一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于非揮發(fā)性存儲器【技術(shù)領(lǐng)域】，它是一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，該存儲單元從下到上由底端電極、反鐵磁金屬混合層、鐵磁金屬一、氧化物一、鐵磁金屬二、金屬一、氧化物二、金屬二及頂端電極共九層構(gòu)成，采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進行光刻、刻蝕傳統(tǒng)納米器件加工工藝來進行制備；其結(jié)構(gòu)特點為由OxRRAM的存儲單元MIM和STT-RAM的存儲單元MTJ堆疊而成；其具有大容量存儲、高速計算的特性，可用于存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，將數(shù)據(jù)存儲層和邏輯計算存儲層合并，在保持高速計算的同時，增大存儲層容量，實現(xiàn)非揮發(fā)存儲并降低功耗。
【專利說明】一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，屬于非揮發(fā)性存儲器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著新興非揮發(fā)存儲器技術(shù)的不斷發(fā)展，其已變得越來越成熟。這些新興的非揮發(fā)存儲器技術(shù)結(jié)合了靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的高速度、動態(tài)隨機存儲器(DRAM)的高密度及閃存(Flash)的非揮發(fā)性，已經(jīng)被證明在通用存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有很大的潛力。在這些新興的非揮發(fā)存儲器技術(shù)中，由于具有高讀寫速度、高密度、低讀寫電壓、低功耗、長數(shù)據(jù)保存時間及高壽命等特性，自旋轉(zhuǎn)移力矩存儲器STT-RAM (Spin TransferTorque Random Access Memory)和氧化物存儲器0xRRAM(Oxide Resistive Random AccessMemory)被證明是目前最有希望的兩種通用存儲器技術(shù)。STT-RAM具有較高的讀寫速度，可替代SRAM進行高速計算；0xRRAM具有較高的密度，可替代DRAM進行大容量存儲。
[0003]目前采用STT-RAM和RAM對存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨著三大問題:
[0004]1.隨著工藝的不斷發(fā)展，STT-RAM的可靠性降低，不能用于高速計算；
[0005]2.與STT-RAM相比，OxRRAM的寫速度較低，也不能用于高速計算；
[0006]3.這種存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計方法仍沒有打破層間約束、降低數(shù)據(jù)傳輸時延及帶來的動態(tài)功耗、增加存儲層容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一、發(fā)明目的:
[0008]針對上述背景中提到的采用STT-RAM和OxRRAM進行存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的問題，本發(fā)明提出了一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元。
[0009]二、技術(shù)方案:
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征是該存儲單元從下到上由底端電極(10-200nm),反鐵磁金屬混合層(0_20nm),鐵磁金屬一(0_3nm),氧化物一(0_2nm),鐵磁金屬二(0_3nm),金屬一(O-1OOnm),氧化物二(O-1OOnm),金屬二(O-1OOnm)及頂端電極10-200nm)共九層構(gòu)成；
[0011]本發(fā)明所述的存儲單元是通過采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝來制備的；
[0012]本發(fā)明所述的存儲單元的形狀為正方形、長方形(長寬比可以是任意值)、圓形或橢圓形(長寬比可以是任意值)，也就是說該存儲單元的形狀為正方形、長方形、圓形及橢圓形中的一種；
[0013]本發(fā)明所述的存儲單元的結(jié)構(gòu)特點是由OxRRAM的MIM(Metal Insulator Metal:金屬絕緣物金屬)存儲單元和STT-RAM的MTJ (Magnetic Tunnel Junction:磁性隧道結(jié))存儲單元堆疊而成，其生產(chǎn)流程是通過傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)后端工藝集成；
[0014]所述氧化物一是指氧化鎂MgO或三氧化二鋁Al2O3 (即MgO及Al2O3中的一種)，用于產(chǎn)生隧穿效應(yīng)來傳輸自旋信號；
[0015]所述氧化物二是指二氧化鉿HfO2、二氧化鈦TiO2、五氧化二鉭Ta2O5、氧化亞銅Cu2O或氧化鎳NiO (即Hf02、Ti02、Ta205、Cu20及NiO中的一種)，用于存儲數(shù)據(jù)；
[0016]所述鐵磁金屬一是指混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe (即混合金屬材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一種),這些混合金屬材料中各個兀素組成可以不一樣；
[0017]所述鐵磁金屬二是指混合金屬材料CoFe、CoFeB或NiFe (即混合金屬材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一種)，這些混合金屬材料中各個元素組成可以不一樣；
[0018]所述反鐵磁金屬混合層是指由混合金屬材料鈷鐵硼CoFeB/鎳鐵NiFe/猛鉬PtMn或鈷鐵硼CoFeB/鈷鐵CoFe/錳鉬PtMn構(gòu)成的混合層(即混合金屬材料CoFeB/NiFe/PtMn及 CoFeB/CoFe/PtMn 中的一種)；
[0019]所述金屬一是指鉬Pt、招Al、鎳N1、銅Cu、鈦T1、金Au、鉭Ta、氮化鉭TaN、氮化鈦TiN或多晶硅(即Pt、Al、N1、Cu、T1、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一種)；
[0020]所述金屬二是指鉬Pt、鋁Al、鎳N1、銅Cu、鈦T1、金Au、鉭Ta、氮化鉭TaN、氮化鈦TiN或多晶硅(即Pt、Al、N1、Cu、T1、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一種)；
[0021]所述底端電極是 指鉭Ta、鋁Al或銅Cu (即Ta、Al及Cu中的一種)；
[0022]所述頂端電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu (即Ta、Al及Cu中的一種)；
[0023]本發(fā)明所述的存儲單元的數(shù)據(jù)寫入通過在頂端電極與底端電極兩端加正負(fù)寫入電壓來實現(xiàn)；
[0024]本發(fā)明所述的存儲單元的存儲及計算操作電壓正向有兩個值，負(fù)向也有兩個值；
[0025]該存儲單元需要電壓+VWptl和-Vw1H用于大容量存儲，電壓+Vw2I和-VWy1用于高速計算，其中
[0026]三、優(yōu)點及功效:
[0027]本發(fā)明一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元既可以用于大容量存儲，也可以用于高速計算；
[0028]本發(fā)明一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元可用于存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，將數(shù)據(jù)存儲層和邏輯計算存儲層合并，在保持高速計算的同時，增大存儲層容量，實現(xiàn)非揮發(fā)存儲并降低功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的數(shù)據(jù)寫入方式示意圖，寫入電壓正向有兩個值，負(fù)向也有兩個值；電壓+Vwg和-Vww用于大容量存儲，電壓+VWytl和-Vw2^用于高速計算,其中
[0031]圖3-1為一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的高速計算模式示意圖；
[0032]圖3-2為一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的大容量存儲模式示意圖；
[0033]圖3-1、3-2中的參數(shù)定義為:[0034]R:表不電阻值；
[0035]V:表不電壓值；
[0036]Rap:表不鐵磁金屬層相對磁化方向反向平行時，MTJ的阻值；
[0037]Rp:表不鐵磁金屬層相對磁化方向同行平行時，MTJ的阻值；
[0038]Rmax:表示MM在OFF狀態(tài)的電阻；
[0039]Rmin:表示MM在ON狀態(tài)的電阻；
[0040]Vwap_p:表表不不鐵磁金屬層相對磁化方向由反向平行向同向平行轉(zhuǎn)換時需要的寫入電壓；
[0041]Vwp_ap:表不鐵磁金屬層相對磁化方向由同向平行向反向平行轉(zhuǎn)換時需要的寫入電壓；
[0042]Vwimiin:表示MM從OFF狀態(tài)向ON狀態(tài)轉(zhuǎn)換時需要的寫入電壓
[0043]Vwmin_max:表示MM從ON狀態(tài)向OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)換時需要的寫入電壓；
[0044]其中Vwniin-隱〈Vwp_ap〈0〈Vwap_p〈Vw眶；
[0045]“I”:表示存儲單元寫入的邏輯數(shù)據(jù)I ;
[0046]“O”:表示存儲單元寫入的邏輯數(shù)據(jù)O。
【具體實施方式】·
[0047]參照附圖，進一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點。附圖均為示意圖，其中涉及的各功能層或區(qū)域的厚度非實際尺寸、工作模式中的電阻及電壓值也非實際值。
[0048]在此公開了詳細的示例性的實施例，其特定的結(jié)構(gòu)細節(jié)和功能細節(jié)僅是表示描述示例實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價物和可替換物。
[0049]本發(fā)明提出了一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其既可以用于大容量存儲，也可以用于高速計算，因此可以采用該存儲單元對存儲器層次結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
[0050]圖1為本發(fā)明一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]本發(fā)明一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元從下到上由底端電極(10-200nm),反鐵磁金屬混合層(0_20nm),鐵磁金屬一(0_3nm),氧化物一(0_2nm),鐵磁金屬二(0-3nm),金屬一(O-1OOnm),氧化物二(O-1OOnm),金屬二(O-1OOnm)及頂端電極10-200nm)共九層構(gòu)成；通過采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝來制備該存儲單元；其形狀可以制成正方形、長方形(長寬比可以是任意值)、圓形或橢圓形(長寬比可以是任意值)；其結(jié)構(gòu)特點是由OxRRAM的MM存儲單元和STT-RAM的MTJ存儲單元堆疊而成。
[0052]圖2為本發(fā)明一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的計算及存儲操作數(shù)據(jù)寫入方式示意圖；
[0053]通過在頂端電極與底端電極兩端加正負(fù)寫入電壓來對該存儲單元進行數(shù)據(jù)寫入，其用于計算及存儲操作的電壓正向有兩個值，負(fù)向也有兩個值，即用電壓+Vwg和-Vwh進行大容量存儲，用電壓+Vw2I和-Vw2_i進行高速計算，其中-VwM-V^VCK+Vwj+Vwg ；因此該存儲單元既可以用于大容量存儲，也可以用于高速計算，可用于存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，將數(shù)據(jù)存儲層和邏輯計算存儲層合并，在保持高速計算的同時，增大存儲層容量，實現(xiàn)非揮發(fā)存儲并降低功耗。
[0054]圖3-1、3_2為本發(fā)明一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元的兩種工作模式示意圖，具體如下:
[0055]當(dāng)該存儲單元的MIM處于ON狀態(tài)時，其處于高速計算模式，如圖3_1所示，該模式主要利用STT-RAM的存儲單元MTJ具有高速寫操作的特性，在兩端電極加寫入電壓
Vwp_ap分別進行寫“O”和寫“I”操作。
[0056]當(dāng)該存儲單元的MIM處于OFF狀態(tài)時，其處于大容量存儲模式，如圖3_2所示；該模式主要利用OxRRAM的存儲單元MIM具有高密度的特性，在兩端電極加寫入電壓Vwmax_min和Vmin_max分別進行寫“O”和寫“I”操作。
【權(quán)利要求】
1.一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:該存儲單元從下到上由底端電極、反鐵磁金屬混合層、鐵磁金屬一、氧化物一、鐵磁金屬二、金屬一、氧化物二、金屬二及頂端電極共九層構(gòu)成；該存儲單元采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進行光刻、刻蝕傳統(tǒng)納米器件加工工藝來進行制備；該存儲單元是由OxRRAM的存儲單元MM和STT-RAM的存儲單元MTJ堆疊而成；該存儲單元的數(shù)據(jù)寫入通過在頂端電極與底端電極兩端加正負(fù)寫入電壓來實現(xiàn)；該存儲單元的存儲及計算操作電壓正向有兩個值，負(fù)向也有兩個值；該存儲單元需要電壓+Vw1I和-VWh用于大容量存儲，電壓+Vwvci和-VWy1用于高速計算，其中-Vw^-Vw^CK+Vw^+Vw卜0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述各層材料的厚度依次為:底端電極10-200nm、反鐵磁金屬混合層0_20nm、鐵磁金屬一 0_3nm、氧化物一 0_2nm、鐵磁金屬二 0_3nm、金屬一 0-100nm、氧化物二 0-100nm、金屬二O-1OOnm 及頂端電極 10_200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:該存儲單元的形狀為正方形、長方形、圓形及橢圓形中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述氧化物一是指氧化鎂MgO及三氧化二鋁Al2O3中的一種，用于產(chǎn)生隧穿效應(yīng)來傳輸自旋信號；所述氧化物二是指二氧化鉿HfO2、二氧化鈦TiO2、五氧化二鉭Ta2O5、氧化亞銅Cu2O及氧化鎳NiO中的一種，用于存儲數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述鐵磁金屬一是指混合金屬材 料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB及鎳鐵NiFe中的一種；所述鐵磁金屬二是指混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB及鎳鐵NiFe中的一種；這些混合金屬材料中各個元素組成不一樣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述反鐵磁金屬混合層是指由混合金屬材料鈷鐵硼CoFeB/鎳鐵NiFe/錳鉬PtMn及鈷鐵硼CoFeB/鈷鐵CoFe/錳鉬PtMn中的一種構(gòu)成的混合層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述金屬一是指鉬Pt、鋁Al、鎳N1、銅Cu、鈦T1、金Au、鉭Ta、氮化鉭TaN、氮化鈦TiN及多晶硅中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述金屬二是指鉬Pt、鋁Al、鎳N1、銅Cu、鈦T1、金Au、鉭Ta、氮化鉭TaN、氮化鈦TiN及多晶硅中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述底端電極是指鉭Ta、鋁Al及銅Cu中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型可高速計算、大容量存儲的存儲單元，其特征在于:所述頂端電極是指鉭Ta、鋁Al及銅Cu中的一種。
【文檔編號】H01L27/24GK103545339SQ201310553175
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】趙巍勝, 張德明 申請人:北京航空航天大學(xué)