[發明專利]使用MRAM堆疊設計實現的一次可編程存儲器

有效

• 申請號: 201680028288.0
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN107636762B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 諾真·杰;王柏剛;李元仁;朱健;劉煥龍
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;G11C11/409;H01L43/12;G11C17/02;G11C17/16;G11C17/18;G11C11/00;G11C11/419;H01L27/22
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 黃艷;鄭特強

一種集成電路，包含由多個磁性OTP存儲單元所形成的磁性OTP存儲器陣列，磁性OTP存儲單元具有包含固定磁性層、隧道勢壘絕緣層、自由磁性層和第二電極的MTJ堆疊。當跨越磁性OTP存儲單元施加電壓時，MTJ堆疊和柵控晶體管的電阻形成分壓器，以在MTJ堆疊上施加大電壓讓隧道勢壘層擊穿，而使固定層短路于自由層。集成電路具有多個MRAM陣列，其被配置為使得多個MRAM陣列中的每一個的性能和密度標準匹配于基于MOS晶體管的存儲器，包括SRAM、DRAM和閃存存儲器。集成電路可包括與磁性OTP存儲器陣列連接的功能邏輯單元和用于提供數字數據儲存的MRAM陣列。

本申請案根據35U.S.C.§119主張2015年4月3日申請的申請號為 62/142,591的美國臨時申請案的優先權，其讓渡給共同受讓人，并在此以引用的方式結合于本文中。

技術領域

本發明涉及一種結合于陣列中的磁性隨機存取存儲(MRAM)單元。更特別的是，本發明涉及一種一次可編程(OTP)MRAM單元，其可與其他多次可編程MRAM類型一同嵌入于陣列中。

背景技術

近年來芯片上存儲器的容量的快速增長已經重新尋求一種通用的嵌入式存儲器技術，以結合快速讀/寫、低電壓操作、低功耗、非易失性、無限耐久性以及與CMOS流程的兼容性。自旋-轉移力矩磁阻隨機存取存儲器 (STT-MRAM)自開始以來一直被認為是有希望的候選者。此技術于本質上是非易失性的，且其已經顯示基于垂直磁化磁隧道結裝置(PMA-MTJ)的 STT-MRAM單元可以以低功率高速寫入。圖1是一種自旋力矩-轉移磁隧道結裝置的橫截面圖，其來自現有技術中「演示用于非易失性嵌入式存儲器的全功能8Mb垂直STT-MRAM芯片，其使用亞-5納秒寫入」一文，為Jan等人于2014年6月發表在VLSI技術(VLSI-Technology)2014年研討會的技術論文摘要中第1-2頁，可見于3/11/2015在：ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp？ tp＝arnumber＝6894357isnumber＝6894335，乃描述了PMA-MTJ堆疊是基于夾在覆蓋層15和氧化鎂(MgO)隧道勢壘層25之間的鈷、鐵和硼(CoFeB) 的自由層20的合金，以提供垂直各向異性。隧道勢壘層25形成在CoFeB合金的參考層30或釘扎層上。參考層30形成在底部電極35上。底部電極 35是用于外部連接到外部裝置。硬掩模接觸層10形成在覆蓋層15上，且頂部電極5形成在硬掩模接觸層10上。

最近的研究顯示，MTJ裝置可以在與SRAM一樣快的亞-納秒切換時間下工作，并且MTJ裝置的尺寸可以小于25納米，且其單元大約為6F2(集成電路技術的最小特征尺寸)。這種單元的尺寸與獨立的DRAM一樣小。此外， MTJ裝置是非易失性的(類似于閃存)，并且具有比閃存高得多的耐久性。然而，雖然MRAM非常萬用，但設計一個能夠在所有性能要求方面都很出色的MTJ堆疊是很困難的。有一種方法是將不同的堆疊用于不同的程序，但整合的成本會大大增加。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種磁性一次可編程存儲器單元。

本發明的另一個目的是提供一種磁性一次可編程存儲器陣列。

此外，本發明的另一個目的是提供一種集成電路，其具有與至少一種其他MRAM類型整合的磁性一次可編程存儲器陣列。

為了實現至少一個前述目的，本發明揭露一種磁性一次可編程存儲單元，其由與柵控金屬氧化物半導體(MOS)晶體管串聯連接的磁隧道結(MTJ)堆疊所構成。MTJ堆疊具有形成在第一電極上的固定磁性層。隧道勢壘絕緣層形成在固定磁性層上。自由磁性層形成在隧道勢壘絕緣層上。然后，第二電極形成在自由磁性層上。使用約1.5伏的標準工作電壓，可計算出隧道勢壘層的厚度等于MRAM存儲單元的MTJ堆疊的厚度。MTJ堆疊的面積被選定為直徑約小20％，使得MTJ堆疊的電阻比MRAM存儲單元約大50％。因此，當跨越磁性一次可編程存儲單元施加電壓時，MTJ堆疊和柵控晶體管的電阻會形成分壓器，使得跨越MTJ堆疊的電壓可由以下方程決定：