Ta/Mo基垂直磁隧道结的电压调控磁性与热稳定性增强研究

为解决传统Ta基垂直磁隧道结(pMTJ)热稳定性不足(<400?°C)和电压调控磁各向异性(VCMA)效率低的问题，研究人员通过设计Ta/Mo双层结构和双CoFeB自由层，实现了PMA(垂直磁各向异性)在550?°C下的稳定维持，并通过VCMA机制将开关电流降低23%。该研究为高温兼容的高能效自旋轨道矩磁存储器(SOT-MRAM)提供了新材料体系。

　　

在自旋电子学领域，垂直磁隧道结(pMTJ)作为磁随机存储器(MRAM)的核心元件，其性能直接决定了存储器的能耗与可靠性。传统Ta/CoFeB/MgO结构虽具有优异的垂直磁各向异性(PMA)，但面临两大瓶颈：一是高温退火时界面PMA迅速退化(>400?°C)，难以兼容半导体后端工艺；二是电压调控磁各向异性(VCMA)效应较弱，导致电流驱动磁化翻转能耗过高。这些问题严重制约了自旋轨道矩磁存储器(SOT-MRAM)在高集成度芯片中的应用。

针对这些挑战，新加坡的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表研究，创新性地提出Ta/Mo复合结构解决方案。通过将强自旋轨道耦合的Ta与界面各向异性增强的Mo结合，并采用双CoFeB自由层设计，成功实现了550?°C高温下PMA的稳定维持，同时通过VCMA效应将开关电流降低23%。这项研究为开发高耐热、低功耗的新型自旋存储器件提供了重要技术路径。

研究采用磁控溅射制备了[Ta(1.8?nm)/Mo(0.2?nm)]₅/CoFeB/Mo/CoFeB/MgO/Ta多层膜结构，通过变温退火实验(450-550?°C)结合振动样品磁强计(VSM)和反常霍尔效应测量，系统评估了材料的磁性能和热稳定性。霍尔棒器件用于量化SOT效率，而第一性原理计算揭示了Mo对界面原子扩散的抑制作用。

实验结果显示：(1) Ta/Mo双层的周期性结构使PMA能密度提升至0.3?mJ/m²，较传统Ta基结构提高50%；(2) 在550?°C退火后，Mo基样品仍保持方形度>90%的磁滞回线，而Ta对照组的PMA完全消失；(3) 施加3?V栅压时，各向异性场(H_k)降低18%，对应开关电流减少23%。讨论指出Mo的引入不仅抑制了CoFeB/MgO界面扩散，还通过电荷积累效应增强了VCMA响应。

该研究的重要意义在于：首次通过Ta/Mo协同设计同时解决pMTJ的热稳定性和能耗问题，为开发可承受半导体制造高温工艺的MRAM提供了材料基础。其VCMA调控策略使SOT-MRAM的写入能耗降至亚皮焦耳量级，对推动存算一体芯片发展具有关键指导价值。