一种包含MRAM的芯片及其测试方法与维护方法与流程

本发明涉及半导体芯片领域，具体涉及一种包含mram的芯片及其测试方法与维护方法。

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的失效模式：

和很多新的内存/存储技术一样，mram不能够保证每一个存储单元都完美的工作。它的制造工艺中有着多种失效模式，尽管每一种失效模式发生的几率都非常的低，但在现代计算系统中，每一例失效都必须通过芯片和系统的设计进行纠正。

常见失效模式有：

(1)制造过程中少数存储单元损坏；

(2)少数存储单元在多次写入后，由于隧道势垒层被击穿而损坏；

(3)少数存储单元长期保存数据时丢失信息。

有多种方法纠正这些失效模式，例如用备用行替换损坏的普通存储行，定期自刷新等等。

mram的失效模式，需要通过产线的测试和使用过程中的维护解决，这样的测试和维护需要在芯片中增加自测试的硬件来解决，因而增加了mram芯片的成本。

然而mram的失效模式比较复杂，导致自测试系统的设计困难和芯片的成本上升，特别是mram使用中的维护需要不影响cpu对它的读写，使得设计更加困难。

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包含mram的芯片，通过运行于内部处理器或外部处理器程序进行测试或维护，mram内不再需要设置自测试系统，从而降低了mram的成本。

考虑到mram在很多场合下会和cpu集成在一起，本发明提出基于软件的mram测试和维护方法，由cpu来运行，不需要专用的自测试硬件。

本发明提供一种包含mram的芯片，mram中包含存储单元或备用存储单元，mram设置有状态寄存器，状态寄存器用于被写入设定的mram维护状态字时mram允许在内部处理器或外部处理器上运行的软件操作备用存储单元。

进一步地，包含mram的芯片还包括内部处理器。

进一步地，部分或全部的mram作为处理器的缓存，当芯片进入mram维护状态时，允许在处理器上运行的软件直接读写缓存。

进一步地，运行在内部处理器或外部处理器上的软件对mram中的存储单元进行读写测试，如果存在损坏的存储单元，使用空闲的经测试完好的备用单元替换存储单元。

进一步地，运行在内部处理器或外部处理器上的软件对mram每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行自刷新。

进一步地，mram还包括软件存储区域，用于存储mram测试软件和/或mram维护软件。

本发明还提供一种上述包含mram的芯片的测试方法，包括以下步骤：

(1)mram测试软件通过写入mram的状态寄存器把mram设置为mram维护模式；

(2)对mram中的每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行测试；如果存在损坏的存储单元或备用存储单元，使用空闲的备用存储单元替换。

本发明还提供一种上述包含mram的芯片的维护方法，包括以下步骤：

(1)mram维护软件在空闲时或定时进行mram维护。

进一步地，mram维护软件为软件系统中最低优先级的任务。

进一步地，步骤(1)中进行mram芯片维护包括以下步骤：

(11)mram维护软件通过写入mram的状态寄存器把mram设置为mram维护模式；

(12)对mram中的每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行测试；如果存在损坏的存储单元或备用存储单元，使用空闲的备用存储单元替换。

进一步地，步骤(1)中进行mram维护还包括以下步骤：

(13)mram维护软件通过写入mram的状态寄存器把mram设置为mram维护模式；

(14)对mram中的每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行自刷新。

与现有技术相比，本发明提供的包含mram的芯片及其测试方法与维护方法，具有以下有益效果：

(1)通过在内部处理器或外部处理器运行的软件进行测试或维护，mram内不再需要设置自测试系统，从而降低了mram的成本；

(2)通过运行优先级的设置，能更容易地减小mram维护对系统运行的干扰；

(3)采用纯软件的测试与维护比硬件的维护更具灵活性。

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是本发明的一个实施例的包含mram的芯片的示意图。

具体实施方式

如图5所示，本发明的一个实施例的包含mram的芯片，mram中包含存储单元或备用存储单元，mram设置有状态寄存器，状态寄存器用于被写入设定的mram维护状态字时mram允许在内部处理器或外部处理器上运行的软件操作备用存储单元。

运行在内部处理器或外部处理器上的软件对mram中的存储单元进行读写测试，如果存在损坏的存储单元，使用空闲的经测试完好的备用单元替换存储单元。

通过在内部处理器或外部处理器运行的软件进行测试或维护，mram内不再需要设置自测试系统，从而降低了mram的成本。

本实施例中的包含mram的芯片，包括内部处理器，也就是集成在包含mram的芯片上的处理器，进行测试软件和/或维护软件可以运行在内部处理器上。

当然在另一个实施例中，包含mram的芯片也可以不包括内部处理器，此时进行测试软件和/或维护软件可以运行在外部处理器上，外部处理器也就是未集成在包含mram的芯片上的处理器。

部分或全部的mram作为处理器的缓存，当芯片进入mram维护状态时，允许在处理器上运行的软件直接读写缓存。

运行在内部处理器或外部处理器上的软件对mram每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行自刷新，能够保证mram中数据的稳定性。

mram还包括软件存储区域，用于存储mram测试软件和/或mram维护软件。

上述包含mram的芯片的测试方法，包括以下步骤：

(1)mram测试软件通过写入mram的状态寄存器把mram设置为mram维护模式；

(2)对mram中的每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行测试；如果存在损坏的存储单元或备用存储单元，使用空闲的备用存储单元替换。

上述包含mram的芯片的维护方法，包括以下步骤：

(1)mram维护软件在空闲时或定时进行mram维护。

mram维护软件为软件系统中最低优先级的任务。

步骤(1)中进行mram芯片维护包括以下步骤：

(11)mram维护软件通过写入mram的状态寄存器把mram设置为mram维护模式；

(12)对mram中的每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行测试；如果存在损坏的存储单元或备用存储单元，使用空闲的备用存储单元替换。

步骤(1)中进行mram维护还包括以下步骤：

(13)mram维护软件通过写入mram的状态寄存器把mram设置为mram维护模式；

(14)对mram中的每个存储单元以及已使用的备用存储单元进行自刷新。

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。