[發明專利]磁性存儲器陣列及讀寫控制方法

有效

• 申請號: 202010152027.8
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111354392B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 余自強;余君;莊曉輝
• 申請（專利權）人: 上海新微技術研發中心有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;H10B61/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 羅泳文

本發明提供一種磁性存儲器陣列及讀寫控制方法，陣列包括多個磁性存儲器單元，磁性存儲器單元包括第一開關、第二開關、第一位單元及第二位單元，兩位單元共用一自旋軌道轉矩層，兩位單元通過自旋軌道轉矩層分別與相鄰的兩條位線連接，兩位單元通過第一開關和第二開關與相鄰的兩條字線連接；讀寫控制單元，通過源線與至少一個磁性存儲器單元連接，控制至少一個磁性存儲器單元中的第一開關和第二開關的工作狀態以讀取或者設置位單元的狀態。與傳統的SOT?MRAM器件結構相比，本發明可以減小約40％的存儲單元面積，幾乎可以達到2端器件STT?MRAM的集成密度，解決了SOT?MRAM單元面積大的問題。

技術領域

本發屬于半導體存儲設計及制造領域，特別是涉及一種磁性存儲器陣列及讀寫控制方法。

背景技術

隨著半導體工藝特征尺寸的持續減小，由晶體管漏電流所引起的靜態功耗在集成電路總功耗中所占的比例日益增大，引起嚴重的能量浪費。新興的非易失性存儲器能夠在斷電狀態下保存數據，是解決集成電路靜態功耗問題的有效方案之一。其中，基于磁隧道結的磁性隨機訪問存儲器(Magnetoresistive?Random?Access?Memory，MRAM)因其具有高速、低功耗和無限擦寫等優勢而有望成為下一代通用非易失性存儲器。MRAM存儲器件是一種基于磁性隧穿結結構的自旋電子器件，MRAM的儲存單元是磁性隧道結(Magnetic?TunnelJunction，簡稱MTJ)，是兩層磁性薄膜中間夾以一層氧化層，即隧穿層(tunnelingbarrier)，例如氧化鎂(MgO)。有一層磁性薄膜的自旋磁矩是被固定住的，叫固定層(pinnedlayer)；另一層則是可以翻轉的，用來存儲信息，叫自由層(free?layer)或存儲層(storagelayer)。改變磁性隧穿結一端的自由層的鐵磁材料磁矩方向可改變不同自旋方向的電子的隧穿幾率，從而改變磁性隧穿結的整體電阻，并以此實現數據的存儲。第一代MRAM需要通過磁場實現數據寫入，所需的寫入電流較高，更嚴重的問題是，隨著器件尺寸的減小，磁場寫入技術所需的電流值無法降低，制約著大容量低功耗MRAM的研制。

為克服MARM的上述缺點，自旋轉移矩(Spin?Transfer?Torque，STT)技術被提出并應用于MRAM的數據寫入操作。STT-MRAM利用電子自身的自旋矩來改變磁性隧穿結中自由層的磁矩方向，具有結構簡單、集成密度大、功耗低等優點。然而，該方式卻存在難以克服的瓶頸：在寫入初始階段，由于磁性薄膜材料的阻尼特性，微弱的自旋轉移矩不足以改變自由層的自旋方向，導致初始延遲，限制了寫入速度，難以滿足高速緩存要求。另外，寫操作時大量電流需要直接穿過磁性隧穿結，造成隧穿層的老化，影響器件的使用壽命。

作為STT-RARM的下一代產品，SOT-MRAM(Spin?Orbit?Torque-MagnetoresistiveRandom?Access?Memory)讀寫通路分開，寫操作時電流不流經磁性隧穿結而是通過一個SOT層，利用自旋霍爾效應(Spin?Hall?effect，SHE)實現對自由層的翻轉。SOT-MRAM優化了STT-MRAM的性能，具有更快速的寫入速度，更長的耐擊穿性能，器件可靠性更佳，同時具備不可揮發性，是取代傳統L1/L2緩存的最有潛力的技術之一。但是SOT-MRAM由于引入了一個SOT層，一般每一個存儲單元只能存儲一個位，且需要3個端口來進行讀寫操作，單元面積較大，存儲密度較低。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種磁性存儲器陣列及讀寫控制方法，用于解決現有技術中SOT-MRAM的存儲密度較低的問題。