一种新型磁隧道结的自旋转移矩效应相关的动态特性及热稳定性的研究

Spin transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is one of the next generation of semiconductor memory technologies with the most industrialization. As the decreasing of COMS nanotechnology node, the sacle of magnetic tunnel junction (MTJ) memory cell should be decrease as following. While, the magnetic momentis susceptible to thermal disturbance, there is a great challenge for the thermostability of MTJ. According to the changes of thermostability as the layer scale, we present a new type structure of 3D STT-MRAM. The shape of the structure shows closed cylinder or rectangular prism. From inside to outside, the order is inner electrode, free layer, barrier layer and reference layer. Compare with square increase for the sandwich structure, the thermostability factor become linear variety with the scale of the MTJ. Moreover, more parameter can be used which is beneficial to the miniaturization of the device. Dynamic processes and thermostability of the structure with different materials, shape and scale are studied through numerical simulation of micromagnetism solving Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewsk equation.

通过自旋极化电流驱动的自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)是目前最具产业化前景的下一代存储器技术之一。而随着COMS纳米技术节点不断突破，就要求STT-MRAM的MTJ (Magnetic Tunnel Junction, MTJ)存储单元的尺寸也要随之减小。因此，在小型化的过程中，容易受到热扰动的影响，热稳定性会受到重大挑战。我们根据热稳性的随自由层的变化规律，提出了一种新型三维 MTJ单元结构。这种结构的MTJ单元为圆柱状或长方柱状的封闭结构，内电极、自由层、势垒层、参考层由内向外依次排列。其可将热稳定性因子由“三明治”结构随尺寸的平方增加化简为更容易控制的线性变化，更有益于器件的小型化。通过微磁学数值模拟求解Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewsk方程，研究不同材料、形状、尺寸对此类MTJ结构的动力学过程和热稳定性的影响。

通过自旋极化电流驱动的自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)是目前最具产业化前景的下一代存储器技术之一。而随着COMS纳米技术节点不断突破，就要求STT-MRAM的MTJ (Magnetic Tunnel Junction, MTJ)存储单元的尺寸也要随之减小。因此，在小型化的过程中，容易受到热扰动的影响，热稳定性会受到重大挑战。我们根据热稳性的随自由层的变化规律，提出了一种新型三维 MTJ单元结构。通过微磁学数值模拟研究了垂直长圆柱状和长方柱状 MTJ 结构静态磁性。要求自旋电流由结构中心沿垂直自由层方向发散，即沿着电流方向，电流密度逐渐减小，在Mumax3中实现了对这种发散电流的设置；在实验方面，由于实验室条件限制，以及此类MTJ单元结构对刻蚀工艺的高要求，经过不断的尝试，目前未能成功制备出相应的器件。但在研究中发现，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)有利于实现此类结构，并能有效降低翻转电流密度。因此，我们研究了Ta/Pt/Co/Bi2Se3/Ta、Ta/Pt/Co/W/Ta、Ta/Pt/Co/W0.82Pt0.18/Ta和Ta/Pt/CoFeSiB/W/Ta多层膜结构中的SOT和DMI。研究发现在Ta/Pt/Co/Bi2Se3/Ta结构中，Pt/Co界面主要对DMI负责，而Co/Bi2Se3界面层主要对SOT负责，即可Ta/Pt/Co/Bi2Se3/Ta结构中实现对调控DMI和SOT的独立调控。