1、近年來,隨著新型計算機、信息和通信等電子技術的飛速發(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

2、外半導體公司和相關科研單位的廣泛關注和研究。本文對自旋轉移力矩磁隨機存儲器和磁存儲單元磁隧道結(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進行了研究。針對自旋轉移力矩磁隨機存儲器的要求,在研究了磁隧道結相關物理基礎后,基于磁隧道結的物理模型,建立了可與CMOS電路聯(lián)合仿真的磁隧道結行為模型。針對磁隧道結自由層磁化方向轉變的動態(tài)過程,本文重點研

3、究了開關電流和寫入脈沖時間的關系,以及降低磁隧道結開關電流的相關途徑,分析了面內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開關電流的影響。本部分內容的分析有助于磁隧道結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行為模型的正確性。
　　2.對自旋轉移力矩磁隨機存儲器的寫入驅動電路進行了研究?；谧孕D移力矩磁化方向轉換機制,即利用寫入驅動電路產(chǎn)生的流經(jīng)磁隧道結的雙向電流實現(xiàn)自由磁性層磁

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

5、少了磁隧道結寫入電流的寫入脈沖時間,可進一步降低磁隧道結的寫入能耗,同時流經(jīng)磁隧道結電流時間的減少使得磁存儲單元的可靠性提高。仿真結果表明,本文所設計的低電源電壓寫入電路和改進的的自使能開關電路可有效降低自旋轉移力矩磁隨機存儲器的寫入能耗。
　　3.對自旋轉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)磁隧道結作為讀取靈敏

6、放大器參考單元的結構。分析對比了三種不同參考單元結構對自旋轉移力矩磁隨機存儲器面積、功耗和可靠性的影響。計算仿真結果表明,平行態(tài)磁隧道結作為參考單元的讀取靈敏放大器的結構可避免讀取電流對參考用磁隧道結狀態(tài)的干擾,可有效提高自旋轉移力矩磁隨機存儲器的讀取可靠性。
　　4.對自旋轉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研究和關鍵讀寫電路設計,本文設計了16Kbit自旋轉移力矩磁隨機存儲器。本文主要分析設計了自旋轉移力矩