[发明专利]一种采用全耗尽绝缘硅FD-SOI场效应管的MRAM存储芯片

说明书

本发明公开了一种采用全耗尽绝缘硅FD‑SOI场效应管的MRAM存储芯片及调节栅极电位的设计方法，所述MRAM存储阵芯片的每个MRAM存储单元的场效应管采用全耗尽绝缘硅FD‑SOI场效应管，包括一个体电位控制单元。工作状态下FD‑SOI场效应管的背栅极电位V_body的值V_b可灵活配置为适当范围内的任意值。所述设计方法写0方向时：源线电位V_SL设为V₀+V_b，位线电位V_BL设为0，栅极(字线)电位V_G设为V_dd+V_b。写1方向时：源线电位V_SL设为V_b，位线电位V_BL设为V₁+V_b，栅极(字线)电位V_G设为V_dd+V_b。本发明能够消除体硅场效应管存在的闩锁效应，可以调节背栅极电位，解决写电路提供的驱动电流不足的问题。

技术领域

本发明属于半导体芯片存储技术领域，尤其涉及一种采用全耗尽绝缘硅 FD-SOI场效应管的MRAM存储芯片。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)是一种新兴的非挥发性存储技术。它拥有高速的读写速度和高集成度，且可以被无限次的重复写入。MRAM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具有很好的经济性和性能，它的单位容量占用的硅片面积比SRAM 有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式 NOR Flash的优势更大。MRAM读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好；而且MRAM与标准CMOS半导体工艺兼容，DRAM以及Flash与标准CMOS半导体工艺不兼容；MRAM还可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM基于MTJ(磁性隧道结)结构。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所示：下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。前一种情况电阻低，后一种情况电阻高。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。写MRAM使用比较新的STT-MRAM技术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平行的方向，自上而下的电路把它置成反平行的方向。

如图2所示，每个MRAM的存储单元由一个MTJ和一个场效应管组成。每一个存储单元需要连接三根线：

●场效应管的栅极gate连接到芯片的Word Line(字线)负责接通或切断这个单元；

●场效应管的源极极连在Source Line(源极线)上；

●场效应管的漏极和MTJ的一端相连，MTJ的另一端连在Bit Line(位线)上；

●场效应管的背栅极体电位body连接到地。

一种典型的MRAM存储阵列排布如图3所示(仅代表性的显示了2×2的矩阵)。字线word line和源线source line、位线bit line相垂直，源线和位线相互平行。通过源线和位线之间的电压差产生写驱动电流和读电流，通过字线来实现读写开关控制。其中和MTJ相连接的晶体管可以采用CMOS场效应管也可以采用全耗尽绝缘硅SOI场效应管。