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CN111816229B - 磁阻式随机存取存储器的存储单元及存储单元阵列 - Google Patents

磁阻式随机存取存储器的存储单元及存储单元阵列 Download PDF

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CN111816229B
CN111816229B CN202010272695.4A CN202010272695A CN111816229B CN 111816229 B CN111816229 B CN 111816229B CN 202010272695 A CN202010272695 A CN 202010272695A CN 111816229 B CN111816229 B CN 111816229B
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Abstract

一种磁阻式随机存取存储器的存储单元，其包括PMOS晶体管与储存元件。PMOS晶体管的第一端连接至存储单元的第一端点，PMOS晶体管的控制端连接至存储单元的第二端点。储存元件的第一端连接至PMOS晶体管的第二端，储存元件的第二端连接至存储单元的第三端点。在进行写入动作时，存储单元的第一端点接收第一电压，存储单元的第三端点接收第二电压，存储单元的第二端点接收控制电压，使得存储单元成为第一储存状态。第一电压大于第二电压，第二电压大于控制电压。

Description

磁阻式随机存取存储器的存储单元及存储单元阵列
技术领域
本发明是有关于一种非易失性存储器，且特别是有关于一种利用负电压来操作的磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，以下简称MRAM)。
背景技术
请参照图1，其所示出为已知的MRAM存储单元示意图。MRAM存储单元110包括开关晶体管Ms与储存元件120，其中储存元件120又被称为磁穿隧接面(Magnetic TunnelJunction，简称MTJ)。
MRAM存储单元110具有三个端点A、B、S。开关晶体管Ms的第一端连接至端点A，开关晶体管Ms的第二端连接至节点a，开关晶体管Ms的控制端连接至端点S。其中，开端晶体管Ms为NMOS晶体管，开关晶体管Ms的栅极即为控制端。
储存元件120包括堆叠的(stacked)固定层(pin layer)122、阻绝层(isolationlayer)124与自由层(free layer)126。储存元件120的固定层122连接至节点a，储存元件120的自由层126连接至端点B。
基本上，当固定层122与自由层126的磁化方向不同时，储存元件120具有较大的阻抗值(例如5.2K欧姆)，可视为MRAM存储单元110的第一储存状态，又称为高阻抗状态(highimpedance state)。当固定层122与自由层126的磁化方向相同时，储存元件120具有较小的阻抗值(impedance)(例如3.2K欧姆)，可视为MRAM存储单元110的第二储存状态，又称为低阻抗状态(low impedance state)。再者，提供储存元件120不同方向的电流与电压时，即可控制MRAM存储单元110为第一储存状态或者第二储存状态。
当然，在图1中的MRAM存储单元110中，也可以将储存元件120的固定层122连接至端点B，储存元件120的自由层126连接至节点a。
请参照图2A，其所示出为MRAM存储单元进行写入动作(write operation)成为第一储存状态的偏压示意图。如图2A所示，提供第一电压VDD至端点A并提供第二电压VSS至端点B。举例来说，第一电压VDD为1.1V，第二电压VSS为接地电压(0V)。
接着，提供控制电压(Vctrl)至端点S用以开启(turn on)开关晶体管Ms。因此，MRAM存储单元110内产生电流I由端点A流经节点a至端点B，使得MRAM存储单元110成为第一储存状态。
当然，MRAM存储单元110也可以进行写入动作成为第二储存状态。亦即，提供第一电压VDD至端点B，并提供第二电压VSS至端点A。当开关晶体管Ms开启时，则电流由端点B流经节点a至端点A，使得MRAM存储单元110成为第二储存状态。
基本上，为了将MRAM存储单元110变更为第一储存状态，储存元件120的两端所接收的第一电压差(first voltage difference)至少要0.55V以上时才能够改变状态。亦即，控制MRAM存储单元110为第一储存状态时，端点B为第二电压VSS(0V)且节点a的电压Va要高于0.55V。另外，为了将MRAM存储单元110变更为第二储存状态，储存元件120的两端所接收的第二电压差(second voltage difference)至少要0.45V以上时才能够改变状态。也就是说，控制MRAM存储单元110为第二储存状态时，端点B为第一电压VDD(1.1V)，且节点a的电压Va要低于0.65V。
如上所述，开关晶体管Ms为NMOS晶体管，所以开关晶体管Ms的基体(body)会连接至最低的电压，亦即第二电压VSS。再者，利用第一电压VDD作为控制电压Vctrl即可开启开关晶体管Ms。
然而，在MRAM存储单元110中，开关晶体管Ms的基体(body)与第二端(亦即节点a)的电压差异，会使得开关晶体管Ms遭遇到严重的基体效应(body effect)以及源极退化(source degeneration)，使得开关晶体管Ms的电阻很大，并使得MRAM存储单元110在写入动作(write operation)时，节点a的电压Va无法到达0.55V。在此情况下，几乎不可能让MRAM存储单元110转变成为第一储存状态。
为了要降低晶体管Ms的电阻，所以需要提高端点S的控制电压Vctrl，才能使得节点a的电压Va到达0.55V。例如，将端点S的控制电压Vctrl由第一电压VDD(1.1V)提高至1.5V。
另外，为了让开关晶体管Ms能够符合安全工作区的规范(Safe Operating Areacriteria，简称SOA规范)，当开关晶体管Ms控制端的控制电压Vctrl提高后，也需要将开关晶体管Ms的尺寸(size)变大。因此，MRAM存储单元110的阵列尺寸(array size)也会变大。
请参照图2B，其所示出为MRAM存储单元中节点a的电压Va与开关晶体管Ms的尺寸关系示意图。举例来说，开关晶体管Ms的基本尺寸为210nm×50nm时，代表M＝1。同理，M＝2代表开关晶体管Ms具有2倍基本尺寸，并依此类推。
由图2B可知，当开关晶体管Ms的尺寸为8倍基本尺寸以上时，提供1.5V的控制电压Vctrl才可使节点a的电压Va到达0.55V，并控制MRAM存储单元110成为第一储存状态。
换句话说，当开关晶体管Ms的尺寸小于8倍基本尺寸时，就算提供1.5V的控制电压Vctrl，节点a的电压Va仍无法到达0.55V。所以MRAM存储单元110无法转变为第一储存状态。
由以上的说明可知，已知的MRAM存储单元110中，由于开关晶体管Ms的尺寸无法缩小，所以将无法有效地提升MRAM的储存密度且无法降低MRAM的制造成本。
另外，上述的偏压方式也会造成其他的影响，说明如下。
请参照图3，其所示出为已知的MRAM存储单元阵列实际运作的偏压示意图。MRAM存储单元阵列包括一列多个MRAM存储单元210、310连接至字线WL。其中，MRAM存储单元210包括开关晶体管Ms1与储存元件220。MRAM存储单元310包括开关晶体管Ms2与储存元件320。MRAM存储单元210、310的构造相同于图1，此处不再赘述。
如图3所示，MRAM存储单元210的端点S1与MRAM存储单元310的端点S2连接至字线WL，且字线WL连接至电荷泵(charge pump)330，用以提供控制电压Vctrl。举例来说，电荷泵330可将第一电压VDD(1.1V)提升至控制电压Vctrl(1.5V)。
以下的说明在写入动作(write operation)时，控制MRAM存储单元210为第一储存状态且控制MRAM存储单元310为第二储存状态。再者，相同列上的其他存储单元也可以利用相同的方式来控制其状态，此处不再赘述。
如图3所示，MRAM存储单元210的端点A1接收第一电压VDD，端点B1接收第二电压VSS。并且，MRAM存储单元310的端点A2接收第二电压VSS，端点B2接收第一电压VDD。
当字线WL接收控制电压Vctrl而开启开关晶体管Ms1、Ms2时，MRAM存储单元210内部产生电流I1由端点A1经过节点a1流至端点B1，使得MRAM存储单元210成为第一储存状态；并且MRAM存储单元310内部产生电流I2由端点B2经过节点a2流至端点A2，使得MRAM存储单元310成为第二储存状态。
然而，在上述的写入动作(write operation)时，由于控制电压Vctrl为1.5V，端点A2接收第二电压VSS(0V)，将造成开关晶体管Ms2的栅极与源极之间的电压差过大，使得开关晶体管Ms2超出安全工作区的规范(简称SOA规范)，并造成开关晶体管Ms2损坏。
为了要改善上述状况，于写入动作(write operation)并将MRAM存储单元310控制为第二储存状态时，需要将端点A2接收的电压由第二电压VSS(0V)提升至第三电压，例如0.4V。如此，才可确保开关晶体管Ms2的栅极与源极之间的电压差符合全工作区的规范(简称SOA规范)。
明显地，已知的MRAM存储单元进行写入动作(write operation)时，根据MRAM存储单元所要形成的状态，需要提供控制电压Vctrl(1.5V)、第一电压VDD(1.1V)、第二电压VSS(0V)以及第三电压(0.4V)。如此，已知的MRAM存储单元阵列才可以正常运作。
发明内容
本发明有关于一种磁阻式随机存取存储器的存储单元，该存储单元包括：PMOS晶体管，其中该PMOS晶体管的第一端连接至该存储单元的第一端点，该PMOS晶体管的控制端连接至该存储单元的第二端点；以及储存元件，其中该储存元件的第一端连接至该PMOS晶体管的第二端，该储存元件的第二端连接至该存储单元的第三端点；其中，在进行写入动作时，该存储单元的该第一端点接收第一电压，该存储单元的该第三端点接收第二电压，该存储单元的该第二端点接收控制电压，使得该存储单元成为第一储存状态；其中，该第一电压大于该第二电压，该第二电压大于该控制电压。
本发明有关于一种磁阻式随机存取存储器的存储单元阵列，该存储单元阵列包括：第一存储单元，包括第一PMOS晶体管与第一储存元件；以及第二存储单元，包括第二PMOS晶体管与第二储存元件；其中，该第一PMOS晶体管的第一端连接至该第一存储单元的第一端点，该第一PMOS晶体管的控制端连接至字线，该第一储存元件的第一端连接至该第一PMOS晶体管的第二端，该第一储存元件的第二端连接至该第一存储单元的第二端点；其中，该第二PMOS晶体管的第一端连接至该第二存储单元的第一端点，该第二PMOS晶体管的控制端连接至该字线，该第二储存元件的第一端连接至该第二PMOS晶体管的第二端，该第二储存元件的第二端连接至该第二存储单元的第二端点；其中，在进行写入动作时，该字线接收控制电压，该第一储存元件的两端接收第一电压差，该第二储存元件的两端接收第二电压差，使得该第一存储单元成为第一储存状态，且该第二存储单元成为第二储存状态。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下：
附图说明
图1为已知的MRAM存储单元示意图。
图2A为MRAM存储单元进行写入动作成为第一储存状态的偏压示意图。
图2B为MRAM存储单元中节点a的电压Va与开关晶体管Ms的尺寸关系示意图。
图3为已知的MRAM存储单元阵列实际运作的偏压示意图。
图4为本发明MRAM存储单元示意图。
图5A为MRAM存储单元进行写入动作成为第一储存状态的偏压示意图。
图5B为提供0V的控制电压Vctrl时，MRAM存储单元中节点a的电压Va与开关晶体管Ms的尺寸关系示意图。
图5C为提供-0.4V的控制电压Vctrl时，MRAM存储单元中节点a的电压Va与开关晶体管Ms的尺寸关系示意图。
图6为本发明MRAM存储单元阵列实际运作的偏压示意图。
具体实施方式
请参照图4，其所示出为本发明MRAM存储单元示意图。MRAM存储单元410包括开关晶体管Ms与储存元件420。
MRAM存储单元410具有三个端点A、B、S。开关晶体管Ms的第一端连接至端点A，开关晶体管Ms的第二端连接至节点a，开关晶体管Ms的控制端连接至端点S。其中，开关晶体管Ms为PMOS晶体管，开关晶体管Ms的栅极即为控制端。
储存元件420包括堆叠的固定层422、阻绝层424与自由层426。储存元件420的固定层422连接至节点a，储存元件420的自由层426连接至端点B。
基本上，当固定层422与自由层426的磁化方向不同时，储存元件420具有较大的阻抗值(例如5.2K欧姆)，可视为MRAM存储单元410的第一储存状态，又称为高阻抗状态(highimpedance state)。当固定层422与自由层426的磁化方向相同时，储存元件420具有较小的阻抗值(impedance)(例如3.2K欧姆)，可视为MRAM存储单元410的第二储存状态，又称为低阻抗状态(low impedance state)。再者，提供储存元件420不同方向的电流与电压时，即可控制MRAM存储单元410为第一储存状态或者第二储存状态。
当然，在本发明的MRAM存储单元410中，也可以将储存元件420的固定层422连接至端点B，储存元件420的自由层426连接至节点a。
请参照图5A，其所示出为MRAM存储单元进行写入动作(write operation)成为第一储存状态的偏压示意图。如图5A所示，提供第一电压VDD至端点A并提供第二电压VSS至端点B。举例来说，第一电压VDD为1.1V，第二电压VSS为接地电压(0V)。另外，由于开关晶体管Ms为PMOS晶体管，所以开关晶体管Ms的基体(body)会连接至最高的电压，亦即第一电压VDD。
接着，提供控制电压(Vctrl)至端点S用以开启(turn on)开关晶体管Ms。因此，MRAM存储单元410内产生电流I由端点A流经节点a至端点B，使得MRAM存储单元410成为第一储存状态。
当然，MRAM存储单元410也可以进行写入动作成为第二储存状态。亦即，提供第一电压VDD至端点B，并提供第二电压VSS至端点A。当开关晶体管Ms开启时，则电流由端点B流经节点a至端点A，使得MRAM存储单元410成为第二储存状态。
为了将MRAM存储单元410变更为第一储存状态，储存元件420的两端所接收的第一电压差至少要0.55V以上时才能够改变状态。亦即，控制MRAM存储单元410为第一储存状态时，端点B为第二电压VSS(0V)且节点a的电压Va要高于0.55V。另外，为了将MRAM存储单元410变更为第二储存状态，储存元件420的两端所接收的第二电压差至少要0.45V以上时才能够改变状态。也就是说，控制MRAM存储单元410为第二储存状态时，端点B为第一电压VDD(1.1V)，且节点a的电压Va要低于0.65V。
在本发明的实施例中，开关晶体管Ms的基体(body)与第一端(亦即端点A)皆连接至第一电压VDD，所以开关晶体管Ms不会发生基体效应(body effect)。因此，本发明MRAM存储单元410的开关晶体管Ms在写入运作时具有较小的电阻。
请参照图5B，其所示出为提供0V的控制电压Vctrl时，MRAM存储单元中节点a的电压Va与开关晶体管Ms的尺寸关系示意图。举例来说，开关晶体管Ms的基本尺寸为210nm×50nm时，代表M＝1。同理，M＝2代表开关晶体管Ms具有2倍基本尺寸，并依此类推。
由图5B可知，当开关晶体管Ms的尺寸为8倍基本尺寸以上时，提供0V的控制电压Vctrl即可使节点a的电压Va到达0.55V，并控制MRAM存储单元410成为第一储存状态。
另外，除了0V的控制电压Vctrl之外，本发明可以调整控制电压Vctrl为小于0V，用以进一步减少开关晶体管Ms的尺寸。请参照图5C，其所示出为提供-0.4V的控制电压Vctrl时，MRAM存储单元中节点a的电压Va与开关晶体管Ms的尺寸关系示意图。
由图5C可知，当开关晶体管Ms的尺寸为4倍基本尺寸以上时，提供-0.4V的控制电压Vctrl即可使节点a的电压Va到达0.55V，并控制MRAM存储单元410成为第一储存状态。
由以上的说明可知，利用较小尺寸的PMOS晶体管作为开关晶体管Ms，并搭配负值的控制电压Vctrl，可以有效地降低开关晶体管的电阻，并成功地控制MRAM存储单元410成为第一储存状态。
请参照图6，其所示出为本发明MRAM存储单元阵列实际运作的偏压示意图。MRAM存储单元阵列包括一列多个MRAM存储单元510、610连接至字线WL。其中，MRAM存储单元510包括开关晶体管Ms1与储存元件520。MRAM存储单元610包括开关晶体管Ms2与储存元件620。MRAM存储单元510、610的构造相同于图4，此处不再赘述。
如图6所示，MRAM存储单元510的端点S1与MRAM存储单元610的端点S2连接至字线WL，且字线WL连接至负向电荷泵(negative chargepump)630，用以提供负电压值的控制电压Vctrl。举例来说，负向电荷泵630可将第二电压VSS(0V)降低至控制电压Vctrl(-0.4V)。
以下的说明在写入动作(write operation)时，控制MRAM存储单元510为第一储存状态且控制MRAM存储单元610为第二储存状态。再者，相同列上的其他存储单元也可以利用相同的方式来控制其状态，此处不再赘述。
如图6所示，MRAM存储单元510的端点A1接收第一电压VDD，端点B1接收第二电压VSS。并且，MRAM存储单元610的端点A2接收第二电压VSS，端点B2接收第一电压VDD。
当字线WL接收负电压值的控制电压Vctrl而开启开关晶体管Ms1、Ms2时，MRAM存储单元510内部产生电流I1由端点A1经过节点a1流至端点B1，使得MRAM存储单元510成为第一储存状态。再者，MRAM存储单元610内部产生电流I2由端点B2经过节点a2流至端点A2，使得MRAM存储单元610成为第二储存状态。
再者，在上述的偏压中，开关晶体管Ms的基体(body)连接至第一电压VDD。然而，本发明并不限定于此。在实际的运用上，可以在适当的时机将开关晶体管的基体(body)连接至其他电压(例如第四电压，且该第四电压相同于节点a的电压Va)。或者，在其他的实施例中，如果需要让开关晶体管Ms1符合安全工作区的规范(简称SOA规范)时，MRAM存储单元610端点A1所接收的电压可以稍微低于第一电压VDD。
由以上的说明可知，本发明提出一种利用负电压来操作的MRAM。MRAM中包括MRAM存储单元阵列，连接至字线WL。再者，MRAM存储单元410中包括开关晶体管Ms与储存元件420，且开关晶体管Ms为PMOS晶体管。
在写入动作时，提供负值的控制电压Vctrl至字线，并且选择性地将第一电压VDD与第二电压VSS提供至MRAM存储单元410的两端点A、B，即可控制MRAM存储单元410成为第一储存状态或者第二储存状态。其中，第一电压VDD大于第二电压VSS，且第二电压VSS大于控制电压Vctrl。
由于开关晶体管的尺寸降低，因此将可有效地提升MRAM的储存密度并降低MRAM的制造成本。
综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。
【符号说明】
110,210,310,410,510,610:MRAM存储单元
120,220,320,420,520,620:储存元件
122,422:固定层
124,424:阻绝层
126,426:自由层
330:电荷泵
630:负向电荷泵

Claims (11)

1.一种磁阻式随机存取存储器的存储单元，该存储单元包括：
PMOS晶体管，其中该PMOS晶体管的第一端连接至该存储单元的第一端点，该PMOS晶体管的控制端连接至该存储单元的第二端点，该PMOS晶体管的第二端连接至第一节点；以及
储存元件，其中该储存元件的第一端连接至该第一节点，该储存元件的第二端连接至该存储单元的第三端点；
其中，在进行写入动作时，该存储单元的该第一端点接收第一电压，该存储单元的该第三端点接收第二电压，该存储单元的该第二端点接收控制电压，该PMOS晶体管的基体接收节点电压，使得该存储单元成为第一储存状态；
其中，该节点电压相同于该第一节点的电压，该第一电压大于该第二电压，该第二电压大于该控制电压，该第一电压大于该节点电压。
2.如权利要求1所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元，其中在进行该写入动作时，该存储单元的该第一端点接收该第二电压，该存储单元的该第三端点接收该第一电压，该存储单元的该第二端点接收该控制电压，使得该存储单元成为第二储存状态。
3.如权利要求2所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元，其中该第一电压为正值电压，该第二电压为接地电压，该控制电压为负值电压。
4.如权利要求1所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元，其中该储存元件包括堆叠的固定层、阻绝层与自由层，且该固定层连接至该PMOS晶体管的该第二端，该自由层连接至该存储单元的该第三端点。
5.如权利要求1所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元，其中该储存元件包括堆叠的固定层、阻绝层与自由层，且该自由层连接至该PMOS晶体管的该第二端，该固定层连接至该存储单元的该第三端点。
6.如权利要求1所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元，其中利用负向电荷泵，将该第二电压降低至该控制电压。
7.一种磁阻式随机存取存储器的存储单元阵列，该存储单元阵列包括：
第一存储单元，包括第一PMOS晶体管与第一储存元件；以及
第二存储单元，包括第二PMOS晶体管与第二储存元件；
其中，该第一PMOS晶体管的第一端连接至该第一存储单元的第一端点，该第一PMOS晶体管的控制端连接至字线，该第一PMOS晶体管的第二端连接至第一节点，该第一储存元件的第一端连接至该第一节点，该第一储存元件的第二端连接至该第一存储单元的第二端点；
其中，该第二PMOS晶体管的第一端连接至该第二存储单元的第一端点，该第二PMOS晶体管的控制端连接至该字线，该第二PMOS晶体管的第二端连接至第二节点，该第二储存元件的第一端连接至该第二节点，该第二储存元件的第二端连接至该第二存储单元的第二端点；
其中，在进行写入动作时，该第一PMOS晶体管的基体接收节点电压，该节点电压相同于该第一节点的电压，该字线接收控制电压，该第一储存元件的两端接收第一电压差，该第二储存元件的两端接收第二电压差，使得该第一存储单元成为第一储存状态，且该第二存储单元成为第二储存状态；
其中，该第一存储单元的该第一端点接收第一电压，该第一存储单元的该第二端点接收第二电压，该第二存储单元的该第一端点接收该第二电压，该第二存储单元的该第二端点接收该第一电压，该第一电压大于该第二电压，且该第二电压大于该控制电压，该第一电压大于该节点电压。
8.如权利要求7所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元阵列，其中该第一电压为正值电压，该第二电压为接地电压，该控制电压为负值电压。
9.如权利要求7所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元阵列，其中该第一储存元件包括堆叠的固定层、阻绝层与自由层，且该固定层连接至该第一PMOS晶体管的该第二端，该自由层连接至该第一存储单元的该第二端点。
10.如权利要求7所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元阵列，其中该第一储存元件包括堆叠的固定层、阻绝层与自由层，且该自由层连接至该第一PMOS晶体管的该第二端，该固定层连接至该第一存储单元的该第二端点。
11.如权利要求7所述的磁阻式随机存取存储器的存储单元阵列，其中利用负向电荷泵，将该第二电压降低至该控制电压。
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