[发明专利]用于可编程器件阵列的基于自旋转移矩的存储器元件

说明书

技术领域

本公开内容通常涉及在高容积计算构架和可重构系统(包括片上系统(SoC))中所使用的集成电路的领域，尤其涉及使用自旋转移矩(STT)效应的非易失性存储器器件以及系统。

背景技术

可编程器件阵列是用于在计算机系统中使用的可配置逻辑电路的基本构建块。可编程器件阵列的示例包括现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑阵列(CPLA)等。

当前的FPGA使用静态随机存取存储器(SRAM)单元或反熔丝来对逻辑单元和交叉开关矩阵(即，连接多个输入到多个输出的矩阵开关)进行编程。基于反熔丝的FPGA只能一次性可编程，因此它们具有有限的使用性。基于SRAM的FPGA也有一些公知的问题。例如，逻辑单元通常具有高泄漏功率。此外，尽管SRAM使用双稳态锁存电路来存储每个位，但是如果存储器件不是外部供电的，那么就数据最终丢失的情况而言，它仍然是一种易失性类型的存储器。因此，无论FPGA什么时候供电，整个SRAM都需要重新载入配置数据。这需要外部的非易失性存储(如，闪存)、以及用于配置的专用的输入/输出(I/O)，且导致启动上相对较长的编程时间。额外的缺点是，会有与在管芯外存储阵列中存储配置数据相关联的安全性问题，需要额外的复杂的加密方案。

非易失性类型的RAM具有良好地嵌入在高速高密度逻辑电路中的特点。自旋转移矩随机存取存储器(STTRAM)是一种非易失性RAM，其通常用于更传统的存储器电路中，例如，缓存、二级存储等。现有的高速高密度逻辑电路(例如FPGA/CPLA等)通常不采用STTRAM或其他基于STT的元件。一些研究者提议混合传统的基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的FPGA设计以及STTRAM来实现CMOS-STTRAM非易失性FPGA配置。例如参见论文标题为“Hybrid CMOS-STTRAM Non-Volatile FPGA:Design Challenges and Optimization Approaches”，作者Paul等，第589-592页，2008IEEE/ACM计算机辅助设计国际会议。然而，在被用在高容积计算机构架和接口中的可重构逻辑中，仍有空间使得STTRAM更接近逻辑级和嵌入式非易失性存储器位。本公开内容通过提出使用基于STT的元件的器件及其相关的制造过程来克服当前可用的解决方案的缺点。

附图说明

本公开内容的实施例以例示而非限定的方式来例示，在附图中，相似的附图标记指代相似的元件。

图1A描述了依据本发明的实施例的高等级框图，其说明了系统的可选择的方面。

图1B描述了依据本公开内容的实施例的CPLA或FPGA的基本构架，包括逻辑单元和互连部。

图2A-2B描述了典型的一个晶体管一个电阻(1T1R)器件的示意图，示出了位线(BL)、字线(WL)以及电源线(SL)。

图3描述了依据本公开内容的多个方面的模拟结果，示出了基于STTRAM的器件的性能提高。

图4A-4B描述了依据本公开内容的方面的基于STTRAM的逻辑电路的两个不同的实施例。

图5描述了依据本公开内容的多个方面的FPGA的采用了查找表(LUT)的版本。

图6描述了依据本公开内容的方面的开关盒技术，其示出了交叉开关矩阵配置中的STTRAM元件。

图7描述了依据本公开内容的方面的额外的模拟结果，示出了带有施加电压的STTRAM器件的电阻的变化。

具体实施方式

在下文的说明中，相似的组件给予相似的附图标记，无论它们是否是在不同的实施例中示出。为了以清楚且简练的方式来说明本公开内容的实施例，附图可以不必按比例尺绘制，且某些特征可以以某种示意图的形式示出。对于一个实施例所描述的和/或说明的特征可以以相同或相似的方式在一或多个其他实施例中使用，和/或组合或替代其他实施例中的特征。

依据本公开内容的多个实施例，提出的是半导体器件阵列，例如，FPGA和CPLA，其使用基于高密度自旋转移矩(STT)的存储器元件。

STT是一种效应，其中，磁隧道结(MTJ)器件中的磁性层的取向可以使用自旋极化电流来修改。在基于STT的MTJ中，器件电阻可以较低或较高，取决于隧道结两侧的磁性极化的方向之间相对角度差。