[发明专利]一种具有替换行或列的MRAM芯片及替换、读写方法

说明书

技术领域

本发明涉及MRAM芯片，尤其涉及一种具有替换行或列的MRAM芯片及替换、读 写方法。

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NORFlash也有优势，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，是基于一个叫做磁性隧道结(MagneticTunnelJunction，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：

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垒层，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。

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。

MRAM的架构

每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成，MOS管的栅极(gate) 连接到芯片的字线(WordLine)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。

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)写(加电流)操作

●输入输出控制：和外部交换数据

MRAM存储单元的读取操作，需要对MTJ的电阻进行测量，鉴定它是处于高电 阻态还是低电阻态。但在工艺实施过程中，由于材料厚度不均匀、每个MTJ晶格缺 陷的不一致、每个与MTJ连接的MOS管电阻也不一致，造成每个存储单元的电阻略 有不同。存在一定的小概率，某个存储单元的低电阻反而高于参照电阻，或高电阻 低于参照电阻，这样存储单元(bit)就是坏的，写进1会读出0或反之。

现代MRAM的工艺已经非常成熟，可以把出现坏的存储单元的几率控制在极小。 但是未来MRAM芯片的密度将极大，每一个芯片上的存储单元数目也将大量增加。 比如一千万分之一的坏存储单元概率听起来很小，但未来MRAM，每个芯片上可能 有10亿个存储单元。如果采用通常的设计，10亿个存储单元中出现任何一个坏存 储单元都使得这个芯片成为废品，那么几乎所有的芯片都是废品。

芯片合格率是影响成本的一个重要的因素，在芯片行业是关乎存亡的。因此必 须在控制工艺的同时，采用一些电路设计技术，帮助提高芯片合格率。

发明内容

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有替换 行或列的MRAM芯片，使用替换行或列来替换具有坏MRAM存储单元的行或列，能够 在相同的坏存储单元概率下，大幅度提高MRAM芯片的合格率，从而降低MRAM芯片 的成本。

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，每个阵列包括多个替换行或列，替换行或列用于替换具有坏 MRAM存储单元的行或列。

进一步地，每个替换行或列包括非易失的地址寄存器，用于存储被替换行或列 的地址。

进一步地，地址寄存器的位数取决于每个阵列中的MRAM存储单元的行数或列 数。