一种MRAM芯片及其自刷新方法与流程

本发明涉及半导体芯片领域，具体涉及一种mram芯片及其自刷新方法。

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norflash也具有优势，比嵌入式norflash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：

·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

虽然mram芯片原则上可以无限次地擦写，但由于工艺制成的不完美，很少一部分单元(通常小于万分之一)在经过很多次(数亿次)的写入操作后，会失效。虽然失效的比例非常的低，但现代计算系统中的计算量很多，ram芯片承受的操作负荷很重，这样极低的损坏率仍然会严重地降低芯片的使用寿命。

如前面解释，在mram的操作中，写操作是比读操作更耗电的。可变磁化层有两个稳定状态：同向或反向的磁化。中间隔着能量很高的不稳定态的势垒。写操作把可变磁化层从一个状态改变为另外一个状态，就必须提供足够的能量翻越中间的势垒。

另一方面，现代mram的工艺已经进入纳米级，使得mtj的量子效应变得很重要。量子力学中的隧道效应，使得mtj在一个状态中经过足够长的时间，可以穿越到另外一个状态中，这将使得储存的信息丢失。

穿透的几率/所需的时间随着势垒的增高迅速下降趋于零，但如果控制材料和工艺让势垒更高，就使得写操作更费电，更高的写入电压也会影响芯片的耐久性。所以，实际量产中的mram芯片并不能做到无限期的保持数据，通常设计成保持20年的数据。

但另一个问题是，随着温度的升高，隧道穿透的几率急剧加大，实际的数据保持时间大幅度缩短。而芯片在使用中，硅片部分常常会升温到100度以上，因此，保持数据的安全性成为挑战。

技术实现要素：

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，通过一定数据刷新周期的自刷新能够保证数据的安全性；根据温度调整自刷新的数据刷新周期，能够更有效地保证数据的安全性。

本发明提供一种mram芯片，包括一个或多个由mram存储单元组成的阵列，每个阵列与控制电路连接，控制电路包括行地址解码器、列地址解码器、读写控制器以及输入输出控制，mram芯片还包括自刷新控制器、定时器以及用于存储上次刷新位置的非易失存储器。

进一步地，mram芯片还包括温度传感器。

进一步地，阵列的每一行还包括ecc纠错位。

本发明还提供一种上述mram芯片的自刷新方法，包括以下步骤：

(1)定时器设定的第一间隔时间到时，自刷新控制器控制mram芯片至少刷新阵列中一行。

进一步地，步骤(1)中自刷新控制器控制mram芯片至少刷新阵列中一行包括以下步骤：

(11)在自刷新控制器的控制下，如果非易失存储器存储的上次刷新位置为阵列中最后一行，读出并写回阵列的第一行，否则读出并写回上次刷新位置的下一行；

(12)将当前已刷新的行的地址写入非易失存储器；

(13)设定定时器为第一间隔时间。

进一步地，步骤(12)之前还包括以下步骤：

(121)如果总线空闲，读出并写回下一行，执行步骤(121)；如果总线不空闲，执行步骤(12)。

进一步地，步骤(11)或步骤(121)中读出并写回包括以下步骤：

(111)读出阵列中一行的数据；

(112)根据所述行的ecc位检查数据是否存在错误，如果存在，利用ecc纠正数据中的错误；

(113)将所述行的数据或纠正错误后的数据写回。

进一步地，mram芯片的自刷新方法还包括以下步骤：

(2)每经过第二时间间隔，利用温度传感器获得mram芯片的环境温度，如果温度发生变化，调整第一间隔时间。

进一步地，步骤(2)如果温度发生变化，调整第一间隔时间包括以下步骤：

(21)如果温度升高，减小第一间隔时间；如果温度降低，增大第一间隔时间。

进一步地，步骤(2)如果温度发生变化，调整第一间隔时间包括以下步骤：

(22)根据存储的温度与第一间隔时间的关系表，调整第一间隔时间。

与现有技术相比，本发明提供的mram芯片及其自刷新方法，通过一定数据刷新周期的自刷新能够保证数据的安全性；根据温度调整自刷新的数据刷新周期，能够更有效地保证数据的安全性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是磁性隧道结的低电阻态示意图；

图2是磁性隧道结的高电阻态示意图；

图3是mram存储单元；

图4是mram芯片的结构示意图；

图5是磁性隧道结的隧道效应示意图；

图6是本发明的一个实施例的mram芯片的结构示意图；

图7是在不同温度下mram芯片的数据刷新周期与出错率的关系图。

具体实施方式

如图6所示，本发明的一个实施例的mram芯片，包括一个或多个由mram存储单元组成的阵列，每个阵列与控制电路连接，控制电路包括行地址解码器、列地址解码器、读写控制器以及输入输出控制，mram芯片还包括自刷新控制器、定时器以及用于存储上次刷新位置的非易失存储器。

本发明还提供一种上述mram芯片的自刷新方法，包括以下步骤：

(1)定时器设定的第一间隔时间到时，自刷新控制器控制mram芯片至少刷新阵列中一行。

第一间隔时间为自刷新的数据刷新周期。

步骤(1)中自刷新控制器控制mram芯片至少刷新阵列中一行包括以下步骤：

(11)在自刷新控制器的控制下，如果非易失存储器存储的上次刷新位置为阵列中最后一行，读出并写回阵列的第一行，否则读出并写回上次刷新位置的下一行；

(12)将当前已刷新的行的地址写入非易失存储器；

(13)设定定时器为第一间隔时间。

步骤(12)之前还包括以下步骤：

(121)如果总线空闲，读出并写回下一行，执行步骤(121)；如果总线不空闲，执行步骤(12)。

具体地，自刷新方法包括以下步骤：

(1)如果到第一间隔时间，执行步骤(2)，否则执行步骤(1)；

(2)如果上次刷新位置为阵列中最后一行，读出并写回阵列的第一行，否则读出并写回上次刷新位置的下一行；

(3)如果总线空闲，读出并写回下一行，执行步骤(3)；如果总线不空闲，执行步骤(4)；

(4)将当前已刷新的行的地址写入非易失存储器；

(5)设定定时器为第一间隔时间。

为了保证实施ecc纠错算法后的错误率低于1e-16，预计数据刷新周期为2-5小时@150℃，10天-30天@100℃，100天-1年@85℃。

以一个1gb的芯片为例，每一行32bit，一共约3200万行。每次刷新一行，刷新的时间间隔则是上述刷新周期的3200万分之一。刷新可以在到时间的时候等候总线的空闲时间内执行。

dram的自刷新的周期一般在几十毫秒左右，自刷新本身的耗电也不小。而mram的自刷新周期通常在几分钟到几星期之间，自刷新本身的耗电可以忽略。

在另一个实施例中，mram芯片的阵列的每一行还包括ecc纠错位，读出并写回阵列的一行，包括以下步骤：

(1)读出阵列中一行的数据；

(2)根据所述行的ecc位检查数据是否存在错误，如果存在，利用ecc纠正数据中的错误；

(3)将所述行的数据或纠正错误后的数据写回。

从图7中可以看出，温度越高mram芯片的出错率越高，因此需要根据温度调整数据刷新周期，从而降低mram芯片的出错率。

在另一个实施例中，mram芯片还包括温度传感器，每经过第二时间间隔，进行温度测量，在根据温度调整数据刷新周期。

具体地mram芯片的自刷新方法还包括以下步骤：

如果到第二时间间隔，利用温度传感器获得mram芯片的环境温度，如果温度发生变化，调整第一间隔时间。

可以采用不同的方法调整第一间隔时间：

方法一：如果温度升高，减小第一间隔时间；如果温度降低，增大第一间隔时间。

温度升高设定的值，例如10℃，第一间隔时间减小一定的值。

方法二：根据存储的温度与第一间隔时间的关系表，调整第一间隔时间。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。