[发明专利]一种MRAM芯片

说明书

技术领域

本发明属于半导体芯片领域，具体涉及一种MRAM芯片。

背景技术

关于MRAM：

本发明的背景是MRAM技术的成熟。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：

MRAM的原理，是基于一个叫做磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)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。如图：

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同向或反向。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。磁化方向可以和固定磁化层同向为低电阻态，如图1所示；磁化方向可以和固定磁化层反向为高电阻态，如图2所示。

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同向，自上而下的电路把它置成反向。

MRAM的架构

每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成，MOS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单元，MTJ和MOS管串接在芯片的位线(Bit Line，BL)上，读写操作在位线上进行，如图3所示。

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：把收到的地址变成字线的选择

●列地址解码器：把收到的地址变成位线的选择

●读写控制器：控制位线上的读(测量)写(加电流)操作

●输入输出控制：和外部交换数据

MRAM阵列布局

MRAM芯片的核心部分是存储单元阵列，阵列有着不同的布局方法：

(1)位线与源极线(Source Line，SL)平行布局

一个阵列中的字线和位线一定是垂直的，如图5所示，其中WL是字线，SL是源极线，BL是位线。位线和源极线平行，写操作比较容易，字线拉高打开一行存储单元，然后根据每一个单元写入0或1的需求，分别在位线或源极线上加高电位。

这种方法虽然简单，但布板通常占用比较大的面积，芯片成本高。

(2)位线与源极线垂直布局

如图6所示，位线和源极线垂直的布局，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。

位线与源极线垂直布局方案虽然能够降低成本，但存在以下两个问题：

·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，是位线与源极线平行布局方案的两倍，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，电压转换会带来用电效率的降低和额外的成本；

·写入时整个一行所需要的电流，都从同一根位线上流入，在设计中常常由于源极线宽度不够带来困难。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种MRAM芯片，位线与源极线垂直，每个字中的每个比特分别存储在多个阵列中，由于一个阵列每次只写一个比特，不再需要高电压或负电压，使得阵列设计简单且能耗降低，解决了源极线供电不足的问题。

本发明提供一种MRAM芯片，包括多个由MRAM存储单元组成的阵列，每个阵列采用位线和源极线垂直的布局，每个字中的比特分别存储在不同的阵列中，每一个阵列存储一个比特。

进一步地，每个阵列包括一个读出放大器，阵列中同一行的所有位线共享读出放大器。

进一步地，阵列中相邻的两行共享一根源极线。