CN112420095A - 基于重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于存储器技术领域，具体为一种基于重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器。本发明的随机存储器，其存储单元包括：一个重金属导电层、两个磁阻元件和三个开关元件；所述的两个磁阻元件第一层是磁化方向固定的磁性材料层，第二层是非磁性材料层，第三层是磁化方向可变的磁性材料层，这两个磁阻元件均邻接到同一重金属导电层上，组成差分结构。本发明的自旋轨道矩磁性随机存储器，利用一组共用重金属层的互补磁性隧道结构建自旋轨道矩磁性随机存储器的存储单元，差分结构提高其读取裕度，重金属层的共用使面积代价减小，也使写入控制逻辑更为简单。
Description
技术领域
本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种自旋轨道矩磁性随机存储器。
背景技术
在过去几十年里，静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)一直是片上嵌入式存储器的主流解决方案。随着工艺和设计技术的不断发展，单个集成电路上集成的处理器核心数越来越多，使得单个芯片对片上静态随机存储器的集成度、容量和带宽要求越来越高。因此，有了这些不断提高的要求，在1994-2008年这十几年间，静态随机存储器的发展迅速：在每个新的工艺代，静态随机存储器的存储单元面积都会减少一半。然而近年来，这种发展趋势遇到了很大的阻力。工艺尺寸的减小，增加了工艺制造的难度，制造过程中参数的随机变化引起器件阈值电压的波动，从而影响存储单元的稳定性，使得高密度的存储阵列很难拥有宽裕的噪声容限。这也限制了高密度静态存储器性能的提高与功耗的降低，使静态随机存储器不能向既定的方向发展。因此，寻找新的存储器方案以替代静态随机存储器成为了进一步显著提高芯片性能的必由之路。
进一步地，要求下一代存储器方案同时具有以下四点特性：低功耗、高性能、与CMOS标准工艺兼容性好与可微缩性强。自旋轨道矩磁性随机存储器(Spin-orbit-torqueMagnetic Random Access Memory, SOT MRAM)因此成为了有利竞争者，基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)使其具有非易失性，静态功耗极低；读写路径可被单独优化，动态功耗也相当低；读写速度快，并且易集成，可与CMOS标准工艺兼容；另外，它的耐久性几乎是无限的，而且在常温下的保持性也超过10年，使得它在传感器网络、物联网、大数据等领域有极大潜力。
然而，目前的自旋轨道矩磁性随机存储器隧道磁电阻比(Tunnel Magneto-resistance Ratio, TMR)相比于其他电阻式随机存储器而言仍然较小，而读取裕度小则会导致读取速度慢，对读取器件的精度要求高，从而影响自旋轨道矩磁性随机存储器的性能。为了解决这一问题，目前较为普遍的做法是利用差分电路，通过互补磁性隧道结阻值的相互比较以提高隧道磁电阻比。但这一方案的面积代价非常大，且控制逻辑复杂，每个存储单元使用到了两个磁性隧道结、四个晶体管，并且被四条字线（两条读字线和两条写字线）、两条源线以及两条位线所控制。如何在利用差分电路提高隧道磁电阻比的同时也相对减小存储单元的面积代价，这是一个有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种读取裕度大、面积代价小且控制逻辑简单的自旋轨道矩磁性随机存储器。
本发明提供的自旋轨道矩磁性随机存储器，是基于共用重金属层磁性隧道结对的，其存储单元，包括一个重金属导电层、两个磁阻元件和三个开关元件。其中，第一个开关元件第一端与写位线相连，第二端与重金属导电层第一端相连，控制端与写字线相连。重金属导电层第二端与源线相连。第一个磁阻元件第一端与第二个开关元件第一端相连，第二端邻接到重金属导电层第一端与第二端之间的中间位置。第二个磁阻元件第一端与第三个开关元件第一端相连，第二端邻接到重金属导电层第一端与第二端之间的中间位置。第二个开关元件第二端与第一条读位线相连，控制端与读字线相连。第三个开关元件第二端与第二条读位线相连，控制端与读字线相连。
上述自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的两个磁阻元件构成差分电路，利用它们读取电流的相互比较，读出存储单元所存储的值。
上述重金属导电层可以是铂、钽、金、钨或钯。
上述两个磁阻元件由三层组成，第一层是磁化方向固定的磁性材料层，第二层是非磁性材料层，第三层是磁化方向可变的磁性材料层。其磁化方向固定的磁性材料层作为磁阻元件的第一端，磁化方向可变的磁性材料层作为磁阻元件的第二端邻接在重金属导电层第一端与第二端的中间位置。这两个磁阻元件磁化方向固定的磁性材料层磁化方向相反。
上述第一个开关元件用于控制两个磁阻元件写入通路的导通或关闭，它可以是NMOS管。
上述第二个开关元件用于控制第一个磁阻元件读取通路的导通或关闭，它可以是NMOS管。
上述第三个开关元件用于控制第二个磁阻元件读取通路的导通或关闭，它可以是NMOS管。
根据本发明提供的具体实施例，本发明具有以下技术效果：本发明提供的基于共用重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器，利用一组共用重金属层的互补磁性隧道结构建自旋轨道矩磁性随机存储器的存储单元，差分结构提高其读取裕度，重金属层的共用使面积代价减小，也使写入控制逻辑更为简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于共用重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的硬件实现电路图；
图2为基于上述自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列。
图中标号
100为本发明基于共用重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的硬件实现电路图；110为第一个磁阻元件；110 a为第一个磁阻元件的磁化方向固定的磁性材料层；110 b为第一个磁阻元件的非磁性材料层；110 c为第一个磁阻元件的磁化方向可变的磁性材料层；111为第二个磁阻元件；112为重金属导电层；120为第一个开关元件NMOS管；121为第二个开关元件NMOS管；122为第三个开关元件NMOS管；130为连接写位线的端口；131为连接写字线的端口；132为连接读字线的端口；133为连接第一条读位线的端口；134为连接第二条读位线的端口；135为连接源线的端口。
200为基于上述自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列；210为连接第一行存储单元的写字线；211为连接第二行存储单元的写字线；212为连接第N行存储单元的写字线；220为连接第一行存储单元的读字线；221为连接第二行存储单元的读字线；222为连接第N行存储单元的读字线；230为连接第一行存储单元的源线；231为连接第二行存储单元的源线；232为连接第N行存储单元的源线；240为连接第一列存储单元的写位线；241为连接第二列存储单元的写位线；242为连接第M列存储单元的写位线；250为连接第一列存储单元的第一条读位线；251为连接第二列存储单元的第一条读位线；252为连接第M列存储单元的第一条读位线；260为连接第一列存储单元的第二条读位线；261为连接第二列存储单元的第二条读位线；262为连接第M列存储单元的第二条读位线；270为第一列存储单元的灵敏放大器；271为第二列存储单元的灵敏放大器；272为第M列存储单元的灵敏放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于共用重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于共用重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的硬件实现电路图。如图1所示，当需要向存储单元中写入“1”（或“0”，视外加在磁阻元件上的磁场而定）时，写字线上施加正电压VDD，写位线施加正电压VWP，源线上施加零电压；当需要向存储单元中写入“0”（或“1”，视外加在磁阻元件上的磁场而定）时，写字线上施加正电压VDD，写位线施加负电压VWN，源线上施加零电压；当需要读取存储单元中的数据时，读字线上施加正电压VDD，两条读位线上施加读电压VREAD，源线上施加零电压，通过比较两条读位线上的电流，即比较两个磁阻元件中存储的值，可得目标存储单元中的数据。
图2为基于上述自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列。如图2所示，存储阵列的一行有 M个存储单元，这M个存储单元所存的数据构成一个字；存储阵列的一列有N个存储单元。若要完成对特定一个字的写操作，需给相应写字线施加正电压VDD，并且向所有M条写位线施加正电压VWP或负电压VWN，向所有M条源线施加零电压；若要完成对特定一个字的读操作，需给相应读字线施加正电压VDD，并且向所有2M条读位线施加正电压VREAD，向所有M条源线上施加零电压，此后M个灵敏放大器会比较对应两条读位线上电流的大小，得到对于M个存储单元中的值。
Claims (7)
1.一种基于重金属层磁性隧道结对的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，其存储单元包括一个重金属导电层、两个磁阻元件和三个开关元件；其中：
所述第一个开关元件第一端与写位线相连；所述第一个开关元件第二端与所述重金属导电层第一端相连；所述第一个开关元件控制端与写字线相连；
所述重金属导电层第二端与源线相连；
所述第一个磁阻元件第一端与所述第二个开关元件第一端相连；所述第一个磁阻元件第二端邻接到所述重金属导电层第一端与第二端之间的中间位置；所述第二个磁阻元件第一端与所述第三个开关元件第一端相连；所述第二个磁阻元件第二端邻接到所述重金属导电层第一端与第二端之间的中间位置；
所述第二个开关元件第二端与第一条读位线相连；所述第二个开关元件控制端与读字线相连；
所述第三个开关元件第二端与第二条读位线相连；所述第三个开关元件控制端与读字线相连；
所述存储单元的两个磁阻元件构成差分电路，利用它们读取电流的相互比较，读出存储单元所存储的值。
2.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述重金属导电层材质是铂、钽、金、钨或钯。
3.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述磁阻元件由三层组成，第一层是磁化方向固定的磁性材料层，第二层是非磁性材料层，第三层是磁化方向可变的磁性材料层；所述磁阻元件磁化方向固定的磁性材料层作为磁阻元件的第一端，其磁化方向可变的磁性材料层作为磁阻元件的第二端邻接在重金属导电层第一端与第二端的中间位置。
4.如权利要求1或3所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述的两个磁阻元件磁化方向固定的磁性材料层磁化方向相反。
5.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述第一个开关元件用于控制两个磁阻元件写入通路的导通或关闭；该开关元件是NMOS管。
6.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述第二个开关元件用于控制第一个磁阻元件读取通路的导通或关闭；该开关元件是NMOS管。
7.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述第三个开关元件用于控制第二个磁阻元件读取通路的导通或关闭；该开关元件是NMOS管。
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