[发明专利]具有磁性隧道结的非易失寄存器

说明书

本发明提供一种具有磁性隧道结的非易失寄存器，其特征在于该寄存器单元包括一差动放大器电路，其包含交叉连接的第一反相器和第二反相器，用以形成不平衡的触发器电路；两反相器的两输出端共设置一对受读字线控制的NMOS晶体管，其一者连接两MTJ之间，其一MTJ另一端通过NMOS晶体管连接位线与写字线。藉此，寄存器单元的写通路只是通过位线连接的NMOS，即只需要加大此NMOS管尺寸即可实现流通写电流要求，而读操作上亦无需预充电，因此可加快读、写速度。

技术领域

本发明涉及寄存器技术领域，特别是关于一种使用磁性随机存储器技术中磁性隧道结(MTJ)的非易失寄存器单元。

背景技术

降低功耗和增加高速数据操作是下一代逻辑电路的主要目标。由于纳米级互补金属氧化物半导体(CMOS)技术中的漏电流，预计静态功耗会急剧增加。此外，先进超大规模集成电路(VLSI)中全局互连长度的增加导致功率和延迟的进一步增加。逻辑存储器架构，其中存储器组件分布在逻辑电路平面上，与非易失性存储器组合，预期实现超低功率和缩短互连延迟。但是，为了充分利用逻辑存储器架构，实现具有更短访问时间、无限耐久性和可扩展写入能力的非易失性寄存器非常重要。

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)被人们认为是未来具有前景的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性参考层(Reference Layer，RL)位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

在实际应用上为能在这种磁电阻组件中记录信息，使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)转换技术，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。这种空置状态之下磁性存储器的自由层保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力(Data Retention)或者热稳定性(ThermalStability)。在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)的热稳定性要求是在125℃的条件可以保存数据10年。

MRAM这种新的内存和存储技术，可以像静态随机存取存储器(SRAM)/动态随机存取存储器(DRAM)一样快速随机读写，还可以像闪存(Flash)一样在断电后永久保留数据。它的经济性想当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。