磁随机存储器结构及其形成方法、电路及其工作方法

本发明涉及半导体制造，尤其涉及一种磁随机存储器结构及其形成方法、电路及其工作方法。

背景技术：

1、存算一体作为新一代计算技术，在数据运算和存储过程中实现了一体化设计，旨在突破“存储墙”实现超低功耗和更强的并行计算能力，被认为是后摩尔时代最重要的发展方向之一。对于二值存储器，利用其存储阵列，可以构建存算一体的二值神经网络(binaryneural network，缩写为bnn)。在二值神经网络中，卷积运算必要的“乘累加”操作则简化为异或操作。

2、磁随机存储器(magnetic random access memory，缩写为mram)作为一种二值存储器，是一种利用读取磁阻大小为原理的新型非易失性(non-volatile)随机存储器。mram器件具有高读写速度，非易失性，高可靠性，抗辐射性等诸多优点被称为下一代的存储器。

3、其中，磁隧道结(magnetic tunnel junction，缩写为mtj)是mram器件的基本存储单元，其核心部分是由两个铁磁金属层夹着一个隧穿势垒层(绝缘材料)构成类似于三明治结构的纳米多层膜。其中一个铁磁层被称为参考层(reference layer)，参考层的磁化沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层(free layer)，自由层的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行，这将使磁隧道结处于低阻态或高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”，是mram器件存储的基本原理。

4、基于cmos的异或门结构复杂，需要使用较多的晶体管，为了发挥存算一体和mram器件的优势，学术界和工业界提出了使用mram器件构成异或电路的方案。但依然需要使用较多的存储元件，这对精简化bnn电路十分不利。

5、总之，亟需一种新的可实现异或功能的磁随机存储器结构，以精简化bnn电路。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种磁随机存储器结构及其形成方法、电路及其工作方法，以利于精简化bnn电路。

2、为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种磁随机存储器结构，包括：衬底；位于所述衬底表面的第一自旋轨道矩层；位于所述第一自旋轨道矩层表面的磁隧道结，所述磁隧道结包括第一铁磁层、第二铁磁层、以及位于所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的势垒层，所述第一铁磁层位于所述第一自旋轨道矩层表面，所述第一铁磁层的磁矩方向和所述第二铁磁层的磁矩方向平行或反平行；位于所述磁隧道结表面的第二自旋轨道矩层。

3、可选的，所述衬底包括主体区，所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结和所述第二自旋轨道矩层位于所述主体区上；所述第二自旋轨道矩层包括第二自旋轨道底部区。

4、可选的，还包括：位于所述第一自旋轨道矩层表面的第一导电结构和第二导电结构，所述第一导电结构和所述第二导电结构沿平行于衬底表面的第一方向排布；位于第二自旋轨道矩层表面的第三导电结构和第四导电结构，所述第三导电结构和所述第四导电结构沿所述第一方向排布。

5、可选的，所述衬底还包括位于所述主体区两侧的第一引出区和第二引出区，所述第一引出区、所述主体区和所述第二引出区沿所述第一方向排布；所述第一导电结构包括：位于所述第一引出区表面的第一辅导电结构和位于所述第一辅导电结构表面的第一引出层，所述第一辅导电结构与所述第一自旋轨道矩层相接；所述第二导电结构包括：位于所述第二引出区表面的第二辅导电结构和位于所述第二辅导电结构表面的第二引出层，所述第二辅导电结构与所述第一自旋轨道矩层相接；所述第三导电结构包括：位于所述第一引出区上的第三引出层，所述第三引出层与所述第二自旋轨道矩层相接；所述第四导电结构包括：位于所述第二引出区上的第四引出层，所述第四引出层与所述第二自旋轨道矩层相接。

6、可选的，所述第一辅导电结构包括：与所述第一自旋轨道矩层相接的第一金属第一辅层、位于部分所述第一金属第一辅层表面的第一铁磁第一辅层、位于所述第一铁磁第一辅层表面的第一势垒辅层、位于所述第一势垒辅层表面的第二铁磁第一辅层和位于所述第二铁磁第一辅层表面的第二金属第一辅层；所述第二辅导电结构包括：与所述第一自旋轨道矩层相接的第一金属第二辅层、位于部分所述第一金属第二辅层表面的第一铁磁第二辅层、位于所述第一铁磁第二辅层表面的第二势垒辅层、位于所述第二势垒辅层表面的第二铁磁第二辅层和位于所述第二铁磁第二辅层表面的第二金属第二辅层。

7、可选的，所述第二自旋轨道矩层还包括位于所述第二自旋轨道底部区上的第二自旋轨道顶部区；所述第三引出层和所述第四引出层分别与所述第二自旋轨道顶部区相对的两端面相接。

8、可选的，还包括：位于所述衬底表面的第一介质层，所述第一导电结构、所述第二导电结构、所述第三导电结构、所述第四导电结构、所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结和所述第二自旋轨道矩层位于所述第一介质层内。

9、可选的，还包括：位于所述第一介质层表面的第二介质层；所述第一导电结构还包括：位于所述第二介质层内且位于所述第一引出层表面的第一导电插塞、以及位于所述第一导电插塞表面和所述第二介质层表面的第一导电层；所述第二导电结构还包括：位于所述第二介质层内且位于所述第二引出层表面的第二导电插塞、以及位于所述第二导电插塞表面和所述第二介质层表面的第二导电层；所述第三导电结构还包括：位于所述第二介质层内且位于所述第二介质层内且位于所述第一引出层表面的第三导电插塞、以及位于所述第三导电插塞表面和所述第二介质层表面的第三导电层；所述第四导电结构还包括：位于所述第二介质层内且位于所述第二引出层表面的第四导电插塞、以及位于所述第四导电插塞表面和所述第二介质层表面的第四导电层。

10、可选的，所述第一铁磁性层的材料包括fecob和feb中的一种或两种的结合；所述第二铁磁性层的材料包括fecob和feb中的一种或两种的结合；所述势垒层的材料包括mgo或者al2o3；所述第一铁磁性层的厚度范围为0.6nm至10nm；所述第二铁磁性层的厚度范围为0.6nm至10nm；所述势垒层的厚度范围为0.6nm至2nm。

11、可选的，所述第一自旋轨道矩层的材料包括拓扑绝缘体材料或重金属材料，所述重金属材料包括w、pt和ta中的一者或多者的结合；所述第一自旋轨道矩层的厚度范围为1nm至10nm；所述第二自旋轨道矩层的材料包括拓扑绝缘体材料或重金属材料，所述重金属材料包括w、pt和ta中的一者或多者的结合；所述第二自旋轨道矩层的厚度范围为3nm至10nm。

12、相应的，本发明的技术方案还提供一种磁随机存储器结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成第一自旋轨道矩层；在所述第一自旋轨道矩层表面形成磁隧道结，所述磁隧道结包括第一铁磁层、第二铁磁层、以及位于所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的势垒层，所述第一铁磁层位于所述第一自旋轨道矩层表面，所述第一铁磁层的磁矩方向和所述第二铁磁层的磁矩方向平行或反平行；在所述磁隧道结表面形成第二自旋轨道矩层。

13、可选的，所述衬底包括主体区，所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结和所述第二自旋轨道矩层位于所述主体区上；所述第二自旋轨道矩层包括第二自旋轨道底部区；所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结、所述第二自旋轨道矩层的形成方法包括：在所述衬底上形成复合材料层，所述复合材料层包括第一自旋轨道矩材料层、位于所述第一自旋轨道距材料层表面的第一铁磁材料层、位于所述第一铁磁材料层表面的第一势垒材料层、位于所述第一势垒材料层表面的第二铁磁材料层、以及位于所述第二铁磁材料层表面的第二自旋轨道矩材料层；对所述复合材料层进行第一图形化处理，以所述主体区上的所述第一自旋轨道材料层形成所述第一自旋轨道矩层，以所述第一铁磁材料层形成所述第一铁磁层，以所述第一势垒材料层形成所述势垒层，以所述第二铁磁材料层形成所述第二铁磁层，以所述第二自旋轨道矩材料层形成所述第二自旋轨道底部区。

14、可选的，所述复合材料层还包括位于所述第二自旋轨道矩材料层表面的第二势垒材料层。

15、可选的，所述方法还包括：在所述衬底上形成位于所述第一自旋轨道矩层表面的第一导电结构和第二导电结构，所述第一导电结构和所述第二导电结构沿平行于衬底表面的第一方向排布；在所述衬底上形成位于第二自旋轨道矩层表面的第三导电结构和第四导电结构，所述第三导电结构和所述第四导电结构沿所述第一方向排布。

16、可选的，所述衬底还包括位于所述主体区两侧的第一引出区和第二引出区，所述第一引出区、所述主体区和所述第二引出区沿所述第一方向排布；所述第一导电结构包括：位于所述第一引出区表面的第一辅导电结构和位于所述第一辅导电结构表面的第一引出层，所述第一辅导电结构与所述第一自旋轨道矩层相接；所述第二导电结构包括：位于所述第二引出区表面的第二辅导电结构和位于所述第二辅导电结构表面的第二引出层，所述第二辅导电结构与所述第一自旋轨道矩层相接；所述第三导电结构包括：位于所述第一引出区上的第三引出层，所述第三引出层与所述第二自旋轨道矩层相接；所述第四导电结构包括：位于所述第二引出区上的第四引出层，所述第四引出层与所述第二自旋轨道矩层相接。

17、可选的，所述第二自旋轨道矩层还包括位于所述第二自旋轨道底部区上的第二自旋轨道顶部区；所述第三引出层和所述第四引出层分别与所述第二自旋轨道顶部区相对的两端面相接；所述方法还包括：在所述衬底表面形成第一介质层；所述第一导电结构、所述第二导电结构、所述第三导电结构、所述第四导电结构、所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结和所述第二自旋轨道矩层位于所述第一介质层内；所述第一介质层、所述第一导电结构、所述第二导电结构、所述第三导电结构和所述第四导电结构的形成方法包括：在所述衬底上形成第一介质材料层，所述第一辅导电结构、所述第二辅导电结构、所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结和所述第二自旋轨道底部区位于所述第一介质材料层内，且所述第一介质材料层内具有暴露出所述第一辅导电结构的第一凹槽、暴露出第二辅导电结构的第二凹槽、以及暴露出所述第二自旋轨道底部区的第三凹槽，所述第二自旋轨道底部区在所述衬底表面的投影位于所述第三凹槽在所述衬底表面的投影范围内；在所述第一凹槽内形成所述第一引出层；在所述第二凹槽内形成所述第二引出层；在所述第三凹槽内形成所述第三引出层、所述第二自旋轨道顶部区和第四引出层；平坦化所述第一介质材料层形成所述第一介质层。

18、可选的，所述第一辅导电结构包括：与所述第一自旋轨道矩层相接的第一金属第一辅层、位于部分所述第一金属第一辅层表面的第一铁磁第一辅层、位于所述第一铁磁第一辅层表面的第一势垒辅层、位于所述第一势垒辅层表面的第二铁磁第一辅层和位于所述第二铁磁第一辅层表面的第二金属第一辅层；所述第二辅导电结构包括：与所述第一自旋轨道矩层相接的第一金属第二辅层、位于部分所述第一金属第二辅层表面的第一铁磁第二辅层、位于所述第一铁磁第二辅层表面的第二势垒辅层、位于所述第二势垒辅层表面的第二铁磁第二辅层和位于所述第二铁磁第二辅层表面的第二金属第二辅层；所述复合材料层还用于形成所述第一辅导电结构和所述第二辅导电结构；所述第一图形化处理方法还包括：刻蚀所述复合材料层，直到暴露出所述第一自旋轨道矩材料层，以所述第一引出区上的所述第一自旋轨道矩材料层形成所述第一金属第一辅层，以所述第二引出区上的所述第一自旋轨道矩材料层形成所述第一金属第二辅层，以所述第一引出区上的所述第一铁磁材料层形成所述第一铁磁第一辅层，以所述第二引出区上的所述第一铁磁材料层形成所述第一铁磁第二辅层，以所述第一引出区上的所述第一势垒材料层形成所述第一势垒辅层，以所述第二引出区上的所述第一势垒材料层形成所述第二势垒辅层，以所述第一引出区上的所述第二铁磁材料层形成所述第二铁磁第一辅层，以所述第二引出区上的所述第二铁磁材料层形成所述第二铁磁第二辅层，以所述第一引出区上的所述第二自旋轨道矩材料层形成所述第二金属第一辅层，以所述第二引出区上的所述第二自旋轨道矩材料层形成所述第二金属第二辅层。

19、可选的，所述第一介质材料层、所述第一凹槽、所述第二凹槽和所述第三凹槽的形成方法包括：在所述衬底上形成初始第一介质材料层，所述第一辅导电结构、所述第二辅导电结构、所述第一自旋轨道矩层、所述磁隧道结和所述第二自旋轨道底部区位于所述初始第一介质材料层内；平坦化所述初始第一介质材料层；在平坦化所述初始第一介质材料层之后，刻蚀所述初始第一介质材料层，在暴露出所述第二自旋轨道底部区顶部表面之后，还继续刻蚀所述第二自旋轨道底部区，直到所述第二自旋轨道底部区的厚度达到目标厚度，以所述初始第一介质材料层形成所述第一介质材料层，所述第一凹槽还位于所述第二金属第一辅层内，所述第二凹槽还位于所述第二金属第二辅层内。

20、可选的，所述第一介质层、所述第一引出层、所述第二引出层、所述第三引出层、所述第二自旋轨道顶部区和所述第四引出层的形成方法还包括：在所述第一介质材料层表面、所述第一凹槽内、所述第二凹槽内和所述第三凹槽内形成第一导电材料层；平坦化所述第一导电材料层和所述第一介质材料层，以所述第一介质材料层形成所述第一介质层，以所述第一凹槽内的所述第一导电材料层形成第一引出层，以所述第二凹槽内的所述第一导电材料层形成所述第二引出层，以所述第三凹槽内的所述第一导电材料层形成所述第三引出层、所述第二自旋轨道顶部区和所述第四引出层。

21、可选的，所述第二自旋轨道顶部区的形成方法还包括：在平坦化所述第一导电材料层和所述第一介质材料层之后，还在所述第一介质材料层表面和所述第一导电材料层表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露出所述主体区上的所述第一导电材料层；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一导电材料层，直到所述第二自旋轨道层达到目标厚度。

22、可选的，所述第一导电结构还包括：位于所述第一引出层表面的第一导电插塞和位于所述第一导电插塞表面的第一导电层；所述第二导电结构还包括：位于所述第二引出层表面的第二导电插塞和位于所述第二导电插塞表面的第二导电层；所述第三导电结构还包括：位于所述第三引出层表面的第三导电插塞和位于所述第三导电插塞表面的第三导电层；所述第四导电结构还包括：位于所述第四引出层表面的第四导电插塞和位于所述第四导电插塞表面的第四导电层；所述第一导电结构、所述第二导电结构、所述第三导电结构和所述第四导电结构还位于所述第一介质层表面的第二介质层内；所述第一导电结构、所述第二导电结构、所述第三导电结构和所述第四导电结构的形成方法还包括：在所述第一介质层、所述第一引出层、所述第二引出层、所述第三引出层、所述第四引出层和所述第二自旋轨道顶部区表面形成第二介质层；在所述第二介质层内形成第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所述第一通孔暴露出所述第一引出层，所述第二通孔暴露出第二引出层，所述第三通孔暴露出所述第三引出层，所述第四通孔暴露出所述第四引出层；在所述第二介质层表面、所述第一通孔内、所述第二通孔内、所述第三通孔内和所述第四通孔内形成第二导电材料层，所述第二导电材料层填充满所述第一通孔、第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔；对所述第二导电材料层进行第二图形化处理，以所述第二介质层表面的所述第二导电材料层形成所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层和所述第四导电层，以所述第一通孔内的所述第二导电材料层形成所述第一导电插塞，以所述第二通孔内的所述第二导电材料层形成所述第二导电插塞，以所述第三通孔内的所述第二导电材料层形成所述第三导电插塞，以所述第四通孔内的所述第二导电材料层形成所述第四导电插塞。

23、相应的，本发明的技术方案还提供一种磁随机存储器电路，包括：若干如上所述的磁随机存储器结构；第一位线，与所述第一自旋轨道矩层的一端电连接；第一源线，与所述第一自旋轨道矩层的另一端电连接；第二位线，与所述第二自旋轨道矩层的一端电连接；第二源线，与所述第二自旋轨道矩层的另一端电连接。

24、可选的，还包括：写入单元，用于：在所述第一位线和所述第一源线之间施加第一电压，在所述第一自旋轨道矩层内形成第一电流；在所述第二位线和所述第二源线之间施加第二电压，在所述第二自旋轨道矩层内形成第二电流。

25、可选的，当所述第一电流和第二电流方向相同时，所述磁隧道结呈高阻态；当所述第一电流和第二电流方向相反时，所述磁隧道结呈低阻态。

26、可选的，还包括：读取单元，用于：在所述第一源线和所述第二位线之间施加读取电压，获取磁隧道结内的读取电流。

27、可选的，还包括：第一选择晶体管，所述第一选择晶体管源漏端中的一端与所述第一自旋轨道矩层的一端电连接，所述第一选择晶体管源漏端中的另一端与所述第一源线电连接；第一字线，所述第一字线连接所述第一选择晶体管的栅极端；第二选择晶体管，所述第二选择晶体管源漏端中的一端与所述第二自旋轨道矩层的一端电连接，所述第一选择晶体管源漏端中的另一端与所述第一源线电连接；第二字线，所述第二字线连接所述第二选择晶体管的栅极端。

28、可选的，还包括：开关控制单元，用于对所述第一字线施加第一字线电压，以控制所述第一选择晶体管开启，还用于对所述第二字线施加第二字线电压，以控制所述第二选择晶体管的开启。

29、可选的，还包括：感应放大器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述第一选择晶体管源漏端中连接第一源线的一端连接，所述第二输入端输入参考信号。

30、相应的，本发明的技术方案还提供一种磁随机存储器结构的形成方法，包括：磁随机存储器电路的工作方法，所述存储器电路包括：若干如上所述的磁随机存储器结构；第一位线，与所述第一自旋轨道矩层的一端电连接；第二源线，与所述第一自旋轨道矩层的另一端电连接；第二位线，与所述第二自旋轨道矩层的一端电连接；第一源线，与所述第二自旋轨道矩层的另一端电连接；所述磁随机存储器电路的工作方法包括：进行写入操作，包括：在所述第一位线和所述第一源线之间施加第一电压，在所述第一自旋轨道矩层内形成第一电流；在所述第二位线和所述第二源线之间施加第二电压，在所述第二自旋轨道矩层内形成第二电流；进行读取操作，包括：在所述第一源线和所述第二位线之间施加读取电压，获取所述磁隧道结内的读取电流。

31、可选的，包括：当所述第一电流和第二电流方向相同时，所述磁隧道结呈高阻态；当所述第一电流和第二电流方向相反时，所述磁隧道结呈低阻态。

32、可选的，所述存储器电路还包括：第一选择晶体管，所述第一选择晶体管源漏端中的一端与所述第一自旋轨道矩层的一端电连接，所述第一选择晶体管源漏端中的另一端与所述第一源线电连接；第一字线，所述第一字线连接所述第一选择晶体管的栅极端；第二选择晶体管，所述第二选择晶体管源漏端中的一端与所述第二自旋轨道矩层的一端电连接，所述第一选择晶体管源漏端中的另一端与所述第一源线电连接；第二字线，所述第二字线连接所述第二选择晶体管的栅极端；所述写入操作还包括：对所述第一字线施加第一字线电压，以控制所述第一选择晶体管开启；对所述第二字线施加第二字线电压，以控制所述第二选择晶体管的开启。

33、可选的，所述存储器电路还包括：感应放大器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述第一选择晶体管源漏端中连接第一源线的一端连接，所述第二输入端输入参考信号；获取所述磁隧道结内的读取电流的方法还包括：根据所述第一选择晶体管源漏中连接第一源线的一端的参考信号，自所述感应放大器的所述输出端获取所述磁隧道结内的读取电流。

34、现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

35、本发明技术方案提供的磁随机存储器结构中，所述第一铁磁层的磁矩方向和所述第二铁磁层的磁矩方向平行或反平行，在所述第一自旋轨道矩层内形成第一电流，在所述第二自旋轨道矩层内形成第二电流，所述第一电流大于所述第一铁磁层的临界翻转电流时，可实现所述第一铁磁层的磁矩方向翻转，使所述第二电流大于所述第二铁磁层的临界翻转电流时，可实现所述第二铁磁层的磁矩方向翻转，当所述第一电流和第二电流方向相同时，所述磁隧道结呈高阻态，当所述第一电流和第二电流方向相反时，所述磁隧道结呈低阻态，以第一电流的电流方向和第二电流的电流方向作为逻辑的输入，以磁隧道结的阻态作为逻辑的输出，可以实现异或逻辑，因此，异或逻辑可以由单个磁随机存储器结构实现，利于减少实现异或功能的电路面积，利于精简化bnn电路，同时，可以与传统的磁随机存储器结构工艺兼容，实现高效能的存算一体电路。

36、本发明技术方案提供的磁随机存储器结构的形成方法中，所述第一铁磁层的磁矩方向和所述第二铁磁层的磁矩方向平行或反平行，在所述第一自旋轨道矩层内形成第一电流，在所述第二自旋轨道矩层内形成第二电流，所述第一电流大于所述第一铁磁层的临界翻转电流时，可实现所述第一铁磁层的磁矩方向翻转，使所述第二电流大于所述第二铁磁层的临界翻转电流时，可实现所述第二铁磁层的磁矩方向翻转，当所述第一电流和第二电流方向相同时，所述磁隧道结呈高阻态，当所述第一电流和第二电流方向相反时，所述磁隧道结呈低阻态，以第一电流的电流方向和第二电流的电流方向作为逻辑的输入，以磁隧道结的阻态作为逻辑的输出，可以实现异或逻辑，因此，异或逻辑可以由单个磁随机存储器结构实现，利于减少实现异或功能的电路面积，利于精简化bnn电路，同时，可以与传统的磁随机存储器结构工艺兼容，实现高效能的存算一体电路。

37、本发明技术方案提供的磁随机存储器电路中，通过控制通入第一自旋轨道矩层的第一电流，通入第二自旋轨道矩层的第二电流，以第一电流的电流方向和第二电流的电流方向作为逻辑的输入，以磁隧道结的阻态作为逻辑的输出，可以实现异或逻辑，因此，单个磁随机存储器结构作为存储单元，可以实现异或逻辑，利于精简化bnn电路。