自动优化写电压的磁性存储器及其操作方法与流程

本发明涉及集成电路存储器芯片领域，特别涉及磁电阻元件和磁性随机存储器的设计；具体地说，本发明涉及一种自动优化写电压的磁性存储器及其相应操作方法。

背景技术

磁性材料和磁电阻元件广泛应用在存储器和传感器领域。磁存储器利用磁性记忆层的磁矩取向来记录数据，是一种非易失性的存储技术。磁性随机存储器兼具闪存的非易失性和静态随机存储器的高速读写能力，在诸多应用场景下(例如嵌入式物联网系统)具有能耗和高整合度的优势，另外可擦写次数超过现有的闪存技术因而具有很高的可靠性。

图1是磁阻式随机访问存储器(magneticrandomaccessmemory，mram)的磁性隧道结(magnetictunneljunction，mtj)的结构低电阻的情况的示意图，图2是mram的磁性隧道结的结构高电阻的情况的示意图。如图1和图2所示，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(记忆层40和参考层30)夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料层(隧道势垒层50)组成的。磁性随机存储器的数据存储在由磁电阻元件组成的存储比特阵列中，每个磁电阻元件代表了一个比特，每个磁电阻元件包含磁性记忆层和磁性参考层，当两层磁性材料的磁矩指向相同时，磁电阻元件处于低电阻态(逻辑0，如图1所示)，当两层磁性材料的磁矩指向相反时，磁电阻元件处于高点阻态(逻辑1，如图2所示)。

读取mram的过程就是对mtj的电阻进行测量。写入mram的过程则是利用自旋扭矩效应，在mtj中通过自上而下的电流把记忆层磁矩翻转成与参考层磁矩平行的方向，或者通过自下而上的电流则将其置成反平行的方向。上述流过mtj的电流或者相应的mtj上的电压降被称作mram的写电流或写电压，它们是重要的技术指标，决定了mram的写入速度、写入正确率、使用寿命、运行功耗。在实现一定速度和正确率的前提下，写电压越小越好，因为更小的写电压可帮助提高mtj元件的耐久度，降低芯片的整体功耗。在不同的环境温度下，存储器为达到一定的写入速度和正确率所需的写电压是不同的。温度低时，单元比特mtj的记忆层磁矩比较稳定，写入过程需要较高的电压；温度高时单元比特的记忆层磁矩受到更多的热扰动，因此仅需要较低的电压就能实现写入操作。

根据不同温度下写入正确率和写入速度的关系的测试可知，写电压持续的时间越长，写入的正确率就越高。随着温度的升高，达到同样写入速度和正确率所需的写电压是逐渐降低的。常规设计采用固定的写电压，因此需要保证在任何温度下外围驱动电路要在位线和源线之间提供足够大的电压差。这样在本来只需较小写电压的高温环境下，仍然采用了较高的写电压，是一种很不经济的方法，会增加整体功耗，降低器件的寿命。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够使得整体功耗下降并且使得器件寿命延迟的技术方案。

技术实现要素：

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能够使得整体功耗下降并且使得器件寿命延迟的自动优化写电压的磁性存储器。

为实现上述目的，本发明提供了一种自动优化写电压的磁性存储器，包含mram芯片阵列结构；其中位线走线为阵列结构的第一方向，源线和字线走线为阵列结构的第二方向，每根位线连接一个位线驱动器，每根源线连接一个源线驱动器，而且每根字线连接一个字线驱动器，在源线和位线的每个交叉点处放置一个存储单元比特以及与该存储单元比特相连接的场效应管，其中字线用于开关相应的场效应管从而实现对每个存储单元比特的访问。

优选地，存储单元比特是磁性隧道结mtj结构。

为实现上述目的，本发明还提供了一种自动优化写电压的磁性存储器的操作方法，所述自动优化写电压的磁性存储器包含mram芯片阵列结构；其中位线走线为阵列结构的第一方向，源线和字线走线为阵列结构的第二方向，每根位线连接一个位线驱动器，每根源线连接一个源线驱动器，而且每根字线连接一个字线驱动器，在源线和位线的每个交叉点处放置一个存储单元比特以及与该存储单元比特相连接的场效应管，其中字线用于开关相应的场效应管从而实现对每个存储单元比特的访问；所述操作方法包括：通过行解码器和列解码器将写入数据的地址信息输出至mram芯片阵列结构的相应字线的字线驱动器、相应位线的位线驱动器、以及相应源线的源线驱动器，使对应于地址信息的相应字线打开，并且对应于地址信息的存储单元比特接入到相应位线和相应源线。

优选地，根据写入数据的数值来选择电压的极性。

优选地，在写入数据的数值是“0”的情况下，则源线置高电位，位线置低电位；在写入数据的数值是“1”的情况下，则源线置低电位，位线置高电位。

优选地，高电位来源于存储器电路供电电压，其中通过源极跟随器以及分压器来传递高电位至源线或位线。

优选地，在磁性存储器电路中布置温度传感器以监控磁性存储器的温度，其中在磁性存储器的温度低于第一预定温度时启动电荷泵调高写电压，在磁性存储器的温度高于第二预定温度时启用降低电压调节机制。

优选地，高电位通过由串联的热敏电阻和固定电阻组成的分压器中的热敏电阻连接至一个源极跟随器；在磁性存储器的温度处于预定温度范围内，热敏电阻的电阻值是固定电阻的第一比值；在磁性存储器的温度超出预定温度范围后，热敏电阻的电阻值增加至固定电阻的第二比值，使得固定电阻上的电压降为高电位的预定比值。

由此，本发明提供了一个根据温度反馈的写电压方式，有利于降低功耗，提升寿命。

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

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是磁阻式随机访问存储器mram的磁性隧道结mtj的结构低电阻的情况的示意图。

图2是磁阻式随机访问存储器mram的磁性隧道结mtj的结构高电阻的情况的示意图。

图3根据本发明优选实施例的自动优化写电压的磁性存储器的示意图。

图4是根据本发明优选实施例的自动优化写电压的磁性存储器在-40摄氏度至150摄氏度工作温度区间，不同温度条件下经过写电压驱动器调整后的输出电压。

图5是根据本发明优选实施例的输出写电压温控调节电路的一个示例的示意图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

本发明提供了一种智能的写电压自动优化控制方案，根据环境温度调节写电压的高低，降低存储器运行的总体功耗，增强存储器芯片的耐久度和可靠度。下面将具体描述本发明的优选实施例。

图3根据本发明优选实施例的自动优化写电压的磁性存储器的示意图。

如图3所示，根据本发明优选实施例的自动优化写电压的磁性存储器包含mram芯片阵列结构，其中位线10走线为阵列结构的第一方向(列方向)，源线20和字线30走线为阵列结构的第二方向(行方向)。

每根位线10连接一个位线驱动器11，每根源线20连接一个源线驱动器21，而且每根字线30连接一个字线驱动器31。

在源线20和位线10的每个交叉点处放置一个存储单元比特40以及与该存储单元比特40相连接的场效应管50，其中字线30用于开关相应的场效应管50从而实现对每个存储单元比特40的访问。

优选地，存储单元比特是磁性隧道结mtj结构。

下面将结合图3所示的结构来描述本发明优选实施例的自动优化写电压的磁性存储器的操作方法。

通过行解码器和列解码器将写入数据的地址信息输出至mram芯片阵列结构的相应字线的字线驱动器、相应位线的位线驱动器、以及相应源线的源线驱动器，使对应于地址信息的相应字线打开，并且对应于地址信息的存储单元比特接入到相应位线和相应源线。

根据写入数据的数值(写入数据是0还是1)来选择电压的极性。

具体地，如果写入数据的数值是“0”，则源线置高电位，位线置低电位(例如，0电位)；如果写入数据的数值是“1”，则源线置低电位(例如，0电位)，位线置高电位。写电压驱动器输出至源线或位线上并不采用恒定电压,而是智能化的根据芯片实际工作温度作出调整.

例如，作为示例，图4中的实线是写入时源线或位线上所需的电压大小随温度的变化曲线，在高温下所需的驱动电压变小，因此驱动器的输出电压相应降低。图4中虚线是根据本发明优选实施例的自动优化写电压的磁性存储器在-40℃到150℃的温度范围内经过写电压驱动器调整后的输出电压的若干不同档位，对应不同的温度区间。在本实施例子中分4个档位：低于5摄氏度时，写电压驱动器输出为参考电压1，5-50摄氏度范围内，写电压驱动器输出为参考电压2，50-100摄氏度范围内，写电压驱动器输出为参考电压3，高于100摄氏度范围时，写电压驱动器输出为参考电压4。比例关系可设置为：1：0.85：0.65：0.5。上述设置的档位数量、每个档位对应的温度范围、不同档位间的输出电压大小的比例可根据实际设计需求作出调整，从而实线写电压驱动器按照不同温度向源线和字线输出按一定比例作出调整的电压，使得在低温下仅用较低的电压就可以实现同样正确率的数据写入操作。存储位元在尽量低的电压下进行写操作，也有利于降低其损坏速度，延长存储器芯片的使用寿命。

上述存储器芯片数据写入操作的想法可由多种实现方案。例如，图5是根据本发明优选实施例的输出写电压温控调节电路的一个示例的示意图。如图5所示，参考电压源51经过一个高增益差分放大器以及分压电阻后，产生一组不同档位的电压：参考电压1、2、3、4，将其输出至电压选择单元。电压选择单元53根据温度传感器52的输出的温度信息以及事先配置好的电压档位和温度区间对应关系，选择出一个参考电压输出至写电压驱动器54。写电压驱动器54将该参考电压转化为具有驱动能力的高速电压输出至位线或者源线。

另一种实施方案是将电压选择这个步骤通过外部软件实现。具体而言，温度传感器将测得的芯片工作温度传输至存储芯片所在的系统(例如mcu)，由系统软件配置所需的参考电压档位，并将选择信号(例如4档电位采用两位信号)输入至电压选择的逻辑电路，实现从若干档位中选出同温度相适应的参考电压。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。