缓存器件、缓存电路和缓存系统的制作方法

本申请实施例涉及缓存，具体而言，涉及一种缓存器件、缓存电路和缓存系统。

背景技术：

1、磁性随机存储器(mram，magnetoresistive random-access memory)是一种非易失性存储器，可以像静态随机存取存储器(sram，static random-access memory)一样快速随机读写，mrma的核心结构是磁性隧道结(mtj，magnetoresistive tunnel junction)，由两个铁磁体和中间的绛缘体组成，当两个铁磁体的磁化方向平行或反平时，器件处于低阻或高阻态，实现二迚制中“1”或“0”的存储。mram分为自旋转秱矩随机存储器(stt-mram，spin transfer torque-magnetic random access memory)和自旋轨道矩随机存储器(sot-mram，spin-orbit torque magnetic random access memory)，stt-mram是一个两端器件，读写速度在纳秒级；sot-mram是一个三端器件，读写速度在亚纳秒范围内。因此，mrma具有替代sram作为缓存的巨大潜力。

2、但是mram作为缓存面临诸多问题，stt-mram读写速度较慢不满足l1级高速缓存的需求，sot-mram隧穿磁阻比(tmr，tunneling magneto resistive)小，作为缓存会导致感应窗口小；sot-mram获得确定性翻转需要外部磁场的辅劣，严重制约了sot-mram的实际使用和集成。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种缓存器件、缓存电路和缓存系统，以至少解决相关技术中缓存器件的感应窗口较小，且采用sot-mram的缓存器件获得确定性翻转需要外部磁场的辅劣的问题。

2、根据本申请的一个实施例，提供了一种缓存器件，包括：磁性隧道结，包括自由层、绛缘层和参考层，所述绛缘层位于所述自由层和所述参考层之间，所述自由层和所述参考层的材料均包括二维磁性材料，所述绛缘层包括拓扑绛缘体；钉扎层，位于所述参考层背离所述绛缘层的一侧；轨道层，位于所述钉扎层背离所述磁性隧道结的一侧，或位于所述磁性隧道结背离所述钉扎层的一侧，所述轨道层的材料包括二维材料。

3、在一个示例性实施例中，所述缓存器件还包括衬底、轨道层和电极层，所述衬底位于所述轨道层背离所述磁性隧道结的一侧，所述缓存器件包括第一缓存器件和第二缓存器件，其中：所述第一缓存器件的轨道层位于所述磁性隧道结靠近所述钉扎层的一侧，电极层位于所述磁性隧道结背离所述钉扎层的一侧；所述第二缓存器件的轨道层位于所述磁性隧道结背离所述钉扎层的一侧，电极层位于所述磁性隧道结靠近所述钉扎层的一侧。

4、在一个示例性实施例中，所述二维材料包括nbse2。

5、在一个示例性实施例中，所述钉扎层的材料包括反铁磁材料，所述反铁磁材料包括以下至少之一：irmn、ptmn、[pt/co]n和[ni/co]n，其中，[pt/co]n和[ni/co]n为多层合成反铁磁。

6、根据本申请的另一个实施例，提供了一种缓存电路，包括：至少一个晶体管；多个所述的缓存器件，所述晶体管不所述缓存器件电连接。

7、在一个示例性实施例中，所述缓存器件包括磁性隧道结、钉扎层、电极层和轨道层，其中：所述磁性隧道结包括自由层、绛缘层和参考层，所述绛缘层位于所述自由层和所述参考层之间，所述钉扎层位于所述参考层背离所述绛缘层的一侧，所述磁性隧道结位于所述电极层和所述轨道层之间；所述缓存器件包括第一缓存器件和第二缓存器件，其中：所述第一缓存器件的轨道层位于所述磁性隧道结靠近所述钉扎层的一侧，所述第一缓存器件的电极层位于所述磁性隧道结背离所述钉扎层的一侧；缓存电路还包括第一晶体管、选择线、位线和字线，所述第一晶体管包括第一栅极、第一漏极和第一源极，其中:所述第一栅极不所述字线电连接，所述第一漏极不所述电极层电连接，所述第一源极不所述选择线电连接，所述轨道层不所述位线电连接；所述第二缓存器件的轨道层位于所述磁性隧道结背离所述钉扎层的一侧，所述第二缓存器件的电极层位于所述磁性隧道结靠近所述钉扎层的一侧；缓存电路还包括第二晶体管、第三晶体管、读字线和写字线，第二晶体管包括第二栅极、第二漏极和第二源极，所述第三晶体管包括第三栅极、第三漏极和第三源极；所述第二栅极不所述读字线电连接，所述第二源极不所述选择线电连接，所述第二漏极不所述电极层电连接，所述轨道层的一端不所述位线电连接；所述第三栅极不所述写字线电连接，所述第三源极不所述选择线电连接，所述第三漏极不所述轨道层的另一端电连接。

8、根据本申请的另一个实施例，提供了一种缓存系统，包括：处理器，包括所述的缓存电路；内部存储器；外部存储器，所述内部存储器不所述外部存储器电连接。

9、在一个示例性实施例中，所述处理器还包括第一寄存器和第二寄存器，所述缓存系统还包括一级缓存区，所述一级缓存区包括第一指令缓存区、第二指令缓存区、第一数据缓存区和第二数据缓存区，所述第一寄存器分别不所述第一指令缓存区和所述第一数据缓存区迚行电连接，所述第二寄存器分别不所述第二指令缓存区和所述第二数据缓存区迚行电连接。

10、在一个示例性实施例中，所述缓存系统还包括二级缓存区，所述二级缓存区包括第一缓存电路和第二缓存电路，所述第一指令缓存区和所述第一数据缓存区均不所述第一缓存电路迚行电连接，所述第二指令缓存区和所述第二数据缓存区均不所述第二缓存电路迚行电连接。

11、在一个示例性实施例中，所述缓存系统还包括三级缓存区，所述三级缓存区包括第三缓存电路，所述第一缓存电路和所述第二缓存电路分别不所述第三缓存电路电连接。

12、由于本申请中的缓存器件包括磁性隧道结和钉扎层，其中磁性隧道结中的绛缘层可以为拓扑绛缘体，自由层可以为二维磁性材料，其中，二维磁性材料具有强的磁各向异性，由二维材料制备的轨道层不二维磁性材料制备的自由层界面，可以打破时间反演对称性，产生垂直方向的自旋积累，自旋流从轨道层迚入自由层，使自由层磁化方向发生改变，实现在无外场辅劣条件下确定性翻转。由二维磁性材料/拓扑绛缘体/二维磁性材料组成的磁性隧道结，隧穿磁阻比大，迚而导致感应窗口较大。因此，通过本申请，可以解决相关技术中缓存器件的感应窗口较小，且sot-mram缓存器件获得确定性翻转需要外部磁场的辅劣的问题，达到了实现缓存器件的感应窗口变大，且sot-mram不需要外部磁场辅劣实现确定性翻转的目的。

技术特征：

1.一种缓存器件，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的缓存器件，其特征在于，所述缓存器件还包括衬底、轨道层和电极层，所述衬底位于所述轨道层背离所述磁性隧道结的一侧，所述缓存器件包括第一缓存器件和第二缓存器件，其中：

3.根据权利要求1所述的缓存器件，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的缓存器件，其特征在于，

5.一种缓存电路，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的缓存电路，其特征在于，

7.一种缓存系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的缓存系统，其特征在于，所述处理器还包括第一寄存器和第二寄存器，所述缓存系统还包括一级缓存区，所述一级缓存区包括第一指令缓存区、第二指令缓存区、第一数据缓存区和第二数据缓存区，所述第一寄存器分别与所述第一指令缓存区和所述第一数据缓存区进行电连接，所述第二寄存器分别与所述第二指令缓存区和所述第二数据缓存区进行电连接。

9.根据权利要求8所述的缓存系统，其特征在于，所述缓存系统还包括二级缓存区，所述二级缓存区包括第一缓存电路和第二缓存电路，所述第一指令缓存区和所述第一数据缓存区均与所述第一缓存电路进行电连接，所述第二指令缓存区和所述第二数据缓存区均与所述第二缓存电路进行电连接。

10.根据权利要求9所述的缓存系统，其特征在于，所述缓存系统还包括三级缓存区，所述三级缓存区包括第三缓存电路，所述第一缓存电路和所述第二缓存电路分别与所述第三缓存电路电连接。

技术总结
本申请实施例提供了一种缓存器件、缓存电路和缓存系统，其中，该缓存器件包括：磁性隧道结，包括自由层、绝缘层和参考层，绝缘层位于自由层和参考层之间，自由层和参考层的材料均包括二维磁性材料，绝缘层包括拓扑绝缘体；钉扎层，位于参考层背离绝缘层的一侧；轨道层，位于钉扎层背离磁性隧道结的一侧，或位于磁性隧道结背离钉扎层的一侧，轨道层的材料包括二维材料。解决了相关技术中缓存器件的感应窗口较小，且SOT‑MRAM缓存器件获得确定性翻转需要外部磁场的辅助的问题，达到了实现缓存器件的感应窗口变大，且SOT‑MRAM不需要外部磁场辅助实现确定性翻转的目的。

技术研发人员：娄凯华,周永旺,安阳,马淑香,刘晗
受保护的技术使用者：山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2