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    M a c r o - m o d e l o f S p i n - T r a n s f e r T o r q u e b a s e d M a g n e t i cT u n n e l J u n c t i o n d e v i c e f o r h y b r i d Magnetic-CMOS d e s i g nW . Z h a o , E . B e l h a i r e , Q . M i s t r a l ,

    C . C h a p p e r tI n s t i t u t d ' E l e c t r o n i q u e F o n d a m e n t a l e ,U n i v e r s i t y o f P a r i s 1 1 / C N R S , F r a n c eL a s t n a m e @ i e f . u - p s u d . f r

    V . J a v e r l i a c , B . D i e n yS P I N T E C , C EA ( C o m m i s s a r i a t al ' E n e r g i e A t o m i q u e ) , F r a n c e

    L a s t n a m e @ c e a . f r

    E . N i c o l l eA l l i a n c e C r o l l e s 2 , F r e e s c a l e - P h i l i p s -S T m i c r o e l e c t r o n i c s , F r a n c e

    L a s t [email protected]

    ABSTRACTT h e d e v e l o p m e n t o f h y b r i d M a g n e t i c - C M O S c i r c u i t s s u c h a sMRAM ( M a g n e t i c RAM) a n d M ag n e ti c l o g i c c i r c u i t r e q u i r e se f f i c i e n t s i m u l a t i o n m o d e l s f o r t h e m a g n e t i c d e v i c e s . A m a c r o -m o d e l o f M a g n e t i c T u n n e l J u n c t i o n ( M T J ) i s p r e s e n t e d i n t h i sp a p e r . T h i s d e v i c e i s t h e m o s t c o m m o n l y u s e d m a g n e t i cc o m p o n e n t s i n CMOS c i r c u i t s . T h i s m o d e l i s b a s e d o n S p i n -T r a n s f e r T o r qu e ( S T T ) w r i t i n g a p p r o a c h . T h i s v e r y p r o m i s i n ga p p r o a c h s h o u l d c o n s t i t u t e t h e s e c o n d g e n e r a t i o n o f MRAMs w i t c h i n g t e c h n o l o g y ; i t f e a t u r e s s m a l l s w i t c h i n g c u r r e n t( - 1 2 0 u A ) a n d h i g h p r o g r a m m i n g s p e e d ( < I n s ) . T h e m a c r o - m o d e lh a s b e e n d e v e l o p e d i n V e r i l o g - A l a n g u a g e a n d i m p l em en t e d o nC a d e n c e V i r t u o s o p l a t f o r m w i t h S p e c t r e 5 . 0 . 3 2 s i m u l a t o r . M a n ye x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s a r e i n t e g r a t e d i n t h i s m o d e l t o i m p r o v et h e s i m u l a t i o n a c c u r a c y . S o , t h e m o d e l c a n e f f i c i e n t l y b e u s e d t od es i g n h y b ri d M a g n e t i c C M O S c i r c u i t s .1 . INTRODUCTIONM a g n e t i c RAM (MRAM) i s o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g memoryt e c h n o l o g i e s , w h i c h f e a t u r e s n o n - v o l a t i l i t y , h i g h r e a d i n g s p e e d ,l a r g e r e t e n t i o n t i m e u p t o 1 0 y e a r s a n d i t a l l o w s a l s o m o r e t h a n1 0 1 2 r e - p r o g r a m m i n g c y c l e s [ 1 ] . T h e e l e m e n t a r y s t o r a g e d e v i c e o fMRAM i s t h e M a g n e t i c T u n n e l J u n c t i o n ( M T J ) [ 2 ] . By u s i n gMgO b a r r i e r i n M T J s , t h e r ea di n g p e r f o r ma n c e o f MRAM h a sb e e n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d ; h o w e v e r i t s w r i t i n g p e r f o r m a n c e s t i l ld o m i n a t e s t h e p o w e r c on s um p ti o n a n d t h e c i r c u i t s u r f a c e . I n t h ef i r s t g e n e r a t i o n o f M R A M , F i e l d I n d u c e d M a g n e t i c S w i t c h i n g( F I M S ) w r i t i n g a p p r o a c h h a s b e e n a d o p t e d . I t u s e s t w o h i g hc u r r e n t s t o p r o g r a m t h e M TJ a n d t h e n i t l e a d s t o a h i g h p o w e rd i s s i p a t i o n a n d r e q u i r e s l a r g e s u r f a c e t r a n s i s t o r s [ 1 ] . I n t h e l a s t 2y e a r s , S p i n - T r a n s f e r T or q u e ( S T T ) h a s b e e n i n t r o d u c e d a n dr a p i d l y d e v e l o p e d b y d i f f e r e n t c o m p a n i e s [ 3 - 6 ] . S p i n T r a n s f e rT o r q u e r e v e r s i n g p h e n o m e n a i n M TJ w a s o b s e r v e d i n MTJs o fl e s s t h a n 100nm i n w i d t h [ 7 ] . I n a d d i t i o n t o i t s s m a l l d i m e n s i o n( e . g . 2 4 0 n m * 8 0 n m ) , i t f e a t u r e s h i g h s p e e d , l o w p r o g r a m m i n gc u r r e n t a n d t h e r e f o r e l o w p o w e r d i s s i p a t i o n . S i m u l t a n e o u s l y , i tk e e p s a l l t h e g o o d p e r f o r m a n c e s o f t h e f i r s t g e n e r a t i o n o f M R A M .I n t h e s e c o n d s e c t i o n , we w i l l i n t r o d u c e t h e STT b a s e d M g Ob a r r i e r M TJ c o m p o n e n t a n d i t s p h y s i c a l m o d e l s . T h e e l e c t r i c a lm ac ro -m od el a n d s o m e D C / T r a n s i e n t s i m u l a t i o n r e s u l t s w i l l b es h o w n i n t h e t h i r d s e c t i o n . T h i s m o d e l h a s b e e n d e v e l o p e d i nV e r i l o g - A a n d i m p l e m e n t e d o n C a d e n c e V i r t u o s o p l a t f o r m w i t hS p e c t r e 5 . 0 . 3 2 s i m u l a t o r . F o r t h e h y b r i d M a g n e t i c - C M O S

    s i m u l a t i o n , S T m i c r o e l e c t r o n i c s CMOS 90nm t e c h n o l o g y h a s b e e nu s e d .2 . STT ( S p i n - T r a n s f e r T o r q u e ) b a s e d MRAM2 . 1 STT b a s e d M TJ i n t r o d u c t i o nSTT b a s e d M TJ i s m a i n l y c om p os e d b y t h r e e l a y e r s ( F i g . 2 . 1 ) , 2f e r r o m a g n e t i c l a y e r s a n d o n e o x id e b a r r i e r , h e r e MgO. MTJb e h a v e s a s a r e s i s t o r w i t h t w o r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ( h i g h a n dl o w ) d e p e n d i n g o f t h e d i r e c t i o n o f m ag n et i z at i on i n t h e t w of e r r o m a g n e t i c l a y e r s , i t p r e s e n t s l o w ( r e s p e c t i v e l y h i g h ) r e s i s t a n c ew h e n t h e s p i n t r a n s p o r t i s i n t h e s a m e ( r e s p . o p p o s i t e ) d i r e c t i o n i nt h e t w o f e r r o m a g n e t i c l a y e r s . T h i s r e s i s t a n c e v a r i a t i o n b e h a v i o rw a s o b s e r v e d f i r s t l y b y J u l l i e r e i n 1 9 7 5 [ 8 ] . T h e r a t i o b e t w e e n t h et w o r e s i s t a n c e v a l u e s i s n a m e d T u n n e l i n g M a g n e t o r e s i s t a n c eR a t i o (TMR) a n d d e f i n e d i n E q u . ( 2 . 1 ) . T h e TMR i s c u r r e n t l y u pt o 70 % i n a n A l X O b a r r i e r M TJ a n d 230% i n a n M g O b a r r i e r MTJ[ 2 ] .

    TM R A P PR A P ( 2 . 1 )

    A l OA x M g

    ( a ) ( b )F i g u r e . 2 . 1 ( a ) : Low r e s i s t a n c e MTJ - ( b ) H i g h r e s i s t a n c e MTJT h i s i m p r o v e m e n t o f TMR a l l o w s a s i m p l e CMOS s e n s i n g c i r c u i tt o read t h e i n f o r m a t i o n i n MTJs m o r e e a s i l y w h e n t h e l o w a n dh i g h r e s i s t a n c e r e p r e s e n t d i f f e r e n t b i t o f i n f o r m a t i o n .T h e r e a r e c u r r e n t l y t h r e e M TJ w r i t i n g a p p r o a c h e s , FIMS [ 1 ] , TA S( T h e r m a l l y a s s i s t e d s w i t c h i n g ) [ 9 J a n d S T T . T h e h i g h s w i t c h i n gc u r r e n t ( > m A ) r e q u i r e m e n t o f t h e f i r s t w r i t i n g a p p r o a c h l i m i t s i t sa p p l i c a t i o n s t o n o n v o l a t i l e m em o ri e s a n d f o r b i d s i t s m o r e g e n e r a lu s e i n S t a n d a r d CMOS c i r c u i t s . I n 1 9 9 6 , S l o n c z e w s k i s h o w e dt h a t a t h r e s h o l d c u r r e n t d e n s i t y e x i t s i n M TJ a n d n a m e d i t c r i t i c a lc u r r e n t d e n s i t y [ 1 0 ] . I f t h e c u r r e n t d e n s i t y i n t h e M TJ i s s u p e r i o rt o t h e c r i t i c a l c ur r e n t d e n s i t y , t h e M TJ r e s i s t a n c e s t a t e c h a n g e s( F i g . 2 . 2 ) . T h e p o s i t i v e o r n e g a t i v e d i r e c t i o n o f c u r r e n t d e t e r m i n e st h e M T J ' s s t a t e c h a n g i n g f r o m p a r a l l e l ( P ) t o a n t i - p a r a l l e l ( A P ) o rAP t o P . T h i s c r i t i c a l c u r r e n t d e n s i t y h a s b ee n f o u n d a s l o w a s

    0 - 7 8 0 3 - 9 7 4 2 - 8 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 2 0 0 6 I E E E . 4 0

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    8 * 1 0 5 A / c m 2 [ 6 ] . A s t h e d i m e n s i o n o f M TJ i s v e r y s m a l l , t h ec r i t i c a l c u r r e n t i s a b o u t 1 2 0 u A a n d i t c a n b e e a s i l y g e n e r a t e d b ys o m e s m a l l s u r f a c e t r a n s i s t o r s o n s t a n d a r d C M O S t e c h n o l o g i e s .p I I c

    ( 2 . 6 )R ( V ) = 2 R ( O )1 + ( - 2 _)xV24xh x ( oAP

    P AP

    2 . 3 S p i n - T r a n s f e r T o r q u e s w i t c h i n g M o d e lT h e S p i n - T r a n s f e r T o r q u e p h y s i c a l m o d e l p r o p o s e d b yS l o n c z e w s k i [ 1 0 , 1 2 ] h a s b e e n u s e d i n o u r m a c r o - m o d e l t os i m u l a t e t h e s w i t c h i n g b e h a v i o r o f t h e M TJ ( E . 2 . 7 - 1 1 ) . T h e m o s ti m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n o f t h i s m o d e l i s t o e x p l a i n how we c a n g e tt h e c r i t i c a l c u r r e n t .J c o =axr X e x M s x t x ( H e x t H a n i H d 1 2 ) I U B X g ( 2 . 7 )

    I > I CF i g u r e . 2 . 2 T h e MTJ s t a t e c h a n g e s f r o m P a r a l l e l ( P ) t o A n t i -p a r a l l e l ( A P ) i f t h e p o s i t i v e d i r e c t i o n c u r r e n t d e n s i t y I > I c , o nt h e c o n t r a s t , i t s s t a t e w i l l r e t u r n i f t h e n e g a t i v e d i r e c t i o nc u r r en t d e ns i t y I > I c .2 . 2 M g O b a r r i e r M TJ R e s i s t a n c e M o d e lT h e M TJ C o n d u c t a n c e p h y s i c a l M o d e l h a s b e e n i n t r o d u c e d b yB r i n k m a n i n 1 9 7 0 [ 1 1 ] ( s e e E q u . 2 . 2 t o 2 . 4 ) . I t f e a t u r e s t h ev o l t a g e b i a s d e p e n d e n c e a n d i s d e e p l y i n f l u e n c e d b y t h e h e i g h t o fb a r r i e r .

    - 1 / 2G ( O ) = 3 . 1 6 X 1 l o 0 X - 1 / 2 e x p ( - 1 . 0 2 5 x t o x x ( ) ( 2 . 2 )t o xG ( V ) 1 ( k I ) e V + ( 9 A F ) ( e V ) ( 2 . 3 )G ( O ) - 32 1 2 8 yA O 4 x ( 2 m ) = - x t o x ( 2 . 4 )3xhC o n s t a n t s :m : t h e e l e c t r o n m a s s 9 . 1 * e - 3 1Aq : 0 ( T h e b a