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Magnetisches RAM: Daten in Nanosekunden schreiben

| Redakteur: Michael Eckstein

Ein neues, von imec entwickeltes deterministisches Schreibverfahren macht spannungsgesteuerte VCMA-MRAM-(Magnetic Random-Access Memory-)Speicher fit für die Massenproduktion – und erhöht ihre Schreibgeschwindigkeit drastisch.

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Offset: Ein zusätzliches Magnetfeld macht das sonst bei MRAM nötige Auslesen vor dem Schreiben überflüssig.
Offset: Ein zusätzliches Magnetfeld macht das sonst bei MRAM nötige Auslesen vor dem Schreiben überflüssig.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Mit einem neuen Schreibverfahren für spannungsgesteuerte magnetische anisotrope (VCMA) Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) will imec, das Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien mit Hauptsitz im belgischen Löwen, die Eigenschaften der Speicher erheblich verbessert haben. Nach eigenen Angaben macht das neue Verfahren ein sonst vor dem Schreiben erforderliches Auslesen des Speichers überflüssig. Dadurch soll sich der Schreibzyklus des Speichers deutlich verkürzen, was sich laut imec in rasanten Schreibgeschwindigkeiten im ns-Bereich niederschlägt.

Darüber hinaus hat imec eine Schaltung entwickelt und demonstriert, die ohne externes Feld für den VCMA-Schaltbetrieb auskommt. Beide Innovationen lösen grundlegende Probleme des Schreibbetriebs von VCMA-MRAMs – und sollen sie zu praktikablen Kandidaten für zukünftige Hochleistungsspeicheranwendungen mit geringem Stromverbrauch machen. Die Verbesserungen der MRAM-Speichertechnik präsentieren imec-Vertreter diese Woche auf dem „2020 VLSI Symposia on Technology and Circuits“. Die Veranstaltung findet aufgrund der Coronakrise erstmals als virtuelle Konferenz statt – ausgerechnet zu ihrem 40sten Jubiläum.

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Spannung statt Stromstoß zum Schreiben von Daten

Der spannungsgesteuerte MRAM-Betrieb ist eine noch recht junge Entwicklung. Die Technik soll helfen, den Stromverbrauch von Spin-Transfer-Torque-MRAM (STT-MRAM) zu senken. STT-MRAM sind nichtflüchtige Hochgeschwindigkeitsspeicher mit hoher Speicherzellendichte. Während das Schreiben von STT-MRAM-Speicherzellen mittels eines Stromstoßes erfolgt, der senkrecht in einen magnetischen Tunnelknoten injiziert wird, verwendet VCMA-MRAM für seinen Schreibvorgang ein per Spannung erzeugtes elektrisches Feld. Vorteil: Diese Variante benötigt weit weniger Energie.

Für das Umschalten vom parallelen (P) in den antiparallelen Zustand (AP) (oder umgekehrt) sind zwei Zutaten erforderlich: ein über der Tunnelbarriere anliegendes elektrisches Feld, mit dem sich bei Bedarf die Energiebarriere überwinden lässt, und ein externes Magnetfeld in der Ebene für den eigentlichen VCMA-Schaltvorgang.

Zwei fundamentale Probleme von VCMA-MRAM behoben

Der oft kritisierte langsame Schreibvorgang von VCMA-MRAM hängt mit der unipolaren Natur der Bausteine zusammen: Für den Übergang vom parallelen in den antiparallelen (P-AP) Zustand ist die gleiche Polarität des Schreibimpulses erforderlich wie für den Wechsel vom antiparallelen in den parallelen (AP-P) Zustand. Daher muss die Speicherzelle bisher zunächst ausgelesen werden, um ihren aktuellen Zustand vor dem Beschreiben zu ermitteln. Diese Sequenz hat den Schreibvorgang bislang erheblich verlangsamt.

Imec hat daher ein neuartiges deterministisches VCMA-Schreibkonzept entwickelt, das diesen Schritt überflüssig macht: Es führt unterschiedliche Schwellenspannungen für die Übergänge A-AP und AP-P ein, indem mithilfe eines zusätzlichen kleinen Magnetfeldes Bz,eff von beispielsweise 5 mT ein Offset in der Energiebarriere im VCMA-Stack-Design erzeugt wird.

Schneller schreiben mit Permanent-Magnetfeld

Als zweite Verbesserung hat imec eine magnetische Hardmask über dem magnetischen Tunnelübergang integriert. Das permanent vorhandene Magnetfeld macht ein zusätzliches externes Magnetfeld zum Schalten überflüssig. Dieser Kniff verbessert laut imec die Herstellbarkeit des Bausteins, ohne seine Leistung zu beeinträchtigen.

Die Demo-Bausteine hat das imec auf seiner modernen 300-mm-Infrastruktur in CMOS-Technik hergestellt. Nach eigenen Angaben ist damit ein zuverlässiges VCMA-Schalten ohne externes Magnetfeld bei 1,1 GHz mit nur 20 fJ Schreibenergie möglich. Das ermöglicht das Schreiben von Daten im Nanosekundenbereich. „Unsere Methode erreicht einen Tunnelmagnetwiderstand von 246%“, sagt Gouri Sankar Kar, Programmdirektor bei imec. Die Datenhaltbarkeit sei extrem hoch. „Diese Merkmale steigern die VCMA-MRAM-Leistung über den STT-MRAM-Betrieb hinaus und machen die Bausteine zu idealen Kandidaten für Hochleistungs-, Low-Power- und High-Density-Speicheranwendungen.“ Dazu zählt er beispielsweise erweiterte Rechenanforderungen oder analoge Compute-in-Memory-Anwendungen.

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