[發明專利]單向自旋力矩轉移磁性存儲器單元結構

有效

• 申請號: 200980138786.0
• 申請日: 2009-09-15
• 公開（公告）號: CN102171765A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 劉峻;古爾特杰·桑胡
• 申請（專利權）人: 美光科技公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 宋獻濤

技術領域

本發明大體上涉及磁性隨機存取存儲器，且更特定來說，涉及自旋力矩轉移磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)。

背景技術

此章節既定向讀者介紹可與下文描述及/或主張的本發明的各種方面相關的技術的各種方面。相信此論述有助于向讀者提供用以促進更好理解本發明的各種方面的背景信息。因此，應理解，應以此角度閱讀這些陳述，且不承認其為現有技術。

磁性隨機存取存儲器(MRAM)為基于磁電阻的非易失性計算機存儲器技術。MRAM在若干方面不同于易失性隨機存取存儲器(RAM)。因為MRAM為非易失性的，所以當未對存儲器裝置供電時，MRAM仍可維持存儲器內容。盡管非易失性RAM通常比易失性RAM慢，但MRAM具有與易失性RAM的讀取及寫入響應時間相當的讀取及寫入響應時間。不同于將數據存儲為電荷的典型RAM技術，MRAM數據由磁電阻元件存儲。大體來說，磁電阻元件由兩個磁性層制成，所述磁性層中的每一者保持一磁化。一個層(“針扎層”)的磁化在其磁性定向上固定，且另一層(“自由層”)的磁化可由外部磁場改變，所述外部磁場由編程電流產生。因此，編程電流的磁場可使所述兩個磁性層的磁性定向平行，從而提供跨越各層的較低電阻(“1”狀態)，或反平行，從而提供跨越各層的較高電阻(“0”狀態)。自由層的磁性定向的切換和所得的跨越磁性層的高或低電阻狀態提供了典型MRAM單元的寫入及讀取操作。

盡管MRAM技術提供非易失性及較快響應時間，但MRAM單元在可縮放性上受限且易受寫入干擾影響。用以在跨越MRAM磁性層的高電阻狀態與低電阻狀態之間切換的編程電流通常為高的。因此，當多個單元布置于一MRAM陣列中時，導引到一個存儲器單元的編程電流可引發鄰近單元的自由層中的場改變。可使用自旋力矩轉移技術解決寫入干擾的此潛在可能性(也稱為“半選問題(half-select?problem)”)。

常規自旋力矩轉移MRAM(STT-MRAM)單元包括磁性隧道結(MTJ)(其為包括兩個磁性層(一個針扎層及一個自由層)及所述兩者之間的絕緣層的磁電阻數據存儲元件)、位線、字線、源極線，及存取晶體管。編程電流通常流動穿過存取晶體管及MTJ。針扎層使編程電流的電子自旋極化，且隨著經自旋極化的電流通過MTJ而產生力矩。經自旋極化的電子流通過對自由層施加力矩而與自由層相互作用。當通過MTJ的經自旋極化的電子流的力矩比臨界切換電流密度(J_c)大時，由經自旋極化的電子流施加的力矩足以切換自由層的磁化。因此，自由層的磁化可經對準以與針扎層平行或反平行，且跨越MTJ的電阻狀態改變。

STT-MRAM具有優于MRAM的有利特性，因為經自旋極化的電子流消除了對外部磁場切換磁電阻元件中的自由層的需要。另外，可縮放性得以改善，因為編程電流隨著單元大小減小而減小，且解決了寫入干擾及半選問題。另外，STT-MRAM技術允許較高的隧道磁阻比率(tunnel?magnetic?resistance?ratio)，意味著在高電阻狀態與低電阻狀態之間存在較大比率，從而改善磁疇中的讀取操作。

然而，STT-MRAM單元結構利用具有雙向極性的編程電流以將磁性單元編程到高電阻狀態及低電阻狀態中。與單向編程邏輯相比，雙向編程邏輯需要更多硅空間以形成存儲器單元，且大體上較復雜且效率較低。

附圖說明

在以下詳細描述中且參考圖式來描述特定實施例，其中：

圖1描繪根據本發明技術的實施例的基于處理器的系統的框圖；

圖2描繪具有根據本發明的實施例制造的存儲器單元的存儲器陣列的一部分的示意圖；

圖3描繪根據本發明的實施例的STT-MRAM單元的一部分；

圖4描繪使根據本發明的實施例的存儲器單元的編程電流與凈自旋極化相關的圖表；

圖5描繪根據本發明的實施例的具有額外磁性隧道結的STT-MRAM單元的一部分，以及處于低電阻狀態及高電阻狀態中的STT-MRAM單元的部分；

圖6到圖11描繪根據本發明的各種實施例的STT-MRAM單元的部分；及

圖12描繪根據本發明的實施例的實施交叉點架構的存儲器陣列的一部分。

具體實施方式