[發明專利]二維材料基選通器、存儲器單元、陣列及其操作方法

在審

• 申請號: 202010416854.3
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111554809A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 林淮;邢國忠;劉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L27/22;G11C11/16
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 喻穎

一種二維材料基選通器、存儲器單元、陣列及其操作方法，該選通器包括：疊層單元。疊層單元為金屬?二維半導體?金屬結構，包括二維半導體層，以及分別設置于二維半導體層上、下表面的金屬層。其中，疊層單元的個數為N，N≥1，每個疊層單元中，兩個金屬?二維半導體的界面均形成肖特基接觸，并且在二維材料基選通器通電導通時，該疊層單元包括兩個反向串聯的肖特基二極管結構。或者，疊層單元的個數為M個，M≥2，每個疊層單元中，兩個金屬?二維半導體的界面中的一個界面形成肖特基接觸，另一個界面形成歐姆接觸，并且在二維材料基選通器通電導通時，M個疊層單元包括M個反向并聯的肖特基二極管結構。選通器具有優異的開關性能。

技術領域

本公開屬于存儲技術領域，涉及一種二維材料基選通器、存儲器單元、陣列及其操作方法。

背景技術

磁隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一種新型非易失性存儲器。MRAM的核心部分是磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。MTJ由鐵磁材料基的參考層(Reference Layer)、自由層(Free Layer)以及兩者中間的高質量氧化物隧道勢壘層(Tunneling Barrier Layer)構成。參考層和自由層之間磁化方向反平行時，MTJ表現為高電阻態“1”；而當兩者磁化方向平行時，則表現出低阻態“0”，從而通過驅動自由層磁化方向翻轉完成MTJ高低阻態的變化進而實現信息的存儲。相較于傳統的靜態隨機存儲器(SRAM)而言，MRAM具有更小的體積、更低的漏電，從而可降低靜態功耗；相比于動態存儲器(DRAM)而言，MRAM具有更快的讀寫操作速度和非易失性。同時MRAM還具有較高的讀寫次數、與現有集成電路工藝兼容和抗輻照等優點。

依據信息存儲機制劃分，現行MRAM有三種數據寫入方式。最早的技術為磁場寫入MARM，即利用脈沖電流產生的奧斯特場，實現自由層的磁化翻轉，進而實現所需信息的存儲。然而這種方式存在的技術問題是，所需脈沖電流較大，存取速度慢，且不易集成，難以滿足現代信息器件的需求。現有采用自旋轉移力矩技術的磁存儲器(Spin Transfer TorqueMRAM，STT-MRAM)，通過極化電流進行電子自旋注入，基于自旋轉移力矩驅動自由層的磁化方向翻轉完成信息的寫入，可顯著減小器件尺寸、降低功耗、提高速度，尤其在高性能嵌入式存儲方面有重要應用。2012年，研究人員提出自旋軌道扭矩磁隨機存儲器(Spin-OrbitTorque MRAM，SOT-MRAM)的概念，該存儲器采用自旋軌道耦合效應實現自旋注入，驅動自由層中材料磁化方向的翻轉。該方法將數據寫入和讀取的路徑分開。原理上可進一步減小功耗、提高數據寫入速度和讀寫次數。然而三端結構的SOT-MRAM存儲單元需要更大的單元面積，不利于該存儲器的高密度集成，因而暫時無法實現大容量的存儲，也成為目前限制SOT-MRAM發展的主要障礙之一。

因此基于上述三種數據寫入方式的優缺點，采用自旋轉移力矩的磁存儲器STT-MRAM方式進行信息寫入，依然是MRAM器件制備中廣泛采用的方法。STT-MRAM也是業界公認最接近替代Flash閃存的內存方案。然而，STT-MRAM同樣存在集成密度偏低、能耗需要優化的問題。另一方面，現有的存儲器陣列存在漏電流問題。當陣列中的某個存儲單元被選中時，與選中存儲單元位于同一位線、字線的未選中存儲單元處于半偏壓狀態，存在較大的漏電流。