[发明专利]高速、低功率自旋轨道矩(SOT)辅助的自旋转移矩磁随机访问存储器(STT-MRAM)位单元阵列

说明书

描述了一种包括若干位单元的磁随机访问存储器(MRAM)阵列。位单元中的每个位单元包括垂直型磁隧道结(pMTJ)—具有垂直各向异性的磁隧道结，其包括参考层、支撑参考层的势垒层、和支撑势垒层的自由层。自旋霍尔导电材料层支撑自由层。驱动器可操作为设置多个位单元中的至少一个位单元的状态，驱动器被配置为沿自旋霍尔导电材料驱动电流，以经由自旋霍尔效应生成流过pMTJ的自旋轨道转移SOT电流，并且同时驱动另一电流通过pMTJ和自旋霍尔导电材料层的一部分，该另一电流利用参考层生成通过pMTJ的自旋转移矩STT电流。

技术领域

本公开的某些方面一般地涉及磁隧穿结(MTJ)器件，并且更特别地涉及工艺友好的高速、低功率自旋轨道矩(SOT)辅助的自旋转移矩磁随机访问存储器(STT-MRAM)位单元阵列。

背景技术

不同于常规的随机访问存储器(RAM)芯片技术，在磁RAM(MRAM)中，数据通过存储元件的磁化被存储。存储元件的基本结构由通过薄隧穿势垒分离的金属铁磁层组成。铁磁层之一(例如，位于势垒下面的铁磁层)具有固定在特定方向上的磁化，并且通常被称为钉扎层。其他铁磁层(例如，位于隧穿势垒上方的铁磁层)具有可以被更改以表示“1”或“0”的磁化方向，并且通常被称为自由层。

例如，当自由层磁化与固定层磁化反向平行时可以表示“1”。另外，当自由层磁化与固定层磁化平行时可以表示“0”，或反之亦然。一个具有固定层、隧穿层和自由层的这种器件是磁隧道结(MTJ)。MTJ的电阻取决于自由层磁化和固定层磁化彼此是平行还是反向平行。诸如MRAM之类的存储器器件由个体可寻址的MTJ阵列构建。

为了将数据写入常规的MRAM，超过临界切换电流的写电流通过MTJ被应用。超过临界切换电流的写电流的应用改变了自由层的磁化方向。当写电流在第一方向上流动时，MTJ可以被设置到或保持在第一状态，在第一状态中，其自由层磁化方向和固定层磁化方向以平行取向对齐。当写电流在与第一方向相反的第二方向上流动时，MTJ可以被设置到或保持在第二状态，在第二状态中，其自由层磁化和固定层磁化处于反向平行取向。

为了在常规的MRAM中读取数据，读电流可以经由用于将数据写入MTJ的相同电流路径流过MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化彼此平行取向，则MTJ呈现并联电阻。该并联电阻不同于在自由层和固定层的磁化处于反向平行取向的情况下MTJ将会呈现的电阻(反向并联)。在常规的MRAM中，两种相异的状态由MRAM的位单元中的MTJ的这两个不同的电阻来定义。两个不同的电阻指示是逻辑“0”值还是逻辑“1”值被MTJ存储。

自旋转移矩磁随机访问存储器(STT-MRAM)是新兴的具有非易失性优点的非易失性存储器。特别地，嵌入有逻辑电路的STT-MRAM可以操作在与片外动态随机访问存储器(DRAM)可比较或更高的速度。另外，STT-MRAM具有比嵌入式静态随机访问存储器(eSRAM)更小的芯片尺寸、与FLASH相比的几乎无限的读/写耐久性、以及低阵列泄漏电流。

特别地，自旋转移矩(STT)效率和保留性是在用于嵌入式STT-MRAM的MTJ的设计中的规定参数。作为结果，垂直型STT-MRAM已经成为用于提供下一代嵌入式非易失性存储器的领先候选者。尽管STT-MRAM是用作用于低功率MCU(存储器控制单元)或IoT(物联网)应用的统一存储器的有希望的候选者，但是STT-MRAM仍然不足够快速/低功率以充当缓存替代存储器(例如，末级缓存(LLC)或其他)。特别地，STT-MRAM的写速度和功率不足以替代展现亚纳秒范围中的写时间的常规静态RAM(SRAM)。

发明内容