Mtj自旋霍尔mram位单元以及阵列的制作方法
【专利说明】MTJ自旋霍尔MRAM位单元W及阵列
【背景技术】
[0001] 具有非易失性的片上嵌入式存储器可W实现能量效率和计算效率。然而，诸如 STT-RAM(自旋转移扭矩磁性随机存取存储器）之类的领先的嵌入式存储器选择受到位单 元的编程（即，写）期间的高电压W及高电流密度的困扰。
[0002] 图1对用于STT-MRAM的两个端子1T-1MTJ(磁性隧道结）位单元100进行了说明。 对于位单元100,读取电流路径和写入电流路径相同，导致许多设计折衷。例如，相比于写入 操作期间，在读取操作期间期望MTJ器件的更高的电阻。然而，用于传输读取电流和写入电 流的相同电流路径阻止了读取操作和写入操作具有不同的电阻。为了向位单元100写入逻 辑高电平，相对于源极线（或选择线）来升高位线，而为了向位单元100写入逻辑低电平， 则相对于源极线降低位线。为了从位单元100进行读取，将源极线设置为逻辑低电平并且 利用弱电流（例如，写入电流的1/8)来感测MTJ电阻。
[0003] 1T-1MTJ位单元100可W具有基于隧道结的MTJ的大写入电流（例如，大于 lOOyA)和大电压（例如，大于0. 7V)的要求。1T-1MTJ位单元100可能在基于MTJ的MRAM 中具有高写入错误率或者低速切换（例如，超过20纳秒）。由于磁性隧道结中的隧穿电流， 1T-1MTJ位单元100还可能具有可靠性问题。例如，MTJ器件中的绝缘层是抑制大电流流动 的势垒（例如，化〇至Ij10KQ)，并且较小的电流会引起较高的写入误差。
【附图说明】
[0004] 根据W下所给出的【具体实施方式】并根据本公开内容的各个实施例的附图，将更加 充分地理解本公开内容的实施例，然而，其不应当解释为将本公开内容限制于特定的实施 例，而仅用于解释和理解。
[000引图1对用于STT-MRAM的两个端子1T-1MTJ位单元进行了说明。
[0006] 图2A是根据本公开内容的一个实施例的1T-1MTJ自旋霍尔效应（S肥)MRAM位单 yn〇
[0007] 图2B根据本公开内容的一个实施例对用于基于巨甜E(GS肥）自旋扭矩切换的 1T-1MTJ的典型材料叠置体进行了说明。
[0008] 图2C是图2B的器件的顶视图。
[0009] 图2D示出了如金属中的S肥所决定的自旋电流和电荷电流的方向。
[0010] 图3A-3C是根据本公开内容的一个实施例的1T-1MTJS肥MRAM位单元的布图。
[0011] 图3D是根据本公开内容的一个实施例两个1T-1MTJS肥MRAM位单元的横截面视 图的布图的顶视图。
[001引图4A-4B根据本公开内容的一个实施例对1T-1MTJS肥MRAM的不同的读取操作 和写入操作进行了说明。
[001引图5A-5D是根据本公开内容的另一个实施例的1T-1MTJS肥MRAM位单元的布图。[0014]图6是根据本公开内容的一个实施例的1T-1MTJS肥MRAM位单元阵列。
[001引图7是根据一个实施例的与传统MTJ相比的1T-1MTJS肥MRAM位单元的写入能 量延迟条件的曲线图。
[0016]图8是根据一个实施例的1T-1MTJS肥MRAM位单元和传统MTJ的可靠的写入时 间的曲线图。
[0017] 图9是根据本公开内容的一个实施例的具有1T-1MTJS肥MRAM位单元的智能设 备或者计算机系统或者SoC(片上系统）。
【具体实施方式】
[0018] 实施例描述了MTJ(磁性隧道结）S肥（自旋霍尔效应）MRAM(磁性随机存取存储 器）位单元。在一个实施例中，位单元包括选择线或源极线；具有甜E材料的互连部，该互 连部禪合到写入位线；禪合到选择线和互连部的晶体管，该晶体管可W由字线控制；W及 具有禪合到互连部的自由磁性层的MTJ器件，其中MTJ器件的一个端禪合到读取位线。在一 个实施例中，位单元是1T(一个晶体管S肥位单元。实施例还描述了用于MTJS肥 MRAM位单元的布图的技术。
[0019]MTJS肥MRAM位单元经由巨自旋霍尔效应（GS肥）提供了高度紧凑的RAM,巨自 旋霍尔效应（GS肥）产生高自旋注入效率。实施例的某些非限制性的技术效果是通过GS肥 实现了低编程电压（或者对于相同电压的较高电流）；实现了较低的写入错误率W实现较 快的MRAM(例如，小于10纳秒）；使写入路径和读取路径去禪W实现较快的读取等待时间； 实现了低电阻写入操作，其使得注入电流或较高的电流能够获得MTJ的超快切换行为；与 写入电流W及传统MTJ相比，显著地降低了读取电流（例如，相比于对于额定写入操作的 100yA，低于10yA的读取电流）；并且提高了隧穿氧化物的可靠性并且实现了MTJ等。
[0020] 在下文描述中，探讨了大量细节，W提供对本发明实施例的更透彻的解释。然而， 对本领域技术人员来说，可W在没有运些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易 见的。在其它实例中，W方框图的形式而不是W细节的形式来示出公知的结构和设备，W避 免使本发明的实施例难W理解。
[0021] 注意，在实施例的对应附图中，用线来表示信号。一些线较粗，W表示更多构成的 信号路径（constituentsignalpath),和/或一些线的一个或多个末端具有箭头，W表示 主要信息流向。运些表示不是想要进行限制。事实上，结合一个或多个示例性实施例使用 运些线有助于更容易地理解电路或逻辑单元。任何所代表的信号（由设计需求或偏好所决 定）实际上可W包括可W在任意一个方向传送的并且可任何适当类型的信号方案实 现的一个或多个信号。
[0022] 贯穿整个说明书，W及在权利要求书中，术语"连接"表示在没有任何中间设备的 情况下所连接的物体之间的直接电气连接。术语"禪合"表示所连接的物体之间的直接电 气连接或通过一个或多个无源或有源的中间设备的间接连接。术语"电路"表示被设置为 彼此配合W提供所期望的功能的一个或多个无源和/或有源部件。术语"信号"表示至少 一个电流信号、电压信号或数据/时钟信号。"一个"，"一种"及"所述"的含义包括复数的 引用。"在……中"的含义包括"在……内"和"在……上"。
[0023] 术语"缩放"通常指的是将设计（原理图及布局）从一种工艺技术转换为另一种 工艺技术。术语"缩放"通常也指的是在同一个工艺节点内将布局和设备的尺寸缩小。术 语"基本上"、"接近"、"近似"、"附近"、"大约"等通常指的是在目标值的+/-20 %W内。
[0024] 除非另外规定，否则使用序数形容词"第一"、"第二"及"第S"等来描述共同的对 象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示运样描述的对象必须采用给定的顺 序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。
[0025]出于实施例的目的，晶体管是金属氧化物半导体（M0巧晶体管，其包括漏极端子、 源极端子、栅极端子W及体端子。晶体管也包括=栅级晶体管和罐式场效应晶体管。源极 端子和漏极端子可W是相同的端子并且在本文中互换地进行使用。本领域技术人员将意 识到，可W在不脱离本发明范围的情况下使用其它晶体管，例如双极结型晶体管一一BJT PNP/NPN、BiCMOS、CMOS、e阳T等。术语"MN"表示n型晶体管（如NM0S、NPNBJT等）并且 术语"MP"表示P型晶体管（如PM0S、PNPBJT等）。
[0026] 图2A是根据本公开内容的一个实施例的1T-1MTJS肥MRAM位单元200。应当指 出的是，具有与任意其它附图的元件相同的附图标记（或者名称）的图2A的运些元件可W W与其所描述的方式相类似的任意方式来操作或运行，但不限于此。
[0027] 在一个实施例中，相比于两端子位单元100而言，位单元200是=端子器件。在该 实施例中，使读取位线度L)端子和写入位线端子相互去禪W形成第一两端子，并且源极线 (SL)(也称为选择线）形成第S端子。在一个实施例中，位单元200包括具有与GS肥金属 直接接触的自由磁性层的MTJ器件，GS肥金属是显示了甜E特性的金属。在一个实施例中， 位单元200包括晶体管Ml，其漏极/源极端子中的一个禪合到GS肥金属201 (也称为由甜E 材料所形成的互连部），并且其源极/漏极端子中的另一个禪合到化。在一个实施例中，晶 体管Ml是诸如NM0S之类的n型晶体管。在一个实施例中，晶体管Ml是P型晶体管。
[0028] 材料的广泛组合可W用于MTJ器件的材料堆叠。在该实施例中，材料的堆叠体包 括：COxFeyBz、MgO、CoJeyBz、Ru、CoJeyBz、IrMn、Ru、化和Ru，其中和"Z"是整数。 在其它实施例中，其它材料可W用于形成包括有固定磁性层和自由磁性层的MTJ器件。
[0029] 在一个实施例中，GS肥金属201专用于MTJ器件，即其不被其它MTJ器件共享。在 一个实施例中，GS肥金属201直接禪合到写入化。在一个实施例中，读取化禪合到MTJ器 件的另一个端子。在一个实施例中，写入线（WL)禪合到晶体管Ml的栅极端子。在一个实 施例中，选择晶体管Ml置于饱和模式，W便克服高度缩放的MRAM阵列上的现有的限制。
[0030] 在一个实施例中，为了将数据写入到位单元200,将自旋电流注入MTJ器件的自由 磁性层（其与由甜E材料所形成的互连部直接接触）中。在一个实施例中，为了从位单元 200读出数据，读出放大器对读出化和读出化进行感测。
[0031] 相比于位单元100而言，位单元200具有若干优点。例如，位单元200的写入和读 取操作相互去禪，允许高度优化的写入操作，例如在非常低的BER(位错误率）的情况下小 于10ns。其它优点例如包括现在可W对读出路径电阻进行优化W读取读出放大器的要求； 由于自旋霍尔增强而达到约100%或者更高的自旋注入效率的可行性；与位单元100的密 度相比，较小的密度或者相等的密度。
[0032] 图2B根据本公开内容的一个实施例对用于基于GS肥自旋扭矩切换的1T-1MTJ的 典