Новейшие наноразмерные технологии записи на магнитные диски. Магниторезистивная память

Оптимизированная структура ячейки МРОЗУ

Чтобы избавиться указанных недостатков, разработчики пошли на усложнение ячеек памяти, включив в каждую из них еще и МДП транзистор, и на гальваническую изоляцию адресных шин записи ( рис. 11.15).

Рис. 11.15. Оптимизированная структура ячейки магниторезистивного ОЗУ

Опишем структуру оптимизированной матрицы магниторезистивной памяти вместе с основными шагами технологии ее изготовления. Сначала в пластине кремния () со слоем окисла на поверхности () формируют области истока и стока () МДП транзисторов. Потом формируют тонкий слой подзатворного диэлектрика (ПЗД). Наносят слой металлизации, в котором формируют электрод "земли" (ЭЗ), электроды к истокам МДП транзисторов и адресные шины (АШ). Эти шины проходят по поверхности окисла перпендикулярно к плоскости фронтального сечения и одновременно выполняют роль электродов затвора МДП транзисторов. Поверх первого (нижнего) слоя металлизации наносят первый слой изолятора (Из1) и вскрывают в нем отверстия для контактов к истокам МДП транзисторов. Наносят слой магнитомягкого ферромагнетика, в котором формируют магнитное ложе (ЛФ). Затем наносят второй слой металлизации, в котором формируют шины записи слова (ШЗС) и электроды к истокам транзисторов. Шины записи слова тоже проходят перпендикулярно к плоскости фронтального сечения параллельно адресным шинам. Наносят второй слой изолятора (Из2) и вскрывают в нем отверстия для контактов с истоками МДП транзисторов. После этого наносят третий слой металлизации, в котором формируют электроды (ЭТ) для связи магниторезистивных элементов с истоками соответствующих транзисторов. Наносят третий слой изолятора (Из3) и открывают в нем отверстия для формирования магниторезистивных элементов.

Формирование магниторезистивных элементов начинают с нанесения слоя магнитожесткого ферромагнетика (ЖФ2), постоянно намагниченного в плоскости пленки вдоль диагоналей матрицы памяти. Дальше наносят тонкий промежуточный слой (ПС) и слой магнитожесткого ферромагнетика (ЖФ1), постоянно намагниченный в противоположном направлении, или слой антиферромагнетика. В такой структуре хорошо замыкаются магнитные потоки, и области постоянной намагниченности оказываются особенно стабильными. Промежуточный слой эффективно снимает внутренние механические напряжения. Поверх слоя наносят очень тонкий слой изолятора (ТС), который образует туннельный переход магниторезистивных элементов. А уже на него наносят запоминающий слой ферромагнетика (ЗС). С помощью нанолитографии всю эту многослойную структуру (ЗС – ТС – ЖФ1 – ПС – ЖФ2) разделяют на массив отдельных магниторезистивных элементов, которые обычно имеют форму эллипсов, вытянутых вдоль оси легкого намагничивания доменов. В завершение наносят четвертый слой металлизации, в котором формируют разрядные шины.

Описанная структура ячеек памяти усложняет технологию, однако значительно упрощает и делает надежным функционирование памяти в режимах записи и считывания.

Размеры элементов и шин матрицы памяти зависят от уровня технологии изготовления. В частности размеры МДП транзисторов доведены сейчас до 100-200 нм. На рис. 11.16 показан снимок сечения элементарной ячейки, полученный с помощью сканирующего туннельного микроскопа с разрешающей способностью 1 нм.

На рис. 11.17 показано изображение магниторезистивной ячейки, сформированной по одной из лучших современных технологий, полученное в электронном микроскопе при увеличении в 100 тысяч крат.

В исследовательских образцах МРОЗУ, выполненных по технологии с проектной нормой 90 нм, удельная площадь, которую занимает 1 бит, сведена до 1,4 мкм². На площади 5 х 7 мм² размещается тогда 25 Мбит.

Рис. 11.16. Поперечный шлиф ячейки магниторезистивного ОЗУ (увеличение в 1500000 раз)

Рис. 11.17. Магниторезистивная ячейка, сформированная по технологии с проектной нормой 30 нм. Снимок сделан в электронном микроскопе

Исследуются также конструкции, в которых МДП транзистор включается не в каждую ячейку памяти, а делается один на 8-16 ячеек. Это позволяет еще значительно уменьшить среднюю площадь ячейки.

Функционирование МРОЗУ

В режиме записи информации импульс электрического тока заданных величины и направления подается на выбранную шину записи слова (ШЗС) и отдельно на каждую разрядную шину. Запись происходит в два этапа: сначала параллельно записываются все "нули" заданного слова. Потом направление тока в шине ШЗС изменяется на противоположное, и параллельно записываются все "единицы" этого слова. Ложе из ферромагнетика (ЛФ), в которое погружена ШЗС, концентрирует создаваемое током магнитное поле вблизи поверхности проводника. Благодаря этому напряженность магнитного поля в зоне выбранных ячеек памяти возрастает, а поле "рассеивания", действующее на ячейки памяти соседних числовых шин, значительно ослабляется. Поскольку транзисторы всех остальных ячеек памяти в режиме записи закрыты, усложняющих обстоятельств, описанных выше для простых матриц памяти, удается избежать и значительно сократить цикл записи.

Все же остается еще одно усложняющее обстоятельство. Дело в том, что при появлении магнитного поля записи начинается прецессия магнитных моментов доменов вокруг направления этого поля, которая некоторое время продолжается по инерции и после отключения поля. Это – так называемый "магнитный звон" ("спиновое эхо"). Очередной процесс записи нельзя начинать до тех пор, пока этот "звон" не закончится. Период записи не удавалось уменьшить ниже 2 нс. Но вскоре был найден способ обойти это ограничение. Оказалось, что, если ток записи подавать в разрядные шины с определенной задержкой относительно тока, поданного в шину записи слова, и продолжительность импульса тока ограничить точно одним циклом прецессии (частота прецессии заранее известна), то магнитное поле исчезает как раз в момент равновесия, и продолжительность выше упомянутого "магнитного звона" значительно уменьшается. Благодаря этому продолжительность цикла записи удается сократить до 500 пс и менее.

В режиме считывания информации на адресную шину (АШ) подается высокий потенциал, в результате чего все транзисторы этого слова приоткрываются. На входе каждой разрядной шины параллельно определяется электрическое сопротивление соответствующей ячейки памяти и формируется выходной сигнал считывания "0" или "1".

Для хранения информации в МРОЗУ потребление электрического тока не требуется. Информация надежно сохраняется и при отключенном питании. Это создает значительное преимущество магниторезистивной памяти перед обычными видами оперативной памяти. Информация, записанная в обычные ОЗУ, при отключении питания компьютера, теряется. Из-за этого при включении компьютеров пользователи вынуждены довольно долгое время ждать "загрузки" их программного обеспечения из дисковой памяти в оперативную. При применении МРОЗУ такого не будет. Ведь вся информация, которая была записана перед отключением компьютера, сохраняется в этой оперативной памяти без изменений. И как только компьютер включен, все программы и файлы, которые прошлый раз были задействованы, сразу же готовы к работе. Преимуществами являются и меньшее энергопотребление в процессе работы, широкий диапазон рабочих температур (от –40 до +150), высокая радиационная стойкость.

По сравнению с популярной сейчас флеш-памятью, о которой мы рассказали в лекции 6, магниторезистивные ОЗУ имеют такие преимущества, как значительно меньшие затраты энергии на перезапись, неограниченное число циклов перезаписи и намного более длительный срок хранения данных – теоретически не ограниченный. Уже свыше 20 лет продолжаются испытания исследовательских образцов магниторезистивных ОЗУ при температуре +125, и никаких отказов еще не выявлено.

Дальнейшее совершенствование МРОЗУ

Дальнейшие усовершенствования магниторезистивной ячейки памяти касаются структуры ее запоминающего и туннельного элементов. Запоминающий элемент делают трехслойным ( рис. 11.18 вверху). Такую структуру называют "синтетическим антиферромагнетиком" (САФ, англ. synthetic antiferromagnet, SAF). Промежуточный слой обеспечивает не только хорошую адгезию соседних ферромагнитных слоев, но и имеет много "нанопор" (пор нанометровых размеров), через которые два соседних ферромагнитных слоя с противоположной намагниченностью связываются между собой общими замкнутыми магнитными потоками. Поэтому под действием внешнего магнитного поля их магнитные моменты поворачиваются согласованно, стремясь занять положение, ортогональное к направлению магнитного поля. А главное, в такой структуре подавляется прецессия магнитных моментов, и не возникает "магнитный звон", о котором шла речь выше.

Рис. 11.18. Вверху – структура запоминающего элемента. Ниже – последовательность подачи импульсов тока в адресную и разрядную шины. Внизу – соответствующие изменения направления намагниченности слоев

Средняя и нижняя части рис. 11.18 объясняют ход процесса записи информации в такие ячейки памяти. Ток в выбранные адресную и разрядную шины подается с некоторым сдвигом во времени, так что можно выделить 3 такта, обозначенные римскими цифрами. В первом такте ток () подается лишь в адресную шину. Его магнитное поле () поворачивает магнитные моменты САФ в почти горизонтальное положение. В следующем такте ток подается в обе шины, и магнитные моменты САФ поворачиваются в положение, ортогональное к направлению суммарного магнитного поля . В третьем такте ток в адресной шине исчезает, остается лишь ток () в разрядной шине, магнитное поле которого поворачивает магнитные моменты САФ в положение, близкое к вертикальному. Когда этот такт заканчивается и выключается также ток в разрядной шине, магнитные моменты САФ возвращаются в ближайшее положение вдоль оси легкого намагничивания. При выбранных на рис. 11.18 направлениях токов в итоге происходит перемагничивание САФ в противоположном направлении.

В элементах нанометровых размеров повороты магнитных моментов происходят очень быстро – за десятки пикосекунд. Элементы памяти, на которые действовал лишь один ток, всегда после его отключения возвращаются в исходное состояние.

Электрическое сопротивление магниторезистивного элемента зависит от направления намагниченности лишь нижнего слоя запоминающего элемента.

Для совершенствования туннельного слоя использовали явление "резонансного туннельного перехода", о котором мы рассказали в "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " . С этой целью с обеих сторон туннельного диэлектрического слоя (напр., из толщиной около 1 нм) наносят одинаковые тонкие "резонансные" слои (напр., по 1 нм ) (см. рис. 11.19).

Рис. 11.19. Многослойная наноархитектура усовершенствованной ячейки магниторезистивной оперативной памяти

Они настолько тонки, что образуют квантовую плоскость, и энергетические состояния электронов в них квантуются. Разрешенные энергетические уровни существенно зависят от направления намагниченности соседнего ферромагнитного слоя. Когда направления намагниченности нижнего запоминающего слоя и верхнего магнитожесткого слоя совпадают, то совпадают и энергетические уровни электронов в верхнем и нижнем резонансных слоях. Поэтому вероятность туннельного перехода электронов через прослойку диэлектрика (туннельный слой) с одного на другой резонансный уровень значительно выше, чем в том случае, когда направления намагниченности противоположны и положения разрешенных энергетических уровней не совпадают.

Благодаря использованию дополнительных резонансных слоев значительно повышается чувствительность магниторезистивного элемента. И появляется возможность надежной работы даже при значительном уменьшении площади ячеек памяти.