Моделирование энергонезависимой ячейки магнитной памяти

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Моделирование энергонезависимой ячейки магнитной памяти

STT-MRAM Степанов П. А.

Степанов Павел Андреевич /Stepanov Pavel Andreevich - бакалавр, студент - магистрант, кафедра квантовой физики и наноэлектроники, Московский институт электронной техники, инженер, ЗАО «ИДМ-ПЛЮС», г. Москва

Аннотация: в статье анализируются актуальные вопросы современной микро- и наноэлектроники, определяется тенденция использования в современной полупроводниковой технологии новых типов энергонезависимой памяти в качестве ключевых элементов оптимального и надежного хранения информации.

Ключевые слова: магнитная память (MRAM), магнитный туннельный переход (MTJ), спиновый токоперенос, магниторезистивная память (STT-MRAM), туннельное магнетосопротивление (TMR).

Существуют разработки основных типов памяти следующих устройств в иерархическом порядке: статическая память с произвольной выборкой (SRAМ), динамическая память с произвольной выборкой (DRAМ) и флэш-память (F^sh). Статическая память SRAМ не является энергонезависимой и имеет низкую плотность ячеек, что не позволяет хранить информацию большого объема порядка сотни мегабит. Динамическая память DRAM накладывает условия повышенного потребления электроэнергии в связи с частой регенерацией ячеек для сохранения данных, что не позволяет использовать её в качество энергонезависимого источника хранения данных. Основным слабым местом Flash памяти является малое число циклов перезаписи (от 10 тыс. до 1 млн. раз) до нарушения функциональности битовой ячейки.

Параллельно с разработкой данных типов памяти также велись исследования магниторезистивных структур в качестве энергонезависимых элементов для хранения информации, обособившиеся в конечном итоге в элемент магниторезистивной оперативной памяти (МRAМ), основой которого является магнитный туннельный переход (MTJ) ферромагнетик-изолятор-ферромагнетик.

Был обнаружен эффект - изменение относительной ориентации намагниченности магнитных слоев спинового вентиля под действием протекающего через него тока. Такой эффект был назван - туннельное магнетосопротивление (англ. Tunnel Magnetoresistance сокр., TMR) — это привычное электрическое сопротивление, возникающее на стыке двух ферромагнетиков, которые разъединены тонким слоем изолятора (диэлектрик).

Когда поток электронов течет из одного ферромагнетика (закрепленного слоя) в антипараллельно ориентированный ферромагнетик (свободный), последний при превышении указанного порога скачкообразно перемагничивается с возникновением параллельной конфигурации.

Для численного определения критического тока переключения была создана программа на языке MATLAB, позволяющая проводить математическое моделирование спинового транспорта в трёхслойной структуре магнитного туннельного перехода с вакуумной туннельной прослойкой и возможностью вариации параметров магнитных слоёв. На основе данной программы было проведено моделирование магнитного туннельного перехода с вакуумной прослойкой «ферромагнетик-вакуум-ферромагнетик» (ФМ-В-ФМ), в качестве ферромагнетика был выбран материал - кобальт.

На рисунке 1 представлено схематическое изображение магнитного туннельного перехода ферромагнетик-вакуум-ферромагнетик, для которого намагниченность свободного

FREE /")

магнитного слоя FM наклонена на угол а относительно намагниченности закреплённого магнитного слоя FMfixed. В начальном приближении будем считать магнитные слои полубесконечными и выполняющими роль магнитных электродов. При подаче положительного напряжения на переход индуцируется поток электронов слева направо, который, после прохождения слоя FMFIXED, становится преимущественно спин-поляризованным. Сформированный спин-поляризованный ток через туннельную прослойку BARRIER может привести к повороту намагниченности свободного слоя FMFREE посредством спинового вращательного момента, передаваемого электронами проводимости.

закрепленный слой ,_±_, сводный слой

z'H

Ым

х' / f

рмпхев ваешеи ем^ее

Рис. 1. Схематическое изображение рассматриваемой туннельной структур: Мр - вектор

намагниченности закреплённого слоя поляризатора (левый магнитный слой), М - вектор намагниченности магнитомягкого свободного слоя (правый магнитный слой), д - угол между намагниченностями левого и правого магнитного слоя, d - толщина туннельного барьера

Квантовомеханическая задача о спин-туннельном прохождении электронов через магнитный переход рассматривается в рамках модели Стонера баллистического транспорта свободных

Й2 к 2 Д,

электронов с параболическим типом зависимости дисперсионных кривых & =-— а —'2т* 2

для зон проводимости электрона в * — ом магнитном слое (/ = Ь, К) (левый магнитный слой,

правый магнитный слой), где а = +1 соответствует заданной спиновой ориентации электрона

а - спиновое расщепление уровней, т* - эффективная масса электрона, ка^ = кау

- волновой вектор, перпендикулярный плоскости сечения слоя [2]. Гамильтониан магнитной системы для моделирования в пакете МаАаЬ будет выглядеть в следующем виде:

/Г -

Ёу +

2т ау ^

*

где т* - эффективная масса в ] - ом слое (= Ь, В, К) (левый магнитный слой, барьер, правый магнитный слой), — И2 (у)  С - внутренняя обменная энергия, где (у) -

молекулярное поле в магнитном слое, С - стандартная запись спинового оператора, для которого собственные значения а = +1 соответствую спину электрона а=[, X. Для расчёта критических токов переключения ячейки магнитного туннельного перехода используется аналитическая формула:

_ 2еаМ:;1, (НК + Я , + 2яМ8) П17

Рис. 2. Электрическая схема для имитации работы ячейки магнитной памяти STT-MRAM,

структура 1T-1MTJ

Для моделирования работы энергонезависимой ячейки магнитной памяти STT-MRAM требуется транзистор с определенным током насыщения. Во время математических расчётов в программе МАТЬАВ, токи переключения лежали в диапазоне 17-19 мА, что соответствует транзисторам, произведенных по 45 нанометровому технологическому процессу [3, с. 20].

Рассмотрим подробнее работу элемента W1 (Рис. 2), идеальный ключ [4] имеет два стационарных состояния, до протекания порогового тока и после. В первом случае внутреннее сопротивление самого ключа мало, как только ток переходит через границу порогового, включается второй режим работы, сопротивление тут же повышается.

Рис. 3. Демонстрация переключения ферромагнитной конфигурации из параллельной в антипараллельную, осуществляется переключение из логического нуля в логическую единицу,

«0»—>«1»

На рисунке 3 черным контуром эллипса зафиксировано место, в котором выходная характеристика достигает тока переключения, и видно как свободный ферромагнитный слой становится противоположно намагниченным к закрепленному слою в структуре ферромагнетик-вакуум-ферромагнетик. На оси ординат, расположенной справа, отображены значения сопротивления структуры ФМ-В-ФМ. Курсор на графике отображает текущее значение тока, на которое указывает стрелка, как мы можем убедиться, оно лежит в заданном диапазоне.

Мы показали переключение из низкоомного состояния ячейки магнитной памяти STT-MRAM в высокоомное, что соответствует переключению из логического нуля в логическую единицу, «0»^-«1». Вывод

Было выполнено моделирование и собрана электрическая схема для имитации работы конфигурации 1T-1MTJ, на рисунке 3 зафиксирована главная цель моделирование такой конфигурации - способность к реагированию такой системы на силу тока, протекающего в туннельном магнитном переходе.

Литература

1. Zhang Y, Wang X., Li Y. Asymmetry of MTJ Switching and its Implication to STT-RAM Designs // IEEE Transactions on magnetics, 2012. Vol. 46, № 6. P. 1873.

2. Дёмин Г. Д. Моделирование явлений переноса вращательного момента спин-поляризованным током в туннельных магнитных гетероструктурах. М.: МИЭТ, 2012. С. 125.

3. Степанов П. А. Моделирование в САПР Sentaurus TCAD и САПР OrCAD Spice-модели МОП-транзисторов третьего уровня - Level 3. [Электронный ресурс]: АР-Консалт -Электронный научный журнал, 2016. № 1 (4) www.co2b.ru. URL: http://co2b.ru/docs/enj.2016.01.pdf/ (дата обращения: 09.07.2016).

4. Миндеева А. А. Моделирование схем в системе OrCAD. М.: МИЭТ, 2006. С. 112.