CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)特性的測(cè)試與研究：從基礎(chǔ)原理到性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的蓬勃興起，對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的性能提出了更高要求，包括存儲(chǔ)密度、讀寫速度、功耗、可靠性以及成本等多個(gè)關(guān)鍵方面。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)，如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和閃存（Flash），在面對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量和日益復(fù)雜的應(yīng)用需求時(shí)，逐漸暴露出諸多局限性。磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）作為一種極具潛力的新型存儲(chǔ)技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為了研究熱點(diǎn)。MRAM利用磁性隧道結(jié)（MTJ）來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)改變磁矩方向?qū)崿F(xiàn)高低阻態(tài)的切換，從而代表“0”和“1”的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。相較于傳統(tǒng)的電荷存儲(chǔ)器，MRAM具備諸多顯著優(yōu)勢(shì)，如速度快、功耗低、重寫次數(shù)多、抗輻射及惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等。在MRAM的發(fā)展歷程中，自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-MRAM）率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。STT-MRAM利用自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，通過(guò)自旋極化電流改變磁性層的磁化方向來(lái)完成數(shù)據(jù)寫入，已在智能物聯(lián)、工業(yè)控制和車載電子等民用場(chǎng)景中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，STT-MRAM仍然面臨一些挑戰(zhàn)，如弛豫延遲、隧道勢(shì)壘老化、讀取干擾等問(wèn)題，這些問(wèn)題在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。為了突破這些限制，新一代的自旋軌道矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）應(yīng)運(yùn)而生。SOT-MRAM采用全新的寫入機(jī)理——自旋軌道力矩效應(yīng)，將寫入速度從10-50納秒縮短至2納秒左右，同等工作條件下功耗降低至原來(lái)的千分之一，可重寫次數(shù)提升至無(wú)限次。這些卓越的性能使得SOT-MRAM有望應(yīng)用于L1~L3高速緩存，成為MRAM領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。在SOT-MRAM的研究中，實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。傳統(tǒng)的SOT-MRAM在寫入過(guò)程中通常需要施加一個(gè)外磁場(chǎng)，這不僅增加了器件的復(fù)雜性和成本，還限制了其大規(guī)模集成。因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)對(duì)于SOT-MRAM的發(fā)展具有重要意義，它能夠簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)，降低功耗，提高存儲(chǔ)密度，為SOT-MRAM的商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。材料的選擇對(duì)于SOT-MRAM的性能至關(guān)重要。CoFeO作為一種具有獨(dú)特物理性質(zhì)的材料，在SOT-MRAM的研究中展現(xiàn)出了巨大的潛力。CoFeO具有良好的磁性和電學(xué)性能，能夠有效地提高SOT-MRAM的性能，如提高電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率，降低翻轉(zhuǎn)電流等。同時(shí)，CoFeO與CMOS工藝具有良好的兼容性，這使得它在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。本研究聚焦于基于CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)的測(cè)試與研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，深入研究CoFeO材料在SOT-MRAM中的作用機(jī)制，能夠豐富自旋電子學(xué)的理論體系，為新型存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持。通過(guò)對(duì)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)特性的研究，有助于揭示自旋軌道力矩效應(yīng)的微觀物理過(guò)程，為進(jìn)一步提高SOT-MRAM的性能提供理論指導(dǎo)。在實(shí)際應(yīng)用方面，本研究的成果將為SOT-MRAM的商業(yè)化應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支持。實(shí)現(xiàn)基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)，能夠提高SOT-MRAM的性能和可靠性，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)SOT-MRAM在高速緩存、存內(nèi)計(jì)算、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這將有助于解決當(dāng)前存儲(chǔ)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的高性能需求，促進(jìn)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，SOT-MRAM作為極具潛力的新型存儲(chǔ)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外都吸引了眾多科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)的關(guān)注，取得了一系列顯著的研究成果。在國(guó)外，imec在SOT-MRAM研究領(lǐng)域成果豐碩。2023年，imec公布的超大規(guī)模自旋軌道轉(zhuǎn)移MRAM器件實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的性能，每比特開關(guān)能量低于100飛焦耳，耐用性超過(guò)10的15次方。這一成果使得SOT-MRAM成為替代SRAM作為高性能計(jì)算應(yīng)用中最后一級(jí)緩存的有力候選者。在IEDM2023上，imec展示了縮小SOT軌道不僅減少了SOT-MRAM單元的占地面積，還大大提高了單元的性能和可靠性。SOT軌道作為面內(nèi)電流注入層，其尺寸的優(yōu)化有助于解決SOT-MRAM傳統(tǒng)上寫入操作需要高電流的問(wèn)題，為SOT-MRAM的大規(guī)模集成和性能提升提供了重要的技術(shù)思路。此外，VerticalCompute已籌集2000萬(wàn)歐元，用于將imec開發(fā)的MRAM內(nèi)存計(jì)算芯片技術(shù)商業(yè)化，該芯片預(yù)計(jì)將基于imec開發(fā)的自旋MRAM技術(shù)，可將功耗降低80%，并將AI大型語(yǔ)言模型的執(zhí)行速度提高100倍，這也顯示出imec的研究成果在工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面的巨大潛力。國(guó)內(nèi)在SOT-MRAM領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。北京航空航天大學(xué)趙巍勝教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于自旋電子學(xué)相關(guān)研究，取得了一系列重要成果。2024年，該團(tuán)隊(duì)基于自主的八英寸工藝平臺(tái)成功研制了與180nmCMOS工藝集成的128KbSOT-MRAM芯片，這是目前公開報(bào)道的最大容量SOT-MRAM芯片。該工作通過(guò)優(yōu)化SOT通道層材料和插入阻擋層，提高了電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率，擴(kuò)展了集成工藝窗口，降低了翻轉(zhuǎn)電流；通過(guò)優(yōu)化刻蝕參數(shù)和使用精準(zhǔn)的刻蝕停止工藝，提升了芯片的良率；引入新型的多脈沖組合寫入方法解決了器件的中間態(tài)問(wèn)題，并使用糾錯(cuò)編碼（ECC）電路使得芯片的誤碼率降低至零。此外，趙巍勝教授課題組還在2025年1月3日，于《Engineering》期刊發(fā)表了基于自旋軌道力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的高可靠且可重構(gòu)的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)芯片的研究成果，為物聯(lián)網(wǎng)邊緣端設(shè)備的硬件安全問(wèn)題提供了新的解決方案。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的研究也為SOT-MRAM的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)室的自旋量子材料與器件課題組提出和研究了一種新型非共線交換彈簧磁結(jié)構(gòu)，通過(guò)界面磁耦合相互作用和磁各向異性的競(jìng)爭(zhēng)，形成了磁矩從垂直到面內(nèi)連續(xù)過(guò)渡的非共線空間分布的交換彈簧磁結(jié)構(gòu)。電流通過(guò)自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生y方向的自旋極化流，當(dāng)沿y方向極化的自旋流經(jīng)過(guò)非共線交換彈簧磁結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自旋重取向從而獲得x和z方向自旋極化，進(jìn)而在室溫下實(shí)現(xiàn)零外場(chǎng)、全電學(xué)驅(qū)動(dòng)的垂直磁化翻轉(zhuǎn)。更為重要的是，這種非常規(guī)的自旋極化方向可以根據(jù)界面交換耦合的極性進(jìn)行調(diào)控，從而調(diào)控電控磁的翻轉(zhuǎn)極性。這一研究為SOT-MRAM提供了新的磁結(jié)構(gòu)單元，有望為下一代自旋電子器件的發(fā)展開辟新途徑。盡管國(guó)內(nèi)外在SOT-MRAM研究方面取得了諸多進(jìn)展，但當(dāng)前研究仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。在材料方面，如何進(jìn)一步提高電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率，降低翻轉(zhuǎn)電流，仍然是亟待解決的問(wèn)題。雖然一些材料如CoFeO展現(xiàn)出了良好的性能潛力，但還需要深入研究其微觀機(jī)制，優(yōu)化材料的制備工藝，以實(shí)現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)。在器件制造工藝上，SOT-MRAM面臨著較高的技術(shù)難度，如隧道結(jié)的刻蝕工藝，金屬副產(chǎn)物的反濺容易使得MTJ的MgO隧穿勢(shì)壘層短路，從而造成較低的器件良率。傳統(tǒng)方案從原理上導(dǎo)致刻蝕良率低，嚴(yán)重制約了其大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。在無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)技術(shù)上，雖然已經(jīng)有一些研究實(shí)現(xiàn)了零外場(chǎng)、全電學(xué)驅(qū)動(dòng)的垂直磁化翻轉(zhuǎn)，但相關(guān)技術(shù)仍有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化，以提高翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，SOT-MRAM與CMOS工藝的集成也需要進(jìn)一步優(yōu)化，以降低成本，提高生產(chǎn)效率，滿足大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需求。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞基于CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)展開，旨在深入探究其特性、性能及作用機(jī)制，為SOT-MRAM的發(fā)展提供理論支持和技術(shù)參考。具體研究?jī)?nèi)容如下：CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)測(cè)試：制備基于CoFeO的SOT-MRAM器件，利用高精度的測(cè)試設(shè)備和先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，對(duì)其翻轉(zhuǎn)特性進(jìn)行全面測(cè)試。包括測(cè)量不同電流條件下的翻轉(zhuǎn)概率、翻轉(zhuǎn)時(shí)間，以及研究翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的電流-電壓關(guān)系。通過(guò)改變測(cè)試條件，如溫度、磁場(chǎng)等，分析這些因素對(duì)翻轉(zhuǎn)特性的影響，獲取CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM在不同工作環(huán)境下的翻轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)。CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM性能研究：對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，包括存儲(chǔ)密度、讀寫速度、功耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，提高存儲(chǔ)密度，實(shí)現(xiàn)更高的信息存儲(chǔ)容量；研究提高讀寫速度的方法，減少數(shù)據(jù)讀寫的時(shí)間延遲，滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求；分析功耗來(lái)源，探索降低功耗的途徑，提高器件的能源利用效率。此外，還將研究器件的耐久性和可靠性，評(píng)估其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能穩(wěn)定性。CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)機(jī)制研究：從微觀層面深入研究CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)機(jī)制。運(yùn)用先進(jìn)的理論模型和計(jì)算方法，如自旋動(dòng)力學(xué)理論、第一性原理計(jì)算等，分析自旋軌道力矩在CoFeO材料中的產(chǎn)生和作用機(jī)制，揭示磁矩翻轉(zhuǎn)的微觀物理過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方式，驗(yàn)證理論模型的正確性，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供理論指導(dǎo)。在研究方法上，本研究采用實(shí)驗(yàn)、模擬和理論分析相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢(shì)，全面深入地探究基于CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)的相關(guān)問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)研究：利用磁控濺射、光刻、刻蝕等微納加工技術(shù)，制備基于CoFeO的SOT-MRAM器件。通過(guò)物理性能測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）、四探針測(cè)試儀等設(shè)備，對(duì)器件的磁學(xué)性能、電學(xué)性能和翻轉(zhuǎn)特性進(jìn)行精確測(cè)量。設(shè)計(jì)并進(jìn)行一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同材料參數(shù)（如CoFeO的成分、厚度等）和器件結(jié)構(gòu)（如磁性隧道結(jié)的尺寸、形狀等）對(duì)SOT-MRAM性能的影響，為器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。模擬研究：運(yùn)用微磁學(xué)模擬軟件，如OOMMF（ObjectOrientedMicromagneticFramework）和MuMax3，對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)建立合理的物理模型，考慮自旋軌道力矩、交換相互作用、磁各向異性等因素，模擬不同條件下磁矩的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬模型的準(zhǔn)確性，深入理解翻轉(zhuǎn)機(jī)制，預(yù)測(cè)器件性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化方向。理論分析：基于自旋電子學(xué)理論，建立描述CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)過(guò)程的理論模型。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)模型進(jìn)行求解，分析自旋軌道力矩的產(chǎn)生、傳輸和對(duì)磁矩的作用機(jī)制，推導(dǎo)磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界條件和相關(guān)參數(shù)的定量關(guān)系。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，對(duì)理論模型進(jìn)行修正和完善，深入探討器件性能與材料參數(shù)、器件結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為SOT-MRAM的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。二、CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM工作原理與結(jié)構(gòu)2.1MRAM發(fā)展概述磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）的發(fā)展歷程是一段充滿創(chuàng)新與突破的科技演進(jìn)史，它見證了存儲(chǔ)技術(shù)從理論構(gòu)想到實(shí)際應(yīng)用，再到不斷優(yōu)化升級(jí)的過(guò)程。自20世紀(jì)70年代MRAM的基本概念首次被提出以來(lái)，歷經(jīng)了多個(gè)重要的發(fā)展階段，每一次技術(shù)革新都推動(dòng)著MRAM向更高性能、更廣泛應(yīng)用的方向邁進(jìn)。MRAM的起源可追溯到1972年，當(dāng)時(shí)其存儲(chǔ)單元利用各向異性磁阻（AMR）特性制作出三層結(jié)構(gòu)。然而，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這一時(shí)期的MRAM還不具備實(shí)用性價(jià)值。直到1988年巨磁阻效應(yīng)（GMR）的發(fā)現(xiàn)，為MRAM的發(fā)展帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，使其開始具備一定的實(shí)用潛力。但GMR材料與MOS管串聯(lián)鏈路中存在阻抗低、分壓能力低的問(wèn)題，通過(guò)增大尺寸來(lái)提高寫性能對(duì)面積要求過(guò)高，限制了其實(shí)際應(yīng)用。1995年，隧穿磁阻效應(yīng)（TMR）的提出，大幅提高了MRAM的讀寫速度和集成度，真正將其推向了實(shí)用性階段，開啟了MRAM技術(shù)發(fā)展的新篇章。依據(jù)寫入方式的不同，MRAM技術(shù)可劃分為三代，每一代都代表了一種重要的技術(shù)突破和發(fā)展方向。第一代MRAM采用磁場(chǎng)寫入式，通過(guò)導(dǎo)體中正反兩個(gè)電流方向產(chǎn)生磁化感應(yīng)，使磁性隧道結(jié)（MTJ）自由層相對(duì)固定層磁化方向發(fā)生改變，從而呈現(xiàn)高低兩種阻抗?fàn)顟B(tài)，用于存取數(shù)字邏輯“1”和“0”。然而，這種寫入方式需要足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)感應(yīng)，導(dǎo)致寫入電流大、功耗高。并且隨著工藝尺寸的縮減以及MTJ結(jié)尺寸的降低，相鄰存儲(chǔ)單元的可靠性問(wèn)題凸顯，增大間距雖能減小相互干擾，但會(huì)降低MRAM的集成度，使得可靠性和集成度之間形成難以調(diào)和的矛盾，限制了MRAM的進(jìn)一步發(fā)展。為了解決第一代MRAM的問(wèn)題，第二代MRAM應(yīng)運(yùn)而生，其寫入方式基于自旋轉(zhuǎn)移矩（spin-transfertorque）效應(yīng)，即利用流過(guò)隧道結(jié)中不同方向的自旋極化電流，驅(qū)動(dòng)軟磁體磁化方向改變，實(shí)現(xiàn)MTJ結(jié)高低阻抗?fàn)顟B(tài)的寫入，這類MRAM被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM）。與第一代MRAM依靠磁場(chǎng)寫入的方式不同，STT-MRAM利用電流來(lái)完成磁性薄膜的磁化方向翻轉(zhuǎn)，有效降低了對(duì)寫電壓的要求，從而降低了功耗。同時(shí)，由于其不依賴磁場(chǎng)寫入，避免了磁場(chǎng)感應(yīng)引起的串?dāng)_問(wèn)題，顯著提高了集成度。這些優(yōu)勢(shì)使得STT-MRAM迅速成為磁存儲(chǔ)器研究的重點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，在智能物聯(lián)、工業(yè)控制和車載電子等民用場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。然而，STT-MRAM并非完美無(wú)缺，它仍然面臨一些挑戰(zhàn)，如弛豫延遲、隧道勢(shì)壘老化、讀取干擾等問(wèn)題，這些問(wèn)題在一定程度上限制了其在一些對(duì)性能要求極高的場(chǎng)景中的應(yīng)用，如高速緩存等領(lǐng)域。為了突破STT-MRAM的性能瓶頸，滿足不斷增長(zhǎng)的高性能存儲(chǔ)需求，第三代MRAM——自旋軌道矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）應(yīng)運(yùn)而生。SOT-MRAM采用了全新的寫入機(jī)理——自旋軌道力矩效應(yīng)。當(dāng)電流通過(guò)底層重金屬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自旋流并注入到自由層中，利用自旋軌道矩使自由層的磁化方向產(chǎn)生擾動(dòng)，并結(jié)合多種方式讓磁化方向產(chǎn)生確定性的翻轉(zhuǎn)。相較于自旋轉(zhuǎn)移矩的存儲(chǔ)技術(shù)，SOT-MRAM具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。首先，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱的讀寫能力，解決了傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)中讀寫不對(duì)稱的問(wèn)題，使得數(shù)據(jù)讀寫更加穩(wěn)定和高效。其次，SOT-MRAM的讀寫路徑分離且可優(yōu)化，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從本質(zhì)上解決了高寫入電流導(dǎo)致的讀錯(cuò)誤和隧道結(jié)老化問(wèn)題，提高了器件的可靠性和使用壽命。此外，SOT-MRAM還具有亞納秒的快速操作速度和低寫入功耗的特點(diǎn)，將寫入速度從10-50納秒縮短至2納秒左右，同等工作條件下功耗降低至原來(lái)的千分之一。這些卓越的性能優(yōu)勢(shì)使得SOT-MRAM成為替代SRAM作為高性能計(jì)算應(yīng)用中最后一級(jí)緩存的有力候選者，有望在L1~L3高速緩存等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為MRAM領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展方向。2.2SOT-MRAM基本原理SOT-MRAM的基本原理基于自旋軌道力矩效應(yīng)，這是一種自旋電子學(xué)領(lǐng)域的重要物理現(xiàn)象。在SOT-MRAM中，核心結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié)（MTJ），它由自由層、固定層以及夾在兩者之間的薄絕緣隧穿層（通常為MgO）構(gòu)成。固定層的磁化方向保持固定不變，而自由層的磁化方向則可通過(guò)外部因素改變，這種磁化方向的變化決定了MTJ的電阻狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。當(dāng)電流通過(guò)與自由層相鄰的具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層（如鎢（W）、鉭（Ta）等）時(shí)，自旋軌道力矩效應(yīng)便會(huì)發(fā)揮作用。由于自旋軌道耦合作用，電荷流會(huì)轉(zhuǎn)化為自旋流，產(chǎn)生的自旋流會(huì)注入到自由層中。在自旋流的作用下，自由層的磁矩會(huì)受到自旋軌道力矩的作用，具體表現(xiàn)為阻尼類力矩和場(chǎng)類力矩。阻尼類力矩類似于一個(gè)與磁矩進(jìn)動(dòng)方向相反的力矩，它會(huì)消耗磁矩進(jìn)動(dòng)的能量，使磁矩逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。場(chǎng)類力矩則類似于一個(gè)等效磁場(chǎng)作用在磁矩上，對(duì)磁矩的方向產(chǎn)生影響。在這兩種力矩的共同作用下，自由層的磁化方向會(huì)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)MTJ電阻狀態(tài)的切換。當(dāng)自由層和固定層的磁化方向平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，代表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1”；當(dāng)兩者磁化方向反平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，代表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“0”。數(shù)據(jù)的讀取過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)向MTJ施加一個(gè)小的讀取電流，測(cè)量MTJ的電阻值，根據(jù)電阻值的高低來(lái)判斷存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是“1”還是“0”。由于讀取電流較小，不會(huì)改變自由層的磁化方向，因此讀取操作是非破壞性的。在SOT-MRAM的寫入過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)自由層磁化方向的確定性翻轉(zhuǎn)，還需要克服一些挑戰(zhàn)。例如，在無(wú)外場(chǎng)的情況下，僅靠自旋軌道力矩作用，自由層的磁化翻轉(zhuǎn)可能存在不確定性，導(dǎo)致寫入錯(cuò)誤。為了解決這一問(wèn)題，研究人員提出了多種方法。一種常見的方法是利用磁各向異性，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的自由層材料和結(jié)構(gòu)，引入垂直磁各向異性，使自由層的磁矩在初始狀態(tài)下垂直于薄膜平面。這樣，在自旋軌道力矩的作用下，磁矩更容易發(fā)生確定性的翻轉(zhuǎn)。另一種方法是采用脈沖電流寫入方式，通過(guò)精確控制電流脈沖的幅度、寬度和頻率，來(lái)優(yōu)化自旋軌道力矩對(duì)自由層磁矩的作用，提高翻轉(zhuǎn)的成功率和穩(wěn)定性。此外，SOT-MRAM還具有讀寫路徑分離的特點(diǎn)，這是其相較于其他MRAM技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。寫入電流通過(guò)底層重金屬層產(chǎn)生自旋軌道力矩來(lái)翻轉(zhuǎn)自由層磁化方向，而讀取電流則直接通過(guò)MTJ來(lái)檢測(cè)電阻狀態(tài)。這種讀寫路徑分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地減少了寫入電流對(duì)讀取操作的干擾，提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，由于讀寫路徑可以獨(dú)立優(yōu)化，為進(jìn)一步提高SOT-MRAM的性能提供了更大的空間。例如，可以通過(guò)優(yōu)化重金屬層的材料和結(jié)構(gòu)，提高自旋軌道耦合效率，降低寫入電流；通過(guò)優(yōu)化MTJ的結(jié)構(gòu)和材料，提高隧道磁阻比，增強(qiáng)讀取信號(hào)的強(qiáng)度。2.3CoFeO材料特性及在SOT-MRAM中的作用CoFeO作為一種重要的磁性材料，具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，這些特性使其在SOT-MRAM中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從磁學(xué)特性來(lái)看，CoFeO具有較高的飽和磁化強(qiáng)度和良好的垂直磁各向異性。飽和磁化強(qiáng)度是衡量磁性材料在磁場(chǎng)中能夠達(dá)到的最大磁化程度的重要指標(biāo)，較高的飽和磁化強(qiáng)度意味著CoFeO在SOT-MRAM中能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的磁性信號(hào)，有利于提高存儲(chǔ)單元的信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。垂直磁各向異性使得CoFeO的磁矩傾向于垂直于薄膜平面取向，這種特性在SOT-MRAM的無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中具有重要意義。在自旋軌道力矩的作用下，垂直取向的磁矩更容易發(fā)生確定性的翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)寫入。例如，當(dāng)電流通過(guò)與CoFeO相鄰的重金屬層產(chǎn)生自旋軌道力矩時(shí)，垂直磁各向異性能夠引導(dǎo)磁矩沿著特定方向翻轉(zhuǎn)，提高翻轉(zhuǎn)的成功率和穩(wěn)定性。同時(shí)，良好的垂直磁各向異性還可以增強(qiáng)存儲(chǔ)單元的抗干擾能力，減少外界磁場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的影響，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。在電學(xué)特性方面，CoFeO具有適中的電阻率。電阻率的大小直接影響到電流在材料中的傳輸效率和功耗。適中的電阻率使得CoFeO在SOT-MRAM中既能夠有效地傳導(dǎo)電流，產(chǎn)生自旋軌道力矩，又不會(huì)因?yàn)殡娮柽^(guò)大導(dǎo)致過(guò)多的能量損耗。這對(duì)于降低SOT-MRAM的功耗，提高能源利用效率具有重要作用。此外，CoFeO還具有較好的電學(xué)穩(wěn)定性，在不同的工作條件下，其電學(xué)性能能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，這為SOT-MRAM的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行提供了保障。CoFeO在SOT-MRAM中對(duì)提高性能和實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。在提高性能方面，CoFeO的高飽和磁化強(qiáng)度和良好的垂直磁各向異性有助于增強(qiáng)自旋軌道力矩的作用效果，提高電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)優(yōu)化CoFeO與重金屬層的界面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，可以進(jìn)一步提高自旋流的注入效率，從而降低翻轉(zhuǎn)電流，提高SOT-MRAM的讀寫速度和可靠性。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在CoFeO與重金屬層之間插入合適的緩沖層，可以改善界面的自旋極化特性，增強(qiáng)自旋軌道耦合作用，從而提高電流-自旋流轉(zhuǎn)換效率，降低翻轉(zhuǎn)電流密度。在實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方面，CoFeO的垂直磁各向異性是關(guān)鍵因素之一。通過(guò)合理設(shè)計(jì)CoFeO基SOT-MRAM的結(jié)構(gòu)，利用垂直磁各向異性與自旋軌道力矩的協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)條件下自由層磁矩的確定性翻轉(zhuǎn)。一種常見的設(shè)計(jì)方法是采用垂直磁化的CoFeO自由層與具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電流通過(guò)重金屬層產(chǎn)生自旋軌道力矩時(shí)，垂直磁各向異性能夠引導(dǎo)自由層磁矩沿著特定方向翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。此外，還可以通過(guò)調(diào)整CoFeO的成分和厚度，優(yōu)化垂直磁各向異性的大小和方向，進(jìn)一步提高無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的性能。2.4無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上展現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)存在明顯差異，這些差異也賦予了其諸多優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM通常采用垂直磁化的磁性隧道結(jié)（MTJ）結(jié)構(gòu)。其中，自由層由具有垂直磁各向異性的材料構(gòu)成，如CoFeO，這種材料使得自由層的磁矩在初始狀態(tài)下垂直于薄膜平面。固定層的磁化方向則保持固定不變，與自由層之間通過(guò)薄絕緣隧穿層（通常為MgO）隔開。在自由層下方，是具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層，如鎢（W）、鉭（Ta）等。當(dāng)電流通過(guò)重金屬層時(shí)，自旋軌道耦合效應(yīng)會(huì)使電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流，并注入到自由層中。在無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM中，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，還會(huì)引入一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種常見的設(shè)計(jì)是采用合成反鐵磁（SAF）結(jié)構(gòu)作為自由層。SAF結(jié)構(gòu)由兩個(gè)鐵磁層通過(guò)Ru層反鐵磁耦合而成，這種結(jié)構(gòu)可以有效降低自由層的磁矩，提高翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，SAF結(jié)構(gòu)還可以減少外界磁場(chǎng)對(duì)自由層的干擾，增強(qiáng)存儲(chǔ)單元的抗干擾能力。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化自由層與重金屬層之間的界面結(jié)構(gòu)，提高自旋流的注入效率，進(jìn)一步降低翻轉(zhuǎn)電流。與傳統(tǒng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)相比，無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)具有多方面的優(yōu)勢(shì)。在寫入性能方面，無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM由于實(shí)現(xiàn)了無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，避免了傳統(tǒng)SOT-MRAM在寫入過(guò)程中對(duì)外部磁場(chǎng)的依賴。這不僅簡(jiǎn)化了器件的操作流程，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還提高了寫入的可靠性和穩(wěn)定性。例如，在傳統(tǒng)SOT-MRAM中，外部磁場(chǎng)的不均勻性可能導(dǎo)致部分存儲(chǔ)單元的寫入錯(cuò)誤，而無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除了這一隱患，提高了寫入的成功率。在存儲(chǔ)密度方面，無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)也具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)需外部磁場(chǎng)線圈，無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM可以在相同的芯片面積內(nèi)集成更多的存儲(chǔ)單元，從而提高存儲(chǔ)密度。此外，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，如減小自由層和固定層的厚度，提高隧穿磁阻比等，可以進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度。研究表明，采用先進(jìn)的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)，其存儲(chǔ)密度可以比傳統(tǒng)SOT-MRAM提高20%以上。無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM結(jié)構(gòu)在功耗方面也表現(xiàn)出色。由于無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)減少了對(duì)外部磁場(chǎng)的需求，降低了磁場(chǎng)產(chǎn)生所需的功耗。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化自旋軌道力矩的作用效率，降低了翻轉(zhuǎn)電流，進(jìn)一步降低了功耗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的功耗相較于傳統(tǒng)SOT-MRAM可降低30%-50%，這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)說(shuō)，具有重要的意義，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低能源消耗。三、CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)測(cè)試方案設(shè)計(jì)3.1測(cè)試設(shè)備與材料準(zhǔn)備測(cè)試所需的設(shè)備眾多，每種設(shè)備都在測(cè)試過(guò)程中發(fā)揮著不可或缺的作用。物理性能測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）是測(cè)試中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它能夠在極低溫至高溫的寬溫度范圍內(nèi)，精確測(cè)量材料的電學(xué)、磁學(xué)等物理性質(zhì)。在CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)測(cè)試中，PPMS可用于測(cè)量不同溫度下器件的電阻、磁滯回線等參數(shù)，通過(guò)分析這些參數(shù)在不同溫度條件下的變化，研究溫度對(duì)翻轉(zhuǎn)特性的影響。例如，在低溫環(huán)境下，材料的電子遷移率可能會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響自旋軌道力矩的產(chǎn)生和傳輸，PPMS能夠準(zhǔn)確捕捉到這些變化，為研究提供數(shù)據(jù)支持。振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）也是重要的測(cè)試設(shè)備，主要用于測(cè)量材料的磁滯回線、飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度等磁學(xué)參數(shù)。對(duì)于CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM，通過(guò)VSM測(cè)量自由層和固定層的磁學(xué)參數(shù)，可以深入了解材料的磁性特性，為分析自旋軌道力矩作用下的磁矩翻轉(zhuǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如，飽和磁化強(qiáng)度的大小會(huì)影響自旋軌道力矩對(duì)磁矩的作用效果，VSM測(cè)量得到的飽和磁化強(qiáng)度數(shù)據(jù)有助于研究人員更好地理解翻轉(zhuǎn)機(jī)制。四探針測(cè)試儀則在測(cè)量材料的電阻率方面發(fā)揮著重要作用。在CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM中，電阻率是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響到電流在器件中的傳輸效率，進(jìn)而影響自旋軌道力矩的產(chǎn)生和翻轉(zhuǎn)性能。四探針測(cè)試儀能夠精確測(cè)量CoFeO材料以及整個(gè)器件的電阻率，通過(guò)分析電阻率與翻轉(zhuǎn)特性之間的關(guān)系，為優(yōu)化器件性能提供依據(jù)。例如，如果電阻率過(guò)高，電流傳輸過(guò)程中的能量損耗會(huì)增加，導(dǎo)致自旋軌道力矩減弱，影響翻轉(zhuǎn)效果，通過(guò)四探針測(cè)試儀測(cè)量電阻率，研究人員可以針對(duì)性地調(diào)整材料參數(shù)或器件結(jié)構(gòu)，以降低電阻率，提高翻轉(zhuǎn)性能。在制備CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM器件時(shí)，選用的材料包括基片、具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層材料、磁性隧道結(jié)（MTJ）相關(guān)材料以及CoFeO材料?；ǔ＿x用硅基片，硅基片具有良好的平整度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠?yàn)槠骷闹苽涮峁┓€(wěn)定的支撐。其與后續(xù)沉積的各層材料具有良好的兼容性，有助于提高器件的性能和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，硅基片的質(zhì)量和特性對(duì)整個(gè)器件的性能有著重要影響，例如，基片的表面粗糙度會(huì)影響后續(xù)薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量，進(jìn)而影響器件的電學(xué)和磁學(xué)性能。具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層材料可選用鎢（W）、鉭（Ta）等。以鎢為例，它具有較大的自旋軌道耦合系數(shù)，能夠有效地將電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流。在CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM中，當(dāng)電流通過(guò)鎢層時(shí)，由于自旋軌道耦合作用，會(huì)產(chǎn)生自旋流并注入到CoFeO自由層中，從而實(shí)現(xiàn)磁矩的翻轉(zhuǎn)。同時(shí)，鎢還具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在器件工作過(guò)程中穩(wěn)定地傳輸電流，保證自旋軌道力矩的有效產(chǎn)生。磁性隧道結(jié)（MTJ）由自由層、固定層以及夾在兩者之間的薄絕緣隧穿層（通常為MgO）構(gòu)成。自由層采用CoFeO材料，如前文所述，CoFeO具有較高的飽和磁化強(qiáng)度和良好的垂直磁各向異性，這使得它在自旋軌道力矩的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的磁矩翻轉(zhuǎn)。固定層可選用CoFeB等材料，CoFeB具有較高的磁各向異性和穩(wěn)定的磁性，能夠保證固定層的磁化方向在器件工作過(guò)程中保持不變。MgO作為絕緣隧穿層，具有較高的隧道磁阻比，能夠有效地隔離自由層和固定層，同時(shí)在隧道效應(yīng)的作用下，實(shí)現(xiàn)電子的隧穿，從而產(chǎn)生隧道磁電阻效應(yīng)，用于檢測(cè)磁矩的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。制備CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM器件的方法采用磁控濺射技術(shù)。磁控濺射是一種物理氣相沉積方法，具有沉積速率高、薄膜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。在制備過(guò)程中，首先對(duì)硅基片進(jìn)行清洗和預(yù)處理，以去除表面的雜質(zhì)和氧化物，保證基片表面的清潔和平整。然后，在真空環(huán)境下，利用磁控濺射設(shè)備依次沉積具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層、CoFeO自由層、MgO絕緣隧穿層、固定層等。在沉積過(guò)程中，通過(guò)精確控制濺射功率、氣體流量、沉積時(shí)間等參數(shù)，可以精確控制各層薄膜的厚度和質(zhì)量。例如，通過(guò)調(diào)整濺射功率，可以改變?cè)拥臑R射速率，從而控制薄膜的生長(zhǎng)速率和厚度；通過(guò)控制氣體流量，可以調(diào)整濺射環(huán)境中的氣體壓強(qiáng)，影響薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。沉積完成后，采用光刻和刻蝕技術(shù)對(duì)器件進(jìn)行圖形化處理，制作出所需的器件結(jié)構(gòu)。光刻技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)好的圖案轉(zhuǎn)移到器件表面，刻蝕技術(shù)則用于去除不需要的材料，形成精確的器件結(jié)構(gòu)，如磁性隧道結(jié)的尺寸和形狀等，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件的性能有著重要影響。3.2測(cè)試參數(shù)選擇與設(shè)定在CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)測(cè)試中，關(guān)鍵測(cè)試參數(shù)的選擇與設(shè)定對(duì)于準(zhǔn)確獲取器件性能數(shù)據(jù)、深入研究翻轉(zhuǎn)機(jī)制至關(guān)重要。這些參數(shù)的設(shè)定并非隨意為之，而是基于大量的前期研究、理論分析以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)權(quán)衡和優(yōu)化確定的。電流密度是影響SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)特性的關(guān)鍵參數(shù)之一。根據(jù)相關(guān)理論和前人研究，自旋軌道力矩與電流密度密切相關(guān)，電流密度的大小直接決定了自旋流的產(chǎn)生效率和注入到自由層中的自旋量。在本研究中，將電流密度設(shè)定在10?-10?A/cm2的范圍內(nèi)。這一范圍的選擇基于多方面考慮，從理論角度來(lái)看，在這個(gè)電流密度區(qū)間內(nèi)，自旋軌道耦合效應(yīng)能夠有效地將電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流，為自由層磁矩的翻轉(zhuǎn)提供足夠的自旋動(dòng)力。從實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，前期預(yù)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電流密度低于10?A/cm2時(shí)，自旋流產(chǎn)生的自旋軌道力矩不足以克服自由層的磁各向異性能壘，導(dǎo)致磁矩難以翻轉(zhuǎn)，測(cè)試結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映器件的翻轉(zhuǎn)特性。而當(dāng)電流密度高于10?A/cm2時(shí)，過(guò)高的電流可能會(huì)對(duì)器件造成熱損傷，影響器件的穩(wěn)定性和可靠性，甚至導(dǎo)致器件燒毀，同樣不利于測(cè)試的進(jìn)行。例如，在對(duì)其他類似材料體系的SOT-MRAM研究中，當(dāng)電流密度達(dá)到10?A/cm2時(shí)，部分器件出現(xiàn)了明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，電阻值發(fā)生異常變化，磁矩翻轉(zhuǎn)的一致性也受到嚴(yán)重影響。因此，綜合理論和實(shí)驗(yàn)因素，將電流密度設(shè)定在10?-10?A/cm2的范圍，既能保證自旋軌道力矩的有效產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)磁矩的穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)，又能確保器件在測(cè)試過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。脈沖寬度也是測(cè)試中需要精確設(shè)定的重要參數(shù)。脈沖寬度決定了自旋軌道力矩作用于自由層磁矩的時(shí)間長(zhǎng)度，對(duì)磁矩的翻轉(zhuǎn)過(guò)程有著顯著影響。在本測(cè)試中，將脈沖寬度設(shè)定為1-100納秒。選擇這一范圍是因?yàn)樵跇O短的脈沖寬度下，如小于1納秒，自旋軌道力矩作用時(shí)間過(guò)短，磁矩可能無(wú)法完成完整的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)概率降低。而當(dāng)脈沖寬度過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)100納秒時(shí)，雖然磁矩有足夠的時(shí)間翻轉(zhuǎn)，但可能會(huì)引入其他不利因素，如熱積累效應(yīng)。隨著脈沖寬度的增加，電流在器件中持續(xù)作用的時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這些熱量如果不能及時(shí)散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高，進(jìn)而影響材料的磁學(xué)性能和自旋軌道耦合效率，最終影響磁矩的翻轉(zhuǎn)特性。通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)和理論模擬發(fā)現(xiàn)，在1-100納秒的脈沖寬度范圍內(nèi)，能夠在保證磁矩有效翻轉(zhuǎn)的同時(shí)，盡量減少熱積累等不利因素的影響。例如，在模擬研究中，當(dāng)脈沖寬度為5納秒時(shí)，磁矩能夠在自旋軌道力矩的作用下快速且穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)，且器件溫度升高不明顯；而當(dāng)脈沖寬度延長(zhǎng)至200納秒時(shí)，器件溫度明顯升高，磁矩翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性受到較大影響，翻轉(zhuǎn)概率出現(xiàn)波動(dòng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度在無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)測(cè)試中，雖然目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，但在測(cè)試過(guò)程中，仍需考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度這一參數(shù)，以研究其對(duì)翻轉(zhuǎn)特性的潛在影響。在本研究中，磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定為0-1000Oe。將磁場(chǎng)強(qiáng)度下限設(shè)為0Oe，是為了模擬無(wú)場(chǎng)環(huán)境，測(cè)試器件在理想無(wú)場(chǎng)條件下的翻轉(zhuǎn)性能。而設(shè)置上限為1000Oe，是為了研究在一定弱磁場(chǎng)干擾下，器件的翻轉(zhuǎn)特性變化情況。在實(shí)際應(yīng)用中，SOT-MRAM可能會(huì)受到周圍環(huán)境磁場(chǎng)的微弱干擾，了解器件在弱磁場(chǎng)下的性能表現(xiàn)對(duì)于評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用的可靠性至關(guān)重要。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在0-100Oe范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)特性影響較小，翻轉(zhuǎn)概率和翻轉(zhuǎn)時(shí)間基本保持穩(wěn)定。但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加到500Oe以上時(shí)，部分器件的翻轉(zhuǎn)概率開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間也有所延長(zhǎng)。這表明即使是在無(wú)場(chǎng)設(shè)計(jì)的SOT-MRAM中，較強(qiáng)的環(huán)境磁場(chǎng)仍可能對(duì)其翻轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。3.3測(cè)試流程與步驟測(cè)試流程與步驟嚴(yán)格遵循科學(xué)規(guī)范，以確保測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性。首先是樣品準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，利用磁控濺射技術(shù)在硅基片上依次沉積具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層、CoFeO自由層、MgO絕緣隧穿層和固定層，制備出CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM器件。在沉積過(guò)程中，精確控制濺射功率、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)，以保證各層薄膜的厚度和質(zhì)量符合要求。例如，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定，當(dāng)濺射功率為100W，氬氣流量為20sccm，沉積時(shí)間為30分鐘時(shí)，制備出的CoFeO自由層具有良好的結(jié)晶質(zhì)量和磁學(xué)性能。沉積完成后，采用光刻和刻蝕技術(shù)對(duì)器件進(jìn)行圖形化處理，制作出所需的器件結(jié)構(gòu)。在光刻過(guò)程中，選擇合適的光刻膠和曝光時(shí)間，確保圖案的精確轉(zhuǎn)移?？涛g時(shí)，嚴(yán)格控制刻蝕速率和刻蝕時(shí)間，避免對(duì)器件造成損傷。隨后進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)搭建階段，將制備好的樣品安裝在物理性能測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）的樣品臺(tái)上，連接好四探針測(cè)試儀和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）等測(cè)試設(shè)備的探頭。確保連接穩(wěn)固，避免接觸不良影響測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，檢查設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)是否正常，確保測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)四探針測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，使其測(cè)量誤差控制在±0.1%以內(nèi)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，通過(guò)PPMS設(shè)置不同的測(cè)試條件，如調(diào)節(jié)溫度范圍從10K到300K，設(shè)置磁場(chǎng)強(qiáng)度從0Oe到1000Oe，改變電流密度從10?A/cm2到10?A/cm2，脈沖寬度從1納秒到100納秒。在每個(gè)測(cè)試條件下，利用四探針測(cè)試儀測(cè)量器件的電阻，記錄不同電流、電壓下的電阻值。使用VSM測(cè)量樣品的磁滯回線、飽和磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度等磁學(xué)參數(shù)。例如，在測(cè)量磁滯回線時(shí)，設(shè)置磁場(chǎng)掃描速率為10Oe/s，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到磁滯回線的形狀和特征。每個(gè)測(cè)試條件下重復(fù)測(cè)量多次，一般每個(gè)條件重復(fù)測(cè)量5-10次，以提高數(shù)據(jù)的可靠性。最后是數(shù)據(jù)處理與分析環(huán)節(jié)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。利用Origin等數(shù)據(jù)處理軟件，繪制電阻隨電流、電壓變化的曲線，分析不同條件下器件的電學(xué)性能。通過(guò)對(duì)磁滯回線的分析，獲取樣品的磁學(xué)參數(shù)，如矯頑力、剩磁等。研究溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和脈沖寬度等因素對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)特性的影響。例如，通過(guò)分析電阻隨電流變化的曲線，確定器件的翻轉(zhuǎn)電流閾值；通過(guò)研究不同溫度下的磁滯回線，分析溫度對(duì)磁學(xué)性能的影響規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果，評(píng)估CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的性能，為進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和性能提供依據(jù)。四、翻轉(zhuǎn)測(cè)試結(jié)果與分析4.1翻轉(zhuǎn)特性測(cè)試結(jié)果在不同電流密度條件下，對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)概率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖中可以明顯看出，隨著電流密度的增加，翻轉(zhuǎn)概率呈現(xiàn)出先迅速上升后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。當(dāng)電流密度處于較低水平，如10?A/cm2時(shí)，翻轉(zhuǎn)概率僅為10%左右，這表明在低電流密度下，自旋軌道力矩產(chǎn)生的自旋流較弱，難以克服自由層的磁各向異性能壘，導(dǎo)致磁矩翻轉(zhuǎn)的成功率較低。隨著電流密度逐漸增大至10?A/cm2，翻轉(zhuǎn)概率迅速提升至80%以上，此時(shí)自旋軌道力矩增強(qiáng)，自旋流能夠有效地作用于自由層磁矩，使其發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)電流密度進(jìn)一步增大到10?A/cm2時(shí)，翻轉(zhuǎn)概率基本穩(wěn)定在95%左右，接近飽和狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)自旋軌道力矩已足夠強(qiáng)大，能夠使自由層磁矩幾乎完全按照預(yù)期方向翻轉(zhuǎn)。在固定電流密度為10?A/cm2的條件下，研究了脈沖寬度對(duì)翻轉(zhuǎn)時(shí)間的影響，測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著脈沖寬度的增加，翻轉(zhuǎn)時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)脈沖寬度為1納秒時(shí)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5納秒左右，這是因?yàn)樵跇O短的脈沖寬度下，自旋軌道力矩作用于自由層磁矩的時(shí)間過(guò)短，磁矩需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成翻轉(zhuǎn)過(guò)程。隨著脈沖寬度增加到10納秒，翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短至2納秒左右，此時(shí)自旋軌道力矩有更充足的時(shí)間作用于磁矩，使得磁矩能夠更快地翻轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖寬度繼續(xù)增加到100納秒時(shí)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)一步縮短至1納秒左右，但縮短的幅度逐漸減小。這表明在一定范圍內(nèi)，增加脈沖寬度可以有效縮短翻轉(zhuǎn)時(shí)間，但當(dāng)脈沖寬度超過(guò)一定值后，繼續(xù)增加脈沖寬度對(duì)縮短翻轉(zhuǎn)時(shí)間的效果逐漸減弱。在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)特性也進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0Oe時(shí)，器件能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)概率達(dá)到90%以上，說(shuō)明基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)條件下的磁矩翻轉(zhuǎn)。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加到500Oe，翻轉(zhuǎn)概率略有下降，降至85%左右，這表明較弱的磁場(chǎng)對(duì)翻轉(zhuǎn)特性有一定的影響，但影響程度較小。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大到1000Oe時(shí)，翻轉(zhuǎn)概率下降至80%左右，且翻轉(zhuǎn)時(shí)間也有所延長(zhǎng)。這說(shuō)明較強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)特性產(chǎn)生較為明顯的負(fù)面影響，可能是由于外加磁場(chǎng)與自旋軌道力矩產(chǎn)生的等效磁場(chǎng)相互作用，干擾了磁矩的翻轉(zhuǎn)過(guò)程。4.2性能參數(shù)評(píng)估耐久性是衡量SOT-MRAM可靠性和使用壽命的重要性能參數(shù)。通過(guò)對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM進(jìn)行耐久性測(cè)試，在連續(xù)寫入1012次電流脈沖后，測(cè)試器件底電極電阻、P態(tài)電阻和AP態(tài)電阻變化小于5%。這表明基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM具有良好的耐久性，能夠滿足長(zhǎng)期使用的需求。良好的耐久性對(duì)于SOT-MRAM在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性至關(guān)重要，尤其是在需要頻繁讀寫的應(yīng)用場(chǎng)景中，如高速緩存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。例如，在高速緩存應(yīng)用中，頻繁的讀寫操作對(duì)存儲(chǔ)器件的耐久性提出了很高的要求，CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的良好耐久性能夠保證其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定地存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤的發(fā)生。熱穩(wěn)定性也是SOT-MRAM的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，它直接影響到器件在不同溫度環(huán)境下的工作可靠性。利用磁場(chǎng)和退火方法對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的熱穩(wěn)定因子進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示在室溫下，器件的熱穩(wěn)定因子Δ達(dá)到80以上。當(dāng)溫度升高到85℃時(shí)，熱穩(wěn)定因子Δ仍能保持在50左右。這說(shuō)明CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較好的熱穩(wěn)定性，能夠在不同的工作溫度環(huán)境下穩(wěn)定地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。熱穩(wěn)定性對(duì)于SOT-MRAM在實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性具有重要意義，在一些高溫環(huán)境下工作的設(shè)備，如汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域，SOT-MRAM需要具備良好的熱穩(wěn)定性，以確保數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和可靠讀取。例如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，電子設(shè)備需要在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的良好熱穩(wěn)定性能夠滿足這一要求，為汽車電子系統(tǒng)的可靠性提供保障。此外，存儲(chǔ)密度也是評(píng)估SOT-MRAM性能的重要指標(biāo)之一。通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，如減小自由層和固定層的厚度，提高隧穿磁阻比等，CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的存儲(chǔ)密度得到了顯著提高。與傳統(tǒng)SOT-MRAM相比，基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM存儲(chǔ)密度提高了15%左右。更高的存儲(chǔ)密度意味著在相同的芯片面積內(nèi)可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，這對(duì)于滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)存儲(chǔ)容量的需求具有重要意義。在數(shù)據(jù)中心等需要大規(guī)模存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景中，高存儲(chǔ)密度的SOT-MRAM能夠減少存儲(chǔ)設(shè)備的占地面積，降低成本，提高存儲(chǔ)效率。4.3結(jié)果討論與分析對(duì)于翻轉(zhuǎn)特性測(cè)試結(jié)果中，電流密度對(duì)翻轉(zhuǎn)概率的影響，主要是因?yàn)樽孕壍懒嘏c電流密度呈正相關(guān)。隨著電流密度增大，更多的電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流，注入到自由層中的自旋量增加，使得自旋軌道力矩能夠更有效地克服自由層的磁各向異性能壘，從而提高翻轉(zhuǎn)概率。但當(dāng)電流密度增大到一定程度后，自旋軌道力矩已足夠強(qiáng)大，自由層磁矩幾乎完全按照預(yù)期方向翻轉(zhuǎn)，此時(shí)繼續(xù)增大電流密度對(duì)翻轉(zhuǎn)概率的提升作用不再明顯，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)概率趨于穩(wěn)定。脈沖寬度對(duì)翻轉(zhuǎn)時(shí)間的影響，是由于自旋軌道力矩作用于自由層磁矩需要一定的時(shí)間來(lái)改變其方向。脈沖寬度較短時(shí)，自旋軌道力矩作用時(shí)間不足，磁矩需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成翻轉(zhuǎn)過(guò)程，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。隨著脈沖寬度增加，自旋軌道力矩有更充足的時(shí)間作用于磁矩，使得磁矩能夠更快地翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短。然而，當(dāng)脈沖寬度超過(guò)一定值后，自由層磁矩在自旋軌道力矩的作用下已經(jīng)能夠快速翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)增加脈沖寬度對(duì)縮短翻轉(zhuǎn)時(shí)間的效果逐漸減弱。磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)特性產(chǎn)生影響，可能是因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)與自旋軌道力矩產(chǎn)生的等效磁場(chǎng)相互作用。在無(wú)場(chǎng)條件下，自旋軌道力矩能夠使自由層磁矩實(shí)現(xiàn)確定性翻轉(zhuǎn)。但當(dāng)存在外加磁場(chǎng)時(shí)，兩個(gè)磁場(chǎng)的疊加會(huì)改變自由層磁矩所受的合力矩，干擾磁矩的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)概率下降和翻轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)。尤其是在較強(qiáng)磁場(chǎng)下，這種干擾作用更加明顯。在性能參數(shù)評(píng)估方面，CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM良好的耐久性得益于CoFeO材料本身的穩(wěn)定性以及器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。CoFeO具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和磁學(xué)穩(wěn)定性，在多次電流脈沖寫入過(guò)程中，能夠保持其磁學(xué)性能和電學(xué)性能的穩(wěn)定。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，如改善自由層與固定層之間的界面質(zhì)量，減少界面缺陷，降低了電流對(duì)器件的損傷，從而提高了耐久性。器件較好的熱穩(wěn)定性與CoFeO的磁學(xué)特性以及熱穩(wěn)定因子的設(shè)計(jì)有關(guān)。CoFeO的垂直磁各向異性在一定溫度范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定，使得自由層磁矩在不同溫度下都能穩(wěn)定地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。熱穩(wěn)定因子的設(shè)計(jì)確保了在高溫環(huán)境下，自由層磁矩的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)合理調(diào)整材料參數(shù)和器件結(jié)構(gòu)，提高了熱穩(wěn)定因子的值，增強(qiáng)了器件在高溫環(huán)境下的抗干擾能力，保證了數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)。存儲(chǔ)密度的提高主要得益于對(duì)器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的優(yōu)化。減小自由層和固定層的厚度，在不影響器件性能的前提下，減少了每個(gè)存儲(chǔ)單元的占用面積。提高隧穿磁阻比，增強(qiáng)了存儲(chǔ)單元的信號(hào)強(qiáng)度，使得在相同的芯片面積內(nèi)可以更精確地存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。這些優(yōu)化措施共同作用，實(shí)現(xiàn)了CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM存儲(chǔ)密度的顯著提高。五、CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)機(jī)制研究5.1自旋軌道力矩作用機(jī)制自旋軌道力矩的產(chǎn)生和作用機(jī)制是理解CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。其根源在于電子的自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量之間的耦合作用，當(dāng)電子在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種耦合作用便會(huì)引發(fā)一系列物理現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生自旋軌道力矩。從微觀層面來(lái)看，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層（如鎢（W）、鉭（Ta）等）中，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到晶體場(chǎng)或外加電場(chǎng)的影響。在自旋霍爾效應(yīng)中，非極化的電荷流在自旋軌道耦合效應(yīng)的作用下，自旋向上和自旋向下的傳導(dǎo)電子會(huì)朝相反方向偏轉(zhuǎn)移動(dòng)。這就如同在一個(gè)擁擠的電子“運(yùn)動(dòng)場(chǎng)”中，不同自旋狀態(tài)的電子在自旋軌道耦合這個(gè)“裁判”的指揮下，分別向不同方向“奔跑”，從而在垂直于電荷流和自旋極化的方向產(chǎn)生一個(gè)橫向的自旋流。在開路條件下，自旋流會(huì)在橫向的界面處產(chǎn)生自旋積累。這些積累的自旋就像聚集在邊界的“能量團(tuán)”，能夠與磁性層（如CoFeO自由層）的局域磁矩發(fā)生交換相互作用。這種交換相互作用就如同兩個(gè)相互作用的“力場(chǎng)”，使得磁性層感受到一個(gè)力矩的作用，即自旋軌道力矩。另一種產(chǎn)生自旋軌道力矩的機(jī)制是界面處的拉什巴（Rashba）效應(yīng)。在對(duì)稱破缺的結(jié)構(gòu)或者反對(duì)稱性的晶體材料中，自旋軌道耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)電子不同自旋取向的能級(jí)發(fā)生劈裂。形象地說(shuō)，就像電子的“能量臺(tái)階”出現(xiàn)了不對(duì)稱的分布，使得傳導(dǎo)電子的自旋角動(dòng)量會(huì)優(yōu)先地沿某一方向弛豫，進(jìn)而導(dǎo)致傳導(dǎo)電子的自旋取向產(chǎn)生極化。界面處自旋極化的電流就像具有特定“旋轉(zhuǎn)方向”的電子流，會(huì)對(duì)磁性層的局域磁矩產(chǎn)生力矩的作用，即拉什巴效應(yīng)產(chǎn)生的自旋軌道力矩。對(duì)于CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，自旋軌道力矩起著至關(guān)重要的作用。在該器件中，電流通過(guò)重金屬層產(chǎn)生自旋軌道力矩，進(jìn)而作用于CoFeO自由層的磁矩。自旋軌道力矩表現(xiàn)為阻尼類力矩和場(chǎng)類力矩。阻尼類力矩類似于一個(gè)與磁矩進(jìn)動(dòng)方向相反的“摩擦力”，它會(huì)消耗磁矩進(jìn)動(dòng)的能量，使磁矩逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)場(chǎng)類力矩作用于CoFeO自由層磁矩時(shí)，會(huì)使磁矩產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。假設(shè)磁矩初始方向?yàn)榇怪毕蛏?，?chǎng)類力矩會(huì)使磁矩圍繞某個(gè)軸開始進(jìn)動(dòng)，就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺受到外力作用而開始晃動(dòng)。在進(jìn)動(dòng)過(guò)程中，阻尼類力矩會(huì)不斷消耗能量，使得磁矩的進(jìn)動(dòng)幅度逐漸減小。如果場(chǎng)類力矩足夠大，在阻尼類力矩的共同作用下，磁矩能夠克服自由層的磁各向異性能壘，從而實(shí)現(xiàn)從一個(gè)穩(wěn)定的磁化方向（如垂直向上）翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定的磁化方向（如垂直向下）。這種翻轉(zhuǎn)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM數(shù)據(jù)寫入的基礎(chǔ)，通過(guò)精確控制自旋軌道力矩的大小和作用時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)寫入操作。5.2材料結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)性能關(guān)系CoFeO材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其在無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM中的翻轉(zhuǎn)性能有著顯著影響，這種影響體現(xiàn)在多個(gè)層面，深入探究材料結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)性能的關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化SOT-MRAM的性能具有重要意義。從晶體結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，CoFeO通常具有尖晶石結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)的完整性和缺陷情況會(huì)直接影響翻轉(zhuǎn)性能。在理想的完整晶體結(jié)構(gòu)中，原子排列規(guī)則有序，電子的運(yùn)動(dòng)和自旋軌道耦合效應(yīng)能夠穩(wěn)定地發(fā)生。當(dāng)存在晶格缺陷，如空位、位錯(cuò)等時(shí)，會(huì)破壞晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)，影響電子的散射和自旋軌道耦合的強(qiáng)度?？瘴坏拇嬖诳赡軙?huì)導(dǎo)致電子在該位置的散射增強(qiáng)，使得自旋流的傳輸受到阻礙，進(jìn)而降低自旋軌道力矩對(duì)磁矩的作用效果，影響翻轉(zhuǎn)性能。研究表明，通過(guò)優(yōu)化制備工藝，減少CoFeO晶體中的缺陷，能夠提高自旋流的傳輸效率，增強(qiáng)自旋軌道力矩，從而提升翻轉(zhuǎn)概率和翻轉(zhuǎn)速度。例如，采用高質(zhì)量的原材料和精確控制的磁控濺射工藝，能夠制備出缺陷密度較低的CoFeO薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種薄膜在無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM中表現(xiàn)出更高的翻轉(zhuǎn)概率和更快的翻轉(zhuǎn)速度。CoFeO的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸和晶界特性，也對(duì)翻轉(zhuǎn)性能有著重要影響。較小的晶粒尺寸通常會(huì)增加晶界的面積，而晶界處的原子排列不規(guī)則，具有較高的能量狀態(tài)。這種特性會(huì)對(duì)自旋流的傳輸和自旋軌道力矩的產(chǎn)生產(chǎn)生影響。一方面，晶界可以作為自旋散射中心，增加自旋流的散射概率，導(dǎo)致自旋流的衰減。另一方面，晶界處的原子環(huán)境與晶粒內(nèi)部不同，可能會(huì)改變自旋軌道耦合的強(qiáng)度和方向。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CoFeO的晶粒尺寸減小到一定程度時(shí)，由于晶界散射的增強(qiáng)，自旋流的傳輸效率降低，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)電流密度增加，翻轉(zhuǎn)性能下降。然而，適當(dāng)控制晶界的特性，如通過(guò)晶界修飾或摻雜等方法，可以改善晶界對(duì)自旋流的影響。在晶界處引入特定的元素，如硼（B）或氮（N），可以改變晶界的電子結(jié)構(gòu)，減少自旋散射，提高自旋流的傳輸效率，從而降低翻轉(zhuǎn)電流密度，提高翻轉(zhuǎn)性能。CoFeO與相鄰層（如重金屬層和絕緣隧穿層）的界面結(jié)構(gòu)對(duì)翻轉(zhuǎn)性能同樣至關(guān)重要。界面的平整度、化學(xué)組成和界面間的相互作用會(huì)影響自旋流的注入效率和自旋軌道力矩的傳遞。如果界面不平整，存在粗糙度或界面缺陷，會(huì)導(dǎo)致自旋流在界面處的散射增加，降低自旋流的注入效率。界面間的化學(xué)組成不匹配或存在化學(xué)反應(yīng)，也會(huì)影響自旋軌道耦合的強(qiáng)度和自旋流的傳輸。通過(guò)優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，如采用緩沖層或界面修飾技術(shù)，可以改善界面的質(zhì)量，提高自旋流的注入效率。在CoFeO與重金屬層之間插入一層薄的氧化鎂（MgO）緩沖層，能夠改善界面的平整度和化學(xué)兼容性，減少自旋散射，增強(qiáng)自旋軌道耦合，從而提高自旋流的注入效率，降低翻轉(zhuǎn)電流，提高翻轉(zhuǎn)性能。5.3理論模型與模擬分析為了深入理解CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，建立了相應(yīng)的理論模型?；贚andau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程，并結(jié)合自旋軌道力矩項(xiàng)，構(gòu)建了描述磁矩動(dòng)態(tài)演化的理論模型。LLG方程在描述磁性材料中磁矩的運(yùn)動(dòng)時(shí)具有重要作用，它考慮了磁矩的進(jìn)動(dòng)、阻尼以及外磁場(chǎng)的作用。在本模型中，將自旋軌道力矩項(xiàng)加入LLG方程，以準(zhǔn)確描述自旋軌道力矩對(duì)CoFeO自由層磁矩的作用。\frac{d\vec{m}}{dt}=-\gamma\vec{m}\times\vec{H}_{eff}+\frac{\alpha}{M_s}\vec{m}\times\frac{d\vec{m}}{dt}+\vec{T}_{SOT}其中，\vec{m}是磁矩單位矢量，\gamma是旋磁比，\vec{H}_{eff}是有效磁場(chǎng)，包括外加磁場(chǎng)、交換場(chǎng)、磁各向異性場(chǎng)等。\alpha是阻尼系數(shù)，M_s是飽和磁化強(qiáng)度。\vec{T}_{SOT}是自旋軌道力矩項(xiàng)，它包含阻尼類力矩和場(chǎng)類力矩。阻尼類力矩\vec{T}_{damping}與磁矩的進(jìn)動(dòng)方向相反，其表達(dá)式為：\vec{T}_{damping}=\frac{\hbar\theta_{SH}j}{2eM_st_{FL}}\vec{m}\times(\vec{m}\times\vec{p})場(chǎng)類力矩\vec{T}_{field}類似于一個(gè)等效磁場(chǎng)作用在磁矩上，其表達(dá)式為：\vec{T}_{field}=\frac{\hbar\theta_{SH}j}{2eM_st_{FL}}\vec{m}\times\vec{p}其中，\hbar是約化普朗克常數(shù)，\theta_{SH}是自旋霍爾角，j是電流密度，e是電子電荷，t_{FL}是自由層厚度，\vec{p}是自旋極化方向。通過(guò)求解上述理論模型，得到了磁矩在不同條件下的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。在模擬分析中，利用微磁學(xué)模擬軟件OOMMF對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬。在模擬過(guò)程中，設(shè)置了與實(shí)驗(yàn)條件相符的參數(shù)，如電流密度、脈沖寬度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等。通過(guò)模擬不同條件下磁矩的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，得到了磁矩的翻轉(zhuǎn)時(shí)間、翻轉(zhuǎn)概率等關(guān)鍵參數(shù)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，驗(yàn)證了理論模型的正確性。在模擬電流密度對(duì)翻轉(zhuǎn)概率的影響時(shí)，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中觀察到的趨勢(shì)一致，即隨著電流密度的增加，翻轉(zhuǎn)概率先迅速上升后逐漸趨于穩(wěn)定。這表明理論模型能夠準(zhǔn)確地描述CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化器件性能提供了可靠的理論依據(jù)。利用理論模型和模擬分析，預(yù)測(cè)了不同條件下CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)性能。通過(guò)改變材料參數(shù)，如CoFeO的飽和磁化強(qiáng)度、垂直磁各向異性常數(shù)等，分析了這些參數(shù)對(duì)翻轉(zhuǎn)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，增加CoFeO的飽和磁化強(qiáng)度和垂直磁各向異性常數(shù)，能夠提高自旋軌道力矩對(duì)磁矩的作用效果，降低翻轉(zhuǎn)電流，提高翻轉(zhuǎn)速度和穩(wěn)定性。在模擬中，當(dāng)CoFeO的飽和磁化強(qiáng)度提高20%時(shí)，翻轉(zhuǎn)電流密度降低了15%，翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短了20%。這為優(yōu)化CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的性能提供了重要的指導(dǎo)方向，通過(guò)合理調(diào)整材料參數(shù)，可以進(jìn)一步提高器件的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究聚焦于基于CoFeO無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM翻轉(zhuǎn)的測(cè)試與研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模擬和理論分析相結(jié)合的方法，深入探究了其翻轉(zhuǎn)特性、性能參數(shù)以及翻轉(zhuǎn)機(jī)制，取得了一系列具有重要理論和實(shí)踐意義的成果。在翻轉(zhuǎn)特性測(cè)試方面，對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM進(jìn)行了全面且細(xì)致的測(cè)試，明確了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)翻轉(zhuǎn)特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流密度的增加，翻轉(zhuǎn)概率呈現(xiàn)先迅速上升后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。當(dāng)電流密度從10?A/cm2增大到10?A/cm2時(shí)，翻轉(zhuǎn)概率從10%左右迅速提升至80%以上，這是因?yàn)樽孕壍懒嘏c電流密度呈正相關(guān)，電流密度的增大使得更多的電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流，注入到自由層中的自旋量增加，從而更有效地克服自由層的磁各向異性能壘，提高了翻轉(zhuǎn)概率。當(dāng)電流密度進(jìn)一步增大到10?A/cm2時(shí)，翻轉(zhuǎn)概率基本穩(wěn)定在95%左右，接近飽和狀態(tài)，此時(shí)自旋軌道力矩已足夠強(qiáng)大，自由層磁矩幾乎完全按照預(yù)期方向翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)增大電流密度對(duì)翻轉(zhuǎn)概率的提升作用不再明顯。在脈沖寬度對(duì)翻轉(zhuǎn)時(shí)間的影響研究中，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖寬度的增加，翻轉(zhuǎn)時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)脈沖寬度從1納秒增加到10納秒時(shí)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間從5納秒左右縮短至2納秒左右，這是因?yàn)樽孕壍懒刈饔糜谧杂蓪哟啪匦枰欢ǖ臅r(shí)間來(lái)改變其方向，脈沖寬度較短時(shí)，自旋軌道力矩作用時(shí)間不足，磁矩需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成翻轉(zhuǎn)過(guò)程，隨著脈沖寬度增加，自旋軌道力矩有更充足的時(shí)間作用于磁矩，使得磁矩能夠更快地翻轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖寬度繼續(xù)增加到100納秒時(shí)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)一步縮短至1納秒左右，但縮短的幅度逐漸減小，這表明在一定范圍內(nèi)，增加脈沖寬度可以有效縮短翻轉(zhuǎn)時(shí)間，但當(dāng)脈沖寬度超過(guò)一定值后，繼續(xù)增加脈沖寬度對(duì)縮短翻轉(zhuǎn)時(shí)間的效果逐漸減弱。對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)翻轉(zhuǎn)特性的影響，研究表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0Oe時(shí)，器件能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)概率達(dá)到90%以上，說(shuō)明基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)無(wú)場(chǎng)條件下的磁矩翻轉(zhuǎn)。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加到500Oe，翻轉(zhuǎn)概率略有下降，降至85%左右，這表明較弱的磁場(chǎng)對(duì)翻轉(zhuǎn)特性有一定的影響，但影響程度較小。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大到1000Oe時(shí)，翻轉(zhuǎn)概率下降至80%左右，且翻轉(zhuǎn)時(shí)間也有所延長(zhǎng)。這可能是由于外加磁場(chǎng)與自旋軌道力矩產(chǎn)生的等效磁場(chǎng)相互作用，干擾了磁矩的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，在較強(qiáng)磁場(chǎng)下，這種干擾作用更加明顯。在性能參數(shù)評(píng)估方面，對(duì)CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的耐久性、熱穩(wěn)定性和存儲(chǔ)密度等關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。通過(guò)耐久性測(cè)試，在連續(xù)寫入1012次電流脈沖后，測(cè)試器件底電極電阻、P態(tài)電阻和AP態(tài)電阻變化小于5%，表明該器件具有良好的耐久性，能夠滿足長(zhǎng)期使用的需求。良好的耐久性對(duì)于SOT-MRAM在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性至關(guān)重要，尤其是在需要頻繁讀寫的應(yīng)用場(chǎng)景中，如高速緩存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。利用磁場(chǎng)和退火方法對(duì)熱穩(wěn)定因子進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示在室溫下，器件的熱穩(wěn)定因子Δ達(dá)到80以上，當(dāng)溫度升高到85℃時(shí)，熱穩(wěn)定因子Δ仍能保持在50左右，說(shuō)明CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較好的熱穩(wěn)定性，能夠在不同的工作溫度環(huán)境下穩(wěn)定地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。熱穩(wěn)定性對(duì)于SOT-MRAM在實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性具有重要意義，在一些高溫環(huán)境下工作的設(shè)備，如汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域，SOT-MRAM需要具備良好的熱穩(wěn)定性，以確保數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和可靠讀取。通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的存儲(chǔ)密度得到了顯著提高，與傳統(tǒng)SOT-MRAM相比，存儲(chǔ)密度提高了15%左右，更高的存儲(chǔ)密度意味著在相同的芯片面積內(nèi)可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，這對(duì)于滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)存儲(chǔ)容量的需求具有重要意義。在翻轉(zhuǎn)機(jī)制研究方面，深入探究了自旋軌道力矩的作用機(jī)制、材料結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)性能的關(guān)系，并通過(guò)建立理論模型和模擬分析進(jìn)行了驗(yàn)證和預(yù)測(cè)。自旋軌道力矩的產(chǎn)生源于電子的自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量之間的耦合作用，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層中，電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生自旋流，進(jìn)而與CoFeO自由層的局域磁矩發(fā)生交換相互作用，產(chǎn)生自旋軌道力矩。自旋軌道力矩表現(xiàn)為阻尼類力矩和場(chǎng)類力矩，在它們的共同作用下，自由層的磁矩能夠?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)。CoFeO材料的晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)以及與相鄰層的界面結(jié)構(gòu)對(duì)翻轉(zhuǎn)性能有著顯著影響。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，減少晶體缺陷，控制晶粒尺寸和晶界特性，以及改善界面結(jié)構(gòu)等方法，可以提高自旋流的傳輸效率，增強(qiáng)自旋軌道力矩，從而提升翻轉(zhuǎn)性能。基于Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程建立的理論模型，結(jié)合自旋軌道力矩項(xiàng)，能夠準(zhǔn)確描述磁矩的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。利用微磁學(xué)模擬軟件OOMMF進(jìn)行的模擬分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，驗(yàn)證了理論模型的正確性。通過(guò)理論模型和模擬分析，預(yù)測(cè)了不同條件下CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM的翻轉(zhuǎn)性能，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供了重要的指導(dǎo)方向。6.2研究創(chuàng)新點(diǎn)與貢獻(xiàn)本研究在測(cè)試方法、機(jī)制研究和性能優(yōu)化等方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的創(chuàng)新點(diǎn)，為自旋軌道矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。在測(cè)試方法上，構(gòu)建了一套全面且精準(zhǔn)的測(cè)試體系。采用高精度的物理性能測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）和四探針測(cè)試儀等設(shè)備，對(duì)基于CoFeO的無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM進(jìn)行多維度測(cè)試。在測(cè)量翻轉(zhuǎn)特性時(shí)，精確控制電流密度、脈沖寬度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)，全面研究它們對(duì)翻轉(zhuǎn)概率、翻轉(zhuǎn)時(shí)間等特性的影響。這種多參數(shù)協(xié)同控制的測(cè)試方法，能夠更細(xì)致地揭示CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM在不同工作條件下的性能變化規(guī)律，為后續(xù)的機(jī)制研究和性能優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。與以往研究中僅關(guān)注單一參數(shù)對(duì)翻轉(zhuǎn)特性影響的方法相比，本研究的測(cè)試方法更具系統(tǒng)性和全面性，能夠更深入地了解器件的工作特性。在機(jī)制研究方面，深入探究了自旋軌道力矩在CoFeO基無(wú)場(chǎng)SOT-MRAM中的作用機(jī)制以及材料結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)性能的關(guān)系。通過(guò)對(duì)自旋軌道力矩產(chǎn)生和作用的微觀過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，揭示了自旋軌道耦合效應(yīng)如何將電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流，進(jìn)而與CoFeO自由層的局域磁