随机磁隧道结中的变化

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Variations in Stochastic Magnetic Tunnel Junctions

　　

概率计算作为一种自然计算范式，利用内在的器件级物理随机性来实现可调谐随机比特，而随机磁隧道结(s-MTJs)为此提供了有前景的硬件实现。在本文中，研究人员对随机磁隧道结的制备工艺进行了详细检查，包括薄膜堆叠沉积、使用电子束光刻(EBL)形成纳米点，以及开发一种底切抗蚀剂轮廓，旨在改善图形定义并促进可靠的剥离过程。此外，研究人员识别并讨论了在电学和磁学表征中观察到的几个关键变化来源，特别是保留时间变化、状态分布变化以及与制备相关的变化，所有这些都显著影响制备结果和最终器件性能。研究人员的发现为制造随机磁隧道结和未来的概率计算应用提供了一种精炼的实验方法。

概率计算作为一种新兴的自然计算范式，利用器件级物理随机性实现可调谐随机比特(p-bit)，其核心构建模块为随机磁隧道结(s-MTJ)。s-MTJ通过降低磁隧道结(MTJ)的能量势垒，使磁化状态在平行(P)和反平行(AP)态之间自发热涨落，并可通过自旋转移矩(STT)电流或外场可逆调谐，从而为概率计算提供了硬件平台。然而，s-MTJ的行为强烈依赖于制备工艺：光刻精度、离子刻蚀终点控制、侧壁钝化等过程中的微小变化会累积影响能量势垒，进而改变热涨落特性，导致器件性能不稳定。因此，理解并抑制这些制备引入的变化，对于实现可靠、大规模集成的p-bit至关重要。本文中，研究人员对s-MTJ的制备工艺进行了系统研究，包括薄膜堆叠沉积、电子束光刻(EBL)定义纳米柱、离子束刻蚀(IBE)及原位钝化，并识别了四种关键变化来源：保留时间变化、状态分布变化、静态特性变化以及制备相关变化。通过电学和磁学表征，分析了这些变化对器件性能的影响，并提出了改进的实验方法。研究结论表明，通过优化工艺参数（如底切轮廓、刻蚀终点、真空度等），可显著提升器件均匀性；同时，器件间的固有变化虽需抑制，但也可产生独特的随机指纹，应用于物理不可克隆函数(PUF)等硬件安全领域。该论文发表在《physica status solidi (a)– applications and materials science》。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：1) 使用DC/RF磁控溅射在热氧化Si衬底(Si/SiO₂)上沉积具有面内磁各向异性(IMA)的自旋转移矩磁隧道结(STT-MTJ)堆叠，结构为bottom-electrode/Pt₃₇Mn₆₃(20)/Co₇₀Fe₃₀(2.5)/Ru(t_Ru)/Co₂₀Fe₆₀B₂₀(3)/MgO(t_MgO)/Co₂₀Fe₆₀B₂₀(2)/W(t_W)/Ta(10)/Ru(7)，并在300°C下真空退火30分钟以促进MgO结晶和定义交换偏置方向。2) 采用氢倍半硅氧烷(HSQ)负性电子束光刻胶，通过电子束光刻(EBL)定义纳米柱，并利用过曝光及O₂等离子体灰化形成底切轮廓，以增强后续剥离可靠性。3) 使用配备Hiden终点检测器(EPD)的离子束刻蚀(IBE)精确控制刻蚀终点，在MgO峰下降约30%–40%时终止，避免过度刻蚀。4) 原位沉积约40 nm的AlO_x和TaO_x钝化层，抑制侧壁氧化和湿气降解。5) 使用专用去除剂进行剥离，去除残留HSQ掩模。样本队列来源：同一晶圆切割成多个批次，独立执行上述工艺。

研究结果部分保留以下小标题，并简要说明通过什么研究得出什么结论：

**3.1 跨堆叠设计的静态MTJ特性变化及p-bit分类**：通过比较三组器件（Stack A-NR: t_CoFeB|Free=2.0 nm非随机；Stack B-NR: t_CoFeB|Free=1.8 nm非随机；Stack B-R: t_CoFeB|Free=1.8 nm随机）的TMR、平行电阻(R_P)、矫顽场(|H_C|)和偏置场(|H_bias|)分布，发现TMR分布无显著差异，但R_P中位数在Stack A中更高（14.3 kΩ vs 8.5 kΩ），归因于自由层更厚及额外制备工艺；|H_C|和|H_bias|受自由层厚度影响显著。随机p-bit中自由层局部变薄是导致概率切换的最可能因素。

**3.2 保留时间变化：焦耳热效应**：通过电流扫描和磁场扫描测量保留时间，发现电流扫描下焦耳热(Joule heating)导致两个状态的保留时间同时减少，呈现非对称交叉特征，而磁场扫描下保留时间对称变化。低电阻器件（焦耳热效应更弱）中同时减少现象更明显，证实了焦耳热通过调制有效能量势垒影响保留时间。

**3.3 电阻分布变化**：通过实际器件采样和模拟，发现均匀的状态分布需要自由层具有接近球形的磁各向异性，这在常规制备中难以实现。通过将MTJ直径缩小至深纳米尺度（约10 nm），使器件工作在单畴区域，可产生足够丰富的中间状态，从而使状态分布接近均匀。

**3.4 制备过程中的其他变化**：通过分析批次中值TMR与Mg刻蚀深度（来自二次离子质谱(SIMS)终点轨迹）的关系，发现抛物线依赖关系，最优刻蚀深度约62%时TMR达~190%。批次级R_P标准差与EBL系统基压呈正线性相关，表明控制刻蚀终点和真空度可抑制R_P变异，进而提高TMR均匀性，确保p-bit读取所需的比较器裕度。

总结讨论部分指出，本文表征的器件间变化虽需抑制以实现可靠概率计算，但同时也产生独特的随机特征。由于制备变化改变每个器件的能量势垒，直接影响热涨落特性（如切换频率、保留时间不对称性、状态分布），这些固有随机指纹可用于物理不可克隆函数(PUF)等硬件认证和安全领域。研究结论部分翻译如下：总之，研究人员探索了用于概率计算的s-MTJ如何制备、如何表现以及变化来源。通过开发优化的工艺流程——包括负性光刻胶EBL结合工程化底切轮廓、使用EPD的离子束刻蚀以及原位钝化层沉积——建立了一种高重复性的纳米尺度MTJ柱制备方法，剥离产率高。所得器件表现出热涨落和可调谐磁化切换，确认其适合作为概率比特(p-bit)。研究人员识别并分析了四种主要器件级变化来源。第一，跨堆叠设计的静态特性变化（包括TMR、R_P、矫顽场和环移），比较了随机与非随机器件，确定自由层局部变薄是概率切换发生的最可能起源。第二，保留时间变化在磁场扫描和电流扫描测量中表现出根本差异，焦耳热在电流偏置下同时降低两个状态的保留时间中起主导作用。第三，R_P变异性直接与Mg刻蚀停止和EBL基压相关，抑制该变异有助于实现器件间更均匀的TMR，确保可靠p-bit读取所需的比较器裕度。最后，状态分布变化研究表明，实现近均匀分布需要工作在单畴区域，这推动MTJ向约10 nm直径的深纳米尺度发展。此外，本文表征的器件间变化虽需抑制以实现可靠概率计算，但同时也产生独特的随机特征，可应用于物理不可克隆函数(PUF)进行硬件认证和安全。