抗輻照MRAM研究進展

孫杰杰,王 超,李嘉威,姜傳鵬,曹凱華,施 輝,張有光,趙巍勝

(1. 北京航空航天大學 集成電路科學與工程學院, 北京 100191; 2. 中國電子科技集團公司第五十八研究所, 江蘇 無錫 214072; 3. 北京航空航天大學 電子信息工程學院, 北京 100191)

隨著近年來云計算、物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等各種新興技術的涌現,傳統存儲技術面臨嚴峻的挑戰,其中之一便是計算機體系架構中的“存儲墻”問題[1-4]。傳統易失性靜態隨機存儲器(static random access memory, SRAM)和動態隨機存儲器(dynamic random access memory, DRAM)性能的提升不再顯著,SRAM昂貴的芯片面積開銷與DRAM刷新操作導致的高功耗,越來越無法滿足新型應用的需求。傳統的非易失存儲器以FLASH應用最為廣泛,但卻存在著讀寫速度慢、擦寫次數有限的問題[5-6],無法用作系統緩存或主存。

另外,隨著近年來航天技術的飛速發展,宇航電子系統不僅面臨上述問題,還面臨著空間輻照環境對其保存的數據和信息的干擾與破壞等問題,這進一步提高了對存儲器可靠性的要求。然而,SRAM、DRAM和FLASH均易遭受空間輻照效應的影響[7-12]。這些存儲器在不進行抗輻照加固或無系統糾檢錯措施的情況下不僅難以勝任航天任務,甚至還會嚴重影響航天器的在軌安全。而對芯片和系統采取輻照加固措施,往往會造成芯片面積增加、功耗增加、速度降低[13-14]等問題。如果存儲器的存儲單元本身無輻射抗性或者抗性很差,則其加固更為困難。

解決以上問題的一種有效辦法是采用磁性隨機存儲搭建抗輻照存儲系統,同時輔以其他加固措施。磁性隨機存儲器(magnetic random access memory,MRAM)具備非易失性、非?？斓淖x寫速度、出色的耐擦寫特性、優良的數據保持能力、低功耗和存儲單元天然抗輻照等優點[15-17]。其天然抗輻照能力來源于存儲數據的物理機理——它通過電子的自旋方向存儲數據而非電荷,前者更不容易受到輻照影響。目前,MRAM商用芯片的存儲密度已高達1 Gbit/芯片[18-19],通過多芯片封裝總容量已達8 Gbit[20]。

本文首先介紹了MRAM存儲單元——磁隧道結(magnetic tunnel junction,MTJ)的基本結構及原理,簡要概括了MRAM的產業化發展歷程、技術變革及應用情況,然后對MRAM及MTJ的各種輻照效應進行了探討,隨后總結了近年來MRAM抗輻照加固設計方面的最新成果,最后對抗輻照MRAM的發展前景進行了展望。

1 MRAM技術及其產業化發展歷程

1.1 磁隧道結的基本結構及原理

MRAM利用電子的“自旋”屬性存儲信息,核心單元為MTJ。其基本結構如圖1所示,主要包含參考層(reference layer,RL)、隧穿勢壘層和自由層(free layer,FL)。RL的磁化方向是固定的,FL的磁化方向可隨外磁場方向變化而變化,當FL和RL磁化方向一致時,MTJ表現為低電阻狀態(RP),當FL和RL磁化方向相反時,MTJ表現為高電阻狀態(RAP),兩種狀態可分別代表邏輯“0”和“1”(或相反)。該現象被稱為隧穿磁阻效應(tunnel magnetoresistance,TMR),TMR的大小可用式(1)計算:

(1)

TMR值越大,“0”和“1”之間的讀取窗口越大,芯片設計難度越小。

圖1 磁隧道結基本結構Fig.1 Basic structure of magnetic tunneling junction

早期的MTJ隧穿勢壘層采用無定形態的AlOx,TMR值可達18%[21]。后來,人們發現采用單晶MgO,可使TMR值達到200%左右[22-23],甚至達到604%[24](理論預測可達1 000%[25-26]),所以采用單晶MgO作為隧穿勢壘層成為主流。

1.2 MRAM的產業化發展歷程、技術變革及應用

自2006年飛思卡爾推出第一款商用4 Mbit獨立式MRAM,大量的研究機構投身其中,并取得了豐碩的成果(見表1)。

表1 MRAM產業化發展歷程——主要研究機構及代表產品

如圖2所示,MRAM核心單元MTJ歷經了三次主要的技術變革。第一代MRAM采用磁場牽引(Toggle)寫入技術[27],MTJ的勢壘層采用AlOx(Toggle-MRAM的后續產品也逐漸用MgO取代了AlOx),其RL和FL的磁化方向都平行于薄膜平面,即面內磁各向異性(in plane magnetic anisotropy,IMA)。FL采用合成反鐵磁(synthetic antiferromagnetic,SAF)結構,易磁化軸方向與字線、位線各呈45°。寫入操作時對字線和位線按照特定時序施加寫入電流從而形成45°連續變化的三組感應磁場(如圖3所示),利用磁場改變FL磁化方向,完成數據寫入?；谶@種技術,Everspin陸續推出了容量128 Kbit～32 Mbit的商用MRAM產品。這些商用產品的MTJ具有抗輻照特性,但其外圍互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)邏輯并未進行輻照加固,仍然難以滿足空間應用的要求。因此,一方面,研究機構對Everspin商用MRAM進行了輻射效應評估,輔以一些系統加固措施,以滿足在一定條件范圍內的應用;另一方面,Aeroflex和Honeywell從Everspin獲得授權,采用其MTJ技術,并在此基礎上對CMOS邏輯部分進行了抗輻照加固,隨后采用陶瓷封裝,并通過一系列嚴格的篩選及質量檢驗措施使其真正成為滿足空間應用的宇航級抗輻照產品。

(a) Toggle磁場寫入(a) Toggle write mode

圖3 Toggle-MRAM寫時序[27]Fig.3 Writing sequence in Toggle-MRAM[27]

然而,Toggle磁場寫入存在功耗高(mA級)、存儲密度低和設計復雜等缺點,這限制了Toggle-MRAM的應用前景。第二代MRAM憑借自旋轉移矩[51-52](spin transfer torque,STT)[51-52]及垂直磁各向異性[53-54](perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的應用很好地解決了上述問題。首先,相較于Toggle-MRAM通過電流產生磁場而間接改變FL磁矩的寫入方式,STT-MRAM是依靠電流流過MTJ直接翻轉FL磁矩,從而實現數據的寫入,因此又被稱為純電學寫入方式。STT-MRAM寫入電流的方向決定FL的磁化翻轉方向,寫入電流密度在106～107A/cm2之間,且寫入電流的大小隨工藝尺寸的縮小而減小,寫入功耗大大降低,同時免去了復雜的設計。其次,PMA的應用解決了面內磁各向異性MTJ(iMTJ)尺寸不能進一步微縮的問題,大大提高了存儲密度,同時獲得了更低的臨界翻轉電流(Ic)。因此,在產業化發展過程中,iMTJ很快被垂直磁各向異性MTJ(pMTJ)所取代,現在所說的第二代MRAM主要是指具有PMA的STT-MRAM。

STT-MRAM以其較快的讀寫速度、較高的存儲密度及出色的數據保持特性吸引了幾乎所有半導體廠商(TSMC、Global Foundries、三星、Intel、UMC、海力士、索尼、IBM等)的關注與研發。其主要原因為eFLASH已止步于28 nm工藝節點,而STT-MRAM是目前最有希望的嵌入式存儲器候選者[55]。此外,人們也在研究將其用于最后一級緩存,以取代數據易失的SRAM。

相比于Toggle-MRAM,STT-MRAM缺點主要體現在擦寫次數和數據保持兩個指標互相矛盾,無法兼得。其原因與STT電流寫入模式有關:提升MTJ的數據保持能力需提升其熱穩定性,而熱穩定性的提升導致STT臨界翻轉電流(電壓)的上升,而勢壘層介質的壽命(與時間相關)又與寫入電流(電壓)呈負相關,勢壘層壽命的下降導致擦寫次數降低。因此,對于pSTT-MRAM產品,只能突出優化其中一個方面。而第一代Toggle-MRAM一方面由于其為磁場寫入,勢壘層壽命不會受到寫入電流的影響而降低,因此其擦寫次數理論上是無限次;另一方面,可以通過優化其MTJ器件結構、材料和參數來提升其數據保持能力,而不用擔心影響到擦寫次數。經過優化,其數據保持能力可達20年(@125 ℃)。另外,STT-MRAM的寫入速度也存在瓶頸,這一瓶頸來源于寫入初期微弱的自旋轉移矩導致的“初始延遲”,雖然可以通過增加寫入電流來解決這一問題,但也增加了勢壘層被擊穿的風險。表2為幾代MRAM性能的綜合比較。

表2 不同代際MRAM產品性能比較

為解決STT-MRAM的問題,科學家進行了大量研究,其中比較有效的方案是Miron和Liu所在的研究小組[60-65]提出的自旋軌道矩(spin orbit torque,SOT)。采用SOT效應翻轉FL磁矩的MRAM被稱為第三代MRAM。SOT-MTJ為三端器件,利用流經底部重金屬的電流產生SOT以驅動FL完成磁化翻轉。該方案將寫入電流與讀出電流路徑分開,有效避免了寫入電流對勢壘層的損傷,提升了寫入速度,理論上擦寫次數與Toggle-MRAM一樣(無限次),解決了STT擦寫次數和數據保持時間的矛盾,有效提升了器件可靠性。但SOT-MTJ相比于STT-MTJ面積較大,集成度低,未成為各大機構研發的主流,市場上也暫無相關的產品。即便如此,SOT-MRAM由于其出色的寫入速度和高可靠性在高速應用場合(L1～L3級緩存)和高可靠應用場合(航空航天)仍有非常大的吸引力。為了解決SOT-MRAM低集成度的問題,人們提出了很多解決措施,有望成為第四代MRAM可能的方向。例如由STT與SOT、壓控磁各向異性(voltage control magnetic anisotropy,VCMA)與SOT的協同自旋矩效應構成的NAND型高密度串聯結構[66-72],以及通過將存儲層由鐵磁層(ferromagnet,FM)轉變為SAF,利用SAF的交換偏置場的磁存儲技術[58-59](exchange bias-MRAM,EB-MRAM),有望極大提升MRAM的存儲密度。

在應用端,第一代Toggle-MRAM不僅沒有被市場逐漸淘汰,反而在高可靠應用場合(例如航空航天、汽車電子等領域)扮演著重要角色。2009年瑞典公司AAC(Angstrom Aerospace Corporation)與日本東北大學合作開發的TAMU(Tohoku-AAC MEMS unit)搭載一顆小衛星SpriteSat進入了680 km的極地軌道,其中便使用了Everspin公司商用4 Mbit MRAM來取代FLASH和SRAM[73]。2011年10月,由密歇根大學研制的立方體衛星M-Cubed也使用了Everspin公司商用16 Mbit MRAM。在此后的10年里,Toggle-MRAM已大量應用于航空航天領域。此外,pSTT-MRAM已逐步應用于企業級固態硬盤的緩存,用于防止數據掉電丟失。但因其技術成熟度和可靠性等原因,尚未有應用于航天器的報道。即便如此,pSTT-MRAM在空間應用方面仍具有很大的潛力。

MRAM的空間應用需要考慮空間輻射環境?？臻g環境中存在高能離子、質子、中子、電子、α粒子和γ射線等輻射源[74-75],這些輻射源與電子元器件中半導體材料發生碰撞、電離等相互作用,可造成元器件參數漂移、功能退化甚至徹底失效,嚴重降低電子元器件可靠性[76-77]。MRAM作為一種新型存儲器,研究其輻射效應及加固技術對提升MRAM的應用潛力意義重大。

2 MRAM中MTJ單元的輻照效應及加固技術

目前,對MTJ的輻照效應和機理的研究仍處于探索階段,進行相關研究時一些概念仍然沿用輻照對MOS器件的一些術語。比如“電離總劑量效應”(total ionizing dose,TID)和“單粒子效應”(single event effect,SEE)等,而實際上這些術語對于MTJ的輻照效應并不完全恰當。例如“電離總劑量效應”主要是指由于輻照引發了MOS器件中SiO2/Si界面處“電荷的積累”,其物理效應主要跟“電荷積累”有關。而在MTJ的所謂“電離總劑量效應”的研究中并未發現“電荷積累”相關的效應。因此在MTJ的輻照效應和物理機理完全清晰之前,本節按照輻照源對MTJ輻照效應進行了分類。

2.1 MTJ的γ輻照效應

帶能量的光子(γ及X射線等)同固體物質相互作用時,電離損傷是主要損傷。根據光子能量不同,可以與材料發生不同的電磁相互作用——光電效應(光子能量小于100 keV)、康普頓效應(光子能量在100 keV到幾MeV之間)和電子-空穴對為主的效應(更高的能量),這些相互作用均帶來電離損傷。除此之外,光子還可以引發位移損傷效應,但概率很低[78-79]。放射性同位素60Co γ射線源能提供均勻的沉積劑量及穩定γ光子流,非常適用于電子元器件的電離總劑量輻照試驗。因此在對MTJ進行輻照研究時,人們也嘗試使用了60Co γ射線源。本小節中以下的研究若無特殊說明,均是以60Co γ為輻射源。

2.1.1 AlOx-MTJ

AlOx-MTJ為第一代Toggle-MRAM所采用。目前尚未見到單獨對AlOx-MTJ進行的總劑量效應試驗,所有的試驗結果均來源于MRAM芯片整體的輻照結果。根據文獻[80]可知,Honeywell的Toggle-MRAM產品整體抗TID能力達到1 Mrad(Si)(注:1 rad=10-2Gy),這意味著其內部AlOx-MTJ的抗TID能力至少也達到了1 Mrad(Si)。而Honeywell產品中MTJ采用Everspin的工藝,因此可推測,Everspin產品抗總劑量能力有限的原因來自未進行抗輻照加固的外圍CMOS邏輯,而非MTJ。

然而也有例外, Cui等[81]在對Everspin公司的1 Mbit MRAM和4 Mbit MRAM進行的輻照對比試驗中發現,1 Mbit MRAM在TID為30 krad、60 krad、90 krad(Si)時均出現了隨機性bit錯誤。相反,4 Mbit MRAM在120 krad(Si)的劑量下,在電參數失效之前未出現bit錯誤。分析表明兩種MRAM采用了不同的MTJ結構,其中1 Mbit MRAM的MTJ結構從下到上分別是Ta、MnPt、CoFeNi、AlO、(Co/Ni)n、MnNi,4 Mbit MRAM的MTJ結構從下到上分別是Ta、MnPt、CoFe、Ru、CoFe、AlO、CoFe、NiFe。結合1 Mbit MRAM輻照后bit錯誤表現特征及兩種不同的MTJ結構特點,其將1 Mbit MRAM出現bit錯誤的原因歸結為其MTJ更容易受到輻照的影響。首先,兩種MTJ的FL是不同的,數據存儲機制不同。輻照后MTJ的TEM和EDX光譜結果顯示,1 Mbit MRAM的MTJ中Mn元素向FL的擴散程度比4 Mbit MRAM的更嚴重。它將破壞FL薄膜的晶格結構和界面結構[82-83],降低磁晶各向異性和界面各向異性。其次,γ射線中有少量圓極化光子,當γ射線通過薄膜時,會發生磁康普頓散射[84-85](magnetic Compton scattering,MCS)。1 Mbit MRAM的FL的(Co/Ni)n薄膜的疇壁磁化更容易通過康普頓效應從一個方向轉移到相反的方向。再次,在此過程中,γ光子激發的高能自由電子可能與晶格原子發生碰撞,導致晶格位移損傷,從而降低FL的各向異性。另外,γ射線輻照會引起晶格加熱,降低FL的有效磁各向異性勢壘,從而提高熱輔助自旋翻轉的概率。這些機制將有助于輻照過程中FL的磁矩翻轉,從而改變MTJ的磁電阻,導致讀取錯誤。由于圓偏振光子的數量非常少,讀位錯誤的數量也很少。磁矩翻轉僅改變數據存儲狀態,不影響器件的電磁特性和功能。因此,當再次向器件寫入數據時,位錯誤消失。

2.1.2 MgO-MTJ

新一代MRAM均采用了MgO作為MTJ勢壘層,為了評估這種MTJ的性能及對空間輻照環境的適應性,科學家進行了大量研究。Amara-Dababi等[86]認為γ輻射可以在MgO中產生電子-空穴對,當MgO內捕獲的電荷密度足夠高時,會導致MgO擊穿。因此研究γ輻射對MgO-MTJ的影響是有必要的。

Ren等[87]對MgO-iMTJ進行的輻照效應研究結果表明,使用γ射線以9.78 rad/min的劑量率對MTJ進行輻照,累積劑量達10 Mrad(Si)后,MTJ的RP、RAP和矯頑力(Hc)均未發生統計學意義上的變化。同年, Hughes等[88]試驗結果也有著相同的結論,總劑量達到10 Mrad(Si)后,MTJ膜堆的磁性、Hc、有效磁化強度、自由層阻尼系數、電阻面積矢量積(resistance area product,RA)均未發生統計學意義上的變化。兩人研究的MTJ器件均為IMA,尺寸太大,集成度低,應用潛力有限。而PMA有效減小了MTJ的尺寸,提高了存儲密度。但由于PMA的主要來源是界面各向異性,電離輻射可能引起的界面缺陷在pMTJ中比在iMTJ中更受關注。

Zink等[89]對pMTJ的γ輻照研究結果表明,輻照劑量累計達到1 rad(Si)后,MTJ的電阻和TMR變化不大。另外,TID可以引起pMTJ關鍵性能參數(熱穩定因子、臨界翻轉電壓Vc和寫入能量)的變化。但這些影響在尺寸較大的MTJ中更為顯著,當MTJ尺寸較小時影響很小,因此有利于MRAM集成度的提升。Montoya等[90]研究了極端劑量(1.47 Mrad(SiO2))的γ輻射對納米級pMTJ的影響,試驗結果表明輻照后pMTJ的TMR、臨界翻轉磁場和Ic均無統計學意義上的變化。此外,在γ輻照下,熱激活的pMTJ翻轉率幾乎沒有變化,表明γ輻射并不影響pMTJ翻轉的過程。

除了以上針對單界面pMTJ的研究外, Wang等[91]研究了CoFeB/MgO雙界面pMTJ[92]在不同劑量γ輻照下的輻射特性。其制備的雙界面CoFeB/MgO多重膜的結構如圖4(a)所示。MTJ基于熱SiO2基底,底部為CuN、Ta種子層,從下至上分別為[Co/Pt]6、Co、Ru、Co、[Co/Pt]3、W、CoFeB、MgO、CoFeB、W、CoFeB、MgO、Ta、Ru。試驗結果表明在總劑量分別為5 Mrad、10 Mrad、20 Mrad(Si)時,Hc相比輻照前分別增加了5.5%、16.1%和19.7%,而飽和磁化強度Ms則沒有變化。但是,如果照射劑量足夠大(247 Mrad或475 Mrad(Si)),磁性就會被破壞。Hc的增加是多種因素共同作用的結果,包括MCS、兩層(Co/Pt)n多層膜之間的Ru層被破壞、雙界面結構中FL的有效厚度受輻照影響而增加,以及γ輻照引起的電離能沉積對疇壁運動的阻止作用。在247 Mrad(Si)或475 Mrad(Si)輻照下,磁性幾乎消失,可能原因為熱應力和內應力[93-94]。從圖4所示的顯微鏡圖像可以看出,多層膜存在由熱應力和內應力引起的微米級裂紋。薄膜熱應力是由多層薄膜結構與襯底之間熱膨脹系數的差異引起的。此外,γ輻照引起的電離能沉積或溫度分布不均勻也會產生熱應力進而影響磁性能[95-96]。因此,輻射引起的熱應力和內應力可能會破壞MTJ的磁性。

圖4 雙界面pMTJ多重膜結構和樣品的表面形貌Fig.4 Structure of the double-interface pMTJ multifilms and surface appearance of samples

綜上,AlOx-MTJ抗γ輻照的能力與MTJ的結構、材料及參數有關。MgO-iMTJ抗γ輻照能力至少可達10 Mrad(Si)以上。小尺寸MgO-pMTJ抗γ輻照能力至少可達1 Mrad(Si)以上。γ光子對MTJ的效應或損傷主要包含:MCS、位移損傷和熱應力。良好γ輻照抗性的獲得需要對MTJ的結構、材料及參數進行特殊設計,以削弱這些效應或損傷。

2.2 MTJ的重離子輻照效應

重離子是指原子序數Z≥2的離子。在空間中,這些重核離子雖然通量較低,但能量很高(為數十MeV到數百GeV),通過材料時產生強烈電離且很難屏蔽,這是SEE發生的主要原因。對于大多數重離子而言,大部分能量轉移是產生電離效應,只有少部分帶來位移損傷。

MTJ由多層薄膜堆疊而成,各層薄膜厚度普遍很小(?/nm量級),當總注量達到一定程度時,重離子轟擊很可能會對多層納米薄膜造成位移損傷,導致器件電學和磁學特性的改變。

2.2.1 AlOx-MTJ

Al2O3作為MTJ的勢壘層對MTJ的特性起著重要作用。雖然Al2O3是良好的抗輻射絕緣體[97],并且常用于強輻射環境,但當其為薄膜形式時對快速重離子輻照的反應可能并不理想。在快速重離子照射其他材料(例如Ge[98-99])時,已經觀察到了塊體形式和薄膜形式不同的抗輻照行為。因此研究輻照對AlOx-MTJ的影響時,必須重新評估重離子輻照對Al2O3的影響。

2003年, Schmalhorst等[100]研究了Mn83Ir17/Co70Fe30/AlOx/Ni80Fe20結構的MTJ在Al膜被等離子體氧化后立即被低能Ar離子束輻照后器件的輸運特性。經過150 eV離子輻照后,器件電阻增加了40倍,TMR值和介電穩定性有所降低。該作者認為導致該現象的原因是離子輻照引起勢壘層中Al和O的原子配比發生了局部變化,從而導致勢壘層存在局部缺陷。同年,Conraux等[101]對AlOx介質的MTJ進行了C、O、Ni離子效應研究,結果表明MTJ受單粒子影響很小但不可逆,因此,AlOx-MTJ并非對單粒子輻照完全免疫。研究表明隨著注量率的增加,TMR值逐漸降低,該作者將這一現象的原因歸結為AlOx勢壘層中Al和O化學計量的變化——勢壘中的O消耗,而非互相擴散作用。2005年, Sacher等[102]研究了Co/Al2O3/Co結構的MTJ在Ar和He離子輻照下的輸運特性。對于這兩種離子,MTJ的RA隨輻照離子能量的增加而增大,而TMR值減小。該研究表明輻照離子的能量和種類會影響輻照離子在MTJ中的分布,影響局域電子態的數目以及界面處缺陷的形成和自旋極化狀態。同年,Banerjee等[103]研究了Si和Ag離子輻照對Co/Al2O3/Ni80Fe20結構的MTJ特性的影響。如圖5所示,采用能量為70 MeV、總注量為5×1011ions/cm2的Si離子輻照后,TMR值由初始的20.3%降低到了18.2%,Hc發生顯著變化,并伴隨著RAP和RP的下降;采用能量為200 MeV、總注量為1×1011ions/cm2的Ag離子輻照后,MTJ被完全破壞,TMR效應完全喪失,且MTJ電阻大幅下降。為了解釋所觀測到的變化,該文獻作者結合庫侖爆炸模型[104]和熱脈沖模型[105]進行了分析,認為快速重離子在Al2O3中誘導的缺陷可以近似認為是多條并行的導電路徑,這些導電路徑降低了整體結電阻。當離子通過這些層時,可能會在FM/勢壘層界面上出現小程度的原子重新分布。另外,原子位移、原子聚集在單個膜層以及原子穿過界面將產生強自旋依賴散射和自旋獨立散射,這可能與TMR的降低有關。

(a) 輻照前MTJ的特性(a) Characteristics of MTJ before irradiation

(b) Si離子輻照對MTJ特性的影響(b) Effect of Si ion irradiation on the characteristic of MTJ

(c) Ag離子輻照對MTJ特性的影響(c) Effect of Ag ion irradiation on the characteristic of MTJ圖5 電阻隨外磁場的變化關系(+5 mV偏置,室溫)[103]Fig.5 Plot of resistance versus applied magnetic field at RT at a bias of +5 mV[103]

通過以上研究可以看出,重離子輻照可能會對AlOx-MTJ多層膜造成位移損傷,在膜層或界面處產生缺陷,也可能會影響MTJ中局域電子態,進而影響自旋極化狀態,最終導致MTJ的TMR值、RA等關鍵參數發生變化。

2.2.2 MgO-MTJ

與AlOx-MTJ相比,MgO-MTJ的薄膜結構和材料特性發生了極大的改變。由于AlOx為非晶材料,對電子的散射作用嚴重。穿過勢壘層的電子的自旋極化率被AlOx消耗,導致AlOx-MTJ的TMR值普遍較低。而在CoFeB非晶層上可以生長出<001>晶向的MgO薄膜,且單晶化程度更高。MTJ膜堆沉積完成后,通過熱退火工藝使得臨近MgO勢壘層的CoFeB薄膜以<001>晶向MgO為模板結晶,從而使自旋極化電子更高效穿透勢壘層,自旋極化率幾乎保持不變,因此單晶MgO比多晶AlOx-MTJ的TMR值更高[22-26]。

有研究表明,在經歷10～100個15 MeV Si離子(施加偏壓)[106]輻照后,MgO-pMTJ的RAP、RP和TMR值基本保持不變,表現出良好的抗單粒子特性。同時,MTJ的熱穩定性因子沒有顯著變化,這意味著數據保持特性并未發生變化。

然而,也有一些實驗表明離子輻照會對MTJ薄膜結構產生一定的損傷,導致器件電學或者磁學特性發生一定程度的退化。Singh等[107]用能量為120 MeV、總注量為1×1011～1×1013ions/cm2的Ag離子垂直照射Fe/MgO/Fe/Co多層膜,觀察到垂直磁滯回線的形狀發生了顯著變化。輻照后MgO層中Fe、Co和Au原子有所增加,界面處Fe的價態發生了變化,重離子通過材料時會誘導磁矩沿其方向排列,這三方面的因素改變了輻照后膜堆的Hc。Xiao等[108]的研究表明,pMTJ經歷低注量(1011ions/cm2)的Ta離子輻照后,TMR、Vc和臨界翻轉磁場基本不受影響,電學特性基本無變化;但隨著注量的增加,pMTJ受損傷程度增加,其TMR、Vc和臨界翻轉磁場逐漸退化,甚至在總注量達到1013ions/cm2后完全失去磁阻效應。這種退化主要來源于CoFeB/MgO界面的結構損傷:①輻照離子破壞了電子隧穿勢壘的對稱性,降低了自旋極化;②輻照離子降低了結構的PMA。Kobayashi等[109]研究了各種類型的高能離子(250 MeV Ar、322 MeV Kr、400 MeV Fe、454 MeV Xe和490 MeV O)對10 nm尺寸下pMTJ的影響。研究發現490 MeV O離子可以在MTJ中產生可恢復的位翻轉,即軟錯誤,而其他離子卻無此現象。其還試驗了電壓對翻轉可能產生的影響,但沒有檢測到。例如在400 MeV Fe輻照中,在+0.2 V(接近翻轉臨界電壓)條件下也不會出現翻轉;而相反,即使減小偏置電壓到-0.01 V,O離子轟擊仍然可以導致翻轉。他們認為軟錯誤發生的原因可能是重離子轟擊引起局部溫度升高,從而引發了鐵磁層的磁化翻轉。Park等[110]研究了Cr離子束對iMTJ和pMTJ的影響。研究發現,器件性能的退化與Cr離子輻照引起的位移損傷密切相關,Cr離子輻照位置主要集中在距離表面的幾納米處。因此,iMTJ的損傷位置主要出現在鐵磁層頂層,從而僅減小了其磁化強度。但是pMTJ的損傷位置會擴展到FM/勢壘層界面,從而降低TMR。該研究提供了一個提高抗單粒子能力的方法,即通過引入保護層來阻止離子穿過MTJ。Coi等[111]研究了995 MeV Xe離子對pMTJ的影響,實驗結果表明pMTJ對SEE的敏感性比較低。重離子輻照對MgO的結晶度有類似退火的作用,使得TMR值輕微的增大。輻照離子造成的晶體缺陷可以作為成核中心,形成更多的成核位點,導致Hc降低。界面缺陷的增加和重離子對SAF的損傷會降低PMA,另外,重離子輻照也可能通過熱激發或熱誘導效應影響MTJ。Wang等[112]研究了Ta離子和Kr離子對雙界面CoFeB/MgO MTJ的輻照效應。在總注量為1011ions/cm2和能量為1 907 MeV的Ta離子輻照后,雙界面產生了一定的損傷,導致Hc存在一定程度的降低而且無法恢復;而總注量為5×1010ions/cm2和能量為2 060 MeV的Kr離子輻照破壞了MTJ的體特性,導致Ms下降。然而,雙界面MTJ的電性能幾乎不受Kr離子輻照的影響。

2021年,Alamdar等[113]研究了SOT-pMTJ的輻照效應。研究結果表明,其對于總注量1012ions/cm2的Ta離子具有較好的抗輻照能力,但在更高注量(1012～1014ions/cm2)的輻照環境下,磁性膜堆的Hc和PMA變小,主要源于底部CoFeB/MgO界面處層間原子混合的增強作用。越接近底部重金屬層和襯底,受損傷的程度越大。

上述研究采用不同能量、不同注量的各種離子對各種結構的MTJ進行了輻照實驗和分析,根據實驗結果和提出的理論機制可以看到,無論是AlOx還是MgO基的MTJ,對單粒子并不是完全免疫的。重離子的轟擊會對膜堆結構產生一定的位移損傷,其電學特性或者磁學性能會發生一定程度的退化,在非常大的總注量或者能量下甚至會失去磁阻效應。某些重離子的轟擊也能產生軟錯誤,但機理尚未清晰。為了加強MTJ的抗重離子輻照能力,可以從膜堆結構或者材料上進行優化。

然而,離子輻照并非只帶來壞處,若能掌握其與MTJ中各種材料的相互作用規律,可以嘗試利用離子輻照對材料進行可控修飾和改性,從而實現所需的材料特性?？焖僦仉x子輻照對材料造成的變化往往是不可逆的,如結構變化、界面變化或通過形成缺陷導致的相的構成變化等[114-115]。高能離子穿過固體時失去能量,要么與原子中電子產生非彈性碰撞,要么與原子核產生彈性散射。前者往往造成與材料特性的變化,后者主要造成原子的位移。這使人們可以研究MTJ界面和勢壘變化對磁性能、自旋輸運和隧穿行為的影響,以便于更好地制作特殊應用的MTJ。實際上,利用離子輻照對磁薄膜的磁特性進行改性已經得到一些研究[116-126]。例如:Co/Pt體系的磁界面各向異性因離子輻照而受到抑制[125];FePt(Pd)合金的磁界面各向異性因化學有序而增加[126];在類似的系統中,將抗蝕劑掩模與He或Ga聚焦離子束[127-128]結合使用,也觀察到了納米尺度上的磁性能變化。這些可能在超高密度存儲的垂直磁介質中得到潛在應用。

2.3 MTJ的質子輻照效應

質子是銀河宇宙射線和太陽宇宙射線的主要組成部分,是空間輻射最重要的輻射來源。銀河宇宙射線中質子能量為幾MeV到幾百GeV,太陽宇宙射線中質子能量為數百MeV。質子入射材料通過盧瑟福散射,將能量傳遞給材料,引起原子激發、電離或位移。質子在材料中的能量損失具有以下特點:①對于低等和中等能量的質子(100 MeV以下),其能量損失的主要方式是使作用物質中的原子和分子激發或電離,其他方式的能量損失可以忽略不計;②隨質子能量的升高,核反應在總能量損失中變得逐漸顯著,這時彈性核散射的能量損失很小,可以忽略;③由于粒子減速而造成的軔致輻射能量損失可忽略不計。因此,分析質子對MTJ的影響主要從原子的激發、電離、位移三個方面著手。

Oldham等[129]對Freescale的MR2A16A進行研究,器件經受能量為89 MeV和189 MeV、注量為2×1010～1×1011ions/cm2的質子輻照。結果表明,當器件處于靜態或讀/寫狀態時,輻照均未造成內部存儲信息錯誤,處于讀/寫狀態時也未造成讀/寫過程錯誤。這說明AlOx-MTJ和外圍CMOS邏輯均未受到顯著影響。Zhang等[130]對Everspin的16 Mbit Toggle-MRAM進行了質子輻照試驗,質子能量為3 MeV。結果表明,當質子注量低于1×1011ions/cm2時,3顆MRAM都能正常工作,電參數未觀察到明顯漂移;當質子注量達到2.5×1011ions/cm2時,觀察到讀取錯誤,電特性參數超出正常規格。退火一定時間后,MRAM性能有了很大的恢復。該作者認為芯片電特性參數超標的原因是質子作用于MOSFET柵極,誘導了顯著的捕獲電荷,最終導致了TID效應。

Hughes等[88]單獨對MgO-iMTJ進行了質子輻照研究,結果表明,在總注量為1×1011ions/cm2、5×1011ions/cm2、1×1012ions/cm2和能量為2 MeV、220 MeV的質子輻照下MTJ膜堆的磁性、Hc、有效磁化強度、自由層阻尼系數、RA和TMR值均未發生變化。Park等[110]也對MgO-iMTJ進行了質子輻照研究,結果表明,在經歷能量為50 keV、100 keV、200 keV、20 MeV和注量為1×1012ions/cm2、1×1013ions/cm2、1×1014ions/cm2的質子束照射后,其磁滯回線、FL和RL的磁矩、RL的Hc、TMR值均未發生統計學意義上的變化,表明質子束引起的位移損傷可忽略不計。

綜上,質子輻照對AlOx-MTJ和MgO-iMTJ單元影響并不明顯,MTJ參數均未發現統計學意義上的變化。

2.4 MTJ的中子輻照效應

中子是空間粒子輻射的一個重要因素。大氣中的反照中子、高能粒子與航天器物質作用產生的二次中子,是航天器內部中子的兩個主要來源。由于中子不帶電,必須靠近原子核10-15m時才會與原子核發生相互作用,因此中子在材料中的穿透能力很強。中子與原子核碰撞時將能量傳遞給原子核,產生帶電的次級粒子引起電離作用。中子與物質的相互作用分為散射和吸收兩大類。散射包括彈性散射和非彈性散射,吸收包括輻射俘獲、放出帶電粒子和核裂變等。在中等和高等能量下,中子的強子相互作用與質子的情況類似。然而,在低能量情況下非常不同。低能質子在布拉格峰(Bragg peak)處迅速失去能量,并且在接近原子核時會受到強的庫倫勢壘作用;而低能中子在熱能的情況下(動能Ekin≤20 MeV)依然可以發生復雜的強子相互作用。

Hirose等[131]認為,理論上中子可以通過以下三個過程與MTJ相互作用:①單步過程:中子可能直接撞擊MTJ并對其造成影響。②兩步過程:中子擊中MTJ周圍的材料,誘導核反應,產生二次離子,二次離子可能撞擊MTJ。③三步過程:中子擊中晶體管周圍的材料,產生二次離子,繼而產生許多電子和空穴;產生的噪聲載流子聚集在漏端,產生電流,從而影響MTJ?；谏鲜龅牡诙€過程,通過理論預測高能中子可能導致pMTJ的軟錯誤,但預期風險小于1×10-6FIT/pMTJ,而熱中子(能量遠小于1 MeV)幾乎沒有風險。Ren等[87]對MgO-iMTJ進行的中子效應研究結果表明,MTJ對超熱中子(中子總注量2.9×1015ions/cm2,注量率5×1010ions/(cm2·s-1),能量0.1 eV～10 MeV)不敏感,試驗前后TMR和Hc均未發生變化。而該注量可導致SiO2和高k半導體材料的不可逆位移損傷[132]。Narita等[133]研究了快中子輻照對MgO-pMTJ的影響,結果表明未施加偏置電壓的MTJ經過能量為1 MeV和注量為3.79×1012ions/cm2的中子輻照后,電阻-磁場曲線、RP和RAP、TMR值均未發生變化。Montoya等[90]研究了總注量為2.8×1015ions/cm2的中子輻照對MgO-pMTJ的影響,試驗結果表明輻照后MTJ的TMR值、臨界翻轉磁場和臨界翻轉電流均無統計學意義上的變化。

綜上,從試驗結果看,中子對MgO-iMTJ和MgO-pMTJ的參數并未產生統計學意義上的影響。

2.5 MTJ器件加固技術

研究表明,小尺寸MgO-pMTJ的抗γ輻照能力至少可達1 Mrad(Si)以上,已遠遠滿足航天工程應用要求(100 krad(Si))。質子和中子對MTJ器件參數并未產生明顯的改變。

AlOx-MTJ抗總劑量的能力可能與MTJ的結構、材料及參數有關。因此,良好TID抗性的獲得需要對MTJ的結構、材料及參數進行特殊設計。FL采用(Co/Ni)n多層薄膜可能會獲得比CoFe薄膜更好的抗TID能力。

多項實驗表明重離子輻照會對磁性薄膜產生一定的損傷,造成器件性能的退化。目前尚未有MTJ器件單粒子加固方法研究的相關報道,通過各類失效模型的分析和研究,本文提出以下可能的加固方法:①MTJ周圍沉積一層特殊介質作為保護層,阻止高能離子對MTJ的側壁甚至薄膜內部進行破壞;②MTJ頂層沉積特殊材料作為保護層,有效降低高能離子的穿透性;③優化磁性薄膜結構,在合適的位置引入阻擋層,既有效阻止高能離子的遷移,又不影響MTJ器件參數。MTJ器件的加固技術研究目前還處于初始階段,需要更多的研究機構去發掘和探索有效且實際的加固方法。

3 MRAM中CMOS邏輯的輻照效應和抗輻照技術

文獻[80]詳細統計并分析了Everspin(Freescale)、Aeroflex和Honeywell三家公司的不同型號MRAM產品的TID和SEE試驗結果。試驗結果表明影響產品抗TID和SEE能力的短板來源于未加固的CMOS邏輯,而非MTJ單元。經采用外延片、SOI工藝等加固手段后,MRAM產品抗輻照能力顯著提升[17,31,33-35,129,134-147]。

因此空間應用的MRAM除了MTJ單元需要對輻照具有較強的抗性以外,其外圍的CMOS邏輯同樣需要具備較強的抗輻照能力。針對CMOS邏輯的電離總劑量效應和單粒子閂鎖(single event latchup,SEL)加固方法已有很多研究成果,也同樣適用于MRAM的加固。本節針對MRAM電路的邏輯特點,分析CMOS邏輯的輻照效應和易發生單粒子翻轉的敏感節點和行為,并簡要概括近年來抗單粒子設計加固方法的研究情況。

3.1 CMOS邏輯的輻照效應

CMOS邏輯的輻照效應主要包括總劑量效應和單粒子效應。

總劑量效應的主要輻射來源有γ射線、電子、X射線等。對CMOS邏輯的主要影響為:隨著總劑量的累積,MOSFET閾值電壓漂移和漏電逐漸增大,CMOS邏輯性能降低,嚴重的直接喪失功能。引起的效應是半永久性或永久性的,適當退火(加電場或加熱)可部分恢復,完全恢復相當困難[78]。TID對CMOS器件的影響隨著工藝尺寸的縮小而降低,當工藝節點降到65 nm及以下時,其對CMOS的影響已經很小,幾乎可以忽略[148]。

單粒子效應主要來源為高能質子、重離子等。對CMOS邏輯的主要影響為:單粒子輻照MOS器件中的反向偏置P-N結時產生電子-空穴對,電子-空穴對的數量取決于線性能量轉移(linear energy transfer,LET)、粒子的能量和軌跡、硅襯底(結構、摻雜)和局域電場。例如,一個LET為1 MeV·cm2/mg的粒子可以沉積約10 fC/μm軌道長度的電荷[149-150]?？昭ɑ螂娮颖痪w管中的電場驅動產生電流脈沖,造成相應節點的電壓上升或下降,從而產生單粒子瞬態[151](single event transient,SET)。當這種SET發生在鎖存結構且輻照產生的電荷總量超過臨界值,將引起鎖存結構中數據發生變化,即產生單粒子翻轉(single event upset,SEU)。隨著工藝節點的降低,單粒子多位翻轉(single event multiple upset,SEMU)正成為新興納米CMOS技術中高能粒子碰撞的主要效應。SEMU是指粒子撞擊芯片并影響多個敏感節點,甚至在SEU加固的芯片中也會發生多位翻轉的現象[152-153]。

由α粒子引發的SET電流脈沖可以由以下雙指數模型[154-156]來模擬:

(2)

圖6 不同電荷量情況下瞬態電流脈沖形狀[157]Fig.6 Pulse shape of transient current under different charge quantities[157]

3.2 MRAM單粒子敏感模塊分析

圖7 并行接口MRAM邏輯設計架構Fig.7 Typical logic design architecture of parallel interface MRAM

圖8 串行接口MRAM典型邏輯設計架構Fig.8 Typical logic design architecture of serial interface MRAM

相比于并行接口MRAM,串行接口MRAM中存儲陣列的結構未發生變化,數據寫入和讀出存儲單元的方式也未發生變化。其主要區別是將地址輸入方式改為了時鐘計數方式,因此增加了地址計數器(易失);數據的輸入和輸出僅靠SI和SO兩個端口實現,因此需要數據寄存器(易失)實現數據串-并和并-串轉換功能;另外針對電路的狀態控制增加了指令寄存器(易失)和狀態寄存器(非易失)。

在并行接口和串行接口MRAM的邏輯架構中,可能發生單粒子翻轉的模塊或單元有:靈敏放大器(一般含交叉放大鎖存結構)、寄存器和MTJ單元。其余電路模塊均為組合邏輯,無鎖存結構,不會發生數據翻轉,但會產生SET。針對鎖存結構,需預防與時鐘沿同時刻的SET噪聲信號被寄存器收集而轉變為SEU,此時可考慮采用C單元[158]或延遲鎖存[150,159]的方法解決。另外,時鐘樹也是SET敏感結構,時鐘上的SET會引發寄存器數據更新,若輸入端口數據與原存儲數據不同,則引發錯誤,需對時鐘樹進行SET加固[160-162]。

3.3 讀寫電路單粒子敏感點分析及其加固措施

讀寫電路是MRAM核心模塊,也是單粒子加固的重點模塊。當讀寫模塊受到單粒子影響時,可能引發讀寫故障,甚至改變MTJ磁化狀態,造成非易失性數據錯誤。讀故障通常包括鎖存結構翻轉故障、判讀故障和干擾故障。如果單粒子轟擊讀出放大器中鎖存結構,可能引起翻轉故障;若引發讀取或參考支路中電壓波動,可能發生判讀故障;若通過MTJ的讀電流大于其臨界翻轉電流,就會產生讀干擾,導致MTJ翻轉[163-164]。對于設計良好的感應放大器電路,輻射引起的讀取干擾幾乎不會發生。另外,在寫入過程中,當MTJ翻轉受到干擾,導致翻轉延遲超過施加的持續時間時,可能會導致寫入失敗[165]。

3.3.1 讀電路

圖9(a)為未進行輻照加固設計的典型的靈敏放大器結構——預充電式靈敏放大器[166](precharge sensitive amplifier, PCSA)。當該結構處于讀取模式時,單粒子若轟擊MOS管P1～P4、N1和N2,均有可能引發敏感節點Q和QB電位上升或下降,一旦電位超過反相器的開關閾值,就會造成電平翻轉,從而發生單粒子翻轉效應。同時,該結構與其他基于鎖存結構的靈敏放大器一樣,存在自鎖的風險。當重離子在預充電信號Pre上升沿前瞬間轟擊敏感節點(例如N5或N6)時,有可能引起Q或QB的電位值無法預充到電源電壓Vdd,鎖存器可能被鎖定在未知狀態。另外,在預充或讀取過程中,若N6(或N5)漏極遭受單粒子轟擊,則會引發N6漏極到地SET電流,若此時B點電位較高且輻照引發的電子-空穴對數量足夠多,SET電流將超過MTJ的寫電流閾值,造成MTJ數據改寫。此外,在讀取過程中,N5或N6管遭受轟擊還可能引發A和B兩點電壓紊亂,導致放大器誤判,讀出錯誤結果。

在STT-MRAM設計中,為了防止讀干擾問題(非輻照環境也存在),限制MTJ兩端電壓,人們加入了一對鉗位NMOS(N3和N4),并設置了鉗位電壓Vclamp[167](見圖9(b)),問題得到了有效解決。在輻照環境下,這對鉗位NMOS仍然能有效發揮抗干擾作用,當N5或N6遭受輻照時,雖然會產生電子-空穴對,但由于A和B點電壓被鉗位,SET電流將低于MTJ的臨界翻轉電流,無法引發MTJ狀態翻轉。

(a) 無鉗位NMOS[166](a) Non-clamping NMOS[166]

(b) 增加鉗位NMOS[167](b) Add clamping NMOS[167]圖9 預充電式靈敏放大器Fig.9 Precharge sensitive amplifier

讀取電路的抗輻照加固主要圍繞上述問題展開。研究人員從機理、仿真、邏輯設計優化等方面進行了探索和研究。為了分析單粒子對STT-MRAM造成的影響, Yang等[165]提出了一種綜合的輻射誘導軟錯誤的分析框架,通過跨層建模和仿真準確捕捉單粒子輻照對MTJ、讀寫電路和存儲陣列的影響。Sakimura[163]和Wakimura[164]等針對STT-MRAM中SET電流引發MTJ翻轉的概率分別進行了仿真分析。前者仿真結果表明當一個LET為14 MeV·cm2/mg的中子輻照芯片時,SET電流引發臨界翻轉電流為30 μA的MTJ產生狀態翻轉的概率大于10-12;后者仿真結果如圖10所示,對于相同的臨界翻轉電流和LET,若粒子垂直輻照NMOS管漏極中心位置,則MTJ翻轉概率大約為10-20。雖然可以通過增加MTJ臨界翻轉電流的方式來降低其受SET電流的影響,但會增加寫入功耗和時間。Chabi等[168]針對這一問題提出了一種新型的抗輻照靈敏放大器設計,通過較小的面積和適度的性能犧牲顯著提升了MTJ單元的抗輻照翻轉能力。Wang等[169-171]針對SOT-MRAM讀取放大器中鎖存結構易受輻照而發生翻轉的問題,提出了一種抗SEU以及兩種同時抗SEU和雙節點翻轉(double-node LET upset,DNU)的靈敏放大器結構(其中一種結構如圖11所示)。三種結構均采用了DICE雙互鎖原理[172]作為理論基礎,利用特殊的邏輯結構防止電壓波動擴散到其他敏感節點,利用反饋對被轟擊節點進行充放電,在數百皮秒內快速恢復初始狀態。

圖10 MTJ翻轉概率與Ic0及LET的關系[164]Fig.10 MTJ switching probability as a function of Ic0 and LET[164]

圖11 SOT-MRAM的讀/寫電路Fig.11 Read/write circuit for SOT-MRAM

圖12 MRAM典型寫邏輯[173-177]Fig.12 Typical write logic for MRAM[173-177]

3.3.2 寫電路

圖12為MRAM典型寫邏輯原理圖,STT與SOT-MRAM可采用相同的寫驅動邏輯。WEN為寫使能信號(低電平有效),Data為寫入數據,BL為位線,SL為源線,WL1、WWL和RWL為選擇管控制信號。寫“0”時,P1、N3(或N4)、N2管打開,N1和P2關閉;寫“1”時,P2、N3(或N4)、N1打開,P1和N2關閉。靜態或者讀取時WEN為高電平,P1和N1均關閉,輸出為高阻態;同時P2關閉,N2開啟,輸出低電平。讀取狀態時N3(或N5)打開,N4關閉,N2為讀取電流提供對地通路。該電路中無鎖存結構,因此僅需考慮SET的影響:

1)SET可能直接改寫MTJ數據。若器件處于讀取狀態,N3(或N5)和N2開啟,此時若P1管漏極被單粒子轟擊則形成從P1襯底到漏極的導電通路,或P1柵極遭受SET脈沖直接導致P1管開啟,兩者均會引發SET電流按照寫“0”的方向流動。若原數據為“1”,當SET電流大小及持續時間超過MTJ的臨界翻轉電流和臨界翻轉時間(圖13為STT-MTJ翻轉電流與寫入脈沖的關系),則MTJ將發生翻轉,SET轉化為SEU。另外,若器件處于寫入狀態,Data信號中若含SET脈沖,則造成寫電流反向,MTJ可能被寫入相反數據,若恰處于寫脈沖末期,則直接造成寫入錯誤。

(a) 歸一化翻轉電流密度與寫入脈沖寬度的關系[178](a) Dependence of normalized switching current density on write pulse width[178]

(b) 臨界翻轉電流與寫入脈沖寬度及角度的關系[179](b) Relation between the critical switching current and the write pulse width and angle[179]圖13 STT-MTJ翻轉電流與寫入脈沖的關系Fig.13 Relationship between STT-MTJ switching current and write pulse

2)SET可能影響寫操作,造成寫入時間增加甚至寫入失敗。MTJ的磁化翻轉是一個累積場效應的結果,STT/SOT電流產生的扭矩在驅動磁化到另一個穩態的過程中起著重要的作用。這個過程的中斷或干擾將延遲MTJ翻轉時間(圖14展示了粒子轟擊對STT-MTJ翻轉的影響)。若器件處于寫入狀態,例如寫“0”,則單粒子轟擊N1或P2漏極,均可造成寫電流在短時間內降低甚至直接降為0;P1、N1、P2、N2、N3、N4柵極也可能遭受SET電壓脈沖,造成寫電流短暫時間內降低或停止;另外,WEN信號若含SET,也會導致寫操作短暫停止,這些情況均會延長寫入時間,若恰逢寫周期的末尾,則可能導致寫入失敗。此外若Data信號中含SET脈沖,則寫電流反向,MTJ可能被寫入相反數據,若恰處于寫周期末期,則直接造成寫入錯誤;若處于其他時間段,則會增加寫入時間(但不會影響寫入結果)。如果粒子轟擊發生在MTJ翻轉的末端或之后,則原始的MTJ翻轉時間不會受到影響。對于這類現象可通過增加MTJ的臨界翻轉電流或寫入脈沖寬度來解決,但會增加寫入功耗和降低寫入速度。

(a)輻射強度對STT-MTJ翻轉瞬態電流的影響(a) Effect of radiation intensity on STT-MTJ switching transient current

(b) 輻射強度對STT-MTJ磁化角度的影響(b) Effect of radiation intensity on STT-MTJ magnetization angle

(c) 不同寫電流下粒子轟擊到達時間對STT-MTJ翻轉時間的影響(c) STT-MTJ switching time delayed under different write current and radiation arrival time圖14 粒子轟擊對STT-MTJ翻轉的影響[165]Fig.14 Effect of particle bombardment on STT-MTJ switching[165]

Wang等[169-171]認為STT-MTJ受SET的影響較小,因為多數情況下SET脈沖的寬度遠遠小于寫脈沖的寬度,不足以引起STT-MTJ的翻轉。然而,對于SOT-MTJ,其翻轉速度很快,最快可達亞納秒級[179-181],更容易受到SET的影響。因此該團隊針對SOT-MRAM,提出了兩種抗單粒子加固的寫電路結構,有效提升了抗單粒子性能。

3.4 非易失鎖存器加固技術

MTJ技術的出現和發展使得非易失性鎖存器有了更新的實現方式。人們不斷開發出利用MTJ實現非易失鎖存的邏輯結構[182-183],同時也在努力賦予這些鎖存結構良好的抗單粒子輻照能力。

2012年, Lakys等[157]基于典型的PCSA提出一種新型抗輻照鎖存器結構,如圖15所示。該結構主要由兩個PCSA及將兩者緊密結合起來的組合邏輯組成。當重離子轟擊敏感節點使其中一個PCSA發生SEU時,兩個PCSA輸出結果不同,組合邏輯檢測到差異并使讀取電路重新進行預充及讀取操作,從而將結果糾正。該結構也能避免自鎖的情況,即使重離子在“CLK”上升沿到來之前的瞬間轟擊敏感節點,造成其中一個PCSA預充失敗并輸出結果錯誤,組合邏輯也會使電路進入重置狀態,重新預充并讀出正確結果。該結構由于具有兩對相同的互補輸出(Q0/QB0和Q1/QB1),其行為與傳統的DICE型鎖存器相同。例如,它可以與一個DICE類型的從鎖存器相關聯,以實現抗輻照主從觸發器,并具有額外的非易失性特征。但這種結構缺點也很明顯:它只能應對單個粒子對單節點帶來的影響,無法應對多節點翻轉(multiple node upset,MNU);同時,該結構使得MTJ結的數量從兩個增加到四個,用到了較多的MOS管,不僅需要翻倍的寫入與讀出功耗,還需要更大的面積。2014年,Zhang等[184]基于C單元和PCSA提出一種抗輻照鎖存結構,如圖16所示。此結構也具備與Lakys′s鎖存結構類似的優缺點,可有效抵抗SEU,但功耗高、面積大,也無法應對MNU。每個數據節點,即每個C單元的輸出,是由其他兩個具有相同邏輯值的節點決定的。例如,節點N1的邏輯值依賴于節點N2和節點N4的邏輯值,若N2與N4同時發生SEU,節點N1的值將無法糾正,產生錯誤結果。

圖15 Lakys′s鎖存結構[157]Fig.15 Lakys′s latch structure[157]

圖16 Zhang′s鎖存結構[184]Fig.16 Zhang′s latch structure[184]

Kang等[185]提出了一種可以應對雙節點翻轉(double node upset,DNU)的鎖存結構,如圖17所示。相較于圖15、圖16這兩種結構,該結構所需MTJ數量更少,所用CMOS更少,在成本、功耗、集成度方面有著更好的表現。

圖17 Kang′s鎖存結構[185]Fig.17 Kang′s latch structure[185]

4 總結與展望

商用MRAM未進行輻照加固設計,因此難以直接勝任航天任務。MRAM應用于航天器,在抗輻照方面需要具備兩個條件:一是MTJ單元本身具備一定的天然抗輻照能力;二是外圍CMOS邏輯需采取針對性的抗輻照加固措施,達到一定的抗輻照指標。

以目前研究來看,對MTJ特性影響較大的粒子主要是重離子和γ光子,質子和中子未見統計學意義上的影響。重離子和γ光子影響MTJ的主要方式或效應主要有:①輻照粒子與MTJ材料(尤其是磁性材料)中電子發生相互作用,影響電子的自旋,進而影響各膜層的磁性;②重離子與MTJ材料原子核發生彈性相互作用,帶來位移損傷,破壞原膜層結構和界面完整性,使MTJ電學性能和磁性能發生變化(這方面γ光子造成影響的概率較低,可忽略不計);③粒子輻照MTJ后帶來熱效應,使MTJ內部產生熱應力,從而改變MTJ膜層和界面的物理性狀,帶來永久損傷,也可能引起兩個狀態之間的勢壘降低,帶來軟錯誤。這些效應的物理作用機理目前尚未清晰。如何通過優化MTJ的結構、材料和參數來進一步提升MTJ的抗輻照性能仍是一個需要研究的課題。

CMOS邏輯加固方面:對于總劑量效應和單粒子閂鎖,可采用一些通用的加固方法,這方面已有大量的研究成果可借鑒;對于單粒子翻轉和單粒子瞬態加固,應重點對數據寫入、讀出結構以及數據/狀態寄存器進行加固,這方面雖然有許多文獻報道,但多基于仿真,實際抗單粒子效果仍需結合所用工藝進行試驗證實。

抗輻照MRAM在航空航天領域甚至核能領域將具有廣闊的應用前景。隨著Everspin、TSMC、三星、Global Foundries等國際半導體領軍企業在MRAM上的研發投入不斷增加,MRAM工藝技術將不斷提高,集成度和可靠性將進一步提升,成本也會逐步降低。同時隨著人們對MTJ輻照效應和機理以及對CMOS邏輯輻照加固技術的進一步探索,MRAM的抗輻照能力也將越來越強?？馆椪誐RAM將朝著更強的抗輻照能力、更高的集成度(STT或其他技術)、更快的速度(SOT或其他技術)、更高的可靠性(SOT或其他技術)、更強的抗外界磁場干擾能力(EB-MRAM或其他技術)方向發展。從抗輻照MRAM的應用場景角度看,隨著技術的不斷進步,MRAM將首先取代讀寫速度較慢、容量較小的EEPROM(容量1 Mbit以內);然后取代讀寫速度較慢且對輻照較為敏感的NOR FLASH(容量4 Mbit～1 Gbit);進而取代數據易失且功耗較大的外部緩存DRAM(容量4 Gbit及以上);若擦寫次數達到1016,寫延遲達到1 ns以內,單元面積小于SRAM,則將有望作為一級緩存取代SRAM。