一种mram芯片及其自刷新操作方法

文档序号:9867765阅读:589来源:国知局
一种mram芯片及其自刷新操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MRAM芯片,尤其涉及一种MRAM芯片及其自刷新操作方法。
【背景技术】
[0002]关于MRAM:
[0003]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。
[0004]它的经济性想当地好,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。
[0005]MRAM 的原理:
[0006]MRAM的原理,是基于一个叫做磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junct1n,MTJ)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:
[0007]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皇层,但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。磁化方向可以和固定磁化层同向为低电阻态,如图1所示;磁化方向可以和固定磁化层反向为高电阻态,如图2所示。
[0008]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同向,自上而下的电路把它置成反向。
[0009]MRAM 的架构
[0010]每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成,MOS管的栅极(gate)连接到芯片的字线(Word Line)负责接通或切断这个单元,MTJ和MOS管串接在芯片的位线(BitLine)上,读写操作在位线上进行,如图3所示。
[0011]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:
[0012]?行地址解码器:把收到的地址变成字线的选择
[0013]?列地址解码器:把收到的地址变成位线的选择
[0014]?读写控制器:控制位线上的读(测量)写(加电流)操作
[0015]?输入输出控制:和外部交换数据
[0016]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。中间隔着能量更高的不稳定态。写操作把可变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皇。
[0017]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。重新写一次,可变磁化层的状态又回到了稳定态。
[0018]隧道效应将使得储存的信息丢失,穿透的几率/所需的时间随着势皇的增高迅速下降趋于零,但如果控制材料和工艺让势皇更高,就使得写操作更费电。

【发明内容】

[0019]有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种具备自刷新功能的MRAM芯片,通过减小MRAM内容保存时间,降低了 MRAM存储单元的操作功耗,通过引入自刷新保证MRAM芯片的可靠存储。
[0020]本发明把自刷新技术引进到MRAM中,这种技术过去只在DRAM中应用,在MRAM中没有应用,因为目前的MRAM都是可以永久保持内容的,并不需要自刷新,但写操作功耗较大。
[0021]实际中存在一些应用:MRAM在断电后一定的时间内保持内容,但又不需要永久保存,而对功耗要求很高,例如数据中心的缓存,一旦发生断电,其内容不会马上丢失,重新启动后,一切都可以恢复,但大量的缓存耗电非常大。
[0022]可以控制MRAM芯片的工艺,降低MRAM存储单元的MTJ的势皇,也就是在减小MRAM内容保存时间的代价下,降低MRAM存储单元的操作功耗;由于内容保存时间较短,不再是永久保持内容,需要引入自刷新技术,以保证MRAM芯片的可靠存储。
[0023]这种MRAM芯片适合于对功耗要求高的应用。
[0024]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存储单元的内容保存时间有限,控制电路还包括自刷新控制器与定时器,自刷新控制器分别与行地址解码器、列地址解码器、读写控制器连接,定时器在设定的自刷新周期时间到时,给自刷新控制器发送信号,自刷新控制器启动自刷新操作。
[0025]进一步地,MRAM芯片包括非易失的上次自刷新时间寄存器,自刷新控制器每次进行自刷新操作后把当前时间记录在上次自刷新时间寄存器中。
[0026]进一步地,MRAM芯片包括开机时间寄存器,系统开机时将开机时间写入开机时间寄存器。
[0027]进一步地,系统开机后,自刷新控制器从自刷新时间寄存器读取上次自刷新时间,从开机时间寄存器读取开机时间,计算包括断电时间在内的距上次自刷新的时间;如果得到的时间大于或等于自刷新周期,启动自刷新操作。
[0028]进一步地,自刷新控制器从自刷新时间寄存器读取上次自刷新时间,从开机时间寄存器读取开机时间,计算包括断电时间在内的距上次自刷新的时间;如果得到的时间小于自刷新周期,将定时器设定为自刷新周期与距上次自刷新的时间的差值。
[0029]进一步地,设定的自刷新周期小于所述MRAM存储单元的内容保存时间,在信息丢失前进行刷新,以保证MRAM芯片的可靠存储。
[0030]本发明还提供一种上述MRAM芯片的自刷新操作方法,包括以下步骤:
[0031](I)定时器在设定的自刷新周期时间到时,给自刷新控制器发送信号;
[0032](2)自刷新控制器启动每一个阵列的自刷新操作。
[0033]进一步地,步骤(2)中自刷新操作包括以下步骤:
[0034](21)控制列地址解码器选择打开所有的位线;
[0035](22)选择第一个字线,控制读写控制器把整个一行的MRAM中的内容读出来,再写回去;
[0036](23)选择下一个字线,进行同样的操作,直到整个MRAM阵列都被刷新。
[0037]本发明还提供一种上述MRAM芯片的自刷新操作方法,包括以下步骤:
[0038](I)定时器在设定的自刷新周期时间到时,给自刷新控制器发送信号;
[0039](2)自刷新控制器启动自刷新操作。
[0040](3)所述自刷新操作完成后,将当前时间写入上次自刷新时间寄存器。
[0041]本发明还提供一种上述MRAM芯片的自刷新操作方法,用于系统开机时,包括以下步骤:
[0042](I)系统开机时,将开机时间写入开机时间寄存器;
[0043](2)自刷新控制器从上次自刷新时间寄存器读取上次自刷新时间;
[0044](3)从开机时间寄存器读取开机时间;
[0045](4)计算断电的时间,并加上定时器记录的时间;
[0046](5)如果步骤⑷得到的时间大于或等于设定的自刷新周期,启动自刷新操作;如果步骤(4)得到的时间小于自刷新周期,将定时器设定为自刷新周期与距上次自刷新的时间的差值;
[0047](6)将当前时间写入上次自刷新时间寄存器。
[0048]进一步地,步骤(5)中自刷新操作包括以下步骤:
[0049](51)控制列地址解码器选择打开所有的位线;
[0050](52)选择第一个字线,控制读写控制器把整个一行的MRAM中的内容读出来,再写回去;
[0051](53)选择下一个字线,进行同样的操作,直到整个MRAM阵列都被刷新。
[0052]与现有技术相比,本发明提供的MRAM芯片及其自刷新操作方法,具有以下有益效果:
[0053](I)降低MRAM存储单元的MTJ的势皇,也就是在减小MRAM内容保存时间的代价下,降低MRAM存储单元的操作功耗;由于内容保存时间较短,不再是永久保持内容,需要引入自刷新技术,以保证MRAM芯片的可靠存储;这种MRAM芯片适合于对功耗要求高的应用;
[0054](2)设定的自刷新周期小于MRAM存储单元的内容保存时间,在信息丢失前进行刷新,以保证MRAM芯片的可靠存储;
[0055](3)设定的自刷新周期大于或等于I分钟,自刷新本身的耗电可以忽略不计。
[0056]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】
[0057]图1是磁性隧道结的低电阻态示意图;
[0058]图2是磁性隧道结的高电阻态示意图;
[0059]图3是MRAM存储单元;
[0060]图4是MRAM芯片的结构示意图;
[0061]图5是磁性隧道结的隧道效应示意图。
【具体实施方式】
[0062]MRAM芯片通常包括一个或多
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