Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0023

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0023
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Кинтех"
Название доклада
Предсказательное моделирование спинтронных наноустройств, основанных на магнитных туннельных переходах
Докладчик
Книжник Андрей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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 переходов (МТП) на технологию 65 нм и меньше.
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 устройствах на основе МТП, экспериментальное выявление всех этих зависимостей является чрезвычайно затратной с точки зрения временных и финансовых ресурсов.
Поэтому ключевую роль для проектирования устройств на основе МТП и решения проблемы их масштабирования играет предсказательное моделирование, что обуславливает актуальность предлагаемого проекта. При этом необходимо отметить, что на рынке в настоящее время отсутствует предложения по программным продуктам, которые могли бы в полной мере осуществить данную задачу, и компании, работающие в данной области, обычно используют внутренние разработки.
Актуальность и новизна исследования
Спинтроника, являясь одним из перспективных направлений развития микроэлектроники, позволяет использовать магнитные степени свободы локализованных и транспортных электронов для создания новых функциональных микроэлектронных приборов. Спинтронные приборы обеспечивают энергонезависимое хранение данных с энергией и временем чтения/записи, сравнимыми и превосходящими таковые для полупроводниковых оперативных устройств, при практически неограниченном числе циклов, что делает их перспективными кандидатами на универсальную энергонезависимую память. Для разработки новых спинтронных приборов необходимо иметь программные инструменты для моделирования характеристик таких приборов в зависимости от параметров прибора и свойств магнитных материалов. Однако, имеющиеся программные инструменты для приборно-технологического моделирования микроэлектронных устройств не имеют методов и моделей для расчета динамики намагничивания в спинтронных приборах. Представленный в данной работе программный пакет принципиально отличается тем, что в основу закладывается необходимость проведения мультифизических и многоуровневых расчетов для спинтронных устройств.
Описание исследования

Метод проведения работы состоит в разработке многомасштабной и мультифизической модели для описания спинтронных наноприборов на основе магнитных туннельных переходов. Модель должна позволить одновременно описывать распределение температуры, тока, механических напряжений, намагниченности, включающая микромагнитную модель, модель для описания распределений температуры, тока и механических напряжений и методику сопряжения решений микромагнитной задачи и задачи о распределении температуры, тока и механических напряжений. Для этого разрабатываются следующие программные компоненты:

  1. Программная компонента магнитной динамики для описания эволюции намагниченности в слоях спинтронных приборов.
  2. Программная компонента для расчета распределений температуры, электрического тока и механических напряжений в спинтронном приборе.

Данные программные компоненты могут быть совместно использованы для проведения мультифизических расчетов.

Программная компонента магнитной динамики содержит несколько модулей для моделирования эволюции намагниченности с разной степенью детализации:

–          модуль макроспиновой магнитной динамики.

–          модуль гранулярной модели на основе метода Монте-Карло.

–          модуль микромагнитной динамики.

–          модуль атомистической микромагнитной динамики.

Наличие этих модулей позволяет применять моделирование магнитной динамики в широком диапазоне пространственных и временных масштабов: от исследования влияния атомистического строения на магнитные свойства до описания поведения на макроскопических временах.

Для построения мультифизической модели обеспечено сопряжение решений микромагнитной модели и задачи о распределении температуры, тока и механических напряжений. Для этого реализован обмен данными между программными компонентами и периодически проводится синхронизацию данных между ними. Программная компонента для расчета распределений температуры, тока и напряжений передает эти распределения в модули расчета магнитной динамики для описания магнитных свойств материалов, зависящих от температуры, и процессов переноса спинового момента, а также для учета магнитоупругого взаимодействия в ФМ и АФ слоях. В свою очередь, модули расчета магнитной динамики передают в данную программную компоненту рассчитанные значения туннельного магнитосопротивления.

Для верификации разрабатываемых программных компонент осуществляется сравнение результатов модели с экспериментальными и литературными данными. Для этого в рамках проекта была разработана эскизная конструкторская документация на макеты прототипов приборов на основе магнитных туннельных контактов, в соответствии с которой индустриальный партнер изготовил соотвествующие макеты и выполнил измерения их рабочих характеристик в части магнитной анизотропии функциональных слоев, механических напряжений в функциональных слоях, а также токов переключения и температуры блокировки. Измеренные рабочие характеристики макетов спинтронных приборов также сравнивались с литературными данными.

Результаты исследования

Текущие результаты выполнения проекта включают спецификацию и программную реализации основных модулей для многомасштабного и мультифизического моделирования спинтронных приборов на основе магнитных туннельных контактов, в частности моделей макроспиновой и микромагнитной динамики, а также модуля для расчета распределения электрического тока, температуры и механических напряжений. Кроме того, специфицирована и реализована методика сопряжения данных модулей.   Также разработаны методы для ускорения расчетов магнитной динамики на высокопроизводительных вычислительных системах.

По работам, выполняемым за счет внебюджетного финансирования, разработана эскизная конструкторская документация на макеты прототипов спинтронных приборов на основе магнитных туннельных контактов, на основании которой были реализованы макеты прототипов. Полученные макеты прототипов спинтронных приборов были использованы для измерения рабочих характеристик в части магнитной анизотропии функциональных слоев, механических напряжений в функциональных слоях, а также токов переключения и температуры блокировки. Измеренные характеристика спинтронных приборов использовались для верификации разрабатываемых программных компонентов. 

На основе разработанных программных компонент проведены исследования при помощи многомасштабного моделирования для определения способа масштабирования спинтронных приборов на основе магнитных туннельных контактов на технологию 65 нм и меньше. Для этого проведена оптимизация характеристик спинтронного прибора  памяти в зависимости от геометрических параметров прибора и физических свойств материалов. 

Были проведены патентные исследования в области приборно-технологического моделирования спинтронных приборов. Исследования показали, что на данный момент нет охраняемых интеллектуальных прав на соответствующие методы и алгоритмы. Кроме того, среди имеющихся коммерческих программных средств нет аналогов с возможностью мультифизического и многомасштабного моделирования спинтронных приборов.

По результатам выполнения проекта разрботан проект ТЗ на проведение ОКР по теме: «Разработка спинтронных устройств на основе магнитных туннельных контактов».

Практическая значимость исследования
Полученные результаты будут использованы для создания спинтронных приборов на основе магнитных туннельных контактов на основе технологий до 65 нм а также для разработки новых устройств на их основе и последовательного уменьшения размера техпроцесса.
Результаты ПНИ будут использованы для производства в России на заводе ООО «Крокус Наноэлектроника» новых MLU-устройств (приборов магнитной памяти, магнитной логики и сенсоров магнитного поля).