發(fā)布時間：2015-01-12 11:09

 

【摘要】 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 RandomAccess 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(fù)寫入的能力，所以近年來引起國內(nèi)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：MagneticTunnel 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(dǎo)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�；谏鲜龅拇潘淼澜Y(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)移力矩磁隨機存儲器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，磁存儲單元陣列和外圍控制邏輯電路、譯碼電路等。仿真結(jié)果表明，電路可實現(xiàn)有效列選和讀寫功能。本部分工作為下一步自旋移力矩磁隨機存儲器的流片奠定了基礎(chǔ)。 

第一章 緒 論

各種半導(dǎo)體存儲器，如靜態(tài)隨機存儲器(SRAM：Static Random Access Memory)、動態(tài)隨機存儲器(DRAM：Static RandomAccess Memory)以及閃速存儲器(flash)等存儲器因具備各自的優(yōu)點已經(jīng)得到了深入研究和廣泛的應(yīng)用。然而，隨著器件尺寸的縮小，上述存儲器的發(fā)展遇到了各自的瓶頸，在一定程度上限制了其發(fā)展和應(yīng)用。近年來，磁隨機存儲器(MRAM：Magnetic Random Access Memory)由于具有良好的性能受到了廣泛的關(guān)注和研究。
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1.1 傳統(tǒng)存儲器的發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)
存儲器是電子系統(tǒng)中用于記憶的部件，被用于存儲計算機程序和各種數(shù)據(jù)。電子系統(tǒng)中的全部信息都要保存在存儲器中，在需要的時候，可以取出使用或重新把新內(nèi)容存入。
傳統(tǒng)的存儲器屬于半導(dǎo)體存儲器，主要是利用半導(dǎo)體器件存儲一位二進制代碼。從存儲器的功能特性進行分類，半導(dǎo)體存儲器可以分為兩大類：隨機存儲器(RAM：Random Access Memory)和只讀存儲器(ROM：Read only Memory)。
隨機存儲器數(shù)據(jù)能夠進行數(shù)據(jù)的寫入和讀取。但是 RAM 存儲數(shù)據(jù)只是暫時的，原因是隨機存儲器具有易失性的特點。RAM 主要包括動態(tài)隨機存儲器和靜態(tài)隨機存儲器：
（1）動態(tài)隨機存儲器：DRAM 是利用 MOS 晶體管的柵電容的充放電來保存信息。其基本存儲單元是單管 MOSFET，面積小，價格便宜。只不過需要定時的對 DRAM 進行充電，因為存儲器件的柵電容會漏電。另外，其存取速度也較慢。由于存儲數(shù)據(jù)會在斷電后立刻消失，所以 DRAM 是揮發(fā)性存儲器。DRAM 在微機系統(tǒng)里常被用做內(nèi)存。
（2）靜態(tài)隨機存儲器：SRAM 的存儲單元一般為 6 管 MOSFET 組成的觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，信息 0 或 l 是用觸發(fā)器的導(dǎo)通和截止狀態(tài)來表示。但是因為 SRAM 所用的 MOS 管較多，所以集成度低、功耗較大、成本也高。另外，SRAM 也是揮發(fā)性存儲器，一旦斷電存儲數(shù)據(jù)會立刻消失。但是由于其具有存取速度快、工作穩(wěn)定、不需要刷新電路，而且使用方便靈活的特點，所以 SRAM 在微機系統(tǒng)中常被用做小容量的高速緩沖存儲器。
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第二章 磁隧道結(jié)的基礎(chǔ)理論

本章主要介紹自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機存儲器的存儲元件-磁隧道結(jié)的相關(guān)理論。首先要介紹磁隧道結(jié)的理論基礎(chǔ)磁電阻效應(yīng)，包括各向異性磁電阻效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)和隧穿磁阻效應(yīng)。然后詳細討論隧穿磁阻效應(yīng)的隧穿機制和理論模型，以及磁隧道結(jié)的磁場式和自旋轉(zhuǎn)移式兩種磁矩翻轉(zhuǎn)方式的基本原理。最后分析磁隧道結(jié)的材料特性和結(jié)構(gòu)特性。
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2.1 物質(zhì)磁性
2.1.1 電子自旋
電子具有電荷和自旋(spin)兩種固有屬性[14-17]。其中的電子自旋是量子效應(yīng)，與外界條件無關(guān)，電子自旋角動量 ms如圖 2.1 所示，電子有兩種自旋狀態(tài)，方向是相反的，即自旋向下和自旋向上。1925 年荷蘭科學(xué)家 G. Uhlenbeck 和 S. Goudsmit提出電子自旋的假設(shè)，到了 1928 年，英國理論物理學(xué)家 Dirac 用相對論的波動方程描述電子，提出電子具有自旋屬性的概念，解釋了為何電子具有 1/2 自旋。固體電子中具有的電荷和自旋屬性開始為人們所掌握和利用。
信息存儲是信息技術(shù)的核心。其中的半導(dǎo)體存儲器如 SRAM、DRAM 等利用了電子的電荷屬性，即半導(dǎo)體中的電子和空穴是控于外加電場，產(chǎn)生多子和少子的輸運。而磁存儲器如磁帶、硬盤等外置式存儲媒介以及隨機存儲器則利用了電子的自旋屬性，是由鐵磁性材料來完成的。
2.1.2 磁性系統(tǒng)的能量
物質(zhì)磁性是物質(zhì)中自旋電子集體行為的表現(xiàn)。非磁性物質(zhì)，如常見的 Cu、Ag等材料，其自旋向下和自旋向上的電子數(shù)量相同，所以表現(xiàn)為非磁性。磁性物質(zhì)，自旋向上和自旋向下的電子，其數(shù)量是不同的，數(shù)量較多的自旋電子的自旋方向表現(xiàn)為宏觀磁矩方向，如常見的 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觀粒子磁性的物理量，磁化強度 M 就是單位體積的磁矩，飽和磁化強度 MS就是磁飽和狀態(tài)的磁化強度。
磁性材料的磁宏觀行為是由各種能量決定的，即磁化強度的分布取決于磁系統(tǒng)的自由能分布�？偟淖杂赡� E 為包括交換能 Eex、磁晶各向異性能 Ek、退磁能 ED、與外場的相互作用能 Ez。所有這些能量最小時，筆耕文化推薦期刊，就決定了磁材料的最后磁化方向，即磁矩達到穩(wěn)態(tài)。
（1） 交換能 Eex：交換作用能起源于原子中的電子和電子的庫侖相互交換作用，屬于量子效應(yīng)。自旋趨于平行排列是因為電子自旋之間的相互作用，平行排列的結(jié)果就導(dǎo)致了磁材料的自發(fā)磁化。隨著溫度升高自發(fā)磁化強度會變小，當(dāng)溫度升高到臨界溫度居里溫度（TC：Curie temperature）時自發(fā)磁化強度消失，其中的居里溫度 TC是鐵磁物質(zhì)很重要的特征參量。交換能可表示為式中，A 是材料的交換常數(shù)。
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第三章 基于 STT 效應(yīng)磁隧道結(jié)的模型研究 .......................39-57 
3.1 磁隧道結(jié)的隧道電阻和磁電阻模型............................ 39-41 
3.1.1 磁隧道結(jié)的隧道電阻模型....................... 40 
3.1.2 依賴于偏壓的 TMR 模型 .......................40-41 
3.2 磁隧道結(jié)的開關(guān)電流模型....................... 41-51 
3.2.1 靜態(tài)特性................... 41-44 
3.2.2 開關(guān)的動態(tài)特性和隨機模型 ....................44-46 
3.2.3 開關(guān)電流降低途徑..................... 46 
3.2.4 面內(nèi)磁各向異性和垂直磁各向異性 .....................46-51 
3.3 磁隧道結(jié)的擊穿特性........................... 51 
3.4 磁隧道結(jié)行為模型的建立........................ 51-55 
3.4.1 模型參數(shù).................... 51-52 
3.4.2 物理模型的行為描述 ............52-54 
3.4.3 行為模型的仿真驗證 ...................54-55 
3.5 小結(jié) ...............................55-57 
第四章 STT-MRAM 關(guān)鍵電路模塊的研究................. 57-97 
4.1 MRAM 的類型........................... 57-60 
4.1.1 第一代磁隨機存儲器（MRAM） .........................57-59 
4.1.2 自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器(STT-MRAM).................. 59-60 
4.2 STT-MRAM 寫入驅(qū)動電路的研究 ..........................60-71 
4.2.1 寫入過程的 I-V 特性......................... 61-62 
4.2.2 高壓寫入電路 ..............62-64 
4.2.3 低壓寫入電路....................... 64-66 
4.2.4 自使能開關(guān)寫入電路 .................66-71 
4.3 STT-MRAM 讀取電路的研究..................... 71-89 
4.3.1 讀取電流大小............................. 72-74 
4.3.2 讀取電流方向 .......................74-75 
4.3.3 靈敏放大器 .........................75-80 
4.3.4 參考單元................... 80-89 
4.4 字線選擇晶體管的研究............... 89-91 
4.4.1 字線選擇晶體管的大小 .......................89-91 
4.4.2 字線選擇晶體管驅(qū)動電壓的設(shè)計...................... 91 
4.5 STT-MRAM 的抗輻照研究.................... 91-94 
4.5.1 輻射效應(yīng)................................ 91-92 
4.5.2 STT-MRAM 的抗輻照加固設(shè)計..................... 92-94 
4.6 小結(jié) ................................94-97 

第五章 16Kb STT-MRAM 的電路設(shè)計

基于對自旋磁隨機存儲器關(guān)鍵電路的研究，本文基于 TSMC 0.13μm1P8MCMOS 工藝和 65nmMTJ 結(jié)工藝要設(shè)計一款容量為 16Kbit 的自旋磁隨機存儲器。本章主要是對16Kbit 的自旋磁存儲器進行設(shè)計和優(yōu)化，并給出存儲器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、存儲陣列和外圍電路結(jié)構(gòu)。
5.1 16Kb STT-MRAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1.1 STT-MRAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
自旋磁隨機存儲器的電路結(jié)構(gòu)一般采用一個存儲陣列和相應(yīng)外圍電路組成，如圖5.1所示[116-118]。存儲器外圍電路主要包括靈敏放大器、譯碼器、讀寫控制電路等。STT-MRAM通過行列選擇可以簡單方便的操作每個存儲單元。在讀取存儲單元的內(nèi)容時，以縮小存儲器的訪問時間，其中的靈敏放大器用來對位線的信號進行放大。
5.1.2 存儲器的層次化設(shè)計
對于容量比較小的存儲器，位線電容和字線電容都不大，只需要采用傳統(tǒng)的單個存儲塊的存儲陣列即可。但是對于16Kbit以上大容量的存儲器，單塊存儲陣列結(jié)構(gòu)存在相應(yīng)的問題。連接存儲單元的縱向位線與橫向字線，會因為存儲陣列的長度和寬度太大，而導(dǎo)致太長，就會造成位線和字線的延遲時間增加，因為延遲時間取決于連線長度，與連線長度的平方是成正比的，就會造成整個存儲器的訪問時間增加。另一方面，單次讀寫所需要的能量會因為大的導(dǎo)線電容比較大，也會因為存儲陣列的增大而增加[117]。存儲陣列因此需要進行所謂的層次化設(shè)計，如圖5.2所示。
存儲器被分割成 N 個小塊，基于送入塊的行地址和列地址選中存儲單元，其中送入塊的行地址也稱局部字線。另外有全局字線的作用是在 N 塊中，把要讀寫的某一塊選出來。因此層次化的陣列結(jié)構(gòu)可使得局部字線長度有效降低。盡管此結(jié)構(gòu)的全局字線略長，但如果在布線時采用高層金屬則可減小導(dǎo)線寄生電阻電容。關(guān)于層次化分塊設(shè)計的存儲器地址線和數(shù)據(jù)線的布局方式，可按照如圖 5.2 所示的H 型布線方式。此種方式下，地址線和數(shù)據(jù)線到每個存儲子塊的長度完全相同，延遲時間也幾乎相同。
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結(jié)論

近年來，新一代計算機、信息和通信技術(shù)等電子信息技術(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。磁隨機存儲器因為集成了可以與動態(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，而且還具有無限次重復(fù)寫入能力，所以近年來引起國內(nèi)外半導(dǎo)體公司和相關(guān)科研單位的關(guān)注和研究。本文對磁隨機存儲器和磁存儲單元磁隧道結(jié)進行了系統(tǒng)的研究：
首先，本文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，在分析了磁隧道結(jié)相關(guān)物理基礎(chǔ)后，基于磁隧道結(jié)的物理模型，建立了基于 CoFeB/MgO 的垂直磁各向異性磁隧道結(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)模型的建立和完善。磁隧道結(jié)行為模型與 CMOS 電路的聯(lián)合仿真初步驗證了此行為模型的正確性。
其次，本文對自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的寫入驅(qū)動電路進行了研究�；谧孕D(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)自由磁性層的磁化方向改變，針對傳統(tǒng)寫入驅(qū)動電路寫入支路上過多開關(guān)器件使得寫入驅(qū)動電壓源較大，導(dǎo)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自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的列選開關(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，同樣寫入電流的要求下，低電源電壓寫入電路的開關(guān)能耗較低。仿真結(jié)果表明高壓寫入電路的平均寫入能耗為 6.5pJ/位，而低壓寫入電路的平均寫入能耗為 4.3 pJ/位，與高壓寫入電路比，能耗可降低 33%。針對磁隧道結(jié)寫入的隨機性特點，本文提出了改進的可應(yīng)用于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的自使能寫入電路，減小了磁隧道結(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，同時提高了磁存儲單元的可靠性。仿真結(jié)果表明，在一個寫使能有效脈寬時間內(nèi)，自使能開關(guān)電路能耗為 1.5pJ/位，僅是傳統(tǒng)電路能耗 4.3 pJ/位的 35%。因此本文所設(shè)計的低電源電壓寫入電路和改進的的自使能寫入電路有效降低了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的寫入能耗。
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參考文獻:

[1] 章凌宇,賈宇明,李磊,胡明浩.  基于DICE結(jié)構(gòu)的抗輻射SRAM設(shè)計[J]. 微電子學(xué). 2011(01)
[2] 王琰,張佳,張曉光,王守國,韓秀峰.  MgO單晶勢壘磁性隧道結(jié)的第一性原理計算和實驗研究[J]. 物理學(xué)進展. 2009(04)
[3] 彭子龍,韓秀峰,趙素芬,魏紅祥,杜關(guān)祥,詹文山.  磁隨機存儲器中垂直電流驅(qū)動的磁性隧道結(jié)自由層的磁化翻轉(zhuǎn)[J]. 物理學(xué)報. 2006(02)
[4] 馮玉清,侯利娜,朱濤,姚淑德,詹文山.  具有納米氧化層的磁性隧道結(jié)的熱穩(wěn)定性研究[J]. 物理學(xué)報. 2005(09)
[5] 王天興,魏紅祥,李飛飛,張愛國,曾中明,詹文山,韓秀峰.  4英寸熱氧化硅襯底上磁性隧道結(jié)的微制備[J]. 物理學(xué)報. 2004(11)

 

本文編號：11559