CN113744777B - 磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法。其中，该存储单元包括：一个磁性隧道结和两个NMOS晶体管；其中，所述磁性隧道结串联在所述两个NMOS晶体管之间；其中，第一NMOS晶体管的源极接写位线，漏极经底电极后接源极线，栅极接写字线；第二NMOS晶体管漏极接读位线，源极接顶电极，栅极接读字线；所述磁性隧道结为多椭圆交叉结构，其中，所述磁性隧道结中固定层的磁矩方向、底电极电流方向和所述多椭圆的长轴方向呈0‑90°的角度。本发明实施例采用特定MTJ结构的存储单元，通过电流控制实现单个存储单元中的多个不同阻态，从而真正实现了单器件的多位存储，有效提升了存储密度。
Description
技术领域
本发明涉及磁存储技术领域，具体涉及一种磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法。
背景技术
随着电子设备软硬件性能的不断更新升级，市场针对存储器的存储密度和存储速度提出了更高的要求。现阶段28nm及以下制程工艺的电子设备常使用磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)。磁性随机存储器综合了静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度的优点，同时还具备低功耗、数据保存时间长以及可以无限次重复写入等特性，因此既可用于大规模数据存储，也可用于逻辑计算，已经被证明是目前最有发展前景的下一代通用存储器技术。
随着自旋电子学和材料物理学的快速发展，磁存储器由第一代toggle-MRAM经过技术更新迭代发展到今天第四代SOT(Spin Orbit Torque，自旋轨道矩)-MRAM。其中，磁性隧道结(Magnetic tunnel junction，MTJ)是SOT-MRAM的基本存储单元，通常由中间用氧化物绝缘层间隔开的两层铁磁层构成类似于三明治结构，当上下两层铁磁层磁矩方向相同时器件为低阻态(电流易通过)，上下两层铁磁层磁矩方向相反时器件为高阻态(电流不易通过)，由这两个不同阻态分别代表二进制数据“0”和“1”，从而实现了数据信息的存储。
然而，上述常规SOT-MRAM每个单元只能存储1个二进制位(bit，比特)，如果想进一步提升器件存储密度，现有技术主要通过降低MTJ尺寸实现，在某些方案中还可通过MTJ堆叠或串联来实现某种意义上的多位存储(即1个存储单元可以表示多个bit的信息)。但是，现有技术的上述两种方式均存在一些明显的缺陷：降低MTJ尺寸的方式对制备工艺要求较高，生产设备、工艺精度及良品率等均很难满足，成本较高难以实现；而且现有技术中，SOT器件外围连接的CMOS器件也会占用较大的面积，单纯缩小MTJ尺寸对于提高集成度并没有明显改善，并不能有效提升存储密度。而堆叠或串联MTJ的方式实际上是靠集成的多器件实现，一方面并未真正实现单器件的多位存储，另一方面其多位存储的实现需要特定的阵列和电路配合，设计和制备工艺更加复杂，难以生产且难以实现数据的一步写入。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明实施例提出了一种磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法，通过对特定MTJ结构的电流控制实现真正的单器件多位存储。
本发明实施例的第一方面提供了一种磁性随机存储器的存储单元，包括：一个磁性隧道结和两个NMOS晶体管；其中，所述磁性隧道结串联在所述两个NMOS晶体管之间；其中，第一NMOS晶体管的源极接写位线，漏极经底电极后接源极线，栅极接写字线；第二NMOS晶体管漏极接读位线，源极接顶电极，栅极接读字线；所述磁性隧道结为多椭圆交叉结构，其中，所述磁性隧道结中固定层的磁矩方向、底电极电流方向和所述多椭圆的长轴方向呈0-90°的角度。
在一些实施例中，所述磁性隧道结包括：两个铁磁层和设置在所述两个铁磁层中间的隔离层；其中，所述两个铁磁层中包括一个具有预设磁化方向的固定层以及一个磁化方向可变的自由层，所述两个铁磁层为面内磁各向异性的铁磁材料薄膜。
在一些实施例中，所述多椭圆交叉结构由多个椭圆叠加而成，所述多个椭圆为各个椭圆大小和/或长短轴比相同或不同的任意组合。
在一些实施例中，所述多椭圆交叉结构中的多个椭圆均匀分布且在中心部位交叉的平面结构。
在一些实施例中，所述固定层的磁矩方向与所述多椭圆中的第一椭圆的长轴方向的夹角为第一预设角度，所述底电极电流方向与所述第一椭圆的长轴方向的夹角为第二预设角度；所述第一预设角度和所述第二预设角度均为锐角。
在一些实施例中，当所述多椭圆交叉结构为两椭圆交叉时，所述第一预设角度的大小与隧穿磁阻的大小相关，所述第二预设角度的大小与多阻态的差值大小相关。
本发明实施例的第二方面提供了一种数据多态存储控制方法，所述方法应用于如上述实施例所述的存储单元中，所述方法包括：沿所述存储单元的磁性隧道结中底电极电流方向分别通入不同方向和/或不同密度的电流，使所述磁性隧道结中自由层在多椭圆中的磁矩分布为多个不同的方向组；所述多个不同的方向组使所述自由层与所述磁性隧道结中固定层之间形成多个不同阻态；分别识别所述多个不同阻态，并将不同阻态分别代表不同的二进制数据进行存储和/或读取。
在一些实施例中，所述方法中：所述多个不同的方向组使所述自由层的磁矩方向与所述固定层磁矩方向分别形成多个不同夹角，进而使所述自由层与所述固定层之间形成多个不同阻态。
在一些实施例中，当所述多椭圆交叉结构为两椭圆交叉时，所述沿所述存储单元的磁性隧道结中底电极电流方向分别通入不同方向和/或不同密度的电流包括：沿所述底电极电流方向通入大密度的负电流、沿所述底电极电流方向通入密度适中的正电流、沿所述底电极电流方向通入大密度的正电流、以及沿所述底电极电流方向通入密度适中的负电流。
本发明实施例采用特定磁性隧道结MTJ结构的存储单元，通过电流控制实现单个存储单元中的多个不同阻态，从而真正实现了单器件的多位存储，有效提升了存储密度。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是根据本发明的一些实施例所示的一种磁性随机存储器的存储单元的结构示意图；
图2是根据本发明的一些实施例所示的两椭圆交叉的磁性隧道结MTJ的结构示意图；
图3是根据本发明的一些实施例所示的多椭圆交叉结构中椭圆形式的典型示例；
图4是根据本发明的一些实施例所示的在两椭圆交叉的磁性隧道结MTJ中通入不同方向和密度的电流时的自由层不同磁矩分布情况示意图；
图5是根据本发明的一些实施例所示的电流密度J与4个不同阻态的磁电的模拟曲线示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例阐述了本发明的许多具体细节，以便提供对相关披露的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来讲，本发明显而易见的可以在没有这些细节的情况下实施。应当理解的是，本发明中使用“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”术语，是用于区分在顺序排列中不同级别的不同部件、元件、部分或组件的一种方法。然而，如果其他表达式可以实现相同的目的，这些术语可以被其他表达式替换。
应当理解的是，当设备、单元或模块被称为“在……上”、“连接到”或“耦合到”另一设备、单元或模块时，其可以直接在另一设备、单元或模块上，连接或耦合到或与其他设备、单元或模块通信，或者可以存在中间设备、单元或模块，除非上下文明确提示例外情形。例如，本发明所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列条目的任何一个和所有组合。
本发明所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本发明范围。如本发明说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，而该类表述并不构成一个排它性的罗列，其他特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件也可以包含在内。
参看下面的说明以及附图，本发明的这些或其他特征和特点、操作方法、结构的相关元素的功能、部分的结合以及制造的经济性可以被更好地理解，其中说明和附图形成了说明书的一部分。然而，可以清楚地理解，附图仅用作说明和描述的目的，并不意在限定本发明的保护范围。可以理解的是，附图并非按比例绘制。
本发明中使用了多种结构图用来说明根据本发明的实施例的各种变形。应当理解的是，前面或下面的结构并不是用来限定本发明。本发明的保护范围以权利要求为准。
为提升MRAM的存储密度，现有技术进行了多种尝试，然而无论是降低MTJ尺寸还是多个MTJ堆叠/串联的方式均不太理想，制备难度较大且效果均不理想。
有鉴于此，在本发明的实施例中提供了一种磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法，采用特定MTJ结构的存储单元，通过电流控制实现单个存储单元中的多个不同阻态，从而真正实现了单器件的多位存储，有效提升了存储密度。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，首先提供了一种SOT-MRAM存储单元，包括：一个磁性隧道结MTJ和两个NMOS晶体管；其中，所述磁性隧道结MTJ串联在所述两个NMOS晶体管之间，所述磁性隧道结MTJ为多椭圆交叉结构。
在本发明的实施例中，多椭圆交叉结构的MTJ用于实现单器件的多态存储(即利用多个电阻态来存储多于1个二进制位的数据，也可以称为多位存储或多比特/bit存储)；两个NMOS晶体管用于对存储单元进行访问控制。更具体地，在图1所示的优选实施例中，第一NMOS晶体管的源极接写位线(WriteBitLine，WBL)，漏极经底电极后接源极线(SourceLine，SL)，栅极接写字线(WriteWordLine，WWL)；第二NMOS晶体管漏极接读位线(ReadBitLine，RBL)，源极接顶电极，栅极接读字线(ReadWordLine，RWL)。这样，在本发明的实施例中，通过控制字线和位线的电压即可控制两个NMOS晶体管的开关，进一步控制存储单元的选择。其中，当读字线或写字线为低电平时，NMOS晶体管处于关态，存储单元不可访问；当读字线或写字线同时为高电平时，NMOS晶体管处于开启状态，存储单元可访问，可对其进行读写操作。
其中，在本发明的实施例中，SOT-MRAM存储单元的核心器件是多椭圆交叉结构的MTJ，图2给出了本发明的一个优选实施例中双椭圆交叉结构的MTJ的基本示意图。需要说明的是，图2仅仅是一种优选的实施例，为了便于描述而以两椭圆交叉为例进行了说明，事实上本发明的技术方案可采用n(n≥2)个椭圆交叉形成的结构，图2的优选实施例不应视作对本发明具体实施方式的限制。
具体地，在图2的优选实施例中，双椭圆交叉结构的MTJ为多层级元件。典型地，本发明实施例中的MTJ自上而下包括顶电极、第一铁磁层、隔离层(Isolation Layer，IL)、第二铁磁层和底电极；其中，两个铁磁层中包括一个磁化方向固定不变的参考层(ReferenceLayer，RL，又称固定层Pinned Layer)，以及一个磁化方向可变的自由层(Free Layer，FL)。在图1的优选实施例中，上层的第一铁磁层为参考层RL，下层的第二铁磁层为自由层FL，这两层与中间的隔离层IL共同构成了一种类似于三明治的结构。本领域相关技术人员应当理解，图1仅仅是优选的实施方式之一，根据器件的实际需要将图1中的两个铁磁层互换显然也是可行的，因而图1的示例不应视作对本发明具体实施方式的限制。
在本发明的优选实施例中，两个铁磁层均由至少一种铁磁金属材料构成(通常是多种金属的合金)，比如钴、铁、镍中的至少一种，进而还可与硼、铝等任意组合，铁磁层厚度通常为0-3nm；中间的隔离层IL由氧化物材料构成，一般为金属氧化物，比如氧化铝、氧化镁、氧化铪、氧化锆中的至少一种，其构成了具有一定磁阻的隧穿势垒层，隔离层厚度通常为0-2nm；底电极优选由重金属材料构成，厚度通常为2-10nm；顶电极厚度通常为50-400nm。
在本发明的实施例中，采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法将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得到具有特定结构的存储单元。优选地，第一铁磁层为参考层/固定层，其磁矩方向与磁场退火方向一致(即由制备时的磁场退火方向控制固定层磁矩方向)，该方向与第一椭圆的长轴方向的夹角为第一预设角度；底电极电流方向与第一椭圆的长轴方向的夹角为第二预设角度；其中，第一预设角度和第二预设角度均为锐角，且两角度不同(两角度均以第一椭圆的长轴方向作为参考，亦即固定层的磁矩方向/磁场退火方向与底电极电流方向不同)。
在本发明的一个实施例中，多椭圆交叉结构可以采用方式实现。其中，椭圆的数量可以根据多态存储的需要而选择任意多个，椭圆尺寸(一般用长轴长度来衡量)可为纳米级(3nm-100nm)或微米级(100nm-20um)，具体根据存储单元制备工艺和MTJ尺寸要求确定。如图3所示，椭圆的具体形式也不受限制，可采用长短轴比为1：2-1：8区间的所有椭圆，同时多个椭圆可以是相同和/或不同尺寸椭圆的任意组合。优选地，所述多椭圆交叉结构中的多个椭圆均匀分布且在中心部位交叉。本领域相关技术人员应当理解，图2或图3的优选实施例不应视作对本发明具体实施方式的限制。
在本发明的实施例中，磁性隧道结MTJ的两个铁磁层磁性薄膜为面内磁各向异性(In-plane Magnetic Anisotropy，IMA)的铁磁材料，对于这种具有面内磁各向异性的磁性隧道结MTJ，其自由层的磁矩方向在SOT(Spin-orbit torque，自旋轨道矩)电流的作用下可以向易磁轴偏转。本发明实施例的技术方案中，由于自由层的磁矩方向可以有多种改变方式，自由层磁矩方向与固定层磁矩方向会有多个不同的夹角进而形成多个不同且稳定的阻态，因而有效实现了多态存储。
其中，在本发明的一个实施例中，基于上述实施例中存储单元，还提供了一种数据多态存储控制方法，包括：沿所述存储单元的磁性隧道结中底电极电流方向分别通入不同方向和/或不同密度的电流，使所述磁性隧道结中自由层在多椭圆中的磁矩分布为多个不同的方向组；所述多个不同的方向组使所述自由层与所述磁性隧道结中固定层之间形成多个不同阻态；分别识别所述多个不同阻态，并将不同阻态分别代表不同的二进制数据进行存储和/或读取。其中，在本发明的实施例中，每个方向组对应由一个具有确定方向和具体密度的电流产生，且每个方向组对应形成一个具体的阻态；阻态与二进制数据的具体对应方式可以自由指定或依据行业标准/惯例确定。
优选地，仍以图2中两椭圆交叉的MTJ为例，如图4所示，假设画面中垂直方向的第一椭圆的长轴为y方向(进一步区分为向上的+y方向和向下的-y方向)，水平方向的第二椭圆的长轴为x方向(进一步区分为向右的+x方向和向左的-x方向)；根据制备时的约束，底电极电流方向与第一椭圆的长轴方向(即y方向)的夹角为第二预设角度，比如图4中优选为70°(因xy方向相互垂直，也可认为底电极电流方向与第二椭圆的长轴方向的夹角为20°)。其中，因两个椭圆的长轴方向与底电极电流方向的夹角不一样，自由层磁矩的翻转有先后顺序，因此器件会有部分翻转的中间阻态，具体的夹角设置会影响具体的中间阻态以及中间阻态与高低阻态的差值等参数，因而可根据器件中间阻态的需求设置该夹角(第二预设角度)。
当沿底电极电流方向I通入不同电流时，自由层磁矩的分布情况会发生明显的变化：首先当沿底电极电流方向I通过密度足够大(应保证磁矩方向稳定但又低于器件击穿电流)的负电流时，较大的电流密度能够保证将自由层两椭圆磁矩方向分别拉到+x和+y方向，如图4a所示，此时自由层磁矩方向(可等效为指向第一象限45°的方向)与固定层磁矩方向(如前所述的磁场退火方向，图4中未示出)有第一夹角，进而两者形成第一阻态R1；然后沿底电极电流方向I通过密度适中的正电流，由于两个椭圆与SOT电流夹角不同，SOT效率不同，密度适中的正电流只能够翻转第一椭圆的磁矩而无法翻转第二椭圆的磁矩，如图4b所示，因而自由层磁矩分布为+x和-y方向，此时自由层磁矩方向(可等效为指向第四象限45°的方向)与固定层磁矩方向(同前，该方向不变)有第二夹角，进而两者形成第二阻态R2；进而沿底电极电流方向I通入密度足够大的正电流，较大的电流密度能够保证将自由层两椭圆磁矩方向均翻转，如图4c所示，因而自由层磁矩分布为-x和-y方向，此时自由层磁矩方向(可等效为指向第三象限45°的方向)与固定层磁矩方向有第三夹角，进而两者形成第三阻态R3；最后沿底电极电流方向I通过密度适中的负电流，此时与之前原理相同，只能够翻转第一椭圆的磁矩而无法翻转第二椭圆的磁矩，因而如图4d所示，自由层磁矩分布为-x和+y方向，此时自由层磁矩方向(可等效为指向第二象限45°的方向)与固定层磁矩方向有第四夹角，进而两者形成第四阻态R4。
从上述优选实施例的说明可以看出，多椭圆交叉结构主要对自由层磁矩方向变化做出贡献，而固定层磁矩方向固定保持不变，因此在本发明一个更优选的实施例中，可以仅要求自由层采用多椭圆交叉结构，而对磁性隧道结MTJ中其他层的结构形状不做限制。当然，该优选实施例的方式可能会增大器件的制备难度，带来一定成本压力，仅作为可选的实施方式供本领域技术人员参考。
图5进一步给出了上述优选实施例中电流密度J与4个不同阻态的磁电阻MR(MagnetoResistance)的模拟曲线示意图。通过上述典型示例，本发明的优选实施例以两椭圆交叉结构的MTJ实现了稳定的4个不同阻态，可以由这4个不同阻态分别代表二进制数据“00”、“01”、“10”和“11”，从而实现了可靠的单器件多位存储(该优选实施例可实现单器件存储2位信息)，可有效提升整体存储密度。
进一步地，本发明的优选实施例还可以通过对上述方向、夹角和椭圆尺寸(包括但不限于长轴长度、长短轴比等)中至少一项的调整来进行优化，以实现对多个阻态的大小调节，还可进一步确保多个阻态的区分度大且状态稳定。其中，在本发明的一个优选实施例中，经过发明人进行多次实验及测算，当固定层的磁矩方向与第一椭圆的长轴方向的夹角为27°时，器件的隧穿磁阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)大小最大，可得到最为理想的多阻态效应。
在本发明的实施例中，通过具有多椭圆交叉结构的MTJ器件，在底电极通入不同方向和密度的电流时可以实现稳定的多个阻态，真正实现了在不增大现有器件面积和工艺复杂度的情况下单个器件的多比特存储，有效的降低多态存储器件工艺复杂度。
本发明实施例中所述的存储单元和所述多态存储控制方法进一步可应用到任意随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)中，以及任何使用RAM的电子设备中。当然，本领域技术人员可以理解，除RAM外的其他形式的存储器在有需求时也可按本发明实施例中技术方案的原理来实现，相关电子设备包括但不限于手持式设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程器件的消费电子产品、小型计算机、大型计算机、移动终端等，也可使用在任何由通过通信网络连接远程处理设备的集中式或分布式计算环境中。因而不应对本发明实施例的具体应用形式做出明确的限制。
综上所述，本发明实施例提出了一种磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法。本发明实施例采用特定MTJ结构的存储单元，通过电流控制实现单个存储单元中的多个不同阻态，从而真正实现了单器件的多位存储，有效提升了存储密度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种磁性随机存储器的存储单元，其特征在于，包括：一个磁性隧道结和两个NMOS晶体管；其中，
所述磁性隧道结串联在所述两个NMOS晶体管之间；其中，第一NMOS晶体管的源极接写位线，漏极经底电极后接源极线，栅极接写字线；第二NMOS晶体管漏极接读位线，源极接顶电极，栅极接读字线；
所述磁性隧道结为多椭圆交叉结构，其中，所述磁性隧道结中固定层的磁矩方向、底电极电流方向和所述多椭圆的长轴方向呈0-90°的角度；
所述多椭圆交叉结构由多个椭圆叠加而成，所述多个椭圆为各个椭圆大小和/或长短轴比相同或不同的任意组合。
2.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述磁性隧道结包括：两个铁磁层和设置在所述两个铁磁层中间的隔离层；其中，所述两个铁磁层中包括一个具有预设磁化方向的固定层以及一个磁化方向可变的自由层，所述两个铁磁层为面内磁各向异性的铁磁材料薄膜。
3.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述多椭圆交叉结构中的多个椭圆均匀分布且在中心部位交叉的平面结构。
4.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述固定层的磁矩方向与所述多椭圆中的第一椭圆的长轴方向的夹角为第一预设角度，所述底电极电流方向与所述第一椭圆的长轴方向的夹角为第二预设角度；所述第一预设角度和所述第二预设角度均为锐角。
5.根据权利要求4所述的存储单元，其特征在于，当所述多椭圆交叉结构为两椭圆交叉时，所述第一预设角度的大小与隧穿磁阻的大小相关，所述第二预设角度的大小与多阻态的差值大小相关。
6.一种数据多态存储控制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-5中任一项所述的存储单元中，所述方法包括：
沿所述存储单元的磁性隧道结中底电极电流方向分别通入不同方向和/或不同密度的电流，使所述磁性隧道结中自由层在多椭圆中的磁矩分布为多个不同的方向组；
所述多个不同的方向组使所述自由层与所述磁性隧道结中固定层之间形成多个不同阻态；
分别识别所述多个不同阻态，并将不同阻态分别代表不同的二进制数据进行存储和/或读取。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法中：
所述多个不同的方向组使所述自由层的磁矩方向与所述固定层磁矩方向分别形成多个不同夹角，进而使所述自由层与所述固定层之间形成多个不同阻态。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述多椭圆交叉结构为两椭圆交叉时，所述沿所述存储单元的磁性隧道结中底电极电流方向分别通入不同方向和/或不同密度的电流包括：
沿所述底电极电流方向通入大密度的负电流、沿所述底电极电流方向通入密度适中的正电流、沿所述底电极电流方向通入大密度的正电流、以及沿所述底电极电流方向通入密度适中的负电流。
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