MRAM 的輻射效應(yīng)分析及加固方法簡述

施 輝，張海良*，宋思德，曹利超，王印權(quán)，劉國柱，顧 祥，吳建偉，洪根深，李明華，賀 琪

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無錫214072；2.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

0 引言

磁性隨機存取存儲器（magnetic random access memory,MRAM）的技術(shù)發(fā)展最早可以追溯到19世紀(jì)50年代提出的鐵氧體環(huán)芯磁隨機存儲器；1984年Honeywell 公司利用磁性薄膜的磁電阻各向異性設(shè)計出磁電阻隨機存儲器，代表真正現(xiàn)代電子學(xué)意義上的磁隨機存儲器的誕生；80～90年代，巨磁電阻效應(yīng)（giant magnetoresistance,GMR）、室溫高隧穿磁電阻效應(yīng)（tunneling magnetoresistance,TMR）、自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)（spin transfer torque,STT）的相繼發(fā)現(xiàn)為MRAM帶來了新的應(yīng)用前景，研究人員提出了GMR-MRAM設(shè)計方案并相繼研發(fā)出Toggle-MRAM和STT-MRAM等芯片產(chǎn)品；當(dāng)前，基于自旋軌道力矩寫入技術(shù)的磁隨機存儲器（spin orbit torque based MRAM,SOT-MRAM）以及電壓控制磁隨機存儲器（MeRAM）也正處于研究階段。MRAM兼具靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）的高讀寫速度和動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）的高集成度，并且具有非易失性、可無限擦寫和低功耗等優(yōu)勢，被認(rèn)為是構(gòu)建下一代非易失性緩存和主存的理想器件。此外，存儲單元磁性隧道結(jié)（magnetic tunnel junction,MTJ）還具有較好的抗電離輻射和耐高低溫性能，因此MRAM 有望成為未來空間飛行任務(wù)普遍采用的理想存儲器。

大量研究表明，空間輻射效應(yīng)對MRAM的外圍CMOS電路和MRAM存儲單元都會產(chǎn)生影響。對外圍CMOS電路而言，其存在電離總劑量（TID）損傷、單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）等風(fēng)險。在MRAM 存儲單元方面，典型的MRAM存儲單元結(jié)構(gòu)為1T-1MTJ（1個MTJ 和1個NMOS晶體管漏端相連，也即1M1T）結(jié)構(gòu)，其中NMOS晶體管受輻射效應(yīng)影響會產(chǎn)生閾值漂移現(xiàn)象，而認(rèn)為MTJ 對輻射免疫的論斷也被證明并不符合實際。

本文主要總結(jié)國際上關(guān)于第一代Toggle-MRAM和少量的第二代STT-MRAM的輻照試驗研究結(jié)果，包括TID效應(yīng)致MRAM 讀錯誤機制、單粒子效應(yīng)（SEE）致MRAM 寫錯誤機制以及輻射效應(yīng)對MTJ 性能的影響。而全面準(zhǔn)確地理解MRAM的抗輻射機理有利于更好地利用新材料、新結(jié)構(gòu)來提高M(jìn)RAM的抗輻射性能。

1 MRAM 的輻射效應(yīng)研究

1.1 輻射效應(yīng)導(dǎo)致MRAM讀寫錯誤的物理機制

自2006年Freescale公司推出第一款型號為MR2A16A 的商用Toggle-MRAM芯片以來，MRAM技術(shù)不斷發(fā)展。為了確保MRAM能夠應(yīng)用于空間飛行任務(wù)，研究人員對這些不斷量產(chǎn)面世的MRAM進(jìn)行了大量總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)評估試驗。

在長期空間飛行任務(wù)中，MRAM的讀操作概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫操作；當(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時，MRAM進(jìn)入靜態(tài)模式。研究人員對靜態(tài)模式、讀模式和讀寫模式進(jìn)行了TID試驗評估，表1為Everspin（Freescale）、Aeroflex 和Honeywell 三家公司的不同型號MRAM器件的TID試驗結(jié)果（表中以不同顏色作區(qū)分，藍(lán)色區(qū)域為商用MRAM，粉色區(qū)域為抗輻射加固MRAM），“測試條件”列給出了輻照試驗過程中MRAM的操作模式、輻照試驗采用的輻照源以及劑量率，文獻(xiàn)中未給出測試條件的以符號“—”標(biāo)注；“抗TID能力”列的數(shù)值給出的是MRAM未出現(xiàn)讀寫錯誤的最高輻照劑量（≥）或出現(xiàn)讀寫錯誤的最低劑量（＜）。表1中除Honeywell公司的一款抗輻射STT-MRAM和Avalanche公司的一款商用STT-MRAM外，都是Toggle-MRAM。相同型號MRAM抗TID能力的差異可能和芯片工藝偏差、輻照劑量率以及輻照過程中MRAM 的讀寫模式的不同有關(guān)。從表1可以看出，靜態(tài)模式、讀模式以及讀寫模式下的TID試驗結(jié)果均表明，幾乎所有MRAM產(chǎn)品都可以承受40 krad(Si)以上的總劑量電離輻射，有些甚至可以達(dá)到100 krad(Si)以上的抗總劑量輻射水平?？紤]到空間真實劑量率更低，總劑量效應(yīng)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目更少，對MRAM性能影響較小，MRAM極有可能實現(xiàn)空間應(yīng)用。2009年，Honeywell 公司研發(fā)出第一款1 Mbit 的抗輻射加固MRAM（型號為HXNV0100），其采用SOICMOS電路（稱為SOI-MRAM），研究發(fā)現(xiàn)該MRAM經(jīng)1 Mrad(Si)的總劑量輻照（Coγ 射線和X 射線）后，讀寫參考電壓、讀寫參考電流、讀寫周期等讀寫性能沒有發(fā)生明顯的變化，這表明SOI-MRAM 經(jīng)1 Mrad(Si)的總劑量輻照后硅襯底和隧穿勢壘層中的電荷捕獲和閾值漂移不明顯。Aeroflex公司的抗輻射加固采用0.18μm TSMC CMOS工藝，其抗總劑量輻射能力在100 krad(Si)～1 Mrad(Si)之間，而Honeywell公司采用SOI CMOS電路加固的SOI-MRAM 的抗總劑量輻射能力均可以達(dá)到1 Mrad(Si)以上。Katti 等的研究表明，受制于硅器件的閾值漂移效應(yīng)和MTJ 的AlO絕緣勢壘層性能，MRAM的抗TID能力和抗重離子效應(yīng)能力無法進(jìn)一步提高。

表1 MRAM抗總劑量效應(yīng)能力評估Table 1 Data of total ionizing dose resistance of MRAM Chips

大量研究表明，當(dāng)總劑量超過MRAM所能承受的閾值時，發(fā)生讀錯誤的比特單元數(shù)目將急劇增加。目前關(guān)于TID致MRAM 讀錯誤機制還沒有統(tǒng)一定論，Zhang 等提出存儲單元晶體管電阻漂移模型（如圖1所示）。

圖1 存儲單元晶體管電阻漂移模型Fig.1 Resistance drift model of transistor in memory cell

由圖1可知，存儲單元晶體管由1個NMOS晶體管和2個寄生晶體管組成，寄生晶體管的存在是由總劑量電離效應(yīng)產(chǎn)生的電子-空穴對在淺槽隔離區(qū)域（shallow trench isolation,STI）被陷阱捕獲從而形成陷阱電荷和界面態(tài)導(dǎo)致的，此時STI區(qū)域相當(dāng)于柵氧。進(jìn)行讀操作時，MRAM存儲單元依據(jù)式(1)進(jìn)行狀態(tài)讀?。?/p>

式中：I為讀電流；R為存儲單元晶體管的溝道電阻；R為比特信息為“0”的MTJ 的電阻；R為比特信息為“1”的MTJ 的電阻；R=(R+R)/2，為參考電阻。

隨著TID劑量增加，更多正電荷被STI 氧化物捕獲，導(dǎo)致NMOS有效溝寬增大、寄生晶體管閾值負(fù)漂移增大，進(jìn)而導(dǎo)致存儲單元晶體管的溝道電阻R降低。如圖2所示，由于TID效應(yīng)，R降低程度大于參考單元MOS管的溝道電阻降低程度，導(dǎo)致部分I(R+R)值小于I(R+R)值，從而導(dǎo)致一部分狀態(tài)“1”被讀成“0”的讀錯誤；反之，R降低程度小于參考單元MOS管的溝道電阻降低程度，則會導(dǎo)致一部分狀態(tài)“0”被讀成“1”的讀錯誤。

圖2 總劑量效應(yīng)導(dǎo)致Toggle-MRAM 讀錯誤機制示意[18]Fig.2 Physical mechanism of TID-induced Read errors in Toggle-MRAM[18]

表2為三家公司不同型號MRAM器件的SEE試驗結(jié)果（表中同樣以不同顏色區(qū)分商用MRAM和抗輻射加固MRAM，且除表1所述的2款STTMRAM外，都是Toggle-MRAM）。表中的SEE 閾值為MRAM未出現(xiàn)讀寫錯誤的最高輻照劑量（≥）或出現(xiàn)讀寫錯誤的最低劑量（＜）。由表2可見，MR2A16A MRAM對SEL 敏感，而MRAM存儲單元采用NMOS管與MTJ 集成工藝，物理上不存在PNPN寄生結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生單粒子鎖定效應(yīng)，因此前端體硅CMOS外圍電路是MRAM的SEL輻射敏感區(qū)域。關(guān)于敏感節(jié)點，Elghefari等認(rèn)為這種敏感性主要是由CMOS中有源區(qū)引起的，有研究人員認(rèn)為晶體管的漏端是最敏感的節(jié)點。經(jīng)設(shè)計加固和在CMOS制程中采用外延層后，MR0A08B的單粒子鎖定閾值可達(dá)84 MeV·cm/mg以上。Honeywell 和Aeroflex 公司的SOI MRAM對SEL免疫，單粒子翻轉(zhuǎn)率≤10(d·bit)，這主要是因為SOICMOS電路避免或緩解了體硅CMOS器件中的輻射效應(yīng)。

表2 MRAM抗單粒子效應(yīng)能力評估Table 2 Data of singleevent effect resistance of MRAM Chips

在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電荷存儲器，如靜態(tài)隨機存儲器SRAM和動態(tài)隨機存儲器DRAM中，單粒子效應(yīng)在MOS晶體管的阱區(qū)和源漏端引發(fā)電子-空穴對，產(chǎn)生的寄生電流會使存儲單元比特狀態(tài)改變，從而導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤。Toggle-MRAM數(shù)據(jù)寫入后，其數(shù)值取決于MTJ 磁化層的磁化狀態(tài)，單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的寄生電流（μA 級）不足以改變存儲單元狀態(tài)（改寫電流為mA 級），故大量研究認(rèn)為靜態(tài)和寫入狀態(tài)下Toggle-MRAM對SEU 免疫。Toggle-MRAM的讀電流在10μA 左右，因此理論上Toggle-MRAM在讀操作狀態(tài)下最敏感；但2013年Tsiligiannis等研究發(fā)現(xiàn)，在中子和α 射線輻照下MRAM沒有產(chǎn)生SEU 軟錯誤。分析SEU產(chǎn)生需要的3個條件：1）輻照產(chǎn)生寄生電流；2）存在敏感區(qū)域；3）讀取時間窗口足夠大。而MRAM讀取時間較短（35 ns）且只有8 個靈敏放大器，因此MRAM讀操作時產(chǎn)生SEU 的概率也極低。2012年Aeroflex 公司對抗輻射加固UT8MR2M8 MRAM芯片進(jìn)行SEU 測試，試驗采用氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）4種重離子，LET（linear energy transfer）值范圍為5.7～112 MeV·cm/mg，研究發(fā)現(xiàn)MRAM 沒有發(fā)生SEU，分析認(rèn)為器件在離子輻照過程中讀操作時所探測到的錯誤是由SET 和SEFI 效應(yīng)引起的，并分別在LET 閾值為18.1和29.5 MeV·cm/mg 時觀察到SET和SEFI。

Sakimura 等和Wakimura 等分別對STTMRAM和STT-MRAM的1M1T存儲單元進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)仿真，研究表明，隨著STT-MTJ 技術(shù)節(jié)點越來越小，其翻轉(zhuǎn)電流不斷變小，發(fā)生SEU 的概率也越來越大。2016年，Yang 等研究了重離子輻照下STT-MRAM存儲單元的寫錯誤機制，提出在沒有重離子入射時，MTJ 的寫電流為

式中：V為電源電壓；R為MTJ 在寫入電流和對應(yīng)偏壓下的結(jié)電阻。若重離子轟擊存儲單元NMOS源端，則在離子入射的通道處產(chǎn)生大量電子-空穴對，從而在源端和襯底之間形成臨時溝道。將該臨時溝道電阻定義為R，寫“1”時位線接地，則R和R并聯(lián)（如圖3(a)所示），根據(jù)Kirchhoff電流定律和Kirchhoff 電壓定律可知，此時MTJ 的寫電流為

可見，寫電流和臨時溝道電阻R呈正比。臨時溝道電阻R和輻射強度有關(guān)：輻射強度越大；R越小，寫電流越?。划?dāng)寫電流減小至不足以翻轉(zhuǎn)MTJ磁矩時就會導(dǎo)致MTJ 寫“1”錯誤。相反，寫“0”時，由于襯底接地，臨時溝道電阻R和R并聯(lián)（如圖3(b)所示），此時MTJ 的寫電流為

可見，隨輻射強度增大，臨時溝道電阻R減小，從而導(dǎo)致MTJ 寫電流增大，但這并不會導(dǎo)致MTJ 寫“0”錯誤，因此寫“1”錯誤是STT-MRAM最主要的寫錯誤形式。

圖3 重離子轟擊存儲單元晶體管形成臨時溝道示意和等效電路[31]Fig.3 Physical mechanism of Write errors in STT-MRAM after heavy ion impact on the access transistor and equivalent circuit[31]

1.2 輻射對磁性隧道結(jié)性能的影響

一直以來，大多數(shù)研究主要是對MRAM芯片進(jìn)行輻照試驗，但是要弄清楚磁性隧道結(jié)是否對輻射免疫，需要單獨研究輻射對MTJ 性能的影響。

磁性隧道結(jié)若在輻射環(huán)境下能夠正常工作，其核心性能應(yīng)該至少滿足以下條件：1）較高的隧穿磁電阻（TMR）值，使得MRAM 具有足夠大的讀區(qū)間，避免由于低TMR 值導(dǎo)致的讀錯誤；2）較小的磁性隧道結(jié)電阻和結(jié)面積的積矢（the area resistance,RA）；3）足夠高的熱穩(wěn)定性系數(shù)Δ（＞60～70），從而使得數(shù)據(jù)保持時間可以足夠長（10年以上）。熱穩(wěn)定性系數(shù)可以表示為

式中：M為飽和磁化強度；H為有效各向異性場；V 為自由層的體積；k為Boltzmann 常數(shù)；T 為絕對溫度?？梢钥闯?，要獲得高的Δ值，鐵磁電極的飽和磁化強度M和矯頑力H（H和H成正比）需要足夠大。

早期的研究集中在離子（如He、Ar、C、O、Ni、Kr、Si、Ag、Ga等）輻射對AlO勢壘MTJ 輸運性能和磁性能的影響，結(jié)果表明TMR 隨離子注量增加而降低。其主要原因為：1）鐵磁/氧化物界面互擴散增強，鐵磁電極的自旋極化率降低，從而降低TMR；2）絕緣層缺陷密度增大，產(chǎn)生額外的電子傳輸通道，但該通道對電流的極化弱于直接隧穿，因此TMR 降低。RA 隨離子注量、能量增加而增大直至飽和，RA飽和平臺主要是由勢壘缺陷密度增大和勢壘變寬兩個因素的競爭作用導(dǎo)致的：一方面，隨離子注量增加，勢壘層中缺陷密度增加，導(dǎo)致勢壘電阻降低，從而降低RA；另一方面，輻射導(dǎo)致Al和O原子配位發(fā)生局部變化（不影響自旋極化率/TMR），導(dǎo)致勢壘變寬，從而增大RA。同時，隨離子注量增加，鐵磁電極的H降低，而M不發(fā)生變化。以上研究表明，在重離子轟擊下MTJ 并不完全抗輻射：輻射對MTJ 的影響雖然很小但不可逆，這和MTJ 的結(jié)構(gòu)以及離子的種類、能量和注量有關(guān)；輻射導(dǎo)致隧穿勢壘層附近的界面效應(yīng)變化和電子結(jié)構(gòu)變化是輻射效應(yīng)影響MTJ 性能最主要的因素。

2012年，Hughes等和Ren 等分別對基于MgO勢壘的面內(nèi)磁各向異性MTJ 進(jìn)行輻射效應(yīng)研究，結(jié)果在質(zhì)子（約10/cm）、中子（約10/cm）和Coγ 射線（10 Mrad(Si)）輻射下，MTJ 薄膜的磁化曲線、電阻和TMR 沒有發(fā)生變化；同時MTJ 的比特狀態(tài)和寫入性能沒有發(fā)生變化。這說明Coγ 射線、質(zhì)子和中子輻射對MTJ的磁性能（M、H）和STT翻轉(zhuǎn)特性影響不大，從而表明這些輻射環(huán)境下MRAM 產(chǎn)生的讀寫錯誤是由CMOS電路引起的。最近的研究工作表明，MgO勢壘的垂直磁各向異性MTJ 也對Coγ 射線和質(zhì)子輻射免疫，但以上研究均未涉及重離子輻射對MgO勢壘MTJ 性能的影響。2014年，日本東北大學(xué)的Kobayashi 等研究了不同偏壓條件下Si離子（約10/cm）對垂直磁各向異性MTJ 的輻射效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在Si 離子轟擊下，輻射前后磁性隧道結(jié)比特狀態(tài)相同，這表明靜態(tài)下MTJ 有很強的抗SEU 能力；該研究同時表明MTJ 的結(jié)電阻和熱穩(wěn)定性系數(shù)Δ幾乎不變。Katti 等利用高注量重離子輻照Toggle-MRAM芯片（HXNV0100）的研究發(fā)現(xiàn)，MRAM 有硬錯誤并伴隨著MTJ 電阻的明顯降低，并認(rèn)為這可能由重離子對隧穿勢壘層的破壞和位移損傷導(dǎo)致；2017年，Katti研究重離子對Toggle-MRAM（型號HXNV01600）的截面損傷（Cross-Section）發(fā)現(xiàn)，盡管輻照過程中并無SEU 發(fā)生，但一些重離子的LET值超過某一閾值后，重離子輻射會對MTJ 的勢壘層造成截面損傷，因此相較于粒子注量，LET 值和重離子的原子序數(shù)是對MTJ 重離子截面更為重要的影響因素，這表明重離子輻射對MTJ（尤其是隧穿勢壘層）的影響是瞬時的而非漸進(jìn)的——在極高LET值和極高注量下，重離子可能會擊穿隧穿勢壘層。這些研究表明MTJ 并不完全抗輻射：輻射可能使MTJ 的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化從而導(dǎo)致錯誤。2018年，Katti等采用Ne、Ar、Kr和Au等重離子對256 Mbit STT-MRAM進(jìn)行重離子輻照測試，發(fā)現(xiàn)所有輻射條件下STT-MRAM 均無硬錯誤發(fā)生，而Toggle-MRAM 在較強輻射下產(chǎn)生硬錯誤。這主要是由于STT-MTJ 采用MgO勢壘材料以及由于尺寸微縮導(dǎo)致入射至STT-MRAM比特單元的離子數(shù)目減少。Wang 等近期研究發(fā)現(xiàn)，1907 MeV的Ta離子和2000 MeV 的Kr離子輻射仍未影響雙CoFeB/MgO界面STT-MTJ 的電學(xué)性能，表明基于MgO勢壘的STT-MTJ 具有良好的抗輻射性能。

2 MRAM 加固技術(shù)簡述

圖4為幾款MRAM的SEL閾值和抗總劑量能力總結(jié)，第一款MRAM 芯片MR2A16A 的抗總劑量能力和抗SEL 能力均較弱；MR0A08B經(jīng)設(shè)計加固和在CMOS工藝中采用外延層后，SEL 閾值得以提高；Honeywell 公司的HXNV 系列MRAM采用SOICMOS電路，抗總劑量能力得到了大幅度提高并對SEL 免疫。

圖4 幾款MRAM的SEL 閾值和抗總劑量能力Fig.4 SEL threshold and TID resistance for several MRAM chips

MRAM存儲區(qū)和外圍電路的輻射失效類型和輻射失效機理不同，因此MRAM 應(yīng)在不同的節(jié)點針對不同的輻射類型進(jìn)行相應(yīng)的加固。此前研究人員已經(jīng)提出一些MRAM 的電路設(shè)計加固方法。目前在工藝方面，外圍電路多采用SOICMOS電路以避免SEL 效應(yīng)，提高抗總劑量能力；MRAM存儲單元多采用NMOS管與MTJ 集成工藝，物理上不存在PNPN 寄生結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生SEL 效應(yīng)。對于存儲單元NMOS而言，可通過提高溝道寬長比、采用環(huán)形柵以及場區(qū)注入等方法進(jìn)行加固；對于MTJ 而言，應(yīng)盡可能提高其TMR 值，以減少輻射后TMR 降低對MRAM 的影響。

3 結(jié)束語

商用MRAM采用體硅CMOS外圍電路，因此對SEL 效應(yīng)較為敏感；SOI-MRAM則能消除SEL效應(yīng)敏感。輻射環(huán)境下MRAM讀寫錯誤的物理機制還不完全清楚：存儲單元晶體管溝道電阻改變可能是MRAM 受總劑量電離輻射產(chǎn)生讀錯誤的物理機制之一；重離子入射軌跡臨時溝道的形成則可能是MRAM受重離子輻射產(chǎn)生寫錯誤的物理機制之一。Toggle-MRAM中的AlO勢壘磁性隧道結(jié)并不完全抗輻射——輻射會影響MTJ 的電輸運性能和磁性能，極高LET值重離子輻射可能會擊穿MTJ 勢壘層從而會導(dǎo)致MRAM芯片發(fā)生硬錯誤。STT-MRAM采用MgO勢壘且存儲單元尺寸縮小，因此其抗單粒子硬錯誤能力增強；但由于STTMTJ 尺寸微縮引起的臨界翻轉(zhuǎn)電流降低也導(dǎo)致其SEU 風(fēng)險增大。輻射效應(yīng)對MTJ 性能的影響與MTJ 的結(jié)構(gòu)以及離子的種類、能量和注量有關(guān)；隧穿勢壘層附近的界面效應(yīng)和電子結(jié)構(gòu)變化是輻射效應(yīng)影響MTJ 性能最主要的原因。

隨著基于自旋轉(zhuǎn)移矩寫入技術(shù)的垂直磁各向異性磁性隧道結(jié)的逐步推廣應(yīng)用，輻射效應(yīng)對垂直磁各向異性的影響，不同種類重離子輻射對MTJ陣列讀寫性能和數(shù)據(jù)保持的影響，重離子輻射和磁性隧道結(jié)中擴散（鐵磁電極和MgO勢壘層的互擴散、元素擴散）的關(guān)聯(lián)，以及如何通過調(diào)節(jié)磁性隧道結(jié)材料、結(jié)構(gòu)和尺寸來提高M(jìn)RAM 抗輻射性能等仍然需要深入研究。