CN111755060A - 失效数据修复电路和方法、非挥发性存储器、可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种失效数据修复电路和方法、非挥发性存储器、可读存储介质，所述失效数据修复电路和方法通过所述读出结果处理单元比较所述第一读出结果以及所述第二读出结果判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，所述主控制单元在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元，利用所述存储器电流放大单元对所述存储单元电流进行放大和或利用所述偏置电压生成单元输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，能够将原先失效的读出窗口修复到所述非挥发性存储器的读出电路可以分辨的读出窗口，并且可得出准确的读出数据。
Description
技术领域
本发明涉及非易失性存储器技术领域，尤其是涉及一种失效数据修复电路和方法、非挥发性存储器、可读存储介质。
背景技术
非挥发性存储器，又称为非易失性存储器，简称NVM，是指存储器所存储的信息在电源关掉之后依然能长时间存在，不易丢失。Flash存储器是最常见的非挥发性存储器，近些年，随着科学技术的发展，出现了一些新型非挥发性存储器，如：铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁存储器(MRAM)和电阻式存储器(RRAM)等。通常非挥发性存储器的读出方法为：将存储单元的读出电流与内部的参考电流经过存储器内部的灵敏放大器比较后，根据电流大小区分读出‘0’或‘1’的值。由于当读出时，存储单元处于饱和区，则存储单元的读出电流Icell与栅极电压Vgs和阈值电压Vth之间的关系如下式：
Icell＝(Vgs-Vth)2； (1)
非挥发性存储器的存储单元的阈值电压Vth是表征存储单元的数据保存能力的重要指标。阈值电压Vth的绝对值的变化影响到非挥发性存储器的数据保持时间。在存储单元刚刚被擦除或编程时，存储单元的阈值电压Vt的绝对值会被操作到一个比较大的值；而随着时间推移或操作次数的增多，存储单元储存能量的能力逐渐降低，Vth也会对应逐渐降低，通过上面公式(1)可以看出对应存储单元的读出电流Icell减小，一般将这种故障称之为数据保持失效故障。对于存储器而言，具体体现为：在正常情况下，存储单元的读出电流如果是大于参考电流，在经过时间推移或者操作次数增多后，非挥发性存储器发生数据保持失效故障，存储单元的读出电流变为小于参考电流，由此会造成读出错误。
对于固定的存储单元而言，其擦除和编程的过程决定了其初始阈值电压，而非挥发性存储器的工艺则决定了初始阈值电压通过若干年后可能衰减到的最终阈值电压，因此，对于已经生产出的存储器，其初始阈值电压是固定的。非挥发性存储器内部的灵敏放大器使用的参考电流大小的选择是否合适决定了最终阈值电压下的存储单元读出电流是否能够形成正确且可靠的读出结果。
目前，对于非挥发性存储器的应用对可靠性要求可以分为两种：可擦写次数要求(Endurance)和数据保持能力要求(Data Retention)。而常见非挥发性存储器的使用中，一般可以根据其可靠性要求，对存储单元面临的应用环境，可以分为两类：
高擦写次数应用要求：高擦写次数应用要求的需求中，对存储单元的擦写次数非常频繁，对Endurance条件要求非常高，而相对与芯片寿命而言，其对数据保存时间要求略低。
高保持时间应用要求：高保持时间应用要求的需求中，对存储单元的擦写次数很少，远远小于器件可承受的擦写次数极限。但应用中，对于这类存储单元数据保持时间要求非常高。这类存储器件的应用场景通常用于保存用户数据区域和存储器配置区域。尤其是存储器配置区域的数据，应用启动前需要首先对这个区域进行正确读出，才能保证存储器正常工作。
在高擦写次数要求的应用中的失效，从其成因来看，可以归结为超过存储单元的擦写次数极限造成，属于Endurance特性失效。Endurance特性失效对于单一存储器件来说，表现为器件物理损坏，是永久失效，无法通过应用环境条件修复。空间扩展方法是常见一种方法，将需要保存的数据保存在不同的空间中，从而保证数据的完整性。而在目前非挥发性存储器的设计方法中，存储单元的擦写次数可以预期，且其极限的突破在设计中采用空间扩展方法，能够很好的解决这类可靠性问题。
而高保持时间应用要求在应用中的失效，其成因可以归结为存储单元数据读出窗口异常造成，属于Data Retention特性失效。这类失效是非可预期的，其存储单元在存储器中随机性很强，而由于是发生在各类配置数据中，潜伏性很强，尤其是发生时往往已经在具体的应用系统中，发生后的危害非常严重。不过，Data Retention特性失效不是器件的损坏，可以通过重新擦写来恢复读出窗口。但其难点在于，其数据往往失效后无法恢复，并且空间扩展方法并不能有效解决这类数据读出的问题，非挥发性存储器的这种故障也即上述的数据保持失效故障。
现有技术中提出一种读出电路，在非挥发性存储器内部设置有一个参考电流产生模块，通过外部数字信号值的变化来控制内部模拟电路产生不同大小的读出参考电流，而参考电流通过芯片测试中调整到预期目标。利用现有技术提出的技术方案，当非挥发性存储器发生数据保持失效故障时，现有技术中的读出电路无法解决相关问题，只能任其失效发生。尤其是在存储器配置数据发生丢失时，直接会影响整个系统功能。导致非挥发性存储器无法正常使用功能，实际上此时物理器件并无任何损坏，实质上缩短了非挥发性存储器的使用寿命。
因此，需要提出一种可以解决非挥发性存储器发生数据保持失效故障时数据读出错误的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种失效数据修复电路和方法、非挥发性存储器、可读存储介质，用于解决现有技术无法解决非挥发性存储器发生数据保持失效故障时数据读出错误的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种失效数据修复电路，用于非挥发性存储器，所述非挥发性存储器内部具有一灵敏放大器，所述失效数据修复电路包括:
主控制单元，其被配置为获取外部使能信号，基于所述外部使能信号驱动读操作控制单元，并用于在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和/或偏置电压生成单元；
读操作控制单元，其被配置为对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并将对应的读出结果发送给读出结果处理单元，其中，所述非挥发性存储器中存储有正值和反值，所述反值为所述正值按位取反后得到的值，所述正值的读出结果为第一读出结果，所述反值的读出结果为第二读出结果；
读出结果处理单元，其被配置为获取所述第一读出结果以及所述第二读出结果，并将所述第一读出结果与所述第二读出结果进行比较以判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，并将比较结果发送给所述主控制单元；
存储器电流放大单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
偏置电压生成单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
可选地，所述存储器电流放大单元包括：
电流镜控制单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否发送放大倍数给电流镜单元；
电流镜单元，其被配置为基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给灵敏放大器。
可选地，所述偏置电压生成单元包括：
电压控制单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否发送数字调节信号给数模转换单元；
数模转换单元，其被配置为基于所述数字调节信号输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
可选地，当所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0或均为1时，所述读出结果处理单元判断所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障。
可选地，若所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0时，所述失效数据修复电路按照第一策略处理，所述第一策略包括：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电压控制单元，
所述电压控制单元发送所述数字调节信号给所述数模转换单元；
所述数模转换单元基于所述数字调节信号发送所述偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，其中，所述偏置电压为负值；
所述电压控制单元通过不断调整所述数字调节信号以使所述偏置电压的绝对值逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
可选地，若所述失效数据修复电路在按照所述第一策略处理过程中，出现所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为1时，所述失效数据修复电路做以下处理：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元；
所述电流镜单元基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
可选地，若所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为1时，所述失效数据修复电路按照第二策略处理，所述第二策略包括：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元；
所述电流镜单元基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
可选地，若所述失效数据修复电路在按照所述第一策略处理过程中，当所述电流镜单元的放大倍数为最大值时，所述第一读出结果以及所述第二读出结果仍然均为1时，所述失效数据修复电路按照第三策略处理，所述第三策略包括：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电压控制单元，
所述电压控制单元发送所述数字调节信号给所述数模转换单元；
所述数模转换单元基于所述数字调节信号发送所述偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，其中，所述偏置电压为正值；
所述电压控制单元通过不断调整所述数字调节信号以使所述偏置电压的绝对值逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
可选地，若所述失效数据修复电路在按照所述第三策略处理过程中，出现所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0时，所述失效数据修复电路做以下处理：
所述电压控制单元保持当前发送的所述数字调节信号；
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元，其中，所述放大倍数从最大值开始按照递减趋势逐步变小；
所述电流镜单元基于所述放大倍数减小所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步减小，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
基于同一发明构思，本发明还提出一种失效数据修复方法，利用上述特征描述中任一所述的失效数据修复电路，所述数据修复方法包括以下步骤：
获取外部使能信号，基于所述外部使能信号驱动读操作控制单元；
对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并将对应的读出结果发送给读出结果处理单元，其中，所述非挥发性存储器中存储有正值和反值，所述反值为所述正值按位取反后得到的值，所述正值的读出结果为第一读出结果，所述反值的读出结果为第二读出结果；
获取所述第一读出结果以及所述第二读出结果，并将所述第一读出结果与所述第二读出结果进行比较以判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，并将比较结果发送给所述主控制单元，并在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元；
根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
基于同一发明构思，本发明还提出一种非挥发性存储器，包括上述特征描述中任一所述的失效数据修复电路，或利用上述特征描述中所述的失效数据修复方法。
基于同一发明构思，本发明还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中所述的失效数据修复方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种失效数据修复电路和方法，用于非挥发性存储器，利用所述非挥发性存储器内部预先存储的正值和反值，所述读操作控制单元读出所述正值和所述反值的读出结果，分别为所述第一读出结果和所述第二读出结果，通过所述读出结果处理单元比较所述第一读出结果以及所述第二读出结果判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，所述主控制单元在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元，利用所述存储器电流放大单元对所述存储单元电流进行放大和或利用所述偏置电压生成单元输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，能够将原先失效的读出窗口修复到所述非挥发性存储器的读出电路可以分辨的读出窗口，并且可得出准确的读出数据。
另外，由于利用本发明提供的技术方案可在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障后自动修复，并得出准确的读出数据，可使得所述非挥发性存储器正常工作，在一定程度上提高了所述非挥发性存储器的使用寿命。
本发明还提出一种非挥发性存储器、可读存储介质，其与所述失效数据修复电路和方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果。
附图说明
图1为本发明一实施例提出的一种失效数据修复电路的结构示意图；
图2为非挥发性存储器发生数据保持失效故障的修复过程示意图；
图3为本发明另一实施例提出的一种失效数据修复方法的流程示意图；
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
请参考图1，本发明实施例提出一种失效数据修复电路，用于非挥发性存储器，所述非挥发性存储器内部具有一灵敏放大器，所述失效数据修复电路包括:主控制单元、读操作控制单元、读出结果处理单元、存储器电流放大单元以及偏置电压生成单元。
所述主控制单元被配置为获取外部使能信号，基于所述外部使能信号驱动读操作控制单元，并用于在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元。
所述读操作控制单元被配置为对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并将对应的读出结果发送给读出结果处理单元，其中，所述非挥发性存储器中存储有正值和反值，所述反值为所述正值按位取反后得到的值，所述正值的读出结果为第一读出结果，所述反值的读出结果为第二读出结果。
所述读出结果处理单元被配置为获取所述第一读出结果以及所述第二读出结果，并将所述第一读出结果与所述第二读出结果进行比较以判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，并将比较结果发送给所述主控制单元。
所述存储器电流放大单元被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述偏置电压生成单元被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
例如，若所述非挥发性存储器的一个存储单元内存储有“1”，在正常情况下存储单元电流的读出电流记做I0，若所述非挥发性存储器的一个存储单元内存储有“0”，在正常情况下存储单元电流的读出电流记做I1。其中，正常情况下I0大于参考电流，I1小于参考电流。为了便于理解，在本申请中均按照上述定义来说明。请参考图2，图2中坐标轴左边部分表示的是未发生所述数据保持失效故障时的电流情况，读出电流I0和I1分布与参考电流的两侧，所述非挥发性存储器的读出电路可以读出正确的数据。图2中坐标轴中间部分表示发生了所述数据保持失效故障时的电流情况，此时，读出电流I0比参考电流小，读出结果发生错误，无法读出正确的数据。利用本发明的技术方案，可在第一时间获知所述非挥发性存储器发生了所述数据保持失效故障，由于本发明实施例提供的一种失效数据修复电路，利用所述非挥发性存储器内部预先存储的正值和反值，比如，所述正值为“1”，所述反值为“0”，若发生了上述故障，此时，所述正值与所述反值对应的读出结果可能都为1，利用所述存储器电流放大单元对所述存储单元电流进行放大和或利用所述偏置电压生成单元输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，可以将所述I0进行偏置或放大，重新移到参考电流上面，由此，所述非挥发性存储器可以正确读出数据。
与现有技术不同之处在于，本发明提出的一种失效数据修复电路和方法，用于非挥发性存储器，利用所述非挥发性存储器内部预先存储的正值和反值，所述读操作控制单元读出所述正值和所述反值的读出结果，分别为所述第一读出结果和所述第二读出结果，通过所述读出结果处理单元比较所述第一读出结果以及所述第二读出结果判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，所述主控制单元在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元，利用所述存储器电流放大单元对所述存储单元电流进行放大和或利用所述偏置电压生成单元输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，能够将原先失效的读出窗口修复到所述非挥发性存储器的读出电路可以分辨的读出窗口，并且可得出准确的读出数据。
进一步地，请参考图1，所述存储器电流放大单元包括电流镜控制单元以及电流镜单元，所述电流镜控制单元被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否发送放大倍数给电流镜单元。所述电流镜单元被配置为基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器。
更进一步地，请继续参考图1，所述偏置电压生成单元包括电压控制单元以及数模转换单元，所述电压控制单元被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否发送数字调节信号给数模转换单元。所述数模转换单元被配置为基于所述数字调节信号输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
本领域技术人员可以理解的是，所述主控制单元可以为MCU、MPU、DSP或FPGA或是其它具有数据处理能力的智能芯片，可根据实际需要选择。所述电流镜单元可为一般的电流镜电路，电流镜电路一般包括输入级和输出级，输入级用于提供参考电流，输出级用于输出需要的恒定电流。因此，将所述非挥发性存储器的存储单元电流输入到电流镜电路的输入级，并且利用所述电流镜控制单元控制电流镜电路的放大倍数，依次获取合适的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器。所述电流镜电路的类型有很多种，在此不做限制，可根据实际需要来选择。所述电流镜控制单元可由逻辑门电路构成，逻辑门电路与所述电流镜电路连接，根据所述主控制单元发送的指令控制逻辑门电路的通断并以此来控制电流镜电路的放大倍数。所述电流镜控制单元还可由晶体管电路构成，晶体管电路与电流镜电路连接，根据所述主控制单元发送的指令控制所述晶体管电路的导通或关闭并以此来控制所述电流镜电路的放大倍数。所述电流镜控制单元还有很多其它类型，在此不一一赘述。所述电压控制单元用于提供数字调节信号给所述数模转换单元，所述电压控制单元可为脉冲宽度调制控制器，发送数字脉冲信号，所述数模转换单元可为AD转换器，将数字脉冲信号转换为模拟电流信号以输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。需要注意的是，所述主控制单元、所述电流镜控制单元、所述电流镜单元、所述电压控制单元以及所述数模转换单元并非一定是相互独立设置的器件，还可集成在一起设置，例如，当所述主控制单元为MCU，所述数模转换单元为AD转换器时，所述数模转换单元可利用MCU内部的AD模块实现。所述读操作控制单元以及所述读出结果处理单元可以为MCU、MPU、DSP或FPGA或是其它具有数据处理能力的智能芯片，可根据实际需要选择。所述读操作控制单元以及所述读出结果处理单元均与所述非挥发性存储器的读出电路连接，所述读操作控制单元控制读出电路对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并通过所述读出结果处理单元获取对应的读出结果。所述非挥发性存储器在发生数据保持失效故障后，采用本申请提出的技术方案可以读出正确的值，再通过存储器的写入电路将数据重写，可将配置数据可用性恢复，从而避免了存储器配置数据异常造成的系统异常情况，提高了存储器芯片的寿命。
另外，发明人发现为了正确对所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时进行修复，需要满足如下条件：
1)所述正值与所述反值在所述非挥发性存储器中储存位置与电路比较位置一致，也即数据存储位置应当与电路设计过程定义一致，否则会出现比较出错；
2)所述外部使能信号可由外部的控制电路正确配置，一般可在需要读取或写入所述非挥发性存储器时触发；
3)所述偏置电压可通过顶层高压控制电路传递到对应存储单元的栅极上；
4)经所述电流镜单元放大后的存储单元电流能够正确传递到所述非挥发性存储器内部的灵敏放大器电路中；
5)所述读操作控制单元输出的读时钟需要传输到对应的读出电路；
6)读出结果需要按照正确时序反馈给所述读出结果处理单元对应的输入端口。
优选地，通过上述分析可知当所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为1时，所述读出结果处理单元判断所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障，这种情形意味着发生了I0小于参考电流的故障。另外，当所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0时，所述读出结果处理单元也会判断所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障，这种情形时意味着发生了I1大于参考电流的故障。针对这两种故障类型，本申请提供以下解决方案：
具体地，若所述第一读出结果以及所述第二读出结果一开始均为0时，所述失效数据修复电路按照第一策略处理，所述第一策略包括：
第一步：所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
第二步：所述主控制单元驱动所述电压控制单元，
第三步：所述电压控制单元发送所述数字调节信号给所述数模转换单元；
第四步：所述数模转换单元基于所述数字调节信号发送所述偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，其中，所述偏置电压为负值；
第五步：所述电压控制单元通过不断调整所述数字调节信号以使所述偏置电压的绝对值逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
进一步地，若所述失效数据修复电路在按照所述第一策略处理过程中，出现所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为1时，所述失效数据修复电路以下处理：
第一步：所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
第二步：所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
第三步：所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元；
第四步：所述电流镜单元基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
第五步：所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
若所述第一读出结果以及所述第二读出结果一开始均为1时，所述失效数据修复电路按照第二策略处理，所述第二策略包括：
第一步：所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
第二步：所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
第三步：所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元；
第四步：所述电流镜单元基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
第五步：所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
进一步地，若所述失效数据修复电路在按照所述第一策略处理过程中，当所述电流镜单元的放大倍数为最大值时，所述第一读出结果以及所述第二读出结果仍然均为1时，所述失效数据修复电路按照第三策略处理，所述第三策略包括：
第一步：所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
第二步：所述主控制单元驱动所述电压控制单元，
第三步：所述电压控制单元发送所述数字调节信号给所述数模转换单元；
第四步：所述数模转换单元基于所述数字调节信号发送所述偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，其中，所述偏置电压为正值；
第五步：所述电压控制单元通过不断调整所述数字调节信号以使所述偏置电压的绝对值逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
更进一步地，若所述失效数据修复电路在按照所述第三策略处理过程中，出现所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0时，所述失效数据修复电路做以下处理：
第一步：所述电压控制单元保持当前发送的所述数字调节信号；
第二步：所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
第三步：所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
第四步：所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元，其中，所述放大倍数从最大值开始按照递减趋势逐步变小；
第五步：所述电流镜单元基于所述放大倍数减小所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
第六步：所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步减小，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
以下通过所述非挥发性存储器的读出方法以及在发生数据保持失效故障时，出现数据读出失效的原理来说明本申请的技术方案。所述非挥发性存储器的存储单元老化后的阈值电压V`th对应的读出电流Icell_decay如下式表示：
Icell_decay＝k(Vgs-V′th)2； (2)
其中，当所述非挥发性存储器件的尺寸固定时，k仅和其工艺相关，可视为常数。由于正常情况下，Vgs为0，则I0/I1表示为：
此时需满足：Vth0＜0以及Vth1＞0，其中，Vth0为所述非挥发性存储器的存储单元存储“1”时的阈值电压，Vth1为所述非挥发性存储器的存储单元存储“0”时的阈值电压。当参考电流Iref处于I0和I1之间，所述非挥发性存储器的存储单元的数据能够正常读出，而随着时间推移，所述非挥发性存储器的器件内部数据发生老化，而发生数据保持失效故障时，当Icell_decay变化超过读出窗口时，具体表现为I0小于参考电流或者I1大于参考电流，发生读出失效。
按照本申请提出的技术方案在公式3的基础上引入一个偏置电压Vbias，具体请见公式4，也即在所述非挥发性存储器的栅极电压设置Vbias用于调整存储单元读出电流。
此时需满足：Vth0＜Vbias以及Vth1＞Vbias，当调整Vbias在介于Vth0和Vth1中的某个值时，可以令I0的对应器件打开，而I1的对应器件仍然处于关闭状态，从而令读出窗口得到满足，这里的对应器件是指所述非挥发性存储器中对应的存储器件(bit cell)。所述非挥发性存储器发生数据保持失效故障各类情况汇总如下：
当发生I0小于读出参考电流时，即公式3中I0变小，从式中可知，在当前Vgs条件(Vgs＝0)下，对应Vth0绝对值变小，如果Vth0绝对值过小，通过公式4可知，需要一个正的Vbias电压来开启I0而同时保证I1的关闭；
当发生I1大于参考电流Iref时，说明I1对应器件被打开，通过公式4可知，需要设置Vbias为一个负电压，关断I1对应器件，同时保证I0器件仍然开启。
由于灵敏放大器的读出有精度限制，如果电流偏差比较小，则无法识别出0/1。当Vbias的选择在Vth0和Vth1之间，当Vth1-Vth0逐渐变小，存在I1刚刚关闭时，I0无法满足灵敏放大器读出条件。为了解决这一问题，发明人考虑将读出时的器件电流(也即所述存储单元电流)放大N倍，即：
通过将所述存储单元电流放大，可使得读出窗口满足读出时序要求。
基于同一发明构思，请参考图3，本发明另一实施例还提出一种失效数据修复方法，利用上述特征描述中任一所述的失效数据修复电路，所述数据修复方法包括以下步骤：
S1：获取外部使能信号，基于所述外部使能信号驱动读操作控制单元；
S2：对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并将对应的读出结果发送给读出结果处理单元，其中，所述非挥发性存储器中存储有正值和反值，所述反值为所述正值按位取反后得到的值，所述正值的读出结果为第一读出结果，所述反值的读出结果为第二读出结果；
S3：获取所述第一读出结果以及所述第二读出结果，并将所述第一读出结果与所述第二读出结果进行比较以判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，并将比较结果发送给所述主控制单元，并在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元；
S4：根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
S5：根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
为了便于理解本申请的技术方案，以下提供一种更为具体的实施方式：
1)准备阶段：在所述非挥发性存储器的测试阶段，测试人员将数据的正值和对应按位取反值也即所述反值写入对应位，可以理解的是，所述正值和所述反值可以是在所述非挥发性存储器的测试阶段由测试人员写入，还可以是在后期使用时通过所述失效数据修复电路写入；
2)第一步：当接收到外部使能信号后，主控制单元驱动读操作控制单元对所述非挥发性存储器发起读操作，并通过读出结果处理单元记录当前读出结果，并进行正值和反值的位比较，如果发生对应位均为0的现象，则说明有I1超过参考电流的情况；如果发生对应位均为1的现象，则说明有I0低于参考电流的情况；
3)第二步：如果第一步中发生对应位均为0，则通过电压控制单元设置数模转换单元输出偏置电压为负压，并进行并逐步增大负压的绝对值，如果校验成功，则输出当前值；
4)第三步：如果第二步中发生读出都变为1的情况；通过上述分析可知，当出现都变为1的情况，说明这时I0小于了参考电流，这时通过电流镜控制单元控制电流镜单元逐步放大存储单元电流，直到校验成功；
5)第四步：如果第一步中发生对应位都是1的情况，则首先逐步调整电流镜，放大存储单元电流，并重复进行读和校验操作，直到电流镜最大档位或者校验通过；
6)第五步：如果第四步中，电流镜调节到最大档位仍然得到的都是1的情况，则进行电压控制单元设置栅极偏置电压为正电压，并逐步增大；如果校验通过，则输出当前值；
7)第六步：如果第五步中，发生读出都是0的情况，则停止增大栅极电压，并减小电流镜档位，直到校验通过后，输出当前读出值。
基于同一发明构思，本发明还提出一种非挥发性存储器，包括上述特征描述中任一所述的失效数据修复电路，或利用上述特征描述中所述的失效数据修复方法。
基于同一发明构思，本发明还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中所述的失效数据修复方法。所述可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备，例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所描述的计算机程序可以从可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收所述计算机程序，并转发该计算机程序，以供存储在各个计算/处理设备中的可读存储介质中。用于执行本发明操作的计算机程序可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。所述计算机程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机程序的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序实现。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些程序在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机程序存储在可读存储介质中，这些计算机程序使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有该计算机程序的可读存储介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机程序加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的计算机程序实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种失效数据修复电路和方法，用于非挥发性存储器，利用所述非挥发性存储器内部预先存储的正值和反值，所述读操作控制单元读出所述正值和所述反值的读出结果，分别为所述第一读出结果和所述第二读出结果，通过所述读出结果处理单元比较所述第一读出结果以及所述第二读出结果判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，所述主控制单元在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和或偏置电压生成单元，利用所述存储器电流放大单元对所述存储单元电流进行放大和或利用所述偏置电压生成单元输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，能够将原先失效的读出窗口修复到所述非挥发性存储器的读出电路可以分辨的读出窗口，并且可得出准确的读出数据。
另外，由于利用本发明提供的技术方案可在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障后自动修复，并得出准确的读出数据，可使得所述非挥发性存储器正常工作，在一定程度上提高了所述非挥发性存储器的使用寿命。
本发明还提出一种非挥发性存储器、可读存储介质，其与所述失效数据修复电路和方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种失效数据修复电路，其特征在于，用于非挥发性存储器，所述非挥发性存储器内部具有一灵敏放大器，所述失效数据修复电路包括:
主控制单元，其被配置为获取外部使能信号，基于所述外部使能信号驱动读操作控制单元，并用于在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和/或偏置电压生成单元；
读操作控制单元，其被配置为对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并将对应的读出结果发送给读出结果处理单元，其中，所述非挥发性存储器中存储有正值和反值，所述反值为所述正值按位取反后得到的值，所述正值的读出结果为第一读出结果，所述反值的读出结果为第二读出结果；
读出结果处理单元，其被配置为获取所述第一读出结果以及所述第二读出结果，并将所述第一读出结果与所述第二读出结果进行比较以判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，并将比较结果发送给所述主控制单元；
存储器电流放大单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
偏置电压生成单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
2.如权利要求1所述的失效数据修复电路，其特征在于，所述存储器电流放大单元包括：
电流镜控制单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否发送放大倍数给电流镜单元；
电流镜单元，其被配置为基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器。
3.如权利要求2所述的失效数据修复电路，其特征在于，所述偏置电压生成单元包括：
电压控制单元，其被配置为根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否发送数字调节信号给数模转换单元；
数模转换单元，其被配置为基于所述数字调节信号输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
4.如权利要求3所述的失效数据修复电路，其特征在于，当所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0或均为1时，所述读出结果处理单元判断所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障。
5.如权利要求4所述的失效数据修复电路，其特征在于，若所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0时，所述失效数据修复电路按照第一策略处理，所述第一策略包括：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电压控制单元，
所述电压控制单元发送所述数字调节信号给所述数模转换单元；
所述数模转换单元基于所述数字调节信号发送所述偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，其中，所述偏置电压为负值；
所述电压控制单元通过不断调整所述数字调节信号以使所述偏置电压的绝对值逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
6.如权利要求5所述的失效数据修复电路，其特征在于，若所述失效数据修复电路在按照所述第一策略处理过程中，出现所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为1时，所述失效数据修复电路做以下处理：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元；
所述电流镜单元基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
7.如权利要求4所述的失效数据修复电路，其特征在于，若所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为1时，所述失效数据修复电路按照第二策略处理，所述第二策略包括：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元；
所述电流镜单元基于所述放大倍数放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
8.如权利要求4所述的失效数据修复电路，其特征在于，若所述失效数据修复电路在按照所述第一策略处理过程中，当所述电流镜单元的放大倍数为最大值时，所述第一读出结果以及所述第二读出结果仍然均为1时，所述失效数据修复电路按照第三策略处理，所述第三策略包括：
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电压控制单元，
所述电压控制单元发送所述数字调节信号给所述数模转换单元；
所述数模转换单元基于所述数字调节信号发送所述偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极，其中，所述偏置电压为正值；
所述电压控制单元通过不断调整所述数字调节信号以使所述偏置电压的绝对值逐步增大，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
9.如权利要求8所述的失效数据修复电路，其特征在于，若所述失效数据修复电路在按照所述第三策略处理过程中，出现所述第一读出结果以及所述第二读出结果均为0时，所述失效数据修复电路做以下处理：
所述电压控制单元保持当前发送的所述数字调节信号；
所述读出结果处理单元将所述比较结果发送给所述主控制单元；
所述主控制单元驱动所述电流镜控制单元；
所述电流镜控制单元发送所述放大倍数给所述电流镜单元，其中，所述放大倍数从最大值开始按照递减趋势逐步变小；
所述电流镜单元基于所述放大倍数减小所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
所述电流镜控制单元通过不断调整所述放大倍数以使所述非挥发性存储器的存储单元电流逐步减小，直至所述读操作控制单元获取的所述第一读出结果以及所述第二读出结果为正确值。
10.一种失效数据修复方法，其特征在于，利用如权利要求1至9中任一所述的失效数据修复电路，所述数据修复方法包括以下步骤：
获取外部使能信号，基于所述外部使能信号驱动读操作控制单元；
对所述非挥发性存储器按照一读时钟进行读操作，并将对应的读出结果发送给读出结果处理单元，其中，所述非挥发性存储器中存储有正值和反值，所述反值为所述正值按位取反后得到的值，所述正值的读出结果为第一读出结果，所述反值的读出结果为第二读出结果；
获取所述第一读出结果以及所述第二读出结果，并将所述第一读出结果与所述第二读出结果进行比较以判断所述非挥发性存储器是否出现数据保持失效故障，并将比较结果发送给所述主控制单元，并在所述非挥发性存储器出现数据保持失效故障时，驱动存储器电流放大单元和/或偏置电压生成单元；
根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否放大所述非挥发性存储器的存储单元电流，并输出给所述灵敏放大器；
根据所述主控制单元以及所述比较结果决定是否输出偏置电压给所述非挥发性存储器的存储单元栅极。
11.一种非挥发性存储器，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一所述的失效数据修复电路，或利用如权利要求10所述的失效数据修复方法。
12.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被一处理器执行时能实现权利要求10所述的失效数据修复方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN113168883A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-23 | 长江存储科技有限责任公司 | 具有使用冗余库的故障主库修复的存储器器件 |
| CN117831596A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 悦芯科技股份有限公司 | 一种存储芯片稀疏失效单元电路的修复方法 |
| CN117831596B (zh) * | 2024-03-05 | 2024-05-24 | 悦芯科技股份有限公司 | 一种存储芯片稀疏失效单元电路的修复方法 |
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