張 麗，莊奕琪，趙巍勝，湯華蓮

（1.西安電子科技大學(xué) 寬 禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點實驗室，陜西 西 安 710071；2.巴黎第十一大學(xué)，法國 U MR8622Orsay F－91405）

隨著新一代計算機、信息和通信技術(shù)的發(fā)展，對存儲器的要求越來越高.基于磁隧道結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器（STT－MRAM）具有抗輻射性、低功耗的優(yōu)點，還具有和FLASH一樣的數(shù)據(jù)非易失性，以及可以和DRAM相比擬的高速、高密度等諸多優(yōu)點[1－3]，最近幾年一直是通用存儲器研究的熱點器件.有關(guān)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的測試芯片多有報道[2－5]，推進了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的電路改進和商用化進程.

很多應(yīng)用領(lǐng)域要求自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器具備較低的功耗和較高的可靠性.傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器寫入電路，由于寫入通路上的開關(guān)器件較多[3]，為了確保流過磁隧道結(jié)的電流大于磁隧道結(jié)狀態(tài)改變的開關(guān)電流，寫入電路需要高的電源電壓，導(dǎo)致寫入功耗較大.另外，由于磁隧道結(jié)狀態(tài)的變化具有一定的隨機性，讀取電流容易干擾磁隧道結(jié)存儲狀態(tài)，使得存儲信息出現(xiàn)錯誤翻轉(zhuǎn)[6－9]，從而導(dǎo)致自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器可靠性降低.因此，如何在電路設(shè)計上提高自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的性能就很重要，包括功耗的降低、可靠性的提高[10－12].筆者首先給出了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器存儲單元結(jié)構(gòu)和存儲原理，然后利用列選和讀寫隔離相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種通過降低寫入通路電阻來降低自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器寫入功耗的低電源電壓寫入電路.

1 自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器存儲單元結(jié)構(gòu)

自旋磁隨機存儲器的存儲單元是磁隧道結(jié)多層膜（MTJ結(jié)）結(jié)構(gòu)，其上下兩層鐵磁材料（CoFeB）被中間較薄的氧化層（MgO）隔開.其中一磁層的磁矩方向被固定，稱為參考層；另一磁層的磁化方向在磁場或自旋極化電流作用下容易上下改變[1－2，4]，稱為自由層，如圖1（a）所示.當(dāng)自由層與參考層的磁化方向平行（P）時，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)低電阻（RP）；當(dāng)磁化方向相反（AP）時，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)高電阻（RAP）.磁隧道結(jié)的此高低電阻特性可實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)“0”和“1”的存儲.

圖1 自旋磁隨機存儲器示意圖

自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的寫入過程如圖1（b）和圖1（c）所示.流過磁隧道結(jié)的電流（Iwrite）可改變磁隧道結(jié)自由層的磁化方向，使隧穿電阻變化，完成“0”和“1”的存儲[1－2].當(dāng)寫“0”時，寫入驅(qū)動產(chǎn)生從自由層流向參考層的正向電流Iwrite，電子流動方向相反，如圖1（b）所示.與參考層磁矩方向一致的電子由于散射和反射作用較小易通過參考層，經(jīng)過后產(chǎn)生了與參考層磁矩方向一致的被極化電流.當(dāng)自旋極化電子隧穿超薄絕緣層到達自由層時，對自由層的磁矩產(chǎn)生一種力矩，使自由層的磁矩方向轉(zhuǎn)向被極化電子的自旋方向.當(dāng)Iwrite大于磁隧道結(jié)狀態(tài)改變的開關(guān)電流（Ic0）時，自由層磁矩方向?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)，兩磁性層磁化方向由最初的反平行轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫?，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)低電阻，完成寫“0”.當(dāng)寫“1”時，寫入驅(qū)動產(chǎn)生從參考層流向自由層的負(fù)向電流Iwrite，電子則從自由層流向參考層，如圖1（c）所示.自旋方向與兩磁性層磁矩方向相同的電子易通過磁隧道結(jié)，而自旋方向與參考層磁矩方向相反的電子被反射回自由層，導(dǎo)致自由層中出現(xiàn)大量自旋相反的自由電子，使自由層的磁矩方向轉(zhuǎn)向被極化電子的自旋方向.當(dāng)Iwrite大于Ic0時，自由層磁矩方向?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)，兩磁性層磁化方向由最初的平行態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉雌叫袘B(tài)，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)高電阻，完成寫“1”.自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器在寫入操作后，存儲單元的狀態(tài)由磁化結(jié)果來維持，不需要刷新，斷電后也能長期保持信息，具有非易失性.

2 低電源電壓寫入電路

自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器利用流過磁隧道結(jié)的小的雙向自旋極化電流（Iwrite）改變磁隧道結(jié)自由層的磁化方向，使之與參考層磁化方向相同或相反，從而改變隧穿電阻大小，完成“0”或“1”的存儲[1－2].這時Iwrite需大于磁隧道結(jié)的開關(guān)電流（Ic0），寫入模型為[6－7]

此處α為磁阻尼系數(shù)，γ是旋磁比，e是電子電量，μ0MS是自由層磁化強度，HK是各向異性場，V是自由層體積，t是磁隧道結(jié)平均開關(guān)時間，Eu是歐拉常數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，μB是玻爾磁子，P是自由層和參考層自旋極化率，m是自由層磁矩.

根據(jù)式（1）～（2），如果Iwrite變大，平均開關(guān)時間t就隨之變小.因此，如果寫入脈寬是固定的，則寫入電流Iwrite越大，磁隧道結(jié)的開關(guān)幾率就越大.寫入過程的動態(tài)功耗可表示為

其中，foperation是寫入頻率，VD是寫入電源電壓，T是寫使能脈沖寬度，Iwrite（t）是流經(jīng)磁隧道結(jié)的寫入電流.在寫使能有效時，Iwrite值在磁隧道結(jié)狀態(tài)改變前后因為磁隧道結(jié)的阻值不同而不同，所以Iwrite是時間t的函數(shù).

文獻[3]采用了傳統(tǒng)寫入電路，如圖2所示.寫使能信號控制寫入電流能否流經(jīng)磁隧道結(jié).在自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的設(shè)計中，為了避免讀電流和寫電流相互影響造成的存儲和讀取錯誤，由寫使能信號和讀使能信號控制的N1～N4管用于讀寫隔離.由列選信號控制的N5～N6管用于選中陣列的某一列.寫入電流的大小與寫入支路的總電阻和電源電壓密切相關(guān).由于列選管和讀寫隔離管均在寫入支路上，由此造成寫入支路電阻過大.在一定的寫入脈沖下，為了確保數(shù)據(jù)的有效寫入，根據(jù)式（1）～（2），寫入電流要求大于開關(guān)電流，即要求寫入驅(qū)動電路具有大的電源電壓，并盡量降低寫入支路電阻.因此，傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器寫入電路采用了較大的電源電壓Vdda以產(chǎn)生較大的寫入電流，此電路中Vdda為1.8V，比1.2V的邏輯電源電壓Vdd要大.根據(jù)式（3），在寫入電流一定的情況下，傳統(tǒng)電路的寫入功耗較大.另外，為了使寫入支路電阻最小化，傳統(tǒng)寫入電路中的列選器件和讀寫隔離邏輯器件都采用面積較大的NMOS和PMOS并聯(lián)形成的傳輸門，此方法使得寫入電路的面積增加.

圖2 傳統(tǒng)寫入電路和讀取電路

為了減小自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器寫入功耗和面積，筆者提出了低電源電壓寫入電路，如圖3所示.與文獻[3]中的傳統(tǒng)高電源電壓寫入電路不同的是，該電路寫入和讀取工作分別采用了不同的列選器件，這樣就可以利用列選和讀寫隔離相結(jié)合的方法，由列選信號和寫使能信號相與后產(chǎn)生控制信號，此控制信號控制寫入通路上的N1、N2管，不僅可隔離讀寫過程，還能實現(xiàn)有效列選.為了使流經(jīng)磁隧道結(jié)的電流最大，寫入通路上的所有場效應(yīng)晶體管（NMOS和PMOS）需工作在線性區(qū)，管子的導(dǎo)通電阻可分別表示為Ron和Rop.假設(shè)寫入通路上同類型的MOS管的導(dǎo)通電阻近似相同，則寫入通路上的電流可表示為

式中，m為NMOS的管子數(shù)，n為NMOS的管子數(shù)，RMTJ為磁隧道結(jié)的電阻.與文獻[3]中的傳統(tǒng)寫入電路比較，低電源電壓寫入支路上串聯(lián)的MOS管數(shù)量m由5個減小為3個，寫入支路總的電阻值減小.如果只需要得到和傳統(tǒng)電路同樣的寫入電流和近似相同的開關(guān)時間，寫入支路電源就可用值較小的邏輯電源Vdd取代值較大的Vdda.根據(jù)式（3），在近似相同的寫入電流和開關(guān)時間下，低電源電壓寫入電路的功耗會因?qū)懭腚娫措妷旱臏p小而降低.

圖3 低電源電壓寫入電路

同時，磁隧道結(jié)的讀取采用另外的小尺寸列選器件N3、N4管，如圖3所示.小尺寸的MOS管可以降低讀取電流對磁隧道結(jié)存儲狀態(tài)的干擾.自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的讀取過程是利用一個小的讀取電流（Iread）感測RAP和RP的阻值差別，然后與流經(jīng)參考單元的電流（Ireadref）進行比較，再由電流型高速靈敏放大器輸出比較結(jié)果，得到磁隧道結(jié)的存儲信息[8－10]，如圖2所示.其中，磁隧道結(jié)的讀取電流（Iread）從磁隧道結(jié)的自由層經(jīng)氧化層MgO流向參考層，Iread的方向和磁隧道結(jié)由反平行態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫袘B(tài)的寫入電流方向一致[3].盡管電路的設(shè)計滿足Iread＜Ic（Ic為磁隧道結(jié)從反平行態(tài)到平行態(tài)的開關(guān)電流），但磁隧道結(jié)的狀態(tài)改變具有熱擾動性.隨著讀取次數(shù)和讀取時間的增加，處于反平行態(tài)的磁隧道結(jié)將有一定的幾率（Pr）被改變?yōu)槠叫袘B(tài)，導(dǎo)致存儲用磁隧道結(jié)（MTJstore）的存儲數(shù)據(jù)錯誤翻轉(zhuǎn)，其擾動模型公式為

其中，τ0是磁隧道狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)的可能時間，設(shè)定為1ns；Pr是磁隧道結(jié)的狀態(tài)反轉(zhuǎn)幾率；D是讀電流脈沖的脈寬；E是磁隧道結(jié)的開關(guān)勢壘，決定了磁隧道結(jié)狀態(tài)的穩(wěn)定性，大小與信息的存儲時間相關(guān)，可設(shè)定E＝40kT.

低電源電壓寫入電路中的N3、N4器件是讀支路上尺寸很小的列選管.它們一方面可以很好地實現(xiàn)存儲陣列的列選擇；另一方面由于此列選管尺寸小，導(dǎo)通電阻較大，在讀取電源電壓一定的前提下，讀取電流就會小.根據(jù)式（5）～（7），讀取電流Iread越小，磁隧道結(jié)反平行狀態(tài)被改變的幾率就會越小，讀取電流對磁隧道結(jié)反平行狀態(tài)的干擾程度降低，從而提高了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的可靠性.

表1 磁隧道結(jié)模型中的物理經(jīng)驗常數(shù)

3 仿真結(jié)果

為了驗證上述低電源電壓寫入電路的性能，對文獻[3]的高電源電壓寫入電路和筆者提出的低電源電壓寫入電路進行了仿真，并利用仿真結(jié)果進行了相關(guān)功耗、面積的計算.仿真和計算結(jié)果表明，低電源電壓寫入電路與傳統(tǒng)電路相比具有低功耗、高可靠性等優(yōu)良性能.仿真采用商用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝（邏輯電壓1.2V）MOS器件模型和65nm的磁隧道結(jié)器件模型.其中磁隧道結(jié)模型充分考慮了磁隧道結(jié)自由層磁矩翻轉(zhuǎn)的動態(tài)特性和隨機特性，并用到了相關(guān)的物理經(jīng)驗常數(shù)，如表1所示.

3.1 低壓寫入電路的仿真

圖4所示為文獻[3]中的高電源電壓寫入電路和筆者設(shè)計的低電源電壓寫入電路的瞬態(tài)仿真.兩種電路的磁隧道結(jié)大小相同，所需的開關(guān)電流和開關(guān)時間近似相同.在寫使能高有效

圖4 高、低壓寫入電路的瞬態(tài)仿真

時，兩寫入電路開始執(zhí)行寫入操作.高電源電壓和低電源電壓兩寫入電路的磁隧道結(jié)在經(jīng)歷近乎相同的開關(guān)時間后，在201ns附近，磁隧道結(jié)的狀態(tài)“State－h(huán)w”和“State－lw”均發(fā)生改變，如圖4（e）和圖4（h）所示.在開關(guān)時間內(nèi)的195ns附近，兩寫入電路的寫入電流“Iwrite－h(huán)w”和“Iwrite－lw”基本相同，如圖4（d）和圖4（g）所示，寫入電流值均近似為－80.6μA.但寫入電源電壓不同，高電源電壓為1.8V，低電源電壓為1.2V，這可從存儲單元源極線電平（SL）反映出來.如圖4（c）和圖4（f）所示，在磁隧道結(jié)開關(guān)時間內(nèi)的195ns附近，兩寫入電路的寫入源極線電平“SL－h(huán)w”和“SL－lw”分別為1.62V和0.801V.根據(jù)仿真結(jié)果和式（3）可計算出兩寫入電路每位磁隧道結(jié)的寫入功耗，計算結(jié)果如表2所示.表2中兩電路磁隧道結(jié)的寫入頻率相同，計算中沒有考慮寫入頻率，只對磁隧道結(jié)進行了寫入能耗的計算.計算結(jié)果表明，低壓寫入電路和文獻[3]中的高壓寫入電路相比，能耗可降低近33%.根據(jù)前面的分析，表2中的磁隧道結(jié)錯誤翻轉(zhuǎn)率由讀取電流的大小決定，低壓寫入電路的讀取電流小，故磁隧道結(jié)錯誤翻轉(zhuǎn)率低.

3.2 自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的仿真

采用低電源電壓寫入電路后，為了驗證自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器能執(zhí)行正確的讀寫和列選功能，筆者還針對多存儲單元的讀寫電路進行了瞬態(tài)仿真，如圖5所示.為了更好地說明自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器列選的有效性，仿真給出了兩列（c1和c2）的存儲單元讀寫結(jié)果.在前200ns，第1列c1有效，c1列的磁隧道結(jié)狀態(tài)“State－c1”在寫使能有效時間內(nèi)隨著輸入而變化，如圖5（a）、5（b）和5（e）所示.在200ns之后，第2列c2有效，c2列的磁隧道結(jié)狀態(tài)“State－c2”在寫使能有效時間內(nèi)隨著輸入而變化，如圖5（a）、5（b）和5（g）所示.靈敏放大器的輸出在200ns前和200ns后分別隨著“State－c1”和“State－c2”而變化，如圖5（e）、5（g）和5（h）所示.此仿真結(jié)果說明，自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器可以實現(xiàn)有效的列選和讀寫功能.

表2 文獻[3]中的高壓寫入電路和筆者設(shè)計的低壓寫入電路的性能比較

圖5 自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的讀寫的瞬態(tài)仿真

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種適用于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的低電源電壓寫入電路.利用列選和讀寫隔離相結(jié)合的方法，低電源電壓寫入電路減小了寫入支路上的電阻，從而降低了寫入電源電壓，實現(xiàn)了寫入功耗的降低.同時，讀取支路上的小尺寸列選器件又減小了讀取電流，使得讀取對磁隧道結(jié)存儲狀態(tài)的干擾降低，提高了存儲可靠性的.電路的仿真和計算結(jié)果表明，低電源電壓寫入電路的寫入功耗僅為3.38pJ/bit，與傳統(tǒng)高電源電壓寫入電路相比，可降低近33%.筆者所提出的低電源電壓寫入電路可應(yīng)用于低功耗、高可靠性自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存儲器的設(shè)計，相關(guān)電路的測試芯片正在研制中.

[1] Engel B，Akerman J，Butcher B，et al.A 4－Mb Toggle MRAM Based on a Novel bit and Switching Method[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（1）：132－136.

[2] Lin C J，Kang S H，Wang Y J，et al.45nm Low Power CMOS Logic Compatible Embedded STT MRAM Utilizing a Reverse－connection 1T/1MTJ Cell[C]//IEEE Electron Devices Meeting.Piscataway：IEEE，2009：279－282.

[3] Kawahara T，Takemura R，Miura K，et al.2Mb SPRAM （Spin－Transfer Torque RAM ）With Bit－by－Bit Bi－Directional Current Write and Parallelizing－Direction Current Read[J].IEEE Journal of Solid－State Circuits，2008，43（1）：109－118.

[4] Abe K，Noguchi H，Kitagawa E，et al.Novel Hybrid DRAM/MRAM Design for Reducing Power of High Performance Mobile CPU [C]//IEEE International Electron Devices Meeting.Piscataway：IEEE，2012：243－246.

[5] Yoda H，F(xiàn)ujita S，Shimomura N，et al.Progress of STT－MRAM Technology and the Effect on Normally－off Computing Systems[C]//IEEE International Electron Devices Meeting.Piscataway：IEEE，2012：259－262.

[6] Zhang Y，Zhao W S，Lakys Y，et al.Compact Modeling of Perpendicular－Anisotropy CoFeB/MgO Magnetic Tunnel Junctions[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2012，59（3）：819－826.

[7] Faber L B，Zhao W S，Klein J O，et al.Dynamic Compact Model of Spin－Transfer Torque Based Magnetic Tunnel Junction （MTJ）[C]//Proceedings IEEE International Conference on Design ＆ Technology of Integrated Systems.Piscataway：IEEE，2009：130－135.

[8] Zhao W S，Devolder T，Lakys Y，et al.Design Considerations and Strategies for High－reliable STT－MRAM [J].Microelectronics Reliability，2011，51（9－11）：1454－1458.

[9] Nahas J，Andre T，Subramanian C，et al.A 4Mb 0.18μm 1T1MTJ Toggle MRAM Memory[C]//IEEE International Solid－State Circuits Conference.Piscataway：IEEE，2004：44－51.

[10] Chen Y，Li H，Wang X，et al.A 130nm 1.2V/3.3V16kb Spin Transfer Torque Random Access Memory With Nondestructive Self－Reference Sensing Scheme[J].IEEE Journal of Solid－State Circuits，2012，47（2）：560－572.

[11] Lakys Y，Zhao W S，Devolder T，et al.Self－Enabled“Error－Free”Switching Circuit for Spin Transfer Torque MRAM and logic[J].IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（9）：2403－2406.

[12] Zhao W S，Chappert C，Javerliac V，et al.High Speed，High Stability and Low Power Sensing Amplifier for MTJ/CMOS Hybrid Logic Circuits[J].IEEE Transaction on Magnetics，2009，45（10）：3784－3787.