ICS 31.200 CCS L 56 团 体 标 准 T/CIE 126—2021 磁随机存储芯片测试方法 Test Methods for Magnetic Random-Access Memory Chips 2021-12-23 发布 2022-02-10实施 中国电子学会 发布 T/CIE 126—2021 目 次 前言 II 1 范围 2 规范性引用文件 术语和定义 测试要求 4.1 磁随机存储芯片信息 4.2 磁随机存储测试装置 4.3 随机存储芯片测试 4.3.1 测试内容 4.3.2 测试条件 5 测试方法 5.1 通则 5.2 测试设备和装置 5.3 磁随机存储芯片的抗磁性测试 5.3.1 测试目的 5.3.2 测试原理 5.3.3 测试方法 5.3.4 测试步骤 5.3.5 测试记录 5.4 磁随机存储芯片的读干扰率写错误率 5.4.1 测试目的 5.4.2 测试原理 5.4.3 测试方法 10 5.4.4 测试步骤 5.4.5 测试记录 5.5磁随机存储芯片的非易失性测试…· 13 5.5.1 测试目的 . 13 5.5.2 测试原理 13 5.5.3 测试方法 13 5.5.4 测试步骤 14 5.5.5 测试记录 15 5.6 磁随机存储芯片的热稳定性测试… 15 5.6.1 测试目的 15 5.6.2 测试原理 15 5.6.3 测试方法 16 5.6.4 测试步骤· 16 5.6.5 测试记录 17 1 T/CIE 126—2021 前言 本标准按照GB/T1.1一2020给出的规则起草。 请注意本标准的某些内容可能涉及专利。本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。 本标准由中国电子学会提出。 本标准起草单位：北京航空航天大学、北京智芯微电子科技有限公司、北京芯可鉴科技有限公司、 中国电子科技集团公司第五十八研究所、上海佑磁信息科技有限公司、北京时代民芯科技有限公司、致 真存储（北京)科技有限公司、深圳亘存科技有限责任公司、中国电子技术标准化研究院。 本标准主要起草人：赵巍胜、彭守仲、李月婷、曹凯华、王昭昊、聂天晓、史可文、王佑、邓尔雅、 陈燕宁、付振、潘成、刘芳、赵桂林、帅喆、孙杰杰、王超、卢辉、王亮、陆时进、李鑫云、曹安妮、王戈飞、 刘宏喜、郭玮、何帆、管端端、南江。 T/CIE126—2021 磁随机存储芯片测试方法 1范围 本标准给出了磁随机存储（MagneticRandom-AccessMemory；MRAM）芯片测试方法的术语、测 试原理、测试环境、测试设备、测试程序等。 本标准适用于磁随机存储芯片测试和磁随机存储芯片关键性能（可靠性和电学参数等)验证。 2规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 本文件。 GB/T6648一1986半导体集成电路静态读/写存储器空白详细规范（可供认证用） GB/T35003一2018非易失性存储器耐久和数据保持试验方法 GB/T17574一1998半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路 3术语和定义 3.1 磁随机存储器magneticrandom-accessmemory；MRAM 利用磁隧道结隧穿磁阻效应作为存储原理，利用中磁性层的磁矩作为信息存储的载体。磁随机存 储芯片具有非易失特性、近乎无限次擦写和快速写入等优点的随机存储器。 3.2 磁隧道结magnetictunneljunction；MTJ 磁隧道结为磁随机存储器的基本存储单元。它的核心部分是由两个铁磁金属层夹着一个隧穿势垒 层形成的三明治结构。 3.3 参考层（固定层）referencelayer（pinnedlayer） 磁隧道结中的一个铁磁层，它的磁化方向沿着易磁化轴方向保持不变。 3.4 自由层freelayer 磁隧道结中的另一个铁磁层，其磁化有两个稳定的取向，分别与参考层的磁化方向平行或反平行。 3.5 隧穿势垒层 tunnelbarrier 磁隧道结中两层铁磁层中间的由金属氧化物等绝缘体材料形成的薄膜层， 3.6 隧穿磁电阻率tunnel magnetoresistance ratio;TMR 磁隧道结处于反平行状态和平行状态时的电阻差值与平行状态时的阻值的比值。隧穿磁电阻率决 定磁随机存储芯片的数据读取裕度。因此隧穿磁电阻率是决定磁随机存储芯片性能的关键参数。 1 T/CIE 126—2021 3.7 写周期write cycle time 获取写使能命令的高电平为写状态的起始时间和写状态结束后低电平之间的时间间隔。 3.8 读周期 readcycletime 获取读使能命令的高电平为读状态的起始时间和读状态结束后低电平之间的时间间隔。 3.9 存储单元（存储元件）memorycell（memoryelement） 一个数据位已进人、已存储或能存储并能从中取出的存储器的最小单元。 3.10 数据存储区storagezoneof data 磁随机存储芯片包含一个或几个存储单元的区域，即整个存储阵列。 3.11 地址address 识别特定数据存储区的一组二进制位。 3.12 静态磁场测试static magnetic field test 在单位空间内，以一定的恒定磁场干扰磁随机存储芯片，同时对磁随机存储器进行功能和性能 测试。 3.13 动态磁场测试dynamic magnetic field test 在单位空间内，以一定的变换磁场干扰磁随机存储芯片，同时对磁随机存储器进行功能和性能 测试。 3.14 读写周期read-writecycletime 存储器读出和新数据写入这样一个循环的起始和终止之间的时间间隔。 3.15 写读周期write-read cycletime 数据写人存储器然后读出这样的一个循环的起始和终止之间的时间间隔。 3.16 抗磁干扰能力theabilityof magnetic immunity MTJ中自由层抵抗外部磁场干扰，防止磁矩翻转的能力。 3.17 读干扰率readdisturbancerate；RDR 存储设备在进行数据读取时受到外界环境干扰，记录下当前受干扰的存储单元数量与原写入存储 单元数量的比值即是读干扰率。 3.18 写错误率 write error rate;WER 存储设备在进行数据写入时受到外界环境干扰，记录下当前受干扰的存储单元数量与写人存储单 元数量的比值即是写错误率。 3.19 非易失性 non-volatile 在规定环境条件下，器件存储单元在非偏置状态下保持数据而不丢失。 2 T/CIE 126—2021 3.20 热稳定性 thermal stability 磁随机存储芯片的耐热性，磁随机存储芯片在温度的影响下的稳定性能力。 注：各种存取时间 地址存取时间：地址输人与数据输出之间的时间； 允许存取时间：允许输人与数据输出之间的时间。 4测试要求 4.1 磁随机存储芯片信息 磁随机存储芯片包括存储接口、存储阵列和控制器等部分。如图1所示，存储接口为微控制器提供 存储器接口以方便存储器扩展及驱动应用（通常为DDR接口、SPI接口、QSPI接口、OSPI接口或并行 接口等）。磁随机存储阵列由大量磁隧道结（MagneticTunnelJunctions，MTJ）由大量存储单元组成。 磁隧道结的结构由自由层、隧穿势垒层和参考层组成。当自由层和参考层的磁化方向互相平行时，磁隧 道结呈现低电阻，存储二进制“0”；当自由层和参考层的磁化方向为反平行时，磁隧道结呈现高电阻，存 储二进制“1”。根据铁磁层的易磁化轴方向，可以将磁隧道结分为面内磁隧道结和垂直磁隧道结。磁随 机存储控制器按照一定的时序规则对磁随机存储阵列进行控制管理，通过地址线、数据线和读写控制线 传输地址信号、数据信号以及各种命令信号的控制，使访问磁随机存储芯片根据自已的要求使用磁随机 存储芯片的阵列资源。因此磁随机存储芯片测试前需要获取存储容量、位宽、工作频率、供电电压、接口 模式、封装形式、工作温度区间、管脚定义、逻辑图、时序图等完备的存储设备参数信息 地址线 MTJ存储单元 译 码 控 An 器 磁随机存储阵列 存储 制 读写控制线 控制信号转换器 接口 器 101101110 数据线 01101 (控制电路)DO 固定层 +N D2 Dn 低电阻“0" 高电阻“1" 磁随机存储设备 存储为二进制“0” 存储为二进制“1” 图1磁随机存储芯片示意图 4.2 2磁随机存储测试装置 磁随机存储测试装置主要通过主控驱动、磁随机存储芯片和外磁场干扰装置等设备组成。如图2 所示，主控驱动根据磁随机存储芯片的不同接口对其进行读/写驱动。该工作操作过程决定后期验证的 准确性。为了不破坏存储芯片，应用不同封装形式的烧录座对磁随机存储芯片进行控制，同时可以将该 装置放置在外磁场干扰设备两个磁铁中（由于烧录座本身材料没有抗磁性，不影响实验结果）。外磁场 干扰装置可以根据实验需求调节外磁场大小及磁场类型。磁随机存储测试装置需要设备不同的磁场方 向，由于磁随机存储芯片具有面内磁隧道结和垂直磁隧道结的两种基本组成单位，磁场的方向在磁芯片 验证中也是一个关键指标因素。因此磁随机存储芯片装置中应设置外磁场不同的方位变化以便验证不 同磁场方位对磁随机存储芯片产生的干扰情况。 3 T/CIE 126—2021 4.3 随机存储芯片测试 4.3.1 测试内容 a) 磁随机存储芯片在外磁场作用下静态下呈现的抗磁性（staticmagneticimmunity；SMI)； b） 磁随机存储芯片在外磁场作用下的读干扰率（readdisturbancerate