磁阻随机存取存储器介绍_技术

伴随着物联网、人工智能等应用的兴起，存储器也面临着革新。传统的DRAM受限于EUV的发展，平面NAND也面临着微缩的限制，而最终采取垂直方向上朝着3D方向发展。在传统存储技术接受挑战的过程中，类似于MRAM等新型存储技术也开始逐渐在市场上展露头角。

据相关资料介绍，磁阻随机存取存储器MRAM（MagneTIc Random Access Memory）是一种非易失性（Non-VolaTIle）的磁性随机存储器。MRAM拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

与传统的RAM技术不同，MRAM不以电荷或电流存储数据，而是由磁性隧道结MTJ （MagneTIc tunnel juncTIon）磁性存储数据。MTJ 是MRAM的基本存储单元，其核心部分是由两个铁磁金属层（典型厚度为1~2.5nm）夹着一个隧穿势垒层（绝缘材料，典型厚度为1~1.5nm）构成类似于三明治结构的纳米多层膜。其中一个铁磁层被称为参考层或固定层，它的磁化沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层，它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行。

（不同MTJ类型）

MRAM中记忆单元MTJ则是由多层的磁性、氧化物、金属等薄膜所构成。MTJ产生记忆单元所需磁矩的物理特性，则是由磁性薄膜与氧化层的界面效应所决定，MTJ的元件表现深受薄膜质量所影响。

对于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年，当年，法国学者Julliere在低温下成功观测到隧穿磁阻效应（自由层的取向将使磁隧道结处于低阻态或高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应），但在当时并未引起较多的关注，此后的研究进展也极其缓慢，原因是当时的工艺水平难以制备出高质量的纳米薄膜。

而今，伴随着人工智能的应用，使得存储技术需要更进步一发展。在非易失性存储器、逻辑电路和神经形态计算等应用驱动下，存储器得到了广泛的研究，MRAM也是未来存储发展的方向之一。而在这个过程中，高质量薄膜的制备又重新被人们所重视。

在这当中，氧化物半导体薄膜充当了重要角色。为什么要掺杂氧化物？氧化物半导体材料的平衡组成因氧的压力改变而改变，氧原子浓度决定其导电的类型。由于金属和氧之间的负电性差别较大，化学键离子性成分较强，破坏这样一个离子键要比共价键容易，使它含有的点缺陷浓度较大，所以化学计量比偏离对材料的电学性质影响也大。如化学计量比偏离缺氧时（或金属过剩时），则此氧化物半导体材料即呈现n型，此时氧空位或间隙金属离子形成施主能级而提供电子，属于此类半导体材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。

正离子n-p对在氧化物中的磁化机理可解释为，两个磁性掺杂剂可以在氧空位周围稳定，并且被铁磁耦合以形成局部磁极化子。此外，电子掺杂起到双重作用，即进一步增强局部极化子的铁磁稳定性，并介导两个极化子之间的非局域磁耦合。