磁性材料及其在 MTJ 结构中的应用

一、引言

随着信息技术的飞速发展，传统半导体器件已逐渐接近物理极限，自旋电子学作为一种新兴技术应运而生。磁性材料凭借独特磁特性，在自旋电子学领域应用广泛。磁性隧道结（MTJ）性能很大程度上取决于所用磁性材料的特性。MTJ 由两个铁磁层夹着一个极薄的绝缘势垒层构成，利用电子的自旋相关输运特性实现高磁电阻效应。研究磁性材料在 MTJ 结构中的应用，对提升 MTJ 读写性能、拓展其应用范围，以及推动自旋电子学发展，都有着不可忽视的重要意义。

二、磁性材料概述

2.1 磁性材料的特性

物质的磁性早在古代就已被人们认识和应用，例如中国四大发明之一的指南针，就是利用天然磁铁制造而成。人们把能对磁场做出某种方式反应的材料称为磁性材料。物质的磁性起源于电子的自旋及其轨道运动，而磁性的种类则是由原子内的电子排布和物质的晶体结构共同决定。由于原子内电子填充轨道状态和电子间的交换作用不同，原子磁矩排列具有不同的形式，从而表现出的不同的宏观磁性。磁性材料可根据其磁有序状态分为顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、抗磁性等几大类。

2.2 磁性材料的分类

顺磁性材料在无外磁场时不显现磁性，在外磁场下显现的磁性极弱，其磁化率很小，室温下仅为 10^-6～10^-3 量级，典型的顺磁性材料包括碱金属（如 Li、Na）、某些过渡金属（如 Al、Pt）、稀土金属盐类以及掺杂半导体等。铁磁性材料如 Fe、Co、Ni 及其合金，原子间较大的交换能使得相邻原子的磁矩平行，形成许多磁畴，即自发磁化。铁磁性材料的磁化率可达10^～10⁶ 量级，当外磁场撤去后，仍可保留极强的磁性。反铁磁性材料如 FeMn、IrMn 等相邻原子磁矩反平行排列，磁矩相互抵消，净磁化强度为零，但可提供交换偏置效应。亚铁磁性材料，例如锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等，由两套子晶格形成，不同子晶格的磁矩方向相反，但是磁化强度不同，不能完全抵消，所以存在剩余磁矩。而抗磁性材料的原子的磁矩为零，在外磁场中电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，其磁化率为负，对外加磁场产生微弱排斥。抗磁性材料包括 Cu、Au、Ag、C 等。

三、MTJ 结构的原理与组成

3.1 MTJ 结构的基本原理

MTJ 薄膜可分为固定层、势垒层、自由层三部分，其中自由层和固定层由铁磁性材料组成，势垒层为绝缘氧化物。MTJ 的电阻值与自由层和固定层磁化方向有关。在铁磁层中，电子因交换作用，自旋向上和向下的电子能态密度不同。当两铁磁层磁化方向平行时隧穿电流大，磁化方向反平行时隧穿电流小。这种隧穿电导随磁化方向变化的特性，产生了隧道磁阻（TMR）效应，是 MTJ 工作的核心原理。

3.2 MTJ 结构的组成部分

实际应用中的 MTJ 结构非常复杂，可细分为种子层/钉扎层/反铁磁耦合层/被钉扎层/隔离层/参考层/势垒层/自由层/覆盖层，其中，钉扎层/反铁磁耦合层/被钉扎层的组合往往被称为合成反铁磁（SAF）结构。种子层的作用是诱导 SAF 结构各膜层形成所需的（111）晶体取向，从而获取较强的垂直磁各向异性（PMA）。反铁磁耦合层使得两侧磁性层发生反铁磁耦合，即磁化方向相反。隔离层将不同对称性的材料间隔开，保证各自晶体取向不受影响，并使其两侧铁磁材料保持较强的层间磁性耦合。参考层和自由层主要由铁磁性的 CoFe、CoB、FeB、CoFeB 等合金组成，此类材料与势垒层晶格匹配较好，并且具有较高的自旋极化率，这有利于获取较高的磁电阻。势垒层主要为单晶 MgO 薄膜，MgO 的晶格对称性对隧穿电子的波函数具有筛选作用，该机制对隧穿磁电阻产生了额外的贡献，使得 MTJ 可展现出极高的磁电阻值。覆盖层大多采用的是氧化物材料又被称为 PMA 增强层。

四、磁性材料在 MTJ 结构中的应用

4.1 磁性材料对 MTJ 性能的影响

不同磁性材料用于 MTJ 铁磁层时，对性能的影响呈现出显著的差异性和关联性。在 MTJ 的铁磁电极材料中，CoFeB 因其高自旋极化率和与 MgO势垒的良好晶格匹配而成为首选。研究表明，适当比例的 CoFeB 合金（如Co20Fe60B20）可获得高TMR 比值。通过界面工程和热处理工艺优化，基于CoFeB的 MTJ 在室温下可实现 200% 以上的 TMR 比值。而低矫顽力材料如某些坡莫合金，其磁滞回线的矫顽力值较低，铁磁层的磁化方向在外部磁场作用下更易发生翻转，从而可加快 MTJ 在高低电阻态之间的切换速度。实验数据显示，采用低矫顽力材料的 MTJ 开关速度可达到亚纳秒级别，但这种材料由于内部磁畴结构稳定性较弱，磁化方向容易受到热扰动影响，可能导致热稳定性降低，例如在高温下（如 125^∘C ）环境下工作，数据保持率会下降，数据保持状态可能发生变化。高磁导率磁性材料如铁硅铝合金，其磁导率可达 10⁴ 以上，能够使磁传感器的检测灵敏度提升至 10^-9T 级别；而热稳定性好的磁性材料如钕铁硼合金，其居里温度高达 312^∘C ，能确保 MTJ在-55℃至 125^∘C 的工业级温度范围内存储信息不丢失。

4.2 磁性材料应用面临的挑战与解决方案

磁性材料在 MTJ 应用中面临着多重技术瓶颈，其中高性能磁性材料与现有半导体工艺的兼容性问题尤为突出，例如具有高自旋极化率的半金属磁性材料如 LaSrMnO₃，其制备需要超高真空溅射系统和 800^∘C 以上的退火温度，而传统 CMOS 工艺的最高温度限制在 450^∘C ，这种工艺温差导致材料与硅衬底之间产生极高的热应力，使膜层出现裂纹，降低良率。随着 MTJ尺寸从 100nm 缩小至 10nm ，量子隧穿效应引发的磁性能波动愈发显著，导致器件可靠性下降。针对这些挑战，研发新型磁性材料体系成为关键突破口，如近期开发的 FeCoNiAl 高熵合金，具有较高自旋极化率（ 85% ），生长温度较低（ ∠400^∘C ），与 CMOS 工艺兼容，采用该材料的有望使得 10nm 节点下 MTJ 仍保持较高的 TMR。在结构设计方面，引入多个合成反铁磁（SAF）结构，可有效提升 MTJ 磁稳定性，同时降低自由层受到的静磁场影响。

五、结论

磁性材料在 MTJ 结构中扮演关键角色，其特性与应用深刻影响 MTJ 性能与应用范围。通过研究磁性材料特性及不同磁性材料在 MTJ 中的应用，我们对 MTJ 工作机制有更透彻理解，也为优化 MTJ 性能提供方向。尽管面临挑战，但随着材料科学与制备工艺不断进步，有望开发出更适配 MTJ 结构的磁性材料，进一步提升 MTJ 性能，以推动 MTJ 技术向更高性能、更低成本和更广泛应用方向发展。

参考文献

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