本發(fā)明涉及一種基于自旋霍爾效應磁隧道結的非易失性鎖存單元，用于減小鎖存單元的靜態(tài)功耗，同時提高數(shù)據(jù)可靠性，屬于非易失性存儲器技術領域。

背景技術：

基于半導體晶體管的傳統(tǒng)存儲器，如靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)，屬于易失性存儲器。其基本單元結構如圖1所示，通過六個晶體管形成鎖存結構，從而能夠存儲一比特數(shù)據(jù)信息。這種鎖存單元的基本原理是通過調(diào)控電子的數(shù)量來存儲數(shù)據(jù)信息，但是當電路掉電時，電子會流失，因此存儲的數(shù)據(jù)信息會丟失。這類鎖存單元的缺點主要有兩個，首先，當電路意外掉電時，存儲的數(shù)據(jù)信息會丟失，因此影響數(shù)據(jù)的可靠性；然后，為了保持數(shù)據(jù)信息不丟失，即使當電路處于空閑狀態(tài)時，也必須對電路一直供電，因此帶來巨大的靜態(tài)功耗。此外，隨著工藝節(jié)點的微縮，單位面積上集成的晶體管數(shù)目越來越多，由于量子隧穿效應導致的漏電流不斷增大。一方面，靜態(tài)功耗越來越大；另一方面，散熱問題會進一步影響電路的可靠性。因此基于半導體晶體管的傳統(tǒng)鎖存單元面臨功耗與可靠性的雙重挑戰(zhàn)，難以滿足現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的需求。

近年來，一些新型非易失性電子器件不斷涌現(xiàn)。其中，自旋霍爾效應(Spin Hall Effect,SHE)磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)，簡稱為SHE-MTJ，被認為是最有潛力的非易失性電子器件之一。一個SHE-MTJ器件主要由四層組成：即固定層、隧穿層、自由層與重金屬層，如圖2(a)與圖3(b)所示。根據(jù)SHE-MTJ磁各向異性與膜面相對方向的不同，SHE-MTJ可分為兩種：面內(nèi)(In-plane)磁各向異性SHE-MTJ(簡稱I-SHE-MTJ)與垂直(Out-of-plane)磁各向異性SHE-MTJ(簡稱O-SHE-MTJ)，分別如圖2(a)與圖3(b)所示。SHE-MTJ的自由層磁場極化方向是可變的，而固定層磁場極化方向是不可變的。通過調(diào)控SHE-MTJ自由層與固定層的相對磁場極化方向，每個SHE-MTJ可具有兩種不同的電阻狀態(tài)，因此可以存儲一比特數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)晶體管不同的是，SHE-MTJ通過調(diào)控電子的自旋屬性來存儲數(shù)據(jù)信息，因此具有非易失性。除了非易失性特點，SHE-MTJ還具有高密度、低功耗、高速度、抗輻射 以及耐擦寫等優(yōu)點。利用SHE-MTJ來設計新型非易失性電子電路，目前受到學術界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。

技術實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的：

針對上述背景中提到的傳統(tǒng)鎖存單元面臨的功耗與可靠性挑戰(zhàn)，本發(fā)明提供一種基于自旋霍爾效應磁隧道結的非易失性鎖存單元，它克服了現(xiàn)有技術的不足，能夠解決傳統(tǒng)易失性鎖存單元掉電數(shù)據(jù)丟失的問題，從而減小鎖存單元的靜態(tài)功耗，同時提高數(shù)據(jù)可靠性。

(二)技術方案：

本發(fā)明的技術方案是：一種基于自旋霍爾效應磁隧道結的非易失性鎖存單元，其特征是在傳統(tǒng)鎖存單元的基礎上，集成非易失性自旋霍爾效應磁隧道結(SHE-MTJ)器件，從而使鎖存單元具有非易失性。根據(jù)SHE-MTJ器件的種類不同，本發(fā)明提出兩種實施方案。

方案一：基于I-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元；如圖4所示。整個非易失性鎖存單元由2個PMOS晶體管8個NMOS晶體管以及2個面內(nèi)磁各向異性自旋霍爾效應磁隧道結(I-SHE-MTJ)組成。

方案二：基于O-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元；如圖5所示。整個非易失性鎖存單元由2個PMOS晶體管，9個NMOS晶體管以及2個垂直磁各向異性自旋霍爾效應磁隧道結組成。

(三)優(yōu)點及功效:

本發(fā)明提供一種基于自旋霍爾效應磁隧道結的非易失性鎖存單元，解決傳統(tǒng)易失性鎖存單元掉電數(shù)據(jù)丟失的問題，從而減小鎖存單元的靜態(tài)功耗，同時提高數(shù)據(jù)可靠性。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)易失性鎖存單元示意圖。

圖2(a)為I-SHE-MTJ器件的結構示意圖。

圖2(b)為I-SHE-MTJ電路符號圖。

圖3(a)為O-SHE-MTJ器件的結構示意圖。

圖3(b)為O-SHE-MTJ電路符號圖。

圖4為本發(fā)明提出的基于I-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元示意圖。

圖5為本發(fā)明提出的基于O-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元示意圖。

其中，圖1到圖5以及全文中的符號和參數(shù)定義為：

BL：表示位線，為Bit-Line的簡稱；

BLB：表示BL的互補位線；

WL：表示字線，為Word-Line的簡稱；

Gnd：表示地電位；

Q：表示節(jié)點Q；

QB：表示節(jié)點QB；

NMOS：表示N型金屬氧化物半導體，為N-Mental-Oxide-Semiconductor的簡稱；

PMOS：表示P型金屬氧化物半導體，為P-Mental-Oxide-Semiconductor的簡稱；

P1-P2：表示第1號到第2號PMOS晶體管；

N1-N9：表示第1號到第9號NMOS晶體管；

T1-T3：表示I-SHE-MTJ與O-SHE-MTJ的端口；

I1-I2：表示第1號到第2號I-SHE-MTJ器件；

O1-O2：表示第1號到第2號O-SHE-MTJ器件；

Ctrl：訪問控制信號；

W_EN：寫入控制信號；

R_EN：讀取控制信號；

SRAM：靜態(tài)隨機存儲器，為Static Random Access Memory的簡稱；

SHE：自旋霍爾效應，為Spin Hall Effect的簡稱；

MTJ：磁隧道結，為Magnetic Tunnel Junction的簡稱；

STT：自旋轉移矩，為Spin Transfer Torque的簡稱。

具體實施方式

參照附圖，進一步說明本發(fā)明的實質性特點。在此公開了詳細的示例性實施例，其特定的結構細節(jié)和功能細節(jié)僅是表示描述示例實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發(fā)明，且本發(fā)明不應該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價物和可替換物。另外，將不會詳細描述或將省略本發(fā)明的眾所周知的元件，器件與子電路，以免混淆本發(fā)明的實施例的相關細節(jié)。

圖1為傳統(tǒng)易失性鎖存單元示意圖；其由2個PMOS晶體管(P1-P2)，4個NMOS晶體管(N1-N4)組成。它們之間的連接關系是：P1-P2的源極連接供電電壓Vdd，漏極分別連接N3-N4的漏極，柵極分別連接N3-N4的柵極；N3-N4的源極連接地電壓Gnd；N1-N2的柵極同時連接字線WL，源極分別連接位線BL與互補位線BLB；N1的漏極，P1的漏極，N3的漏極，P2的柵極，以及N4的柵極同時連接在一起，稱為節(jié)點Q；N2的漏極，P2的漏極，N4的漏極，P1的柵極，以及N3的柵極同時連接在一起，稱為節(jié)點QB。當處于數(shù)據(jù)保持模式時，WL為低電平，N1與N2斷開，由于P1，P2，N3與N4形成一個交叉耦合的鎖存結構，因此節(jié)點Q與QB始終處于互補狀態(tài)。執(zhí)行寫入操作時，WL信號為高電平，此時N1與N2導通；BL與BLB提供的數(shù)據(jù)分別寫入到節(jié)點Q與QB中。執(zhí)行讀取操作時，首先對BL與BLB同時充電到高電平，然后WL信號變?yōu)楦唠娖剑藭rN1與N2導通；如果Q為高電平，即數(shù)據(jù)1，QB為低電平，即數(shù)據(jù)0，則N4與P1導通，N3與P2斷開，這樣BLB通過N4進行放電，變?yōu)榈碗娖?，而BL維持高電平，從而能夠讀取存儲在鎖存單元中的數(shù)據(jù)；反之，如果Q為低電平，即數(shù)據(jù)0，QB為高電平，即數(shù)據(jù)1，則N4與P1斷開，N3與P2導通，這樣BL通過N3進行放電，變?yōu)榈碗娖?，而BL維持高電平，從而能夠讀取存儲在鎖存單元中的數(shù)據(jù)。

圖2(a)和圖2(b)為I-SHE-MTJ器件的結構示意圖與電路符號圖；如圖2(a)所示，I-SHE-MTJ器件從上到下由鐵磁層一，氧化物層，鐵磁層二以及重金屬層，共四層構成。鐵磁層一與鐵磁層二，是指混合金屬材料鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)或鎳鐵(NiFe)或其他等價鐵磁材料中的一種。其中鐵磁層一的磁場極化方向為固定的，稱為固定層；而鐵磁層二的磁場極化方向為自由的，稱為自由層。鐵磁層一與鐵磁層二為磁各向異性易軸平行膜面材料，稱為面內(nèi)磁場各向異性。氧化物層，又稱隧穿層，是指氧化鎂(MgO)，氧化鋁AlO或其他等價氧化物中的一種。重金屬層是指鉭(Tantalum)、鎢(Tungsten)、鉿(Hafnium)或鉑(Pt)或其他重金屬中的一種。根據(jù)I-SHE-MTJ自由層與固定層的相對磁場極化方向，每個I-SHE-MTJ可具有兩種不同的電阻狀態(tài)，因此可以存儲一比特數(shù)據(jù)信息。更具體地，當自由層與固定層磁場極化方向相同時，I-SHE-MTJ表現(xiàn)為低電阻態(tài)；反之，當自由層與固定層磁場極化方向相反時，I-SHE-MTJ表現(xiàn)為高電阻態(tài)。通過設置重金屬層中的寫入電流方向，可以改變I-SHE-MTJ自由層的磁場極化方向，進而改變I-SHE-MTJ的電阻狀態(tài)。更具體地，如果SHE電流從T2端流向T3端，則自由層與固定層磁場極化方向相同；反之，如果SHE電流從T3端流向T2端，則自由層與固定層磁場極化方向相反。存儲在I-SHE-MTJ中的數(shù)據(jù)可以通過從T1端到T3端(或T2端)施加一個小電流，然后檢測其相應的電壓大小進行讀??；或在T1端與T3端(或T2端)施加一個小電壓差，然后檢測其相應的電流大小進行讀取。圖2(b)為I-SHE-MTJ的電路符號圖。

圖3(a)和圖3(b)為O-SHE-MTJ器件的結構示意圖與電路符號圖；如圖3(a)所示，O-SHE-MTJ器件從上到下由鐵磁層一，氧化物層，鐵磁層二以及重金屬層，共四層構成。鐵磁層一與鐵磁層二，是指混合金屬材料鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)或鎳鐵(NiFe)或其他等價鐵磁材料中的一種。其中鐵磁層一的磁場極化方向為固定的，稱為固定層；而鐵磁層二的磁場極化方向為自由的，稱為自由層。鐵磁層一與鐵磁層二為磁各向異性易軸垂直膜面材料，稱為垂直磁場各向異性。氧化物層，又稱隧穿層，是指氧化鎂(MgO)，氧化鋁AlO或其他等價氧化物中的一種。重金屬層是指鉭(Tantalum)、鎢(Tungsten)、鉿(Hafnium)或鉑(Pt)或其他重金屬中的一種。根據(jù)O-SHE-MTJ自由層與固定層的相對磁場極化方向，每個O-SHE-MTJ可具有兩種不同的電阻狀態(tài)，因此可以存儲一比特數(shù)據(jù)信息。更具體地，當自由層與固定層磁場極化方向相同時，O-SHE-MTJ表現(xiàn)為低電阻態(tài)；反之，當自由層與固定層磁場極化方向相反時，O-SHE-MTJ表現(xiàn)為高電阻態(tài)。O-SHE-MTJ自由層的磁場極化方向不能單純通過SHE電流進行改變，而需要借助STT效應進行輔助才能改變。通過同時施加SHE與STT電流，可以改變O-SHE-MTJ自由層的磁場極化方向，進而改變O-SHE-MTJ的電阻狀態(tài)。其中，SHE電流用于擾動自由層磁場極化狀態(tài)(其方向不作限定)，而STT電流方向決定自由層磁場極化方向。更具體地，當SHE電流從T2端流向T3端(或從T3端流向T2端)，而STT電流從T1端流向T3端(或從T1端流向T2端)，則O-SHE-MTJ自由層的磁場極化方向與固定層相同；反之，當STT電流從T3端流向T1端(或從T2端流向T1端)，則O-SHE-MTJ自由層的磁場極化方向與固定層相反。存儲在O-SHE-MTJ中的數(shù)據(jù)可以通過從T1端到T3端(或T2端)施加一個小電流，然后檢測其相應的電壓大小進行讀取；或在T1端與T3端(或T2端)施加一個小電壓差，然后檢測其相應的電流大小進行讀取。圖3(b)為I-SHE-MTJ的電路符號圖。

本發(fā)明的一種基于自旋霍爾效應磁隧道結的非易失性鎖存單元，是在傳統(tǒng)鎖存單元的基礎上，集成非易失性自旋霍爾效應磁隧道結(SHE-MTJ)器件，從而使鎖存單元具有非易失性。根據(jù)SHE-MTJ器件的種類不同，本發(fā)明提出兩種實施方案。

方案一：基于I-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元；整個非易失性鎖存單元由2個PMOS晶體管8個NMOS晶體管以及2個面內(nèi)磁各向異性自旋霍爾效應磁隧道結(I-SHE-MTJ)組成。

圖4為本發(fā)明提出的基于I-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元示意圖；整個非易失性鎖存單元由2個PMOS晶體管(P1-P2)，8個NMOS晶體管(N1-N8)以及2個I-SHE-MTJ(I1-I2)組成。它們之間的連接關系是：P1-P2的源極連接供電電壓Vdd，漏極分別連接N3-N4的漏極，柵極分別連接N3-N4的柵極；N3-N4的源極連接地電壓Gnd；N1-N2的柵極同時連接字線WL，源極分別連接位線BL與互補位線BLB；N1的漏極，P1的漏極，N3的漏極，P2的柵極，N4 的柵極以及N5的漏極同時連接在一起，稱為節(jié)點Q；N2的漏極，P2的漏極，N4的漏極，P1的柵極，N3的柵極，以及N6的漏極同時連接在一起，稱為節(jié)點QB；N5-N6的柵極同時連接訪問控制信號Ctrl，N5的源極連接I1的T2端，N6的源極連接I2的T2端；I1的T3端連接N7的漏極，I1的T1端連接N8的漏極；N7的源極連接I2的T3端，N7的柵極連接寫入控制信號W_EN，I2的T1端連接N8的漏極，N8的源極連接地電壓Gnd，N8的柵極連接讀取控制信號R_EN。

該非易失性鎖存單元共有三種工作模式：正常工作模式，數(shù)據(jù)備份模式與數(shù)據(jù)恢復模式。正常工作模式：此時Ctrl信號為低電平，N5-N6斷開，整個非易失性鎖存單元與傳統(tǒng)易失性鎖存單元工作類似。數(shù)據(jù)備份模式：此時Ctrl信號為高電平，N5-N6導通，W_EN信號為高電平，R_EN信號為低電平，N7導通，N8斷開；取決于節(jié)點Q與QB的電勢高低，將有電流流過I1與I2的重金屬層，從而對I1與I2進行數(shù)據(jù)寫入；更具體地，當節(jié)點Q為高電勢，QB為低電勢時，將有電流從節(jié)點Q流經(jīng)N5，然后從I1的T2端流向T3端，流經(jīng)N7，然后從I2的T3端流向T2端，最后流經(jīng)N6回到節(jié)點QB；反之，當節(jié)點Q為低電勢，QB為高電勢時，將有電流從節(jié)點QB流經(jīng)N6，然后從I2的T2端流向T3端，流經(jīng)N7，然后從I1的T3端流向T2端，最后流經(jīng)N5回到節(jié)點Q。該電流能夠把節(jié)點Q與QB的數(shù)據(jù)分別備份到I1與I2當中。數(shù)據(jù)恢復模式：Ctrl信號首先設為低電平，N5-N6斷開，W_EN信號為低電平，R_EN信號為高電平，N7斷開，N8導通；然后把WL信號設為高電平，N1與N2導通；同時給BL與BLB預充電到高電平，此時節(jié)點Q與QB同時為高電勢；然后把WL信號變?yōu)榈碗娖?，N1與N2斷開，同時把Ctrl信號變?yōu)楦唠娖?，N5-N6導通；此時將產(chǎn)生兩個放電電流，其中一個電流從節(jié)點Q，流經(jīng)N5，然后從I1的T2端流向T1端，最后流經(jīng)N8進入地Gnd；同時另一個電流從節(jié)點QB，流經(jīng)N6，然后從I2的T2端流行T1端，最后流經(jīng)N8進入地Gnd；由于I1與I2的電阻不同，兩個電流的放電速度不同，最終在P1-P2與N3-N4組成的交叉耦合鎖存結構的作用下，能夠把存儲在I1與I2當中的數(shù)據(jù)恢復到節(jié)點Q與QB當中。

方案二：基于O-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元；整個非易失性鎖存單元由2個PMOS晶體管，9個NMOS晶體管以及2個垂直磁各向異性自旋霍爾效應磁隧道結組成。

圖5為本發(fā)明提出的基于O-SHE-MTJ的非易失性鎖存單元示意圖；整個非易失性鎖存單元由2個PMOS晶體管(P1-P2)，9個NMOS晶體管(N1-N8)以及2個O-SHE-MTJ(O1-O2)組成。它們之間的連接關系是：P1-P2的源極連接供電電壓Vdd，漏極分別連接N3-N4的漏極，柵極分別連接N3-N4的柵極；N3-N4的源極連接地電壓Gnd；N1-N2的柵極同時連接字線WL，源極分別連接位線BL與互補位線BLB；N1的漏極，P1的漏極，N3的漏極，P2的柵極，N4 的柵極，N5的漏極以及N6的漏極同時連接在一起，稱為節(jié)點Q；N2的漏極，P2的漏極，N4的漏極，O1的柵極，N3的柵極，N7的漏極以及N8的漏極同時連接在一起，稱為節(jié)點QB；N6和N7的柵極同時連接訪問控制信號Ctrl，N6的源極連接O1的T1端，N7的源極連接O2的T1端；N5和N8的柵極同時連接寫入控制信號W_EN，N5的源極連接O1的T2端，N8的源極連接O2的T3端；O1的T3端連接O2的T2端，同時連接N9的漏極；N9的源極連接地電壓Gnd，N9的柵極連接讀取制信號R_EN。

該非易失性鎖存單元共有三種工作模式：正常工作模式，數(shù)據(jù)備份模式與數(shù)據(jù)恢復模式。正常工作模式：此時Ctrl與W_EN信號為低電平，N5-N8斷開，整個非易失性鎖存單元與傳統(tǒng)易失性鎖存單元工作類似。數(shù)據(jù)備份模式：此時Ctrl與W_EN信號為高電平，N5-N8導通，R_EN信號為低電平，N9斷開；取決于節(jié)點Q與QB的電勢高低，將有電流流過O1與O2，從而對O1與O2進行數(shù)據(jù)寫入；更具體地，當節(jié)點Q為高電勢，QB為低電勢時，將產(chǎn)生兩個電流分支，其中一個電流分支從節(jié)點Q流經(jīng)N5，然后從O1的T2端流向T3端，產(chǎn)生SHE；另一個電流分支從節(jié)點Q流經(jīng)N6，然后從O1的T1端流向T3端，產(chǎn)生自旋轉移矩(Spin Transfer Torque，STT)效應；然后兩個電流在O1的T3端匯合后又分為兩支，其中一個電流分支從O2的T2端進入，從O2的T3端流出，產(chǎn)生SHE，然后經(jīng)N8，流向節(jié)點QB，另一個電流分支從O2的T2端進入，從O2的T1端流出，產(chǎn)生STT效應，然后經(jīng)N7，流向節(jié)點QB；反之，當節(jié)點Q為低電勢，QB為高電勢時，同樣將產(chǎn)生兩個電流分支，其中一個電流分支從節(jié)點QB流經(jīng)N8，然后從O2的T3端流向T2端，產(chǎn)生SHE；另一個電流分支從節(jié)點QB流經(jīng)N7，然后從O2的T1端流向T2端，產(chǎn)生STT效應；然后兩個電流在O2的T2端匯合后又分為兩支，其中一個電流分支從O1的T3端進入，從O1的T2端流出，產(chǎn)生SHE，然后經(jīng)N5，流向節(jié)點Q；另一個電流分支從O1的T2端進入，從O1的T1端流出，產(chǎn)生STT效應，然后經(jīng)N6，流向節(jié)點QB。所述的SHE與STT效應能夠把節(jié)點Q與QB的數(shù)據(jù)分別備份到O1與O2當中。數(shù)據(jù)恢復模式：首先Ctrl信號與W_EN信號設為低電平，N5-N8斷開，R_EN信號為高電平，N9導通；然后設置WL信號為高電平，N1與N2導通；同時給BL與BLB預充電到高電平，此時節(jié)點Q與QB同時為高電勢；然后設置WL信號為低電平，N1與N2斷開，同時設置Ctrl信號為高電平，N6-N7導通；此時將產(chǎn)生兩個放電電流，其中一個電流從節(jié)點Q流經(jīng)N6，然后從O1的T1端流向T3端，最后流經(jīng)N9進入地Gnd；同時另一個電流從節(jié)點QB流經(jīng)N7，然后從O2的T1端流向T2端，最后流經(jīng)N9進入地Gnd；由于O1與O2的電阻不同，兩個電流的放電速度不同，最終在P1-P2與N3-N4組成的交叉耦合鎖存結構的作用下，能夠把存儲在O1與O2當中的數(shù)據(jù)恢復到節(jié)點Q與QB當中。