存储阵列结构、存储器和存储器操作方法技术

本公开实施例涉及半导体领域，提供一种存储阵列结构、存储器和存储器操作方法，结构包括：多个磁性存储单元，磁性存储单元包括：具有第一源漏极和第二源漏极的第一晶体管，具有第三源漏极和第四源漏极的第二晶体管，第二源漏极与第三源漏极连接信号线，第一晶体管的栅极连接第一字线，第二晶体管的栅极连接第二字线；第一磁性隧道结的一端和第二磁性隧道结的一端均通过传输线电连接第四源漏极，第一磁性隧道结的另一端和第二磁性隧道结的另一端均与自旋轨道耦合层相接触，自旋轨道耦合层电连接第一源漏极以及位线，其中，第一磁性隧道结的直径大于第二磁性隧道结的直径，自旋轨道耦合层为线宽一致的矩形结构，以提高SOT

【技术实现步骤摘要】
存储阵列结构、存储器和存储器操作方法


[0001]本公开实施例涉及半导体领域，特别涉及一种存储阵列结构、存储器和存储器操作方法。

技术介绍

[0002]磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种具有高速读写的特性新型固态非易失性记忆体，利用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的特性形成。MRAM靠磁场极化而非电荷来存储数据，其中，MTJ由自由层、隧穿层、固定层组成，自由层的磁场极化方向可以改变，固定层的磁化方向不变，当自由层与固定层的磁化方向相同时，MTJ呈现低电阻；反之MTJ呈高电阻，通过检测MTJ电阻的高低，即可判断所存数据是“0”还是“1”。
[0003]传统的自旋转移力矩磁性存储器(Spin
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Transfer Torque MagneticRandom Access Memory，STT
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MRAM)利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给自由层中的磁性材料。随着自旋轨道矩效应的发现，提出了一种自旋轨道矩磁性存储器(Spin
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Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT
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MRAM)，SOT
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MRAM基于自旋轨道耦合层，利用电荷流诱导的自旋流来产生自旋转移力矩，进而达到调控磁性存储单元的目的。SOT
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MRAM是新一代的磁性存储器，相比于传统的STT
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MRAM，SOT
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MRAM有着比STT
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MRAM更快的读写速度和更低的功耗。
[0004]但是，SOT
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MRAM由于引入了自旋轨道耦合层，使磁性存储单元的面积增大，但每一个磁性存储单元只能存储一个数据位，且至少需要3个端口来进行读写操作，从而造成磁性存储单元存储密度较低的问题。

技术实现思路

[0005]本公开实施例提供一种存储阵列结构、存储器和存储器操作方法，以提高SOT
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MRAM的存储密度。
[0006]根据本公开一些实施例，本公开实施例一方面提供一种存储阵列结构，包括：多个磁性存储单元，每一磁性存储单元包括：第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管具有第一源漏极和第二源漏极，第二晶体管具有第三源漏极和第四源漏极，且第二源漏极与第三源漏极连接信号线，第一晶体管的栅极连接第一字线，第二晶体管的栅极连接第二字线；第一磁性隧道结和第二磁性隧道结，第一磁性隧道结的一端以及第二磁性隧道结的一端均通过传输线电连接第四源漏极，第一磁性隧道结的另一端以及第二磁性隧道结的另一端均与自旋轨道耦合层相接触，自旋轨道耦合层位于第一磁性隧道结以及第二磁性隧道结远离传输线的一侧，自旋轨道耦合层电连接第一源漏极以及位线，其中，第一磁性隧道结的直径大于第二磁性隧道结的直径，自旋轨道耦合层为线宽一致的矩形结构。
[0007]在一些实施例中，沿远离自旋轨道耦合层的方向上，第一磁性隧道结依次包括第一自由层、第一隧穿层和第一固定层，第一自由层位于自旋轨道耦合层的表面；第二磁性隧
道结依次包括第二自由层、第二隧穿层和第二固定层，第二自由层位于自旋轨道耦合层的表面，其中，第一固定层内的磁化方向与第二固定层内的磁化方向相同。
[0008]在一些实施例中，自旋轨道耦合层与第一自由层的接触点位于第一连接点和第二连接点之间，且自旋轨道耦合层与第二自由层的接触点位于第一连接点和第二连接点之间；第一连接点为第一源漏极与自旋轨道耦合层的连接点，第二连接点为位线与自旋轨道耦合层的连接点。
[0009]在一些实施例中，第一晶体管和第二晶体管形成于基底上，且第一晶体管的栅极位于基底内，第二晶体管的栅极位于基底内。
[0010]在一些实施例中，第一磁性隧道结的直径为第二磁性隧道结的直径的50％
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70％。
[0011]在一些实施例中，沿第一方向上，多个磁性存储单元中第一晶体管的栅极连接同一第一字线，多个磁性存储单元中第二晶体管的栅极连接同一第二字线；沿第二方向上，多个磁性存储单元连接同一信号线；沿第三方向上，多个磁性存储单元连接同一位线，其中，第一方向与第三方向互不平行。
[0012]在一些实施例中，多个磁性存储单元呈平行四边形阵列排布。
[0013]在一些实施例中，平行四边形的一边于第一方向上设置，平行四边形另一边于第四方向上设置，其中，第四方向为自旋轨道耦合层的延伸方向。
[0014]在一些实施例中，第二方向与第一方向相同。
[0015]在一些实施例中，第二方向与第四方向垂直。
[0016]在一些实施例中，第二方向与第四方向相同。
[0017]在一些实施例中，第三方向与第四方向相同。
[0018]在一些实施例中，第三方向与第二方向相同。
[0019]在一些实施例中，多个磁性存储单元呈矩形阵列排布。
[0020]在一些实施例中，所有磁性存储单元的信号线均相连通。
[0021]根据本公开一些实施例，本公开实施例另一方面还提供一种存储器，存储器的阵列结构基于上述实施例中的存储阵列结构设置。
[0022]根据本公开一些实施例，本公开实施例又一方面还提供一种存储器操作方法，包括写入步骤和读取步骤，应用于上述实施例中的存储器。
[0023]在一些实施例中，写入步骤，包括：获取目标磁性存储单元对应的第一字线、第二字线、信号线和位线；在对应的第一字线内施加导通电压，以使第一晶体管导通；于信号线和位线中通入第一正向电流，第一正向电流的大小大于第一预设值，以使第一磁性隧道结和第二磁性隧道结均处于第一状态；或者，于信号线和位线中通入第一反向电流，第一反向电流的大小大于第一预设值，以使第一磁性隧道结和第二磁性隧道结均处于第二状态，其中，第一正向电流的电流方向与第一反向电流的电流方向相反。
[0024]在一些实施例中，写入步骤，还包括：若第一磁性隧道结和第二磁性隧道结均处于第一状态，则改变第一正向电流至第二反向电流，第二反向电流与第一正向电流的方向相反，第二反向电流的大小大于第二预设值且小于第一预设值，以使第一磁性隧道结保持第一状态，第二磁性隧道结为第二状态；若第一磁性隧道结和第二磁性隧道结均处于第二状态，则改变第一反向电流至第二正向电流，第二正向电流与第一反向电流的方向相反，第二正向电流的大小大于第二预设值且小于第一预设值，以使第一磁性隧道结保持第二状态，
第二磁性隧道结为第一状态。
[0025]在一些实施例中，读取步骤，包括：获取目标磁性存储单元对应的第一字线、第二字线、信号线和位线；在对应的第二字线内施加导通电压，以使第二晶体管导通；基于信号线和位线中的电流大小，判断目标磁性存储单元的阻值R，并读取存储数据。
[0026]在一些实施例中，基于信号线和位线中的电流大小，判断目标磁性存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种存储阵列结构，其特征在于，包括：多个磁性存储单元，每一所述磁性存储单元包括：第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管具有第一源漏极和第二源漏极，所述第二晶体管具有第三源漏极和第四源漏极，且所述第二源漏极与所述第三源漏极连接信号线，所述第一晶体管的栅极连接第一字线，所述第二晶体管的栅极连接第二字线；第一磁性隧道结和第二磁性隧道结，所述第一磁性隧道结的一端以及所述第二磁性隧道结的一端均通过传输线电连接所述第四源漏极，所述第一磁性隧道结的另一端以及所述第二磁性隧道结的另一端均与自旋轨道耦合层相接触，所述自旋轨道耦合层位于所述第一磁性隧道结以及所述第二磁性隧道结远离所述传输线的一侧，所述自旋轨道耦合层电连接所述第一源漏极以及位线，其中，所述第一磁性隧道结的直径大于所述第二磁性隧道结的直径，所述自旋轨道耦合层为线宽一致的矩形结构。2.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，沿远离所述自旋轨道耦合层的方向上，所述第一磁性隧道结依次包括第一自由层、第一隧穿层和第一固定层，所述第一自由层位于所述自旋轨道耦合层的表面；所述第二磁性隧道结依次包括第二自由层、第二隧穿层和第二固定层，所述第二自由层位于所述自旋轨道耦合层的表面，其中，所述第一固定层内的磁化方向与所述第二固定层内的磁化方向相同。3.根据权利要求2所述的存储阵列结构，其特征在于，所述自旋轨道耦合层与所述第一自由层的接触点位于第一连接点和第二连接点之间，且所述自旋轨道耦合层与所述第二自由层的接触点位于所述第一连接点和所述第二连接点之间；所述第一连接点为所述第一源漏极与所述自旋轨道耦合层的连接点，所述第二连接点为所述位线与所述自旋轨道耦合层的连接点。4.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管形成于基底上，且所述第一晶体管的栅极位于所述基底内，所述第二晶体管的栅极位于所述基底内。5.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，所述第二磁性隧道结的直径为所述第一磁性隧道结的直径的50％～70％。6.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，包括：沿第一方向上，多个所述磁性存储单元中所述第一晶体管的栅极连接同一所述第一字线，多个所述磁性存储单元中所述第二晶体管的栅极连接同一所述第二字线；沿第二方向上，多个所述磁性存储单元连接同一所述信号线；沿第三方向上，多个所述磁性存储单元连接同一所述位线，其中，所述第一方向与所述第三方向互不平行。7.根据权利要求6所述的存储阵列结构，其特征在于，所述多个磁性存储单元呈平行四边形阵列排布。8.根据权利要求7所述的存储阵列结构，其特征在于，所述平行四边形的一边于所述第一方向上设置，所述平行四边形另一边于第四方向上设置，其中，所述第四方向为所述自旋轨道耦合层的延伸方向。9.根据权利要求8所述的存储阵列结构，其特征在于，所述第二方向与所述第一方向相同。
10.根据权利要求8所述的存储阵列结构，其特征在于，所述第二方向与所述第四方向垂直。11.根据权利要求8所述的存储阵列结构，其特征在于，所述第二方向与所述第四方向相同。12.根据权利要求9～11所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓阳，王晓光，
申请(专利权)人：长鑫存储技术有限公司，
类型：发明
国别省市：