磁性随机存储器的读出电路制造技术

一种磁性随机存储器(MRAM)的读出电路，用于读取磁性随机存储器磁性存储单元信息的前级读出电路，读通路负载管用以提供读操作的基准电流至待测的磁性存储单元；存取晶体管串联连接所述读通路负载管，存取晶体管另一端电性连接磁性隧道结的一端，且在给定的字线电压偏置下，所述存取晶体管被设置于饱和区，形成共栅极放大器。藉此所述读通路负载管与存取晶体管连接节点形成放大输出的读取电压，所述读取电压和参考电压一起作为读通路下一级电压灵敏放大器的输入。这样减少了前级读通路所用到的晶体管数目，减小了芯片的整体面积。同时该读出电路的设计也减少了读通路上的元器件占用的电源电压余量，从而降低了可工作电压。从而降低了可工作电压。从而降低了可工作电压。

【技术实现步骤摘要】
磁性随机存储器的读出电路


[0001]本专利技术涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种用于读取磁性随机存储器磁性存储单元信息的读出电路前级设计方案。

技术介绍

[0002]近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic RadomAccess Memory，MRAM)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，磁性自由层可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性参考层(Reference Layer，RL)位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
[0003]为能在这种磁电阻组件中记录信息，使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或“1”和“0”。
[0004]磁性随机存储器(MRAM)作为一种非易失性存储器应用于电子设备的集成电路中，并提供数据存储功能，其中数据通过编程作为MRAM位单元的一部分的磁性隧道结(MTJ)来存储。磁性随机存储器(MRAM)的优点在于，即使在断电状态下，磁性隧道结(MTJ)的位单元仍可以正常保持所存储的信息，这是因为，数据作为磁性元件存储在磁性隧道结(MTJ)中。
[0005]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，自上而下的电流把它置成反平行的方向。
[0006]最基本的磁性随机存储器(MRAM)单元，由一个磁性隧道结(MTJ)和一个存取晶体管组成。存取晶体管的栅极(Gate)连接到芯片的字线(Word Line，WL)负责接通或切断这个存取晶体管，磁性隧道结(MTJ)和存取晶体管串接在芯片的位线(Bit Line，BL)上，读写操作在位线(BL)上进行。存取晶体管的源极(Source)接在芯片的源极线(Source Line，SL)上。
[0007]一个磁性随机存储器(MRAM)芯片由一个或多个磁性随机存储器(MRAM)存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如行地址解码器用以把收到的地址变成字线(WL)的选择，列地址解码器用以将收到的地址变成位线(BL)的选择，读写控制器用以控制位线(BL)上的读(测量)写(加电流)操作，输入输出控制用以和外部交换数据。现有技术大多读写电路是独立分开的，读取和写入操作时分别采用不同的电路设计。
[0008]MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元MTJ的电阻。由于MTJ的电阻随着温度等而漂移，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(SenseAmplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。
[0009]MRAM的读出过程是对存储单元电阻的检测和比较。一般通过多个参考单元组合成为一个标准电阻来和存储单元(MTJ)进行比较来判定存储单元(MTJ)是处于高阻态还是低阻态。
[0010]读出电路分为前后两个部分，前级首先把两个电阻(待测存储单元电阻和参考标准电阻)的差转变为一个模拟电压信号。如图1为典型磁性随机存储器的读出电路前级示意图，其来自美国专利US08693273。电路设计中，作为电流源工作的读通路负载管P1、P2和P3是相同的PMOS管形成电流镜，对每一路提供相同的读电流I
read
。钳位晶体管N1、N2和N3是相同的NMOS管，将电阻的差值放大并转换为电压差值V
sense-V
ref
，作为读出电路后级读出放大器(Sense Amplifier)的输入。其中钳位电压V
clamp
用来控制N1、N2和N3等NMOS管的电阻，从而保护存储参考单元MTJ
REF_AP
及MTJ
REF_P
不被施加高电压影响稳定性，一般采用固定电压。存取晶体管N4，N5和N6是同样的NMOS管用来选通或者断开对指定存储单元MTJ、MTJ
REF_AP
及MTJ
REF_P
的访问。图1中的实施例是一路存储单元，对比一路置于P状态(低阻态)的参考单元和一路AP状态(高阻态)下的参考单元MTJ
REF_P
及MTJ
REF_AP
。实际使用中可以有多路存储单元对比并联的m路AP状态和n路P状态的参考单元。
[0011]读出电路的后级则是把前一级输出的模拟信号进一步放大为数字信号。为了提高磁性随机存储器(MRAM)的良率，后级放大器一般使用差分放大器，用于分辨由前级输出微小的电压信号差，以便能正确读出少数离中心值偏离比较大的存储单元。
[0012]但即使使用差分放大器，由于制造工艺难免有元器件偏差，造成前级读通路输出信号自身的偏差，继而导致读取单元存储状态错误的发生。这个偏差主要由于制造工艺在钳位晶体管(如图1中的N1、N2和N3)上的偏差造成。为了减小偏差，往往将这些MOS晶体管做的很大，占用芯片面积，增加了成本。
[0013]另一方面，在已知设计中，钳位晶体管N1、N2和N3(NMOS)被设置工作在饱和放大区。MOS晶体管源漏极之间的偏压V
ds
至少需要大于其过驱动电压V
d,SAT.
。这样占用了一定的电源电压余量，提高了电路对工作电压的要求。

技术实现思路

[0014]为了解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种磁性随机存储器(MRAM)的读出电路，利用存储单元自身存取晶体管的信号放大特性，放大并读取待测存储单元的状态。从而以更小的电路面积，在更低的可工作电压下，实现对存储单元的读取操作。
[0015]本申请的目的及其所解决的技术问题，是采用以下技术方案来实现的。一种磁性随机存储器的读出电路，用于读取磁性随机存储器磁性存储单元信息的前级读出电路，所述磁性存储单元包括磁性隧道结和存取晶体管，其特征在于，一读通路负载管用以提供读操作的基准电流至待测的磁性存储单元；所述磁性存储单元的存取晶体管串联连接所述读通路负载管，存取晶体管另一端电性连接磁性隧道结的一端，且在给定的字线电压偏置下，所述存取晶体管被设置于饱和区，形成共栅极放大器。藉此所述读通路负载管与存取晶体管连接节点形成放大输出的读取电压，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性随机存储器的读出电路，用于读取磁性随机存储器磁性存储单元信息的前级读出电路，所述磁性存储单元包括磁性隧道结和存取晶体管，其特征在于，一读通路负载管用以提供读操作的基准电流至待测的磁性存储单元；所述磁性存储单元的存取晶体管串联连接所述读通路负载管，存取晶体管另一端电性连接磁性隧道结的一端，且在给定的字线电压偏置下，所述存取晶体管被设置于饱和区，形成共栅极放大器。藉此所述读通路负载管与存取晶体管连接节点形成放大输出的读取电压；所述读取电压和参考电压一起作为读通路下一级电压灵敏放大器的输入。2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述读通路负载管为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。3.根据权利要求1所述的读出电路，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾，朱怡皓，
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：