[发明专利]一种具有写状态检测单元的MRAM存储器件

说明书

本发明公开了一种具有写状态检测单元的MRAM存储器件，所述MRAM存储器件包括MRAM存储单元、写状态检测单元，所述MRAM存储单元至少包括第一和第二磁性隧道结以及耦合到第一和第二磁性隧道结的MOS管，其中第一和第二磁性隧道结中的一个具有相对于读取和写入的电流路径的参考和记忆层的正常顺序，另一个磁性隧道结具有相对于读取和写入的电流路径的参考层和记忆层的相反顺序；所述第一和第二磁性隧道结一端分别与第一位线和第二位线相连，另一端连接MOS管；所述写状态检测单元包括检测点、比较器，所述写状态检测单元适用于检测MRAM存储单元的状态转换，并根据检测结果提前终止写操作。

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，尤其涉及一种具有写状态检测单元的MRAM存储器件。

背景技术

本发明的背景是MRAM制造技术已经成熟，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(MagneticRandom Access Memory)，MRAM是一种非易失性磁性随机存储器，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)它的性能相当好，读写时延接近SRAM，功耗则比闪存低得多。(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。

目前接近量产的各个厂家的MRAM技术，虽然读写功耗都比闪存低很多，但写入功耗仍然比较大，写电流偏高，如果取代DRAM或者SRAM还不太理想。特别是，现在的写入技术，能量的浪费非常之大：

1.如果需要在某个比特写1，该比特有一半的可能性已经是一个1，不需要再耗费能量了。然而写电路无法知道该比特之前的状态，所以无论之前的状态是1还是0，一个常见的作法是作一次写操作。在统计学的意义上，一半的能量就这样浪费了。

2.写入操作是给一个比特施加一个电脉冲，脉冲必须维持一个特定的长度，才能把错误率控制在可接受的范围内。例如对于实际中的一个1兆比特阵列，写脉冲的长度可能需要30纳秒才能把错误率控制在百万分之一以内，但其实在10纳秒的时间内，超过90％的比特已经完成了写操作。但随机地，可能有百万分之一的比特需要30纳秒才能完成写操作，写电路并不知道每一个比特需要的写入时间，只能把脉冲时间延长到最保守情况。这样，即使对于需要进行写操作的绝大部分比特，2/3甚至更多的能量是浪费的。

为了减少写入能量浪费，业界已经开始研究写入状态检测电路，能够在进行写操作的同时检测被写入比特的状态，一旦检测到该比特的状态已经到达目标值，立即终止写操作。这样的写入状态检测电路，能够大幅度降低写功耗。美国专利US20180061466有提出如下技术：

1.在MRAM中增加一个写状态检测电路，当检测到被写入的比特已经达到目标状态时，提前终止写操作。

2.需要一个参考单元，具有一个参考电阻。

3.写检测电路，通过比较被写入单元的电阻和参考电阻，决定它当时的状态。

4.具体的实施方法，是给参考单元施加被写入单元同样的电压，比较写入回路上相同的一个点的电位。被写入单元的电阻不同，必然导致电路分压不同，造成被检测点上电位的变化。

该美国专利的写状态检测电路是针对最基本的MRAM存储单元即由1个MTJ与1个MOS管组成的MRAM单元(以下简称为1T1M的MRAM存储单元)，而对于2个MTJ与2个MOS管相连的MRAM单元(以下简称为2T2M的MRAM存储单元)如何做写状态检测，仍然是一个未解决的问题。