MRAM 空間粒子輻射效應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

空間輻射環(huán)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(nèi)部的電子元器件中，從而產(chǎn)生輻射效應(yīng)。輻射效應(yīng)已成為導(dǎo)致電子元器件出現(xiàn)功能錯(cuò)誤最重要的原因之一，嚴(yán)重降低了微電子器件的可靠性[3-4]。在惡劣的空間環(huán)境中，當(dāng)輻射粒子入射到半導(dǎo)體材料中后，會(huì)使硅原子產(chǎn)生電離，在粒子的入射路徑附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果這些電子-空穴對(duì)在反偏PN結(jié)中被電場(chǎng)分離，就會(huì)在晶體管的漏極產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖，進(jìn)而在存儲(chǔ)單元或邏輯觸發(fā)器中引入錯(cuò)誤的狀態(tài)信息，產(chǎn)生單粒子效應(yīng)；在半導(dǎo)體器件中，不同材料的交界處由于晶格失配、原子缺失等會(huì)引入陷阱能級(jí)，粒子輻射產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)還會(huì)被這些陷阱所捕獲，進(jìn)而導(dǎo)致器件閾值電壓漂移、亞閾值導(dǎo)通等總劑量效應(yīng)。

磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）是一種通過(guò)磁場(chǎng)或自旋極化電流實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入的新型非易失存儲(chǔ)器，與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器（SRAM、FLASH 等）相比，MRAM 在讀寫(xiě)速度、存儲(chǔ)密度、使用壽命和功耗等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5-6]。此外，磁隧道結(jié)（MTJ）被證明對(duì)空間粒子輻射具有天然的免疫能力[7-8]。與FLASH 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的機(jī)制不同，MRAM 是通過(guò)磁阻狀態(tài)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)功能。因此，MRAM 擺脫了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)電荷的依賴，抗輻射能力更強(qiáng)。此外，MRAM 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)程中沒(méi)有擦除操作，讀寫(xiě)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(qū)域主要是數(shù)據(jù)讀操作所用到的敏感放大器電路和寫(xiě)操作中的雙向電流控制電路。本文對(duì)MRAM 輻射效應(yīng)的研究背景、物理機(jī)制、研究方法等內(nèi)容進(jìn)行了論述，重點(diǎn)分析了MRAM 芯片輻射實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果及電學(xué)表征方法。

2 MRAM 存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其工藝制備

2.1 MRAM 存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

根據(jù)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)寫(xiě)入方式的不同，MRAM 可分為兩類：磁場(chǎng)誘導(dǎo)開(kāi)關(guān)和自旋極化電流誘導(dǎo)開(kāi)關(guān)。圖1為兩種不同數(shù)據(jù)寫(xiě)入方式的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖1（a）為第一代場(chǎng)致開(kāi)關(guān)式MRAM[9]，它是由通過(guò)位線（BL）和寫(xiě)字線（WWL）的電流所感生的交叉磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入。其中，SL、WL 分別為源線和字線，IBL 為流經(jīng)位線的寫(xiě)入電流，IWWL為流經(jīng)寫(xiě)字線的電流。MTJ 的熱穩(wěn)定性隨尺寸的減小而降低。因此，在MTJ 尺寸進(jìn)一步微縮化的同時(shí)，為了保持器件的熱穩(wěn)定性，就必須增加器件自由層的矯頑力。矯頑力的增加會(huì)使得驅(qū)動(dòng)器件開(kāi)關(guān)的磁場(chǎng)增加，進(jìn)而提高了開(kāi)關(guān)電流密度。因此，磁場(chǎng)寫(xiě)入式MRAM 的開(kāi)關(guān)電流與MTJ 尺寸成反比，無(wú)法滿足集成電路高密度、低功耗的發(fā)展需求。圖1（b）為一種基于自旋轉(zhuǎn)移矩磁化開(kāi)關(guān)的STT-MRAM 單元[10]。在這種新型的MRAM 中，寫(xiě)入操作可以通過(guò)流過(guò)MTJ 的自旋極化電流（IBL）來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要額外的寫(xiě)字線，從而減少了單元的面積開(kāi)銷、降低了功耗。此外，由于寫(xiě)入電流與MTJ 的面積成正比，STT-MTJ 尺寸微縮能力較強(qiáng)，逐漸成為MRAM 的主流。

圖1 MRAM 單元結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 MTJ 工藝制備

MTJ 作為MRAM 的核心存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，通常是由十幾層甚至幾十層薄膜材料堆疊而成，其電學(xué)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(shì)壘層是由非晶態(tài)的氧化鋁(AlOx)組成的，在室溫下I-MTJ 的隧穿磁電阻（TMR）超過(guò)10%。理論上來(lái)講，TMR 僅取決于兩個(gè)鐵磁層的相對(duì)自旋極化率，無(wú)法突破Julliere 公式所預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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?dú)w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(yuǎn)大于其他能帶(Δ2和Δ5)。DJAVAPRAWIRA 通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備了Co60Fe20B20/MgO/Co60Fe20B20的I-MTJ，其室溫下的TMR 值達(dá)到了230%，單元結(jié)構(gòu)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(dá)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(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)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(guò)Endura 平臺(tái)將多種材料工程技術(shù)與機(jī)載計(jì)量學(xué)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出新的薄膜和器件結(jié)構(gòu)。

圖2 MTJ 結(jié)構(gòu)示意圖和TEM 圖像

Applied Materials 新的Endura Clover MRAM PVD 平臺(tái)由所有集成在原始、高真空條件下的9 個(gè)獨(dú)特的芯片處理室組成，如圖3 所示。Applied Materials表明，這是業(yè)界首款300 mm 制造高容量MRAM 的系統(tǒng)，能夠獨(dú)立沉積多達(dá)5 種不同材料。Clover MRAM PVD 平臺(tái)包括機(jī)載計(jì)量?jī)x，用于測(cè)量并監(jiān)測(cè)具有亞埃靈敏度的MRAM 層的厚度，以確保原子級(jí)的均勻性。同時(shí)，Applied Materials 還宣布了一種稱為Endura 脈沖PVD 平臺(tái)的RRAM 和PCRAM 的制備系統(tǒng)。

圖3 Endura Clover MRAM PVD 平臺(tái)

3 MRAM 輻射效應(yīng)研究現(xiàn)狀

目前對(duì)于MRAM 輻射效應(yīng)的研究主要包括輻射試驗(yàn)和模擬仿真兩部分。輻射試驗(yàn)主要是針對(duì)目前商用的MRAM 芯片進(jìn)行輻射性能評(píng)估，并借助于TEM、XRR、AFM、MFM 等電學(xué)表征方法對(duì)MRAM 核心存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)MTJ 的輻射損傷進(jìn)行研究。Nguyen 等采用原位輻照的方法研究了MRAM 的SEL 和TID 誘導(dǎo)的器件失效情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)輻射劑量大于60 krad(Si)時(shí)，信息位將產(chǎn)生錯(cuò)誤的翻轉(zhuǎn)。中國(guó)科學(xué)院張浩浩等研究了16 Mbit 商用MRAM 的質(zhì)子輻射效應(yīng)，當(dāng)質(zhì)子輻射劑量累積到2.5×1011/cm2時(shí)，觀察到數(shù)據(jù)位的讀錯(cuò)誤和電學(xué)失效。

在MTJ 輻射損傷機(jī)理的研究方面，主要還是集中在傳統(tǒng)的具有Al2O3勢(shì)壘層的MTJ 上[13-18]。相關(guān)的研究重點(diǎn)關(guān)注輻照前后MTJ 的磁化翻轉(zhuǎn)和磁化傳輸特性，很少有人對(duì)MTJ 輻射后的微觀結(jié)構(gòu)的變化，特別是輻照過(guò)程中的界面態(tài)進(jìn)行深入研究。TMR 是衡量MTJ 性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，在輻射環(huán)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(yīng)對(duì)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(dāng)離子的能量大于200 MeV 時(shí)，TMR 值幾乎為零，此時(shí)MTJ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能失效。

圖4 不同輻射劑量下Co/Al2O3/Ni80Fe20中的TMR

綜上，對(duì)MTJ 輻射效應(yīng)的研究主要針對(duì)其宏觀的功能性開(kāi)展，包括輻射效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)狀態(tài)、數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)過(guò)程以及TMR 值的影響等。與Al2O3隧穿層相比，MgO 勢(shì)壘層對(duì)于輻射效應(yīng)的敏感度要低很多。但是對(duì)于器件中的不同薄膜結(jié)構(gòu)層的輻射損傷機(jī)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(guò)渡材料層。因此，為了進(jìn)一步完善理論體系，該部分的研究也是必不可少的。

從存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)類型角度分析，目前對(duì)于MRAM輻射效應(yīng)的研究主要集中在磁場(chǎng)寫(xiě)入式MRAM，對(duì)于第二代STT-MRAM 的研究相對(duì)較少?？紤]到STT-MRAM 逐漸成為MRAM 的主流，因此需要重新評(píng)估它們的抗輻射性能。尤其是在STT-MTJ 中，MgO勢(shì)壘層的厚度比場(chǎng)致開(kāi)關(guān)的MTJ 低很多，其勢(shì)壘層厚度通常為1～2 nm，很容易在粒子輻射下產(chǎn)生位移損傷。此外，具有強(qiáng)垂直磁各向異性的新型磁性材料開(kāi)始取代傳統(tǒng)的CoFeB，這些新材料對(duì)超晶格結(jié)構(gòu)的一致性以及界面態(tài)要求更高。所以，新型STT-MTJ 技術(shù)的出現(xiàn)使其結(jié)構(gòu)更容易受到空間粒子電離和位移損傷的影響。

傳統(tǒng)MTJ 的開(kāi)關(guān)過(guò)程是通過(guò)單元內(nèi)部導(dǎo)線所產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，對(duì)于磁化層及勢(shì)壘層的晶格一致性要求不是很高，因此在數(shù)據(jù)寫(xiě)入過(guò)程中外界輻射環(huán)境對(duì)其影響較小。新型STT-MTJ 的數(shù)據(jù)寫(xiě)入是通過(guò)自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)寫(xiě)入的速度取決于自旋轉(zhuǎn)移力矩的效率。而自旋轉(zhuǎn)移力矩效率對(duì)于MTJ 的界面態(tài)極為敏感，因此更容易受到輻射環(huán)境的影響。

隨著第二代STT-MRAM 的出現(xiàn)，對(duì)MRAM 輻射效應(yīng)的研究逐漸轉(zhuǎn)移到具有MgO 勢(shì)壘層的STT-MTJ上[19-21]，其中自由層和固定層通常是非晶態(tài)的CoFeB。HUGHES 等首次研究了Grandis 公司的MTJ 在輻射環(huán)境下的自旋轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)和狀態(tài)保持。用能量為220MeV、劑量為1×1012/cm2的質(zhì)子輻照MTJ 器件，結(jié)果表明STT-MTJ 在輻射前后的磁化開(kāi)關(guān)過(guò)程無(wú)明顯變化，如圖5 所示。同時(shí)，也沒(méi)有觀察到離子輻射對(duì)狀態(tài)保持的影響。KOBAYASHI 等[17]研究了重離子輻照(15 MeV Si 離子)對(duì)基于CoFeB-MgO 的STT-MTJ 電阻變化的影響。結(jié)果表明離子輻射會(huì)使得MTJ 電阻產(chǎn)生一個(gè)微弱的退化（阻值變化范圍在1%左右），但輻照前后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)狀態(tài)和時(shí)間無(wú)明顯變化。

圖5 不同能量的質(zhì)子輻射前后STT-MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程

上述研究主要集中在輻射效應(yīng)對(duì)MTJ 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及開(kāi)關(guān)過(guò)程等器件功能上的影響，很少有對(duì)MgO勢(shì)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(duì)具有1.2 nm 厚的MgO 勢(shì)壘的MTJ 進(jìn)行Co60γ 射線輻射實(shí)驗(yàn)，射線劑量高達(dá)10 Mrad(Si)，沒(méi)有觀察到TMR、電阻面積(RA)值以及自旋轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)行為的明顯變化。

4 MRAM 輻射效應(yīng)研究方法

4.1 電鏡表征

MTJ 作為MRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心結(jié)構(gòu)，諸多學(xué)者對(duì)其輻照環(huán)境中電阻的變化進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在高劑量的重離子暴露環(huán)境中，大部分器件均會(huì)產(chǎn)生位移損傷。特別是MTJ 中的界面態(tài)對(duì)于重離子輻射引起的器件結(jié)構(gòu)微觀變化極為敏感。一般來(lái)說(shuō)，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(nèi)部相鄰層之間晶格混合結(jié)構(gòu)的有效方法。與重離子相反，高能質(zhì)子和Co60γ 射線照射對(duì)MTJ 的磁性能及其STT 開(kāi)關(guān)行為的影響很小，這使得MTJ 成為這些輻射環(huán)境中輻射加固的極具競(jìng)爭(zhēng)力的器件。

基本的MRAM 元件MTJ 一般由兩個(gè)鐵磁層和中間的薄絕緣層組成。存儲(chǔ)的信息位取決于這兩種磁化的相對(duì)方向，平行或反平行使得MTJ 表現(xiàn)出兩種穩(wěn)定的電阻狀態(tài)，分別代表不同的數(shù)據(jù)[9]。圖6 為TEM拍攝的MR4A08B MRAM 的剖面圖，存儲(chǔ)單元為1M1T 結(jié)構(gòu)。訪問(wèn)晶體管的柵氧厚度為2.8 nm，寬長(zhǎng)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(wèn)時(shí)間，以及幾乎無(wú)限的重復(fù)讀寫(xiě)次數(shù)。

輻射效應(yīng)引起的器件損傷或功能失效往往是通過(guò)對(duì)材料界面態(tài)的影響導(dǎo)致的。通過(guò)透射電鏡可以直接觀測(cè)到界面態(tài)晶格結(jié)構(gòu)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(tài)的變化。除了TEM，原子力顯微鏡也可以用來(lái)表征薄膜界面粗糙度的變化。表面粗糙度可以用來(lái)推斷MTJ 結(jié)構(gòu)中多層膜的混合結(jié)構(gòu)，但仍然不能量化界面處的混合狀態(tài)。

圖6 1M1T 存儲(chǔ)單元的TEM 橫截面

圖7 輻射后Pd/Fe/MgO/Fe 隧道結(jié)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(duì)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(guān)，這取決于材料的電子密度。一般情況下，大多數(shù)材料的臨界角小于1°。當(dāng)入射角逐漸增大超過(guò)臨界角時(shí)，入射X 射線束穿透到材料中，在樣品不同界面處反射產(chǎn)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(qiáng)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(lái)估算：

其中λ 是X 射線波長(zhǎng)，Δ2θ 是連續(xù)干擾峰之間的2θ角分離。圖8 展示了Co/AlOx/Co 結(jié)構(gòu)在Ar+輻射前后的XRR 變化?？梢酝ㄟ^(guò)模擬提取關(guān)于密度和厚度以及表面/界面粗糙度的信息。反過(guò)來(lái)，單個(gè)層的混合結(jié)構(gòu)可以通過(guò)厚度、密度和每層粗糙度的變化來(lái)量化[18,22]。

通過(guò)TEM、AFM、XRR 等表征方法，可以很好地觀測(cè)到離子輻射對(duì)MTJ 界面態(tài)產(chǎn)生的影響，從而更好地解釋輻射誘導(dǎo)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)、寫(xiě)失效及TMR 退化等現(xiàn)象。結(jié)合退火后器件功能的恢復(fù)情況可以進(jìn)一步明確失效的物理機(jī)制。

圖8 Co/AlOx/Co 多層膜結(jié)構(gòu)XRR

4.2 TCAD 仿真

除了輻射試驗(yàn)外，模擬仿真也是研究MRAM 輻射效應(yīng)很重要的一部分。模擬仿真可以更加直觀系統(tǒng)地展示輻射效應(yīng)的深層物理機(jī)制，有助于系統(tǒng)地分析各項(xiàng)輻射損傷或失效產(chǎn)生的原因。模擬仿真領(lǐng)域主要包括MTJ 的行為及模型創(chuàng)建和電路系統(tǒng)的仿真。建模領(lǐng)域以北京航空航天大學(xué)趙巍勝教授為代表，創(chuàng)建了MTJ 的Verilog-A 模型，并基于此開(kāi)展了大量的電路功能仿真以及抗輻射加固技術(shù)的研究工作。HEINZ 等使用快速Airy 函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)了MTJ 磁化動(dòng)力學(xué)和自旋相關(guān)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(guò)集成到通用的TCAD 框架中，可以模擬單個(gè)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(shí)與先進(jìn)的深亞微米器件的TCAD模型相結(jié)合將成為可能。通過(guò)該模型，可以更加真實(shí)地模擬MRAM 存儲(chǔ)單元輻射效應(yīng)，進(jìn)而可以更加深入地揭示出器件的輻射損傷機(jī)制。但是，目前基于Airy 的MTJ 模型還不是很完善，磁化分布狀態(tài)等諸多關(guān)鍵項(xiàng)還無(wú)法很好地集成進(jìn)去，因此進(jìn)一步完善MTJ TCAD 模型是急需解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。

5 MRAM 外圍電路抗輻射加固設(shè)計(jì)

常規(guī)輻射環(huán)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(xiě)電路的錯(cuò)誤所致。由于MRAM 的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)是通過(guò)外圍CMOS 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此輻射所誘導(dǎo)的外圍電路失效才是MRAM 出現(xiàn)故障的主要原因，為此需要對(duì)MRAM 的外圍讀寫(xiě)電路特別是敏感放大器進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)。

圖10 基于MTJ 的NV-SRAM 單元

為了實(shí)現(xiàn)基于MRAM 的大規(guī)模集成電路仿真，首先要?jiǎng)?chuàng)建MTJ 的集總模型?；诂F(xiàn)有的基本物理模型，STT-MTJ 的集總模型可以用Spice 或者Verilog-A進(jìn)行創(chuàng)建，并在相應(yīng)的仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬。圖11(a)為趙巍勝等創(chuàng)建的STT-MTJ 模型的符號(hào)圖，圖11(b)為直流仿真的結(jié)果。首先對(duì)靜態(tài)行為模型的功能進(jìn)行驗(yàn)證，MTJ 的直徑設(shè)置為40 nm。在此模擬中，從P 態(tài)到AP 態(tài)的臨界電流開(kāi)關(guān)磁化強(qiáng)度約為72 μA，而反向開(kāi)關(guān)臨界電流約為28 μA。這些結(jié)果表明靜態(tài)行為物理模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間有很好的一致性，并證實(shí)了CoFeB/MgO PMA MTJ 的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果所顯示的兩種狀態(tài)之間強(qiáng)烈的開(kāi)關(guān)不對(duì)稱性[24]。這是由于P 和AP狀態(tài)下自旋極化效率因子g 的不同所致。同時(shí)也可以描述這兩個(gè)MTJ 狀態(tài)不對(duì)稱的電壓相關(guān)性，這是由于TMR 的電壓相關(guān)性所引起的。

圖11 STT-MTJ 集總模型及直流仿真結(jié)果

圖12 為瞬態(tài)仿真結(jié)果。瞬態(tài)仿真可以驗(yàn)證物理模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間動(dòng)態(tài)行為的一致性。從分析仿真結(jié)果不難看出，開(kāi)關(guān)延遲與寫(xiě)入電流成反比，這與前面的動(dòng)態(tài)物理模型相一致。PMA MTJ 作為邏輯和存儲(chǔ)器芯片的基本單元，有著巨大的應(yīng)用前景。對(duì)于邏輯計(jì)算，可以提供大電流以保證高速度，但對(duì)于內(nèi)存應(yīng)用，可以使用小電流來(lái)提供高密度。

圖12 STT-MTJ 瞬態(tài)仿真結(jié)果

由于TMR 效應(yīng)，MTJ 呈現(xiàn)出不同狀態(tài)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(cè)MTJ 的電阻狀態(tài)并將它們放大到邏輯電平。在幾種不同的敏感放大器中，預(yù)充敏感放大器（PCSA）不僅可以實(shí)現(xiàn)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(yù)充敏感放大器電路原理圖

PCSA 電路包括預(yù)充子電路（MP2、MP3）、放電子電路（MN2）和作為放大器的一對(duì)交叉互鎖的反向器（MN0、MN1 和MP0、MP1）。它的兩個(gè)分支通常連接到幾個(gè)具有互補(bǔ)態(tài)的MTJ。它的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：“預(yù)充電”和“評(píng)估”。在第一階段，“CLK”被設(shè)置為“0”，輸出（“QM”和“/QM”）通過(guò)MP2、MP3 被拉到“VDD”或邏輯“1”，而MN2 保持關(guān)閉。在第二階段，“CLK”變成“1”，MP2、MP3 被關(guān)閉，MN2 打開(kāi)。由于兩個(gè)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(dá)到晶體管（MP0 或MP1）的閾值電壓。此時(shí)，另一個(gè)支路將被拉到“VDD”或邏輯“1”，而這個(gè)低阻支路將繼續(xù)下降到“GND”或邏輯“0”。

根據(jù)STT-MTJ 的開(kāi)關(guān)機(jī)制，需要雙向電流以實(shí)現(xiàn)MTJ 的自由層中磁化方向的切換。為了實(shí)現(xiàn)高速邏輯設(shè)計(jì)，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(xiě)入電路占整個(gè)電路的主要面積和功耗。因此，對(duì)寫(xiě)入電路的研究是混合MTJ/CMOS 電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

與具有互補(bǔ)狀態(tài)的雙MTJ 讀電路相對(duì)應(yīng)，寫(xiě)電路是通過(guò)一組控制雙向電流寫(xiě)入的組合邏輯電路所完成的，如圖14 所示。兩個(gè)NMOS（MN0、MN1）和兩個(gè)PMOS（MP0、MP1）晶體管構(gòu)成主電路。每次只有對(duì)角線上的一對(duì)NMOS 和一個(gè)PMOS 處于打開(kāi)狀態(tài)，而另一對(duì)則關(guān)閉，從而使得寫(xiě)入電流從“VDDA”經(jīng)由兩條不同的路徑進(jìn)入到“GND”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MTJ 的狀態(tài)寫(xiě)入。由于兩個(gè)MTJ 是首尾相接的連接方式，因此它們的存儲(chǔ)信息位始終相反。通過(guò)兩個(gè)或非門和三個(gè)反向器，輸入數(shù)據(jù)“Input”和使能信號(hào)“EN”分別控制電流的寫(xiě)入方向和電路的使能。

圖14 STT-MRAM 數(shù)據(jù)寫(xiě)入電路原理圖

由于MTJ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有非易失的特點(diǎn)，輻射效應(yīng)只對(duì)進(jìn)行讀寫(xiě)操作狀態(tài)下的外圍電路產(chǎn)生影響。圖15為STT-MRAM 讀寫(xiě)電路的輻射敏感點(diǎn)電路原理圖，其中A、B、C 和D 點(diǎn)分別為敏感放大器和雙向電源網(wǎng)絡(luò)電路的輻射敏感點(diǎn)。該區(qū)域在受到粒子輻射后容易產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖，從而使得數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作失效。

針對(duì)敏感放大器中的輻射敏感點(diǎn)通常采用雙交叉互鎖結(jié)構(gòu)（DICE）進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，如圖16 所示[25]。DICE 結(jié)構(gòu)可以保證數(shù)據(jù)在讀寫(xiě)的過(guò)程中不會(huì)因粒子的輻射效應(yīng)而產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)，從而降低MRAM 在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的過(guò)程中受到輻射影響而產(chǎn)生的軟錯(cuò)誤。由于MRAM 的非易失性，在靜態(tài)工作狀態(tài)時(shí)可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MTJ 中，并切斷電源，可以進(jìn)一步降低輻射效應(yīng)對(duì)外圍電路的影響。同時(shí)，由于電源的關(guān)斷也可以降低系統(tǒng)功耗。

圖15 STT-MRAM 讀寫(xiě)電路輻射敏感點(diǎn)

圖16 抗輻射加固DICE 鎖存器電路原理圖

圖17 抗輻射加固N(yùn)V-DICE 瞬態(tài)波形圖

圖17 為非易失DICE 輻射加固電路的瞬態(tài)波形圖。通過(guò)設(shè)置仿真文件，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)恢復(fù)特性SEU 脈沖并沒(méi)導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。此外，在電路不工作的狀態(tài)下可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MTJ 單元中，關(guān)斷電源，降低功耗。當(dāng)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)又可以將數(shù)據(jù)由MTJ 重新讀回DICE 結(jié)構(gòu)中，如圖17中Restore 部分波形所示。上述電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及功能仿真均可通過(guò)Spectre 等電路仿真EDA 工具實(shí)現(xiàn)，通過(guò)仿真得到的波形圖可以很直觀地分析輻射效應(yīng)對(duì)外圍電路的功能影響。

6 結(jié)論

目前對(duì)MRAM 輻射效應(yīng)的研究主要集中在當(dāng)前商用的主流MRAM 芯片上，通過(guò)輻射試驗(yàn)及電鏡表征相結(jié)合的方式開(kāi)展空間粒子輻射效應(yīng)研究。通過(guò)對(duì)商用MRAM 芯片的輻射實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)可以得到其抗單粒子瞬態(tài)、單粒子翻轉(zhuǎn)及單粒子位移損傷等輻射效應(yīng)的性能。結(jié)合電鏡表征，可以得到粒子輻射對(duì)MTJ 單元造成的物理?yè)p傷，從而揭示出輻射誘導(dǎo)的寫(xiě)失效等物理機(jī)制。借助于EDA 仿真工具創(chuàng)建MTJ 電路模型及TCAD 模型，可以實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)級(jí)的輻射效應(yīng)模擬。同時(shí)，對(duì)于不同的輻射效應(yīng)有針對(duì)性地提出電路系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)加固方案，從而提高M(jìn)RAM 的抗輻射性能。開(kāi)展MRAM 輻射效應(yīng)的研究，為設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的抗輻射MRAM 芯片奠定了理論基礎(chǔ)，使抗輻射MRAM 芯片的研制成為可能。