[發明專利]基于重金屬層磁性隧道結對的自旋軌道矩磁性隨機存儲器

在審

• 申請號: 202011312320.2
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112420095A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 薛曉勇;方晉北;趙晨陽;陳德揚;楊何勇;張洵銘
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于存儲器技術領域，具體為一種基于重金屬層磁性隧道結對的自旋軌道矩磁性隨機存儲器。本發明的隨機存儲器，其存儲單元包括：一個重金屬導電層、兩個磁阻元件和三個開關元件；所述的兩個磁阻元件第一層是磁化方向固定的磁性材料層，第二層是非磁性材料層，第三層是磁化方向可變的磁性材料層，這兩個磁阻元件均鄰接到同一重金屬導電層上，組成差分結構。本發明的自旋軌道矩磁性隨機存儲器，利用一組共用重金屬層的互補磁性隧道結構建自旋軌道矩磁性隨機存儲器的存儲單元，差分結構提高其讀取裕度，重金屬層的共用使面積代價減小，也使寫入控制邏輯更為簡單。

技術領域

本發明屬于存儲器技術領域，具體涉及一種自旋軌道矩磁性隨機存儲器。

背景技術

在過去幾十年里，靜態隨機存儲器(Static Random Access Memory，SRAM)一直是片上嵌入式存儲器的主流解決方案。隨著工藝和設計技術的不斷發展，單個集成電路上集成的處理器核心數越來越多，使得單個芯片對片上靜態隨機存儲器的集成度、容量和帶寬要求越來越高。因此，有了這些不斷提高的要求，在1994-2008年這十幾年間，靜態隨機存儲器的發展迅速：在每個新的工藝代，靜態隨機存儲器的存儲單元面積都會減少一半。然而近年來，這種發展趨勢遇到了很大的阻力。工藝尺寸的減小，增加了工藝制造的難度，制造過程中參數的隨機變化引起器件閾值電壓的波動，從而影響存儲單元的穩定性，使得高密度的存儲陣列很難擁有寬裕的噪聲容限。這也限制了高密度靜態存儲器性能的提高與功耗的降低，使靜態隨機存儲器不能向既定的方向發展。因此，尋找新的存儲器方案以替代靜態隨機存儲器成為了進一步顯著提高芯片性能的必由之路。

進一步地，要求下一代存儲器方案同時具有以下四點特性：低功耗、高性能、與CMOS標準工藝兼容性好與可微縮性強。自旋軌道矩磁性隨機存儲器(Spin-orbit-torqueMagnetic Random Access Memory, SOT MRAM)因此成為了有利競爭者，基于磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)使其具有非易失性，靜態功耗極低；讀寫路徑可被單獨優化，動態功耗也相當低；讀寫速度快，并且易集成，可與CMOS標準工藝兼容；另外，它的耐久性幾乎是無限的，而且在常溫下的保持性也超過10年，使得它在傳感器網絡、物聯網、大數據等領域有極大潛力。

然而，目前的自旋軌道矩磁性隨機存儲器隧道磁電阻比(Tunnel Magneto-resistance Ratio, TMR)相比于其他電阻式隨機存儲器而言仍然較小，而讀取裕度小則會導致讀取速度慢，對讀取器件的精度要求高，從而影響自旋軌道矩磁性隨機存儲器的性能。為了解決這一問題，目前較為普遍的做法是利用差分電路，通過互補磁性隧道結阻值的相互比較以提高隧道磁電阻比。但這一方案的面積代價非常大，且控制邏輯復雜，每個存儲單元使用到了兩個磁性隧道結、四個晶體管，并且被四條字線（兩條讀字線和兩條寫字線）、兩條源線以及兩條位線所控制。如何在利用差分電路提高隧道磁電阻比的同時也相對減小存儲單元的面積代價，這是一個有待解決的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種讀取裕度大、面積代價小且控制邏輯簡單的自旋軌道矩磁性隨機存儲器。

本發明提供的自旋軌道矩磁性隨機存儲器，是基于共用重金屬層磁性隧道結對的，其存儲單元，包括一個重金屬導電層、兩個磁阻元件和三個開關元件。其中，第一個開關元件第一端與寫位線相連，第二端與重金屬導電層第一端相連，控制端與寫字線相連。重金屬導電層第二端與源線相連。第一個磁阻元件第一端與第二個開關元件第一端相連，第二端鄰接到重金屬導電層第一端與第二端之間的中間位置。第二個磁阻元件第一端與第三個開關元件第一端相連，第二端鄰接到重金屬導電層第一端與第二端之間的中間位置。第二個開關元件第二端與第一條讀位線相連，控制端與讀字線相連。第三個開關元件第二端與第二條讀位線相連，控制端與讀字線相連。

上述自旋軌道矩磁性隨機存儲器存儲單元的兩個磁阻元件構成差分電路，利用它們讀取電流的相互比較，讀出存儲單元所存儲的值。