【摘 要】
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以重金属（Heavy Metal,HM）轨道材料的自旋轨道转矩（Spin-Orbit Torque,SOT）驱动磁化翻转的磁性随机存取存储器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）是后摩尔时代突破信息存储高密度、存取超高速、整机低功耗及便携式可扩展存储的首选。随着SOT-MRAM研发的深入,如何在具有优异SOT驱动能力的HM材料上生长高稳定性的垂直磁各向异性（Per
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以重金属（Heavy Metal,HM）轨道材料的自旋轨道转矩（Spin-Orbit Torque,SOT）驱动磁化翻转的磁性随机存取存储器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）是后摩尔时代突破信息存储高密度、存取超高速、整机低功耗及便携式可扩展存储的首选。随着SOT-MRAM研发的深入,如何在具有优异SOT驱动能力的HM材料上生长高稳定性的垂直磁各向异性（Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA）薄膜,推动其兼具高存储稳定性与低能耗SOT注入模式的协同发展,是新一代SOT-MRAM走向商业化应用的核心基础。因此,瞄准该科学问题,研究中首先开展了不同HM材料对不同PMA薄膜存储稳定性的影响研究,构建了针对不同PMA结构的HM材料选择机制;其次,以该机制为指导,进一步开展了Co Fe B成分对薄膜样品存储稳定性的影响研究,确立了PMA形成机制与HM材料选择的内在联系;最后,以高存储稳定性的薄膜结构为基础,开展了不同HM材料对PMA薄膜样品中SOT驱动垂直磁矩翻转性能的影响研究,获取了兼具高存储稳定性与强SOT驱动性能的薄膜结构,为SOT-MRAM的高稳定性及低功耗发展提供了可靠的材料及结构支持。本论文的研究内容主要有以下几个方面:1.为提高PMA薄膜稳定性,研究中首先选用PMA存储单元的Co20Fe60B20成分,开展了底部结构HM/Co20Fe60B20/MgO和顶部结构MgO/Co20Fe60B20/HM薄膜样品中不同HM材料Ta、W与Mo对退火稳定性的影响研究,发现无论采用何种HM材料,顶部结构均可在以Fe-O键杂化机制获得PMA性能的薄膜体系中承受更高的退火温度处理（高60°C以上）;而后,基于退火前后存储单元结构中元素化学状态的分析,确立了退火过程中氧迁移机制对底、顶结构的不同影响规律,为提升PMA薄膜与半导体工艺的兼容性奠定了基础。2.在PMA退火稳定性的研究基础上,进一步开展了底、顶结构薄膜样品中不同HM材料Ta、W与Mo对存储稳定性和工作稳定性的影响研究,在底部结构W样品、底部和顶部结构Mo样品中均实现了近1 nm宽的PMA厚度范围;而后,通过对不同样品元素扩散状态与化学状态的微观分析,发现HM的表面自由能、生成焓及还原性与薄膜样品的PMA性能之间存在强相关性,从而构建了以高生成焓、弱还原性的HM材料为基础,并结合其表面自由能高/低匹配底/顶结构SOT-MRAM的材料选择规范,为HM材料选择与存储单元高稳定性搭建了有效的桥梁;最后,以所选Co Fe B(Co40Fe40B20)成分的改变,进一步确认了HM材料选择规范的有效性。3.针对PMA形成的另一机制（Pt-Co键杂化）,重点研究了两种Co Fe B成分(Co20Fe60B20及Co40Fe40B20)的底、顶结构Pt/Co Fe B/MgO和MgO/Co Fe B/Pt薄膜样品中的PMA性能,并基于样品的元素扩散及化学状态微观机理分析,提出了在Pt/Co Fe B之间插入适当金属隔离层来增强Fe-O杂化或适当增加Co Fe B中的Co比率来增强Pt-Co杂化的两种途径,达到提升以Pt为HM材料的存储单元PMA性能的目标。4.研究中选用具有优异PMA性能的底部结构HM/Co40Fe40B20/MgO和顶部结构MgO/Co40Fe40B20/HM薄膜样品,以Pt、Ta、W和Mo为HM材料开展了SOT驱动磁矩翻转性能的影响研究,确立了良好PMA稳定性与较低写入电流密度的内在联系。此外,提出了以W、Mo插层结构在低写入电流密度的基础上提升存储单元PMA性能的方法,从而最终实现PMA薄膜兼具低功耗与高PMA稳定性的协同发展。
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