自旋轨道扭矩（SOT）磁随机存取存储器（MRAM）凭借其卓越性能和低能耗潜力，已成为研究领域的焦点。然而，该技术面临重大挑战，特别是重金属/铁磁体（HM/FM）结构中电荷到自旋转换效率（自旋轨道扭矩效率，ξDL)较低及集成裕度小的问题。此外，通过掺杂工程（特别是钨）实验增强ξDL的结果与理论计算存在偏差，需要进一步澄清。本研究系统研究了氮掺杂钨（单层WN)和多层结构（[W/WN]_n）。与纯钨和单层WN不同，[W/WN]_n多层体系展现出相对较高的ξDL值−0.41，并且厚度窗口扩大了一倍。增强的ξDL和扩展的厚度窗口可归因于[W/WN]_n中类非晶态晶体结构的增加，这抑制了α相钨的形成，并在更厚厚度下仍能保持β相。同时，采用[W/WN]_n的SOT磁隧道结成功集成于8英寸晶圆上，其开关电流比同厚度的纯钨沟道低28.8%。本研究弥合了实验观测与理论计算之间的差距，为提升低功耗MRAM器件的ξDL提供了一条有前景的途径。

图1.期刊封面图

上图为西西智研制作

图2.(a)半磁隧道结薄膜堆叠结构示意图。右侧插图展示了能谱仪（EDS）检测到的各类元素分布。(b)光学显微镜拍摄的图案化霍尔棒器件俯视图及其对应的电学测量装置。(c)铀（黑色实心圆）、单层钨氮合金（蓝色实心圆）及[W/WN]n结构（红色六边形、绿色六边形、紫色星形）的电阻率随厚度变化曲线。(d)8英寸晶圆上5纳米厚的钨（黑色方块）、5纳米厚的钨氮合金（蓝色圆圈）以及3.5纳米厚的钨（红色三角形）的电阻率分布

图3.a)分别为5纳米钨（黑色）、7纳米钨（红色）和7纳米钨氮化物（蓝色）的XRDθ−2θ扫描结果。(b)5纳米钨（黑色）、5纳米钨氮化物（蓝色）以及5纳米WN1.0[Wt/WN1−t]4（t=0.7纳米红色）、t = 0.5纳米绿色、t = 0.3纳米紫色的XRD图谱

图4.(a)和(b)为含有5纳米钨元素的MTJ结构透射电镜图像，WN1.0[W0.5/WN0.5]。右上角插图（蓝色方框）展示了所选区域（红色方框）的快速傅里叶变换（FFT）结果

图5.(a)含5纳米钨的样品在2千奥斯特磁场中，谐波霍尔电阻Rω和R2ω随平面内磁场角度φ的变化关系。红色曲线为基于公式1和2的拟合曲线。(b)含5纳米钨样品的阻尼型拟合结果。(c)样品系列（IV）中，钨元素浓度|ξDL|（黑色方块）、单层钨纳米（蓝色三角）、[W/WN]n多层结构（紫色菱形）随自旋轨道转移厚度SOT的变化关系，虚线表示公式3的拟合结果。(d)不同结构样品中钨元素浓度|ξDL|随钨纳米、WN纳米及[W/WN]n多层结构厚度百分比的变化关系

图6.(a)三端Y型磁隧道结器件结构示意图。(b)沿自旋轨道转移轨道（x轴方向）切割的磁隧道结器件横截面透射电镜图像。橙色方框标注为磁隧道结核心区域，蓝色方框标注为关键尺寸扫描电镜下器件俯视图。(c)含5纳米钨（黑色方框）和WN1.0[W0.5/WN0.5₄（蓝色圆圈）的磁隧道结器件隧穿磁阻（TMR）特性。(d)含5纳米钨（黑色方框）和WN1.0[W0.5/WN0.5₄（蓝色圆圈）的磁隧道结器件电流诱导磁化翻转性能

关于钨基材料中轻掺杂对自旋轨道扭矩效率的影响研究。通过实验数据与第一性原理计算相结合，本研究表明氮掺杂不会显著提升ξDL性能。然而，多层结构中的氮掺杂通过形成类非晶态结构，有效稳定β相，抑制α相钨的生成概率，并在增厚条件下仍能维持β相稳定性。因此，多层体系不仅实现了更高的自旋轨道扭矩效率（−0.41），还拓宽了重金属材料的应用工艺窗口。此外，还验证了[W/WN]n型多层结构在磁隧道结上可实现节能型写入操作。在8英寸晶圆内的器件层级中，采用WN1.0[W0.5/WN0.5型四沟道磁隧道结（MTJ）时测得的开关电流密度达到3.93毫安/平方厘米，比同厚度的W型沟道器件低近30%。本研究展示了一项突破性技术，成功实现了高电荷自旋转换效率与理想厚度窗口的同步优化，这一成果极大推动了低功耗MRAM器件的工业化进程。

本文内容来自期刊ACS Appl. Electron. Mater. 2025年发表, 第7卷, 86−94页，以Enlarged Thickness Window and Maintained High Spin−Orbit Torque Efficiency for Metastable Tungsten by Increasing Amorphous Crystalline: A Path toward Low-Power MRAM为题的文章。原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c01538

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