[發明專利]一種STT-MRAM存儲單元

在審

• 申請號: 201410306563.3
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104134456A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 胡少堅;王全;陳壽面;任錚;郭奧
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;H01L43/00
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;林彥之

技術領域

本發明涉及一種STT-MRAM(Spin?Transfer?Torque-Magnetic?Random?Access?Memory，自旋轉移扭矩磁存儲器)的存儲單元，更具體地，涉及一種STT-MRAM存儲單元的晶體管。?

背景技術

二代磁存儲器(Magnetic?Random?Access?Memory，MRAM)也就是自旋轉移扭矩磁存儲器(Spin?Transfer?Torque-Magnetic?Random?Access?Memory，STT-MRAM)是最有可能替代DRAM(Dynamic?Random?Access?Memory，動態隨機存取存儲器)和SRAM(Static?Random?Access?Memory，靜態隨機存取存儲器)的先進存儲技術。STT-MRAM的讀穩定性與寫穩定性是決定STT-MRAM能否量產的關鍵性能指標。?

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的存儲單元是由存儲信息的磁隧道結(Magnetic?Tunnel?Junction，MTJ)與一個選擇晶體管耦合所構成。?

通常情況下，STT-MRAM的寫入電流要大于讀出電流，但是，工藝波動造成的性能波動，可能會造成器件讀寫的失敗。例如，讀出失敗的一種典型情況是：STT-MRAM存儲單元的性能波動太大，可能會出現讀電流太大、甚至超過某一STT-MRAM單元的閾值寫入電流(最小寫入電流)，從而引起該存儲單元的存儲狀態翻轉；又例如，寫入失敗的典型情況是：STT-MRAM存儲單元的性能波動太大，造成寫入電流太小，甚至小于該存儲單元的閾值寫入電流，從而導致該存儲單元的存儲狀態無法翻轉。?

根據上述失效情況可以看出，要提高STT-MRAM的讀寫穩定性，需要減小讀出電流，使其始終小于各存儲單元的閾值寫入電流，同時提高寫入電流，使其始終大于各存儲單元的閾值寫入電流。?

為了提高STT-MRAM的讀穩定性，可以減小晶體管的尺寸以減小讀出電流，從而提高讀穩定性，但也會因此減小寫入電流，從而降低寫穩定性；相反，如果增加晶體管的尺寸，可以增加寫入電流，提高寫穩定性，但這樣也會增加讀出電流，從而降低讀穩定性。可以看出，在只有一個晶體管的情況下，無法以改變晶體管尺寸來同時提高讀寫穩定性。?

為此，人們提出采用兩個晶體管結構的STT-MRAM，即2T-1R?STT-MRAM。圖1是傳統的只有一個晶體管的STT-MRAM與具有二個晶體管的STT-MRAM的電路結構原理對比圖。圖1引自文獻“J.Li?et?al.,“Design?paradigm?for?robust?spin-torque?transfer?magnetic?RAM(STT-MRAM)from?circuit/architecture?perspective,”in?Proc.TVLSI,2008,pp.1710–1723.”(李建平等人，“從電路/架構的角度考慮的強大的自旋力矩轉移磁性存儲器(STT-MRAM)設計范式，”美國電氣和電子工程師協會超大規模集成電路系統匯刊，2008，1710至1723頁)。該文獻公開了一種采用兩個晶體管結構的STT-MRAM，即2T-1R?STT-MRAM。其中，圖1(a)為只有一個晶體管時的STT-MRAM(即圖中所指的1T-1R?STT?MRAM)的存儲單元的電路結構原理圖，圖1(b)為有二個晶體管時的STT-MRAM(即圖中所指的2T-1RSTT?MRAM)的存儲單元的電路結構原理圖。如圖1(b)所示，讀出時，與STT-MRAM單元的讀字線WL_r連接的一個NMOS管Read-NMOS打開，與STT-MRAM單元的寫字線WL_W連接的另一個NMOS管Write-NMOS關閉，讀出電流只流經Read-NMOS，它的尺寸比較小，因而讀出電流較小，從而提高了讀穩定性；而寫入時，Read-NMOS和Write-NMOS都打開，寫入電流流經兩個NMOS管，而且，Write-NMOS尺寸較大，可以增強寫入電流、提高寫穩定性。?

上述文獻公開的STT?MRAM的2T-1R的方式，提高了讀寫穩定性，但在STT?MRAM中需要兩個MOS管，比較浪費面積。因此，在相同的驅動電流條件下，如何在保證讀寫穩定性的同時，進一步縮小器件的尺寸，是業界的一個永恒的課題。?

發明內容