1、信息材料基礎(chǔ)信息存儲材料廖宇龍2017.09,主要內(nèi)容：一、磁性存儲材料二、光信息存儲材料三、半導(dǎo)體存儲技術(shù)四、MRAM存儲材料及技術(shù)五、RRAM存儲材料及技術(shù),一、磁性存儲材料,在信息時代，大容量存儲技術(shù)在信息處理、傳遞和探測保存中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，磁性存儲取得了巨大的進步，目前的磁記錄密度已進入每平方英寸超過100G位數(shù)的量級。為了提高磁記錄的密度，主要途徑是增大介質(zhì)的Hc/Br并降低介質(zhì)的厚度。但記錄后的輸出信號正比于Br，因此提高介質(zhì)矯頑力是關(guān)鍵。,磁記錄材料先后經(jīng)歷了氧化物磁粉（-Fe2O3）、金屬合金磁粉（FeCoNi等合金磁粉）和金屬薄膜三個階段。矯頑力和

2、剩磁都得到了很大的提升。金屬薄膜是高記錄密度的理想介質(zhì)。,薄膜介質(zhì)是連續(xù)性介質(zhì),高的矯頑力,高的飽和磁化強度,垂直磁記錄磁化方向和記錄介質(zhì)的平面相垂直的記錄方式。它可徹底消除縱向磁記錄方式隨記錄單元縮小所產(chǎn)生的退磁場增大的效應(yīng)，因而更有利于記錄密度的提高。同時對薄膜厚度和矯頑力的要求可更寬松。但其對信號的讀出效率較差，要求磁頭必須距記錄介質(zhì)面很近。,縱向磁化記錄磁化方向與記錄介質(zhì)的運動方向平行的記錄方式。如硬盤、軟盤、磁帶等。提高其存儲密度的方式主要是提高矯頑力和采用薄的存儲膜層。,高密度磁性存儲磁頭材料,磁記錄的兩種記錄剩磁狀態(tài)（Mr）是由正、負脈沖電流通過磁頭反向磁化介質(zhì)來完成的。在讀出記

3、錄信號時，磁頭是磁記錄的一種磁能量轉(zhuǎn)換器，即磁記錄是通過磁頭來實現(xiàn)電信號和磁信號之間的相互轉(zhuǎn)換。因此磁頭同磁記錄介質(zhì)一樣是磁記錄中的關(guān)鍵元件。,磁頭在磁記錄過程中經(jīng)歷了幾個階段：體形磁頭薄膜磁頭磁阻磁頭巨磁阻磁頭,磁阻、巨磁阻效應(yīng),1971年有人提出利用鐵磁多晶體的各向異性磁電阻效應(yīng)制作磁記錄的信號讀出磁頭。1985年IBM公司實現(xiàn)了這一設(shè)想。此后，磁記錄密度有了很大的提高。磁阻磁頭主要采用Ni（Co，F(xiàn)e）系列的鐵磁合金材料，其主要特點當(dāng)電流與磁場平行和垂直時其電阻率有較明顯的變化。,上世紀(jì)80年代末法國巴黎大學(xué)Fert教授課題組提出和發(fā)現(xiàn)的巨磁阻（GMR）效應(yīng)可使NiFe系列磁阻效應(yīng)高一個

4、數(shù)量級以上，引起極大轟動，也為磁頭技術(shù)帶來了突飛猛進的發(fā)展。該項成果也獲得了2007年諾貝爾物理獎。GMR效應(yīng)主要基于電子自旋特性產(chǎn)生。,電子的兩大量子特性,電荷,自旋,巨磁電阻電阻網(wǎng)絡(luò)模型(Mott二流體模型),1986發(fā)現(xiàn)AF耦合,GMR,1988發(fā)現(xiàn)GMR,1991發(fā)明自旋閥,1994,GMR記錄磁頭,2005,100Gb/in2記錄磁頭,1993第一個GMRMRAM,2005，1GbMRAM,自旋閥典型結(jié)構(gòu),二、光信息存儲材料,與磁存儲技術(shù)相比，光盤存儲有以下優(yōu)勢：非接觸式讀/寫，光頭與光盤間有12mm距離，因此光盤可以自由更換；信息載噪比高，而且經(jīng)多次讀寫不降低；信息位的價格低；抗磁

5、干擾。缺點：光盤驅(qū)動器較貴，數(shù)據(jù)傳輸率較低，存儲密度較低。,在未來10年內(nèi)，磁存儲和光盤存儲仍為高密度信息外存儲的主要手段。今后高性能的硬盤主要為計算機聯(lián)機在線存儲，以計算機專業(yè)用為主。高性能光盤為脫機可卸式海量存儲和信息分配存儲，以消費用為主。提高存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸率一直是光盤存儲技術(shù)的主要發(fā)展目標(biāo)。同時，多功能（可擦重寫）也是光盤存儲技術(shù)的發(fā)展方向，也由此才能與日益發(fā)展的磁盤存儲技術(shù)競爭。,光盤工作性能的擴展取決于存儲介質(zhì)的進展。CD-ROM光盤的信息數(shù)據(jù):預(yù)刻于光盤母盤上的（形成凹坑）然后制成金屬壓膜再把凹坑復(fù)制于聚碳酸酯的光盤基片上靠凹坑與周圍介質(zhì)反射率的不同讀出信號。由于其價格便宜，

6、制作方便，已大量使用。光盤記錄點的尺寸決定于聚焦光束的衍射極限?？s短記錄激光波長是縮小記錄點間距，提高存儲密度的關(guān)鍵。PS:采用GaN半導(dǎo)體激光器（記錄波長0.400.45m），可將光盤的存儲容量提高到10GB以上，稱為超高密度光盤存儲技術(shù)。,可擦重寫光盤存儲技術(shù),可擦重寫光盤的存儲介質(zhì)能夠在激光輻射下起可逆的物理或化學(xué)變化。目前發(fā)展的主要有兩類:即磁光型和相變型。,前者靠光熱效應(yīng)使記錄下來的磁疇方向發(fā)生可逆變化，不同方向的磁疇使探測光的偏振面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（即克爾角）作讀出信號；,后者靠光熱效應(yīng)在晶態(tài)與非晶態(tài)之間產(chǎn)生可逆相變，因晶態(tài)與非晶態(tài)的反射率不同而作為探測信號。,磁光材料具有顯著磁光效應(yīng)的磁

7、性材料稱為磁光材料。主要為石榴石型鐵氧體薄膜。磁光效應(yīng)偏振光被磁性介質(zhì)反射或透射后，其偏振狀態(tài)發(fā)生改變，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。由反射引起的偏振面旋轉(zhuǎn)稱為克爾效應(yīng)；由透射引起的偏振面旋轉(zhuǎn)稱為法拉第效應(yīng)。,磁光存儲的寫入方式利用熱磁效應(yīng)改變微小區(qū)域的磁化矢量取向。當(dāng)經(jīng)光學(xué)物鏡聚焦的激光束瞬時作用于該薄膜的一點時，此點溫度急劇上升，超過薄膜的居里溫度后，自發(fā)磁化強度消失。激光終止后溫度下降，低于居里溫度后，磁矩逐漸長大，磁化方向?qū)⒑褪┘拥耐饧悠脠龇较蛞恢?。因為該偏置場低于薄膜的矯頑力，因此偏場不會改變其它記錄位的磁化矢量方向。磁光存儲即有光存儲的大容量及可自由插換的特點，又有磁存儲可擦寫和存取速度

8、快的優(yōu)點。,它們的熔點較低并能快速實現(xiàn)晶態(tài)和非晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變。兩種狀態(tài)對光有不同的發(fā)射率和透射率。但這種光存儲介質(zhì)多次讀寫后信噪比會下降。,相變型光存儲介質(zhì),Te（碲）半導(dǎo)體合金非Te基的半導(dǎo)體合金,三、半導(dǎo)體存儲技術(shù),目前的半導(dǎo)體存儲器市場，以揮發(fā)性的動態(tài)隨機存儲器（DRAM)和靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)及非揮發(fā)性的“閃存”存儲器Flash為代表。其中Flash具有非易失性、高速、高集成度和電可擦除等優(yōu)點。目前NAND型Flash已發(fā)展到32nm/64Gbit量產(chǎn)的水的水平。Flash存儲器己發(fā)展成為當(dāng)前工藝線寬最小、單片集成密度最高、應(yīng)用最廣泛的集成電路產(chǎn)品。,Flash存儲器通過對器件的

9、柵極、源極、漏極和襯底加適當(dāng)?shù)碾妷杭?，使得器件溝道中的電子被電場拉到浮?floatinggate)中的電子將導(dǎo)致器件閥值電壓的狀態(tài)用來存儲數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”。,傳統(tǒng)Flash存儲器的隧穿氧化層厚度的減薄不能與技術(shù)代發(fā)展保持同步，同時單元尺寸的縮小還會帶來工藝漲落和隨機漲落增加等難題,傳統(tǒng)Flash存儲器將面臨著許多缺陷和難題,寫入電壓較高、讀寫速度較慢(s量級)和功耗較大，因而需要特殊的電壓提升結(jié)構(gòu)從而加大了電路設(shè)計的難度。,技術(shù)界普遍預(yù)測，NOR（高速）型Flash將止步于45nm技術(shù)節(jié)點，而NAND（大容量）型Flash也將在32nm的技術(shù)節(jié)點處達到極限尺寸。,鐵電存儲器(FRAM

10、:FerroelectricRandomAccessMemory)磁隨機存儲器(MRAM:MagnetoresistiveRandomAccessMemory)相變存儲器(PCM:PhaseChangeMemory)阻變存儲器(RRAM:ResistiveRandomAccessMemory),FRAM的存儲原理是利用鐵電晶體材料(如PZT,SBT,BLT等)的自發(fā)極化和在外界電場的作用下改變極化方向的特性來進行數(shù)據(jù)存儲。,MRAM主要是利用磁致電阻效應(yīng)來實現(xiàn)高低兩種電阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)換而達到二值存儲的目的。MRAM的數(shù)據(jù)是以磁性狀態(tài)(而不是電荷)存儲，并且讀取數(shù)據(jù)是利用測量電阻來感知，不會干擾磁性

11、狀態(tài)，因此與現(xiàn)有的Flash,SRAM,DRAM相比，MRAM具有存取速度快、存取次數(shù)多、功耗低以及非揮發(fā)性等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但是，MRAM磁性材料薄膜的制備工藝比較復(fù)雜，在大面積制備過程中薄膜的厚度容易出現(xiàn)波動，從而影響器件的均勻性和可靠性，與傳統(tǒng)CMOS工藝的兼容性還需要進一步優(yōu)化。,PRAM全稱為“PhaseRandomAccessMemory，通常也被稱為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變特性來實現(xiàn)儲存的。PRAM器件具有非常簡單的金屬一絕緣體一金屬(M-I-M)結(jié)構(gòu)，

12、通過在電極兩端施加不同高度和寬度的電脈沖就可以使得相變薄膜材料在晶相和非晶相之間進行轉(zhuǎn)換，使得相變薄膜材料的電阻阻值在高、低阻態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存。,PRAM具有高速、高密度、較高的存儲窗口和多值存儲潛力等優(yōu)點，但PRAM存在一個致命的缺陷，擦除(RESET)過程需要較大的電流(100A)，大電流需要大尺寸的晶體管驅(qū)動，造成存儲密度的降低，同時增加了芯片的功耗，這己成為阻礙其商用化最關(guān)鍵的問題。,RRAM全稱為“ResistiveRandomAccessMemory，它主要是利用某些薄膜材料在電激勵的作用下會出現(xiàn)不同電阻狀態(tài)(高、低阻態(tài))的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象來進行數(shù)據(jù)的存儲，這和PRAM有

13、相似的地方。RRAM的基本結(jié)構(gòu)為金屬一絕緣體一金屬(M-I-M)或金屬一絕緣體一半導(dǎo)體(M-I-S)結(jié)構(gòu)，其中上面的金屬薄膜作為上電極，中間的絕緣層作為阻變功能層，下面金屬或?qū)щ姷陌雽?dǎo)體襯底用作下電極。具有阻變現(xiàn)象的材料非常豐富，特別是一些與CMOS工藝兼容的二元氧化物也被報道具有較好的阻變存儲特性，使得RRAM存儲技術(shù)受到廣大半導(dǎo)體公司的青睞。,與其它新型非揮發(fā)存儲器相比，RRAM具有簡單的器件結(jié)構(gòu)、優(yōu)秀的可縮小性、較快的操作速度和相對較小的功耗，因此成為下一代非揮發(fā)存儲器的有力競爭者之一。,MRAM不僅具有SRAM存取速度快、工作電壓低，DRAM重復(fù)擦寫次數(shù)多的優(yōu)點，而且具備FLASH的非

14、易失性，并且由于其抗電磁干擾、抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，在計算領(lǐng)域和軍事信息領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。,四、MRAM材料及技術(shù),目前DRAM、SRAM和Flash都是基于半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)。靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作存儲元件，因此速度快，但相對于DRAM集成度低。DRAM相對于SRAM來說集成度高，但因為用電容作存儲元件，放電時間長，限制了DRAM的速度。Flash控制原理是電壓控制柵晶體管的電壓高低值（高低電位），柵晶體管的結(jié)電容可長時間保存電壓值，因而能斷電后保存數(shù)據(jù)。但其單元工作電壓較大，存儲密度提高不易。且寫入時間較長。,雖然大多數(shù)專家相信，即使工藝節(jié)點縮小到20nm，硅技

15、術(shù)仍將保持其領(lǐng)先地位，但是在20nm以下，將出現(xiàn)大量由基礎(chǔ)以及特殊應(yīng)用引發(fā)的障礙，從而阻撓工藝節(jié)點的進一步縮小。隨著大家對“不久的將來，DRAM和閃存器件在體積上將不會有所變化”的疑慮不斷增加，人們開始關(guān)注下一代(或稱通用存儲)技術(shù)。毫無疑問，下一代存儲器市場的競爭一定會十分激烈，而目前也很難判定哪種技術(shù)將在潛能巨大的通用存儲器業(yè)務(wù)中勝出。,基于巨磁電阻效應(yīng)（GiantMagnetoresistive，GMR）的一種新型存儲器磁性隨機存儲器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM),受到各國研究者的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前存儲器研究領(lǐng)域的熱點。,快速存取非易失性抗輻射抗干擾低

16、功耗使用壽命長、成本低,目前MRAM的讀寫機制主要有兩種：1T1MTJ（oneTransistoroneMTJ)架構(gòu)，即一個記憶單元連接一個MOS管；XPC(Cross-pointcell)構(gòu)架；,MRAM核心技術(shù),其一是獲得高磁阻變化比值的磁性多層膜結(jié)構(gòu)；,其二是盡量降低存儲位元的尺寸；,其三是讀寫的構(gòu)架和方法合理實施。,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且存儲單元的小型化受MOS管限制，存儲密度提高有限。,XPC結(jié)構(gòu)存儲單元結(jié)構(gòu)更簡單，更有利于存儲密度的提高。但XPC結(jié)構(gòu)中位線和字線都直接與MTJ連接。所以在寫入時電流會經(jīng)由MTJ流失，導(dǎo)致電流會隨著位線或字線路徑增長而降低，甚至小到無法完成MTJ的寫入動作。,

17、五、RRAM材料及技術(shù),憶阻器技術(shù)的研究實際上已有數(shù)十年的歷史。1971年，加州大學(xué)伯克利分校LeonChua教授預(yù)測，在電容、電阻和電感之外，還存在第四種基本元件：記憶電阻（Memristor）。這種電阻能夠通過施加不同方向、大小電壓，改變其阻值。2006年，惠普終于通過實驗證實了憶阻器的存在，并在2008年于“Nature”雜志發(fā)表論文得到世界認可。在證明憶阻器存在后，惠普還在不斷推動這項技術(shù)的進步，包括2009年實現(xiàn)憶阻器電路堆疊，2010上半年又證實憶阻器可實現(xiàn)邏輯電路，即可以在存儲芯片中直接實施運算功能。,由于RRAM屬于非易失性存儲設(shè)備，其最直接的應(yīng)用就是替代閃存，擔(dān)當(dāng)計算機以及各

18、種消費電子設(shè)備中的長期存儲任務(wù)。甚至還可能成為通用性存儲介質(zhì)，取代DRAM甚至硬盤的位置。,有機材料：一些有機分子薄膜被發(fā)現(xiàn)具電阻轉(zhuǎn)變特性。通過在有機薄膜或聚合物中加入金屬性納米材料(如Al,Au等納米晶)的方法，還可以提高有機薄膜阻變器件的存儲特性。由于有機材料構(gòu)成的器件存在熱穩(wěn)定性差、重復(fù)轉(zhuǎn)變次數(shù)低和有機材料與CMOS工藝難以兼容等缺點，因此很難應(yīng)用于主流的非揮發(fā)性存儲領(lǐng)域?？紤]到有機材料具有的優(yōu)點:如柔性、制備簡單、低成本和大面積制造等，有機材料構(gòu)成的RRAM器件可能會在柔性電子領(lǐng)域、低成本的一次寫入可讀出存儲領(lǐng)域上獲得成功。,RRAM材料體系：,多元金屬氧化物：目前被報道具有電阻轉(zhuǎn)變效

19、應(yīng)的多元金屬氧化物主要有PrxCa1-xMnO3,LaxCa1-xMnO3等四元金屬氧化物等SrTiO3,SrZrO3等三元金屬氧化物。夏普公司在購買休斯頓大學(xué)的專利后，在2002年的IEDM會議上報道了基于PCMO薄膜的64bit的RRAM的測試芯片，并將器件的高、低阻態(tài)的比值提高到了104倍。國內(nèi)的科研院所，如中國科學(xué)院上海硅酸巖研究所，中科院物理研究所和南京大學(xué)等單位在四元金屬氧化物的RRAM上也開展了大量的工作。PS：盡管多元金屬氧化物材料構(gòu)成的RRAM器件也表現(xiàn)出了較好的存儲特性，但是考慮到多元金屬氧化物材料的制備工藝比較復(fù)雜、成分比例難以控制并與當(dāng)前CMOS工藝不兼容，因此這類材料

20、在RRAM存儲領(lǐng)域的應(yīng)用前景并不明朗。,二元金屬氧化物：除了以上這些二元金屬氧化物材料以外，還有許多二元金屬氧化物材料如:TiOx,MnO,CrO3,A1203和CoO等也被發(fā)現(xiàn)具有電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)。影響二元氧化物的阻變特性除了與材料本身相關(guān)以外，還和所使用的電極材料，材料的制備工藝和材料的摻雜元素等因素有很大的關(guān)系。盡管各公司都有自己關(guān)注的二元金屬氧化物，但是具體哪種二元金屬氧化物更具有優(yōu)勢到目前都還沒有統(tǒng)一的定論，這也給中國的半導(dǎo)體公司和科研單位提供了獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的RRAM器件的機遇。,RRAM阻變機制：,從材料中發(fā)生阻變現(xiàn)象的區(qū)域進行劃分，可以將目前所提出的阻變機制分為整體效應(yīng)和局域效應(yīng)兩大類。整體效應(yīng)：是指發(fā)生阻變的區(qū)域在材料體內(nèi)是均勻的，產(chǎn)生的原因可能是電極與阻變材料界面勢壘的變化或者是材料體內(nèi)的缺陷對電荷的捕獲和釋放過程引起的，這類RRAM器件的高、低阻態(tài)電阻都與器件的面積有著緊密的關(guān)系。局域效應(yīng)：是指材料體內(nèi)部分區(qū)域發(fā)生阻變現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因是在材料體內(nèi)形成