磁隧道結(jié)模型及自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái),隨著新型計(jì)算機(jī)、信息和通信等電子技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)作為其核心部件的存儲(chǔ)器提出了高密度、高速度、高寫(xiě)入效率、高可靠性等高性能要求。自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM:Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)集成了可以與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器相比擬的高集成度,可以與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器相比擬的高速讀寫(xiě)能力,以及閃存的非易失性,而且還具有無(wú)限次地重復(fù)寫(xiě)入的能力,所以近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)

2、外半導(dǎo)體公司和相關(guān)科研單位的廣泛關(guān)注和研究。本文對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)單元磁隧道結(jié)(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,所取得的主要研究成果為下:
　　1.對(duì)磁存儲(chǔ)單元磁隧道結(jié)進(jìn)行了研究。針對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的要求,在研究了磁隧道結(jié)相關(guān)物理基礎(chǔ)后,基于磁隧道結(jié)的物理模型,建立了可與CMOS電路聯(lián)合仿真的磁隧道結(jié)行為模型。針對(duì)磁隧道結(jié)自由層磁化方向轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)過(guò)程,本文重點(diǎn)研

3、究了開(kāi)關(guān)電流和寫(xiě)入脈沖時(shí)間的關(guān)系,以及降低磁隧道結(jié)開(kāi)關(guān)電流的相關(guān)途徑,分析了面內(nèi)磁各向異性和垂直磁各向異性的特點(diǎn),比較了兩種情況下對(duì)磁隧道結(jié)開(kāi)關(guān)電流的影響。本部分內(nèi)容的分析有助于磁隧道結(jié)行為模型的建立和完善。通過(guò)與 CMOS電路的聯(lián)合仿真,初步驗(yàn)證了磁隧道結(jié)行為模型的正確性。
　　2.對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了研究?；谧孕D(zhuǎn)移力矩磁化方向轉(zhuǎn)換機(jī)制,即利用寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的流經(jīng)磁隧道結(jié)的雙向電流實(shí)現(xiàn)自由磁性層磁

4、化方向的改變,針對(duì)傳統(tǒng)寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)電路寫(xiě)入支路上開(kāi)關(guān)器件過(guò)多,要求的寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)電壓源較大,導(dǎo)致傳統(tǒng)寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)電路寫(xiě)入能耗較高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種低電源電壓寫(xiě)入電路。此低電源電壓寫(xiě)入電路采用 STT-MRAM的列選開(kāi)關(guān)和讀寫(xiě)隔離開(kāi)關(guān)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu),減小了寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)支路上的開(kāi)關(guān)器件,在同樣寫(xiě)入電流的要求下,低電源電壓寫(xiě)入電路的開(kāi)關(guān)能耗低。然后,針對(duì)磁隧道結(jié)寫(xiě)入隨機(jī)性的特點(diǎn),本文提出了改進(jìn)的可應(yīng)用于 STT-MRAM的自使能開(kāi)關(guān)電路。此自使能開(kāi)關(guān)電路減

5、少了磁隧道結(jié)寫(xiě)入電流的寫(xiě)入脈沖時(shí)間,可進(jìn)一步降低磁隧道結(jié)的寫(xiě)入能耗,同時(shí)流經(jīng)磁隧道結(jié)電流時(shí)間的減少使得磁存儲(chǔ)單元的可靠性提高。仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的低電源電壓寫(xiě)入電路和改進(jìn)的的自使能開(kāi)關(guān)電路可有效降低自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入能耗。
　　3.對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀取電路進(jìn)行了研究。針對(duì) STT-MRAM利用讀取電流感測(cè)磁存儲(chǔ)單元電阻的不同,通過(guò)靈敏放大器實(shí)現(xiàn)0、1數(shù)據(jù)判別的特點(diǎn),提出了采用平行態(tài)磁隧道結(jié)作為讀取靈敏

6、放大器參考單元的結(jié)構(gòu)。分析對(duì)比了三種不同參考單元結(jié)構(gòu)對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器面積、功耗和可靠性的影響。計(jì)算仿真結(jié)果表明,平行態(tài)磁隧道結(jié)作為參考單元的讀取靈敏放大器的結(jié)構(gòu)可避免讀取電流對(duì)參考用磁隧道結(jié)狀態(tài)的干擾,可有效提高自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀取可靠性。
　　4.對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的電路進(jìn)行了研究。基于上述的磁隧道結(jié)研究和關(guān)鍵讀寫(xiě)電路設(shè)計(jì),本文設(shè)計(jì)了16Kbit自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器。本文主要分析設(shè)計(jì)了自旋轉(zhuǎn)移力矩