磁隧道結(jié)模型及自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器設(shè)計技術(shù)研究.pdf

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

2、外半導體公司和相關(guān)科研單位的廣泛關(guān)注和研究。本文對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器和磁存儲單元磁隧道結(jié)(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)進行了系統(tǒng)的研究,所取得的主要研究成果為下:
　　1.對磁存儲單元磁隧道結(jié)進行了研究。針對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的要求,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。針對磁隧道結(jié)自由層磁化方向轉(zhuǎn)變的動態(tài)過程,本文重點研

3、究了開關(guān)電流和寫入脈沖時間的關(guān)系,以及降低磁隧道結(jié)開關(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,比較了兩種情況下對磁隧道結(jié)開關(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。通過與 CMOS電路的聯(lián)合仿真,初步驗證了磁隧道結(jié)行為模型的正確性。
　　2.對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的寫入驅(qū)動電路進行了研究。基于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁化方向轉(zhuǎn)換機制,即利用寫入驅(qū)動電路產(chǎn)生的流經(jīng)磁隧道結(jié)的雙向電流實現(xiàn)自由磁性層磁

4、化方向的改變,針對傳統(tǒng)寫入驅(qū)動電路寫入支路上開關(guān)器件過多,要求的寫入驅(qū)動電壓源較大,導致傳統(tǒng)寫入驅(qū)動電路寫入能耗較高的特點,設(shè)計了一種低電源電壓寫入電路。此低電源電壓寫入電路采用 STT-MRAM的列選開關(guān)和讀寫隔離開關(guān)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu),減小了寫入驅(qū)動支路上的開關(guān)器件,在同樣寫入電流的要求下,低電源電壓寫入電路的開關(guān)能耗低。然后,針對磁隧道結(jié)寫入隨機性的特點,本文提出了改進的可應(yīng)用于 STT-MRAM的自使能開關(guān)電路。此自使能開關(guān)電路減

5、少了磁隧道結(jié)寫入電流的寫入脈沖時間,可進一步降低磁隧道結(jié)的寫入能耗,同時流經(jīng)磁隧道結(jié)電流時間的減少使得磁存儲單元的可靠性提高。仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計的低電源電壓寫入電路和改進的的自使能開關(guān)電路可有效降低自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的寫入能耗。
　　3.對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的讀取電路進行了研究。針對 STT-MRAM利用讀取電流感測磁存儲單元電阻的不同,通過靈敏放大器實現(xiàn)0、1數(shù)據(jù)判別的特點,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)。分析對比了三種不同參考單元結(jié)構(gòu)對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器面積、功耗和可靠性的影響。計算仿真結(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)移力矩磁隨機存儲器的讀取可靠性。
　　4.對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的電路進行了研究。基于上述的磁隧道結(jié)研究和關(guān)鍵讀寫電路設(shè)計,本文設(shè)計了16Kbit自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器。本文主要分析設(shè)計了自旋轉(zhuǎn)移力矩