[发明专利]一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元

说明书

技术领域

本发明提供一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元，属于非挥发性存储器技术领域。

背景技术

近年来随着新兴非挥发存储器技术的不断发展，其已变得越来越成熟。这些新兴的非挥发存储器技术结合了静态随机存储器（SRAM）的高速度、动态随机存储器（DRAM）的高密度及闪存（Flash）的非挥发性，已经被证明在通用存储器层次结构设计中具有很大的潜力。在这些新兴的非挥发存储器技术中，由于具有高读写速度、高密度、低读写电压、低功耗、长数据保存时间及高寿命等特性，自旋转移力矩存储器STT-RAM（Spin Transfer Torque Random Access Memory）和氧化物存储器OxRRAM（Oxide Resistive Random Access Memory）被证明是目前最有希望的两种通用存储器技术。STT-RAM具有较高的读写速度，可替代SRAM进行高速计算；OxRRAM具有较高的密度，可替代DRAM进行大容量存储。

目前采用STT-RAM和RAM对存储器层次结构设计面临着三大问题：

1.随着工艺的不断发展，STT-RAM的可靠性降低，不能用于高速计算；

2.与STT-RAM相比，OxRRAM的写速度较低，也不能用于高速计算；

3.这种存储器层次结构设计方法仍没有打破层间约束、降低数据传输时延及带来的动态功耗、增加存储层容量。

发明内容

一、发明目的：

针对上述背景中提到的采用STT-RAM和OxRRAM进行存储器层次结构设计面临的问题，本发明提出了一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元。

二、技术方案：

本发明的技术方案是，一种新型可高速计算、大容量存储的存储单元，其特征是该存储单元从下到上由底端电极（10-200nm），反铁磁金属混合层（0-20nm），铁磁金属一（0-3nm），氧化物一（0-2nm），铁磁金属二（0-3nm），金属一（0-100nm），氧化物二（0-100nm），金属二（0-100nm）及顶端电极10-200nm）共九层构成；

本发明所述的存储单元是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的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制备的；

本发明所述的存储单元的形状为正方形、长方形（长宽比可以是任意值）、圆形或椭圆形（长宽比可以是任意值），也就是说该存储单元的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种；

本发明所述的存储单元的结构特点是由OxRRAM的MIM（Metal Insulator Metal：金属绝缘物金属）存储单元和STT-RAM的MTJ（Magnetic Tunnel Junction：磁性隧道结）存储单元堆叠而成，其生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成；

所述氧化物一是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al₂O₃（即MgO及Al₂O₃中的一种），用于产生隧穿效应来传输自旋信号；

所述氧化物二是指二氧化铪HfO₂、二氧化钛TiO₂、五氧化二钽Ta₂O₅、氧化亚铜Cu₂O或氧化镍NiO（即HfO₂、TiO₂、Ta₂O₅、Cu₂O及NiO中的一种），用于存储数据；

所述铁磁金属一是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe（即混合金属材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一种），这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；

所述铁磁金属二是指混合金属材料CoFe、CoFeB或NiFe（即混合金属材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一种），这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；

所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层（即混合金属材料CoFeB/NiFe/PtMn及CoFeB/CoFe/PtMn中的一种）；

所述金属一是指铂Pt、铝Al、镍Ni、铜Cu、钛Ti、金Au、钽Ta、氮化钽TaN、氮化钛TiN或多晶硅（即Pt、Al、Ni、Cu、Ti、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一种）；