Structuur waarin een dunne isolatielaag tussen twee magnetische lagen ligt. Zijn de magnetisaties van beide lagen parallel, dan is de weerstand laag; antiparallel is deze hoog. Het opslagelement van MRAM.
Japanse benaming: 磁気トンネル接合(MTJ)
“Magnetische tunnelovergang (MTJ)” komt voor in 14 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Opkomende geheugentechnologieën.
Vakgebied: Opkomende geheugentechnologieën
Een magnetische tunnelovergang (MTJ) sluit een isolerende tunnelbarrière, meestal MgO van ongeveer 1 nm dik, in tussen twee ferromagnetische lagen zoals CoFeB. Eén laag, de referentielaag of pinned layer, heeft een magnetisatie die is vastgelegd door een antiferromagneet of een synthetische antiferromagneet, zodat schrijfstromen en strooivelden haar niet kunnen verdraaien. De andere, de vrije laag of opslaglaag, kan tussen twee richtingen worden omgeschakeld. MTJ's in productie zijn stapels van meer dan tien lagen, waarvan er veel alleen dienen om de referentielaag te stabiliseren.
Elektronen passeren de barrière door quantumtunneling, en in een ferromagneet hebben elektronen met majority-spin en minority-spin een verschillend aantal beschikbare toestanden. Wanneer de twee lagen parallel staan, komen de majority-toestanden aan beide zijden overeen en is tunnelen gemakkelijk, wat een lage weerstand geeft. Bij antiparallelle stand moeten majority-elektronen in minority-toestanden terechtkomen, zodat de weerstand hoog is. De tunnelmagnetoweerstandsverhouding (TMR), (R_AP − R_P)/R_P, meet het contrast: 2 kΩ tegenover 5 kΩ geeft 150%. MgO-juncties in het lab halen bij kamertemperatuur meer dan 600%, maar productiecellen zitten rond 100 tot 200%, zodat de twee toestanden slechts een factor twee tot drie verschillen.
Bij spin-transfer torque-MRAM (STT) loopt de schrijfstroom door de junctie; elektronen die door de referentielaag spingepolariseerd zijn, dragen impulsmoment over aan de vrije laag en klappen die om, waarbij de stroomrichting 0 of 1 kiest. De schrijfstroom schaalt met het celoppervlak, wat STT tot de gangbare aanpak maakte. Lezen gebruikt hetzelfde pad, dus de leesstroom moet ruim onder de schakelstroom blijven om read disturb te voorkomen. Spin-orbit torque-MRAM (SOT) stuurt de schrijfstroom door een lijn van zwaar metaal zoals wolfraam of platina onder de vrije laag, wat lees- en schrijfpad scheidt en schrijven in minder dan een nanoseconde mogelijk maakt, in een grotere cel met drie aansluitingen.
De energiebarrière die de vrije laag op zijn plaats houdt, is grofweg de magnetische anisotropie maal het volume en wordt dus kleiner naarmate cellen kleiner worden. De verhouding daarvan tot de thermische energie kT, de thermische stabiliteitsfactor Δ, moet ongeveer 60 of meer zijn voor een retentie van tien jaar; een grotere Δ vraagt ook meer schrijfstroom, wat de afweging bij schaalverkleining bepaalt. Materialen met loodrechte magnetische anisotropie helpen. MTJ's worden tussen interconnectlagen in de back end of line (BEOL) gebouwd, dus ze moeten ongeveer 400 °C doorstaan, en de magnetische lagen worden gepatroneerd met ion-beam etching om herdepositie van metaal op de zijwanden te voorkomen.
Antwoord: A. Magnesiumoxide (MgO)
Bij een kristallijne MgO-tunnelbarrière tunnelen selectief alleen elektronen met een bepaalde spinsymmetrie, wat bij kamertemperatuur een grote TMR-verhouding van enkele honderden procenten oplevert (bij het vroegere amorfe Al2O3 enkele tientallen procenten). Deze techniek, in 2004 afzonderlijk gepubliceerd door het Japanse AIST en IBM, vergrootte het weerstandsverschil tussen 0 en 1, maakte hogere capaciteiten van HDD-leeskoppen mogelijk en leidde ook tot de praktische toepassing van MRAM.
Antwoord: A. Door thermische fluctuaties klapt de magnetisatie gemakkelijk om, waardoor het behouden van gegevens moeilijk wordt
De energiebarrière die de magnetisatie behoudt is 'magnetische anisotropie × volume' en wordt kleiner naarmate het element kleiner is. De verhouding tot de thermische energie kT (thermische stabiliteitsfactor Δ) moet voor tien jaar dataretentie ongeveer 60 of hoger zijn. Daaronder klapt de magnetisatie door thermische fluctuaties gemakkelijk spontaan om. Een grotere Δ verhoogt echter ook de schrijfstroom, dus het combineren van retentie en schrijfbaarheid is een uitdaging bij verkleining. Men pakt dit aan met materialen met loodrechte magnetisatie en met vormaanpassingen.
De tunnelmagnetoweerstandsverhouding is (R_antiparallel − R_parallel) gedeeld door R_parallel. MRAM-juncties in productie vertonen doorgaans ongeveer 100 tot 200%, wat betekent dat de toestand met hoge weerstand twee tot drie keer zo groot is als die met lage weerstand.
Beide gebruiken twee magnetische lagen waarvan de onderlinge oriëntatie de weerstand bepaalt, maar een spinklep op basis van giant magnetoresistance (GMR) gebruikt een dunne metalen tussenlaag zoals koper, terwijl een MTJ een isolerende tunnelbarrière gebruikt. De tunnelbarrière geeft een veel grotere weerstandsverandering, en daarom gebruikt MRAM MTJ's.
Nee. De bit wordt opgeslagen als de richting van de magnetisatie van de vrije laag, die zonder voeding blijft bestaan, dus MRAM op basis van MTJ's is niet-vluchtig zolang de thermische stabiliteitsfactor hoog genoeg is.
Bij MTJ's met magnetisatie in het filmvlak wordt de magnetisatierichting gestabiliseerd door de vorm van het element, bijvoorbeeld een ellips, zodat de stabiliteit bij verkleining niet te behouden is.
Waarom zijn MTJ's met een loodrecht op het filmvlak gericht…De MTJ wordt gevormd in het back-end-of-line-proces (BEOL) na het gereedkomen van de transistoren, tussen de bedradingslagen.
In welke stap van het logica-LSI-proces wordt het geheugene…Een van de lagen van de MTJ is de referentielaag (gepinde laag) met vaste magnetisatierichting, de andere is de vrije laag (opslaglaag) waarvan de richting bij het schrijven kan worden omgekeerd.
Welke uitspraak over de rollen van de twee magnetische lage…MRAM gebruikt een magnetische tunneljunctie (MTJ), waarbij twee magnetische lagen een isolerende laag van circa 1 nm dik insluiten.
Welke uitspraak over het opslagprincipe van MRAM is juist?Bij STT-MRAM wordt een stroom door de MTJ gestuurd.
Welke uitspraak over de schrijfmethode van STT-MRAM is juis…MRAM TMR-verhouding STT-MRAM Numerieke apertuur (NA) SOT-MRAM Cachegeheugen Niet-vluchtig geheugen High-k/metal gate Foundry Read disturb