高密度低功率GSHE-STT MRAM制造技术

本发明专利技术涉及存储器元件的系统及方法，所述存储器元件包括混合巨大自旋霍尔效应GSHE‑自旋转移力矩STT磁阻随机存取存储器MRAM元件，所述GSHE‑STT MRAM元件包含：GSHE条带，其形成在第一端子(A)与第二端子(B)之间；及磁性隧道结MTJ，其中所述MTJ的自由层介接所述GSHE条带，且所述MTJ的固定层耦合到第三端子(C)。所述自由层的易磁化轴的定向垂直于由穿越所述第一端子与所述第二端子之间的所述GSHE条带的电子产生的磁化，使得所述MTJ的所述自由层经配置以基于从所述第一端子注入到所述第二端子/从所述第二端子注入到所述第一端子的第一电荷电流及通过所述第三端子注入到所述MTJ中/经由所述第三端子(C)从所述MTJ当中提取的第二电荷电流而切换。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】根据35U.S.C.§119的优先权主张本专利申请案主张未决的2014年1月28日申请的名为“高密度低功率巨大自旋霍尔效应-自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(HIGH DENSITY LOW POWER GSHE-STT MRAM)”的临时专利申请案第61/932,767号的权利，且所述临时专利申请案被转让给本专利技术的受让人且其全文据此以引用方式明确地并入本文中。
所揭示实施例涉及高密度低功率混合巨大自旋霍尔效应(GSHE)-自旋转移力矩(STT)磁阻随机存取存储器(MRAM)结构。
技术介绍
磁阻随机存取存储器(MRAM)为具有与易失性存储器相当的响应(读取/写入)时间的非易失性存储器技术。与将数据存储为电荷或电流的常规RAM技术相对比，MRAM使用磁性元件。如图1A及1B所说明，磁性隧道结(MTJ)存储元件100可由两个磁性层110及130形成，所述两个磁性层中的每一者可保持磁矩，所述两个磁性层是由绝缘(隧道屏障)层120分离。两个层中的一者(例如，固定层110)被设置为特定极性。另一层(例如，自由层130)的极性132能够自由地改变以匹配于可被施加的外部磁场的极性。自由层130的极性132的改变将改变MTJ存储元件100的电阻。举例来说，当磁化极性对准(图1A)时，存在低电阻状态(平行“P”磁化低电阻状态“0”)。当磁化极性未对准(图1B)时，则存在高电阻状态(反平行“AP”磁化高电阻状态“1”)。已简化MTJ 100的说明，且所属领域的技术人员将了解，所说明的每一层可包括一或多个材料层，如所属领域中所知。举例来说，可将由反铁磁性材料制成的一或多个额外层添加在自由层130的顶部上，以便改进所述自由层的切换速度及效率。参看图2，针对读取操作说明常规MRAM的存储器单元200。单元200包含晶体管210、位线220、数字或源极线230及字线240。可通过测量MTJ 100的电阻来读取单元200。举例来说，可通过激活关联晶体管210(晶体管接通)来选择特定MTJ 100，此情形
可切换从位线220通过MTJ 100的电流。归因于隧道磁阻效应，MTJ 100的电阻基于两个磁性层(例如，110、130)中的磁化极性的定向而改变，如上文所论述。可从由自由层的磁化极性引起的电流确定任何特定MTJ 100内部的电阻。通常，如果固定层110及自由层130具有相同磁化极性，那么电阻低且读取“0”。如果固定层110及自由层130具有相反磁化极性，那么电阻较高且读取“1”。不同于常规MRAM，自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)在所属领域中为我们所知，其中STT-MRAM位单元使用电子，所述电子随着其传递通过薄膜(自旋滤波器)而变得自旋极化。STT-MRAM也被称为自旋转移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩转移磁化切换RAM(自旋RAM)，及自旋动量转移(SMT-RAM)。在写入操作期间，自旋极化电子将力矩施加在自由层上，此情形可切换自由层的磁化极性。读取操作类似于常规MRAM之处在于使用电流以检测MTJ存储元件的电阻/逻辑状态，如前文所论述。如图3A所说明，STT-MRAM位单元300包含MTJ 305、晶体管310、位线320及字线330。针对读取操作及写入操作两者接通晶体管310，以便允许电流流动通过MTJ 305，使得可读取或写入逻辑状态。参看图3B，说明STT-MRAM单元301的更详细的图解，以供进一步论述读取/写入操作。除了诸如MTJ 305、晶体管310、位线320及字线330的先前论述的元件以外，还说明源极线340、感测放大器350、读取/写入电路系统360及位线基准370。如上文所论述，在读取操作期间，产生读取电流，其通过MTJ 305而在位线320与源极线340之间流动。当准许电流经由晶体管310而流动时，可基于位线320与源极线340之间的电压差来感测MTJ 305的电阻(逻辑状态)，将所述电压差与基准370进行比较且接着由感测放大器350放大。所属领域的技术人员将了解，存储器单元301的操作及构造在所属领域中为我们所知。现在参看图4，说明包括STT-MRAM单元(诸如图3A的单元300)的存储器阵列。如本文中所展示，每一位单元具有3个端子，即，字线选择端子(WL[*])、位线端子(BL[*])，及源极线端子(SL[*])。具有诸如图3B的晶体管310的单一存取晶体管的此单元结构被称作1T1J(单晶体管单MTJ)实施方案，其被已知为消耗由常规SRAM单元消耗的面积的大约二分之一到四分之一。如所展示，晶体管用以接通或关断MTJ与SL[i]之间的连接，其中晶体管是分别由字线选择端子控制。更详细地说，在写入操作期间，将STT-MRAM位单元的MTJ配置为约2.5K到5K欧姆的值的可编程电阻器。为了写入特定位单元，断言对应选定字线，且撤销断言所有未选定字线。将待写入值的适当电压设置在BL[0,1,2…]及SL[0,1,2…]上。可将过激励电
压施加在晶体管门极上以避免晶体管的门极-漏极电压(Vgd)下降到零，此是因为写入操作为双极的(即，电流在一个方向上流动以用于写入逻辑0，及在相反方向上流动以用于写入逻辑1)。另外，对STT-MRAM位单元的写入操作通常归因于先前描述的STT自旋极化电流而需要相对大的电流(约150uA)。举例来说，在对位单元[i]的读取操作的状况下，断言对应选定字线，且撤销断言所有未选定字线。将对应BL[i]及SL[i]两者连接到感测电路[i](例如，图3B的感测放大器350)，且将电流与基准(例如，图3B的基准370)进行比较。如果电流大于基准，那么感测逻辑0，否则感测逻辑1。对于读取操作，因为读取操作为单极的，所以无需门极过激励电压。虽然STT-MRAM技术相比于用于非易失性存储器单元的常规SRAM技术提供显著改进(例如，在大小、速度、成本、面积等等方面)，但已作出磁性单元的面积的进步，其允许在这些方面的进一步改进。举例来说，在利用所谓的自旋霍尔效应(SHE)的磁性单元的状况下观测到一种此类进步。参看图5A，在导体500中演示SHE。在所指示方向上传递通过导体500的电子509归因于自旋轨道耦合而沿着分别由箭头501、503、505及507指示的方向在表面502、504、506及508上被极化。自旋霍尔比率被定义为虽然SHE可用以沿着方向501、503、505及507诱发磁极性，但可通过针对导体500使用具有适当厚度(诸如仅几纳米的厚度)的特殊材料(诸如β钨)来改进效应，例如，如Pai等人在2012年的应用物理快报§101,122404的被公开为“利用钨的巨大自旋霍尔效应的自旋转移力矩装置(Spin transfer torque devices utilizing the giant spin Hall effect of tungsten)”的参照案(在下文中为Pai参照案)中所描述。更详细地说，图5B说明具有长度(L)、厚度(t)及宽度(W)的导体500，其中，参考Pai，以高达约0.33倍的数量级展示改进θSH。此情形导致所谓的巨大自旋霍尔效应(GHSE)。自旋电流产生效率是由以下方程式提供：其中“IS”为自旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储器元件，其包括：混合巨大自旋霍尔效应GSHE‑自旋转移力矩STT磁阻随机存取存储器MRAM元件，所述GSHE‑STT MRAM元件包括：GSHE条带，其形成在第一端子(A)与第二端子(B)之间；及磁性隧道结MTJ，其中所述MTJ的自由层介接所述GSHE条带，且所述MTJ的固定层耦合到第三端子(C)；其中所述自由层的易磁化轴的定向大体上垂直于由穿越所述第一端子与所述第二端子之间的所述GSHE条带的电子产生的磁化，使得所述MTJ的所述自由层经配置以基于从所述第一端子注入到所述第二端子/从所述第二端子注入到所述第一端子的第一电荷电流及通过所述第三端子注入到所述MTJ中/经由所述固定层从所述MTJ当中提取的第二电荷电流而切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.28 US 61/932,767;2014.08.05 US 14/451,510;1.一种存储器元件，其包括：混合巨大自旋霍尔效应GSHE-自旋转移力矩STT磁阻随机存取存储器MRAM元件，所述GSHE-STT MRAM元件包括：GSHE条带，其形成在第一端子(A)与第二端子(B)之间；及磁性隧道结MTJ，其中所述MTJ的自由层介接所述GSHE条带，且所述MTJ的固定层耦合到第三端子(C)；其中所述自由层的易磁化轴的定向大体上垂直于由穿越所述第一端子与所述第二端子之间的所述GSHE条带的电子产生的磁化，使得所述MTJ的所述自由层经配置以基于从所述第一端子注入到所述第二端子/从所述第二端子注入到所述第一端子的第一电荷电流及通过所述第三端子注入到所述MTJ中/经由所述固定层从所述MTJ当中提取的第二电荷电流而切换。2.根据权利要求1所述的存储器元件，其中当所述第二电荷电流通过所述第三端子注入到所述MTJ中时，所述MTJ被切换成表示逻辑1的高电阻状态；且当所述第二电荷电流通过所述第三端子注入到所述MTJ中时，所述MTJ被切换成表示逻辑0的低电阻。3.根据权利要求2所述的存储器元件，其中在所述高电阻状态中，所述自由层被切换为反对准或反平行于所述MTJ的固定层，且在所述低电阻状态中，所述自由层被切换为对准或平行于所述固定层。4.根据权利要求1所述的存储器元件，其进一步包括存取晶体管，其中所述存取晶体管的漏极/源极端子连接到所述第三端子。5.根据权利要求1所述的存储器元件，其中所述MTJ为平面内MTJ，且所述自由层的所述易磁化轴的所述定向与由穿越所述GSHE条带的电子产生的所述磁化处于同一平面中。6.根据权利要求1所述的存储器元件，其中所述MTJ为垂直MTJ，且所述自由层的
\t所述易磁化轴的所述定向大体上垂直于所述GSHE条带。7.一种形成存储器元件的方法，所述方法包括：在所述存储器元件的第一端子(A)与第二端子(B)之间形成巨大自旋霍尔效应GSHE条带；形成磁性隧道结MTJ，其中所述MTJ的自由层介接所述GSHE条带；将所述MTJ的固定层耦合到所述存储器元件的第三端子(C)；及对准所述MTJ，使得所述自由层的易磁化轴的定向垂直于由穿越所述第一端子与所述第二端子之间的所述GSHE条带的电子产生的磁化，使得所述MTJ的所述自由层经配置以基于从所述第一端子注入到所述第二端子/从所述第二端子注入到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：文清·吴，拉古·萨加尔·玛达拉，肯德里克·海·良·袁，卡里姆·阿拉比，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US