磁性存储结构、磁性存储阵列结构及其控制方法及存储器与流程

本公开实施例涉及半导体，特别涉及一种磁性存储结构、磁性存储阵列结构及其控制方法及存储器。

背景技术：

1、磁性随机存储器(mram，magnetic random access memory)是一种新型固态非易失性记忆体，具有高速读写的特性，利用磁性隧道结(mtj，magnetic tunnel junction)的特性形成。其中，mram靠磁场极化而非电荷以存储数据，mtj由自由层、隧穿层、固定层组成，自由层的磁场方向可以改变，固定层的磁场方向不变，当自由层与固定层的磁场方向相同时，mtj呈现低电阻状态；当自由层与固定层的磁场方向相反时，mtj呈现高电阻状态，则通过检测mtj电阻的高低，即可判断所存数据是“0”还是“1”。

2、传统的自旋转移力矩磁性存储(stt-mram，spin-transfer torque magneticrandom access memory)利用电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流将其角动量转移给自由层中的磁性材料。随着自旋轨道矩效应的发现，提出了一种自旋轨道矩磁性存储器(sot-mram，spin-orbit torque magnetic random access memory)，sot-mram基于自旋轨道耦合，利用电荷流诱导的自旋流来产生自旋转移力矩，进而达到调控磁性存储单元的目的。但是，如何实现提高mram中mtj的布局密度成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本公开实施例提供一种磁性存储结构、磁性存储阵列结构及其控制方法及存储器，至少有利于提高磁性隧道结和晶体管在磁性存储结构中的布局密度，以在提高磁性存储结构在单位空间内存储的数据量。

2、根据本公开一些实施例，本公开实施例一方面提供一种磁性存储结构，包括：两个磁性隧道结，所述磁性隧道结包括固定层和自由层；与所述磁性隧道结一一对应的自旋轨道耦合层，所述自旋轨道耦合层位于所述自由层远离所述固定层的一侧，第一晶体管和第二晶体管，一所述自旋轨道耦合层与所述第一晶体管的源端或漏端电连接，另一所述自旋轨道耦合层与所述第二晶体管的源端或漏端电连接；第三晶体管，所述第三晶体管的源端或漏端与两个所述磁性隧道结中的所述固定层均电连接。

3、在一些实施例中，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管均为垂直的全环绕栅极晶体管结构。

4、在一些实施例中，所述第一晶体管与所述第二晶体管的排布方向、所述第一晶体管与所述第三晶体管的排布方向、所述第二晶体管与所述第三晶体管的排布方向两两相交。

5、在一些实施例中，所述第一晶体管和所述第三晶体管沿第一方向排布，所述第一晶体管与所述第二晶体管沿第二方向排布，所述第一方向和所述第二方向垂直。

6、在一些实施例中，与所述第一晶体管电连接的所述磁性隧道结与所述第一晶体管沿第一方向间隔排布，与所述第二晶体管电连接的所述磁性隧道结与所述第二晶体管沿第一方向间隔排布。

7、在一些实施例中，所述磁性隧道结位于所述第一晶体管和所述第三晶体管之间。

8、在一些实施例中，所述自旋轨道耦合层的材料为铂、钽、钨、铱、金和钛中的至少一种。

9、在一些实施例中，所述自由层的材料和所述固定层的材料均包括钴铁硼、钴或镍铁中的至少一种。

10、根据本公开一些实施例，本公开实施例另一方面还提供一种磁性存储阵列结构，包括多个如前述任一项所述的磁性存储结构，其特征在于，至少两个所述磁性存储结构沿第一方向间隔排布；至少两个所述磁性存储结构沿第二方向间隔排布，其中，沿所述第二方向相邻的两个所述磁性存储结构呈中心对称，且两个所述磁性存储结构中一者的所述第三晶体管与另一者的所述第一晶体管沿所述第二方向间隔排布，或者，沿所述第一方向相邻的两个所述磁性存储结构呈中心对称，且两个所述磁性存储结构中一者的所述第三晶体管与另一者的所述第三晶体管沿所述第二方向间隔排布；所述磁性存储阵列结构还包括：沿所述第一方向延伸的第一信号线和第二信号线，沿所述第一方向排布的所述磁性存储结构与同一所述第一信号线电连接，且与同一所述第二信号线电连接；沿所述第二方向延伸的第一控制线和第二控制线，沿所述第二方向排布的所述磁性存储结构与同一所述第一控制线电连接，且与同一所述第二控制线电连接。

11、在一些实施例中，与所述第一晶体管电连接的所述磁性隧道结为第一磁性隧道结，与所述第二晶体管电连接的所述磁性隧道结为第二磁性隧道结；沿所述第一方向排布的所述磁性存储结构中的所述第一磁性隧道结与同一所述第一信号线电连接；沿所述第一方向排布的所述磁性存储结构中的所述第二磁性隧道结与同一所述第二信号线电连接。

12、在一些实施例中，沿所述第二方向上相邻的两个所述磁性存储结构分别为第一磁性存储结构和第二磁性存储结构；同一所述第一控制线电连接所述第一磁性存储结构中的所述第一晶体管和所述第二晶体管以及所述第二磁性存储结构中的所述第三晶体管；同一所述第二控制线电连接所述第二磁性存储结构中的所述第一晶体管和所述第二晶体管以及所述第一磁性存储结构中的所述第三晶体管。

13、在一些实施例中，同一所述第一控制线电连接沿所述第二方向排布的所述磁性存储结构中的所述第一晶体管和所述第二晶体管；沿所述第一方向上相邻的两个所述磁性存储结构分别为第一磁性存储结构和第二磁性存储结构；同一所述第二控制线电连接所述第一磁性存储结构中的所述第三晶体管以及所述第二磁性存储结构中的所述第三晶体管。

14、在一些实施例中，所述磁性存储阵列结构还包括：第一电连接层，与沿所述第二方向上排布的多个所述磁性隧道结的所述固定层接触连接；第二电连接层，所述第二电连接层的一端与所述第一电连接层接触连接，另一端与所述第三晶体管的源端或漏端接触连接。

15、在一些实施例中，所述磁性隧道结的磁化结构方向与所述自旋轨道耦合层的表面垂直，所述自由层位于所述自旋轨道耦合层的表面。

16、在一些实施例中，所述磁性隧道结的磁化结构方向与所述自旋轨道耦合层的表面平行，所述自由层位于所述自旋轨道耦合层的表面。

17、根据本公开一些实施例，本公开实施例又一方面还提供一种存储器，所述存储器的阵列结构基于前述任一项所述的磁性存储阵列结构设置。

18、根据本公开一些实施例，本公开实施例再一方面还提供一种磁性存储阵列结构的读写控制方法，包括：控制第一晶体管和第二晶体管中的一者处于导通状态；控制流经自旋轨道耦合层的电流以设置两个所述磁性隧道结中的一者的状态为高阻态或低阻态，以实现对所述磁性隧道结的写操作，其中，实现所述写操作的所述磁性隧道结与处于导通状态的所述第一晶体管或者处于导通状态的所述第二晶体管对应；控制第三晶体管处于导通状态；读取流经两个所述磁性隧道结中一者的电流的大小以判断所述磁性隧道结为高阻态还是低阻态，以实现对所述磁性隧道结的读操作。

19、在一些实施例中，与所述第一晶体管电连接的磁性隧道结为第一磁性隧道结，与所述第一磁性隧道结对应的所述自旋轨道耦合层为第一自旋轨道耦合层，与所述第二晶体管电连接的磁性隧道结为第二磁性隧道结，与所述第二磁性隧道结对应的所述自旋轨道耦合层为第二自旋轨道耦合层；实现所述读操作和所述写操作的步骤包括：通过第一信号线控制流经所述第一自旋轨道耦合层的电流以设置所述第一磁性隧道结的状态为高阻态或低阻态；通过第二信号线控制流经所述第二自旋轨道耦合层的电流以设置所述第二磁性隧道结的状态为高阻态或低阻态；通过第一控制线和第二控制线控制所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管的导通或关闭。

20、在一些实施例中，控制部分所述磁性存储结构进行所述写操作的步骤包括：选通所述第一信号线和所述第一控制线，以导通所述第一晶体管，以及控制流经所述第一自旋轨道耦合层的电流以设置所述第一磁性隧道结的状态为高阻态或低阻态，以实现对所述第一磁性隧道结的所述写操作；或者，选通所述第二信号线和所述第一控制线，以导通所述第二晶体管，以及控制流经所述第二自旋轨道耦合层的电流以设置所述第二磁性隧道结的状态为高阻态或低阻态，以实现对所述第二磁性隧道结的所述写操作。

21、在一些实施例中，控制部分所述磁性存储结构进行所述读操作的步骤包括：选通所述第一信号线和所述第二控制线，以导通所述第三晶体管，以及读取流经所述第一磁性隧道结的电流的大小以判断所述第一磁性隧道结为高阻态还是低阻态，以实现对所述第一磁性隧道结的所述读操作；或者，选通所述第二信号线和所述第二控制线，以导通所述第三晶体管，以及读取流经所述第二磁性隧道结的电流的大小以判断所述第二磁性隧道结为高阻态还是低阻态，以实现对所述第二磁性隧道结的所述读操作。

22、本公开实施例提供的技术方案至少具有以下优点：

23、磁性存储结构中，三个晶体管共用两个磁性隧道结，即第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管共用两个磁性隧道结。具体的，第一晶体管与一自旋轨道耦合层电连接，在第一晶体管导通时，电流流经该自旋轨道耦合层以改变与该自旋轨道耦合层对应的磁性隧道结的自由层的磁场方向，从而调节磁性隧道结的电阻值以实现对该磁性隧道结的写操作；第二晶体管与另一自旋轨道耦合层电连接，在第二晶体管导通时，电流流经该另一自旋轨道耦合层以改变与该另一自旋轨道耦合层对应的磁性隧道结的自由层的磁场方向，从而调节磁性隧道结的电阻值以实现对该磁性隧道结的写操作；第三晶体管与两个磁性隧道结中的固定层均电连接，在第三晶体管导通时对两个磁性隧道结中一者的电阻值进行检测，以实现对两个磁性隧道结中一者的读操作。如此，利用同一晶体管实现对两个磁性隧道结的读操作，整体利用三个晶体管实现对两个磁性隧道结的写操作和读操作，即利用三个晶体管和两个磁性隧道结实现2字节数据的存储和读取，有利于降低存储和读取2字节数据所需的晶体管的数量，从而提高磁性隧道结和晶体管在磁性存储结构中的布局密度，以提高磁性存储结构在单位空间内存储的数据量。