磁存储和半导体存储.ppt

信息材料基础 信息存储材料廖宇龙2017 09 1 2 主要内容 一 磁性存储材料二 光信息存储材料三 半导体存储技术四 MRAM存储材料及技术五 RRAM存储材料及技术 3 一 磁性存储材料 在信息时代 大容量存储技术在信息处理 传递和探测保存中占据着相当重要的地位 经过一个世纪的发展 磁性存储取得了巨大的进步 目前的磁记录密度已进入每平方英寸超过100G位数的量级 为了提高磁记录的密度 主要途径是增大介质的Hc Br并降低介质的厚度 但记录后的输出信号正比于Br 因此提高介质矫顽力是关键 4 磁记录材料先后经历了氧化物磁粉 Fe2O3 金属合金磁粉 Fe Co Ni等合金磁粉 和金属薄膜三个阶段 矫顽力和剩磁都得到了很大的提升 金属薄膜是高记录密度的理想介质 薄膜介质是连续性介质 高的矫顽力 高的饱和磁化强度 5 垂直磁记录 磁化方向和记录介质的平面相垂直的记录方式 它可彻底消除纵向磁记录方式随记录单元缩小所产生的退磁场增大的效应 因而更有利于记录密度的提高 同时对薄膜厚度和矫顽力的要求可更宽松 但其对信号的读出效率较差 要求磁头必须距记录介质面很近 纵向磁化记录 磁化方向与记录介质的运动方向平行的记录方式 如硬盘 软盘 磁带等 提高其存储密度的方式主要是提高矫顽力和采用薄的存储膜层 6 高密度磁性存储磁头材料 磁记录的两种记录剩磁状态 Mr 是由正 负脉冲电流通过磁头反向磁化介质来完成的 在读出记录信号时 磁头是磁记录的一种磁能量转换器 即磁记录是通过磁头来实现电信号和磁信号之间的相互转换 因此磁头同磁记录介质一样是磁记录中的关键元件 7 8 磁头在磁记录过程中经历了几个阶段 体形磁头 薄膜磁头 磁阻磁头 巨磁阻磁头 9 磁阻 巨磁阻效应 1971年有人提出利用铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应制作磁记录的信号读出磁头 1985年IBM公司实现了这一设想 此后 磁记录密度有了很大的提高 磁阻磁头主要采用Ni Co Fe 系列的铁磁合金材料 其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电阻率有较明显的变化 10 上世纪80年代末法国巴黎大学Fert教授课题组提出和发现的巨磁阻 GMR 效应可使Ni Fe系列磁阻效应高一个数量级以上 引起极大轰动 也为磁头技术带来了突飞猛进的发展 该项成果也获得了2007年诺贝尔物理奖 GMR效应主要基于电子自旋特性产生 11 电子的两大量子特性 电荷 自旋 12 巨磁电阻电阻网络模型 Mott二流体模型 13 1986发现AF耦合 GMR 1988发现GMR 1991发明自旋阀 1994 GMR记录磁头 2005 100Gb in2记录磁头 1993第一个GMRMRAM 2005 1GbMRAM 自旋阀典型结构 14 二 光信息存储材料 与磁存储技术相比 光盘存储有以下优势 非接触式读 写 光头与光盘间有1 2mm距离 因此光盘可以自由更换 信息载噪比高 而且经多次读写不降低 信息位的价格低 抗磁干扰 缺点 光盘驱动器较贵 数据传输率较低 存储密度较低 15 在未来10年内 磁存储和光盘存储仍为高密度信息外存储的主要手段 今后高性能的硬盘主要为计算机联机在线存储 以计算机专业用为主 高性能光盘为脱机可卸式海量存储和信息分配存储 以消费用为主 提高存储密度和数据传输率一直是光盘存储技术的主要发展目标 同时 多功能 可擦重写 也是光盘存储技术的发展方向 也由此才能与日益发展的磁盘存储技术竞争 16 17 光盘工作性能的扩展取决于存储介质的进展 CD ROM光盘的信息数据 预刻于光盘母盘上的 形成凹坑 然后制成金属压膜 再把凹坑复制于聚碳酸酯的光盘基片上 靠凹坑与周围介质反射率的不同读出信号 由于其价格便宜 制作方便 已大量使用 光盘记录点的尺寸决定于聚焦光束的衍射极限 缩短记录激光波长是缩小记录点间距 提高存储密度的关键 PS 采用GaN半导体激光器 记录波长0 40 0 45 m 可将光盘的存储容量提高到10GB以上 称为超高密度光盘存储技术 18 可擦重写光盘存储技术 可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下起可逆的物理或化学变化 目前发展的主要有两类 即磁光型和相变型 前者靠光热效应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化 不同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转 即克尔角 作读出信号 后者靠光热效应在晶态与非晶态之间产生可逆相变 因晶态与非晶态的反射率不同而作为探测信号 19 磁光材料 具有显著磁光效应的磁性材料称为磁光材料 主要为石榴石型铁氧体薄膜 磁光效应 偏振光被磁性介质反射或透射后 其偏振状态发生改变 偏振面发生旋转的现象 由反射引起的偏振面旋转称为克尔效应 由透射引起的偏振面旋转称为法拉第效应 20 磁光存储的写入方式 利用热磁效应改变微小区域的磁化矢量取向 当经光学物镜聚焦的激光束瞬时作用于该薄膜的一点时 此点温度急剧上升 超过薄膜的居里温度后 自发磁化强度消失 激光终止后温度下降 低于居里温度后 磁矩逐渐长大 磁化方向将和施加的外加偏置场方向一致 因为该偏置场低于薄膜的矫顽力 因此偏场不会改变其它记录位的磁化矢量方向 磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点 又有磁存储可擦写和存取速度快的优点 21 它们的熔点较低并能快速实现晶态和非晶态的可逆转变 两种状态对光有不同的发射率和透射率 但这种光存储介质多次读写后信噪比会下降 相变型光存储介质 Te 碲 半导体合金非Te基的半导体合金 22 三 半导体存储技术 目前的半导体存储器市场 以挥发性的动态随机存储器 DRAM 和静态随机存储器 SRAM 及非挥发性的 闪存 存储器Flash为代表 其中Flash具有非易失性 高速 高集成度和电可擦除等优点 目前NAND型Flash已发展到32nm 64Gbit量产的水的水平 Flash存储器己发展成为当前工艺线宽最小 单片集成密度最高 应用最广泛的集成电路产品 23 Flash存储器通过对器件的栅极 源极 漏极和衬底加适当的电压激励 使得器件沟道中的电子被电场拉到浮栅 floatinggate 中的电子将导致器件阀值电压的状态用来存储数据 0 和数据 1 24 传统Flash存储器的隧穿氧化层厚度的减薄不能与技术代发展保持同步 同时单元尺寸的缩小还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题 传统Flash存储器将面临着许多缺陷和难题 写入电压较高 读写速度较慢 s量级 和功耗较大 因而需要特殊的电压提升结构从而加大了电路设计的难度 技术界普遍预测 NOR 高速 型Flash将止步于45nm技术节点 而NAND 大容量 型Flash也将在32nm的技术节点处达到极限尺寸 25 铁电存储器 FRAM FerroelectricRandomAccessMemory 磁随机存储器 MRAM MagnetoresistiveRandomAccessMemory 相变存储器 PCM PhaseChangeMemory 阻变存储器 RRAM ResistiveRandomAccessMemory 26 FRAM的存储原理是利用铁电晶体材料 如PZT SBT BLT等 的自发极化和在外界电场的作用下改变极化方向的特性来进行数据存储 27 MRAM主要是利用磁致电阻效应来实现高低两种电阻状态的转换而达到二值存储的目的 MRAM的数据是以磁性状态 而不是电荷 存储 并且读取数据是利用测量电阻来感知 不会干扰磁性状态 因此与现有的Flash SRAM DRAM相比 MRAM具有存取速度快 存取次数多 功耗低以及非挥发性等优点 具有广泛的应用领域 但是 MRAM磁性材料薄膜的制备工艺比较复杂 在大面积制备过程中薄膜的厚度容易出现波动 从而影响器件的均匀性和可靠性 与传统CMOS工艺的兼容性还需要进一步优化 28 PRAM全称为 PhaseRandomAccessMemory 通常也被称为PCM PCRAM或OUM OvonicsUnifiedmemory 等 它主要是利用硫化物 Chalcogenide 和硫化合金等材料的相变特性来实现储存的 PRAM器件具有非常简单的金属一绝缘体一金属 M I M 结构 通过在电极两端施加不同高度和宽度的电脉冲就可以使得相变薄膜材料在晶相和非晶相之间进行转换 使得相变薄膜材料的电阻阻值在高 低阻态之间进行转换 从而实现数据的储存 29 PRAM具有高速 高密度 较高的存储窗口和多值存储潜力等优点 但PRAM存在一个致命的缺陷 擦除 RESET 过程需要较大的电流 100 A 大电流需要大尺寸的晶体管驱动 造成存储密度的降低 同时增加了芯片的功耗 这己成为阻碍其商用化最关键的问题 30 RRAM全称为 ResistiveRandomAccessMemory 它主要是利用某些薄膜材料在电激励的作用下会出现不同电阻状态 高 低阻态 的转变现象来进行数据的存储 这和PRAM有相似的地方 RRAM的基本结构为金属一绝缘体一金属 M I M 或金属一绝缘体一半导体 M I S 结构 其中上面的金属薄膜作为上电极 中间的绝缘层作为阻变功能层 下面金属或导电的半导体衬底用作下电极 具有阻变现象的材料非常丰富 特别是一些与CMOS工艺兼容的二元氧化物也被报道具有较好的阻变存储特性 使得RRAM存储技术受到广大半导体公司的青睐 31 与其它新型非挥发存储器相比 RRAM具有简单的器件结构 优秀的可缩小性 较快的操作速度和相对较小的功耗 因此成为下一代非挥发存储器的有力竞争者之一 32 MRAM不仅具有SRAM存取速度快 工作电压低 DRAM重复擦写次数多的优点 而且具备FLASH的非易失性 并且由于其抗电磁干扰 抗辐射 大容量存储等优势 在计算领域和军事信息领域具有重大的应用价值 四 MRAM材料及技术 33 目前DRAM SRAM和Flash都是基于半导体技术开发 静态随机存储器 SRAM 利用双稳态触发器作存储元件 因此速度快 但相对于DRAM集成度低 DRAM相对于SRAM来说集成度高 但因为用电容作存储元件 放电时间长 限制了DRAM的速度 Flash控制原理是电压控制栅晶体管的电压高低值 高低电位 栅晶体管的结电容可长时间保存电压值 因而能断电后保存数据 但其单元工作电压较大 存储密度提高不易 且写入时间较长 34 虽然大多数专家相信 即使工艺节点缩小到20nm 硅技术仍将保持其领先地位 但是在20nm以下 将出现大量由基础以及特殊应用引发的障碍 从而阻挠工艺节点的进一步缩小 随着大家对 不久的将来 DRAM和闪存器件在体积上将不会有所变化 的疑虑不断增加 人们开始关注下一代 或称通用存储 技术 毫无疑问 下一代存储器市场的竞争一定会十分激烈 而目前也很难判定哪种技术将在潜能巨大的通用存储器业务中胜出 35 基于巨磁电阻效应 GiantMagnetoresistive GMR 的一种新型存储器 磁性随机存储器 MagneticRandomAccessMemory MRAM 受到各国研究者的广泛关注 成为当前存储器研究领域的热点 快速存取非易失性抗辐射抗干扰低功耗使用寿命长 成本低 36 37 38 目前MRAM的读写机制主要有两种 1T1MTJ oneTransistoroneMTJ 架构 即一个记忆单元连接一个MOS管 XPC Cross pointcell 构架 MRAM核心技术 其一是获得高磁阻变化比值的磁性多层膜结构 其二是尽量降低存储位元的尺寸 其三是读写的构架和方法合理实施 39 结构较复杂 且存储单元的小型化受MOS管限制 存储密度提高有限 40 41 XPC结构存储单元结构更简单 更有利于存储密度的提高 但XPC结构中位线和字线都直接与MTJ连接 所以在写入时电流会经由MTJ流失 导致电流会随着位线或字线路径增长而降低 甚至小到无法完成MTJ的写入动作 42 五 RRAM材料及技术 忆阻器技术的研究实际上已有数十年的历史 1971年 加州大学伯克利分校LeonChua教授预测 在电容 电阻和电感之外 还存在第四种基本元件 记忆电阻 Memristor 这种电阻能够通过施加不同方向 大小电压 改变其阻值 2006年 惠普终于通过实验证实了忆阻器的存在 并在2008年于 Nature 杂志发表论文得到世界认可 在证明忆阻器存在后 惠普还在不断推动这项技术的进步 包括2009年实现忆阻器电路堆叠 2010上半年又证实忆阻器可实现逻辑电路 即可以在存储芯片中直接实施运算功能 43 由于RRAM属于非易失性存储设备 其最直接的应用就是替代闪存 担当计算机以及各种消费电子设备中的长期存储任务 甚至还可能成为通用性存储介质 取代DRAM甚至硬盘的位置 44 45 有机材料 一些有机分子薄膜被发现具电阻转变特性 通过在有机薄膜或聚合物中加入金属性纳米材料 如Al Au等纳米晶 的方法 还可以提高有机薄膜阻变器件的存储特性 由于有机材料构成的器件存在热稳定性差 重复转变次数低和有机材料与CMOS工艺难以兼容等缺点 因此很难应用于主流的非挥发性存储领域 考虑到有机材料具有的优点 如柔性 制备简单 低成本和大面积制造等 有机材料构成的RRAM器件可能会在柔性电子领域 低成本的一次写入可读出存储领域上获得成功 RRAM材料体系 46 多元金属氧化物 目前被报道具有电阻转变效应的多元金属氧化物主要有PrxCa1 xMnO3 LaxCa1 xMnO3等四元金属氧化物等SrTiO3 SrZrO3等三元金属氧化物 夏普公司在购买休斯顿大学的专利后 在2002年的IEDM会议上报道了基于PCMO薄膜的64bit的RRAM的测试芯片 并将器件的高 低阻态的比值提高到了104倍 国内的科研院所 如中国科学院上海硅酸岩研究所 中科院物理研究所和南京大学等单位在四元金属氧化物的RRAM上也开展了大量的工作 PS 尽管多元金属氧化物材料构成的RRAM器件也表现出了较好的存储特性 但是考虑到多元金属氧化物材料的制备工艺比较复杂 成分比例难以控制并与当前CMOS工艺不兼容 因此这类材料在RRAM存储领域的应用前景并不明朗 47 二元金属氧化物 除了以上这些二元金属氧化物材料以外 还有许多二元金属氧化物材料如 TiOx MnO CrO3 A1203和CoO等也被发现具有电阻转变效应 影响二元氧化物的阻变特性除了与材料本身相关以外 还和所使用的电极材料 材料的制备工艺和材料的掺杂元素等因素有很大的关系 尽管各公司都有自己关注的二元金属氧化物 但是具体哪种二元金属氧化物更具有优势到目前都还没有统一的定论 这也给中国的半导体公司和科研单位提供了获得具有自主知识产权的RRAM器件的机遇 48 RRAM阻变机制 从材料中发生阻变现象的区域进行划分 可以将目前所提出的阻变机制分为整体效应和局域效应两大类 整体效应 是指发生阻变的区域在材料体内是均匀的 产生的原因可能是电极与阻变材料界面势垒的变化或者是材料体内的缺陷对电荷的捕获和释放过程引起的 这类RRAM器件的高 低阻态电阻都与器件的面积有着紧密的关系 局域效应 是指材料体内部分区域发生阻变现象 产生的原因是在