TW202125512A - 磁阻式隨機存取記憶體 - Google Patents

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Abstract

一種磁性記憶體元件包括：一芯元件、一自由層、一阻擋層以及一參考層。芯元件包括金屬材料，且芯元件的兩端分別電耦合至一第一電極和一第二電極。自由層包圍芯元件，且自由層的磁化方向能夠在沿芯元件流動的電流的影響下在一第一方向和一第二方向之間切換。阻擋層包圍自由層，且阻擋層包括電絕緣材料。參考層包圍阻擋層並電耦合至一第三電極，且參考層的磁化方向固定沿第一方向或第二方向。

Description

磁阻式隨機存取記憶體
本發明係關於一種磁阻式隨機存取記憶體（MRAM），且特別係關於一種自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）。
基於自旋霍爾效應（spin Hall effect, SHE）的磁阻式隨機存取記憶體（MRAM）是一種非揮發性記憶體，其具有低寫入電流、快速讀取速度和零漏電的功能。自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）包括鄰近重金屬設置的磁性穿遂接面（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）。其中，磁性穿遂接面（MTJ）包括參考層、穿隧阻擋層和自由層，其中穿隧阻擋層夾置於參考層和自由層之間。穿隧阻擋層包括薄絕緣層。參考層和自由層則是鐵磁性的。在自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的操作中，參考層的磁化方向是固定的，而自由層的磁化方向是可切換的。自由層的磁化方向用於存儲資訊。
在本發明的一個方面中，一種磁性記憶體元件包括：一芯元件、一自由層、一阻擋層以及一參考層。芯元件包括金屬材料，且芯元件的兩端分別電耦合至一第一電極和一第二電極。自由層包圍芯元件，且自由層的磁化方向能夠在沿芯元件流動的電流的影響下在一第一方向和一第二方向之間切換。阻擋層包圍自由層，且阻擋層包括電絕緣材料。參考層包圍阻擋層並電耦合至一第三電極，且參考層的磁化方向固定沿第一方向或第二方向。
在本發明的另一方面中，一種記憶體元件包括一第一電極、一第二電極和一第三電極。一種用於操作此記憶體元件的方法包括：經由第三電極向記憶體元件施加一讀取輸入電流；分別經由第一電極和第二電極讀取一第一輸出電流和一第二輸出電流；以及對第一輸出電流和第二輸出電流之間的差與閾值進行比較，以確定存儲在記憶體元件中的資料是否可信。
在本發明的另一方面中，另一磁性記憶體元件包括多個存儲單元。多個存儲單元圍繞一共用中心軸設置。多個存儲單元中的每一個包括一金屬層、與金屬層相鄰的一自由層、與自由層相鄰的一阻擋層、以及與阻擋層相鄰的一參考層。自由層設置在金屬層和阻擋層之間。阻擋層設置在自由層和參考層之間。金屬層包括金屬材料。金屬層的兩端分別電耦合至一第一電極和一第二電極。自由層的磁化方向可以在沿著金屬層流動的電流的影響下在一第一方向和一第二方向之間切換。阻擋層包括電絕緣材料。參考層電耦合到一第三電極。參考層的磁化方向固定沿第一方向或第二方向。
本領域技術人員可以根據本發明的說明書、權利要求書和附圖來理解本發明的其他方面。
下面結合附圖描述本發明的實施例的技術方案。在所有附圖中，將盡可能使用相同的附圖標記表示相同或相似的部件。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一些實施例，而非全部。本領域技術人員基於本發明的實施例在沒有做出創造性勞動的情況下所獲得的其他實施例都落在本發明的保護範圍內。
圖1A繪示本發明較佳實施例中自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。圖1A和圖1B是一元件100的剖面圖，其包括一參考層101、一阻擋層102、一自由層103和一金屬層104。如圖1A和圖1B所示，金屬層104的兩端分別電耦合到一端子1和一端子2，並且參考層101耦合到一端子3。參考層101可以包括鐵磁性材料。在元件100的操作期間，參考層101的磁化方向可以是穩定且固定的。自由層103還可以包括鐵磁性材料。自由層103的磁化方向也可以是穩定的，但是可以在諸如在金屬層104中流動的電流的某些外部影響下進行切換。阻擋層102可以包括可以是非磁性或弱磁性的電絕緣材料。可以設計阻擋層102，例如，可以選擇阻擋層102的厚度和/或材料，使得由於量子隧穿，電流可以流過阻擋層102。
參考層101、阻擋層102和自由層103形成磁性穿遂接面（MTJ）。磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以取決於參考層101和自由層103的磁化。當參考層101和自由層103的磁化狀態平行時（即，當兩層的磁化方向相同時，如圖1A所示），磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較低。另一方面，當參考層101和自由層103的磁化狀態反平行時（即，當兩層的磁化方向彼此相反時，如圖1B所示），電阻相對較高。這樣，自由層103的磁化方向相對於參考層101的相對方向，以及因此造成的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於存儲資訊。例如，磁性穿遂接面（MTJ）的低電阻狀態可以指示資料“1”，而磁性穿遂接面（MTJ）的高電阻狀態可以指示資料“0”。
由於參考層101的磁化方向是固定的，因此可以利用自由層103的磁化方向的改變來改變存儲在元件100中的資訊。可以使用施加到金屬層104的電流來切換自由層103的磁化狀態。金屬層104中的電流可以用作元件100的寫入電流。
參考圖1A，當電流經由金屬層104從端子1流到端子2時，即沿著金屬層104的縱向方向流動時，可以產生橫向方向上的相應自旋電流，從而導致自旋累積在金屬層104的邊界處。由於自由層103與金屬層104相鄰，因此由於自旋軌道相互作用，自由層103的磁化狀態可能受到金屬層104和自由層103之間的介面處的淨自旋方向的影響，淨自旋方向又取決於金屬層104中的電流的方向。像這樣，利用圖1A所示的電流方向，自由層103的磁化是在指向頁面外的方向上。在該情況下，參考層101和自由層103的磁化是平行的，並且經由端子1和端子3或端子2和端子3測量的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較低。
當電流改變方向時，例如如圖1B所示的從端子2流向端子1，則自旋電流改變方向，並且在金屬層104的邊界處累積的自旋的方向也改變為相反的方向。因此，如圖1B所示，自由層103的磁化被切換到指向頁面內的方向。結果，參考層101和自由層103的磁化變為反平行，並且經由端子1和端子3或端子2和端子3所測量的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻變得相對較高。
因此，可以經由沿著金屬層104施加電流來執行自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件100的寫入過程，並且可以經由測量磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
圖2A、圖2B、圖2C和圖2D繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。圖2A-2C是一元件200的透視圖，並且圖2D是元件200的剖面圖。元件200包括一參考層201、一阻擋層202、一自由層203以及一金屬芯元件或一金屬芯204。參考層201可以包括鐵磁性材料，例如Co2 Fe6 B2 。自由層203還可以包括鐵磁性材料，例如Co2 Fe6 B2 。阻擋層202可以包括諸如MgO的電絕緣材料。金屬芯204可以由諸如鎢（W）、鉭（Ta）、鉑（Pt）或ha（Hf）的重金屬製成。
如圖2A-2D所示，金屬芯204可以具有圓柱形狀。參考層201、阻擋層202和自由層203共用中心軸因而可以是同心的圓柱結構，例如同心的圓柱殼，該中心軸可以是金屬芯204的中心軸。金屬芯204被自由層203包圍。自由層203被阻擋層202包圍。阻擋層202被參考層201包圍。此外，金屬芯204的兩端可以電耦合到一端子1和一端子2，並且參考層201可以耦合到一端子3。
在圖2A-2D所示的實施例中，參考層201、阻擋層202和自由層203形成磁性穿遂接面（MTJ）。磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以取決於參考層201和自由層203的磁化。當參考層201和自由層203的磁化平行時（即，當兩層的磁化方向相同時，如圖2B和2D所示），磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較低。另一方面，當參考層201和自由層203的磁化反平行時（即，當兩層的磁化方向彼此相反時，如圖2C所示），磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較高。這樣，自由層203的磁化方向相對於參考層201的磁化方向的相對方向，以及因此造成磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於存儲資訊。例如，磁性穿遂接面（MTJ）的低電阻狀態可以指示資料“1”，而磁性穿遂接面（MTJ）的高電阻狀態可以指示資料“0”。
由於參考層201的磁化方向是固定的，因此可以利用自由層203的磁化方向的改變來改變存儲在元件200中的資訊。可以使用施加到金屬芯204的電流來切換自由層203的磁化狀態。金屬芯204中的電流可以用作元件200的寫入電流。
參考圖2B所示，當電流經由金屬芯204從端子1流到端子2時，即沿著金屬芯204的軸方向流動時，可以產生橫向上的相應的自旋電流，導致自旋累積在金屬芯204的邊界處。例如，當電流流過金屬芯204時，自旋可以繞金屬芯204的橫向邊界纏繞。由於自由層203與金屬芯204相鄰，因此由於自旋軌道相互作用，自由層203的磁化狀態可能受到金屬芯204和自由層203之間的介面處的淨自旋方向的影響，淨自旋方向又取決於金屬芯204中的電流的方向。因此，利用圖2B所示的電流方向，當從圖中的上方看時，自由層203的磁化沿逆時針方向。即，參考層201和自由層203的磁化是平行的，並且因此經由端子1和端子3或端子2和端子3測量的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較低。
當電流改變方向時，例如，如圖2C所示的從端子2流向端子1，自旋電流改變方向，並且在金屬芯204的邊界處累積的自旋的方向也改變為相反的方向。因此，如圖1B中所示，當從圖中的上方看時，自由層203的磁化被切換到順時針方向。結果，參考層201和自由層203的磁化變得反平行，並且經由端子1和端子3或端子2和端子3測量的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻變得相對較高。
因此，可以經由沿著金屬芯204施加電流來執行自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件200的寫入過程，並且可以經由測量磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
圖3繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。一元件300具有與圖2A-2D所示的元件200相似的結構並且包括相似的材料。如圖3所示，元件300包括一參考層301、一阻擋層302、一自由層303和一金屬芯304。金屬芯304可以具有圓柱形狀。參考層301、阻擋層302和自由層303共用中心軸因而可以是同心圓柱結構，例如同心圓柱殼，該中心軸可以是金屬芯304的中心軸。金屬芯304被自由層303包圍。自由層303被阻擋層302包圍。阻擋層302被參考層301包圍。端子1、端子2和端子3分別電耦合到金屬芯304和參考層301的兩端。
參考層301可以包括鐵磁性材料。參考層301的磁化方向在元件300的操作期間是固定的。自由層303也可以包括鐵磁性材料。自由層303的磁化方向可以在某些外部影響下在兩個方向之間切換。金屬芯304可以包括重金屬。參考層301、阻擋層302和自由層303形成磁性穿遂接面（MTJ），並且磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於存儲資訊。
當參考層301和自由層303的磁化平行時，磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較低。當參考層301和自由層303的磁化反平行時，磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較高。自由層303的磁化方向的改變可以用來改變存儲在元件300中的資訊。可以使用經由端子1和2施加到金屬芯304的電流來切換自由層303的磁化。電流可以用作元件300的寫入電流。
可以在幾種操作模式之一下執行元件300的讀取過程。在元件300的第一操作模式中，可以經由端子2和端子3測量磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。在第二操作模式中，可以經由端子1和端子3測量磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。在第一和第二操作模式中，相對高的電阻電平指示參考層301和自由層303的磁化是反平行的，並且相對低的電阻電平指示參考層301和自由層303的磁化是平行的。
在第三操作模式中，使用端子1、端子2和端子3執行讀取過程。如圖3所示，端子1和端子2分別電耦合到存儲系統的位元線1和位元線2，其中元件300可以構成存儲系統的存儲單元。在讀取輸入電流施加到端子3之後，產生兩個讀取輸出電流。一個讀取輸出電流流向端子1，並且另一個讀取輸出電流流向端子2。當元件300正常操作時，兩個讀取輸出電流可以從位元線1和位元線2得出相同或相似的讀數（例如，電流讀數）。在某些情況下，例如，當元件300退化並且因此存儲在其中的資料變得不可信時，來自位元線1和2的兩個讀數之間的差可能大於臨界值（閾值）。當發生該情況時，可以對位元線1或位元線2中的至少一個進行調整以校正錯誤，例如以減小兩個讀數之間的差。例如，可以調節位元線1或位元線2中的至少一個的容量以減小兩個讀數之間的差。
在一些實施例中，可以在寫入過程之後執行驗證過程，以驗證資料是否被正確地寫入元件300。在驗證過程中，讀取輸入電流被施加到端子3。讀取輸出電流的兩個讀數分別經由位元線1和位元線2獲得。可以將兩個讀數之間的差與閾值進行比較，以確定存儲在磁性穿遂接面（MTJ）或元件300上的資料是否可信。如果差小於閾值，則可以確定所存儲的資料是可信的，並且驗證過程完成。如果差大於閾值，則可以調整位元線1和位元線2之一或兩者以減小差。調整之後，可以再執行一次寫入過程。然後，可以執行驗證過程以再次檢查來自位元線1和位元線2的兩個讀數之間的差。可以重複執行上述過程，直到來自位元線1和位元線2的兩個讀數之間的差小於閾值為止。該方法可以減少寫入錯誤。
圖4A和圖4B繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。一元件410和一元件420可以具有相似的結構並且包括相同或相似的材料。可以基於圖2A-2D所示的元件200來製造元件410和元件420。在一個實施例中，在製造圖2A-2D所示的包括多個同心層的圓柱狀結構之後，可以執行分離過程以經由例如沿著圓柱結構的中心共用軸去除圓柱結構的中間部分來形成溝槽或間隙。例如，可以經由乾式蝕刻來實施分離過程。溝槽或間隙可以保持打開或用諸如二氧化矽或氮化矽的電絕緣材料填充。在該實施例中，在將圓柱結構分成兩部分之後，形成自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件410和自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件420的基本結構。在一些實施例中，元件410和元件420可以彼此對稱。
如圖4A和圖4B所示，元件410包括一參考層401、一阻擋層402、一自由層403和一金屬芯404，並且元件420包括一參考層405、一阻擋層406、一自由層407和一金屬芯408。元件410和元件420可以圍繞共用中心軸設置。元件410和元件420的參考層、阻擋層和自由層可以是部分圓柱結構，例如共用中心軸同心的部分圓柱殼。金屬芯404和金屬芯408各自具有部分半圓柱的形狀，並且分別與自由層403和自由層407相鄰。自由層403和自由層407分別與阻擋層402和阻擋層406相鄰，並且阻擋層402和阻擋層406分別與參考層401和參考層405相鄰。元件410和元件420中的每個的自由層設置在相應的金屬芯和相應的阻擋層之間。元件410和元件420中的每一個的阻擋層設置在相應的自由層和相應的參考層之間。端子1A、端子2A和端子3A分別電耦合到金屬芯404和參考層401的兩端。端子1B、端子2B和端子3B分別電耦合到金屬芯408和參考層405的兩端。
由於元件410和元件420在結構和材料方面相似，因此以下討論集中於元件410，可以容易地將所述討論應用於元件420。在元件410中，參考層401、阻擋層402和自由層403形成磁性穿遂接面（MTJ）。
參考層401可以包括鐵磁性材料。參考層401的磁化方向在元件410的操作期間是固定的。自由層403也可以包括鐵磁性材料。自由層403的磁化方向可以在兩個方向之間切換。金屬芯404可以包括重金屬。由參考層401、阻擋層402和自由層403形成的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於存儲資訊。
當參考層401和自由層403的磁化平行時，磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較低。當參考層401和自由層403的磁化反平行時，磁性穿遂接面（MTJ）的電阻相對較高。自由層403的磁化方向的改變可以用於改變存儲在元件410中的資訊。可以使用經由端子1A和端子2A施加到金屬芯404的電流來切換自由層403的磁化。電流可以用作元件410的寫入電流。
例如，當電流經由金屬芯404從端子1A流到端子2A時，即沿著金屬芯404的軸方向流動時，可以產生橫向上的相應自旋電流，導致自旋累積在金屬芯404的邊界處。由於自由層403與金屬芯404相鄰，所以自由層403的磁化狀態可能受到金屬芯404與自由層403之間的介面處的淨自旋方向的影響，淨自旋方向又取決於金屬芯404中的電流的方向。因此，當電流從端子1A流向端子2A時，當從圖中的上方看時，自由層403的磁化沿逆時針方向。當電流從端子2A流向端子1A時，當從圖中的上方看時，自由層403的磁化沿順時針方向。因此，可以經由沿著金屬芯404施加電流來執行自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件410的寫入過程，並且可以經由經由端子1A和端子3A或端子2A和端子3A測量元件410中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
類似地，可以經由端子1B和端子2B沿著金屬芯408施加電流來執行元件420的寫入過程。並且可以經由端子1B和端子3B或端子2B和端子3B測量元件420中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
圖5A繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。一元件500具有與圖2A-2D所示的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件200類似的結構，只是元件500包括一金屬層504和一絕緣芯505而不是元件200的金屬芯204。如圖5A所示，元件500具有圓柱結構，並且包括一參考層501、一阻擋層502、一自由層503、一金屬層504和一絕緣芯505。絕緣芯505可以具有帶有中心軸的圓柱形狀。元件500的參考層、阻擋層、自由層和金屬層相對於共用中心軸可以是同心的圓柱結構，例如同心的圓柱殼，該中心軸可以是絕緣芯505的中心軸。絕緣芯505被金屬層504包圍。金屬層504被自由層503包圍。自由層503被阻擋層502包圍。阻擋層502被參考層501包圍。
如圖5A所示，參考層501、阻擋層502和自由層503形成磁性穿遂接面（MTJ）。參考層501可以包括鐵磁性材料。參考層501的磁化方向在元件500的操作期間是固定的。自由層503也可以包括鐵磁性材料。自由層503的磁化方向可以在兩個方向之間切換。阻擋層502可以包括電絕緣材料。金屬層504可以包括重金屬。絕緣芯505可以包括電絕緣材料，例如二氧化矽或氮化矽。同樣，磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於存儲資訊。例如，可以利用自由層503的磁化方向的改變來改變存儲在元件500中的資訊。類似於前述實施例，可以使用施加到金屬層504的電流來切換自由層403的磁化。電流可以用作元件500的寫入電流。
例如，當電流在指向頁面外的方向上流過金屬層504時，可以產生橫向上的相應的自旋電流，從而導致自旋累積在金屬層504的邊界上。由於自由層503與金屬層504相鄰，自由層503的磁化狀態可能受到金屬層504和自由層503之間的介面處的淨自旋方向的影響，淨自旋方向又取決於金屬層504中的電流的方向。因此，當電流沿指向頁面外的方向流動時，自由層503的磁化沿圖中的逆時針方向。當電流沿指向頁面內的方向流動時，自由層503的磁化沿圖中的順時針方向。這樣，可以經由沿著金屬層504施加電流來執行SHE-MRAM元件500的寫入過程，並且可以經由測量元件500中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
圖5B繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。一元件510和一元件520基於圖5A所示的元件500。在如圖5B所示的一個實施例中，可以經由從元件500去除第一部分和第二部分來製造元件510和元件520。例如可以經由以與元件500的共用中心軸平行的蝕刻方向進行乾式蝕刻來執行去除過程。第一部分和第二部分在元件500的共用中心軸的相對側上，該中心軸也是元件510和元件520的共用中心軸。第一部分和第二部分可以是對稱的，並且每個部分包括參考層501、阻擋層502、自由層503、金屬層504和絕緣芯505的部分。可以在從元件500去除第一部分和第二部分之後形成元件510和元件520的基本結構。元件510和元件520彼此電隔離，並由一個或多個電絕緣區域（例如絕緣芯505的其餘部分）隔開。元件510和元件520可以圍繞共用中心軸設置，並且均具有參考層（參考層501的一部分）、阻擋層（阻擋層502的一部分）、自由層（自由層503的一部分）和金屬層（金屬層504的一部分）。元件510和520的參考層、阻擋層、自由層和金屬層相對於共用中心軸可以是部分同心圓柱結構，例如部分同心圓柱殼。絕緣芯505的其餘部分具有柱形狀，其中心軸仍然為共用中心軸。
在一些實施例中，元件510和元件520均具有以下結構特徵：金屬層與自由層相鄰，自由層與阻擋層相鄰，並且阻擋層與參考層相鄰。每個自由層設置在相應的金屬層和相應的阻擋層之間。每個阻擋層設置在相應的自由層和相應的參考層之間。
如圖5B所示，端子1和端子2分別電耦合到元件510和元件520的參考層。由於元件510和元件520基於元件500，所以元件510和元件520可以包括相同的材料。元件510和520也以相同或相似的方式起作用。例如，元件510和元件520均包括由參考層、阻擋層和自由層形成的磁性穿遂接面（MTJ）。磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用來分別讀取存儲在元件510和520中的資訊。
由於元件510和520具有相同或相似的結構並且包括相同的材料，因此下面的討論集中在元件510，所述討論可以容易地應用於元件520。
在元件510中，參考層和自由層可以包括鐵磁性材料。參考層的磁化方向在元件510的操作期間是固定的。自由層的磁化方向可以在兩個方向之間切換。與以上討論的實施例類似，元件510中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於將資訊存儲在元件510中。自由層的磁化方向的改變可以用於改變存儲在元件510中的資訊。可以使用施加到金屬層的電流來切換自由層的磁化。電流可以用作元件510的寫入電流。
例如，自由層的磁化狀態可以取決於在元件510中的金屬層中流動的電流的方向。當電流沿指向頁面外的方向流動時，自由層的磁化沿圖中的逆時針方向。當電流沿指向頁面內的方向流動時，自由層的磁化沿圖中的順時針方向。因此，可以經由沿著金屬層施加電流來執行自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件510的寫入過程，並且可以經由測量元件510中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
類似地，可以經由沿元件520的金屬層施加電流來執行元件520的寫入過程。並且可以經由測量元件520中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
圖5C繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件530、540、550和560的示意性結構圖。類似於元件510和元件520，元件530-560也基於圖5A所示的元件500。元件530-560可以圍繞共用中心軸配置，該共用中心軸可以是元件500的共用中心軸。在一些實施例中，如圖5C所示，可以經由從元件500去除四個部分來製造元件530-560。可以例如經由以平行於共用中心軸的蝕刻方向進行乾式蝕刻來執行去除過程。四個部分在垂直於共用中心軸線的平面中可以具有相同或相似的橫截面。四個部分均可以包括元件500的參考層501、阻擋層502、自由層503、金屬層504和絕緣芯505的部分。元件530-560可以具有相同或相似的形狀和尺寸。元件530-560彼此電隔離，並且可以由諸如絕緣芯505的其餘部分的電絕緣區域隔開。元件530-560均具有參考層（參考層501的一部分）、阻擋層（阻擋層502的一部分）、自由層（自由層503的一部分）、金屬層（金屬層504的一部分）。在一些實施例中，元件530-560的參考層、阻擋層、自由層和金屬層可以形成相對於共用中心軸的部分同心圓柱結構，例如部分同心圓柱殼。因此，元件530-560的參考層、阻擋層、自由層和金屬層中的任何兩個或更多個層可以在共用中心軸上是同心的。絕緣芯505的其餘部分具有柱形狀，其中心軸仍然為共用中心軸。
在一些實施例中，元件530-560均具有以下結構特徵：金屬層與自由層相鄰。自由層與阻擋層相鄰。阻擋層與參考層相鄰。每個自由層設置在相應的金屬層和相應的阻擋層之間。每個阻擋層設置在相應的自由層和相應的參考層之間。
如圖5C所示，一端子3、一端子4、一端子5和一端子6分別電耦合到元件530-560的參考層。由於元件500是公共構建塊，所以元件530-560可以包括相同的材料。元件530-560均包括由參考層、阻擋層和自由層形成的磁性穿遂接面（MTJ）。磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以分別用於讀取存儲在元件530-560中的資訊。
由於元件530-560可以具有帶有相同材料和/或相同功能的相同或相似結構，因此下面的討論集中在元件530上，所述討論可以容易地應用於元件540、元件550和元件560。
在元件530中，參考層和自由層可以包括鐵磁性材料。參考層的磁化方向在元件530的操作期間是固定的。自由層的磁化方向可以在兩個方向之間切換。與以上討論的實施例相似，元件530中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻可以用於將資訊存儲在元件530中。自由層的磁化方向的改變可以用於改變存儲在元件530中的資訊。可以使用施加到金屬層的電流來切換自由層的磁化。電流可以用作元件530的寫入電流。
例如，自由層的磁化狀態可以取決於在元件530中的金屬層中流動的電流的方向。當電流沿指向頁面外的方向流動時，當從圖中的上方看時，自由層的磁化沿逆時針方向。當電流沿指向頁面內的方向流動時，當從圖中的上方看時，自由層的磁化沿順時針方向。因此，可以經由沿金屬層施加電流來執行自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件530的寫入過程，並且可以經由測量元件530中的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行讀取過程。
類似地，可以經由分別沿著相應的金屬層施加電流來執行元件540-560的寫入過程。並且可以經由分別測量相應的磁性穿遂接面（MTJ）的電阻來執行元件540-560的讀取過程。
在圖5A、圖5B和圖5C所示的示例中，最外層是參考層，並且這些層在向內方向上遵循以下順序：參考層、阻擋層、自由層和金屬層。在一些其他實施例中，層順序可以顛倒。例如，對於磁性穿遂接面（MTJ），從最外層到最內層的替代的層順序可以如下：金屬層、自由層、阻擋層和參考層。這樣，金屬層成為最外層，並且參考層成為內層或最內層。具有替代的層順序的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件可以具有與圖5A-5C中的元件500、510、520和530-560的功能相同或相似的功能。
類似地，在一些其他實施例中，在圖2A-2D、圖3、圖4A和圖4B所示的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件200、300、410和420中，這些層可以顛倒。例如，可以將金屬層添加到圖2A-2D、圖3、圖4A和圖4B所示的元件的最外層並且成為新的最外層。例如，對於磁性穿遂接面（MTJ），從最外層到最內層的替代的層順序可以如下：金屬層、自由層、阻擋層和參考層。這樣，參考層成為磁性穿遂接面（MTJ）的內層或最內層。具有替代的層順序的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件可以具有與圖2A-2D、圖3、圖4A和圖4B所示的元件200、300、410和420的功能相同或相似的功能。
圖4A、圖4B、圖5B和圖5C中所示的示例性佈置均包括兩個或更多個自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件。每種設置的元件，例如元件410和元件420、元件510和520或元件530-560，在垂直於相應的共用中心軸的平面上可以具有相同或不同的尺寸。圖4A、圖4B、圖5B和圖5C中所示的每種設置的元件可以圍繞共用中心軸均勻或不均勻地分佈。如圖4A、圖4B、圖5B和圖5C所示的每種佈置的元件可以關於共用中心軸是對稱或不對稱的。
可選地，針對圖3所示的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件300討論的方法可以應用於本發明中的其他自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件，例如元件410、420、500、510、520和530-560。例如，可以經由耦合到元件的兩條位元線為每個元件或選定的元件獲得讀取輸出電流的兩個讀數。如果兩個讀數之間的差大於閾值，則可以調整至少一條位元線以校正錯誤。
如圖2A-2D、圖3、圖4A、圖4B和圖5A-5C所示，每個前述的示例性實施例包括一個或多個自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件。當實施例包括一個自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件時，每個實施例可以表示自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）單元的設計。另外，當實施例包括一個以上的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件時，每個實施例可以表示自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）子陣列的設計。例如，圖5C中的實施例包括四個自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件，並且可以表示包括四個自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）單元的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）子陣列。這樣的自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）單個單元和/或子陣列可以用於充當構建單元，以創建用於二維（2D）或三維（3D）記憶體元件的2D或3D陣列。
儘管經由使用說明書中的具體實施例描述了本發明的原理和實施方式，但是實施方式的前述描述僅旨在幫助理解本發明的方法和方法的核心思想。同時，本領域普通技術人員可以根據本發明的思想對具體的實施方式和應用範圍進行修改。總之，說明書的內容不應被解釋為對本發明的限制。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1、1A、1B、2、2A、2B、3、3A、3B、4、5、6:端子 100、200、300、410、420、500、510、520、530、540、550、560:元件 101、201、301、401、405、501:參考層 102、202、302、402、406、502:阻擋層 103、203、303、403、407、503:自由層 104、504:金屬層 204、304、404、408:金屬芯 505:絕緣芯
圖1A繪示本發明較佳實施例中自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖1B繪示本發明較佳實施例中自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖2A繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖2B繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖2C繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖2D繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖3繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖4A繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖4B繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖5A繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖5B繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。 圖5C繪示本發明較佳實施例中另一自旋霍爾效應磁阻式隨機存取記憶體（SHE-MRAM）元件的示意性結構圖。
1、2、3:端子
200:元件
201:參考層
202:阻擋層
203:自由層
204:金屬芯

Claims (20)

  1. 一種磁性記憶體元件，包括： 一芯元件，其中該芯元件包括金屬材料，且該芯元件的兩端分別電耦合至一第一電極和一第二電極； 一自由層，其中該自由層包圍該芯元件，且該自由層的磁化方向能夠在沿該芯元件流動的電流的影響下在一第一方向和一第二方向之間切換； 一阻擋層，其中該阻擋層包圍該自由層，且該阻擋層包括電絕緣材料；以及 一參考層，其中該參考層包圍該阻擋層並電耦合至一第三電極，且該參考層的磁化方向固定沿該第一方向或該第二方向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性記憶體元件，其中該芯元件包括一圓柱元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性記憶體元件，其中該自由層、該阻擋層和該參考層形成三個同心圓柱結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性記憶體元件，其中該第一電極或該第二電極中的至少一個電耦合至存儲系統的一位元線。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之磁性記憶體元件，其中該第一電極和該第二電極分別電耦合到存儲系統的二條單獨的位元線。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之磁性記憶體元件，更包括： 一調整機構，其被配置為當來自該二條單獨的位元線的輸出電流的讀數之間的差大於閾值時，調整該二條單獨的位元線中的至少一條。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之磁性記憶體元件，其中該調整機構配置為調整該二條單獨的位元線中的該至少一條的容量。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性記憶體元件，其中該自由層包括一第一鐵磁層，並且該參考層包括一第二鐵磁層。
  9. 一種用於操作包括一第一電極、一第二電極和一第三電極的一記憶體元件的方法，包括： 經由該第三電極向該記憶體元件施加一讀取輸入電流； 分別經由該第一電極和該第二電極讀取一第一輸出電流和一第二輸出電流；以及 對該第一輸出電流和該第二輸出電流之間的差與閾值進行比較，以確定存儲在該記憶體元件中的資料是否可信。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之用於操作包括一第一電極、一第二電極和一第三電極的一記憶體元件的方法，其中該第一電極和該第二電極分別耦合至二條單獨的位元線，且該方法更包括： 回應於該差大於該閾值，調整該二條單獨的位元線中的至少一條以減小該差。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之用於操作包括一第一電極、一第二電極和一第三電極的一記憶體元件的方法，其中調整該二條單獨的位元線中的至少一條包括： 調整該二條單獨的位元線中的該至少一條的容量。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之用於操作包括一第一電極、一第二電極和一第三電極的一記憶體元件的方法，其中該記憶體元件是一磁性記憶體元件，且該磁性記憶體元件包括： 一芯元件，其中該芯元件包括金屬材料，且該芯元件的兩端分別電耦合至該第一電極和該第二電極； 一自由層，其中該自由層包圍該芯元件，且該自由層的磁化方向能夠在沿該芯元件流動的電流的影響下在一第一方向和一第二方向之間切換； 一阻擋層，其中該阻擋層包圍該自由層，且該阻擋層包括電絕緣材料；以及 一參考層，其中該參考層包圍該阻擋層並電耦合至一第三電極，且該參考層的磁化方向固定沿該第一方向或該第二方向； 該方法，更包含： 經由該第一電極和該第二電極沿著該芯元件施加一寫入電流，以使該自由層的該磁化方向沿著該第一方向或該第二方向對準，以將該些資料寫入該磁性記憶體元件。
  13. 一種磁性記憶體元件，包括： 多個存儲單元，其中該些存儲單元圍繞一共用中心軸設置，且各該些存儲單元包括： 一金屬層，其中該金屬層的兩端分別電耦合至一第一電極和一第二電極； 一自由層，與該金屬層相鄰，且該自由層的磁化方向能夠在沿該金屬層流動的電流的影響下在一第一方向和一第二方向之間切換； 一阻擋層，與該自由層相鄰並包括電絕緣材料，且該自由層設置在該金屬層和該阻擋層之間；以及 一參考層，與該阻擋層相鄰並電耦合到一第三電極，其中該參考層的磁化方向固定沿該第一方向或該第二方向，且該阻擋層設置在該自由層和該參考層之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之磁性記憶體元件，其中該些存儲單元中的一個的該金屬層、該自由層、該阻擋層和該參考層形成多個部分圓柱結構。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之磁性記憶體元件，其中該些存儲單元中的一個的該金屬層具有部分半圓柱體的形狀。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之磁性記憶體元件，其中該些存儲單元中的一個的該自由層包括一第一鐵磁層，並且該些存儲單元中的該個的該參考層包括一第二鐵磁層。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之磁性記憶體元件，更包括： 一絕緣芯，其中該絕緣芯是電絕緣的並且沿著該共用中心軸設置。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之磁性記憶體元件，其中該絕緣芯包括一圓柱元件。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之磁性記憶體元件，其中該些存儲單元中的一個的該第一電極或該第二電極中的至少一個電耦合至存儲系統的一位元線。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之磁性記憶體元件，其中該些存儲單元的該些金屬層、該些自由層、該些阻擋層或該些參考層中的兩個或更多個對於該共用中心軸是同心的。
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