[发明专利]一种磁存储器及其写状态检测方法

说明书

本发明提供了一种磁存储器及其写状态检测方法，该磁存储器包括：高阻态写参考单元，用于提供判断存储单元是否处于高阻态的参考信号；低阻态写参考单元，用于提供判断存储单元是否处于低阻态的参考信号；写入状态检测单元，用于接收高阻态写参考单元和低阻态写参考单元的输出信号以及各存储单元写入回路中的相应检测信号；当进行置为高阻态的写入操作时，写入状态检测单元将存储单元的检测信号与高阻态写参考单元提供的信号进行比较，当判定存储单元已处于高阻态时，发出终止写信号；当进行置为低阻态的写入操作时，写入状态检测单元将存储单元的检测信号与低阻态写参考单元提供的信号进行比较，当判定存储单元已处于低阻态时，发出终止写信号。

技术领域

本发明涉及半导体芯片领域，其最重要的应用在于对待机功耗要求很严格的物联网和可穿戴电子设备等领域，尤其涉及一种磁存储器及其写状态检测方法。

背景技术

近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的磁电阻效应做成磁性随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。相比于现有的存储器，它的优势包括：(1)它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。(2)它的功耗在各种内存和存储器件中最优，待机功耗显著优于需要不断刷新的DRAM，写入功耗与Flash相比同样也是优势巨大。(3)它的经济性非常好，单位容量占用的硅片面积非常小，比SRAM有很大的优势；其制造工艺中需要的附加光罩数量较少，比嵌入式NOR Flash的成本优势更大。(4)MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

铁磁性MTJ通常为三明治结构，如图1所示，其中有记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当记忆层与参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，MTJ的电阻态也相应分别为低阻态或高阻态。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用目前比较新的STT-MRAM(Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。以图1中结构为例，一个自下而上的电流把记忆层的磁化方向置成与参考层的磁化方向平行，一个自上而下的电流把记忆层的磁化方向置成与参考层的磁化方向反平行。

如图2所示，每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成。MOS管的Gate(栅极)连接到芯片的Word Line(字线)负责接通或切断这个单元，MTJ和MOS管串接在芯片的Bit Line(位线)上，读写操作在Bit Line和Source Line(源极线)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；

输入输出控制器：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，如图4所示。