[发明专利]一种使用对称阵列参考单元的MRAM芯片

说明书

本发明公开了一种使用对称阵列参考单元的MRAM芯片，所述对称阵列参考单元包括读/写控制电路、行地址解码器以及对称分布于所述控制电路两侧的第一MRAM块和第二MRAM块；所述第一MRAM块和所述第二MRAM块均包括列地址解码器和MRAM阵列，所述第一MRAM块和所述第二MRAM块共用所述读/写控制电路；每一个所述MRAM阵列有一行或多行参考单元，每一行所述参考单元中有一个或多个参考字。本发明能够大幅降低参考单元占据的面积，提高芯片面积使用率，并且使用的参考单元数目更少，有助于提高系统的良率。

技术领域

本发明属于半导体芯片存储器领域，尤其涉及一种使用对称阵列参考单元的MRAM芯片。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)是一种新兴的非挥发性存储技术。它拥有高速的读写速度和高集成度，且可以被无限次的重复写入。MRAM可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

MRAM具有很好的经济性和性能，它的单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。MRAM读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好；而且MRAM与标准CMOS半导体工艺兼容，DRAM以及Flash与标准CMOS半导体工艺不兼容；MRAM还可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM基于MTJ(磁性隧道结)结构。由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1所示：下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。前一种情况电阻低，后一种情况电阻高。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。写MRAM使用比较新的STT-MRAM技术使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层平行的方向，自上而下的电路把它置成反平行的方向。

如图2所示，每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个NMOS管组成。NMOS管的门极(gate)连接到芯片的Word Line负责接通或切断这个单元，MTJ和MOS管串接在芯片的BitLine上。读写操作在Bit Line上进行。

如图3所示，一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：

●行地址解码器：把收到的地址变成Word Line的选择

●列地址解码器：把收到的地址变成Bit Line的选择

●读写控制器：控制Bit Line上的读(测量)写(加电流)操作

●输入输出控制：和外部交换数据

MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元的电阻。由于MTJ的电阻会随着温度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态记忆单元作为参考单元。再使用读出放大器(Sense Amplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。

而参考单元也是由普通的记忆单元制成的，像普通的记忆单元一样，它也会有一个分布，这个分布会加大发生读出错误的几率。为了改善这个问题，现有技术参考单元一般由大量的记忆单元并联而成，常用的参考单元布局如图4所示。

●每一行的记忆单元共用一组参考单元

●一组参考单元由大量的(例如16、32)的记忆单元组成

●参考单元将占据阵列的一部分面积

该设计带来的问题如下：