阅读说明：本技术 一种基于磁性隧道结的位元结构 (Bit structure based on magnetic tunnel junction ) 是由 毛欣 张源梁 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁性隧道结的位元结构,该位元结构包括两个MOS管、两个磁性隧道结、一条字线、两条源线以及两条位线；进行数据写入时,字线有效,位元结构中的两个MOS管共享源线与位线,两个磁性隧道结MTJ上经过稳定的电流并持续一段时间；选取某一个MTJ作为存储单元(另外一个作为参考单元),将数据写入；进行数据读出时,源线接地,两个位线偏置电压将两端位线分别上拉,产生作为存储单元的MTJ上电压V<Sub>MTJ1</Sub>和作为参考单元的MTJ上电压V<Sub>MTJ2</Sub>,将V<Sub>MTJ1</Sub>和V<Sub>MTJ2</Sub>接入比较器进行比较；得到数据读出结果。本发明的一种基于磁性隧道结的位元电路及其读出电路,具有实现简单,读出速度快的优点。(The invention discloses a bit structure based on a magnetic tunnel junction, which comprises two MOS (metal oxide semiconductor) tubes, two magnetic tunnel junctions, a word line, two source lines and two bit lines; when data is written, the word line is effective, two MOS tubes in the bit structure share a source line and a bit line, and stable current passes through the two Magnetic Tunnel Junctions (MTJ) and lasts for a period of time; selecting one MTJ as a storage unit (the other MTJ is used as a reference unit) and writing data; when data is read, the source line is grounded, two bit line bias voltages respectively pull up bit lines at two ends to generate a voltage V on the MTJ as a storage unit MTJ1 And a voltage V on the MTJ as a reference cell MTJ2 Will V MTJ1 And V MTJ2 Accessing a comparator for comparison; and obtaining a data reading result. The bit cell circuit based on the magnetic tunnel junction and the reading circuit thereof have the advantages of simple realization and high reading speed.)

一种基于磁性隧道结的位元结构

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及集成电路设计中磁性隧道结的位元(MTJBit cell)单元。

背景技术

MRAM是一种非易失随机存取存储器。与传统的存储器不同，MRAM利用材料的磁电阻效应来实现数据的存储，其核心存储单元是磁隧道结(MTJ)。

如图1所示，是典型的磁隧道结(MTJ)结构示意图。磁性隧道结(MTJ)主要由参考层100、绝缘的势垒层200和自由层300组成。参考层100的磁矩方向保持不变，仅改变自由层300的磁矩方向使之与参考层同向或反向。MTJ依靠量子隧穿效应使电子通过势垒层200。极化电子的隧穿概率和参考层100与自由层300的相对取向有关。当参考层100与自由层300磁化方向相同时，电子的隧穿概率较高，此时MTJ表现为低电阻状态(Rp)；而当参考层100与自由层300磁化方向相反时，电子的隧穿概率较低，此时MTJ表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ的Rp和Rap状态来表示逻辑状态“0”和“1”，从而实现数据存储。数据读出的时候，通常的做法是利用SA灵敏放大器将读出的数据与内部的参考单元进行比较，而参考的位元产生的比较电压为二分之一的V_P+V_AP。根据读出电压域参考比较电压的差值经过灵敏放大器比较后读出数据。

发明内容

本发明旨在提出一种基于磁性隧道结的位元结构，在电路中利用改进后的带有两个磁性隧道结(MTJ)的位元结构，每次写入和读出操作都同时由两个磁性隧道结(MTJ)来实现，利用电压差比传统的读出电路大的原理，实现了很快的读出速度。

本发明是一种基于磁性隧道结的位元结构，利用以下技术方案来实现：

一种基于磁性隧道结的位元结构，该位元结构包括两个MOS管、两个磁性隧道结、一条字线、两条源线和两条位线；其中，

其中，第一MOS管4的栅极接字线1、源级接第一源线2以及漏级接第一磁性隧道结MTJ1的参考层61；第二MOS管5的栅极接字线1、源级接第二源线3以及漏级接第二磁性隧道结MTJ2的自由层71；第二磁性隧道结MTJ2的自由层62接第一位线8，第二磁性隧道结MTJ2的参考层72接第二位线9；并且，第一、第二位线8、9分别接顶层金属层10，第一磁性隧道结MTJ1的自由层62、第二磁性隧道结MTJ2的自由层71分别接底层的金属层并与第一、第二MOS管4、5相连；或者，第一、第二位线8、9分别接底层金属层10，第一磁性隧道结MTJ1的自由层62、第二磁性隧道结MTJ2的自由层71分别接顶层金属层并与第一、第二MOS管4、5相连。

在进行数据写入时，位元结构中的第一、第二MOS管4、5的栅极同时打开，同向电流流经第一磁性隧道结MTJ1、第二磁性隧道结MTJ2 6、7，将反平行态和平行态两种状态相反地写入两个磁性隧道结，即一个磁性隧道结是反平行态、一个磁性隧道结是平行态或者一个磁性隧道结是平行态、一个磁性隧道结是反平行态；在进行数据读出时，第一、第二源线2、3接地，在第一磁性隧道结MTJ1、第二磁性隧道结MTJ26、7所对应的第一、第二位线8、9上施加偏置电压，偏置电压分别经过两路各由两个串联的MOS管构成的电路作用于两个磁性隧道结MTJ1、MTJ2，上拉得到的电压是平行态的电压和反平行态的电压或者是反平行态的电压和平行态的电压，平行态的电压记作V_p、反平行态的电压记作V_AP，选取某一个磁性隧道结作为存储单元，另外一个磁性隧道结作为参考单元，将数据写入；进行数据读出时，第一、第二源线2、3接地，第一、第二位线8、9偏置电压将两端位线分别上拉，产生作为存储单元的磁性隧道结上电压V_MTJ1或V_MTJ2和作为参考单元的磁性隧道结上电压V_MTJ2或V_MTJ1，将V_MTJ1和V_MTJ2接入比较器进行比较：

如果选取第一磁性隧道结MTJ1(6)作为存储单元，则V_MTJ1＝V_AP，V_MTJ2＝V_P，V_MTJ1<V_MTJ2,，结果为0，读出数据为0；V_MTJ1＝V_P，V_MTJ2＝V_AP，V_MTJ1>V_MTJ2,，结果为1，读出数据为1；

如果选取第二磁性隧道结MTJ2(7)作为存储单元，V_MTJ1＝V_AP，V_MTJ2＝V_P，V_MTJ1<V_MTJ2，结果为1，读出数据为1；V_MTJ1＝V_P，V_MTJ2＝V_AP，M_TJ1>V_MTJ2，结果为0，读出数据为0。

与现有技术相比，本发明的一种基于磁性隧道结的位元电路，具有实现简单，读出速度快的优点。

附图说明

图1是典型的磁性隧道结(MTJ)结构示意图；

图2是本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构的结构示意图；

图3是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路实施例参考示意图；

图4是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路工作流程示意图。

附图标记：

1、字线，2、第一源线，3、第二源线，4、第一MOS管，5、第二MOS管，6、第一磁性隧道结，7、第二磁性隧道结，8、第一位线，9、第二位线，10、顶层金属层，11、底层金属层；61、第一磁性隧道结的参考层，62、第一磁性隧道结的自由层，71、第二磁性隧道结的自由层，72、第二磁性隧道结的参考层，100、自由层，200、势垒层，300、参考层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图2所示，是本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构的结构示意图。包括两个MOS管(即第一、第二MOS管4、5)、两个磁性隧道结(即第一、第二磁性隧道结6、7)、一条字线、两条源线和两条位线，其中，第一MOS管4的栅极接字线1、源级接第一源线2以及漏级接第一磁性隧道结MTJ1的参考层61；第二MOS管5的栅极接字线1、源级接第二源线3以及漏级接第二磁性隧道结MTJ2的自由层71；第二磁性隧道结的自由层62接第一位线8，第二磁性隧道结的参考层72接第二位线9。

如图3所示，是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路实施例参考图。读出电路包括基于磁性隧道结的位元结构、连接于其此位元结构的第一、第二位线的另外两路各由两个串联的MOS管构成的电路以及比较器。两两串联的MOS管以源极接漏极的方式实现连接。在进行数据写入时，第一、第二MOS管4、5的栅极同时打开，同向电流流经两个磁性隧道结(MTJ)6、7，由于两个磁性隧道结(MTJ)6、7连接方式正好相反，被写入后两个磁性隧道结(MTJ)的状态也相反，例如一个是反平行态一个是平行态或者一个是平行态一个是反平行态。在进行数据读出时，第一、第二源线2、3接地，在两个磁性隧道结(MTJ)6、7所对应的第一、第二位线8、9上施加偏置电压，偏置电压分别经过两路各由三个串联的MOS管构成的电路作用于两个磁性隧道结(MTJ)6、7，由于两个磁性隧道结(MTJ)6、7的状态相反，上拉得到的电压是平行态的电压和反平行态的电压或者是反平行态的电压和平行态的电压。这两端的电压记做V_p和V_AP，它们被用作比较器的输入进行比较和放大，传统的用参考MTJ作为比较电压的设计，产生的参考电压是平行态和反平行态的二分之一电位，而本发明用作比较的两端电压压差(V_p-V_AP)更大，较大的压差可以加快比较器的比较速度，而且也去掉了额外的参考MTJ阵列。

如图4所示，是利用本发明的一种基于磁性隧道结的位元结构所实现的读出电路工作流程示意图。具体流程如下：

进行数据写入时，字线有效(打开)，位元结构中的两个MOS管共享源线与位线，两个磁性隧道结MTJ上经过稳定的电流并持续一段时间；

选取某一个MTJ作为存储单元(另外一个作为参考单元)，将数据写入；

进行数据读出时，源线接地，两个位线偏置电压将两端位线分别上拉，产生作为存储单元的MTJ上电压V_MTJ1和作为参考单元的MTJ上电压V_MTJ2，将V_MTJ1和V_MTJ2接入比较器进行比较；

如果选取MTJ1作为存储单元，则V_MTJ1＝V_AP，V_MTJ2＝V_P，V_MTJ1<V_MTJ2,，结果为0，读出数据为0；V_MTJ1＝V_P，V_MTJ2＝V_AP，V_MTJ1>V_MTJ2,，结果为1，读出数据为1；

如果选取MTJ2作为存储单元，V_MTJ1＝V_AP，V_MTJ2＝V_P，V_MTJ1<V_MTJ2，结果为1，读出数据为1；V_MTJ1＝V_P，V_MTJ2＝V_AP，M_TJ1>V_MTJ2，结果为0，读出数据为0。

本发明的位元结构适合集成到手机、电脑、嵌入式芯片、汽车电子芯片、工业控制芯片、独立式存储器、手持设备、射频标签等一次性编程器件中。