CN109860192B - 存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法，阵列结构包括：至少一个存储单元，包括叠置串联的超导器件及磁性存储器件；至少一个超导上电极，设置于存储单元上方，至少一个超导下电极，设置于存储单元下方，至少一个超导字线，设置于存储单元上方，或者设置于存储单元下方，超导字线靠近存储单元中的超导器件设置。本发明将磁性存储器件与超导集成电路有机结合，利用超导器件实现电路的开关效果，从而替代CMOS逻辑电路，可以实现存储器在低温下的工作，保证MRAM在低的工作电压下实现高速、高密度存储，基于不同的写入方式实现上述工作，形成适用于超导逻辑制程的信息读取方式，结构设计简单，有利于减少刻蚀次数。

Description

存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法

技术领域

本发明属于存储器技术领域，特别是涉及一种存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法。

背景技术

磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)作为一种新型非易失性存储技术，具有高速的随机读写、较高的集成度、较低的写入功率、良好的耐疲劳性能、可观的经济性等优点。因而，MRAM被广泛应用于消费电子、人工智能、机械自动化、物联网和大数据、航天航空等先进科技领域。

目前，已发展相对完善的MRAM大多与CMOS逻辑电路相结合，且工作温区一般不低于室温。然而，关于MRAM在低温下的应用却寥寥无几，如何寻找到在极限低温下仍保持优良电学性能的磁存储单元以及与极限低温相符的读写电路，有利于解决电流在位线或字线传输过程中的能量耗散、CMOS逻辑电路工作所需较高的驱动电压等问题，使其在超导计算机主存和缓存等方面具有重要的应用价值成为上述基于MRAM的低温存储器研发的重点。

因此，如何提供一种存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法，以解决现有技术中的上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法，用于解决现有技术中存储器难以在极限低温条件下工作以及存储器能耗高、工作电压高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种存储阵列结构，包括：

至少一个存储单元，所述存储单元包括叠置的超导器件及磁性存储器件，且所述超导器件与所述磁性存储器件串联设置；

至少一个超导上电极，所述超导上电极设置于所述存储单元上方，并与对应的所述存储单元电连接，当存在至少两个所述超导上电极时，各所述超导上电极之间不接触；

至少一个超导下电极，所述超导下电极设置于所述存储单元下方，并与对应的所述存储单元电连接，当存在至少两个所述超导下电极时，各所述超导下电极之间不接触；以及

至少一个超导字线，所述超导字线设置于所述存储单元上方，并设置于对应的所述超导上电极远离所述存储单元的一侧，且所述超导字线与所述超导上电极之间具有间距；或者，所述超导字线设置于所述存储单元下方，并设置于对应的所述超导下电极远离所述存储单元的一侧，且所述超导字线与所述超导下电极之间具有间距；当存在至少两个所述超导字线时，各所述超导字线之间不接触，其中，所述超导字线靠近对应的所述存储单元中的所述超导器件设置。

作为本发明的一种可选方案，每个所述超导上电极对应至少两个所述存储单元，每个所述超导下电极对应至少两个所述存储单元，每个所述超导字线对应至少两个所述存储单元，其中，所述超导上电极与对应的所述超导下电极之间平行设置，所述超导字线与对应的所述超导上电极之间垂直设置；当存在至少两个所述超导上电极时，各所述超导上电极之间平行排布，当存在至少两个所述超导下电极时，各所述超导下电极之间平行排布，当存在至少两个所述超导字线时，各所述超导字线之间平行排布。

作为本发明的一种可选方案，所述磁性存储器件包括磁性隧道结器件及自旋阀器件中的至少一种；所述超导器件包括约瑟夫森结、超导纳米桥结、n-Tron型超导材料以及高温超导材料中的任意一种；所述超导上电极的材质包括Nb、NbN、NbTi、Nb₃Sn及高温超导材料中的至少一种；所述下电极的材质包括Nb、NbN、NbTi、Nb₃Sn及高温超导材料中的至少一种。

作为本发明的一种可选方案，所述磁性存储器件至少包括依次设置的参考层、非磁层及自由层，其中，所述非磁层的材质包括绝缘材料及导电金属材料中的任意一种；所述自由层包括单层铁磁薄膜及至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构中的任意一种；所述参考层包括单层铁磁薄膜及至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构中的任意一种。

作为本发明的一种可选方案，所述铁磁薄膜的材质包括Co、Fe、Ni、Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、Al、Si、Ga、Ge及B中的至少一种；所述诱导耦合层的材质包括Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb、Ir及Pt中的至少一种。

作为本发明的一种可选方案，所述超导器件处于非超导状态时的电阻大于所述磁性存储器件的电阻的十倍。

作为本发明的一种可选方案，所述存储阵列结构还包括至少一个超导写位线，所述超导写位线设置于所述存储单元的上方或者下方，并与对应的所述超导字线之间对应交叉设置，且所述超导写位线与所述超导字线、所述超导写位线与所述超导上电极、所述超导写位线与所述超导下电极以及所述超导写位线与所述存储单元之间均具有间距；当存在至少两个所述超导写位线时，各所述超导写位线之间不接触。

作为本发明的一种可选方案，所述超导上电极与对应的所述超导下电极之间平行设置，所述超导写位线与所述超导上电极之间平行设置，所述超导写位线与对应的所述超导字线之间对应垂直设置；当存在至少两个所述超导写位线时，各所述超导写位线之间平行排布。

作为本发明的一种可选方案，所述超导写位线与对应的所述超导字线分别设置于对应的所述存储单元相对的两侧。

本发明还提供一种存储器，所述存储器包括如上述任意一项方案所述的存储阵列结构，其中，所述超导上电极及所述超导下电极作为所述存储器的位线。

本发明还提供一种存储器的写入方法，所述写入方法包括：

提供包括如上述任意一项方案所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线，并对未选取的所述超导字线进行通电，通电后的所述超导字线对应的所述超导器件处于正常态，使选取的所述超导字线对应的所述存储单元中的所述超导器件处于超导态；以及

基于地址解码选取相对应的所述超导上电极及与所述超导上电极对应的所述超导下电极，并在选取的所述超导上电极和所述超导下电极之间施加预设电压，使电流流经未通电的所述超导字线对应的所述存储单元，而未流经通电的所述超导字线对应的所述存储单元，以进行存储信息的写入，其中，所述预设电压大于等于对应的所述磁性存储器件的翻转电压，且选取的所述超导上电极与选取的所述超导字线的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元。

本发明还提供一种存储器的写入方法，所述写入方法包括：

提供包括如上述任意一项方案所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线及所述超导写位线，并对选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线进行通电，以使对应的所述存储单元中的所述磁性存储器件进行翻转，以进行存储信息的写入，其中，选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元。

作为本发明的一种可选方案，对选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线进行通电后，所述超导字线中的电流产生第一磁场方向，所述超导写位线中的电流产生第二磁场方向，其中，所述第一磁场方向与对应的所述磁性存储器件的难轴方向一致，所述第二磁场方向与对应的所述磁性存储器件的易轴方向一致。

作为本发明的一种可选方案，对选取的所述超导字线进行通电的方式包括对选取的所述超导字线进行第一电压脉冲时序的通电，对选取的所述超导写位线进行通电的方式包括对选取的所述超导写位线进行第二电压脉冲时序的通电，所述第一电压脉冲时序包括第一通电时段，所述第二电压脉冲时序包括第二通电时段，且所述第一通电时段与所述第二通电时段时序相同。

作为本发明的一种可选方案，所述磁性存储器件中的所述自由层包括至少两层铁磁薄膜以及位于所述铁磁薄膜之间的诱导耦合层，对选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线进行通电后，所述超导字线中的电流产生第三磁场方向，所述超导写位线中的电流产生第四磁场方向，其中，所述第三磁场方向与对应的所述磁性存储器件的难轴方向具有顺时针方向的第一夹角，所述第四磁场方向与对应的所述磁性存储器件的易轴方向具有顺时针方向的第二夹角。

作为本发明的一种可选方案，对选取的所述超导字线进行通电的方式包括对选取的所述超导字线进行第三电压脉冲时序的通电，对选取的所述超导写位线进行通电的方式包括对选取的所述超导写位线进行第四电压脉冲时序的通电，其中，所述第三电压脉冲时序包括第一通电时段、第二通电时段、第一停止时段以及第二停止时段，所述第四电压脉冲时序包括第三通电时段、第四通电时段、第三停止时段以及第四停止时段，且所述第一通电时段与所述第三停止时段相对应，所述第二通电时段与所述第三通电时段相对应，所述第一停止时段与所述第四通电时段相对应，所述第二停止时段与所述第四停止时段相对应。

作为本发明的一种可选方案，所述诱导耦合层的厚度小于等于2nm；所述第一夹角包括45°；所述第二夹角包括45°。

本发明还提供一种存储器的读出方法，所述读出方法包括：

提供包括如上述任意一项方案所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线，并对未选取的所述超导字线进行通电，使选取的所述超导字线对应的所述存储单元中的所述超导器件处于超导态；以及

基于地址解码选取相对应的所述超导上电极及与所述超导上电极对应的所述超导下电极，并在选取的所述超导上电极和所述超导下电极之间施加预设电压，以进行存储信息的读出，其中，所述预设电压小于对应的所述磁性存储器件的翻转电压，且选取的所述超导上电极与选取的所述超导字线的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元。

如上所述，本发明的存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法，将磁性存储器件与超导集成电路有机结合，将磁性存储器件完全嵌入到超导集成电路中，可以通过奥斯特磁场调控超导器件的状态，利用超导器件实现电路的开关效果，从而替代CMOS逻辑电路，可以实现存储器在低温下的工作，有助于研发在较低工作电压下的超低温存储器，将MRAM的工作温区扩展至4.2K的极限低温，且保证MRAM的工作电压在超导逻辑电路能够提供的范围内，可以基于不同的写入方式实现上述工作，形成只适合在超导逻辑制程的信息读取方式，可以适用于超导计算机的主存和缓存，整体结构设计简单，有利于减少刻蚀次数，简化存储单元制备工艺，降低制造成本。

附图说明

图1显示为本发明实施例一提供的存储阵列结构示意图。

图2(a)-(d)显示为本发明实施例一提供的磁性随机存取存储器的基本存储比特单元所代表的逻辑状态示意图。

图3(a)-(b)显示为本发明实施例一提供的磁性随机存取存储器两种结构示意图。

图4显示为本发明实施例一提供的存储阵列结构制备中形成第一材料结构及第二材料结构的截面结构示意图。

图5显示为本发明实施例一提供的存储阵列结构制备中形成存储单元的截面示意图。

图6显示为本发明实施例一提供的存储阵列结构制备中形成超导上电极及超导字线的截面结构示意图。

图7显示为本发明实施例一提供的另外一种存储阵列结构的截面结构示意图。

图8显示为本发明实施例二提供的存储阵列结构的示意图。

图9显示为本发明实施例二提供的存储阵列结构的截面示意图。

图10显示为本发明实施例二提供的另外一种存储阵列结构的截面示意图。

图11显示为本发明实施例四提供的一种存储器写入方法的写入示意图。

图12显示为本发明实施例四提供的另一种存储器写入方法的写入示意图。

图13显示为本发明实施例五提供的一种存储器写入方法的写入示意图。

图14显示为本发明实施例五提供写入方法的写入操作示意图。

图15显示为本发明实施例五提供写入方法的通入的电压脉冲时序示意图。

图16显示为本发明实施例五提供另一种写入方法的写入操作示意图。

图17显示为本发明实施例五提供另一种写入方法的通入的电压脉冲时序示意图。

图18显示为本发明实施例六提供的一种存储器读出方法的读出示意图。

图19显示为本发明实施例六提供的另一种存储器读出方法的读出示意图。

元件标号说明

100 存储单元

101 磁性存储器件

101a 参考层

101b 非磁层

101c 自由层

102 超导器件

103 超导上电极

104 超导下电极

105 超导字线

106 超导写位线

107 基底

108、109 绝缘层

110 第一材料结构

111 第二材料结构

112 绝缘材料层

113、114 绝缘层

115 超导下电极材料层

116 钝化层

200 磁性存储器件

201、202 写位线

203、204 读位线

205 场效应晶体管

300 磁性存储器件

301、302 写/读位线

303 场效应晶体管

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图19。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1所示，本发明提供一种存储阵列结构，所述存储阵列结构包括：

至少一个存储单元100，所述存储单元100包括叠置的磁性存储器件101及超导器件102，且所述磁性存储器件101与所述超导器件102串联设置；

至少一个超导上电极103，所述超导上电极103设置于所述存储单元100上方，并与对应的所述存储单元100电连接，当存在至少两个所述超导上电极103时，各所述超导上电极103之间不接触；

至少一个超导下电极104，所述超导下电极104设置于所述存储单元100下方，并与对应的所述存储单元100电连接，当存在至少两个所述超导下电极104时，各所述超导下电极104之间不接触；以及

至少一个超导字线105，所述超导字线105设置于所述存储单元100上方，并设置于对应的所述超导上电极103远离所述存储单元100的一侧，且所述超导字线105与所述超导上电极103之间具有间距；或者，所述超导字线105设置于所述存储单元100下方，并设置于对应的所述超导下电极104远离所述存储单元100的一侧，且所述超导字线105与所述超导下电极104之间具有间距；当存在至少两个所述超导字线105时，各所述超导字线105之间不接触，其中，所述超导字线105靠近对应的所述存储单元中的所述超导器件102设置。

具体的，如图1所示，本发明提供一种存储阵列结构，所述存储阵列结构中包括至少一个所述存储单元100，其中，当包括至少两个所述存储单元100时，各所述存储单元100之间具有间距，在一示例中，各所述存储单元100之间呈均匀阵列排布。本发明的方案中，所述存储单元100至少包括叠置的所述磁性存储器件101和所述超导器件102，并且二者串联设置，从而实现将所述磁性存储器件101置于超导逻辑电路中的方案，其中，可以是所述超导器件102与所述磁性存储器件101通过电极之间的电连接实现串联，另外，当所述超导器件102选择为超导材料层时，可以是通过所述磁性存储器件101的电极实现与所述超导材料层实现串联，串联的实现方式可以是本领域技术人员熟知的任意方式，在此不再赘述，本发明的方案将磁性存储器件101与超导集成电路有机结合，利用超导器件102实现电路的“开关”效果，可以替代CMOS逻辑电路，从而可以有效解决CMOS逻辑电路工作需要较高的驱动电压的问题，在低的工作电压下实现高速、高密度存储，还可以基于超导器件实现低温工作，研发低温存储器，本发明的上述方案可以将MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存取存储器)的工作温区扩展至4.2K的极限低温，且保证MRAM的工作电压在超导逻辑电路能够提供的范围内，该方案可以适用于超导计算机的主存和缓存。

作为示例，所述超导器件102包括约瑟夫森结、超导纳米桥结、n-Tron型超导材料以及高温超导材料中的任意一种。

具体的，在一示例中，对于所述超导器件102的选择，可以是传统约瑟夫森结(Josephson Junction)、磁性势垒约瑟夫森节、超导纳米桥结、n-Tron型超导材料或高温超导材料，其中，在一可选示例中，选用传统约瑟夫森结，所述传统约瑟夫森结包括从下至上依次叠置的第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层，其中，所述第一超导材料层的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi、NbTiN及Nb₃Sn，所述第二超导材料层的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi、NbTiN及Nb₃Sn，任意超导材料均适用于本发明，另外，所述绝缘层的材质包括但不限于MgO、Si₃N₄、Al₂O₃及SiO₂。另外，所述n-Tron型超导材料是指通过增加或撤销流经回路中的电流来调控其自身所处状态(正常态或超导态)的超导材料，所述高温超导材料是指具有高临界转变温度(Tc)且多数能在液氮温度条件下工作的超导材料。

作为示例，所述超导器件102处于非超导状态时的电阻大于所述磁性存储器件101的电阻的十倍。作为示例，所述超导器件102处于非超导状态时的电阻大小包括MΩ量级，但不局限于MΩ量级。

需要说明的是，所述超导器件102在非超导状态下(正常态)的电阻阻值远大于所述磁性存储器件101的电阻阻值，在本实施例中设定为十倍以上，优选为二十倍以上，具体倍数可根据实际需要设定，不以本实施例为限，在一示例中，优选在MΩ量级。所述超导器件102在超导状态下的电阻阻值基本为零，远小于所述磁性存储器件101中的电阻阻值，在本一示例中设定为低于百分之一，具体倍数可根据实际需要设定，不以本实施例为限。

作为示例，所述磁性存储器件101包括磁性隧道结器件以及自旋阀器件中的至少一种。

作为示例，所述磁性存储器件101至少包括依次设置的参考层101a、非磁层101b及自由层101c。

作为示例，所述非磁层101b的材质包括绝缘材料及导电金属材料中的任意一种，例如，所述导电金属材料可以是非磁导电金属材料；

作为示例，所述自由层101c包括单层铁磁薄膜及至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构中的任意一种。其中，当所述自由层101c包括至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构时，在相邻的所述铁磁薄膜之间设置一所述诱导耦合层，所述铁磁薄膜呈铁磁耦合性或反铁磁耦合性，在一示例中，所述自由层101c选择为由所述铁磁薄膜与所述诱导耦合层交替间隔排布构成的叠层结构。

作为示例，所述参考层101a包括单层铁磁薄膜及至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构中的任意一种。其中，当所述参考层101a包括至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构时，在相邻的所述铁磁薄膜之间设置一所述诱导耦合层，在一示例中，所述参考层101a选择为由所述铁磁薄膜与所述诱导耦合层交替间隔排布构成的叠层结构。

作为示例，所述铁磁薄膜的材质包括Co、Fe、Ni、Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、Al、Si、Ga、Ge及B中的至少一种，可以是上述材质中的任意一种，也可以是两种或以上的组合，优选为Co、Fe或Ni的单质材料，Co、Fe、Ni与Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、B、Al、Si、Ga、Ge、B中至少两种的合金材料。更优选为CoFeB、CoNi、CoTb、FePt、CoFe_xMn_1-xSi、Co₂MnGe、Co₂MnSi、CoFeAl或CoFeSi中的一种，其中，x为介于0和1之间的实数。

作为示例，所述诱导耦合层的材质包括Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb、Ir及Pt中的至少一种，可以是上述材质中的任意一种，也可以是两种或以上的组合。

具体的，对于所述磁性存储器件101，也即MRAM的基本存储单元，包括磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)和自旋阀(Spin Valve)器件，具有较强的面内(或垂直)磁各向异性，一般由缓冲层、钉扎层、参考层101a、非磁层101b(势垒层或空间层)、自由层101c、覆盖层组成，在一示例中，所述磁性存储器件101的核心为以下三部分，第一部分是所述参考层101a，可以由铁磁材料构成，其磁矩方向被牢牢钉扎；第二部分是所述非磁层101b，对产生明显的磁电阻效应起到关键作用；第三部分是所述自由层101c，同样由铁磁材料构成，其磁矩方向可变，如图2所示，其中，当所述自由层101c与所述参考层101a的磁矩方向一致时，所述磁性存储器件101的电阻呈现低阻态，可表示二进制逻辑状态“0”，如图2中的(a)和(b)所示；当所述自由层101c与所述参考层101a的磁矩方向相反时，所述磁性存储器件101的电阻呈现高阻态，可表示二进制逻辑状态“1”，如图2中的(c)和(d)所示，可见，MRAM存储过程主要通过改变铁磁层磁矩方向来调控磁隧道结或自旋阀器件所处阻态，即可代表不同的逻辑状态。

在一示例中，MRAM写入方式可以有以下三种：1)奥斯特磁场；2)自旋转矩(Spintransfer torque,STT)；3)自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)。其中，在一可选示例中，对于第一种方式，通过给磁性存储器件200附近的至少两条导线201、202施加一电压，电流随即产生于导线中，并导致导线附近存在单个或矢量叠加的奥斯特磁场。当作用于磁性存储器件200自由层的磁场达到某一临界值时，自由层磁矩开始发现翻转，而参考层的磁矩方向不发生变化。在一示例中，主要是通过改变写位线1(写位线201)或写位线2(写位线202)中的电压脉冲幅值的符号，即改变写位线1或写位线2中的电流方向，进而调控作用在自由层的外加磁场方向，以实现不同逻辑状态的写入操作，其中，器件结构中还包括读位线203、204以及场效应晶体管205，如图3(a)所示。

另外，还可通过在写位线1(写位线201)或写位线2(写位线202)中施加不同时序的电压脉冲，而无需改变电压脉冲幅值的符号，即无需改变写位线中的电流方向，进而诱导具有反铁磁耦合的自由层磁矩发生翻转，以实现不同逻辑状态的写入操作。这种利用奥斯特场写入信息的方式多用于以面内磁各向异性的磁性存储器件为基础的MRAM。

另外，第二种方式是通过给某个或多个磁性存储器件300的上表面与下表面之间施加一电压，即在读/写位线301、302上施加电压，读/写位线301可以作为读/写位线1，读/写位线302可以作为读/写位线2，此时，电流将贯穿通入整个磁性存储器件300，自由层磁矩将受到STT的作用，如图3(b)所示，其中，器件结构中还包括场效应晶体管303。当电压达到某一临界电压时，在STT的作用下使磁性存储器件300的自由层磁矩发生翻转，而不改变磁性存储器件的参考层磁矩方向。主要通过改变脉冲电压幅值的符号，使电流可以自上而下或自下而上流经整个磁性存储器件，以实现自由层磁矩与参考层磁矩平行或反平行排列，完成信息的写入。

作为示例，每个所述超导上电极103对应至少两个所述存储单元100，每个所述超导下电极104对应至少两个所述存储单元100，每个所述超导字线105对应至少两个所述存储单元100，其中，所述超导上电极103与对应的所述超导下电极104之间平行设置，所述超导字线105与对应的所述超导上电极103之间垂直设置，当存在至少两个所述超导上电极103时，各所述超导上电极103之间平行排布，当存在至少两个所述超导下电极104时，各所述超导下电极104之间平行排布；当存在至少两个所述超导字线105时，各所述超导字线105之间平行排布。

具体的，该示例中提供一种存储阵列结构的具体设置示例，其中，该示例中，所述存储单元100排列形成阵列，如可以是50×50的矩阵排布，在一可选示例中，在所述存储单元100的上表面设置所述超导上电极103，在所述存储单元100的下表面设置所述超导下电极104，多个所述超导上电极103平行间隔排布，多个所述超导下电极104平行间隔排布，且对应的超导上电极103和超导下电极104之间相互平行设置，以形成单元行及单元列的排布方式，在一示例中，可以50行，50列，每行50个所述存储单元，每列50个所述存储单元，并实现单行或单列之间对应的多个存储单元100并联，其中，超导上电极103与超导下电极104作为超导读位线，另外，该示例中，在各所述超导器件102附近配置一超导字线105，各所述超导字线105之间平行间隔排布，所述超导字线105与所述超导上电极103和所述超导下电极104之间形成交叉的各行各列的排布，优选二者垂直排布，在二者交叉的位置为所述存储单元100。

作为示例，所述超导上电极103的材质包括Nb、NbN、NbTi、Nb₃Sn及高温超导材料中的至少一种，可以是上述材质中的任意一种，也可以是两种或以上的组合；所述下电极的材质包括Nb、NbN、NbTi、Nb₃Sn及高温超导材料中的至少一种，可以是上述材质中的任意一种，也可以是两种或以上的组合。

其中，所述超导字线105靠近对应的所述存储单元100中的所述超导器件102设置。

具体的，在一示例中，上述方案中的倒置结构仍然成立，所述存储单元100中的所述超导器件102和所述磁性存储器件101的位置关系可以互换，二者的上下位置可以互换，例如，当所述超导下电极位于所述超导上电极的下方时，可以是所述磁性存储器件101靠近所述超导下电极104设置，也可以是所述超导器件102靠近所述超导下电极104设置，在一优选示例中，所述超导字线105靠近所述超导器件102设置，即当所述超导器件102靠近所述超导下电极104设置时，所述超导字线105设置在所述超导下电极104远离所述存储单元100的一侧，当所述超导器件102靠近所述超导上电极103设置时，所述超导字线105设置在所述超导上电极103远离所述存储单元100的一侧，可以参见图11和图12中的结构设置。

另外，如图4-6所示，本发明还提供一种如本实施例中任一项方案所述的存储阵列结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供一基底107，在所述基底107上形成超导下电极材料层115；

于所述超导下电极材料层115上形成第一材料结构110，并于所述第一材料结构110上形成第二材料结构111；

刻蚀所述第一材料结构110及所述第二材料结构111，以形成所述存储单元100；

刻蚀所述超导下电极材料层115，以形成所述超导下电极104；

于形成有所述存储单元110和所述超导下电极104的结构上填充绝缘材料层112，并对其进行平坦化，所述绝缘材料层112显露所述存储单元100；以及

于所述存储单元上形成所述超导上电极103、绝缘层113及所述超导字线105，且所述绝缘层位于所述超导上电极103和所述超导字线105之间，并于得到的结构上填充钝化层116。

具体的，本实施例还提供一种存储阵列结构的制备方法，首先，如图4所示，提供一基底107，并在所述基底107上形成所述超导下电极材料层115，其形成方式可以是本领域技术人员熟知的电极的形成方式，如通过沉积方式等，进一步，继续参考图4，再在上述结构上继续沉积所述第一材料结构110及所述第二材料结构111，其中，所述第一材料结构110用于形成所述磁性存储器件101或者所述超导器件102，所述第二材料结构111用于形成所述存储单元100中的另外一种器件结构(所述磁性存储器件101和所述超导器件102中的另外一种)，在一示例中，如图4中，所述第一材料结构110用于形成所述磁性存储器件101，所述第二材料结构111用于形成所述超导器件102，其中，当所述磁性存储器件101包括多层薄膜时，所述第一材料结构110包括多层所述磁性存储器件101所需要的多层大面积薄膜材料，同理，所述第二材料结构111的构成与之类似；接着，如图5所示，刻蚀所述第一材料结构110及所述第二材料结构111，以形成所述存储单元100，刻蚀所述超导下电极材料层115形成所述超导下电极104，采用上述工艺有利于保证形成所述存储单元100时有平坦的基底，有利于保证最终形成器件的稳定性，另外，在一示例中，所述第一材料结构110与所述第二材料结构111采用同一工艺刻蚀，以形成所述存储单元100，从而可以有效减少刻蚀次数，简化制备工艺；接着，如图6所示，于形成有所述存储单元100及所述超导下电极104的结构上填充绝缘材料层112，如氧化硅等，并对其进行平坦化，所述绝缘材料层112显露所述存储单元100；继续，参考图6所示，于所述存储单元100上形成所述超导上电极103、绝缘层113及所述超导字线105，其形成方式可以是本领域技术人员熟知的形成方式，如通过沉积材料层并进行刻蚀的方式等，其中，在一示例中，可以是先在形成有所述存储单元100和所述绝缘材料层112的结构上依次沉积超导上电极材料层、绝缘层以及超导字线材料层，再对上述三层材料层进行刻蚀形成所述超导上电极103及所述超导字线105，然后再填充所述钝化层116，以实现上述材料结构之间的绝缘，当然，在其他示例中，还可以是先沉积超导上电极材料层并刻蚀形成所述超导上电极103，再进行绝缘层113的填充，所述绝缘层113填充在各所述超导上电极之间并延伸覆盖各所述超导上电极，然后再在形成的所述绝缘层113上沉积超导字线材料层，接着，刻蚀所述超导字线材料层以形成所述超导字线105，最后填充所述钝化层116。其中，上述制备方法提供一种示例，当然，还可以采用本领域技术人员熟知的其他方式。

另外，如图7所示，本发明还提供另外一种如本实施例中任一项方案所述的存储阵列结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供一基底107，在所述基底107上形成超导字线材料层、绝缘层和超导下电极材料层，所述绝缘层设置在所述超导下电极材料层和所述超导字线材料层之间；

于所述超导下电极材料层上形成第一材料结构，并于所述第一材料结构上形成第二材料结构；

刻蚀所述第一材料结构及所述第二材料结构，以形成所述存储单元100，刻蚀所述超导下电极材料层及所述超导字线材料层，以形成所述超导下电极104及所述超导字线105；

于形成有所述存储单元100、所述超导下电极104和所述超导字线105的结构上填充绝缘材料层112，并对其进行平坦化，所述绝缘材料层112显露所述存储单元100；

于所述存储单元上形成超导上电极材料层；以及

刻蚀所述超导上电极材料层，以形成所述超导上电极103，并于得到的结构上填充钝化层(图中未示出)。

具体的，在该示例中，所述超导字线105制备于所述超导下电极104的下方，可以是先在所述基底107上形成超导字线材料层、绝缘层和超导下电极材料层，其形成方式可以是本领域技术人员熟知的形成方式，如通过沉积方式等，接着，再在上述材料层的基础上形成第一材料结构及第二材料结构，并进一步刻蚀形成所述存储单元100、所述超导下电极104、绝缘层108以及超导字线105，其制备可以参考本实施例中上述另外一种存储阵列结构的制备，采用上述工艺有利于保证形成所述存储单元100时有平坦的基底，有利于保证最终形成器件的稳定性，接着，在填充绝缘材料层112，以实现各器件结构的隔离，在一示例中，所述绝缘材料层112直接形成在各所述超导字线之间显露的所述基底表面，然后再形成超导上电极材料层以制备所述超导上电极103，并至少在各所述超导上电极之间填充钝化层。其中，上述制备方法提供一种示例，当然，还可以采用本领域技术人员熟知的其他方式。

实施例二：

如图8所示，本发明还提供一种存储阵列结构，本实施例的所述阵列结构与实施例一的不同之处在于，所述存储阵列结构还包括至少一个超导写位线106，所述超导写位线106设置于所述存储单元100的上方或者下方，并与对应的所述超导字线105之间对应交叉设置，且所述超导写位线106与所述超导字线105、所述超导写位线106与所述超导上电极103、所述超导写位线106与所述超导下电极104以及所述超导写位线106与所述存储单元100之间均具有间距，其中，当存在至少两个所述超导写位线106时，各所述超导写位线106之间不接触，其他结构及设置可以参考实施例一的方式。

具体的，如图8所示，本示例的所述存储阵列结构还包括所述超导写位线106，从而可以基于所述超导写位线106进行不同方式的存储信息的写入，该示例中，所述超导写位线106与所述超导字线105、所述超导写位线106与所述超导上电极103、所述超导写位线106与所述超导下电极104以及所述超导写位线106与所述存储单元100之间均具有间距，均不接触。

作为示例，所述超导写位线106与对应的所述超导字线105分别设置于对应的所述存储单元100相对的两侧。

具体的，在一示例中，对于每个所述存储单元100而言，其对应工作的所述超导字线105与所述超导写位线106分别位于所述存储单元100的上下两侧，如可以是所述超导上电极103位于所述存储单元100上表面，所述超导字线105位于所述超导上电极103上方，所述超导下电极104位于所述存储单元100下表面，所述超导写位线106位于所述超导下电极104下方，从而有利于形成磁场的调控。另外，所述超导写位线106和所述超导字线105的设置的示例可以参见图9和图10所示。

作为示例，所述超导上电极103与对应的所述超导下电极104之间平行设置，所述超导写位线106与所述超导上电极103之间平行设置，所述超导写位线106与对应的所述超导字线105之间对应垂直设置；当存在至少两个所述超导写位线106时，各所述超导写位线106之间平行排布。

具体的，在一示例中，所述存储单元100形成阵列排布的结构，所述超导上电极103和所述超导下电极104对应形成单元行，所述超导字线105对应形成单元列，此时，所述超导写位线106可以与所述超导上电极103和所述超导下电极104平行，所述超导写位线106与所述超导字线105对应垂直，构成存储阵列结构。

另外，本发明还提供一种如本实施例中任一项方案所述的存储阵列结构的制备方法，所述制备方法与实施例一中的存储阵列制备的不同在于本实施例中的存储阵列制备方法还包括制备所述超导写位线106的过程，其中，在一示例中，如图9所示，所述超导写位线106制备于所述超导下电极104的下方，可以通过绝缘层109与所述超导下电极104相隔离，在另一示例中，如图10所示，所述超导写位线106制备于所述超导上电极103的上方，所述超导上电极103与所述超导写位线106之间可以通过绝缘层114相隔离。其中，上述制备方法提供一种示例，当然，还可以采用本领域技术人员熟知的其他方式。

实施例三：

本发明还提供一种存储器，其中，所述存储器包括如上述实施例中任意一项所述的存储阵列结构，其中，所述超导上电极103及所述超导下电极104作为所述存储器的位线。该实施例中，所述存储器中除在上述实施例中所描述的器件结构及其连接之外，每个所述存储单元中的所述超导器件与所述磁性存储器件串联设置，不同所述存储单元间通过所述超导上电极和所述超导下电极并联设置，形成存储阵列。其他构成存储器必备的器件结构及与所述存储阵列结构之间的连接关系均为本领域熟知的结构及连接，在此不再赘述。

实施例四：

本发明还提供一种存储器的写入方法，参见图11所示，所述写入方法包括：

提供包括如实施例一中任意一项所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线105，并对未选取的所述超导字线105进行通电，通电后的所述超导字线105对应的所述超导器件102处于正常态，使选取的所述超导字线105对应的所述存储单元100中的所述超导器件102处于超导态；

基于地址解码选取相对应的所述超导上电极103及与所述超导上电极103对应的所述超导下电极104，并在选取的所述超导上电极103和所述超导下电极104之间施加预设电压，使电流流经未通电的所述超导字线105对应的所述存储单元100，而未流经通电的所述超导字线105对应的所述存储单元100，以进行存储信息的写入，其中，所述预设电压大于等于选取的所述磁性存储器件101的翻转电压，且选取的所述超导上电极103与选取的所述超导字线105的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元100。

具体的，在该实施例的写入方法中，优选基于所述实施例一中的存储阵列结构，可以参见图11所示，在该写入方法中，所述超导上电极103和所述超导下电极104作为写位线，其中，通过地址解码电路选择和地址对应的所述超导字线105，并对未选取的所述超导字线105进行通电，其中，通电可以使得原来处于超导态的所述超导器件102转变为正常态，即转变为正常态的大电阻，而选中位置的所述超导器件102仍然处于超导状态，如可以是低温方式下的超导状态，电阻几乎为零，此时，所选磁性存储器件101上方设置的所述超导器件102处于超导态，此时，当给所述超导上电极103和所述超导下电极104之间施加一个大小适中的电压，这一大小适中的电压即所述预设电压，使得所述磁性存储器件101翻转即可，其可以依据器件本身的特性进行选取，此时，电流能够流经整个所选磁性存储器件101，STT将作用于所选磁性存储器件101的自由层101c；而其他超导器件102均处于正常态，相当于断路，因此，可以看作无电流流经其他磁性存储器件101，不受到STT的作用。自此，便实现了对所选磁性存储器件101的信息写入的同时，不改变其他磁性存储器件101的状态。当然，如图12所示，上述实施例的倒置结构仍然成立，也即，当所述超导字线105设置于所述超导下电极104的下方时，该种写入方式仍然成立，此时，所述超导器件102位于所述磁性存储器件101的下方，所述超导器件102与所述超导字线105靠近设置。

实施例五：

一种存储器的写入方法，参见图13-17所示，所述写入方法包括：

提供包括如实施例二中任意一项所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线105及所述超导写位线106，并对选取的所述超导字线105及选取的所述超导写位线106进行通电，以使对应的所述存储单元100中的所述磁性存储器件101进行翻转，以进行存储信息的写入，其中，选取的所述超导字线105及选取的所述超导写位线106的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元100。

作为示例，对选取的所述超导字线105及选取的所述超导写位线106进行通电后，所述超导字线105中的电流产生第一磁场方向，所述超导写位线106中的电流产生第二磁场方向，其中，所述第一磁场方向与对应的所述磁性存储器件101的难轴方向一致，所述第二磁场方向与对应的所述磁性存储器件101的易轴方向一致。

具体的，在该实施例的写入方法中，优选基于所述实施例二中的存储阵列结构，可以参见图13-15所示，在该写入方法中，每组所述存储单元100对应一条所述超导字线105，所述超导上电极103和所述超导下电极104则做读位线。

该示例中，利用奥斯特磁场写入时，首先通过地址解码电路选择和地址对应的所述超导字线105和所述超导写位线106通电，所述超导字线105中的电流产生的奥斯特磁场方向(H1)沿着对应的所述磁性存储器件101的难轴方向，所述超导写位线106中的电流产生的奥斯特磁场方向(H2)沿着对应的所述磁性存储器件101的易轴方向，两条线所产生的两个磁场将矢量叠加成一个幅值更大的磁场，作用于所述磁性存储器件101的自由层101c，如图14(b)所示，其中，在一示例中，所述磁性存储器件101的自由层101c的初始磁矩方向如图14(a)所示，另外，在一可选示例中，单独给所述超导字线105或所述超导写位线106上通电后产生的奥斯特磁场无法使所述磁性存储器件101的自由层101c磁矩(M)发生翻转，当且仅当所述超导字线105与所述写位线同时通电，如图15中的t1时间段内，产生的奥斯特磁场才能使位于上述通电的超导字线105和超导写位线106交界处的磁性存储器件101中的自由层101c磁矩发生翻转，实现对某个指定磁性存储器件101的写入操作，如图14(c)及图15所示。

该示例中，由于所述超导字线105和所述超导写位线106均是超导材料，电阻接近于零，仅需给其两端施加较小的电压，即可产生足够的奥斯特磁场，能耗较低。另外，上述实施方式的倒置结构仍然成立。同上，所述超导上电极及所述超导下电极也具有上述效果。

作为示例，对选取的所述超导字线105进行通电的方式包括对选取的所述超导字线105进行第一电压脉冲时序的通电，对选取的所述超导写位线106进行通电的方式包括对选取的所述超导写位线106进行第二电压脉冲时序的通电，所述第一电压脉冲时序包括第一通电时段，所述第二电压脉冲时序包括第二通电时段，且所述第一通电时段与所述第二通电时段时序对应，即时段完全对应相同。

具体的，该示例中，如图15所示，提供一种所述超导字线105及所述超导写位线106的通电方式，采用电压脉冲时序的方式，其中，二者各自的脉冲时序中至少包括相重合的通电时间，即所述第一通电时段和所述第二通电时段，如图15中t1所示，此时，所述超导字线105及所述超导写位线106产生的磁场共同作用于所述磁性存储器件101，以进行信息写入。

作为示例，所述磁性存储器件101中的自由层包括至少两层铁磁薄膜以及位于所述铁磁薄膜之间的诱导耦合层，对选取的所述超导字线105及选取的所述超导写位线106进行通电后，所述超导字线105中的电流产生第三磁场方向，所述超导写位线106中的电流产生第四磁场方向，所述第三磁场方向与对应的所述磁性存储器件101的难轴方向具有顺时针方向的第一夹角，所述第四磁场方向与对应的所述磁性存储器件101的易轴方向具有顺时针方向的第二夹角。

作为示例，对选取的所述超导字线105进行通电的方式包括对选取的所述超导字线105进行第三电压脉冲时序的通电，对选取的所述超导写位线106进行通电的方式包括对选取的所述超导写位线106进行第四电压脉冲时序的通电，其中，所述第三电压脉冲时序包括第一通电时段、第二通电时段、第一停止时段以及第二停止时段，所述第四电压脉冲时序包括第三通电时段、第四通电时段、第三停止时段以及第四停止时段，且所述第一通电时段与所述第三停止时段相对应，所述第二通电时段与所述第三通电时段相对应，所述第一停止时段与所述第四通电时段相对应，所述第二停止时段与所述第四停止时段相对应。

作为示例，所述诱导耦合层的厚度小于等于2nm。

作为示例，所述第一夹角包括45°；所述第二夹角包括45°。

具体的，在该实施例还提供另外一种写入方法中，优选基于所述实施例二中的存储阵列结构，可以参见图13、16、17所示，在该写入方法中，提供另一种利用奥斯特磁场写入的方式，适用于存在反铁磁耦合作用的自由层101c体系，在一示例中，可以具有两层铁磁层(所述铁磁薄膜，如图16中的铁磁层1和铁磁层2，其自由层初始磁矩方向分别为M1和M2，如图16(a)所示，此外，两层铁磁层之间需插入诱导耦合层，诱导耦合层可为W、Ta、Ir、Cr、Cu等材料，在一示例中，厚度不超过2nm，优选为1nm。在进行信息写入的过程中，首先通过地址解码电路选择和地址对应的所述超导字线105和所述超导写位线106通电，所述超导字线105与所述超导写位线106中的电流产生的奥斯特磁场方向既不沿磁性存储器件101的难轴方向，也不沿磁性存储器件101的易轴方向，而是与易轴/难轴方向存在一个夹角，即所述第一夹角α与所述第二夹角β，在一示例中，选择为45°，如图16(b)和图16(c)所示，在一可选示例中，所述超导字线105与所述超导写位线106中具有不同的通电时序，参见图17所示，当在t1时间段内，即所述第一通电时段与所述第三停止时段，如图16(b)所示，仅在所述超导字线105中存在电流，在奥斯特磁场H1的作用下，M1和M2开始转动，偏离自由层101c易轴方向；当在t2时间段内，即所述第二通电时段与所述第三通电时段，如图16(c)所示，在所述超导字线105和所述超导写位线106中同时存在电流，在奥斯特磁场H1与H2作用下，M1和M2继续转动，且更靠近自由层101c难轴方向；当在t3时间段内，即所述第一停止时段与所述第四通电时段，如图16(d)所示，仅在所述超导写位线106中存在电流，在奥斯特磁场H2作用下，M1和M2进一步转动，且再次靠近自由层101c易轴方向；随后，脉冲消失，即所述第二停止时段与所述第四停止时段，如图16(e)所示，即在所述超导字线105和所述超导写位线106中均无电流，M1和M2继续转动至离各自最近的易轴方向，自此实现了自由层101c磁矩的翻转。可见，通过地址解码所选择的超导字线105和超导写位线106，能够实现对某个指定磁性存储器件101的写入操作，而不改变其他磁性存储器件101的状态。另外，上述实施方式的倒置结构仍然成立，即当所述超导字线105设置于所述超导下电极104的下方，而所述超导写位线106设置于所述超导上电极103的上方时，上述写入方式仍然成立，此时，所述存储单元100中的所述超导器件102位于所述磁性存储器件101的下方，所述超导器件102靠近所述超导字线105设置。

实施例六：

如图18及19所示，本发明还提供一种存储器的读出方法，所述读出方法包括：

提供包括如实施例一及实施例二中任意一项所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线105，并对未选取的所述超导字线105进行通电，使选取的所述超导字线105对应的所述存储单元100中的所述超导器件102处于超导态；

基于地址解码选取相对应的所述超导上电极103及与所述超导上电极103对应的所述超导下电极104，并在选取的所述超导上电极103和所述超导下电极104之间施加预设电压，以进行存储信息的读出，其中，所述预设电压小于对应的所述磁性存储器件101的翻转电压，且选取的所述超导上电极103与选取的所述超导字线105的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元100。

具体的，该实施例中，在进行信息读出时，通过地址解码电路选择和地址对应的所述超导字线105，并对未选取的所述超导字线105进行通电，其中，通电可以使得原来处于超导态的所述超导器件102转变为正常态，即转变为正常态的大电阻，而选中位置的所述超导器件102仍然处于超导状态，如可以是低温方式下的超导状态，电阻几乎为零，使所选磁性存储器件101上方设置的超导器件102处于超导态，当给超导读位线施加一个微小电压时，电流能够自上而下或自下而上贯穿流经整个所选磁性存储器件101；而其他超导器件102均处于正常态，相当于断路，因此，可以看作无电流流经其他磁性存储器件101。当给读位线施加电压时，即给超导上电极103和超导下电极104之间施加电压，通过测量回路电流，即可获取整个回路的总电阻，其中，所述微小电压即该示例中的所述预设电压，其小于对应的所述磁性存储器件101的翻转电压，从而可以实现回路的电流读出，以实现存储信息的读出，具体数值可以依据实际器件特性进行设定，在一示例中，所述预设电压介于20mV-100mV之间，其中，每个基本存储单元100的电阻是一个磁性存储器件101电阻与一个超导器件102电阻的总和，由多个存储单元100构成的总电阻主要由回路中所有基本存储单元100的并联电阻构成，由于处于正常态的超导器件102的电阻远大于磁性存储器件101的电阻，甚至可以达到MΩ量级，因此，多个存储单元100的并联电阻总体上仍呈现处于超导态的超导器件102下方的所选磁性存储器件101的电阻，即通过地址解码所选择的字线和读位线实现对指定磁性存储器件101的读出操作。上述读取信息时，除所选磁性存储器件101上方的所述超导字线105外，需要所选磁性存储器件101对应的那一行或那一列外的其他未被选中的基本存储单元100上方的超导字线105全部打开，这种设计仅适用于超导逻辑电路，其他电路中会产生非常大的能耗，具体原因在于：如果字线是超导材料，超导态时阻值基本为零，仅需给字线两端施加极其微小的电压，即可产生足够的奥斯特磁场使超导器件102转变成正常态，不会消耗过多电量；但如果字线为一般的金属材料，耗电量将不容忽视。另外，上述实施方式的倒置结构仍然成立，其中，具体倒置结构可参考对应实施例四和对应实施例五中对对应倒置结构的描述。

综上所述，本发明提供一种存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法，所述阵列结构包括：至少一个存储单元，所述存储单元包括叠置的超导器件及磁性存储器件，且所述超导器件与所述磁性存储器件串联设置；至少一个超导上电极，所述超导上电极设置于所述存储单元上方，并与对应的所述存储单元电连接，当存在至少两个所述超导上电极时，各所述超导上电极之间不接触；至少一个超导下电极，所述超导下电极设置于所述存储单元下方，并与对应的所述存储单元电连接，当存在至少两个所述超导下电极时，各所述超导下电极之间不接触；以及至少一个超导字线，所述超导字线设置于所述存储单元上方，并设置于对应的所述超导上电极远离所述存储单元的一侧，且所述超导字线与所述超导上电极之间具有间距；或者，所述超导字线设置于所述存储单元下方，并设置于对应的所述超导下电极远离所述存储单元的一侧，且所述超导字线与所述超导下电极之间具有间距；当存在至少两个所述超导字线时，各所述超导字线之间不接触，其中，所述超导字线靠近对应的所述存储单元中的所述超导器件设置。通过上述方案，本发明的存储阵列结构及制备方法、存储器及写入方法和读出方法，将磁性存储器件与超导集成电路有机结合，将磁性存储器件完全嵌入到超导集成电路中，可以通过奥斯特磁场调控超导器件的状态，利用超导器件实现电路的开关效果，从而替代CMOS逻辑电路，可以实现存储器在低温下的工作，有助于研发在较低工作电压下的超低温存储器，将MRAM的工作温区扩展至4.2K的极限低温，且保证MRAM的工作电压在超导逻辑电路能够提供的范围内，在低的工作电压(<100mV)下实现信息的读写，可以基于不同的写入方式实现上述工作，并构成适用于超导逻辑制程的信息读取方式，可以适用于超导计算机的主存和缓存，结构设计简单，有利于减少刻蚀次数，简化存储单元制备工艺，降低制造成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种存储阵列结构，其特征在于，所述存储阵列结构包括：

至少一个存储单元，所述存储单元包括叠置的超导器件及磁性存储器件，且所述超导器件与所述磁性存储器件串联设置；

至少一个超导上电极，所述超导上电极设置于所述存储单元上方，并与对应的所述存储单元电连接，当存在至少两个所述超导上电极时，各所述超导上电极之间不接触；

至少一个超导下电极，所述超导下电极设置于所述存储单元下方，并与对应的所述存储单元电连接，当存在至少两个所述超导下电极时，各所述超导下电极之间不接触；以及

至少一个超导字线，所述超导字线设置于所述存储单元上方，并设置于对应的所述超导上电极远离所述存储单元的一侧，且所述超导字线与所述超导上电极之间具有间距；或者，所述超导字线设置于所述存储单元下方，并设置于对应的所述超导下电极远离所述存储单元的一侧，且所述超导字线与所述超导下电极之间具有间距；当存在至少两个所述超导字线时，各所述超导字线之间不接触，其中，所述存储单元中的所述超导器件和所述磁性存储器件的上下位置可以互换，所述超导字线靠近对应的所述存储单元中的所述超导器件设置。

2.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，每个所述超导上电极对应至少两个所述存储单元，每个所述超导下电极对应至少两个所述存储单元，每个所述超导字线对应至少两个所述存储单元，其中，所述超导上电极与对应的所述超导下电极之间平行设置，所述超导字线与对应的所述超导上电极之间垂直设置；当存在至少两个所述超导上电极时，各所述超导上电极之间平行排布，当存在至少两个所述超导下电极时，各所述超导下电极之间平行排布，当存在至少两个所述超导字线时，各所述超导字线之间平行排布。

3.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，所述磁性存储器件包括磁性隧道结器件以及自旋阀器件中的至少一种；所述超导器件包括约瑟夫森结、超导纳米桥结、n-Tron型超导材料以及高温超导材料中的任意一种；所述超导上电极的材质包括Nb、NbN、NbTi、Nb₃Sn及高温超导材料中的至少一种；所述下电极的材质包括Nb、NbN、NbTi、Nb₃Sn及高温超导材料中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，所述磁性存储器件至少包括依次设置的参考层、非磁层及自由层，其中，所述非磁层的材质包括绝缘材料及导电金属材料中的任意一种；所述自由层包括单层铁磁薄膜及至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构中的任意一种；所述参考层包括单层铁磁薄膜及至少两层铁磁薄膜与诱导耦合层构成的叠层结构中的任意一种。

5.根据权利要求4所述的存储阵列结构，其特征在于，所述铁磁薄膜的材质包括Co、Fe、Ni、Mn、Rh、Pd、Pt、Gd、Tb、Dy、Ho、Al、Si、Ga、Ge及B中的至少一种；所述诱导耦合层的材质包括Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb、Ir及Pt中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的存储阵列结构，其特征在于，所述超导器件处于非超导状态时的电阻大于所述磁性存储器件的电阻的十倍。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的存储阵列结构，其特征在于，所述存储阵列结构还包括至少一个超导写位线，所述超导写位线设置于所述存储单元的上方或者下方，并与对应的所述超导字线之间对应交叉设置，且所述超导写位线与所述超导字线、所述超导写位线与所述超导上电极、所述超导写位线与所述超导下电极以及所述超导写位线与所述存储单元之间均具有间距；当存在至少两个所述超导写位线时，各所述超导写位线之间不接触。

8.根据权利要求7所述的存储阵列结构，其特征在于，所述超导上电极与对应的所述超导下电极之间平行设置，所述超导写位线与所述超导上电极之间平行设置，所述超导写位线与对应的所述超导字线之间对应垂直设置；当存在至少两个所述超导写位线时，各所述超导写位线之间平行排布。

9.根据权利要求7所述的存储阵列结构，其特征在于，所述超导写位线与对应的所述超导字线分别设置于对应的所述存储单元相对的两侧。

10.一种存储器，其特征在于，所述存储器包括如权利要求1-9中任意一项所述的存储阵列结构，其中，所述超导上电极及所述超导下电极作为所述存储器的位线。

11.一种存储器的写入方法，其特征在于，所述写入方法包括：

提供包括如权利要求1-6中任意一项所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线，并对未选取的所述超导字线进行通电，通电后的所述超导字线对应的所述超导器件处于正常态，使选取的所述超导字线对应的所述存储单元中的所述超导器件处于超导态；以及

基于地址解码选取相对应的所述超导上电极及与所述超导上电极对应的所述超导下电极，并在选取的所述超导上电极和所述超导下电极之间施加预设电压，使电流流经未通电的所述超导字线对应的所述存储单元，而未流经通电的所述超导字线对应的所述存储单元，以进行存储信息的写入，其中，所述预设电压大于等于对应的所述磁性存储器件的翻转电压，且选取的所述超导上电极与选取的所述超导字线的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元。

12.一种存储器的写入方法，其特征在于，所述写入方法包括：

提供包括如权利要求7-9中任意一项所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线及所述超导写位线，并对选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线进行通电，以使对应的所述存储单元中的所述磁性存储器件进行翻转，以进行存储信息的写入，其中，选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元。

13.根据权利要求12所述的存储器的写入方法，其特征在于，对选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线进行通电后，所述超导字线中的电流产生第一磁场方向，所述超导写位线中的电流产生第二磁场方向，其中，所述第一磁场方向与对应的所述磁性存储器件的难轴方向一致，所述第二磁场方向与对应的所述磁性存储器件的易轴方向一致。

14.根据权利要求13所述的存储器的写入方法，其特征在于，对选取的所述超导字线进行通电的方式包括对选取的所述超导字线进行第一电压脉冲时序的通电，对选取的所述超导写位线进行通电的方式包括对选取的所述超导写位线进行第二电压脉冲时序的通电，其中，所述第一电压脉冲时序包括第一通电时段，所述第二电压脉冲时序包括第二通电时段，且所述第一通电时段与所述第二通电时段时序相同。

15.根据权利要求12所述的存储器的写入方法，其特征在于，当所述磁性存储器件至少包括依次设置的参考层、非磁层及自由层时，所述磁性存储器件中的所述自由层包括至少两层铁磁薄膜以及位于所述铁磁薄膜之间的诱导耦合层，对选取的所述超导字线及选取的所述超导写位线进行通电后，所述超导字线中的电流产生第三磁场方向，所述超导写位线中的电流产生第四磁场方向，其中，所述第三磁场方向与对应的所述磁性存储器件的难轴方向具有第一夹角，所述第四磁场方向与对应的所述磁性存储器件的易轴方向具有第二夹角。

16.根据权利要求15所述的存储器的写入方法，其特征在于，对选取的所述超导字线进行通电的方式包括对选取的所述超导字线进行第三电压脉冲时序的通电，对选取的所述超导写位线进行通电的方式包括对选取的所述超导写位线进行第四电压脉冲时序的通电，其中，所述第三电压脉冲时序包括第一通电时段、第二通电时段、第一停止时段以及第二停止时段，所述第四电压脉冲时序包括第三通电时段、第四通电时段、第三停止时段以及第四停止时段，且所述第一通电时段与所述第三停止时段相对应，所述第二通电时段与所述第三通电时段相对应，所述第一停止时段与所述第四通电时段相对应，所述第二停止时段与所述第四停止时段相对应。

17.根据权利要求15所述的存储器的写入方法，其特征在于，所述诱导耦合层的厚度小于等于2nm；所述第一夹角为45°；所述第二夹角为45°。

18.一种存储器的读出方法，其特征在于，所述读出方法包括：

提供包括如权利要求1-9中任意一项所述的存储阵列结构的存储器；

基于地址解码选取相对应的所述超导字线，并对未选取的所述超导字线进行通电，使选取的所述超导字线对应的所述存储单元中的所述超导器件处于超导态；以及

基于地址解码选取相对应的所述超导上电极及与所述超导上电极对应的所述超导下电极，并在选取的所述超导上电极和所述超导下电极之间施加预设电压，以进行存储信息的读出，其中，所述预设电压小于对应的所述磁性存储器件的翻转电压，且选取的所述超导上电极与选取的所述超导字线的交叉位置对应包括至少一个所述存储单元。

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