[发明专利]磁性随机存储器的存储单元及数据多态存储控制方法

说明书

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。

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。