[发明专利]具有增强隧穿磁阻比的存储器单元、包括其的存储器设备和系统

说明书

公开了具有提高的隧穿磁阻比(TMR)的存储器单元。在一些实施方式中，这样的设备可以包括与隧穿磁阻在增强元件(TMRE)串联耦合的磁阻式隧道结(MTJ)元件。MTJ元件和TMRE中的每个可以配置成例如响应于电压而在高和低电阻状态之间转换。在一些实施方式中，MTJ和TMRE配置成使得当读取电压施加到单元同时MTJ处于其低电阻状态中时，TMRE被驱动到低电阻状态，以及当这样的电压被施加同时MTJ处于其高电阻状态中时，TMRE保持在其高电阻状态中。还公开了包括这样的存储器单元的设备和系统。

技术领域

本公开通常涉及具有增强隧穿磁阻(TMR)比的存储器单元。还描述包括这样的单元的存储器设备和系统。

背景技术

在过去的几十年来，特征缩放是在半导体工业中的集成电路的生产中的驱动力。使特征缩放到越来越小的尺寸可以在半导体芯片的有限空间内包括更多数量的功能单元的设备生产成为可能。例如，缩小部件尺寸可以允许增加数量的存储器单元放置在半导体芯片的给定区域内，导致具有增加的存储容量的存储器设备的生产。然而，缩小的特征尺寸也可导致在一些情况下可能难以处理的挑战。

考虑到前述内容，包括磁性隧道结(MTJ)的存储器设备由于它们代替常规存储器的潜力而得到增加的注意。这样的存储器设备可以包括存储器单元阵列，该存储器单元阵列包括具有多个操作状态的一个或多个MTJ，其可以被用来存储信息。这样的MTJ通常包括共同确定设备的磁性行为的多个层(例如固定磁性层、电介质(隧道穿)层和自由磁性层)。

自旋转移力矩存储器(STTM)是一种类型的存储器，由于其元件的相对小的尺寸、其低功率操作的潜力和其与其它元件(例如晶体管)直接集成在半导体芯片上的潜力而在半导体工业中变得越来越令人感兴趣。通常，STTM设备的操作基于自旋转移力矩的现象。当电流穿过这样的设备的被称为固定磁性层的磁化层时，电流将出现为自旋极化的。在电流中的每个电子穿过固定磁性层的情况下，因而产生的自旋(角动量)可以转移到在设备中的被称为自由磁性层的另一磁性层的磁化，导致自由磁性层的磁化的小变化。事实上，这是引起自由磁性层的磁化的进展的力矩。同样，例如由于电子的反射，力矩可以施加到相关固定磁性层。

最后，当外加电流(例如脉冲)超过阈值(其可以至少部分地由通过磁性材料及其环境引起的阻尼限定)时，自由磁性层的磁化方向可以在与固定磁性层的磁化方向平行的状态和与固定磁性层的磁化方向反平行的状态之间切换。固定磁性层的磁化方向可以通过外加电流保持不变，例如因为外加电流低于固定磁性层的阈值和/或因为固定磁性层的磁化方向可以由一个或多个相邻层例如合成反铁磁层“固定住”。自旋转移力矩因此可以用于翻转在随机存取存储器例如STTM设备中的有源元件。

MTJ例如STTM元件的电阻可以由相对于固定磁性层的磁化方向的自由磁性层的磁化方向影响。例如，当自由磁性层的磁化方向平行于固定磁性层的磁化方向时，一些MTJ元件例如STTM元件的电阻可能相对低。相反，当自由磁性层的磁化方向反平行于固定磁性层的磁化方向时，这样的设备的电阻可能相对高。MTJ例如STTM元件可以因此呈现至少部分地由在MTJ的高和低电阻状态之间的差异限定的隧穿磁阻比(TMR)。

虽然以前开发的STTM和其它基于MTJ的存储器设备证明是有用的，但是挑战已经产生，因为这样的设备已经缩放到越来越小的尺寸。例如，已观察到，当在存储器设备中的MTJ元件的尺寸减小时，这样的元件的TMR也倾向于减小，潜在地导致性能问题。例如，当这样的设备的TMR减小时，在当MTJ处于其低电阻和其高电阻状态中时在读取操作期间的感测电流之间的差异的幅度也可能减小，潜在地使这样的元件不适合于在某些存储器应用中使用。在这一方面中，已经做出各种努力以减轻可以从磁性隧道结的缩放产生的TMR的减小。依据这样的努力，已经确定MTJ的TMR的减小可以通过优化其自由、固定和/或电介质层来减轻。虽然在某个程度上是有效的，但这样的优化内在地被各种因素限制。用于改进基于MTJ的存储器元件/设备的TMR的其它选项因此是令人感兴趣的。

附图说明