一种用于STT-MRAM的混合型写入结构及写入方法

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一种用于stt-mram的混合型写入结构及写入方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于stt-mram的混合型写入结构及写入方法，属于计算机存储技术领域。

背景技术：

2.自旋转移力矩磁随机存储器(spin-transfer torque magnetic ram,stt-mram)是通过自旋电流实现信息写入的一种新型非易失性磁随机存储器。stt-mram存储单元的核心是一个磁性隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)。stt-mram被认为是最具有潜力替代flash的新型存储器之一，在与计算机存储相关的领域均具有广泛的应用前景。
3.stt-mram的信息存储依靠写入操作来完成，因此，写入操作的研究对于stt-mram至关重要。stt-mram内的存储单元由一个用于对存储单元进行访问控制的晶体管(记为t)和一个用于存储二进制数据的非易失性存储器件(记为r)组成，称为1t1r非易失性存储单元。如图1所示是应用于stt-mram的传统1t1r型的写入结构，其双向写操作均由相同的stt-mtj和晶体管完成，由于stt-mtj阻值的切换对应了不同的电流大小和方向，因此当写入电流iw大于stt-mtj的临界翻转电流且持续时间大于翻转延迟时间时，stt-mram才能正确的完成写入操作。由图1可知其写入结构的写入原理为：在stt-mram两端加上写入电压，产生写入电流。当stt-mram的源线(sl)接写入电压vw，位线(bl)接gnd时，流过stt-mtj的电流从固定层到自由层，在满足翻转电流的大小与持续时间的前提下，stt-mtj的阻值切换到高阻ap状态，stt-mram写入信息“1”；当位线接写电压vw，源线接地时，写入电流从stt-mram的bl流向sl，流过stt-mtj的电流从自由层到固定层，在满足翻转电流的大小与持续时间的前提下，stt-mtj的阻值切换到低阻p状态，stt-mram写入信息“0”。
4.stt-mram的写入操作需要双向电流以便将信息编程为mtj自由层的磁化方向。当电流从bl流向sl时，由于晶体管m的源级接地，其过驱电压为v
w-v
th
(即，vov＝v
w-v
th
，其中v
th
是晶体管阈值电压)；而当电流从sl流向bl时，由于mtj相当于负反馈，起到了限制电流的作用，同时在此情况下体效应(v
sb
《0)的作用也降低了晶体管的过驱动电压，因此相对于上述操作而言，此时晶体管的过驱动电压(v
ov
＝v
w-(v
th
+δv
th_body
)-v
os
)变小。故在设计晶体管的宽度时必须满足双向的电流需求。在传统的电路设计中，对于存取晶体管的宽度通常采取最坏情况下对应的宽度，即需提供电流最大的情况。同时，由于写入电流需大于临界翻转电流才可完成写入操作，因此需要高写入电流，直接增加了动态功耗和总写入能量成本。
5.在传统的1t1r结构中，由于工艺变化对stt-mtj和晶体管的影响导致stt-mram在双向写入操作中存在写入不对称问题。而为了确保存储单元的写入能力，访问晶体管的尺寸通常选择最大的一种情况，这种选择标准可以称为“按最差”式标准。因此，传统的1t1r结构会导致stt-mram在一个方向上的写入电流过大的问题。

技术实现要素：

6.为了解决由传统的1t1r结构写入不对称引起的写入电流过大的问题，本发明提出
了一种应用于stt-mram的新型双电源混合型写入结构，此结构在设置晶体管的尺寸时，采用“按需”式标准。
7.本发明提出的一种用于stt-mram的混合型写入结构，是一种混合型结构的“按需”式选择标准的写入操作结构。当stt-mram写“0”时，由于所需的写入电流较小，因此，存取晶体管选择尺寸较小的晶体管m1来提供写入电流，当写“1”时，由于所需的写入电流较大，采用晶体管m1与晶体管m2并联提供写入电流。在本发明的混合型写入结构中，w
m1
、w
m2
别代表晶体管m1、晶体管m2和晶体管m3的宽。
8.根据本发明的技术方案，通过调节晶体管的宽长比，可以达到调节电流的目的，以满足翻转电流的要求。在同样的电压下，晶体管的宽长比越大，对应的电流就越大。并且，在电路分析的时候，一般讲mtj器件的阻值被认为是不随电流变化而变化的，是一个被动元件，因此，流过mtj的电流为晶体管的电流相加。
9.根据本发明的技术方案，本发明首先提出的一种用于stt-mram的混合型写入结构如图2所示，所述写入结构包括：stt-mtj、第一晶体管m1和第二晶体管m2，所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2并联，并与所述stt-mtj连接。
10.所述写入结构在执行写入操作时，当stt-mram的源线sl1和sl2端接写入电压vw，位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；
11.当stt-mram的位线bl端接写入电压vw时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2处于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。
12.根据本发明的技术方案，在执行写入操作时，当stt-mram的sl1和sl2端接写入电压vw，bl端接gnd时，所述stt-mram进行写“1”操作。此时流过mtj的写入电流i
w1
是由晶体管m1和m2共同提供，在电路分析中，两个并联的晶体管被简单地等效为宽长比变为两个晶体管的叠加，或者相同的单个晶体管的二倍，由于并联的晶体管的宽度w＝w
m1
+w
m2
，因此i
w1
＝i
m1
+i
m2
。从而在写入电压vw相同时，图1与图2中的stt-mram在写“1”过程中流过mtj的电流相等。当stt-mram写“0”时，所述stt-mram的bl端接写入电压vw，sl1接gnd，通过使能端控制使得晶体管m2处于截止状态，此时写入电流i
w0
由晶体管m1提供。在图2所示的混合型写入结构中i
w0
＝i
m1
，而在图1中i
w0
＝i
m1
+i
m2
》i
m1
，故在写“0”操作时，图2的混合型写入结构中，流过mtj的电流更小，实现了减小在写“0”操作时的写入电流的目的。
13.如图3是本发明提出的图2中的混合型写入结构的电阻模型图。在图3中，当stt-mram准备写入数据“1”时，stt-mtj的阻值r
mtj
＝r
ap
，晶体管的阻值r
on1
＝r
m1
//r
m2
，写电流i
w1
＝vw/(r
ap
+r
m1
//r
m2
)。在图3中，当stt-mram准备写入数据“0”时，stt-mtj的阻值r
mtj
＝r
p
，晶体管的阻值r
on0
＝r
m1
，写电流i
w0
＝vw/(r
p
+r
m1
)。由于r
ap
》r
p
，r
ap
+r
m1
》r
p
+r
m1
//r
m2
，从而r
p
+r
m1
和r
ap
+r
m1
//r
m2
二者之间的大小是不能确定的，因此，在相同的写入电压vw情况下，并不能一定满足i
w1
》i
w0
。
14.针对上述问题，发明人在设计上述用于stt-mram的混合型写入结构的时候，考虑了所述sttm-ram中的mtj器件的tmr值，tmr＝r
p
/(r
p
+r
ap
)，上述tmr值在大于150％的情况下，本发明的上述技术方案中，所设计的混合型写入结构能够满足i
w1
》i
w0
的要求。
15.进一步，由于mtj器件的寿命受电压影响比较大，电压越高，寿命越短，故本发明还
提出一种采用双电源的混合型写入结构，为上述用于stt-mram的混合型写入结构提供不同的写入电压，即针对不同方向的写入操作，制定相符的写入电压，实现低写入电压，以提高mtj器件的寿命。
16.根据本发明的技术方案，所述采用双电源的混合型写入结构包括：stt-mtj、第一晶体管m1和第二晶体管m2，所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2并联，并与所述stt-mtj连接；所述写入结构在执行写入操作时，当stt-mram的源线sl1和sl2端接第一写入电压，所述stt-mram的位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；当stt-mram的位线bl端接写第二写入电压时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2处于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层、所述stt-mram进行写“0”操作。
17.根据本发明的技术方案，所述采用双电源的混合型写入结构中，所述第一电压大于所述第二电压。
18.本发明进一步提供一种用于stt-mram的混合型写入方法，所述写入方法采用本发明所述的混合型写入结构，所述写入方法包括：
19.所述写入结构在执行写入操作时，当所述stt-mram的源线sl1和sl2端接写第一写入电压，位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；
20.当stt-mram的位线bl端接第二写入电压时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2被置于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。
21.根据本发明所述的写入方法，所述第一写入电压与所述第二写入电压相同或者所述第一写入电压大于所述第二写入电压。
22.根据本发明所述的写入结构和写入方法，所述stt-mram在写入操作时，通过使第一写入电压大于所述第二写入电压，以使得所述stt-mram在写“0”操作时，流过所述stt-mtj的电流更小，同时实现低电压写入，进一步增加所述stt-mtj的适用寿命。
23.本发明有益效果是：
24.由于加在mtj上的电压是由晶体管与mtj组成的分压器来决定的，因此，本发明的混合型写入结构及方法通过两个晶体管并联，并调节晶体管的宽度来适当控制流过mtj的电流的减小幅度。stt-mtj上的过量电流与电压的减少减轻了隧穿氧化物的应力条件，非常有效的增加了stt-mtj的寿命。
25.由于mtj器件的寿命受电压影响比较大，电压越高，寿命越短，故本发明提出的一种采用双电源的混合型写入结构，为所述stt-mram的写入操作提供不同的写入电压，即针对不同方向的写入操作，制定相符的写入电压，实现低写入电压。
26.根据本发明的双电源混合型写入结构及写入方法，通过在stt-mram写入操作时使第一写入电压大于第二写入电压，以使得所述stt-mram在写“0”操作时，流过所述stt-mtj的电流更小，实现低电压写入，降低写入功耗，同时能够进一步增加stt-mtj的使用寿命。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是传统的1t1r型写入结构的示意图；
29.图2是本发明的一种混合型写入结构的示意图；
30.图3是本发明的一种混合型写入结构的电阻模型图；
31.图4是本发明的双电源混合型写入结构的示意图；
32.图5是1t1r型写入结构与本发明的混合型写入结构的瞬态仿真对比图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
34.实施例一：
35.根据本发明的技术方案，本实施例提出的一种用于stt-mram的混合型写入结构如图2所示，所述写入结构包括：stt-mtj、第一晶体管m1和第二晶体管m2，所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2并联，并与所述stt-mtj连接。
36.所述写入结构在执行写入操作时，当stt-mram的源线sl1和sl2端接写入电压vw，位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；
37.当stt-mram的位线bl端接写入电压vw时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2处于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。
38.如图2所示的写入结构在执行写操作过程中，当stt-mram的sl1和sl2端接写电压vw，bl端接gnd时，电流从stt-mtj的固定层流向自由层，存储器进行写“1”操作。此时流过stt-mtj的写入电流i
w1
是由晶体管m1和m2共同提供，因此，i
w1
＝i
m1
+i
m2
。故在写电压vw相同时，图1与图2中的stt-mram在写“1”过程中流过stt-mtj的电流相等。
39.当stt-mram写“0”时，bl端接写电压vw，sl1接gnd，通过使能端控制使得晶体管m2处于截止状态，电流从bl端流向sl1端，此时写入电流i
w0
由晶体管m1提供，写入电流从mtj的自由层流向固定层。在图2的写入结构中i
w0
＝i
m1
，而在图1中i
w0
＝i
m1
+i
m2
》i
m1
，故在写“0”操作时，图2的写入结构流过stt-mtj的电流更小，达到了减小写电压的目的。
40.由于加在stt-mtj上的电压是由晶体管与stt-mtj组成的分压器来决定的，因此，可以通过调节晶体管的宽来适当控制流过stt-mtj的电流的减小幅度。stt-mtj上的过量电流与电压的减小减轻了隧穿氧化物的应力条件，非常有效的增加了stt-mtj的寿命。
41.如图3是本专利提出的新型混合型写入结构的电阻模型图。在图3中，当stt-mram准备写入数据“1”时，stt-mtj的阻值r
mtj
＝r
ap
，晶体管的阻值r
on1
＝r
m1
//r
m2
，写电流i
w1
＝vw/(r
ap
+r
m1
//r
m2
)。图3中左侧表示写“1”的操作，stt-mtj的阻值r
mtj
原来是r
p
，通过写“1”操作，stt-mtj的阻值r
mtj
＝r
ap
。在图3中，当stt-mram写“0”操作时，stt-mtj的阻值r
mtj
＝r
p
，晶体管的阻值r
on0
＝r
m1
，写电流i
w0
＝vw/(r
p
+r
m1
)。由于r
ap
》r
p
，r
ap
+r
m1
》r
p
+r
m1
//r
m2
，从而r
p
+r
m1
和r
ap
+r
m1
//r
m2
二者之间的大小是不能确定的，因此，在相同的写入电压vw情况下，并不能一定
满足i
w1
》i
w0
。
42.针对上述问题，发明人在设计上述用于stt-mram的混合型写入结构的时候，考虑了所述sttm-ram中的mtj器件的tmr值，tmr＝r
p
/(r
p
+r
ap
)，上述tmr值在大于150％的情况下，本实施例的上述技术方案中，所设计的混合型写入结构能够满足i
w1
》i
w0
的要求。
43.实施例二：
44.由于mtj器件的寿命受电压影响比较大，电压越高，寿命越短，故本实施例提出一种采用双电源的混合型写入结构，为上述用于stt-mram的混合型写入结构提供不同的写入电压，即针对不同方向的写入操作，制定相符的写入电压，实现低写入电压，以进一步提高mtj器件的使用寿命。
45.本实施例提出采用双电源结构，为本发明的混合型写入结构提供不同的写入电压，即针对不同方向的写入操作，制定相符的写入电压，实现低写入电压，可进一步降低写入功耗。
46.所述采用双电源的混合型写入结构包括：stt-mtj、第一晶体管m1和第二晶体管m2；所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2并联，并与所述stt-mtj连接；所述写入结构在执行写入操作时，当stt-mram的源线sl1和sl2端接第一写入电压，所述stt-mram的位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；当stt-mram的位线bl端接写第二写入电压时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2处于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层、所述stt-mram进行写“0”操作。
47.根据本实施例的技术方案，所述采用双电源的混合型写入结构中，所述第一电压大于所述第二电压。
48.如图4所示是本实施例提出的双电源混合型写入结构。在该结构中，当stt-mram写“1”时采用低电压v
l
作为写入电压，当写“0”时采用高电压vh作为写入电压，以使得所述stt-mram在写“0”操作时，流过所述stt-mtj的电流更小，实现写“0”操作时的低电压写入，降低写入功耗，并且进一步提高mtj器件的使用寿命。
49.实施例三：
50.本实施例进一步提供一种用于stt-mram的混合型写入方法，所述写入方法采用本发明实施例一或实施例二所述的混合型写入结构，所述写入方法包括：
51.所述写入结构在执行写入操作时，当所述stt-mram的源线sl1和sl2端接写第一写入电压，位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；
52.当stt-mram的位线bl端接第二写入电压时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2被置于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。
53.根据本发明所述的写入方法，所述第一写入电压与所述第二写入电压相同或者所述第一写入电压大于所述第二写入电压。
54.根据本发明所述的写入方法，所述stt-mram在写入操作时，通过使第一写入电压大于所述第二写入电压，以使得所述stt-mram在写“0”操作时，流过所述stt-mtj的电流更小，同时实现低电压写入，降低写入功耗，并且能够进一步增加所述stt-mtj的使用寿命。
55.实施例四：
56.如图5所示，是图1中的1t1r型写入结构与本发明提出的混合型写入结构的瞬态仿真对比图。假设stt-mram的初始状态为“0”，每次写入持续时间为10ns。图1所示的传统结构模式采用0.9v写入电压。当stt-mram进行从“0”到“1”的写入过程时，保持两种结构的写入电流相等，但是由于新型结构的存取晶体管是由两个晶体管并联而成，因此，其总体的电阻会比传统结构的电阻要小，故在相同的写入电路的需求下，需要的写入电压较小。最终混合型结构的写“1”时的写入电压v
l
为0.6v。当stt-mram从1到0的过程中，传统结构的写入电压依然为0.9v。
57.由于本发明采用了混合型的写入结构，可以根据写“0”所需的电流去适当选择写入电压，故在此处选择写“0”的写电压vh为0.68v。从图5中可以看出，当stt-mram从“0”到“1”的过程中，写入电流均约为120μa，写入延时大约为1.6ns；当stt-mram从“1”到“0”的过程中，新型结构的写入电压为72.59μa，而传统结构的写入电压为约为107.67μa，写入电流降低了30％。但由于延时与电流大小成反比，故本发明的混合型结构的写入延时比传统结构大了约0.4ns，大约为2.3ns。在正常的写操作过程中，为了保证写入成功，通常会给对写入电压的持续时间设置一个较大的裕度，此时当从“1”到“0”的写入操作成功后，写入电流会变得更大，如果没有及时终止写操作，将会造成更大的能量损耗，从图5中可以看出，本发明提出的这种混合型写入结构，即使在写入成功后，写入电流依然保持在100μa以内，可以为整个写入操作节省至少百分之三十的功耗。
58.本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于stt-mram的混合型写入结构，其特征在于，所述写入结构包括：stt-mtj、第一晶体管m1和第二晶体管m2；其中，所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2并联，并与所述stt-mtj连接；所述写入结构在执行写入操作时，当stt-mram的源线sl1和sl2端接写入电压v
w
，位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；当stt-mram的位线bl端接写入电压v
w
时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2处于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。2.根据权利要求1所述的一种用于stt-mram的混合型写入结构，其特征在于，所述stt-mram进行写“0”操作时写入电流i
w0
由所述第一晶体管m1提供，i
w0
＝i
m1
。3.根据权利要求1所述的一种用于stt-mram的混合型写入结构，其特征在于，所述stt-mram进行写“1”操作时写入电流i
w1
由所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2共同提供，i
w1
＝i
m1
+i
m2
。4.根据权利要求1-3的任一所述的一种用于stt-mram的混合型写入结构，其特征在于，所述stt-mram进行写“0”操作时的写入电流i
w0
小于所述stt-mram进行写“1”操作时的写入电流i
w1
。5.一种用于stt-mram的混合型写入结构，其特征在于，所述写入结构包括：stt-mtj、第一晶体管m1和第二晶体管m2；其中，所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2并联，并与所述stt-mtj连接；所述写入结构在执行写入操作时，当stt-mram的源线sl1和sl2端接第一写入电压，所述stt-mram的位线bl端接gnd，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；当stt-mram的位线bl端接写第二写入电压时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2处于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。6.根据权利要求5所述的一种用于stt-mram的混合型写入结构，其特征在于，所述第一写入电压大于所述第二写入电压。7.一种用于stt-mram的混合型写入方法，所述写入方法采用如权利要求1或5的任一项所述的混合型写入结构，其特征在于，所述写入方法包括：所述写入结构在执行写入操作时，当所述stt-mram的源线sl1和sl2端接第一写入电压，位线bl端接gnd时，写入电流从所述stt-mtj的固定层流向自由层，所述stt-mram进行写“1”操作；当stt-mram的位线bl端接第二写入电压时，所述stt-mram的源线sl1接gnd，所述第二晶体管m2被置于截止状态，写入电流从所述stt-mtj的自由层流向固定层，所述stt-mram进行写“0”操作。8.根据权利要求7所述的一种用于stt-mram的混合型写入方法，其特征在于，所述第一写入电压与所述第二写入电压相同。9.根据权利要求7所述的一种用于stt-mram的混合型写入方法，其特征在于，所述第一写入电压大于所述第二写入电压。
10.根据权利要求7所述的一种用于stt-mram的混合型写入方法，其特征在于，所述stt-mram在写入操作时，通过使第一写入电压大于所述第二写入电压，以使得所述stt-mram在写“0”操作时，流过所述stt-mtj的电流更小，并且实现低电压写入。

技术总结

本发明涉及一种用于STT-MRAM的混合型写入结构及写入方法，属于计算机存储技术领域。本发明的混合型写入结构通过两个晶体管并联，并调节晶体管的宽度来适当控制流过MTJ的电流的减小幅度，以增加STT-MTJ的使用寿命。进一步，由于MTJ器件的寿命受电压影响较大，电压越高，寿命越短，故本发明提出的一种采用双电源的混合型写入结构，在所述STT-MRAM的不同写入操作提供不同的写入电压，并通过在STT-MRAM写入操作时使第一写入电压大于第二写入电压，以使得所述STT-MRAM在写“0”操作时，流过所述STT-MTJ的电流更小，同时实现低电压写入，能够进一步增加STT-MTJ的使用寿命。MTJ的使用寿命。MTJ的使用寿命。