基于工艺偏差的电压调控磁各向异性磁隧道结电学模型及其在读写电路中的应用

摘要

电压调控磁各向异性磁隧道结(voltage controlled magnetic anisotropy magnetic tunnel junction,VCMA-MTJ)作为磁随机存储器(magnetic random access memory,MRAM)的核心器件,具有读写速度快、功耗低、与CMOS工艺相兼容等优点,现已得到国内外学者的广泛关注.然而随着VCMA-MTJ尺寸不断缩小、MRAM存储容量不断增大,工艺偏差对MTJ性能的影响变得越来越显著,甚至会引起VCMA-MTJ电路的读写错误.本文在充分考虑磁控溅射薄膜生长工艺中自由层厚度偏差(gtf)、氧化势垒层厚度偏差(gtox)以及离子束刻蚀工艺中由侧壁再沉积层引入的刻蚀工艺稳定因子(a)偏差影响的情况下,给出了基于工艺偏差的VCMA-MTJ电学模型,并将该模型应用到VCMA-MTJ读写电路中,研究了工艺偏差对上述电路读写错误率的影响.结果 表明:当gtf≥13％,gtox≥11％ 时,VCMA-MTJ将无法实现磁化状态的有效切换;当a≤0.7时,VCMA-MTJ磁化方向的进动过程变得不稳定.进一步地,VCMA-MTJ电路的读错误率和写错误率也将随着工艺偏差的增大而增大.研究表明,通过增大外加电压(Vb)和减小外加电压脉冲宽度(tpw)可有效降低VCMA-MTJ电路的写错误率,增大电路的读驱动电压(Vdd)可有效降低VCMA-MTJ电路的读错误率.