[發明專利]一種包含MRAM的芯片及其測試方法與維護方法

在審

• 申請號: 201610532012.8
• 申請日: 2016-07-07
• 公開（公告）號: CN107591177A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 戴瑾
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;G11C29/04
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙)31287
• 代理人: 于曉菁

技術領域

本發明涉及半導體芯片領域，具體涉及一種包含MRAM的芯片及其測試方法與維護方法。

背景技術

關于MRAM：

本發明的背景是MRAM技術的成熟。MRAM是一種新的內存和存儲技術，可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數據。

它的經濟性相當好，單位容量占用的硅片面積比SRAM有很大的優勢，比在此類芯片中經常使用的NOR Flash也具有優勢，比嵌入式NOR Flash的優勢更大。它的性能也相當好，讀寫時延接近最好的SRAM，功耗則在各種內存和存儲技術最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash那樣與標準CMOS半導體工藝不兼容。MRAM可以和邏輯電路集成到一個芯片中。

MRAM的原理：

MRAM的原理，是基于一個叫做MTJ(磁性隧道結)的結構，它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，如圖1、圖2所示：

下面的一層鐵磁性材料是具有固定磁化方向的參考層，上面的鐵磁性材料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同向或反向。由于量子物理的效應，電流可以穿過中間的隧道勢壘層，但是MTJ的電阻和可變磁化層的磁化方向有關。前一種情況電阻低，如圖1所示；后一種情況電阻高，如圖2所示。

讀取MRAM記憶單元的過程就是對MTJ的電阻進行測量。

使用比較新的STT-MRAM技術，寫MRAM也比較簡單：使用比讀更強的電流穿過MTJ進行寫操作，一個自下而上的電流把可變磁化層置成與固定磁化層同向，自上而下的電流把可變磁化層置成與固定磁化層反向。

MRAM的架構：

每個MRAM的記憶單元由一個MTJ和一個MOS管組成。MOS管的門連接到芯片的字線負責接通或切斷這個單元，MTJ和MOS管串接在芯片的位線上，讀寫操作在位線上進行，如圖3所示：

一個MRAM芯片由一個或多個MRAM存儲單元的陣列組成，每個陣列有若干外部電路，如圖4所示：

·行地址解碼器：把收到的地址變成字線的選擇

·列地址解碼器：把收到的地址變成位線的選擇

·讀寫控制器：控制位線上的讀(測量)與寫(加電流)操作

·輸入輸出控制：與外部交換數據

MRAM的失效模式：

和很多新的內存/存儲技術一樣，MRAM不能夠保證每一個存儲單元都完美的工作。它的制造工藝中有著多種失效模式，盡管每一種失效模式發生的幾率都非常的低，但在現代計算系統中，每一例失效都必須通過芯片和系統的設計進行糾正。

常見失效模式有：

(1)制造過程中少數存儲單元損壞；

(2)少數存儲單元在多次寫入后，由于隧道勢壘層被擊穿而損壞；

(3)少數存儲單元長期保存數據時丟失信息。

有多種方法糾正這些失效模式，例如用備用行替換損壞的普通存儲行，定期自刷新等等。

MRAM的失效模式，需要通過產線的測試和使用過程中的維護解決，這樣的測試和維護需要在芯片中增加自測試的硬件來解決，因而增加了MRAM芯片的成本。

然而MRAM的失效模式比較復雜，導致自測試系統的設計困難和芯片的成本上升，特別是MRAM使用中的維護需要不影響CPU對它的讀寫，使得設計更加困難。

發明內容

鑒于現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種包含MRAM的芯片，通過運行于內部處理器或外部處理器程序進行測試或維護，MRAM內不再需要設置自測試系統，從而降低了MRAM的成本。

考慮到MRAM在很多場合下會和CPU集成在一起，本發明提出基于軟件的MRAM測試和維護方法，由CPU來運行，不需要專用的自測試硬件。

本發明提供一種包含MRAM的芯片，MRAM中包含存儲單元或備用存儲單元，MRAM設置有狀態寄存器，狀態寄存器用于被寫入設定的MRAM維護狀態字時MRAM允許在內部處理器或外部處理器上運行的軟件操作備用存儲單元。

進一步地，包含MRAM的芯片還包括內部處理器。

進一步地，部分或全部的MRAM作為處理器的緩存，當芯片進入MRAM維護狀態時，允許在處理器上運行的軟件直接讀寫緩存。

進一步地，運行在內部處理器或外部處理器上的軟件對MRAM中的存儲單元進行讀寫測試，如果存在損壞的存儲單元，使用空閑的經測試完好的備用單元替換存儲單元。

進一步地，運行在內部處理器或外部處理器上的軟件對MRAM每個存儲單元以及已使用的備用存儲單元進行自刷新。