[发明专利]一种MRAM芯片及其自测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片领域，具体涉及一种MRAM芯片及其自测试方法。

背景技术

关于MRAM：

本发明的背景是MRAM技术的成熟。MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

它的经济性相当好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也具有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM的原理：

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夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1、图2所示：

下面的一层铁磁性材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁性材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层同向或反向。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。前一种情况电阻低，如图1所示；后一种情况电阻高，如图2所示。

读取MRAM记忆单元的过程就是对MTJ的电阻进行测量。

使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作，一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定磁化层同向，自上而下的电流把可变磁化层置成与固定磁化层反向。

MRAM的架构：

每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成。MOS管的门连接到芯片的字线负责接通或切断这个单元，MTJ和MOS管串接在芯片的位线上，读写操作在位线上进行，如图3所示：

一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如图4所示：

·行地址解码器：把收到的地址变成字线的选择

·列地址解码器：把收到的地址变成位线的选择

·读写控制器：控制位线上的读(测量)与写(加电流)操作

·输入输出控制：与外部交换数据

MRAM的阵列布局：

一个MRAM芯片，通常是具有上述含外围电路的MRAM存储单元阵列，通过地址解码器去选择。

为了节省用电，MRAM阵列中的MRAM存储单元通常是不通电的，只有被芯片地址解码器选中后，才会上电进行读写。

MRAM读取模式中，最常见的方法是和参考MTJ单元(处于已知的状态)进行比较。参考单元通常也组成一个阵列，被选中的存储单元和参考阵列中相同位置的参考单元进行比较。MRAM芯片被划分为多个区域，每个区域有一个共用的参考单元，如图5所示。

MRAM的备用单元：

MRAM在生产过程中可能有失效的单元，使用过程中也可能会有少数单元损坏。因此芯片中常常需要增加备用单元替换损坏的单元，备用单元通常以行为单位附加在每个阵列中。

采用备用行存在以下问题：

(1)当一个存储单元损坏时，必须替换整个一行，当阵列的行比较宽时，损失很大；

(2)当一个MRAM芯片中的备用行不够用时，这个芯片就无法再使用了，因此配备在每个阵列中的备份行必须足够多；而一个阵列中的存储单元数量有限，统计涨落大，所以需要的备份单元就比较多。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种MRAM芯片，通过设置备份阵列，使用备份阵列中的存储单元行替换存储阵列与备份阵列中包括损坏的存储单元的存储单元字，存储单元字的宽度小于存储阵列的列的数目，从而更有效利用备份阵列中的存储单元，延长MRAM芯片的使用寿命。

本发明提供一种MRAM芯片，包括一个或多个区域，区域包括多个存储阵列与一个备份阵列，备份阵列中的存储单元行用于替换MRAM芯片中包括失效或损坏的存储单元的存储单元字,存储单元字的宽度小于存储阵列的列的数目。

进一步地，区域还包括一个参考阵列，用于区域中的存储阵列的读操作与区域的相邻区域中的备份阵列的读操作。

进一步地，备份阵列的列的数目与存储单元字的宽度相同。

进一步地，备份阵列的行的数目与存储阵列的行的数目相同或不同。

本发明还提供一种上述MRAM芯片的自测试方法，包括以下步骤：