[發(fā)明專利]一種磁存儲(chǔ)器及其寫狀態(tài)檢測方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811045302.5
• 申請(qǐng)日: 2018-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN110890116B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴瑾;葉力;夏文斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號(hào): G11C11/16
• 分類號(hào): G11C11/16
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發(fā)明提供了一種磁存儲(chǔ)器及其寫狀態(tài)檢測方法，該磁存儲(chǔ)器包括：高阻態(tài)寫參考單元，用于提供判斷存儲(chǔ)單元是否處于高阻態(tài)的參考信號(hào)；低阻態(tài)寫參考單元，用于提供判斷存儲(chǔ)單元是否處于低阻態(tài)的參考信號(hào)；寫入狀態(tài)檢測單元，用于接收高阻態(tài)寫參考單元和低阻態(tài)寫參考單元的輸出信號(hào)以及各存儲(chǔ)單元寫入回路中的相應(yīng)檢測信號(hào)；當(dāng)進(jìn)行置為高阻態(tài)的寫入操作時(shí)，寫入狀態(tài)檢測單元將存儲(chǔ)單元的檢測信號(hào)與高阻態(tài)寫參考單元提供的信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)判定存儲(chǔ)單元已處于高阻態(tài)時(shí)，發(fā)出終止寫信號(hào)；當(dāng)進(jìn)行置為低阻態(tài)的寫入操作時(shí)，寫入狀態(tài)檢測單元將存儲(chǔ)單元的檢測信號(hào)與低阻態(tài)寫參考單元提供的信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)判定存儲(chǔ)單元已處于低阻態(tài)時(shí)，發(fā)出終止寫信號(hào)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，其最重要的應(yīng)用在于對(duì)待機(jī)功耗要求很嚴(yán)格的物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域，尤其涉及一種磁存儲(chǔ)器及其寫狀態(tài)檢測方法。

背景技術(shù)

近年來人們利用磁性隧道結(jié)(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的磁電阻效應(yīng)做成磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，即為MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM被人們認(rèn)為是未來的固態(tài)非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點(diǎn)。相比于現(xiàn)有的存儲(chǔ)器，它的優(yōu)勢包括：(1)它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的高集成度，而且還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)。(2)它的功耗在各種內(nèi)存和存儲(chǔ)器件中最優(yōu)，待機(jī)功耗顯著優(yōu)于需要不斷刷新的DRAM，寫入功耗與Flash相比同樣也是優(yōu)勢巨大。(3)它的經(jīng)濟(jì)性非常好，單位容量占用的硅片面積非常小，比SRAM有很大的優(yōu)勢；其制造工藝中需要的附加光罩?jǐn)?shù)量較少，比嵌入式NOR Flash的成本優(yōu)勢更大。(4)MRAM不像DRAM以及Flash那樣與標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個(gè)芯片中。

鐵磁性MTJ通常為三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中有記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數(shù)據(jù)；位于中間的絕緣的隧道勢壘層；參考層，位于隧道勢壘層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。當(dāng)記憶層與參考層之間的磁化強(qiáng)度矢量方向平行或反平行時(shí)，MTJ的電阻態(tài)也相應(yīng)分別為低阻態(tài)或高阻態(tài)。

讀取MRAM的過程就是對(duì)MTJ的電阻進(jìn)行測量。使用目前比較新的STT-MRAM(Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)技術(shù)，寫MRAM也比較簡單：使用比讀更強(qiáng)的電流穿過MTJ進(jìn)行寫操作。以圖1中結(jié)構(gòu)為例，一個(gè)自下而上的電流把記憶層的磁化方向置成與參考層的磁化方向平行，一個(gè)自上而下的電流把記憶層的磁化方向置成與參考層的磁化方向反平行。

如圖2所示，每個(gè)MRAM的記憶單元由一個(gè)MTJ和一個(gè)MOS管組成。MOS管的Gate(柵極)連接到芯片的Word Line(字線)負(fù)責(zé)接通或切斷這個(gè)單元，MTJ和MOS管串接在芯片的Bit Line(位線)上，讀寫操作在Bit Line和Source Line(源極線)上進(jìn)行。

如圖3所示，一個(gè)MRAM芯片由一個(gè)或多個(gè)MRAM存儲(chǔ)單元的陣列組成，每個(gè)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；

輸入輸出控制器：和外部交換數(shù)據(jù)。

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(huì)隨著溫度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已經(jīng)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，如圖4所示。