[发明专利]一种MRAM芯片及其自刷新操作方法

说明书

技术领域

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

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

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。重新写一次，可变磁化层的状态又回到了稳定态。

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。

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。

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。

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。

可以控制MRAM芯片的工艺，降低MRAM存储单元的MTJ的势垒，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。