[發明專利]一種存儲陣列、存儲器、制備方法及寫入方法

有效

• 申請號: 202110123708.6
• 申請日: 2021-01-29
• 公開（公告）號: CN112863566B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發明（設計）人: 趙巍勝;陳婧樂;曹凱華;王戈飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 王濤;任默聞

本發明提供一種存儲陣列、存儲器、制備方法及寫入方法，一些實施方式涉及包括磁阻式隨機存取存儲器存儲陣列及其制造方法，所述存儲陣列包括：多個陣列排布的存儲單元和導體層；每個存儲單元包括：寫入晶體管，其第一端與頂電極接線耦接；MTJ磁隧道結，其靠近參考層的一端與所述寫入晶體管的第二端耦接；所述導體層的一側表面與所有所述MTJ磁隧道結靠近自由層的一端端面耦接,本發明同時將STT和SOT效應應用于磁隧道結翻轉，相對于STT?MRAM，該磁存儲器提高了寫入速度和器件可靠性，相對于SOT?MRAM的模型，本發明的磁存儲器降低了電路靜態功耗，減少了晶體管的數量，提高了器件存儲密度。

技術領域

本發明涉及半導體領域，更具體的，涉及一種存儲陣列、存儲器、制備方法及寫入方法。

背景技術

磁性隨機存儲器(magnetic?random?access?memory，MRAM)由于具有非易失性、抗輻照、低功耗等優點，引起了學術與工業領域極大的關注。磁性隧道結(magnetic?tunneljunction，MTJ)是磁性隨機存儲器MRAM的基本存儲單元。MTJ的核心部分由兩層磁性金屬層和一個夾在兩層磁性金屬層之間的勢壘層組成。其中一個磁性金屬層叫做參考層，它的磁化固定不變。另一個磁性金屬層叫做自由層，它的磁化有兩個穩定的取向。MTJ可呈現兩種狀態，即兩層磁性層磁化方向互相平行(parallel，P)或者互相反平行(antiparallel，AP)，使得MTJ出現低阻態或高阻態，這種效應被稱為隧穿磁阻效應(tunnelmagnetoresistance，TMR)。MRAM存儲的基本原理就是利用隧穿磁阻效應，即高低阻態分別表示數據“0”和“1”。

一種類型的MRAM為自旋轉移矩磁性隨機存儲器(spin?transfer?torquemagnetoresistive?RAM，STT-MRAM)。STT-MRAM的寫入操作利用自旋轉移矩效應翻轉自由磁性層的磁化方向；讀取操作通過磁性隧道結的隧穿磁阻效應進行。目前的STT-MRAM寫入電流方向在寫“0”和寫“1”時相反。STT-MRAM寫入中，MTJ由平行翻轉到反平行，與反平行翻轉到平行時的電流大小不一致，即STT翻轉的效率不對稱。另一方面，對于一晶體管MTJ的單元，因兩種寫入電流方向同時存在，在某種電流方向時，會出現源級退化現象。這兩方面將共同導致STT-MRAM性能下降。此外STT-MRAM還受STT效應固有的翻轉時間延遲限制，大大影響了STT-MRAM的寫入速度。

另一種類型的MRAM為自旋軌道矩磁性隨機存儲器(spin?orbit?torquemagnetoresistive?RAM，SOT-MRAM)。SOT-MRAM的基本單元結構為MTJ、重金屬層或鐵磁層及兩個訪問晶體管。MTJ自下到上為自由層/勢壘層/參考層/釘扎層，MTJ的自由層下方為重金屬或反鐵磁層，流經重金屬或反鐵磁層的電流能引發力矩以翻轉MTJ的自由層磁化方向，實現磁寫入。在這種技術下，SOT效應寫入解決了寫入速度的問題，但由于現有SOT-MRAM基本單元結構包括兩個訪問晶體管，即寫入的晶體管和讀取的晶體管，且寫入晶體管與讀取晶體管寬度相同，難以提高集成密度。同時，晶體管的源級退化問題依然存在。

發明內容

本發明提供一種存儲陣列、存儲器、制備方法及寫入方法，一些實施方式涉及包括磁阻式隨機存取存儲器存儲陣列及其制造方法，所述存儲陣列包括：多個陣列排布的存儲單元和導體層；每個存儲單元包括：寫入晶體管，其第一端與頂電極接線耦接；MTJ磁隧道結，其靠近參考層的一端與所述寫入晶體管的第二端耦接；所述導體層的一側表面與所有所述MTJ磁隧道結靠近自由層的一端端面耦接；其中，所述導體層的兩端分別耦接高電平接線和低電平接線，本發明同時將STT和SOT效應應用于磁隧道結翻轉，相對于STT-MRAM，該磁存儲器提高了寫入速度和器件可靠性，相對于SOT-MRAM的模型，該磁存儲器降低了電路靜態功耗，減少了晶體管的數量，提高了器件存儲密度。

本發明第一方面實施方式提供一種磁阻式隨機存取器的存儲陣列，包括：多個陣列排布的存儲單元和導體層；每個存儲單元包括：

寫入晶體管，其第一端與頂電極接線耦接；