[发明专利]一种使用杂交MOS管的MRAM芯片

说明书

本发明提供了一种使用杂交MOS管的MRAM芯片，包括外部电路和由若干个存储单元组成的存储单元阵列，存储单元阵列通过字线和位线与外部电路连接，每个存储单元由磁性隧道结和杂交NMOS管组成，杂交NMOS管的栅极宽度和/或氧化层厚度与标准NMOS管不同。本发明的有益效果：(1)杂交NMOS管的电流，特别是不利方向上的电流大幅度提高，可以不用超压或者很小的超压就能完成写操作，这样延长了NMOS管也就是MRAM芯片的使用寿命。(2)电流能力的提高同时对应于MOS管等效电阻的降低，帮助降低写功耗。(3)制成杂交管不需要修改晶圆厂的现有工艺。

技术领域

本发明涉及一种磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)芯片，具体涉及一种使用杂交MOS管的MRAM芯片，属于半导体芯片技术领域，其最重要的应用在于对内容寻址有需求的大数据处理、固态硬盘等场合。

背景技术

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层反平行的方向。自上而下的电流把它置成平行的方向。

不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。每个MRAM的存储单元由一个MTJ和一个NMOS选择管组成。每个存储单元需要连接三根线：NMOS管的栅极连接到芯片的字线(Word Line)32，负责接通或切断这个单元；NMOS管的一极连在源极线(Source Line)33上，NMOS管的另一极和MTJ 34的一极相连，MTJ 34的另一极连在位线(Bit Line)31上，如图3所示。

MRAM的写电路设计，由于需要在两个不同的方向通电，有一个很大的困难：当位线31电位高时，NMOS选择管连接源极线33的一端是源极，此时NMOS管处于正常的工作模式下，这是有利方向。当源极线33电位高时，NMOS选择管连接源极线33的一端实际上不是源极，连接位线31的一端才是源极。MOS管的饱和电流对V_gs十分敏感。此时因为MTJ 34上有压降，V_gs大幅度减小，MOS管往往不能够提供足够大的电流完成写操作，这是不利方向。

为了克服上述困难，厂家通常采用的方法是提高栅极电压，以抵消在不利方向上V_gs的损失。带来的问题有两个：

(1)每一个工艺节点，对于NMOS管上栅极电压V_g都有最高限制，这个限制就是V_DD。对于现代纳米级的工艺，V_DD在1.2～1.0V左右。NMOS管通常就在V_DD下工作。提高V_g超越V_DD，虽然不会很快造成损坏，但会影响它的寿命。

(2)即使提高了V_g，电流仍然会有所损失。这是所谓的体效应(body effect)，当V_sb提高，NMOS管的饱和电流会有所损失。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：