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当我们谈MRAM时,不能忽视这点!

2019-06-11
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伴随着物联网、人工智能等应用的兴起,存储器也面临着革新。传统的DRAM受限于EUV的发展,平面NAND也面临着微缩的限制,而最终采取垂直方向上朝着3D方向发展。在传统存储技术接受挑战的过程中,类似于MRAM等新型存储技术也开始逐渐在市场上展露头角。


据相关资料介绍,磁阻随机存取存储器MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器。MRAM拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力,以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度,而且基本上可以无限次地重复写入。


与传统的RAM技术不同,MRAM不以电荷或电流存储数据,而是由磁性隧道结MTJ (Magnetic tunnel junction)磁性存储数据。MTJ是MRAM的基本存储单元,其核心部分是由两个铁磁金属层(典型厚度为1~2.5nm)夹着一个隧穿势垒层(绝缘材料,典型厚度为1~1.5nm)构成类似于三明治结构的纳米多层膜。其中一个铁磁层被称为参考层或固定层,它的磁化沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层,它的磁化有两个稳定的取向,分别与参考层平行或反平行。


( 不同MTJ类型)


MRAM中记忆单元MTJ则是由多层的磁性、氧化物、金属等薄膜所构成。MTJ产生记忆单元所需磁矩的物理特性,则是由磁性薄膜与氧化层的界面效应所决定,MTJ的元件表现深受薄膜质量所影响。


对于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年,当年,法国学者Julliere在低温下成功观测到隧穿磁阻效应(自由层的取向将使磁隧道结处于低阻态或高阻态,该现象被称为隧穿磁阻效应),但在当时并未引起较多的关注,此后的研究进展也极其缓慢,原因是当时的工艺水平难以制备出高质量的纳米薄膜。



而今,伴随着人工智能的应用,使得存储技术需要更进步一发展。在非易失性存储器、逻辑电路和神经形态计算等应用驱动下,存储器得到了广泛的研究,MRAM也是未来存储发展的方向之一。而在这个过程中,高质量薄膜的制备又重新被人们所重视。


在这当中,氧化物半导体薄膜充当了重要角色。为什么要掺杂氧化物?氧化物半导体材料的平衡组成因氧的压力改变而改变,氧原子浓度决定其导电的类型。由于金属和氧之间的负电性差别较大,化学键离子性成分较强,破坏这样一个离子键要比共价键容易,使它含有的点缺陷浓度较大,所以化学计量比偏离对材料的电学性质影响也大。如化学计量比偏离缺氧时(或金属过剩时),则此氧化物半导体材料即呈现n型,此时氧空位或间隙金属离子形成施主能级而提供电子,属于此类半导体材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。


正离子n-p对在氧化物中的磁化机理可解释为,两个磁性掺杂剂可以在氧空位周围稳定,并且被铁磁耦合以形成局部磁极化子。此外,电子掺杂起到双重作用,即进一步增强局部极化子的铁磁稳定性,并介导两个极化子之间的非局域磁耦合。



以阳离子负离子n-p(V-N)共掺杂ZnO薄膜为例,V4 +和V5 +共存是n型掺杂剂以取代Zn2 +,N3-作为p型掺杂剂代替O2-。这是在氧化物中固定的非常有效的方法。


如何制备和设计氧化物半导体薄膜:


1.每一个节都可作为一个存储单元,可实现多值存储,存储密度大大提高;


2.利用多孔结构将导电丝局限在孔道内,减小导电丝形成的随机性,提高器件稳定性;


3.部分氧化得到(NiOx/Pt)200(降低能耗、无Forming电压,阻变电压小)器件;


4.选用磁性Ni材料,阻变过程中可同时调节磁电阻和磁性变化,制备多功能器件。



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