Podstawy działania pamięci magnetorezystywnych
Pamięci magnetorezystywne MRAM wykorzystują namagnesowanie do przechowywania informacji, jednak w odróżnieniu od innych typów nośników magnetycznych, nie posiadają podsystemu mechanicznego, a za przechowywanie danych odpowiadają układy elektroniczne. Zaletami pamięci magnetorezystywnych ma być krótki czas dostępu oraz możliwość adresowania nawet pojedynczych bitów. Ponadto pamięci magnetorezystywne nie zużywają się.
Założenia technologii pamięci magnetorezystywnych powinny pozwolić na konstruowanie tanich układów o dużej pojemności. Problemem w początkach rozwoju pamięci MRAM był zapis wymagający dużego natężenia prądu na poziomie kilku mA w przypadku pierwszych układów. Postęp w badaniach nad tymi pamięciami i opracowanie rozwiązań wykorzystujących zjawiska kwantowomechaniczne pozwoliły na obniżenie natężenia prądu używanego do zapisu do ok. 10 μA.
Dane w pamięciach MRAM mogą być przechowywane nawet ponad 10 lat. Szybkość tych pamięci w połączeniu z ich energoniezależnością oraz możliwością adresowania pojedynczych bitów sprawiają, że będą mogły być wykorzystane zarówno jako cache, pamięć operacyjna, jak i nośnik do długotrwałego przechowywania danych. Odporność tych pamięci na czynniki zewnętrzne pozwala na ich wykorzystanie w trudnych warunkach.
Pamięci MRAM do przechowywania danych wykorzystują zjawiska magnetooporowe. Zbudowane są z naprzemiennie ułożonych warstw ferromagnetyka oraz diamagnetyka o grubości rzędu kilku do kilkudziesięciu nm. W zależności od zwrotu wektora namagnesowania warstw ferromagnetycznych występują pomiędzy nimi duże różnice magnetooporu, jaki jest znacznie większy w przypadku warstw o namagnesowaniu antyrównoległym niż w przypadku warstw o namagnesowaniu równoległym.
Komórka bitowa
Komórką bitową pamięci magnetorezystywnych jest magnetyczne złącze tunelowe. W najprostszym wariancie jest ono zbudowane z dwóch elektrod ferromagnetycznych wykonanych z żelaza, kobaltu lub ich stopu, rozdzielonych warstwą diamagnetyczną wykonaną z tlenku magnezu lub glinu.
Jedna z warstw ferromagnetycznych jest warstwą odniesienia i zachowuje stały wektor namagnesowania, a druga pełni funkcję warstwy przechowującej dane i jej wektor namagnesowania może być odwracany. Warstwa przechowująca dane nazywa się warstwą swobodną. Wybór konkretnej komórki bitowej dokonywany jest przy pomocy dwóch tranzystorów, z których jeden jest połączony z linią bitów, a drugi – z linią słów.
Oddziałując polem magnetycznym na warstwę swobodną można zmieniać konfigurację komórki bitowej z równoległej na antyrównoległą i odwrotnie wypływając w ten sposób na wartość magnetooporu. Ponieważ ferromagnetyki, z jakich wykonywane są elektrody magnetycznego złącza tunelowego, charakteryzują się histerezą podobną do materiałów używanych w dyskach twardych, również i one zachowują remanencję pozwalającą na przechowywanie danych także bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego.
Pole magnetyczne indukowane jest wzdłuż dwóch prostopadłych linii (linia bitów i linia słów), a wartości parametrów pola są tak dobrane, aby przemagnesowaniu uległa jedynie komórka bitowa leżąca na skrzyżowaniu tych linii.
Ze względu na stabilność domen magnetycznych przy projektowaniu pamięci magnetorezystywnych preferuje się stopy o łatwej osi namagnesowania prostopadłej do powierzchni warstwy oraz o wysokiej energii anizotropii. Jest to podyktowane m. in. większą odpornością tak wykonanego nośnika na temperaturę.
Struktury krystaliczne stopów o łatwej osi namagnesowania równoległej do powierzchni warstwy są łatwiejsze do wykonania, jednak dla zachowania wymaganej stabilności nie mogą być mniejsze niż 60 x 150 nm i muszą mieć eliptyczny kształt. Dla porównania komórki pamięci magnetorezystywnych o prostopadłej anizotropii są stabilne nawet przy wymiarach rzędu 40 – 50 nm i mogą być okrągłe.
Aby zabezpieczyć dane przed oddziaływaniami pomiędzy warstwą odniesienia, a warstwą swobodną tworzy się specjalną strukturę nazywaną syntetyczną strukturą antyferromagnetyczną. Strukturę tę tworzy się dodając do komórki bitowej kolejną warstwę ferromagnetyczną o polaryzacji antyrównoległej do polaryzacji warstwy odniesienia. Warstwy te rozdziela się wykonaną ze stopów manganu warstwą antyferromagnetyczną w celu zwiększenia stabilności struktury.
Inne rozwiązanie polega na rozdzieleniu warstw ferromagnetycznych wykonaną z rutenu warstwą diamagnetyczną i umieszczeniem warstwy antyferromagnetycznej pod warstwą referencyjną. Stabilności warstwy referencyjnej można też poprawić przez jej wykonanie z materiału o wyższej koercji niż koercja warstwy swobodnej.
Ponieważ pomiędzy równoległą, a antyrównoległą konfiguracją magnetycznego złącza tunelowego występuje duża różnica rezystancji, można tym dwóm stanom przypisać stany logiczne 0 i 1. Zwykle logiczne 0 odpowiada konfiguracji równoległej, a 1 – antyrównoległej.
Odczyt danych następuje przez podanie napięcia rzędu 0,1 – 0,2 V na elektrody komórki bitowej i pomiar rezystancji. Tak niskie napięcie używane jest podczas odczytu w celu wyeliminowania ryzyka niekontrolowanej zmiany stanu komórki pamięci. Wynik pomiaru jest porównywany z rezystancją odniesienia. Jednym ze sposobów obniżenia zużycia energii i przedłużenia żywotności pamięci MRAM jest odczyt zawartości komórki bitowej przed zapisem i pomijanie operacji zapisu w sytuacji, gdy zawartość tej komórki odpowiada stanowi docelowemu.
Zapis wspomagany termicznie
W pamięciach magnetorezystywnych możliwe jest zastosowanie technologii zapisu wspomaganego termicznie. Komórki tych pamięci są podgrzewane do temperatury ok. 180 – 250 ºC, co umożliwia zmniejszenie amperażu niezbędnego do zapisu o połowę. Technologia ta pozwala na równoczesny zapis wielu komórek z wykorzystaniem dwóch impulsów pola magnetycznego. Sposób ten polega na selektywnym podgrzaniu wybranych komórek bitowych przechowujących odpowiednią wartość logiczną podczas indukowania pola magnetycznego o orientacji odpowiadającej logicznemu zeru, a następnie logicznej jedynce.
Niestety rozwiązanie to nie jest pozbawione wad. Najbardziej oczywistą z nich jest zużycie energii koniecznej do wytworzenia ciepła. Kolejnym problemem jest konieczność odprowadzania ciepła z układu. Ponadto podgrzewanie i wychładzanie komórek pamięci negatywnie wpływa na czas wykonywanych operacji zapisu. O ile samo podgrzanie zajmuje kilka ns, to na wychłodzenie komórek bitowych często potrzeba nawet powyżej 20 ns.
Jednym z wariantów pamięci MRAM jest magnetyczne złącze tunelowe wykorzystujące warstwę referencyjną wykonaną z materiału miękkiego magnetycznie. Odczyt danych z takiej komórki pamięci wykonywany jest w dwóch krokach. Podczas odczytu następuje pomiar rezystancji, następnie polaryzacja namagnesowania warstwy referencyjnej jest odwracana i pomiar rezystancji jest powtarzany.
Porównanie wyników tych pomiarów pozwala na ustalenie stanu logicznego komórki bitowej. W tym wariancie z uwagi na złożoność procesu odczytu, jego czas wydłuża się do ok. 50 ns. Zaletą takiego podejścia jest znaczne zmniejszenie ryzyka błędów odczytu. Z tego względu rozwiązanie wykorzystujące miękką magnetycznie warstwę referencyjną umożliwia zmniejszenie rozmiaru komórki bitowej.
Rozwiązanie polegające na termicznym wspomaganiu zapisu w pamięciach magnetorezystywnych umożliwia zmniejszenie zużycia prądu niezbędnego do wytworzenia pola magnetycznego potrzebnego do zmiany polaryzacji wektora namagnesowania komórki pamięci.
Ponadto technologia ta umożliwia zmniejszenie rozmiaru komórek bitowych, a poprzez zmniejszenie natężenia pola magnetycznego niezbędnego do ich przemagnesowania pozwala ograniczyć ryzyko przypadkowego przemagnesowania sąsiednich komórek. Istnieje także koncepcja wykorzystania fal radiowych w celu zmniejszenia koercji warstwy przechowującej informację.
Wykorzystanie tunelowego magnetooporu
Pamięci typu STT-MRAM wykorzystują zjawisko tunelowania elektronów. W przypadku tych pamięci warstwa diamagnetyka jest na tyle cienka (niewiele powyżej jednego nm), aby umożliwić kwantowy mechanizm tunelowania pozwalający na pokonanie przez elektron bariery potencjału. Elektron podczas tunelowania pomiędzy dwiema warstwami ferromagnetyka zachowuje swój spin, co pozwala wpływać poprzez polaryzację prądu elektrycznego wymuszającego tunelowanie na polaryzację namagnesowania warstwy przechowującej informację.
Technologia STT-MRAM pozwala na produkcję magnetycznych złącz tunelowych o rozmiarach poniżej 20 nm. Wynika to z faktu, że podczas zapisu prąd przepływa wyłącznie przez wybraną komórkę i do operacji zapisu nie są potrzebne dodatkowe linie odpowiadające za wytworzenie pola magnetycznego. Z tego względu od 20 lat większość prac dotyczących pamięci magnetorezystywnych dotyczy właśnie wariantu STT-MRAM.
Proces tunelowania elektronów może być zakłócony przez wady wykonawcze warstwy diamagnetyka lub przez przyłożenie zbyt wysokiego napięcia. W przypadku wad warstwy diamagnetycznej elektron może w niej utknąć, a potem wydostać się zmieniając spin. Z kolei zbyt wysokie napięcie jest przyczyną pojawienia się gorących elektronów. Takie gorące elektrony mogą pokonać barierę potencjału tworzoną przez warstwę izolującą, jednak w przeciwieństwie do elektronów tunelowanych, nie zachowują spinu.
Jednym ze sposobów pozwalających rozwiązać problemy związane z tworzeniem odpowiedniej struktury krystalicznej o anizotropii prostopadłej jest wykorzystanie warstw interfejsu metal – tlenek wykonanej ze stopu kobaltu, żelaza i boru o grubości rzędu 1 – 2 nm. Warstwy te umieszczone pomiędzy warstwami magnetycznymi, a warstwą izolatora ułatwiają tunelowanie elektronów i umożliwiają zmniejszenie natężenia prądu potrzebnego do zmiany orientacji magnetycznego złącza tunelowego przy równoczesnym zachowaniu jego stabilności.
Wykorzystanie anizotropii interfejsu pozwala na zmniejszenie grubości warstw magnetycznych. Ponadto przy tak zbudowanej komórce bitowej zwiększa się różnica rezystancji pomiędzy orientacją równoległą, a antyrównoległą. W niektórych rozwiązaniach pojawia się dodatkowa warstwa tantalu, jakiej celem jest zapobieganie reakcjom chemicznym pomiędzy poszczególnymi warstwami.
Dodawanie kolejnych warstw do komórek pamięci MRAM pozwala rozwiązywać wiele problemów związanych ze zjawiskami fizycznymi i chemicznymi oraz tworzyć układy o lepszych parametrach technicznych, jednak przekłada się to na wyższe koszty produkcji układów. Związane jest to przede wszystkim z koniecznością wykonania i użycia znacznie większej ilości masek w procesie fotolitografii.
Przy warstwach o grubości rzędu 1 nm nawet najmniejsze wady wykonawcze i nierówności powierzchni warstw mogą zaburzyć poprawną pracę układu i prowadzić do powstania błędów bitowych. Ponadto tak cienkie warstwy są podatne na degradację w wysokich temperaturach, dlatego w procesach produkcyjnych nie należy przekraczać temperatury 350 º C. Z drugiej strony pamięci te są wystarczająco odporne na wysokie temperatury, by mogły być całkowicie bezpieczne podczas lutowania układów scalonych.
Do zapisu danych w pamięciach STT-MRAM używa się prądu o napięciu ok. 0,5 V, a sama operacja trwa kilka ns. Teoretycznie możliwe jest uzyskanie czasów zapisu ok. 140 ps, jednak trudno oczekiwać, że w praktyce w produkowanych na przemysłową skalę układach uda się uzyskać tak precyzyjną kontrolę impulsów elektrycznych, jak w warunkach laboratoryjnych. Tym niemniej realne jest uzyskanie czasów zapisu poniżej 500 ps. Skrócenie czasu trwania operacji zapisu jednocześnie przyczyni się do zmniejszenia zużycia energii przez układ pamięci MRAM.
Technologia wielostanowa w pamięciach magnetorezystywnych
Ponieważ tranzystory pełniące rolę selektorów także zajmują miejsce w układzie scalonym oraz zużywają energię, pojawiła się koncepcja technologii wielostanowej. Koncepcja ta zakłada wykorzystanie dużych różnic rezystancji nie tylko pomiędzy orientacją równoległą i antyrównoległą, ale też pomiędzy komórkami bitowymi o różnych rozmiarach.
Istota pomysłu polega na łączeniu ze sobą magnetycznych złącz tunelowych o różnych rozmiarach, tak aby możliwe było uzyskanie czterech łatwo rozróżnialnych poziomów rezystancji w zależności od kombinacji orientacji namagnesowania obu złącz. Dzięki temu tak zbudowana komórka może kodować dwa bity informacji. W analogiczny sposób można też zbudować pamięci wielostanowe o ośmiu poziomach rezystancji pozwalające na przechowywanie trzech bitów informacji w jednej komórce.
Implementacja technologii wielostanowej w pamięciach MRAM wiąże się z obniżeniem ich wydajności i niezawodności. W rozwiązaniu tym skomplikowaniu ulega proces zapisu danych, który dodatkowo zostaje obarczony zwiększonym ryzykiem wystąpienia błędów bitowych. Ilość impulsów elektrycznych, ich polaryzacja i natężenie jest uzależniona od danych, jakie mają być zapisane w takiej komórce wielostanowej.
Także odczyt wymagający porównania zmierzonej rezystancji z wartościami odniesienia musi odbywać się w dwóch, lub w trzech krokach. Oznacza to znaczne wydłużenie czasów operacji zapisu i odczytu. Istotną wadą technologii wielostanowej jest też utrata elastyczności wynikającej z możliwości adresowania pojedynczych bitów. W praktyce poważnie utrudni to wykorzystanie takich pamięci w charakterze cache lub pamięci operacyjnej.
Pamięci SOT-MRAM
Kolejnym krokiem w rozwoju pamięci magnetorezystywnych są pamięci SOT-MRAM. Są to pamięci podobne do STT-MRAM, z tym, że w układach tego typu zostały rozdzielone tory odczytu i zapisu. Komórka bitowa typu SOT-MRAM ma trzy, a nie dwie elektrody.
Od strony warstwy referencyjnej komórka SOT-MRAM ma podobnie do STT-MRAM jedną elektrodę, ale elektroda od strony warstwy przechowującej dane podzielona jest na dwie części odizolowane tlenkiem glinu. Elektrody te są wykonane z metalu niewykazującego właściwości magnetycznych – np. z miedzi lub aluminium.
Jedna z elektrod połączonych z przechowującą dane warstwą swobodną służy do odczytu, który odbywa się poprzez pomiar rezystancji w ten sam sposób, jak w układach STT-MRAM. Druga elektroda jest używana do zapisu danych. Zmiana polaryzacji wektora namagnesowania części warstwy przechowującej dane początkowo przebiega tak samo, jak w przypadku pamięci STT-MRAM, gdzie z wykorzystaniem zjawiska tunelowania elektronów powstaje domena magnetyczna o pożądanej polaryzacji.
Domena ta zostaje oddzielona od pozostałej części warstwy przechowującej dane ścianą domenową. Następnie domena o pożądanej polaryzacji w wyniku napływu kolejnych elektronów o odpowiednim spinie rozrasta się powodując przesunięcie ściany domenowej aż do końca warstwy.
Ponieważ ruch ściany domenowej odbywa się z prędkością rzędu kilkuset m/s, przemagnesowanie obszaru wielkości kilku nm może odbyć się w czasie poniżej 500 ps. Odwrócenie polaryzacji namagnesowania odbywa się poprzez zmianę polaryzacji prądu. Rozwiązanie SOT-MRAM pozwala zmniejszyć natężenie prądu płynącego przez komórkę bitową, chroni przed uszkodzeniem warstwę diamagnetyczną i umożliwia opracowanie układów o potencjalnie nieskończonej żywotności.
Z drugiej strony konieczność zastosowania dwóch izolowanych elektrod po stronie warstwy przechowującej dane utrudnia zmniejszanie rozmiaru komórki bitowej.
