[发明专利]一种磁性随机存储器及其读取方法

说明书

本发明提供一种磁性随机存储器，包括多个由磁电阻存储单元组成的阵列，每个阵列的源线与字线平行，每个阵列还包含了一列参考单元，其中每个与相邻的两条参考位线之一相连，每i条字线对应一条参考字线，参考字线位于i条字线之后，并与对应行上的所有参考单元相连。本发明还提供一种磁性随机存储器的读取方法。本发明提供的磁性随机存储器及其读取方法，通过采用新的参考单元的布局，读取阵列中i行存储单元时，使用相同的i行参考单元的平均值，从而减少了每个阵列中参考单元的个数，改善了小容量磁性随机存储器中参考单元个数与存储单元个数比率过高的问题；能够调整连接到高或低参考位线的参考单元的数量，使中值参考值处于更优的参考点。

技术领域

本发明涉及半导体芯片的存储器领域，具体涉及一种磁性随机存储器及其读取方法。

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。

一个磁性随机存储器是由阵列的磁电阻存储单元组成。每个磁电阻存储单元包含了一个叫磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的结构。磁性隧道结是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。其中一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，另一层铁磁材料则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。磁性隧道结的电阻值取决于这两层铁磁性材料的磁化方向：它们方向一致则磁性隧道结电阻就低，反之磁性隧道结电阻就高。一般高电阻态为逻辑“1”，低电阻态为逻辑“0”。改变记忆层的磁化方向就改变了磁性隧道结的电阻态，而检测磁性隧道结的电阻态就可以知道磁电阻存储单元内的存储内容。

不同的磁性随机存储器采用不同的方法来改变记忆层的磁化方向。第一代场转换磁性随机存储器是用较大电流在磁性隧道结产生磁场来改变记忆层的磁场方向。新的自旋扭矩转换磁性随机存储器(STT MRAM)是使用电流脉冲直接穿过磁性隧道结，电流的方向可以改变记忆层的磁化方向，从而决定了磁性隧道结的电阻态和磁电阻存储单元的逻辑态。这种新型的磁性随机存储器不仅能耗非常低，而且由于所需的转换电流可以随着磁性隧道结的尺寸减小而减小，因此可以适合未来半导体芯片结点尺寸进一步缩小的需求。但是随着磁性随机存储器内的磁性隧道结的数量不断增加，尺寸不断缩小，对制造的工艺要求也越来越高，现有工艺下磁电阻的均匀性也越来越差。

读取磁电阻存储单元的数据，就是要检测其磁性隧道结是处在高电阻态“1”还是低阻态“0”。为了准确区分电阻态，磁性隧道结要求达到高的的磁电阻率(电阻差与低电阻的比值)。一个大容量的磁性随机存储器含有上亿个磁性隧道结，它们的高低阻态分布是一个双钟型曲线，如图1所示。由于磁性隧道结磁电阻率也存在着不均匀性，磁性隧道结高阻态相对与低组态具有更大的标准差，所以这个双钟型曲线并不是以中点阻值左右对称的。

在对应于一定的容错率下，参考的可选择范围如图1所示。

现有的读取技术一般采用以平均中点电阻作为参考来确定待测磁性隧道结的电阻态的方法：平均同一字线上一定数量的高电阻态和一定数量的低阻态磁性隧道结来作为参考电阻与被检测的磁性隧道结电阻相比较。

在典型的磁性隧道结阵列排布方法中，一个字上的各个存储单元物理位置相邻地排布在一个字线行上，并以字为单位组成阵列。参考电阻是一个字上所有磁性隧道结的平均阻值。如果磁性随机存储器一个字为32位，在不考虑ECC的情况下，每个参考电阻是32个磁性隧道结的平均阻值。因此为了降低参考磁性隧道结个数与数据存储单元个数比率，每个参考电阻往往需要被很多个在同一字线行上的字的数据存储单元共用。参考隧道结与待测存储单元距离过远，他们的阻值就会有较大差异而影响准确读取。另一方面，在一些嵌入式的磁性随机存储器的应用中，由于容量较小，在同一字线行上只有很少量字，这种参考电阻布局就使得参考磁性隧道结个数与数据存储单元个数比率非常高，非常不经济。

发明内容