磁性随机存取存储器、存储阵列以及电子设备的制作方法

1.本发明实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种磁性随机存取存储器、存储阵列以及电子设备。


背景技术：

2.磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，mram)是一种非挥发性的磁性随机存储器，mram器件拥有静态随机存储器(sram)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(dram)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，mram器件是一种“全动能”的固态存储器。磁性随机存储器由于具有高的读写速度、寿命长以及非易失等优点，被认为是未来最广泛应用的“通用”处理器，有望主导下一代存储器市场。
3.在mram器件中，通过存储元件的磁性状态存储数据。mram单元通常由一个晶体管和一个磁性隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)共同组成一个存储单元。所述mtj结构包括至少两个电磁层以及用于隔离两个电磁层的绝缘层。两个电磁层可以维持由绝缘层分隔的两个磁性极化场，其中之一为固定磁性层，其极化方向是固定的，另一个是自由转动磁性层，其极化方向可以外部场的变化而改变。当两个电磁层的极化方向平行时，流经mtj结构的隧穿电流具有最大值，mtj结构单元电阻较低：当两个磁性层的极化方向反平行时，流经mtj结构的隧穿电流具有最小值，mtj结构单元电阻较高。通过测量mram单元的电阻来读取信息，这就是mtj结构的工作原理。
4.但是，目前mram的可靠性有待提高。


技术实现要素：

5.本发明实施例解决的问题是提供一种磁性随机存取存储器、存储阵列以及电子设备，降低了参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性，提升了mram的可靠性。
6.为解决上述问题，本发明实施例提供一种磁性随机存取存储器，包括：驱动信号模块，用于提供读取信号；存储阵列，包括多个阵列排布的存储单元，所述存储单元包括磁隧道结，所述磁隧道结包括相对设置的磁固定层和磁自由层；定义待读取数据的存储单元为数据单元，所述数据单元用于加载所述读取信号输出数据电压；定义用于作为数据读取参考的存储单元为参考单元，所述参考单元包括一个或多个平行态参考单元，一个所述平行态参考单元的磁自由层用于形成参考输出端，或多个所述平行态参考单元的磁自由层耦接，形成参考输出端；或者，所述参考单元包括一个或多个反平行态参考单元，一个所述反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个所述反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端；所述参考单元用于加载所述读取信号，通过所述参考输出端输出参考电压；比较电路，用于根据所述数据电压和所述参考电压的相对大小，读取所述数据单元的数据。
7.相应的，本发明实施例还提供一种存储阵列，应用于磁性随机存取存储器，所述磁性随机存取存储器包括：驱动信号模块，用于向所述存储阵列提供读取信号；比较电路，用
于根据所述存储阵列输出的数据电压和参考电压的相对大小，读取所述存储阵列的数据；所述存储阵列，包括：多个阵列排布的存储单元，所述存储单元包括磁隧道结，所述磁隧道结包括相对设置的磁固定层和磁自由层；定义待读取数据的存储单元为数据单元，所述数据单元用于加载所述读取信号输出所述数据电压；定义用于作为数据读取参考的存储单元为参考单元，所述参考单元包括一个或多个平行态参考单元，一个所述平行态参考单元的磁自由层用于形成参考输出端，或多个所述平行态参考单元的磁自由层耦接，形成参考输出端；或者，所述参考单元包括一个或多个反平行态参考单元，一个所述反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个所述反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端；所述参考单元用于加载所述读取信号，通过所述参考输出端输出所述参考电压。
8.相应的，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：本发明实施例提供的磁性随机存取存储器。
9.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
10.本发明实施例提供一种磁性随机存取存储器，在mram中，将存储单元写为高阻态(rh)或反平行态的电流方向与磁固定层指向磁自由层的方向一致，将存储单元写为低阻态(r
l
)或平行态的电流方向与磁自由层指向磁固定层的方向一致，本发明实施例提供的磁性随机存取存储器中，参考单元包括一个或多个平行态(parallel，p态)参考单元，一个所述平行态参考单元的磁自由层用于形成参考输出端，或多个所述平行态参考单元的磁自由层耦接，形成参考输出端，在读操作时，经过所述平行态参考单元的读取电流方向相应与磁自由层指向磁固定层的方向一致，即与将存储单元写为低阻态(r
l
)或平行态的电流方向一致，从而降低平行态参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性；或者，所述参考单元为一个或多个反平行态参考单元，一个所述反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个所述反平行态(anti-parallel，ap态)参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端，在读操作时，经过所述反平行态参考单元的读取电流方向相应与磁固定层指向磁自由层的方向一致，即与将存储单元写为高阻态(rh)或反平行态的电流方向一致，从而降低反平行态参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性。
11.综上，本发明实施例有利于保证在经过长时间的读操作后，参考单元的阻态不易发生翻转，降低了参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性，相应为数据单元的数据读取提供更为可靠的参考电阻，保证了参考单元的可靠性，进而提升了mram的数据读取正确率，相应提升了mram的可靠性。
附图说明
12.图1是一种磁性随机存取存储器的结构示意图；
13.图2至图4是本发明磁性随机存取存储器一实施例的结构示意图；
14.图5是本发明磁性随机存取存储器另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
15.由背景技术可知，目前mram的可靠性有待提高。
16.经分析得知，标准的mram参考电阻读策略，采用多个磁隧道结处于反平行态(即高阻态)和平行态(即低阻态)的参考单元作为参考进行数据读取。一般来说，参考单元的被读
次数远远大于数据单元的被读次数。若不作特殊处理，在经过长时间的读操作后，参考单元的阻态容易发生翻转，这会导致参考电阻值发生变化，数据读取错误率迅速上升，降低了mram的可靠性。
17.现结合一种磁性随机存取存储器分析mram的可靠性有待提高的原因。图1是一种磁性随机存取存储器的结构示意图。
18.如图1所示，所述磁性随机存取存储器包括：驱动信号模块16，用于提供读取信号；存储阵列，包括多个阵列排布的存储单元，所述存储单元包括磁隧道结10，所述磁隧道结10包括磁固定层101和位于所述磁固定层101上的磁自由层102；定义待读取数据的存储单元为数据单元11，定义用于作为数据读取参考的存储单元为参考单元12，所述参考单元12包括反平行态(即高阻态rh)参考单元12h和平行态(即低阻态r
l
)参考单元12l，所述反平行态参考单元12h和平行态参考单元12l的磁自由层102耦接，形成参考输出端13a；负载电路14，与所述数据单元11耦接、以及与所述参考单元13的参考输出端13a耦接；所述负载电路14用于转换所述数据单元11的读取电流为数据电压vdata，以及用于转换所述参考单元13的读取电流为参考电压vref；比较电路15，包括第一输入端151、第二输入端152和输出端153，所述第一输入端151与所述数据单元11耦接，所述第二输入端152与所述参考输出端13a耦接，所述比较电路15用于根据数据电压vdata和参考电压vref的相对大小读取所述数据单元11的信息，所述输出端153输出比较结果信号。
19.如图1中虚线箭头方向所示，在进行读取时，读取电流先经过mtj 10的磁自由层102再经过磁参考层101，读取电流与反平行态参考单元12h的写1(write 1(rh))的电流方向相反，也就是与将反平行态参考单元12h从高阻态写为低阻态的写入电流方向相同，在长时间处于数据读取状态下，反平行态参考单元12h的mtj 10阻态发生翻转的风险较高，反平行态参考单元12h中的mtj 10容易从反平行(ap)态翻转成平行(p)态，从而导致参考电阻值发生变化，mram读取数据的正确率降低，进而降低mram的可靠性。
20.为了解决所述技术问题，本发明实施例提供一种磁性随机存取存储器，有利于保证在经过长时间的读操作后，参考单元的阻态不易发生翻转，降低了参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性，相应为数据单元的数据读取提供更为可靠的参考电阻，保证了参考单元的可靠性，进而提升了mram的数据读取正确率，相应提升了mram的可靠性。
21.为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。图2至图4是本发明磁性随机存取存储器一实施例的结构示意图。
22.本实施例中，所述磁性随机存取存储器(mram)200包括：驱动信号模块180，用于提供读取信号。
23.存储阵列400，包括多个阵列排布的存储单元，所述存储单元包括磁隧道结(mtj)100，所述磁隧道结100包括相对设置的磁固定层(pinned layer)1001和磁自由层(free layer)1002，定义待读取数据的存储单元为数据单元110，所述数据单元110用于加载所述读取信号输出数据电压vdata；定义用于作为数据读取参考的存储单元为参考单元120，所述参考单元120包括一个或多个平行态(parallel，p态)参考单元120l，一个所述平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成参考输出端120a，或多个所述平行态参考单元120l的磁自由层1002耦接，形成参考输出端120a；或者，所述参考单元120包括一个或多个反平行
态(anti-parallel，ap态)参考单元，一个所述反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个所述反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端；所述参考单元120用于加载所述读取信号，通过所述参考输出端120a输出参考电压vref。
24.比较电路150，用于根据所述数据电压vdata和所述参考电压vref的相对大小读取所述数据单元110的数据。
25.本实施例中，所述“耦接”为直接连接或间接连接，后文中“耦接”的含义一致，不进行一一说明。
26.本实施例中，以参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，一个平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成参考输出端120a，或多个平行态参考单元120l的磁自由层1002耦接，形成参考输出端120a为示例进行说明。
27.所述驱动信号模块180用于向所述存储阵列400提供读取信号，以便存储阵列400基于所述读取信号，输出数据。本实施例中，驱动信号模块180用于提供位线电压，参考单元120用于加载所述位线电压，通过所述参考输出端120a输出参考电流，所述数据单元110用于加载所述位线电压输出数据电流。
28.本实施例中，磁性随机存储存储器200还包括：负载电路140，与数据单元110耦接、以及与参考输出端120a耦接；负载电路140用于转换数据单元110的读取电流为数据电压vdata，以及用于转换参考单元120的读取电流为参考电压vref。
29.本实施例中，驱动信号模块180包括：钳位电路160，与负载电路140耦接，钳位电路160用于钳制数据单元110以及参考单元120的位线电压；位线选择电路170，一端与钳位电路160耦接，另一端分别对应与数据单元110耦接、参考单元120的参考输出端120a耦接，位线选择电路170适于选择待读取的数据单元110、以及参考单元120。
30.钳位电路160用于向数据单元110和参考单元120提供位线电压，以及用于钳制数据单元110的位线电压、以及参考单元120的位线电压，从而将数据单元110和参考单元120的位线电压限制在一预设范围内，以免数据单元110和参考单元120的位线电压过大，而导致数据单元110和参考单元120的磁隧道结100损坏，从而对数据单元110和参考单元120起到保护作用。
31.本实施例中，钳位电路160包括nmos管，nmos管的漏极与负载电路140耦接，源极与位线选择电路170耦接，栅极用于加载钳位控制信号vclamp。
32.在读操作时，向nmos管的栅极加载的电压为：nmos管的阈值电压与位线电压之和，从而保证对数据单元110或参考单元120加载的位线电压为预设位线电压，且当向nmos管的栅极加载的电压大于预设位线电压时，nmos管的沟道将关断，进而对电路起到保护作用。
33.如图3所示，在具体实施中，钳位电路160可以包括第一nmos管n1以及第二nmos管n2。第一nmos管n1的漏极与负载电路140的第一输出端耦接，第一nmos管n1的栅极耦接至钳位控制信号vclamp，第二nmos管n2的漏极与负载电路140的第二输出端耦接，第二nmos管n2的栅极适于耦接至钳位控制信号vclamp，第一nmos管n1和第二nmos管n2适于在同一钳位控制信号vclamp的控制下，钳制数据单元110和参考单元120的位线电压，以避免因为误操作等因素导致数据单元110和参考单元120位线电压过大而损坏。
34.在具体实施中，位线选择电路170可以包括第一位线选择开关mux
data
以及第二位线选择开关mux
ref
，第一位线选择开关mux
data
的第一连接端与第一nmos管n1的源极耦接，第
一位线选择开关mux
data
的第二连接端与数据单元110耦接，第一位线选择开关mux
data
用于选取待读取的数据单元110。
35.在具体实施中，第二位线选择开关mux
ref
的第一连接端与第二nmos管n2的源极耦接，第二位线选择开关mux
ref
的第二连接端与参考单元120耦接，第二位线选择开关mux
ref
用于选取待读取的参考单元120。具体地，第二位线选择开关mux
ref
的第二连接端与参考输出端120a耦接。
36.存储单元用于存储数据。存储阵列400包括多个矩阵排列的存储单元。多个存储单元为重复单元，即多个存储单元具有相同结构。因此，平行态参考单元120l或反平行态参考单元与数据单元110具有相同的结构，有利于提高参考单元120用于作为数据读取参考的准确性。
37.在具体实施中，存储单元中的磁隧道结100用于存储数据。具体地，当磁固定层1001和磁自由层1002的磁向平行时，存储单元为平行态，流经磁隧道结100的隧穿电流具有最大值，磁隧道结100为低阻态(rl)；当磁固定层1001和磁自由层1002的磁向反平行时，存储单元为反平行态，流经磁隧道结100的隧穿电流具有最小值，磁隧道结100为高阻态(rh)。
38.磁固定层1001的磁化方向是固定的，用于作为磁自由层1002的磁化方向参考层。磁自由层1002的磁化方向有两个稳定的取向，分别与磁固定层1001的磁化方向平行或相反，从而使得磁隧道结100能够处于低阻态(即平行态)或高阻态(即反平行态)。磁自由层1002和磁固定层1001的材料均为铁磁金属材料，例如：cofeb或cofe。
39.本实施例中，磁隧道结100还包括：位于磁固定层1001和磁自由层1002之间的隧穿势垒层(tunneling barrier layer)1003。隧穿势垒层1003用于实现磁固定层1001和磁自由层1002之间的电隔离。隧穿势垒层1003的材料为绝缘材料，例如：mgo、sro、bao、rao、sio2、al2o3、hfo2、nio、gdo、ta2o5、moo2、tio2或wo2。
40.作为一种示例，所述磁隧道结100为底部磁向固定(bottom-pinned)，所述磁隧道结100包括磁固定层1001和位于磁固定层1001上的磁自由层1002。
41.所述存储单元还包括与所述磁隧道结100相连的选择晶体管n0，所述选择晶体管n0的栅极与字线wl(word line)耦接。如图4所示，存储阵列400中，多个存储单元阵列排布，每个存储单元的选择晶体管的栅极，分别与对应的字线wl《n》耦接，其中，n为大于或等于0的整数。
42.选择晶体管n0适于在字线wl接入的信号的控制下开启或断开，以读取磁隧道结100中存储的数据。本实施例中，选择晶体管n0为nmos晶体管。
43.本实施例中，所述磁隧道结100为底部磁向固定，相应地，所述数据单元110中，所述选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结100的磁固定层1002耦接，所述选择晶体管n0的源极sl(source line)接地vss。
44.所述数据单元110为待进行数据读取的存储单元，所述数据单元110中的磁隧道结100的阻态待确认。所述参考单元120适于存储和输出参考数据，所述参考数据用于作为读取所述数据单元110数据的参考。
45.所述参考输出端120a用于输出对所述数据单元110进行数据读取的参考信号。具体地，在读操作时，所述参考单元120基于所述驱动信号模块180提供的读取信号，通过所述参考输出端120a输出参考信号。
46.本实施例中，利用一个或多个平行态参考单元120l中的磁隧道结100组成一个标准电阻，通过将所述数据单元110和标准电阻进行比较，以判定数据单元110处于高阻态还是低阻态，进而实现对数据单元110的数据读取。
47.本实施例中，所述平行态参考单元120l指的是，所述平行态参考单元120l中的磁隧道结100为平行(p)态，所述磁自由层1002的磁向与所述磁固定层1001的磁向平行；所述反平行态参考单元指的是，所述反平行态参考单元中的磁隧道结为反平行(ap)态，所述磁自由层的磁向与磁固定层的磁向反平行。
48.本实施例中，为方便示意和说明，以所述参考单元120包括两个平行态参考单元120l作为一种示例。但是，所述参考单元120包括的平行态参考单元120l的数量不仅限于此。
49.在mram中，将磁隧道结100从高阻态写为低阻态的写入电流方向与磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致，将磁隧道结100从低阻态写为高阻态的写入电流方向与磁固定层1001指向磁自由层1002的方向一致。
50.本实施例中，参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，一个平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成所述参考输出端120a，或多个平行态参考单元120l的磁自由层1002耦接，形成所述参考输出端120a，从而在读操作时，经过平行态参考单元120l的读取电流方向与磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致，即经过平行态参考单元120l的读取电流方向与写0(write 0)的电流方向一致，而平行态参考单元120l已经为平行态，进而保证在经过长时间的读操作后，平行态参考单元120l的阻态均不易发生翻转。
51.具体地，本实施例中，所述参考单元120包括多个平行态参考单元120l，多个平行态参考单元120l的磁自由层1002耦接，形成所述参考输出端120a。
52.作为一种示例，所述磁隧道结100为底部磁向固定，所述磁隧道结100包括磁固定层1001和位于所述磁固定层1001上的磁自由层1002。
53.本实施例中，所述磁隧道结100为底部磁向固定，通过使所述参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，所述平行态参考单元120l的磁自由层1001耦接，形成参考输出端120a，从而在满足读操作时，经过所述平行态参考单元120l的磁隧道结100的读取电流方向，与所述磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致的同时，无需改变电路的结构，有利于降低电路设计的复杂度、提高与现有电路结构的兼容性。
54.相应地，本实施例中，数据单元110的磁自由层1001与负载电路140耦接。
55.具体地，所述数据单元110中的选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结100的磁固定层1001耦接，所述数据单元110中的选择晶体管n0的源极接地vss。
56.相应地，本实施例中，平行态参考单元120l中，选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结100的磁固定层1001耦接，所述选择晶体管n0的源极接地vss。
57.本实施例中，在读操作时，读取电流的方向为沿着所述参考输出端120a指向所述接地端vss的方向。具体地，在平行态参考单元120l中，经过磁隧道结100的读取电流方向与磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致，也就是与将磁隧道结100写为低阻态或平行态的电流方向相同，而平行态参考单元120l中的磁隧道结100已经为低阻态，从而能够防止平行态参考单元120l的阻态发生翻转。
58.负载电路120用于转换所述数据单元110的读取电流为数据电压vdata，以及用于
转换参考单元120的读取电流为参考电压vref，从而比较电路150能够比较数据电压vdata和参考电压vref的相对大小，读取数据单元110的信息。
59.本实施例中，所述负载电路140包括输入端(未标示)、第一输出端(未标示)以及第二输出端(未标示)，所述负载电路140的输入端耦接至电源vdd，所述负载电路140的第一输出端与所述数据单元110耦接，所述负载电路140的第二输出端与所述参考输出端120a耦接。
60.如图2所示，在未进行数据读取时，通过负载电路140转换得到的数据电压vdata和参考电压vref相等；在进行数据读取时，如果数据单元110的电阻为低阻态rl，则比较电路150与负载电路140接入点的数据电压vdata会因为低阻态rl的电阻拉低，相比于未进行数据读取状态，数据电压vdata减小，呈现降低的趋势，通过比较电路150可以检测到数据单元110的数据电压vdata小于参考电压vref，从而判断数据单元110存储的数据比特为“0”。
61.如果数据单元110的电阻为高阻态rh，则比较电路150与负载电路140接入点的数据电压vdata会因为高阻态rh的电阻拉高，相比于未进行数据读取状态，数据电压vdata增加，呈现增加的趋势，通过比较电路150可以检测到所述数据单元110的数据电压vdata大于所述参考单元120的参考电压vref，从而判断所述数据单元110存储的数据比特为“1”，或者反之亦可。
62.本实施例中，所述负载电路140为电流镜。所述电流镜用于将在所述参考单元120产生的读取电流镜像到所述数据单元110中，并将所述数据单元110的读取电流转换为数据电压vdata。
63.本实施例中，参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l；平行态参考单元120l的数量为m，m为正整数；电流镜中，从参考单元120至数据单元110采用的镜像比例为x：1，x在的
±
10％范围内；其中，为反平行态参考单元磁隧道结的平均电阻，为平行态参考单元磁隧道结的平均电阻。具体地，本实施例中，所述指的是在研发阶段时所获得的反平行态参考单元磁隧道结的平均电阻，所述指的是在研发阶段时所获得的平行态参考单元磁隧道结的平均电阻。
64.通过将参考单元120至数据单元110的镜像比例设置在上述值，从而使得等效参考电阻rref在反平行态参考单元和平行态参考单元磁隧道结的电阻平均值的
±
10％范围内。
65.在其他实施例中，所述参考单元包括一个或多个平行态参考单元；所述平行态参考单元的数量为m，m为正整数；所述电流镜中，从所述参考单元至所述数据单元采用的镜像比例为x：1；x在比例为x：1；x在的
±
10％范围内。通过将从参考单元至所述数据单元的镜像比例由上述公式确定，从而使得等效参考电阻rref在反平行态参考单元和平行态参考单元磁隧道结的电阻中间值rm的
±
10％内，其中，所述电阻中间值rm满足：
66.作为一种示例，所述电流镜包括：第一pmos管组p_cell以及第二pmos管组p_ref，所述第一pmos管组p_cell和第二pmos管组p_ref均包括一个pmos管或多个并联的pmos管。
67.第一pmos管组p_cell中，pmos管的源极耦接至电源vdd，pmos管的漏极与pmos管的栅极耦接，pmos管的漏极与所述数据单元110耦接，所述第一pmos管组p_cell适于转换通过所述第一pmos管组p_cell的读取电流为所述数据电压vdata。
68.第二pmos管组p_ref中，pmos管的源极耦接至电源vdd，pmos管的漏极与栅极耦接，pmos管的漏极耦接至所述参考输出端120a，所述第二pmos管组p_ref适于转换通过第二pmos管组的读取电流为参考电压vref。
69.相应地，第一pmos管组p_cell的pmos管的漏极为负载电路140的第一输出端，第二pmos管组p_ref的pmos管的漏极为负载电路140的第二输出端。
70.本实施例中，所述第二pmos管组p_ref中，pmos管的数量m通过公式(m*w2)/(n*w1)＝x确定。其中，w2为第二pmos管组中pmos管的沟道宽度，n为第一pmos管组p_cell中pmos管的数量，w1为第一pmos管组p_cell中pmos管的沟道长度。
71.具体地，本实施例中，所述平行态参考单元120l的数量为两个，所述第二pmos管组包括2个并联的pmos管，同时通过调整第二pmos管组的pmos管的沟道长度，使得镜像比例补偿因子x满足上述要求。本实施例中，所述第一pmos管组p_cell包括一个pmos管。
72.所述比较电路150用于根据所述数据电压vdata和所述参考电压vref的相对大小，读取所述数据单元110的信息。本实施例中，比较电路150包括第一输入端1501、第二输入端1502和输出端1503，第一输入端1501与所述数据单元110耦接，第二输入端1502与所述参考输出端120a耦接，比较电路150用于根据数据电压vdata和参考电压vref的相对大小读取数据单元110的信息，所述输出端1503输出比较结果信号。
73.本实施例中，比较电路150为灵敏放大器(sense amplifier，sa)。作为一种示例，灵敏放大器的同相输入端与数据单元110耦接，灵敏放大器的反相输入端与参考单元120耦接。
74.在具体实施中，若所述数据电压vdata小于所述参考电压vref，则可以判决所述数据单元110存储的数据为“0”，所述数据单元110的磁隧道结100处于低阻态(即平行态)；若所述数据电压vdata大于所述参考电压vref，则可以判决所述数据单元110存储的数据为“1”，所述数据单元110的磁隧道结100处于高阻态(即反平行态)；或者反之亦可。
75.图5是本发明磁性随机存取存储器另一实施例的结构示意图。本发明实施例与前述实施例的相同之处在此不再赘述，不同之处在于：
76.本实施例中，磁隧道结300为顶部磁向固定(top-pinned)，所述磁隧道结300包括磁自由层3002和位于所述磁自由层3002上的磁固定层3001。
77.本实施例中，所述参考单元320包括一个或多个反平行态参考单元320h，一个反平行态参考单元320h的磁固定层3002用于形成参考输出端320a，或多个所述反平行态参考单元320h的磁固定层3002耦接，形成参考输出端320a。
78.本实施例中，所述数据单元310的磁固定层3001与所述负载电路340耦接。
79.本实施例中，所述存储单元还包括与所述磁隧道结300相连的选择晶体管n0，所述选择晶体管n0的栅极与字线wl耦接。相应地，本实施例中，所述数据单元310中，所述选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结300的磁自由层3002耦接，所述选择晶体管n0的源极接地。
80.本实施例中，所述平行态参考单元320l中，所述选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结300的磁自由层3002耦接，所述选择晶体管n0的源极用于形成所述参考输出端320a，所述磁隧道结300的磁固定层3001接地vss。
81.本实施例中，所述反平行态参考单元320h中，所述磁隧道结300的磁固定层3001用于形成所述参考输出端320a，所述选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结300的磁自由层
3002耦接，所述选择晶体管n0的源极接地vss。
82.在mram中，将所述磁隧道结300从高阻态(即反平行态)写为低阻态(即平行态)的写入电流(写“0”)方向与磁自由层3002指向磁固定层3001的方向一致，将磁隧道结300从低阻态写为高阻态的写入(写“1”)电流方向与磁固定层3001指向磁自由层3002的方向一致。
83.本实施例中，在读操作时，读取电流的方向为沿着所述参考输出端320a指向接地端vss的方向。具体地，本实施例中，在所述反平行态参考单元320h中，经过所述磁隧道结300的读取电流方向与所述磁固定层3001指向磁自由层3002的方向一致，也就是与将磁隧道结300写为高阻态的电流方向相同，而反平行态参考单元320h中的所述磁隧道结300已经为高阻态，从而能够防止反平行态参考单元320h的阻态发生翻转。
84.本实施例中，所述磁隧道结300为顶部磁向固定，通过使所述参考单元320包括一个或多个反平行态参考单元320h，所述反平行态参考单元320h的磁固定层3002耦接，形成参考输出端320a，从而在满足读操作时，经过所述反平行态参考单元320h的磁隧道结300的读取电流方向与所述磁固定层3001指向磁自由层3002的方向一致的同时，无需改变电路的结构，有利于降低电路设计的复杂度、提高与现有电路结构的兼容性。
85.其他实施例中，参考单元为一个或多个反平行态参考单元，所述电流镜中，从参考单元至所述数据单元采用的镜像比例为x：1，x在单元至所述数据单元采用的镜像比例为x：1，x在范围内；其中，为反平行态参考单元磁隧道结的平均电阻，为平行态参考单元磁隧道结的平均电阻。通过将参考单元至数据单元的镜像比例设置在上述值，从而使得等效参考电阻rref在反平行态参考单元和平行态参考单元磁隧道结的电阻平均值的
±
10％范围内。
86.另一些实施例中，参考单元包括一个或多个反平行态参考单元，电流镜中，从参考单元至数据单元采用的镜像比例为x：1；x在单元至数据单元采用的镜像比例为x：1；x在的
±
10％范围内。通过将从参考单元至数据单元的镜像比例由上述公式确定，从而使得等效参考电阻rref为反平行态参考单元和平行态参考单元磁隧道结的电阻中间值rm的
±
10％范围内，其中，所述电阻中间值rm满足：
87.对本实施例所述磁性随机存取存储器的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，本实施例在此不再赘述。
88.相应的，本发明实施例还提供一种存储阵列。结合参考图4，示出了本发明存储阵列一实施例的结构示意图。
89.本实施例中，所述存储阵列400应用于磁性随机存取存储器，所述磁性随机存取存储器包括：驱动信号模块，用于向所述存储阵列400提供读取信号；比较电路，用于根据所述存储阵列400输出的数据电压和参考电压的相对大小，读取所述存储阵列400的数据。
90.本实施例中，所述存储阵列400包括：多个阵列排布的存储单元，存储单元包括磁隧道结(mtj)100，所述磁隧道结100包括相对设置的磁固定层1001和磁自由层1002，定义待读取数据的存储单元为数据单元110，所述数据单元110用于加载读取信号输出数据电压vdata；定义用于作为数据读取参考的存储单元为参考单元120，，所述参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，一个所述平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成参考输出端120a，或多个所述平行态参考单元120l的磁自由层1002耦接，形成参考输出端
120a；或者，所述参考单元120包括一个或多个反平行态参考单元，一个所述反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个所述反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端；所述参考单元120用于加载所述读取信号，通过所述参考输出端120a输出所述参考电压vref。
91.本实施例中，参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，一个平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成参考输出端120a，或多个平行态参考单元120l的磁自由层1001耦接，形成参考输出端120a，在读操作时，经过平行态参考单元120l的读取电流方向相应与磁自由层1001指向磁固定层1002的方向一致，即与将存储单元写为低阻态或平行态的电流方向一致，从而降低平行态参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性。
92.或者，参考单元为一个或多个反平行态参考单元，一个反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端或多个反平行态参考单元的磁固定层耦接形成参考输出端，在读操作时，经过反平行态参考单元的读取电流方向相应与磁固定层指向磁自由层的方向一致，即与将存储单元写为高阻态或反平行态的电流方向一致，从而降低反平行态参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性。
93.综上，本实施例降低了参考单元120的阻态在读操作时发生翻转的可能性，相应为数据单元110的数据读取提供更为可靠的参考电阻，保证了参考单元120的可靠性，进而提升mram的数据读取正确率，相应提升了mram的可靠性。
94.所述存储单元用于存储数据。所述存储阵列400包括多个矩阵排列的存储单元。多个存储单元为重复单元，即多个存储单元具有相同结构。因此，平行态参考单元120l或反平行态参考单元与所述数据单元110具有相同的结构，有利于提高参考单元120用于作为数据读取参考的准确性。
95.在具体实施中，存储单元中的磁隧道结100用于存储数据。具体地，当磁固定层1001和磁自由层1002的磁向平行时，存储单元为平行态，流经磁隧道结100的隧穿电流具有最大值，磁隧道结100为低阻态(rl)；当磁固定层1001和磁自由层1002的磁向反平行时，存储单元为反平行态，流经磁隧道结100的隧穿电流具有最小值，磁隧道结100为高阻态(rh)。
96.磁固定层1001的磁化方向是固定的，用于作为磁自由层1002的磁化方向参考层。磁自由层1002的磁化方向有两个稳定的取向，分别与磁固定层1001的磁化方向平行或相反，从而使得磁隧道结100能够处于低阻态(即平行态)或高阻态(即反平行态)。磁自由层1002和磁固定层1001的材料均为铁磁金属材料，例如：cofeb或cofe。
97.本实施例中，磁隧道结100还包括：位于磁固定层1001和磁自由层1002之间的隧穿势垒层1003。隧穿势垒层1003用于实现磁固定层1001和磁自由层1002之间的电隔离。隧穿势垒层1003的材料为绝缘材料。
98.作为一种示例，所述磁隧道结100为底部磁向固定，所述磁隧道结100包括磁固定层1001和位于磁固定层1001上的磁自由层1002。
99.所述存储单元还包括与所述磁隧道结100相连的选择晶体管n0，所述选择晶体管n0的栅极与字线wl耦接。选择晶体管n0适于在字线wl接入的信号的控制下开启或断开，以读取磁隧道结100中存储的数据。本实施例中，选择晶体管n0为nmos晶体管。
100.本实施例中，所述磁隧道结100为底部磁向固定，相应地，所述数据单元110中，所述选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结100的磁固定层1002耦接，所述选择晶体管n0的源
极接地vss。
101.所述数据单元110为待进行数据读取的存储单元，所述数据单元110中的磁隧道结100的阻态待确认。所述参考单元120适于存储和输出参考数据，所述参考数据用于作为读取所述数据单元110数据的参考。
102.所述参考输出端120a用于输出对所述数据单元110进行数据读取的参考信号。具体地，在读操作时，所述参考单元120基于所述驱动信号模块180提供的读取信号，通过所述参考输出端120a输出参考信号。
103.本实施例中，利用一个或多个平行态参考单元120l中的磁隧道结100组成一个标准电阻，通过将所述数据单元110和标准电阻进行比较，以判定数据单元110处于高阻态还是低阻态，进而实现对数据单元110的数据读取。
104.本实施例中，所述平行态参考单元120l指的是，所述平行态参考单元120l中的磁隧道结100为平行(p)态，所述磁自由层1002的磁向与所述磁固定层1001的磁向平行；所述反平行态参考单元指的是，所述反平行态参考单元中的磁隧道结为反平行(ap)态，所述磁自由层的磁向与磁固定层的磁向反平行。
105.本实施例中，为方便示意和说明，以所述参考单元120包括两个平行态参考单元120l作为一种示例。但是，所述参考单元120包括的平行态参考单元120l的数量不仅限于此。
106.在mram中，将所述磁隧道结100从高阻态写为低阻态的写入电流方向与磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致，将磁隧道结100从低阻态写为高阻态的写入电流方向与磁固定层1001指向磁自由层1002的方向一致。
107.本实施例中，所述参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，一个平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成参考输出端120a，或多个平行态参考单元120l的磁自由层1002耦接，形成参考输出端120a，从而在读操作时，经过平行态参考单元120l的读取电流方向与磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致时，即经过平行态参考单元120l的读取电流方向与写0的电流方向一致，而平行态参考单元120l已经为平行态，进而保证在经过长时间的读操作后，平行态参考单元120l的阻态均不易发生翻转。
108.本实施例中，所述磁隧道结100为底部磁向固定，通过使所述参考单元120包括一个或多个平行态参考单元120l，一个所述平行态参考单元120l的磁自由层1002用于形成参考输出端120a，或多个所述平行态参考单元120l的磁自由层1001耦接，形成参考输出端120a，从而在满足读操作时，经过所述平行态参考单元120l磁隧道结100的读取电流方向，与所述磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致的同时，无需改变电路的结构，有利于降低电路设计的复杂度、提高与现有电路结构的兼容性。
109.相应地，本实施例中，数据单元110的磁自由层1001与负载电路140耦接。
110.具体地，所述数据单元110中的选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结100的磁固定层1001耦接，所述数据单元110中的选择晶体管n0的源极接地vss。
111.相应地，本实施例中，平行态参考单元120l中，选择晶体管n0的漏极与所述磁隧道结100的磁固定层1001耦接，所述选择晶体管n0的源极接地vss。
112.本实施例中，在读操作时，读取电流的方向为沿着所述参考输出端120a指向所述接地端vss的方向。具体地，在平行态参考单元120l中，经过所述磁隧道结100的读取电流方
向与磁自由层1002指向磁固定层1001的方向一致，也就是与将磁隧道结100写为低阻态或平行态的电流方向相同，而平行态参考单元120l中的磁隧道结100已经为低阻态，从而能够防止平行态参考单元120l的阻态发生翻转。
113.相应地，本发明还提供另一实施例的存储阵列。本发明实施例与前述实施例的相同之处在此不再赘述，本发明实施例与前述实施例的不同之处在于：
114.磁隧道结为顶部磁向固定，磁隧道结包括磁自由层和位于磁自由层上的磁固定层。所述参考单元包括一个或多个反平行态参考单元，一个反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端。
115.在具体实施中，所述参考单元包括多个反平行态参考单元，多个反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成所述参考输出端。
116.本实施例中，所述数据单元的磁固定层与负载电路耦接。本实施例中，存储单元还包括与磁隧道结相连的选择晶体管，选择晶体管的栅极与字线耦接。
117.相应地，本实施例中，数据单元中，选择晶体管的漏极与磁隧道结的磁自由层耦接，选择晶体管的源极接地。本实施例中，所述反平行态参考单元中，磁隧道结的磁固定层用于形成参考输出端，选择晶体管的漏极与磁隧道结的磁自由层耦接，选择晶体管的源极接地。
118.在mram中，将磁隧道结从高阻态写为低阻态的写入电流方向与磁自由层指向磁固定层的方向一致，将磁隧道结从低阻态写为高阻态的写入电流方向与磁固定层指向磁自由层的方向一致。
119.本实施例中，在读操作时，读取电流的方向为沿着参考输出端指向接地端的方向。具体地，在反平行态参考单元中，经过磁隧道结的读取电流方向与磁固定层指向磁自由层的方向一致，也就是与将磁隧道结写为高阻态的电流方向相同，而反平行态参考单元中的磁隧道结已经为高阻态，从而能够防止反平行态参考单元的阻态发生翻转。
120.本实施例中，磁隧道结为顶部磁向固定，通过使参考单元包括一个或多个反平行态参考单元，一个反平行态参考单元的磁固定层用于形成参考输出端，或多个反平行态参考单元的磁固定层耦接，形成参考输出端，从而在满足读操作时，经过反平行态参考单元的磁隧道结的读取电流方向，与磁固定层指向磁自由层的方向一致的同时，无需改变电路的结构，有利于降低电路设计的复杂度、提高与现有电路结构的兼容性。
121.对本实施例所述存储阵列的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，本实施例在此不再赘述。
122.相应的，本发明实施例还提供一种电子设备。所述电子设备包括：本发明实施例提供的磁性随机存取存储器。
123.由前述记载可知，前述实施例提供的磁性随机存取存储器，参考单元的阻态在读操作时发生翻转的可能性低，相应为数据单元的数据读取提供更为可靠的参考电阻，保证了参考单元的可靠性，进而提升mram的数据读取正确率，相应提升了mram的可靠性，相应地，本实施例提供的电子设备的性能也得到了提升，例如：提高数据读取正确率，有利于优化用户体验度和感受度。
124.本实施例中，所述电子设备可以为能够进行数据存储和读取的电子设备，例如：芯片、手机、电脑、车载电子产品等设备。
125.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。