[發明專利]磁性隨機存儲器的讀出電路

在審

• 申請號: 202010190163.6
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN113496729A
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 戴瑾;朱怡皓
• 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

一種磁性隨機存儲器(MRAM)的讀出電路，用于讀取磁性隨機存儲器磁性存儲單元信息的前級讀出電路，讀通路負載管用以提供讀操作的基準電流至待測的磁性存儲單元；存取晶體管串聯連接所述讀通路負載管，存取晶體管另一端電性連接磁性隧道結的一端，且在給定的字線電壓偏置下，所述存取晶體管被設置于飽和區，形成共柵極放大器。藉此所述讀通路負載管與存取晶體管連接節點形成放大輸出的讀取電壓，所述讀取電壓和參考電壓一起作為讀通路下一級電壓靈敏放大器的輸入。這樣減少了前級讀通路所用到的晶體管數目，減小了芯片的整體面積。同時該讀出電路的設計也減少了讀通路上的元器件占用的電源電壓余量，從而降低了可工作電壓。

技術領域

本發明涉及磁性隨機存儲器領域，特別涉及一種用于讀取磁性隨機存儲器磁性存儲單元信息的讀出電路前級設計方案。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性隨機存儲器(Magnetic RadomAccess Memory，MRAM)被人們認為是未來的固態非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點。鐵磁性MTJ通常為三明治結構，其中有磁性自由層(Free Layer，FL)，磁性自由層可以改變磁化方向以記錄不同的數據；位于中間的絕緣隧道勢壘層(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性參考層(Reference Layer，RL)位于隧道勢壘層的另一側，它的磁化方向不變。

為能在這種磁電阻組件中記錄信息，使用基于自旋動量轉移或稱自旋轉移矩(STT，Spin Transfer Torque)轉換技術的寫方法，這樣的MRAM稱為STT-MRAM。根據磁極化方向的不同，STT-MRAM又分為面內STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道結(MTJ)中，作為存儲信息的自由層，在垂直方向擁有兩個磁化方向，即：向上和向下，分別對應二進制中的“0”和“1”或“1”和“0”。

磁性隨機存儲器(MRAM)作為一種非易失性存儲器應用于電子設備的集成電路中，并提供數據存儲功能，其中數據通過編程作為MRAM位單元的一部分的磁性隧道結(MTJ)來存儲。磁性隨機存儲器(MRAM)的優點在于，即使在斷電狀態下，磁性隧道結(MTJ)的位單元仍可以正常保持所存儲的信息，這是因為，數據作為磁性元件存儲在磁性隧道結(MTJ)中。

讀取MRAM的過程就是對MTJ的電阻進行測量。使用比較新的STT-MRAM技術，寫MRAM也比較簡單：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，自上而下的電流把它置成反平行的方向。

最基本的磁性隨機存儲器(MRAM)單元，由一個磁性隧道結(MTJ)和一個存取晶體管組成。存取晶體管的柵極(Gate)連接到芯片的字線(Word Line，WL)負責接通或切斷這個存取晶體管，磁性隧道結(MTJ)和存取晶體管串接在芯片的位線(Bit Line，BL)上，讀寫操作在位線(BL)上進行。存取晶體管的源極(Source)接在芯片的源極線(Source Line，SL)上。

一個磁性隨機存儲器(MRAM)芯片由一個或多個磁性隨機存儲器(MRAM)存儲單元的陣列組成，每個陣列有若干外部電路，如行地址解碼器用以把收到的地址變成字線(WL)的選擇，列地址解碼器用以將收到的地址變成位線(BL)的選擇，讀寫控制器用以控制位線(BL)上的讀(測量)寫(加電流)操作，輸入輸出控制用以和外部交換數據。現有技術大多讀寫電路是獨立分開的，讀取和寫入操作時分別采用不同的電路設計。

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