一种MRAM芯片及其自刷新方法技术

本发明专利技术提供一种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。本发明专利技术还提供一种MRAM芯片的自刷新方法。本发明专利技术提供的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。

A MRAM chip and its self refresh method

The present invention provides a MRAM chip, including one or more array composed of MRAM memory cells, each array is connected with the control circuit, the control circuit comprises a row address decoder, column address decoder, read-write controller and input / output control, MRAM chip also includes a self timer and controller, a new brush for nonvolatile memory the location of the store last refresh. The invention also provides a self refreshing method for the MRAM chip. The MRAM chip and its self refreshing method provided by the invention can ensure data security through the self refreshing of a certain data refresh cycle. Adjusting the self refreshed data refresh cycle according to the temperature can ensure the safety of data more effectively.

【技术实现步骤摘要】
一种MRAM芯片及其自刷新方法
本专利技术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。
技术介绍
关于MRAM：本专利技术的背景是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。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种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。本专利技术提供一种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。本专利技术还提供一种上述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，本专利技术提供的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专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、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是本专利技术的一个实施例的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，本专利技术的一个实施例的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。本专利技术还提供一种上述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)；如果总线不空本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，所述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，其特征在于，所述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。

【技术特征摘要】
1.一种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，所述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，其特征在于，所述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。2.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述MRAM芯片还包括温度传感器。3.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述阵列的每一行还包括ECC纠错位。4.一种如权利要求1-3任一项所述的MRAM芯片的自刷新方法，其特征在于，所述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。5.如权利要求4所述的MRAM芯片的自刷新方法，其特征在于，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所述阵列中最后一行，读出并写回所述阵列的第一行，否则读出并写回所述上次刷新位置的下一行；(12)将当前已刷新的行的地址写入所述非易失存储器；(13)设定定时器为第一间隔时间。6.如权利要求5所述的MRAM芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾，叶力，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31