(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111428541.0 (22)申请日 2021.11.29 (71)申请人 江南大学 地址 214122 江苏省无锡市滨湖区蠡湖大 道1800号 (72)发明人 姜岩峰　王曼曼　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权 代理有限公司 2321 1 代理人 张碧珂 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种磁隧道结器件的建模及优化方法 (57)摘要 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。 权利要求书2页 说明书8页 附图1页 CN 114091283 A 2022.02.25 CN 114091283 A 1.一种磁隧道结器件的建模及优化方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 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。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述方法的步骤一中， 用于MTJ建模的初始 参数包括： 结构参数： MTJ的直径D、 氧化层厚度tox、 自由层厚度tFL； 电学参数： 零偏置电压下 的隧穿磁阻率TMR0、 隧穿磁阻率TMR等于TMR0的一半时对应的 偏置电压Vh、 电阻面积 积RA、 极化因子P； 磁学参数： 饱和磁化强度MS、 磁晶各向异性常数Kb、 界面各向异性常数Ki、 有效各向异性 场强度HKeff、 阻尼因子a； 其中， 结构参数MTJ的直径D、 氧化层厚度tox及自由层厚度tFL由实验测量得到 。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述方法的步骤一中， 对初始参数进行提 取之前， 对测试 得到的基于 MTJ电流密度 ‑电阻的J‑R数据进行对称处 理。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述方法的步骤一中， 对初始参数中的 电 学参数及磁学参数的提取通过已有公式拟合数据得到， 包括： 从对称处理后的J ‑R数据中提取零偏置电压下的隧穿磁阻率TMR0、 隧穿磁阻率TMR等于 TMR0的一半时对应的偏置电压Vh和极化因子P； 从基于透射电子显微镜观察的MTJ直径 ‑电导平方根D ‑G0.5数据中提取电阻面积积RA， 其中， 电导G为MTJ平行态时的电导； 从基于自由层和氧化层界面的磁化曲线中提取饱和磁化强度MS； 从基于振动样 品磁强计测量的tFL‑KtFL数据中提取各向异性常数Kb、 Ki， 其中， KtFL为面 积有效磁各向异性能量密度； 从基于铁磁共振测量的磁场角 ‑共振场强度 θ ‑HR数据中提取有效各向异性场强度HKeff； 从基于铁磁共振测量的磁场角 ‑半峰全宽θ ‑FWHM数据中提取阻尼因子a。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤二中， 根据所述步骤一提取得到 的初始参数进行MTJ建模的过程如下： 通过已有公式表征MTJ的电学特性及翻转行为， 建模包括电阻和TMR模型、 电流密度翻 转模型； 其中， 电阻和TMR模 型用来表征MTJ的阻值， 电流密度翻转模 型表征在不同电流密度 下的MTJ状态。 6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 所述步骤二中， 根据所述步骤一提取得到 的初始参数 所建立的MTJ模型为： 平行态电阻 反平行态电阻RAP(V,T)＝RP×(1+TMR(V,T) )；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114091283 A 2隧穿磁阻率 临界电流密度 翻转电流密度JSW＝JC0[1‑ln(taup/ τ0)/Δ]； 其中， tox为氧化层厚度， F为由RA决定的参数， F＝3322/RA， 表面积Area由MTJ的直径D决 定， 默认为0.4； V为MTJ两端的偏置电压， T为环境温度； e为基本电荷， γ为旋磁常数， μB为 玻尔磁子， α为阻尼因子， E为能量势垒； g为自旋极化率； θ0为初始磁化矢量与z轴的夹角； taup为MTJ上所施加的电流脉冲的宽度， τ0为1ns， Δ为热稳定因子； Δ＝E/kBT， kB为玻尔兹 曼常数。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤三中， 使用的目标函数为： 其中， gs(Ri)是模型表征 的J‑R数据， ge(Ri)是实验测试得到的J ‑R数据； N是gs(Ri)的数 据点的个数， 并且ge(Ri)的数据点 也是N个； 所述目标函数的结果表示所述MTJ模型的仿真偏差 。 8.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤四中， 采用模拟退火算法进行参 数优化的过程包括： 步骤A1： 以步骤一提取的初始参数为起点， 在每个初始参数的预定浮动范围内随机选 择新的参数代替该初始参数； 步骤A2： 采用Met ropolis抽样准则判断是否 接受新的初始参数； 步骤A3： 通过重复上述步骤A 1和步骤A2得到较小的目标函数值及该目标函数值对应的 新的初始参数， 完成参数优化。 9.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述方法能够用于对STT ‑SBMTJ以及STT ‑ DBMTJ进行建模和优化。 10.根据权利要求1 ‑9的任一项所述的方法， 其特征在于， 所述方法对于STT ‑SBMTJ的建 模仿真偏差能够从0.3221降低到0.022； 对于STT ‑DBMTJ的建模仿真偏差能够从0.2378降低 到0.0500。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114091283 A 3