本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片的存儲器領(lǐng)域，具體涉及一種非對稱磁性隨機(jī)存儲器及其磁電阻記憶單元讀取方法。

背景技術(shù)：

磁性隨機(jī)存儲器(mram)是一種新興的非揮發(fā)性存儲技術(shù)。它擁有高速的讀寫速度和高集成度，且可以被無限次的重復(fù)寫入。

一個磁性隨機(jī)存儲器是由陣列的磁性記憶單元組成。每個磁性記憶單元包含了一個叫磁性隧道結(jié)(mtj)的結(jié)構(gòu)。磁性隧道結(jié)是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料組成的。其中一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層，另一層鐵磁材料則是可變磁化方向的記憶層，它的磁化方向可以和固定磁化層相平行或反平行。磁性隧道結(jié)的電阻值取決于這兩層鐵磁性材料的磁化方向：它們方向一致則磁性隧道結(jié)電阻就低，反之磁性隧道結(jié)電阻就高。一般高電阻態(tài)為邏輯“1”，低電阻態(tài)為邏輯“0”。改變記憶層的磁化方向就改變了磁性隧道結(jié)的電阻態(tài)，而檢測磁性隧道結(jié)的電阻態(tài)就可以知道磁性記憶單元內(nèi)的存儲內(nèi)容。

不同的磁性隨機(jī)存儲器采用不同的方法來改變記憶層的磁化方向。第一代場轉(zhuǎn)換磁性隨機(jī)存儲器是用較大電流在磁性隧道結(jié)產(chǎn)生磁場來改變記憶層的磁場方向。新的自旋扭矩轉(zhuǎn)換磁性隨機(jī)存儲器(sttmram)是使用電流脈沖直接穿過磁性隧道結(jié)，電流的方向可以改變記憶層的磁化方向，從而決定了磁性隧道結(jié)的電阻態(tài)和磁性記憶單元的邏輯態(tài)。這種新型的磁性隨機(jī)存儲器不僅能耗非常低，而且由于所需的轉(zhuǎn)換電流可以隨著磁性隧道結(jié)的尺寸減小而減小，因此可以適合未來半導(dǎo)體芯片結(jié)點(diǎn)尺寸進(jìn)一步縮小的需求。但是隨著磁性隨機(jī)存儲器內(nèi)的磁性隧道結(jié)的數(shù)量不斷增加，尺寸不斷縮小，對制造的工藝要求也越來越高，現(xiàn)有工藝下磁電阻的均勻性也越來越差。

讀取磁電阻記憶單元的數(shù)據(jù)，就是要檢測其磁性隧道結(jié)是處在高電阻態(tài)“1”還是低阻態(tài)“0”。為了準(zhǔn)確區(qū)分電阻態(tài)，磁性隧道結(jié)要求達(dá)到高的的磁電阻率(電阻差與低電阻的比值)。一個大容量的磁性隨機(jī)存儲器含有上億個磁性隧道結(jié)，如果它們的電阻值分布的標(biāo)準(zhǔn)差高，磁電阻率低，那就會不可避免的會使高阻態(tài)分布和低阻態(tài)分布存在交疊，如圖1所示。

現(xiàn)有的讀取技術(shù)一般采用以固定中點(diǎn)電阻作為參照來確定磁性隧道結(jié)的電阻態(tài)的方法：平均一定數(shù)量的高電阻態(tài)和一定數(shù)量的低阻態(tài)磁性隧道結(jié)來作為中點(diǎn) 電阻與被檢測的磁性隧道結(jié)電阻相比較。但是由于磁性隧道結(jié)的材料和制造工藝的限制，一方面磁電阻率很難大幅度提高，另一方面高容量存儲器電阻標(biāo)準(zhǔn)差增大，加劇了高阻態(tài)分布和低阻態(tài)分布的交疊。即使他們的交疊為零，他們之一也會與中點(diǎn)參照電阻的分布有重疊。分布間的重疊就會導(dǎo)致不可能成功地區(qū)分所有記憶單元的阻態(tài)而產(chǎn)生讀取錯誤。

以被讀取的磁性記憶單元本身的磁性隧道結(jié)為參照的讀取方法被稱作自參照讀取?，F(xiàn)有的自參照方法一般過程冗長或信號微弱，有的還需要調(diào)節(jié)各種參數(shù)，犧牲了讀取數(shù)據(jù)的速度增加了存儲器的延遲時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種非對稱磁性隨機(jī)存儲器，利用非對稱磁性隧道結(jié)的磁電阻偏壓依賴性，能夠低能耗且更準(zhǔn)確獲取非對稱磁性隧道結(jié)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自參照的數(shù)據(jù)讀取，解決了讀取數(shù)據(jù)對參考電阻的標(biāo)準(zhǔn)差分布要求苛刻的而導(dǎo)致讀取錯誤率高的問題。

本發(fā)明還提供一種非對稱磁性隨機(jī)存儲器的磁性記憶單元讀取方法。

非對稱磁性隧道結(jié)的磁電阻具有偏壓依賴性，磁性隧道結(jié)的偏壓依賴性與其材料，尤其是其參考層的材料密切相關(guān)。通過改變參考層的材料或者薄膜厚度，使得磁性隧道結(jié)電阻電流回路不再對稱，成為非對稱磁性隧道結(jié)。

非對稱磁性隧道結(jié)的磁電阻的值隨著偏壓絕對值(或加載電流的絕對值)的增大而減小，而且變化的幅度在高阻態(tài)時(shí)尤為劇烈。

本發(fā)明中所采用的非對稱磁性隧道結(jié)，其電阻電流回路如圖2所示，其中，ic1為高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流，ic2為低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流，具有較小的低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流，也就是∣ic2∣<∣ic1∣，而且高阻態(tài)時(shí)從低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換的一側(cè)有較大的斜率。

因此，非對稱磁性隧道結(jié)在高阻態(tài)的時(shí)候，施加不同大小、方向的電流可以檢測到差別更大的磁電阻的值，而它們的磁電阻的值又會大大高于低阻態(tài)的磁電阻的值；同時(shí)由于∣ic2∣較小，能夠施加更小的電流就可以將非對稱磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)改變到高阻態(tài)，因而能夠減小能耗。

具體地，如圖2所示，非對稱磁性隧道結(jié)當(dāng)前為高阻態(tài)時(shí)，施加讀電流i1，∣i1∣<∣ic1∣，而方向?yàn)閷⒎菍ΨQ磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)的電流方向，非對稱磁性隧道結(jié)的狀態(tài)不會發(fā)生改變，磁電阻的值為r1h，施加寫電流i2，i2>ic2，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)；磁電阻的值為r2，r1h明顯大于r2。由于是非對稱磁性隧道結(jié)的高阻態(tài)時(shí)從低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換的一側(cè)有較大的斜率，施加方向?yàn)閷⒎菍ΨQ磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)的電流方向的讀電流i1，使得r1h與r2的差值更大，能夠更準(zhǔn)確地獲得非對稱磁性隧道結(jié)的狀態(tài)，從而更準(zhǔn)確地得 到磁性記憶單元的邏輯狀態(tài)。

非對稱磁性隧道結(jié)當(dāng)前為低阻態(tài)時(shí)，施加電流i1，磁電阻的值為r1l，r1h與r2明顯大于r1l。

本發(fā)明提供一種非對稱磁性隨機(jī)存儲器，包括多個磁性記憶單元構(gòu)成的陣列，所述磁性記憶單元包括非對稱磁性隧道結(jié)，非對稱磁性隧道結(jié)的低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值小于高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，非對稱磁性隨機(jī)存儲器還包括自參照讀取模塊，自參照讀取模塊用于根據(jù)非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)電壓，利用非對稱性讀取磁性記憶單元的邏輯狀態(tài)。

進(jìn)一步地，自參照讀取模塊包括狀態(tài)獲取緩存模塊、高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊以及比較器，狀態(tài)獲取緩存模塊用于獲取并緩存磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)的電壓，第一狀態(tài)為非對稱磁性隧道結(jié)的當(dāng)前狀態(tài)；高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊用于讀取第二狀態(tài)的電壓，第二狀態(tài)為非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)；比較器用于比較第一狀態(tài)的電壓與第二狀態(tài)的電壓的絕對值。

進(jìn)一步地，狀態(tài)獲取緩存模塊包括讀電流驅(qū)動器與電壓獲取緩存電路，讀電流驅(qū)動器用于向非對稱磁性隧道結(jié)施加讀電流，讀電流的方向?yàn)閷⒎菍ΨQ磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)的電流方向，讀電流的絕對值小于低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，電壓獲取緩存電路用于獲取并緩存非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)電壓。

進(jìn)一步地，狀態(tài)獲取緩存模塊的電壓獲取緩存電路包括反相器，或者高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊的電壓獲取電路包括反相器。

進(jìn)一步地，高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊包括寫電流驅(qū)動器與電壓獲取電路，寫電流驅(qū)動器用于向非對稱磁性隧道結(jié)施加第一寫電流，第一寫電流將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)，電壓獲取電路用于獲取非對稱磁性隧道結(jié)的第二狀態(tài)的電壓。

進(jìn)一步地，電壓獲取電路還包括分壓電路，用于調(diào)整第二狀態(tài)的電壓。

進(jìn)一步地，分壓電路的分壓電阻具有以下關(guān)系：

rd/(rd+ru)＝|i1/i2|

其中，rd、ru為分壓電阻，i1為讀電流，i2為第一寫電流。

本發(fā)明還提供一種上述非對稱磁性隨機(jī)存儲器的磁性記憶單元讀取方法，包括以下步驟：

(1)狀態(tài)獲取緩存模塊向非對稱磁性隧道結(jié)施加讀電流，讀電流的方向?yàn)閷⑺龇菍ΨQ磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)的電流方向，讀電流的絕對值小于低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，獲取磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)的電壓，并緩存；

(2)高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊獲取磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的第二狀態(tài)的電壓；

(3)比較器比較第一狀態(tài)的電壓與第二狀態(tài)的電壓的絕對值，如果第一狀態(tài) 的電壓的絕對值大于第二狀態(tài)的電壓的絕對值，非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為高阻態(tài)；如果第一狀態(tài)的電壓的絕對值小于第二狀態(tài)的電壓的絕對值，非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為低阻態(tài)；

(4)如果非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為低阻態(tài)，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)。

進(jìn)一步地，步驟(2)包括以下步驟：

(21)高阻態(tài)讀取模塊的寫電流驅(qū)動器向磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)施加第一寫電流，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)；

(22)高阻態(tài)讀取模塊的電壓獲取電路獲取非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)電壓。

進(jìn)一步地，步驟(2)包括以下步驟：

(23)高阻態(tài)讀取模塊的寫電流驅(qū)動器向非對稱磁性隧道結(jié)施加第一寫電流，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)；

(24)高阻態(tài)讀取模塊的電壓獲取電路獲取經(jīng)分壓電路調(diào)整后的非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)電壓。

進(jìn)一步地，步驟(4)包括以下步驟：

(41)高阻態(tài)讀取模塊的寫電流驅(qū)動器向非對稱磁性隧道結(jié)施加第二寫電流，第二寫電流將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的非對稱磁性隨機(jī)存儲器及其磁性記憶單元讀取方法,具有以下有益效果：利用非對稱磁性隧道結(jié)的磁電阻偏壓依賴性，能夠低能耗且更準(zhǔn)確獲取非對稱磁性隧道結(jié)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自參照的數(shù)據(jù)讀取，解決了讀取數(shù)據(jù)對參考電阻的標(biāo)準(zhǔn)差分布要求苛刻的而導(dǎo)致讀取錯誤率高的問題。

附圖說明

圖1是磁性隨機(jī)存儲器的磁性記憶單元的磁性隧道結(jié)的電阻分布圖；

圖2是非對稱磁性隨機(jī)存儲器的磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的電阻電流曲線；

圖3是本發(fā)明的一個實(shí)施例的非對稱磁性隨機(jī)存儲器的示意圖；

圖4是本發(fā)明的另一個實(shí)施例的非對稱磁性隨機(jī)存儲器的示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖3所示，本發(fā)明的一個實(shí)施例的非對稱磁性隨機(jī)存儲器，包括多個磁性記憶單元構(gòu)成的陣列，磁性記憶單元包括非對稱磁性隧道結(jié)，非對稱磁性隧道結(jié)的低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值小于高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，非對稱磁性隨機(jī)存儲器還包括自參照讀取模塊，自參照讀取模塊用于根據(jù)非 對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)電壓，利用非對稱性讀取磁性記憶單元的邏輯狀態(tài)。

由于低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值小于高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，本實(shí)施例中的非對稱磁性隨機(jī)存儲器能夠以更小的轉(zhuǎn)換電流將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)，因此能夠以更低的能耗利用非對稱性讀取磁性記憶單元的邏輯狀態(tài)。

自參照讀取模塊包括狀態(tài)獲取緩存模塊、高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊以及比較器。

狀態(tài)獲取緩存模塊用于獲取并緩存磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)的電壓，第一狀態(tài)為非對稱磁性隧道結(jié)的當(dāng)前狀態(tài)，本實(shí)施例中采用電容c1緩存第一狀態(tài)的電壓。當(dāng)然也可以采用其他方式緩存第一狀態(tài)的電壓，本發(fā)明不作限制。

狀態(tài)獲取緩存模塊包括讀電流驅(qū)動器與電壓獲取緩存電路，讀電流驅(qū)動器用于向非對稱磁性隧道結(jié)施加讀電流，讀電流的方向?yàn)閷⒎菍ΨQ磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)的電流方向，讀電流的絕對值小于低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，電壓獲取緩存電路用于獲取并緩存非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)電壓。

讀電流的絕對值小于低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，一定會小于任何寫電流，由于是非對稱磁性隧道結(jié)的高阻態(tài)時(shí)從低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換的一側(cè)有較大的斜率，施加與寫電流相反方向的讀電流，使得差值更明顯，能夠更準(zhǔn)確地獲得非對稱磁性隧道結(jié)的狀態(tài)，從而更準(zhǔn)確地得到磁性記憶單元的邏輯狀態(tài)。

高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊用于獲取第二狀態(tài)的電壓，第二狀態(tài)為非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)。

高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊包括寫電流驅(qū)動器與電壓獲取電路，寫電流驅(qū)動器用于向非對稱磁性隧道結(jié)施加第一寫電流，第一寫電流將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)，電壓獲取電路用于獲取非對稱磁性隧道結(jié)的第二狀態(tài)的電壓。

由于讀電流驅(qū)動器施加的讀電流與寫電流驅(qū)動器施加的第一寫電流方向相反，電壓獲取緩存電路獲取的第一狀態(tài)電壓與電壓獲取電路獲取的第二狀態(tài)的電壓方向也相反，為了比較第一狀態(tài)電壓的絕對值與第二狀態(tài)的電壓的絕對值，需要改變第一狀態(tài)電壓的方向或者改變第二狀態(tài)電壓的方向。

因此狀態(tài)獲取緩存模塊的電壓獲取緩存電路包括反相器，或者高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊的電壓獲取電路包括反相器。本實(shí)施例中，高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊的電壓獲取電路包括反相器。

比較器用于比較第一狀態(tài)的電壓與第二狀態(tài)的電壓的絕對值，如果第一狀態(tài)的電壓的絕對值大于第二狀態(tài)的電壓的絕對值，非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為高阻態(tài)；如果第一狀態(tài)的電壓的絕對值小于第二狀態(tài)的電壓的絕對值，非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為低阻態(tài)。

本實(shí)施例中的非對稱磁性隨機(jī)存儲器的磁性記憶單元讀取方法，包括以下步驟：

(1)狀態(tài)獲取緩存模塊向非對稱磁性隧道結(jié)施加讀電流，讀電流的方向?yàn)閷⑺龇菍ΨQ磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)的電流方向，讀電流的絕對值小于低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)換電流的絕對值，獲取磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)的電壓，并緩存；

(2)高阻態(tài)狀態(tài)獲取模塊獲取磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)的第二狀態(tài)的電壓；

(3)比較器比較第一狀態(tài)的電壓與第二狀態(tài)的電壓的絕對值，如果第一狀態(tài)的電壓的絕對值大于第二狀態(tài)的電壓的絕對值，非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為高阻態(tài)；如果第一狀態(tài)的電壓的絕對值小于第二狀態(tài)的電壓的絕對值，非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為低阻態(tài)；

(4)如果非對稱磁性隧道結(jié)的第一狀態(tài)為低阻態(tài)，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)。

步驟(2)包括以下步驟：

(21)高阻態(tài)讀取模塊的寫電流驅(qū)動器向磁性記憶單元的非對稱磁性隧道結(jié)施加第一寫電流，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)；

(22)高阻態(tài)讀取模塊的電壓獲取電路獲取非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)電壓。

步驟(4)包括以下步驟：

(41)高阻態(tài)讀取模塊的寫電流驅(qū)動器向非對稱磁性隧道結(jié)施加第二寫電流，第二寫電流將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)榈妥钁B(tài)。

第二寫電流與第一寫電流方向相反。

本實(shí)施例的非對稱磁性隨機(jī)存儲器，利用非對稱磁性隧道結(jié)的磁電阻偏壓依賴性，實(shí)現(xiàn)自參照的數(shù)據(jù)讀取，解決了讀取數(shù)據(jù)對參考電阻的標(biāo)準(zhǔn)差分布要求苛刻的而導(dǎo)致讀取錯誤率高的問題。

由于比較器比較的是電壓信號，雖然作為參照的r2，如圖2所示，與該非對稱磁性隧道結(jié)在常規(guī)讀電流下的高阻態(tài)阻值r1h與低阻態(tài)阻值r1l有較大的差值，但是由于其電流i2較大，使得v2＝i2*r2與v1h＝i1*r1h的差值會減小。

如圖4所示，本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，為了使兩個電壓的差值更準(zhǔn)確地反映阻值的差值，可在高阻態(tài)讀取模塊的電壓獲取電路中增加分壓電路，用于調(diào)整第二狀態(tài)的電壓。

分壓電路的分壓電阻具有以下關(guān)系：

rd/(rd+ru)＝|i1/i2|

其中，rd、ru為分壓電阻，i1為讀電流，i2為第一寫電流。

這樣可以得到調(diào)整后的第二狀態(tài)的電壓v2’值為i1*r2，而v2’與v1的比值就是r2與r1h或r1l的比值，更準(zhǔn)確地反映阻值的差值。

由于分壓的加入，不管非對稱磁性隧道結(jié)處于哪個電阻態(tài)，都會跟自參照電壓有足夠大的差值，使數(shù)據(jù)能快速準(zhǔn)確讀取。

本實(shí)施例中，步驟(2)包括以下步驟：

(23)高阻態(tài)讀取模塊的寫電流驅(qū)動器向非對稱磁性隧道結(jié)施加第一寫電流，將非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)；

(24)高阻態(tài)讀取模塊的電壓獲取電路獲取經(jīng)分壓電路調(diào)整后的非對稱磁性隧道結(jié)改變?yōu)楦咦钁B(tài)的狀態(tài)電壓。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。