磁性存储器结构、阵列、读写控制方法及制备方法与流程

文档序号:21710008发布日期:2020-08-05 00:55阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种磁性存储器阵列,其特征在于,包括:

多个磁性存储器单元,所述多个磁性存储器单元中的每个磁性存储器单元:包括第一晶体管、第二晶体管、第一位单元及第二位单元,其中,两个相邻的磁性存储器单元的位单元共用一自旋轨道转矩层和共用位线,所述第一位单元、第二位单元通过所述自旋轨道转矩层分别与位线、共用位线连接,所述共用位线与位于两个相邻的磁性存储器之间的自旋轨道转矩层连接;所述第一位单元和第二位单元通过所述第一晶体管和第二晶体管与相邻的第一字线及第二字线连接;

读写控制单元,通过源线、位线及共用位线与至少一个磁性存储器单元连接,控制至少一个磁性存储器单元中的所述第一晶体管和第二晶体管的工作状态,以读取或者设置所述第一位单元或第二位单元的状态。

2.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述自旋轨道转矩层的材料包括重金属及拓扑绝缘体中的一种,所述重金属包括pt、ta及w中的一种,所述拓扑绝缘体包括bise合金及bisb合金中的一种。

3.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述第一位单元包括第一磁性隧道结和第一上电极,所述第二位单元包括第二磁性隧道结和第二上电极,所述第一位单元的上电极与所述第二位单元的上电极连接所述第二晶体管的漏极,所述第一晶体管的漏极与位于所述第一位单元和第二位单元之间的自旋轨道转矩层电连接,所述第一晶体管的栅极连接所述第一字线,所述第二晶体管的栅极连接所述第二字线,所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极连接所述源线。

4.根据权利要求1或3所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述读写控制单元控制至少一个所述磁性存储器单元中的所述第一晶体管、第二晶体管的工作状态,控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或第二位单元的状态。

5.根据权利要求4所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述读写控制单元控制至少一个磁性存储器单元连接的相邻2条字线的电压、控制施加在所述存储器单元和/或其相邻的存储器单元的第一晶体管衬底上的电压以控制所述磁性存储器单元的第一晶体管、第二晶体管的工作状态;通过选通所述位线和共用位线中的一条位线并控制其电压、源线的电压来控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或者第二位单元的状态。

6.根据权利要求1或3所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述读写控制单元控制至少一个所述存储器单元中的所述第一晶体管、第二晶体管的工作状态以读取所述第一位单元、第二位单元的状态。

7.根据权利要求6所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述读写控制单元通过控制至少一个所述存储器单元连接的相邻2条字线的电压、控制施加在所述存储器单元和/或其相邻的存储器单元的第一晶体管衬底上的电压以控制所述存储器单元的第一晶体管、第二晶体管的工作状态;通过选通所述位线及共用位线中的一条位线并控制其电压、及源线的电压以读取所述第一位单元或第二位单元的状态。

8.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列,其特征在于,所述第一晶体管和所述第二晶体管共源。

9.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述磁性隧道结包括自由磁层、固定磁层、以及设置在所述自由磁层和所述固定磁层之间的绝缘隧道层,其中,所述固定磁层具有固定的第一磁极,所述自由磁层具有可变的第二磁极,若所述第一磁极与所述第二磁极同向,则所述磁性隧道结为低阻态,若所述第一磁极与所述第二磁极反向,则所述磁性隧道结为高阻态。

10.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述自由磁层位于所述自旋轨道转矩层上,其第一磁极的方向为垂直方向,所述自由磁层的材料包括cofeb合金、feb合金及cofe合金中的一种,所述自由磁层的厚度介于0.8nm-1.3nm之间。

11.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述自由磁层包括合成反铁磁结构,所述合成反铁磁结构包括反向对准的第一铁磁材料层及第二铁磁材料层,以及位于所述第一铁磁材料层及第二铁磁材料层之间的非磁性材料耦合隔层。

12.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述固定磁层的第二磁极方向为垂直方向,所述固定磁层的材料包括cofeb合金、feb合金及cofe合金中的一种,其厚度介于0.8nm-1.3nm之间。

13.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述绝缘隧道层的材料包括mgo,其厚度介于0.8nm-1.3nm之间。

14.根据权利要求9所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述磁性隧道结还包括位于所述固定磁层上的间隔层以及位于所述间隔层上的合成反铁磁结构。

15.根据权利要求14所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述间隔层的材料包括ta、包含co的合金及包含fe的合金中的一种;所述间隔层的厚度介于0.2nm-1.2nm之间。

16.根据权利要求14所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述合成反铁磁结构包括反向对准的第一铁磁材料层及第二铁磁材料层,以及位于所述第一铁磁材料层及第二铁磁材料层之间的非磁性材料耦合隔层。

17.根据权利要求16所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述铁磁材料层包括多个铁磁复合层,所述铁磁复合层的厚度介于0.2nm-0.6nm之间,所述铁磁复合层的材料包括co/pt复合层、co/pd复合层及co/ni复合层中的一种,所述非磁性材料耦合隔层的材料包括ru,其厚度介于0.4nm-0.9nm之间。

18.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述磁性隧道结的直径介于10nm-90nm之间。

19.根据权利要求3所述的磁性存储器阵列,其特征在于:所述第一磁性隧道结、所述第二磁性隧道结堆叠于所述第一晶体管及第二晶体管之上。

20.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列,其特征在于:被集成到以下至少一项中:音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理、固定位置数据单元、移动电话、和便携式计算机。

21.一种如权利要求1~20任意一项所述的磁性存储器阵列的读写控制方法,其特征在于,包括:

控制至少一个磁性存储器单元的第一晶体管、第二晶体管的工作状态,控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或第二位单元的状态;或者

控制至少一个磁性存储器单元的第一晶体管、第二晶体管的工作状态,读取所述第一位单元、第二位单元的状态。

22.根据权利要求21所述的磁性存储器阵列的读写控制方法,其特征在于,控制至少一个磁性存储器单元连接的相邻2条字线的电压、控制施加在所述存储器单元和/或其相邻的存储器单元的第一晶体管衬底上的电压以控制所述磁性存储器单元的第一晶体管、第二晶体管的工作状态;通过选通所述位线和共用位线中的一条位线并控制其电压、源线的电压来控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置所述第一位单元或者第二位单元的状态。

23.根据权利要求21所述的磁性存储器阵列的读写控制方法,其特征在于,通过控制至少一个所述存储器单元连接的相邻2条字线的电压、控制施加在所述存储器单元和/或其相邻的存储器单元的第一晶体管衬底上的电压以控制所述存储器单元的第一晶体管、第二晶体管的工作状态;通过选通所述位线及共用位线中的一条位线并控制其电压、及源线的电压以读取所述第一位单元或第二位单元的状态。

24.根据权利要求23所述的磁性存储器阵列的读写控制方法,其特征在于,通过控制流经所述自旋轨道转矩层的电流以设置第一磁性隧道结、第二磁性隧道结的状态为高阻态或者低阻态。

25.根据权利要求21所述的磁性存储器阵列的读写控制方法,其特征在于:包括:通过读取流经所第一位单元、第二位单元的输出电流的大小以判断此时其阻值状态为高阻态还是低阻态。

26.一种磁性存储器结构,其特征在于,包括:

衬底;

在衬底上形成的多个磁性存储单元,所述磁性存储器单元,包括:

第一晶体管、第二晶体管,所述第一晶体管、第二晶体管均包含栅线结构和位于栅线结构之间的所述衬底中的源区和漏区;

第一位单元、第二位单元,所述第一位单元包括自旋轨道转矩层、位于所述自旋轨道转矩层上的第一磁性隧道结及第一上电极;所述第二位单元包括所述自旋轨道转矩层、位于所述自旋轨道转矩层上的第二磁性隧道结及第二上电极;

多个金属布线层,其中,每个金属布线层包括金属导线,过孔和层间介质;

所述第一晶体管的漏区通过接触孔、所述金属导线和过孔与所述第一位单元和第二位单元共用的自旋轨道转矩层电连接,所述第二晶体管的漏区通过所述接触孔、金属层导线及过孔与所述第一上电极及所述第二上电极连接;

其中,所述磁性存储器单元的第一位单元、第二位单元和其相邻的磁性存储器单元的第一位单元及第二位单元共用一个自旋轨道转矩层和一个金属布线层;所述磁性存储器单元的第一晶体管与其相邻的磁性存储器的第一晶体管的栅极属于同一条字线连接;

所述磁性存储器单元的第一晶体管与其相邻的磁性存储器的第一晶体管分别具有独立的衬底阱区,并分别由不同的金属导线引出。

27.根据权利要求26所述的磁性存储器结构,其特征在于,所述第一晶体管和所述第二晶体管共用源区,所述共用源区位于所述第一晶体管和第二晶体管的栅极之间,所述共用源区通过一根源线引出。

28.根据权利要求27所述的磁性存储器结构,其特征在于,所述第一晶体管的栅极通过与所述接触孔连接的金属布线层中的金属导线构建为用于写入的字线,所述第二晶体管的栅极分别通过与接触孔连接的金属布线层中的金属导线构建为用于读出的字线。

29.根据权利要求26所述的磁性存储器,其特征在于,所述自旋轨道转矩层下方的一层金属布线层作为位线层,所述自旋轨道转矩层的两端分别通过位于所述金属布线层中的过孔与两根位线连接,其中一根所述位线作为所述磁性存储器的第一位单元的位线,另一根所述位线作为所述磁性存储器相邻的磁性存储器的第二位单元的位线;两个相邻磁性存储器共用自旋轨道转矩层的中部通过位于所述的金属布线层中的共用过孔与所述共用位线连接。

30.一种磁性存储器结构的制备方法,其特征在于,包括步骤:

提供一衬底,在衬底上形成隔离区;

在隔离区一侧的有源区形成第一晶体管及第二晶体管,所述第一晶体管、第二晶体管、均包含栅线结构和位于栅线结构之间的所述衬底中的源区和漏区;

形成多个金属布线层,每个金属布线层中包括金属导线,过孔和层间介质;

在相邻的上下两个金属布线层之间形成第一位单元,所述第一位单元、第二位单元,所述第一位单元包括所述自旋轨道转矩层、位于所述自旋轨道转矩层上的第一磁性隧道结及第一上电极,所述第二位单元包括所述自旋轨道转矩层、位于所述自旋轨道转矩层上的第二磁性隧道结及第二上电极;

其中,所述第一晶体管的漏区通过接触孔、所述金属导线及过孔与所述第一位单元和第二位单元共用的自旋轨道转矩层电连接,所述第二晶体管的漏区通过所述接触孔、金属层导线及过孔与所述第一上电极及所述第二上电极连接;

其中,所述磁性存储器单元的第一位单元、第二位单元和其相邻的磁性存储器单元的第一位单元及第二位单元共用一个自旋轨道转矩层和一个金属布线层;所述磁性存储器单元的第一晶体管与其相邻的磁性存储器的第一晶体管的栅极属于同一条字线连接;所述磁性存储器单元的第一晶体管与其相邻的磁性存储器的第一晶体管分别具有独立的衬底阱区,并分别由不同的金属导线引出。

31.根据权利要求30所述的磁性存储器结构的制备方法,其特征在于,所述自旋轨道转矩层下方的一层金属布线层作为位线层,所述自旋轨道转矩层的两端分别通过位于所述金属布线层中的过孔与两根位线连接,其中一根所述位线作为所述磁性存储器的第一位单元的位线,另一根所述位线作为所述磁性存储器相邻的磁性存储器的第二位单元的位线;两个相邻磁性存储器共用自旋轨道转矩层的中部通过位于所述的金属布线层中的共用过孔与所述共用位线连接。

32.根据权利要求30所述的磁性存储器结构的制备方法,其特征在于,所述第一晶体管和所述第二晶体管共用源区,所述共用源区位于所述第一晶体管和第二晶体管的栅极之间,所述共用源区通过一根源线引出。

33.根据权利要求30所述的磁性存储器结构的制备方法,其特征在于,所述第一晶体管的栅极通过与所述接触孔连接的金属布线层中的金属导线构建为用于写入的字线,所述第二晶体管的栅极分别通过与接触孔连接的金属布线层中的金属导线构建为用于读出的字线。


技术总结
本发明提供一种磁性存储器结构、阵列、读写控制方法及制备方法,阵列的每个磁性存储器单元包括第一、第二晶体管、第一、第二位单元,其中:两个相邻的磁性存储器单元的位单元共用一自旋轨道转矩层和共用位线,第一、第二位单元通过自旋轨道转矩层分别与位线、共用位线连接,共用位线与两个相邻的磁性存储器之间的自旋轨道转矩层连接;第一、第二位单元通过第一、第二晶体管与相邻的2根字线连接;读写控制单元,用于读取或者设置第一、第二位单元的状态。本发明相邻的两个磁性存储器单元共用一个自旋轨道转矩层及一根共用位线,通过调控晶体管的衬底电压来实现每个磁性位单元的独立操作,同时有效缩小每个位单元以及整个存储阵列所占的面积。

技术研发人员:余君;庄晓辉;余自强
受保护的技术使用者:上海新微技术研发中心有限公司
技术研发日:2020.04.15
技术公布日:2020.08.04
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