CN101847433B - 一种cp构架的磁性随机存储器及其信息读取方法 - Google Patents

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Abstract

一种CP构架的磁性随机存储器及其信息读取方法，属于磁性材料与元器件领域。所述CP构架的磁性随机存储器包括两个相同的CP构架的磁性随机存储器阵列和一个比较器，一个阵列为主磁性随机存储器阵列A1，另一个阵列为存储信息已知的参考磁性随机存储器阵列A2，A1的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的一个输入端；A2的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的另一个输入端。信息读取时，通过比较器输出电平的高低来判断主磁性随机存储器阵列A1中读取单元的信息是否与参考磁性随机存储器阵列A2中相应存储单元所存储的信息一致的方式来读取信息。本发明可在存储密度不变的前提下消除漏电流影响，保证存储单元信息读出的准确率。

Description

一种CP构架的磁性随机存储器及其信息读取方法
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件领域，涉及磁性随机存储器(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)，具体涉及一种交叉点型(Cross-Point，CP)构架MRAM及其信息读取方法。
背景技术
磁性随机存储器(MRAM)是一种基于巨磁电阻效应实现数字信息存储的器件。MRAM由呈阵列分布的信息存储单元构成，每个信息存储单元就是一个磁性隧道结，其基本结构如图1所示，包括偏置层、铁磁层F2、隧穿层和铁磁层F1。磁性隧道结在外加磁场作用下，可实现铁磁层F2和铁磁层F1的磁矩方向相同和相反两种状态：当铁磁层F2和铁磁层F1的磁矩方向相同时，磁性隧道结呈现低阻状态，用于存储信息“0”；当铁磁层F2和铁磁层F1的磁矩方向相反时，磁性隧道结呈现高阻状态，用于存储信息“1”。
由于MRAM基于巨磁电阻效应，只要外磁场不发生变化，存储信息就不会发生改变，因而MRAM在掉电情况下也能保存数据；另外，由于避免了电流的周期性刷新，MRAM的功耗大大低于各种动态随机存储器。因此，以MRAM技术为核心的存储技术，不但能克服动态随机存储器(DRAM)应用中的弊端，成为替代DRAM的最佳方案，而且还兼具了其它存储器，如静态随机存储器(SRAM)速度快、闪存(FLASH)非挥发性等特点，同时还具有能耗低、抗辐射能力强、寿命长、可实现单内存架构等优点，因而成为当前最具发展前途的随机存储技术。
将磁性隧道结信息存储单元组成一个M行N列的平面阵列，每一列磁性隧道结信息存储单元的上端面采用一根字线相互连通，每一行磁性隧道结信息存储单元的下端面采用一根位线相互连通，就构成如图2所示MRAM的基本构架，即交叉点型(Cross-Point，CP)构架。MRAM存储信息的读取是这样的：如对第m行(1≤m≤M)、第n列(1≤n≤N)的单元进行信息读取时，通过第n列字线送入检测电流I，然后通过检测第m行、第n列单元字线和位线之间的电压高低来判断该单元的存储信息(若该单元存储的是“0”，即该单元呈低阻状态，则该单元字线和位线之间的电压为低电压；若该单元存储的是“1”，即该单元呈高阻状态，则该单元字线和位线之间的电压为高电压)。
CP构架的MRAM虽然结构简单，信息存储密度较高，但CP构架的MRAM的位线和字线之间没有做到电气绝缘。在对第m行、第n列的单元信息读取时，如图3所示，检测电流I并非全部从第m行、第n列的单元流过，而是有大部分从其它单元流过，最终又汇聚到第m行位线流出。据文献报道，在一个容量为4k的CP构架MRAM中，该漏电流将高于流过读取单元电流的30倍，从而使读出信号的高阻与低阻态难于判断，无法确定单元存储的是“1”还是“0”。由于漏电流流经的非读取单元网络结构复杂，且对不同的读取单元，漏电流流经的非读取单元网络结构不同，因而无法直接测定该漏电流的大小。根据研究表明只有当隧道结存储单元电阻超过500kΩ且巨磁电阻变化率大于20％时，才能有效抑制由于无电气绝缘所产生的漏电流。在目前能制备的隧道结存储单元上要达到如此高的电阻是非常困难的。
为了解决上述CP构架MRAM在信息读取过程中的误判问题，有人提出了一种称为1T1MTJ构架的MRAM，即在位线和字线之间的每个信息存储单元上串接一个场效应晶体管(MOSFET)开关，使字、位线电气绝缘，以避免在读写过程中电流流过非读写单元造成的损失。但由于在这种结构中每一个存储单元都需要接一个MOSFET，这需要在电路上专门布上感线来控制MOSFET的选通与关断，这增加了布线及工艺制备上的难度。另外，由于在这种构架形式的MRAM中，存储单元大小与DRAM一样都由MOSFET的大小决定，而作为存储单元的隧道结尺寸可做来远比MOSFET小，因而采用1T1MTJ这种读写构架形式不能进一步提高存储密度。
还有人提出在对某存储单元读取的过程中，对其它非读取单元的位线与字线间加以同读取单元相同大小的偏置电压，以保证非读取单元上无漏电流通过(见美国专利US’6317375)。但采取这种方式不但每根字线与位线上需要增加两个解码译码开关，还会造成能源的浪费。
发明内容
本发明提供一种CP构架的磁性随机存储器及其信息读取方法。所提供的CP构架的磁性随机存储器结构简单，可在不降低存储密度的前提下，使读出信号具有更高的准确率，以消除由于存储单元读取时漏电流过大带来的误码率。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种CP构架的磁性随机存储器，如图4所示，包括两个相同的CP构架的磁性随机存储器阵列和一个比较器。所述CP构架的磁性随机存储器阵列由M行字线、N列位线和连接于字线和位线之间的M×N个磁性隧道结信息存储单元构成，每行字线分别通过一个编译码开关接地。其中一个CP构架的磁性随机存储器阵列为主磁性随机存储器阵列A1，用于信息的读写；另一个CP构架的磁性随机存储器阵列为参考磁性随机存储器阵列A2；参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元所存储的信息为已知。主磁性随机存储器阵列A1的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的一个输入端；参考磁性随机存储器阵列A2的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的另一个输入端。
上述CP构架的磁性随机存储器的信息读取方法，包括以下步骤：
步骤1：将检测电流I输入到CP构架的主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a，同时将另一个与检测电流I相同大小的检测电流I’输入到CP构架的参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’；
步骤2：若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息与参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’所存储的信息相反；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息与参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’所存储的信息相同。
实际应用时，参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元均存储信息“0”或均存储信息“1”。当参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元均存储信息“0”时，若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“1”；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“0”。当参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元均存储信息“1”时，若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“0”；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“1”。
本发明在采用这种主存储器A1与参考存储器A2配合读出时，主存储器A1中：电压V1为漏电流在非读取单元上的压降V漏电流与读取单元a上压降V读取之和，即V1＝V漏电流+V读取；参考存储器A2中：电压V2＝V’漏电流+V’读取(V’读取为参考存储器A2中存储单元a’的压降)。由于存储阵列A1与A2完全相同，因而无论读取单元上存储的信号为“0”还是“1”，漏电流流经的非读取单元网络在存储阵列A1和A2上都是完全相同的，因此V漏电流＝V’漏电流。因此利用已知参考阵列A2单元存储的信息，通过V2与V1的差值，即可排除漏电流对读出信号的影响，获得高分辨率的读出信号，避免漏电流过大带来的误码率。
本发明的有益效果是：
本发明采用两个相同的CP构架的磁性随机存储器阵列和一个比较器配合使用，通过两阵列中相对应单元读出电压的差值，消除由于存储单元字、位线间无电气绝缘带来的漏电流影响，保证存储单元信息读出的准确率；同时，主磁性随机存储器阵列和参考磁性随机存储器阵列可背靠背地叠在一起使用，无需额外增加磁性随机存储器阵列的面积，其存储密度可随制备工艺的提高而提升，不受其他器件的限制。
附图说明
图1是MRAM中磁性隧道结信息存储单元的结构示意图。
图2是常规CP构架的MRAM的结构示意图。
图3是常规CP构架的MRAM信息读取示意图。
图4是本发明提供的CP构架的MRAM的结构及信息读取示意图。
具体实施方式
一种CP构架的磁性随机存储器，如图4所示，包括两个相同的CP构架的磁性随机存储器阵列和一个比较器。所述CP构架的磁性随机存储器阵列由M行字线、N列位线和连接于字线和位线之间的M×N个磁性隧道结信息存储单元构成，每行字线分别通过一个编译码开关接地。其中一个CP构架的磁性随机存储器阵列为主磁性随机存储器阵列A1，用于信息的读写；另一个CP构架的磁性随机存储器阵列为参考磁性随机存储器阵列A2；参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元所存储的信息为已知。主磁性随机存储器阵列A1的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的一个输入端；参考磁性随机存储器阵列A2的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的另一个输入端。
上述CP构架的磁性随机存储器的信息读取方法，包括以下步骤：
步骤1：将检测电流I输入到CP构架的主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a，同时将另一个与检测电流I相同大小的检测电流I’输入到CP构架的参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’；
步骤2：若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息与参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’所存储的信息相反；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息与参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’所存储的信息相同。
实际应用时，参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元均存储信息“0”或均存储信息“1”。当参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元均存储信息“0”时，若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“1”；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“0”。当参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元均存储信息“1”时，若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“0”；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“1”。
另外，所述低电平V低可由如下方式确定：首先使主磁性随机存储器阵列A1的所有存储单元和参考磁性随机存储器阵列A2的所有存储单元都存储相同的信息；然后在步骤1的基础上测试所有存储单元下比较器的输出电压值；再求出输出电压值的统计平均值
Figure GSA00000077486100051
最后确定低电平V低确定为
Figure GSA00000077486100052
所述高电平V高可由如下方式确定：首先使主磁性随机存储器阵列A1的所有存储单元和参考磁性随机存储器阵列A2的所有存储单元都存储相反的信息；然后在步骤1的基础上测试所有存储单元下比较器的输出电压值；再求出输出电压值的统计平均值
Figure GSA00000077486100053
最后确定高电平V高确定为
Figure GSA00000077486100054

Claims (7)

1.一种CP构架的磁性随机存储器，包括两个相同的CP构架的磁性随机存储器阵列和一个比较器；所述CP构架的磁性随机存储器阵列由M行字线、N列位线和连接于字线和位线之间的M×N个磁性隧道结信息存储单元构成，每行字线分别通过一个编译码开关接地；
其特征在于，
其中一个CP构架的磁性随机存储器阵列为主磁性随机存储器阵列A1，用于信息的读写；
另一个CP构架的磁性随机存储器阵列为参考磁性随机存储器阵列A2；参考磁性随机存储器阵列A2的所有磁性隧道结信息存储单元所存储的信息为已知且存储信息均相同；主磁性随机存储器阵列A1的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的一个输入端；参考磁性随机存储器阵列A2的每列位线分别通过一个编译码开关接所述比较器的另一个输入端。
2.根据权利要求1所述的CP构架的磁性随机存储器，其特征在于，所述CP构架的参考磁性随机存储器阵列的M×N个磁性隧道结信息存储单元所存储的信息均为“1”。
3.根据权利要求1所述的CP构架的磁性随机存储器，其特征在于，所述CP构架的参考磁性随机存储器阵列的M×N个磁性隧道结信息存储单元所存储的信息均为“0”。
4.根据权利要求1所述的CP构架的磁性随机存储器的信息读取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将检测电流I输入到CP构架的主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a，同时将另一个与检测电流I相同大小的检测电流I’输入到CP构架的参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’；
步骤2：若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息与参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’所存储的信息相反；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息与参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’所存储的信息相同。
5.根据权利要求2所述的CP构架的磁性随机存储器的信息读取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将检测电流I输入到CP构架的主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a，同时将另一个与检测电流I相同大小的检测电流I’输入到CP构架的参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’；
步骤2：若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“0”；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“1”。
6.根据权利要求3所述的CP构架的磁性随机存储器的信息读取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将检测电流I输入到CP构架的主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a，同时将另一个与检测电流I相同大小的检测电流I’输入到CP构架的参考磁性随机存储器阵列A2中第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a’；
步骤2：若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为高电平V高时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“1”；若比较器的输出信号的幅度|V2-V1|为低电平V低时，则主磁性随机存储器阵列A1中需要读取信息的第m行、第n列磁性隧道结信息存储单元a所存储的信息为“0”。
7.根据权利要求4至6中任一CP构架的磁性随机存储器的信息读取方法，其特征在于，所述低电平V低由如下方式确定：首先使主磁性随机存储器阵列A1的所有存储单元和参考磁性随机存储器阵列A2的所有存储单元都存储相同的信息；然后在步骤1的基础上测试所有存储单元下比较器的输出电压值；再求出输出电压值的统计平均值
Figure FSB00000887675800021
最后确定低电平V低确定为
所述高电平V高由如下方式确定：首先使主磁性随机存储器阵列A1的所有存储单元和参考磁性随机存储器阵列A2的所有存储单元都存储相反的信息；然后在步骤1的基础上测试所有存储单元下比较器的输出电压值；再求出输出电压值的统计平均值
Figure FSB00000887675800023
最后确定高电平V高确定为
Figure FSB00000887675800024
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