一种自参考存储结构和存算一体电路制造技术

本发明专利技术涉及存储器技术领域，尤其涉及一种自参考存储结构及存算一体电路，该自参考存储结构，包括：三个晶体管，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管；两个磁隧道结，包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结；所述第一磁隧道结串联于所述第一晶体管与所述第二晶体管之间；所述第二磁隧道结串联于所述第二晶体管与所述第三晶体管之间；在开启第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管时，实现一位二进制信息的写入；在实现数据存储时，只需要施加单向电流即可实现一位二进制的写入，且器件在写入过程中延时低、功耗小，数据读取裕度高。数据读取裕度高。数据读取裕度高。

【技术实现步骤摘要】
一种自参考存储结构和存算一体电路


[0001]本专利技术涉及存储器
，尤其涉及一种自参考存储结构和存算一体电路。

技术介绍

[0002]磁性随机存储器(MRAM)的核心存储单元为磁隧道结，对该磁隧道结的磁化翻转需要添加外加磁场，且磁隧道结隧穿磁电阻比较低，因此，现有的存储器不仅不利于电路集成，而且，写入过程造成器件功耗较大，读取裕度低。
[0003]因此，如何获得低功耗低时延以及高读取裕度的存储器是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，提出了本专利技术以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的自参考存储结构和存算一体电路。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种自参考存储结构，包括：
[0006]三个晶体管，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管；
[0007]两个磁隧道结，包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结；
[0008]所述第一磁隧道结串联于所述第一晶体管与所述第二晶体管之间；
[0009]所述第二磁隧道结串联于所述第二晶体管与所述第三晶体管之间；
[0010]在所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管导通时，实现一位二进制信息的写入。
[0011]进一步地，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均包括：
[0012]由下至上的自旋轨道耦合层、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、顶电极；
[0013]其中，所述铁磁自由层与所述铁磁参考层均为如下任意一种垂直各项异性的磁性材料：
>[0014]CoFeB、Co2FeAl、C
O
、CoFe、Fe3GeTe2和Ni3GeTe2。
[0015]进一步地，还包括：
[0016]字线、第一位线、第二位线、读写控制线、源极线；
[0017]所述第一晶体管的第一栅极和第三晶体管的第三栅极均连接所述字线，所述第二晶体管的第二栅极与所述读写控制线连接；
[0018]所述第一磁隧道结的第一顶电极与所述第二磁隧道结的第二顶电极均与所述源极线连接；
[0019]所述第一晶体管的第一漏极连接所述第一位线，所述第三晶体管的第三漏极连接所述第二位线。
[0020]进一步地，在通过所述字线对所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的所述自旋轨道耦合层注入电流时，以控制所述铁磁自由层的类场力矩和类阻尼力矩之比满足第一预设条件，实现无外加辅助磁场作用下的确定性磁化翻转，以使所述第一磁隧道结和所述第
二磁隧道结阻态发生确定性切换。
[0021]进一步地，在通过对所述自旋轨道耦合层与所述铁磁自由层之间的反对称交换作用系数进行调整，以使得所述反对称交换作用系数满足0.2～0.3mJ/m2；且
[0022]通过所述字线对所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的所述自旋轨道耦合层注入电流时，以控制所述铁磁自由层的类场力矩和类阻尼力矩之比满足第二预设条件时，实现无外加辅助磁场作用下的确定性磁化翻转，以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态发生确定性切换。
[0023]进一步地，在执行写操作之前，进行初始化，包括：
[0024]开启所述第一晶体管和所述第三晶体管，关闭所述第二晶体管以及所述源极线，通过对所述字线施加栅压，注入初始化电流，使得所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均产生自旋转移矩效应，以使第一磁隧道结形成第一阻态，第二磁隧道结形成第二阻态，且所述第一阻态与所述第二阻态为相反阻态。
[0025]进一步地，在执行写操作时，包括：
[0026]开启所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管，控制所述读写控制线处于高电平，使得所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均产生自旋轨道力矩的作用，使得所述第一磁隧道结形成第二阻态，所述第二磁隧道结形成第一阻态；
[0027]在所述字线上施加高电平，注入写电流脉冲，使得所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结实现快速翻转，即数据的写入。
[0028]另一方面，本专利技术还提供了一种存算一体电路，包括：
[0029]存储单元、非对称灵敏放大器以及电压产生电路；
[0030]所述存储单元包括多个并联的自参考存储结构，所述存储单元在电流的作用下，产生感应电压和参考电压的电压差；
[0031]所述非对称灵敏放大器包括两个尺寸不同的晶体管；
[0032]所述电压产生电路连接于所述存储单元与所述非对称灵敏放大器之间，用于将所述感应电压与所述参考电压的电压差输入所述非对称灵敏放大器中，以实现高读取裕度的数据读取以及逻辑运算功能。
[0033]进一步地
[0034]在执行数据读操作时，包括：
[0035]所述电源产生电路施加电源电压，使得所述存储单元输出所述电压差，所述电压差输入所述非对称灵敏放大器，基于所述非对称灵敏放大器中的所述两个尺寸不同的晶体管的放电速率的差异，使得所述非对称灵敏放大器的两个反向输出端产生互补输出的结果，实现读数据。
[0036]进一步地，
[0037]在执行逻辑运算时，包括：
[0038]通过导通所述存储单元中的任意两个自参考存储结构，基于所述任意两个自参考存储结构的存储状态，以及所述非对称灵敏放大器中的两个尺寸不同的晶体管，使得所述非对称灵敏放大器输出逻辑运算结果。
[0039]本专利技术实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0040]本专利技术提供的一种自参考存储结构，包括：三个晶体管，包括：第一晶体管、第二晶
体管、第三晶体管；两个磁隧道结，包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结；所述第一磁隧道结串联于所述第一晶体管与所述第二晶体管之间；所述第二磁隧道结串联于所述第二晶体管与所述第三晶体管之间；在开启第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管时，实现一位二进制信息的写入，在实现数据存储时，只需要施加单向电流即可实现一位二进制的写入，器件在数据写入过程中延时低、功耗小，且读取裕度高，从而实现高精度可靠读取。
[0041]本专利技术提供的存算一体电路，包括：存储单元、非对称灵敏放大器以及电压产生电路，该存储单元包括多个并联的自参考存储结构，所述存储单元在电压产生电路的作用下，产生感应电压与参考电压的电压差，该非对称灵敏放大器包括两个尺寸不同的晶体管。该电压产生电路的两个支路分别产生电流，通过两个磁隧道结，以实现高读取裕度的电压差，读数据产生的电压差输入非对称灵敏放大器中，实现逻辑运算功能。该架构采用自参考存储结构，将该存储单元输出的电压差拉大，实现了高读取裕度，增加了读取可靠性以及运算性能。
附图说明
[0042]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
[0043]图1示出了本专利技术实施例中的自参考存储结构的示意图；
[0044]图2示出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自参考存储结构，其特征在于，包括：三个晶体管，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管；两个磁隧道结，包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结；所述第一磁隧道结串联于所述第一晶体管与所述第二晶体管之间；所述第二磁隧道结串联于所述第二晶体管与所述第三晶体管之间；在控制所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管导通时，实现一位二进制信息的写入。2.如权利要求1所述的自参考存储结构，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均包括：由下至上的自旋轨道耦合层、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、顶电极；其中，所述铁磁自由层与所述铁磁参考层均为如下任意一种垂直各项异性的磁性材料：CoFeB、Co2FeAl、C
O
、CoFe、Fe3GeTe2和Ni3GeTe2。3.如权利要求2所述的自参考存储结构，其特征在于，还包括：字线、第一位线、第二位线、读写控制线、源极线；所述第一晶体管的第一栅极和第三晶体管的第三栅极均连接所述字线，所述第二晶体管的第二栅极与所述读写控制线连接；所述第一磁隧道结的第一顶电极与所述第二磁隧道结的第二顶电极均与所述源极线连接；所述第一晶体管的第一漏极连接所述第一位线，所述第三晶体管的第三漏极连接所述第二位线。4.如权利要求3所述的自参考存储结构，其特征在于，在通过所述字线对所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的所述自旋轨道耦合层注入电流时，以控制所述铁磁自由层的类场力矩和类阻尼力矩之比，满足第一预设条件，实现无外辅助加磁场作用下的确定性磁化翻转，使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态发生确定性切换。5.如权利要求3所述的自参考存储结构，其特征在于，在通过对所述自旋轨道耦合层与所述铁磁自由层之间的反对称交换作用系数进行调整，以使得反对称交换作用系数满足0.2～0.3mJ/m2；且通过所述字线对所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的所述自旋轨道耦合层注入电流时，以控制所述铁磁自由层的类场力矩和类阻尼力矩之比满足第二预设条件时，实现无外加辅助磁场作用下的确定性磁化翻转，使所述第一磁隧道结和所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢国忠，林淮，刘宇，张凯平，张康玮，吕杭炳，谢常青，刘琦，李泠，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：