一种磁性位单元双电压写入方法技术

一种磁性位单元双电压写入方法，它有四大步骤：一、对待写入位单元所在列进行寻址，以确定待写入位单元所在列在存储阵列中的位置；二、根据写“0”或写“1”的要求，将写入电路同所对应的写入电压相关联，为给写“0”或写“1”操作提供所需电压及电流做准备；三、对待写入位单元所在行进行寻址，以确定待写入位单元所在行在存储阵列中的位置；步骤三同步骤一共同作用，以确定待写入位单元在存储阵列中的具体位置；四、通过步骤一至步骤三，形成自被关联的写入电压经位单元至地线Gnd的电流通路；根据写“0”或写“1”的要求，电流分别自位单元的位线流向源线，或自位单元的源线流向位线，完成写“0”或“1”操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁性随机存取存储器，具体涉及在平面磁各向异性和垂直磁各向异性的磁性随机存取存储器中，采用一种磁性位单元双电压写入方法。本专利技术还适用于任何基于非对称写入机制的非易失性存储器或非易失性逻辑电路中的写入操作。本专利技术属于半导体存储器中的新型非易失性随机存取存储器

技术介绍
自旋转移力矩磁致电阻随机存取存储器（STT-MRAM）因其非易失性、高速读写、高密度、低功耗和近无限次的反复擦写能力等优秀特性，被普遍认为是替代现有易失性的静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的一种存储技术。自旋转移力矩磁致电阻随机存取存储器的核心存储元件是磁性隧道结（MTJ）。它主要是三层堆栈结构，一个自由层和一个参考层被一个隔离层分开。无论是平面磁各向异性磁性隧道结（图1），还是垂直磁各向异性磁性隧道结（图2），当自由层和参考层的磁化方向相同时（Parallel,P），磁性隧道结呈现低电阻特性；反之，当自由层和参考层的磁化方向相异时（Anti-Parallel,AP），磁性隧道结呈现高电阻特性。在信息存储时，高、低这两种截然不同的电阻特性分别用来表征数据“1”和“0”。如图3所示，常规自旋转移力矩磁致电阻随机存取存储器的位单元（Bit cell）包含NMOS晶体管和磁性隧道结串联的结构。磁性隧道结的一端子连接位线（Bit Line,BL），另一端子连接NMOS晶体管漏极/源极；NMOS晶体管源极/漏极连接源线（Source Line,SL），NMOS晶体管栅极连接字线（Word Line,WL）。磁性隧道结的总能耗主要由写入能耗决定，其远远大于读取能耗。对自旋转移力矩磁致电阻随机存取存储器的位单元进行写入操作，取决于流过位单元的电流方向和大小：●如图4所示，写入“0”时，即把磁性隧道结改变成低电阻状态，需要给位单元的位线施加高电压（一般为Vdd），给位单元的源线施加低电压(一般为Gnd)，同时在写入过程中始终保持对位单元的字线施加高电压（一般为Vdd）以保证NMOS晶体管的导通。如上所诉，电流从高电势的位线流向低电势的源线，当此电流大于高电阻状态向低电阻状态转变所需的临界电流（Ic1→0）时，磁性隧道结自由层的磁化方向被改变成同参考层磁化方向同向，其结果是磁性隧道结呈低电阻状态，数据“0”被写入。●如图5所示，写入“1”时，即把磁性隧道结改变成高电阻状态，需要给位单元的位线施加低电压（一般为Gnd），给位单元的源线施加高电压(一般为Vdd)，同时在写入过程中始终保持对位单元的字线施加高电压（一般为Vdd）以保证NMOS晶体管的导通。如上所诉，电流从高电势的源线流向低电势的位线，当此电流大于低电阻状态向高电阻状态转变所需的临界电流（Ic0→1）时，磁性隧道结自由层的磁化方向被改变成同参考层磁化方向同异，其结果是磁性隧道结呈高电阻状态，数据“1”被写入。在对磁性隧道结进行写入时，高低两种电阻状态间相互转换所需的电压一般都小于Vdd。而且，写“0”和写“1”所需的电压或电流呈不对称性。●从“0”到“1”转换所需的电压Vc0→1小于从“1”到“0”转换所需的电压Vc1→0●从“0”到“1”转换所需的电流Ic0→1大于从“1”到“0”转换所需的电流Ic1→0因两种写入操作所需的电压和电流都不相同，所以两种写入操作所需功耗，即所需电压和所需电流的乘积V×I，也不对称。现有写入方法采用单一电压（一般为Vdd）对两种写入过程进行操作。如图6所揭示，在写“0”过程中，功耗为Vdd和在采用Vdd作为写入电压时产生的写入电流I1→0_max的乘积Vdd×I1→0_max（图6中水平线4、垂直线8和横轴、纵轴所包围矩形的面积）；在写“1”过程中，功耗为Vdd和在采用Vdd作为写入电压时产生的写入电流I0→1_max的乘积（图6中水平线1、垂直线8和横轴、纵轴所包围矩形的面积）。需要说明的是，造成在相同写入电压Vdd下产生两种不同写入电流的主要原因是：在写入过程开始时，磁隧道结的初始电阻不同。上述中I1→0_max和I0→1_max指的是，在最大电压值Vdd的情况下所能产生的最大的写“0”和写“1”的电流。现有写入方法导致的结果是：因为采用的单一高电压Vdd大于实际所需的写入电压，进而产生大于实际所需的写入电流，从而造成了大部分写入功耗的无谓浪费。这对采用了自旋转移力矩磁致电阻随机存取存储器作为存储模块的电子设备，尤其是移动电子设备是不利的。
技术实现思路
1、目的：基于磁性隧道结两种写入操作实际所需电压都小于Vdd的情况，以及两种写入操作所需电压和电流的不对称特性，针对上述背景中提到的磁性隧道结写入功耗无谓浪费的问题，本专利技术提供了一种磁性位单元双电压写入方法，它是一种采用双电压分别进行写“0”和写“1”操作的方法，从而降低各写入操作的功耗，最大化磁性隧道结写入功耗的利用率。2、技术方案：如图6所揭示，本专利技术在写入“0”操作时，采用一个能满足写“0”所需的电压V1→0，产生一个写“0”所需要的电流I1→0，以完成对磁性隧道结写入数据“0”。需要特别指出的是，本专利技术采用的V1→0小于Vdd，进而所产生的I1→0也小于I1→0_max。所以，采用电压V1→0进行写“0”操作所需功耗V1→0×I1→0（图6中水平线5、垂直线7和横轴、纵轴所包围矩形的面积）小于采用Vdd写“0”时的功耗Vdd×I1→0_max（图6中水平线4、垂直线8和横轴、纵轴所包围矩形的面积）。图6还揭示，本专利技术在写入“1”操作时，采用一个能满足写“1”所需的电压V0→1，产生一个写“1”所需要的电流I0→1，以完成对磁性隧道结写入数据“1”。需要特别指出的是，本专利技术采用的V0→1小于Vdd，进而所产生的I0→1也小于I0→1_max。所以，采用电压V0→1进行写“1”操作所需功耗V0→1×I0→1（图6中水平线3、垂直线6和横轴、纵轴所包围矩形的面积）小于采用Vdd写“1”时的功耗Vdd×I0→1_max（图6中水平线1、垂直线8和横轴、纵轴所包围矩形的面积）。图6还揭示，在V0→1和V1→0两个电压中，如果选择电压相对较高的V1→0作为单一电压对写“0”和写“1”进行操作，所需写入功耗也小于采用Vdd作为单一写入电压时产生的功耗。其中，写“0”操作所需功耗同前所述，为V1→0×I1→0（图6中水平线5、垂直线7和横轴、纵轴所包围矩形的面积）；写“1”操作所需功耗为V1→0×I’0→1（图6中水平线2、垂直线7和横轴、纵轴所包围矩形的面积），大于如前所诉采用V0→1作为写入电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性位单元双电压写入方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：对待写入位单元所在列进行寻址，以确定待写入位单元所在列在存储阵列中的位置；步骤二：根据写“0”或写“1”的要求，将写入电路同所对应的写入电压相关联，为给写“0”或写“1”操作提供所需电压及电流做准备；步骤三：对待写入位单元所在行进行寻址，以确定待写入位单元所在行在存储阵列中的位置；步骤三同步骤一共同作用，以确定待写入位单元在存储阵列中的具体位置；步骤四：通过步骤一至步骤三，形成自被关联的写入电压经位单元至地线Gnd的电流通路；根据写“0”或写“1”的要求，电流分别自位单元的位线流向源线，或自位单元的源线流向位线，完成写“0”或“1”操作。

【技术特征摘要】
1.一种磁性位单元双电压写入方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：对待写入位单元所在列进行寻址，以确定待写入位单元所在列在存储阵列中的
位置；
步骤二：根据写“0”或写“1”的要求，将写入电路同所对应的写入电压相关联，为给
写“0”或写“1”操作提供所需电压及电流做准备；
步骤三：对待写入位单元所在行进行寻...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玮，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11