抽象性
旋转转移托盘随机存取器(STT-MRAM)是一个大有希望的通用内存候选程序,可替代传统内存形式期望它提供高速运算、可扩缩性、低功耗和高耐力MRAM交换技术从现场驱动磁交换技术演化为旋转转移托克交换技术此外,通过切换电流密度减低促低功率操作的材料技术本文审查磁道交叉点建模建模法和模型MTJ特征分为两大类,大型模型和行为模型,并比较MTJ的最重要特征、依赖电压阻抗和切换行为表示电压依赖MTJ抗药性,有些模型基于物理机制,如Landau-Lifshitz-Gilbert方程或电压依赖行为某些行为模型通过添加适配参数或引入新物理参数来构建,以表示MTJ在各种输入流条件中的复杂切换行为不基于物理机制的其他模型通过简单匹配实验数据实施
开工导 言
旋转转移托盘随机存取器(STT-MRAM)已成为下一代非挥发性内存的有希望候选者传统存储形式,如DRAM或闪存,在缩放、电耗、耐用性和其他重要参数方面已达到极限STT-MRAM有许多长处,包括非挥发性、高速化、可缩放性、低功率分解和高耐受性[一号,2..
为促进STT-MRAM商业化,必须满足可缩放性要求和低功率消散要求交换技术的进步和材料开发使得切换电流密度根据低电耗和高速运算需求下降现场磁交换技术向STT交换技术的进步和从机内设备向垂直磁反射器设备物质技术加速开发STT-MARM
模拟设计基于MTJSTT-MARM模型应提供精确物理描述精确表示MTJ特征模型必须兼容电路级模拟器,如SPICE多MTJ模型,包括大型模型、微磁模型和行为模型大型模型由电路元素组成,如电阻器、电容器和电压源电路模拟器兼容性大有裨益,但电路元素数随MTJ动态特征复杂性而增加微磁模型在精度方面有优势 因为它们模拟个体磁化运动微磁模型通常基于LLG方程并可用于理解单MTJ单元物理切换过程其重要性随着技术节点下降而提高,使个人磁化运动变得重要然而,由于这些模型的复杂性,微磁模型不适宜模拟大数组STT-MARM行为模型常用硬件描述语言写成,如Verilog-A或Verilog-C语言,这些语言与电路级模拟器兼容行为模型有利于电路模拟,因为模型从分析上代表MTJ特征,只需要一个元素,而宏模型则需要多路元素。
一些研究比较行为模型和LLG方程微磁模型3,4..中3LLG方法比行为方法快然而,[4s报告基于LLG方程模型比行为模型需要更长模拟时间因此,有关这些建模方法的结论仍然有争议性。
本文余下部分组织如下:下一章审查MRAM基础交换技术和材料技术下几章中MTJ特征模型分为两大类,宏观模型和行为模型,并比较MTJs、依赖电压阻抗和切换行为的最重要特征
二叉MRAM技术
2.1.开关技术开发历史
开关技术从FIMS技术演进到STT切换技术多年,图中显示一号[5..
(a)
(b)
(c)
早期MRAM使用FIMS交换技术19号电磁场切换离MTJ相邻导线导出磁场1(a).当前流足以产生临界磁场 铁磁层切换方向向反向然而FIMS技术有几个缺陷和限制FIMS技术占用大面积(20-30F2)单单元,因此不可能实现高密度电流随细胞大小下降而增加,因为阻抗交换场变大相邻单元格磁场干扰还可能发生写错,单元格间距离变小
另一种交换技术是热辅助交换技术20码..TAS技术作为克服FIMS技术限制的手段得到了相当重视,即写选择和电耗技术依赖磁场和热的组合,图中显示1(b).读操作在室温下进行,写操作在高温下进行,直接注入流到MTJ高温使铁磁层轻易开关磁场变磁化,从而减少电耗并直接流出设备 选择写解决写选择问题然而,规模和稳定问题仍然存在。
推荐STT交换技术是为了克服上文介绍的交换技术的局限性技术切换磁性直接注入MTJ21号不使用外部磁场,图中显示1(c).当流进铁磁层时,电流分极化,极化电流引导STT磁化铁磁层以保护旋转角动量如果流量超过给定阈值,磁化由STT切换技术有可缩放性高密度的长处,因为不需要外部导线诱导磁场因此,STT-MRAM细胞区可缩小至约6F2远小于FIMS或TAS技术所需区域此外,开关流规模可下降,从而减少电耗
STT切换后下一个有前途切换技术是电压诱导切换技术STT当前高密度切换约~MA/cm2难减当前密度STT交换技术仍需要大型CMOS晶体管,对电耗效率低电压驱动切换技术预期会将切换电流密度减到<105m/m2.电压驱动切换技术原理利用电压控制磁反射铁磁层和氧化层之间的能量屏障通过对MTJ应用电压脉冲来减少转接过程技术需要磁场判定切换方向
2.2.STT-MRAM材料技术
低功率运算是加速STT-MARM商业化的最重要条件之一STT-MRAM切换当前密度必须下降以实现低功率耗和高速运算提出了各种减少转接当前MTJ密度的方法,如降低自由层厚度[22号或使用二氧化通道屏障层23号..降低切换电流密度可能会在平面磁反射器设备中引起热不稳定性,因为异向场随细胞大小下降而下降多研究PMA设备24码-26提供比IMA设备低交换电流密度据报PMA设备有可缩放性、热稳定性、低流密度、高速和低功耗等优点
提议使用稀土/过渡金属合金电极[27号,28码..最近 正交旋转MRAM和跨子源PMA备受关注OST-MRAM使用第二旋转极磁层直达平面6,29..传统IMA设备在切换过程初始阶段有一个小STT,因此很难将切换时间压缩到子核二次尺度初始STT加插二次垂直极分法加速切换时间到二分法尺度消除初始孵化时间界面驱动PMA使用和FerichCoFeB自由层25码,30码或Ta种子层取代Ru种子层7..从低交换流密度和高交换速度看,这些研究提供了极优实验结果切换电流密度是STT-MRAM最重要的参数之一,因为它对切换速度和热稳定性系数有影响。
关键切换当前密度IMA设备零温31号,32码万事通 去哪儿 吉尔伯特阻塞系数 yromatic比 电子充电 磁渗透性 饱和磁化 宽度层宽度 平面反异步场 即去磁场 博尔磁体 旋转传递效率 电子极化百分比 介于自由层和引用层磁化之间的角描述中1a置关键切换电流密度和热稳定因子之间的取舍热稳定因子表示 中位 即能量屏障 异步场 体积自由层 博尔兹曼常量 温度问题关系说明热不稳可以通过减少切换电流密度诱发
PMA通过同时取消去磁场并保护能源屏障来降低电流密度 [三十三..离磁场通过向IMA设备加直极法6,29上图显示2.关键切换流密度描述为 去哪儿 垂直磁异步场34号..Rowlands等[6显示向IMA设备加直截分解器可显著提高切换速度至0.1ns并降低写能量至0.4pJ3)透视磁异子场通过增加直角极分解去磁场并旋转叉子从直角极分推自由层磁向平面外向,以便比传统IMA设备快速切换
(a)
(b)
下降交换电流密度的另一种方法就是使全垂直铁磁层大到足以克服去磁化场7,30码,35码,36号..变磁场完全注销,关键切换流密度下降34号万事通
注意临界切换电流密度与垂直磁异子场成比例完全PMA设备可扩缩性,因为热稳定性得到维护,同时能屏障最小化Worledge等上报7PMA设备切换速度快8倍,关键切换电压比IMA设备低,图中显示4.
根据ITRS2013路径表37号STT-MRAM材料技术开发到2017年使用PMA,技术节点下降见表一号.因此,必须彻底调查PMA设备
3级MTJ特征建模
STT-MRAM商业化的一个主要障碍是MTJ缺少精确高效电路模型物理精确高效电路模拟模型将有益于大规模STT-MARM设计优化模型精确表示MTJ特征时,可避免高估设计边距以降低细胞面积和功耗高效计算电路模型对缩短模拟时间以加速STT-MRAM设计周期至关重要
本章将审查建模法和MTJ特征模型MTJ抗电依赖和交换行为建模模型是MTJ的两个最重要特征,接受调查双特征建模模型可归为二类,大型模型(或结构模型)和行为模型
3.1.电压依赖MTJ抗药性建模
多实验证明MTJ抗电量依赖38号,三十九..MTJ阻抗值低时固定层和自由层的磁化取向并行阻力增加时磁化为抗平行电压依赖MTJ抗药性对并行状态和反并行状态不同高抗电量依赖大于低抗电量38号..
布林克曼等[40码1970年表示依赖偏向行为布林克曼等开发依赖电压传导模型,由屏障厚度和屏障高度组成并有下列参数关系: 去哪儿 以零偏向执行 屏障厚度 即潜力 普朗克常量 电子充电 电子质量 .
朱列尔模型41号描述相对传导使用旋转极化 传导电子5并只考虑两个状态(并行法和反并行法): 去哪儿 分层对齐 .
slonczewski42号显示导演作用角对两层铁磁化之函数6电压依赖不考虑 去哪儿 介于自由层和固定层磁化之间的角
多位依赖电压MTJ抗药性行为模型基于这三个行为模式MTJ数位行为模型描述电压依赖MTJ抗药性8,九九,43号-46号..
赵等[8使用布林克曼导演模型40码行为模型MTJ模型用Verilog-A语言开发,因此它与SSPICE等电路级模拟器兼容DC模拟结果显示抗电压和电压之间的关系,图中显示5.
Madec等[九九开发地道当前模型整合三大导演模型:Juliere模型41号slonczewski模型42号和布林克曼模型40码..外加TMR搭建模型 去哪儿 TMR零偏差 匹配电压的适配参数
Madec模型可以精确化,因为如图所示,三大导演模型合并成一个模型互为补充6.低抗药性假设常量值,如许多实验数据所示,导电或德涅斯特河左岸电压依赖仅表示高抗药性Madec方法使用布林克曼导电模型和依赖电压TMR模型表示电压依赖导电,很可能高估电压依赖MTJ抗药性
多数依赖电压MTJ抗药性行为模型基础布林克曼模型其它行为模型使用适配图表示电压依赖MTJ抗药性多配配行为模型表示导电或TMR与电压有参数或指数关系45码,46号..行为模型用简单方程描述模拟MTJ抗药性特征并高效运行大数组STT-MRAM
另一种建模方法为大型建模,它表示使用电路元素的特征[10-12,15,18号,47-49号..Panagopoulos等[10Landau-Lifshitz-Gilbert方程应用线性电容器依赖电流源和电阻7.基于Kirchhoff法则 磁化动态随时间推移可以通过电容器和电流源解决模型中飞机外角 和平面角 计算并用于表示MTJ抗药性如下: 去哪儿 应用电压 温度高低 是一个依赖物参数 并行状态下地道阻抗 氧化物厚度
平面角不计算STT和抗药性,但此宏模型表示MTJ抗药性电压依赖性良好
电压依赖MTJ抗药性可以通过上文描述的基于物理的宏模型实现。实现宏模型的另一种方式是通过匹配实验数据来表示特征上文指出,电压依赖性对并行状态和反并行状态不同。高抗力依赖电压比低抗力大,可安装高斯分布函数或电压抛物函数换句话说,MTJ抗药性值高为零偏差并随电压增加而下降
Mukherjee和Kurinec11实现非线性电压依赖MTJ抗药性,作为线性电阻源和电压控制电流源并行组合,如图所示8.电压控制电流源适应指数电压依赖性,宏模型通过调整适配参数描述电压依赖性阻抗 , 并 ,
我们集团12并报告三端子电路巨型复制MTJ抗药性非对称电压依赖性,如图所示九九.低抗药性假设常值高抗药性适应Lorentzian装配表达式歇斯底里特征通过电压控制电源和线性电阻实现Lorentzian电压依赖完全由电压控制电阻组成宏模型成功复制实验数据非对称电压依赖模型显示很容易与CMOS电路合并应用STT-MRAM模拟
(a)
(b)
3.2切换行为建模
发现转接行为可归为三种不同模式,即当前脉冲宽度函数,图中显示10热激活、动态反转和分层切换13..热激活切换模式通常用于MTJs使用,驱动方式长流脉冲系统低功率分解和高速运算需求增加后,基于STT短流脉冲系统前分解切换模式变得日益重要,中间流脉冲系统动态反转换换同样重要
mtJ切换行为表现方式可以是偏向电流和切换时间之间的关系动态切换行为可按临界电流划分二类 ,并依赖当前脉冲宽度
偏差流小于 当前脉冲宽度足够长,Neel-Brown模型可应用到MTJs切换概率上50码..在这种情况下 交换时间 由电阻和热波之比确定 去哪儿 逆图频率 即能量屏障 博尔兹曼常量 温度高低 音量自由层 强制字段切换行为以热激活为主
另一种情况是偏差流超出 当前脉冲宽度几毫秒下,切换行为几乎独立于热激活并受STT支配换代行为转换为前割让式切换,切换时间逆比Sun模型表示的偏差流51号: 去哪儿 初始角反射易轴
上两个模型表示热激活模式切换行为并预切换模式良好,但由于靠近复杂切换行为难以表示动态反转模式切换时间 .精确预测MTJ切换特征时,需要在整个脉冲宽度区域使用统一模型,包括热激活模式、预分层切换模式和电路级模拟动态反转模式
有一些行为模型覆盖当前脉冲宽度全区14-16,52,53号..Raychowdhury等[143-10ns定义动态逆向区域并使用热激活切换模式和前分层切换模式表示在这个模型中,动态逆向模式是上述两种交换模式并发并发关系外加适配参数 并 引入允许从一个区域向另一个区域无缝过渡12c:
模型切合实验数据,图中显示11.斜坡切换流 .
Harms等[15并展示行为模型切换特征 整个当前脉冲宽度模型改型热激活切换模型并配有适配参数 确定何时从热激活向分层切换模式过渡,如下文描述:
模型与实验数据完全匹配,图中显示12.但它似乎省略动态逆向模式并代表无物理意义预切换模式
最近,我们集团16,52显示分析行为模型同时覆盖所有交换模式新建阈值电流 开关时间新建后,模型可代表动态逆向机制特征和偏差流前分层切换机制特征模型命名为16万事通 去哪儿 并 .
模型解决热激活模式与预分层切换模式之间的差异问题如果流小于 模型和Neel-Brown热激活切换机制模型完全相同如果当前启动超出 模型同时具有热激活机制特征和分层切换机制特征,这与动态逆向机制相对应。此外,如果电流足够大,模型会与Sun模型相接以建立割让式切换机制此外,该模型不包含适配参数并同时表示并行/对应状态实验数据,图中显示13.
特别是,我们实施另一个模型 基础LLG方程4并比较模拟时间 和我们的解析模型如前所述,[3行为方法慢于LLG方法,因为条件循环导致不连续性,模拟器需要更多时间寻找解决办法行为模型比LLG基础模型快4倍求解4..产生这一结果是因为我们行为模型由统一方程组成(14)
除上述行为模式转换外,转换特征也可以由宏模型实施15,17,18号,47,48号,53号..Shang等[53号推荐新修改节点分析配方以考虑MTJ时间依赖型内部状态变量基于Kirchhoff法则,磁化角度选择为内部状态变量并用于定义新状态变量矢量或矩阵模型通过引入内部状态变量简化现有模型的复杂性此外,MTJ交换特征动态响应得到精确表示并显示与实验数据完全一致
徐等人[17sICE模拟宏模型由简单RC电路组成在这一模型中,LLG方程映射到RC网络上,每个电阻都按时间功能磁化时间函数划分为4个区域,图中显示14,并使用近似值对每个区域应用模型还很好地表示实验数据,但在不同区域边界上可能显示差异
我们集团18号开发SPICE宏模型,实现脉冲宽度依赖切换特征值得注意的是,该模型通过电路元素执行视时功能,尽管侧重于热激活模式虚构RC电路引入宏模型以测量当前脉冲宽度的持续时间,图中显示15.宏模型决定是否通过监控RC电路电流并比较RC电路输出电压和临界电流来切换状态
4级结论
本文审查MRAM技术开发历史和STT-MTJ特征各种模型
交换技术从FIMS技术演进STT交换技术FIMS在可缩放性、高功耗和写选择错误方面有缺陷,而STT切换技术通过直接注入流磁化MTJ有强性特征,如高密度、低功耗和低报错率
低功率消散和高速需求使PMA设备引起极大关注,因为它们预期提供高可缩性、高热稳定性、低电流密度、高速和低电耗PMA通过向IMA设备加直截分解器或使用全透铁磁层获取
MTJ的两个最重要的特征是电压依赖MTJ阻抗和交换行为模型这些特征可归为宏模型或行为模型表示电压依赖MTJ抗药性,模型基础是STT物理学,如LLG方程或电压依赖MTJ抗药性表示匹配实验数据
模型必须覆盖当前脉冲宽度全区以切换行为某些行为模型建议动态转换行为模型,在热激活和预割切换机制间引入适配参数另一些行为模型建议新阈值电流从热激活机制无缝转换至前分层切换机制此外,该模型没有适配参数并同时表示并行/对应状态实验数据还有一些宏模型描述MTJs电路元素转换行为
STT-MRAM是最有希望的非挥发存储器形式之一,可替代传统存储器形式,如DRAM或闪存高级材料技术精度电路模型可加速STT-MARM商业化
竞技兴趣
作者声明他们没有竞技兴趣
感知感知
此项研究得到了韩国国家研究基金会的支持,该基金会由科学、信通技术和未来规划部资助(no.2014R1A2A2A01002219).