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两层铁磁薄膜中间夹上纳米级厚度的金属氧化物绝缘薄膜形成的多层薄膜堆叠结构即:磁性隧道结(MTJ)。MTJ结构中的不导电绝缘体成为阻挡电子流通的‘墙壁’,但是电子能通过量子隧穿效应穿过绝缘薄膜,即隧穿磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance, TM)[12]。如图1所示,实验测到该结构的电阻值随着绝缘层两侧铁磁层相对磁化方向的改变而变化很大,因此能形成电阻差异较明显的两种物理稳态,进而可实现二进制数据‘0’与‘1’的存储。能带理论认为过渡金属材料的磁性是由于3d与4s带交叠在一起,3d电子虽然存在能带结构,但它们又相当局域,电子间的交换使自旋简并的电子能带发生分裂。考虑电子间的交换作用后,能带分裂成不对称形式,其中上自旋电子比下自旋电子数目多,在3d能带形成未被抵消的自发磁矩。经典物理将导体中电子受到晶格原子的散射被定义为电阻,而巨磁阻效应是由于磁性材料对具有不同自旋取向的电子散射率不同而导致的结果[13]。
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实验选用的磁阻式存储器为Freescale公司生产的全球第一款商用MRAM[14]:MR2A16A是一款4 Mbit的3.3 V异步存储器,读写周期35 ns。存储基本单元为一个NMOS晶体管、一个磁性隧道结的组成的1T1MTJ结构,存储单元面积为1.3
$ {\text{μm}}^2 $ 。MR2A16A的存储结构与顶部光学图像如图2所示。为了保证离子在芯片中有足够的射程到达敏感区,因此在进行辐照之前需要对芯片开封处理。使用开封机对芯片进行开封处理之后,再经过化学试剂侵泡处理将芯片钝化层上130 μm 厚的坡莫合金取下,芯片功能测试正常之后才能用于辐照试验。
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利用HIRFL开展重离子辐照实验。如图3所示,在Non-volatile测试模式下,外围电路处于非工作不加电状态,因此可以排除其对存储阵列的影响,进而可以研究存储阵列磁性隧道结对辐射损伤的敏感性。Non-volatile模式在真空实验罐中进行,通过在测试芯片表面加不同厚度的铝箔得到能量不同的离子,试验中的离子注量为1×107 ions/cm2·s。
使用蒙特卡罗模拟程序(SRIM)计算重离子辐照参数[15],具体的参数如表1所列。由于MTJ位于芯片表面下5.6 µm处,因此所有的离子均能够到达MTJ层。
离子种类 铝箔/μm 芯片表面能量/(MeV/u) 硅中LET/(MeV·cm2/mg) 硅中射程/μm 数据图形 离子注量/(ions/cm2) Ta 24 10.9 75.7 115.4 55h/FFh 1×108 1×109 3×1010 1×1011
Investigation of Types and Mechanisms of MTJ Function Failure Induced by Heavy Ion Irradiation
doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020036
- Received Date: 2020-06-08
- Rev Recd Date: 2020-07-11
- Publish Date: 2021-03-20
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Key words:
- heavy ion irradiation effect /
- magnetoresistive memory /
- magnetic tunnel junction /
- hard error
Abstract: We study the physical law of the influence of ion fluence on the electrical properties of magnetic tunnel junctions (MTJ). We find for the first time that high-energy ionization radiation damage caused the failure of MTJ electrical functions in our experiment. The main failure modes are high and low resistance state failures, of which 79.9% are high resistance state failures. Our results show that the damage caused by a single Ta ion with 10.9 MeV/u cannot cause the electrical function of MTJ to fail. Combining theoretical calculations and Monte Carlo simulation analysis, we derive that the damage to the tunnel insulating layer and the ferromagnetic film in the MTJ is the internal cause of high and low resistance state failure.
Citation: | Peixiong ZHAO, Jie LIU, Tianqi LIU, Chang CAI, Qinggang JI, Dongqing LI, Ze HE, Youmei SUN, Hongchao ZHENG. Investigation of Types and Mechanisms of MTJ Function Failure Induced by Heavy Ion Irradiation[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(1): 89-94. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020036 |