MRAM 空間粒子輻射效應關鍵技術研究

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

空間輻射環境中存在多種能量極高的粒子[1-2]，這些高能粒子可以很容易地穿透航天器外部的屏蔽材料，入射到內部的電子元器件中，從而產生輻射效應。輻射效應已成為導致電子元器件出現功能錯誤最重要的原因之一，嚴重降低了微電子器件的可靠性[3-4]。在惡劣的空間環境中，當輻射粒子入射到半導體材料中后，會使硅原子產生電離，在粒子的入射路徑附近產生電子-空穴對。如果這些電子-空穴對在反偏PN結中被電場分離，就會在晶體管的漏極產生瞬時電流脈沖，進而在存儲單元或邏輯觸發器中引入錯誤的狀態信息，產生單粒子效應；在半導體器件中，不同材料的交界處由于晶格失配、原子缺失等會引入陷阱能級，粒子輻射產生的電子-空穴對還會被這些陷阱所捕獲，進而導致器件閾值電壓漂移、亞閾值導通等總劑量效應。

磁阻隨機存儲器（MRAM）是一種通過磁場或自旋極化電流實現數據寫入的新型非易失存儲器，與傳統存儲器（SRAM、FLASH 等）相比，MRAM 在讀寫速度、存儲密度、使用壽命和功耗等方面有著獨特的優勢[5-6]。此外，磁隧道結（MTJ）被證明對空間粒子輻射具有天然的免疫能力[7-8]。與FLASH 數據存儲的機制不同，MRAM 是通過磁阻狀態的切換來實現數據功能。因此，MRAM 擺脫了數據存儲對電荷的依賴，抗輻射能力更強。此外，MRAM 在數據存儲的過程中沒有擦除操作，讀寫操作工作電壓也一致，因此不需要電荷泵電路，從而降低了輻射敏感面積和功耗。影響MRAM 功能的輻射敏感區域主要是數據讀操作所用到的敏感放大器電路和寫操作中的雙向電流控制電路。本文對MRAM 輻射效應的研究背景、物理機制、研究方法等內容進行了論述，重點分析了MRAM 芯片輻射實驗評價結果及電學表征方法。

2 MRAM 存儲單元結構及其工藝制備

2.1 MRAM 存儲單元結構

根據存儲單元數據寫入方式的不同，MRAM 可分為兩類：磁場誘導開關和自旋極化電流誘導開關。圖1為兩種不同數據寫入方式的存儲單元結構示意圖。圖1（a）為第一代場致開關式MRAM[9]，它是由通過位線（BL）和寫字線（WWL）的電流所感生的交叉磁場實現數據寫入。其中，SL、WL 分別為源線和字線，IBL 為流經位線的寫入電流，IWWL為流經寫字線的電流。MTJ 的熱穩定性隨尺寸的減小而降低。因此，在MTJ 尺寸進一步微縮化的同時，為了保持器件的熱穩定性，就必須增加器件自由層的矯頑力。矯頑力的增加會使得驅動器件開關的磁場增加，進而提高了開關電流密度。因此，磁場寫入式MRAM 的開關電流與MTJ 尺寸成反比，無法滿足集成電路高密度、低功耗的發展需求。圖1（b）為一種基于自旋轉移矩磁化開關的STT-MRAM 單元[10]。在這種新型的MRAM 中，寫入操作可以通過流過MTJ 的自旋極化電流（IBL）來實現，不需要額外的寫字線，從而減少了單元的面積開銷、降低了功耗。此外，由于寫入電流與MTJ 的面積成正比，STT-MTJ 尺寸微縮能力較強，逐漸成為MRAM 的主流。

圖1 MRAM 單元結構示意圖

2.2 MTJ 工藝制備

MTJ 作為MRAM 的核心存儲結構，通常是由十幾層甚至幾十層薄膜材料堆疊而成，其電學特性很大程度上取決于工藝制備的水平。早期MTJ 中的金屬氧化物勢壘層是由非晶態的氧化鋁(AlOx)組成的，在室溫下I-MTJ 的隧穿磁電阻（TMR）超過10%。理論上來講，TMR 僅取決于兩個鐵磁層的相對自旋極化率，無法突破Julliere 公式所預測的理論上限[11]，很難獲得70%以上的TMR。2001 年，BUTLER 等[12]從理論上預測了全晶體的(001)Fe/MgO/Fe MTJ 可以獲得1000%以上的TMR。如此大的TMR 主要歸因于Δ1能帶中高度自旋極化的電子在bcc-Fe/MgO/Fe(001)方向上的隧穿率遠大于其他能帶(Δ2和Δ5)。DJAVAPRAWIRA 通過磁控濺射技術制備了Co60Fe20B20/MgO/Co60Fe20B20的I-MTJ，其室溫下的TMR 值達到了230%，單元結構如圖 2 所示。此外，HAYAKAWA 等制備了Co40Fe40B20/MgO/Co40Fe40B20的I-MTJ，其室溫下的TMR 值達到了260%。

目前，MTJ 的工藝制備仍然是制約STT-MRAM容量提高的難題之一。特別是存儲單元之間的工藝偏差極大地降低了其均一性，從而阻礙了整個存儲器的性能提升。為了從根本上解決這一難題，Applied Materials 公司為下一代大容量STT-MRAM 的制備推出了新的解決方案。Applied Materials 通過Endura 平臺將多種材料工程技術與機載計量學結合起來，創造出新的薄膜和器件結構。

圖2 MTJ 結構示意圖和TEM 圖像

Applied Materials 新的Endura Clover MRAM PVD 平臺由所有集成在原始、高真空條件下的9 個獨特的芯片處理室組成，如圖3 所示。Applied Materials表明，這是業界首款300 mm 制造高容量MRAM 的系統，能夠獨立沉積多達5 種不同材料。Clover MRAM PVD 平臺包括機載計量儀，用于測量并監測具有亞埃靈敏度的MRAM 層的厚度，以確保原子級的均勻性。同時，Applied Materials 還宣布了一種稱為Endura 脈沖PVD 平臺的RRAM 和PCRAM 的制備系統。

圖3 Endura Clover MRAM PVD 平臺

3 MRAM 輻射效應研究現狀

目前對于MRAM 輻射效應的研究主要包括輻射試驗和模擬仿真兩部分。輻射試驗主要是針對目前商用的MRAM 芯片進行輻射性能評估，并借助于TEM、XRR、AFM、MFM 等電學表征方法對MRAM 核心存儲結構MTJ 的輻射損傷進行研究。Nguyen 等采用原位輻照的方法研究了MRAM 的SEL 和TID 誘導的器件失效情況。實驗結果表明當輻射劑量大于60 krad(Si)時，信息位將產生錯誤的翻轉。中國科學院張浩浩等研究了16 Mbit 商用MRAM 的質子輻射效應，當質子輻射劑量累積到2.5×1011/cm2時，觀察到數據位的讀錯誤和電學失效。

在MTJ 輻射損傷機理的研究方面，主要還是集中在傳統的具有Al2O3勢壘層的MTJ 上[13-18]。相關的研究重點關注輻照前后MTJ 的磁化翻轉和磁化傳輸特性，很少有人對MTJ 輻射后的微觀結構的變化，特別是輻照過程中的界面態進行深入研究。TMR 是衡量MTJ 性能的一個關鍵指標，在輻射環境下MTJ 的TMR 值隨著輻射類型、能量、劑量的變化有著很大的差異。BANERJEE 等研究了輻射效應對Co/Al2O3/Ni80Fe20TMR 的影響，如圖4 所示。隨著離子輻射劑量的增加，TMR 逐漸減小，當離子的能量大于200 MeV 時，TMR 值幾乎為零，此時MTJ 數據存儲功能失效。

圖4 不同輻射劑量下Co/Al2O3/Ni80Fe20中的TMR

綜上，對MTJ 輻射效應的研究主要針對其宏觀的功能性開展，包括輻射效應對數據的存儲狀態、數據位翻轉過程以及TMR 值的影響等。與Al2O3隧穿層相比，MgO 勢壘層對于輻射效應的敏感度要低很多。但是對于器件中的不同薄膜結構層的輻射損傷機理的研究還是比較少的，比如CoFeB 材料的自由層、釘扎層以及其他過渡材料層。因此，為了進一步完善理論體系，該部分的研究也是必不可少的。

從存儲單元結構類型角度分析，目前對于MRAM輻射效應的研究主要集中在磁場寫入式MRAM，對于第二代STT-MRAM 的研究相對較少。考慮到STT-MRAM 逐漸成為MRAM 的主流，因此需要重新評估它們的抗輻射性能。尤其是在STT-MTJ 中，MgO勢壘層的厚度比場致開關的MTJ 低很多，其勢壘層厚度通常為1～2 nm，很容易在粒子輻射下產生位移損傷。此外，具有強垂直磁各向異性的新型磁性材料開始取代傳統的CoFeB，這些新材料對超晶格結構的一致性以及界面態要求更高。所以，新型STT-MTJ 技術的出現使其結構更容易受到空間粒子電離和位移損傷的影響。

傳統MTJ 的開關過程是通過單元內部導線所產生的環形磁場來驅動的，對于磁化層及勢壘層的晶格一致性要求不是很高，因此在數據寫入過程中外界輻射環境對其影響較小。新型STT-MTJ 的數據寫入是通過自旋轉移力矩效應來實現的，數據寫入的速度取決于自旋轉移力矩的效率。而自旋轉移力矩效率對于MTJ 的界面態極為敏感，因此更容易受到輻射環境的影響。

隨著第二代STT-MRAM 的出現，對MRAM 輻射效應的研究逐漸轉移到具有MgO 勢壘層的STT-MTJ上[19-21]，其中自由層和固定層通常是非晶態的CoFeB。HUGHES 等首次研究了Grandis 公司的MTJ 在輻射環境下的自旋轉矩開關和狀態保持。用能量為220MeV、劑量為1×1012/cm2的質子輻照MTJ 器件，結果表明STT-MTJ 在輻射前后的磁化開關過程無明顯變化，如圖5 所示。同時，也沒有觀察到離子輻射對狀態保持的影響。KOBAYASHI 等[17]研究了重離子輻照(15 MeV Si 離子)對基于CoFeB-MgO 的STT-MTJ 電阻變化的影響。結果表明離子輻射會使得MTJ 電阻產生一個微弱的退化（阻值變化范圍在1%左右），但輻照前后數據的存儲狀態和時間無明顯變化。

圖5 不同能量的質子輻射前后STT-MTJ 磁化翻轉過程

上述研究主要集中在輻射效應對MTJ 的數據存儲及開關過程等器件功能上的影響，很少有對MgO勢壘層輻射電離損傷（STT-MTJ 中的MgO 通常為1 nm 厚）的研究。HUGHES 等對具有1.2 nm 厚的MgO 勢壘的MTJ 進行Co60γ 射線輻射實驗，射線劑量高達10 Mrad(Si)，沒有觀察到TMR、電阻面積(RA)值以及自旋轉矩開關行為的明顯變化。

4 MRAM 輻射效應研究方法

4.1 電鏡表征

MTJ 作為MRAM 數據存儲的核心結構，諸多學者對其輻照環境中電阻的變化進行了研究。研究發現，在高劑量的重離子暴露環境中，大部分器件均會產生位移損傷。特別是MTJ 中的界面態對于重離子輻射引起的器件結構微觀變化極為敏感。一般來說，MTJ的磁性和磁傳輸性能隨著輻射劑量的增加而降低。MTJ 的橫截面TEM 圖像和X 射線反射是研究其內部相鄰層之間晶格混合結構的有效方法。與重離子相反，高能質子和Co60γ 射線照射對MTJ 的磁性能及其STT 開關行為的影響很小，這使得MTJ 成為這些輻射環境中輻射加固的極具競爭力的器件。

基本的MRAM 元件MTJ 一般由兩個鐵磁層和中間的薄絕緣層組成。存儲的信息位取決于這兩種磁化的相對方向，平行或反平行使得MTJ 表現出兩種穩定的電阻狀態，分別代表不同的數據[9]。圖6 為TEM拍攝的MR4A08B MRAM 的剖面圖，存儲單元為1M1T 結構。訪問晶體管的柵氧厚度為2.8 nm，寬長比W/L=0.8 μm/0.8 μm。淺槽隔離(STI)用于相鄰晶體管之間的電氣隔離，深度約為380 nm。MRAM 的工作電壓為3.3 V，具有8 位字寬和SRAM 兼容的35 ns 訪問時間，以及幾乎無限的重復讀寫次數。

輻射效應引起的器件損傷或功能失效往往是通過對材料界面態的影響導致的。通過透射電鏡可以直接觀測到界面態晶格結構的變化，如圖7 所示[17]。但是由于樣品面積有限，很難量化混合/粗糙界面態的變化。除了TEM，原子力顯微鏡也可以用來表征薄膜界面粗糙度的變化。表面粗糙度可以用來推斷MTJ 結構中多層膜的混合結構，但仍然不能量化界面處的混合狀態。

圖6 1M1T 存儲單元的TEM 橫截面

圖7 輻射后Pd/Fe/MgO/Fe 隧道結TEM 圖像

X 射線反射率(XRR)利用不同界面反射的X 射線光束的干擾，形成了一種反射模式，提供了薄膜厚度的重要信息[22]。對于臨界角以下的入射角，入射X 射線光束被樣品表面完全反射。臨界角與材料的折射率有關，這取決于材料的電子密度。一般情況下，大多數材料的臨界角小于1°。當入射角逐漸增大超過臨界角時，入射X 射線束穿透到材料中，在樣品不同界面處反射產生干涉條紋，也稱為Kiessig 條紋。條紋的幅度取決于電子密度差，界面處電子密度的差異越大，振幅越高。此外，由于漫散射的存在，反射強度隨著表面和界面粗糙度的增加而大幅衰減[23]。薄膜厚度t 可以從條紋的周期性來估算：

其中λ 是X 射線波長，Δ2θ 是連續干擾峰之間的2θ角分離。圖8 展示了Co/AlOx/Co 結構在Ar+輻射前后的XRR 變化。可以通過模擬提取關于密度和厚度以及表面/界面粗糙度的信息。反過來，單個層的混合結構可以通過厚度、密度和每層粗糙度的變化來量化[18,22]。

通過TEM、AFM、XRR 等表征方法，可以很好地觀測到離子輻射對MTJ 界面態產生的影響，從而更好地解釋輻射誘導數據翻轉、寫失效及TMR 退化等現象。結合退火后器件功能的恢復情況可以進一步明確失效的物理機制。

圖8 Co/AlOx/Co 多層膜結構XRR

4.2 TCAD 仿真

除了輻射試驗外，模擬仿真也是研究MRAM 輻射效應很重要的一部分。模擬仿真可以更加直觀系統地展示輻射效應的深層物理機制，有助于系統地分析各項輻射損傷或失效產生的原因。模擬仿真領域主要包括MTJ 的行為及模型創建和電路系統的仿真。建模領域以北京航空航天大學趙巍勝教授為代表，創建了MTJ 的Verilog-A 模型，并基于此開展了大量的電路功能仿真以及抗輻射加固技術的研究工作。HEINZ 等使用快速Airy 函數方法實現了MTJ 磁化動力學和自旋相關的隧穿行為，MTJ TCAD 混合模型如圖9 所示。

圖9 MTJ TCAD 混合模型

通過集成到通用的TCAD 框架中，可以模擬單個STT 單元和小型混合電路，基于MTJ 的NV-SRAM 單元如圖10 所示。同時與先進的深亞微米器件的TCAD模型相結合將成為可能。通過該模型，可以更加真實地模擬MRAM 存儲單元輻射效應，進而可以更加深入地揭示出器件的輻射損傷機制。但是，目前基于Airy 的MTJ 模型還不是很完善，磁化分布狀態等諸多關鍵項還無法很好地集成進去，因此進一步完善MTJ TCAD 模型是急需解決的一個關鍵技術難題。

5 MRAM 外圍電路抗輻射加固設計

常規輻射環境條件中，MRAM 中MTJ 的失效概率是比較低的，主要還是其外圍讀寫電路的錯誤所致。由于MRAM 的數據讀寫是通過外圍CMOS 電路來實現的，因此輻射所誘導的外圍電路失效才是MRAM 出現故障的主要原因，為此需要對MRAM 的外圍讀寫電路特別是敏感放大器進行抗輻射加固設計。

圖10 基于MTJ 的NV-SRAM 單元

為了實現基于MRAM 的大規模集成電路仿真，首先要創建MTJ 的集總模型。基于現有的基本物理模型，STT-MTJ 的集總模型可以用Spice 或者Verilog-A進行創建，并在相應的仿真平臺進行模擬。圖11(a)為趙巍勝等創建的STT-MTJ 模型的符號圖，圖11(b)為直流仿真的結果。首先對靜態行為模型的功能進行驗證，MTJ 的直徑設置為40 nm。在此模擬中，從P 態到AP 態的臨界電流開關磁化強度約為72 μA，而反向開關臨界電流約為28 μA。這些結果表明靜態行為物理模型與實測數據之間有很好的一致性，并證實了CoFeB/MgO PMA MTJ 的實驗測量結果所顯示的兩種狀態之間強烈的開關不對稱性[24]。這是由于P 和AP狀態下自旋極化效率因子g 的不同所致。同時也可以描述這兩個MTJ 狀態不對稱的電壓相關性，這是由于TMR 的電壓相關性所引起的。

圖11 STT-MTJ 集總模型及直流仿真結果

圖12 為瞬態仿真結果。瞬態仿真可以驗證物理模型與實驗測量之間動態行為的一致性。從分析仿真結果不難看出，開關延遲與寫入電流成反比，這與前面的動態物理模型相一致。PMA MTJ 作為邏輯和存儲器芯片的基本單元，有著巨大的應用前景。對于邏輯計算，可以提供大電流以保證高速度，但對于內存應用，可以使用小電流來提供高密度。

圖12 STT-MTJ 瞬態仿真結果

由于TMR 效應，MTJ 呈現出不同狀態下的電阻差異特性。這種電阻特性使得MTJ 與CMOS 敏感放大器電路兼容，該電路檢測MTJ 的電阻狀態并將它們放大到邏輯電平。在幾種不同的敏感放大器中，預充敏感放大器（PCSA）不僅可以實現讀可靠性和功耗之間的平衡，而且還保證了高速性能。圖13 是STT-MRAM 中PCSA 的電路原理圖。

圖13 預充敏感放大器電路原理圖

PCSA 電路包括預充子電路（MP2、MP3）、放電子電路（MN2）和作為放大器的一對交叉互鎖的反向器（MN0、MN1 和MP0、MP1）。它的兩個分支通常連接到幾個具有互補態的MTJ。它的工作過程分為兩個階段：“預充電”和“評估”。在第一階段，“CLK”被設置為“0”，輸出（“QM”和“/QM”）通過MP2、MP3 被拉到“VDD”或邏輯“1”，而MN2 保持關閉。在第二階段，“CLK”變成“1”，MP2、MP3 被關閉，MN2 打開。由于兩個支路之間的電阻差異，放電電流是不同的。較低的電阻支路將被拉下，以更快地達到晶體管（MP0 或MP1）的閾值電壓。此時，另一個支路將被拉到“VDD”或邏輯“1”，而這個低阻支路將繼續下降到“GND”或邏輯“0”。

根據STT-MTJ 的開關機制，需要雙向電流以實現MTJ 的自由層中磁化方向的切換。為了實現高速邏輯設計，要求高電流以確保速度。與讀電路的低功率、低面積相反，用于PMA STT-MTJ 的寫入電路占整個電路的主要面積和功耗。因此，對寫入電路的研究是混合MTJ/CMOS 電路設計的重點。

與具有互補狀態的雙MTJ 讀電路相對應，寫電路是通過一組控制雙向電流寫入的組合邏輯電路所完成的，如圖14 所示。兩個NMOS（MN0、MN1）和兩個PMOS（MP0、MP1）晶體管構成主電路。每次只有對角線上的一對NMOS 和一個PMOS 處于打開狀態，而另一對則關閉，從而使得寫入電流從“VDDA”經由兩條不同的路徑進入到“GND”，進而實現MTJ 的狀態寫入。由于兩個MTJ 是首尾相接的連接方式，因此它們的存儲信息位始終相反。通過兩個或非門和三個反向器，輸入數據“Input”和使能信號“EN”分別控制電流的寫入方向和電路的使能。

圖14 STT-MRAM 數據寫入電路原理圖

由于MTJ 數據存儲具有非易失的特點，輻射效應只對進行讀寫操作狀態下的外圍電路產生影響。圖15為STT-MRAM 讀寫電路的輻射敏感點電路原理圖，其中A、B、C 和D 點分別為敏感放大器和雙向電源網絡電路的輻射敏感點。該區域在受到粒子輻射后容易產生瞬時電流脈沖，從而使得數據讀寫操作失效。

針對敏感放大器中的輻射敏感點通常采用雙交叉互鎖結構（DICE）進行加固設計，如圖16 所示[25]。DICE 結構可以保證數據在讀寫的過程中不會因粒子的輻射效應而產生單粒子翻轉，從而降低MRAM 在數據讀寫的過程中受到輻射影響而產生的軟錯誤。由于MRAM 的非易失性，在靜態工作狀態時可以將數據存儲到MTJ 中，并切斷電源，可以進一步降低輻射效應對外圍電路的影響。同時，由于電源的關斷也可以降低系統功耗。

圖15 STT-MRAM 讀寫電路輻射敏感點

圖16 抗輻射加固DICE 鎖存器電路原理圖

圖17 抗輻射加固NV-DICE 瞬態波形圖

圖17 為非易失DICE 輻射加固電路的瞬態波形圖。通過設置仿真文件，在數據存儲節點X1、X2、X3及X0 中注入SEU 脈沖波形，模擬電路的抗SEU 性能。由仿真波形圖不難看出，由于DICE 結構的數據恢復特性SEU 脈沖并沒導致數據產生翻轉。此外，在電路不工作的狀態下可以將數據存儲到MTJ 單元中，關斷電源，降低功耗。當需要對數據進行讀寫操作時又可以將數據由MTJ 重新讀回DICE 結構中，如圖17中Restore 部分波形所示。上述電路結構的設計及功能仿真均可通過Spectre 等電路仿真EDA 工具實現，通過仿真得到的波形圖可以很直觀地分析輻射效應對外圍電路的功能影響。

6 結論

目前對MRAM 輻射效應的研究主要集中在當前商用的主流MRAM 芯片上，通過輻射試驗及電鏡表征相結合的方式開展空間粒子輻射效應研究。通過對商用MRAM 芯片的輻射實驗評價可以得到其抗單粒子瞬態、單粒子翻轉及單粒子位移損傷等輻射效應的性能。結合電鏡表征，可以得到粒子輻射對MTJ 單元造成的物理損傷，從而揭示出輻射誘導的寫失效等物理機制。借助于EDA 仿真工具創建MTJ 電路模型及TCAD 模型，可以實現電路系統級的輻射效應模擬。同時，對于不同的輻射效應有針對性地提出電路系統級的設計加固方案，從而提高MRAM 的抗輻射性能。開展MRAM 輻射效應的研究，為設計具有自主知識產權的抗輻射MRAM 芯片奠定了理論基礎，使抗輻射MRAM 芯片的研制成為可能。