利用自旋转移的快速磁性存储器件以及其中使用的磁性元件制造技术

揭露了一种磁性存储器的设置方法及系统。该方法及系统包括设置多个磁性存储单元、多根字线、多根位线。各所述多个磁性存储单元包括多个磁性元件及至少一个选择晶体管。各所述多个磁性元件能够通过受驱动经过所述磁性元件的写电流利用自旋转移感应翻转来进行编程。各所述多个磁性元件具有第一端及第二端。所述至少一个选择晶体管耦合至各所述多个磁性元件的所述第一端。所述多根字线与所述多个选择晶体管耦合且选择地致能所述多个选择晶体管中的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种磁性存储系统，尤其涉及一种用于提供在其单元可使用自 旋转移效应翻转的磁性存储器中所使用的存储单元及配套电路的方法及系统。
技术介绍
图1示出了现有磁性随机存储器(MRAM) IO的一部分。现有MRAMIO 包括现有磁性存储单元20、现有字线30-1至30-n、现有字选择线40及42、现 有数据线50及52、现有字选择晶体管54及56、现有数据选择线60、现有数 据选择晶体管62及现有读出放大器(sense amplifier) 70。各现有磁性存储单 元20包括单个现有选择晶体管22及单个现有磁性元件24。现有磁性元件24 可为现有自旋阀或现有穿隧磁阻(TMR)结。字选择线42所携带信号为字选 择线40所携带信号的反演。类似地，数据线50所携带信号为数据线52所携 带信号的反演。使用该自旋转移效应来对现有MRAMIO进行编程。该自旋转移效应是由铁磁-正常金属多层的自旋相关电子传输特性形成。 当自旋极化电流以CPP形式贯穿磁性多层(如现有磁性元件24)时，入射在 铁磁层上之电子的自旋角动量与该铁磁层与正常金属层之间界面附近的铁磁 层的磁矩相互作用。通过这一相互作用，该电子将其角动量的一部分传输至该 铁磁层。结果，若该电流密度足够大(约106-108A/cm2)，则自旋极化电流可 翻转该铁磁层的磁化方向。作为使用外部翻转场来翻转磁性元件(诸如现有自旋阀或TMR结24)自 由层的磁化方向的替代或者附加，可以以该CPP形式使用该自旋转移现象。为了将现有磁性元件24编程为例如逻辑1的第一态，驱动电流以第一方 向通过现有磁性元件24。为了将现有磁性元件24编程为例如逻辑0的第二态， 驱动电流以相反方向通过现有磁性元件24。例如，为了对现有磁性元件24编 程，通过激活现有字线30-1来激活现有选择晶体管22。此外，通过分别向字 选择线40及42提供适当电压来激活字选择晶体管54及56。通过向数据选择 线60提供适当电压可使现有数据选择晶体管62禁能。根据该使数据线50及 52偏置的电压，电流以该第一方向或该第二方向流经现有磁性元件24。因此， 分别将现有磁性元件24的状态翻转为逻辑1或逻辑0。为了读取现有磁性元件24，使用线30-1与60分别激活现有选择晶体管 22与现有数据选择晶体管62。此外，使用字选择线42来激活其中一个字选择晶体管56，而使用字选择线40来使该剩下的字选择晶体管54禁能。由此可驱 动读出电流经过现有磁性元件24至读出放大器70。根据该输出电压的量值， 可通过比较该读出电流与参考电流来判定现有磁性元件24中以及进而判断现 有磁性存储单元20中所存储的是逻辑0或是逻辑1。尽管大体上磁性元件可将自旋转移作为编程机制，本
的技术人员 可容易的认识到其存在缺陷。具体地，来自晶体管22、 54、 56及62、来自数 据线50及52以及其余的外围电路的噪声会减少信噪比。因此，难以精确地读 取现有MRAMIO，特别是在器件密度较大的情况下。因此，需要这样一种磁性存储器，其具有改良的性能并且利用局部现象(例 如自旋转移)来写入，以及以增强信噪比及高速进行读取的配套电路。本专利技术 正是为此需要而提供的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种磁性存储器的设置方法及系统。该方法及系统包括设置 多个磁性存储单元、多根字线、多根位线。各所述多个磁性存储单元包括多个 磁性元件及至少一个选择晶体管。各所述多个磁性元件能够通过受驱动经过所 述磁性元件的写电流利用自旋转移感应翻转来进行编程。各所述多个磁性元件 具有第一端及第二端。所述至少一个选择晶体管耦合至各所述多个磁性元件的 所述第一端。所述多根字线与所述多个选择晶体管耦合且选择地致能所述多个 选择晶体管中的一部分。根据本文所揭露的该方法及系统，本专利技术提供了一种用于对磁性存储器进 行编程及读取的机制，所述磁性存储器包括能够通过受驱动经过所述磁性元件 的写电流，例如利用自旋转移现象，来进行编程的磁性元件。附图说明图1为现有磁性随机存储器的图示；图2为本专利技术的磁性存储单元实施例的一部分的图示；图3为本专利技术的磁性存储器实施例的一部分的图示； 图4为本专利技术的另一磁性存储器实施例的一部分的图示； 图5为本专利技术的另一磁性存储器实施例的-一部分的图示； 图6为本专利技术的另一磁性存储器实施例的一部分的图示； 图7为本专利技术的另一磁性存储器实施例的--部分的图示； 图8为本专利技术的另一磁性存储器实施例的一部分的图示； 图9为本专利技术的磁性存储单元实施例的一部分的图示； 图10为本专利技术的磁性存储单元实施例的一部分的剖视图11为本专利技术的磁性存储单元实施例的一部分的剖视图； 图12为本专利技术的另一磁性存储单元实施例的一部分的剖视图； 图13为本专利技术的另一磁性存储单元实施例的一部分的剖视图； 图14为本专利技术的磁性存储单元实施例的一部分的详细剖视图； 图15为本专利技术的另一磁性存储单元实施例的一部分的剖视图； 图16为本专利技术的另一磁性存储单元实施例的一部分的剖视图； 图17为示出本专利技术的磁性存储器设置方法的实施例的流程图； 图18为示出本专利技术的磁性存储器使用方法实施例的流程图。具体实施例本专利技术涉及磁性存储器。以下作为专利申请及其要件而提供的描述使得本 领域的技术人员能够制造及利用本专利技术。较佳实施例的各种修改以及本文中所 描述的普遍原理及特征对于本领域的技术人员来说是清楚明了的。由此，本发 明并不意欲限制为所示的实施例，而应具有与本文所描述的原理及特征相一致 的最大范围。本专利技术提供了一种提供磁性存储器的方法及系统。本方法及系统包括设置 多个磁性存储单元、多个字线及多个位线。该多个磁性存储单元各包括多个磁 性元件及至少一个选择晶体管。该多个磁性元件各能够通过受驱动经过该磁性 元件的写电流利用自旋转移激发翻转来进行编程。该多个磁性元件各具有第一 端及第二端。该至少一个选择晶体管耦合至各磁性元件的该第一端。该多个字 线耦合至该多个选择晶体管且可选择地使该多个选择晶体管中的一部分致能。本专利技术以具有某些组件的特定磁性存储器为背景来描述。本
的技 术人员可容易地认识到本专利技术与具有其他及/或附加组件的磁性存储器的使用 相一致。此外，本专利技术以与该存储器的某些部分相对应的组件为背景描述。例 如，辅助线描述为与若干数量的磁性存储单元相对应。然而，本
的技 术人员可容易地认识到该组件可与另一的元件数量相对应，例如，辅助线与另 一数量的磁性存储单元相对应。本专利技术的方法及系统亦以对单个磁性存储单元 进行读取或写入为背景描述。然而，本
的技术人员可容易地认识到本 方法及系统可扩展为对基本平行的多个磁性存储单元进行读取及/或写入。本发 明以某些存储器为背景描述。然而，本
的技术人员可容易地认识到本 专利技术可与和本专利技术不相 一致的存储器相兼容。本专利技术亦以对自旋转移现象的现有理解为背景描述。因此，本
的 技术人员可容易地认识到本方法及系统之性态的理论解释是根据这一自旋转 移的现有理解作出的。本
的技术人员亦可容易地认识到本方法及系统 是以与基底有某种特定关系的结构为背景描述。例如，如阁所示，该结构的底 部一般比该结构的顶部更靠近在下面的基底。然而，本
的普通技术人 员可容易地认识到本方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性存储器，包括：多个磁性存储单元，各所述多个磁性存储单元包括多个能够通过受驱动经过所述磁性元件的写电流利用自旋转移感应翻转来进行编程的磁性元件，各所述多个磁性元件具有第一端及第二端，并且至少一个选择晶体管耦合至各所述多个磁性元件的所述第一端；及多根字线，其与所述多个选择晶体管耦合且用于选择地致能所述多个选择晶体管中的一部分；及多根位线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-8 11/147,9441、一种磁性存储器，包括多个磁性存储单元，各所述多个磁性存储单元包括多个能够通过受驱动经过所述磁性元件的写电流利用自旋转移感应翻转来进行编程的磁性元件，各所述多个磁性元件具有第一端及第二端，并且至少一个选择晶体管耦合至各所述多个磁性元件的所述第一端；及多根字线，其与所述多个选择晶体管耦合且用于选择地致能所述多个选择晶体管中的一部分；及多根位线。2、 如权利要求1所述磁性存储器，其中所述多个磁性元件包括第一磁性 元件及第二磁性元件，并且其中所述至少一个选择晶体管包括单选择 晶体管。3、 如权利要求2所述磁性存储器，还包括与所述多根位线耦合的多个位线选择晶体管，其用于选择地致能 所述多根位线中的一部分；及用于各所述多个磁性存储单元的多根数据线，所述多根数据线的 第一数据线与所述第一磁性元件的第二端耦合，并且所述多根数据线 的第二数据线与所述第二磁性元件的第二端耦合，所述多个数据线用 于提供所述多个磁性存储单元的写入过程中的写电流以及读取过程中 的读出电流。4、 如权利要求3所述磁性存储器，其中所述多个磁性存储单元被分成包 括第一磁性存储单元及第二磁性存储单元的对，其中所述第一磁性存 储单元的选择晶体管与所述第二磁性存储单元的选择晶体管共用漏 极。5、 如权利要求3所述磁性存储器，其中所述多根位线包括多根辅助位线，各所述辅助位线与所述多个磁性元件中的一部分耦合，所述多个位线 选择晶体管与所述多根辅助位线相对应。6、 如权利要求5所述磁性存储器，其中所述多根数据线包括多根辅助数 据线，所述多根辅助数据线包括用于所述多个磁性存储单元中一部分 的所述第一数据线及所述第二数据线。7、 如权利要求3所述磁性存储器，其中第一数据线接地。8、 如权利要求7所述磁性存储器，其中所述多根位线耦合至多个差分读 出放大器。9、 如权利要求7所述磁性存储器，其中各所述多根位线耦合至各多个差 分读出放大器。10、 如权利要求3所述磁性存储器，其中所述多根位线与至少一个电流转 换电路耦合。11、 如权利要求3所述磁性存储器，其中所述第一数据线是用于各所述多个磁性存储单元的独立数据线，并且其中所述第二数据线是用于所述 多个磁性存储单元的一部分的共用数据线。12、 如权利要求2所述磁性存储器，其中所述第一磁性元件包括具有第一 磁化的第一存储层，并且所述第二磁性元件包括具有第二存储层的第 二存储层，所述第一磁化与所述第二磁化基本反平行对齐。13、 如权利要求2所述磁性存储器，其中所述第一磁性元件具有第一磁阻， 并且所述第二磁性元件具有第二磁阻，所述第一磁阻及所述第二磁阻 的量值基本相等。14、 如权利要求2所述磁性存储器，其中所述第一磁性元件具有第一电阻， 并且所述第二磁性元件具有第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻 不同。15、 如权利要求1所述磁性存储器，其中所述多个磁性元件的第一磁性元 件基本上是直接放置在所述多个磁性元件的第二磁性元件的上方。16、 如权利要求15所述磁性存储器，其中各所述第一磁性元件与所述第 二元件包括穿隧磁阻结。17、 如权利要求16所述磁性存储器，其中所述穿隧磁阻结包括被钉扎层、 穿隧势垒层及自由层，所述穿隧势垒层位于所述被钉扎层与所述自由 层之间。18、 如权利要求n所述磁性存储器，其中所述被钉扎层为合成被钉扎层， 其包括第一磁性层、第二磁性层及所述第一磁性层与所述第二磁性层 之间的非磁性层。19、 如权利要求17所述磁性存储器，其中所述第一磁阻存储元件的被钉 扎层位于所述第一磁阻存储元件的自由层的上方，并且其中所述第二 磁阻存储元件的被钉扎层位于所述第二磁阻存储元件的自由层的下 方。20、 如权利要求15所述磁性存储器，其中所述第一磁阻存储元件及所述 第二磁阻存储元件各自包括独立的单元板，并且由绝缘层隔开。21、 如权利要求15所述磁性存储器，其中所述第一磁阻存储元件及所述 第二磁阻存储元件共用一块单元板。22、 如权利要求1所述磁性存储器，其中所述多个磁性元件包括多个双穿 隧磁阻结。23、 如权利要求22所述磁性存储器，其中各所述多个双穿隧磁阻结包括合成被钉扎层，所述合成被钉扎层包括第一磁性层、第二磁性层及所 述第一磁性层与所述第二磁性层之间的非磁性间隔层。24、 如权利要求l所述磁性存储器，其中各所述多个磁性元件包括第一被 钉扎层、穿隧势垒层、自由层、非磁性间隔层及第二被钉扎层，所述 穿隧势垒层位于所述自由层与所述第一被钉扎层之间，所述非磁性间 隔层位于所述第二被钉扎层与所述自由层之间。25、 如权利要求24所述磁性存储器，其中所述第一被钉扎层为合成被钉 扎层，其包括第一磁性层、第二磁性层及所述第一磁性层与所述第二 磁性层之间的非磁性层。26、 如权利要求1所述磁性存储器，其中各所述多个磁性元件包括多个穿 隧磁阻结，各所述多个穿隧磁阻结由非磁性层隔开。27、 如权利要求1所述磁性存储器，其中各所述多个磁性元件包括至少一 个穿隧磁阻结及至少一个自旋阀，各所述至少一个穿隧磁阻结及所述 至少 一 个自旋阀由非磁性间隔层隔开。28、 如权利要求1所述磁性存储器，其中各所述多个磁性元件包括自由层， 所述自由层包括Co、 Fe及Ni中的至少一种。29、 如权利要求28所述磁性存储器，其中所述自由层包括至少一非晶形 成组分。30、 如权利要求29所述磁性存储器，其中所述至少一非晶形成组分的浓 度不大于30原子百分比。31、 如权利要求29所述磁性存储器，其中所述非晶形成组分包括硼。32、 如权利要求29所述磁性存储器，其中所述自由层的饱和磁化为400 至1500 emu/cm3。33、 如权利要求28所述磁性存储器，其中所述自由层为包括铁磁材料或 亚铁磁材料的单层。34、 如权利要求33所述磁性存储器，其中所述铁磁材料包括下列材料中 的至少一种Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含约20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子 百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分 比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi中35、 如权利要求33所述磁性存储器，其中所述亚铁磁材料包括含15 30 原子百分比Gd的CoGd以及含10 40原子百分比Gd的FeGd中的至少一种。36、 如权利要求28所述磁性存储器，其中所述自由层为包括多个层的多层。37、 如权利要求36所述磁性存储器，其中所述多个层包括多个铁磁层。38、 如权利要求37所述磁性存储器，其中所述多个铁磁层包括下列材料 中的至少一种Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百 分比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比Ta的CoFeTa、含约20原子百分比Fe的NiFe、含5 40 原子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子 百分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi中。39、 如权利要求37所述磁性存储器，其中所述多个层包括至少一非磁性 层，所述非磁性层将所述多个铁磁层的一部分隔开。40、 如权利要求39所述磁性存储器，其中所述铁磁材料包括下列材料中 的至少一种Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含约20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子 百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分 比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi。41、 如权利要求39所述磁性存储器，其中所述非磁性层包括Ru、 Rh、 Re、 Cr及Cu中的至少一种。42、 如权利要求28所述磁性存储器，其中给所述多个磁性元件包括被钉 扎层，所述被钉扎层包括Co、 Fi及Ni中的至少一种。43、 如权利要求42所述磁性存储器，其中所述被钉扎层为包括铁磁材料 或亚铁磁材料的单层。44、 如权利要求43所述磁性存储器，其中所述铁磁材料包括下列材料中 的至少一种co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含约20...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁治涛，怀一鸣，麦亨德拉帕卡拉，钱正宏，
申请(专利权)人：弘世科技公司，
类型：发明
国别省市：US[]