Увеличение объемов хранимой и передаваемой информации вызывает постоянную потребность в повышении плотности данных при записи в ЗУ на ЖМД. Повышение плотности данных требует совершенствования технологий ее записи и воспроизведения (перспективные технологии рассматриваются в § 5.7).

§5.6. Магниторезистивные запоминающие устройства

ВТМП толщиной менее 0,1 мкм может возникать однодоменная структура (вектор намагниченности имеет единое направление во всей пленке, соответствующее ОЛН). Такую ТМП, имеющую два устойчивых направления намагниченности, используют в составе ячейки памяти магниторезистивных запоминающих устройств (МРЗУ).

МРЗУ – это запоминающее устройство произвольного доступа, представляющее собой интегральную микросхему на основе монокристаллического кремния и содержащую многослойные ячейки памяти, металлические шины записи и воспроизведения, а также экраны, изготовленные из материалов с высокой магнитной проницаемостью (пермаллои и др.).

МРЗУ можно использовать в качестве универсальных ЗУ, заменяющих все современные устройства памяти произвольного доступа. МРЗУ по сравнению с полупроводниковыми ЗУ различных типов имеют следующие преимущества:

– неограниченное количество циклов перезаписи;

– быстродействие, сравнимое с быстродействием статических

ЗУ (SRAM*) и существенно большее, чем у электрически стираемых перепрограммируемых постоянных ЗУ (EEPROM**);

– плотность данных на уровне динамических ЗУ с произвольным доступом (DRAM***);

–возможность хранения данных без использования источника электропитания;

–стойкость к воздействию радиации.

*SRAM – static random access memory.

**EEPROM – electrically erasable programmable read-only memory.

***DRAM – dynamic random access memory.

177

Основными недостатками МРЗУ являются:

–влияние тока записи ячейки на состояние соседних ячеек, способное вызывать их непреднамеренную перезапись (снижение теоретической плотности данных);

–необходимость увеличения плотности тока при уменьшении

геометрических размеров ячейки* (повышение потребляемой мощности);

–высокая себестоимость по сравнению с полупроводниковы-

ми ЗУ.

Магниторезистивные ЗУ произвольного доступа (MRAM) применяются в системах

–резервного копирования и хранения данных;

–телекоммуникационной передачи информации (маршрутиза-

торы);

–подверженных воздействиям высоких температур;

–автоматических измерений;

–охраны и пожаротушения;

–медицинской электроники;

–управления транспортом, военными объектами и техникой, объектами электроэнергетики.

Первые ячейки памяти MRAM изготавливались по технологии Toggle MRAM и представляли собой структуру, называемую магнитным туннельным переходом, МТП (Magnetic Tunnel Junction – MTJ) (рис. 5.13).

МТП включает в себя следующие слои:

–слой магнитомягкого ферромагнетика толщиной 2...20 нм (свободный слой, сплавы FeNiCo, CoFeB и др.);

–слой туннельно-прозрачного диэлектрика толщиной 1…2 нм (изолирующий слой, Al2O3, MgO и др.);

–слой магнитотвердого ферромагнетика, имеющий фиксированное направление намагниченности и толщину 2…30 нм (фикси-

рованный слой, Fe5Co95 и др.).

* Повышение плотности тока обеспечивает требуемую напряженность магнитного поля, которое переключает состояние ячейки.

178

торое изменяет направление намагниченности в свободном слое и, следовательно, – логическое состояние ячейки. Во время записи транзистор, управляющий выбранной ячейкой памяти, закрыт.

Рис. 5.14. Блок ячеек памяти Toggle MRAM с элементами системы управления

Воспроизведение информации, записанной в ячейке А, осуществляется при подаче тока по ЛБ2 при открытом состоянии соответствующего ей управляющего транзистора.

Совершенствование технологии создания MRAM направлено на снижение тока переключения логического состояния ячейки памяти, составляющего для технологии Toggle MRAM сотни миллиампер.

Эта задача решалась при помощи создания модулей MRAM по двум различным технологиям:

–по технологии локального нагрева для изменения состояния ячейки памяти (компания «Crocus Technology», Франция, выпуск ЗУ

с2011 г.);

–по технологии спин-транспортного перемагничивания* (ком-

пания «Everspin Technologies», США, выпуск ЗУ с 2012 г.).

Технология переноса спинового момента электрона использует-

ся в МРЗУ стандарта STT-MRAM (Spin-Torque-Transfer MRAM).

Расположение слоев в ячейке памяти такого типа аналогично приведенному на рис. 5.13. Блок ячеек памяти не содержит разрядных линий. Фиксированный слой служит для поляризации спиновых маг-

* Спин-транспортное перемагничивание (СТП) – изменение направления намагниченности в ферромагнитном слое под действием протекающего по нему тока электронов, поляризованных по спину.

180

нитных моментов электронов, проходящих через МТП. Изменение логического состояния ячейки памяти производится при пропускании через нее электрического тока. Если ток превышает некоторое пороговое значение (характерное для данной конструкции ячейки), то направление намагниченности в свободном слое изменяется.

Применение этого механизма для изменения логического состояния ячейки позволило уменьшить ток записи до 20 мА и менее (значение соответствует току воспроизведения).

Технология записи с использованием локального нагрева приме-

няется в МРЗУ стандарта TAS-MRAM (Thermally Assisted Switching MRAM). Электрический ток (ток разогрева) подается по разрядной линии и, протекая через МТП, разогревает свободный слой. При превышении температуры блокировки (температуры перехода в парамагнитное состояние) по линии бит подается ток записи, создающий магнитное поле, изменяющее направление намагниченности в свободном слое. После этого ток разогрева отключается и ячейка памяти охлаждается до некоторого порогового значения температуры, соответствующего сохранению заданного состояния намагниченности. Процесс завершается отключением тока записи.

Структура ячейки памяти TAS-MRAM компании «Crocus Technology» приведена на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Структура ячейки памяти TAS-MRAM

181