磁隧道結(jié)的垂直磁各向異性及界面磁電特性研究.pdf

1、自旋力矩轉(zhuǎn)移磁隨機存儲器(Spin-Torque-Transfer Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)具有高速、非易失性和存儲壽命長等特點，是一種高速讀寫、低功耗的新型存儲技術(shù)。隨著硬件對存儲器性能的要求越來越高，STT-MRAM在大容量和超低功耗存儲芯片的應(yīng)用依然面臨著挑戰(zhàn)。磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junctions, MTJs)是STT-MRAM的基本存儲單元，直接決定了

2、其存儲性能。進(jìn)一步提高存儲密度、降低磁隧道結(jié)的功耗和增強隧道磁阻效應(yīng)是磁隧道結(jié)器件研究亟待解決的難題。提高存儲密度需要減小器件尺寸的同時提高M(jìn)TJ磁性材料的熱穩(wěn)定性，即增強磁各向異性；降低功耗最有效的途徑之一是研究如何更有效地利用電場調(diào)控磁各向異性，實現(xiàn)電場輔助寫入；增強隧道磁阻變化率則需深入探究器件界面及材料對自旋輸運特性的影響。
　　隨著磁隧道結(jié)尺寸的縮小，無論磁各向異性還是各種磁電效應(yīng)（電場對磁各向異性的調(diào)控、隧道磁阻效應(yīng)等

3、）都愈發(fā)與膜層界面息息相關(guān)。于是，本文重點針對MgO隧穿層的MTJ膜層界面，從理論以及實驗方面研究了強垂直磁各向異性的MTJ材料及其界面特性，系統(tǒng)地分析了MTJ膜層界面處電場對磁各向異性的調(diào)控作用，研究了界面結(jié)構(gòu)對隧道磁阻效應(yīng)的影響。本文的研究內(nèi)容可概括為三個部分：
　?。?）在強垂直磁各向異性MTJ材料研究方面，重點針對FePt薄膜材料的界面結(jié)構(gòu)和磁特性進(jìn)行了研究。為滿足 CMOS工藝的需求，研究了快速退火工藝下 Ag/FePt

4、膜層結(jié)構(gòu)中FePt的有序化轉(zhuǎn)變，結(jié)果表明Ag層能促進(jìn)L10-FePt快速有序化并提高垂直矯頑場；提出了一種 CoFe/A1-FePt的新型強垂直磁各向異性膜層結(jié)構(gòu)，以兼顧MgO-MTJ器件對隧道磁阻變化率和退火工藝的要求，結(jié)合實驗和理論計算，證實了其垂直磁各向異性的起源于界面非對稱與應(yīng)力，并發(fā)現(xiàn)界面應(yīng)力可有效控制磁各向異性強弱。
　　（2）在電場輔助寫入方面，主要研究了 MgO磁隧道結(jié)界面結(jié)構(gòu)對電場調(diào)控磁各向異性的影響?；诘谝恍?/p>

5、原理計算，首先分析了理想、過氧和缺氧三種狀態(tài)下不同F(xiàn)e/MgO界面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，隨后對比了理想、過氧和缺氧三種界面態(tài)下電場對磁各向異性的調(diào)控作用，結(jié)果表明MgO界面氧化狀態(tài)對這種電致磁電效應(yīng)有極大的影響；為獲得更強的電場調(diào)控效應(yīng)，研究了電場對Fe/非磁金屬（Ta、Pt和Au）界面磁各向異性的調(diào)控，證實了電場同樣對金屬-金屬界面磁各向異性具有極強的調(diào)控作用，可主導(dǎo)磁隧道結(jié)中的磁電效應(yīng)；最后分析了磁隧道結(jié)膜層結(jié)構(gòu)中壓應(yīng)力對電場可控磁各向異性

6、的影響，結(jié)果表明膜層應(yīng)力也能決定電場調(diào)控磁各向異性的強弱。
　　（3）為研究器件界面結(jié)構(gòu)及材料對隧道磁阻效應(yīng)的影響，本文基于非平衡格林函數(shù)計算分析了 MgO-MTJ的自旋輸運性質(zhì)。結(jié)合器件自旋透射譜和界面局域態(tài)密度，重點研究了不同MgO界面氧化狀態(tài)及不同MgO/二元鐵磁合金界面的MgO-MTJ器件的自旋輸運性質(zhì)，結(jié)果表明磁隧道結(jié)界面結(jié)構(gòu)能極大地影響隧道磁阻效應(yīng)，合理調(diào)控MgO薄膜界面狀態(tài)和鐵磁合金界面結(jié)構(gòu)對提高隧道磁阻變化率至關(guān)重