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 RandomAccess 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：MagneticTunnel 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。
第一章 绪 论
各种半导体存储器，如静态随机存储器(SRAM：Static Random Access Memory)、动态随机存储器(DRAM：Static RandomAccess Memory)以及闪速存储器(flash)等存储器因具备各自的优点已经得到了深入研究和广泛的应用。然而，随着器件尺寸的缩小，上述存储器的发展遇到了各自的瓶颈，在一定程度上限制了其发展和应用。近年来，磁随机存储器(MRAM：Magnetic Random Access Memory)由于具有良好的性能受到了广泛的关注和研究。
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1.1 传统存储器的发展及其面临的挑战
存储器是电子系统中用于记忆的部件，被用于存储计算机程序和各种数据。电子系统中的全部信息都要保存在存储器中，在需要的时候，可以取出使用或重新把新内容存入。
传统的存储器属于半导体存储器，主要是利用半导体器件存储一位二进制代码。从存储器的功能特性进行分类，半导体存储器可以分为两大类：随机存储器(RAM：Random Access Memory)和只读存储器(ROM：Read only Memory)。
随机存储器数据能够进行数据的写入和读取。但是 RAM 存储数据只是暂时的，原因是随机存储器具有易失性的特点。RAM 主要包括动态随机存储器和静态随机存储器：
（1）动态随机存储器：DRAM 是利用 MOS 晶体管的栅电容的充放电来保存信息。其基本存储单元是单管 MOSFET，面积小，价格便宜。只不过需要定时的对 DRAM 进行充电，因为存储器件的栅电容会漏电。另外，其存取速度也较慢。由于存储数据会在断电后立刻消失，所以 DRAM 是挥发性存储器。DRAM 在微机系统里常被用做内存。
（2）静态随机存储器：SRAM 的存储单元一般为 6 管 MOSFET 组成的触发器结构，信息 0 或 l 是用触发器的导通和截止状态来表示。但是因为 SRAM 所用的 MOS 管较多，所以集成度低、功耗较大、成本也高。另外，SRAM 也是挥发性存储器，一旦断电存储数据会立刻消失。但是由于其具有存取速度快、工作稳定、不需要刷新电路，而且使用方便灵活的特点，所以 SRAM 在微机系统中常被用做小容量的高速缓冲存储器。
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第二章 磁隧道结的基础理论
本章主要介绍自旋转移矩磁随机存储器的存储元件-磁隧道结的相关理论。首先要介绍磁隧道结的理论基础磁电阻效应，包括各向异性磁电阻效应、巨磁阻效应和隧穿磁阻效应。然后详细讨论隧穿磁阻效应的隧穿机制和理论模型，以及磁隧道结的磁场式和自旋转移式两种磁矩翻转方式的基本原理。最后分析磁隧道结的材料特性和结构特性。
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2.1 物质磁性
2.1.1 电子自旋
电子具有电荷和自旋(spin)两种固有属性[14-17]。其中的电子自旋是量子效应，与外界条件无关，电子自旋角动量 ms如图 2.1 所示，电子有两种自旋状态，方向是相反的，即自旋向下和自旋向上。1925 年荷兰科学家 G. Uhlenbeck 和 S. Goudsmit提出电子自旋的假设，到了 1928 年，英国理论物理学家 Dirac 用相对论的波动方程描述电子，提出电子具有自旋属性的概念，解释了为何电子具有 1/2 自旋。固体电子中具有的电荷和自旋属性开始为人们所掌握和利用。
信息存储是信息技术的核心。其中的半导体存储器如 SRAM、DRAM 等利用了电子的电荷属性，即半导体中的电子和空穴是控于外加电场，产生多子和少子的输运。而磁存储器如磁带、硬盘等外置式存储媒介以及随机存储器则利用了电子的自旋属性，是由铁磁性材料来完成的。
2.1.2 磁性系统的能量
物质磁性是物质中自旋电子集体行为的表现。非磁性物质，如常见的 Cu、Ag等材料，其自旋向下和自旋向上的电子数量相同，所以表现为非磁性。磁性物质，自旋向上和自旋向下的电子，其数量是不同的，数量较多的自旋电子的自旋方向表现为宏观磁矩方向，如常见的 Co、Fe、Ni等以及其合金材料都是磁性材料。磁矩是描述磁性材料微观粒子磁性的物理量，磁化强度 M 就是单位体积的磁矩，饱和磁化强度 MS就是磁饱和状态的磁化强度。
磁性材料的磁宏观行为是由各种能量决定的，即磁化强度的分布取决于磁系统的自由能分布。总的自由能 E 为包括交换能 Eex、磁晶各向异性能 Ek、退磁能 ED、与外场的相互作用能 Ez。所有这些能量最小时，笔耕文化推荐期刊，就决定了磁材料的最后磁化方向，即磁矩达到稳态。
（1） 交换能 Eex：交换作用能起源于原子中的电子和电子的库仑相互交换作用，属于量子效应。自旋趋于平行排列是因为电子自旋之间的相互作用，平行排列的结果就导致了磁材料的自发磁化。随着温度升高自发磁化强度会变小，当温度升高到临界温度居里温度（TC：Curie temperature）时自发磁化强度消失，其中的居里温度 TC是铁磁物质很重要的特征参量。交换能可表示为式中，A 是材料的交换常数。
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第三章 基于 STT 效应磁隧道结的模型研究 .......................39-57
3.1 磁隧道结的隧道电阻和磁电阻模型............................ 39-41
3.1.1 磁隧道结的隧道电阻模型....................... 40
3.1.2 依赖于偏压的 TMR 模型 .......................40-41
3.2 磁隧道结的开关电流模型....................... 41-51
3.2.1 静态特性................... 41-44
3.2.2 开关的动态特性和随机模型 ....................44-46
3.2.3 开关电流降低途径..................... 46
3.2.4 面内磁各向异性和垂直磁各向异性 .....................46-51
3.3 磁隧道结的击穿特性........................... 51
3.4 磁隧道结行为模型的建立........................ 51-55
3.4.1 模型参数.................... 51-52
3.4.2 物理模型的行为描述 ............52-54
3.4.3 行为模型的仿真验证 ...................54-55
3.5 小结 ...............................55-57
第四章 STT-MRAM 关键电路模块的研究................. 57-97
4.1 MRAM 的类型........................... 57-60
4.1.1 第一代磁随机存储器（MRAM） .........................57-59
4.1.2 自旋转移力矩磁随机存储器(STT-MRAM).................. 59-60
4.2 STT-MRAM 写入驱动电路的研究 ..........................60-71
4.2.1 写入过程的 I-V 特性......................... 61-62
4.2.2 高压写入电路 ..............62-64
4.2.3 低压写入电路....................... 64-66
4.2.4 自使能开关写入电路 .................66-71
4.3 STT-MRAM 读取电路的研究..................... 71-89
4.3.1 读取电流大小............................. 72-74
4.3.2 读取电流方向 .......................74-75
4.3.3 灵敏放大器 .........................75-80
4.3.4 参考单元................... 80-89
4.4 字线选择晶体管的研究............... 89-91
4.4.1 字线选择晶体管的大小 .......................89-91
4.4.2 字线选择晶体管驱动电压的设计...................... 91
4.5 STT-MRAM 的抗辐照研究.................... 91-94
4.5.1 辐射效应................................ 91-92
4.5.2 STT-MRAM 的抗辐照加固设计..................... 92-94
4.6 小结 ................................94-97
第五章 16Kb STT-MRAM 的电路设计
基于对自旋磁随机存储器关键电路的研究，本文基于 TSMC 0.13μm1P8MCMOS 工艺和 65nmMTJ 结工艺要设计一款容量为 16Kbit 的自旋磁随机存储器。本章主要是对16Kbit 的自旋磁存储器进行设计和优化，并给出存储器的系统结构、存储阵列和外围电路结构。
5.1 16Kb STT-MRAM 系统结构设计
5.1.1 STT-MRAM 系统结构
自旋磁随机存储器的电路结构一般采用一个存储阵列和相应外围电路组成，如图5.1所示[116-118]。存储器外围电路主要包括灵敏放大器、译码器、读写控制电路等。STT-MRAM通过行列选择可以简单方便的操作每个存储单元。在读取存储单元的内容时，以缩小存储器的访问时间，其中的灵敏放大器用来对位线的信号进行放大。
5.1.2 存储器的层次化设计
对于容量比较小的存储器，位线电容和字线电容都不大，只需要采用传统的单个存储块的存储阵列即可。但是对于16Kbit以上大容量的存储器，单块存储阵列结构存在相应的问题。连接存储单元的纵向位线与横向字线，会因为存储阵列的长度和宽度太大，而导致太长，就会造成位线和字线的延迟时间增加，因为延迟时间取决于连线长度，与连线长度的平方是成正比的，就会造成整个存储器的访问时间增加。另一方面，单次读写所需要的能量会因为大的导线电容比较大，也会因为存储阵列的增大而增加[117]。存储阵列因此需要进行所谓的层次化设计，如图5.2所示。
存储器被分割成 N 个小块，基于送入块的行地址和列地址选中存储单元，其中送入块的行地址也称局部字线。另外有全局字线的作用是在 N 块中，把要读写的某一块选出来。因此层次化的阵列结构可使得局部字线长度有效降低。尽管此结构的全局字线略长，但如果在布线时采用高层金属则可减小导线寄生电阻电容。关于层次化分块设计的存储器地址线和数据线的布局方式，可按照如图 5.2 所示的H 型布线方式。此种方式下，地址线和数据线到每个存储子块的长度完全相同，延迟时间也几乎相同。
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结论
近年来，新一代计算机、信息和通信技术等电子信息技术的飞速发展，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。磁随机存储器因为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，而且还具有无限次重复写入能力，所以近年来引起国内外半导体公司和相关科研单位的关注和研究。本文对磁随机存储器和磁存储单元磁隧道结进行了系统的研究：
首先，本文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，在分析了磁隧道结相关物理基础后，基于磁隧道结的物理模型，建立了基于 CoFeB/MgO 的垂直磁各向异性磁隧道结行为模型。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模型的建立和完善。磁隧道结行为模型与 CMOS 电路的联合仿真初步验证了此行为模型的正确性。
其次，本文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的磁化方向改变，针对传统写入驱动电路写入支路上过多开关器件使得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自旋转移力矩磁随机存储器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，同样写入电流的要求下，低电源电压写入电路的开关能耗较低。仿真结果表明高压写入电路的平均写入能耗为 6.5pJ/位，而低压写入电路的平均写入能耗为 4.3 pJ/位，与高压写入电路比，能耗可降低 33%。针对磁隧道结写入的随机性特点，本文提出了改进的可应用于自旋转移力矩磁随机存储器的自使能写入电路，减小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，同时提高了磁存储单元的可靠性。仿真结果表明，在一个写使能有效脉宽时间内，自使能开关电路能耗为 1.5pJ/位，仅是传统电路能耗 4.3 pJ/位的 35%。因此本文所设计的低电源电压写入电路和改进的的自使能写入电路有效降低了自旋转移力矩磁随机存储器的写入能耗。
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本文编号：11559
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