一种MRAM芯片及其测试方法技术

本发明专利技术提供一种MRAM芯片，包括一个或多个存储单元阵列，还包括备用单元和参考单元，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，读写控制器包括特有的读出放大器，读出放大器具有报警端，报警端用于所述读出放大器检测到存储单元的电阻与参考单元的差值的绝对值小于设定电阻值时发出报警信号。本发明专利技术还提供一种MRAM芯片的测试方法。本发明专利技术提供的MRAM芯片及其测试方法，读出放大器具有检测功能，检测功能用于检测存储单元或备用存储单元是否损坏，不但能比较电阻值，还能在存储单元的电阻离参考单元比较近时提供预警，使得我们可以在产线上排除掉容易出错的存储单元，从而提高MRAM芯片的可靠性。

A MRAM chip and its testing method

The present invention provides a MRAM chip, including one or a plurality of memory cell array, including the standby unit and a reference unit, each array is connected with the control circuit, the control circuit comprises a row address decoder, column address decoder, read and write controller, and the input and output control, read and write controller includes a sense amplifier characteristic, sense amplifier with the end of the alarm, alarm for the absolute value of the difference of resistance end of the sense amplifier detects the memory unit and a reference unit is less than the set value of resistance when the alarm signal. The invention also provides a testing method for the MRAM chip. The MRAM chip provided by the invention and the testing method, sense amplifier has a detection function, detecting function for detecting storage unit or backup storage unit is damaged, can not only compare the resistance value, but also resistance in the storage unit from the reference unit close to provide early warning, so that we can in the storage unit production line to exclude the error prone, in order to improve the reliability of MRAM chip.

【技术实现步骤摘要】
一种MRAM芯片及其测试方法
本专利技术涉及半导体芯片领域，具体涉及一种MRAM芯片及其测试方法。
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(SenseAmplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。MRAM的读出机制对产品的良率有很大影响。在一个包含上亿个甚至十亿个记忆单元的芯片中，有很多因素会影响到电阻的均匀性，从工艺镀膜厚度到材料晶格缺陷，都会影响到每一个MTJ的两个状态的电阻以及记忆单元中的MOS管的导通电阻会有不同。一般通过参考单元的组合成一个标准电阻来和存储单元进行比较来判定存储单元是处在高阻态还是低阻态。但在芯片中这两个状态都会有一个分布，如图5所示，某些存储单元的阻值会离参考单元的阻值很近，即容易出错的点，再加上负责比较的读出放大器也会有噪声，就会存在一个小的出错几率。完全损坏的单元是可以在产线上通过测试排除掉，也可以通过备用存储单元替换掉。测试的过程就是对存储单元进行写和读操作。但上述那些容易出错的点，出错的几率可能是非常低的，比如万分之一甚至百万分之一。但即使这样小的出错几率也不能被现代计算所接收。这是一个很困难的问题，目前的解决方法只能是尽量通过工艺来确保高低电阻值相差足够大(即提高TMR值)，这样基本不会有点靠近参考电阻。这对工艺的要求非常地高。
技术实现思路
以上问题的根源在于读出放大器只能比较大小，不能测量电阻与参考值的差。在本专利技术中提出一种新的读出放大器，不但能比较电阻值，还能在存储单元的电阻离参考单元比较近时提供预警，使得我们可以在产线上排除掉容易出错的存储单元。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，读出放大器具有检测功能，检测功能用于检测存储单元或备用存储单元是否损坏，不但能比较电阻值，还能在存储单元的电阻离参考单元比较近时提供预警，使得我们可以在产线上排除掉容易出错的存储单元，从而提高MRAM芯片的可靠性。本专利技术提供一种MRAM芯片，包括一个或多个存储单元阵列，还包括备用单元和参考单元，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，读写控制器包括读出放大器，读出放大器具有检测功能，检测功能用于检测存储单元或备用存储单元是否损坏，读出放大器具有报警端，报警端用于读出放大器检测到存储单元的电阻与参考单元的电阻的差值的绝对值小于设定电阻值时发出报警信号。进一步地，读出放大器包括相互连接的电荷积分器和输出与检测电路。进一步地，电荷积分器包括第一输入端、第二输入端与输出端。进一步地，第一输入端连接到被选中进行读操作的存储单元的第一端与参考单元的第一端，第二输入端连接到基准电压V_b，输出端与输出与检测电路连接。进一步地，在读出放大器中，向被选中进行读操作的存储单元与参考单元分别施加相反的电压脉冲。进一步地，电荷积分器包括复位端，用于一个存储单元检测完成后释放电荷积分器中积累的电荷。进一步地，读出放大器具有使能端，使能端用于使能检测功能。进一步地，参考单元由N个参考电阻并联，从并联点分成N个输出，分别连接到N个并联的读出放大器的电荷积分器的第一输入端；当电荷积分器达到最大容量时，第一输入端通过可控开关与第二输入端连通。本专利技术还提供一种上述MRAM芯片的测试方法，包括以下步骤：(1)使能读出放大器的检测功能；(2)读出放大器检测MRAM芯片中相应存储单元阵列中的存储单元，电荷积分器在设定时间内的电荷积累的绝对值小于设定电荷值，表明存储单元的电阻与参考单元的电阻的差值的绝对值小于设定电阻值，判断为不可靠存储单元，发出报警信号；(3)对于不可靠存储单元，使用空闲的且未损坏的可靠的备用存储单元替换。进一步地，MRAM芯片的测试方法还包括以下步骤：(4)读出放大器检测MRAM芯片中相应备用单元中的备用存储单元，如果备用存储单元的电阻与参考单元的电阻的差值的绝对值小于设定电阻值时，判断为不可靠备用存储单元，发出报警信号；(5)对于不可靠备用存储单元，使用空闲的且未损坏的可靠的备用存储单元替换，或标记为不可用。与现有技术相比，本专利技术提供的MRAM芯片及其测试方法，具有以下有益效果：读出放大器具有检测功能，检测功能用于检测存储单元或备用存储单元是否损坏，不但能比较电阻值，还能在存储单元的电阻离参考单元比较近时提供预警，使得我们可以在产线上排除掉容易出错的存储单元，从而提高MRAM芯片的可靠性。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是存储单元的电阻分布与参考电阻的分布的示意图；图6是读出放大器框图；图7是读出放大器的并联工作模式的示意图；图8是电荷积分器的实施示意图。具体实施方式本专利技术的一个实施例的MRAM芯片，包括一个或多个存储单元阵列，还包括备用单元和参考单元，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，读写控制器包括读出放大器，读出放大器具有报警端，报警端用于读出放大器检测到存储单元的电阻与参考单元的电阻的差值的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MRAM芯片，包括一个或多个存储单元阵列，还包括备用单元和参考单元，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，所述读写控制器包括读出放大器，其特征在于，所述读出放大器具有报警端，所述报警端用于所述读出放大器检测到存储单元的电阻与参考单元的电阻的差值的绝对值小于设定电阻值时发出报警信号。

【技术特征摘要】
1.一种MRAM芯片，包括一个或多个存储单元阵列，还包括备用单元和参考单元，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，所述读写控制器包括读出放大器，其特征在于，所述读出放大器具有报警端，所述报警端用于所述读出放大器检测到存储单元的电阻与参考单元的电阻的差值的绝对值小于设定电阻值时发出报警信号。2.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述读出放大器包括相互连接的电荷积分器和输出与检测电路。3.如权利要求2所述的MRAM芯片，其特征在于，电荷积分器包括第一输入端、第二输入端与输出端。4.如权利要求3所述的MRAM芯片，其特征在于，所述第一输入端连接到被选中进行读操作的存储单元的第一端与参考单元的第一端，所述第二输入端连接到基准电压V_b，所述输出端与所述输出与检测电路连接。5.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，在所述读出放大器中，向被选中进行读操作的存储单元与所述参考单元分别施加相反的电压脉冲。6.如权利要求2所述的MRAM芯片，其特征在于，电荷积分器包括复位端，用于一个存储单元检测完成后释放所述电荷积分器中积累的电荷。7.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述读出放大器具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾，
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