三端自旋霍尔MRAM制造技术

提供了改进的自旋霍尔MRAM设计，其使得能够使用用于每个MTJ的单独的自旋霍尔线一起写入沿着给定字线的所有位。在一个方面，磁存储器单元包括：自旋霍尔线，其专用于磁存储器单元；MTJ，设置在自旋霍尔线上，其中MTJ包括通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层；以及一对选择晶体管，其连接到自旋霍尔线的相对端。还提供了一种MRAM器件及其操作方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】三端自旋霍尔MRAM
本专利技术涉及自旋霍尔磁性随机存取存储器(MRAM)，并且更具体地，涉及改进的自旋霍尔MRAM设计，其使得能够使用用于每个磁性隧道结的单独的自旋霍尔线一起写入沿着给定字线的所有位。
技术介绍
磁性随机存取存储器(MRAM)装置使用磁性存储器单元来存储信息。与磁存储单元中的固定(或参考)层的磁化取向(orientation)相比，信息被存储在磁存储单元中，作为磁存储单元中的自由(或可切换)层的磁化取向。自由层的磁化取向可以平行于或反平行于固定层，表示逻辑"1"或逻辑"0"。当磁存储单元处于零外加磁场中时，磁存储单元的磁化是稳定的。然而，磁场的施加可以切换自由层的磁化以将信息写入磁存储器单元。每一磁性存储器单元包含充当自由层的至少一个磁性金属层、充当固定层的至少一个其它磁性金属层，以及在磁性隧道结或MTJ堆叠中定向的隧道势垒。存在于自由层与固定层之间的隧道势垒用于使这些磁性金属层去耦，同时准许电子穿过隧道势垒。在自旋扭矩MRAM中，自旋霍尔效应被用于写入数据，由此自旋极化电流通过自旋霍尔线，这使MTJ中的自由层沿着自旋霍尔线不稳定，使得它们更容易写入。然而，这种设计的问题在于自旋霍尔线具有高电阻率，从而限制了可以放置在同一线上的位数。因此，将需要改进的自旋力矩MRAM设计。
技术实现思路
本专利技术提供了改进的自旋霍尔磁性随机存取存储器(MRAM)设计，其使得能够使用用于每个磁性隧道结(MTJ)的单独的自旋霍尔线一起写入沿着给定字线的所有位。在本专利技术的一个方面中，提供了一种磁存储器单元。该磁存储单元包括：自旋霍尔线，其专用于磁存储器单元；设置在自旋霍尔线上的MTJ，其中MTJ包括通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层；以及一对选择晶体管，其连接到自旋霍尔线的相对端。在本专利技术的另一个方面，提供了一种MRAM器件。MRAM器件包括：位线；取向与位线正交的字线；以及在位线和字线之间的磁存储单元，其中每个磁存储单元包括：i)磁存储器单元专用的自旋霍尔线，ii)设置在自旋霍尔线上的MTJ，具有通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层，以及iii)连接到自旋霍尔线的相对端的一对选择晶体管。在本专利技术的又一方面，提供了一种操作MRAM器件的方法。该方法包括以下步骤：将字线电压施加到MRAM器件的给定字线，其中MRAM器件包括：位线、取向与位线正交的字线、以及在位线和字线之间的磁存储器单元，其中每个磁存储器单元包括：i)磁存储器单元专用的自旋霍尔线，ii)设置在自旋霍尔线上的MTJ，其具有通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层，以及iii)连接到自旋霍尔线的相对端的一对选择晶体管；将第一电压Vdd施加到每个磁性存储器单元中的自旋霍尔线，以使每个磁性存储器单元的MTJ中的自由磁性层不稳定；将写入电压施加到与逻辑1或逻辑0对应的每个位线；以及将第二电压Vs施加到每个磁存储器单元中的自旋霍尔线，其中Vs<Vdd，并且其中在将第二电压Vs施加到自旋霍尔线的步骤之前执行将写入电压施加到每个位线的步骤。通过参考以下详细描述和附图，将获得对本专利技术的更完整理解以及本专利技术的进一步特征和优点。附图说明图1是示出具有固定层、隧道势垒和自由层的传统磁隧道结(MTJ)的图，其中固定层的磁化指向左侧或右侧；图2是示出垂直MTJ的图，其中固定层的磁化指向上或向下；图3是示出具有共享公共自旋霍尔线的多个MTJ的示例性自旋扭矩磁性随机存取存储器(MRAM)设计的图；图4是示出根据本专利技术实施例的单个磁性存储单元的图；图5是示出根据本专利技术实施例的沿给定字线的多个磁存储器单元(每个按照图4配置)和执行的写操作的图；图6是示出根据本专利技术实施例的用于对图5的磁存储器单元行执行写操作的示例性方法的图；图7是示出根据本专利技术实施例的对沿给定字线的多个磁存储器单元(每个按照图4配置)执行的读操作的图；图8是示出根据本专利技术实施例的用于对图7的磁存储器单元行执行读操作的示例性方法的图；图9是示出根据本专利技术实施例的本MRAM器件的示例性配置的自上而下示意图；以及图10是示出根据本专利技术实施例的用于实现本MRAM器件的示例性设备的图。具体实施方式如上文强调，自旋力矩磁性随机存取存储器(MRAM)使用在例如图1和图2中所示的磁性隧道结(MTJ)堆叠中具有固定磁性层("固定层")、隧道势垒和自由磁性层("自由层")的(二端子)装置。给定层(固定或自由)的磁化取向可以由箭头表示。双向箭头表示磁化可以在自由层中被切换以指向任一方向。参见图1和图2。图1示出了传统的MTJ，其中固定层的取向在方向上钉扎/固定(在这种情况下如箭头所示指向右侧)。使电流向上通过MTJ使得自由层的磁化平行于固定层的磁化，即固定层和自由层两者的磁化的取向将指向右侧。使电流向下通过MTJ使得自由层的磁化反平行于固定层的磁化，即，固定层的磁化取向将指向右侧，而自由层的磁化取向将指向左侧。值得注意的是，固定层指向右侧的图示仅是一个示例，并且固定层可以替代地指向左侧，其中自由层可在平行于固定层(通过指向左侧)或反平行于固定层(通过指向右侧)之间切换。最近，已经研究了垂直MTJ设计以减小切换电流、改善热稳定性、切换可靠性/准确性等。参见下文。对于垂直MTJ，不是指向左边或右边，而是固定层和自由层的磁化取向指向上方或下方。图2中示出了垂直MTJ设计。在图2所示的示例中，固定层的取向在方向上被钉扎/固定(在这种情况下如箭头所指示的那样指向上)。以与上述相同的方式，使电流向上通过MTJ使得自由层的磁化平行于固定层的磁化，即固定层和自由层两者的磁化的取向将指向上方。使电流向下流过MTJ使得自由层的磁化与固定层的磁化反平行，即固定层的磁化取向将指向上，而自由层的磁化取向将指向下。值得注意的是，固定层指向上的图示仅是示例，并且固定层可以替代地指向下，其中自由层可在平行于固定层(通过指向上)或反平行于固定层(通过指向下)之间切换。使用较小的电流(任一极性)来读取器件的电阻，这取决于自由层和固定层的相对取向。早期的自旋扭矩MRAM设计采用固定层和自由层，它们的磁化位于如图1所示的层的平面中，然而，这种平面内磁各向异性导致高的切换电流。相反，磁化垂直于层平面的材料(如图2所示)具有所谓的垂直磁各向异性或PMA。例如，参见授予Hu等人的美国专利9,391,266，题为"垂直磁各向异性BCC多层"，其内容通过引用结合于此，就像在此完全阐述一样。然而，即使具有垂直各向异性，切换电流仍然高于期望。自旋霍尔效应最近已经显示出在磁性层上施加大的扭矩。例如，参见图3，其示出了沿公共自旋霍尔线布置的MTJ位，例如MTJ1、MTJ2等。PMAMTJ(即，图2所示的设计)形成在自旋霍尔线上，自旋霍尔线本身具有大的自旋霍尔角。每个MTJ的顶部连接到相应的晶体管。当电流通过自旋霍尔线时，极化进入或离开页面的自旋向上扩散。这些自旋将使垂直磁化的自由层不稳定(参见上文)，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁存储器单元，包括：/n自旋霍尔线，其专用于磁存储器单元；/n磁性隧道结(MTJ)，其设置在自旋霍尔线上，其中MTJ包括通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层；以及/n一对选择晶体管，其连接到自旋霍尔线的相对端。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170801 US 15/666,2361.一种磁存储器单元，包括：
自旋霍尔线，其专用于磁存储器单元；
磁性隧道结(MTJ)，其设置在自旋霍尔线上，其中MTJ包括通过隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层；以及
一对选择晶体管，其连接到自旋霍尔线的相对端。


2.如权利要求1所述的磁存储器单元，还包括：
在MTJ与自旋霍尔线之间的磁性绝缘层。


3.如权利要求2所述的磁存储器单元，其中磁性绝缘层包括氧化镍。


4.如权利要求1所述的磁存储器单元，其中固定磁性层和自由磁性层各自包括钴-铁-硼。


5.如权利要求1所述的磁存储器单元，其中隧道势垒包括氧化镁。


6.如权利要求1所述的磁存储器单元，其中自旋霍尔线包括从由以下材料组成的组中选择的材料：钨、钽、铂、铋、硒及其组合。


7.一种磁性随机存取存储器(MRAM)器件，包括：
位线；
取向与位线正交的字线；以及
位于位线和字线之间的如前述权利要求中任一项所述的磁存储单元。


8.如权利要求7所述的MRAM器件，其中选择晶体管对中的每个选择晶体管包括由沟道区互连的源极区和漏极区，以及配置成调节通过沟道区的电荷流的栅极，并且其中栅极连接到字线的一个给定字线。


9.如权利要求8所述的MRAM器件，其中选择晶体管的漏极区连接到自旋霍尔线。


10.如权利要求8所述的MRAM器件，还包括：
取向平行于位线的源极线。


11.如权利要求10所述的MRAM装置，其中选择晶体管的源极区域连接到源极线中的一者。


12.一种操作MRAM器件的方法，该方法包括步骤：
将字线电压施加到MRA...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·沃尔莱德格，J·K·德伯罗斯，J·Z·孙，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US