[發明專利]一種磁性隨機存儲器及其磁性記憶單元讀取方法

在審

• 申請號: 201610283466.6
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN107342103A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 俞華樑;郭一民;陳峻
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙)31287
• 代理人: 于曉菁

技術領域

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(STT MRAM)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。

發明內容

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。