CN111370438A - 磁性存储器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁性存储器阵列，包括：按矩形阵列形式排布的多个磁存储单元，每个所述磁存储单元包括磁性隧道结和磁性电极，其中，所述磁性电极为具有长轴和短轴的几何结构，所述磁性电极在膜平面内磁化，磁化方向沿长轴方向，所述磁性电极用于提供一个辅助所述磁性隧道结自由层翻转的磁矩，所述磁性电极的几何尺寸大于所述磁性隧道结的几何尺寸，所述磁性存储器阵列中水平和垂直方向相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向不共线。本发明能够提高磁性存储器阵列的密度。

Description

磁性存储器阵列
技术领域
本发明涉及磁存储器技术领域，尤其涉及一种磁性存储器阵列。
背景技术
自旋转移矩磁存储器(STT-MRAM)是一种利用电流改变MTJ状态的磁性随机存储器，该存储器除了具有电路设计简单，读写速度快，无限次擦写等优点外，相对于传统存储器如DRAM的最大优势为非易失性(断电数据不丢失)。为了在满足MTJ的数据保存时间基础上尽可能降低MTJ的尺寸，MTJ中的磁记录和参考层需要采用垂直磁化材料。
对于垂直结构的磁性隧道结，为加快自由层翻转，在自由层上方再生长一层磁化方向固定在面内的磁性层或者磁性电极，在自由层处产生一个磁场，使得自由层与固定层间存在一个初始夹角，从而能够加快室温下MTJ的翻转速度，同时降低写入电压。为了使得磁性电极的磁化方向固定，需要借助形状各向异性带来的各向异性场，对应的磁性电极一般为椭圆形。
但是，在组成存储器阵列时，为防止金属电极之间漏电，金属电极必须保持一定的间距，在传统的存储器阵列设计中使用椭圆形电极会影响存储器阵列的密度。因此，如何提高磁性存储器阵列的密度，成为一个必须解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种磁性存储器阵列，能够提高磁性存储器阵列的密度。
本发明提供一种磁性存储器阵列，包括：按矩形阵列形式排布的多个磁存储单元，每个所述磁存储单元包括磁性隧道结和磁性电极，其中，所述磁性电极为具有长轴和短轴的几何结构，所述磁性电极在膜平面内磁化，磁化方向沿长轴方向，所述磁性电极用于提供一个辅助所述磁性隧道结自由层翻转的磁矩，所述磁性电极的几何尺寸大于所述磁性隧道结的几何尺寸，所述磁性存储器阵列中水平和垂直方向相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向不共线。
可选地，所述磁性存储器阵列中相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向互相垂直。
可选地，所述磁性存储器阵列中相邻的两个磁存储单元的其中一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿阵列的第一方向，另一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿阵列的第二方向，其中所述阵列的第一方向和阵列的第二方向垂直。
可选地，所述磁性存储器阵列中相邻的两个磁存储单元的其中一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿逆时针方向和阵列的第一方向呈45度倾角，另一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿顺时针方向和阵列的第一方向呈45度倾角，以实现互相垂直。
可选地，每个所述磁存储单元的磁性隧道结为圆形结构。
可选地，每个所述磁存储单元的磁性电极为椭圆形，长轴和短轴的比例介于1.2～3之间。
可选地，每个所述磁存储单元的磁性电极为矩形，长边和短边的比例介于1.2～3之间。
可选地，每个所述磁存储单元的磁性电极至少包含一层铁磁材料薄膜。
可选地，每个所述磁存储单元的磁性电极靠近磁性隧道结的自由层，并通过隔离层与磁性隧道结隔开。
可选地，每个所述磁存储单元还包括非磁性电极，所述非磁性电极靠近磁性隧道结的固定层。
本发明提供的磁性存储器阵列，包括按矩形阵列形式排布的多个磁存储单元，每个所述磁存储单元包括磁性隧道结和磁性电极，其中，所述磁性电极为具有长轴和短轴的几何结构，所述磁性存储器阵列中水平和垂直方向相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向不共线，与现有技术相比，本发明对阵列排布形式作了优化，能够提高阵列密度。
附图说明
图1为本发明的磁性存储器阵列的一种排列结构；
图2为本发明的磁性存储器阵列的另一种排列结构；
图3为本发明的磁性存储器阵列中的磁存储单元的立体视图；
图4为阵列结构优化效果对比示意图；
图5为本发明的磁性存储器阵列中的磁存储单元的一种层叠结构；
图6为本发明的磁性存储器阵列中的磁存储单元的另一种层叠结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种磁性存储器阵列，包括：按矩形阵列形式排布的多个磁存储单元，每个磁存储单元包括磁性隧道结和磁性电极，其中，磁性电极为具有长轴和短轴的几何结构，磁性电极在膜平面内磁化，磁化方向沿长轴方向，磁性电极用于提供一个辅助磁性隧道结自由层翻转的磁矩，磁性电极的几何尺寸大于磁性隧道结的几何尺寸，磁性存储器阵列中水平和垂直方向相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向不共线。也就是说，每个磁存储单元的磁性电极的长轴方向与其相邻的磁存储单元的磁性电极的长轴方向不共线。本发明实施例中，定义磁性电极沿某一方向的长度最长，则为磁性电极的长轴方向。
可选地，磁性存储器阵列在排布存储单元时，不论是水平方向，还是垂直方向，相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向互相垂直。
如图1所示，为本发明的磁性存储器阵列的一个实施例。图中，每个椭圆形表示磁存储单元的磁性电极，箭头方向代表磁化方向，这里只画出了一个原胞的四个磁存储单元的磁化方向，椭圆形内部的圆形表示磁存储单元的磁性隧道结。定义X方向为阵列的第一方向，Y方向为阵列的第二方向，X方向和Y方向垂直，该磁性存储器阵列中，任意相邻的两个磁存储单元的其中一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿阵列的第一方向，另一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿阵列的第二方向，以实现互相垂直。
如图2所示，为本发明的磁性存储器阵列的另一个实施例。同样定义X方向为阵列的第一方向，Y方向为阵列的第二方向，X方向和Y方向垂直，该磁性存储器阵列中，任意相邻的两个磁存储单元的其中一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿逆时针方向和阵列的第一方向呈45度倾角，另一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿顺时针方向和阵列的第一方向呈45度倾角，形成一个类似于“外八”和“内八”的交替排列，以实现互相垂直。
上述两个实施例中，每个磁存储单元的磁性隧道结为圆形结构，呈正方形排布，每个磁存储单元的磁性电极为椭圆形，长轴和短轴的比例介于1.2～3之间。另外需要说明，每个磁存储单元的磁性电极还可以为矩形，长边和短边的比例介于1.2～3之间。磁性电极至少包含一层铁磁材料薄膜，可选择的材料包括Fe、Ni、Co或者其他合金如CoFe，CoFeB，NiFe等。
另外，每个磁存储单元还包括非磁性电极，非磁性电极和磁性电极分别位于磁性隧道结的不同侧，磁性电极靠近磁性隧道结的自由层，并通过隔离层与磁性隧道结隔开，非磁性电极靠近磁性隧道结的固定层。如图3所示，展示了磁性电极为椭圆形时的立体视图，箭头方向代表磁化方向。
本发明实施例提供的磁性存储器阵列，能够提高磁性存储器阵列的阵列密度。以图1所示的阵列结构为例，具体分析如下：
为了防止金属(电极)间漏电，电极间最小间距必须大于某一特定值g。上下电极最小尺寸需要比MTJ以及上下层连接孔(VIA)尺寸大，弥补上下层间套刻误差，这个差别设为dCD。同时MTJ刻蚀工艺要求：MTJ间最小距离不可小于特定值D。另外，底层MOS管尺寸也限制了阵列设计。综合以上几点，对比传统阵列结构和图1所示的阵列结构，如图4，以MTJ尺寸CD＝60nm，磁性电极长短轴比例2:1,g＝60nm，dCD＝50nm,MTJ最小间距D＝200nm为例。对应电极尺寸110*220nm.传统阵列设计在上述条件下的最小阵列单元面积为A＝280nm*200nm；本发明实施例的阵列设计在上述条件下的最小阵列单元面积为B＝225nm*225nm。
最小阵列单元面积具体推导原理如下：
如图4中的(a)所示，四个阵列单元组成一个原胞，原胞中每个单元被其上下左右四个原胞公用，因此四个阵列单元组成的原胞即为阵列中最小重复单元，此原胞面积即为阵列最小单元面积，如图4中的(b)方框所示，原胞面积为每个磁性单元中心位置相连的四边形面积，因此，由计算可得，传统阵列结构的最小阵列单元的面积为：(2CD+2dCD+g)*D；本发明实施例的阵列结构的最小阵列单元的面积为：(1.5dCD+1.5CD+g)2。
代入数据，即得到：传统阵列设计最小阵列单元面积为280nm*200nm，本发明实施例的阵列设计最小阵列单元面积为225nm*225nm，存储单元密度提高10％。另外，保证了MTJ阵列的高对称性，可以在关键的MTJ刻蚀工艺中获得更好的MTJ尺寸及电性均一度。
最后说明的是，本发明实施例中，对于每个存储单元中的磁性隧道结的结构没有特殊要求，如图5所示，磁性隧道结MTJ包括从下到上依次堆叠的固定层、隧道层和自由层，磁性电极靠近MTJ的自由层，位于MTJ的顶部，并通过隔离层与MTJ隔开，隔离层为非磁性金属，包括Ta,Ru,Mo,Pt,W,Ir等。非磁性电极靠近MTJ的固定层，位于MTJ的底部。另外说明的是，当磁性隧道结从下到上依次为自由层、隧道层和固定层，则磁性电极位于磁性隧道结的底部，并通过隔离层与磁性隧道结隔开。此时，非磁性电极位于MTJ的顶部。如图6所示，磁性隧道结MTJ采用另一种形式，MTJ为垂直磁化材料体系，包含基于人工合成反铁磁的磁性固定层，隧道层，磁性自由层，其中磁性固定层最靠近隧道层处为CoFeB，隧道层为MgO，面内磁化层为NiFe，NM0到NM5各层为非磁性金属，为Ta,Ru,Mo,Pt,W,Ir中的一种。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁性存储器阵列，其特征在于，包括：按矩形阵列形式排布的多个磁存储单元，每个所述磁存储单元包括磁性隧道结和磁性电极，其中，所述磁性电极为具有长轴和短轴的几何结构，所述磁性电极在膜平面内磁化，磁化方向沿长轴方向，所述磁性电极用于提供一个辅助所述磁性隧道结自由层翻转的磁矩，所述磁性电极的几何尺寸大于所述磁性隧道结的几何尺寸，所述磁性存储器阵列中水平和垂直方向相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向不共线。
2.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述磁性存储器阵列中相邻的两个磁存储单元的磁性电极的长轴方向互相垂直。
3.根据权利要求2所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述磁性存储器阵列中相邻的两个磁存储单元的其中一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿阵列的第一方向，另一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿阵列的第二方向，其中所述阵列的第一方向和阵列的第二方向垂直。
4.根据权利要求2所述的磁性存储器阵列，其特征在于，所述磁性存储器阵列中相邻的两个磁存储单元的其中一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿逆时针方向和阵列的第一方向呈45度倾角，另一个磁存储单元的磁性电极长轴方向沿顺时针方向和阵列的第一方向呈45度倾角，以实现互相垂直。
5.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，每个所述磁存储单元的磁性隧道结为圆形结构。
6.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，每个所述磁存储单元的磁性电极为椭圆形，长轴和短轴的比例介于1.2～3之间。
7.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，每个所述磁存储单元的磁性电极为矩形，长边和短边的比例介于1.2～3之间。
8.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，每个所述磁存储单元的磁性电极至少包含一层铁磁材料薄膜。
9.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，每个所述磁存储单元的磁性电极靠近磁性隧道结的自由层，并通过隔离层与磁性隧道结隔开。
10.根据权利要求1所述的磁性存储器阵列，其特征在于，每个所述磁存储单元还包括非磁性电极，所述非磁性电极靠近磁性隧道结的固定层。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022016626A1 (zh) * 2020-07-21 2022-01-27 中国科学院微电子研究所 自旋电子器件、sot-mram存储单元、存储阵列以及存算一体电路
US20220384367A1 (en) * 2021-05-25 2022-12-01 International Business Machines Corporation Mram-based chip identification with free random programming

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1674094A (zh) * 2004-03-11 2005-09-28 株式会社东芝 磁电阻元件、磁头和磁记录及再现设备
CN1815565A (zh) * 2005-01-31 2006-08-09 日立环球储存科技荷兰有限公司 具有Ru合金反平行间隔层的薄膜介质和磁致电阻传感器
CN101097987A (zh) * 2006-03-29 2008-01-02 株式会社东芝 磁性记录元件和磁性存储器
CN101312232A (zh) * 2007-05-22 2008-11-26 台湾积体电路制造股份有限公司 旋转扭矩转移磁阻式随机存取存储器装置
CN102460575A (zh) * 2009-04-30 2012-05-16 艾沃思宾技术公司 具有基本上正交的钉扎方向的双轴磁场传感器
CN102709467A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 清华大学 一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结
US20120281461A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor storage device
CN103971726A (zh) * 2013-01-29 2014-08-06 三星电子株式会社 电压辅助的自旋转移力矩磁随机存取存储器写方案
CN105374934A (zh) * 2015-12-01 2016-03-02 中电海康集团有限公司 一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法
CN107924992A (zh) * 2015-09-25 2018-04-17 英特尔公司 应变垂直磁隧道结器件

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1674094A (zh) * 2004-03-11 2005-09-28 株式会社东芝 磁电阻元件、磁头和磁记录及再现设备
CN1815565A (zh) * 2005-01-31 2006-08-09 日立环球储存科技荷兰有限公司 具有Ru合金反平行间隔层的薄膜介质和磁致电阻传感器
CN101097987A (zh) * 2006-03-29 2008-01-02 株式会社东芝 磁性记录元件和磁性存储器
CN101312232A (zh) * 2007-05-22 2008-11-26 台湾积体电路制造股份有限公司 旋转扭矩转移磁阻式随机存取存储器装置
CN102460575A (zh) * 2009-04-30 2012-05-16 艾沃思宾技术公司 具有基本上正交的钉扎方向的双轴磁场传感器
CN103901364A (zh) * 2009-04-30 2014-07-02 艾沃思宾技术公司 具有基本上正交的钉扎方向的双轴磁场传感器
US20120281461A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor storage device
CN102709467A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 清华大学 一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结
CN103971726A (zh) * 2013-01-29 2014-08-06 三星电子株式会社 电压辅助的自旋转移力矩磁随机存取存储器写方案
CN107924992A (zh) * 2015-09-25 2018-04-17 英特尔公司 应变垂直磁隧道结器件
CN105374934A (zh) * 2015-12-01 2016-03-02 中电海康集团有限公司 一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022016626A1 (zh) * 2020-07-21 2022-01-27 中国科学院微电子研究所 自旋电子器件、sot-mram存储单元、存储阵列以及存算一体电路
US20220384367A1 (en) * 2021-05-25 2022-12-01 International Business Machines Corporation Mram-based chip identification with free random programming

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