[發(fā)明專利]一種具有寫狀態(tài)檢測(cè)單元的MRAM存儲(chǔ)器件

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811624645.7
• 申請(qǐng)日: 2018-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111383691A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴瑾;郭一民
• 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): G11C16/10
• 分類號(hào): G11C16/10;G11C16/30;G11C16/24
• 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)明公開(kāi)了一種具有寫狀態(tài)檢測(cè)單元的MRAM存儲(chǔ)器件，所述MRAM存儲(chǔ)器件包括MRAM存儲(chǔ)單元、寫狀態(tài)檢測(cè)單元，所述MRAM存儲(chǔ)單元至少包括第一和第二磁性隧道結(jié)以及耦合到第一和第二磁性隧道結(jié)的MOS管，其中第一和第二磁性隧道結(jié)中的一個(gè)具有相對(duì)于讀取和寫入的電流路徑的參考和記憶層的正常順序，另一個(gè)磁性隧道結(jié)具有相對(duì)于讀取和寫入的電流路徑的參考層和記憶層的相反順序；所述第一和第二磁性隧道結(jié)一端分別與第一位線和第二位線相連，另一端連接MOS管；所述寫狀態(tài)檢測(cè)單元包括檢測(cè)點(diǎn)、比較器，所述寫狀態(tài)檢測(cè)單元適用于檢測(cè)MRAM存儲(chǔ)單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果提前終止寫操作。

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，尤其涉及一種具有寫狀態(tài)檢測(cè)單元的MRAM存儲(chǔ)器件。

背景技術(shù)

本發(fā)明的背景是MRAM制造技術(shù)已經(jīng)成熟，近年來(lái)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(MagneticRandom Access Memory)，MRAM是一種非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，相比于現(xiàn)有的存儲(chǔ)器，它的優(yōu)勢(shì)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)它的性能相當(dāng)好，讀寫時(shí)延接近SRAM，功耗則比閃存低得多。(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(shì)；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(shì)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。

目前接近量產(chǎn)的各個(gè)廠家的MRAM技術(shù)，雖然讀寫功耗都比閃存低很多，但寫入功耗仍然比較大，寫電流偏高，如果取代DRAM或者SRAM還不太理想。特別是，現(xiàn)在的寫入技術(shù)，能量的浪費(fèi)非常之大：

1.如果需要在某個(gè)比特寫1，該比特有一半的可能性已經(jīng)是一個(gè)1，不需要再耗費(fèi)能量了。然而寫電路無(wú)法知道該比特之前的狀態(tài)，所以無(wú)論之前的狀態(tài)是1還是0，一個(gè)常見(jiàn)的作法是作一次寫操作。在統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義上，一半的能量就這樣浪費(fèi)了。

2.寫入操作是給一個(gè)比特施加一個(gè)電脈沖，脈沖必須維持一個(gè)特定的長(zhǎng)度，才能把錯(cuò)誤率控制在可接受的范圍內(nèi)。例如對(duì)于實(shí)際中的一個(gè)1兆比特陣列，寫脈沖的長(zhǎng)度可能需要30納秒才能把錯(cuò)誤率控制在百萬(wàn)分之一以內(nèi)，但其實(shí)在10納秒的時(shí)間內(nèi)，超過(guò)90％的比特已經(jīng)完成了寫操作。但隨機(jī)地，可能有百萬(wàn)分之一的比特需要30納秒才能完成寫操作，寫電路并不知道每一個(gè)比特需要的寫入時(shí)間，只能把脈沖時(shí)間延長(zhǎng)到最保守情況。這樣，即使對(duì)于需要進(jìn)行寫操作的絕大部分比特，2/3甚至更多的能量是浪費(fèi)的。

為了減少寫入能量浪費(fèi)，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始研究寫入狀態(tài)檢測(cè)電路，能夠在進(jìn)行寫操作的同時(shí)檢測(cè)被寫入比特的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到該比特的狀態(tài)已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)值，立即終止寫操作。這樣的寫入狀態(tài)檢測(cè)電路，能夠大幅度降低寫功耗。美國(guó)專利US20180061466有提出如下技術(shù)：

1.在MRAM中增加一個(gè)寫狀態(tài)檢測(cè)電路，當(dāng)檢測(cè)到被寫入的比特已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)時(shí)，提前終止寫操作。

2.需要一個(gè)參考單元，具有一個(gè)參考電阻。

3.寫檢測(cè)電路，通過(guò)比較被寫入單元的電阻和參考電阻，決定它當(dāng)時(shí)的狀態(tài)。

4.具體的實(shí)施方法，是給參考單元施加被寫入單元同樣的電壓，比較寫入回路上相同的一個(gè)點(diǎn)的電位。被寫入單元的電阻不同，必然導(dǎo)致電路分壓不同，造成被檢測(cè)點(diǎn)上電位的變化。

該美國(guó)專利的寫狀態(tài)檢測(cè)電路是針對(duì)最基本的MRAM存儲(chǔ)單元即由1個(gè)MTJ與1個(gè)MOS管組成的MRAM單元(以下簡(jiǎn)稱為1T1M的MRAM存儲(chǔ)單元)，而對(duì)于2個(gè)MTJ與2個(gè)MOS管相連的MRAM單元(以下簡(jiǎn)稱為2T2M的MRAM存儲(chǔ)單元)如何做寫狀態(tài)檢測(cè)，仍然是一個(gè)未解決的問(wèn)題。