[發明專利]自動優化寫電壓的磁性存儲器及其操作方法

在審

• 申請號: 201710348941.8
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN108962306A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 葉力;戴瑾;郭一民
• 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

本發明公開了一種自動優化寫電壓的磁性存儲器及其操作方法。本發明的自動優化寫電壓的磁性存儲器包含MRAM芯片陣列結構，前述陣列結構中每個存儲位元的寫入操作通過在位線或源線上施加一定的驅動電壓來實現。在寫電壓參考電壓模塊中產生多個參考電壓電位，對應不同的工作溫度區間。在存儲位元陣列附近設置溫度傳感器。在寫電壓驅動電路模塊和寫電壓參考電壓模塊中間插入一個參考電壓選擇模塊，根據內置溫度傳感器錄得的芯片實際工作溫度來選擇相對應的寫電壓參考電壓電位，并輸出至寫電壓驅動器，從而實現根據溫度反饋自動優化的寫電壓方案。該設計方案能根據實際工作溫度選擇更優化的寫入電壓，有利于降低MRAM芯片的運行功耗，提升芯片壽命。

技術領域

本發明涉及集成電路存儲器芯片領域，特別涉及磁電阻元件和磁性隨機存儲器的設計；具體地說，本發明涉及一種自動優化寫電壓的磁性存儲器及其相應操作方法。

背景技術

磁性材料和磁電阻元件廣泛應用在存儲器和傳感器領域。磁存儲器利用磁性記憶層的磁矩取向來記錄數據，是一種非易失性的存儲技術。磁性隨機存儲器兼具閃存的非易失性和靜態隨機存儲器的高速讀寫能力，在諸多應用場景下(例如嵌入式物聯網系統)具有能耗和高整合度的優勢，另外可擦寫次數超過現有的閃存技術因而具有很高的可靠性。

圖1是磁阻式隨機訪問存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)的磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的結構低電阻的情況的示意圖，圖2是MRAM的磁性隧道結的結構高電阻的情況的示意圖。如圖1和圖2所示，MRAM的原理是基于一個叫做MTJ(磁性隧道結)的結構。它是由兩層鐵磁性材料(記憶層40和參考層30)夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料層(隧道勢壘層50)組成的。磁性隨機存儲器的數據存儲在由磁電阻元件組成的存儲比特陣列中，每個磁電阻元件代表了一個比特，每個磁電阻元件包含磁性記憶層和磁性參考層，當兩層磁性材料的磁矩指向相同時，磁電阻元件處于低電阻態(邏輯0，如圖1所示)，當兩層磁性材料的磁矩指向相反時，磁電阻元件處于高點阻態(邏輯1，如圖2所示)。

讀取MRAM的過程就是對MTJ的電阻進行測量。寫入MRAM的過程則是利用自旋扭矩效應，在MTJ中通過自上而下的電流把記憶層磁矩翻轉成與參考層磁矩平行的方向，或者通過自下而上的電流則將其置成反平行的方向。上述流過MTJ的電流或者相應的MTJ上的電壓降被稱作MRAM的寫電流或寫電壓，它們是重要的技術指標，決定了MRAM的寫入速度、寫入正確率、使用壽命、運行功耗。在實現一定速度和正確率的前提下，寫電壓越小越好，因為更小的寫電壓可幫助提高MTJ元件的耐久度，降低芯片的整體功耗。在不同的環境溫度下，存儲器為達到一定的寫入速度和正確率所需的寫電壓是不同的。溫度低時，單元比特MTJ的記憶層磁矩比較穩定，寫入過程需要較高的電壓；溫度高時單元比特的記憶層磁矩受到更多的熱擾動，因此僅需要較低的電壓就能實現寫入操作。

根據不同溫度下寫入正確率和寫入速度的關系的測試可知，寫電壓持續的時間越長，寫入的正確率就越高。隨著溫度的升高，達到同樣寫入速度和正確率所需的寫電壓是逐漸降低的。常規設計采用固定的寫電壓，因此需要保證在任何溫度下外圍驅動電路要在位線和源線之間提供足夠大的電壓差。這樣在本來只需較小寫電壓的高溫環境下，仍然采用了較高的寫電壓，是一種很不經濟的方法，會增加整體功耗，降低器件的壽命。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種能夠使得整體功耗下降并且使得器件壽命延遲的技術方案。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠使得整體功耗下降并且使得器件壽命延遲的自動優化寫電壓的磁性存儲器。