Ja, ställ in det i slingan:
$array[ $row['cat_title'] ][ $row['sub_cat_id'] ] = $row['sub_cat_title'];
Men, $array[$row['cat_title']] kanske inte är inställd ännu, så du bör lägga till denna kontroll i förväg:
if( !isset( $array[$row['cat_title']])) {
$array[$row['cat_title']] = array();
}
Din ursprungliga kod behöver inte denna kontroll eftersom $array[] kommer inte att generera några meddelanden/varningar, men när du försöker ställa in en specifik nyckel, kommer det att generera ett meddelande/varning om variabeln inte redan är deklarerad som en array.