[发明专利]磁性存储器阵列及读写控制方法

说明书

本发明提供一种磁性存储器阵列及读写控制方法，阵列包括多个磁性存储器单元，磁性存储器单元包括第一开关、第二开关、第一位单元及第二位单元，两位单元共用一自旋轨道转矩层，两位单元通过自旋轨道转矩层分别与相邻的两条位线连接，两位单元通过第一开关和第二开关与相邻的两条字线连接；读写控制单元，通过源线与至少一个磁性存储器单元连接，控制至少一个磁性存储器单元中的第一开关和第二开关的工作状态以读取或者设置位单元的状态。与传统的SOT‑MRAM器件结构相比，本发明可以减小约40％的存储单元面积，几乎可以达到2端器件STT‑MRAM的集成密度，解决了SOT‑MRAM单元面积大的问题。

技术领域

本发属于半导体存储设计及制造领域，特别是涉及一种磁性存储器阵列及读写控制方法。

背景技术

随着半导体工艺特征尺寸的持续减小，由晶体管漏电流所引起的静态功耗在集成电路总功耗中所占的比例日益增大，引起严重的能量浪费。新兴的非易失性存储器能够在断电状态下保存数据，是解决集成电路静态功耗问题的有效方案之一。其中，基于磁隧道结的磁性随机访问存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)因其具有高速、低功耗和无限擦写等优势而有望成为下一代通用非易失性存储器。MRAM存储器件是一种基于磁性隧穿结结构的自旋电子器件，MRAM的储存单元是磁性隧道结(Magnetic TunnelJunction，简称MTJ)，是两层磁性薄膜中间夹以一层氧化层，即隧穿层(tunnelingbarrier)，例如氧化镁(MgO)。有一层磁性薄膜的自旋磁矩是被固定住的，叫固定层(pinnedlayer)；另一层则是可以翻转的，用来存储信息，叫自由层(free layer)或存储层(storagelayer)。改变磁性隧穿结一端的自由层的铁磁材料磁矩方向可改变不同自旋方向的电子的隧穿几率，从而改变磁性隧穿结的整体电阻，并以此实现数据的存储。第一代MRAM需要通过磁场实现数据写入，所需的写入电流较高，更严重的问题是，随着器件尺寸的减小，磁场写入技术所需的电流值无法降低，制约着大容量低功耗MRAM的研制。

为克服MARM的上述缺点，自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)技术被提出并应用于MRAM的数据写入操作。STT-MRAM利用电子自身的自旋矩来改变磁性隧穿结中自由层的磁矩方向，具有结构简单、集成密度大、功耗低等优点。然而，该方式却存在难以克服的瓶颈：在写入初始阶段，由于磁性薄膜材料的阻尼特性，微弱的自旋转移矩不足以改变自由层的自旋方向，导致初始延迟，限制了写入速度，难以满足高速缓存要求。另外，写操作时大量电流需要直接穿过磁性隧穿结，造成隧穿层的老化，影响器件的使用寿命。

作为STT-RARM的下一代产品，SOT-MRAM(Spin Orbit Torque-MagnetoresistiveRandom Access Memory)读写通路分开，写操作时电流不流经磁性隧穿结而是通过一个SOT层，利用自旋霍尔效应(Spin Hall effect，SHE)实现对自由层的翻转。SOT-MRAM优化了STT-MRAM的性能，具有更快速的写入速度，更长的耐击穿性能，器件可靠性更佳，同时具备不可挥发性，是取代传统L1/L2缓存的最有潜力的技术之一。但是SOT-MRAM由于引入了一个SOT层，一般每一个存储单元只能存储一个位，且需要3个端口来进行读写操作，单元面积较大，存储密度较低。

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磁性存储器阵列及读写控制方法，用于解决现有技术中SOT-MRAM的存储密度较低的问题。