CN103545339A - 一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元 - Google Patents

一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元 Download PDF

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Abstract

本发明属于非挥发性存储器技术领域,它是一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,该存储单元从下到上由底端电极、反铁磁金属混合层、铁磁金属一、氧化物一、铁磁金属二、金属一、氧化物二、金属二及顶端电极共九层构成,采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上,然后进行光刻、刻蚀传统纳米器件加工工艺来进行制备;其结构特点为由OxRRAM的存储单元MIM和STT-RAM的存储单元MTJ堆叠而成;其具有大容量存储、高速计算的特性,可用于存储器层次结构设计,将数据存储层和逻辑计算存储层合并,在保持高速计算的同时,增大存储层容量,实现非挥发存储并降低功耗。

Description

一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元
技术领域
本发明提供一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,属于非挥发性存储器技术领域。
背景技术
近年来随着新兴非挥发存储器技术的不断发展,其已变得越来越成熟。这些新兴的非挥发存储器技术结合了静态随机存储器(SRAM)的高速度、动态随机存储器(DRAM)的高密度及闪存(Flash)的非挥发性,已经被证明在通用存储器层次结构设计中具有很大的潜力。在这些新兴的非挥发存储器技术中,由于具有高读写速度、高密度、低读写电压、低功耗、长数据保存时间及高寿命等特性,自旋转移力矩存储器STT-RAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory)和氧化物存储器OxRRAM(Oxide Resistive Random Access Memory)被证明是目前最有希望的两种通用存储器技术。STT-RAM具有较高的读写速度,可替代SRAM进行高速计算;OxRRAM具有较高的密度,可替代DRAM进行大容量存储。
目前采用STT-RAM和RAM对存储器层次结构设计面临着三大问题:
1.随着工艺的不断发展,STT-RAM的可靠性降低,不能用于高速计算;
2.与STT-RAM相比,OxRRAM的写速度较低,也不能用于高速计算;
3.这种存储器层次结构设计方法仍没有打破层间约束、降低数据传输时延及带来的动态功耗、增加存储层容量。
发明内容
一、发明目的:
针对上述背景中提到的采用STT-RAM和OxRRAM进行存储器层次结构设计面临的问题,本发明提出了一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元。
二、技术方案:
本发明的技术方案是,一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征是该存储单元从下到上由底端电极(10-200nm),反铁磁金属混合层(0-20nm),铁磁金属一(0-3nm),氧化物一(0-2nm),铁磁金属二(0-3nm),金属一(0-100nm),氧化物二(0-100nm),金属二(0-100nm)及顶端电极10-200nm)共九层构成;
本发明所述的存储单元是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上,然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的;
本发明所述的存储单元的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值),也就是说该存储单元的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种;
本发明所述的存储单元的结构特点是由OxRRAM的MIM(Metal InsulatorMetal:金属绝缘物金属)存储单元和STT-RAM的MTJ(Magnetic Tunnel Junction:磁性隧道结)存储单元堆叠而成,其生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成;
所述氧化物一是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3(即MgO及Al2O3中的一种),用于产生隧穿效应来传输自旋信号;
所述氧化物二是指二氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2、五氧化二钽Ta2O5、氧化亚铜Cu2O或氧化镍NiO(即HfO2、TiO2、Ta2O5、Cu2O及NiO中的一种),用于存储数据;
所述铁磁金属一是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe(即混合金属材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一种),这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样;
所述铁磁金属二是指混合金属材料CoFe、CoFeB或NiFe(即混合金属材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一种),这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样;
所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层(即混合金属材料CoFeB/NiFe/PtMn及CoFeB/CoFe/PtMn中的一种);
所述金属一是指铂Pt、铝Al、镍Ni、铜Cu、钛Ti、金Au、钽Ta、氮化钽TaN、氮化钛TiN或多晶硅(即Pt、Al、Ni、Cu、Ti、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一种);
所述金属二是指铂Pt、铝Al、镍Ni、铜Cu、钛Ti、金Au、钽Ta、氮化钽TaN、氮化钛TiN或多晶硅(即Pt、Al、Ni、Cu、Ti、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一种);
所述底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu(即Ta、Al及Cu中的一种);
所述顶端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu(即Ta、Al及Cu中的一种);
本发明所述的存储单元的数据写入通过在顶端电极与底端电极两端加正负写入电压来实现;
本发明所述的存储单元的存储及计算操作电压正向有两个值,负向也有两个值;
该存储单元需要电压+Vw1-0和-Vw1-1用于大容量存储,电压+Vw2-0和-Vw2-1用于高速计算,其中-Vw1-1<-Vw2-1<0<+Vw2-0<+Vw1-0
三、优点及功效:
本发明一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元既可以用于大容量存储,也可以用于高速计算;
本发明一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元可用于存储器层次结构设计,将数据存储层和逻辑计算存储层合并,在保持高速计算的同时,增大存储层容量,实现非挥发存储并降低功耗。
附图说明
图1为一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元结构示意图。
图2为一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元的数据写入方式示意图,写入电压正向有两个值,负向也有两个值;电压+Vw1-0和-Vw1-1用于大容量存储,电压+Vw2-0和-Vw2-1用于高速计算,其中-Vw1-1<-Vw2-1<0<+Vw2-0<+Vw1-0
图3-1为一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元的高速计算模式示意图;
图3-2为一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元的大容量存储模式示意图;
图3-1、3-2中的参数定义为:
R:表示电阻值;
V:表示电压值;
Rap:表示铁磁金属层相对磁化方向反向平行时,MTJ的阻值;
Rp:表示铁磁金属层相对磁化方向同行平行时,MTJ的阻值;
Rmax:表示MIM在OFF状态的电阻;
Rmin:表示MIM在ON状态的电阻;
Vwap-p:表表示示铁磁金属层相对磁化方向由反向平行向同向平行转换时需要的写入电压;
Vwp-ap:表示铁磁金属层相对磁化方向由同向平行向反向平行转换时需要的写入电压;
Vwmax-min:表示MIM从OFF状态向ON状态转换时需要的写入电压
Vwmin-max:表示MIM从ON状态向OFF状态转换时需要的写入电压;
其中Vwmin-max<Vwp-ap<0<Vwap-p<Vwmax-min
“1”:表示存储单元写入的逻辑数据1;
“0”:表示存储单元写入的逻辑数据0。
具体实施方式
参照附图,进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图,其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例,其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的,因此,可以以许多可选择的形式来实施本发明,且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例,而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其既可以用于大容量存储,也可以用于高速计算,因此可以采用该存储单元对存储器层次结构进行设计。
图1为本发明一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元的结构示意图;
本发明一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元从下到上由底端电极(10-200nm),反铁磁金属混合层(0-20nm),铁磁金属一(0-3nm),氧化物一(0-2nm),铁磁金属二(0-3nm),金属一(0-100nm),氧化物二(0-100nm),金属二(0-100nm)及顶端电极10-200nm)共九层构成;通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上,然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备该存储单元;其形状可以制成正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值);其结构特点是由OxRRAM的MIM存储单元和STT-RAM的MTJ存储单元堆叠而成。
图2为本发明一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元的计算及存储操作数据写入方式示意图;
通过在顶端电极与底端电极两端加正负写入电压来对该存储单元进行数据写入,其用于计算及存储操作的电压正向有两个值,负向也有两个值,即用电压+Vw1-0和-Vw1-1进行大容量存储,用电压+Vw2-0和-Vw2-1进行高速计算,其中-Vw1-1<-Vw2-1<0<+Vw2-0<+Vw1-0;因此该存储单元既可以用于大容量存储,也可以用于高速计算,可用于存储器层次结构设计,将数据存储层和逻辑计算存储层合并,在保持高速计算的同时,增大存储层容量,实现非挥发存储并降低功耗。
图3-1、3-2为本发明一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元的两种工作模式示意图,具体如下:
当该存储单元的MIM处于ON状态时,其处于高速计算模式,如图3-1所示,该模式主要利用STT-RAM的存储单元MTJ具有高速写操作的特性,在两端电极加写入电压Vwap-p和Vwp-ap分别进行写“0”和写“1”操作。
当该存储单元的MIM处于OFF状态时,其处于大容量存储模式,如图3-2所示;该模式主要利用OxRRAM的存储单元MIM具有高密度的特性,在两端电极加写入电压Vwmax-min和Vmin-max分别进行写“0”和写“1”操作。

Claims (10)

1.一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:该存储单元从下到上由底端电极、反铁磁金属混合层、铁磁金属一、氧化物一、铁磁金属二、金属一、氧化物二、金属二及顶端电极共九层构成;该存储单元采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上,然后进行光刻、刻蚀传统纳米器件加工工艺来进行制备;该存储单元是由OxRRAM的存储单元MIM和STT-RAM的存储单元MTJ堆叠而成;该存储单元的数据写入通过在顶端电极与底端电极两端加正负写入电压来实现;该存储单元的存储及计算操作电压正向有两个值,负向也有两个值;该存储单元需要电压+Vw1-0和-Vw1-1用于大容量存储,电压+Vw2-0和-Vw2-1用于高速计算,其中-Vw1-1<-Vw2-1<0<+Vw2-0<+Vw1-0
2.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述各层材料的厚度依次为:底端电极10-200nm、反铁磁金属混合层0-20nm、铁磁金属一0-3nm、氧化物一0-2nm、铁磁金属二0-3nm、金属一0-100nm、氧化物二0-100nm、金属二0-100nm及顶端电极10-200nm。
3.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:该存储单元的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述氧化物一是指氧化镁MgO及三氧化二铝Al2O3中的一种,用于产生隧穿效应来传输自旋信号;所述氧化物二是指二氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2、五氧化二钽Ta2O5、氧化亚铜Cu2O及氧化镍NiO中的一种,用于存储数据。
5.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述铁磁金属一是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB及镍铁NiFe中的一种;所述铁磁金属二是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB及镍铁NiFe中的一种;这些混合金属材料中各个元素组成不一样。
6.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn及钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn中的一种构成的混合层。
7.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述金属一是指铂Pt、铝Al、镍Ni、铜Cu、钛Ti、金Au、钽Ta、氮化钽TaN、氮化钛TiN及多晶硅中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述金属二是指铂Pt、铝Al、镍Ni、铜Cu、钛Ti、金Au、钽Ta、氮化钽TaN、氮化钛TiN及多晶硅中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述底端电极是指钽Ta、铝Al及铜Cu中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元,其特征在于:所述顶端电极是指钽Ta、铝Al及铜Cu中的一种。
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