磁隧道结模型及自旋转移力矩磁随机存储器设计技术研究

摘要

近年来,随着新型计算机、信息和通信等电子技术的飞速发展,对作为其核心部件的存储器提出了高密度、高速度、高写入效率、高可靠性等高性能要求。自旋转移力矩磁随机存储器(STT-MRAM:Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)集成了可以与动态随机存储器相比拟的高集成度,可以与静态随机存储器相比拟的高速读写能力,以及闪存的非易失性,而且还具有无限次地重复写入的能力,所以近年来引起国内外半导体公司和相关科研单位的广泛关注和研究。本文对自旋转移力矩磁随机存储器和磁存储单元磁隧道结(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)进行了系统的研究,所取得的主要研究成果为下:
　　1.对磁存储单元磁隧道结进行了研究。针对自旋转移力矩磁随机存储器的要求,在研究了磁隧道结相关物理基础后,基于磁隧道结的物理模型,建立了可与CMOS电路联合仿真的磁隧道结行为模型。针对磁隧道结自由层磁化方向转变的动态过程,本文重点研究了开关电流和写入脉冲时间的关系,以及降低磁隧道结开关电流的相关途径,分析了面内磁各向异性和垂直磁各向异性的特点,比较了两种情况下对磁隧道结开关电流的影响。本部分内容的分析有助于磁隧道结行为模型的建立和完善。通过与 CMOS电路的联合仿真,初步验证了磁隧道结行为模型的正确性。
　　2.对自旋转移力矩磁随机存储器的写入驱动电路进行了研究。基于自旋转移力矩磁化方向转换机制,即利用写入驱动电路产生的流经磁隧道结的双向电流实现自由磁性层磁化方向的改变,针对传统写入驱动电路写入支路上开关器件过多,要求的写入驱动电压源较大,导致传统写入驱动电路写入能耗较高的特点,设计了一种低电源电压写入电路。此低电源电压写入电路采用 STT-MRAM的列选开关和读写隔离开关相结合的电路结构,减小了写入驱动支路上的开关器件,在同样写入电流的要求下,低电源电压写入电路的开关能耗低。然后,针对磁隧道结写入随机性的特点,本文提出了改进的可应用于 STT-MRAM的自使能开关电路。此自使能开关电路减少了磁隧道结写入电流的写入脉冲时间,可进一步降低磁隧道结的写入能耗,同时流经磁隧道结电流时间的减少使得磁存储单元的可靠性提高。仿真结果表明,本文所设计的低电源电压写入电路和改进的的自使能开关电路可有效降低自旋转移力矩磁随机存储器的写入能耗。
　　3.对自旋转移力矩磁随机存储器的读取电路进行了研究。针对 STT-MRAM利用读取电流感测磁存储单元电阻的不同,通过灵敏放大器实现0、1数据判别的特点,提出了采用平行态磁隧道结作为读取灵敏放大器参考单元的结构。分析对比了三种不同参考单元结构对自旋转移力矩磁随机存储器面积、功耗和可靠性的影响。计算仿真结果表明,平行态磁隧道结作为参考单元的读取灵敏放大器的结构可避免读取电流对参考用磁隧道结状态的干扰,可有效提高自旋转移力矩磁随机存储器的读取可靠性。
　　4.对自旋转移力矩磁随机存储器的电路进行了研究。基于上述的磁隧道结研究和关键读写电路设计,本文设计了16Kbit自旋转移力矩磁随机存储器。本文主要分析设计了自旋转移力矩磁随机存储器的系统结构,磁存储单元阵列和外围控制逻辑电路、译码电路等。仿真结果表明,电路可实现有效列选和读写功能。本部分工作为下一步自旋移力矩磁随机存储器的流片奠定了基础。

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第一章 绪 论

1.1 传统存储器的发展及其面临的挑战

1.2 磁随机存储器的研究及现状

1.3 论文的主要研究工作和内容安排

第二章 磁隧道结的基础理论

2.1 物质磁性

2.2 磁电阻效应

2.3 隧穿磁阻的隧穿机制

2.4 磁矩翻转方式

2.5 磁隧道结的材料对器件性能影响

2.6 小 结

第三章 基于 STT 效应磁隧道结的模型研究

3.1 磁隧道结的隧道电阻和磁电阻模型

3.2 磁隧道结的开关电流模型

3.3 磁隧道结的击穿特性

3.4 磁隧道结行为模型的建立

3.5 小 结

第四章 STT-MRAM 关键电路模块的研究

4.1 MRAM 的类型

4.2 STT-MRAM 写入驱动电路的研究

4.3 STT-MRAM 读取电路的研究

4.4 字线选择晶体管的研究

4.5 STT-MRAM 的抗辐照研究

4.6 小 结

第五章 16Kb STT-MRAM 的电路设计

5.1 16Kb STT-MRAM 系统结构设计

5.2 STT-MRAM 电路设计

5.3 电路综合仿真

5.4 小 结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果