客户成果 | 中科院微电子所《Applied Physics Letters》：基于局域垂直磁各向异性梯度调控的亚百纳米多态自旋轨道扭矩磁隧道结
发布时间：
2026-08-12
近日，中国科学院微电子研究所罗军、杨美音团队，在自旋轨道矩存储器件研究中取得重要突破。该研究以题为"Sub-100-nm multistate spin–orbit torque magnetic tunnel junction enabled by local perpendicular anisotropy gradient"的论文发表于知名期刊 《Applied Physics Letters》。
研究团队提出了一种基于局域垂直磁各向异性梯度（PMA gradient）的多态磁化翻转新机制：通过在器件中引入离子注入调控形成从弱PMA到强PMA的纳米尺度梯度分布，利用自旋轨道矩驱动磁化翻转区域随电流增大逐级扩展，从而在单一器件中实现多态磁化状态。该机制巧妙绕过了磁畴壁机制在百纳米以下尺度的物理瓶颈，在70-nm尺度SOT磁性隧道结中首次实现了无磁场多态磁化翻转，为高密度自旋电子存储和类脑计算提供了新的器件实现路径。研究中，致真精密仪器MOKE磁光克尔显微镜对Hall器件的磁化状态和磁畴形貌进行了直接观测，清晰证实了离子注入可有效调控CoFeB层的垂直磁各向异性，为PMA梯度多态机制提供了关键的微观实验证据。
▲《Applied Physics Letters》 期刊论文截图
▲通过致真精密仪器MOKE磁光克尔显微镜观测，清晰呈现了B⁺离子注入对CoFeB层垂直磁各向异性的调控效应：随着注入剂量从0（c）增加至0.5×10¹⁴ cm⁻²（d）和1×10¹⁴ cm⁻²（e），在横向磁场Hx = ±1.8 kOe下，MOKE磁畴成像显示注入区PMA逐渐减弱、磁化反转行为发生显著改变，直接证实了离子注入诱导局域PMA梯度的形成。
多态存储是实现AI类脑计算、权重映射和类突触调控的物理基础，而自旋轨道矩磁性随机存储器（SOT-MRAM）凭借超快翻转、低功耗和优异的可扩展性，被视为多态存储的理想平台。然而，传统的基于磁畴形核和畴壁运动的机制在百纳米尺度下难以维持稳定的多态——当器件尺寸缩小至100 nm以下时，强烈的边界约束和交换相互作用使器件趋向于单畴或少畴构型，畴壁机制在物理上难以维持。因此，亟需一种兼具可靠可控性和内在纳米可扩展性的新机制。
中国科学院微电子研究所聚焦这一核心挑战，创新性地将B⁺离子注入与磁隧道结（MTJ）器件工艺相结合。团队采用磁控溅射生长W(5)/CoFeB(1)/MgO(1.2)/CoFeB(0.9)/W(0.6)/[Co/Pt]ₙ/Ru/[Co/Pt]ₘ/capping多层膜，经350°C/5 min退火后，通过光刻和Ar离子束刻蚀制备直径约70 nm的圆形Junction，随后进行能量为10 keV的B⁺离子注入。离子注入引起晶格畸变和界面混合，减弱CoFeB/MgO界面的自旋轨道耦合，从而降低垂直磁各向异性。中心注入区PMA最小，外围未注入区PMA保持不变，形成连续梯度分布。
物理机制方面，研究团队通过宏自旋模型模拟揭示了PMA梯度驱动的多态翻转动力学：当施加小电流时，SOT优先作用于弱PMA中心区域，引起该区域磁矩面内偏转，而强PMA外围区域磁矩仍保持垂直方向；移除电流后，有效面外场使受影响区域翻转至相反垂直方向。随着电流增大，SOT强度增强，翻转区域逐步向外扩展，磁化翻转面积连续可变，从而产生与电流幅值对应的多态。模拟表明该机制可在单Junction中实现至少5个稳定态，多态间电阻差异显著。
实验验证方面，团队制备了Hall器件和MTJ器件进行系统测试。致真精密仪器MOKE磁光克尔显微镜的观测结果清晰证实了离子注入对垂直磁各向异性的调控作用——注入区域CoFeB层的PMA被有效削弱，磁化行为从垂直方向向面内方向发生可观测的转变，与理论预期一致。此外，Hall器件的反常霍尔回路测量展示了随电流脉冲幅值变化的多态磁滞特性，不同电流写入后测得的霍尔电阻呈现多个状态，证实了多态翻转的实验可重复性。MTJ器件的磁阻测量进一步表明，通过精确控制写入电流脉冲的幅值和宽度，可以在70-nm Junction中设定多种阻态。
综上，该研究提出并实验验证了一种全新的多态磁化翻转机制，其核心创新在于不依赖磁畴壁运动，而是通过PMA梯度控制翻转区域的尺寸，从而在亚百纳米尺度上实现了稳定、可控的多态存储。该方案与标准CMOS工艺兼容，无需复杂的几何设计或额外外场，为下一代高密度自旋电子存储和类脑计算芯片的集成化提供了切实可行的技术路径。
资料来源：论文 《Sub-100-nm multistate spin–orbit torque magnetic tunnel junction enabled by local perpendicular anisotropy gradient》 （Appl. Phys. Lett. Doi: 10.1063/5.0321512）
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