使用VCMA辅助的写入的高保持eMRAM的制作方法

背景技术：

1、本发明总体上涉及磁性存储设备的领域，并且更具体地涉及高保持嵌入式磁阻随机存取存储器设备。

2、目前，由于其应用和易用性，嵌入式自旋转移矩(stt)mram(emram)被认为是eflash存储器的实际替换。利用与cmos的stt-mram的无缝包括及其电压方案可以避免与eflash相关联的典型问题，诸如耐久性和功耗困难(在28nm和更低的工艺)。stt-mram可以与少至三个附加掩模集成，而eflash通常需要六至八个附加掩模。emram还可以同时简化硬件和软件设计、提高能量效率、增强形状因数、并且降低iot设备的成本。然而，由于emram的数据保持要求，需要高eb(即，磁性隧道结单元的p与ap稳定状态之间的能量势垒)来保持数据可靠性。这可能导致不期望的长的写入时间，这可能特别影响高速应用。

技术实现思路

1、通过提供包括多个mtj柱的存储器设备来克服现有技术的缺点并且提供附加的优点，每个mtj柱位于顶部电极下方并且在底部电极上方以用于形成mram阵列，底部电极被设置在衬底上方并且被第一电介质间隔件包围，顶部电极被设置在每个mtj柱上方并且被第二电介质间隔件包围，底部金属板被设置在第一电介质层与第二电介质层之间的底部电极的相对侧上，底部金属板通过第一电介质间隔件与底部电极电隔离，并且顶部金属板在第三电介质层与第四电介质层之间的顶部电极的相对侧上，顶部金属板通过第二电介质间隔件与顶部电极电隔离，顶部金属板和底部金属板向每个mtj柱生成外部电场以用于创建压控磁各向异性效应。顶部金属板和底部金属板被各自电连接到金属接触件。偏置电压被施加在顶部金属板和底部金属板上以生成外部电场并且降低eb。

2、本公开的另一实施例提供一种存储器设备，该存储器设备包括第一mram阵列，该第一mram阵列包括位于第一顶部电极下方并且在第一底部电极上方的第一mtj柱，第一底部电极被设置在衬底上方并且被第一电介质间隔件包围，第一顶部电极被设置在第一mtj柱上方并且被第二电介质间隔件包围，底部金属板在第一电介质层与第二电介质层之间的第一底部电极的相对侧上，底部金属板通过第一电介质间隔件与第一底部电极电隔离，顶部金属板在第三电介质层与第四电介质层之间的第一顶部电极的相对侧上，顶部金属板通过第二电介质间隔件与第一顶部电极电隔离，顶部金属板和底部金属板向第一mtj柱局部地生成外部电场以用于创建压控磁各向异性效应，该存储器设备还包括第二mram阵列，该第二mram阵列包括位于第二顶部电极下方并且在第二底部电极上方的第二mtj柱，第二底部电极被设置在衬底上方并且被第一电介质间隔件包围，第二顶部电极被设置在第二mtj柱上方并且被第二电介质间隔件包围。顶部金属板和底部金属板被各自电连接到金属接触件。偏置电压被施加在顶部金属板和底部金属板上以生成外部电场并且降低eb。

3、本公开的另一实施例提供一种形成存储器设备的方法，该方法包括：在衬底上形成第一mram阵列，第一mram阵列包括位于第一顶部电极下方和第一底部电极上方的第一mtj柱；第一底部电极被设置在衬底上方并且被第一电介质间隔件包围，第一顶部电极被设置在第一mtj柱上方并且被第二电介质间隔件包围，底部金属板，底部金属板在第一底部电极的相对侧上且在第一电介质层与第二电介质层之间，底部金属板通过第一电介质间隔件与第一底部电极电隔离，以及顶部金属板，其在第三电介质层与第四电介质层之间在第一顶部电极的相对侧上，顶部金属板通过第二电介质间隔件与第一顶部电极电隔离，顶部金属板和底部金属板向第一mtj柱局部地生成外部电场以用于创建压控磁各向异性效应。顶部金属板和底部金属板被各自电连接到金属接触件。

4、该方法还包括：在顶部金属板和底部金属板上施加偏置电压以局部地生成外部电场以用于减小eb；使用顶部电极和底部电极通过第一mram阵列发送写入电流脉冲；以及从顶部金属板和底部金属板移除所施加的偏置电压以局部地移除外部电场并且增大eb。

5、该方法还包括在衬底上形成第二mram阵列，第二mram阵列包括位于第二顶部电极下方并且在第二底部电极上方的第二mtj柱，第二底部电极被设置在衬底上方并且被第一电介质间隔件包围，第二顶部电极被设置在第二mtj柱上方且被第二电介质间隔件包围。

技术特征：

1.一种存储器设备，包括：

2.根据权利要求1所述的存储器设备，其中所述顶部金属板和所述底部金属板被各自电连接到金属接触件。

3.根据前述权利要求中任一项所述的存储器设备，其中偏置电压被施加在所述顶部金属板和所述底部金属板上以生成所述外部电场并且降低eb。

4.根据前述权利要求中任一项所述的存储器设备，还包括：

5.根据前述权利要求中任一项所述的存储器设备，其中所述多个mtj柱中的每个mtj柱包括所述底部电极上方的磁性参考层、所述磁性参考层上方的隧道势垒层、以及所述隧道势垒层上方的磁性自由层。

6.根据权利要求5所述的存储器设备，其中所述多个mtj柱中的每个mtj柱包括所述底部电极上方的所述磁自由层、所述磁自由层上方的所述隧道势垒层、以及所述隧道势垒层上方的所述参考层。

7.根据权利要求5所述的存储器设备，其中所述mram阵列还包括：

8.根据前述权利要求中任一项所述的存储器设备，其中所述顶部金属板和所述底部金属板由包括以下至少一种的导电材料制成：钨、碳化钨、铜、钛和氮化钛。

9.一种存储器设备，包括：

10.根据权利要求9所述的存储器设备，其中所述顶部金属板和所述底部金属板被各自电连接到金属接触件。

11.根据前述权利要求9至10中任一项所述的存储器设备，其中偏置电压被施加在所述顶部金属板和所述底部金属板上以生成所述外部电场。

12.根据前述权利要求9至11中任一项所述的存储器设备，还包括：

13.根据前述权利要求9至12中任一项所述的存储器设备，其中所述第一mtj柱包括所述第一底部电极上方的磁性参考层、所述磁性参考层上方的隧道势垒层、以及所述隧道势垒层上方的磁性自由层，并且所述第二mtj柱包括所述第二底部电极上方的所述磁性参考层、所述磁性参考层上方的所述隧道势垒层、以及所述隧道势垒层上方的所述磁性自由层。

14.根据权利要求13所述的存储器设备，其中所述第一mtj柱包括所述第一底部电极上方的所述磁性自由层、所述磁性自由层上方的所述隧道势垒层、以及所述隧道势垒层上方的所述参考层，并且所述第二mtj柱包括所述第二底部电极上方的所述磁性自由层、所述磁性自由层上方的所述隧道势垒层、以及所述隧道势垒层上方的所述参考层。

15.根据前述权利要求9至14中任一项所述的存储器设备，其中所述顶部金属板和所述底部金属板由包括以下至少一种的导电材料制成：钨、碳化钨、铜、钛和氮化钛。

16.一种形成存储器设备的方法，包括：

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

18.根据前述权利要求16至17中任一项所述的方法，其中所述顶部金属板和所述底部金属板被各自电连接到金属接触件。

19.根据前述权利要求16至18中任一项所述的方法，还包括：

20.根据权利要求17所述的方法，还包括：

技术总结一种用于eFlash替换的嵌入式eMRAM设备，其包括位于顶部电极与底部电极之间以用于形成MRAM阵列的MTJ柱。底部电极被设置在衬底上方并且被第一电介质间隔件包围，而顶部电极被设置在MTJ柱上方并且被第二电介质间隔件包围。底部金属板被设置在第一电介质层与第二电介质层之间的底部电极的相对侧上，并且通过第一电介质间隔件与底部电极电隔离。顶部金属板被设置在第三与第四电介质层之间的顶部电极的相对侧上，并且通过第二电介质间隔件与顶部电极电隔离。被施加在顶部金属板和底部金属板的偏置电压在MTJ柱上生成外部电场以用于创建VCMA效应。技术研发人员：吴恒,谢瑞龙,J·弗鲁吉尔,B·多里斯受保护的技术使用者：国际商业机器公司技术研发日：技术公布日：2024/3/11