具有反向mtj连接的otp单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及配置为一次性可编程(OTP)器件的磁隧道结(MTJ)器件。更具体地，本公开涉及配置具有反向连接OTP器件的MTJ器件。
[0002]背景
[0003]与常规的随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，数据不是作为电荷来存储的，而是取而代之通过存储元件的磁极化来存储。这些存储元件是从由隧道层分开的两个铁磁层形成的。这两个铁磁层中的一个(称为固定层或者钉扎层)具有固定在特定方向上的磁化。另一铁磁磁性层(称为自由层)具有可以被更改的磁化方向，以当自由层磁化与固定层磁化呈反平行时表示“I”或者当自由层磁化与固定层磁化平行时表示“0”，或者反之。具有固定层、隧道层和自由层的一种此类器件是磁性隧道结(MTJ)。MTJ的电阻取决于自由层磁化和固定层磁化是彼此平行还是彼此反平行。存储器设备(诸如MRAM)是由可个体寻址的MTJ的阵列构造的。
[0004]为了将数据写入常规MRAM，通过MTJ来施加超过临界切换电流的写电流。超过临界切换电流的写电流足以改变自由层的磁化方向。当写电流在第一方向上流动时，MTJ可被置于或者保持在第一状态，其中其自由层磁化方向和固定层磁化方向对齐在平行取向上。当写电流在与第一方向相反的第二方向上流动时，MTJ可被置于或者保持在第二状态，其中其自由层磁化和固定层磁化呈反平行取向。
[0005]为了读取常规MRAM中的数据，读电流经由与用于将数据写入MTJ的电流路径相同的电流路径来流经该MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化彼此平行地取向，则该MTJ所呈现的电阻不同于在自由层和固定层的磁化呈反平行取向的情况下该MTJ所将呈现的电阻。在常规MRAM中，由MRAM的位单元中的MTJ的两个不同电阻来定义两种相异的状态。这两个不同的电阻表示由该MTJ存储的逻辑“O”值和逻辑“ I”值。
[0006]磁性随机存取存储器的位单元一般被布置成包括存储器元件(例如，MRAM情形中的MTJ)范型的一个或多个阵列。STT-MRAM (自旋转移矩磁性随机存取存储器)是新兴的非易失性存储器，其具有以下优点:非易失性、与eDRAM(嵌入式动态随机存取存储器)相当的速度、与eSRAM(嵌入式静态随机存取存储器)相比较小的芯片尺寸、不受限制的耐读/写性、以及低阵列漏泄电流。
[0007]简要概述
[0008]本公开的诸方面包括一次性可编程(OTP)装置，其包括耦合到固定电势的存取晶体管、耦合在所述存取晶体管和该OTP装置的单位单元中的第一位线之间的第一磁隧道结(MTJ)器件。该OTP装置还包括耦合在该存取晶体管与该单位单元中的第二位线之间的第二 MTJ器件、以及耦合到第一 MTJ器件和第二 MTJ器件的编程电路系统该编程电路系统配置成在第一 MTJ器件与第二 MTJ器件之间进行选择以应用足够的电压来击穿与所选MTJ器件相关联的势皇层。
[0009]根据另一方面，本公开包括一种用于实现OTP装置的单位单元的方法。该方法包括启用第一编程驱动器以仅跨串联耦合的第一磁隧道结(MTJ)和存取晶体管地施加电压。该方法还可包括启用第二编程驱动器以仅跨串联耦合的第二 MTJ器件和该存取晶体管地施加电压。
[0010]在另一方面，一种OTP装置包括用于启用第一编程驱动器以仅跨串联耦合的第一磁隧道结(MTJ)和存取晶体管地施加电压的装置。该OTP装置还可以包括用于启用第二编程驱动器以仅跨串联耦合的第二 MTJ器件和该存取晶体管地施加电压的装置。
[0011]根据另一方面，本公开包括用于形成一次性可编程(OTP)单元的方法。该方法包括将存取晶体管耦合到固定电势，将第一磁隧道结(MTJ)器件耦合在该存取晶体管与该OTP装置的单位单元中的第一位线之间，将第二 MTJ器件耦合在该存取晶体管与该单位单元中的第二位线之间，并且将编程电路系统耦合到第一 MTJ器件且耦合到第二 MTJ器件。该编程电路系统被配置成在第一 MTJ器件与第二 MTJ器件之间进行选择以施加足够的电压来击穿与所选MTJ器件相关联的势皇层。
[0012]这已较宽泛地勾勒出本公开的特征和技术优势以便下面的详细描述可以被更好地理解。本发明的其他特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应该领会，本发明可容易地被用作改动或设计用于实施与本发明相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效构造并不脱离所附权利要求中所阐述的本发明的教导。被认为是本发明的特性的新颖特征在其组织和操作方法两方面连同进一步的目的和优点在结合附图来考虑以下描述时将被更好地理解。然而要清楚理解的是，提供每一幅附图均仅用于解说和描述目的，且无意作为对本发明的限定的定义。
[0013]附图简述
[0014]为了更全面地理解本公开，现在结合附图参阅以下描述。
[0015]图1为连接到存取晶体管的磁隧道结(MTJ)器件的示图。
[0016]图2是一次性编程(OTP)器件的示图。
[0017]图3是MTJ器件以及用于编程和读取该MTJ器件的电路系统的示图。
[0018]图4A是包括一般MTJ配置的OTP单元的示意电路图。
[0019]图4B是包括一般MTJ配置的OTP单元的物理布局图。
[0020]图5A是根据本公开的诸方面的包括反向连接的OTP单元的示意电路图。
[0021]图5B是根据本公开的诸方面的包括反向连接的OTP单元的物理布局图。
[0022]图5C是根据本公开的诸方面的包括反向连接的OTP单元的物理布局图。
[0023]图6是根据本公开的诸方面解说用于对OTP器件进行编程的方法的过程流程图。
[0024]图7是示出其中可有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统的框图。
[0025]图8是解说根据一种配置的用于半导体组件的电路、布局以及逻辑设计的设计工作站的框图。
[0026]详细描述
[0027]图1解说了包括耦合到存取晶体管104的磁隧道结(MTJ) 102的一次性可编程(OTP)器件100。MTJ 102的自由层110耦合到位线112。存取晶体管104耦合在MTJ 102的固定层106与固定电势节点122之间。隧道势皇层114耦合在固定层106与自由层110之间。存取晶体管104包括耦合到字线118的栅极116。
[0028]OTP器件100具有预编程的高电阻状态和可编程的低电阻状态。在预编程的高电阻状态中，该OTP结构呈现出千欧数量级的电阻。在可编程的低电阻状态中，隧道势皇层114在反熔丝编程期间被击穿，以使得该OTP结构呈现百欧数量级的电阻。该OTP器件100可通过跨MTJ 102施加足够高的电压以击穿隧道势皇层114来编程。例如，大约1.8伏特的编程电压可以被施加以击穿隧道势皇层。
[0029]可以使用合成反铁磁材料来形成固定层106和自由层110。例如，固定层106可以包括多个材料层，包括CoFeB，以及Ru层和CoFe层。自由层110可以是反铁磁材料，诸如CoFeB，并且隧道势皇层114可以是例如MgO。
[0030]图2解说了 OTP存储器宏200。宏200可以包括本地数据路径(LDP) 202、全局数据路径(⑶P) 204、单元阵列206、解码器208以及全局控制单元210。LDP 202包括一个或多个感测放大器、以及编程写驱动器(未示出)。GDP 204包括用于输入和输出信号线或针脚(诸如DIN 212和DOUT 214)的电路系统。⑶P 204也可以包括ECC电路系统(未示出)。
[0031]单元阵列206包括对应于字线(例如WL 216)的多个行、以及对应于位线(例如位线218)的多个列。例如，单元阵列206可以具有用于字线的64行和用于位线的256位。单元阵列206包括众多单位单元，诸如耦合到字线216和位线218的单位单元220。每个单位单元包括参照图1描述的OTP器件100。
[0032]图3解说了用于对包括OTP器件302的单位单元进行编程的编程和感测电路系统300。编程和感测电路系统300包括编程驱动器电路系统304和感测电路系统306。OTP器件302包括耦合