具有并发和差分感测的多自由层MTJ和多端子读电路制造技术

一种多自由层磁性隧道结(MTJ)单元包括底部电极层、该底部电极层上的反铁磁层、该反铁磁层上的固定磁化层以及该固定磁化层上的阻挡层。第一自由磁化层在阻挡层的第一区域上，且覆盖层在第一自由磁化层上。自由磁化层在阻挡层的与第一区域横向偏移的第二区域上，且覆盖层在第二自由磁化层上。可任选地，电流开关建立包括第一自由磁化层的读电流通路，并发地，不建立包括第二自由磁化层的读电流通路。可任选地，电流开关建立包括第一和第二自由磁化层的读电流通路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有并发和差分感测的多自由层MTJ和多端子读电路根据35U.S.C.§119的优先权要求本专利申请要求于2012年2月7日提交的题为“NovelMulti-FreeLayerMTJStructuresforMulti-Bits/LevelsandforDifferentialSensing(用于多位/电平和用于差分感测的新颖多自由层MTJ结构)”的临时申请No.61/595,815的优先权，其已转让给本申请受让人并通过援引明确纳入于此。公开领域本公开的
涉及双稳态电阻性元件非易失性存储器，尤其涉及自旋转移矩(STT)磁性隧道结(MTJ)存储器单元。背景STT-MTJ被视为用于下一代非易失存储器的颇具前景的技术，因为潜在特征包括快速切换、高切换周期耐久性、低功耗、以及扩展的断电归档存储。常规的STT-MTJ元件包括“固定”磁化层(正如其名字指出的，具有固定磁化)和在两个相对的稳定磁化状态之间可切换的“自由”磁化层，一个稳定磁化状态是“平行”(P)于固定层的磁化，另一个稳定磁化状态与固定磁化层相对或“反平行”(AP)于固定磁化层。给定STT-MTJ元件的电阻在处于其P状态时比处于其AP状态时更低。STT-MTJ元件的磁化状态可因此通过检测其电阻来读取。通过指派P和AP状态之一以表示第一二进制值，例如“0”，并指派另一个表示第二二进制值，例如“1”，STT-MTJ元件可以是二进制，即一位存储。常规的STT-MTJ元件(更具体地，STT-MTJ元件的自由磁化层)可以藉由使电“写”电流通过其自由和固定磁化层来选择性地在P和AP状态之间切换，反之亦然。倘若写电流在给定临界点(CPT)以上，STT-MTJ将切换至P或AP状态，状态的选择取决于写电流的方向。通过使具有受控的可重复振幅的“读”或“感测”电流传递通过该设备来读取STT-MTJ元件，并且因为V＝IR，所逐渐形成的感测或读取电压指示STT-MTJ元件是处于P还是AP状态，即STT-MTJ元件正在存储“1”还是“0”。STT-MTJ存储器中的需要包括较低的误位率、较低的功率、以及增加的存储密度，例如每单位面积或体积的位。概述连同其他特征和益处，根据各种示例性实施例的MTJ存储器单元能提供以三端子配置安排的多个自由层，从而形成多个隧道结，在一方面该多个隧道结可被个体地编程为所选磁化状态，且根据各种方面被个体地编程为并发或个体读取。根据一个或多个示例性实施例的示例多自由层MTJ存储器单元可具有底部电极层、底部电极层上的反铁磁(AFM)层、反铁磁层上的固定磁化层、固定磁化层上的阻挡层、阻挡层的第一区域上的第一自由磁化层、阻挡层的与第一区域横向偏移的第二区域上的第二自由磁化层、耦合至第一自由磁化层的第一顶部电极以及耦合至第二自由磁化层的第二顶部电极、用于可切换地将第一顶部电极耦合至第一MTJ读/写端子的第一电流开关、用于可切换地将第二顶部电极耦合至第二MTJ读/写端子的第二电流开关；以及耦合至底部电极层的第三MTJ读/写端子。在一方面，根据一个或多个示例性实施例的示例多自由层MTJ单元可进一步包括耦合至第一电流开关、第二电流开关的读电流开关控件，其被配置成将第一电流开关和第二电流开关切换至读模式，其中该读模式将第一顶部电极耦合至第一MTJ读/写端子，以及并发地将第二顶部电极耦合至第二MTJ读/写端子。在一方面，根据一个或多个示例性实施例的示例多自由层MTJ单元可被配置成在读模式中在第一MTJ读/写端子和第二MTJ读/写端子之间建立读电流通路。在相关方面，读电流通路可包括与第二自由磁化层串联的第一自由磁化层。根据一个或多个示例性实施例的另一方面的示例多自由层MTJ单元可被配置成提供读电流通路，该读电流通路进一步包括固定磁化层，该固定磁化层在该固定磁化层在第一区域之下和阻挡层的界面与该固定磁化层在第二区域之下和该阻挡层的界面之间。根据一个或多个实施例的多自由层MTJ单元可包括底部电极层、底部电极层上的AFM层、AFM层上的固定磁化层、在固定磁化层的第一区域上支承的第一柱，该第一柱具有在固定磁化层的第一区域上形成基底的第一阻挡层、第一阻挡层上的第一自由磁化层、以及耦合至第一自由磁化层的第一MTJ端子，在阻挡层的与第一区域横向偏移的第二区域上支承的第二柱，第二柱具有形成在固定磁化层的第二区域上支承的基底的第二阻挡层、第二阻挡层上的第二自由磁化层、以及所述第二自由磁化层上的第二覆盖层，以及耦合至第二覆盖层的第二MTJ端子；以及耦合至底部电极层的第三MTJ端子。根据一个或多个示例性实施例的示例方法可包括从第一MTJ端子和基MTJ端子之一向第一MTJ端子和基MTJ端子中的另一者注入第一写电流，该第一写电流通过第一自由磁化层；以及从第二MTJ端子和基MTJ端子之一向第二MTJ端子和基MTJ端子中的另一者注入第二写电流，该第二写电流通过第二自由磁化层，检测第一自由磁化层的电阻，以及检测与第二自由磁化层串联的第一自由磁化层的电串联电阻。在一方面，根据一个或多个示例性实施例的方法可包括基于检测第一自由磁化层的电阻的结果以及检测与第二自由磁化层串联的第一自由磁化层的串联电阻的结果来检测第二自由磁化层的电阻。在一个或多个方面，根据一个或多个示例性实施例的方法可包括通过从第一MTJ端子和基MTJ端子之一向耦合至第一MTJ端子和基MTJ端子中的另一者的电流阱注入第一读电流来检测第一自由磁化层的电阻，该第一读电流通过第一自由磁化层，以及可通过从第一MTJ端子和第二MTJ端子之一向耦合至第一MTJ端子和第二MTJ端子中的另一者的电流阱注入第二读电流来执行与第二自由磁化层串联的第一自由磁化层的串联电阻的检测，该第二读电流通过第一自由磁化层以及通过第二自由磁化层。根据一个或多个示例性实施例的方法能提供多位数据的MTJ存储器存储，并且可包括通过基于第一位，从第一MTJ端子和基MTJ端子之一向第一MTJ端子和基MTJ端子中的另一者注入第一写电流来存储第一位，该第一写电流通过第一自由磁化层以将第一自由磁化层置于指示第一位的状态，以及通过基于第二位，从第二MTJ端子和基MTJ端子之一向第二MTJ端子和基MTJ端子中的另一者注入第二写电流来存储第二位，该第二写电流通过第二自由磁化层以将第二自由磁化层置于指示第二位的状态。根据一个或多个示例性实施例的方法包括通过从第一MTJ端子和基MTJ端子之一向耦合至第一MTJ端子和基MTJ端子中的另一者的电流阱注入第一读电流来读取第一位，该第一读电流通过第一自由磁化层以形成第一位感测电压，以及通过将第一位感测电压与第一位阈值进行比较来检测第一位，以及通过经由从第一MTJ端子和第二MTJ端子之一向耦合至第一MTJ端子和第二MTJ端子中的另一者的电流阱注入第二读电流来形成指示第一自由磁化层的磁化状态和第二自由磁化层的磁化状态的组合的第二位感测电压来读取第二位，该第二读电流通过第一自由磁化层以及通过第二自由磁化层，以及通过将形成第二位感测电压的结果与第二位阈值进行比较来检测第二位。根据一个实施例的示例MTJ存储器设备可包括：用于从第一MTJ端子和基MTJ端子之一向第一MTJ端子和基MTJ端子中的另一者注入第一写电流的装置，该第一写电流通过第一自由磁化层，以及用于从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由层磁性隧道结(MTJ)单元，包括：底部电极层；所述底部电极层上的反铁磁(AFM)层；所述反铁磁层上的固定磁化层；所述固定磁化层上的阻挡层；所述阻挡层的第一区域上的第一自由磁化层；所述阻挡层的与所述第一区域横向偏移的第二区域上的第二自由磁化层；耦合至所述第一自由磁化层的第一顶部电极和耦合至所述第二自由磁化层的第二顶部电极；第一电流开关，用于将所述第一顶部电极可切换地耦合至第一MTJ读/写端子；第二电流开关，用于将所述第二顶部电极可切换地耦合至第二MTJ读/写端子；以及耦合至所述底部电极层的第三MTJ读/写端子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.07 US 61/595,815;2012.08.16 US 13/586,9341.一种多自由层磁性隧道结MTJ单元，包括：底部电极层；所述底部电极层上的反铁磁AFM层；所述反铁磁层上的固定磁化层；所述固定磁化层上的阻挡层；所述阻挡层的第一区域上的第一自由磁化层；所述阻挡层的与所述第一区域横向偏移的第二区域上的第二自由磁化层；耦合至所述第一自由磁化层的第一顶部电极和耦合至所述第二自由磁化层的第二顶部电极；耦合至第一位/选择线的第一MTJ读/写端子；第一电流开关，被配置成接收第一字线信号以在耦合与不耦合所述第一顶部电极和所述第一MTJ读/写端子之间切换；耦合至第二位/选择线的第二MTJ读/写端子；第二电流开关，被配置成接收第二字线信号以在耦合与不耦合所述第二顶部电极和所述第二MTJ读/写端子之间切换；耦合至第三位/选择线的第三MTJ读/写端子；以及第三电流开关，被配置成接收第三位/选择线信号以在耦合与不耦合所述底部电极层和所述第三MTJ读/写端子之间切换。2.如权利要求1所述的多自由层MTJ单元，其特征在于，进一步包括：开关控制信号源，其生成第一读模式以将所述第一电流开关切换为导通、将所述第二电流开关切换为断开以及将所述第三电流开关切换为导通，或者所述开关控制信号源生成第二读模式以将所述第一电流开关切换为导通、将所述第二电流开关切换为导通以及将所述第三电流开关切换为断开。3.如权利要求1所述的多自由层MTJ单元，其特征在于，进一步包括：开关控制信号源，其生成第一读模式以将所述第一电流开关、所述第二电流开关以及所述第三电流开关切换至第一状态，所述第一状态在所述第一MTJ读/写端子与所述第三MTJ读/写端子之间建立包括所述第一自由磁化层但不包括所述第二自由磁化层的第一读电流通路，或者所述开关控制信号源进一步生成第二读模式以将所述第一电流开关、所述第二电流开关以及所述第三电流开关切换至第二状态，所述第二状态在所述第一MTJ读/写端子与所述第二MTJ读/写端子之间建立第二读电流通路，其中所述读电流通路包括与所述第二自由磁化层串联的第一自由磁化层。4.如权利要求3所述的多自由层MTJ单元，其特征在于，所述第二读电流通路进一步包括所述固定磁化层，所述固定磁化层在所述第一区域之下与所述阻挡层的界面和所述固定磁化层在所述第二区域之下与所述阻挡层的界面之间。5.如权利要求3所述的多自由层MTJ单元，其特征在于，所述第二读电流通路进一步包括所述第一电流开关、所述第一区域处的所述阻挡层、在所述第一区域之下与所述阻挡层的界面和所述固定磁化层在所述第二区域之下与所述阻挡层的界面之间的固定磁化层、所述第二区域处的所述阻挡层、以及所述第二电流开关，并且其中所述第一读电流通路进一步包括所述第一电流开关、所述第一区域处的所述阻挡层、所述固定磁化层、所述AFM层、所述底部电极层以及所述第三电流开关。6.如权利要求1所述的多自由层MTJ单元，其特征在于，所述多自由层MTJ单元集成在至少一个半导体管芯中。7.如权利要求1所述的多自由层MTJ单元，其特征在于，进一步包括所述多自由层MTJ单元集成于其中的设备，所述设备选自包括机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、位置固定的数据单元、以及计算机的组。8.一种用于磁性隧道结MTJ存储器的方法，包括：从第一MTJ端子和基MTJ端子之一向所述第一MTJ端子和所述基MTJ端子中的另一者注入第一写电流，所述第一写电流通过阻挡层的第一区域上的第一自由磁化层；从第二MTJ端子和所述基MTJ端子之一向所述第二MTJ端子和所述基MTJ端子中的另一者注入第二写电流，所述第二写电流通过所述阻挡层的与所述第一区域横向偏移的第二区域上的第二自由磁化层；检测所述第一自由磁化层的电阻；检测与所述第二自由磁化层串联的所述第一自由磁化层的电串联电阻；以及基于所述检测所述第一自由磁化层的所述电阻的结果以及所述检测与所述第二自由磁化层串联的所述第一自由磁化层的所述串联电阻的结果来检测所述第二自由磁化层的电阻。9.如权利要求8所述的用于MTJ存储器的方法，其特征在于，进一步包括：通过将第一读电流注入到所述第一MTJ端子和所述基MTJ端子之一、通过所述第一自由磁化层到耦合至所述第一MTJ端子和所述基MTJ端子中的另一者的电流阱以生成指示所述第一自由磁化层的电阻状态的第一感测电压，来检测所述第一自由磁化层的所述电阻状态；以及通过将第二读电流注入到所述第一MTJ端子和所述第二MTJ端子之一、通过所述第一自由磁化层以及通过所述第二自由磁化层、到耦合至所述第一MTJ端子和所述第二MTJ端子中的另一者的电流阱以生成指示与所述第二自由磁化层的电阻状态串联的所述第一自由磁化层的所述电阻状态的第二感测电压，来检测与所述第二自由磁化层串联的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·李，W·吴，J·P·金，X·朱，S·H·康，R·S·马达拉，K·H·袁，
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