一種磁性位單元雙電壓寫入方法
【專利摘要】一種磁性位單元雙電壓寫入方法，它有四大步驟：一、對待寫入位單元所在列進行尋址，以確定待寫入位單元所在列在存儲陣列中的位置；二、根據(jù)寫“0”或?qū)憽?”的要求，將寫入電路同所對應(yīng)的寫入電壓相關(guān)聯(lián)，為給寫“0”或?qū)憽?”操作提供所需電壓及電流做準備；三、對待寫入位單元所在行進行尋址，以確定待寫入位單元所在行在存儲陣列中的位置；步驟三同步驟一共同作用，以確定待寫入位單元在存儲陣列中的具體位置；四、通過步驟一至步驟三，形成自被關(guān)聯(lián)的寫入電壓經(jīng)位單元至地線Gnd的電流通路；根據(jù)寫“0”或?qū)憽?”的要求，電流分別自位單元的位線流向源線，或自位單元的源線流向位線，完成寫“0”或“1”操作。
【專利說明】一種磁性位單元雙電壓寫入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁性隨機存取存儲器，具體涉及在平面磁各向異性和垂直磁各向異性的磁性隨機存取存儲器中，采用一種磁性位單元雙電壓寫入方法。本發(fā)明還適用于任何基于非對稱寫入機制的非易失性存儲器或非易失性邏輯電路中的寫入操作。本發(fā)明屬于半導(dǎo)體存儲器中的新型非易失性隨機存取存儲器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋轉(zhuǎn)移力矩磁致電阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)因其非易失性、高速讀寫、高密度、低功耗和近無限次的反復(fù)擦寫能力等優(yōu)秀特性，被普遍認為是替代現(xiàn)有易失性的靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的一種存儲技術(shù)。
[0003]自旋轉(zhuǎn)移力矩磁致電阻隨機存取存儲器的核心存儲元件是磁性隧道結(jié)(MTJ)。它主要是三層堆棧結(jié)構(gòu)，一個自由層和一個參考層被一個隔離層分開。無論是平面磁各向異性磁性隧道結(jié)(圖1)，還是垂直磁各向異性磁性隧道結(jié)(圖2)，當自由層和參考層的磁化方向相同時(Parallel，P)，磁性隧道結(jié)呈現(xiàn)低電阻特性；反之，當自由層和參考層的磁化方向相異時(Ant1-Parallel，AP)，磁性隧道結(jié)呈現(xiàn)高電阻特性。在信息存儲時，高、低這兩種截然不同的電阻特性分別用來表征數(shù)據(jù)“ I”和“O”。
[0004]如圖3所示，常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁致電阻隨機存取存儲器的位單元(Bit cell)包含NMOS晶體管和磁性隧道結(jié)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。磁性隧道結(jié)的一端子連接位線(Bit Line1BL),另一端子連接NMOS晶體管漏極/源極；NM0S晶體管源極/漏極連接源線(SourceLine, SL), NMOS晶體管柵極連接字線(Word Line, WL)。
[0005]磁性隧道結(jié)的總能耗主要由寫入能耗決定，其遠遠大于讀取能耗。對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁致電阻隨機存取存儲器的位單元進行寫入操作，取決于流過位單元的電流方向和大小:
[0006]?如圖4所示，寫入“O”時，即把磁性隧道結(jié)改變成低電阻狀態(tài)，需要給位單元的位線施加高電壓(一般為Vdd)，給位單元的源線施加低電壓(一般為Gnd)，同時在寫入過程中始終保持對位單元的字線施加高電壓(一般為Vdd)以保證NMOS晶體管的導(dǎo)通。如上所訴，電流從高電勢的位線流向低電勢的源線，當此電流大于高電阻狀態(tài)向低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需的臨界電流(Ic1^0)時，磁性隧道結(jié)自由層的磁化方向被改變成同參考層磁化方向同向，其結(jié)果是磁性隧道結(jié)呈低電阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)“O”被寫入。
[0007]?如圖5所示，寫入“I”時，即把磁性隧道結(jié)改變成高電阻狀態(tài)，需要給位單元的位線施加低電壓(一般為Gnd)，給位單元的源線施加高電壓(一般為Vdd)，同時在寫入過程中始終保持對位單元的字線施加高電壓(一般為Vdd)以保證NMOS晶體管的導(dǎo)通。如上所訴，電流從高電勢的源線流向低電勢的位線，當此電流大于低電阻狀態(tài)向高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需的臨界電流(Ictl — i)時，磁性隧道結(jié)自由層的磁化方向被改變成同參考層磁化方向同異，其結(jié)果是磁性隧道結(jié)呈高電阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)“ 1 ”被寫入。
[0008]在對磁性隧道結(jié)進行寫入時，高低兩種電阻狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換所需的電壓一般都小于Vdd。而且，寫“O”和寫“I”所需的電壓或電流呈不對稱性。
[0009]?從“ O ”到“ I ”轉(zhuǎn)換所需的電壓Vctl — !小于從“ I ”到“ O ”轉(zhuǎn)換所需的電壓Vc1] Q
[0010]?從“O”到“ I ”轉(zhuǎn)換所需的電流Ic0 — x大于從“ I ”到“O”轉(zhuǎn)換所需的電流Ic1 — ο
[0011]因兩種寫入操作所需的電壓和電流都不相同，所以兩種寫入操作所需功耗，即所需電壓和所需電流的乘積VXI,也不對稱。
[0012]現(xiàn)有寫入方法采用單一電壓(一般為Vdd)對兩種寫入過程進行操作。如圖6所揭示，在寫“O”過程中，功耗為Vdd和在采用Vdd作為寫入電壓時產(chǎn)生的寫入電流I^ max的乘積VddXIn max (圖6中水平線4、垂直線8和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積);在寫“I”過程中，功耗為Vdd和在采用Vdd作為寫入電壓時產(chǎn)生的寫入電流Ic^l max的乘積(圖6中水平線1、垂直線8和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)。需要說明的是，造成在相同寫入電壓Vdd下產(chǎn)生兩種不同寫入電流的主要原因是:在寫入過程開始時，磁隧道結(jié)的初始電阻不同。上述中I卜ο—_和Itljiax指的是，在最大電壓值Vdd的情況下所能產(chǎn)生的最大的寫“O”和寫“I”的電流。
[0013]現(xiàn)有寫入方法導(dǎo)致的結(jié)果是:因為采用的單一高電壓Vdd大于實際所需的寫入電壓，進而產(chǎn)生大于實際所需的寫入電流，從而造成了大部分寫入功耗的無謂浪費。這對采用了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁致電阻隨機存取存儲器作為存儲模塊的電子設(shè)備，尤其是移動電子設(shè)備是不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]1、目的:基于磁性隧道結(jié)兩種寫入操作實際所需電壓都小于Vdd的情況，以及兩種寫入操作所需電壓和電流的不對稱特性，針對上述背景中提到的磁性隧道結(jié)寫入功耗無謂浪費的問題，本發(fā)明提供了一種磁性位單元雙電壓寫入方法，它是一種采用雙電壓分別進行寫“O”和寫“I”操作的方法，從而降低各寫入操作的功耗，最大化磁性隧道結(jié)寫入功耗的利用率。
[0015]2、技術(shù)方案:如圖6所揭示，本發(fā)明在寫入“O”操作時，采用一個能滿足寫“O”所需的電壓Vhtl，產(chǎn)生一個寫“O”所需要的電流1^，以完成對磁性隧道結(jié)寫入數(shù)據(jù)“O”。需要特別指出的是，本發(fā)明采用的V1I小于Vdd，進而所產(chǎn)生的I1I也小于I卜C。所以，采用電壓V1I進行寫“O”操作所需功耗Vp^ In (圖6中水平線5、垂直線7和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)小于采用Vdd寫“O”時的功耗VddXIn max (圖6中水平線4、垂直線8和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)。
[0016]圖6還揭示，本發(fā)明在寫入“I”操作時，采用一個能滿足寫“I”所需的電壓％ —1;產(chǎn)生一個寫“I”所需要的電流Ic^1,以完成對磁性隧道結(jié)寫入數(shù)據(jù)“I”。需要特別指出的是，本發(fā)明采用的Vc^1小于Vdd，進而所產(chǎn)生的Ic^1也小于Ic^l maxt5所以，采用電壓Vc^1進行寫“ I ”操作所需功耗Vt i X 1卜i (圖6中水平線3、垂直線6和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)小于采用Vdd寫“I”時的功耗VddXIc^l max (圖6中水平線1、垂直線8和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)。
[0017]圖6還揭示，在Vc^1和V1I兩個電壓中，如果選擇電壓相對較高的h作為單一電壓對寫“O”和寫“I”進行操作，所需寫入功耗也小于采用Vdd作為單一寫入電壓時產(chǎn)生的功耗。其中，寫“O”操作所需功耗同前所述，為VptlXI卜。(圖6中水平線5、垂直線7和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)；寫“1”操作所需功耗為V^XI’ O^1 (圖6中水平線2、垂直線7和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)，大于如前所訴采用Vc^1作為寫入電壓時的功耗Vp1XIc^1(圖6中水平線3、垂直線6和橫軸、縱軸所包圍矩形的面積)，但仍小于采用Vdd作為單一寫入電壓時產(chǎn)生的寫“I”功耗。此方法的優(yōu)點是因采用單一寫入電壓，電路設(shè)計工作相對雙電壓寫入方法簡易，同時所需功耗小于采用Vdd作為單一寫入電壓時產(chǎn)生的功耗。如果是針對功耗敏感的應(yīng)用場景和實例，雙電壓寫入方法更為適用。
[0018]如圖7的流程框圖所揭示，本發(fā)明一種磁性位單元雙電壓寫入方法，操作步驟如下:
[0019]步驟一:對待寫入位單元所在列進行尋址，以確定待寫入位單元所在列在存儲陣列中的位置。
[0020]步驟二:根據(jù)寫“O”或?qū)憽癐”的要求，將寫入電路同所對應(yīng)的寫入電壓相關(guān)聯(lián)，為給寫“O”或?qū)憽?I”操作提供所需電壓及電流做準備。
[0021]步驟三:對待寫入位單元所在行進行尋址，以確定待寫入位單元所在行在存儲陣列中的位置。步驟三同步驟一共同作用，以確定待寫入位單元在存儲陣列中的具體位置。
[0022]步驟四:通過步驟一至步驟三，形成自被關(guān)聯(lián)的寫入電壓經(jīng)位單元至地線Gnd的電流通路。根據(jù)寫“O”或?qū)憽癐”的要求，電流分別自位單元的位線流向源線，或自位單元的源線流向位線，完成寫“O”或“ I”操作。
[0023]3、優(yōu)點及功效:本發(fā)明一種磁性位單元雙電壓寫入方法，其優(yōu)點是因采用合適的雙電壓分別進行寫“O”和寫“I”的操作，從而降低各寫入操作的功耗，最大化磁性隧道結(jié)寫入功耗的利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為平面磁各向異性磁性隧道結(jié)兩種不同磁化方向及對應(yīng)的磁隧道結(jié)電阻狀態(tài)示意圖。反平行磁化方向?qū)?yīng)磁隧道結(jié)高電阻狀態(tài)，可用于表征數(shù)據(jù)“ I ”;平行磁化方向?qū)?yīng)磁隧道結(jié)低電阻狀態(tài)，可用于表征數(shù)據(jù)“ O ”。
[0025]圖2為垂直磁各向異性磁性隧道結(jié)兩種不同磁化方向及對應(yīng)的磁隧道結(jié)電阻狀態(tài)示意圖。反平行磁化方向?qū)?yīng)磁隧道結(jié)高電阻狀態(tài)，可用于表征數(shù)據(jù)“ I ”;平行磁化方向?qū)?yīng)磁隧道結(jié)低電阻狀態(tài)，可用于表征數(shù)據(jù)“O”。
[0026]圖3為磁性隨機存取存儲器位單元示意圖。其由一個磁性隧道結(jié)(MTJ)和一個N型晶體管(NMOS)串聯(lián)構(gòu)成。其中，BL為位線(Bit Line) ;SL為源線(Source Line);WL為字線(Word Line)。
[0027]圖4為磁性隨機存取存儲器位單元寫“0”操作示意圖。位線電壓(V%)為高(High)，源線電壓(Va)為低(Low)，字線電壓(V.)為高(High)。寫入電流(I)從位線經(jīng)磁隧道結(jié)和N型晶體管流向源線。其中Vc1I為寫“O”所需臨界電壓，Ic1I為寫“O”所需臨界電流。
[0028]圖5為磁性隨機存取存儲器位單元寫“I”操作示意圖。位線電壓(V&)為低(Low)，源線電壓(Va)為高(High)，字線電壓(Vwl)為高(High)。寫入電流(I)從源線經(jīng)N型晶體管和磁隧道結(jié)流向位線。其中Vct^1為寫“I”所需臨界電壓，Ict^1為寫“I”所需臨界電流。
[0029]圖6為采用Vdd單一電壓、V1^單一電壓和雙電壓(V^ci和Vc^1)三種寫入方法的功耗對比示意圖。其中，In為采用V1^寫“O”時產(chǎn)生的電流為采用Vp1寫“1”時產(chǎn)生的電流；1’ C^1為采用V1^寫“I”時產(chǎn)生的電流_為采用Vdd寫“I”時產(chǎn)生的電流；I1—_為采用Vdd寫“O”時產(chǎn)生的電流。
[0030]圖7為本發(fā)明一種磁性位單元雙電壓寫入方法的操作流程框圖。
[0031]圖8為本發(fā)明一種磁性位單元雙電壓寫入方法具體操作示意圖。其中，Vh為寫“O”電壓八為寫“I”電壓；vH大于Htl為用時產(chǎn)生的電流；I1為用八寫“1”時產(chǎn)生的電流。
【具體實施方式】
[0032]見圖1一圖8，隨機存取存儲器通常以陣列的方式組織其存儲位單元。如圖8所揭示，其中磁性隨機存取存儲器的存儲陣列將諸多位單元按照行和列的方式組織在一起。每一行中的所有位單元共享一條字線，行中每個獨立的位單元具有各自的位線和源線；每一列中的所有位單元共享一條位線和一條源線，列中每個獨立的位單元具有各自的字線。圖8中的省略號表示每列中可以有多個位單元，同理，每行中也可以有多個位單元。
[0033]當對磁性隨機存取存儲器的存儲陣列中的特定位單元進行尋址訪問時，需要給被訪問位單元所在行的字線施加高電壓以導(dǎo)通位單元中的NMOS晶體管，存儲陣列中其余行的字線保持低電壓以關(guān)閉未訪問行中位單元的NMOS晶體管。此外，根據(jù)讀寫要求(寫要求包括寫“O”或?qū)憽?”)，還需要給被訪問位單元所在列的位線和源線分別施以相應(yīng)的電壓。存儲陣列中其余列的位線和源線都接地。如此，在被訪問位單元所在行所有位單元中，只有被訪問位單元與位線和源線相連的兩端子間具有電壓差，完成讀或?qū)懙牟僮?。因本發(fā)明針對寫入方法，故圖8中未包含讀取電路。
[0034]單一電壓寫入方法通常包含一條高電位電壓線和一條地線Gnd。也就是說，無論是寫“O”或是寫“I”的操作，都用同一高電位電壓提供所需寫入電壓或電流。本發(fā)明一種磁性位單元雙電壓寫入方法，除了必需的地線Gnd外，有兩條不同的高電位電壓線\(VH>VL),分別給寫“O”和寫“ I ”提供所需的寫入電壓或電流。
[0035]如圖8所揭示，根據(jù)寫“O”或?qū)憽癐”的要求，將寫入電路位線部分和源線部分通過電壓選擇開關(guān)電路分別連接至適合的高電位電壓線以及地線。圖8中圓圈所標記位單元為待寫入位單元。以下通過對圖8中圓圈所標記的待寫入位單元分別進行寫“O”和寫“I”的操作為實例，結(jié)合圖7的流程框圖，闡述具體步驟。
[0036]寫“O” 時:
[0037]步驟一:將與待寫入位單元所在列相關(guān)聯(lián)的位線選擇開關(guān)5和源線選擇開關(guān)6閉合，其余列的位線選擇開關(guān)和源線選擇開關(guān)斷開，并接地。
[0038]步驟二:將電壓選擇開關(guān)2、3閉合，電壓選擇開關(guān)1、4斷開。寫入電路位線部分通過電壓選擇開關(guān)2同雙電壓中電位相對較高的Vh連接；寫入電路源線部分通過電壓選擇開關(guān)3同地線Gnd連接。
[0039]步驟三:將與待寫入位單元所在行相關(guān)聯(lián)的字線施以高電壓，導(dǎo)通待寫入位單元中的NMOS晶體管。其余行的字線施以低電壓。
[0040]步驟四:通過步驟一至步驟三，形成WVh開始，依次經(jīng)過電壓選擇開關(guān)2、寫入電路位線部分、列選擇開關(guān)5、待寫入位單元位線、待寫入位單元、待寫入位單元源線、列選擇開關(guān)6、寫入電路源線部分、電壓選擇開關(guān)3，直至地線Gnd的一條通路。電流自待寫入位單元位線流向源線，完成寫“O”操作。位單元中NMOS晶體管及其柵極電壓經(jīng)設(shè)計能夠提供滿足寫“O”所需電流I卜μ
[0041]寫“I”時:
[0042]步驟一:將與待寫入位單元所在列相關(guān)聯(lián)的位線選擇開關(guān)5和源線選擇開關(guān)6閉合，其余列的位線選擇開關(guān)和源線選擇開關(guān)斷開，并接地。
[0043]步驟二:將電壓選擇開關(guān)1、4閉合，電壓選擇開關(guān)2、3斷開。寫入電路位線部分通過電壓選擇開關(guān)I同地線Gnd連接；寫入電路源線部分通過電壓選擇開關(guān)4同雙電壓中電位相對較低的\連接。
[0044]步驟三:將與待寫入位單元所在行相關(guān)聯(lián)的字線施以高電壓，導(dǎo)通待寫入位單元中的NMOS晶體管。其余行的字線施以低電壓。
[0045]步驟四:通過步驟一至步驟三，形成從Vl開始，依次經(jīng)過電壓選擇開關(guān)4、寫入電路源線部分、列選擇開關(guān)6、待寫入位單元源線、待寫入位單元、待寫入位單元位線、列選擇開關(guān)5、寫入電路位線部分、電壓選擇開關(guān)1，直至地線Gnd的一條通路。電流自待寫入位單元源線流向位線，完成寫“I”操作。位單元中NMOS晶體管及其柵極電壓經(jīng)設(shè)計能夠提供滿足寫“I”所需電流
[0046]需要著重指出的是，本發(fā)明一種磁性位單元雙電壓寫入方法的應(yīng)用不只局限于磁性隨機存取存儲器領(lǐng)域，還適用于任何基于非對稱寫入機制的非易失性存儲器或非易失性邏輯電路中的寫入操作。
【權(quán)利要求】
1.一種磁性位單元雙電壓寫入方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:對待寫入位單元所在列進行尋址，以確定待寫入位單元所在列在存儲陣列中的位置； 步驟二:根據(jù)寫“O”或?qū)憽癐”的要求，將寫入電路同所對應(yīng)的寫入電壓相關(guān)聯(lián)，為給寫“O”或?qū)憽癐”操作提供所需電壓及電流做準備； 步驟三:對待寫入位單元所在行進行尋址，以確定待寫入位單元所在行在存儲陣列中的位置；步驟三同步驟一共同作用，以確定待寫入位單元在存儲陣列中的具體位置； 步驟四:通過步驟一至步驟三，形成自被關(guān)聯(lián)的寫入電壓經(jīng)位單元至地線Gnd的電流通路；根據(jù)寫“O”或?qū)憽?I”的要求，電流分別自位單元的位線流向源線，或自位單元的源線流向位線，完成寫“O”或“ I ”操作。
【文檔編號】G11C11/413GK103794243SQ201410072170
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】郭瑋, 趙巍勝 申請人:北京航空航天大學