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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划田民波,磁性材料主要参考书1胡赓祥，蔡珣.材料科学基础.上海：上海交通大学出版社，XX2蔡珣，戎咏华.材料科学基础辅导与习题.上海：上海交通大学出版社，XX3包永千.金属学基础.北京：冶金工业出版社，19864徐恒钧.材料科学基础.北京：北京工业大学出版社，XX5巴瑞特CS.金属的结构.陶琨等译.北京：机械工业出版社，19876卢光熙，侯增寿.金属学教程.上海：上海科学技术出版社，19857张孝文.固体材料结构基础.北京：中国建筑工业出版社，19808田民波.磁性材料.北京：清华大学
2、出版社，XX9田民波.电子显示.北京：清华大学出版社，XX10田民波.电子封装工程.北京：清华大学出版社，XX11田民波，林金堵，祝大同.高密度封装基板.北京：清华出版社，XX12多孔固体结构与性能.刘培生译，田民波校.北京：清华出版社，XX13朱张校.工程材料.北京：清华大学出版社，XX14石德珂.材料科学基础.北京：机械工业出版社，XX15刘智恩.材料科学基础.西安：西北工业大学出版社，XX16王昆林.材料工程基础.北京：清华大学出版社，XX17托格里.化学冶金和材料科学习题集.毕学工等译.北京：冶金工业出版社：199918佐久間健人.材料学.海文堂出版株式会社，XX19幾原雄一.材料物理
3、結晶界面.日刊工業新聞社，199920佐久間健人，井野博満.材料科学概論.朝倉書店，XX21ShackelfordJF.IntroductiontoMaterialsScienceforEngineers.5thEd.,USA,Prentice-Hall,InCo.,XX22AskelandDR.TheScienceandEngineeringofMaterials.4thEd.PWSPublishingCo.,XX23HaasenP.PhysicalMetallurgy.2ndEd.,Cambridge:CambridgeUniversityPress,198624CahnRW,Haasen
4、P.PhysicalMetallurgy.4thEd.,ElsevierScienceBV,199625WilliamD,CallisterJ.MaterialsScienceandEngineering:AIntroduction.6thEd.,USA,JohnWiley&Sons,XX26VanVlackLH.ElementsofMaterialsScienceandEngineering.6thEd.,Addison-WesleyPublishingCo.,198927SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.NewYork,
5、McGraw-HillBookCo.,199228SmithWF.PrinciplesofMaterialsScienceandEngineering.McGraw-HillCo.,3rdEd,199629MangononPL.ThePrinciplesofMaterialsSelectionforEngineeringDesign.PrenticeHall,199930WilliamD.Callister.MaterialsScienceandEngineeringAnIntroduction.6thEd.,Wiley,XX31JohnE.Neely,ThomasJ.Bertone.Prac
6、ticalMetallurgyandMaterialsofIndustry.6thEd.,XX32SeropeKalpakjian,StevenR.Schmid.ManufacturingProcessesforEngineeringMaterials.4thEd.,PearsonEducation.XX第35卷第期微电子学Vol.35,No.优良的抗辐射非易失存储器SOI基的MRAM刘忠立中国科学院半导体所北京912信箱摘要：本文介绍巨磁阻效应的机理及同CMOS集成构成MRAM的工作原理，在指出MRAM同各种半导体存储器相比具有一系列优点的同时，给出优良的抗辐射非易失存储器SOI基MRAM的
7、构想。关键词：巨磁阻效应，磁隧道结，非易失存储器，磁随机存储器1巨磁阻效应的机理及隧道型巨磁阻巨磁阻效应众所周知，由磁场引起的材料电阻变化的现象称为磁阻(MR)效应。但是过去观察到的外磁场引起的材料磁阻变化通常不大，因而并没有得到很好的利用。1988年，Baibich等人发现由Fe、Cr交替沉积而形成的多层膜中磁阻变化达50。由于这个变化超过了多层膜中Fe层MR比的总和，故称这种现象为巨磁阻效应。图1Fe/Cr,Co/Cu多层膜电阻变化率同外磁场的联系曲线巨磁阻效应的简单机理二层铁磁金属贴近，当二种铁磁金属的磁化方向相同时，左面自旋向下的电子在穿过界面到达右面费米面附近能找到对应自旋的状态来接
8、纳它，结果整体结构的电阻较低；相反，当二种铁磁金属的磁化方向是反平行时，从左面向右面的金属输运的电子将会被反射回来，整个结构则呈现高阻状态，于是，在不同外磁场的条件下，便产生了巨磁阻效应。引言巨磁阻效应是上世纪80年代末期发现的最令人鼓舞的物理现象之一【1】，一旦发现便受到了世人的重视。利用巨磁阻效应可以开发出一系列崭新的磁电子学器件，其中最重要的磁电子学器件之一是利用巨磁阻效应构成非易失性的存储单元。这种存储单元不同于半导体存储单元依靠电荷存储，而是依靠正交的脉冲电流产生合成磁(来自:写论文网:田民波,磁性材料)场以改变磁材料的平行和反平行磁化状态达到写信息的目的，因而不仅具有非易失性特点，
9、而且抗辐射性能十分优良。由于存储单元可以做得很小，以及所具有的物理上的特性，当它同CMOS工艺结合起来构成磁随机存储器(MRAM)时，它还具有高集成度、高速、低功耗、高稳定性以及读写次数近于无限的优点，因而成为集成化的超大规模存储器的重要发展方向，特别是它的非易失性及优良的抗辐射性能，对战略武器及空间技术应用具有极大的吸引力。本文首先介绍巨磁阻效应的简单工作机理以及隧道型巨磁阻概念，接着介绍基于隧道型巨磁阻效应的存储单元，以及将它同CMOS集成的磁随机存储器的工作原理，给出设计的41MRAM的电路。在论述MRAM优点的基础上介绍一种优良的抗辐射非易失存储器SOI基MRAM的构想。最后给出国内外
10、相关领域的发展状况，并指出我国有望在该领域取得突破性进展。图2描述巨磁阻机理的图示收稿日期:XX-0-；定稿日期：XX-0-基金项目：隧道型巨磁阻在二种铁磁金属之间夹有数纳米的绝缘层构成三明治结构，这就形成了磁隧道结。当绝缘层为非铁磁材料时，隧道电子在穿过绝缘层后其自旋状态不改变。由于二层铁磁材料的自发磁化作用，右旋自旋和左旋自旋电子穿过隧道的几率不同，由此产生巨磁阻效应，它被称为隧道型巨磁阻效应。由于这种器件的膜层相对较厚，制作容易，并能与CMOS器件兼容集成，因而具有很大的实用意义。2MRAM的工作原理利用巨磁阻效应可以构成磁随机存储器。MRAM同半导体随机存储器不同，它不是依靠电荷的存储
11、来工作的，去掉电源其状态仍能保持，因而是非易失性的，即永久性的存储器。由于物理上的原因，MRAM具有天然的抗辐射能力，能在非常苛刻的辐射环境下工作。此外，隧道型MRAM同CMOS能集成在单片上构成高密度大规模非易失存储器，因而发展很快。下面将以隧道型MRAM为例说明MRAM的工作原理。MRAM存储单元结构图3示出MTJ和一个MOSFET集成在一起的MRAM存储单元结构【2】。MOSFET的一端和MTJ的底部电极相连，MTJ位于数字线上方并通过SiO2层和数字线隔离。MTJ中磁性材料的磁化由相互垂直的位线和数字线中的电流共同决定。磁化的过程中，一根线提供MTJ易磁化方向磁场，另一根线提供MTJ难
12、磁化方向的磁场，在二根交叉处就产生了一个磁场的峰值，这个峰值会超过MTJ自由磁性层的开关阈值，从而使MTJ自由磁化层磁化方向发生反转，在数据写入时，MOS管断开，位线和数字线同时有电流流过，通过垂直的位线和数字线在每一位上所产生的二个直交磁场进行数据写入；在读出时MOS管导通，电流从位线流入并通过MTJ和MOS管，电流脉冲的大小依赖MTJ电阻的高低，位中存储的数据由此而读出。图3由MTJ及MOSFET构成的MRAM存储单元MTJMRAM根据MTJ储单元的工作原理，我们提出了一种MTJMRAM的集成结构。图中每个存储单元包括一个MTJ一个MOSFET。在读操作时，RW1，CMOS传输门G2及G3
13、导通，G1及G4处于高阻态，读出单元的地址由行地址译码器和列地址译码器共同来提供。RW也作为列地址译码器的一个输入端，这样做的目的在于使列地址译码器在读取时检索每个存储单元的字线，在写入时检索每个存储单元的数字线。读取数据时，所有字线断开，被检索到的存储单元MOSFET导通，列地址译码器为相应列的存储单元提供一个高电压，从而使被读取的存储单元有电流流过，这个电流的大小由相应的MTJ二个磁极磁化方向的相对取向决定，即由存储的数据来决定。由电流流过的电路输出信号和参考单元的输出信号进行比较，最终就可以得出读出结果。图441位MTJMRAM电路3SOI基的MRAMMRAM的优点如前所述，MRAM存储
14、信息的保持是依靠磁层的磁矩方向，不是依靠电荷的存储，这种特性使MRAM具有非易失性以外，还具有极其优良的抗辐射性能。另外，如果将它同目前最常用的半导体存储器相比，它还具有高速、高密度、低功耗等特性。表1将MRAM同几种常见的存储器的重要性能进行了比较。表1MRAM同几种常用的存储器重要性能的比较良的存储器。作为非易失性存储器，Flash不仅写入速度慢、可读写持续时间短、功耗相对较高，更重要的是其抗辐射性能不良，难以用在苛刻的辐射环境下。Fe-RAM在写入速度及可读写持续时间方面不如MRAM，加之其制造工艺相对复杂，又不能像MRAM那样能将磁存储体置于MOS器件之上构成三维结构，从而减小整体存储
15、器的面积。因此可以说，MRAM是一种最有希望的非易失性存储器。SOI基MRAMMRAM目前主要采用二端器件构成存储阵列。除存储单元中需用MOS器件以外，还要用到CMOS外围电路。因此，MRAM的抗辐射性能最终还是同CMOS电路相关。尽管存储单元是抗辐射性能的重要因素，但抗辐射性能不良的CMOS势必会影响MRAM总体的抗辐射性能。如果将SOI-CMOS同MRAM存储单元结合起来，则可以既保留磁存储器件的一切优点，同时又弥补了体硅CMOS在抗辐射性能方面特别是在抗瞬态辐射及抗单粒子效应等方面存在的一系列缺点。由于SOI-CMOS技术已日趋成熟，因此利用这一概念来制作抗辐射性能优良的非易失性存储器SOI基MRAM是可行的也是必然的趋势。4SOI基MRAM的发展状况我所在XX年即提出了SOI基MRAM的概念，但因当时巨磁阻器件研究在国内尚无突破性进展，因此进展缓慢。然而SOI基MRA
