一种存储计算阵列和存储设备的制作方法

1.本技术涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种存储计算阵列和存储设备。

背景技术：

2.神经网络算法广泛应用在人工智能领域，利用模拟信号与模拟存储阵列之间的电流电压关系进行大规模矩阵运算。模拟存储阵列中包括存储器，在每次矩阵运算时，通过反复与目标电流比较，将模拟值写入到存储器中。目前存储计算阵列中，存储器和开关器件进行串联或者并联，存储器具有两种状态，一种高阻态，一种低阻态，通过开关器件的打开或者关闭控制存储器的阻态。由于存储器仅具有两种阻态，面对大量需要写入的数据，存储计算阵列中需要设置很多的存储器，相应的开关器件的数量也多，导致存储计算阵列的面积大，功耗大。
3.因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种存储计算阵列和存储设备，以减少开关器件的数量，缩小存储计算阵列的面积，降低功耗。
5.为解决上述技术问题，本技术提供一种存储计算阵列，包括阵列排布的存储单元，所述存储单元包括多个存储节点，所述存储节点包括开关器件和磁性存储器件，所述磁性存储器件包括多个磁隧道结位元，所述磁隧道结位元至少具有三种阻态，所述磁隧道结位元包括由下至上依次层叠的第一参考层、第一势垒层、自由层、第二势垒层、第二参考层。
6.可选的，每个所述磁性存储器件中所述磁隧道结位元的尺寸各不相同。
7.可选的，每个所述磁性存储器件中所述磁隧道结位元之间串联，或者并联，或者串联和并联同时存在。
8.可选的，所述第一势垒层和所述第二势垒层的材料为下述任一种或任意组合：
9.mg、mgo、alo、mgalo。
10.可选的，所述第一参考层、所述自由层、所述第二参考层的材料为下述任一种或任意组合：
11.cofeb、cob、fe、feb。
12.可选的，所述开关器件为单个的mos管。
13.可选的，还包括：
14.与所述存储单元串联的使能器件，用于控制所述存储单元的导通状态或者断开状态。
15.可选的，还包括：
16.用于对计算结果去除系统误差的校正单元。
17.可选的，所述磁隧道结位元还包括：
18.位于所述第一参考层远离所述第一势垒层的表面的第一钉扎层；
19.位于所述第二参考层远离所述第二势垒层的表面的第二钉扎层。
20.本技术还提供一种存储设备，所述存储设备包括上述任一种所述的存储计算阵列。
21.本技术所提供的一种存储计算阵列，包括阵列排布的存储单元，所述存储单元包括多个存储节点，所述存储节点包括开关器件和磁性存储器件，所述磁性存储器件包括多个磁隧道结位元，所述磁隧道结位元至少具有三种阻态，所述磁隧道结位元包括由下至上依次层叠的第一参考层、第一势垒层、自由层、第二势垒层、第二参考层。
22.可见，本技术中的存储计算阵列包括阵列排布的存储单元，每个存储单元包括多个存储节点，每个存储节点包括开关器件和磁性存储器件，每个磁性存储器件包括多个磁隧道结位元，每个磁隧道结位元包括由下至上依次层叠的第一参考层、第一势垒层、自由层、第二势垒层、第二参考层，使得磁隧道结位元至少有三种阻态，开关器件可以使得磁隧道结位元处于不同的阻态，相较于两种阻态的存储器，磁隧道结位元阻态种类增多，可以存储的信息量增多，所以可以减少磁隧道结位元的数量，因此开关器件的数量也减少，从而使得存储计算阵列的面积缩小，功耗降低。
23.本技术还提供一种存储设备。
附图说明
24.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本技术实施例所提供的一种存储单元的示意图；
26.图2至图4为本技术中磁隧道结位元之间不同连接关系的示意图；
27.图5为本技术实施例所提供的一种磁隧道结位元的结构示意图；
28.图6为本技术实施例所提供的另一种磁隧道结位元的结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
31.正如背景技术部分所述，目前存储计算阵列中，存储器和开关器件进行串联或者并联，存储器具有两种状态，一种高阻态，一种低阻态，通过开关器件的打开或者关闭控制存储器的阻态。由于存储器仅具有两种阻态，面对大量需要写入的数据，存储计算阵列中需要设置很多的存储器，相应的开关器件的数量也多，导致存储计算阵列的面积大，功耗大。
32.有鉴于此，本技术提供了一种存储计算阵列，请参考图1，图1为本技术实施例所提
供的一种存储单元的示意图，包括阵列排布的存储单元1，所述存储单元1包括多个存储节点2，所述存储节点2包括开关器件t和磁性存储器件，所述磁性存储器件包括多个磁隧道结位元r，所述磁隧道结位元r至少具有三种阻态，所述磁隧道结位元r包括由下至上依次层叠的第一参考层、第一势垒层、自由层、第二势垒层、第二参考层。
33.存储单元1一般按照行、列形式进行排布，存储单元1可以按照整齐对位的行列形式进行排布，也可以按照错位的行列进行排布，例如，下一行的存储单元1位于上一行两个相邻存储单元1之间。
34.存储单元1的两端连接有信号端，一个为信号输入端，另一个为信号输出端。开关器件t具有导通和断开的开关状态，存储单元1的写入阻值通过控制开关器件t的开关状态来改变磁性存储器件的阻态而确定。存储单元1的写入阻值为改变磁性存储器件的阻态而确定的存储节点2的并联阻值。
35.需要指出的是，本技术中对开关器件t的类型不做限定，可自行设置。可选的，所述开关器件t为单个的mos(metal oxide semiconductor，金属-氧化物-半导体)管，或者二极管。
36.多个存储节点2之间一般以并联的形式连接，每个存储节点2包括开关器件t和磁性存储器件，每个磁性存储器件包括多个磁隧道结位元r，磁隧道结位元r的翻转电流随着磁隧道结位元r尺寸的不同而不同，可选的，每个所述磁性存储器件中所述磁隧道结位元r的尺寸各不相同，从而实现对磁隧道结位元r可控的翻转至固定阻态。
37.每个存储节点2中磁隧道结位元r的数量和阻态，决定存储单元1所能存储的信息量，本技术中对每个存储节点2中包括的磁隧道结位元r的数量不做限定，视情况而定。例如，磁隧道结位元r的数量可以为四个，六个，七个等等。图1中磁隧道结位元r的数量为四个，分别为r1、r2、r3、r4。
38.存储节点2的一端连接bl(bit line，位线)，即图1中的b，一端连接sl(source line，源极信号线)，即图1中的a，一端连接wl(word line，字线)，即图1中的c。
39.需要说明的是，本技术中对每个磁性存储器件中磁隧道结位元r的连接关系不做限定，视情况而定。例如，每个所述磁性存储器件中所述磁隧道结位元r之间串联，或者并联，或者串联和并联同时存在。请参考图2至图4，图2中磁隧道结位元r之间串联，图3中磁隧道结位元r之间并联，图4中磁隧道结位元r之间既有串联，又有并联。
40.磁隧道结位元r的结构示意图如图5所示，由下至上依次为第一参考层1、第一势垒层2、自由层3、第二势垒层4、第二参考层5，使得磁隧道结位元r可以实现三种阻态，同时提升磁隧道结位元r的工艺可靠性，降低微缩难度。
41.在初始状态时，通过磁场将所有的磁隧道结位元r形成平行态或者反平行态，后续通过开关器件t控制写电压，从而实现整个磁性存储单元1的不同阻态。
42.第一参考层1的翻转电流最大，第二参考层5次之，自由层3的翻转电流最小。通过初始化磁场可以将第一参考层1和第二参考层5的磁矩磁化为一致，然后通过较小的磁场将自由层3磁化为与第一参考层1、第二参考层5磁矩相反的方向，此时电阻最大；通过施加不同方向、不同大小的写电流，可以控制自由层3翻转，此时电阻最小，或者控制第一参考层1、第二参考层5翻转，此时为中间态电阻。
43.本技术中对磁隧道结位元r中各层的材料不做限定，可自行选择。其中，所述第一
势垒层2和所述第二势垒层4的材料为下述任一种或任意组合：
44.mg、mgo、alo、mgalo。
45.所述第一参考层1、所述自由层3、所述第二参考层5的材料为下述任一种或任意组合：
46.cofeb、cob、fe、feb。
47.本技术中的存储计算阵列包括阵列排布的存储单元1，每个存储单元1包括多个存储节点2，每个存储节点2包括开关器件t和磁性存储器件，每个磁性存储器件包括多个磁隧道结位元r，每个磁隧道结位元r包括由下至上依次层叠的第一参考层1、第一势垒层2、自由层3、第二势垒层4、第二参考层5，使得磁隧道结位元r至少有三种阻态，开关器件t可以使得磁隧道结位元r处于不同的阻态，相较于两种阻态的存储器，磁隧道结位元r阻态种类增多，可以存储的信息量增多，所以可以减少磁隧道结位元r的数量，因此开关器件t的数量也减少，从而使得存储计算阵列的面积缩小，功耗降低。
48.在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，存储计算阵列还包括：
49.与所述存储单元1串联的使能器件，用于控制所述存储单元1的导通状态或者断开状态。
50.使能器件与存储单元1的端部串联，当使能器件处于非使能信号控制时，存储单元1恒为断开状态，非使能信号可以对应于预设的写入阻值，当小于预设的写入阻值时，存储单元1则一直处于断开状态。
51.使能器件可以为传输门，传输门由pmos管和nmos管并联构成，其中，pmos管和nmos管的栅极输入为互补的信号。传输门具有导通和断开两种开关状态，传输门导通时，pmos管和nmos管均处于导通状态，传输门断开时，pmos管和nmos管均处于断开状态，从而可以使用较低的栅压获得较小的导通电阻。
52.存储计算阵列中列方向上的存储单元存在恒定漏电，导致存储计算阵列输出的计算结果存在系统误差，为了提升计算结果的准确性，存储计算阵列还包括：用于对计算结果去除系统误差的校正单元。
53.需要说明的是，本技术中对去除系统误差的方式不做限定，根据校正单元的种类而定。
54.可选的，校正单元包括差分运算器，差分运算器用于对计算结果与另一列方向上全为最高阻态的存储单元的计算结果进行差分运算，从而输出去除系统误差的计算结果。或者，校正单元包括数字运算电路，数字运算电路用于在计算结果中扣除系统误差。
55.请参考图6，图6为本技术实施例所提供的另一种磁隧道结位元的结构示意图。在上述任一实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，所述磁隧道结位元还包括：
56.位于所述第一参考层1远离所述第一势垒层2的表面的第一钉扎层6；
57.位于所述第二参考层5远离所述第二势垒层4的表面的第二钉扎层7。
58.第一钉扎层6和第二钉扎层7可以分别钉扎住第一参考层1、第二参考层5的磁化方向，使其在器件使用过程中磁化方向不发生翻转。
59.本技术还提供一种存储设备，所述存储设备包括上述任一实施例所述的存储计算阵列。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它
实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
61.以上对本技术所提供的存储计算阵列和存储设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。

技术特征：

1.一种存储计算阵列，包括阵列排布的存储单元，所述存储单元包括多个存储节点，其特征在于，所述存储节点包括开关器件和磁性存储器件，所述磁性存储器件包括多个磁隧道结位元，所述磁隧道结位元至少具有三种阻态，所述磁隧道结位元包括由下至上依次层叠的第一参考层、第一势垒层、自由层、第二势垒层、第二参考层。2.如权利要求1所述的存储计算阵列，其特征在于，每个所述磁性存储器件中所述磁隧道结位元的尺寸各不相同。3.如权利要求2所述的存储计算阵列，其特征在于，每个所述磁性存储器件中所述磁隧道结位元之间串联，或者并联，或者串联和并联同时存在。4.如权利要求1所述的存储计算阵列，其特征在于，所述第一势垒层和所述第二势垒层的材料为下述任一种或任意组合：mg、mgo、alo、mgalo。5.如权利要求1所述的存储计算阵列，其特征在于，所述第一参考层、所述自由层、所述第二参考层的材料为下述任一种或任意组合：cofeb、cob、fe、feb。6.如权利要求1所述的存储计算阵列，其特征在于，所述开关器件为单个的mos管。7.如权利要求1所述的存储计算阵列，其特征在于，还包括：与所述存储单元串联的使能器件，用于控制所述存储单元的导通状态或者断开状态。8.如权利要求1所述的存储计算阵列，其特征在于，还包括：用于对计算结果去除系统误差的校正单元。9.如权利要求1至8任一项所述的存储计算阵列，其特征在于，所述磁隧道结位元还包括：位于所述第一参考层远离所述第一势垒层的表面的第一钉扎层；位于所述第二参考层远离所述第二势垒层的表面的第二钉扎层。10.一种存储设备，其特征在于，所述存储设备包括如权利要求1至9任一项所述的存储计算阵列。

技术总结

本申请公开了一种存储计算阵列，包括阵列排布的存储单元，存储单元包括多个存储节点，存储节点包括开关器件和磁性存储器件，磁性存储器件包括多个磁隧道结位元，磁隧道结位元至少具有三种阻态，磁隧道结位元包括由下至上依次层叠的第一参考层、第一势垒层、自由层、第二势垒层、第二参考层。本申请中每个磁性存储器件包括多个磁隧道结位元，每个磁隧道结位元至少有三种阻态，开关器件可以使得磁隧道结位元处于不同的阻态，磁隧道结位元阻态种类增多，可以存储的信息量增多，所以可以减少磁隧道结位元的数量，因此开关器件的数量也减少，从而使得存储计算阵列的面积缩小，功耗降低。本申请还提供一种存储设备。请还提供一种存储设备。请还提供一种存储设备。