Rotazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9416 (2023) Citare questo articolo

Dettagli sulle metriche

Sebbene i convertitori analogico-digitali (ADC) siano componenti critici nei circuiti integrati (IC) a segnale misto, le loro prestazioni non sono state migliorate in modo significativo negli ultimi dieci anni. Per ottenere un miglioramento radicale (ADC compatti, a basso consumo e affidabili), la spintronica può essere considerata un candidato adeguato grazie alla sua compatibilità con CMOS e ampie applicazioni nell'archiviazione, nell'elaborazione neuromorfica e così via. In questo articolo, viene progettata, fabbricata e caratterizzata una prova di concetto di un ADC Flash CMOS spin a 3 bit che utilizza giunzioni tunnel magnetiche con anisotropia nel piano (i-MTJ) con meccanismo di commutazione coppia spin-orbita (SOT). . In questo ADC, ciascun MTJ svolge il ruolo di un comparatore la cui soglia è fissata dall'ingegnerizzazione della larghezza del metallo pesante (HM). Un simile approccio può ridurre l’impronta dell’ADC. Le simulazioni Monte-Carlo basate sulle misurazioni sperimentali mostrano che le variazioni/non corrispondenze del processo limitano la precisione dell'ADC proposto a 2 bit. Inoltre, la nonlinearità differenziale massima (DNL) e la nonlinearità integrale (INL) sono rispettivamente 0,739 LSB (bit meno significativo) e 0,7319 LSB.

Gli ADC traducono l'input analogico in output digitale e svolgono un ruolo cruciale nei sistemi computazionali1,2,3,4. Con l'emergente calcolo in memoria (CiM) per l'implementazione di reti neurali profonde (DNN), la necessità di ADC compatti e a basso consumo è in aumento5,6,7. Gli ADC convenzionali soffrono di scalabilità tecnologica a causa della grande variazione del processo e delle prestazioni inferiori nei nodi scalati. Secondo la tabella di marcia per ADC pubblicata di recente, le prestazioni dell'ADC non mostrano miglioramenti evidenti in termini di risoluzione, area e consumo energetico nei prossimi anni utilizzando la tecnologia attuale8. Una soluzione promettente potrebbe essere il passaggio dalla tradizionale tecnologia CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) a nuove tecnologie ibride come la tecnologia spin-CMOS9.

La giunzione tunnel magnetica (MTJ) è un candidato promettente come dispositivo spintronico per molte applicazioni grazie alla sua compatibilità con CMOS, non volatilità, tempo di ritenzione elevato e lunga durata10,11,12. Un MTJ è costituito da uno strato di ossido inserito tra due strati ferromagnetici (FM). La direzione di magnetizzazione di uno dei FM è fissa ed è chiamata strato pinnato (PL) mentre l'altro che può essere commutato lungo il suo asse facile è chiamato strato libero (FL). Se le direzioni di magnetizzazione di FL e PL sono parallele, il dispositivo è in stato parallelo (stato P), dove MTJ presenta una bassa resistenza ('0' logico), mentre, se la direzione di magnetizzazione di FL è nella direzione opposta al PL, il dispositivo è in stato antiparallelo (stato AP) e mostra un'elevata resistenza (logico '1'). L'orientamento magnetico del FL può essere regolato facendo passare una corrente di carica (ISTT) attraverso l'MTJ tramite un meccanismo di coppia di trasferimento di spin (STT)13. Tuttavia, una delle sfide con questo metodo di commutazione è che il sottile strato di ossido può rompersi quando il dispositivo subisce una quantità elevata di ISTT, con conseguente riduzione dell'affidabilità e della resistenza degli MTJ14. Sono stati proposti MTJ basati sulla coppia spin-orbita (SOT) per superare questo problema migliorando al tempo stesso l'efficienza di commutazione15. Nei SOT, una corrente di carica (ISOT) maggiore della corrente di carica critica (ISOT,crit) scorre attraverso un metallo pesante (HM) e la commutazione viene effettuata da SOT attraverso l'effetto spin Hall (SHE)16,17.

Recentemente sono stati riportati diversi lavori sulla progettazione di ADC utilizzando MTJ basato su SOT8,18,19,20,21. Jiang et al.8 hanno sviluppato un ADC spintronico basato su SHE e anisotropia magnetica controllata in tensione (VCMA). Per ottimizzare l'ISOT, critico di ciascun MTJ, viene utilizzata una scala resistiva per fornire tensioni diverse sugli MTJ. Un approccio di questo tipo presenta problemi di sovraccarico energetico e di affidabilità18. In altri lavori18,19,20,21, un HM conico è condiviso tra MTJ in cui la larghezza dell'HM (wHM) è progettata per ottimizzare ISOT,crit. Per rilevare lo stato di ciascun MTJ in tali approcci, una corrente scorre attraverso l'MTJ (ISens). Tuttavia, considerando il fatto che l'HM condiviso costituisce il contatto inferiore degli MTJ, ISens attraverserà solo una parte dell'HM. Gli MTJ sperimenteranno una resistenza di contatto inferiore diversa a seconda della loro posizione sull'HM condiviso. Vale la pena notare che diverse larghezze degli HM, ovviamente, portano a diverse resistenze degli HM nel percorso e questa resistenza aumenta per gli MTJ posizionati lontano dal terminale HM collegato a terra. Maggiore è la resistenza dell'HM nel percorso di corrente, maggiore è la degradazione della magnetoresistenza (MR) e quindi minore l'affidabilità della lettura. Per superare questo problema, alcuni lavori utilizzano un approccio di lettura laterale18,19, mentre altri lavori utilizzano un quantizzatore fittizio per rilevare ciascuna resistenza MTJ20. La differenza di resistenza degli HM adiacenti viene compensata regolando la dimensione del transistor nel circuito di rilevamento21. Tuttavia, nelle soluzioni proposte, l'aumento della complessità del circuito di rilevamento comporta il costo della mitigazione del problema del degrado della risonanza magnetica. In questo articolo viene esaminata la prova del concetto di implementazione di un ADC basato su dispositivi spintronici che fornisce linee guida di progettazione per i futuri ADC spin-CMOS. A tal fine, viene proposto, progettato e caratterizzato un ADC spin-CMOS in cui MTJ basato su SOT e il suo ISOT,crit agiscono rispettivamente come comparatore e corrente di riferimento (Iref) negli ADC Flash convenzionali in modalità corrente. Nonostante le strutture proposte in letteratura18,19,20, in questa struttura, gli MTJ basati su SOT con anisotropia nel piano (i-SOT-MTJ) sono posizionati in rami paralleli per mitigare la deduzione MR e la complessità del circuito di rilevamento . L'impatto della resistenza HM sulla MR viene mostrato confrontando i dati di misurazione estratti dalla struttura proposta da Ghanatian et al.20 con l'approccio presentato in questo articolo. Per confrontare i valori MR tra i due approcci, viene utilizzato i-SOT-MTJ. Tuttavia, Ghanatian et al.20, hanno utilizzato MTJ basati su SOT con anisotropia perpendicolare (p-SOT-MTJ), in cui la direzione dell'asse facile degli strati magnetici (cioè FL e PL) è perpendicolare al piano degli strati magnetici. Rispetto a i-SOT-MTJ, p-SOT-MTJ offre numerosi vantaggi, tra cui commutazione rapida e scalabilità22. Tuttavia, in p-SOT-MTJ, la commutazione non è deterministica ed è necessario un campo magnetico esterno che porti ad un aumento della complessità e della sensibilità alla variazione del processo. Per superare questo problema, sono state proposte diverse tecniche come l'anisotropia magnetica del controllo della tensione (VCMA)23, lo scambio bias (EB)24 e il SOT assistito da STT20. Dal punto di vista della fabbricazione, gli stack p-SOT-MTJ sono solitamente composti da multistrati ultrasottili di Co/Pt. Ciò richiede due obiettivi aggiuntivi nei sistemi di deposizione. Inoltre, nella struttura MTJ invertita proposta (vedere la sezione Metodi), gli strati di riferimento sono sopra l'MTJ. La rugosità causata dagli strati inferiori è elevata ed è difficile garantire le proprietà di anisotropia magnetica perpendicolare (PMA). Considerando le sfide della nanofabbricazione, abbiamo deciso di utilizzare uno stack in cui il FL è leggermente inclinato fuori dal piano, come descritto da Tarequzzaman et al.25. I risultati della misurazione mostrano che i valori MR dell'ADC proposto sono superiori a quelli della struttura proposta da Ghanatian et al.20, il che significa che l'affidabilità della lettura può essere migliorata nella struttura proposta.