电子科大唐晓莉:氧迁移对底及顶结构垂直磁各向异性热稳定性影响

随着大数据时代的发展，磁性随机存取存储器（MRAM）因具有高速读写能力、良好的热稳定性和极低的功耗而受到研究人员的广泛关注，成为下一代有很好应用前途的非易失性存储器。具有垂直磁各向异性（PMA）的磁性隧道结（MTJ）是MRAM的核心单元，近年来，研究人员发现可以通过自旋转移转矩（STT）或自旋轨道转矩（SOT）来调控MTJ磁矩的翻转，从而实现器件存储与读取数据的技术要求。理论研究表明，在典型的基于CoFeB-MgO结构的MTJ中，CoFeB/MgO界面上的PMA是通过Fe/Co 3d和O 2p之间的轨道杂化形成的，因此，研究人员进行了大量关于界面氧迁移的研究实验以期望获得高热稳定性的PMA。

对于PMA-MTJ而言，除了在室温下获得较大且稳定的PMA性能外，研究如何解决温度超过300℃时PMA会发生退化的问题对于提高PMA-MTJ与互补金属氧化物半导体（CMOS）集成工艺的兼容性至关重要。CoFeB/MgO界面的氧迁移通常发生在退火过程中，研究MTJ结构中氧迁移效应的规律对于提升PMA热稳定性以及制备最佳MTJ结构具有重要意义，并有助于促进MRAM的进一步发展和产业化。

电子科技大学电子学院唐晓莉教授研究团队通过将MTJ整体结构拆分成底及顶Ta/CoFeB/MgO和MgO/CoFeB/Ta两个独立的结构，详细的研究了界面氧迁移对PMA热稳定性的影响。通过X射线光电子能谱（XPS）的元素化学状态分析发现，对于这两种不同的结构，Fe和Co原子在MgO/CoFeB界面上的氧化还原反应是不同的。退火时，在MgO/CoFeB/Ta结构中，热活化氧原子几乎没有发生扩散，但在Ta/CoFeB/MgO结构中该扩散却明显存在。MgO/CoFeB/Ta结构的样品在MgO/CoFeB界面上比Ta/CoFeB/MgO结构的样品拥有更多的氧原子，这导致了更稳定的Fe-O键，从而使得MgO/CoFeB/Ta结构的样品可将退火温度范围提升至更高的温度，这一规律在W/CoFeB/MgO与MgO/CoFeB/W的对比实验中同样得到了证实。这项研究工作丰富了界面氧迁移与磁垂直各向异性影响的关系，为设计具有高热稳定性的高性能自旋电子存储器件提供了有力支撑，这将有助于开发下一代新型的SOT-MRAM器件。

相关成果以“Role of oxygen migration on the thermal stability of the perpendicular magnetic anisotropy in bottom and top structures”为题，在对材料科学领域中的重要主题进行研究报道的期刊APL Materials上进行发表。博士生杜伟、刘梦丽，硕士生韩凤轩等人进行了相关的实验研究，唐晓莉教授为论文通讯作者。

图一、Ta/CoFeB/MgO样品与MgO/CoFeB/Ta样品在经过不同退火温度处理后的反常霍尔效应测试图。

图二、W/CoFeB/MgO样品与MgO/CoFeB/W样品在经过不同退火温度处理后的反常霍尔效应测试图。

原文信息

标题：Role of oxygen migration on the thermal stability of the perpendicular magnetic anisotropy in bottom and top structures

期刊：APL Materials 10, 011101 (2022)

作者：Wei Du, Mengli Liu, Fengxuan Han, Hua Su, Huaiwu Zhang, Bo Liu, Hao Meng, and Xiaoli Tang

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0076579

期刊介绍

APL Materials 报道材料科学领域中重要主题的原创、实验性研究。为了突出材料科学的前沿资讯，本刊强调文章的质量和及时性。除常规文章外，本刊还出版专题，报道材料科学的前沿领域。

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