CN113328034A - 存储单元及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了存储单元及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备。该存储单元包括半导体基底、第一绝缘介质层、铁电薄膜层、底电极、隧道结、第一金属互连部、第二金属互联部、第三金属互联部及第四金属互联部。第一绝缘介质层形成于半导体基底上，铁电薄膜层设置于第一绝缘介质层上，底电极形成于铁电薄膜层上，隧道结形成于底电极上。第一金属互连部与底电极的第一端连接，第三金属互连部与底电极的第二端连接。第二金属互连部与铁电薄膜层连接，第四金属互连部与隧道结连接。与现有技术相比，本发明能够基于设置的铁电薄膜层控制隧道结中的磁矩定向翻转。本发明基于存储器件单元结构设计，无需外设磁场，充分满足了器件高集成度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及基于电压控制的磁随机存储器技术领域，更为具体来说，本发明能够提供存储单元及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备。
背景技术
目前，磁随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)是指能够通过磁化状态的改变而存储数据的随机存储器，具有非易失性好、低功耗以及抗辐射等优点。磁随机存储器的最基本存储单元是磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)，在电流作用下诱导隧道结中磁矩发生翻转，但是这种翻转的方向是随机的。为使翻转方向可控，一般的方案是通过外加磁场方式实现磁矩定向翻转。但是外加磁场方式必然会增加器件复杂度，导致半导体存储器件密度低，无法满足半导体器件的高集成度的要求。
发明内容
为了解决常规的磁随机存储器无法兼顾磁矩翻转方向可控与器件高集成度的问题，本发明提供一种存储单元及其数据写入和读取方法、存储器、电子设备，以实现得到磁矩翻转方向可控的高集成度的器件等目的。
为实现上述的技术目的，本发明能够提供一种磁随机存储单元。该磁随机存储单元包括但不限于半导体基底、第一绝缘介质层、铁电薄膜层、底电极、隧道结、第一金属互连部、第二金属互联部、第三金属互联部及第四金属互联部。第一绝缘介质层形成于半导体基底上，铁电薄膜层设置于第一绝缘介质层上，底电极形成于铁电薄膜层上，隧道结形成于底电极上。第一金属互连部与底电极的第一端连接，第三金属互连部与底电极的第二端连接；第一端和第二端分别处于底电极的两侧。第二金属互连部与铁电薄膜层连接，第四金属互连部与隧道结连接。
为实现上述的技术目的，本发明还能够提供一种磁随机存储器，该磁随机存储器可包括但不限于本发明任一实施例中的磁随机存储单元。
为实现上述的技术目的，本发明可提供一种电子设备，该电子设备可包括但不限于本发明任一实施例中的磁随机存储器。
为实现上述的技术目的，本发明能提供一种磁随机存储单元的数据写入方法。该磁随机存储单元的数据写入方法可包括但不限于如下步骤。
向铁电薄膜层及其上的底电极施加电压，以使铁电薄膜层处于极化状态。停止施加电压，然后向底电极中通入电流，以向底电极上的隧道结中写入数据。
为实现上述的技术目的，本发明可提供一种磁随机存储单元的数据读取方法。
该磁随机存储单元的数据读取方法可包括但不限于如下的至少一个步骤：向沿竖向依次设置的铁电薄膜层、底电极以及隧道结施加电压，以从隧道结中读取数据。
本发明的有益效果为：
与常规通过外加磁场诱导磁矩发生翻转的方式相比，本发明能够基于设置的铁电薄膜层控制隧道结中的磁矩定向翻转。基于存储器件单元结构设计，本发明不需要外设磁场，进而能够充分满足器件高集成度的要求。
本发明提供的磁随机存储单元或磁随机存储器可通过成熟的半导体工艺加工得到，与传统磁随机存储器的加工过程相比几乎不会增加器件加工成本，所以本发明能够满足产业化和大批量生产要求，适于推广和应用。
本发明提供的磁随机存储单元的数据读写方法容易实施、抗干扰能力强且可靠性高，可见本发明具有数据写入与数据读出的控制方式可编译、低功耗、响应时间短、存储性能稳定以及集成度较高等优点，从而可具体实现SOT-MRAM存储器件的小型化，可满足制造高密度的SOT-MRAM存储器件的要求。
附图说明
图1示出了本发明一些实施例中磁随机存储单元的结构示意图。
图2示出了本发明另一些实施例中的磁随机存储单元的结构示意图。
图中，
100、半导体基底。
201、第一绝缘介质层；202、第二绝缘介质层。
300、铁电薄膜层。
400、底电极。
500、隧道结。
601、第一金属互连部；602、第二金属互连部；603、第三金属互连部；604、第四金属互连部。
701、第一互连金属层。702、第二互连金属层。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
本发明一个或多个实施例能够提供一种磁随机存储单元，具体可以为基于电压控制的SOT-MRAM(SpinOrbit Torque-Magnetic Random Access Memory)存储单元，即自旋轨道耦合-磁随机存取存储器单元。
如图1所示，本发明一些实施例中的磁随机存储单元可包括但不限于半导体基底100、第一绝缘介质层201、第二绝缘介质层202、铁电薄膜层300、底电极400、隧道结500、第一金属互连部601、第二金属互连部602、第三金属互连部603、第四金属互连部604、第一互连金属层701以及第二互连金属层702等。
本发明的半导体基底100例如可以是体硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、锗衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、硅锗衬底、III-V族化合物半导体衬底或通过执行选择性外延生长(SEG)获得的外延薄膜衬底等等。
本发明中的铁电薄膜层300、底电极400、隧道结500自下而上依次设置，整体形成叠层结构。具体地，本实施例中第一绝缘介质层201能够形成于半导体基底100上，铁电薄膜层300能设置于第一绝缘介质层201上。底电极400具体形成于铁电薄膜层300上，隧道结500具体形成于底电极400上。
铁电薄膜层300例如可为PZT(锆钛酸铅)或HrZrO等，本发明能够通过PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)、ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)等生长薄膜手段在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺中实现，铁电薄膜层300例如可以呈方块或其他形状。加工本发明器件时可在铁电薄膜上生长SOT隧道结的结构。另外，隧道结500具体能够包括在纵向上依次层叠的固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、上电极层等，本发明将不再进行赘述。
第一金属互连部601与底电极400的第一端连接，第二金属互连部602与铁电薄膜层300连接。第三金属互连部603与底电极400的第二端连接，底电极400的第二端、底电极400的第一端分别处于底电极400的两侧，第一端和第二端可分别处于底电极400的左右两侧。第四金属互连部604与隧道结500连接。第一金属互连部601、第二金属互连部602、第三金属互连部603、第四金属互连部604能够通过向过孔内填充金属后平坦化形成，金属材料例如可以是钨、铜或金等。
第一互连金属层701形成于第一绝缘介质层201上，第一金属互连部601与底电极400的第一端间接连接，第一互连金属层701用于第一金属互连部601与底电极400的第一端的连接。第二互连金属层702不与第一互连金属层701连接。第二互连金属层702形成于第一绝缘介质层201上，第三金属互连部603与底电极400的第二端间接连接，第二互连金属层702具体用于第三金属互连部603与底电极400的第二端的连接。第二绝缘介质层202可形成于第一互连金属层701和第二互连金属层702上，隧道结500设置于第二绝缘介质层202内。底电极400具体为SOT(SpinOrbit Torque，自旋轨道耦合)底电极。第一互连金属层701和第二互连金属层702也可通过金属等导电材料形成。
如图1所示，更为具体地，本发明的磁随机存储单元还包括第一过孔(Via 1)、第二过孔(Via 2)、第三过孔(Via 3)以及第四过孔(Via 4)。第一过孔形成于第一绝缘介质层201内，第一金属互连部601形成于第一过孔内。第二过孔形成于第一绝缘介质层201内，第二金属互连部602形成于第二过孔内。第三过孔形成于第一绝缘介质层201内，第三金属互连部603形成于第三过孔内。第四过孔设置于隧道结500上，且形成于第二绝缘介质层202内；第四金属互连部604形成于第四过孔内。因此，本实施例第一金属互连部601、第二金属互连部602、第三金属互连部603设置于铁电薄膜层300下方，第四金属互连部604设置于铁电薄膜层300上方。
如图2所示，本发明另一些实施例可提供一种更易加工的磁随机存储单元，且器件结构上相较于图1示出的结构更为简单。该磁随机存储单元包括但不限于半导体基底100、第一绝缘介质层201、铁电薄膜层300、底电极400、隧道结500、第一金属互连部601、第二金属互连部602、第三金属互连部603、第四金属互连部604以及第二绝缘介质层202等。
第一绝缘介质层201形成于半导体基底100上，铁电薄膜层300能够设置于第一绝缘介质层201上。底电极400形成于铁电薄膜层300上，隧道结500形成于底电极400上。第二绝缘介质层202也形成于铁电薄膜层300上。第一金属互连部601与底电极400的第一端连接，第二金属互连部602与铁电薄膜层300连接。第三金属互连部603与底电极400的第二端连接，底电极400的第二端与底电极400的第一端分别处于底电极400的两侧，第一端和第二端可均设置于底电极400上部的左右两侧。第四金属互连部604与隧道结500连接。
如图2所示，本发明另一些实施例中的磁随机存储单元也可包括第一过孔(Via1)、第二过孔(Via 2)、第三过孔(Via 3)及第四过孔(Via 4)。第一过孔形成于第二绝缘介质层202内，第一金属互连部601形成于第一过孔内。第二过孔形成于第一绝缘介质层201内，且第二金属互连部602形成于第二过孔内。第三过孔形成于第二绝缘介质层202内，第三金属互连部603形成于第三过孔内。第四过孔设置于隧道结500上，形成于第二绝缘介质层202内；第四金属互联端形成于第四过孔内。因此，本实施例第二金属互连部602设置于铁电薄膜层300下方，第一金属互连部601、第三金属互连部603、第四金属互连部604设置于铁电薄膜层300上方。
应当理解的是，对于本发明一个或多个实施例中磁随机存储单元包含的各结构材料层的形状、厚度等具体参数，可根据实际磁随机存储器产品要求、应用的场景及使用的环境而合理地设定，本发明不再进行赘述。
基于与本发明的磁随机存储单元结构相同的技术构思，本发明还能够提供一种磁随机存储单元的数据写入方法，该数据写入方法包括但不限于如下的一个或多个步骤。对于图1或图2中产品结构，此处不再赘述。
S11，首先向铁电薄膜层300及其上的底电极400施加电压，以使该铁电薄膜层300处于极化状态(即铁电薄膜层300磁化)。则本发明利用处于极化状态的铁电薄膜层300引导隧道结500中的磁矩定向反转。具体如图1或2所示，本发明施加电压的方式包括两种：(1)在第一金属互连部601与第二金属互连部602之间施加正电压或负电压；或者，(2)在第三金属互连部603与第二金属互连部602之间施加正电压或负电压。
S12，铁电薄膜层300处于磁化状态后，需停止施加电压。
S13，向底电极400中通入电流，以向底电极400上的隧道结500中写入数据“0”或“1”。如图1或2所示，本发明具体可在第一金属互连部601与第三金属互连部603之间通入正电流或负电流，以实现向底电极400中通入电流。应当理解的是，本发明中用于写入的电流不通过隧道结500，可见基于本发明的存储器具有极高的耐久度，较适于应用于存储、计算一体的器件中。
具体地，本发明一些实施例中向铁电薄膜层300及其上的底电极400施加电压可包括：向沿竖向依次设置的铁电薄膜层300和底电极400施加垂直方向的电压，从而能够更好地在铁电薄膜层300内建立电场，更为灵敏地调控SOT底电极400自旋霍尔效应，使得隧道结500磁矩定向磁化翻转。
更为具体地，本发明向底电极400中通入电流包括：在底电极400的第一端和底电极400的第二端之间通入水平方向的电流。
结合图1或图2，接下来更详细地说明本发明向磁随机存储单元写入数据“1”或“0”的过程。
写入数据“1”：自第一金属互连部601(或第三金属互连部603)向第二金属互连部602施加正电压，垂直极化铁电薄膜层300。撤去施加的正电压，自第一金属互连部601向第三金属互连部603通入正电流。
写入数据“0”：自第一金属互连部601(或第三金属互连部603)向第二金属互连部602施加负电压，垂直极化铁电薄膜层300。撤去施加的负电压，自第一金属互连部601向第三金属互连部603通入正电流。
类似地，本发明还能通过如下的方式向磁随机存储单元写入数据“1”或“0”。
写入数据“1”：自第一金属互连部601(或第三金属互连部603)向第二金属互连部602施加负电压，垂直极化铁电薄膜层300。撤去施加的负电压，自第一金属互连部601向第三金属互连部603通入负电流。
写入数据“0”：自第一金属互连部601(或第三金属互连部603)向第二金属互连部602施加正电压，垂直极化铁电薄膜层300。撤去施加的正电压，自第一金属互连部601向第三金属互连部603通入负电流。
基于上述的数据“0”或“1”的写入过程可确定：本发明能够根据待写入的数据为“1”或“0”而选择施加正电压或负电压，即通过改变电压的正负调控SOT-MRAM的写入；而且本发明还能够根据待写入的数据为“1”或“0”而选择通入正电流或负电流，即通过改变电流方向调控SOT-MRAM的写入。或可理解为，本发明能够通过根据写入的数据为“1”或“0”而选择施加电压的正负和改变电流通入的方向。
基于与本发明的磁随机存储单元结构基于相同的技术构思，本发明还能够提供一种磁随机存储单元的数据读取方法，该数据读取方法可包括但不限于如下的至少一个步骤。对于图1或2中产品结构，此处不再赘述。
向沿竖向依次设置的铁电薄膜层300、底电极400以及隧道结500施加电压，以从隧道结500中读取数据。
如图1或2所示，本发明具体能够在第一金属互连部601与第四金属互连部604之间通入电流，从而能够读取磁随机存储单元当前存储的数据(“0”或“1”)。
应当理解的是，对于本发明一个或多个实施例中具体所使用的电压、电流等参数，可根据实际半导体器件的尺寸、材料等要求而合理地设定，以能够实现本发明方案的技术目的为准，本发明不再进行赘述。
本发明还能够提供一种磁随机存储器，该磁随机存储器可包括本发明任一实施例中的磁随机存储单元。本发明的磁随机存储器具体为自旋轨道耦合-磁随机存取存储器。磁随机存储器例如可包括多个排列成矩阵结构的存储阵列，每个磁随机存储单元能够通过一个或多个晶体管控制，完成磁随机存储单元的数据写入和读出。
本发明还能够提供一种电子设备，该电子设备包括本发明任一实施例中的磁随机存储器或磁随机存储单元。
应当理解的是，本发明所涉及的电子设备可包括但不限于智能电话、计算机、平板电脑、可穿戴智能设备、人工智能设备、移动电源等。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (14)
1.一种磁随机存储单元，其特征在于，包括：
半导体基底；
第一绝缘介质层，形成于所述半导体基底上；
铁电薄膜层，设置于所述第一绝缘介质层上；
底电极，形成于所述铁电薄膜层上；
隧道结，形成于所述底电极上；
第一金属互连部，与底电极的第一端连接；
第二金属互连部，与所述铁电薄膜层连接；
第三金属互连部，与底电极的第二端连接；所述第二端与所述第一端分别处于底电极的两侧；
第四金属互连部，与所述隧道结连接。
2.根据权利要求1所述的磁随机存储单元，其特征在于，还包括：
第一互连金属层，形成于所述第一绝缘介质层上；所述第一互连金属层用于所述第一金属互连部与所述底电极的第一端的连接；
第二互连金属层，形成于所述第一绝缘介质层上；所述第二互连金属层用于所述第三金属互连部与所述底电极的第二端的连接。
3.根据权利要求2所述的磁随机存储单元，其特征在于，还包括：
第一过孔，形成于所述第一绝缘介质层内；所述第一金属互连部形成于所述第一过孔内；
第二过孔，形成于所述第一绝缘介质层内；所述第二金属互连部形成于所述第二过孔内；
第三过孔，形成于所述第一绝缘介质层内；所述第三金属互连部形成于所述第三过孔内。
4.根据权利要求2所述的磁随机存储单元，其特征在于，还包括：
第二绝缘介质层，形成于所述第一互连金属层和所述第二互连金属层上；所述隧道结设置于所述第二绝缘介质层内；
第四过孔，设置于所述隧道结上，且形成于所述第二绝缘介质层内；所述第四金属互连部形成于所述第四过孔内。
5.根据权利要求1所述的磁随机存储单元，其特征在于，还包括：
第二绝缘介质层，形成于所述铁电薄膜层上；
第一过孔，形成于所述第二绝缘介质层内；所述第一金属互连部形成于所述第一过孔内；
第三过孔，形成于所述第二绝缘介质层内；所述第三金属互连部形成于所述第三过孔内。
6.根据权利要求5所述的磁随机存储单元，其特征在于，还包括：
第二过孔，形成于所述第一绝缘介质层内；所述第二金属互连部形成于所述第二过孔内；
第四过孔，设置于所述隧道结上，且形成于所述第二绝缘介质层内；所述第四金属互联端形成于所述第四过孔内。
7.一种磁随机存储器，其特征在于，该存储器包括权利要求1至6中任一权利要求所述的磁随机存储单元。
8.一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括权利要求7所述的磁随机存储器。
9.一种磁随机存储单元的数据写入方法，其特征在于，包括：
向铁电薄膜层及其上的底电极施加电压，以使所述铁电薄膜层处于极化状态；
停止施加电压；
向所述底电极中通入电流，以向所述底电极上的隧道结中写入数据。
10.根据权利要求9所述的磁随机存储单元的数据写入方法，其特征在于，所述向铁电薄膜层及其上的底电极施加电压包括：
向沿竖向依次设置的铁电薄膜层和底电极施加垂直方向的电压。
11.根据权利要求9所述的磁随机存储单元的数据写入方法，其特征在于，所述向铁电薄膜层及其上的底电极施加电压包括：
根据待写入的数据施加正电压或负电压。
12.根据权利要求9所述的磁随机存储单元的数据写入方法，其特征在于，所述向所述底电极中通入电流包括：
在底电极的第一端和底电极的第二端之间通入水平方向的电流。
13.根据权利要求9所述的磁随机存储单元的数据写入方法，其特征在于，所述向所述底电极中通入电流包括：
根据待写入的数据通入正电流或负电流。
14.一种磁随机存储单元的数据读取方法，其特征在于，包括：
向沿竖向依次设置的铁电薄膜层、底电极以及隧道结施加电压，以从所述隧道结中读取数据。
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