[发明专利]MTJ自旋霍尔MRAM位单元以及阵列

说明书

背景技术

具有非易失性的片上嵌入式存储器可以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)期间的高电压以及高电流密度的困扰。

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。

1T-1MTJ位单元100可以具有基于隧道结的MTJ的大写入电流(例如，大于100μA)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，1KΩ到10KΩ)，并且较小的电流会引起较高的写入误差。

附图说明

根据以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。

图1对用于STT-MRAM的两个端子1T-1MTJ位单元进行了说明。

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(SHE)MRAM位单元。

图2B根据本公开内容的一个实施例对用于基于巨SHE(GSHE)自旋扭矩切换的1T-1MTJ的典型材料叠置体进行了说明。

图2C是图2B的器件的顶视图。

图2D示出了如金属中的SHE所决定的自旋电流和电荷电流的方向。

图3A-3C是根据本公开内容的一个实施例的1T-1MTJ SHE MRAM位单元的布图。

图3D是根据本公开内容的一个实施例两个1T-1MTJ SHE MRAM位单元的横截面视图的布图的顶视图。

图4A-4B根据本公开内容的一个实施例对1T-1MTJ SHE MRAM的不同的读取操作和写入操作进行了说明。

图5A-5D是根据本公开内容的另一个实施例的1T-1MTJ SHE MRAM位单元的布图。

图6是根据本公开内容的一个实施例的1T-1MTJ SHE MRAM位单元阵列。

图7是根据一个实施例的与传统MTJ相比的1T-1MTJ SHE MRAM位单元的写入能量延迟条件的曲线图。

图8是根据一个实施例的1T-1MTJ SHE MRAM位单元和传统MTJ的可靠的写入时间的曲线图。

图9是根据本公开内容的一个实施例的具有1T-1MTJ SHE 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

实施例描述了MTJ(磁性隧道结)SHE(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SHE材料的互连部，该互连部耦合到写入位线；耦合到选择线和互连部的晶体管，该晶体管可以由字线控制；以及具有耦合到互连部的自由磁性层的MTJ器件，其中MTJ器件的一个端耦合到读取位线。在一个实施例中，位单元是1T(一个晶体管)-1MTJ SHE位单元。实施例还描述了用于MTJ SHE MRAM位单元的布图的技术。

MTJ SHE MRAM位单元经由巨自旋霍尔效应(GSHE)提供了高度紧凑的RAM，巨自旋霍尔效应(GSHE)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GSHE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以实现较快的MRAM(例如，小于10纳秒)；使写入路径和读取路径去耦以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；与写入电流以及传统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100μA，低于10μA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。