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国内首个80纳米STT-MRAM制备成功

本文摘要:一、SRAM、DRAM,以及Flash存储器是电子系统的最重要组成部分。当前,绝大多数电子系统皆使用存放、主存特硬盘的存储体系结构(如图1(a)),与之比较不应,静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)、存储器(Flash)或硬盘(HDD)沦为构建这三种存储体系的传统存储技术。然而,随着信息和纳米加工技术高速发展,基于传统存储体系建构的电子系统于是以面对着极大的挑战。

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一、SRAM、DRAM,以及Flash存储器是电子系统的最重要组成部分。当前,绝大多数电子系统皆使用存放、主存特硬盘的存储体系结构(如图1(a)),与之比较不应,静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)、存储器(Flash)或硬盘(HDD)沦为构建这三种存储体系的传统存储技术。然而,随着信息和纳米加工技术高速发展,基于传统存储体系建构的电子系统于是以面对着极大的挑战。一方面新兴的移动计算出来、云计算等和数据中心对数据一致性明确提出极高拒绝,传统的内存及主存一旦断电,关键数据就不会再次发生遗失。

因此,数据必需大大备份到存储器或硬盘上,该过程严重影响了访遗性能。另一方面大型数据中心的能耗大大上升,基于电池技术的物联网及移动设备也因功耗及待机问题被人诟病。

以上诸多挑战必须新的器件、架构设计等技术加以解决。图1传统存储体系结构(a),新型“万能存储器”存储体系结构(b)二、STT-MRAM:“万能存储器”传统存储器的技术局限以及大大增大的生产尺寸所带给的极大挑战促成科研人员开始找寻新一代存储器件,它不应具备相似静态存储器的纳秒级读取速度,具备动态存储器甚至存储器级别的构建密度和类似于Flash的非易失性存储特性。“万能存储器”概念作为新一代存储器的拒绝被明确提出来(如图1(b))。磁矩移往矩—磁随机存储器器件(SpinTransferTorque-MagneticRandomAccessMemory:STT-MRAM)就是一种相似“万能存储器”拒绝的极具应用于潜力的下一代新型存储器解决方案。

转换地球的马克斯·沃夫与角速度,微观世界的电子同时具备环绕原子核的“马克斯·沃夫”轨道运动(电荷属性)、电子内谨运动(磁矩属性)。STT-MRAM就是一种可以同时操控电子电荷属性及磁矩属性的存储器件。

1988年,法国阿尔贝·费尔和德国彼得·格林贝格研究员通过操控电子自旋属性构建了基于电子自旋效应的磁盘读头,使磁盘容量在20年间从几十兆比特(MB)激增到几太比特(TB)。他们因此取得2007年的诺贝尔物理奖。在读操作者方面,磁随机存储器一般基于隧穿着磁阻效应,在铁磁层1/绝缘层/铁磁层2三层结构中,当两层铁磁层磁化方向完全相同时,器件呈现出“较低电阻状态”,当两层铁磁层磁化方向忽略时,器件呈现出“低电阻状态”,且两个状态可以互相转化成(如图2);在写出操作者方面,基于磁矩移往矩效应,器件正处于低阻态时,合自上而下的电流,光线的磁矩多态电子不会旋转不易旋转层磁化方向,器件由较低阻态变成低阻态;器件正处于较低阻态时,合自下而上的电流,隧穿着的磁矩多态电子不会旋转不易旋转层磁化方向,器件由低阻态变成较低阻态。

磁矩移往矩效应已被检验可实现1纳秒以下的写出操作者。图2TMR效应(a)、STT-MRAM单元原理图(b)、低态写出高态(c)、高态写出低态(d)STT-MRAM不仅相似“万能存储器”的性能,同时由于其数据以磁状态存储,具备天然的抗电离辐射、高可靠性以及完全无限次的读取次数,已被美日韩等国列入最不具应用于前景的下一代存储器之一。美国Everspin、Honeywell公司早已发售了其MRAM存储器芯片产品,并被大量用作高可靠性应用领域。

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美国IBM、Qualcomm,日本Toshiba都已研发出有其大容量STT-MRAM测试芯片。韩国Samsung、SKHynix皆宣告不具备了STT-MRAM的生产能力。

美日韩等国很有可能在时隔硬盘、DRAM及Flash等存储芯片之后再度构建对我国100%的独占。考虑到STT-MRAM使用了大量的新材料、新的结构、新工艺,加工制取可玩性很大,现阶段其基本原理还过于完备,发明专利集中在各研究机构、公司中,专利封锁还并未几乎构成,正是国内发展该项技术的最差时机。三、国内首个80纳米STT-MRAM制取近日,中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心赵超研究员与北京航空航天大学赵巍胜教授的牵头团队经过3年的研制成功,顺利制取国内首个80纳米磁矩移往矩—磁随机存储器器件(STT-MRAM)。在北京市科委的大力支持下,中科院微电子所与北京航空航天大学的牵头研发团队经过科研研制成功,在STT-MRAM关键工艺技术研究上构建了最重要突破,在国内首度使用与传统CMOS工艺相容的工艺方法和流程,顺利制取出有直径为80纳米的磁隧道结,器件性能较好,其中,器件核心参数还包括隧穿着磁阻效应超过92%,可实现显电流旋转且电流密度超过国际领先水平。


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