基于超薄镁复合自由层的高效STT-MRAM技术：突破能耗瓶颈的新路径

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Ultrathin Mg Composite Free Layer With Improved STT Efficiency for Energy-Efficient MRAM

本文针对自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)在热稳定性因子(△)与开关电流(Isw)之间的固有平衡难题，提出了一种创新的超薄镁复合自由层(Mg-CFL)结构。研究团队通过精确的界面工程，成功实现了 perpendicular magnetic anisotropy (PMA)的显著增强，在80nm器件中获得了△>54.1的优异热稳定性，同时保持较低的Isw，使STT效率(△/Isw)大幅提升。该技术还展现出更高的击穿电压(VBD)和1010次循环的耐久性，为下一代高能效非易失性存储器提供了可靠解决方案。

　　

在人工智能、高性能计算和汽车电子等数据密集型应用快速发展的今天，传统存储器正面临能耗和可靠性方面的严峻挑战。自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)作为一种新兴的非易失性存储器(NVM)，以其非易失性、快速切换、高耐久性和与标准CMOS工艺完全兼容等优势，成为嵌入式存储器技术的有力竞争者。然而，随着器件尺寸的不断缩小，STT-MRAM面临着一个关键瓶颈：热稳定性因子(△)与开关电流(I_sw)之间的固有平衡关系。提高△可以确保数据保留的可靠性，但往往会增加I_sw，导致能耗上升；而降低I_sw又可能牺牲热稳定性，影响数据保存能力。这一矛盾严重制约了STT-MRAM在低功耗应用中的进一步发展。

为了突破这一技术瓶颈，来自国立阳明交通大学和工业技术研究院的研究团队在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上发表了一项创新研究，提出了一种基于超薄镁复合自由层(Mg-CFL)的MTJ结构，通过材料创新和界面工程成功解决了△-I_sw的平衡难题。

研究团队采用了几项关键技术方法：利用磁控溅射系统在10^-8torr高真空环境下沉积薄膜堆栈；通过电流面内隧道(CIPT)测量系统评估隧道磁阻(TMR)比和电阻面积(RA)乘积；使用振动样品磁强计(VSM)分析磁性能；结合扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对器件结构进行表征；采用Keysight B1500A参数分析仪进行电学性能测试。

II. 复合自由层的优化

研究人员设计了一种创新的Mg-CFL结构：CoFeB(5)/Mg(5)/CoFeB(4)，取代传统的Ta-CFL结构。通过优化MgO覆盖层厚度和后退火处理，发现9 ? MgO覆盖层结合10秒后退火处理能够显著提升TMR比并降低RA乘积。磁性测量结果显示，Mg-CFL结构表现出更强的垂直磁各向异性(PMA)和更低的饱和磁化强度(M_s)，这归因于减薄的层状结构。结构表征证实了Mg-CFL堆栈具有优异的均匀性和明确的层间分离。

III. Mg-CFL器件的表征

制备的80nm直径MTJ器件电学测试表明，Mg-CFL在保持与Ta-CFL相当的平均开关电压(V_sw)的同时，表现出更高的矫顽场(H_c)。温度依赖性研究显示，从300K到400K，H_c、I_sw和V_sw均有所下降，表明PMA的热致退化，但Mg-CFL始终优于Ta-CFL。特别值得注意的是，Mg-CFL的击穿电压(V_BD)显著高于Ta-CFL，这可能是由于硼向MgO隧道势垒扩散减少所致。开关相位图(SPD)分析进一步证实，Mg-CFL器件在所有温度下均表现出比Ta-CFL高1.5倍以上的开关因子，表明其具有更高的能量效率潜力。

IV. Mg-CFL器件的可靠性分析

可靠性评估显示，Mg-CFL器件在从毫秒到纳秒尺度的脉冲条件下均表现出稳定的开关行为，符合Néel-Brown模型描述的 thermally activated switching regime。在300K到400K的温度范围内，Mg-CFL实现了低于1ppm的写入错误率(WER)，展现出优异的写入可靠性。通过场辅助开关方法提取的热稳定性因子(△)显示，Mg-CFL在300K到400K范围内△超过54.1，显著高于Ta-CFL。耐久性测试证实，Mg-CFL器件能够承受10¹⁰次写入循环而不出现性能退化。

V. 结论

本研究开发的Mg-CFL基MTJ结构成功缓解了△与I_sw之间的固有平衡问题。通过Mg插入层的精确界面工程，Mg-CFL显著增强了PMA，在300K到400K温度范围内实现了△超过54.1的优异热稳定性，且不增加I_sw。这使得Mg-CFL的△/I_sw比显著高于Ta-CFL基准，SPD测量提取的增强开关因子也支持了这一结论。在可靠性方面，Mg-CFL器件实现了低于1ppm的写入错误率和超过10¹⁰次的循环耐久性。这些性能指标为高性能、高能效、高可靠性的STT-MRAM提供了一条可制造的路径，特别适合数据密集型应用场景。

该研究的创新之处在于通过相对简单的堆栈结构修改，实现了与复杂多层MTJ结构相当的性能提升，为STT-MRAM技术的商业化应用提供了更具可行性的解决方案。Mg-CFL技术的成功开发不仅推动了MRAM技术本身的发展，也为整个非易失性存储器领域的技术进步提供了重要参考。