具有增强隧穿磁阻比的存储器单元、包括其的存储器设备和系统技术方案

公开了具有提高的隧穿磁阻比(TMR)的存储器单元。在一些实施方式中，这样的设备可以包括与隧穿磁阻在增强元件(TMRE)串联耦合的磁阻式隧道结(MTJ)元件。MTJ元件和TMRE可以每个配置成例如响应于电压而在高和低电阻状态之间过渡。在一些实施方式中，MTJ和TMRE配置成使得当读取电压施加到单元同时MTJ处于其低电阻状态中时，TMRE被驱动到低电阻状态，以及当这样的电压被施加同时MTJ处于其高电阻状态中时，TMRE保持在其高电阻状态中。还公开了包括这样的存储器单元的设备和系统。

Memory unit with enhanced tunneling magnetoresistive ratio, memory device and system including the same

A memory cell with improved tunneling magnetoresistive ratio (TMR) is disclosed. In some embodiments, such devices can include a magnetoresistance tunnel junction (MTJ) element that is coupled in series with a tunneling magnetoresistive element (TMRE). MTJ components and TMRE can be configured for each configuration in response to voltage and transition between high and low resistance states. In some implementations, MTJ and TMRE are configured so that when the read voltage is applied to the unit and MTJ is in its low resistance state, the TMRE is driven to a low resistance state, and when such a voltage is applied while MTJ is in its high resistance state, the TMRE is kept in its high resistivity state. Devices and systems including such memory units are also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增强隧穿磁阻比的存储器单元、包括其的存储器设备和系统
本公开通常涉及具有增强隧穿磁阻(TMR)比的存储器单元。还描述包括这样的单元的存储器设备和系统。
技术介绍
在过去的几十年来，部件按比例缩放是在半导体工业中的集成电路的生产中的驱动力。使部件按比例缩小到越来越小的尺寸可以使包括在半导体芯片的有限不动产内的较大数量的功能单元的设备的生产成为可能。例如，缩小晶体管尺寸可以允许增加数量的存储器设备放置在半导体芯片的给定区域内，导致具有增加的存储容量的存储器设备的生产。然而，缩小部件尺寸也可导致在一些情况下可能难以处理的挑战。考虑到前述内容，包括磁性隧道结(MTJ)的存储器设备由于它们代替常规存储器的潜力而得到增加的注意。这样的存储器设备可以包括存储器单元的阵列，存储器单元包括具有多个操作状态的一个或多个MTJ，其可以被运用来存储信息。这样的MTJ通常包括共同确定设备的磁性行为的多个层(例如固定磁性层、电介质(隧道穿)层和自由磁性层)。自旋转移力矩存储器(STTM)是一种类型的存储器，其由于其元件的相对小的尺寸、它对低功率操作的潜力和它对与在半导体芯片例如晶体管上的其它元件直接集成的潜力而在半导体工业中变得越来越令人感兴趣。通常，在自旋转移力矩的现象上预测STTM设备的操作。当电流穿过这样的设备的被称为固定磁性层的磁化层时，电流将出现为自旋极化的。在电流中的每个电子穿过固定磁性层的情况下，因而产生的自旋(角动量)可以转移到在设备中的被称为自由磁性层的另一磁性层的磁化，导致自由磁性层的磁化的小变化。事实上，这是引起自由磁性层的磁化的进展的力矩。同样，例如由于电子的反射，力矩可以施加到相关固定磁性层。最后，当外加电流(例如脉冲)超过阈值(其可以至少部分地由通过磁性材料及其环境引起的衰减限定)时，自由磁性层的磁化的定向可以在与固定磁性层的磁化的定向平行的状态和与固定磁性层的磁化的定向反平行的状态之前切换。固定磁性层的磁化的定向可以通过外加电流保持不变，例如因为外加电流低于固定磁性层的阈值和/或因为固定磁性层的磁化的定向可以由一个或多个相邻层例如合成反铁磁层“固定住”。自旋转移力矩因此可以用于翻转在随机存取存储器例如STTM设备中的活性元素。MTJ例如STTM元件的电阻可以由相对于固定磁性层的磁化的定向的自由磁性层的磁化的定向影响。例如，当自由磁性层的磁化的定向平行于固定磁性层的磁化的定向时，一些MTJ元件例如STTM元件的电阻可能相对低。相反，当自由磁性层的磁化的定向反平行于固定磁性层的磁化的定向时，这样的设备的电阻可能相对高。MTJ例如STTM元件可以因此呈现至少部分地由在MTJ的高和低电阻状态之间的差异限定的隧穿磁阻比(TMR)。虽然以前发展的STTM和其它基于MTJ的存储器设备证明是有用的，挑战产生，因为这样的设备按比例缩放到越来越小的尺寸。例如，已观察到，当在存储器设备中的MTJ元件的尺寸减小时，这样的元件的TMR也倾向于减小，潜在地导致性能问题。例如，当这样的设备的TMR减小时，在当MTJ处于其低电阻和其高电阻状态中时在读取操作期间的感测电流之间的差异的幅度也可以减小，潜在地使这样的元件不适合于在某些存储器应用中使用。在那个方面中，可以做出各种努力以减轻可以从磁性隧道结的按比例缩放产生的TMR的减小。依据这样的努力，确定MTJ的TMR的减小可以通过优化其自由、固定和/或电介质层来减轻。虽然在某个程度上是有效的，这样的优化内在地被各种因素限制。用于改进基于MTJ的存储器元件/设备的TMR的其它选项因此是令人感兴趣的。附图说明当下面的详细描述继续进行时且当参考附图时，所主张的主题的实施方式的特征和优点将变得明显，其中相似的数字描绘相似的部分，且其中：图1A是包括晶体管和磁性隧道结(MTJ)元件的存储器单元例如1T-1MTJ存储器单元的一个示例的方框图。图1B是MTJ的一个示例的层结构的方框图。图1C是包括1T-1MTJ存储器单元的阵列的存储器设备的一个示例的方框图。图2是符合本公开的包括晶体管、MTJ元件和隧穿磁阻增强(TMRE)元件的存储器单元例如1T-1MTJ-1TMRE存储器单元的一个示例的方框图。图3示出符合本公开的组合MTJ元件和TMRE元件的一个示例的横截面视图。图4是符合本公开的包括1T-1MTJ-1TMRE存储器单元的阵列的存储器设备的一个示例的方框图。图5是符合本公开的实施方式的TMRE的对数电流与电压的关系曲线图。图6是符合本公开的实施方式的电子系统的一个示例的方框图。图7是符合本公开的实施方式的计算设备的方框图。具体实施方式如在本文使用的，术语“在…上”意指一个元件(例如第一层)位于另一元件(例如第二层)之上，但不要求第一元件与第二元件接触。更确切地，应理解，术语“在…上”当在两个元件的位置关系的上下文中被使用时意指第一元件在第二元件之上形成，但其它(例如第三)元件可以存在于第一和第二元件之间。相反，术语“直接在…上”在本文用于表示第一元件与另一元件的表面(例如上表面)接触，而在其间没有中间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文用于区分开类似的元件且不一定用于描述特定的连续或时间顺序。应理解，这样的术语可以在适当的情况下是可互换的，使得本公开的方面可以以除了明确描述的顺序以外的顺序操作。如在本文使用的，术语“实质上”和“大约”当结合值或值的范围使用时意指所表示的值或所表示的值的端点的加或减5％。如在背景中简要解释的，包括磁性隧道结(MTJ)的存储器设备由于各种原因而变得令人感兴趣。然而，因为这样的设备按比例缩放到越来越小的尺寸，其存储器单元(且更特别地，在其中的MTJ元件)的隧穿磁阻(TMR)也可以减小，这可潜在地导致设备和/或其存储器元件的不希望有的性能。考虑到此，做出努力以例如通过优化构成MTJ的材料叠置体的一个或多个层来减轻按比例缩放对TMR的影响。虽然这样的努力有一些成功，MTJ的材料叠置体的优化可以减轻按比例缩放对MTJ的TMR的影响的程度被各种因素限制。这样的优化在某些实例中可能因此不足以得到具有期望TMR的存储器单元。考虑到前述内容，本公开涉及存储器单元，其可能在各种类型的存储器设备(包括电阻随机存取存储器、磁阻式随机存取存储器、自旋转移力矩存储器等)中是有用的。如下面将详细描述的，本公开的存储器单元可以包括耦合到隧穿磁阻增强元件(在下文中的“TMRE”)的磁性隧道结元件(MTJ)。被包括在本文所述的存储器单元中的MTJ元件可以是适合于以非易失性方式存储信息的任何类型的MTJ。为了理解的清楚和容易起见，本公开将聚焦于MTJ元件在自旋转移力矩存储器(STTM)元件的形式中的实施方式，且特别是聚焦于垂直STTM元件。应理解，这样的讨论是仅为了示例起见，以及可使用任何适当的MTK元件。例如，本文所述的MTJ可以在水平(即在平面中)STTM元件或另一类型的MTJ结构的形式中。不考虑它们的形式，本文所述的MTJ可以例如响应于大于或等于第一阈值的外加电压(例如写入电压)而在高电阻状态和低电阻状态之间可以切换(反之亦然)，第一阈值在本文可以被称为VTH1。MTJ元件也可以是非易失性的，因为它们可以配置成在缺乏大于或等于VTH1的外加电压的情况下保持在它们的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储器单元，包括：晶体管；磁阻式隧道结(MTJ)元件；与所述MTJ元件串联耦合的隧穿磁阻增强元件(TMRE)；并且其中，所述晶体管与所述MTJ元件和所述TMRE中的至少一个串联耦合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种存储器单元，包括：晶体管；磁阻式隧道结(MTJ)元件；与所述MTJ元件串联耦合的隧穿磁阻增强元件(TMRE)；并且其中，所述晶体管与所述MTJ元件和所述TMRE中的至少一个串联耦合。2.根据权利要求1所述的存储器单元，其中：所述MTJ元件呈现本征隧穿磁阻比TMR1；所述存储器单元呈现集体隧穿磁阻比TMRC；并且TMRC大于TMR1。3.根据权利要求1所述的存储器单元，其中，所述TMRE是可变电阻器。4.根据权利要求1所述的存储器单元，其中：所述MTJ元件响应于大于或等于第一切换电压VTH1的电压而呈现第一电阻状态和第二电阻状态之间的过渡；所述TMRE响应于大于或等于第二切换电压VTH2的电压而呈现默认电阻状态和经切换的电阻状态之间的过渡。5.根据权利要求4所述的存储器单元，其中：所述第一电阻状态和所述第二电阻状态分别是第一低电阻状态和第一高电阻状态；所述默认状态和所述经切换的状态分别是第二高电阻状态和第二低电阻状态；并且所述MTJ元件和所述TMRE被配置为使得当所述MTJ元件处于其第一电阻状态中时所述TMRE处于其经切换的状态中，并且当所述MTJ元件处于其第二电阻状态中时所述TMRE处于其默认状态中。6.根据权利要求5所述的存储器单元，其中，响应于施加到所述单元的读取电压：所述MTJ元件保持在当前电阻状态中；并且所述当前电阻状态是所述第一电阻状态和所述第二电阻状态的其中之一。7.根据权利要求1所述的存储器单元，其中：所述MTJ元件由第一层叠置体限定；所述TMRE由第二层叠置体限定；并且所述第一层叠置体与第二层叠置体进行组合。8.根据权利要求7所述的存储器单元，其中：所述第二层叠置体包括呈现金属到绝缘体过渡的至少一个材料层，呈现金属到绝缘体过渡的所述至少一个材料层包括MOTT绝缘体。9.根据权利要求7所述的存储器单元，其中：所述第一层叠置体包括固定磁性层、自由磁性层以及位于所述自由磁性层和所述固定磁性层之间的电介质层；并且所述第二层叠置体包括呈现金属到绝缘体过渡的至少一个材料层。10.根据权利要求8所述的存储器单元，其中，所述晶体管形成在所述第一层叠置体或所述第二层叠置体上方或下方。11.根据权利要求2所述的存储器单元，其中，TMRC大于或等于大约200。12.一种存储器设备，包括：存储器控制器；以及多个存储器单元；其中，所述多个存储器单元中的每个存储器单元包括：晶体管；磁阻式隧道结(MTJ)元件；与所述MTJ元件串联耦合的隧穿磁阻增强元件(TMRE)；并且所述晶体管与所述MTJ元件和所述TMRE中的至少一个串联耦合。13.根据权利要求12所述的存储器设备，其中：所述多个存储器单元中的每个MTJ元件呈现本征隧穿磁阻比TMR1；所述多个存储器单元中的每个存储器单元呈现集体隧穿磁阻比TMRC；以及TMRC大于TMR1。14.根据权利要求13所述的存储器设备，其中，所述多个存储器单元中的每个TMRE是可变...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·S·多伊尔，E·V·卡尔波夫，K·奥乌兹，K·P·奥布莱恩，C·C·郭，M·L·多齐，U·沙阿，王奕，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US