一种用于STT-MRAM的混合型写入结构及写入方法技术

本发明专利技术涉及一种用于STT

【技术实现步骤摘要】
一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构及写入方法


[0001]本专利技术涉及一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构及写入方法，属于计算机存储


技术介绍

[0002]自旋转移力矩磁随机存储器(Spin
‑
transfer torque Magnetic RAM,STT
‑
MRAM)是通过自旋电流实现信息写入的一种新型非易失性磁随机存储器。STT
‑
MRAM存储单元的核心是一个磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。STT
‑
MRAM被认为是最具有潜力替代Flash的新型存储器之一，在与计算机存储相关的领域均具有广泛的应用前景。
[0003]STT
‑
MRAM的信息存储依靠写入操作来完成，因此，写入操作的研究对于STT
‑
MRAM至关重要。STT
‑
MRAM内的存储单元由一个用于对存储单元进行访问控制的晶体管(记为T)和一个用于存储二进制数据的非易失性存储器件(记为R)组成，称为1T1R非易失性存储单元。如图1所示是应用于STT
‑
MRAM的传统1T1R型的写入结构，其双向写操作均由相同的STT
‑
MTJ和晶体管完成，由于STT
‑
MTJ阻值的切换对应了不同的电流大小和方向，因此当写入电流I
W
大于STT
‑
MTJ的临界翻转电流且持续时间大于翻转延迟时间时，STT
‑
MRAM才能正确的完成写入操作。由图1可知其写入结构的写入原理为：在STT
‑
MRAM两端加上写入电压，产生写入电流。当STT
‑
MRAM的源线(SL)接写入电压V
W
，位线(BL)接GND时，流过STT
‑
MTJ的电流从固定层到自由层，在满足翻转电流的大小与持续时间的前提下，STT
‑
MTJ的阻值切换到高阻AP状态，STT
‑
MRAM写入信息“1”；当位线接写电压V
W
，源线接地时，写入电流从STT
‑
MRAM的BL流向SL，流过STT
‑
MTJ的电流从自由层到固定层，在满足翻转电流的大小与持续时间的前提下，STT
‑
MTJ的阻值切换到低阻P状态，STT
‑
MRAM写入信息“0”。
[0004]STT
‑
MRAM的写入操作需要双向电流以便将信息编程为MTJ自由层的磁化方向。当电流从BL流向SL时，由于晶体管M的源级接地，其过驱电压为V
W
‑
V
th
(即，Vov＝V
W
‑
V
th
，其中V
th
是晶体管阈值电压)；而当电流从SL流向BL时，由于MTJ相当于负反馈，起到了限制电流的作用，同时在此情况下体效应(V
SB
<0)的作用也降低了晶体管的过驱动电压，因此相对于上述操作而言，此时晶体管的过驱动电压(V
OV
＝V
W
‑
(V
th
+ΔV
th_Body
)
‑
V
OS
)变小。故在设计晶体管的宽度时必须满足双向的电流需求。在传统的电路设计中，对于存取晶体管的宽度通常采取最坏情况下对应的宽度，即需提供电流最大的情况。同时，由于写入电流需大于临界翻转电流才可完成写入操作，因此需要高写入电流，直接增加了动态功耗和总写入能量成本。
[0005]在传统的1T1R结构中，由于工艺变化对STT
‑
MTJ和晶体管的影响导致STT
‑
MRAM在双向写入操作中存在写入不对称问题。而为了确保存储单元的写入能力，访问晶体管的尺寸通常选择最大的一种情况，这种选择标准可以称为“按最差”式标准。因此，传统的1T1R结构会导致STT
‑
MRAM在一个方向上的写入电流过大的问题。

技术实现思路

[0006]为了解决由传统的1T1R结构写入不对称引起的写入电流过大的问题，本专利技术提出
了一种应用于STT
‑
MRAM的新型双电源混合型写入结构，此结构在设置晶体管的尺寸时，采用“按需”式标准。
[0007]本专利技术提出的一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构，是一种混合型结构的“按需”式选择标准的写入操作结构。当STT
‑
MRAM写“0”时，由于所需的写入电流较小，因此，存取晶体管选择尺寸较小的晶体管M1来提供写入电流，当写“1”时，由于所需的写入电流较大，采用晶体管M1与晶体管M2并联提供写入电流。在本专利技术的混合型写入结构中，W
M1
、W
M2
别代表晶体管M1、晶体管M2和晶体管M3的宽。
[0008]根据本专利技术的技术方案，通过调节晶体管的宽长比，可以达到调节电流的目的，以满足翻转电流的要求。在同样的电压下，晶体管的宽长比越大，对应的电流就越大。并且，在电路分析的时候，一般讲MTJ器件的阻值被认为是不随电流变化而变化的，是一个被动元件，因此，流过MTJ的电流为晶体管的电流相加。
[0009]根据本专利技术的技术方案，本专利技术首先提出的一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构如图2所示，所述写入结构包括：STT
‑
MTJ、第一晶体管M1和第二晶体管M2，所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2并联，并与所述STT
‑
MTJ连接。
[0010]所述写入结构在执行写入操作时，当STT
‑
MRAM的源线SL1和SL2端接写入电压V
W
，位线BL端接GND时，写入电流从所述STT
‑
MTJ的固定层流向自由层，所述STT
‑
MRAM进行写“1”操作；
[0011]当STT
‑
MRAM的位线BL端接写入电压V
W
时，所述STT
‑
MRAM的源线SL1接GND，所述第二晶体管M2处于截止状态，写入电流从所述STT
‑
MTJ的自由层流向固定层，所述STT
‑
MRAM进行写“0”操作。
[0012]根据本专利技术的技术方案，在执行写入操作时，当STT
‑
MRAM的SL1和SL2端接写入电压V
W
，BL端接GND时，所述STT
‑
MRAM进行写“1”操作。此时流过MTJ的写入电流I
W1
是由晶体管M1和M2共同提供，在电路分析中，两个并联的晶体管被简单地等效为宽长比变为两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构，其特征在于，所述写入结构包括：STT
‑
MTJ、第一晶体管M1和第二晶体管M2；其中，所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2并联，并与所述STT
‑
MTJ连接；所述写入结构在执行写入操作时，当STT
‑
MRAM的源线SL1和SL2端接写入电压V
W
，位线BL端接GND时，写入电流从所述STT
‑
MTJ的固定层流向自由层，所述STT
‑
MRAM进行写“1”操作；当STT
‑
MRAM的位线BL端接写入电压V
W
时，所述STT
‑
MRAM的源线SL1接GND，所述第二晶体管M2处于截止状态，写入电流从所述STT
‑
MTJ的自由层流向固定层，所述STT
‑
MRAM进行写“0”操作。2.根据权利要求1所述的一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构，其特征在于，所述STT
‑
MRAM进行写“0”操作时写入电流I
W0
由所述第一晶体管M1提供，I
W0
＝I
M1
。3.根据权利要求1所述的一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构，其特征在于，所述STT
‑
MRAM进行写“1”操作时写入电流I
W1
由所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2共同提供，I
W1
＝I
M1
+I
M2
。4.根据权利要求1
‑
3的任一所述的一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构，其特征在于，所述STT
‑
MRAM进行写“0”操作时的写入电流I
W0
小于所述STT
‑
MRAM进行写“1”操作时的写入电流I
W1
。5.一种用于STT
‑
MRAM的混合型写入结构，其特征在于，所述写入结构包括：STT
‑
MTJ、第一晶体管M1和第二晶体管M2；其中，所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2并联，并与所述STT
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岩峰，成关壹，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：