CN101286356A - 新型不可挥发存储器的工艺波动性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超大规模数字集成电路技术领域，具体为一种新型不可挥发存储器的工艺波动性控制方法，该方法将新型不可挥发存储器的工艺波动性控制与其测试相结合，利用测试过程对存储阵列的读写和相应的控制电路实现对新型不可挥发存储器的工艺波动性控制。与现有的工艺波动性控制方法相比，本发明的优点在于在实现对工艺波动性控制的同时，不增加存储器芯片的面积，从而不增加生产成本。

Description

新型不可挥发存储器的工艺波动性控制方法

技术领域

本发明属于超大规模数字集成电路技术领域，具体涉及一种利用新型不可挥发存储器的测试过程实现其工艺波动性控制，并由此产生的相应控制电路。

背景技术

随着集成电路工艺水平的提高和设计重用(Design Reuse)技术的发展，单个芯片上所集成的功能不断增加，SOC(System on Chip片上系统)芯片大量涌现。伴随着SOC芯片的不断发展，存储器所占整个芯片的面积越来越大，越来越成为影响芯片成本最关键的因素之一。

根据切断电源后存储数据是否会消失，存储器通常可分为可挥发存储器和不可挥发存储器，。目前可挥发存储器的典型代表是随机存储存储器RAM(RandomAccess Memory)，不可挥发存储器的典型代表是闪存(flash)。闪存结构中的浮栅由于存储电荷的需要无法随着特征尺寸的变小而一直减薄，成为进一步发展的瓶颈。所以，不可挥发存储器的研究成为近年来集成电路领域的一个热点，涌现出相变存储器(PRAM)、电阻存储器(RRAM)以及磁存储器(MRAM)等新型的不可挥发存储器。但是，对于新型不可挥发存储器，当集成密度逐渐提高、特征尺寸逐渐减小时，工艺波动所带来的影响变得愈加显著，不同位置存储单元的阻值及其变化特性表现出巨大的差异，极大地影响了新型不可挥发存储器的应用，因此将工艺波动性的影响减小的最低，是新型不可挥发存储器发展的一个不可回避的问题。为了降低工艺波动所带来的影响，除了工艺上的改进使工艺波动性尽可能小以外，还需要在存储器的电路设计中充分考虑到工艺波动性的要求，本发明将集中在从电路设计的角度克服存储器制造工艺波动性的影响。

针对存储器的工艺波动性控制，文献[1]提出了片上传感器的概念，即在存储器的芯片上集成温度传感器、衬底噪声检测器、漏电流监视器、用来控制片内供电电压的计时器以及相应的控制逻辑，这样做的优点是在一定范围内控制了工艺波动性对电路性能的影响，缺点是极大的增加了芯片面积和引脚的数量，而且这样做不利于拓展新的工艺波动性参数，如需拓展，则要更大的芯片面积和更多的引脚。

为了克服这些缺点，文献[2]提出通过内嵌一个精简指令集中央处理器(RISC)来控制工艺波动性，这样做的优点是拓展比较容易，可以很方便的拓展新的工艺波动性参数控制，而且芯片引脚的个数只需要增加个别几个即可，但缺点是内嵌的RISC面积相对比较大，导致芯片的成本上升，尤其是当存储器的容量比较小时RISC处理器的面积更是不能忽略不计。

因此怎样在增加工艺波动性的同时不增加生产的成本是目前新型存储器设计中所必须要面对和解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种不可挥发存储器的工艺波动性控制方法，该方法可以在不增加生产成本的前提下实现新型存储器的工艺波动性控制。

根据参考文献[1][2]以及不可挥发存储器自身读写的特点，其工艺波动性控制主要考虑如下几个参数：

(1)写操作1和写操作0电压(电流)的宽度和幅度。

(2)不可挥发存储器的单个存储单元电阻检测所需的电流。

(3)读操作时充电和检测的周期。

针对新型不可挥发存储器工艺波动性控制的电路实现方案，其关键问题在于在实现工艺波动性控制的同时尽可能不增加生产的成本。为了不增加生产成本，工艺波动性控制所要的电路必须尽可能的小。仔细分析其工艺波动性控制，可以发现其本质是对存储阵列的读写和学习过程，根据学习的结果得到存储阵列中各个模块对应的参数，因此从电路设计的角度实现对新型不可挥发存储器的工艺波动性控制就是实现对存储阵列的读写和学习过程的控制电路，基于这一思想，文献[2]提出在存储器内部内嵌一个RISC处理器来实现对存储器阵列的读写和学习过程。但是内嵌一个RISC处理器将比较大的增加存储器的面积，导致生产成本的上升。为了克服这一问题，本发明提出将新型不可挥发存储器的工艺波动性控制与其测试相结合，将工艺波动性控制逻辑嵌入存储器的内嵌自测试(BIST)控制电路，利用测试过程中对存储器的读写实现新型不可挥发存储器的工艺波动性控制。具体步骤如下：

首先，由于工艺波动性的原因，同一块存储器上不同的区域读写的特性是不同的，因此为了控制工艺波动性，我们将存储阵列按区域划分为若干个大小相同的模块，模块的大小由工艺波动性的大小决定，工艺波动性越大，模块越小，反之，模块越大。为了简化问题同时符合新型不可挥发存储器工艺波动性的特点，我们认为同一模块具有相同的工艺波动性参数，即具有相同的读写特性。

其次，为了不增加额外的寄存器来存储各个模块对应的工艺波动性参数，本发明利用不可挥发存储器的不可挥发性，将工艺波动性参数直接存储在新型不可挥发存储器中，即对于存储阵列的每一个模块，初始的8个字节用于存储工艺波动性参数，对用户而言，这8个字节是不可读写的。同时通过存储器的内部控制逻辑实现存储地址对用户是连续的。

再次，由于对新型不可挥发存储器工艺波动性控制的本质是对存储阵列的读写和学习过程，需要相应的控制电路。为了实现对存储阵列的读写，文献[2]提出在存储器内部内嵌一个8位的RISC处理器专用于工艺波动性控制，但这样做会比较大的增加芯片的面积，尤其是当存储器的容量比较小时情况更为严重。针对这一问题，为了不增加芯片的面积，本发明提出将新型不可挥发存储器的工艺波动性控制与其测试相结合，利用测试过程对存储阵列的读写实现工艺波动性控制。对于存储器的测试，尤其是嵌入式存储器的测试可能是集成电路测试中最难的环节，这是因为存储器的测试需要提供大量的测试矢量激励并读出大量的单元信息，内嵌自测试(BIST)成为必须使用的方法[6]。具体而言，本发明将工艺波动性控制加入存储器的BIST中，得到内嵌自测试和工艺波动性控制器(BIST&PVT Controller)，如附图1所示，通过BIST实现对存储阵列的读写和学习，将学习的中间结果存入内嵌自测试和工艺波动性控制器的内部寄存器R1～Rn，再通过内嵌自测试和工艺波动性控制器将最终的工艺波动性参数写入相应模块的前8个字节，从而完成新型不可挥发存储器的工艺波动性控制。

附图说明

图1为将内嵌自测试(BIST)与工艺波动性控制(PVT Control)相结合后的新型不可挥发存储器系统框图。

图2为写操作参数所对应的工艺波动性控制流程。

图3为读操作参数所对应的工艺波动性控制流程。

具体实施方式

根据本发明方法，利用新型不可挥发存储器的测试过程实现写操作的工艺波动性控制的步骤如下(如图2，以n＝8为例，但不限于n＝8)：

(1).、首先让BIST控制＝1、读/写＝写和PVT控制＝0，然后对存储阵列进行写操作。

(2).、将R1～Rn全部清0；

(3)、判断地址是否处于当前模块，如果是，进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；

(4)、使用第一组参数进行写操作，如果写操作成功，则R1＝R1+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(5)、使用第二组参数进行写操作，如果写操作成功，则R2＝R2+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(6)；

(6)、使用第三组参数进行写操作，如果写操作成功，则R3＝R3+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(7)；

(7)、使用第四组参数进行写操作，如果写操作成功，则R4＝R4+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(8)；

(8)、使用第五组参数进行写操作，如果写操作成功，则R5＝R5+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(9)；

(9)、使用第六组参数进行写操作，如果写操作成功，则R6＝R6+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(10)；

(10)、使用第七组参数进行写操作，如果写操作成功，则R7＝R7+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(11)；

(11)、使用第八组参数进行写操作，如果写操作成功，则R8＝R8+1，返回步骤(3)，否则直接返回步骤(3)；

(12).、让PVT控制＝1，读/写＝写和BIST控制＝0，根据R1～Rn存储数值的大小，将数值最大的寄存器所对应的写操作电压或电流的宽度和幅度写入存储阵列相应模块的前8个字节。

对存储阵列进行写操作后，需要对存储阵列进行读操作，对存储阵列测试的同时实现对读操作的工艺波动性控制，具体步骤如下(如图3所示，以n＝8为例，但不限于n＝8)：

(1).让BIST控制＝1、读/写＝读和PVT控制＝0，然后对存储阵列进行读操作；

(2).将R1～Rn全部清0；

(3).判断地址是否处于当前模块，如果是，进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；

(4).使用第一组参数进行读操作，如果读操作成功，则R1＝R1+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(5).使用第二组参数进行读操作，如果读操作成功，则R2＝R2+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(6)；

(6).使用第三组参数进行读操作，如果读操作成功，则R3＝R3+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(7)；

(7).使用第四组参数进行读操作，如果读操作成功，则R4＝R4+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(8)；

(8).使用第五组参数进行读操作，如果读操作成功，则R5＝R5+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(9)；

(9).使用第六组参数进行读操作，如果读操作成功，则R6＝R6+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(10)；

(10).使用第七组参数进行读操作，如果读操作成功，则R7＝R7+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(11)；

(11).使用第八组参数进行读操作，如果读操作成功，则R8＝R8+1，返回步骤(3)，否则直接返回步骤(3)；

(12).让PVT控制＝1、读/写＝写和BIST控制＝0，根据R1～Rn存储数值的大小，将数值最大的寄存器所对应的读操作的充电和检测的周期写入存储阵列相应模块的前8个字节。

使用本发明能够在不增加芯片面积的前提下实现对新型存储器的工艺波动性控制，从而降低了芯片生产成本。

参考文献

[1]K.Sohn et.al An Autonomous SRAM with On-Chip Sensors in an 80nm Double Stacked CellTechnology”Symp.VLSI Circ.，pp.232-235，June，2005.

[2]Kyomin Sohn，Hyejung Kim，Jerald Yoo，Jeong-Ho Woo，Seung-Jin Lee，Woo-Yeong Cho，Bo-Tak Lim，Byung-Gil Choi，Chang-Sik Kim，Choong-Keun Kwak，Chang-Hyun Kim，andHoi-Jun Yoo Processor-Based Built-in Self-Optimizer for 90nm Diode-Switch PRAM 2007Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers pp.184-185

[3]C.Poirier et.al.，“Power and Temperature Control on a 90nm Itanium-Family Processor，”ISSCC Dig.Tech.Papers，pp.304-305，Feb.，2005

[4]Y.Shin“Non-volatile Memory Technologies for Beyond 2010，”Symp.VLSI Tech.，pp.156-159，June，2006.

[5]S.Kang et.al.，“A 0.1um 1.8V 256Mb 66MHz Synchronous Burst PRAM，”ISSCC Dig.Tech.Papers，pp.140-141，Feb.，2006.

[6]Michael L.Bushnell，Vishwani D.Agrawal超大规模集成电路测试——数字、存储器和混合信号系统电子工业出版社。

Claims (5)

1、一种不可挥发存储器的工艺波动性控制方法，其特征在于将不可挥发存储器的工艺波动性控制与其测试相结合，将工艺波动性控制逻辑嵌入存储器的内嵌自测试控制电路，利用测试过程中对存储器的读写实现新型不可挥发存储器的工艺波动性控制。

2、根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于具体步骤如下：

首先，将存储阵列按区域划分为若干个大小相同的模块，其中，同一模块具有相同的工艺波动参数；

其次，将工艺波动性参数直接存储在新型不可挥发存储器中，即对于存储阵列的每一个模块，初始的8个字节用于存储工艺波动性参数；对用户而言，这8个字节是不可读写的，同时通过存储器的内部控制逻辑实现存储地址对用户是连续的；

再次，将新型不可挥发存储器的工艺波动性控制与其测试相结合，利用测试过程对存储阵列的读写实现工艺波动性控制。

3、根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述将工艺波动性控制与其测试相结合，就是将工艺波动性控制加入存储器的内嵌自测试中，得到内嵌自测试和工艺波动性控制器，通过内嵌自测试实现对存储阵列的读写和学习，将学习的中间结果存入内嵌自测试和工艺波动性控制器的内部寄存器R1～Rn，再通过内嵌自测试和工艺波动性控制器将最终的工艺波动性参数写入相应模块的前8个字节，从而完成新型不可挥发存储器的工艺波动性控制。

4、根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于利用新型不可挥发存储器的测试过程实现写操作的工艺波动性控制的步骤如下：

(1).、首先让BIST控制＝1、读/写＝写和PVT控制＝0，然后对存储阵列进行写操作。

(2).、将R1～Rn全部清0；

(3)、判断地址是否处于当前模块，如果是，进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；

(4)、使用第一组参数进行写操作，如果写操作成功，则R1＝R1+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(5)、使用第二组参数进行写操作，如果写操作成功，则R2＝R2+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(6)；

(6)、使用第三组参数进行写操作，如果写操作成功，则R3＝R3+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(7)；

(7)、使用第四组参数进行写操作，如果写操作成功，则R4＝R4+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(8)；

(8)、使用第五组参数进行写操作，如果写操作成功，则R5＝R5+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(9)；

(9)、使用第六组参数进行写操作，如果写操作成功，则R6＝R6+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(10)；

(10)、使用第七组参数进行写操作，如果写操作成功，则R7＝R7+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(11)；

(11)、使用第八组参数进行写操作，如果写操作成功，则R8＝R8+1，返回步骤(3)，否则直接返回步骤(3)；

(12).、让PVT控制＝1，读/写＝写和BIST控制＝0，根据R1～Rn存储数值的大小，将数值最大的寄存器所对应的写操作电压或电流的宽度和幅度写入存储阵列相应模块的前8个字节。

5、根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于对存储阵列测试的同时实现对读操作的工艺波动性控制，其步骤如下：

(1).让BIST控制＝1、读/写＝读和PVT控制＝0，然后对存储阵列进行读操作；

(2).将R1～Rn全部清0；

(3).判断地址是否处于当前模块，如果是，进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；

(4).使用第一组参数进行读操作，如果读操作成功，则R1＝R1+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(5)；

(5).使用第二组参数进行读操作，如果读操作成功，则R2＝R2+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(6)；

(6).使用第三组参数进行读操作，如果读操作成功，则R3＝R3+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(7)；

(7).使用第四组参数进行读操作，如果读操作成功，则R4＝R4+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(8)；

(8).使用第五组参数进行读操作，如果读操作成功，则R5＝R5+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(9)；

(9).使用第六组参数进行读操作，如果读操作成功，则R6＝R6+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(10)；

(10).使用第七组参数进行读操作，如果读操作成功，则R7＝R7+1，返回步骤(3)，否则进入步骤(11)；

(11).使用第八组参数进行读操作，如果读操作成功，则R8＝R8+1，返回步骤(3)，否则直接返回步骤(3)；

(12).让PVT控制＝1、读/写＝写和BIST控制＝0，根据R1～Rn存储数值的大小，将数值最大的寄存器所对应的读操作的充电和检测的周期写入存储阵列相应模块的前8个字节。

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