[發明專利]單字線的自旋軌道矩磁性隨機存儲器

在審

• 申請號: 202011312361.1
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112420097A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 薛曉勇;趙晨陽;方晉北;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，具體為一種單字線的自旋軌道矩磁性隨機存儲器。本發明存儲器的存儲單元包括：一個重金屬導電層、一個磁阻元件和兩個開關元件；磁阻元件有三層，分別是磁化方向固定的磁性材料層、非磁性材料層、磁化方向可變的磁性材料層；第一開關元件用于控制存儲單元寫入通路的導通或關閉，第二開關元件用于控制存儲單元讀取通路的導通或關閉；當第一開關元件是NMOS管時，第二開關元件是PMOS管；當第一開關元件是PMOS管時，第二開關元件是NMOS管。本發明的自旋軌道矩磁性隨機存儲器，利用NMOS管和PMOS管分別控制寫入和讀取操作，從而將傳統方案中的寫字線與讀字線合并，實現減小面積代價、簡化控制邏輯的效果。

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。

進一步來說，我們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-torque Magnetic 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。

然而相比于其他方案，基本的自旋軌道矩磁性隨機存儲器方案的單個存儲單元面積較大，且控制邏輯復雜——一個存儲單元由兩個MOS管和一個磁性隧道結組成，并由一條源線、兩條字線（寫字線與讀字線）以及兩條位線（寫位線與讀位線）所控制。目前關于減小其面積代價、簡化控制邏輯的方案雖然存在，但它們可操作性都不強，這一問題仍待解決。

發明內容

本發明的目的是提供一種面積代價低、控制邏輯簡單的自旋軌道矩磁性隨機存儲器方案。

本發明提供的單字線的自旋軌道矩磁性隨機存儲器，其存儲單元包括一個重金屬導電層、一個磁阻元件和兩個開關元件。其中，第一個開關元件的第一端與寫位線相連，第二端與重金屬導電層第一端相連，控制端與字線相連。重金屬導電層第二端與源線相連。磁阻元件第一端與第二個開關元件的第一端相連，第二端鄰接到所述重金屬導電層第一端與第二端之間的中間位置。第二個開關元件的第二端與讀位線相連，控制端與字線相連。

上述重金屬導電層可以是鉑、鉭、金、鎢或者鈀。

上述磁阻元件由三層組成，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。其磁化方向固定的磁性材料層作為磁阻元件的第一端，磁化方向可變的磁性材料層作為磁阻元件的第二端鄰接在重金屬導電層第一端與第二端的中間位置。