CN111696601A - 一种基于磁性隧道结的位元结构 - Google Patents

一种基于磁性隧道结的位元结构 Download PDF

Info

Publication number
CN111696601A
CN111696601A CN202010521122.0A CN202010521122A CN111696601A CN 111696601 A CN111696601 A CN 111696601A CN 202010521122 A CN202010521122 A CN 202010521122A CN 111696601 A CN111696601 A CN 111696601A
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic tunnel
tunnel junction
mtj2
mtj1
bit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010521122.0A
Other languages
English (en)
Inventor
毛欣
张源梁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co.,Ltd.
Original Assignee
Suzhou Siliter Semiconductor Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Siliter Semiconductor Technology Co ltd filed Critical Suzhou Siliter Semiconductor Technology Co ltd
Priority to CN202010521122.0A priority Critical patent/CN111696601A/zh
Publication of CN111696601A publication Critical patent/CN111696601A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于磁性隧道结的位元结构，该位元结构包括两个MOS管、两个磁性隧道结、一条字线、两条源线以及两条位线；进行数据写入时，字线有效，位元结构中的两个MOS管共享源线与位线，两个磁性隧道结MTJ上经过稳定的电流并持续一段时间；选取某一个MTJ作为存储单元(另外一个作为参考单元)，将数据写入；进行数据读出时，源线接地，两个位线偏置电压将两端位线分别上拉，产生作为存储单元的MTJ上电压VMTJ1和作为参考单元的MTJ上电压VMTJ2，将VMTJ1和VMTJ2接入比较器进行比较；得到数据读出结果。本发明的一种基于磁性隧道结的位元电路及其读出电路，具有实现简单，读出速度快的优点。

Description

一种基于磁性隧道结的位元结构
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及集成电路设计中磁性隧道结的位元(MTJBit cell)单元。
背景技术
MRAM是一种非易失随机存取存储器。与传统的存储器不同，MRAM利用材料的磁电阻效应来实现数据的存储，其核心存储单元是磁隧道结(MTJ)。
如图1所示，是典型的磁隧道结(MTJ)结构示意图。磁性隧道结(MTJ)主要由参考层100、绝缘的势垒层200和自由层300组成。参考层100的磁矩方向保持不变，仅改变自由层300的磁矩方向使之与参考层同向或反向。MTJ依靠量子隧穿效应使电子通过势垒层200。极化电子的隧穿概率和参考层100与自由层300的相对取向有关。当参考层100与自由层300磁化方向相同时，电子的隧穿概率较高，此时MTJ表现为低电阻状态(Rp)；而当参考层100与自由层300磁化方向相反时，电子的隧穿概率较低，此时MTJ表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ的Rp和Rap状态来表示逻辑状态“0”和“1”，从而实现数据存储。数据读出的时候，通常的做法是利用SA灵敏放大器将读出的数据与内部的参考单元进行比较，而参考的位元产生的比较电压为二分之一的VP+VAP。根据读出电压域参考比较电压的差值经过灵敏放大器比较后读出数据。
发明内容
本发明旨在提出一种基于磁性隧道结的位元结构，在电路中利用改进后的带有两个磁性隧道结(MTJ)的位元结构，每次写入和读出操作都同时由两个磁性隧道结(MTJ)来实现，利用电压差比传统的读出电路大的原理，实现了很快的读出速度。
本发明是一种基于磁性隧道结的位元结构，利用以下技术方案来实现：
一种基于磁性隧道结的位元结构，该位元结构包括两个MOS管、两个磁性隧道结、一条字线、两条源线和两条位线；其中，
其中，第一MOS管4的栅极接字线1、源级接第一源线2以及漏级接第一磁性隧道结MTJ1的参考层61；第二MOS管5的栅极接字线1、源级接第二源线3以及漏级接第二磁性隧道结MTJ2的自由层71；第二磁性隧道结MTJ2的自由层62接第一位线8，第二磁性隧道结MTJ2的参考层72接第二位线9；并且，第一、第二位线8、9分别接顶层金属层10，第一磁性隧道结MTJ1的自由层62、第二磁性隧道结MTJ2的自由层71分别接底层的金属层并与第一、第二MOS管4、5相连；或者，第一、第二位线8、9分别接底层金属层10，第一磁性隧道结MTJ1的自由层62、第二磁性隧道结MTJ2的自由层71分别接顶层金属层并与第一、第二MOS管4、5相连。
在进行数据写入时，位元结构中的第一、第二MOS管4、5的栅极同时打开，同向电流流经第一磁性隧道结MTJ1、第二磁性隧道结MTJ2 6、7，将反平行态和平行态两种状态相反地写入两个磁性隧道结，即一个磁性隧道结是反平行态、一个磁性隧道结是平行态或者一个磁性隧道结是平行态、一个磁性隧道结是反平行态；在进行数据读出时，第一、第二源线2、3接地，在第一磁性隧道结MTJ1、第二磁性隧道结MTJ26、7所对应的第一、第二位线8、9上施加偏置电压，偏置电压分别经过两路各由两个串联的MOS管构成的电路作用于两个磁性隧道结MTJ1、MTJ2，上拉得到的电压是平行态的电压和反平行态的电压或者是反平行态的电压和平行态的电压，平行态的电压记作Vp、反平行态的电压记作VAP，选取某一个磁性隧道结作为存储单元，另外一个磁性隧道结作为参考单元，将数据写入；进行数据读出时，第一、第二源线2、3接地，第一、第二位线8、9偏置电压将两端位线分别上拉，产生作为存储单元的磁性隧道结上电压VMTJ1或VMTJ2和作为参考单元的磁性隧道结上电压VMTJ2或VMTJ1，将VMTJ1和VMTJ2接入比较器进行比较：
如果选取第一磁性隧道结MTJ1(6)作为存储单元，则VMTJ1＝VAP，VMTJ2＝VP，VMTJ1<VMTJ2,，结果为0，读出数据为0；VMTJ1＝VP，VMTJ2＝VAP，VMTJ1>VMTJ2,，结果为1，读出数据为1；
如果选取第二磁性隧道结MTJ2(7)作为存储单元，VMTJ1＝VAP，VMTJ2＝VP，VMTJ1<VMTJ2，结果为1，读出数据为1；VMTJ1＝VP，VMTJ2＝VAP，MTJ1>VMTJ2，结果为0，读出数据为0。
与现有技术相比，本发明的一种基于磁性隧道结的位元电路，具有实现简单，读出速度快的优点。
附图说明
图1是典型的磁性隧道结(MTJ)结构示意图；
图2是本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构的结构示意图；
图3是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路实施例参考示意图；
图4是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路工作流程示意图。
附图标记：
1、字线，2、第一源线，3、第二源线，4、第一MOS管，5、第二MOS管，6、第一磁性隧道结，7、第二磁性隧道结，8、第一位线，9、第二位线，10、顶层金属层，11、底层金属层；61、第一磁性隧道结的参考层，62、第一磁性隧道结的自由层，71、第二磁性隧道结的自由层，72、第二磁性隧道结的参考层，100、自由层，200、势垒层，300、参考层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图2所示，是本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构的结构示意图。包括两个MOS管(即第一、第二MOS管4、5)、两个磁性隧道结(即第一、第二磁性隧道结6、7)、一条字线、两条源线和两条位线，其中，第一MOS管4的栅极接字线1、源级接第一源线2以及漏级接第一磁性隧道结MTJ1的参考层61；第二MOS管5的栅极接字线1、源级接第二源线3以及漏级接第二磁性隧道结MTJ2的自由层71；第二磁性隧道结的自由层62接第一位线8，第二磁性隧道结的参考层72接第二位线9。
如图3所示，是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路实施例参考图。读出电路包括基于磁性隧道结的位元结构、连接于其此位元结构的第一、第二位线的另外两路各由两个串联的MOS管构成的电路以及比较器。两两串联的MOS管以源极接漏极的方式实现连接。在进行数据写入时，第一、第二MOS管4、5的栅极同时打开，同向电流流经两个磁性隧道结(MTJ)6、7，由于两个磁性隧道结(MTJ)6、7连接方式正好相反，被写入后两个磁性隧道结(MTJ)的状态也相反，例如一个是反平行态一个是平行态或者一个是平行态一个是反平行态。在进行数据读出时，第一、第二源线2、3接地，在两个磁性隧道结(MTJ)6、7所对应的第一、第二位线8、9上施加偏置电压，偏置电压分别经过两路各由三个串联的MOS管构成的电路作用于两个磁性隧道结(MTJ)6、7，由于两个磁性隧道结(MTJ)6、7的状态相反，上拉得到的电压是平行态的电压和反平行态的电压或者是反平行态的电压和平行态的电压。这两端的电压记做Vp和VAP，它们被用作比较器的输入进行比较和放大，传统的用参考MTJ作为比较电压的设计，产生的参考电压是平行态和反平行态的二分之一电位，而本发明用作比较的两端电压压差(Vp-VAP)更大，较大的压差可以加快比较器的比较速度，而且也去掉了额外的参考MTJ阵列。
如图4所示，是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路工作流程示意图。具体流程如下：
进行数据写入时，字线有效(打开)，位元结构中的两个MOS管共享源线与位线，两个磁性隧道结MTJ上经过稳定的电流并持续一段时间；
选取某一个MTJ作为存储单元(另外一个作为参考单元)，将数据写入；
进行数据读出时，源线接地，两个位线偏置电压将两端位线分别上拉，产生作为存储单元的MTJ上电压VMTJ1和作为参考单元的MTJ上电压VMTJ2，将VMTJ1和VMTJ2接入比较器进行比较；
如果选取MTJ1作为存储单元，则VMTJ1＝VAP，VMTJ2＝VP，VMTJ1<VMTJ2,，结果为0，读出数据为0；VMTJ1＝VP，VMTJ2＝VAP，VMTJ1>VMTJ2,，结果为1，读出数据为1；
如果选取MTJ2作为存储单元，VMTJ1＝VAP，VMTJ2＝VP，VMTJ1<VMTJ2，结果为1，读出数据为1；VMTJ1＝VP，VMTJ2＝VAP，MTJ1>VMTJ2，结果为0，读出数据为0。
本发明的位元结构适合集成到手机、电脑、嵌入式芯片、汽车电子芯片、工业控制芯片、独立式存储器、手持设备、射频标签等一次性编程器件中。

Claims (1)

1.一种基于磁性隧道结的位元结构，其特征在于，该位元结构包括两个MOS管、两个磁性隧道结、一条字线、两条源线和位线；
其中，第一MOS管(4)的栅极接字线(1)、源级接第一源线(2)以及漏级接第一磁性隧道结MTJ1的参考层(61)；第二MOS管(5)的栅极接字线(1)、源级接第二源线(3)以及漏级接第二磁性隧道结MTJ2的自由层(71)；第二磁性隧道结MTJ2的自由层(62)接第一位线(8)，第二磁性隧道结MTJ2的参考层(72)接第二位线(9)；并且，第一、第二位线(8)、(9)分别接顶层金属层(10)，第一磁性隧道结MTJ1的自由层(62)、第二磁性隧道结MTJ2的自由层(71分别接底层的金属层并与第一、第二MOS管(4)、(5)相连；或者，第一、第二位线(8)、(9)分别接底层金属层(10)，第一磁性隧道结MTJ1的自由层(62)、第二磁性隧道结MTJ2的自由层(71)分别接顶层金属层并与第一、第二MOS管(4)、(5)相连。
在进行数据写入时，位元结构中的第一、第二MOS管(4)、(5)的栅极同时打开，同向电流流经第一磁性隧道结MTJ1、第二磁性隧道结MTJ2(6)、(7)，将反平行态和平行态两种状态相反地写入两个磁性隧道结，即一个磁性隧道结是反平行态、一个磁性隧道结是平行态或者一个磁性隧道结是平行态、一个磁性隧道结是反平行态；在进行数据读出时，第一、第二源线(2)、(3)接地，在第一磁性隧道结MTJ1、第二磁性隧道结MTJ2(6)、(7)所对应的第一、第二位线(8)、(9)上施加偏置电压，偏置电压分别经过两路各由两个串联的MOS管构成的电路作用于两个磁性隧道结MTJ1、MTJ2，上拉得到的电压是平行态的电压和反平行态的电压或者是反平行态的电压和平行态的电压，平行态的电压记作Vp、反平行态的电压记作VAP，选取某一个磁性隧道结作为存储单元，另外一个磁性隧道结作为参考单元，将数据写入；进行数据读出时，第一、第二源线(2)、(3)接地，第一、第二位线(8)、(9)偏置电压将两端位线分别上拉，产生作为存储单元的磁性隧道结上电压VMTJ1或VMTJ2和作为参考单元的磁性隧道结上电压VMTJ2或VMTJ1，将VMTJ1和VMTJ2接入比较器进行比较：
如果选取第一磁性隧道结MTJ1(6)作为存储单元，则VMTJ1＝VAP，VMTJ2＝VP，VMTJ1<VMTJ2,，结果为0，读出数据为0；VMTJ1＝VP，VMTJ2＝VAP，VMTJ1>VMTJ2,，结果为1，读出数据为1；
如果选取第二磁性隧道结MTJ2(7)作为存储单元，VMTJ1＝VAP，VMTJ2＝VP，VMTJ1<VMTJ2，结果为1，读出数据为1；VMTJ1＝VP，VMTJ2＝VAP，MTJ1>VMTJ2，结果为0，读出数据为0。
CN202010521122.0A 2020-06-10 2020-06-10 一种基于磁性隧道结的位元结构 Pending CN111696601A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010521122.0A CN111696601A (zh) 2020-06-10 2020-06-10 一种基于磁性隧道结的位元结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010521122.0A CN111696601A (zh) 2020-06-10 2020-06-10 一种基于磁性隧道结的位元结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111696601A true CN111696601A (zh) 2020-09-22

Family

ID=72480022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010521122.0A Pending CN111696601A (zh) 2020-06-10 2020-06-10 一种基于磁性隧道结的位元结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111696601A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006073930A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc 磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリ
US20130272059A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Differential mram structure with relatively reversed magnetic tunnel junction elements enabling writing using same polarity current
US20130322161A1 (en) * 2012-06-04 2013-12-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic random access memory
CN106128495A (zh) * 2016-06-16 2016-11-16 中电海康集团有限公司 一种一次性可编程器件及编程实现方法
CN106463167A (zh) * 2014-05-15 2017-02-22 高通股份有限公司 混合单端和差分感测的混合磁阻只读存储器(mram)高速缓存
CN107924695A (zh) * 2015-08-26 2018-04-17 高通股份有限公司 采用共享源极线的互补磁性隧道结mtj位单元及相关方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006073930A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc 磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリ
US20130272059A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Differential mram structure with relatively reversed magnetic tunnel junction elements enabling writing using same polarity current
US20130322161A1 (en) * 2012-06-04 2013-12-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic random access memory
CN106463167A (zh) * 2014-05-15 2017-02-22 高通股份有限公司 混合单端和差分感测的混合磁阻只读存储器(mram)高速缓存
CN107924695A (zh) * 2015-08-26 2018-04-17 高通股份有限公司 采用共享源极线的互补磁性隧道结mtj位单元及相关方法
CN106128495A (zh) * 2016-06-16 2016-11-16 中电海康集团有限公司 一种一次性可编程器件及编程实现方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. High-density NAND-like spin transfer torque memory with spin orbit torque erase operation
US8194438B2 (en) nvSRAM having variable magnetic resistors
US8125819B2 (en) Asymmetric write current compensation using gate overdrive for resistive sense memory cells
US7130235B2 (en) Method and apparatus for a sense amplifier
US10269403B2 (en) Semiconductor storage device
US20060274573A1 (en) Magnetic random access memory
US9740255B2 (en) Memory cell and storage device
CN109256160B (zh) 一种自旋轨道矩磁存储器读取方法
US6614682B2 (en) Magnetic material memory and information reproducing method of the same
TW202029191A (zh) 記憶體裝置及讀取記憶體裝置的方法
Zhang et al. Adams: asymmetric differential stt-ram cell structure for reliable and high-performance applications
US10020040B2 (en) Semiconductor memory device
US20070133262A1 (en) MRAM with a write driver and method therefor
Bayram et al. NV-TCAM: Alternative interests and practices in NVM designs
US10311931B2 (en) Semiconductor memory device
US20040160251A1 (en) High density magnetic RAM and array architecture using a one transistor, one diode, and one MTJ cell
Ran et al. Read disturbance issue and design techniques for nanoscale STT-MRAM
JP4262969B2 (ja) 薄膜磁性体記憶装置
Ran et al. Read disturbance issue for nanoscale STT-MRAM
Kang et al. Readability challenges in deeply scaled STT-MRAM
CN111696601A (zh) 一种基于磁性隧道结的位元结构
US10586578B2 (en) Storage device, information processing apparatus, and storage device control method
Zhang et al. A full-sensing-margin dual-reference sensing scheme for deeply-scaled STT-RAM
JP4726169B2 (ja) 磁気メモリ及びその駆動方法
US11328758B2 (en) Magnetic memory, and programming control method, reading method, and magnetic storage device of the magnetic memory

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20211227

Address after: Room j633, building 6, No. 1288, Yecheng Road, Jiading District, Shanghai 201800

Applicant after: Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co.,Ltd.

Address before: 215000 306, building 3, software park, No. 78, Keling Road, Suzhou high tech Zone, Suzhou, Jiangsu Province

Applicant before: Suzhou siliter Semiconductor Technology Co.,Ltd.

RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200922