[发明专利]在不同磁阻随机存取存储器阵列中具有不同磁性隧道结的半导体管芯

说明书

磁性隧道结(MTJ)的能量势垒影响其写入性能，因为切换MTJ的自由层的磁定向所需要的电流的量是其能量势垒的函数。因此，通过改变半导体管芯(200)中的不同磁阻随机存取存储器(MRAM)阵列(208)中的MTJ叠层(204)的能量势垒，可以将不同的MRAM阵列用于在半导体管芯中设置的不同类型的存储器，同时仍然能够实现不同的性能指标。可以通过改变MTJ叠层的材料、高度、宽度和/或其他特性来改变能量势垒。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月28日提交的题为“VARYING ENERGY BARRIERS OFMAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS(MTJs)IN DIFFERENT MAGNETO-RESISTIVE RANDOM ACCESSMEMORY(MRAM)ARRAYS IN A SEMICONDUCTOR DIE TO FACILITATE USE OF MRAM FORDIFFERENT MEMORY APPLICATIONS”的美国专利申请序列号15/688,212的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开的技术总体上涉及磁阻随机存取存储器(MRAM)，并且更具体地涉及在MRAM中采用的磁性隧道结(MTJ)。

背景技术

半导体存储器件被用于电子设备中的集成电路(IC)中以提供数据存储。半导体存储器件的一个示例是磁阻随机存取存储器(MRAM)。MRAM是一种通过将磁性隧道结(MTJ)编程为MRAM位单元的一部分来将数据存储在其中的非易失性存储器。MRAM的优点之一是，即使关闭电源，MRAM位单元中的MTJ仍然可以保留所存储的信息。这是因为，数据以较小的磁性元件而不是以电荷或电流的形式存储在MTJ中。

在这点上，MTJ包括设置在固定或钉扎铁磁层(“钉扎层”)上方或下方的自由铁磁层(“自由层”)。自由层和钉扎层通过由薄的非磁性电介质层形成的隧道结或势垒隔开。自由层的磁定向可以改变，但是钉扎层的磁定向保持固定或“钉扎”。数据可以根据自由层与钉扎层之间的磁定向而存储在MTJ中。当自由层和钉扎层的磁定向彼此反平行(AP)时，存在第一存储器状态(例如，逻辑“1”)。当自由层和钉扎层的磁定向彼此平行(P)时，则存在第二存储器状态(例如，逻辑“0”)。可以通过在电流流过MTJ时感测电阻来感测自由层和钉扎层的磁定向以读取存储在MTJ中的数据。也可以通过施加磁场以将自由层的定向改变为相对于钉扎层的P或AP磁定向来将数据写入和存储在MTJ中。

MTJ器件的最新发展涉及自旋转移转矩(STT)——MRAM器件。在STT-MRAM器件中，载流子电子的自旋极化而不是磁场的脉冲被用于编程存储在MTJ中的状态(即，“0”或“1”)。图1示出了STT-MTJ器件100(称为“MTJ 100”)。提供MTJ 100作为MRAM位单元102的一部分以存储非易失性数据。提供存取晶体管104(例如，n型金属氧化物半导体(MOS)(NMOS)晶体管)以控制对MTJ 100的读取和写入。例如，NMOS存取晶体管104的漏极D耦合到MTJ 100的底部电极106，MTJ 100的底部电极106耦合到钉扎层108。字线WL耦合到存取晶体管104的栅极G。存取晶体管104的源极S通过源极线SL耦合到电压源V_S。电压源V_S在源极线SL上提供电压V_SL。位线BL耦合到MTJ 100的顶部电极110，该顶部电极110耦合到例如自由层112。钉扎层108和自由层112通过隧道势垒114隔开。MTJ 100的钉扎层108、隧道势垒114和自由层112形成MTJ叠层116。