[发明专利]具有动态冗余功能的MRAM芯片

说明书

具有动态冗余功能的MRAM芯片，ECC纠错单元在正常读操作时接收主存储区中被读取数据，将查到的出错信息上报；当该正常读操作完成时，纠错控制器判断收到的错误数量是否超过设定值，为是时判断被读取数据地址是否在寄存器的出错地址中，为是时则将该出错地址对应的计数器加一，判断该计数器的计数值是否达到设定值，为是时则标明该出错地址对应的替换标识为永久替换标识，并在冗余存储区中寻找空闲地址作为替换地址，将经过ECC纠错的数据写入替换地址中；在被读取数据地址不在寄存器的出错地址中时，查找到一组空闲的寄存器，将被读取数据地址写入查到的寄存器中，并将该出错地址对应计数器的计数设为1、对应的替换标识标记为非替换。

技术领域

本发明涉及MRAM芯片技术领域，特别是涉及一种具有动态冗余功能的MRAM芯片。

背景技术

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。它的经济性非常好，单位容量占用的硅片面积非常小，比SRAM有很大的优势；其制造工艺中需要的附加光罩数量较少，比嵌入式NOR Flash的成本优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近SRAM，功耗则比闪存低得多。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：下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁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相平行或反平行。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，后一种情况电阻高。

读取MRAM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层平行的方向，自上而下的电路把它置成反平行的方向。

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：行地址解码器：把收到的地址变成Word Line的选择；列地址解码器：把收到的地址变成Bit Line的选择；读写控制器：控制Bit Line上的读(测量)写(加电流)操作；输入输出控制：和外部交换数据。

MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元的电阻。由于MTJ的电阻会随着温度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态记忆单元作为参考单元，再使用读出放大器(Sense Amplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。

由于MRAM的工艺尚不完美，目前在开发中的MRAM芯片，普遍具有ECC纠错功能。这种技术，采用给每一个读写的字(通常是32或64比特)增加一些比特的方法，实现对不超过一定数量的错误的纠正。比如，给一个64比特的字进行编码，增加14个纠错比特；读出的过程中，如果发生的错误不超过2个比特，就会在解码时被纠正过来。

对于存储芯片，常见有因小部分的存储单元由于制造工艺不完美失效，一般采用冗余单元进行替换。但在MRAM的使用过程中，可能会发生少量存储单元损坏或者是电阻漂移造成错误。需要有一种方法在不丢失数据的情况下，自动修补这些失效的单元。

美国专利US20030133333提出建立一个地址翻译器实现损坏单元的替换。美国专利US8929167提出在芯片中增加一个BIST系统，自动地测试存储单元，并自动地用冗余单元修补失效了的存储单元。但二者都不能解决使用过程中的损坏问题，只能用在生产线上。

美国专利US20150074474是最接近的技术。他们提出在每次开机时进行一次检测，替换损坏的单元。但现代计算系统持续开机的时间很长。如果使用过程中发生存储单元的损坏，这种方法仍难免数据存储错误。

发明内容