[发明专利]一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元

摘要

一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元，该存储单元由复数个MTJ串联堆积形成一个MTJ簇之后再与一个NMOS晶体管串联组成，称为l竹MTJ上T结构；其中MTJ簇用于存储数据信息，而NMOS晶体管用于对存储单元进行访问控制；MTJ簇的顶端连接位线即BL，底端连接NMOS晶体管的漏极，NMOS晶体管的栅极连接字线即WL，源极连接源极线即SL。本发明提供两种不同的工作模式，即高可靠性模式HR-Mode与多比特存储模式MLC-Mode，为新型存储系统提供了一种相对灵活的设计方案，使其可以根据实际应用的不同性能需求，合理配置存储单元的工作模式，以满足用户的不同需求。

主权项

一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元，其特征在于：该存储单元由复数个MTJ串联堆积形成一个MTJ簇之后再与一个NMOS晶体管串联组成，称为mMTJ1T结构；其中MTJ簇用于存储数据信息，而NMOS晶体管用于对存储单元进行访问控制；MTJ簇的顶端连接位线即BL，底端连接NMOS晶体管的漏极，NMOS晶体管的栅极连接字线即WL，源极连接源极线即SL；该存储单元中的MTJ从上到下由顶端电极，铁磁层一，氧化物隔离层，铁磁层二，以及底端电极共五层构成；该存储单元中的MTJ的顶端电极和底端电极是指钽Ta、铝Al、金Au、铬Cr或铜Cu金属材料中的一种；该存储单元中的MTJ的铁磁层一与铁磁层二，是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种；其中一个铁磁层的磁场极化方向为固定的，称为固定层，而另一个铁磁层的磁场极化方向为自由的，称为自由层；该存储单元中的MTJ的铁磁层一与铁磁层二为磁各向异性易轴垂直膜面材料，称为垂直磁场各向异性PMA磁性隧道结，简称PMA‑MTJ，该存储单元中的MTJ的氧化物隔离层是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al₂O₃中的一种，用于产生隧穿效应；该存储单元中的NMOS晶体管的栅极接字线WL,漏极经由MTJ簇后接位线BL，源极接源极线SL，源极线接地；通过控制字线和位线的电平即控制NMOS晶体管的开闭，从而控制STT‑MRAM存储单元的选择与否；更具体地，当字线或位线为低电平时，NMOS晶体管处于非导通状态，存储单元不可访问；当字线和位线同时为高电平时，NMOS晶体管处于导通状态，存储单元可访问，对其进行读写操作；该存储单元的能在两种工作模式之间进行切换，即高可靠性模式与多比特存储模式；存储单元处于高可靠性HR‑Mode模式时，MTJ簇中的所有MTJ处于相同的相对磁场极化状态，此时该存储单元整体只能表现出两个电阻状态，即（R_p，1+R_p，2+…+R_p，m）或者(R_AP，1+R_AP，2+…+R_AP，m)，因此只能存储单比特信息；存储单元处于多比特存储模式MLC‑Mode时，MTJ簇中的所有MTJ处于自由可编程状态，即每个MTJ的相对磁场状态均可以配置成平行低电阻或者反平行高电阻状态，由于R_p，l≠R_p，2≠…≠R_p，m≠R_AP，1≠R_AP，2≠…≠R_AP，m，此时存储单元共有2^m个电阻状态，因此存储m比特数据信息。