中科院微电子所与华为海思合作,在无外磁场写入的自旋轨道矩磁隧道结器件研究中取得进展

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垂直自旋轨道矩磁隧道结器件(SOT-MTJ)是新一代磁随机存储技术的核心单元,它具有非易失、高速、低功耗、读写寿命长等特点,极有希望成为下一代非易失磁存储技术。但是垂直SOT-MTJ器件需要外磁场辅助才能实现定向写入。外磁场的引入会导致额外的功耗、面积消耗,并会导致串扰等问题。如何实现无外磁场下定向高速写入的SOT-MTJ纳米器件仍是一大挑战。

最近,中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心罗军研究员团队与华为海思团队合作,在该中心的8英寸CMOS平台上联合研发了SOT-MTJ的后道集成工艺,实现间距≤360 nm、结直径≤140 nm、TMR高于118%、热稳定性系数Δ达到118的隧道结阵列(图1)。研发团队设计了具有强层间耦合的隧道结薄膜结构,利用写入电流产生的焦耳热调控隧道结的耦合强度,实现单极性电流写入的特性曲线(图2(a))。与传统隧道结不同,该隧道结的高低阻态取决于电流大小,而不是电流的方向(图2(b))。这是由于电流产生的焦耳热调控了隧道结的层间耦合场的大小,从而对SOT-MTJ的偏置场进行调制,导致不同阻态的写入(图2(c,d))。该器件可以实现高达1 ns的写入速度(图2(e)),并能够在100℃高温环境下稳定工作。此外,片内不同器件的电学特性具有较好的一致性(图2(f))。该研究成果提出了一种具有可行性的无外场辅助写入SOT-MTJ方案,并有助于实现高密度无外场SOT-MTJ阵列集成,为新一代大容量SOT-MRAM奠定了基础。 

相关研究成果以“Field-Free Deterministic Writing of Spin-Orbit Torque Magnetic Tunneling Junction by Unipolar Current”为题发表在IEEE Electron Device Letters期刊(IEEE EDL,43,(2022)709),并获选为编辑推荐文章。微电子所博士生杨腾智为第一作者,微电子所罗军研究员、杨美音副研究员和华为海思叶力博士为共同通信作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院有关项目的支持。

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  图1.(a)SOT-MTJ器件横截面TEM和部分工艺顶视图。(b)SOT-MTJ器件结构和原理示意。 

   

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  图2. (a)SOT-MTJ电学写入特性曲线。(b)SOT-MTJ存储状态与写入电流密度大小的关系。(c)不同写入操作的磁学特性原理示意。(d)矫顽场和偏置场随写入电流密度的变化关系。(e)临界写入电流密度与写入脉冲宽度的关系。(f)随机采样器件的临界写入电流密度统计分布。 

 

  图1.(a)SOT-MTJ器件横截面TEM和部分工艺顶视图。(b)SOT-MTJ器件结构和原理示意。 

   

  

  图2. (a)SOT-MTJ电学写入特性曲线。(b)SOT-MTJ存储状态与写入电流密度大小的关系。(c)不同写入操作的磁学特性原理示意。(d)矫顽场和偏置场随写入电流密度的变化关系。(e)临界写入电流密度与写入脉冲宽度的关系。(f)随机采样器件的临界写入电流密度统计分布。 

 
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