[發(fā)明專利]一種新型可高速計(jì)算、大容量存儲(chǔ)的存儲(chǔ)單元

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310553175.0
• 申請(qǐng)日: 2013-11-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103545339A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙巍勝;張德明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/24
• 分類號(hào): H01L27/24;H01L45/00
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供一種新型可高速計(jì)算、大容量存儲(chǔ)的存儲(chǔ)單元，屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)隨著新興非揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù)的不斷發(fā)展，其已變得越來(lái)越成熟。這些新興的非揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù)結(jié)合了靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速度、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高密度及閃存（Flash）的非揮發(fā)性，已經(jīng)被證明在通用存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。在這些新興的非揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù)中，由于具有高讀寫速度、高密度、低讀寫電壓、低功耗、長(zhǎng)數(shù)據(jù)保存時(shí)間及高壽命等特性，自旋轉(zhuǎn)移力矩存儲(chǔ)器STT-RAM（Spin?Transfer?Torque?Random?Access?Memory）和氧化物存儲(chǔ)器OxRRAM（Oxide?Resistive?Random?Access?Memory）被證明是目前最有希望的兩種通用存儲(chǔ)器技術(shù)。STT-RAM具有較高的讀寫速度，可替代SRAM進(jìn)行高速計(jì)算；OxRRAM具有較高的密度，可替代DRAM進(jìn)行大容量存儲(chǔ)。

目前采用STT-RAM和RAM對(duì)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著三大問(wèn)題：

1.隨著工藝的不斷發(fā)展，STT-RAM的可靠性降低，不能用于高速計(jì)算；

2.與STT-RAM相比，OxRRAM的寫速度較低，也不能用于高速計(jì)算；

3.這種存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法仍沒(méi)有打破層間約束、降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延及帶來(lái)的動(dòng)態(tài)功耗、增加存儲(chǔ)層容量。

發(fā)明內(nèi)容

一、發(fā)明目的：

針對(duì)上述背景中提到的采用STT-RAM和OxRRAM進(jìn)行存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種新型可高速計(jì)算、大容量存儲(chǔ)的存儲(chǔ)單元。

二、技術(shù)方案：

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種新型可高速計(jì)算、大容量存儲(chǔ)的存儲(chǔ)單元，其特征是該存儲(chǔ)單元從下到上由底端電極（10-200nm），反鐵磁金屬混合層（0-20nm），鐵磁金屬一（0-3nm），氧化物一（0-2nm），鐵磁金屬二（0-3nm），金屬一（0-100nm），氧化物二（0-100nm），金屬二（0-100nm）及頂端電極10-200nm）共九層構(gòu)成；

本發(fā)明所述的存儲(chǔ)單元是通過(guò)采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲(chǔ)單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍?cè)谝r底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝來(lái)制備的；

本發(fā)明所述的存儲(chǔ)單元的形狀為正方形、長(zhǎng)方形（長(zhǎng)寬比可以是任意值）、圓形或橢圓形（長(zhǎng)寬比可以是任意值），也就是說(shuō)該存儲(chǔ)單元的形狀為正方形、長(zhǎng)方形、圓形及橢圓形中的一種；

本發(fā)明所述的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由OxRRAM的MIM（Metal?Insulator?Metal：金屬絕緣物金屬）存儲(chǔ)單元和STT-RAM的MTJ（Magnetic?Tunnel?Junction：磁性隧道結(jié)）存儲(chǔ)單元堆疊而成，其生產(chǎn)流程是通過(guò)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)后端工藝集成；

所述氧化物一是指氧化鎂MgO或三氧化二鋁Al₂O₃（即MgO及Al₂O₃中的一種），用于產(chǎn)生隧穿效應(yīng)來(lái)傳輸自旋信號(hào)；

所述氧化物二是指二氧化鉿HfO₂、二氧化鈦TiO₂、五氧化二鉭Ta₂O₅、氧化亞銅Cu₂O或氧化鎳NiO（即HfO₂、TiO₂、Ta₂O₅、Cu₂O及NiO中的一種），用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

所述鐵磁金屬一是指混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe（即混合金屬材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一種），這些混合金屬材料中各個(gè)元素組成可以不一樣；

所述鐵磁金屬二是指混合金屬材料CoFe、CoFeB或NiFe（即混合金屬材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一種），這些混合金屬材料中各個(gè)元素組成可以不一樣；

所述反鐵磁金屬混合層是指由混合金屬材料鈷鐵硼CoFeB/鎳鐵NiFe/錳鉑PtMn或鈷鐵硼CoFeB/鈷鐵CoFe/錳鉑PtMn構(gòu)成的混合層（即混合金屬材料CoFeB/NiFe/PtMn及CoFeB/CoFe/PtMn中的一種）；

所述金屬一是指鉑Pt、鋁Al、鎳Ni、銅Cu、鈦Ti、金Au、鉭Ta、氮化鉭TaN、氮化鈦TiN或多晶硅（即Pt、Al、Ni、Cu、Ti、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一種）；