TW200423125A - Hardware security device for magnetic memory cells - Google Patents

Description

200423125 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於磁性記憶體或磁阻隨機存取記憶體 (magnetoresistive random access memories ; MRAM)，更特 定言之，係關於一種用以防止磁記憶單元藉由曝露於磁場 而遭到誤用，或用以偵測非故意曝露於磁場之情況以便避 免因為此曝露而引起的故障之方法及裝置。 【先前技術】 磁性或磁阻隨機存取記憶體（MRAM)目前係由許多公司 視為快閃記憶體的後續者。其能夠替代幾乎為最快的靜態 隨機存取記憶體（static RAM; SRAM)。此使MRAM非常適 合作為用於晶片上系統（System on Chip ; SoC)的欲入式記 憶體。其為一非揮發性記憶體（non_volatile memory ; NVM) 裝置，此意味著無需電源來維持所儲存的資訊。此係視為 大多數其他類型的記憶體所沒有的一優點。 MRAM概念係最初由美國Honeywell公司所開發，並且使 用作為資訊儲存器的一磁性多層裝置中的磁化方向及所產 生的電阻差別以讀出資訊。正如所有的記憶體裝置，一 MRAM陣列中的各單元必須能夠儲存代表一「1」或一「〇」 的至少二種狀態。 存在不同種類的磁阻（magnetoresistive ; MR)效應，其中 巨磁阻（Giant Magneto-Resistance ; GMR)及穿隨磁阻 (Tunnel Magneto-Resistance ; TMR)為目前最重要的磁阻。 GMR效應及TMR或磁性穿隧接面（Magnetic Tunnel

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Junction ; MTJ)或自旋相依穿隧（Spin Dependent Tunneling ;SDT)效應提供實現（例如）非揮發性磁性記憶體之可能性 。該等裝置包括薄膜之一堆疊，該等薄膜之至少二個為鐵 磁性或亞鐵磁性，而且該等薄膜係藉由一非磁性中間層所 分離。GMR為用於具有導體中間層的結構之磁阻，而TMR 為用於具有介電中間層的結構之磁阻。若一很薄導體係放 置於二鐵磁性或亞鐵磁性膜之間，則當該等膜之磁化方向 為平行時，複合多層結構之有效同平面電阻為最小；而當 該等膜之磁化方向為反平行時，該有效同平面電阻為最大 。若一薄介電中間層係放置於二鐵磁性或亞鐵磁性膜之間 ，則當該等膜之磁化方向為平行時，該等膜之間的穿隧電 流係觀察為最大（或者因此電阻為最小）；而當該等膜之磁 化方向為反平行時，該等膜之間的穿隧電流為最小（或者因 此電阻為最大）。 磁阻係通常量測為以上結構從平行磁化狀態改為反平 行磁化狀態時的電阻增加百分比。TMR裝置提供高於 GMR結構的磁阻百分比，因此能夠提供較高信號及較高速 度。最近結果指示穿隨能提供超過40%的磁阻，與良好 GMR單元中10%至14%的磁阻形成對比。 一典型磁阻隨機存取記憶體裝置包括配置在一陣列中 的複數個磁阻記憶體元件，例如磁性穿隧接面（MTJ)元件 。MTJ記憶體元件一般包括一分層結構，該結構包括一確 定或固定層、一自由層及兩者之間的一介電阻障層。磁性 材料之固定層具有始終指向相同方向的一磁向量。自由層

90223.DOC 200423125 ^向量為自由性’但是抑制在該層之易磁化 =係由記憶體元件之實體尺度決定。自由層之二 ;:該=向之任Γ個：與固定層之磁化方向平行或反 、^ 万向與孩易磁化軸一致。磁阻隨機存取*險 基本原理為根據磁化之方向將資訊儲存為二资二 (例如「〇 男Γ 1 、 /、不卞 」 」）。此係為何磁性資料為非揮發性，而 且將不會發生變化直至受到一外部磁場的影響。若一 RAM單it之分層結構的兩磁性膜係採用自$方向（平行） 磁化，則資料為二個二進制數值之任一個，例如「〇」丨否 則，若MRAM單元之分層結構的兩磁性膜係採用反轉方: (反平行）磁化，則資料為另一個二進制數值，例如「丨」。 利用分層結構之電阻視方向是否平行而變化之事實，系統 可以區別資料之兩二進制數值，例如「〇」或「丨」。 一般而言，以下為撾尺八撾單元及磁記憶單元之缺點：故 意或非故意曝露於強磁場使該等單元易受攻擊。 對於某些應用（例如在智慧卡中），儲存於磁記憶單元（例 如MRAM單元）中的資料具有秘密性。重要的係資料具有安 全性，而且除經由與例如一積體電路（IC)之接針的正常、 控制電性連接以外，無法採用其他方式取回。必須保護資 料以防止任何人採用一未經授權方式讀取該資料，並且若 已採用一未經授權方法改變資料，則防止任何人使用該資 料0 在WO 00/07184中解決此問題係藉由採用一易損資訊儲 存機制内的一可記錄資料層，此回應一預定使用或一時間

90223.DOC 200423125 因數之至少一個而具有易損性， 、 巧谓τ生從而消除存取記錄資料。 所說明的具體實施例之一你始Tvm 、 … 〈係私用MRAM技術，其中磁阻 吞己憶單元各包括一磁記憶單元元株r 早7C 7C件（例如一多層GMR材料 ，在該元件中資料係以磁化肖# L U里的形式而儲存。儲存於 MRAM單元中的資料係由—讀取器所讀取，該讀取器能夠 施加足以抹除資料的磁場。因此，在讀取或存取資料的同 時，產生銷毁記錄資料的一磁場。 己錄資料即使沒有遭 即使只採用一正常及經 以上說明的解決辦法之一缺點為 到誤用，也變為不可存取之事實。 杈權万法來使用資料，也會拒絕存取資料或者銷毁資料 因此，對於某些應用（例如智慧卡）而言 極需要提供一 安全MRAM陣列，以便除經由正常、控制方法（例如與冗之 接針的電性連接）以外，無法採用另一方法來改變儲存於 MRAM單元中的資料。 【發明内容】 本發明之一目的係提供一硬體保護裝置，用以指示磁記 憶單元之一陣列（例如一 MRAM陣列）已故意或非故意曝露 於一外邵磁場，尤其係在安全性比較重要或者在資料之完 整性至關緊要的應用中。 達到以上目的係藉由一種依據本發明之方法及裝置。 本發明提供一種磁記憶單元之陣列，該陣列具有至少一 安全裝置。磁記憶單元可以為（但不限於）任一 Mr類型（例 如AMP、GMR、TMR)的MRAM單元之一陣列。或者，磁記 憶單元可以在一磁帶上（例如一銀行卡上的一磁條），該等

90223.DOC 200423125 單元可以為（可移除式）硬碟（hard disks ; HDD)或軟碟。依 據本發明之至少一安全裝置包括一第一磁性元件及一第二 磁性元件，各元件具有一預設磁化方向。第一及第二磁性 元件之預設磁化方向互不相同。第一及第二磁性元件係適 合於將其磁化方向與一外部施加磁場之磁場線對準，從而 指示陣列曝露於此外部磁場。 依據本發明之一具體實施例，第一及第二磁性元件可以 包括任一 MR類型（例如AMP ' GMR、TMR)的MRAM單元。 或者，可以將其他磁性元件用於安全裝置，例如包括磁帶 的裝置。在後者情況下，本發明之安全裝置可以實施於一 安全標载或安全晶片上’該標藏或晶片可以實施於（例如） 一智慧卡或HDD中以監視其完整性。將MRAM單元用於安 全裝置之一優點為，安全裝置可以輕易地添加至磁單元之 一嵌入式或獨立式陣列中。與磁帶相比，依據本發明基於 MR元件之安全裝置可以電子方式輕易地讀出而無需任一 機械移動。 此外，在包括MRAM單元的安全裝置中，MRAM單元可 以各具有一自由磁性層，該層具有預設反轉磁化方向。藉 由改變此預設磁化方向並且量測所造成的安全裝置之 MRAM單元的電阻變化，可以偵測曝露於一外部磁場之情 況。 依據本發明，安全裝置可以建立在鄰近於必須加以保護 的磁記憶單元處。經由此方法，當陣列之一磁記憶單元係 受一外部磁場影響時，將受到影響的係鄰近安全裝置，而 90223.DOC -10- 200423125 、:步远離受影響磁記憶單元之一安全裝置。 依據本發明之另—具體實施例，複數個安全裝置可以空 間地分配於陣列中的磁記憶單元當中。此有利，因為*門 地分料錢憶單元當巾的較多安全裝置在㈣中所= 置處提供曝路;^外邵磁場之情況的更精確摘測。 本發明還提供一種包括磁記憶單元之一陣列的積體電 :巧等單兀具有如以上所說明的至少一安全裝置。積體 私路可以進一步包括一控制電路，用以在藉由安全裝置指 示陣列曝路於外邵施加磁場之後，抹除磁記憶單元之資料 内容及/或阻礙積體電路之功能。 本發明進一步提供一種用以指示磁記憶單元之一陣列 曝露於一外部磁場的方法。該方法包括當陣列係曝露於外 部磁場時，改變一磁性安全裝置之一預設磁化方向。該安 全裝置可以包括具有一第一預設磁化方向的一第一磁性元 件，及具有一第二預設磁化方向的一第二磁性元件，該等 第一及第二預設磁化方向係互不相同。預設磁化方向之改 變可以包括將第一及第二磁性元件之至少一個的磁化方向 與外部磁場對準。 本發明提供一種方法，其中預設磁化方向之改變可以包 括改變二反轉磁化MRAM單元之至少一個的磁化方向。 依據本發明之方法可以進一步包括決定第一及第二磁 性元件之至少一個的磁化方向變化，例如若安全裝置包括 作為磁性元件的具有一預設磁化方向的第一及第二MRAM 單元，則藉由量測第一及第二MRAM單元之一電阻差別。

90223.DOC •11- 200423125 【實施方式】 將參考某些圖式、针對特定具體實施例來說明本發明， 但是本發明並不限於此而係由申請專利範圍所限制。所說 明的圖式僅為示意性而非限制性。在圖式中，為了解說之 目的，某些元件之尺寸可能會誇大，而非按比例繪製。其 中術語「包括」係用於本發明說明書及申請專利範園中， 該術語並不排除其他元件或步驟。 此外，說明書及申請專利範圍中的術語第一、第二及同 等物係用以在類似元件之間進行區別，而不一定係用以說 明一連續或序時順序。應瞭解如此使用的術語在適當情況 下可以互換，而且此處說明的本發明之具體實施例能以除 此處所說明或解說以外的其他順序而操作。 此外，說明書及申請專利範圍中的術語頂部、底部、在 …上面、在···下面及同等物係為說明性目的而使用，而不 一定係用以說明相應位置。應瞭解如此使用的術語在適當 情況下可以互換，而且此處說明的本發明之具體實施例能 以除此處所說明或解說以外的其他方向而操作。 依據本發明，提供具有一資料内容的磁記憶單元（圖中未 表示）之一陣列，該陣列具有一安全裝置30(如圖1及2所示） ，用以扣示該陣列曝露於一外部磁場。在所說明的具體實 施例中，磁記憶單元包括MRAM單元。 磁阻圮憶單元（各記憶單元包括一磁阻記憶元件）之陣列 係按邏輯組織為列及行。在整份說明書中，術語「水平」 及「垂直」係用以提供一共同座標系統並且僅係為了易於

90223.DOC -12- 200423125 解釋。該等術語不必（但是可以）指裝置的一實際實體方向 。此外，術語「行」及「列」係用以說明連接在一起的陣 列元件組。連結可以列及行之一笛卡兒（Cartesian)陣列形 式，但是本發明並不限於此。熟悉技術人士應瞭解行及列 可以輕易地互換，並且在此揭示案中希望該等術語能互換 。而且，非笛卡兒陣列可加以構造並且包括在本發明之範 骛内。因此術語「列」及「行」應解釋為具有廣義性。為 了方便此廣義解釋，申請專利範圍指按邏輯組織的列及行 。此意味著記憶元件組係以一拓樸線性交叉方式連接在一 走-仁疋貝肖豆或拓樸配置不必如此。例如，列可以為圓周 而行可以為該等圓周的半徑，並且該等圓周及半徑係在本 發明中說明為「邏輯組織」列及行。同樣，希望各線(例如 位兀線及字元線，或列線及列線）之特定名稱為一般性名稱 ，用以方便解釋並且指一特定功能，而且不希望此詞語之 特足選擇以任一方法限制本發明。應瞭解該等術語係僅用 以万便更好地理解所說明的特定結構，而決不希望限制本 發明。 依據本發明，安全裝置3〇包括二反轉磁化或偏磁磁性元 件。依據本發明之一第一具體實施例，該等反轉二進制磁 化或偏磁磁性元件可以藉由離散磁性元件形成，例如藉由 一相關MRAM單元1〇、一組合，該等單元具有反轉或 不同極化磁化方向，如圖i及2所示。採用反轉磁化方向意 味著各單元具有至少二穩定或準穩定磁化方向，而且二單 元係如此配置以便一單元之磁化方向與另一單元相反。各

90223.DOC -13- 200423125 或者二磁化方向可以 以一起

元件之磁化方向可以獨立設定，或者二瘦 設丄 化 。例如，第一MRAM單元10可以具有其確定或固定層丨斗及 自由層18之反平行磁化方向，而第：MRAM單元丨丨可以具 有其確定或固定層14及自由層18之平行磁化方向，如圖1 所示。相關MRAM單元10、11之固定層14在此情況下皆具 有相同磁化方向，而自由層18具有不同磁化方向。或者， 相關MRAM單元10、11之確定或固定層14可以具有對立磁 化方向（圖中未表示）。因此，依據本具體實施例，相關 MRAM單元之自由層18也具有相互之間的反轉磁化方向， 第一及第二MRAM單元之確定層14及自由層18可加以反轉 極化’或者第一及第二MRAM單元之確定層14及自由層18 可以具有一平行極化。 可例如藉由一單一導體12進行安全裝置30之位元的寫 入（「設定」/「初始化」），該導體係放置於安全裝置之元 件10、11上，以便一對立磁場係藉由同一電流脈衝而建立 在二元件10、11之位置處。為了獲得此磁場，寫入線12可 以具有帶二支柱20、21的一 U形，安全裝置30之元件1〇、 11之各個係經由支柱20、21之一受到電流脈衝的影響。並 不需要二電流線來設定安全裝置之位元，因為該等位元不 必為可獨立設定。在此情況下，寫入線12應最好靠近自由 層18，如圖1所示。 90223 .DOC -14- 200423125 或者，可藉由獨立設定位元進行初始化安全裝置30之位 元，其係（例如）藉經由安全裝置30的元件10、11之上面或 下面的交叉電流線之組合電流（圖中未表示）。 依據本發明之一安全裝置30可以併入鄰近於必須加以 保護的MRAM單元之MRAM單元的一陣列。第一電流線 (例如數位線）沿MR AM單元之一側上的陣列之列而行進， 而第二電流線（例如位元線）沿記憶單元之對立側上的陣列 之行而行進。依據另一具體實施例，安全裝置30可以放置 為與陣列中的正常MRAM單元形成一角度。 因為一陣列中的MRAM單元之尺度較小而且其密度較高 ，所以故意（干預）或非故意曝露於一外磁場都會導致單元 之磁化方向的變化。特定言之，單元成對對立磁化方向遭 到干擾，並且產生相鄰MRAM單元之自由層的磁化方向之 一平行方向。此平行方向可以沿外部磁場之方向。如本發 明所說明的硬體安全裝置30係根據以上所說明的原理。 當安全裝置30係曝露於一外部磁場時，安全裝置30之磁 性元件的磁化方向將得以改變，以便指向該外部施加磁場 的方向。依據本發明之第一具體實施例，安全裝置30的 MRAM單元10、11之一的自由層18之磁化方向將得以改變 。自由層18之磁化向量將全部指向相同方向，該方向亦對 應於外部磁場之磁化方向。經由此方法，安全裝置3 0之兩 MRAM單元10、11現在具有平行磁化方向。 應暸解MRAM單元10、11之平行及反平行組態具有不同 電阻。一 MRAM單元10、11之電阻為較低或較高，視相對 90223.DOC -15- 200423125 極化、自由層18相對於固定磁性層14之平行或反平行磁化 方向而定。因此’藉由量測安全裝置30之兩MRAM單元10 、11的電阻差別，可以輕易地決定其相互磁化方向。對於 圖1所示的具體貫施例而言，一較大電阻差別指示一正常 情形，即MRAM單元之一10係在一反平行組態中，而另一 個MRAM單元11係在平行組態中，此意味著mraM單元之 陣列尚未曝露於一外邵磁場。安全裝置3 〇之兩MRAM單元 10、11之間沒有電阻差別則指示兩MRAM單元1 〇、11具有 相同極化磁化方向，因此已曝露於一外部磁場，該磁場已 改變陣列之MRAM單元1 〇、11的自由層丨8中的磁化方向。 或者，依據未在圖中表示的該等具體實施例之任一個，採 用反轉極化確定或固定磁性層，安全裝置之二MRAM單元 之間沒有電阻差別則指示一正常情形，而安全裝置之兩 MRAM單元之間的-較大電阻差別則指示安全裝置已曝露 於一外部磁場。 採用此方法，藉由決定安全裝置之兩磁性元件的極化方 向，可以侧是否已試圖㈣-非法方法來抹除或改變儲 存於MRA轉列中的資料。此外，本發明還可用則貞測非 故意曝露於磁場，以便避免因為此曝露而引起的故障。 一 ic(其中至少出現依據本發明之一安全裝置3〇)可以在 操作期間有規律地檢查極化方向，例如安全裝置之磁性元 件的電阻。偵測安全裝置之兩磁性元件的—相同極化方向 疋後(例如藉由量測二MRAM單元之一電阻差別或一相同 電阻，視其組態而定），因此悄測曝露於一外部磁場的情況

90223.DOC -16- 200423125 之後，1C可以視特定應用之需要來抹除所有MRAM單元之 資料，或者可以自己重設或阻礙其功能。 在本發明之一進一步的具體實施例中，依據本發明之許 多安全裝置30係空間地分配於陣列之mram單元當中。實 務上，並不能清楚地確信在製造處理期間安全裝置3〇僅一 次即可設定在「安全」組態中。達到此點可以藉由將一特 殊焊墊用於第一電流線12，該焊墊係僅用以（例如就在測 試之後）設定磁性元件（例如安全裝置3〇tMRAM單元、 11)之磁化方向，而且該焊墊並不在MRAM·列之封包外側 進行外部連接。達到此點還可以藉由一種寫入鎖閉旗標， 該旗標一旦設定後會使其得到永遠的寫入保護。 本發明提供一硬體安全裝置以偵測曝露於外部磁場，該 安全裝置可以輕易地添加至一嵌入式或獨立式MRAM中。 尤其係在安全性比較重要的應用（例如智慧卡）中，或者在 貝料之70整性至關緊要的應用（例如s〇c之嵌入式中 的作業系統之程式碼）中，使用依據本發明之一安全裝置 :能會比較重要。此外，該安全裝置可偵測非故意曝露於 一外部磁場，該外部磁場例如來自一永久性磁鐵或一智慧 卡上的磁條所需的寫入設備。本發明還可減少實施廳AM 1C:的非常良好的磁性屏蔽之需要，因為現在可以偵測非 欠〜+路於一幸父大磁場，此在正常使用中比較罕見。 —應瞭解雖然此處已對依據本發明的裝置論述較佳具體 實犯例、特;C結構及組態以及材料，但是可以進行各種形 、或、、、節上的文更或修改而不脫離本發明之範疇及精神。

90223.DOC -17- 200423125 【圖式簡單說明】 從 附圖 說明 以下 圖 視圖 圖 【圖 10 11 12 14 18 20 21 30 以上評細說明，結合藉由範例而解說本發明之原理的 ’將瞭解本發明之該等及其他特徵、特性及優點。此 僅係為範例之目的而提供，而非限制本 > 引用的參考圖式指附圖。 蜂。 1為依據本發明之一安全裝置的一具體實 的一示意性圖解。 4 < 一側 2為圖安全裝置的一俯視圖之一示意性。 式代表符號說明】

第一磁性元件 第二磁性元件 導體/窝入線 固定層 磁性層/自由層 支柱 支柱 安全裝置

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Claims (1)

1. 200423125 拾、申請專利範圍： 1· 一種具有至少一安全裝置（3〇)的磁記憶單元之陣列，其 中該至少一安全裝置（30)包括一第一磁性元件（1〇)及一 第二磁性元件（11)，各元件具有一預設磁化方向，該等 第一及第二磁性元件（10、U)之該預設磁化方向係互不 相同，該等第一及第二磁性元件（1〇、係適合於將其 磁化方向與一外部施加磁場之磁場線對準，從而指示該 陣列曝露於該外部施加磁場。 2·如申請專利範圍第1項之磁記憶單元之陣列，其中該等 第一及第二磁性元件（1〇、u)包括MRAM單元。 3·如申請專利範圍第2項之磁記憶單元之陣列，該等MRAM 早70(10、U)具有一自由磁性層（18)，其中該等MRAM單 兀（10、11)具有其磁性層（18)之預設反轉磁化方向。 4·=申請專利範圍第巧之磁記憶單元之陣列，其中該安 裝置（30)係建乂在都近於必須加以保護的該等磁記憶 單元處。 5·如申州專利範園第”員之磁記憶單元之陣列 也刀配於4陣列中的該等磁記憶單元當中的 ，具有空間 裝置（30)。 的複數個安全

   單元之陣列。 其包括如申請專利範圍第1項之磁記憶

   邵施加磁場之後， 電路，其進一步包括一控 由該安全裝置指示該陣列曝露於一外 抹除該等磁記憶單元之資料内容及/ 90223.DOC 200423125 或阻礙該積體電路之功能。 8. 一種用以指示磁記憶單元之一陣列曝露於一外部磁場之 方法，該方法包括當該陣列係曝露於該外部磁場時，改 變一磁性安全裝置（30)之一預設磁化方向。 9·如申請專利範圍第8項之方法，該安全裝置（30)包括具有 一第一預設磁化方向的一第一磁性元件（10)，及具有一 第二預設磁化方向的一第二磁性元件（11 )，該等第一及 第二預設磁化方向係互不相同，該等預設磁化方向之該 改變包括將該等第一及第二磁性元件（10、11)之至少一 個的該磁化方向與該外部磁場對準。 10·如申請專利範圍第8項之方法，其中該預設磁化方向之 該改變包括改變二反轉磁化MRAM單元（10、11)之至少 一個的該磁化方向。 11.如申請專利範圍第8項之方法，該方法進一步包括決定 磁化方向中的該變化。 12·如申請專利範圍第丨丨項之方法，該安全裝置（3〇)包括具 有一預設磁化方向的一第一及一第二MRAM單元、 U)，其中決定磁化方向中的該變化係藉由量測該安全裝 置（30)之該等第一及第二MRAM單元（10、11)的一電阻差 另I 90223 .DOC -2-