SOT-MRAM存储单元及其制造方法、存储器技术

本发明专利技术提供一种SOT

【技术实现步骤摘要】
SOT
‑
MRAM存储单元及其制造方法、存储器


[0001]本专利技术涉及磁性存储器
，具体涉及一种SOT
‑
MRAM存储单元及其制造方法、存储器。

技术介绍

[0002]SOT
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MRAM也称自旋轨道扭矩磁性随机存取存储器，是最新一代的MRAM。SOT的独特属性结合了RAM和NVM应用程序对性能和可靠性的要求，通过同时实现较高的运行速度和无限的读写耐久性，为磁存储器件带来更广阔的应用空间。然而，与两端器件的STT
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MRAM相比，SOT
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MRAM是一种三端器件，其面积大，操控电路较复杂，存在集成难度大且复杂等问题。
[0003]如图1所示，SOT
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MRAM在读写过程中，每个MTJ存储单元需两个晶体管协同进行控制。为了简化SOT
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MRAM存储单元控制电路，实现高密度集成化，目前主要有三种方式：1、通过如图2中的连接方式，减少MTJ读写端晶体管接线端子，但仍需在器件顶部连接晶体管。2、前道CMOS片上集成，但该方式需要较底部较深的通孔，工艺上离子注入或刻蚀下去需要3d效应避免过刻，短接，虚接等问题，工艺比较复杂。3、通过如图3中的连接方式，无需从MTJ顶端连接读晶体管，但在器件最末端或阵列端需要很高的通孔，工艺较复杂，且会影响MTJ器件的磁学和电学性能。同时，在使用连接方式时，横向需要一个更宽的金属来提高两个通孔的纵横比，实现底部两个并排的CMOS有足够的间距来制作和安置。而且这种设计仍然需要两个晶体管协作来完成器件的选通动作。
[0004]通过上述描述可知，现有的简化SOT
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MRAM存储单元控制电路的方式会导致工艺复杂。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种SOT
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MRAM存储单元及其制造方法、存储器，解决了现有的简化SOT
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MRAM存储单元控制电路的方式会导致工艺复杂的技术问题。
[0006]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：第一方面，本专利技术提供一种SOT
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MRAM存储单元，包括堆叠的底栅极、介电层、半导体SOT层、磁隧道结层和T顶电极；其中，所述半导体SOT层的两侧设置有作为S底电极和D底电极的导电金属；所述半导体SOT层的材料为过渡金属硫族化物；所述T顶电极用于通入读电压；向底栅极施加正或反电压，半导体SOT层实现P型半导体与N型半导体相互转变，在S底电极和D底电极之间施加电压，半导体SOT层因自旋霍尔效应获得自旋流，驱动磁隧道结层中自由层的磁矩发生翻转。
[0007]优选的，还包括T顶电极，所述T顶电极堆叠磁隧道结层上在用于在通入直流的读电压。
[0008]优选的，过渡金属硫族化包括二硫化钨与石墨烯。
[0009]优选的，所述磁隧道结层包括堆叠的自由层、势垒层和参考层。
[0010]优选的，所述SOT
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MRAM存储单元正向写入操作时，在底栅极施加正向电压，由于电容效应，在半导体SOT层产生负电场，当电子到达时形成一个形成电子N沟道，底栅极正电压将电子从D底电极和S底电极吸引到沟道中；在D底电极和S底电极之间施加电压，电流在D底电极与S底电极之间自由流动；底栅极电压控制沟道中的电子，电流从D底电极流向S底电极，半导体SOT层中因自旋霍尔效应获得自旋流，驱动自由层正向翻转；所述SOT
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MRAM存储单元反向状态写入操作时，在底栅极施加负向电压，由于电容效应，在半导体SOT层产生正电场，当空穴到达时会形成一个形成空穴P沟道，底栅极负电压将电子从S底电极和D底电极吸引到沟道中；在S底电极和D底电极之间施加电压，电流在S与D底电极之间自由流动；底栅极电压控制沟道中的空穴，电流从S底电极流向D底电极，半导体SOT层中因自旋霍尔效应获得自旋流，驱动自由层反向翻转。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种存储器，包括多个如上述所述的SOT
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MRAM存储单元。
[0012]第三方面，本专利技术提供一种SOT
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MRAM存储单元的制造方法，包括：在材料为渡金属硫族化物的半导体SOT层的底部、顶部和左右两侧膜堆沉积，形成薄膜层；在半导体SOT层两侧的金属薄膜上光刻S底电极、D底电极，在底部的双层薄膜中的金属层光刻G极；在半导体SOT层的顶部的薄膜层上刻蚀磁隧道结和顶电极；在顶电极、S底电极、D底电极和G极上通孔，在通孔中沉积填入金属材料。
[0013]优选的，所述过渡金属硫族化包括二硫化钨与石墨烯。
[0014]优选的，所述半导体SOT层两侧的薄膜层为金属薄膜，底部的薄膜层为重掺杂硅层、金属层两层组成的双层薄膜；顶部的薄膜层为磁性材料层、金属氧化物层、磁性材料层、和金属层组成的多层薄膜。
[0015]优选的，所述制造方法还包括：在进行光刻和刻蚀后，均进行保护层沉积。
[0016]本专利技术提供了一种SOT
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MRAM存储单元及其制造方法、存储器。与现有技术相比，具备以下有益效果：本专利技术的一种SOT
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MRAM存储单元，包括堆叠的底栅极、介电层、半导体SOT层、磁隧道结层和T顶电极；其中，所述半导体SOT层的两侧设置有作为S底电极和D底电极的导电金属；所述半导体SOT层的材料为过渡金属硫族化物；所述T顶电极用于通入读电压；向底栅极施加正或反电压，半导体SOT层实现P型半导体与N型半导体相互转变，在S底电极和D底电极之间施加电压，半导体SOT层因自旋霍尔效应获得自旋流，驱动磁隧道结层中的自由层的磁矩发生翻转。本专利技术通过改变SOT
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MRAM存储单元的结构实现在工艺简单的提前下，降低控制电路的复杂度。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1~图3为不同设计下的SOT
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CMOS读写电路结构的示意图；图4为本专利技术实施例一种SOT
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MRAM存储单元的结构示意图；图5为本专利技术实施例一种SOT
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MRAM存储单元的正向写入操作的工作流程图；图6为本专利技术实施例一种SOT
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MRAM存储单元的反向写入操作的工作流程图；图7为正向写入时，器件写操作流程理解用单元器件局部图，其中，+为空穴，
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为电子；图8为本专利技术实施例一种SOT
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MRAM存储单元的读出操作工作流程图；图9为本专利技术实施例还提供一种SOT
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MRAM存储单元的制造方法的流程原图。
实施方式
[0019]为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SOT
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MRAM存储单元，其特征在于，包括堆叠的底栅极、介电层、半导体SOT层、磁隧道结层和T顶电极；其中，所述半导体SOT层的两侧设置有作为S底电极和D底电极的导电金属；所述半导体SOT层的材料为过渡金属硫族化物；所述T顶电极用于通入读电压；向底栅极施加正或反电压，半导体SOT层实现P型半导体与N型半导体相互转变，在S底电极和D底电极之间施加电压，半导体SOT层因自旋霍尔效应获得自旋流，驱动磁隧道结层中自由层的磁矩发生翻转。2.如权利要求1所述的SOT
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MRAM存储单元，其特征在于，过渡金属硫族化包括二硫化钨与石墨烯。3.如权利要求1所述的SOT
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MRAM存储单元，其特征在于，所述磁隧道结层包括堆叠的自由层、势垒层和参考层。4.如权利要求1~3任一所述的SOT
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MRAM存储单元，其特征在于，所述SOT
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MRAM存储单元正向写入操作时，在底栅极施加正向电压，由于电容效应，在半导体SOT层产生负电场，当电子到达时形成一个形成电子N沟道，底栅极正电压将电子从D底电极和S底电极吸引到沟道中；在D底电极和S底电极之间施加电压，电流在D底电极与S底电极之间自由流动；底栅极电压控制沟道中的电子，电流从D底电极流向S底电极，半导体SOT层中因自旋霍尔效应获得自旋流，驱动自由层正向翻转；所述SOT
‑
MRAM存储单元反向状态写入操作时，在底栅极施加负向电压，由于电容效应，在半导体SOT层产生正电场，当空穴到达时会形成一个形成空穴P沟道，底栅极负电压将电子从S底电极和D底电极吸引到沟道中；在S底电极和D底电极之间施加电压，电流在S与D底电极之间自由流动；底栅极电压控制沟道...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪超，姜伯年，吕术勤，许昊，刘宏喜，曹凯华，王戈飞，
申请(专利权)人：致真存储北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：