MRAM 空间粒子辐射效应关键技术研究

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

空间辐射环境中存在多种能量极高的粒子[1-2]，这些高能粒子可以很容易地穿透航天器外部的屏蔽材料，入射到内部的电子元器件中，从而产生辐射效应。辐射效应已成为导致电子元器件出现功能错误最重要的原因之一，严重降低了微电子器件的可靠性[3-4]。在恶劣的空间环境中，当辐射粒子入射到半导体材料中后，会使硅原子产生电离，在粒子的入射路径附近产生电子-空穴对。如果这些电子-空穴对在反偏PN结中被电场分离，就会在晶体管的漏极产生瞬时电流脉冲，进而在存储单元或逻辑触发器中引入错误的状态信息，产生单粒子效应；在半导体器件中，不同材料的交界处由于晶格失配、原子缺失等会引入陷阱能级，粒子辐射产生的电子-空穴对还会被这些陷阱所捕获，进而导致器件阈值电压漂移、亚阈值导通等总剂量效应。

磁阻随机存储器（MRAM）是一种通过磁场或自旋极化电流实现数据写入的新型非易失存储器，与传统存储器（SRAM、FLASH 等）相比，MRAM 在读写速度、存储密度、使用寿命和功耗等方面有着独特的优势[5-6]。此外，磁隧道结（MTJ）被证明对空间粒子辐射具有天然的免疫能力[7-8]。与FLASH 数据存储的机制不同，MRAM 是通过磁阻状态的切换来实现数据功能。因此，MRAM 摆脱了数据存储对电荷的依赖，抗辐射能力更强。此外，MRAM 在数据存储的过程中没有擦除操作，读写操作工作电压也一致，因此不需要电荷泵电路，从而降低了辐射敏感面积和功耗。影响MRAM 功能的辐射敏感区域主要是数据读操作所用到的敏感放大器电路和写操作中的双向电流控制电路。本文对MRAM 辐射效应的研究背景、物理机制、研究方法等内容进行了论述，重点分析了MRAM 芯片辐射实验评价结果及电学表征方法。

2 MRAM 存储单元结构及其工艺制备

2.1 MRAM 存储单元结构

根据存储单元数据写入方式的不同，MRAM 可分为两类：磁场诱导开关和自旋极化电流诱导开关。图1为两种不同数据写入方式的存储单元结构示意图。图1（a）为第一代场致开关式MRAM[9]，它是由通过位线（BL）和写字线（WWL）的电流所感生的交叉磁场实现数据写入。其中，SL、WL 分别为源线和字线，IBL 为流经位线的写入电流，IWWL为流经写字线的电流。MTJ 的热稳定性随尺寸的减小而降低。因此，在MTJ 尺寸进一步微缩化的同时，为了保持器件的热稳定性，就必须增加器件自由层的矫顽力。矫顽力的增加会使得驱动器件开关的磁场增加，进而提高了开关电流密度。因此，磁场写入式MRAM 的开关电流与MTJ 尺寸成反比，无法满足集成电路高密度、低功耗的发展需求。图1（b）为一种基于自旋转移矩磁化开关的STT-MRAM 单元[10]。在这种新型的MRAM 中，写入操作可以通过流过MTJ 的自旋极化电流（IBL）来实现，不需要额外的写字线，从而减少了单元的面积开销、降低了功耗。此外，由于写入电流与MTJ 的面积成正比，STT-MTJ 尺寸微缩能力较强，逐渐成为MRAM 的主流。

图1 MRAM 单元结构示意图

2.2 MTJ 工艺制备

MTJ 作为MRAM 的核心存储结构，通常是由十几层甚至几十层薄膜材料堆叠而成，其电学特性很大程度上取决于工艺制备的水平。早期MTJ 中的金属氧化物势垒层是由非晶态的氧化铝(AlOx)组成的，在室温下I-MTJ 的隧穿磁电阻（TMR）超过10%。理论上来讲，TMR 仅取决于两个铁磁层的相对自旋极化率，无法突破Julliere 公式所预测的理论上限[11]，很难获得70%以上的TMR。2001 年，BUTLER 等[12]从理论上预测了全晶体的(001)Fe/MgO/Fe MTJ 可以获得1000%以上的TMR。如此大的TMR 主要归因于Δ1能带中高度自旋极化的电子在bcc-Fe/MgO/Fe(001)方向上的隧穿率远大于其他能带(Δ2和Δ5)。DJAVAPRAWIRA 通过磁控溅射技术制备了Co60Fe20B20/MgO/Co60Fe20B20的I-MTJ，其室温下的TMR 值达到了230%，单元结构如图 2 所示。此外，HAYAKAWA 等制备了Co40Fe40B20/MgO/Co40Fe40B20的I-MTJ，其室温下的TMR 值达到了260%。

目前，MTJ 的工艺制备仍然是制约STT-MRAM容量提高的难题之一。特别是存储单元之间的工艺偏差极大地降低了其均一性，从而阻碍了整个存储器的性能提升。为了从根本上解决这一难题，Applied Materials 公司为下一代大容量STT-MRAM 的制备推出了新的解决方案。Applied Materials 通过Endura 平台将多种材料工程技术与机载计量学结合起来，创造出新的薄膜和器件结构。

图2 MTJ 结构示意图和TEM 图像

Applied Materials 新的Endura Clover MRAM PVD 平台由所有集成在原始、高真空条件下的9 个独特的芯片处理室组成，如图3 所示。Applied Materials表明，这是业界首款300 mm 制造高容量MRAM 的系统，能够独立沉积多达5 种不同材料。Clover MRAM PVD 平台包括机载计量仪，用于测量并监测具有亚埃灵敏度的MRAM 层的厚度，以确保原子级的均匀性。同时，Applied Materials 还宣布了一种称为Endura 脉冲PVD 平台的RRAM 和PCRAM 的制备系统。

图3 Endura Clover MRAM PVD 平台

3 MRAM 辐射效应研究现状

目前对于MRAM 辐射效应的研究主要包括辐射试验和模拟仿真两部分。辐射试验主要是针对目前商用的MRAM 芯片进行辐射性能评估，并借助于TEM、XRR、AFM、MFM 等电学表征方法对MRAM 核心存储结构MTJ 的辐射损伤进行研究。Nguyen 等采用原位辐照的方法研究了MRAM 的SEL 和TID 诱导的器件失效情况。实验结果表明当辐射剂量大于60 krad(Si)时，信息位将产生错误的翻转。中国科学院张浩浩等研究了16 Mbit 商用MRAM 的质子辐射效应，当质子辐射剂量累积到2.5×1011/cm2时，观察到数据位的读错误和电学失效。

在MTJ 辐射损伤机理的研究方面，主要还是集中在传统的具有Al2O3势垒层的MTJ 上[13-18]。相关的研究重点关注辐照前后MTJ 的磁化翻转和磁化传输特性，很少有人对MTJ 辐射后的微观结构的变化，特别是辐照过程中的界面态进行深入研究。TMR 是衡量MTJ 性能的一个关键指标，在辐射环境下MTJ 的TMR 值随着辐射类型、能量、剂量的变化有着很大的差异。BANERJEE 等研究了辐射效应对Co/Al2O3/Ni80Fe20TMR 的影响，如图4 所示。随着离子辐射剂量的增加，TMR 逐渐减小，当离子的能量大于200 MeV 时，TMR 值几乎为零，此时MTJ 数据存储功能失效。

图4 不同辐射剂量下Co/Al2O3/Ni80Fe20中的TMR

综上，对MTJ 辐射效应的研究主要针对其宏观的功能性开展，包括辐射效应对数据的存储状态、数据位翻转过程以及TMR 值的影响等。与Al2O3隧穿层相比，MgO 势垒层对于辐射效应的敏感度要低很多。但是对于器件中的不同薄膜结构层的辐射损伤机理的研究还是比较少的，比如CoFeB 材料的自由层、钉扎层以及其他过渡材料层。因此，为了进一步完善理论体系，该部分的研究也是必不可少的。

从存储单元结构类型角度分析，目前对于MRAM辐射效应的研究主要集中在磁场写入式MRAM，对于第二代STT-MRAM 的研究相对较少。考虑到STT-MRAM 逐渐成为MRAM 的主流，因此需要重新评估它们的抗辐射性能。尤其是在STT-MTJ 中，MgO势垒层的厚度比场致开关的MTJ 低很多，其势垒层厚度通常为1～2 nm，很容易在粒子辐射下产生位移损伤。此外，具有强垂直磁各向异性的新型磁性材料开始取代传统的CoFeB，这些新材料对超晶格结构的一致性以及界面态要求更高。所以，新型STT-MTJ 技术的出现使其结构更容易受到空间粒子电离和位移损伤的影响。

传统MTJ 的开关过程是通过单元内部导线所产生的环形磁场来驱动的，对于磁化层及势垒层的晶格一致性要求不是很高，因此在数据写入过程中外界辐射环境对其影响较小。新型STT-MTJ 的数据写入是通过自旋转移力矩效应来实现的，数据写入的速度取决于自旋转移力矩的效率。而自旋转移力矩效率对于MTJ 的界面态极为敏感，因此更容易受到辐射环境的影响。

随着第二代STT-MRAM 的出现，对MRAM 辐射效应的研究逐渐转移到具有MgO 势垒层的STT-MTJ上[19-21]，其中自由层和固定层通常是非晶态的CoFeB。HUGHES 等首次研究了Grandis 公司的MTJ 在辐射环境下的自旋转矩开关和状态保持。用能量为220MeV、剂量为1×1012/cm2的质子辐照MTJ 器件，结果表明STT-MTJ 在辐射前后的磁化开关过程无明显变化，如图5 所示。同时，也没有观察到离子辐射对状态保持的影响。KOBAYASHI 等[17]研究了重离子辐照(15 MeV Si 离子)对基于CoFeB-MgO 的STT-MTJ 电阻变化的影响。结果表明离子辐射会使得MTJ 电阻产生一个微弱的退化（阻值变化范围在1%左右），但辐照前后数据的存储状态和时间无明显变化。

图5 不同能量的质子辐射前后STT-MTJ 磁化翻转过程

上述研究主要集中在辐射效应对MTJ 的数据存储及开关过程等器件功能上的影响，很少有对MgO势垒层辐射电离损伤（STT-MTJ 中的MgO 通常为1 nm 厚）的研究。HUGHES 等对具有1.2 nm 厚的MgO 势垒的MTJ 进行Co60γ 射线辐射实验，射线剂量高达10 Mrad(Si)，没有观察到TMR、电阻面积(RA)值以及自旋转矩开关行为的明显变化。

4 MRAM 辐射效应研究方法

4.1 电镜表征

MTJ 作为MRAM 数据存储的核心结构，诸多学者对其辐照环境中电阻的变化进行了研究。研究发现，在高剂量的重离子暴露环境中，大部分器件均会产生位移损伤。特别是MTJ 中的界面态对于重离子辐射引起的器件结构微观变化极为敏感。一般来说，MTJ的磁性和磁传输性能随着辐射剂量的增加而降低。MTJ 的横截面TEM 图像和X 射线反射是研究其内部相邻层之间晶格混合结构的有效方法。与重离子相反，高能质子和Co60γ 射线照射对MTJ 的磁性能及其STT 开关行为的影响很小，这使得MTJ 成为这些辐射环境中辐射加固的极具竞争力的器件。

基本的MRAM 元件MTJ 一般由两个铁磁层和中间的薄绝缘层组成。存储的信息位取决于这两种磁化的相对方向，平行或反平行使得MTJ 表现出两种稳定的电阻状态，分别代表不同的数据[9]。图6 为TEM拍摄的MR4A08B MRAM 的剖面图，存储单元为1M1T 结构。访问晶体管的栅氧厚度为2.8 nm，宽长比W/L=0.8 μm/0.8 μm。浅槽隔离(STI)用于相邻晶体管之间的电气隔离，深度约为380 nm。MRAM 的工作电压为3.3 V，具有8 位字宽和SRAM 兼容的35 ns 访问时间，以及几乎无限的重复读写次数。

辐射效应引起的器件损伤或功能失效往往是通过对材料界面态的影响导致的。通过透射电镜可以直接观测到界面态晶格结构的变化，如图7 所示[17]。但是由于样品面积有限，很难量化混合/粗糙界面态的变化。除了TEM，原子力显微镜也可以用来表征薄膜界面粗糙度的变化。表面粗糙度可以用来推断MTJ 结构中多层膜的混合结构，但仍然不能量化界面处的混合状态。

图6 1M1T 存储单元的TEM 横截面

图7 辐射后Pd/Fe/MgO/Fe 隧道结TEM 图像

X 射线反射率(XRR)利用不同界面反射的X 射线光束的干扰，形成了一种反射模式，提供了薄膜厚度的重要信息[22]。对于临界角以下的入射角，入射X 射线光束被样品表面完全反射。临界角与材料的折射率有关，这取决于材料的电子密度。一般情况下，大多数材料的临界角小于1°。当入射角逐渐增大超过临界角时，入射X 射线束穿透到材料中，在样品不同界面处反射产生干涉条纹，也称为Kiessig 条纹。条纹的幅度取决于电子密度差，界面处电子密度的差异越大，振幅越高。此外，由于漫散射的存在，反射强度随着表面和界面粗糙度的增加而大幅衰减[23]。薄膜厚度t 可以从条纹的周期性来估算：

其中λ 是X 射线波长，Δ2θ 是连续干扰峰之间的2θ角分离。图8 展示了Co/AlOx/Co 结构在Ar+辐射前后的XRR 变化。可以通过模拟提取关于密度和厚度以及表面/界面粗糙度的信息。反过来，单个层的混合结构可以通过厚度、密度和每层粗糙度的变化来量化[18,22]。

通过TEM、AFM、XRR 等表征方法，可以很好地观测到离子辐射对MTJ 界面态产生的影响，从而更好地解释辐射诱导数据翻转、写失效及TMR 退化等现象。结合退火后器件功能的恢复情况可以进一步明确失效的物理机制。

图8 Co/AlOx/Co 多层膜结构XRR

4.2 TCAD 仿真

除了辐射试验外，模拟仿真也是研究MRAM 辐射效应很重要的一部分。模拟仿真可以更加直观系统地展示辐射效应的深层物理机制，有助于系统地分析各项辐射损伤或失效产生的原因。模拟仿真领域主要包括MTJ 的行为及模型创建和电路系统的仿真。建模领域以北京航空航天大学赵巍胜教授为代表，创建了MTJ 的Verilog-A 模型，并基于此开展了大量的电路功能仿真以及抗辐射加固技术的研究工作。HEINZ 等使用快速Airy 函数方法实现了MTJ 磁化动力学和自旋相关的隧穿行为，MTJ TCAD 混合模型如图9 所示。

图9 MTJ TCAD 混合模型

通过集成到通用的TCAD 框架中，可以模拟单个STT 单元和小型混合电路，基于MTJ 的NV-SRAM 单元如图10 所示。同时与先进的深亚微米器件的TCAD模型相结合将成为可能。通过该模型，可以更加真实地模拟MRAM 存储单元辐射效应，进而可以更加深入地揭示出器件的辐射损伤机制。但是，目前基于Airy 的MTJ 模型还不是很完善，磁化分布状态等诸多关键项还无法很好地集成进去，因此进一步完善MTJ TCAD 模型是急需解决的一个关键技术难题。

5 MRAM 外围电路抗辐射加固设计

常规辐射环境条件中，MRAM 中MTJ 的失效概率是比较低的，主要还是其外围读写电路的错误所致。由于MRAM 的数据读写是通过外围CMOS 电路来实现的，因此辐射所诱导的外围电路失效才是MRAM 出现故障的主要原因，为此需要对MRAM 的外围读写电路特别是敏感放大器进行抗辐射加固设计。

图10 基于MTJ 的NV-SRAM 单元

为了实现基于MRAM 的大规模集成电路仿真，首先要创建MTJ 的集总模型。基于现有的基本物理模型，STT-MTJ 的集总模型可以用Spice 或者Verilog-A进行创建，并在相应的仿真平台进行模拟。图11(a)为赵巍胜等创建的STT-MTJ 模型的符号图，图11(b)为直流仿真的结果。首先对静态行为模型的功能进行验证，MTJ 的直径设置为40 nm。在此模拟中，从P 态到AP 态的临界电流开关磁化强度约为72 μA，而反向开关临界电流约为28 μA。这些结果表明静态行为物理模型与实测数据之间有很好的一致性，并证实了CoFeB/MgO PMA MTJ 的实验测量结果所显示的两种状态之间强烈的开关不对称性[24]。这是由于P 和AP状态下自旋极化效率因子g 的不同所致。同时也可以描述这两个MTJ 状态不对称的电压相关性，这是由于TMR 的电压相关性所引起的。

图11 STT-MTJ 集总模型及直流仿真结果

图12 为瞬态仿真结果。瞬态仿真可以验证物理模型与实验测量之间动态行为的一致性。从分析仿真结果不难看出，开关延迟与写入电流成反比，这与前面的动态物理模型相一致。PMA MTJ 作为逻辑和存储器芯片的基本单元，有着巨大的应用前景。对于逻辑计算，可以提供大电流以保证高速度，但对于内存应用，可以使用小电流来提供高密度。

图12 STT-MTJ 瞬态仿真结果

由于TMR 效应，MTJ 呈现出不同状态下的电阻差异特性。这种电阻特性使得MTJ 与CMOS 敏感放大器电路兼容，该电路检测MTJ 的电阻状态并将它们放大到逻辑电平。在几种不同的敏感放大器中，预充敏感放大器（PCSA）不仅可以实现读可靠性和功耗之间的平衡，而且还保证了高速性能。图13 是STT-MRAM 中PCSA 的电路原理图。

图13 预充敏感放大器电路原理图

PCSA 电路包括预充子电路（MP2、MP3）、放电子电路（MN2）和作为放大器的一对交叉互锁的反向器（MN0、MN1 和MP0、MP1）。它的两个分支通常连接到几个具有互补态的MTJ。它的工作过程分为两个阶段：“预充电”和“评估”。在第一阶段，“CLK”被设置为“0”，输出（“QM”和“/QM”）通过MP2、MP3 被拉到“VDD”或逻辑“1”，而MN2 保持关闭。在第二阶段，“CLK”变成“1”，MP2、MP3 被关闭，MN2 打开。由于两个支路之间的电阻差异，放电电流是不同的。较低的电阻支路将被拉下，以更快地达到晶体管（MP0 或MP1）的阈值电压。此时，另一个支路将被拉到“VDD”或逻辑“1”，而这个低阻支路将继续下降到“GND”或逻辑“0”。

根据STT-MTJ 的开关机制，需要双向电流以实现MTJ 的自由层中磁化方向的切换。为了实现高速逻辑设计，要求高电流以确保速度。与读电路的低功率、低面积相反，用于PMA STT-MTJ 的写入电路占整个电路的主要面积和功耗。因此，对写入电路的研究是混合MTJ/CMOS 电路设计的重点。

与具有互补状态的双MTJ 读电路相对应，写电路是通过一组控制双向电流写入的组合逻辑电路所完成的，如图14 所示。两个NMOS（MN0、MN1）和两个PMOS（MP0、MP1）晶体管构成主电路。每次只有对角线上的一对NMOS 和一个PMOS 处于打开状态，而另一对则关闭，从而使得写入电流从“VDDA”经由两条不同的路径进入到“GND”，进而实现MTJ 的状态写入。由于两个MTJ 是首尾相接的连接方式，因此它们的存储信息位始终相反。通过两个或非门和三个反向器，输入数据“Input”和使能信号“EN”分别控制电流的写入方向和电路的使能。

图14 STT-MRAM 数据写入电路原理图

由于MTJ 数据存储具有非易失的特点，辐射效应只对进行读写操作状态下的外围电路产生影响。图15为STT-MRAM 读写电路的辐射敏感点电路原理图，其中A、B、C 和D 点分别为敏感放大器和双向电源网络电路的辐射敏感点。该区域在受到粒子辐射后容易产生瞬时电流脉冲，从而使得数据读写操作失效。

针对敏感放大器中的辐射敏感点通常采用双交叉互锁结构（DICE）进行加固设计，如图16 所示[25]。DICE 结构可以保证数据在读写的过程中不会因粒子的辐射效应而产生单粒子翻转，从而降低MRAM 在数据读写的过程中受到辐射影响而产生的软错误。由于MRAM 的非易失性，在静态工作状态时可以将数据存储到MTJ 中，并切断电源，可以进一步降低辐射效应对外围电路的影响。同时，由于电源的关断也可以降低系统功耗。

图15 STT-MRAM 读写电路辐射敏感点

图16 抗辐射加固DICE 锁存器电路原理图

图17 抗辐射加固NV-DICE 瞬态波形图

图17 为非易失DICE 辐射加固电路的瞬态波形图。通过设置仿真文件，在数据存储节点X1、X2、X3及X0 中注入SEU 脉冲波形，模拟电路的抗SEU 性能。由仿真波形图不难看出，由于DICE 结构的数据恢复特性SEU 脉冲并没导致数据产生翻转。此外，在电路不工作的状态下可以将数据存储到MTJ 单元中，关断电源，降低功耗。当需要对数据进行读写操作时又可以将数据由MTJ 重新读回DICE 结构中，如图17中Restore 部分波形所示。上述电路结构的设计及功能仿真均可通过Spectre 等电路仿真EDA 工具实现，通过仿真得到的波形图可以很直观地分析辐射效应对外围电路的功能影响。

6 结论

目前对MRAM 辐射效应的研究主要集中在当前商用的主流MRAM 芯片上，通过辐射试验及电镜表征相结合的方式开展空间粒子辐射效应研究。通过对商用MRAM 芯片的辐射实验评价可以得到其抗单粒子瞬态、单粒子翻转及单粒子位移损伤等辐射效应的性能。结合电镜表征，可以得到粒子辐射对MTJ 单元造成的物理损伤，从而揭示出辐射诱导的写失效等物理机制。借助于EDA 仿真工具创建MTJ 电路模型及TCAD 模型，可以实现电路系统级的辐射效应模拟。同时，对于不同的辐射效应有针对性地提出电路系统级的设计加固方案，从而提高MRAM 的抗辐射性能。开展MRAM 辐射效应的研究，为设计具有自主知识产权的抗辐射MRAM 芯片奠定了理论基础，使抗辐射MRAM 芯片的研制成为可能。