CN112420097A

CN112420097A - 单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器

Info

Publication number: CN112420097A
Application number: CN202011312361.1A
Authority: CN
Inventors: 薛晓勇; 赵晨阳; 方晋北; 陈德扬; 杨何勇; 张洵铭
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明属于存储器技术领域，具体为一种单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器。本发明存储器的存储单元包括：一个重金属导电层、一个磁阻元件和两个开关元件；磁阻元件有三层，分别是磁化方向固定的磁性材料层、非磁性材料层、磁化方向可变的磁性材料层；第一开关元件用于控制存储单元写入通路的导通或关闭，第二开关元件用于控制存储单元读取通路的导通或关闭；当第一开关元件是NMOS管时，第二开关元件是PMOS管；当第一开关元件是PMOS管时，第二开关元件是NMOS管。本发明的自旋轨道矩磁性随机存储器，利用NMOS管和PMOS管分别控制写入和读取操作，从而将传统方案中的写字线与读字线合并，实现减小面积代价、简化控制逻辑的效果。

Description

单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器

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。

进一步来说，我们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-torque Magnetic 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。

然而相比于其他方案，基本的自旋轨道矩磁性随机存储器方案的单个存储单元面积较大，且控制逻辑复杂——一个存储单元由两个MOS管和一个磁性隧道结组成，并由一条源线、两条字线（写字线与读字线）以及两条位线（写位线与读位线）所控制。目前关于减小其面积代价、简化控制逻辑的方案虽然存在，但它们可操作性都不强，这一问题仍待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种面积代价低、控制逻辑简单的自旋轨道矩磁性随机存储器方案。

本发明提供的单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器，其存储单元包括一个重金属导电层、一个磁阻元件和两个开关元件。其中，第一个开关元件的第一端与写位线相连，第二端与重金属导电层第一端相连，控制端与字线相连。重金属导电层第二端与源线相连。磁阻元件第一端与第二个开关元件的第一端相连，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。第二个开关元件的第二端与读位线相连，控制端与字线相连。

上述重金属导电层可以是铂、钽、金、钨或者钯。

上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。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。

上述第一个开关元件用于控制存储单元写入通路的导通或关闭。上述第二个开关元件用于控制存储单元读取通路的导通或关闭。当第一个开关元件是NMOS管时，第二个开关元件是PMOS管；当第一个开关元件是PMOS管时，第二个开关元件是NMOS管。控制第一个开关元件导通写入通路，并且对写位线和源线间施加一定电压差，使写入电流通过重金属导电层，即可改变磁阻元件的阻态，向存储单元中存入数据。控制第二个开关元件导通读取通路，并且对读位线和源线间施加一定电压差，读取经过磁阻元件的电流，判断其阻态，即可实现对存储单元的数据读取。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器，利用NMOS管和PMOS管分别控制写入和读取操作，从而将传统方案中的写字线与读字线合并，实现减小面积代价、简化控制逻辑的效果。

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为本发明单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的第一种硬件实现电路图；

图2为基于第一种自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列；

图3为本发明单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的第二种硬件实现电路图；

图4为基于第二种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为本发明单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的第一种硬件实现电路图；110为磁阻元件；110 a为磁阻元件的磁化方向固定的磁性材料层；110 b为磁阻元件的非磁性材料层；110 c为磁阻元件的磁化方向可变的磁性材料层；111为重金属导电层；120为NMOS管；121为PMOS管；130为连接写位线的端口；131为连接字线的端口；132为连接源线的端口；133为连接读位线的端口。

200为基于第一种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字线；211为连接第二行存储单元的字线；212为连接第N行存储单元的字线；220为连接第一行存储单元的源线；221为连接第二行存储单元的源线；222为连接第N行存储单元的源线；230为连接第一列存储单元的写位线；231为连接第二列存储单元的写位线；232为连接第M列存储单元的写位线；330为连接第一列存储单元的读位线；331为连接第二列存储单元的读位线；332为连接第M列存储单元的读位线。

300为本发明单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的第二种硬件实现电路图；310为磁阻元件；310 a为磁阻元件的磁化方向固定的磁性材料层；310 b为磁阻元件的非磁性材料层；310 c为磁阻元件的磁化方向可变的磁性材料层；311为重金属导电层；320为PMOS管；321为NMOS管；330为连接写位线的端口；331为连接字线的端口；332为连接源线的端口；333为连接读位线的端口。

400为基于第二种自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列；410为连接第一行存储单元的字线；411为连接第二行存储单元的字线；412为连接第N行存储单元的字线；420为连接第一行存储单元的源线；421为连接第二行存储单元的源线；422为连接第N行存储单元的源线；430为连接第一列存储单元的写位线；431为连接第二列存储单元的写位线；432为连接第M列存储单元的写位线；430为连接第一列存储单元的读位线；431为连接第二列存储单元的读位线；432为连接第M列存储单元的读位线。

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。

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为本发明单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的第一种硬件实现电路图。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，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，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，字线上施加零电压，读位线上施加读电压VREAD，源线上施加零电压，通过读出读位线或源线上的电流大小，可得目标存储单元中的数据。

图2为基于第一种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，需给相应字线施加零电压，并且向所有M条读位线施加正电压VREAD，向所有M条源线上施加零电压。

图3为本发明单字线的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的第二种硬件实现电路图。如图3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，字线上施加零电压，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，字线上施加零电压，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，字线上施加正电压VDD，读位线上施加读电压VREAD，源线上施加零电压，通过读出读位线或源线上的电流大小，可得目标存储单元中的数据。

图4为基于第二种自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列。如图4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，需给相应字线施加零电压，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，需给相应字线施加正电压VDD，并且向所有M条读位线施加正电压VREAD，向所有M条源线上施加零电压。

Claims

1.一种单字线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、一个磁阻元件、一个NMOS管和一个PMOS管；其中，所述NMOS管第一端与写位线相连；所述NMOS管第二端与所述重金属导电层第一端相连；所述NMOS管控制端与字线相连；所述重金属导电层第二端与源线相连；所述磁阻元件第一端与所述PMOS管第一端相连；所述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PMOS管第二端与读位线相连；所述PMOS管控制端与字线相连。

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所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述NMOS管用于控制存储单元写入通路的导通或关闭。

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PMOS管用于控制存储单元读取通路的导通或关闭。

6.一种单字线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、一个磁阻元件、一个NMOS管和一个PMOS管；其中，所述PMOS管第一端与写位线相连；所述PMOS管第二端与所述重金属导电层第一端相连；所述PMOS管控制端与字线相连；所述重金属导电层第二端与源线相连；所述磁阻元件第一端与NMOS管第一端相连；所述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NMOS管第二端与读位线相连；所述NMOS管控制端与字线相连。

7.如权利要求6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。

8.如权利要求6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。

9.如权利要求6所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述NMOS管用于控制存储单元写入通路的导通或关闭。

10.如权利要求6所述的自旋轨道矩磁性随机存储器，其特征在于，所述PMOS管用于控制存储单元读取通路的导通或关闭。