阅读说明：本技术 无需mos管的自旋轨道矩磁性随机存储器 (Spin orbit torque magnetic random access memory without MOS tube ) 是由 薛晓勇 陈德扬 方晋北 赵晨阳 张洵铭 杨何勇 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于存储器技术领域,具体为一种无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器。本发明存储器存储单元包括：一个重金属导电层、一个磁阻元件、一组双向二极管和一个二极管；磁阻元件为三层结构,分别是磁化方向固定的磁性材料层、非磁性材料层、磁化方向可变的磁性材料层；双向二极管由一组二极管并联反接组成,用于抑制写入通路上的双向潜行电流；二极管用于抑制读取通路上的潜行电流。本发明的自旋轨道矩磁性随机存储器省去了传统方案中控制读写操作的两个MOS管,有效减小自旋轨道矩磁性随机存储器的面积代价,简化其控制逻辑。另外,由于存储单元电路仅由磁性隧道结与二极管组成,它还适合于3D集成,符合后摩尔定律时代的技术发展趋势。(The invention belongs to the technical field of memories, and particularly relates to a spin orbit torque magnetic random access memory without an MOS (metal oxide semiconductor) tube. The memory storage unit of the invention comprises: a heavy metal conductive layer, a magnetoresistive element, a set of bidirectional diodes, and a diode; the magnetic resistance element is a three-layer structure and is respectively a magnetic material layer with fixed magnetization direction, a non-magnetic material layer and a magnetic material layer with variable magnetization direction; the bidirectional diode is formed by connecting a group of diodes in parallel and reversely and is used for inhibiting bidirectional sneak current on a write-in path; the diode is used to suppress sneak currents on the read path. The spin orbit torque magnetic random access memory saves two MOS tubes for controlling read-write operation in the traditional scheme, effectively reduces the area cost of the spin orbit torque magnetic random access memory and simplifies the control logic of the spin orbit torque magnetic random access memory. In addition, the memory cell circuit is only composed of the magnetic tunnel junction and the diode, so that the memory cell circuit is also suitable for 3D integration and conforms to the technical development trend of the post Moore's law era.)

无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器

技术领域

本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种自旋轨道矩磁性随机存储器。

背景技术

在过去几十年里，静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)一直是片上嵌入式存储器的主流解决方案。随着工艺和设计技术的不断发展，单个集成电路上集成的处理器核心数越来越多，使得单个芯片对片上静态随机存储器的集成度、容量和带宽要求越来越高。因此，有了这些不断提高的要求，在1994-2008年这十几年间，静态随机存储器的发展迅速：在每个新的工艺代，静态随机存储器的存储单元面积都会减少一半。然而近年来，这种发展趋势遇到了很大的阻力。工艺尺寸的减小，增加了工艺制造的难度，制造过程中参数的随机变化引起器件阈值电压的波动，从而影响存储单元的稳定性，使得高密度的存储阵列很难拥有宽裕的噪声容限。这也限制了高密度静态存储器性能的提高与功耗的降低，使静态随机存储器不能向既定的方向发展。因此，寻找新的存储器方案以替代静态随机存储器成为了进一步显著提高芯片性能的必由之路。

进一步地，我们要求下一代存储器方案同时具有以下四点特性：低功耗、高性能、与CMOS标准工艺兼容性好与可微缩性强。自旋轨道矩磁性随机存储器(Spin-orbit-torqueMagnetic Random Access Memory, SOT MRAM)因此成为了有利竞争者，基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)使其具有非易失性，静态功耗极低；读写路径可被单独优化，动态功耗也相当低；读写速度快，并且易集成，可与CMOS标准工艺兼容；另外，它的耐久性几乎是无限的，而且在常温下的保持性也超过 10 年，使得它在传感器网络、物联网、大数据等领域有极大潜力。

然而相比于其他方案，基本的自旋轨道矩磁性随机存储器方案的单个存储单元面积较大，且控制逻辑复杂——一个存储单元由两个MOS管和一个磁性隧道结组成，并由一条源线、两条字线（写字线与读字线）以及两条位线（写位线与读位线）所控制。目前关于减小其面积代价、简化控制逻辑的方案虽然存在，但它们可操作性都不强，这一问题仍待解决。除此以外，在后摩尔定律时代，探索新型器件超越摩尔定律开始疲软的桎梏(More-than-Moore)，也是当今的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种面积代价小、控制逻辑简单且适合3D集成的自旋轨道矩磁性随机存储器。

本发明提供的无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器，其存储单元包括一个重金属导电层、一个磁阻元件、一组双向二极管和一个二极管；其中，所述双向二极管第一端与写位线相连，第二端与所述重金属导电层第一端相连；所述重金属导电层第二端与源线相连；所述磁阻元件第一端与所述二极管负极相连，第二端邻接到所述重金属导电层第一端与第二端之间的中间位置。二极管正极与读位线相连。

上述重金属导电层可以是铂、钽、金、钨或钯。

上述磁阻元件由三层组成，第一层是磁化方向固定的磁性材料层，第二层是非磁性材料层，第三层是磁化方向可变的磁性材料层。其磁化方向固定的磁性材料层作为磁阻元件的第一端，磁化方向可变的磁性材料层作为磁阻元件的第二端邻接在重金属导电层第一端与第二端的中间位置。

上述二极管用于抑制读取通路上的潜行电流。

上述双向二极管由一组二极管并联反接组成，用于抑制写入通路上的双向潜行电流。

本发明具有以下技术效果：本发明提供的无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器，用一个二极管和一组双向二极管代替传统方案中控制读写操作的两个MOS管，从而有效地减小自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的面积代价，并简化其控制逻辑。另外，由于存储单元电路仅由磁性隧道结与二极管组成，它还适合于3D集成，符合后摩尔定律时代的技术发展趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的硬件实现电路图；

图2为基于无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列。

图中标号：

100为本发明无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的硬件实现电路图；110为磁阻元件；110 a为磁阻元件的磁化方向固定的磁性材料层；110 b为磁阻元件的非磁性材料层；110 c为磁阻元件的磁化方向可变的磁性材料层；111为重金属导电层；120为双向二极管；120 a为组成双向二极管的第一个二极管；120 b为组成双向二极管的第二个二极管；121为二极管；130为连接写位线的端口；131为连接读位线的端口；132为连接源线的端口。

200为基于无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列；210为连接第一行存储单元的源线；211为连接第二行存储单元的源线；212为连接第N行存储单元的源线；220为连接第一列存储单元的写位线；221为连接第二列存储单元的写位线；222为连接第M列存储单元的写位线；230为连接第一列存储单元的读位线；231为连接第二列存储单元的读位线；231为连接第M列存储单元的读位线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的硬件实现电路图。如图1所示，传统方案中控制读写操作的MOS管被取消，取而代之的是一组双向二极管与一个二极管。此时，存储单元的读操作只由读位线和源线之间的电压差所决定；存储单元的写操作只由写位线和源线之间的电压差所决定。在这一结构中，双向二极管由两个单独的二极管并联反接组成，用于抑制写入通路上的双向潜行电流，即避免写位线与源线之间微小电压差产生通过重金属层的电流，意外地发生误写入；二极管用于抑制读取通路上的潜行电流，即避免在写入操作时写位线与读位线之间的电压差产生倒行电流。具体来说，当需要向存储单元中写入“1”（或“0”，视外加在磁阻元件上的磁场而定）时，写位线施加正电压VWP，源线上施加零电压，读位线上施加零电压；当需要向存储单元中写入“0”（或“1”，视外加在磁阻元件上的磁场而定）时，写位线施加零电压，源线上施加正电压VWP，读位线上施加零电压；当需要读取存储单元中的数据时，写位线施加零电压，读位线上施加读电压VREAD，源线上施加零电压，通过读出读位线上的电流大小，可得目标存储单元中的数据。

图2为基于无需MOS管的自旋轨道矩磁性随机存储器存储单元的存储阵列。如图2所示，存储阵列的一行有 M个存储单元，这M个存储单元所存的数据构成一个字；存储阵列的一列有N个存储单元。若要完成对一个特定字的读操作，需给所有M条读位线施加读电压VREAD，向所有M条写位线上施加零电压，向相应的源线上施加零电压，向其他无关源线上施加读电压的一半VREAD/2，读取所有读位线上的电流即可实现对这个字的读操作。若要完成对一个特定字的写操作，对所有M条读位线施加零电压，再根据要写入的数据向M条写位线和对应源线施加零电压或VWP，向其他无关源线施加写电压的一半VWP/2。实际上，源线和位线上具体电压的选取应考虑到二极管的开启电压和重金属导电层的电阻等因素，以尽量避免潜行电流为准则。