專利名稱：用于模擬具有自旋極化電流寫入的磁隧道結(jié)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬具有自旋極化電流寫入的磁隧道結(jié)的方法。
背景技術(shù)：
磁隧道結(jié)(MTJ)是稱作磁存儲器或MRAM的存儲器的基本部件，MRAM是“磁隨機訪 問存儲器”的首字母縮略詞。現(xiàn)今，具有自旋極化電流寫入的MTJ使得在集成密度和功耗方 面可以獲得改善的性能，具有自旋極化電流寫入的MTJ也稱作CIMS，CIMS是“電流感應(yīng)磁 開關(guān)”的首字母縮略詞。這些部件的存儲效果特別使用電子的自旋作為相對于關(guān)于硅的常規(guī)電子學的附 加自由度，該常規(guī)電子學僅使用電子的電荷。自旋是電子的磁矩，并且其具有兩種狀態(tài)與 環(huán)境磁場平行或反向。自旋對鐵磁(FM)材料的輸運性質(zhì)具有顯著影響。此效果特別是造成自旋閥中使 用的巨磁電阻現(xiàn)象和磁隧道結(jié)(MTJ)中使用的遂穿磁阻(TMR)的原因。MTJ是由氧化物層分開的兩個鐵磁層形成的納米結(jié)構(gòu)。在此配置中，疊層的電阻 依賴于兩個鐵磁層的相對磁化。這是遂穿磁阻(TMR)效應(yīng)。通常，這些層中的一層，稱作硬 層，的磁化(magnetization)是固定的并用作參考。通過此層的形狀或通過與反鐵磁層交 換能量可以確保此層的穩(wěn)定性。其它層的磁化是可控制的。依賴于自由層的磁化和參考層 的磁化之間的角度的電阻值于是對結(jié)中所包含的信息進行編碼。于是讀取信息在于測量結(jié)的電阻。在結(jié)中寫入在于修改軟層的磁取向，以改變疊 層的電阻值。相應(yīng)于各代MTJ，諸如以下代表示“場感應(yīng)磁開關(guān)”的FIMS、表示“熱輔助開 關(guān)”的TAS、或表示“電流感應(yīng)磁開關(guān)”的CIMS，能夠以各種方式執(zhí)行此動作。歸因于依賴于多重物理、電、或環(huán)境因素的待研究的復雜行為，這些部件，特別是 第三代CIMS的那些部件的設(shè)計是復雜的。一種可靠且可重復的研究和工業(yè)設(shè)計手段是仿 真。數(shù)種方法使得可以對這些新部件的物理性能進行仿真。為了對包含其它部件的電子電 路內(nèi)的這些新部件的性能進行仿真，必需使用能夠用于SPICE類型的標準電仿真器中的等 效電模型。為此目的，本發(fā)明提供等效電路，該等效電路使得可借助于電仿真器容易地對部 件，該部件特別是CIMS MTJ類型，其參數(shù)已知，進行仿真，如同對任何其它常規(guī)電子部件所 執(zhí)行的那樣。能夠?qū)⑺鯩TJ插入包含其它部件的電路中，以能夠?qū)Π挪考统Ｒ?guī)微 電子部件(包含常規(guī)微電子部件是可能的情況)的復雜架構(gòu)進行仿真。此模型還是可控制 的。從而，能夠基于MTJ的物理模型的發(fā)展，容易地改變物理定律或使其更精確，無需修改 等效電路圖。另外，能夠在軟件代碼之外描述模型的參數(shù)，使得用戶或設(shè)計者能夠根據(jù)其自 己的表征法輸入其自己的MTJ參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此是模擬具有自旋極化電流寫入的磁隧道結(jié)的方法，所述結(jié)包括由隔離層分開的至少兩個磁層構(gòu)成的疊層，該至少兩個磁層為第一磁層和第二磁層，所述 第一磁層的磁化M由一致的磁矩(mx、my、mz)描述，所述結(jié)的動態(tài)行為由包括至少兩個耦合 構(gòu)件的等效電路模擬第一構(gòu)件，表示所述層構(gòu)成的疊層，并模擬隧道效應(yīng)，換句話說，模擬所述節(jié)的磁 狀態(tài)對其電阻的影響，對應(yīng)于流過所述層的極化電流的電流Iss流過所述疊層，所述疊層的 跨其端子的電阻依賴于三個電壓vx、Vy、Vz,該三個電壓表示沿三個軸I、、《的所述磁矩的 三個維度；第二構(gòu)件，表示所述磁矩的行為，包括三個電路，所述三個電路中的每一個電路通 過所述三個電壓\、\、Vz表示所述磁矩的一個維度，所述三個電壓中的每一個電壓依賴于 其它維度上的電壓和跨所述疊層的所述端子的電壓Vss，模擬所述極化電流Iss對所述第一 層的所述磁化施加的扭矩效應(yīng)。所述第一層是例如具有可控的磁化的軟磁層，且所述第二層是例如具有固定的磁 化的硬磁層。在一個具體實施例中，所述第一構(gòu)件包括并聯(lián)的具有恒定值的電容器和依賴于表 示所述第一層的所述磁矩的所述三個電壓vx、Vy、Vss的可變電阻，所述第一層例如是軟磁層。所述第二構(gòu)件的每一個電路包括例如并聯(lián)的兩個電流源、電容器和可變電阻，第 一電流源是另外兩個維度上的所述電壓的函數(shù)，第二電流源是所述三個電壓Wss和跨 所述疊層的所述端子的所述電壓Vss的函數(shù)。從而，電流Ix流過的第一電路包括例如并聯(lián)的為電壓Vy、Vz的函數(shù)的值為Ixx的電流源；為電壓Vx、Vy、Vz、Vss的函數(shù)的值為/f'的 電流源；電容器；由為電壓Vy、Vz的函數(shù)的其電導Gxx表示的可變電阻；電流Iy流過的第二電路為電壓VX、VZ的函數(shù)的值為Iyy的電流源；為電壓Vx、Vy、Vz、Vss的函數(shù)的值為的 電流源；電容器；由為電壓Vx、Vz的函數(shù)的電導Gyy表示的可變電阻；電流Iz流過的第三電路為電壓Vx、Vy的函數(shù)的值為Izz的電流源；為電壓Vx、Vy、Vz、Vss的函數(shù)的值為/f的 電流源；電容器；由為電壓Vx、Vy的函數(shù)的其電導Gzz表示的可變電阻；電壓Vx、Vy、Vz分別是表示維度mx、my、mz的電壓，Vss是跨所述疊層的所述端子的電 壓，電流C、Is;、/f依賴于電壓Vss。有利地，電路可以與模擬器件內(nèi)的熱傳遞的等效電路耦合，每一層由熱阻和熱容 模擬。所述疊層的每一層由附加節(jié)點表示，電容和電阻例如串聯(lián)連接，電容與表示熱流 的電流源并聯(lián)連接。


在結(jié)合附圖給出的以下描述的幫助下，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明顯，附 圖如下圖1示例了隧道結(jié)中的隧道效應(yīng)；圖2示例了經(jīng)受磁場時作用于磁化上的扭矩；圖3是依賴于自旋的隧道效應(yīng)的等效電路圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的模擬方法使用的等效電路的范例；圖5是傳輸線的部分的電路圖；圖6是熱流方程的等效電路圖；圖7是包含結(jié)的層構(gòu)成的疊層的等效熱圖。
具體實施例方式圖1示例了磁隧道結(jié)MTJ中的遂穿磁阻效應(yīng)。磁隧道結(jié)MTJ是包括由隔離層3分 開的兩個鐵磁層1、2的納米結(jié)構(gòu)，隔離層3例如是氧化物層。兩層之一 2的磁化固定，其是 硬層。另一層1的磁化是可控制的，該層是軟層。層1、2、3構(gòu)成的疊層的電阻RP、RAP于是 依賴于該兩層的磁取向。如先前指出的，這是遂穿磁阻效應(yīng)。從兩層1、2之間的平行磁化 P至反平行磁化AP的通道(passage)呈現(xiàn)磁滯4、5。電阻值編碼和存儲信息，平行磁化的 情況下的電阻值Rp = 0，且反平行磁化的情況下的電阻值Rap = 1。在FM材料中，由于磁矩和晶格之間的相互作用，存在磁晶各向異性。這導致稱作 易磁化方向的方向，其中在無外力的情況下，磁化自然對準。在依賴于結(jié)的形狀的此情況 下，將形狀各向異性增加至此晶體各向異性。例如，如果使用橢圓形的結(jié)，形狀各向異性趨 于沿結(jié)的最長軸對準該磁化。如果磁晶易磁化軸在此相同方向上取向，則增加了效果并從 而獲得了高穩(wěn)定性的結(jié)。讀取信息從而在于測量結(jié)的電阻。此讀取操作能夠通過將結(jié)偏置于給定電壓并測 量得到的電流來實現(xiàn)，例如，通過對應(yīng)于存儲的二進制信息的邏輯電平的形式生成電流的 放大器電路。在結(jié)中寫入在于修改軟層1的磁取向，以便改變疊層1、2、3的電阻值?？梢砸愿?種方式來執(zhí)行此動作，與各代MTJ相對應(yīng)在稱作FIMS的表示“場感應(yīng)磁開關(guān)”的第一代中，通過施加結(jié)附近的電流線生成 的磁場來修改軟層的磁化。在此途徑中，寫入所需的電流密度通常很顯著，并且生成的用于 在結(jié)中寫入的場能夠與相鄰結(jié)相互作用，這能夠在寫入操作期間引起選擇性問題；在稱作TAS的表示“熱輔助開關(guān)”的第二代中，寫入原理是類似的，只是在寫入前 跨結(jié)施加電流，以使得基本減小待施加于結(jié)的用于寫入的場。因此，所需的電流密度小得 多，并且不再存在選擇性問題，待寫入的結(jié)是唯一的被加熱的結(jié)，并且因此僅一個結(jié)對施加 的磁場敏感；稱作CIMS的表示“電流感應(yīng)磁開關(guān)”的第三代不使用外部寫入線，而實際上使用 跨結(jié)施加的足夠高的自旋極化電流，該電流對軟層的磁化施加能夠反轉(zhuǎn)該磁化的扭矩。所 需的用于寫入的電流密度于是很低并且選擇性問題不存在。另外，沒有寫入電流線使得可以獲得最終的集成，對于需要高集成密度的器件框架中的應(yīng)用，這是特別有利的，特別是對 于存儲器，需要高集成密度的器件框架。為了使部件能夠在電仿真器中被仿真，以稱作雅可比矩陣的矩陣形式特別描述了 部件。對于某些仿真器，含有η個節(jié)點的部件由其雅可比矩陣描述。向量I= [IpI^In] 和向量V = [V1, V^Vn]分別描述進入部件的每個節(jié)點k和存在于每個節(jié)點k上的電壓的
值。每個電流Ik具有靜態(tài)成分ik和動態(tài)成分|，qk是節(jié)點上的電荷。部件的雅可比矩陣
是其電導矩陣G (conductance matrix)和其電容矩陣的和。電導矩陣的矩陣元Giij由以下 方程定義
權(quán)利要求
1.一種模擬具有自旋極化電流寫入的磁隧道結(jié)的方法，所述結(jié)包括由隔離層(3)分開 的至少兩個磁層(1、2)構(gòu)成的疊層，該至少兩個磁層為第一磁層(1)和第二磁層(2)，所述 第一層的磁化(M)由一致的磁矩(mx、my、mz)描述，其特征在于，所述結(jié)(1、2、3)的動態(tài)行為 由包括至少兩個耦合構(gòu)件(41、42)的等效電路模擬第一構(gòu)件(41)，表示所述層(1、2、3)構(gòu)成的疊層，并模擬隧道效應(yīng)，對應(yīng)于流過所述層 的極化電流的電流(Iss)流過所述疊層，所述疊層的跨其端子(SpS1)的電阻依賴于三個電 壓(Vx、Vy、Vz)，該三個電壓表示沿三個軸(4、&、1)的所述磁矩的三個維度(mx、my、mz)； 第二構(gòu)件(42)，表示所述磁矩的行為，包括三個電路(43、44、45)，所述三個電路中的 每一個電路通過所述三個電壓(Vx、Vy、Vz)表示所述磁矩的一個維度，所述三個電壓中的每 一個電壓依賴于其它維度上的電壓和跨所述疊層的所述端子的電壓(Vss)，模擬所述極化電 流(Iss)對所述第一層的所述磁化(M)施加的扭矩效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一層(1)是具有可控的磁化的軟磁 層，且所述第二層(2)是具有固定的磁化的硬磁層。
3.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述第一構(gòu)件(41)包括并聯(lián)的具有 恒定值的電容器(Css)和依賴于表示所述第一層的所述磁矩的所述三個電壓(Vx、Vy、Vss)的 可變電阻(1/GSS)。
4.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述第二構(gòu)件(42)的每一個電路 (43、44、45)包括并聯(lián)的兩個電流源、電容器和可變電阻，第一電流源(Ixx、Iyy、IJ是另外兩 個維度上的所述電壓的函數(shù)，第二電流源Us:、《、/f )是所述三個電壓(Vx、Vy、Vss)和 跨所述疊層的所述端子的所述電壓(Vss)的函數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于電流Ix流過的第一電路(43)包括并聯(lián)的 為電壓\、\的函數(shù)的值為Ixx的電流源；為電壓vx、Vy、Vz、Vss的函數(shù)的值為/f的電流源； 電容器(Cx)；由為電壓\、\的函數(shù)的其電導Gxx表示的可變電阻；電流Iy流過的第二電路(44)包 括并聯(lián)的為電壓VX、VZ的函數(shù)的值為Iyy的電流源； 為電壓Vx、Vy、Vz、Vss的函數(shù)的值為的電流源； 電容器(Cy)；由為電壓Vx、Vz的函數(shù)的電導Gyy表示的可變電阻； 電流Iz流過的第三電路(45)包括并聯(lián)的 為電壓Vx、Vy的函數(shù)的值為Izz的電流源； 為電壓Vx、Vy、Vz、Vss的函數(shù)的值為/f的電流源； 電容器(Cz)；由為電壓Vx，Vy的函數(shù)的其電導Gzz表示的可變電阻；電壓Vx、Vy、Vz分別是表示維度mx、my、mz的電壓，Vss是跨所述疊層的所述端子的電壓， 電流巧、Is:、/f依賴于電壓Vss。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述電容器(Cx、Cy、Cz)的值是恒定的。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，電路(41、42)與等效熱路耦合，每一 層(1、2、3)由熱阻(RThl、RTh2、."RnJ 和熱容(CThl、CTh2、."CnJ 模擬。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述疊層的每一層由附加節(jié)點(Thl、Th2^·· Thn)表示，所述電容和所述電阻(CThi、RThi)串聯(lián)連接，所述電容(CThl、CTh2、· · CThi、…CThn) 與表示熱流的電流源(P)并聯(lián)連接。
全文摘要
一種結(jié)，包括至少兩個磁層的疊層，該至少兩個磁層為第一磁層和第二磁層，第一磁層為例如具有可控磁化的軟磁層，第二磁層為例如具有固定磁化的硬磁層，軟層的磁化由一致的磁矩(mx、my、mz)描述，結(jié)的動態(tài)行為由包括至少兩個耦合構(gòu)件(41、42)的等效電路模擬第一構(gòu)件(41)，表示層(1、2、3)的疊層，對應(yīng)于流過所述層的極化電流的電流(Iss)流過所述疊層，疊層的跨其端子(S0、S1)的電阻依賴于三個電壓(Vx、Vy、Vz)，該三個電壓表示沿三個軸的該磁矩的三個維度(mx、my、mz)，公式(I)，模擬隧道效應(yīng)；第二構(gòu)件(42)，表示該磁矩的行為，包括三個電路(43、44、45)，所述三個電路中的每一個電路通過所述三個電壓(Vx、Vy、Vz)表示該磁矩的一個維度，所述三個電壓中的每一個依賴于其它維度上的電壓和跨所述疊層的所述端子的電壓(Vss)，模擬極化電流(Iss)對所述軟層的所述磁化(M)施加的扭矩效應(yīng)。
文檔編號G06F17/50GK102007544SQ200880127107
公開日2011年4月6日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者G·普雷納, W·郭 申請人:原子能和輔助替代能源委員會, 國立科學研究中心