[发明专利]一种MRAM读出电路

说明书

本发明公开了一种MRAM读出电路，包括由PMOS管P和电容C组成的电阻基准单元、选择开关组K1、开关K2、比较器和校准电路。进行读操作时，选择开关组K1连接PMOS管P的漏极和被读存储单位以及所述比较器的输入端，并在所述被读存储单元和所述电阻基准单元两端分别加电压Vb和Vb+V_read；所述比较器的另外一个输入为参考电压V_ref，比较器输出读的结果。本发明使用一个PMOS管作为电阻基准进行读操作，通过校准电路调整PMOS管的栅极电压使其电阻精准，大幅减少了占用的芯片面积。此外使用低压V_read(300‑400mV)进行读操作，大大降低了读功耗。

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MRAM读出电路。

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。

MRAM的读出过程是对存储单元电阻的检测和比较。一般通过参考单元组合成一个标准电阻来和存储单元进行比较来判定存储单元是处在高阻态还是低阻态。

图4是现有技术的一种MRAM读出电路原理图，图4所示的P1、P2、P3是相同PMOS管，形成电流镜，上面的每一路的电流是相等的(I_read)。电阻的差别造成V_out和V_out_n的差别，被输入到下一级的比较器产生输出。图4中的例子是一路存储单元，对比一路置于P状态的参考单元和一路AP状态下的参考单元。实际使用中可以有多路存储单元对比m路AP和n路P参考单元。