[发明专利]栈式1T-n存储单元结构

说明书

本申请是于2002年5月16日提交的美国专利申请10/146,113题目 为“1T-nMTJ MRAM STRUCTURE”的延续部分，在此将其全部结合以供 参考。

技术领域

本发明涉及使用栈式存储单元阵列的存储装置，包括但不限于非 易失性和半易失性可编程电阻存储单元(诸如MRAM和PCRAM)，并且尤 其涉及栈式存储单元的读取电路。

背景技术

集成电路设计者总是寻求理想的半导体存储器：可随机访问的装 置可以被立即写入或读取，是非易失性的，可无限次修改并且只消耗 很少的功率。出现的技术逐渐地提供这些优点。某些非易失性或半易 失性存储器技术包括磁阻随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory MRAM)、可编程传导随机存取存储器(Programmable Conductive Random Access Memory PCRAM)、铁电随机存取存储器 (Ferroelectric Random Access Memory FERAM)、聚合物存储器和 硫化物存储器。可以在栈式存储单元阵列中使用这些存储器类型中的 每个以便增加存储密度。

一种类型的MRAM存储元件具有这样的结构，包括由形成隧道结的 无磁性阻挡层所分隔的铁磁层。在Sandhu等人于2001年2月7日提交的 美国专利号6,358,756题目为“Self-Aligned Magnetoresistive Random Access Memory(MRAM)Structure Utilizing a Spacer Containment Scheme”中描述了典型的MRAM装置。信息可以被存储为 数字的“1”或“0”以作为在这些铁磁层中磁化向量方向。一个铁磁 层中的磁向量被磁性固定或栓定(pinned)，而其它铁磁层的磁向量 并不被固定，以便磁化方向相对于相对于栓层可以在“平行”和“反 向平行”状态之间自由切换。响应于平行和反向平行状态，磁存储元 件表示两个不同的电阻状态，所述状态被存储电路读取为“1”或“0”。 对于不同的磁性取向检测这些电阻状态使MRAM能读取信息。

PCRAM存储元件利用在两个电极之间的至少一个基于硫化物的玻 璃层。对于典型的PCRAM单元的例子，参照Moore和Gilton的美国专利 序号为6,348,365。PCRAM单元通过响应于所施加的写入电压而呈现 降低的电阻来操作。可以通过使写入电压的极性反向来使此状态反向。 像MRAM，PCRAM单元的电阻状态可以被作为数据读出和读取。PCRAM也 可以具有模拟编程状态。MRAM和PCRAM单元可以被认为是非易失性或半 易失性存储单元，这是因为在不要求刷新操作的情况下，可以保持它 们的编程电阻状态相当长的时间。它们具有比常规的动态随机存取存 储器(DRAM)单元低得多的易失性，所述动态随机存取存储器(DRAM) 单元要求频繁的刷新操作以便保持所存储的逻辑状态。

另一种非易失存储器类型的FERAM存储器利用被集成到存储单元 中的铁电晶体。响应于所施加的电场，这些晶体通过在所述场方向上 移动中心原子来作出反应。为移动所述单元晶体的中心原子所要求的 电压可以被作为所编程的数据读出。

聚合物存储器利用基于聚合物的层，所述层具有分散在其中的离 子，或作为选择所述离子也可以处于相邻层。聚合物存储元件是基于 极性导电聚合物分子的。聚合物层和离子在两个电极之间，以致当施 加电压或电场时，所述离子向负电极迁移，借此改变了存储单元的电 阻率。此改变的电阻率可以被作为存储器状态读出。

硫化物存储器响应于电阻加热通过经历相变来切换电阻率状态。 对应于两个电阻率状态的两个形态包括多晶状态和非晶状态。非晶状 态是较高的电阻状态，其可以被作为所存储的数据读取。