一种自旋轨道矩磁存储器制造技术

本发明专利技术提供了一种自旋轨道矩磁存储器，包括磁性隧道结、金属电极、位线、源线、第一字线、第二字线、第一场效应管、第二场效应管；金属电极表面靠近磁性隧道结的记忆层；第一场效应管连接第一字线、位线、金属电极的第一端，金属电极的第二端连接源线；第二场效应管连接第二字线、位线、磁性隧道结。磁存储器的存储单元采用不同尺寸的场效应管分别控制读写操作，读、写场效应管交错排布，节省面积。当磁存储器实施读操作时，读取电流通过磁性隧道结；当磁存储器实施写操作时，写入电流部分流过磁性隧道结部分流过金属电极，或完全流过金属电极。本发明专利技术提供的自旋轨道磁矩存储器有助于同时实现存储器的高速读写操作、长擦写寿命、和小尺寸。

A spin orbit moment magnetic memory

【技术实现步骤摘要】
一种自旋轨道矩磁存储器
本专利技术涉及一种存储装置，具体涉及一种自旋轨道矩磁存储器，属于集成电路存储器芯片

技术介绍
MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。它的经济性相当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NORFlash也有优势，比嵌入式NORFlash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术中最优异。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。通过测量MTJ的电阻状态来判断所存储的信号是0还是1。对于MRAM的写操作有多种方法，并以此区分出第一代和第三、四代MRAM技术。当前工业界主流采用第三代MRAM技术，即自旋转矩MRAM(spintransfertorqueMRAM)。该技术采用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自上而下的电流把可变磁化层置成与固定层平行的方向，自下而上的电路把它置成反平行的方向，从而实现对存储位元的写入。每个MRAM的存储单元由一个MTJ和一个NMOS选择管组成，该存储单元通过位线、源线同外部读写电路相连接，实现数据的读取和写入。字线连接到场效应管的栅极，通过控制栅极电位来实现场效应管的接通和关断，从而实现对于存储单元的选择性写入和读取。每个存储单元需要连接三根线：NMOS的栅极连接到芯片的字线(WordLine)32，负责接通或切断这个单元；NMOS的一极连在源线(SourceLine)34上，NMOS的另一极和磁性隧道结31的一极相连，磁性隧道结31的另一极连在位线(BitLine)33上，磁性隧道结31和位线33之间设有一层非磁性材料隔离层36，NMOS的体35也可根据需要连接至电路，如图3所示。一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：行地址解码器：把收到的地址变成字线的选择；列地址解码器：把收到的地址变成位线的选择；读写控制器：控制位线上的读(测量)写(加电流)操作；输入输出控制：和外部交换数据。如图4所示，一个存储阵列中的字线43和位线44一定是垂直的，存储阵列中的每个存储单元由磁性隧道结41和场效应管42组成。相对简单的设计是位线44和源线45平行。写操作时，字线43电位升高打开一行存储单元，然后根据每一个存储单元写入0或1的需求，分别在位线44或源线45上加高电位。现有的自旋转矩技术的写操作需要在MTJ上施加一个写电流来翻转记忆层的磁矩，写电流越大，翻转速度越快，但是由于存储单元MTJ是一个隧道结，中间有一层薄的绝缘层，所通过的电流隧穿过该绝缘层，隧穿电流越大，磨损甚至击穿隧道结的几率越大。因而MRAM存储单元的寿命和写入速度之间具有反向关联，对于需要高速读写MRAM的应用场景，芯片的可靠性难以达到要求。为了解决上述问题，当前一般采用两个方向的优化方法来降低写电流：(1)通过材料工程优来化MTJ的磁性材料，包括记忆层磁动力学阻尼系数，优化隧道结界面和增强参考层来提高自旋转矩效率；(2)通过优化MTJ刻蚀加工技术，降低在工艺加工过程中对MTJ的损伤，使得所需翻转电流尽量接近原理极限。但是在没有根本性突破的前提下，用这两种方法降低翻转电流都面临巨大的难度，提高空间有限。一种解决上述问题的方法是采用自旋轨道磁矩辅助自旋扭矩或完全采用自旋轨道距的方式来进行写操作。这种方法让金属电极承载了部分或全部驱动电流，降低流过磁隧道结的电流大小，减弱了对磁隧道结的磨损，提高擦写寿命。采用该方法的已发表专利：CN201410531733专利技术了一种自旋轨道距存储器阵列的设计方案，如图12所示。该专利技术描述了一个场效应管和一个磁隧道结组成的存储单元，读写操作采用了SL断开的方式，写操作时由于BL施加高电压SL施加低电压，RL具有相当的长度以及一定的电容，RL直接连接至MTJ而将RL另一端悬空的配置会导致瞬态电流向RL端充电，将造成MTJ器件的翻转或击穿，不具备实际实施的可行性。对比而言，本专利技术中的设计方案，通过场效应管将MTJ和源线位线断开，不会有向位线上瞬态充电的问题。WO2018/038849A1，该专利描述了一种基于自旋轨道矩辅助的自旋扭矩效应磁存储器，其基本存储单元包括一个磁隧道结，一个自旋霍尔金属电极，一个场效应管，两个二极管，如图13所示每个单元对应一个字线，两个位线，一个源线。通过二极管和场效应管的控制实现读写操作：以图中心的一个单元为例，写1时BL(1)加写电压，BLB(1)接地，SL(1)接地，WL(1)上的场效应管导通，此时电流自左向右流过SHM自旋霍尔金属电极并自下向上流过磁隧道结。写0时BL(1)接地，BLB(1)加写电压，SL(1)接地，WL(1)上的场效应管导通，此时电流自左向右流过SHM自旋霍尔金属电极并自上而下流过磁隧道结。读操作时，BL(1)加读电压，BLB(1)接地，SL(1)接地，WL(1)上的场效应管不导通，此时电流自下而上流过磁隧道结。该设计方法在写1和写0时，流过SHM的电流方向相同，因此在一个方向上起到辅助效应，而在另一个方向上则起到阻碍效应，无法同时提高1、0两个方向上的写入效率。另外，该设计方法无法通过控制电路调整自旋轨道距辅助效应和自旋扭矩主要效应的大小比例，而只能通过调整生产工艺实现，且调整范围非常有限。本专利技术采用了双场效应管的方法，而并不引入二极管，解决了上述困难，相比而言具有明显的优势。US20170352702专利技术了一种独特的自旋金属电极，如图14所示，用于自旋轨道距存储器，该专利技术提出在临近磁隧道结处采用较窄的金属电极，而在远离磁隧道结处采用较宽的电极，窄的金属电极有利于提供足够的自旋轨道距或自旋电流来翻转磁隧道结自由层磁矩，宽的金属电极有助于降低总的走线电阻，提高存储器运行速度降低功耗。该专利没有提出一个可行的存储阵列单元设计方案，也没有提及读写操作的方法。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是：磁存储器进行写操作时，减小或消除通过磁性隧道结的电流。提供一个读写操作可实现的，且占用面积尽可能小的的存储阵列设计。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种自旋轨道矩磁存储器，包括磁性隧道结、金属电极、位线、源线、第一字线、第二字线、第一场效应管、第二场效应管；金属电极表面靠近磁性隧道结；第一场效应管的栅极连接第一字线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁存储器，其特征在于，包括磁性隧道结、金属电极、位线、源线、第一字线、第二字线、第一场效应管、第二场效应管；所述金属电极表面靠近所述磁性隧道结；所述第一场效应管的栅极连接所述第一字线，所述第一场效应管的源极或漏极之一连接所述位线，所述第一场效应管的源极或漏极之另一连接所述金属电极的第一端，所述金属电极的第二端连接所述源线；所述第二场效应管的栅极连接所述第二字线，所述第二场效应管的源极或漏极之一连接所述位线，所述第二场效应管的源极或漏极之另一连接所述磁性隧道结。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁存储器，其特征在于，包括磁性隧道结、金属电极、位线、源线、第一字线、第二字线、第一场效应管、第二场效应管；所述金属电极表面靠近所述磁性隧道结；所述第一场效应管的栅极连接所述第一字线，所述第一场效应管的源极或漏极之一连接所述位线，所述第一场效应管的源极或漏极之另一连接所述金属电极的第一端，所述金属电极的第二端连接所述源线；所述第二场效应管的栅极连接所述第二字线，所述第二场效应管的源极或漏极之一连接所述位线，所述第二场效应管的源极或漏极之另一连接所述磁性隧道结。


2.根据权利要求1所述的一种磁存储器，其特征在于，所述第一场效应管控制写入电流的流通路径，所述第二场效应管控制读取电流的流通路径，所述第一场效应管和所述第二场效应管在同一时间最多仅有一个处于接通状态；在不操作所述磁性隧道结时，所述第一场效应管和所述第二场效应管都处在断开状态。


3.根据权利要求2所述的一种磁存储器，其特征在于，采用多路复用器选择所述第一场效应管或所述第二场效应管的接通和断开。


4.根据权利要求1所述的一种磁存储器，其特征在于，所述第一场效应管和所述第二场效应管均采用NMOS。


5.根据权利要求4所述的一种磁存储器，其特征在于，所述第一场效应管和所述第二场效应管采用同样长度但不同宽度的NMOS，所述第一场效应管的宽度大于所述第二场效应管的宽度。


6.根据权利要求5所述的一种磁存储器，其特征在于，所述第一场效应管和所述第二场效应管交错排布。


7.根据权利要求1所述的一种磁存储器，其特征在于，所述位线和所述源线垂直，所述第二字线、所述第一字线和所述源线平行。


8.根据权利要求1所述的一种磁存储器，其特征在于，所述磁性隧道结依次包括参考层、势垒层、记忆层，所述金属电极和所述记忆层相邻。

【专利技术属性】
技术研发人员：叶力，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31