磁存储和半导体存储

1、信息材料基础信息存放材料廖宇龙.09磁存储和半导体存储第1页磁存储和半导体存储第2页主要内容：一、磁性存放材料二、光信息存放材料三、半导体存放技术四、MRAM存放材料及技术五、RRAM存放材料及技术磁存储和半导体存储第3页一、磁性存放材料在信息时代，大容量存放技术在信息处理、传递和探测保留中占据着相当主要地位。经过一个世纪发展，磁性存放取得了巨大进步，当前磁统计密度已进入每平方英寸超出100G位数量级。为了提升磁统计密度，主要路径是增大介质Hc/Br并降低介质厚度。但统计后输出信号正比于Br，所以提升介质矫顽力是关键。磁存储和半导体存储第4页磁统计材料先后经历了氧化物磁粉（-Fe2O3）、金属

2、合金磁粉（FeCoNi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提升。金属薄膜是高统计密度理想介质。薄膜介质是连续性介质高矫顽力高饱和磁化强度磁存储和半导体存储第5页垂直磁统计磁化方向和统计介质平面相垂直统计方式。它可彻底消除纵向磁统计方式随统计单元缩小所产生退磁场增大效应，因而更有利于统计密度提升。同时对薄膜厚度和矫顽力要求可更宽松。但其对信号读出效率较差，要求磁头必须距统计介质面很近。纵向磁化统计磁化方向与统计介质运动方向平行统计方式。如硬盘、软盘、磁带等。提升其存放密度方式主要是提升矫顽力和采取薄存放膜层。磁存储和半导体存储第6页高密度磁性存放磁头材料磁统计两种统计剩磁状态

3、（Mr）是由正、负脉冲电流经过磁头反向磁化介质来完成。在读出统计信号时，磁头是磁统计一个磁能量转换器，即磁统计是经过磁头来实现电信号和磁信号之间相互转换。所以磁头同磁统计介质一样是磁统计中关键元件。磁存储和半导体存储第7页磁存储和半导体存储第8页磁头在磁统计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磁存储和半导体存储第9页磁阻、巨磁阻效应1971年有些人提出利用铁磁多晶体各向异性磁电阻效应制作磁统计信号读出磁头。1985年IBM企业实现了这一构想。今后，磁统计密度有了很大提升。磁阻磁头主要采取Ni（Co，Fe）系列铁磁合金材料，其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电阻率有较显著改

4、变。磁存储和半导体存储第10页上世纪80年代末法国巴黎大学Fert教讲课题组提出和发觉巨磁阻（GMR）效应可使NiFe系列磁阻效应高一个数量级以上，引发极大轰动，也为磁头技术带来了突飞猛进发展。该项结果也取得了诺贝尔物理奖。GMR效应主要基于电子自旋特征产生。磁存储和半导体存储第11页MpM电子两大量子特征电荷自旋NP+-ENP+-磁存储和半导体存储第12页巨磁电阻电阻网络模型(Mott二流体模型)两磁性层平行 两磁性层反平行 磁存储和半导体存储第13页1986发觉AF耦合GMR1988发觉GMR1991创造自旋阀1994,GMR统计磁头,100Gb/in2统计磁头1993第一个GMR MRA

5、M，1Gb MRAM自旋阀经典结构磁存储和半导体存储第14页二、光信息存放材料与磁存放技术相比，光盘存放有以下优势：非接触式读/写，光头与光盘间有12mm距离，所以光盘能够自由更换； 信息载噪比高，而且经屡次读写不降低； 信息位价格低； 抗磁干扰。缺点： 光盘驱动器较贵，数据传输率较低，存放密度较低。磁存储和半导体存储第15页 在未来内，磁存放和光盘存放仍为高密度信息外存放主要伎俩。今后高性能硬盘主要为计算机联机在线存放，以计算机专业用为主。高性能光盘为脱机可卸式海量存放和信息分配存放，以消费用为主。 提升存放密度和数据传输率一直是光盘存放技术主要发展目标。同时，多功效（可擦重写）也是光盘存放

6、技术发展方向，也由此才能与日益发展磁盘存放技术竞争。磁存储和半导体存储第16页磁存储和半导体存储第17页光盘工作性能扩展取决于存放介质进展。CD-ROM光盘信息数据:预刻于光盘母盘上（形成凹坑） 然后制成金属压膜 再把凹坑复制于聚碳酸酯光盘基片上 靠凹坑与周围介质反射率不一样读出信号。因为其价格廉价，制作方便，已大量使用。光盘统计点尺寸决定于聚焦光束衍射极限。缩短统计激光波长是缩小统计点间距，提升存放密度关键。PS: 采取GaN半导体激光器（统计波长0.400.45m），可将光盘存放容量提升到10GB以上，称为超高密度光盘存放技术。磁存储和半导体存储第18页可擦重写光盘存放技术可擦重写光盘存放

7、介质能够在激光辐射下起可逆物理或化学改变。当前发展主要有两类: 即磁光型和相变型。前者靠光热效应使统计下来磁畴方向发生可逆改变，不一样方向磁畴使探测光偏振面产生旋转（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，因晶态与非晶态反射率不一样而作为探测信号。磁存储和半导体存储第19页磁光材料含有显著磁光效应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，偏振面发生旋转现象。由反射引发偏振面旋转称为克尔效应；由透射引发偏振面旋转称为法拉第效应。磁存储和半导体存储第20页磁光存放写入方式利用热磁效应改变微小区域磁化矢量取向

8、。当经光学物镜聚焦激光束瞬时作用于该薄膜一点时，此点温度急剧上升，超出薄膜居里温度后，自发磁化强度消失。激光终止后温度下降，低于居里温度后，磁矩逐步长大，磁化方向将和施加外加偏置场方向一致。因为该偏置场低于薄膜矫顽力，所以偏场不会改变其它统计位磁化矢量方向。磁光存放即有光存放大容量及可自由插换特点，又有磁存放可擦写和存取速度快优点。磁存储和半导体存储第21页它们熔点较低并能快速实现晶态和非晶态可逆转变。两种状态对光有不一样发射率和透射率。但这种光存放介质屡次读写后信噪比会下降。相变型光存放介质Te（碲）半导体合金非Te基半导体合金磁存储和半导体存储第22页三、半导体存放技术当前半导体存放器市场

9、，以挥发性动态随机存放器（DRAM)和静态随机存放器 (SRAM)及非挥发性“闪存”存放器Flash为代表。其中Flash含有非易失性、高速、高集成度和电可擦除等优点。当前NAND型Flash已发展到32 nm/64 Gbit量产水水平。Flash存放器己发展成为当前工艺线宽最小、单片集成密度最高、应用最广泛集成电路产品。磁存储和半导体存储第23页Flash存放器经过对器件栅极、源极、漏极和衬底加适当电压激励，使得器件沟道中电子被电场拉到浮栅(floating gate)中电子将造成器件阀值电压状态用来存放数据“0”和 数据“1”。磁存储和半导体存储第24页传统Flash存放器隧穿氧化层厚度减

10、薄不能与技术代发展保持同时，同时单元尺寸缩小还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题传统Flash存放器将面临着许多缺点和难题写入电压较高、读写速度较慢(s量级)和功耗较大，因而需要特殊电压提升结构从而加大了电路设计难度。技术界普遍预测，NOR（高速）型Flash将止步于45 nm技术节点，而NAND（大容量）型Flash也将在32 nm技术节点处到达极限尺寸。磁存储和半导体存储第25页铁电存放器(FRAM: Ferroelectric Random Access Memory)磁随机存放器(MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory)相变存放器(PCM

11、: Phase Change Memory) 阻变存放器(RRAM: Resistive Random Access Memory) 磁存储和半导体存储第26页 FRAM存放原理是利用铁电晶体材料(如PZT, SBT, BLT等)自发极化和在外界电场作用下改变极化方向特征来进行数据存放。磁存储和半导体存储第27页 MRAM主要是利用磁致电阻效应来实现高低两种电阻状态转换而到达二值存放目标。MRAM数据是以磁性状态(而不是电荷)存放，而且读取数据是利用测量电阻来感知，不会干扰磁性状态，所以与现有Flash, SRAM, DRAM相比，MRAM含有存取速度快、存取次数多、功耗低以及非挥发性等优点，

12、含有广泛应用领域。不过，MRAM磁性材料薄膜制备工艺比较复杂，在大面积制备过程中薄膜厚度轻易出现波动，从而影响器件均匀性和可靠性，与传统CMOS工艺兼容性还需要深入优化。磁存储和半导体存储第28页 PRAM全称为“Phase Random Access Memory，通常也被称为PCM, PCRAM或OUM(Ovonics Unified memory)等。它主要是利用硫化物(Chalcogenide)和硫化合金等材料相变特征来实现储存。PRAM器件含有非常简单金属一绝缘体一金属(M-I-M)结构，经过在电极两端施加不一样高度和宽度电脉冲就能够使得相变薄膜材料在晶相和非晶相之间进行转换，使得相

13、变薄膜材料电阻阻值在高、低阻态之间进行转换，从而实现数据储存。磁存储和半导体存储第29页 PRAM含有高速、高密度、较高存放窗口和多值存放潜力等优点，但PRAM存在一个致命缺点，擦除(RESET)过程需要较大电流(100A)，大电流需要大尺寸晶体管驱动，造成存放密度降低，同时增加了芯片功耗，这己成为妨碍其商用化最关键问题。磁存储和半导体存储第30页 RRAM全称为“Resistive Random Access Memory，它主要是利用一些薄膜材料在电激励作用下会出现不一样电阻状态(高、低阻态)转变现象来进行数据存放，这和PRAM有相同地方。RRAM基本结构为金属一绝缘体一金属(M-I-M)

14、或金属一绝缘体二分之一导体(M-I-S)结构，其中上面金属薄膜作为上电极，中间绝缘层作为阻变功效层，下面金属或导电半导体衬底用作下电极。含有阻变现象材料非常丰富，尤其是一些与CMOS工艺兼容二元氧化物也被报道含有很好阻变存放特征，使得RRAM存放技术受到广大半导体企业青睐。 磁存储和半导体存储第31页与其它新型非挥发存放器相比，RRAM含有简单器件结构、优异可缩小性、较快操作速度和相对较小功耗，所以成为下一代非挥发存放器有力竞争者之一。磁存储和半导体存储第32页 MRAM不但含有SRAM存取速度快、工作电压低，DRAM重复擦写次数多优点，而且具备FLASH非易失性，而且因为其抗电磁干扰、抗辐射

15、、大容量存放等优势，在计算领域和军事信息领域含有重大应用价值。四、MRAM材料及技术磁存储和半导体存储第33页当前DRAM、SRAM和Flash都是基于半导体技术开发。静态随机存放器（SRAM）利用双稳态触发器作存放元件，所以速度快，但相对于DRAM集成度低。DRAM相对于SRAM来说集成度高，但因为用电容作存放元件，放电时间长，限制了DRAM速度。Flash控制原理是电压控制栅晶体管电压高低值（高低电位），栅晶体管结电容可长时间保留电压值， 因而能断电后保留数据。但其单元工作电压较大，存放密度提升不易。且写入时间较长。 磁存储和半导体存储第34页即使大多数教授相信，即使工艺节点缩小到20nm

16、，硅技术仍将保持其领先地位，不过在20nm以下，将出现大量由基础以及特殊应用引发障碍，从而阻挠工艺节点深入缩小。 伴随大家对“很快未来，DRAM和闪存器件在体积上将不会有所改变”疑虑不停增加，人们开始关注下一代(或称通用存放)技术 。毫无疑问，下一代存放器市场竞争一定会十分激烈，而当前也极难判定哪种技术将在潜能巨大通用存放器业务中胜出。 磁存储和半导体存储第35页基于巨磁电阻效应 （Giant Magnetoresistive，GMR）一个新型存放器磁性随机存放器(Magnetic Random Access Memory，MRAM) 受到各国研究者广泛关注，成为当前存放器研究领域热点。 快速

17、存取非易失性抗辐射抗干扰低功耗使用寿命长、成本低磁存储和半导体存储第36页磁存储和半导体存储第37页磁存储和半导体存储第38页当前MRAM读写机制主要有两种：1T1MTJ（one Transistor one MTJ)架构，即一个记忆单元连接一个MOS管；XPC (Cross-point cell)构架； MRAM关键技术其一是取得高磁阻改变比值磁性多层膜结构；其二是尽可能降低存放位元尺寸；其三是读写构架和方法合理实施。磁存储和半导体存储第39页结构较复杂，且存放单元小型化受MOS管限制，存放密度提升有限。磁存储和半导体存储第40页磁存储和半导体存储第41页XPC结构存放单元结构更简单，更有利

18、于存放密度提升。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，造成电流会伴随位线或字线路径增加而降低，甚至小到无法完成MTJ写入动作。磁存储和半导体存储第42页五、RRAM材料及技术忆阻器技术研究实际上已经有数十年历史。1971年，加州大学伯克利分校Leon Chua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）。这种电阻能够经过施加不一样方向、大小电压，改变其阻值。，惠普终于经过试验证实了忆阻器存在，并在年于“Nature”杂志发表论文得到世界认可。在证实忆阻器存在后，惠普还在不停推进这项技术进步，包含20实现忆阻器电路

19、堆叠，2010上六个月又证实忆阻器可实现逻辑电路，即能够在存放芯片中直接实施运算功效。 磁存储和半导体存储第43页因为RRAM属于非易失性存放设备，其最直接应用就是替换闪存，担当计算机以及各种消费电子设备中长久存放任务。甚至还可能成为通用性存放介质，取代DRAM甚至硬盘位置。 磁存储和半导体存储第44页磁存储和半导体存储第45页 有机材料：一些有机分子薄膜被发觉具电阻转变特征。经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)方法，还能够提升有机薄膜阻变器件存放特征。因为有机材料组成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，所以极难应用于主流非

20、挥发性存放领域。考虑到有机材料含有优点:如柔性、制备简单、低成本和大面积制造等，有机材料组成RRAM器件可能会在柔性电子领域、低成本一次写入可读出存放领域上取得成功。RRAM材料体系：磁存储和半导体存储第46页 多元金属氧化物： 当前被报道含有电阻转变效应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。夏普企业在购置休斯顿大学专利后，在IEDM会议上报道了基于PCMO薄膜64 bitRRAM测试芯片，并将器件高、低阻态比值提升到了104倍。国内科研院所，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

21、学等单位在四元金属氧化物RRAM上也开展了大量工作。 PS：尽管多元金属氧化物材料组成RRAM器件也表现出了很好存放特征，不过考虑到多元金属氧化物材料制备工艺比较复杂、成份百分比难以控制并与当前CMOS工艺不兼容，所以这类材料在RRAM存放领域应用前景并不明朗。磁存储和半导体存储第47页 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等也被发觉含有电阻转变效应。影响二元氧化物阻变特征除了与材料本身相关以外，还和所使用电极材料，材料制备工艺和材料掺杂元素等原因有很大关系。尽管各企业都有自己关注二元金属氧化物，不过详细哪种二元金属氧化物更含有优势到当前都还没有统一定论，这也给中国半导体企业和科研单位提供了取得含有自主知识产权RRAM器件机遇。磁存储和半导体存储第48页RRAM阻变机制：从材料中发生阻变现象区域进行划分，能够将当前所提出阻变机制分为整体效应和局域效应两大类。整体效应：是指发生阻变区域在材料体内是均匀，产生原因可能是电极与阻变材料界面势垒改变或者是材料体内缺点对电荷捕捉和释放过程引发，这类RRAM器件高、低阻态电阻都与器件面积有着紧密关系。局域效应：是指材料体内部分区域发生阻变现象，产