[发明专利]一种磁隧道结器件的建模及优化方法

说明书

本发明公开了一种磁隧道结器件的建模及优化方法，属于集成电路技术领域。所述方法包括在MTJ建模之前通过数据拟合提取初始参数，并在建模之后采用目标函数结合模拟退火算法对初始参数进行参数优化。本发明通过拟合进行初始参数的提取，并采用模拟退火算法进行参数优化，解决了MTJ缺少精确建模参数的问题，达到了精确建模的效果。根据本发明的方法，通过对实际器件实验测试得到的数据进行参数提取确定模型参数，有效降低了建模参数不准确带来的建模偏差，提高了模型的实际应用价值，在磁隧道结器件的建模及MRAM设计与仿真的领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种磁隧道结器件的建模及优化方法，属于集成电路技术领域。

背景技术

磁隧道结器件(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)是自旋转移力矩磁随机存储器(Spin-Transfer Torque Magnetic RandomAccessMemory,STT-MRAM)存储单元的核心器件。STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的一种新型非易失性磁随机存储器，其被认为是最具有潜力替代Flash的新型存储器之一，在与计算机存储相关的领域均具有广泛的应用前景。

MTJ的两个铁磁层内部磁矢的磁化方向关系决定了MTJ有2个不同的状态：磁化方向平行时的低阻状态(代表0)、磁化方向反平行时的高阻状态(代表1)。而铁磁层的磁化方向可以通过写入电流来控制，因此，可以通过写入电流控制MTJ的阻值状态进而写入0和1。MTJ模型可以表征MTJ器件的电学特性和翻转行为，是MRAM设计与仿真中必不可少的；并且，精确的MTJ模型不仅可以用于研究MTJ的工作特性，也可以用于仿真其静态、瞬态特性和整个电路的工作状态。因此，对于电路设计者而言，如果能在设计电路之前用MTJ模型先行仿真分析，会使设计者节约大量的产品开发的成本和时间；对于生产厂家而言，一个精确的MTJ模型可以用于了解MTJ内部的工作机理并用于改进器件结构。

目前已有多个MTJ器件模型，包括静态模型和动态模型；静态模型只关注是否发生MTJ状态是否发生翻转以及相应地设置MTJ电阻，并不考虑磁矢翻转过程及翻转过程中电学特性的变化；动态模型一般基于Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程实时追踪磁化矢量状态，但仿真速度慢、不容易收敛。

此外，现有模型中使用的建模参数大多来自于理论或文献资料，而不是通过实验获得的，不具有实际价值。理论参数不能准确显示MTJ的器件特性，没有参数提取，模型不能反映器件工艺的变化。MTJ相关电路和系统仿真需要精确的建模参数。

发明内容

为了解决目前存在的缺乏精确的建模参数问题，本发明提供一种磁隧道结器件的建模及优化方法。

本发明提出了一种对磁隧道结器件(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的建模及优化方法，根据本发明的技术方案，首先，基于MTJ的结构参数进行参数提取，参数提取方法通过将MTJ的实验测量及测试数据与已有公式拟合得到。然后，将这些初始参数写入MTJ模型，通过生成目标函数比较建模结果与测试数据得到仿真偏差。进一步，利用模拟退火(SA)算法优化参数，获得更一致的建模结果。并将优化后的模型结果再次与MTJ的实验测试数据进行对比，以验证该发明的有效性。

具体而言，根据本发明的一种磁隧道结器件的建模及优化方法，包括如下步骤：

步骤一：基于MTJ的实验测试数据，提取用于MTJ建模的初始参数；

步骤二：将提取得到的初始参数写入MTJ模型；

步骤三：比较所述MTJ模型得到的J-R数据与测试得到的MTJ的J-R初始数据，并生成目标函数，由所述目标函数得到所述MTJ模型的仿真偏差；

步骤四：采用模拟退火算法对初始参数进行优化；

步骤五：将优化后的初始参数重新写入MTJ模型，得到精确的建模结果。