[发明专利]一种自旋轨道矩磁存储器

说明书

本发明提供了一种自旋轨道矩磁存储器，包括磁性隧道结、金属电极、位线、源线、第一字线、第二字线、第一场效应管、第二场效应管；金属电极表面靠近磁性隧道结的记忆层；第一场效应管连接第一字线、位线、金属电极的第一端，金属电极的第二端连接源线；第二场效应管连接第二字线、位线、磁性隧道结。磁存储器的存储单元采用不同尺寸的场效应管分别控制读写操作，读、写场效应管交错排布，节省面积。当磁存储器实施读操作时，读取电流通过磁性隧道结；当磁存储器实施写操作时，写入电流部分流过磁性隧道结部分流过金属电极，或完全流过金属电极。本发明提供的自旋轨道磁矩存储器有助于同时实现存储器的高速读写操作、长擦写寿命、和小尺寸。

技术领域

本发明涉及一种存储装置，具体涉及一种自旋轨道矩磁存储器，属于集成电路存储器芯片技术领域。

背景技术

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。它的经济性相当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术中最优异。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。通过测量MTJ的电阻状态来判断所存储的信号是0还是1。

对于MRAM的写操作有多种方法，并以此区分出第一代和第三、四代MRAM技术。当前工业界主流采用第三代MRAM技术，即自旋转矩MRAM(spin transfer torque MRAM)。该技术采用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自上而下的电流把可变磁化层置成与固定层平行的方向，自下而上的电路把它置成反平行的方向，从而实现对存储位元的写入。

每个MRAM的存储单元由一个MTJ和一个NMOS选择管组成，该存储单元通过位线、源线同外部读写电路相连接，实现数据的读取和写入。字线连接到场效应管的栅极，通过控制栅极电位来实现场效应管的接通和关断，从而实现对于存储单元的选择性写入和读取。每个存储单元需要连接三根线：NMOS的栅极连接到芯片的字线(Word Line)32，负责接通或切断这个单元；NMOS的一极连在源线(Source Line)34上，NMOS的另一极和磁性隧道结31的一极相连，磁性隧道结31的另一极连在位线(Bit Line)33上，磁性隧道结31和位线33之间设有一层非磁性材料隔离层36，NMOS的体35也可根据需要连接至电路，如图3所示。一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：行地址解码器：把收到的地址变成字线的选择；列地址解码器：把收到的地址变成位线的选择；读写控制器：控制位线上的读(测量)写(加电流)操作；输入输出控制：和外部交换数据。

如图4所示，一个存储阵列中的字线43和位线44一定是垂直的，存储阵列中的每个存储单元由磁性隧道结41和场效应管42组成。相对简单的设计是位线44和源线45平行。写操作时，字线43电位升高打开一行存储单元，然后根据每一个存储单元写入0或1的需求，分别在位线44或源线45上加高电位。