[发明专利]MRAM芯片

说明书

本发明公开了一种MRAM芯片，其中，MRAM阵列包括多个子阵列，所述子阵列包括一公共源线连接到所有单元，和连接每一列的多条位线；每一所述位线连接第一传输门、第二传输门；所述第一传输门连接所述公共源线，所述第二传输门连接公共位线；所述预解码器包括：多根地址线输入、与所述位线数量匹配的选择信号及其反相信号的输出；所述选择信号及其反相信号输出端连接到每一个子阵列相应的位线所对应的第一传输门、第二传输门，控制所述第一传输门、所述第二传输门任一打开，另一关闭。通过预解码器的控制，使得一个阵列每次只写一个比特，不再需要高电压、负电压，设计简单能耗降低。

技术领域

本发明涉及一种半导体芯片，尤其涉及一种MRAM芯片。

背景技术

MRAM是一种新的内存和存储技术，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。

它的经济性想当地好，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。它的性能也相当好，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。

MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它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。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。使用比较新的STT-MRAM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。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。

每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成。MOS管的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Bit Line上。读写操作在Bit Line上进行。

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。

当前，采用BL和SL垂直的布局，有利于缩小每个存储单元所占的芯片面积，降低成本。写入时操作稍复杂：把一个字线的电位拉高打开这一行，并把这一行的源极线置于一个中间电位。然后根据每一个单元写入0或1的需求，分别在位线上加高或者低电位。低电位有可能是负电压。

BL和SL垂直的布局方案虽然可以降低成本，但有着以下两个问题:

1、因为写入时要求在存储单元上有一个固定的电压降，这种方法所需要的高电位和低电位的电压差，是BL和SL平行方案的两倍。芯片要求使用外部不能提供的高电压，或者负电压。这两种情况都需要在内部设计电路产生不同的电压，电压转换带来用电效率的降低和额外的成本。

2、写入时，整个一行所需要的电流，都从同一根Bit Line上流入。在设计中常常由于SL源极线宽度不够带来困难。

发明内容