國內首個80納米STT-MRAM制備成功
2017-06-05 17:06:47
一、SRAM、DRAM，以及Flash
存儲器是電子系統的重要組成部分。當前，絕大多數電子系統均采用寄存、主存加硬盤的存儲體系結構（如圖1（a）），與之相對應，靜態隨機存儲器（
SRAM）、動態隨機存儲器（DRAM）、閃存（Flash）或硬盤（HDD）成為實現這三種存儲體系的傳統存儲技術。然而，隨著信息和納米加工技術高速發展，基于傳統存儲體系構建的電子系統正面臨著巨大的挑戰。一方面新興的移動計算、云計算等和數據中心對數據一致性提出極高要求，傳統的緩存及主存一旦斷電，關鍵數據就會發生丟失。因此，數據必須不斷備份到閃存或硬盤上，該過程嚴重影響了訪存性能。另一方面大型數據中心的能耗不斷攀升，基于電池技術的物聯網及移動設備也因功耗及待機問題被人詬病。以上諸多挑戰需要新的器件、架構設計等技術加以解決。
圖1 傳統存儲體系結構（a），新型“萬能存儲器”存儲體系結構（b）
二、STT-MRAM：“萬能存儲器”
傳統存儲器的技術局限以及不斷縮小的制造尺寸所帶來的巨大挑戰促使科研人員開始尋找新一代存儲器件，它應具有接近靜態存儲器的納秒級讀寫速度，具有動態存儲器甚至閃存級別的集成密度和類似Flash的非易失性存儲特性。“萬能存儲器”概念作為新一代存儲器的要求被提出來（如圖1（b））。自旋轉移矩—磁隨機存儲器器件（Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory：STT-MRAM）就是一種接近“萬能存儲器”要求的極具應用潛力的下一代新型存儲器解決方案。
類比地球的公轉與自轉，微觀世界的電子同時具有圍繞原子核的“公轉”軌道運動（電荷屬性）、電子內稟運動（自旋屬性）。STT-MRAM就是一種可以同時操縱電子電荷屬性及自旋屬性的存儲器件。1988年，法國阿爾貝·費爾和德國彼得·格林貝格研究員通過操縱電子自旋屬性實現了基于電子自旋效應的磁盤讀頭，使磁盤容量在20年間從幾十兆比特（MB）暴增到幾太比特（TB）。他們因此獲得2007年的諾貝爾物理獎。
在讀操作方面，磁隨機存儲器一般基于隧穿磁阻效應，在鐵磁層1/絕緣層/鐵磁層2三層結構中，當兩層鐵磁層磁化方向相同時，器件呈現“低電阻狀態”，當兩層鐵磁層磁化方向相反時，器件呈現“高電阻狀態”，且兩個狀態可以相互轉化（如圖2）；在寫操作方面，基于自旋轉移矩效應，器件處于高阻態時，通自上而下的電流，反射的自旋多態電子會翻轉易翻轉層磁化方向，器件由低阻態變為高阻態；器件處于低阻態時，通自下而上的電流，隧穿的自旋多態電子會翻轉易翻轉層磁化方向，器件由高阻態變為低阻態。自旋轉移矩效應已被驗證可實現1納秒以下的寫操作。
圖2 TMR效應(a)、STT-MRAM單元原理圖（b）、低態寫高態（c）、高態寫低態（d）
STT-MRAM不僅接近“萬能存儲器”的性能，同時由于其數據以磁狀態存儲，具有天然的抗輻照、高可靠性以及幾乎無限次的讀寫次數，已被美日韓等國列為最具應用前景的下一代存儲器之一。美國Everspin、Honeywell公司已經推出了其MRAM存儲器芯片產品，并被大量用于高可靠性應用領域。美國IBM、Qualcomm，日本Toshiba都已開發出其大容量STT-MRAM測試芯片。韓國Samsung、SK Hynix均宣布具備了STT-MRAM的生產能力。美日韓等國很有可能在繼硬盤、DRAM及Flash等存儲芯片之后再次實現對我國100%的壟斷。考慮到STT-MRAM采用了大量的新材料、新結構、新工藝，加工制備難度極大，現階段其基本原理還不夠完善，發明專利分散在各研究機構、公司中，專利封鎖還未完全形成，正是國內發展該項技術的最好時機。
三、國內首個80納米STT-MRAM制備
近日，中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心趙超研究員與北京航空航天大學趙巍勝教授的聯合團隊經過3年的攻關，成功制備國內首個80納米自旋轉移矩—磁隨機存儲器器件（STT-MRAM）。
在北京市科委的大力支持下，中科院微電子所與北京航空航天大學的聯合研發團隊經過科研攻關，在STT-MRAM關鍵工藝技術研究上實現了重要突破，在國內率先采用與傳統CMOS工藝兼容的工藝方法和流程，成功制備出直徑為80納米的磁隧道結，器件性能良好，其中，器件核心參數包括隧穿磁阻效應達到92%，可實現純電流翻轉且電流密度達到國際領先水平。
