MRAM – Magnetoresistive RAM

MRAM speichert Information nicht über elektrische Ladung wie DRAM oder Flash, sondern über die magnetische Ausrichtung von Elektronenspins – ein grundlegend anderer physikalischer Speichermechanismus. Grundlage ist der tunnelmagnetoresistive Effekt (TMR), ein quantenmechanisches Phänomen: Zwei ferromagnetische Schichten, getrennt durch eine wenige Atomlagen dünne Isolatorschicht, lassen abhängig von ihrer relativen Magnetisierungsrichtung unterschiedlich viel elektrischen Strom durchtunneln. Elektronen tunneln bevorzugt dann durch die Isolatorschicht, wenn ihre Spin-Ausrichtung mit der Mehrheits-Spinausrichtung in beiden ferromagnetischen Schichten übereinstimmt.

Sind beide Schichten parallel magnetisiert (gleiche Ausrichtung), finden die meisten Elektronen einen passenden Zustand zum Durchtunneln, und der elektrische Widerstand der Zelle ist niedrig. Bei antiparalleler Ausrichtung (entgegengesetzte Magnetisierung) müssen die Elektronen ihren Spin beim Tunneln umkehren, was quantenmechanisch deutlich unwahrscheinlicher ist – der Widerstand steigt spürbar an, typischerweise um 100 bis 200 Prozent gegenüber dem parallelen Zustand (das sogenannte TMR-Verhältnis). Diese zwei klar unterscheidbaren Widerstandszustände codieren die Bits „0“ und „1“ und lassen sich durch einfaches Anlegen einer kleinen Lesespannung zerstörungsfrei auslesen.

Die Speicherzelle – die Magnetic Tunnel Junction (MTJ) – besteht aus drei zentralen Schichten, die typischerweise mittels Sputtern (siehe PVD-Verfahren-Kapitel) in einer einzigen Vakuumkammer ohne Unterbrechung des Vakuums abgeschieden werden, um Oxidation und Verunreinigung an den empfindlichen Grenzflächen zu vermeiden:

Eine Referenzschicht (Fixed Layer oder Pinned Layer) aus einer ferromagnetischen Legierung, deren Magnetisierungsrichtung durch Kopplung an eine zusätzliche antiferromagnetische Schicht fest vorgegeben und gegen äußere Störfelder stabilisiert ist. Darüber eine hauchdünne Tunnelbarriere, in modernen MTJs praktisch ausnahmslos aus kristallinem Magnesiumoxid (MgO) mit einer Dicke von nur ein bis zwei Nanometern – die Kristallstruktur des MgO ist entscheidend für ein hohes TMR-Verhältnis, da sie eine spinselektive Tunnelwahrscheinlichkeit begünstigt. Und schließlich eine freie Schicht (Free Layer), ebenfalls ferromagnetisch, deren Magnetisierungsrichtung sich zum Schreiben gezielt umschalten lässt. Nur die freie Schicht ändert beim Schreibvorgang ihren Zustand; die Referenzschicht dient als stabiler Vergleichspunkt, gegen den beim Auslesen der Widerstand gemessen wird.

MTJ im parallelen und antiparallelen Zustand