[发明专利]具有并发和差分感测的多自由层MTJ和多端子读电路

说明书

根据35 U.S.C.§119的优先权要求

本专利申请要求于2012年2月7日提交的题为“Novel Multi-Free Layer MTJ Structures for Multi-Bits/Levels and for Differential Sensing(用于多位/电平和用于差分感测的新颖多自由层MTJ结构)”的临时申请No.61/595,815的优先权，其已转让给本申请受让人并通过援引明确纳入于此。

公开领域

本公开的技术领域涉及双稳态电阻性元件非易失性存储器，尤其涉及自旋转移矩(STT)磁性隧道结(MTJ)存储器单元。

背景

STT-MTJ被视为用于下一代非易失存储器的颇具前景的技术，因为潜在特征包括快速切换、高切换周期耐久性、低功耗、以及扩展的断电归档存储。

常规的STT-MTJ元件包括“固定”磁化层(正如其名字指出的，具有固定磁化)和在两个相对的稳定磁化状态之间可切换的“自由”磁化层，一个稳定磁化状态是“平行”(P)于固定层的磁化，另一个稳定磁化状态与固定磁化层相对或“反平行”(AP)于固定磁化层。给定STT-MTJ元件的电阻在处于其P状态时比处于其AP状态时更低。STT-MTJ元件的磁化状态可因此通过检测其电阻来读取。通过指派P和AP状态之一以表示第一二进制值，例如“0”，并指派另一个表示第二二进制值，例如“1”，STT-MTJ元件可以是二进制，即一位存储。

常规的STT-MTJ元件(更具体地，STT-MTJ元件的自由磁化层)可以藉由使电“写”电流通过其自由和固定磁化层来选择性地在P和AP状态之间切换，反之亦然。倘若写电流在给定临界点(CPT)以上，STT-MTJ将切换至P或AP状态，状态的选择取决于写电流的方向。通过使具有受控的可重复振幅的“读”或“感测”电流传递通过该设备来读取STT-MTJ元件，并且因为V＝IR，所逐渐形成的感测或读取电压指示STT-MTJ元件是处于P还是AP状态，即STT-MTJ元件正在存储“1”还是“0”。

STT-MTJ存储器中的需要包括较低的误位率、较低的功率、以及增加的存储密度，例如每单位面积或体积的位。

概述

连同其他特征和益处，根据各种示例性实施例的MTJ存储器单元能提供以三端子配置安排的多个自由层，从而形成多个隧道结，在一方面该多个隧道结可被个体地编程为所选磁化状态，且根据各种方面被个体地编程为并发或个体读取。

根据一个或多个示例性实施例的示例多自由层MTJ存储器单元可具有底部电极层、底部电极层上的反铁磁(AFM)层、反铁磁层上的固定磁化层、固定磁化层上的阻挡层、阻挡层的第一区域上的第一自由磁化层、阻挡层的与第一区域横向偏移的第二区域上的第二自由磁化层、耦合至第一自由磁化层的第一顶部电极以及耦合至第二自由磁化层的第二顶部电极、用于可切换地将第一顶部电极耦合至第一MTJ读/写端子的第一电流开关、用于可切换地将第二顶部电极耦合至第二MTJ读/写端子的第二电流开关；以及耦合至底部电极层的第三MTJ读/写端子。在一方面，根据一个或多个示例性实施例的示例多自由层MTJ单元可进一步包括耦合至第一电流开关、第二电流开关的读电流开关控件，其被配置成将第一电流开关和第二电流开关切换至读模式，其中该读模式将第一顶部电极耦合至第一MTJ读/写端子，以及并发地将第二顶部电极耦合至第二MTJ读/写端子。

在一方面，根据一个或多个示例性实施例的示例多自由层MTJ单元可被配置成在读模式中在第一MTJ读/写端子和第二MTJ读/写端子之间建立读电流通路。在相关方面，读电流通路可包括与第二自由磁化层串联的第一自由磁化层。

根据一个或多个示例性实施例的另一方面的示例多自由层MTJ单元可被配置成提供读电流通路，该读电流通路进一步包括固定磁化层，该固定磁化层在该固定磁化层在第一区域之下和阻挡层的界面与该固定磁化层在第二区域之下和该阻挡层的界面之间。