[发明专利]一种用于STT-MRAM的混合型写入结构及写入方法

说明书

本发明涉及一种用于STT‑MRAM的混合型写入结构及写入方法，属于计算机存储技术领域。本发明的混合型写入结构通过两个晶体管并联，并调节晶体管的宽度来适当控制流过MTJ的电流的减小幅度，以增加STT‑MTJ的使用寿命。进一步，由于MTJ器件的寿命受电压影响较大，电压越高，寿命越短，故本发明提出的一种采用双电源的混合型写入结构，在所述STT‑MRAM的不同写入操作提供不同的写入电压，并通过在STT‑MRAM写入操作时使第一写入电压大于第二写入电压，以使得所述STT‑MRAM在写“0”操作时，流过所述STT‑MTJ的电流更小，同时实现低电压写入，能够进一步增加STT‑MTJ的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种用于STT-MRAM的混合型写入结构及写入方法，属于计算机存储技术领域。

背景技术

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。

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”。

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_SB0)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。

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。

发明内容