Современное состояние и перспективы

MRAM - новое поколение энергонезависимых запоминающих устройств

А. Морозов, В. Григорьев.

Теоретические основы и практическая реализация принципиально новой технологии энергонезависимой магнитной памяти с малым потреблением.
MRAM - это память следующего десятилетия, способная заменить не только DRAM и флэш, но и самую быструю SRAM. MRAM вселяет большие надежды, поскольку не требует регенерации ячеек памяти, имеет малое время доступа и способна обеспечить удельную емкость до 400 Гбит/кв. дюйм¹.

Ячейки MRAM памяти на SDT эффекте обеспечивают изменение магнетосопротивления до 40% по сравнению с 6...9% для PSV структур. Однако сопротивление SDT ячеек, в отличие от PSV, составляет тысячи Ом, при этом напряжение пробоя диэлектрического слоя не превышает 1...2 В. Это накладывает ограничения на величину тока через прибор, не более 1 мА, что недостаточно для надежного переключения ячеек. Кроме того, необходимы дополнительные внешние контакты, что снижает плотность компоновки по сравнению с PSV ячейками.

Элементы памяти на SDT ячейках строятся по архитектуре DRAM, или как триггерные. Сигналы считывания (30...40 мВ) по уровню соизмеримы с используемыми в полупроводниковой памяти.

MRAM память на SDT ячейках может найти применение в качестве энергонезависимой в реконфигурируемых компьютерах.

 

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Как правило, разработчики новых приборов активно пропагандируют их положительные качества, не акцентируя внимание на проблемах. Объективности ради отметим некоторые из них:

• большой ток записи;
• нестабильность магнитных параметров ячеек памяти;
• температурная нестабильность ячеек памяти;
• технологические проблемы;
• отсутствие (на сегодня) емкого рынка для перехода к серийному и массовому производству.

Технологические проблемы

Основная проблема состоит в сложности осаждения субмикронных немагнитных слоев (толщиной в 4 атомных слоя) для обеспечения приемлемой величины изменения сопротивления структуры и надежного распознавания «0» и «1». Сегодня отрабатывается метод осаждения 2-атомного слоя алюминия для получения проводящей пленки оптимальной толщины. Другой подход состоит в использовании ALD технологии, широко применяемой при изготовлении GMR магнитных головок. Технология позволяет получить слой меди толщиной до 3 нм, однако для MRAM серьезной проблемой является получение равномерного по толщине слоя меди на поверхности пластин диаметром 200...300 мм.

Еще одна проблема - необходимость использовать при создании MRAM низкотемпературных, не более 300°C, процессов. При совместном изготовлении с CMOS приборами, MRAM-ячейки возможно изготавливать только в конце процесса.

 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Несколько крупных компаний проводят НИОКР по технологии MRAM.

Honeywell разработала прототипы MRAM, которые уже более года проходят испытания у потенциальных заказчиков. В 1997 году фирма представила рабочие образцы MRAM емкостью 256 Kбайт (рис. 9). Подробности не публикуются, но ясно, что MRAM по параметрам не уступает DRAM и в перспективе сможет превзойти их, будучи еще и энергонезависимой.

Nonvolatile Electronics (NVE) проводит работы по коммерциализации MRAM, которые поддерживает Naval Research Laboratory (США). Военным требуются системы, постоянно находящиеся в полной готовности, практически с нулевым временем выхода на рабочий режим. По этому параметру память на жестких дисках их уже не устраивает.

Samsung разрабатывает MRAM на основе GMR и TMR.

Motorola быстро прогрессирует в разработке магнеторезистивной памяти [5]. В конце февраля этого года, на конференции IEEE по твердотельной электронике (IEEE International Solid-State Circuits Conference - ISSCC) разработчики из Physical Research Laboratories сообщили о создании прототипа MRAM со временем записи и считывания 24 и 34 нс, соответственно. Всего через два месяца, в апреле этого года, на конференции IEEE по магнитным материалам (IEEE Inter-national Magnetic Conference) было доложено о схемах MRAM со временем записи/считывания 14 и 24 нс, соответственно. Motorola использует ячейки MRAM на одном транзисторе и магнитной структуре с туннельным переходом (MTJ), изготовленные по 0,6 мкм технологии. Структура MTJ расположена поверх транзистора, что позволяет создавать ячейки минимальных размеров, способные конкурировать по стоимости с другими технологиями памяти. Удалось обеспечить полную совместимость MTJ ячеек и недорогой стандартной CMOS логики. Значительно увеличен уровень сигнала с магнеторези стивных ячеек, снижено сопротивления MTJ материалов, величина которого оптимизирована для применения в MTJ структурах. Достигнута высокая повторяемость параметров приборов вдоль поверхности 150-мм пластины. Следующий этап в MRAM проекте - повышение емкости приборов.

Специалисты фирмы считают, что MRAM, в конечном итоге, может стать «универсальной» памятью и заменить не только DRAM и флэш, но и самую быструю память SRAM. Ожидается, что MRAM будет соответствовать коммерческим и промышленным температурным диапазонам. По мнению фирмы, коммерческое использование MRAM может начаться в ближайшие несколько лет.

Фирма намерена использовать MRAM в интеллектуальных телефонах следующего поколения как встроенную в SoC (систему на кристалле). Будучи размещенной непосредственно на процессорном кристалле, MRAM позволит повысить его быстродействие и сократить потребление. Другие возможные применения - беспроводное видео в реальном времени, портативные компьютеры и бытовая электроника.

Hewlett-Packard недавно продемонстрировала несколько новых технологических решений, включая чипы памяти MRAM с высокой плотностью хранения информации [5].

Micromem продемонстрировала образцы своей магнеторезистивной 8-битовой памяти MAGRAM, сочетающей энергонезависимость и высокое быстродействие, свойственное оперативной памяти [7, 8].

Toshiba продемонстрировала образец основной структуры чипа MRAM [6], воплощающего в себе новую технологию памяти, потенциально способную превзойти существующие типы DRAM и по скорости, и по объему, и по энергопотреблению. На тестовой структуре достигнуты выдающиеся скоростные качества - цикл чтения занимает всего 6 нс. Фирма планирует создать прототип MRAM к концу 2000 году. Примерно тогда же планируют создание первых чипов MRAM и ее конкуренты - Motorola, IBM, Siemens и Philips.

 

РЫНОК

Основные области применения MRAM:

• портативные компьютеры;
• сотовые телефоны, пейджеры;
• беспроводное видео в реальном времени;
• бытовая электроника;
• персональные цифровые ассистенты (PDA);
• контрольно-измерительная аппаратура;
• медицинское оборудование;
• военные системы.

Motorola анонсировала создание первой в мире магнитнорезистивной памяти с произвольной выборкой (MRAM - M agnetic R andom A ccess M emory) емкостью 4Мб. 4Мб MRAM изготовлена по 0.18мкм технологии. Ячейка MRAM содержит 1 транзистор (технология КМОП), 1 магнитный туннельный переход и медные межсоединения. Выбранные потребители в настоящее время оценивают образцы Motorol’ы. MRAM - изделие спинтроники, быстроразвивающейся области наноэлектроники, использующей в качестве носителя информации спин электрона. MRAM сочетает сохранение данных при отключенном питании(аналогично магнитным дискам) с беспрецедентно длительным сроком службы и высоким быстродействием (аналогично полупроводниковой памяти) и потенциально способна заменить многочисленные существующие технологии оперативных запоминающих устройств с произвольной выборкой. Надежность и длительный срок службы делают MRAM подходящей для применения в жестких или требующих длительного жизненного цикла условиях, например, в автомобильной промышленности (в частности, в будущих «интеллектуальных автомобилях», которые потребуют неразрушаемую память с высоким быстродействием при большом числе циклов считывание-запись). Осознавая высокий потенциал, военно-промышленная фирма Honeywell уже приобрела лицензию Motorol’ы на MRAM технологию для военных и аэрокосмических применений. В перспективе MRAM может взять на себя значительную часть рынка полупроводниковой памяти, который в настоящее время оценивается в 48 млрд. долл., заменив сегодняшние полупроводниковые Flash, DRAM (динамические RAM) и наиболее быстродействующие SRAM (статические RAM). Потребительский рынок MRAM включает персональные компьютеры и мобильные телефоны, снижая вероятность утери данных, уменьшая времена загрузки и увеличивая срок службы батареек. Motorola анонсировала меморандум о создании альянса между Motorola, Philips и STMicroelectronics, призванный ускорить процесс разработок MRAM следующего поколения. Другая американская фирма - NVE Corp. - заключила контракт с Defense Threat Reduction Agency (DTRA - Управление по снижению военной угрозы) на разработку новой магнитно-термической MRAM. Объем финансирования на два года - $500,000. Цель контракта - показать возможность конструирования 1Гб MRAM чипа. NVE уже имеет $750,000 контракт с DARPA (Агентство перспективных исследований в интересах обороны) на реализацию этих же целей, но используя несколько другой подход. В магнито-термической MRAM используется комбинация магнитных полей и сверхбыстрого нагрева импульсами электрического тока, что приводит к увеличению плотности записи данных при пониженной энергии, требуемой для записи. Такая комбинация позволит магнито-термической памяти стать конкурентом DRAM, полупроводниковой памяти с максимальным на сегодня объемом хранящихся данных. NVE имеет ряд основополагающих патентов на магнито-термическую MRAM (включая U.S. Patent № 6 535 416 на само устройство и № 20 030 007 398 на области ее применения). DTRA представляет интересы США в вопросах снижения угрозы от оружия массового уничтожения (химического, биологического, радиологического, ядерного) путем обеспечения служб контроля.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: