以及其制造方法。


背景技术：

4.磁阻存储器设备可存储采用第一构型和第二构型的电阻差的信息，在第一构型中，铁磁自由层的磁化方向平行于铁磁参考层的磁化，在第二构型中，自由层的磁化方向反平行于参考层的磁化。对磁阻存储器设备进行编程需要采用各种外部电源来翻转自由层的磁化方向，这些外部电源本质上可为磁性的或可采用自旋转移机制。
5.电压控制磁各向异性(vcma)是指其中自由层的垂直磁各向异性与位于磁性隧道结中的自由层上的外部施加电压具有一级相关性的效应，该磁性隧道结包含自由层与铁磁参考层之间的介电隧道势垒层。介电隧道势垒层的厚度可至少为1nm，这减小了低于在编程期间切换自由层的磁化方向所需的临界电流的流动穿过介电隧道势垒层的隧穿电流。因此，所施加的电压用于切换自由层的磁化方向。所施加的电压在一个偏置方向上降低能量垂直磁各向异性，且在另一个偏置方向上将其提高。然而，vcma编程是非确定性的，且需要精确控制施加电压脉冲的时机以获得自由层的所要磁化方向。


技术实现要素：

6.根据本公开的一方面，提供了一种磁性存储器设备，其包括：第一电极；第二电极；和层叠堆，其位于第一电极与第二电极之间且从一侧到另一侧依次包括：参考层、隧道势垒层、自由层和包含至少一种晶粒的磁电多铁层，该至少一种晶粒沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的第一倾斜角的第一倾斜方向具有易磁化轴，轴向方向垂直于自由层与隧道势垒层之间的界面。
7.根据本公开的另一方面，一种对磁性存储器设备进行编程的方法包含应用第一编程电压模式且应用第二编程电压模式，该第一编程电压模式包括量值大于足以切换磁电多铁层的磁化方向的矫顽电压的第一正电压，该第二编程电压模式包括量值大于矫顽电压的负电压，接着是量值小于矫顽电压的第二正电压。
8.在一个实施方案中，第一正电压将磁电多铁层的磁化方向确定地编程为平行于参考层的磁化方向，且第一正电压的量值足以减弱自由层的垂直磁各向异性，这允许自由层将其磁化方向切换成平行于参考层的磁化方向。负电压将磁电多铁层的磁化方向确定地编程为反平行于参考层的磁化方向，且负电压增强自由层的垂直磁各向异性，使得自由层无
法切换其磁化方向。第二正电压的量值不足以切换磁电多铁层的磁化方向，且第二正电压的量值足以减弱自由层的垂直磁各向异性，这允许自由层将其磁化方向确定地切换成反平行于参考层的磁化方向。
9.根据本公开的又一方面，一种磁性存储器设备包括第一电极、第二电极和位于第一电极与第二电极之间的层叠堆，且从一侧到另一侧依次包括参考层、隧道势垒层、自由层和具有平面内磁化方向的电压控制磁各向异性(vcma)辅助结构。
附图说明
10.图1是根据本公开的实施方案的磁性隧道结设备的随机存取阵列的示意图。
11.图2a是根据本公开的第一实施方案的形成之后的第一示例性结构的竖直剖面图。
12.图2b是根据本公开的第一实施方案的第一示例性结构的替代实施方案的竖直剖面图。
13.图3a是具有铁电极化和磁矩的bifeo3晶胞的透视图。
14.图3b示出图3a的bifeo3晶胞的铁电极化与磁矩方向之间的相对空间定向。
15.图4a是根据本公开的第一实施方案的在第一编程状态下的第一示例性结构的竖直剖面图。
16.图4b是根据本公开的第一实施方案的在第二编程状态下的第一示例性结构的竖直剖面图。
17.图5是示出根据本公开的第一实施方案的磁电多铁层的轴向铁电极化的变化的图。
18.图6a是示出根据本公开的方面的用于将第一示例性结构的磁性存储器单元编程为第一磁性状态的第一电压脉冲模式的图。
19.图6b是示出根据本公开的方面的用于将第一示例性结构的磁性存储器单元编程为第二磁性状态的第二电压脉冲模式的图。
20.图7a是根据本公开的第一实施方案的形成之后的第二示例性结构的竖直剖面图。
21.图7b是根据本公开的第一实施方案的第二示例性结构的替代实施方案的竖直剖面图。
22.图8是根据本公开的第二实施方案的第二示例性结构的另一替代实施方案的竖直剖面图。
23.图9a是根据本公开的第二实施方案的在第一磁性状态下的第二示例性结构的竖直剖面图。
24.图9b是根据本公开的第二实施方案的在第二磁性状态下的第二示例性结构的竖直剖面图。
25.图10a是根据本公开的第二实施方案的用于感测第二示例性结构的磁性存储器设备的磁性状态的感测电压模式的图。
26.图10b是根据本公开的第二实施方案的用于对第二示例性结构的磁性存储器设备的磁性状态进行编程的编程电压模式的图。
具体实施方式
27.本公开的实施方案涉及一种含有磁电多铁层的电压控制磁各向异性存储器设备及其操作方法，其各个方面在下文详细描述。磁电多铁层提供确定性vcma编程机制(例如，其中自由层的磁化方向不取决于编程电压脉冲的持续时间)和/或提供由磁电多铁层的晶体特性确定的精确控制的平面内辅助磁场。
28.附图未按比例绘制。在其中示出元件的单个实例的情况下可以重复元件的多个实例，除非明确地描述或以其他方式清楚地指出不存在元件的重复。序号诸如“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于标识类似的元件，并且在本公开的整个说明书和权利要求书中可采用不同序号。术语“至少一个”元件是指包括单个元件的可能性和多个元件的可能性的所有可能性。相同的附图标号表示相同的元件或相似的元件。除非另有说明，具有相同附图标号的元件被假定具有相同的组成和相同的功能。除非另外指明，否则元件之间的“接触”是指提供元件共享的边缘或表面的元件之间的直接接触。如果两个或更多个元件彼此或彼此之间不直接接触，则这两个元件彼此“分离”或彼此“之间分离”。如本文所用，定位在第二元件“上”的第一元件可以定位在第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。如本文所用，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在物理接触，则第一元件“直接”定位在第二元件上。如本文所用，如果在第一元件和第二元件之间存在由至少一种导电材料构成的导电路径，则第一元件“电连接到”第二元件。如本文所用，“原型”结构或“过程中”结构是指随后在其中至少一个部件的形状或组成中被修改的瞬态结构。
29.如本文所用，“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可在下层或上覆结构的整体上方延伸，或者可具有小于下层或上覆结构的范围的范围。另外，层可以是均匀或不均匀的连续结构的厚度小于连续结构的厚度的区域。例如，层可以定位在连续结构的顶部表面和底部表面之间或在连续结构的顶部表面和底部表面处的任何一对水平平面之间。层可水平地、垂直地和/或沿着锥形表面延伸。衬底可以是层，可以在其中包括一个或多个层，或者可以在其上、在其上方和/或在其下方具有一个或多个层。如本文所用，“层叠堆”是指层的叠堆。如本文所用，“线”或“线结构”是指具有主要延伸方向的层，即具有该层延伸最大的方向。如本文所用，“铁电材料”是指表现出可通过施加外部电场而反转的自发性铁电极化(例如，表现出铁电性)的任何材料。如本文所用，“多铁”材料是指表现出至少两个铁性序，如磁性(铁磁性、反铁磁性或亚铁磁性)和铁电性的材料。如本文所用，“磁电多铁”是指表现出铁磁型序和铁电性的材料。总磁化的变化与磁电多铁材料中的总铁电极化的变化有关，且因此材料的磁矩方向的变化可与铁电极化方向的变化有关，反之亦然。
30.图1是根据本公开的实施方案的磁性隧道结设备180的随机存取存储器设备501的示意图。如本文所用，“随机存取存储器设备”是指包括存储器单元的存储器设备，该存储器单元允许随机访问，即，在用于读取所选择的存储器单元的内容的命令时访问任何所选择的存储器单元。
31.本公开的实施方案的随机存取存储器设备501可包括mram设备，例如含有多铁部分的多态stt型mram设备。设备501包含存储器阵列区550，该存储器阵列区含有相应磁性设备阵列，例如位于字线(其可包括如所示的第一导电线30或呈替代构型的第二导电线90)与位线(其可包括如所示的第二导电线90或呈替代构型的第一导电线30)的交叉点处的磁性隧道结设备(例如，磁阻存储器单元)180。例如，第一导电线30可电连接到存储器阵列区550
中的相应一行磁性隧道结设备180的底部电极和/或可包括该等底部电极，而该等第二导电线90可电连接到存储器阵列区550中的相应一列磁性隧道结设备180的顶部电极和/或可包括该等顶部电极。
32.随机存取存储器设备501还可含有连接到字线的行解码器560、连接到位线的感测和编程电路570(其可包含感测放大器、编程晶体管和控制电路)、连接到位线的列解码器580以及连接到感测电路系统的数据缓冲器590。磁性隧道结设备180以形成随机存取存储器设备501的阵列构型提供。在一个实施方案中，磁性隧道结设备180可被提供为矩形阵列。因此，磁性隧道结设备180中的每个磁性隧道结设备可以是包含相应第一电极和相应第二电极的双端子设备。应当注意，元件的位置和互连是示意性的，且元件可以不同构型布置。此外，磁性隧道结设备180可制造为离散设备，即单个隔离设备。
33.在随机存取存储器设备501中示出的随机存取构型仅是示例性的，且本公开的实施方案的磁性隧道结设备180可以不同的互连构型连接。
34.参考图2a和图2b，在第一示例性结构中示出磁性隧道结设备180的示例性构型。图2a的构型和图2b的构型是可以通过在磁性隧道结设备180的形成期间反转材料沉积顺序而彼此导出的替代构型，该磁性隧道结设备为磁性存储器设备。
35.第一示例性结构包含任选的绝缘材料层110，该绝缘材料层包含绝缘材料，例如未掺杂硅酸盐玻璃、掺杂硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、氮化硅、介电金属氧化物或它们的组合。在一个实施方案中，绝缘材料层110包括绝缘衬底，例如陶瓷或玻璃衬底。在另一实施方案中，绝缘材料层110可设置在半导体衬底(未示出)上，该半导体衬底上具有例如场效应晶体管的半导体设备(未示出)。在这种情况下，绝缘材料层110可包含金属互连结构嵌入其中的多个互连层级介电材料层。金属互连结构可提供半导体设备之间以及到形成于绝缘材料层110上方的第一导电线30及第二导电线90的电连接。在这种情况下，形成于绝缘材料层110上方的结构元件可嵌入介电基质(未明确示出)内，该介电基质嵌入第一导电线30和第二导电线。
36.第一导电线30可形成于绝缘材料层110上方。通过沉积和图案化至少一个金属层并将至少一个金属层图案化成沿第一水平方向横向延伸的线形结构，可在绝缘材料层110的顶表面上方形成第一导电线30。在一个实施方案中，至少一个金属层可包含金属势垒层的叠堆，该金属势垒层的叠堆包含导电金属氮化物和高导电性金属层，如铜层或钨层。替代地，线腔可形成于绝缘材料层110的上部部分中，且第一导电线30可通过镶嵌方法形成，其中至少一种金属材料沉积在线腔中，且从包含绝缘材料层110的顶表面的水平平面上方移除至少一种金属材料的多余部分。接触上覆磁性隧道结设备180的第一导电线30的每一部分包括磁性隧道结设备180的第一电极，该磁性隧道结设备为磁性存储器设备。
37.连续层叠堆可沉积在第一导电线30上方。连续层叠堆从下到上或从上到下依次包含任选的连续合成反铁磁性(saf)结构、连续铁磁性参考层、连续隧道势垒层、连续铁磁性自由层、连续磁电多铁层和任选的连续非磁性覆盖层。
38.任选的saf结构可包含超晶格结构，该超晶格结构包含铁磁性材料层和导电非磁性材料层的交替序列。在说明性示例中，超晶格结构可包含[x/q]n，其中x表示铁磁性材料层，如co、cofe、fe或cofeb层，q表示非磁性材料层，如pt或pd层，且n表示铁磁性材料层和非磁性材料层的双层叠堆的重复总次数。重复总次数n可在2至20的范围内，如3至8，但也可采
用更多次数。
[0039]
连续参考层包含具有垂直磁各向异性的铁磁性材料。连续参考层包含铁磁性材料，如cofe或cofeb。连续参考层可例如通过物理气相沉积进行沉积，且可具有在1nm至3nm范围内的厚度，但是也可采用更小和更大的厚度。
[0040]
连续隧道势垒层包含隧穿介电材料，如mgo。连续隧道势垒层可例如通过物理气相沉积进行沉积。连续隧道势垒层的厚度可在1nm至2nm范围内，如1.5nm至2nm，但也可采用更小和更大的厚度。
[0041]
连续自由层包含具有垂直磁各向异性的铁磁性材料。连续自由层包含铁磁性材料，如cofe或cofeb。连续自由层可例如通过物理气相沉积进行沉积，且可具有0.6nm至2nm范围内的厚度，但也可采用更小和更大的厚度。
[0042]
连续磁电多铁层包括磁电多铁材料。如本文所用，“多铁”是指表现出至少两种铁性序(如铁磁性和铁电性)的材料。如本文所用，“磁电多铁”是指表现出铁磁型序和铁电性的材料。总磁化的变化与磁电多铁中总电极化的变化有关，且因此磁性转变可与铁电极化的变化有关且反之亦然。
[0043]
连续磁电多铁层可包括可在沉积时或在施加初始磁场或初始电场时产生非零净磁化的任何多晶多铁材料或单晶多铁材料。在说明性示例中，连续磁电多铁层可包括选自bifeo3、h-ymno3、banif4、pbvo3、bimno3、lufe2o4、homn2o5、h-homno3、h-scmno3、h-ermno3、h-tmmno3、h-ybmno3、h-lumno3、k2seo4、cs2cdi4、tbmno3、ni
3v2
o8、mnwo4、cuo、zncr2se4、licu2o2和ni3b7o
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i的材料。连续磁电多铁层可通过合适的沉积方法，例如物理气相沉积进行沉积。连续磁电多铁层的厚度可为1nm或更小，如在0.3nm至1nm的范围内，如0.5nm至0.8nm，但也可采用更小和更大的厚度。
[0044]
在一个实施方案中，连续磁电多铁层的极化和磁化方向彼此正交。连续磁电多铁层包含至少一种晶粒，该至少一种晶粒沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的第一倾斜角的第一倾斜(即，侧倾)方向具有易磁化轴。轴向方向垂直于连续自由层与连续隧道势垒层之间的界面。在一个实施方案中，连续磁电多铁层包含多个晶粒，该等多个晶粒沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的相应第一倾斜角的相应第一倾斜方向具有易磁化轴。
[0045]
通常，连续磁电多铁层的晶粒中的磁化方向可取决于磁电多铁层内的优选晶粒定向和/或杂质掺杂。如果磁电多铁材料包括bifeo3，则沿(110)平面具有优选晶粒定向的多晶bifeo3层可提供主要轴向磁化方向，即超过50％的所有晶粒可具有垂直于连续隧道势垒层与连续自由层之间的界面的相应磁化方向(例如，自旋定向)。沿(100)平面具有优选晶粒定向的多晶bifeo3层可沿《111》方向提供主要侧倾磁化方向，即，超过50％的所有晶粒可具有不垂直于且不平行于连续隧道势垒层与连续自由层之间的界面的相应磁化方向(例如，自旋定向)。相反，沿(100)平面具有优选晶粒定向但其在bi晶格格位上掺杂la的多晶bifeo3层可提供主要轴向磁化方向，即，超过50％的所有晶粒可具有垂直于连续隧道势垒层与连续自由层之间的界面的相应磁化方向(例如，自旋定向)。沿(111)平面具有优选晶粒定向的多晶bifeo3层可提供主要平面内磁化方向，即，超过50％的所有晶粒可具有平行于连续隧道势垒层与连续自由层之间的界面的相应磁化方向(例如，自旋定向)。
[0046]
任选的连续非磁性覆盖层包含抗氧化和/或扩散的非磁性金属。在一个实施方案
中，连续非磁性覆盖层可包含熔点高于1,500摄氏度的金属。例如，连续非磁性覆盖层的金属可包含钌、钽、铂或金。连续非磁性覆盖层可通过物理气相沉积进行沉积。连续非磁性覆盖层的厚度可在0.5nm至2nm范围内，但也可采用更小和更大的厚度。
[0047]
可以将连续层叠堆图案化成柱结构的二维阵列。可使用离子束研磨和/或光刻和蚀刻来执行图案化。柱结构中的每个柱结构可包含磁性隧道结设备180，该磁性隧道结设备为磁性存储器设备(例如，mram单元)。
[0048]
在每个柱结构中(例如，在包括mram单元的每个磁性隧道结设备180中)，连续saf结构的每个图案化部分包括saf结构120。连续参考层的每个图案化部分包括参考层132。如果saf结构120包含超晶格，则参考层132可接触saf结构超晶格的非磁性层。连续隧道势垒层的每个图案化部分包括隧道势垒层(即，隧穿介电层)134。连续自由层的每个图案化部分包括自由层136。连续磁电多铁层的每个图案化部分包括磁电多铁层140。
[0049]
介电基质层190可沉积在磁性隧道结设备180的阵列上方和周围(即，围绕柱结构)。介电基质层190包含介电材料，如氮化硅、氧化硅、有机硅酸盐玻璃和/或介电金属氧化物。在一个实施方案中，介电基质层190可包含介电扩散衬垫(如氮化硅衬垫)和介电填充材料(如氧化硅)。介电基质层190可被平坦化以在包含磁性隧道结设备180的顶表面的水平平面上方提供水平顶表面。例如，可采用化学机械平坦化(cmp)来平坦化介电基质层190的顶表面。
[0050]
沿第二水平方向横向延伸的线腔可形成在介电基质层190的上部部分中。第二水平方向与第一水平方向不同，且可垂直于第一水平方向。可在线腔中沉积至少一种导电材料，且可从包含介电基质层190的顶表面的水平平面上方移除至少一种导电材料的多余部分。填充线腔的至少一种导电材料的每个剩余部分包括第二导电线90。每个第二导电线90可包括磁性隧道结设备180的二维阵列的至少一个第二电极。替代地，第二导电线90可形成于柱结构中的每个柱结构上，随后在第二导电线90上方形成介电基质层190。
[0051]
在一个实施方案中，每个第一导电线30可接触相应一行磁性隧道结设备180，且每个第二导电线90可接触相应一列磁性隧道结设备180。在这种情况下，每个第一导电线30可包括一行第一电极，且每个第二导电线90可包括一列第二电极。
[0052]
在一个实施方案中，磁电多铁层140内在体积上占主导地位的晶粒子组(即，占据超过每个磁电多铁层140的整个体积的50％的一组晶粒)可沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的第一倾斜角的第一倾斜方向(如《111》方向)具有易磁化轴。轴向方向垂直于每个磁性隧道结设备180内的自由层136与隧道势垒层134之间的每个界面。在一个实施方案中，每个磁电多铁层140可沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的第二倾斜角的第二倾斜方向具有相应易铁电极化轴。每个晶粒的第二方向可或可不平行于或反平行于相应晶粒的第一方向。每个磁电多铁层140可以是单晶或多晶的，即，可含有多个晶粒，该等晶粒邻接在磁电多铁材料的晶体结构不连续的晶粒边界处。
[0053]
根据本公开的实施方案，可通过施加轴向初始磁场或电场在磁性隧道结设备180的阵列内的每个磁电多铁层140内诱导净轴向磁化。电场可由于磁电耦合而切换铁电极化和对应磁化。可沿着垂直于每个自由层136与隧道势垒层134之间的界面的竖直方向施加轴向初始磁场或电场。轴向初始磁场或电场可沿着轴向初始磁场或电场的方向对齐每个磁电多铁层140中的每个晶粒的磁化的竖直分量。因此，每个磁电多铁层140可具有净非零轴向
磁化。在这种情况下，每个磁电多铁层140可具有与净非零轴向磁化相关联的净非零铁电极化。
[0054]
根据本公开的另一实施方案，可通过施加轴向初始电场来在磁性隧道结设备180的阵列内的每个磁电多铁层140内诱导净轴向铁电极化。可沿着垂直于每个自由层136与隧道势垒层134之间的界面的竖直方向施加轴向初始电场。轴向初始电场可沿着轴向初始电场的方向对齐每个磁电多铁层140中的每个晶粒的铁电极化的竖直分量。因此，每个磁电多铁层140可具有净非零轴向铁电极化。在这种情况下，每个磁电多铁层140可具有与净非零轴向铁电极化相关联的净非零磁化。
[0055]
根据本公开的方面，提供了一种磁性存储器设备，其包括：第一电极(包括第一导电线30的一部分)；第二电极(包括第二导电线90的一部分)；和层叠堆(120，132，134，136，140，170)，其位于第一电极与第二电极之间且从一侧到另一侧依次包括参考层132、隧道势垒层134、自由层136和包含至少一种晶粒的磁电多铁层140，该至少一种晶粒沿轴向方向或沿相对于轴向方向具有小于90度的第一倾斜角的第一倾斜方向具有易磁化轴，轴向方向垂直于自由层136与隧道势垒层134之间的界面。
[0056]
在一个实施方案中，层叠堆(120，132，134，136，140，170)还包括非磁性覆盖层170，该非磁性覆盖层包含非磁性金属且接触磁电多铁层140和第一电极和第二电极中的一者。在一个实施方案中，磁电多铁层140包括选自以下各者的至少一种材料和/或基本上由其组成：bifeo3、h-ymno3、banif4、pbvo3、bimno3、lufe2o4、homn2o5、h-homno3、h-scmno3、h-ermno3、h-tmmno3、h-ybmno3、h-lumno3、k2seo4、cs2cdi4、tbmno3、ni
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o8、mnwo4、cuo、zncr2se4、licu2o2或ni3b7o
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i。
[0057]
在一个实施方案中，可提供图2a或图2b的磁性存储器设备的实例的二维阵列。磁性存储器阵列可包括：第一导电线30，其彼此平行且沿第一方向延伸；以及第二导电线90，其彼此平行且沿垂直于第一方向的第二方向延伸。第一导电线30中的每个第一导电线包括磁性存储器阵列中相应一行磁性存储器设备的实例的第一电极。第二导电线90中的每个第二导电线包括磁性存储器阵列中相应一列磁性存储器设备的实例的第二电极。
[0058]
在一个实施方案中，磁电多铁层140可具有净非零轴向磁化。磁电多铁层140的净平面内铁磁矩可为零(对于轴向多铁材料)或不为零(对于侧倾多铁材料)。因此，磁电多铁层140的净平面内磁化可为零(对于轴向多铁材料)或不为零(对于侧倾多铁材料)。
[0059]
图3a示出具有沿(111)平面内的《111》族方向(例如，[111]方向)和侧倾磁矩方向mc中的一者的铁电极化方向p的bifeo3立体晶胞。图3b示出(111)平面内磁矩方向mc的平面内(100)和平面外(001)分量。对于每个磁电多铁晶胞，磁矩方向mc与极化方向p之间的相对空间定向(例如，90度角)相同。每个多铁部分的侧倾磁矩方向mc的平面外(001)分量经由其界面处的交换偏置或耦合(例如，铁磁性或反铁磁性耦合)磁性地耦合到对应自由层的磁化方向。
[0060]
在一个实施方案中，磁电多铁层140的多晶晶粒的易磁化轴可沿着轴向方向。在另一实施方案中，磁电多铁层140的多晶晶粒的易磁化轴可沿着相应第一倾斜(即，侧倾)方向，如《111》方向中的一个方向。
[0061]
参考图4a和图4b，示出了第一示例性结构中的磁性隧道结设备180的磁性状态(其对应于磁阻状态)。图4a示出磁性隧道结设备180的第一磁性状态，且图4b示出磁性隧道结
设备180的第二磁性状态。磁电多铁层140的磁化方向mm以磁性方式耦合到自由层136的磁化方向mf。因此，在磁性隧道结设备180的第一磁性状态和第二磁性状态中的每一者中，磁电多铁层140的磁化方向mm可与自由层136的磁化方向mf对齐。在图4a中，自由层136的磁化方向mf平行于参考层132的磁化方向mr。因此，磁性隧道结设备180(例如，mram单元)处于较低电阻状态。在图4b中，自由层136的磁化方向mf反平行于参考层132的磁化方向mr。因此，磁性隧道结设备180(例如，mram单元)处于较高电阻状态。
[0062]
参考图5，示意性地示出了图4a和图4b所示的磁性存储器设备的编程机制。图5示出了磁电多铁层140的轴向电极化随施加在第二电极和第一电极上的外部电压，即相对于第一电极施加在第二电极上的外部电压而变的迟滞曲线。磁电多铁层140的磁化方向mm可在跨磁电多铁层140施加电压时切换，该电压超过磁电多铁层140的磁电多铁材料的矫顽电压(取决于极性，其可为vc 或vc-)的量值。正矫顽电压vc和负矫顽电压vc-可具有相等量值，且彼此极性可不同。
[0063]
图6a示出了第一编程电压模式p1，其可用于将磁性隧道结设备180编程为图4a所示构型中的较低电阻状态。图6b示出了第二编程电压模式p2，其可用于将磁性隧道结设备180编程为图4b所示的较高电阻状态。
[0064]
参考图5和图6a，第一编程电压模式p1包含量值大于施加到第一电极与第二电极之间的磁性隧道结设备180的矫顽电压的第一极性电压。在图5和图6a的实施方案中，第一极性电压为正电压vp1，其量值大于施加到第一电极与第二电极之间的磁性隧道结设备180的矫顽电压(vc )。然而，应当理解，在替代实施方案中，第一极性电压可以是量值大于矫顽电压的负电压。正电压确定地将磁电多铁层140的磁化方向mm编程为平行于参考层132的磁化方向mr。此外，正电压的量值足以降低隧道势垒层134与自由层136之间的界面处的垂直磁各向异性(“pma”)和磁各向异性势垒高度，以允许自由层136确定地切换其磁化方向mf。由于自由层136的磁化方向mf耦合到磁电多铁层140的磁化方向mm，因此自由层136的磁化方向mf与磁电多铁层140的磁化方向mm对齐。因此，自由层136的磁化方向mf被确定地编程为平行于参考层132的磁化方向mr，如图4a所示。因此，磁性隧道结设备180被确定地编程为较低电阻状态。
[0065]
参考图5和图6b，第二编程电压模式p2包含与第一极性电压相反的第二极性电压，该第二极性电压的量值大于施加到第一电极与第二电极之间的磁性隧道结设备180的矫顽电压。在图5和图6b的实施方案中，第二极性电压是负电压vp2，其量值大于施加到第一电极与第二电极之间的磁性隧道结设备180的矫顽电压(vc-)。然而，应理解，在替代实施方案中，第二极性电压可以是量值大于矫顽电压的正电压。负电压将磁电多铁层140的磁化方向mm确定地编程为反平行于参考层132的磁化方向mr。然而，负电压增加隧道势垒层134与自由层136之间的界面处的垂直磁各向异性(“pma”)和磁各向异性势垒高度，使得自由层136无法切换其磁化方向mf。
[0066]
因此，第二编程电压模式p2还包含量值小于施加到第一电极与第二电极之间的磁性隧道结设备180的矫顽电压的第一极性电压。在图5和图6b的实施方案中，第一极性电压为正电压vp3，其量值小于施加到第一电极与第二电极之间的磁性隧道结设备180的矫顽电压(vc )。然而，应理解，在替代实施方案中，第一极性电压可以是量值小于矫顽电压的负电压。
[0067]
正电压vp3的量值不足以切换磁电多铁层140的磁化方向mm。然而，正电压vp3的量值不足以降低隧道势垒层134与自由层136之间的界面处的垂直磁各向异性(“pma”)和磁各向异性势垒高度以允许自由层136确定地切换其磁化方向mf。由于自由层136的磁化方向mf耦合到磁电多铁层140的磁化方向mm，因此自由层136的磁化方向mf与磁电多铁层140的磁化方向mm对齐。因此，自由层136的磁化方向mf被确定地编程为反平行于参考层132的磁化方向mr，如图4b所示。因此，当负电压脉冲vp2之后接着较小的正电压脉冲vp3时，磁性隧道结设备180被确定地编程为较高电阻状态。
[0068]
参考图5、图6a和图6b，正电压脉冲vp1的量值可介于0.5v与2v之间，负电压脉冲vp2的量值可介于-0.5v与-2v之间，且第三正电压脉冲vp3的量值可介于0.3v与1v之间，并且该第三正电压脉冲的绝对值小于负电压脉冲vp2的绝对值。
[0069]
通常，本公开实施方案的磁性存储器设备可包括编程电路，如图1的施加避开电压的随机存取存储器设备501的感测和编程电路570的组件。替代地，每个磁性隧道结设备180可单独连接到相应编程电路，该编程电路被配置成对单个磁性隧道结设备180进行编程。
[0070]
参考图7a和图7b，示出了根据本公开的第二实施方案的第二示例性结构的构型。通过用具有平面内磁化方向的vcma辅助结构200替换磁电多铁层140，第二示例性结构的构型可源自图2a和图2b中所示的第一示例性结构的构型。在图7a和图7b的构型中，vcma辅助结构200包括具有平面内磁化方向mm的磁电多铁层140
′
。平面内磁化提供用于vcma进动切换的平面内磁性偶极磁场。层140
′
可包括可提供主要平面内磁化方向的沿(111)平面具有优选晶粒定向的多晶bifeo3层，即超过50％的所有晶粒可具有平行于隧道势垒层134与自由层136之间的界面的相应磁化方向(例如，自旋定向)。
[0071]
磁电多铁层140
′
的净平面内磁化可通过施加平面内磁场或通过施加平面外的外部电场来诱导。因此，磁电多铁层140
′
的晶粒的主要部分(即，体积大于50％)可以具有净非零平面内磁化。在这种情况下，每个磁电多铁层140
′
可具有与净非零平面内磁化相关联的净非零铁电极化。换句话说，可通过沿平行于自由层136与隧道势垒层134之间的界面的平面内方向施加外部磁场来诱导每个磁电多铁层140
′
的净平面内磁化。磁电多铁层140
′
的净平面内铁电极化和磁电多铁层140
′
的净平面内磁化可由外部磁场同时诱导。
[0072]
根据本公开的另一实施方案，通过施加平面内或平面外初始电场，可在磁性隧道结设备180的阵列内的每个磁电多铁层140
′
内诱导净平面内铁电极化。平面内初始电场可沿平行于每个自由层136与隧道势垒层134之间的界面的水平方向施加。平面内初始电场可沿着平面内初始电场的方向对齐每个磁电多铁层140
′
中每个晶粒的铁电极化的平面内分量。因此，每个磁电多铁层140
′
可具有净非零平面内电极化。在这种情况下，每个磁电多铁层140
′
可具有与净非零平面内铁电极化相关联的净非零平面内磁化。换句话说，可通过沿平行于自由层136与隧道势垒层134之间的界面的平面内方向施加外部电场来诱导每个磁电多铁层140
′
的净平面内磁化。每个磁电多铁层140
′
的净平面内铁电极化和每个磁电多铁层140
′
的净平面内磁化可由外部电场同时诱导。
[0073]
通常，每个磁电多铁层140
′
的净平面内磁化的量值可比相应磁电多铁层140
′
的任何净轴向磁化的量值大至少一个数量级，即大10倍，如大30或100倍。
[0074]
参考图8，示出了第二示例性结构的替代构型，其可通过使用包括具有平面内磁化方向的铁磁或亚铁磁层240和位于自由层136与铁磁或亚铁磁层240之间的导电非磁性间隔
层138的vcma辅助结构200而源自图7a和图7b中所示的第二示例性结构的构型。铁磁或亚铁磁层240可包括cofe或cofeb铁磁层或fe3o4亚铁磁层。导电非磁性间隔层138可包括任何合适的非磁性金属层，如pt、ta、ru、w等。层238和240中的每个层的厚度可介于1nm与2nm之间，但也可采用更小和更大的厚度。
[0075]
共同参考图7a、图7b和图8，提供了一种磁性存储器设备，其包括：第一电极(包括第一导电线30的部分)；第二电极(包括第二导电线90的部分)；和层叠堆(任选的120，132，134，136，200，任选的170)，其位于第一电极与第二电极之间且从一侧到另一侧依次包括具有固定轴向磁化方向的参考层132、隧道势垒层134、具有平行于或反平行于固定轴向磁化方向的易磁化轴的自由层136以及具有平面内磁化方向的vcma辅助结构200。
[0076]
在一个实施方案中，vcma辅助结构包括包含至少一种晶粒的磁电多铁层140
′
，该至少一种晶粒具有平行于自由层136与隧道势垒层134之间的界面的易磁化轴，且磁电多铁层140
′
的净平面内磁化不为零。
[0077]
在一个实施方案中，磁电多铁层140
′
具有平行于自由层136与隧道势垒层134之间的界面的净铁电极化。在一个实施方案中，磁电多铁层140
′
可以是多晶的，且在磁电多铁层140
′
内在体积上占主导地位的晶粒子组(即占据超过每个磁电多铁层140的整个体积的50％的一组晶粒)可具有与磁电多铁层140
′
的净平面内磁化方向对齐或成小于145度的角的相应磁化方向。在一个实施方案中，磁电多铁层140
′
的净平面内磁化可平行于或反平行于磁电多铁层140
′
的净平面内磁化方向。
[0078]
在一个实施方案中，磁电多铁层140
′
包括选自bifeo3、h-ymno3、banif4、pbvo3、bimno3、lufe2o4、homn2o5、h-homno3、h-scmno3、h-ermno3、h-tmmno3、h-ybmno3、h-lumno3、k2seo4、cs2cdi4、tbmno3、ni
3v2
o8、mnwo4、cuo、zncr2se4、licu2o2和ni3b7o
13
i的材料。例如，磁电多铁层140
′
包括具有(111)优选晶粒定向且厚度为1nm或更小的bifeo3层。
[0079]
在一个实施方案中，层叠堆还包含saf结构120。在一个实施方案中，层叠堆(任选的120，132，134，136，200，任选的170)包括非磁性覆盖层170，该非磁性覆盖层包含接触磁电多铁层140’和电极和第二电极中的一者的非磁性金属。
[0080]
在图8所示的另一实施方案中，vcma辅助结构200包括具有平面内磁化方向的铁磁或亚铁磁层240和位于自由层136与铁磁或亚铁磁层240之间的导电非磁性间隔层138。
[0081]
参考图9a和图9b，示出了第二示例性结构的第一编程状态和第二编程状态。图9a示出了第一编程状态，且图9b示出了第二编程状态。第一编程状态(例如，较低电阻状态)在自由层136的磁化mf与参考层132的磁化mr之间具有平行对齐。第二编程状态(例如，较高电阻状态)在自由层136的磁化mf与参考层132的磁化mr之间具有反平行对齐。图9a的第一编程状态和图9b的第二编程状态具有不同的隧穿磁阻值。因此，可通过在第二电极和第一电极上施加低电压感测偏置电压并测量通过磁性隧道结设备180的隧穿电流的量值来确定第二示例性结构中的磁性隧道结设备180的磁性状态。
[0082]
参考图10a，第二示例性结构可包含感测电路(其可以是图1中所示的感测和编程电路570的组件，或可以是独立感测电路)，该感测电路被配置成确定第一电极与第二电极之间的层叠堆(任选的120，132，134，136，200，任选的170)的隧穿磁阻。感测电路可被配置成通过将层叠堆的隧穿磁阻的测量值与目标值进行比较来确定磁性存储器设备(即，磁性隧道结设备180)的存储器状态是否处于目标状态，该目标值可以是图9a所示的平行状态的
目标值或图9b所示的反平行状态的目标值。
[0083]
感测电路可被配置成施加第一极性的感测脉冲vs。可选择第一极性，使得感测脉冲vs增强自由层136的垂直磁各向异性。换句话说，自由层136的磁化不太可能在平行状态与反平行状态之间进行转变。因此，感测操作不会干扰第二示例性结构的磁性隧道结设备180的磁性状态。例如，感测脉冲可包括负电压脉冲。在一个实施方案中，感测脉冲vs的电压的绝对量值可在0.05v至0.5v范围内，如0.1v至0.2v，但也可采用更小和更大的电压。
[0084]
如果感测操作确定磁性隧道结设备180的所测量磁性状态与磁性隧道结设备180的目标磁性状态相同，则不需要进一步动作。
[0085]
参考图10b，如果感测操作确定磁性隧道结设备180的所测量磁性状态与磁性隧道结设备180的目标磁性状态相反，则可采用编程电路将磁性隧道结设备180编程为目标磁性状态。编程电路可以是图1中示出的感测和编程电路570的组件，或者可以是被配置成对单个磁性隧道结设备180进行编程的离散电路。编程电路可被配置成在磁性存储器设备不处于目标状态的情况下施加vcma编程电压脉冲vp，且可被配置成在磁性存储器设备处于目标状态的情况下不施加任何编程电压脉冲，该vcma编程电压脉冲诱导自由层136的磁化方向与垂直于自由层136与隧道势垒层134之间的界面的轴向方向之间的角度的进动。
[0086]
vcma编程电压脉冲vp在不施加外部磁场的情况下非确定地对磁性存储器设备进行编程。vcma编程电压脉冲vp可具有与第一极性相反的第二极性。编程电压脉冲vp减弱自由层136的垂直磁各向异性。因此，编程电压脉冲vp使得自由层136的磁化方向能够移动。例如，编程电压vp可以是绝对量值大于感测脉冲vs的0.3v到1v的正电压脉冲。
[0087]
本公开的各种实施方案可用于提供电压控制磁各向异性(vcma)隧穿磁阻(tmr)存储器设备。vcma tmr设备可具有如在第一示例性结构的情况下的确定性切换机制，或可具有如在第二示例性结构的情况下的脉冲持续时间控制的切换机制。由于编程机制的确定性性质，编程结果与第一示例性结构的情况下的脉冲幅度或脉冲持续时间的变化无关。第二示例性结构的vcma辅助结构提供可预测且良好控制的杂散磁场(残余磁场)，该杂散磁场确定自由层136的磁化与竖直轴线之间的角度的进动频率，从而提高切换磁性状态的vcma编程的准确度和可靠性。此外，当vcma辅助结构包含平面内多铁层140
′
时，由于氧轨道和金属3d轨道的杂化，此类多铁层可向自由层提供额外pma。
[0088]
此外，如bifeo3的多铁层的电阻率小于典型隧道势垒材料(例如，mgo)。由于多铁层具有与隧道势垒层相似的厚度，因此多铁层不会显著增大存储器设备的电阻(即，不会增加显著的寄生电阻)。因此，相对较小的感测电压可用于读取存储器设备而不干扰与缺乏多铁层的常规vcma mram相似的写入磁性状态。
[0089]
虽然前面提及特定优选实施方案，但是将理解本公开不限于此。本领域的普通技术人员将会想到，可对所公开的实施方案进行各种修改，并且此类修改旨在落在本公开的范围内。在本公开中示出采用特定结构和/或构型的实施方案，应当理解，本公开可以以功能上等同的任何其他兼容结构和/或构型来实践，前提条件是此类取代不被明确地禁止或以其他方式被本领域的普通技术人员认为是不可能的。本文引用的所有出版物、专利申请和专利均以引用方式全文并入本文。