[發(fā)明專利]一種控制體電位的MRAM芯片

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711163968.6
• 申請日: 2017-11-21
• 公開（公告）號: CN109817253B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴瑾
• 申請（專利權(quán)）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發(fā)明提供了一種控制體電位的MRAM芯片，包括外部電路和由若干個存儲單元組成的存儲單元陣列，存儲單元陣列通過字線和位線與外部電路連接，每個存儲單元由磁性隧道結(jié)和NMOS管組成，部分或者全部存儲單元被隔離結(jié)構(gòu)分隔且被分隔區(qū)域中的NMOS管的體電位能夠被獨立控制。隔離結(jié)構(gòu)由N阱和深N阱形成。本發(fā)明的有益效果：(1)在柵極超壓時，體電位的提高保持了更低的V_Gb，降低了NMOS的壓力，延長了NMOS管和MRAM芯片的使用壽命；(2)由于降低了V_sb，可以基本消除體效應(yīng)，增大NMOS管電流。也就是說可以使用面積更小的NMOS管實現(xiàn)同樣的功能，降低成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)芯片，具體涉及一種控制體電位的MRAM芯片，屬于半導(dǎo)體芯片技術(shù)領(lǐng)域，其最重要的應(yīng)用在于對內(nèi)容尋址有需求的大數(shù)據(jù)處理、固態(tài)硬盤等場合。

背景技術(shù)

MRAM是一種新的內(nèi)存和存儲技術(shù)，可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)。

MRAM的原理，是基于一個叫做MTJ(磁性隧道結(jié))的結(jié)構(gòu)。它是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料組成的，如圖1和圖2所示。下面的一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層13，上面的鐵磁材料是可變磁化方向的記憶層11，記憶層11的磁化方向可以和參考層13相平行或反平行。由于量子物理的效應(yīng)，電流可以穿過中間的隧道勢壘層12，但是MTJ的電阻和可變磁化層的磁化方向有關(guān)。記憶層11和參考層13的磁化方向相平行時電阻低，如圖1；反平行時電阻高，如圖2。讀取MRAM的過程就是對MTJ的電阻進行測量。使用比較新的STT-MRAM技術(shù)，寫MRAM也比較簡單：使用比讀更強的電流穿過MTJ進行寫操作。一個自下而上的電流把可變磁化層置成與固定層反平行的方向。自上而下的電流把它置成平行的方向。

不像DRAM以及Flash那樣與標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個芯片中。每個MRAM的存儲單元由一個MTJ和一個NMOS選擇管組成。每個存儲單元需要連接三根線：NMOS管的柵極連接到芯片的字線(Word Line)32，負(fù)責(zé)接通或切斷這個單元；NMOS管的一極連在源極線(Source Line)33上，NMOS管的另一極和MTJ 34的一極相連，MTJ 34的另一極連在位線(Bit Line)31上，如圖3所示。

MRAM的寫電路設(shè)計，由于需要在兩個不同的方向通電，有一個很大的困難：當(dāng)位線31電位高時，NMOS選擇管連接源極線33的一端是源極，此時NMOS管處于正常的工作模式下，這是有利方向。當(dāng)源極線33電位高時，NMOS選擇管連接源極線33的一端實際上不是源極，連接位線31的一端才是源極。MOS管的飽和電流對V_gs十分敏感。此時因為MTJ 34上有壓降，V_gs大幅度減小，MOS管往往不能夠提供足夠大的電流完成寫操作，這是不利方向。

為了克服上述困難，廠家通常采用的方法是提高柵極電壓，以抵消在不利方向上V_gs的損失。帶來的問題有兩個：

(1)每一個工藝節(jié)點，對于NMOS管上柵極電壓V_g都有最高限制，這個限制就是V_DD。對于現(xiàn)代納米級的工藝，V_DD在1.2～1.0V左右。NMOS管通常就在V_DD下工作。提高V_g超越V_DD，雖然不會很快造成損壞，但會影響它的壽命。

(2)即使提高了V_g，電流仍然會有所損失。這是所謂的體效應(yīng)(body effect)，當(dāng)V_sb提高，NMOS管的飽和電流會有所損失。

發(fā)明內(nèi)容