CN110097903B - 使用字内参考单元的mram芯片及其读写方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用字内参考单元的MRAM芯片，其中，包括：存储单元行具有多个字，每个字具有N个比特；所述N个比特中包括多个参考单元、多个普通单元，所述参考单元包括：两基本存储单元，两所述基本存储单元的磁性隧道结互为反相。一种使用字内参考单元的MRAM芯片读写方法，其中，在写入时，在所述参考单元的一基本存储单元中写入比特值，在所述参考单元的另一基本存储单元中写入所述比特值的反相；进行读出操作，比较所述参考单元的两基本存储单元的电阻，确定该比特的值。本发明使用长字，字中的部分比特使用双MTJ编码，同时作为另外的比特的参考，另外的比特仍使用单MTJ。这样有2T2M技术同样的效果，但经济得多。

Description

使用字内参考单元的MRAM芯片及其读写方法
技术领域
本发明涉及一种半导体芯片，尤其涉及一种使用字内参考单元的MRAM芯片及其读写方法。
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
MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元的电阻。由于MTJ的电阻会随着温度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态记忆单元作为参考单元。再使用读出放大器(Sense Amplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。
这种方法在产品的实际使用中遇到了问题：参考单元在出厂后进行一次性的写入配置，之后不再进行写操作，而存储单元在使用过程中除了读，还会不断地被写入，因此，存储单元随着长期的写入操作，其电阻会逐渐缓慢地减小，但是，参考单元的电阻却保持不变。导致长期的使用后，参考电阻发生相对的漂移，少数存储单元会发生读错误。
进一步的，现存一种2T2M的MRAM技术，使用2个MTJ和2个NMOS管，2个MTJ反相：一个高阻另一个低阻，或反之。读出的时候比较二者的电阻决定结果。这样在增加信噪比的同时，不需要外部的参考单元，也就不存在参考单元漂移的问题。然而这种方面付出了面积加倍的代价。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种使用字内参考单元的MRAM芯片，其中，包括：存储单元行具有多个字，每个字具有N个比特；所述N个比特中包括多个参考单元、多个普通单元，所述参考单元包括：两基本存储单元，两所述基本存储单元的磁性隧道结互为反相。
一种使用字内参考单元的MRAM芯片读写方法，其中，在写入时，在所述参考单元的一基本存储单元中写入比特值，在所述参考单元的另一基本存储单元中写入所述比特值的反相；进行读出操作，比较所述参考单元的两基本存储单元的电阻，确定该比特的值。使得参考单元同时具备存储1比特信息的功能。
对所述普通单元进行读出操作，通过所述参考单元进行参考。
对所述参考单元、所述普通单元同时进行写入。
本发明较之于现有技术，有效解决了长时间使用后存储单元与存储单元的写次数不同导致的存储单元电阻变小，参考电阻发生相对漂移，引起错误，而如果采用2T2M方案，虽然解决了这一问题，又会导致面积加倍，成本增加。本发明使用长字，字中的部分比特使用双MTJ编码，同时作为另外的比特的参考，另外的比特仍使用单MTJ。这样有2T2M技术同样的效果，但经济得多。本发明以比较经济的方法彻底解决了参考单元相对漂移的问题。2T2M单元兼职做参考单元，结构上非常巧妙，效果也很理想。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的电路图。
具体实施方式
如图所示，图1是本发明的电路图，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。本发明在上述的电路基础上公开了一种使用字内参考单元的MRAM芯片，其中，包括：存储单元行具有多个字，每个字具有N个比特，具体的，每个字的所有比特都同时进行读写；N个比特中包括多个参考单元(具体可以为K个)、多个普通单元，参考单元包括：两基本存储单元，两基本存储单元的磁性隧道结互为反相(参考单元采用的是2T2M的结构)，在阵列中，不同行的字中的这K个比特占用2K列，普通单元占用N减K个比特。
本发明还公开了一种使用字内参考单元的MRAM芯片读写方法，其中，在写入时，在参考单元的一基本存储单元中写入比特值，在参考单元的另一基本存储单元中写入比特值的反相；进行读出操作，比较参考单元的两基本存储单元的电阻，确定该比特的值。使得参考单元同时具备存储1比特信息的功能。
进一步的，对普通单元进行读出操作，通过参考单元进行参考，在读出这些普通单元的比特时，使用K个参考单元比特的2K个基本存储单元作为参考单元。因为它们永远一半在高阻态一半在低阻态，非常适合做参考单元。
进一步的，对参考单元、普通单元同时进行写入。由于参考单元永远是随着普通单元的这个字一起写的。因此彻底消除了参考单元的相对漂移问题。
在本发明的具体实施过程中，可以采用以下的方案：
1、选择一个字64比特。
2、比特0-7使用2T2M，使用存储单元0和64、1和64、……、7和71。
3、比特8-63使用1T1M，并使用存储单元0-7以及64-71作为参考单元
这样，仅仅增加了8个存储单元，12.5％面积的代价，就解决了参考单元相对漂移的问题。而2T2M需要增加100％的面积。8个存储单元，起到了16个存储单元的作用，精度也相当好。
进一步的，还可以在增加ECC比特，仍然使用同样这一组参考单元。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种使用字内参考单元的MRAM芯片读写方法，其特征在于，包括：存储单元行具有多个字，每个字具有N个比特；所述N个比特中包括多个参考单元、多个普通单元，所述参考单元包括：两基本存储单元，两所述基本存储单元的磁性隧道结互为反相；在写入时，在所述参考单元的一基本存储单元中写入比特值，在所述参考单元的另一基本存储单元中写入所述比特值的反相；进行读出操作，比较所述参考单元的两基本存储单元的电阻，确定该比特的值，使得参考单元同时具备存储1比特信息的功能；对所述普通单元进行读出操作，通过所述参考单元进行参考；对所述参考单元、所述普通单元同时进行写入；选择一个字64比特；比特0-7使用2T2M，使用存储单元0和64、1和64、……、7和71；比特8-63使用1T1M，并使用存储单元0-7以及64-71作为参考单元。
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