PDF《D06.先进微电子与光电子材料》

D06.

先进微电子与光电子材料 分会主席:王曦、汪正平、杨德仁、赵超、林庆煌 D06-01 高速低功耗相变存储材料与应用(Keynote) 宋志棠 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 相变存储器(PCRAM)具有微缩性能好、可三维集成、擦写速度快、与新型 COMS 工艺相兼容等优点,正以变革计 算机框架的存储型内存(Storage Class Memory)角色进入主流存储器市场.中科院上海微系统与信息技术研究所已经研制 成功 128M 相变存储芯片,可以满足绝大多数嵌入式系统升级换代的需求.英特尔发明的 3D PCRAM 认为是 自1989 年NAND 问世以来,时隔

25 年取得新突破 ,其速度和寿命都是 NAND 的1000 倍,主要技术是:约20 纳米狭缝存储结构, 金属交叉电极以减小存储阵列阻值差异,高驱动电流、低漏导的 OTS 选通管,代表了国际新型存储技术的最高水平.而相 变材料可逆相变机理的阐明是发现新材料进一步实现其高速、低功耗、长寿命、高数据保持力存储器的关键.本文重点回顾 了相变存储器的发展历史及各国科学家对可逆相变机理的研究与认识过程 , 作者提出相变八面体原子基元与面心立方亚稳态 理论,要点是:

1、非晶态和晶态中的八面体原子基元(简称八面体)是可逆相变的基本单元,主流的相变材料是由单一或 两个套构八面体,共享 Te 形成面心立方体(FCC)结构,释放空位可转变为更稳定的六方体(HEX)结构;

2、晶格与电 子结构匹配的八面体是构建单项、稳定相变材料的物理本质,是实现高密度、长寿命存储的核心;

3、稳定八面体是实现快 速、有序成核,由非晶向多晶快速生长关键,从而实现存储性能的低功耗、高速;

4、抑制 FCC 向HEX 转变,可有效保存 可逆相变润滑剂(FCC 相中的空位),促进多晶向非晶的转变,从而实现高速、低功耗与高数据保持力,这一理论对于开 发自主新型相变材料具有重要的指导意义,将会极大地推动相变存储器研发与产业化的进程. D06-02 新型超高隧穿磁阻 STT-MRAM(Invited) 曹凯华,王梦醒,彭守仲,张博宇,周家琦,赵巍胜 费尔北京研究院,北京市大数据与脑机智能高精尖创新中心 北京航空航天大学 基于氧化镁-钴铁硼结构的垂直磁性隧道结(perpendicular magnetic tunnel junctions,p-MTJs)具有高热稳定性、低耗能 以及易于尺寸缩小等优势, 已成为自旋转移力矩磁性随机存取存储器 (spin-transfer torque magnetic random-access memories, STT-MRAM)最具研究价值的可选单元.我们已经深入研究并揭示出氧化镁/钴铁硼界面以及钴铁硼/重金属界面都能产生垂 直磁各向异性,因此基于氧化镁/钴铁硼/重金属的垂直磁性隧道结可以通过调整这两个界面来增强其垂直磁各向异性,便于 获得高性能垂直磁性隧道结.基于之前垂直磁各向异性来源研究,我们通过第一性原理研究了不同覆盖层金属在氧化镁/钴 铁硼/重金属结构的磁各向异性能(magnetic anisotropy energy,MAE)证明了选择合适的重金属将大大增强结构的垂直磁各 向异性.此外,我们通过时间分辨的磁光克尔效应及磁特性测试研究了不同覆盖层金属对铁磁金属磁特性的影响实验,实验 结果显示钴/重金属界面对结构界面磁各向异性及阻尼系数影响很大,尤其是当覆盖层金属为钨时,相比较与金属钽和钯, 磁性多层膜具有更小的阻尼系数.此外我们计算了金属 X/钴铁硼/氧化镁/钴铁硼/金属 X 结构的隧穿磁阻比率(tunnel magnetoresistance, TMR),具体方法为构建原子模型,通过第一性原理计算结构在不同自旋态的电导,从而得到磁阻比率, 其中金属 X 包含钨、钽及及铪,结果显示采用金属钨做缓冲及覆盖层的结构获得了最大的磁阻比率.高隧穿磁阻比及低阻 尼系数都是实现高性能磁性隧道结的关键,因此我们基于金属钨设计了垂直磁性隧道结全膜层结构(包括钽钌电极,钴铂多 层膜钉扎层及钨做隔离的双界面存储层等),该结构经过磁控溅射、410 °C 退火、图形化及互联工艺成为独立垂直磁性隧 道结器件, 测试结果显示器件具有高达