[發(fā)明專利]非易失性磁性隨機(jī)存儲結(jié)構(gòu)及非易失性磁性隨機(jī)存儲器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202011062641.1
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN114333936A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王韜;汪騰野;羅睿明
• 申請（專利權(quán)）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司;中芯國際集成電路制造（北京）有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 上海德禾翰通律師事務(wù)所 31319
• 代理人: 侯莉

本發(fā)明公開了一種非易失性磁性隨機(jī)存儲結(jié)構(gòu)及非易失性磁性隨機(jī)存儲器，其中，存儲結(jié)構(gòu)包括至少一個存儲單元，存儲單元包括第一存儲體、第二存儲體和開關(guān)晶體管；第一存儲體和第二存儲體的磁化狀態(tài)相反。第一存儲體的第一端和第二存儲體的第一端分別與開關(guān)晶體管的漏極連接。第一存儲體的第二端與第一位線連接，第二存儲體的第二端與第二位線連接，且分別連接至讀取電路。開關(guān)晶體管的柵極與字線連接，開關(guān)晶體管的源極與源線連接，且源線連接有第一電壓產(chǎn)生器。本方案將兩個磁化狀態(tài)相反的存儲體并聯(lián)，利用存儲體面積占比小的特點，一個存儲體作為判斷單元時，另一個作為參考單元，由此避免了單一參考電流易受漂移電流的影響，提高判斷的靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非易失性磁性隨機(jī)存儲結(jié)構(gòu)及非易失性磁性隨機(jī)存儲器。

背景技術(shù)

磁性隨機(jī)存儲器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)是一種非易失性(Non-Volatile)的磁性隨機(jī)存儲器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)的高速讀取寫入能力，以及動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)的高集成度，是半導(dǎo)體器件制程節(jié)點逐漸縮小的趨勢下頗具潛力的存儲器類型。

現(xiàn)有技術(shù)中的非易失性磁性隨機(jī)存儲結(jié)構(gòu)通常由一個磁性隧道結(jié)(MTJ，magnetictunnel junction)和一個三極晶體管組成，即一個磁性隧道結(jié)搭配一個三極晶體管的結(jié)構(gòu)。具體的，如圖1a所示，非易失性磁性隨機(jī)存儲器的存儲單元包括存儲體02，以及與各存儲體02連接的三級晶體管05。其中，M＝1是指該偏置電壓電路對應(yīng)一個存儲體02，M＝2是指該偏置電壓電路對應(yīng)兩個存儲體02。各存儲體02分別連接與其對應(yīng)的位線地址選擇器03和位線電壓鉗位器04，然后連接至比較放大器01的同相輸入端或反相輸入端。三極晶體管05的柵極連接到芯片的字線(WL,word line)負(fù)責(zé)選通該MRAM存儲單元，MTJ和三極晶體管05串接在芯片的位線(BL，bit line)上，進(jìn)行讀寫操作。且當(dāng)若干個MRAM存儲單元組成存儲單元陣列時，各MRAM存儲單元的字線沿著存儲單元的行延伸，位線沿著存儲單元的列延伸，各MRAM存儲單元位于字線和位線的交叉點上。

參考圖2，現(xiàn)有技術(shù)中，多個非易失性磁性隨機(jī)存儲器的存儲單元可以組成一個存儲單元陣列。每一行的存儲體02對應(yīng)的三級晶體管05的柵極G連接于各行的字線WL；每一列的存儲體02對應(yīng)的三級晶體管05的源極S連接于各列的源線SL；每一列的存儲體02的一端連接于各列的位線BL。

存儲單元利用磁化方向存儲信息，而每個存儲單元的磁化表現(xiàn)為兩個穩(wěn)定的方向之一，也就是平行方向和反平行方向，即邏輯變量“0”和“1”。而磁化方向會影響存儲單元的電阻，如果磁化方向是平行的，則存儲單元的電阻是R，如果磁化方向是反平行的，則存儲單元的電阻是R+△R。因此可以通過存儲單元的電阻讀出存儲單元的邏輯狀態(tài)。

MRAM的具體讀出過程為：對選定的存儲單元交叉的字線施加電壓，同時讀取位線的電流，就可以讀出該存儲單元的電阻態(tài)。讀出電流(Is)是讀出電壓(Vs)對選定存儲單元電阻的比值。讀出電流可以被轉(zhuǎn)化成電壓，通過對數(shù)據(jù)電壓(Vdata)與參考電壓(Vref)進(jìn)行比較，可以判斷選定存儲單元的電阻態(tài)。當(dāng)VdataVref，則選定存儲單元的邏輯值為“0”；當(dāng)VdataVref，則邏輯值為“1”。

現(xiàn)有的MRAM存儲單元受器件體積和工藝的限制，在高阻態(tài)和低阻態(tài)時，其電阻值比率較低，由此導(dǎo)致讀出放大器區(qū)分兩種狀態(tài)的窗口較小，判斷裕量也就很小。這會造成讀取速度慢的問題。尤其是對于含有多個存儲單元的存儲單元陣列中，采用固定的參考單元作為比較基準(zhǔn)，由于存儲單元受漂移電流的影響，會影響判斷的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)的讀出放大器，參考電阻選取高阻態(tài)和低阻態(tài)的平均值，而整體的判斷裕量取決于較小的間隙電流(低阻態(tài)或高阻態(tài)中較小的一個電流與參考電流的差值)，也就是說，只有這部分較小的間隙電流被利用于判斷阻態(tài)，而其他部分都被損失了。

選擇恰當(dāng)?shù)膮⒖紗卧梢允沟酶叩妥钁B(tài)的參考電阻增大，但如果想獲取較大的判斷裕量，仍需要增大讀取時間。