[發(fā)明專利]一種高速的MRAM讀出電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810053718.5
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108182956B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設計）人: 戴瑾
• 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(fā)明公開了一種高速的MRAM讀出電路，包括一排多個等同的MOS管、參考單元組合、比較器和兩個運算放大器OP?Amp；其中，每一個存儲單元與多個等同的MOS管中的一個MOS管Pa串聯；參考單元組合由N個參考單元并聯；N個參考單元中的每一個與N個等同的MOS管中的一個MOS管Pbi管串聯；兩個運算放大器OP?Amp的一個輸入分別與MOS管Pa以及N個MOS管Pbi連接，另外一個輸入為讀電壓V_read；比較器通過比較兩個運算放大器OP?Amp輸出的柵極電壓，輸出結果。本發(fā)明公開的讀出電路的功耗讀出電路不僅速度快，而且能夠消除讀出不穩(wěn)定的風險。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體芯片存儲器領域，尤其涉及一種高速的MRAM讀出電路。

背景技術

磁性隨機存儲器(MRAM)是一種新興的非揮發(fā)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。MRAM可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數據。

MRAM具有很好的經濟性和性能，它的單位容量占用的硅片面積比SRAM有很大的優(yōu)勢，比在此類芯片中經常使用的NOR?Flash也有優(yōu)勢，比嵌入式NOR?Flash的優(yōu)勢更大。MRAM讀寫時延接近最好的SRAM，功耗則在各種內存和存儲技術最好；而且MRAM與標準CMOS半導體工藝兼容，DRAM以及Flash與標準CMOS半導體工藝不兼容；MRAM還可以和邏輯電路集成到一個芯片中。

MRAM基于MTJ(磁性隧道結)結構。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，如圖1所示：下面的一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層，上面的鐵磁材料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。由于量子物理的效應，電流可以穿過中間的隧道勢壘層，但是MTJ的電阻和可變磁化層的磁化方向有關。前一種情況電阻低，后一種情況電阻高。

讀取MRAM的過程就是對MTJ的電阻進行測量。寫MRAM使用比較新的STT-MRAM技術使用比讀更強的電流穿過MTJ進行寫操作。一個自下而上的電流把可變磁化層置成與固定層平行的方向，自上而下的電路把它置成反平行的方向。

如圖2所示，每個MRAM的記憶單元由一個MTJ和一個NMOS管組成。NMOS管的門極(gate)連接到芯片的Word?Line負責接通或切斷這個單元，MTJ和MOS管串接在芯片的BitLine上。讀寫操作在Bit?Line上進行。

如圖3所示，一個MRAM芯片由一個或多個MRAM存儲單元的陣列組成，每個陣列有若干外部電路，如：

●行地址解碼器：把收到的地址變成Word?Line的選擇

●列地址解碼器：把收到的地址變成Bit?Line的選擇

●讀寫控制器：控制Bit?Line上的讀(測量)寫(加電流)操作

●輸入輸出控制：和外部交換數據

MRAM的讀出電路需要檢測MRAM記憶單元的電阻。由于MTJ的電阻會隨著溫度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已經被寫成高阻態(tài)或低阻態(tài)記憶單元作為參考單元。再使用讀出放大器(Sense?Amplifier)來比較記憶單元和參考單元的電阻。

MRAM的讀出過程是對存儲單元電阻的檢測和比較。一般通過參考單元組合成一個標準電阻來和存儲單元進行比較來判定存儲單元是處在高阻態(tài)還是低阻態(tài)。

圖4是現有技術的一種MRAM讀出電路原理圖，圖4所示的P1、P2、P3是相同PMOS管，形成電流鏡，上面的每一路的電流是相等的(I_read)。電阻的差別造成V_out和V_out_n的差別，被輸入到下一級的比較器產生輸出。圖4中的例子是一路存儲單元，對比一路置于P狀態(tài)的參考單元和一路AP狀態(tài)下的參考單元。實際使用中可以有多路存儲單元對比m路AP和n路P參考單元。