磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器介紹

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等應(yīng)用的興起，存儲(chǔ)器也面臨著革新。傳統(tǒng)的DRAM受限于EUV的發(fā)展，平面NAND也面臨著微縮的限制，而最終采取垂直方向上朝著3D方向發(fā)展。在傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)接受挑戰(zhàn)的過(guò)程中，類(lèi)似于MRAM等新型存儲(chǔ)技術(shù)也開(kāi)始逐漸在市場(chǎng)上展露頭角。

據(jù)相關(guān)資料介紹，磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MRAM（Magnetic Random Access Memory） 是一種非易失性（Non-Volatile）的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。MRAM擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫(xiě)入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無(wú)限次地重復(fù)寫(xiě)入。

與傳統(tǒng)的RAM技術(shù)不同，MRAM不以電荷或電流存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是由磁性隧道結(jié)MTJ （Magnetic tunnel junction）磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。MTJ 是MRAM的基本存儲(chǔ)單元，其核心部分是由兩個(gè)鐵磁金屬層（典型厚度為1~2.5nm）夾著一個(gè)隧穿勢(shì)壘層（絕緣材料，典型厚度為1~1.5nm）構(gòu)成類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu)的納米多層膜。其中一個(gè)鐵磁層被稱(chēng)為參考層或固定層，它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。另一個(gè)鐵磁層被稱(chēng)為自由層，它的磁化有兩個(gè)穩(wěn)定的取向，分別與參考層平行或反平行。

（ 不同MTJ類(lèi)型）

MRAM中記憶單元MTJ則是由多層的磁性、氧化物、金屬等薄膜所構(gòu)成。MTJ產(chǎn)生記憶單元所需磁矩的物理特性，則是由磁性薄膜與氧化層的界面效應(yīng)所決定，MTJ的元件表現(xiàn)深受薄膜質(zhì)量所影響。

對(duì)于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年，當(dāng)年，法國(guó)學(xué)者Julliere在低溫下成功觀測(cè)到隧穿磁阻效應(yīng)（自由層的取向?qū)⑹勾潘淼澜Y(jié)處于低阻態(tài)或高阻態(tài)，該現(xiàn)象被稱(chēng)為隧穿磁阻效應(yīng)），但在當(dāng)時(shí)并未引起較多的關(guān)注，此后的研究進(jìn)展也極其緩慢，原因是當(dāng)時(shí)的工藝水平難以制備出高質(zhì)量的納米薄膜。

而今，伴隨著人工智能的應(yīng)用，使得存儲(chǔ)技術(shù)需要更進(jìn)步一發(fā)展。在非易失性存儲(chǔ)器、邏輯電路和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下，存儲(chǔ)器得到了廣泛的研究，MRAM也是未來(lái)存儲(chǔ)發(fā)展的方向之一。而在這個(gè)過(guò)程中，高質(zhì)量薄膜的制備又重新被人們所重視。

在這當(dāng)中，氧化物半導(dǎo)體薄膜充當(dāng)了重要角色。為什么要摻雜氧化物？氧化物半導(dǎo)體材料的平衡組成因氧的壓力改變而改變，氧原子濃度決定其導(dǎo)電的類(lèi)型。由于金屬和氧之間的負(fù)電性差別較大，化學(xué)鍵離子性成分較強(qiáng)，破壞這樣一個(gè)離子鍵要比共價(jià)鍵容易，使它含有的點(diǎn)缺陷濃度較大，所以化學(xué)計(jì)量比偏離對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)影響也大。如化學(xué)計(jì)量比偏離缺氧時(shí)（或金屬過(guò)剩時(shí)），則此氧化物半導(dǎo)體材料即呈現(xiàn)n型，此時(shí)氧空位或間隙金屬離子形成施主能級(jí)而提供電子，屬于此類(lèi)半導(dǎo)體材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。

正離子n-p對(duì)在氧化物中的磁化機(jī)理可解釋為，兩個(gè)磁性摻雜劑可以在氧空位周?chē)€(wěn)定，并且被鐵磁耦合以形成局部磁極化子。 此外，電子摻雜起到雙重作用，即進(jìn)一步增強(qiáng)局部極化子的鐵磁穩(wěn)定性，并介導(dǎo)兩個(gè)極化子之間的非局域磁耦合。

以陽(yáng)離子負(fù)離子n-p（V-N）共摻雜ZnO薄膜為例，V4 +和V5 +共存是n型摻雜劑以取代Zn2 +，N3-作為p型摻雜劑代替O2-。這是在氧化物中固定的非常有效的方法。

如何制備和設(shè)計(jì)氧化物半導(dǎo)體薄膜：

1.每一個(gè)節(jié)都可作為一個(gè)存儲(chǔ)單元，可實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)，存儲(chǔ)密度大大提高；

2.利用多孔結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電絲局限在孔道內(nèi)， 減小導(dǎo)電絲形成的隨機(jī)性，提高器件穩(wěn)定性；

3.部分氧化得到 （NiOx/Pt）200 ，降低能耗 無(wú)Forming電壓，阻變電壓小）器件；

4.選用磁性Ni材料，阻變過(guò)程中可同時(shí)調(diào)節(jié)磁電阻和磁性變化，制備多功能器件。
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