Podręcznik

4.11. Pamięci nieulotne MRAM w układach CMOS

Jest to szczególny rodzaj komórek pamięci, w których wykorzystuje się tunelowy efekt magnetorezystancyjny. Są one na pograniczu pamięci ROM i RAM, ponieważ są nieulotne, a równocześnie mają krótkie czasy zapisu i odczytu. Zasadniczą częścią komórki pamięci MRAM jest złącze składające się z trzech części: przewodzącego materiału magnetycznego namagnesowanego trwale, przewodzącego materiału magnetycznego podlegającego przemagnesowywaniu (magnetycznie „miękkiego”) oraz bardzo cienkiej warstwy dielektrycznej między nimi. Przez takie złącze może przepływać prąd dzięki zjawisku tunelowemu, przy czym prawdopodobieństwo przejść tunelowych zależy od tego, jakie są kierunki pola magnetycznego w obu magnetycznych obszarach. Gdy są zgodne, prąd tunelowy jest znaczny, w przeciwnym razie jest dużo mniejszy (rysunek 4-12).

 

Rysunek 4 12. Idea tunelowego złącza magnetorezystancyjnego

 

Komórka pamięci magnetorezystancyjnej składa się ze złącza tunelowego i jednego tranzystora:

 

Rysunek 4 13. Komórka pamięci STT-MRAM

 

Zapis do komórki MRAM polega na zmianie kierunku namagnesowania obszaru magnetycznie "miękkiego". Dokonuje się to przez przepuszczanie prądu między liniami bitu B i zapisu/odczytu Z/O w jednym lub drugim kierunku. Zapis w komórce można w pewnym uproszczeniu przedstawić następująco: elektrony płynące od obszaru namagnesowanego do „miękkiego” zachowują spin zgodny z kierunkiem namagnesowania materiału trwale namagnesowanego i przenoszą ten spin do obszaru „miękkiego” namagnesowując go zgodnie z kierunkiem namagnesowania obszaru trwale namagnesowanego. Przepływ w przeciwnym kierunku powoduje, że elektrony o spinie zgodnym z kierunkiem namagnesowania obszaru „miękkiego” uchodzą z tego obszaru pozostawiając elektrony o spinie przeciwnym. W rezultacie obszar „miękki” zmienia kierunek pola magnetycznego. Ten proces „przekazywania spinu” nosi w jęz. angielskim nazwę „spin-transfer torque”, stąd pamięć działająca według tej zasady określana jest często skrótem „STT-MRAM”.

Technologicznie złącza tunelowe wytwarza się ponad tranzystorami, pomiędzy ścieżkami metalizacji, co umożliwia lokowanie komórek pamięci MRAM w najbliższym sąsiedztwie tranzystorów tworzących układy logiczne. Stwarza to nowe możliwości powiązania pamięci z układami logicznymi. Możliwości te są jeszcze przedmiotem badań, ponieważ układy CMOS z komórkami MRAM dopiero (w roku 2019) wchodzą do produkcji u kilku producentów. Produkowane są natomiast pamięci MRAM jako odrębne układy.