用于降低 STT-MRAM 翻转电流的超薄垂直自由层

在自旋转移矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）单元中，用于翻转自由层（FL）磁化所需的临界电流密度 $J_{c0}$ 正比于自由层的阻尼参数、饱和磁化强度与厚度之积，即 $\alpha M_S t_F$。传统自由层结构为 CoFeB/非磁间隔层/CoFeB。通过减小间隔层厚度（本工作中为 W），并将单层 W 拆分为两层亚单原子层厚度的层，我们在最小化 $\alpha$ 和最大化 $M_S$ 的同时减小了 $t_F$，最终在保持高热稳定性的同时降低了 $J_{c0}$。我们制备了器件直径在 55–130 nm 范围内的底钉扎 MRAM 单元，对于最薄（1.2 nm）的自由层，$J_{c0}$ 最低，在 65 nm 器件中低至 4 MA/cm$^2$，比 1.7 nm 自由层低约 30%。利用基于场翻转概率测量的畴壁反转模型，确定了最小器件尺寸下高达 150 的热稳定性因子 $\Delta_{\mathrm{dw}}$。凭借高 $\Delta_{\mathrm{dw}}$ 与最低 $J_{c0}$，最薄自由层具有最高的自旋转移矩效率。