一種磁性隨機存儲器及其磁性記憶單元讀取方法與流程

本發明涉及半導體芯片的存儲器領域，具體涉及一種磁性隨機存儲器及其磁電阻記憶單元讀取方法。

背景技術：

磁性隨機存儲器(mram)是一種新興的非揮發性存儲技術。它擁有高速的讀寫速度和高集成度，且可以被無限次的重復寫入。

一個磁性隨機存儲器是由陣列的磁性記憶單元組成。每個磁性記憶單元包含了一個叫磁性隧道結(mtj)的結構。磁性隧道結是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料組成的。其中一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層，另一層鐵磁材料則是可變磁化方向的記憶層，它的磁化方向可以和固定磁化層相平行或反平行。磁性隧道結的電阻值取決于這兩層鐵磁性材料的磁化方向：它們方向一致則磁性隧道結電阻就低，反之磁性隧道結電阻就高。一般高電阻態為邏輯“1”，低電阻態為邏輯“0”。改變記憶層的磁化方向就改變了磁性隧道結的電阻態，而檢測磁性隧道結的電阻態就可以知道磁性記憶單元內的存儲內容。

不同的磁性隨機存儲器采用不同的方法來改變記憶層的磁化方向。第一代場轉換磁性隨機存儲器是用較大電流在磁性隧道結產生磁場來改變記憶層的磁場方向。新的自旋扭矩轉換磁性隨機存儲器(sttmram)是使用電流脈沖直接穿過磁性隧道結，電流的方向可以改變記憶層的磁化方向，從而決定了磁性隧道結的電阻態和磁性記憶單元的邏輯態。這種新型的磁性隨機存儲器不僅能耗非常低，而且由于所需的轉換電流可以隨著磁性隧道結的尺寸減小而減小，因此可以適合未來半導體芯片結點尺寸進一步縮小的需求。但是隨著磁性隨機存儲器內的磁性隧道結的數量不斷增加，尺寸不斷縮小，對制造的工藝要求也越來越高，現有工藝下磁電阻的均勻性也越來越差。

讀取磁電阻記憶單元的數據，就是要檢測其磁性隧道結是處在高電阻態“1”還是低阻態“0”。為了準確區分電阻態，磁性隧道結要求達到高的的磁電阻率(電阻差與低電阻的比值)。一個大容量的磁性隨機存儲器含有上億個磁性隧道結，如果它們的電阻值分布的標準差高，磁電阻率低，那就會不可避免的會使高阻態分布和低阻態分布存在交疊，如圖1所示。

現有的讀取技術一般采用以固定中點電阻作為參照來確定磁性隧道結的電阻態的方法：平均一定數量的高電阻態和一定數量的低阻態磁性隧道結來作為中點 電阻與被檢測的磁性隧道結電阻相比較。但是由于磁性隧道結的材料和制造工藝的限制，一方面磁電阻率很難大幅度提高，另一方面高容量存儲器電阻標準差增大，加劇了高阻態分布和低阻態分布的交疊。即使他們的交疊為零，他們之一也會與中點參照電阻的分布有重疊。分布間的重疊就會導致不可能成功地區分所有記憶單元的阻態而產生讀取錯誤。

以被讀取的磁性記憶單元本身的磁性隧道結為參照的讀取方法被稱作自參照讀取。現有的自參照方法一般過程冗長或信號微弱，有的還需要調節各種參數，犧牲了讀取數據的速度增加了存儲器的延遲時間。

技術實現要素：

鑒于現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種磁性隨機存儲器，利用磁性隧道結的磁電阻偏壓依賴性，實現自參照的數據讀取，解決了讀取數據對參考電阻的標準差分布要求苛刻的而導致讀取錯誤率高的問題。

本發明還提供一種磁性隨機存儲器的磁性記憶單元讀取方法。

磁性隧道結的磁電阻的偏壓依賴性，磁性隧道結的磁電阻的值隨著偏壓(或加載電流)的增大而減小，而且變化的幅度在高阻態時尤為劇烈。

因此，磁性隧道結當前為高阻態時，施加不同大小的電流，可以檢測到差別較大的磁電阻的值，而這些磁電阻的值又會明顯大于低阻態的磁電阻的值。

具體地，如圖2所示，磁性隧道結當前為高阻態時，施加電流i1，磁電阻的值為r1h，施加電流i2，磁電阻的值為r2，r1h明顯大于r2；磁性隧道結當前為低阻態時，施加電流i1，磁電阻的值為r1l，r1h與r2明顯大于r1l。

電流i1為常規讀電流，而電流i2為寫電流，即將磁性隧道結改變為高阻態的電流；利用磁電阻的值的變化，也就是磁性隧道結本身的偏壓依賴性，能夠準確獲得磁性隧道結當前狀態，從而得到磁性記憶單元的邏輯狀態。

本發明提供一種磁性隨機存儲器，包括多個磁性記憶單元構成的陣列，磁性隨機存儲器還包括自參照讀取模塊，自參照讀取模塊用于根據磁性記憶單元的磁性隧道結改變為高阻態的狀態電壓，讀取磁性記憶單元的邏輯狀態。

進一步地，自參照讀取模塊包括狀態獲取緩存模塊、高阻態狀態獲取模塊以及比較器，狀態獲取緩存模塊用于獲取并緩存磁性記憶單元的磁性隧道結的第一狀態的電壓，第一狀態為磁性隧道結的當前狀態；高阻態狀態獲取模塊用于讀取第二狀態的電壓，第二狀態為磁性隧道結改變為高阻態的狀態；比較器用于比較第一狀態的電壓與第二狀態的電壓。

進一步地，狀態獲取緩存模塊包括讀電流驅動器與電壓獲取緩存電路，讀電流驅動器用于向磁性隧道結施加讀電流，電壓獲取緩存電路用于獲取并緩存磁性隧道結的第一狀態電壓。

進一步地，高阻態狀態獲取模塊包括寫電流驅動器與電壓獲取電路，寫電流驅動器用于向磁性隧道結施加第一寫電流，第一寫電流將磁性隧道結改變為高阻態，電壓獲取電路用于獲取磁性隧道結的第二狀態的電壓。

進一步地，電壓獲取電路還包括分壓電路，用于調整第二狀態的電壓。

進一步地，分壓電路的分壓電阻具有以下關系：

rd/(rd+ru)＝i1/i2

其中，rd、ru為分壓電阻，i1為讀電流，i2為第一寫電流。

本發明還提供一種上述磁性隨機存儲器的磁性記憶單元讀取方法，包括以下步驟：

(1)狀態獲取緩存模塊獲取磁性記憶單元的磁性隧道結的第一狀態的電壓，并緩存；

(2)高阻態狀態獲取模塊獲取磁性記憶單元的磁性隧道結的第二狀態的電壓；

(3)比較器比較第一狀態的電壓與第二狀態的電壓，如果第一狀態的電壓大于第二狀態的電壓，磁性隧道結的第一狀態為高阻態；如果第一狀態的電壓小于第二狀態的電壓，磁性隧道結的第一狀態為低阻態；

(4)如果磁性隧道結的第一狀態為低阻態，將磁性隧道結改變為低阻態。

進一步地，步驟(2)包括以下步驟：

(21)高阻態讀取模塊的寫電流驅動器向磁性記憶單元的磁性隧道結施加第一寫電流，將磁性隧道結改變為高阻態；

(22)高阻態讀取模塊的電壓獲取電路獲取磁性隧道結改變為高阻態的狀態電壓。

進一步地，步驟(2)包括以下步驟：

(23)高阻態讀取模塊的寫電流驅動器向磁性隧道結施加第一寫電流，將磁性隧道結改變為高阻態；

(24)高阻態讀取模塊的電壓獲取電路獲取經分壓電路調整后的磁性隧道結改變為高阻態的狀態電壓。

進一步地，步驟(4)包括以下步驟：

(41)高阻態讀取模塊的寫電流驅動器向磁性隧道結施加第二寫電流，第二寫電流將磁性隧道結改變為低阻態。

與現有技術相比，本發明提供的磁性隨機存儲器及其磁性記憶單元讀取方法,具有以下有益效果：利用磁性隧道結的磁電阻偏壓依賴性，實現自參照的數據讀取，解決了讀取數據對參考電阻的標準差分布要求苛刻的而導致讀取錯誤率高的問題。

附圖說明

圖1是磁性隨機存儲器的磁性記憶單元的磁性隧道結的電阻分布圖；

圖2是磁性隨機存儲器的磁性記憶單元的磁性隧道結的電阻電流曲線；

圖3是本發明的一個實施例的磁性隨機存儲器的示意圖；

圖4是本發明的另一個實施例的磁性隨機存儲器的示意圖。

具體實施方式

如圖3所示，本發明的一個實施例的磁性隨機存儲器，包括多個磁性記憶單元構成的陣列，磁性隨機存儲器還包括自參照讀取模塊，自參照讀取模塊用于根據磁性記憶單元的磁性隧道結改變為高阻態的狀態電壓，讀取磁性記憶單元的邏輯狀態。

自參照讀取模塊包括狀態獲取緩存模塊、高阻態狀態獲取模塊以及比較器。

狀態獲取緩存模塊用于獲取并緩存磁性記憶單元的磁性隧道結的第一狀態的電壓，第一狀態為磁性隧道結的當前狀態，本實施例中采用電容c1緩存第一狀態的電壓。當然也可以采用其他方式緩存第一狀態的電壓，本發明不作限制。

狀態獲取緩存模塊包括讀電流驅動器與電壓獲取緩存電路，讀電流驅動器用于向磁性隧道結施加讀電流，電壓獲取緩存電路用于獲取并緩存磁性隧道結的第一狀態電壓。

高阻態狀態獲取模塊用于讀取第二狀態的電壓，第二狀態為磁性隧道結改變為高阻態的狀態。

高阻態狀態獲取模塊包括寫電流驅動器與電壓獲取電路，寫電流驅動器用于向磁性隧道結施加第一寫電流，第一寫電流將磁性隧道結改變為高阻態，電壓獲取電路用于獲取磁性隧道結的第二狀態的電壓。

比較器用于比較第一狀態的電壓與第二狀態的電壓，如果第一狀態的電壓大于第二狀態的電壓，磁性隧道結的第一狀態為高阻態；如果第一狀態的電壓小于第二狀態的電壓，磁性隧道結的第一狀態為低阻態。

本實施例中的磁性隨機存儲器的磁性記憶單元讀取方法，包括以下步驟：

(1)狀態獲取緩存模塊獲取磁性記憶單元的磁性隧道結的第一狀態的電壓，并緩存；

(2)高阻態狀態獲取模塊獲取磁性記憶單元的磁性隧道結的第二狀態的電壓；

(3)比較器比較第一狀態的電壓與第二狀態的電壓，如果第一狀態的電壓大于第二狀態的電壓，磁性隧道結的第一狀態為高阻態；如果第一狀態的電壓小于第二狀態的電壓，磁性隧道結的第一狀態為低阻態；

(4)如果磁性隧道結的第一狀態為低阻態，將磁性隧道結改變為低阻態。

步驟(2)包括以下步驟：

(21)高阻態讀取模塊的寫電流驅動器向磁性記憶單元的磁性隧道結施加第一寫電流，將磁性隧道結改變為高阻態；

(22)高阻態讀取模塊的電壓獲取電路獲取磁性隧道結改變為高阻態的狀態電壓。

步驟(4)包括以下步驟：

(41)高阻態讀取模塊的寫電流驅動器向磁性隧道結施加第二寫電流，第二寫電流將磁性隧道結改變為低阻態。

第二寫電流與第一寫電流方向相反。

本實施例的磁性隨機存儲器，利用磁性隧道結的磁電阻偏壓依賴性，實現自參照的數據讀取，解決了讀取數據對參考電阻的標準差分布要求苛刻的而導致讀取錯誤率高的問題。

由于比較器比較的是電壓信號，雖然作為參照的r2，如圖2所示，與該磁性隧道結在常規讀電流下的高阻態阻值r1h與低阻態阻值r1l有較大的差值，但是由于其電流i2較大，使得v2＝i2*r2與v1h＝i1*r1h的差值會減小。

如圖4所示，本發明的另一個實施例中，為了使兩個電壓的差值更準確地反映阻值的差值，可在高阻態讀取模塊的電壓獲取電路中增加分壓電路，用于調整第二狀態的電壓。

分壓電路的分壓電阻具有以下關系：

rd/(rd+ru)＝i1/i2

其中，rd、ru為分壓電阻，i1為讀電流，i2為第一寫電流。

這樣可以得到調整后的第二狀態的電壓v2’值為i1*r2，而v2’與v1的比值就是r2與r1h或r1l的比值，更準確地反映阻值的差值。

由于分壓的加入，不管磁性隧道結處于哪個電阻態，都會跟自參照電壓有足夠大的差值，使數據能快速準確讀取。

本實施例中，步驟(2)包括以下步驟：

(23)高阻態讀取模塊的寫電流驅動器向磁性隧道結施加第一寫電流，將磁性隧道結改變為高阻態；

(24)高阻態讀取模塊的電壓獲取電路獲取經分壓電路調整后的磁性隧道結改變為高阻態的狀態電壓。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。