磁阻隨機存取存儲器介紹

伴隨著物聯網、人工智能等應用的興起，存儲器也面臨著革新。傳統的DRAM受限于EUV的發展，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方向發展。在傳統存儲技術接受挑戰的過程中，類似于MRAM等新型存儲技術也開始逐漸在市場上展露頭角。

據相關資料介紹，磁阻隨機存取存儲器MRAM（Magnetic Random Access Memory） 是一種非易失性（Non-Volatile）的磁性隨機存儲器。MRAM擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。

與傳統的RAM技術不同，MRAM不以電荷或電流存儲數據，而是由磁性隧道結MTJ （Magnetic tunnel junction）磁性存儲數據。MTJ 是MRAM的基本存儲單元，其核心部分是由兩個鐵磁金屬層（典型厚度為1~2.5nm）夾著一個隧穿勢壘層（絕緣材料，典型厚度為1~1.5nm）構成類似于三明治結構的納米多層膜。其中一個鐵磁層被稱為參考層或固定層，它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。另一個鐵磁層被稱為自由層，它的磁化有兩個穩定的取向，分別與參考層平行或反平行。

（ 不同MTJ類型）

MRAM中記憶單元MTJ則是由多層的磁性、氧化物、金屬等薄膜所構成。MTJ產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所決定，MTJ的元件表現深受薄膜質量所影響。

對于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年，當年，法國學者Julliere在低溫下成功觀測到隧穿磁阻效應（自由層的取向將使磁隧道結處于低阻態或高阻態，該現象被稱為隧穿磁阻效應），但在當時并未引起較多的關注，此后的研究進展也極其緩慢，原因是當時的工藝水平難以制備出高質量的納米薄膜。

而今，伴隨著人工智能的應用，使得存儲技術需要更進步一發展。在非易失性存儲器、邏輯電路和神經形態計算等應用驅動下，存儲器得到了廣泛的研究，MRAM也是未來存儲發展的方向之一。而在這個過程中，高質量薄膜的制備又重新被人們所重視。

在這當中，氧化物半導體薄膜充當了重要角色。為什么要摻雜氧化物？氧化物半導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電的類型。由于金屬和氧之間的負電性差別較大，化學鍵離子性成分較強，破壞這樣一個離子鍵要比共價鍵容易，使它含有的點缺陷濃度較大，所以化學計量比偏離對材料的電學性質影響也大。如化學計量比偏離缺氧時（或金屬過剩時），則此氧化物半導體材料即呈現n型，此時氧空位或間隙金屬離子形成施主能級而提供電子，屬于此類半導體材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。

正離子n-p對在氧化物中的磁化機理可解釋為，兩個磁性摻雜劑可以在氧空位周圍穩定，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，即進一步增強局部極化子的鐵磁穩定性，并介導兩個極化子之間的非局域磁耦合。

以陽離子負離子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。

如何制備和設計氧化物半導體薄膜：

1.每一個節都可作為一個存儲單元，可實現多值存儲，存儲密度大大提高；

2.利用多孔結構將導電絲局限在孔道內， 減小導電絲形成的隨機性，提高器件穩定性；

3.部分氧化得到 （NiOx/Pt）200 ，降低能耗 無Forming電壓，阻變電壓?。┢骷?；

4.選用磁性Ni材料，阻變過程中可同時調節磁電阻和磁性變化，制備多功能器件。
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