工业和信息化部主管 中国电子报社主办
收藏本站投稿

设备材料

国内首个80纳米STT-MRAM制备成功

一、SRAM、DRAM,以及Flash

存储器是电子系统的重要组成部分。当前,绝大多数电子系统均采用寄存、主存加硬盘的存储体系结构(如图1(a)),与之相对应,静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)、闪存(Flash)或硬盘(HDD)成为实现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,基于传统存储体系构建的电子系统正面临着巨大的挑战。一方面新兴的移动计算、云计算等和数据中心对数据一致性提出极高要求,传统的缓存及主存一旦断电,关键数据就会发生丢失。因此,数据必须不断备份到闪存或硬盘上,该过程严重影响了访存性能。另一方面大型数据中心的能耗不断攀升,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。以上诸多挑战需要新的器件、架构设计等技术加以解决。

二、STT-MRAM:“万能存储器”

传统存储器的技术局限以及不断缩小的制造尺寸所带来的巨大挑战促使科研人员开始寻找新一代存储器件,它应具有接近静态存储器的纳秒级读写速度,具有动态存储器甚至闪存级别的集成密度和类似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要求被提出来。自旋转移矩—磁随机存储器器件(Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory:STT-MRAM)就是一种接近“万能存储器”要求的极具应用潜力的下一代新型存储器解决方案。

类比地球的公转与自转,微观世界的电子同时具有围绕原子核的“公转”轨道运动(电荷属性)、电子内禀运动(自旋属性)。STT-MRAM就是一种可以同时操纵电子电荷属性及自旋属性的存储器件。1988年,法国阿尔贝·费尔和德国彼得·格林贝格研究员通过操纵电子自旋属性实现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)暴增到几太比特(TB)。他们因此获得2007年的诺贝尔物理奖。

在读操作方面,磁随机存储器一般基于隧穿磁阻效应,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相同时,器件呈现“低电阻状态”,当两层铁磁层磁化方向相反时,器件呈现“高电阻状态”,且两个状态可以相互转化(如图2);在写操作方面,基于自旋转移矩效应,器件处于高阻态时,通自上而下的电流,反射的自旋多态电子会翻转易翻转层磁化方向,器件由低阻态变为高阻态;器件处于低阻态时,通自下而上的电流,隧穿的自旋多态电子会翻转易翻转层磁化方向,器件由高阻态变为低阻态。自旋转移矩效应已被验证可实现1纳秒以下的写操作。

STT-MRAM不仅接近“万能存储器”的性能,同时由于其数据以磁状态存储,具有天然的抗辐照、高可靠性以及几乎无限次的读写次数,已被美日韩等国列为最具应用前景的下一代存储器之一。美国Everspin、Honeywell公司已经推出了其MRAM存储器芯片产品,并被大量用于高可靠性应用领域。美国IBM、Qualcomm,日本Toshiba都已开发出其大容量STT-MRAM测试芯片。韩国Samsung、SK Hynix均宣布具备了STT-MRAM的生产能力。美日韩等国很有可能在继硬盘、DRAM及Flash等存储芯片之后再次实现对我国100%%的垄断。考虑到STT-MRAM采用了大量的新材料、新结构、新工艺,加工制备难度极大,现阶段其基本原理还不够完善,发明专利分散在各研究机构、公司中,专利封锁还未完全形成,正是国内发展该项技术的最好时机。

三、国内首个80纳米STT-MRAM制备

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联合团队经过3年的攻关,成功制备国内首个80纳米自旋转移矩—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联合研发团队经过科研攻关,在STT-MRAM关键工艺技术研究上实现了重要突破,在国内率先采用与传统CMOS工艺兼容的工艺方法和流程,成功制备出直径为80纳米的磁隧道结,器件性能良好,其中,器件核心参数包括隧穿磁阻效应达到92%%,可实现纯电流翻转且电流密度达到国际领先水平。

责任编辑:赵晨


声明

1、本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2、本站的原创文章,请转载时务必注明文章作者和来源,不尊重原创的行为我们将追究责任;3、作者投稿可能会经我们编辑修改或补充;4、如本站的文章或图片存在版权,请拨打电话010-88558835进行联系,我们将第一时间处理。

相关链接

视频

专题

聚焦2021年全国两会

3月5日,第十三届全国人民代表大会第四次会议在北京人民大会堂开幕。党和国家领导人习近平、李克强、汪洋、王沪宁、赵乐际、韩正、王岐山等出席,栗战书主持大会。初春的北京,处处生机盎然。第十三届全国人民代表大会第四次会议5日上午在人民大会堂开幕。近3000名全国人大代表肩负人民重托出席大会,认真履行宪法和法律赋予的神圣职责。

2021年全国工业和信息化工作会议

12月28-29日,全国工业和信息化工作会议在京召开。会议以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神,认真落实习近平总书记重要指示批示精神和中央经济工作会议部署,总结2020年工业和信息化工作,分析形势,部署2021年重点工作。工业和信息化部党组书记、部长肖亚庆作工作报告。

2020年中国家电市场报告

3月22日,中国电子信息产业发展研究院发布了《2020年中国家电市场报告》(以下简称《报告》)。《报告》显示,2020年,我国家电市场零售额规模达到8333亿元,在疫情冲击之下显示出较强的韧性;电商渠道对家电零售的贡献率首次超过50%,网络零售对家电消费的促进作用进一步提升;高端产品、生活家电大幅增长,有效促进了消费升级和产业转型。

世界超高清视频(4K/8K)产业发展大会

会议

2020世界显示产业大会

11月20日,由工业和信息化部、安徽省人民政府共同主办的2020世界显示产业大会在合肥市举行。在开幕式上,工业和信息化部部长肖亚庆、韩国驻华大使张夏成发表视频致辞。安徽省委副书记、省长李国英,工业和信息化部副部长王志军出席开幕式并致辞。

2020世界超高清视频(4K/8K)产业发展大会

11月2日,由工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台、广东省人民政府共同主办的2020世界超高清视频(4K/8K)产业发展大会在广州市召开。广东省委书记李希出席开幕式,省长马兴瑞出席并致辞。国家广播电视总局局长聂辰席、工业和信息化部副部长王志军、中央广播电视总台副台长蒋希伟出席开幕式并致辞。

2020世界VR产业大会云峰会

10月19日—20日,由工业和信息化部、江西省人民政府主办的2020世界VR产业大会云峰会在南昌举行。在10月19日的开幕式上,中共中央政治局委员、国务院副总理刘鹤发来书面致辞。江西省委常委、南昌市委书记吴晓军,工业和信息化部副部长王志军,江西省委书记、省人大常委会主任刘奇先后致辞。开幕式由江西省委副书记、省长易炼红主持。

世界显示产业大会

本周排行