磁性存储器阵列及读写控制方法技术

本发明专利技术提供一种磁性存储器阵列及读写控制方法，阵列包括多个磁性存储器单元，磁性存储器单元包括第一开关、第二开关、第一位单元及第二位单元，两位单元共用一自旋轨道转矩层，两位单元通过自旋轨道转矩层分别与相邻的两条位线连接，两位单元通过第一开关和第二开关与相邻的两条字线连接；读写控制单元，通过源线与至少一个磁性存储器单元连接，控制至少一个磁性存储器单元中的第一开关和第二开关的工作状态以读取或者设置位单元的状态。与传统的SOT‑MRAM器件结构相比，本发明专利技术可以减小约40％的存储单元面积，几乎可以达到2端器件STT‑MRAM的集成密度，解决了SOT‑MRAM单元面积大的问题。

【技术实现步骤摘要】
磁性存储器阵列及读写控制方法
本发属于半导体存储设计及制造领域，特别是涉及一种磁性存储器阵列及读写控制方法。
技术介绍
随着半导体工艺特征尺寸的持续减小，由晶体管漏电流所引起的静态功耗在集成电路总功耗中所占的比例日益增大，引起严重的能量浪费。新兴的非易失性存储器能够在断电状态下保存数据，是解决集成电路静态功耗问题的有效方案之一。其中，基于磁隧道结的磁性随机访问存储器(MagnetoresistiveRandomAccessMemory，MRAM)因其具有高速、低功耗和无限擦写等优势而有望成为下一代通用非易失性存储器。MRAM存储器件是一种基于磁性隧穿结结构的自旋电子器件，MRAM的储存单元是磁性隧道结(MagneticTunnelJunction，简称MTJ)，是两层磁性薄膜中间夹以一层氧化层，即隧穿层(tunnelingbarrier)，例如氧化镁(MgO)。有一层磁性薄膜的自旋磁矩是被固定住的，叫固定层(pinnedlayer)；另一层则是可以翻转的，用来存储信息，叫自由层(freelayer)或存储层(storagelayer)。改变磁性隧穿结一端的自由层的铁磁材料磁矩方向可改变不同自旋方向的电子的隧穿几率，从而改变磁性隧穿结的整体电阻，并以此实现数据的存储。第一代MRAM需要通过磁场实现数据写入，所需的写入电流较高，更严重的问题是，随着器件尺寸的减小，磁场写入技术所需的电流值无法降低，制约着大容量低功耗MRAM的研制。为克服MARM的上述缺点，自旋转移矩(SpinTransferTorque，STT)技术被提出并应用于MRAM的数据写入操作。STT-MRAM利用电子自身的自旋矩来改变磁性隧穿结中自由层的磁矩方向，具有结构简单、集成密度大、功耗低等优点。然而，该方式却存在难以克服的瓶颈：在写入初始阶段，由于磁性薄膜材料的阻尼特性，微弱的自旋转移矩不足以改变自由层的自旋方向，导致初始延迟，限制了写入速度，难以满足高速缓存要求。另外，写操作时大量电流需要直接穿过磁性隧穿结，造成隧穿层的老化，影响器件的使用寿命。作为STT-RARM的下一代产品，SOT-MRAM(SpinOrbitTorque-MagnetoresistiveRandomAccessMemory)读写通路分开，写操作时电流不流经磁性隧穿结而是通过一个SOT层，利用自旋霍尔效应(SpinHalleffect，SHE)实现对自由层的翻转。SOT-MRAM优化了STT-MRAM的性能，具有更快速的写入速度，更长的耐击穿性能，器件可靠性更佳，同时具备不可挥发性，是取代传统L1/L2缓存的最有潜力的技术之一。但是SOT-MRAM由于引入了一个SOT层，一般每一个存储单元只能存储一个位，且需要3个端口来进行读写操作，单元面积较大，存储密度较低。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种磁性存储器阵列及读写控制方法，用于解决现有技术中SOT-MRAM的存储密度较低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种磁性存储器阵列，包括：多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元中的每个磁性存储器单元：包括第一开关、第二开关、第一位单元及第二位单元，其中，所述第一位单元和第二位单元共用一自旋轨道转矩层，所述第一位单元与第二位单元通过所述自旋轨道转矩层分别与相邻的两条位线连接，所述第一位单元和第二位单元通过所述第一开关和第二开关与相邻的两条字线连接；读写控制单元，通过源线与至少一个磁性存储器单元连接，控制至少一个磁性存储器单元中的所述第一开关和第二开关的工作状态以读取或者设置所述第一位单元或第二位单元的状态。可选地，所述自旋轨道转矩层的材料包括重金属及拓扑绝缘体中的一种，所述重金属包括Pt、Ta及W中的一种，所述拓扑绝缘体包括BiSe合金及BiSb合金中的一种，所述自旋轨道转矩层的厚度介于2nm-30nm之间，长度介于100nm-800nm之间，宽度介于10nm-100nm之间。可选地，所述第一位单元包括第一磁性隧道结和第一上电极，所述第二位单元包括第二磁性隧道结和第二上电极，所述第一开关为第一晶体管，所述第二开关为第二晶体管，所述第一位单元的上电极与所述第二位单元的上电极连接所述第二晶体管的漏极，所述第一晶体管的漏极与位于所述第一位单元和第二位单元之间的自旋轨道转矩层电连接，所述第一晶体管的栅极104连接相邻两条字线的一条，所述第二晶体管的栅极105连接所述相邻两条字线的另一条，所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极连接所述源线。可选地，所述读写控制单元控制至少一个所述存储器单元中的所述第一开关、第二开关的工作状态，控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或者第二位单元的状态。可选地，所述读写控制单元通过控制至少一个磁性存储器单元的相邻2条字线的电压以控制第一开关、第二开关的工作状态；通过选通所述相邻两条位线中的一条位线并控制其电压、源线的电压来控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或者第二位单元的状态。可选地，所述读写控制单元控制至少一个所述存储器单元中的所述第一开关、第二开关的工作状态以读取所述第一位单元或者第二位单元的状态。可选地，所述读写控制单元通过控制至少一个所述存储器单元的相邻2条字线的电压以控制第一开关、第二开关的工作状态；通过选通相邻两条位线中的一条位线并控制其电压、源线的电压以读取所述第一位单元或者第二位单元的状态。可选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管的共源。可选地，所述磁性隧道结包括自由磁层、固定磁层、以及设置在所述自由磁层和所述固定磁层之间的绝缘隧道层，其中，所述固定磁层具有固定的第一磁极，所述自由磁层具有可变的第二磁极，若所述第一磁极与所述第二磁极同向，则所述磁性隧道结为低阻态，若所述第一磁极与所述第二磁极反向，则所述磁性隧道结为高阻态。可选地，所述自由磁层位于所述自旋轨道转矩层上，其第一磁极的方向为垂直方向，所述自由磁层的材料包括CoFeB合金、FeB合金及CoFe合金中的一种，所述自由磁层的厚度介于0.8nm-1.3nm之间。可选地，所述自由磁层包括合成反铁磁结构，所述合成反铁磁结构包括反向对准的第一铁磁材料层及第二铁磁材料层，以及位于所述第一铁磁材料层及第二铁磁材料层之间的非磁性材料耦合隔层。可选地，所述固定磁层的第二磁极方向为垂直方向，所述固定磁层的材料包括CoFeB合金、FeB合金及CoFe合金中的一种，其厚度介于0.8nm-1.3nm之间。可选地，所述绝缘隧道层的材料包括MgO，其厚度介于0.8nm-1.3nm之间。可选地，所述磁性隧道结还包括位于所述固定磁层上的间隔层以及位于所述间隔层上的合成反铁磁结构。可选地，所述间隔层的材料包括Ta、包含Co的合金及包含Fe的合金中的一种，也可能包括W或Mo以增加器件的热稳定性。所述间隔层的厚度介于0.2nm-1.2nm之间。可选地，所述合成反铁磁结构包括反向对准的第一铁磁材料层及第二铁磁材料层，以及位于所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性存储器阵列，其特征在于，包括：/n多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元中的每个磁性存储器单元：包括第一开关、第二开关、第一位单元及第二位单元，其中，所述第一位单元和第二位单元共用一自旋轨道转矩层，所述第一位单元与第二位单元通过所述自旋轨道转矩层分别与相邻的两条位线连接，所述第一位单元和第二位单元通过所述第一开关和第二开关与相邻的两条字线连接；/n读写控制单元，通过源线与至少一个磁性存储器单元连接，控制至少一个磁性存储器单元中的所述第一开关和第二开关的工作状态以读取或者设置所述第一位单元或第二位单元的状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性存储器阵列，其特征在于，包括：
多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元中的每个磁性存储器单元：包括第一开关、第二开关、第一位单元及第二位单元，其中，所述第一位单元和第二位单元共用一自旋轨道转矩层，所述第一位单元与第二位单元通过所述自旋轨道转矩层分别与相邻的两条位线连接，所述第一位单元和第二位单元通过所述第一开关和第二开关与相邻的两条字线连接；
读写控制单元，通过源线与至少一个磁性存储器单元连接，控制至少一个磁性存储器单元中的所述第一开关和第二开关的工作状态以读取或者设置所述第一位单元或第二位单元的状态。


2.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述自旋轨道转矩层的材料包括重金属及拓扑绝缘体中的一种，所述重金属包括Pt、Ta及W中的一种，所述拓扑绝缘体包括BiSe合金及BiSb合金中的一种，所述自旋轨道转矩层的厚度介于2nm-30nm之间，长度介于100nm-800nm之间，宽度介于10nm-100nm之间。


3.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述第一位单元包括第一磁性隧道结和第一上电极，所述第二位单元包括第二磁性隧道结和第二上电极，所述第一开关为第一晶体管，所述第二开关为第二晶体管，所述第一位单元的上电极与所述第二位单元的上电极连接所述第二晶体管的漏极，所述第一晶体管的漏极与位于所述第一位单元和第二位单元之间的自旋轨道转矩层电连接，所述第一晶体管的栅极连接相邻两条字线的一条，所述第二晶体管的栅极连接所述相邻两条字线的另一条，所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极连接源线。


4.根据权利要求1或3所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述读写控制单元控制至少一个所述磁性存储器单元中的所述第一开关、第二开关的工作状态，控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或者第二位单元的状态。


5.根据权利要求4所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述读写控制单元通过控制至少一个磁性存储器单元的相邻2条字线的电压以控制第一开关、第二开关的工作状态；通过选通所述相邻2条位线中的一条位线并控制其电压、源线的电压来控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或者第二位单元的状态。


6.根据权利要求1或3所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述读写控制单元控制至少一个所述存储器单元中的所述第一开关、第二开关的工作状态以读取所述第一位单元或者第二位单元的状态。


7.根据权利要求6所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述读写控制单元通过控制至少一个所述存储器单元的相邻2条字线的电压以控制第一开关、第二开关的工作状态；通过选通相邻2条位线中的一条位线并控制其电压、源线的电压以读取所述第一位单元或者第二位单元的状态。


8.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管的共源。


9.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述磁性隧道结包括自由磁层、固定磁层、以及设置在所述自由磁层和所述固定磁层之间的绝缘隧道层，其中，所述固定磁层具有固定的第一磁极，所述自由磁层具有可变的第二磁极，若所述第一磁极与所述第二磁极同向，则所述磁性隧道结为低阻态，若所述第一磁极与所述第二磁极反向，则所述磁性隧道结为高阻态。


10.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述自由磁层位于所述自旋轨道转矩层上，其第一磁极的方向为垂直方向，所述自由磁层的材料包括CoFeB合金、FeB合金及CoFe合金中的一种，所述自由磁层的厚度介于0.8nm-1.3nm之间。


11.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述自由磁层包括合成反铁磁结构，所述合成反铁磁结构包括反向对准的第一铁磁材料层及第二铁磁材料层，以及位于所述第一铁磁材料层及第二铁磁材料层之间的非磁性材料耦合隔层。


12.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述固定磁层的第二磁极方向为垂直方向，所述固定磁层的材料包括CoFeB合金、FeB合金及CoFe合金中的一种，其厚度介于0.8nm-1.3nm之间。


13.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述绝缘隧道层的材料包括MgO，其厚度介于0.8nm-1.3nm之间。


14.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述磁性隧道结还包括位于所述固定磁层上的间隔层以及位于所述间隔层上的合成反铁磁结构。


15.根据权利要求14所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述间隔层的材料包括Ta、包含Co的合金及包含Fe的合金中的一种；所述间隔层的厚度介于0.2nm-1.2nm之间。


16.根据权利要求14所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述合成反铁磁结构包括反向对准的第一铁磁材料层及第二铁磁材料层，以及位于所述第一铁磁材料层及第二铁磁材料层之间的非磁性材料耦合隔层。


17.根据权利要求16所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述铁磁材料层包括多个铁磁复合层，所述铁磁复合层的厚度介于0.2nm-0.6nm之间，所述铁磁复合层的材料包括Co/Pt复合层、Co/Pd复合层及Co/Ni复合层中的一种，所述非磁性材料耦合隔层的材料包括Ru，其厚度介于0.4nm-0.9nm之间。


18.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列，其特征在于：所述磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：余自强，余君，庄晓辉，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31