Kintech Lab - Intagrated Tools for Inventive Solutions

PREDICTIVE MODELING OF SPINTRONIC NANODEVICES BASED ON MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS

Цель проекта

Целью проекта является разработка методов, алгоритмов и программных компонент, а также проведения многомасштабного моделирования на их основе, для определения способа масштабирования спинтронных приборов на основе магнитных туннельных контактов на технологию 65 нм и меньше.

Информация о работах в рамках Соглашения о предоставлении субсидии от «30» июня 2014 г. № 14.576.21.0023 с Минобрнауки России
Что такое спинтроника и MRAM

Спинтроника, основанная на эффективном комбинировании электронных и магнитных свойств наноустройств, рассматривается в настоящее время как одно из наиболее перспективных направлений развития наноэлектроники. Большое внимание, особенно с точки зрения промышленного использования, уделяется в данном контексте приборам на основе эффекта магнитного туннельного сопротивления (magnetic tunneling junction, MTJ), который наблюдается в магнитных слоях, разделенных тонких слоем диэлектрика [Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, Nature Materials, 3, 12, 868-871 (2004)]. На основе этого эффекта созданы образцы магнитной памяти (MRAM), в которых информация хранится в форме ориентации намагниченности слоев многослойной туннельной гетероструктуры. Данная память обеспечивает высокую скорость записи и чтения (сравнимо с современными полупроводниковыми чипами оперативной памяти DRAM), но кроме того, позволяет сохранять информацию в течение долгого времени без необходимости обновления (non-volatile memory, аналогично Flash). Кроме того, данная память обладает повышенной надежностью, долговечностью, может работать в большом диапазоне температур, а также обладает радиационной стойкостью Все это делает MRAM чрезвычайно перспективной для использования в широком спектре приложений, в частности для космических применений.

Принцип работы магнитного туннельного перехода.
Принцип работы магнитного туннельного перехода.

Читать подробнее про магнитные устройства на основе магнитных туннельных контактов (PDF, 2,62 Мб):

Основные проблемы MRAM и способы их решения

Первые коммерческие образцы MRAM поступили на рынок порядка десяти лет назад. Однако, объем информации этих чипов ограничивался несколькими мегабайтами, что ограничивало сферу применения такой памяти несколькими нишевыми приложениями, и она не могла конкурировать с полупроводниковыми аналогами. Для существенного увеличения информационной плотности в чипах MRAM необходимо было добиться масштабирования этой технологии на технологические размеры 90 нм и ниже. Было показано, однако, что конструкция первого поколения MRAM не позволяет осуществить масштабирование ниже 90 нм. Данные ограничения связаны с ограничением по плотности тока в управляющих шинах, создающих магнитное поле, используемое для переключения намагниченности в ячейках памяти, а также с требованием сохранности данных на больших временах (барьер для переключения ΔE/kT > 70, при уменьшении объема магнитного элемента нужно увеличивать магнитную анизотропию материала Ku, что это затрудняет запись).

Проблема стабильности хранения информации при магнитной записи: барьер для записи ΔE = KuV должен быть больше 70 kT.
Проблема стабильности хранения информации при магнитной записи: барьер для записи ΔE = KuV должен быть больше 70 kT.

Было предложено несколько способов преодоления указанного ограничения для масштабирования:

• Использование термического возбуждения для записи информации,

• Использование обменных полей на интерфейсе ферромагнетик/антиферромагнетик,

• Использование спин-поляризованного тока для переключения,

• Использование материалов с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA),

причем данные способы могут сочетаться друг с другом. В частности, комбинация использования обменных полей на интерфейсе ферромагнетик/антиферромагнетик с термическим разогревом позволяет обеспечить сохранность данных при уменьшении размера MTJ, поскольку информация запоминается в виде намагниченности антиферромагнитного слоя. Использование теплового разогрева позволяет уменьшить поля для переключения прибора. Однако, тепловой разогрев неизбежно приводит к возникновению термических напряжений в приборе, что влияет на магнитные свойства посредством магнитоупругого взаимодействия. Поэтому, для реализации данной возможности масштабирования MTJ приборов следует найти оптимальный дизайн прибора с учетом взаимного влияния тепловых и магнитных процессов.

Типы перспективной магнитной памяти
Типы перспективной магнитной памяти

Важным направлением развития приборов на основе MTJ является создание новых устройств на их основе. Большими перспективами обладают приборы магнитной логики (MLU), позволяющие проводить логические операции сразу над массивом данных, а также сенсоры магнитного поля на основе массива MTJ, которые обладают повышенной чувствительностью. Поэтому в рамках проекта планируется рассматривать не только приборы магнитной памяти на основе MTJ, но и устройства магнитной логики и сенсоры магнитного поля, актуальные для широкого круга применений.

Многоуровневое моделирование MRAM

Для поиска оптимального дизайна прибора необходимо провести оптимизацию его характеристик в зависимости от геометрических параметров прибора и физических свойств материалов. Из-за большого количества геометрических параметров и широкого набора материалов, которые могут быть использованы в MTJ устройствах, экспериментальное выявление всех этих зависимостей является чрезвычайно затратным с точки зрения временных и финансовых ресурсов.

Поэтому ключевую роль для проектирования MTJ устройств и решения проблемы их масштабирования играет предсказательное моделирование. При этом необходимо отметить, что на рынке в настоящее время отсутствует предложения по программным продуктам, которые могли бы в полной мере осуществить данную задачу.

Предсказательное моделирование MRAM требует применения многоуровневых моделей, позволяющих описывать физические процессы на разных уровнях в рамках самосогласованной схемы, начиная с описания фундаментальных процессов на атомистическом уровне. Кроме того, при моделировании MRAM необходимо учитывать взаимодействие различных физических полей, например, влияние механических напряжений и температуры на магнитные свойства MTJ элемента. Такое многоуровневое и мультифизическое моделирование стало возможным и актуальным только в последнее время в связи с развитием суперкомпьютерных вычислительных ресурсов и соответствующего программного обеспечения.

Кроме того, с уменьшением размеров приборов большую актуальность приобретает обеспечение надежного функционирования приборов при наличии случайных отклонений структуры при изготовлении прибора и неоднородностей материалов прибора. Анализ влияния таких неопределенностей на функционирования MRAM может быть проведен при помощи численного моделирования прибора и специальных статистических методов для анализа распространения ошибок.

Пример мультифизического моделирования магнитной памяти с термическим переключением TAS-MRAM
Пример мультифизического моделирования магнитной памяти с термическим переключением TAS-MRAM
MRAM в России

Индустриальным партнером Кинтех Лаб является компания Крокус Технолоджи Рус, созданная в 2011 году разработчиком технологии MRAM компанией Crocus Technology Inc. (Сrocus) и ОАО "РОСНАНО" для производства в России MRAM.

Крокус Технолоджи Рус строит первый в мире завод, который будет серийно выпускать современные MLU-устройства на пластинах 300мм с топологическим размером 90нм и 65нм. MLU (magnetic logic unit) – инновационная архитектура ячейки памяти, разработанная Crocus на основе принципа TAS MRAM (магниторезистивной памяти произвольного доступа с термическим переключением).

Сферы применения MTJ устройств компании Крокус: защищенная память (id-карты, биометрические паспорта, банковские карты, SIM-карты и другие смарт-карты); высокотемпературная память (буры для нефтегазобурения, автомобильные двигатели и промышленная автоматика, подверженная высоким температурам); телекоммуникации (роутеры, маршрутизаторы).

Публикации по MRAM

1. I. L. Prejbeanu, S. Bandiera, J. Alvarez-He ́rault, R. C. Sousa, B. Dieny and J.-P. Nozie`res, Thermally assisted MRAMs: ultimate scalability and logic functionalities, J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 074002, doi:10.1088/0022-3727/46/7/074002.

2. K. L. Wang, J. G. Alzate and P. Khalili Amiri, Low-power non-volatile spintronic memory: STT-RAM and beyond, J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 074003 (2013), doi:10.1088/0022-3727/46/7/074003, Impact factor 2.5.

3. N. Locatelli, V. Cros and J. Grollier, Spin-torque building blocks, Nature Materials 13, 11–20 (2014), doi:10.1038/nmat3823.

4. E. Oniciuc, L. Stoleriu, and A. Stancu, Landau-Lifshitz-Bloch-Slonczewski simulations of the spin-transfer-torque driven magnetization switching assisted by Joule heating, APPLIED PHYSICS LETTERS 102, 022405 (2013), doi: 10.1063/1.4775682.

 

Project is supported by the Ministry of Science and Education of Russia (agreement №14.576.21.0023 from 30.06.2014)