一种非对称磁性随机存储器及其磁性记忆单元读取方法技术

本发明专利技术提供一种非对称磁性随机存储器，包括多个磁性记忆单元构成的阵列，磁性记忆单元包括非对称磁性隧道结，非对称磁性隧道结的低阻态到高阻态的转换电流的绝对值小于高阻态到低阻态的转换电流的绝对值，非对称磁性随机存储器还包括自参照读取模块，自参照读取模块用于根据磁性记忆单元的非对称磁性隧道结改变为高阻态的状态电压，利用非对称性读取磁性记忆单元的逻辑状态。本发明专利技术还提供一种非对称磁性随机存储器的磁性记忆单元读取方法。本发明专利技术提供的非对称磁性随机存储器及其磁性记忆单元读取方法,利用非对称磁性隧道结的磁电阻偏压依赖性，能够低能耗且更准确获取非对称磁性隧道结的状态，实现自参照的数据读取，解决了读取数据对参考电阻的标准差分布要求苛刻的而导致读取错误率高的问题。

An asymmetric magnetic random access memory and its magnetic memory cell reading method

The present invention provides an asymmetrical magnetic random access memory array, including a plurality of magnetic memory elements, magnetic memory unit includes a non symmetric magnetic tunnel junction, asymmetric low resistance magnetic tunnel junctions to the absolute value of the conversion of the high resistance state current is less than a high resistance state to the absolute value of the current state of low resistance conversion non symmetric magnetic random access memory, also includes a self reference reading module, self reference reading module according to the asymmetric magnetic tunnel junction magnetic memory unit for changing state voltage high resistance state, using asymmetric magnetic read memory unit logic state. The invention also provides a magnetic memory unit reading method for asymmetric magnetic random access memory. The invention provides a non symmetrical magnetic random access memory and a magnetic memory cell reading method, using the asymmetric magnetic tunnel junction magnetoresistance bias voltage dependence, low energy consumption and can obtain more accurate state of asymmetric magnetic tunnel junctions, read self reference data, solves the problem of reference resistance standard read data difference distribution demanding due to the high rate of read error.

【技术实现步骤摘要】
一种非对称磁性随机存储器及其磁性记忆单元读取方法
本专利技术涉及半导体芯片的存储器领域，具体涉及一种非对称磁性随机存储器及其磁电阻记忆单元读取方法。
技术介绍
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性记忆单元组成。每个磁性记忆单元包含了一个叫磁性隧道结(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性记忆单元内的存储内容。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(STTMRAM)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性记忆单元的逻辑态。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。读取磁电阻记忆单元的数据，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，如果它们的电阻值分布的标准差高，磁电阻率低，那就会不可避免的会使高阻态分布和低阻态分布存在交叠，如图1所示。现有的读取技术一般采用以固定中点电阻作为参照来确定磁性隧道结的电阻态的方法：平均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中点电阻与被检测的磁性隧道结电阻相比较。但是由于磁性隧道结的材料和制造工艺的限制，一方面磁电阻率很难大幅度提高，另一方面高容量存储器电阻标准差增大，加剧了高阻态分布和低阻态分布的交叠。即使他们的交叠为零，他们之一也会与中点参照电阻的分布有重叠。分布间的重叠就会导致不可能成功地区分所有记忆单元的阻态而产生读取错误。以被读取的磁性记忆单元本身的磁性隧道结为参照的读取方法被称作自参照读取。现有的自参照方法一般过程冗长或信号微弱，有的还需要调节各种参数，牺牲了读取数据的速度增加了存储器的延迟时间。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种非对称磁性随机存储器，利用非对称磁性隧道结的磁电阻偏压依赖性，能够低能耗且更准确获取非对称磁性隧道结的状态，实现自参照的数据读取，解决了读取数据对参考电阻的标准差分布要求苛刻的而导致读取错误率高的问题。本专利技术还提供一种非对称磁性随机存储器的磁性记忆单元读取方法。非对称磁性隧道结的磁电阻具有偏压依赖性，磁性隧道结的偏压依赖性与其材料，尤其是其参考层的材料密切相关。通过改变参考层的材料或者薄膜厚度，使得磁性隧道结电阻电流回路不再对称，成为非对称磁性隧道结。非对称磁性隧道结的磁电阻的值随着偏压绝对值(或加载电流的绝对值)的增大而减小，而且变化的幅度在高阻态时尤为剧烈。本专利技术中所采用的非对称磁性隧道结，其电阻电流回路如图2所示，其中，IC1为高阻态到低阻态的转换电流，IC2为低阻态到高阻态的转换电流，具有较小的低阻态到高阻态的转换电流，也就是∣IC2∣<∣IC1∣，而且高阻态时从低阻态到高阻态的转换的一侧有较大的斜率。因此，非对称磁性隧道结在高阻态的时候，施加不同大小、方向的电流可以检测到差别更大的磁电阻的值，而它们的磁电阻的值又会大大高于低阻态的磁电阻的值；同时由于∣IC2∣较小，能够施加更小的电流就可以将非对称磁性隧道结从低阻态改变到高阻态，因而能够减小能耗。具体地，如图2所示，非对称磁性隧道结当前为高阻态时，施加读电流I1，∣I1∣<∣IC1∣，而方向为将非对称磁性隧道结改变为低阻态的电流方向，非对称磁性隧道结的状态不会发生改变，磁电阻的值为R1H，施加写电流I2，I2>IC2，将非对称磁性隧道结改变为高阻态；磁电阻的值为R2，R1H明显大于R2。由于是非对称磁性隧道结的高阻态时从低阻态到高阻态的转换的一侧有较大的斜率，施加方向为将非对称磁性隧道结改变为低阻态的电流方向的读电流I1，使得R1H与R2的差值更大，能够更准确地获得非对称磁性隧道结的状态，从而更准确地得到磁性记忆单元的逻辑状态。非对称磁性隧道结当前为低阻态时，施加电流I1，磁电阻的值为R1L，R1H与R2明显大于R1L。本专利技术提供一种非对称磁性随机存储器，包括多个磁性记忆单元构成的阵列，所述磁性记忆单元包括非对称磁性隧道结，非对称磁性隧道结的低阻态到高阻态的转换电流的绝对值小于高阻态到低阻态的转换电流的绝对值，非对称磁性随机存储器还包括自参照读取模块，自参照读取模块用于根据非对称磁性隧道结改变为高阻态的状态电压，利用非对称性读取磁性记忆单元的逻辑状态。进一步地，自参照读取模块包括状态获取缓存模块、高阻态状态获取模块以及比较器，状态获取缓存模块用于获取并缓存磁性记忆单元的非对称磁性隧道结的第一状态的电压，第一状态为非对称磁性隧道结的当前状态；高阻态状态获取模块用于读取第二状态的电压，第二状态为非对称磁性隧道结改变为高阻态的状态；比较器用于比较第一状态的电压与第二状态的电压的绝对值。进一步地，状态获取缓存模块包括读电流驱动器与电压获取缓存电路，读电流驱动器用于向非对称磁性隧道结施加读电流，读电流的方向为将非对称磁性隧道结改变为低阻态的电流方向，读电流的绝对值小于低阻态到高阻态的转换电流的绝对值，电压获取缓存电路用于获取并缓存非对称磁性隧道结的第一状态电压。进一步地，状态获取缓存模块的电压获取缓存电路包括反相器，或者高阻态状态获取模块的电压获取电路包括反相器。进一步地，高阻态状态获取模块包括写电流驱动器与电压获取电路，写电流驱动器用于向非对称磁性隧道结施加第一写电流，第一写电流将非对称磁性隧道结改变为高阻态，电压获取电路用于获取非对称磁性隧道结的第二状态的电压。进一步地，电压获取电路还包括分压电路，用于调整第二状态的电压。进一步地，分压电路的分压电阻具有以下关系：RD/(RD+RU)＝|I1/I2|其中，RD、RU为分压电阻，I1为读电流，I2为第一写电流。本专利技术还提供一种上述非对称磁性随机存储器的磁性记忆单元读取方法，包括以下步骤：(1)状态获取缓存模块向非对称磁性隧道结施加读电流，读电流的方向为将所述非对称磁性隧道结改变为低阻态的电流方向，读电流的绝对值小于低阻态到高阻态的转换电流的绝对值，获取磁性记忆单元的非对称磁性隧道结的第一状态的电压，并缓存；(2)高阻态状态获取模块获取磁性记忆单元的非对称磁性隧道结的第二状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非对称磁性随机存储器，包括多个磁性记忆单元构成的阵列，其特征在于，所述磁性记忆单元包括非对称磁性隧道结，所述非对称磁性隧道结的低阻态到高阻态的转换电流的绝对值小于高阻态到低阻态的转换电流的绝对值，非对称磁性随机存储器还包括自参照读取模块，所述自参照读取模块用于根据非对称磁性隧道结改变为高阻态的状态电压，利用非对称性读取所述磁性记忆单元的逻辑状态。

【技术特征摘要】
1.一种非对称磁性随机存储器，包括多个磁性记忆单元构成的阵列，其特征在于，所述磁性记忆单元包括非对称磁性隧道结，所述非对称磁性隧道结的低阻态到高阻态的转换电流的绝对值小于高阻态到低阻态的转换电流的绝对值，非对称磁性随机存储器还包括自参照读取模块，所述自参照读取模块用于根据非对称磁性隧道结改变为高阻态的状态电压，利用非对称性读取所述磁性记忆单元的逻辑状态。2.如权利要求1所述的非对称磁性随机存储器，其特征在于，所述自参照读取模块包括状态获取缓存模块、高阻态状态获取模块以及比较器，所述状态获取缓存模块用于获取并缓存磁性记忆单元的非对称磁性隧道结的第一状态的电压，所述第一状态为非对称磁性隧道结的当前状态；所述高阻态状态获取模块用于读取第二状态的电压，所述第二状态为所述非对称磁性隧道结改变为高阻态的状态；所述比较器用于比较所述第一状态的电压与所述第二状态的电压的绝对值。3.如权利要求2所述的非对称磁性随机存储器，其特征在于，所述状态获取缓存模块包括读电流驱动器与电压获取缓存电路，所述读电流驱动器用于向非对称磁性隧道结施加读电流，所述读电流的方向为将所述非对称磁性隧道结改变为低阻态的电流方向，所述读电流的绝对值小于低阻态到高阻态的转换电流的绝对值，所述电压获取缓存电路用于获取并缓存所述非对称磁性隧道结的第一状态电压。4.如权利要求3所述的非对称磁性随机存储器，其特征在于，所述高阻态状态获取模块包括写电流驱动器与电压获取电路，所述写电流驱动器用于向非对称磁性隧道结施加第一写电流，所述第一写电流将所述非对称磁性隧道结改变为高阻态，所述电压获取电路用于获取所述非对称磁性隧道结的第二状态的电压。5.如权利要求4所述的非对称磁性随机存储器，其特征在于，所述状态获取缓存模块的电压获取缓存电路包括反相器，或者所述高阻态状态获取模块的电压获取电路包括反相器。6.如权利要求4所述的非对称磁性随机存储器，其特征在于，所述电压获取电路还包括分压电路，用于调整所述第二状态的电压。7.如权利要求6所述的非对称磁性随机存储器，其特征在于，所述分压电路的分压电阻具有以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞华樑，陈峻，郭一民，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31