专利名称：具有多层单元(mlc)数据存储能力的磁性存储单元的制作方法
具有多层单元(MLC)数据存储能力的磁性存储单元
发明内容
本发明的各种实施例一般涉及用于将数据写入诸如自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM)存储单元之类的磁性存储元件的方法和装置。根据各实施例，多层单元(MLC)磁性存储单元叠层具有连接于第一控制线的第一和第二磁性存储元件以及连接于第二控制线的开关器件。第一存储元件并联于第二存储元件，而第一和第二存储元件串联于开关器件。第一和第二存储元件提供在存储单元叠层中的不同高度上。编程电流在第一和第二控制线之间流过以同时将第一和第二磁性存储元件设定至不同编程的电阻。在一些实施例中，第一写电流同时对第一和第二元件编程，之后沿相反的第二方向施加第二写电流以将第一元件切换至不同编程的电阻。以本发明各种实施例为表征的这些以及各种其它特征与优点可考虑以下具体讨论与所附附图来理解。
图1提供了数据存储设备的功能框表示。图2描绘了图1的存储器模块的一部分。图3A示出图2中作为磁性叠层选择的磁性存储元件的示例性结构。图3B是图3A的磁性存储元件叠层的分解图。图4是对如图2-3中那样配置的存储单元的结构描绘。图5是图4所示存储单元的替代性结构描述。图6是图4所示存储单元的又一替代性结构描述。图7是根据一些实施例配置的存储单元的电阻和电流特征的图解表示。图8是根据一些实施例配置的存储单元的电阻和电流特征的图解表示。图9示出对MLC单元作数据写入的例程。
具体实施例方式本公开以数据可被写入诸如但不限于自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM)单元之类的磁性存储元件的方式来阐述各种改进。固态磁性存储单元阵列可被用于提供数据比特的非易失性存储。一些磁性存储单元配置包括诸如磁性隧道结(MTJ)之类的可编程电阻性元件。MTJ包括具有选定方向上的固定磁取向的钉扎基准层。自由层通过隧道势垒与该基准层分开，其中该自由层具有可选择性变化的磁取向。自由层相对于固定层的取向建立了该单元的总电阻，该总电阻可在读取感测操作期间检测到。尽管已发现磁性存储单元能在紧凑的半导体阵列环境中高效地存储数据，然而与这类元件相关的一个问题是一般无法使用多层单元(MLC)编程来将多个位写至磁性存储单元。也就是说，许多磁性存储单元中的自由层只能在两种磁性状态(平行和逆平行)之间作磁性进动。这使每个磁性存储元件只能使用单个层单元或SLC编程而存储一个数据位。因此，本发明的各实施例一般涉及通过磁性存储元件对存储单元执行MLC编程的装置和方法。如下所述，每个存储单元被提供有在单元内彼此并联的两个(或更多个)磁性存储元件。可将不同的电流密度施加于单元以独立地将相应存储元件切换至要求的阻态。在每个单元中使用两个可编程存储元件允许在每个单元中存储两个数据位(分别为00，01，10和11)。将能理解，在每个单元中可提供任意复数个存储元件。例如，使用三个存储元件可允许在每个单元中存储多达三个数据位(从000至111)，依此类推。图1提供根据本发明的各种实施例构造和运作的数据存储设备100的简化框图表示。可以构想，该设备构成可与便携式电子设备匹配以为该设备提供数据存储的存储卡，尽管并非一定如此。设备100图示为包括控制器102和存储模块104。控制器102为包含与主机(未单独示出)接口操作的设备提供顶层控制。控制器功能可以硬件或经由可编程处理器来实现，或可直接并入到存储模块104中。也可将其它特征并入到设备100中，包括但不局限于 I/O缓冲器、ECC电路和本地控制器高速缓冲存储器。存储模块104包括如图2所示的非易失性存储单元106的固态阵列。每个单元 106包括多个电阻感测存储元件108和开关器件110。存储元件108在图2中表示为可变电阻器，因为这些元件将响应对单元的编程输入而建立不同的电阻。切换器件110在读取操作和写入操作期间促成对个别单元的选择性访问。要注意，每个单元106中的存储单元 108彼此并联，并且每个存储元件进一步与开关器件110串联。在一些实施例中，存储单元106被表征为自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM) 单元。存储元件108被表征为磁性隧道结(MTJ)，而切换器件被表征为nM0SFET(n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。将能理解可轻易地采用其它单元配置，包括具有巨磁阻 (GMR)结构的磁性元件、电流垂直于平面GMR(CPP和CCP)结构以及响应对其适当的写电流提供不同电阻的其它磁性结构。对单元106的访问是使用各控制线实现的，包括位线(BL) 112、源线(SL) 114和字线(WL) 116。沿所选字线116的所有单元106可形成存储器在读和写操作中当前访问的一个页面。该阵列可包括以行和列安排的任何数目个MxN个存储单元。可使用其中仅两条控制线直接耦合至每个单元的交叉点阵列。图2中表示的各位线、源线和控制线112、114和116正交地跨阵列延伸，并可根据需要彼此平行或彼此垂直。合适的驱动器电路(未示出)耦合至各种控制线以使选定的读和写电流通过个别单元106。图3A提供来自图2的选定存储元件108的垂直层叠表示。MTJ 118包括导电的顶部和底部电极120、122(分别为TE和BE)。基准层(RL) 124具有在所选方向上的固定磁取向。基准层124可采取数种形式，例如具有由毗邻的例如永磁体之类的钉扎层建立的固定磁取向的反铁磁性钉扎层。替代地，可使用合成的反铁磁性(SAF)结构。隧道势垒层126 将基准层124与有时亦被称为存储层的软铁磁性自由层128分开。自由层128具有选择性编程的磁取向，该磁取向是响应对元件108施加写电流而建立的。自由层128的经编程磁取向可与基准层124的取向处于同一方向(平行)，或相对于基准层126的取向处于相反的方向(逆平行)。平行取向提供通过存储单元的较低电阻&，而逆平行取向提供通过该单元的较高电阻Rh。可以构想，基准层和自由层124、128的磁化方向将垂直于如图所示通过单元的轴方向，但这不是必需的。作为参考，自由层的平行取向提供沿该层的易磁化轴的磁化，而自由层的逆平行取向提供沿该层的难磁化轴的磁化。虽然图3A和图3B中未示出，但是应当理解，顶部电极122建立与关联的位线 112 (图2)的电气互连，而底部电极120建立与关联的切换器件110的漏极的电气互连。磁性存储元件108可采取多种形式。一种示例性结构是总体通过图3B的分解图表述的圆柱形状。这为该元件108提供圆形横截面面积，如图中通过顶部电极122的顶表面130所示那样。也可替代地使用其它横截面形状，例如直方形。可采用适当的半导体制造工艺以依次形成每个叠层。图4示出根据一些实施例的图2-3的存储单元的示例性半导体配置。应当理解， 也可使用其它的单元叠层配置。在图4中，底部ρ半导体衬底134设有局部N+掺杂区136、 138。栅极结构140横跨区域136、138以形成η-沟道晶体管作为开关器件110。对单元106 选定的字线116耦合于栅极140。导电结构142从掺杂区138延伸以支承桥接电极144。两个并肩、共面的磁性存储元件108 (标示为MTJl和MTJ2)被支承在电极144上。第二延伸电极146从MTJl和MTJ2 元件延伸出以接触地接合关联的位线112。第三电极结构148将掺杂区136与纵向延伸的源线114互连。尽管没有单独标出，但应当理解例如二氧化硅的绝缘材料层在图4所示的各元件之间延伸。切换第一磁性存储元件MTJl所需的电流密度被选择为不同于切换第二磁性存储元件MTJ2所需的电流密度。通过存储单元106的电流密度是通过MOSFET 110的导电性受到调整的，所述MOSFET 110的导电性是通过提供给字线116的电压电位建立的。通过单元的电流的大小和方向是通过将适当电位施加于位线和源线112、114建立的。要注意，相应的MTJl和MTJ2元件沿同一平面设置并能在半导体制造过程中同时形成。可通过对相应的元件提供不同的尺寸和/或形状而建立不同的切换密度。例如，MTJ2 在图4中显示为具有比MTJl更大的横截面，由此提供给MTJ2较高的切换阈值特性。图5示出存储单元106的一种替代结构。图5的结构大体类似于图4的结构，因此相同的附图标记表示相同的部件。在图5中，相应的磁性元件MTJl、MTJ2以非重叠、非共面关系沿半导体叠层中处于不同高度的分离平面彼此对准。更具体地，要注意MTJl设置在垂直平面线149之下而MTJ2位于该垂直平面线149之上。在半导体制造过程中，MTJl首先形成在叠层中的较低高度上，随后MTJ2形成在叠层中的较高高度上。如图所示在不同平面内提供MTJl和MTJ2存储元件108可较为有利地改善写操作并能影响电阻响应，因为可基本避免从一个元件至另一元件的共面磁场效果。例如，在对 MTJl中的自由层编程操作过程中产生的磁场不会影响MTJ2中的自由层，反之亦然，因为这些相应层的垂直高度存在差异。此外，提供如图5所示的不同、非重叠平面内的MTJl和MTJ2存储元件允许针对每个元件的制造专门调整制造工艺。可采用第一组工艺步骤以在第一较低的高度形成MTJ1， 然后采用不同的第二组工艺步骤在第二较高的高度上形成MTJ2。这能提高形成各类型存储元件中的每一个的精度，并防止关联于一个存储元件的工艺步骤不利地影响另一元件的问题。可根据需要改变在各非共面MTJl和MTJ2元件之间的垂直轴向分离量，包括具有某一重叠量的非共面分离；MTJ2的最下部可处于与MTJl的最上部相同的平面内，而这些元件仍然是非共面的。在一些实施例中，使MTJ2的底部电极(BE)与MTJl的顶部电极(TE) 对准是有利的，因此这些相应的元件可使用同一金属化工艺来形成。然而，因为本文所述目的，这些元件仍然是非共面的。延伸电极150如图所示地支承MTJ2以将MTJ元件抬高至第二较高的高度。该电极可在MTJl成形的过程中形成，随后在该电极的顶部形成MTJ2。如前所述，MTJ2被提供与 MTJl相比不同的尺寸和/或形状，包括各内层的不同厚度，以提供各元件之间的不同切换特性。图6示出根据又一些实施例的存储单元。图6的配置类似于图5的配置，除了 MTJl 和MTJ2标称地处于同一尺寸。切换特性的差异是通过其它手法实现的，例如通过使用不同配置的自由层。例如，MTJl的自由层可由倾向于在与MTJ2的自由层不同的电流密度下进动的材料形成。前述示例性结构允许存储单元106呈现四种不同的阻态。第一状态发生在两存储元件108均处于低电阻&时(0，0)。第二状态发生在当MTJl处于高电阻Rh而肌旧保持在Rl时(1，0)。第三状态发生在当MTJl处于低电阻&而MTJ2处于Rh时(0，1)。第四状态是当两元件均处于Rh时(1，1)。由于每个单元106中的相应存储元件108的不同电流切换密度，因此MTJl标示为Ru的低电阻将不同于MTJ2标示为的低电阻。同样地，MTJl标示为Rm的高电阻将不同于MTJ2标示为Rh2的高电阻。总地来说，可构想使大于Ru (Rl2 > Rli)，并使Rh2大于 Rhi (RH2 > RHI) °Rli, Rl2, Rhi和Rh2的相对值将随相应存储元件108的结构而改变。图7示出一示例性实施例，其中Rh2 > Rl2 > Rhi > Rli。在这种情形下，MTJ2的低阻态Rl2具有比MTJl的高阻态Rhi更高的电阻。当存储元件MTJl、MTJ2如图4所示形成在同一平面时，就能如此。电流强度J1被定义为使MTJl为Ru且MTJ2为Rl2所需的电流密度。电流J2、J3和 J4取得如图所示的剩下三个状态。要注意，电流密度J1和J3的极性(电流方向)是与电流密度J2和J4的极性相反的。在一些实施例中，(0，0)状态可通过在位线112和晶体管110 漏极连接的阱之间建立电位差而在存储器阵列104的截面上使用整块刷新操作来获得。在一些实施例中，可能需要通过单元施加多个连续的写电流以将MTJl和MTJ2元件置为要求的状态。例如，为了从不确定的初始状态写入状态(0，1)，可能需要首先施加具有密度J4的电流以将单元的状态置为(1，1)，之后通过施加与密度J3相反极性的低电流以使MTJl切换回到低阻，例如(0，1)。另一方面，可使用单次施加沿单个方向的写电流来写入其它状态(0，0)或(1，1)。这些和其它工作需求将取决于给定单元的配置，但能由本领域内技术人员能鉴于本公开容易地并入。MTJl和MTJ2存储元件108作为并联电阻工作，由此前述阻态中的每一个将如下地提供跨存储元件两侧的存储元件电阻R(x，y)R(0,0) = Rn+ L2 (1)
权利要求
1.一种装置，包括多层单元(MLC)磁性存储单元叠层，所述磁性存储单元叠层具有连接于第一控制线的第一和第二磁性存储元件以及连接于第二控制线的开关器件，所述第一存储元件并联于所述第二存储元件，所述第一和第二存储元件各自进一步串联于所述第一和第二控制线之间的开关器件并设置在所述叠层内的各非共面轴向高度上，其中编程电流在所述第一和第二控制线之间流动以同时将所述第一和第二磁性存储元件设定在不同的编程电阻。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一磁性存储元件响应流过所述单元并具有第一电流密度的写电流的施加而进动至一选定的磁取向，而所述第二磁性存储元件在进动至所述选定的磁取向前需要施加通过所述单元并具有更高的第二电流密度的写电流。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件中的每一个被特征化为磁性隧道结(MTJ)，每个磁性隧道结具有带固定磁取向的基准层、响应对所述存储元件的写电流施加而具有选择性可编程的磁取向的自由层、以及在所述基准层和所述自由层之间的隧道势垒。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件的自由层响应不同切换电流密度而进动至选定的可编程磁取向。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一存储元件具有第一总横截面积以提供第一切换电流密度，而所述第二存储元件具有不同的第二总横截面积以提供不同的第二切换电流密度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件各自响应关联元件的经编程电阻而存储单个数据位，因此所述存储单元存储至少两个数据位。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件中的每一个各自可编程至相对低的电阻和相对高的电阻，并且所述存储单元响应所述第一和第二磁性存储元件的组合电阻而存储多位数据值。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路通过所述第一和第二控制线之间的所述存储单元施加写电流以将数据存储在各存储元件中，其中所述存储单元的选定经编程状态是通过使第一相对较大的写电流沿第一轴向通过所述单元并随后使第二相对较小的写电流沿相反的第二轴向通过所述单元而得到的。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述MLC存储单元被特征化为第一MLC存储单元，而所述装置被特征化为包含控制器和非易失性存储模块的数据存储器件，所述非易失性存储模块包括与所述第一 MLC存储单元标称地相同的MLC存储单元阵列。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一存储元件使用第一组工艺步骤形成以在所述存储器叠层内的第一高度形成所述第一存储元件，而所述第二存储元件使用不同的第二组工艺步骤形成以在所述存储器叠层内与所述第一高度成非重叠关系的第二高度形成第二存储元件。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二存储元件被特征化为设置在所述存储单元叠层内不同的非重叠高度上的非共面存储元件。
12.一种方法，包括提供多层单元(MLC)磁性存储单元叠层，所述存储单元叠层具有设置在所述叠层内的相应非共面轴向高度上并连接于第一控制线的第一和第二磁性存储元件，所述存储单元叠层还具有连接于第二控制线的开关器件，所述第一存储元件并联于所述第二存储元件，所述第一和第二存储元件各自进一步串联于所述第一和第二控制线之间的所述开关器件；使第一写电流沿第一轴向通过所述第一和第二控制线之间的存储单元，以同时将所述第一和第二磁性存储元件编程至相应的编程电阻；以及接着使第二写电流沿相反的第二轴向通过所述第一和第二控制线之间的所述存储单元以将所述第一磁性存储元件编程至不同编程的电阻。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一磁性存储元件响应所述第一写电流的施加而进动至第一磁取向，而所述第一磁性存储元件随后响应所述第二写电流的施加而进动至相反的第二磁取向。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件中的每一个被特征化为磁性隧道结(MTJ)，每个所述磁性隧道结具有带固定磁取向的基准层、响应对所述存储元件的写电流施加而具有选择性可编程的磁取向的自由层、以及在所述基准层和所述自由层之间的隧道势垒。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件的自由层响应不同切换电流密度而进动至选定的可编程磁取向。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一存储元件具有第一总横截面积以提供第一切换电流密度，而所述第二存储元件具有不同的第二总横截面积以提供不同的第二切换电流密度。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一和第二磁性存储元件中的每一个各自可编程至相对低的电阻和相对高的电阻，并且所述存储单元响应所述第一和第二磁性存储元件的组合电阻而存储多位数据值。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述MLC存储单元被特征化为第一MLC存储单元，而所述装置被特征化为包含控制器和非易失性存储模块的数据存储器件，所述非易失性存储模块包括与所述第一 MLC存储单元标称地相同的MLC存储单元阵列。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一存储元件使用第一组工艺步骤形成以在所述存储器叠层内的第一高度形成所述第一存储元件，而所述第二存储元件使用不同的第二组工艺步骤形成以在所述存储器叠层内与所述第一高度成非重叠关系的第二高度形成第二存储元件。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一和第二存储元件被特征化为设置在所述存储单元叠层内不同的非重叠高度上的非共面存储元件。
全文摘要
用于将数据写至诸如自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM)存储单元之类的磁性存储元件的方法和装置。根据各实施例，多层单元(MLC)磁性存储单元叠层具有连接于第一控制线的第一和第二磁性存储元件以及连接于第二控制线的开关器件。第一存储元件并联于第二存储元件，而第一和第二存储元件串联于开关器件。第一和第二存储元件进一步设置在叠层内不同的非重叠高度上。编程电流在第一和第二控制线之间流过以同时将第一和第二磁性存储元件设定至不同编程的电阻。
文档编号G11C11/16GK102479542SQ201110404708
公开日2012年5月30日 申请日期2011年11月28日 优先权日2010年11月29日
发明者A·克利亚, S·S·薛, Z·高 申请人:希捷科技有限公司