本發(fā)明屬于存儲器技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元和存儲器。

背景技術(shù)：

隨著集成電路技術(shù)向低功耗方向的發(fā)展和信息時代對海量數(shù)據(jù)存儲的處理的要求日益提高，存儲系統(tǒng)向著高密度、大容量、高可靠性和低功耗方向的發(fā)展。

傳統(tǒng)的揮發(fā)性存儲器例如靜態(tài)隨機存儲器(Static Random Access Memory，簡稱SRAM)或者動態(tài)隨機存儲器(Dynamic Random Access Memory，簡稱DRAM)在數(shù)據(jù)保持時都需要提供能量，即數(shù)據(jù)無法在掉電情況下保持，因此具有較高的靜態(tài)功耗。而非揮發(fā)存儲器例如相變存儲器(phase change memory，簡稱PCM)阻變存儲器(resistive random access memory，簡稱RRAM)和磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，簡稱MRAM)等新型介質(zhì)存儲器由于其存儲特點：數(shù)據(jù)保持時不需要能量，因此沒有靜態(tài)功耗，此外在多值存儲、大容量存儲和讀寫提升方面也有進一步發(fā)展的空間，整體具有取代傳統(tǒng)揮發(fā)性存儲器的趨勢。其中，二代MRAM，即自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器(Spin Transfer Torque-Magnetic Random Access Memory，簡稱STT-MRAM)具有非易失性、工作速度快、擦寫次數(shù)無限制、容易增大容量等優(yōu)勢，得到了廣泛發(fā)展和應用。

STT-MRAM的讀寫功能由STT-MRAM的存儲單元來控制。目前，典型的STT-MRAM存儲單元是由一個存儲信息的磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)與一個晶體管M耦合所構(gòu)成，即具有1T1MTJ結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中，MTJ結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該結(jié)構(gòu)頂部和底部為磁性材料的自由層和固定層，中間為很薄的阻擋層，磁性材料自由層磁化方向可以改變，固定層磁化方向則不可改變，電流通過不同方向(由固定層至自由層或者由自由層至阻擋層)流過MTJ時，自由層磁化方向隨之改變，會與固定層磁化方向呈 平行狀態(tài)或者反平行狀態(tài)，平行狀態(tài)下MTJ對外呈現(xiàn)低阻態(tài)，反平行狀態(tài)下則呈現(xiàn)高阻態(tài)，即可存儲“0”和“1”狀態(tài)，因此通過控制電流通過MTJ的方向就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。

傳統(tǒng)STT-RAM存儲單元采用1T1MTJ結(jié)構(gòu)，但是由于STT-RAM本身的存儲特性，在寫入“0”和“1”時，所需的寫入電流不一致。在標準連接下，寫入平行態(tài)即低阻態(tài)時，需要的寫入電流較大，寫入反平行態(tài)即高阻態(tài)時需要的寫入電流較小。在不改變外圍寫入電路的情況下，目前，采用1T1MTJ結(jié)構(gòu)的STT-RAM存儲單元在寫入“0”和“1”時MTJ通過的電流是一樣的，即滿足寫入低阻態(tài)時所需的電流大小。因此在需要小電流寫入的情況下，實際寫入電流過量，浪費電量的同時也對MTJ結(jié)構(gòu)具有的一定損害，降低器件的可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的問題，本發(fā)明實施例提供一種自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元和存儲器，用以克服恒定過大寫入電流對存儲器件的損壞，以提高存儲器件的可靠性。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元，包括：

第一源極線、第二源極線、位線、字線，以及第一晶體管、第二晶體管和磁性隧道結(jié)MTJ；

所述第一晶體管的柵極與所述字線連接，所述第一晶體管的源極與第一源極線連接；所述第一晶體管的漏極與所述MTJ的一端連接，所述MTJ的另一端與所述位線連接；

所述第二晶體管的源極與所述第二源極線連接，所述第二晶體管的柵極、所述第二晶體管的漏極分別與所述第一晶體管的漏極連接。

在第一方面的第一種可能的實現(xiàn)方式中，所述存儲器單元還包括分壓電阻，所述分壓電阻連接在所述第二晶體管的柵極和漏極之間。

在第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述存儲器單元處于寫入低阻態(tài)的工作狀態(tài)時，所述第一源極線與第一供電端連接，所述第二源極線與第二供電端連接，所述字線與第三供電端連接，所述位線接地；其中，所述第一供電端、所述第二供電端和所述第三供電端的輸出電平均為高電平；

所述第一晶體管和所述第二晶體管均處于導通狀態(tài)，且所述第一晶體管 先于所述第二晶體管導通。

結(jié)合第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第三種可能的實現(xiàn)方式中，所述存儲器單元處于寫入高阻態(tài)的工作狀態(tài)時，所述第一源極線接地，所述第二源極線懸空，所述字線與所述第三供電端連接，所述位線與第四供電端連接；其中，所述第四供電端的輸出電平為高電平；

所述第一晶體管處于導通狀態(tài)，所述第二晶體管處于截止狀態(tài)。

結(jié)合第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式中，所述存儲器單元處于讀出的工作狀態(tài)時，所述第一源極線與第五供電端連接，所述第二源極線與第六供電端連接，所述字線與所述第三供電端連接，所述位線接地；其中，所述第五供電端和所述第六供電端的輸出電平均為高電平；

所述第一晶體管和所述第二晶體管均處于導通狀態(tài)，且所述第二晶體管工作于線性放大區(qū)域。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第五種可能的實現(xiàn)方式中，所述第一晶體管對應的電阻為第一電阻，所述第二晶體管對應的電阻為第二電阻，所述第二電阻大于所述第一電阻。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第六種可能的實現(xiàn)方式中，所述MTJ對應的電阻包括低阻態(tài)電阻和高阻態(tài)電阻，所述低阻態(tài)電阻為所述MTJ工作于所述低阻態(tài)時的電阻，所述高阻態(tài)電阻為所述MTJ工作于所述高阻態(tài)時的電阻；

根據(jù)所述高阻態(tài)電阻和所述第一電阻對所述第五供電端輸出電平的分壓確定所述第二晶體管的柵極電平；

所述第六供電端的輸出電平減去所述柵極電平間的差值為大于0且接近于0的正數(shù)。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第七種可能的實現(xiàn)方式中，所述第二晶體管的伏安特性曲線的線性斜率大于1。

第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器，包括：至少一個如上所述的自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元；

讀出電路，所述讀出電路中包括至少一個放大器，所述至少一個放大器的數(shù)量與所述自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元的數(shù)量相等，且每個放大器一一對 應一個所述自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元；

所述每個放大器的正輸入端與對應的自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元中的所述第二源極線連接。

本發(fā)明實施例提供的自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元和存儲器，該存儲單元中包括兩個晶體管即第一晶體管、第二晶體管以及一個磁性隧道結(jié)MTJ，這兩個晶體管的源極分別連接至第一源極線和第二源極線，且第二晶體管的柵極和漏極均連接在第一晶體管的漏極與MTJ間的連接線上，實現(xiàn)在寫入過程中對寫入電流的差異控制。在該存儲器單元的結(jié)構(gòu)中，第一晶體管為主控制管，第二晶體管為從屬控制管受控于第一晶體管，只有在第一晶體管開啟時第二晶體管才可能開啟，通過根據(jù)MTJ工作阻態(tài)的不同，控制第一晶體管和第二晶體管導通截止狀態(tài)的變化，從而使得不同寫入阻態(tài)時，第一晶體管和第二晶體管導通截止狀態(tài)不同，實現(xiàn)對MTJ寫入電流的差異控制，避免電量的浪費，提高了MTJ的使用可靠性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的ITIMTJ結(jié)構(gòu)的STT-MRAM的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為ITIMTJ的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元寫入低阻態(tài)時的工作狀態(tài)示意圖；

圖5為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元寫入高阻態(tài)時的工作狀態(tài)示意圖；

圖6為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元讀出時的工作狀態(tài)示意圖；

圖7為第二晶體管的伏安特性曲線圖；

圖8為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

圖3為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 3所示，該存儲單元包括：

第一源極線SL1、第二源極線SL2、位線BL、字線WL，以及第一晶體管M1、第二晶體管M2和磁性隧道結(jié)MTJ；

所述第一晶體管M1的柵極與所述字線WL連接，所述第一晶體管M1的源極與第一源極線SL1連接；所述第一晶體管M1的漏極與所述MTJ的一端連接，所述MTJ的另一端與所述位線BL連接；

所述第二晶體管M2的源極與所述第二源極線SL2連接，所述第二晶體管M2的柵極、所述第二晶體管M2的漏極分別與所述第一晶體管M1的漏極連接。

本實施例中，采用的STT-MRAM存儲單元的結(jié)構(gòu)是2T1MTJ的結(jié)構(gòu)，增設了第二晶體管M2以及第二源極線SL2，并且將M2的柵極和漏極連接在M1與MTJ間的連接上。上述晶體管可以是MOS晶體管。

其中，本實施例以及以下實施例中，將以MTJ標準連接的方式為例進行該存儲單元工作原理的闡述，對于反向連接的情況，與之類似，不再贅述。

對應于MTJ標準連接的方式，M1的漏極與MTJ的連接的一端為MTJ的固定層端，MTJ與位線BL連接的一端為MTJ的自由層端。

基于上述結(jié)構(gòu)，在該STT-MRAM存儲單元實際工作的時候，通過上述第一源極線SL1、第二源極線SL2、位線BL、字線WL的輸出電平的控制，控制M1和M2根據(jù)工作狀態(tài)的不同而處于不同的導通或截止狀態(tài)，從而最終控制現(xiàn)實對MTJ寫入電流的差異控制。

在具體介紹不同寫入狀態(tài)以及讀出狀態(tài)時STT-MRAM存儲單元的工作過程前，首先對本實施例中涉及到的幾個參數(shù)進行介紹。

本實施例中，假設M1對應的電阻為第一電阻R1，M2對應的電阻為第一電阻R2，即第一和第二晶體管會具有一定的電阻值。并且假設MTJ的電阻為RX，其中，RX包括了RH和RL兩種阻值，RH對應于MTJ處于高阻態(tài)即反平形態(tài)時的對外阻值，RL對應于MTJ處于低阻態(tài)即平形態(tài)時的對外阻值。

下面將結(jié)合具體的實施例來介紹STT-MRAM存儲單元的工作過程。

圖4為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元寫入低阻態(tài)時的工作狀態(tài)示意圖，如圖4所示，當該STT-MRAM單元處于寫入低阻態(tài)的工作狀態(tài)時， 所述第一源極線SL1與第一供電端連接VDDw1，所述第二源極線SL2與第二供電端VDDw2連接，所述字線WL與第三供電端VDD連接，所述位線BL接地VSS。其中，所述第一供電端VDDw1、所述第二供電端VDDw2和所述第三供電端VDD的輸出電平均為高電平。

而且，上述電平的設置使得第一晶體管M1和第二晶體管M2均處于導通狀態(tài)，且第一晶體管M1先于第二晶體管M2導通。

具體來說，在寫入低阻態(tài)即平行態(tài)時，寫入電流從左到右流經(jīng)MTJ，MTJ需要的寫入電流較大。

寫入低阻態(tài)時，字線WL接高電平信號VDD，使第一晶體管M1開啟。第一源極線SL1和第二源極線SL2接寫入高電平信號VDDw1和VDDw2，其中，VDDw1和VDDw2可以相等或不等，位線BL接地VSS。此時，第一晶體管M1與MTJ的串聯(lián)通路完全開啟，即第一源極線SL1與位線BL形成通路。VDDw1經(jīng)過第一晶體管M1的電阻R1和MTJ的低阻態(tài)電阻RL的分壓，在第二晶體管M2的柵極形成電壓VG2。設定VG2大于第二晶體管M2的閾值電壓VT2，使M2開啟，此時第二源極線SL2與位線BL形成通路。從而，整體形成第一晶體管M1、第二晶體管M2兩條通路為MTJ提供寫入電流的狀態(tài)，使MTJ獲得較大的寫入電流。

其中，為了保證上述第二晶體管M2的柵極電壓VG2大于第二晶體管M2的閾值電壓VT2，使M2開啟，可以通過合理地設置外接的各供電端輸入的電平高低，或者通過合理地設置第一晶體管M1、第二晶體管M2和MTJ，使他們的電阻值具有合理配置關(guān)系，相當于選擇滿足上述條件的器件；或者制作合適的第二晶體管M2使其導通的閾值電壓VT2較低等等方式實現(xiàn)。

圖5為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元寫入高阻態(tài)時的工作狀態(tài)示意圖，如圖5所示，當STT-MRAM單元處于寫入高阻態(tài)的工作狀態(tài)時，所述第一源極線SL1接地VSS，所述第二源極線SL2懸空即斷開，所述字線WL與所述第三供電端VDD連接，所述位線BL與第四供電端VDDw3連接；其中，所述第四供電端VDDw3的輸出電平為高電平；

通過上述供電端的設置，使第一晶體管M1處于導通狀態(tài)，第二晶體管M2處于截止狀態(tài)。

具體來說，在寫入高阻態(tài)即反平行態(tài)時，寫入電流從右到左流經(jīng)MTJ，MTJ需要的寫入電流較小。

寫入高阻態(tài)時，字線WL接高電平信號VDD，使第一晶體管M1開啟。第一源極線SL1接地VSS，第二源極線SL2斷開，位線BL接第四供電端VDDw3。此時，第二晶體管M2截止，形成由位線BL經(jīng)過MTJ、第一晶體管M1最終到達第一源極線SL1的電路通路，由這一條通路為MTJ提供較小的寫入電流。

本實施例中，該STT-MRAM單元中包括兩個晶體管即第一晶體管、第二晶體管以及一個磁性隧道結(jié)MTJ，這兩個晶體管的源極分別連接至第一源極線和第二源極線，且第二晶體管的柵極和漏極均連接在第一晶體管的漏極與MTJ間的連接線上，實現(xiàn)在寫入過程中對寫入電流的差異控制。在該存儲器單元的結(jié)構(gòu)中，第一晶體管為主控制管，第二晶體管為從屬控制管受控于第一晶體管，只有在第一晶體管開啟時第二晶體管才可能開啟，通過根據(jù)MTJ工作阻態(tài)的不同，控制第一晶體管和第二晶體管導通截止狀態(tài)的變化，從而使得不同寫入阻態(tài)時，第一晶體管和第二晶體管導通截止狀態(tài)不同，實現(xiàn)對MTJ寫入電流的差異控制，避免電量的浪費，提高了MTJ的使用可靠性。

上述對STT-MRAM單元的寫入過程進行了介紹，下面將介紹STT-MRAM存儲單元的讀出過程。

圖6為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元讀出時的工作狀態(tài)示意圖，如圖6所示，所述STT-MRAM單元處于讀出的工作狀態(tài)時，所述第一源極線SL1與第五供電端VDDr1連接，所述第二源極線SL2與第六供電端VDDr2連接，所述字線WL與所述第三供電端VDD連接，所述位線BL接地VSS；其中，所述第五供電端VDDr1和所述第六供電端VDDr2的輸出電平均為高電平。

通過對上述供電端輸出電平的控制，以及通過對器件電阻或性能等參數(shù)的合理設置，使得第一晶體管M1和第二晶體管M2均處于導通狀態(tài)，且令第二晶體管M2工作于線性放大區(qū)域。

具體來說，讀出時，字線WL接高電平VDD，使第一晶體管M1開啟。第一源極線SL1和第二源極線SL2分別接讀出高電平信號VDDr1和VDDr2。設置第二晶體管M2的電阻R2遠大于第一晶體管M1的電阻R1， 使得兩個晶體管的柵極電壓存在差異。

第二晶體管M2的柵極電壓為VG2＝VDDr1×RX/(RX+R1)，由于在VG2大于第二晶體管M2的閾值電壓VT2時，第二晶體管M2所在通路開啟，且第二晶體管M2的源漏兩級電壓為VDS2＝VDDr2-VG2。

因為VG2與MTJ電阻RX有關(guān)，當讀出高阻態(tài)時，MTJ處于高阻態(tài)，RX為RH，在電路中分壓較大，因此VG2較大；反之，在MTJ處于低阻態(tài)時，RX為RL，在電路中分壓較小，則VG2較小。

因此，本實施例中，根據(jù)MTJ處于高阻態(tài)時的電阻RH和第一晶體管的電阻R1對第五供電端輸出電平VDDr1的分壓確定第二晶體管M2的柵極電平VG2。

從而，通過設置VDDr2略大于或等于高阻態(tài)時第二晶體管M2的VG2，則在讀出高阻態(tài)時，VDS2＝VDDr2-VG2大于或等于0(接近0)，而在讀出低組態(tài)時，由于VG2較小，則VDS2較大。通過這種方式預先設定第二源極線SL2上接的讀出電壓VDDr2，可以控制讀出時第二晶體管M2工作在線性放大區(qū)域，從而對讀出的數(shù)據(jù)進行放大，提高讀出數(shù)據(jù)的可靠性。

另外，本實施例里中，設置第二晶體管M2為伏安特性曲線的線性斜率大于1的晶體管。通過選擇第二晶體管M2為如圖7所示伏安特性線性斜率大于1的晶體管，可以放大讀出時通過第二晶體管M2的信號電流在高低阻態(tài)時的差異。從圖7中可以看出，在斜率為1時，不會放大讀出高低信號的差值窗口，與傳統(tǒng)1T1MTJ方式產(chǎn)生的高低讀出一樣，而當斜率大于1時，高低阻態(tài)讀出信號差異窗口將是斜率的倍數(shù)。整個讀出過程中讀出信號為第二晶體管M2所在通路信號，第一晶體管M1只是輔助作用。

本實施例中，讀出時依據(jù)MTJ阻態(tài)不同，從而第二晶體管M2的柵極電壓不同，從而流過第二晶體管M2支路的電流不同，通過使第二晶體管M2處于線性放大區(qū)域且利用其伏安特性線性斜率大于1的特性，實現(xiàn)高分辨高速讀出。

圖8為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器單元實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示，在圖3所示實施例的基礎(chǔ)上，該STT-MRAM單元中還包括分壓電阻R，所述分壓電阻R連接在所述第二晶體管M2的柵極和漏極之間。

由于第一晶體管M1完全導通，其電阻R1很小，因此在第二晶體管M2的柵極與漏極之間增加了一個分壓電阻R(可以通過poly電阻實現(xiàn))，利用分壓電阻R和MTJ電阻RX分壓，即分壓電阻R代替了圖3中第一晶體管M1的電阻R1，實現(xiàn)MTJ在不同阻態(tài)情況下第二晶體管M2漏極電壓會改變，從而改變第二晶體管M2源漏電壓，達到上述寫入電流差異控制，讀出時放大讀出電流信號的目的。

圖9為本發(fā)明自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁存儲器實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖9所示，該存儲器包括：

至少一個如上實施例中所述的STT-MRAM單元；

讀出電路，所述讀出電路中包括至少一個放大器SA，所述至少一個放大器SA的數(shù)量與所述STT-MRAM單元的數(shù)量相等，且每個放大器SA一一對應一個所述STT-MRAM單元；

所述每個放大器的正輸入端Iread與對應的STT-MRAM單元中的所述第二源極線連接，負輸入端連接參考電平Iref。

如圖9所示，各STT-MRAM單元可以橫向級聯(lián)，也可以縱向級聯(lián)構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。