[发明专利]单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器

说明书

本发明属于存储器技术领域，具体为一种单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器。本发明存储器的存储单元包括：一个重金属导电层、一个磁阻元件和两个开关元件；磁阻元件有三层，分别是磁化方向固定的磁性材料层、非磁性材料层、磁化方向可变的磁性材料层；第一开关元件用于控制存储单元写入通路的导通或关闭，第二开关元件用于控制存储单元读取通路的导通或关闭；当第一开关元件是NMOS管时，第二开关元件是PMOS管；当第一开关元件是PMOS管时，第二开关元件是NMOS管。本发明的自旋轨道矩磁性随机存储器，利用NMOS管和PMOS管分别控制写入和读取操作，从而将传统方案中的写字线与读字线合并，实现减小面积代价、简化控制逻辑的效果。

技术领域

本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种自旋轨道矩磁性随机存储器。

背景技术

在过去几十年里，静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)一直是片上嵌入式存储器的主流解决方案。随着工艺和设计技术的不断发展，单个集成电路上集成的处理器核心数越来越多，使得单个芯片对片上静态随机存储器的集成度、容量和带宽要求越来越高。因此，有了这些不断提高的要求，在1994-2008年这十几年间，静态随机存储器的发展迅速：在每个新的工艺代，静态随机存储器的存储单元面积都会减少一半。然而近年来，这种发展趋势遇到了很大的阻力。工艺尺寸的减小，增加了工艺制造的难度，制造过程中参数的随机变化引起器件阈值电压的波动，从而影响存储单元的稳定性，使得高密度的存储阵列很难拥有宽裕的噪声容限。这也限制了高密度静态存储器性能的提高与功耗的降低，使静态随机存储器不能向既定的方向发展。因此，寻找新的存储器方案以替代静态随机存储器成为了进一步显著提高芯片性能的必由之路。

进一步来说，我们要求下一代存储器方案同时具有以下四点特性：低功耗、高性能、与CMOS标准工艺兼容性好与可微缩性强。自旋轨道矩磁性随机存储器(Spin-orbit-torque Magnetic Random Access Memory, SOT MRAM)因此成为了有利竞争者，基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)使其具有非易失性，静态功耗极低；读写路径可被单独优化，动态功耗也相当低；读写速度快，并且易集成，可与CMOS标准工艺兼容；另外，它的耐久性几乎是无限的，而且在常温下的保持性也超过10年，使得它在传感器网络、物联网、大数据等领域有极大潜力。

然而相比于其他方案，基本的自旋轨道矩磁性随机存储器方案的单个存储单元面积较大，且控制逻辑复杂——一个存储单元由两个MOS管和一个磁性隧道结组成，并由一条源线、两条字线（写字线与读字线）以及两条位线（写位线与读位线）所控制。目前关于减小其面积代价、简化控制逻辑的方案虽然存在，但它们可操作性都不强，这一问题仍待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种面积代价低、控制逻辑简单的自旋轨道矩磁性随机存储器方案。

本发明提供的单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器，其存储单元包括一个重金属导电层、一个磁阻元件和两个开关元件。其中，第一个开关元件的第一端与写位线相连，第二端与重金属导电层第一端相连，控制端与字线相连。重金属导电层第二端与源线相连。磁阻元件第一端与第二个开关元件的第一端相连，第二端邻接到所述重金属导电层第一端与第二端之间的中间位置。第二个开关元件的第二端与读位线相连，控制端与字线相连。

上述重金属导电层可以是铂、钽、金、钨或者钯。

上述磁阻元件由三层组成，第一层是磁化方向固定的磁性材料层，第二层是非磁性材料层，第三层是磁化方向可变的磁性材料层。其磁化方向固定的磁性材料层作为磁阻元件的第一端，磁化方向可变的磁性材料层作为磁阻元件的第二端邻接在重金属导电层第一端与第二端的中间位置。