【摘 要】
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随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术快速发展,数据呈现爆炸式增长,而作为各类信息存储及应用基础的存储器成为了支撑信息技术快速发展的基础及有力支撑。而磁性非易失性存储器（MRAM,Magnetoresistive Random Access Memory）由于其可比拟半导体DRAM的存取速度及至关重要的对信息存储的非易失性,成为了新一代存储器研究的核心。其中,具有垂直各向异性的磁隧道结（PM
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随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术快速发展,数据呈现爆炸式增长,而作为各类信息存储及应用基础的存储器成为了支撑信息技术快速发展的基础及有力支撑。而磁性非易失性存储器（MRAM,Magnetoresistive Random Access Memory）由于其可比拟半导体DRAM的存取速度及至关重要的对信息存储的非易失性,成为了新一代存储器研究的核心。其中,具有垂直各向异性的磁隧道结（PMA-MTJ,perpendicular magnetic anisotropy-magnetic tunnel junction）是目前MRAM中信息存储的首选单元。该PMA-MTJ存储单元在制备及应用过程中的稳定性及相关影响因素,是信息可靠存取的关键。因此本研究围绕该核心问题,开展了存储单元垂直各向异性同磁性存储层厚度、缓冲及覆盖非磁性层选择、退火温度等对其制备及应用过程中稳定性影响的研究,具体研究内容如下:研究中以目前PMA-MTJ首选磁性薄膜材料CoFeB为核心,首先制备了单层重金属缓冲层/CoFeB/MgO/单层重金属覆盖层多层薄膜,开展了单层重金属材料变化对CoFeB薄膜的PMA稳定性的影响研究。由于PMA-MTJ单元集成到CMOS电路中时,会经历温度高于270℃的后处理工艺,因此CoFeB/MgO薄膜的在高温下的PMA稳定性成为了关注的重点和亟待解决的问题。本研究的结果表明目前研究中重点关注的几种典型金属Ta,W,Mo,Pt对薄膜PMA稳定性具有不同的影响。其中Ta在高温下的PMA稳定性表现一般,在退火温度高于270℃和工作温度高于150℃时,薄膜的PMA效应都难以稳定存在,分析其微观机理主要是由于Ta元素向CoFeB/MgO的扩散,破坏了Fe 3d和O 2p轨道的杂化。单层金属层中Mo对PMA稳定性提升最有效,其最高退火温度可达到330℃,最高工作温度可达250℃;而重金属中W在维持PMA稳定性方面表现最好,最高退火温度达到330℃,最高工作温度可达到200℃;而单一的Pt金属层未能使得薄膜获得优良的PMA效应。Mo和W对于PMA稳定性的良好影响可能来自于其结晶的缓冲层,抑制了缓冲层金属向CoFeB/MgO界面的扩散。单层Ta、Pt重金属具有较大的自旋霍尔角,被期望应用于下一代自旋轨道矩非易失性磁存储器SOT-MRAM中。但采用单层Ta、Pt做缓冲层的存储单元却不能获得优良的PMA稳定性,因此研究中采用多层复合重金属Pt/Ta,Ta/Mo替代单层Pt、Ta和CoFeB/Ta（Mo）/CoFeB中间插层结构,实现了基于Ta、Pt重金属的CoFeB存储层稳定性的提升。其中复合缓冲层Ta/Mo,可以使得CoFeB薄膜PMA效应的最高工作温度达到了250℃,耐受的最高退火温度达到330℃。Pt/Ta层同样使得PMA的稳定性得到了提升,可以使得薄膜在250℃的工作温度下保持PMA效应的稳定性,且最高退火温度达200℃。而在中间插层结构中,耐受的最高退火温度的提升最为明显的结构是在CoFeB层中插入Mo金属层的薄膜,达到了最高的450℃,且其最高工作温度也达到了250℃。通过本研究,不但确认了不同重金属对超薄CoFeB垂直各向异性的影响规律,也为既具有大自旋流注入效率又能实现高PMA稳定性的重金属在SOT-MRAM中的应用奠定了材料选择及实现基础。
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