[發明專利]具有動態冗余功能的MRAM芯片

在審

• 申請號: 201910356086.4
• 申請日: 2019-04-29
• 公開（公告）號: CN111863059A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 戴瑾;王春林;葉力;夏文斌
• 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;G11C29/42;G11C29/18
• 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

具有動態冗余功能的MRAM芯片，ECC糾錯單元在正常讀操作時接收主存儲區中被讀取數據，將查到的出錯信息上報；當該正常讀操作完成時，糾錯控制器判斷收到的錯誤數量是否超過設定值，為是時判斷被讀取數據地址是否在寄存器的出錯地址中，為是時則將該出錯地址對應的計數器加一，判斷該計數器的計數值是否達到設定值，為是時則標明該出錯地址對應的替換標識為永久替換標識，并在冗余存儲區中尋找空閑地址作為替換地址，將經過ECC糾錯的數據寫入替換地址中；在被讀取數據地址不在寄存器的出錯地址中時，查找到一組空閑的寄存器，將被讀取數據地址寫入查到的寄存器中，并將該出錯地址對應計數器的計數設為1、對應的替換標識標記為非替換。

技術領域

本發明涉及MRAM芯片技術領域，特別是涉及一種具有動態冗余功能的MRAM芯片。

背景技術

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。它的經濟性非常好，單位容量占用的硅片面積非常小，比SRAM有很大的優勢；其制造工藝中需要的附加光罩數量較少，比嵌入式NOR Flash的成本優勢更大。它的性能也相當好，讀寫時延接近SRAM，功耗則比閃存低得多。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：下面的一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層，上面的鐵磁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相平行或反平行。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，后一種情況電阻高。

讀取MRAM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層平行的方向，自上而下的電路把它置成反平行的方向。

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：行地址解碼器：把收到的地址變成Word Line的選擇；列地址解碼器：把收到的地址變成Bit Line的選擇；讀寫控制器：控制Bit Line上的讀(測量)寫(加電流)操作；輸入輸出控制：和外部交換數據。

MRAM的讀出電路需要檢測MRAM記憶單元的電阻。由于MTJ的電阻會隨著溫度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已經被寫成高阻態或低阻態記憶單元作為參考單元，再使用讀出放大器(Sense Amplifier)來比較記憶單元和參考單元的電阻。

由于MRAM的工藝尚不完美，目前在開發中的MRAM芯片，普遍具有ECC糾錯功能。這種技術，采用給每一個讀寫的字(通常是32或64比特)增加一些比特的方法，實現對不超過一定數量的錯誤的糾正。比如，給一個64比特的字進行編碼，增加14個糾錯比特；讀出的過程中，如果發生的錯誤不超過2個比特，就會在解碼時被糾正過來。

對于存儲芯片，常見有因小部分的存儲單元由于制造工藝不完美失效，一般采用冗余單元進行替換。但在MRAM的使用過程中，可能會發生少量存儲單元損壞或者是電阻漂移造成錯誤。需要有一種方法在不丟失數據的情況下，自動修補這些失效的單元。

美國專利US20030133333提出建立一個地址翻譯器實現損壞單元的替換。美國專利US8929167提出在芯片中增加一個BIST系統，自動地測試存儲單元，并自動地用冗余單元修補失效了的存儲單元。但二者都不能解決使用過程中的損壞問題，只能用在生產線上。

美國專利US20150074474是最接近的技術。他們提出在每次開機時進行一次檢測，替換損壞的單元。但現代計算系統持續開機的時間很長。如果使用過程中發生存儲單元的損壞，這種方法仍難免數據存儲錯誤。

發明內容