垂直STT-MRAM的磁免疫性

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：The magnetic immunity of perpendicular STT-MRAM

　　摘要
本研究建立了一个全面的STT-MRAM磁免疫评估框架，将材料属性和操作条件与系统级可靠性联系起来。一个通用热稳定性模型能够准确地推导出在任意磁场和角度下的数据保留（DR）特性，克服了传统垂直场方法的局限性。读取干扰率（RDR）与数据保留故障分离，从而能够精确量化主动读取操作过程中的数据保持情况。写入错误率（WER）表现出非线性的角度依赖性，主要受二阶各向异性和类似磁场的扭矩影响，其中操作条件起着关键作用。读取错误率（RER）对磁场方向的敏感性通过一个结合了热波动和电阻漂移的统一单域模型来解释。通过结合实验、微磁模拟和ECC意识分析，这项工作不仅提供了对磁化动态的基本见解，还为设计适用于复杂电磁环境中的汽车和工业应用的鲁棒STT-MRAM提供了实用指南。

引言
磁阻随机存取存储器（MRAM）通过磁隧道结（MTJ）的非易失性工作原理存储数据，信息由两个铁磁层之间的相对磁化方向编码，这两个铁磁层之间隔着超薄绝缘层[1]，[2]。与传统的存储技术相比，MRAM具有高读写速度、几乎无限的耐用性和良好的抗辐射性[3]，[4]，[5]。然而，MTJ背后的磁机制——即堆栈结构的内在磁属性和场依赖的磁阻效应[6]——也导致了STT-MRAM产品特有的可靠性问题，即磁免疫性。具体来说，由于自由层的磁化容易受到外部磁场的影响，稳定存储状态的能垒可能会增加或减少，这可能导致意外的比特翻转或固定。这使得基于MTJ的设备在不可避免暴露于磁场的环境中变得脆弱。在工业和汽车环境中，环境磁场干扰可能来自电机、永磁部件以及携带大电流的导线[7]。根据AEC Q100对汽车级微控制器的要求，在150°C下的整个使用寿命内，故障率必须为零（0 ppm）[8]。自从EVERSPIN开发出第一代商用产品以来，磁免疫性问题在MRAM行业中一直备受关注[9]。与此同时，工业级的多轴磁场测试技术也已经成熟——例如，Hprobe IBEX平台能够在晶圆级别进行三维矢量磁场特性分析[10]，为角度依赖的测试提供了实用的基础设施。尽管有这样的测试能力，但在实际产品认证中主要采用一维方法，在标准的面外直流场条件下对比特错误率（BER）进行统计分析[8]，[11]，[12]，[13]，[14]。虽然这种方法能够捕捉到主要的故障模式，但新的证据表明，与易轴不成平行角度的磁场会显著降低可靠性[15]，[16]，[17]，[18]，[19]——这是标准单轴测试可能无法完全捕捉到的效应。这种角度依赖的脆弱性可能导致假设与实验结果之间的差异，表明需要在真实的磁场暴露条件下进行测试以进行全面可靠性评估。尽管如此，系统地表征在任意场角和复杂任务剖面下的故障模式仍然是一个需要进一步研究的领域。另一方面，基于物理的微磁模型是理解和预测磁行为角度依赖性的宝贵工具，以及识别设备性能预期趋势的工具。然而，由于多种物理现象的相互作用难以在单一模型中捕捉，因此在所有操作条件下的定量故障预测仍然具有挑战性。在这项工作中，我们扩展了这些建模方法，系统地分析了在不同场条件下的磁免疫性，同时认识到整合额外的物理效应是未来改进的重要方向。建立与磁免疫性相关的测试方法并在产品层面识别所有故障模式也是一个挑战。引入纠错码（ECC）使这个问题变得更加复杂。因此，一些以前的产品是通过测试启用ECC的单个芯片来确定其磁免疫性的，直到发生一定数量的不可纠正错误[20]。当场强或暴露时间增加时，预计多比特错误的概率会更高。然而，目前尚不清楚ECC是否可能会突然失效。这个问题直接导致了行业内缺乏统一且实用的磁免疫性定义，使得不同制造商产品的磁免疫性难以进行公平有效的比较。为了解决上述问题，我们基于垂直STT-MRAM进行了系统的磁免疫性测试研究。本文的结构如下：第1节展示了缩写列表。第2节提供了介绍。第3节描述了用于磁免疫性测试的设备平台。第4至7节依次研究了DR、RDR、WER和RER的磁免疫特性，提出了可扩展的测试方法、故障模型和产品级评估框架。最后，第7节总结了研究的总体结论。

芯片级磁免疫性测试平台
本研究中使用的样品是浙江Hikstor科技有限公司生产的4M比特STT-MRAM设备（部件编号：HS4MANSQ1A-DS1，SOP8封装）。这些芯片采用标准的40纳米工艺节点制造。MTJ单元的直径为70纳米，并使用垂直磁各向异性（PMA）材料作为自由层，以确保高热稳定性和可扩展性。场依赖的DR、WER、RDR和RER使用定制设计的设备进行了表征。

场依赖热稳定性的测试方法
如图2(a)所示，用于表征应用场引起的比特翻转概率的实验协议包括四个连续阶段，具体如下（以AP2P为例）：
(a) 在零外部磁场下初始化系统。将预定义的AP状态写入设备。
(b) 将施加的磁场方向设置为??app=??。然后施加一个大小为（??app=??）的磁场，以破坏AP状态持续时间（??DR）。
(c) 在施加磁场下测量读取干扰错误

在读取操作过程中，读取电流会在自由层上诱导STT效应，降低其磁化状态的热稳定性。这种现象称为读取干扰，会导致存储数据的失败率增加。在我们的芯片中，读取电流从参考层流向自由层，因此读取干扰主要影响AP2P的DR。因此，在读取干扰的影响下，磁免疫性可能会比没有读取操作时更差。

在施加磁场下的WER评估
进行了在不同磁场条件下的WER的全面评估。为了测试MTJ的内在属性，在整个测试过程中禁用了ECC，从而消除了CMOS电路纠正机制可能引入的潜在测试误差。以AP2P为例，非零场下测试WER的步骤如图8所示：
(a) 在零磁场下将存储阵列初始化为AP状态，写入“1”。
(b) 打开磁场，并写入“0”

在施加磁场下的RER评估
在上述三个部分中，所有故障机制都是由比特翻转引起的。另一方面，未翻转状态的比特也可能导致故障，例如读取错误率（RER）。零场下的RER问题已被广泛研究，其主要影响因素是TMR和参考电阻[41]。图13(a)描述了RER的磁免疫性评估方法，可以总结为以下步骤：
(a) 通过写入“1”将所有存储比特初始化为AP状态

结论
本研究通过研究场依赖的DR、RDR、WER和RER，推进了STT-MRAM磁免疫性的评估框架，建立了材料属性、操作条件与系统级可靠性之间的相关性。对于DR，开发了一个通用热稳定性模型，能够准确推导出在任意磁场强度和角度下的保留特性。通过多维度验证确认了该模型的有效性。

CRediT作者贡献声明
Zhengren Yan：撰写 - 原始草稿、可视化、验证、软件、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据策划、概念化。
Pengqi Lu：撰写 - 审阅与编辑、方法论、调查。
Yuyan Chu：方法论。
Yizhou Liu：撰写 - 审阅与编辑。
Haifeng Du：撰写 - 审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响到本文所述工作的财务利益或个人关系。

Zhengren Yan | Pengqi Lu | Yuyan Chu | Yizhou Liu | Haifeng Du | Shikun He
浙江Hikstor科技有限公司，中国杭州311300