在将MTJ（磁隧道结）器件与用于磁场检测的低温CMOS（互补金属氧化物半导体）读出电路集成方面取得的进展

《Solid-State Electronics》：Progress towards integration of MTJ devices with cryo-CMOS readout circuitry for magnetic field sensing

本研究实现了低温（<10K）涡旋磁隧道结（MTJ）传感器与180nm工艺低温CMOS放大器的集成，检测灵敏度达100mG，并展示了在真实CMOS表面进行填充排除的MTJ沉积技术，为开发追踪超导薄膜中磁通涡旋运动并优化VLSI超导电子电路的磁感相机奠定基础。

　　

Z.C. Adamson|Liam K. Mitchell|Benjamin J. Brown|William R. Patterson|Gang Xiao|A. Zaslavsky

布朗大学工程学院，美国罗德岛州普罗维登斯市02912

摘要

本文报道了在低温（T < 10 K）下使用涡旋磁隧道结（MTJs）进行磁场传感的进展。MTJ的磁阻信号通过采用线键合的、工厂制造的180纳米工艺的低温CMOS传感放大器进行放大，实现了约100 mG的单次检测灵敏度。文章还展示了在真正的CMOS表面上沉积功能性MTJ传感器的结果，并排除了填充物对传感器性能的影响。目标是制造一种磁场相机，用于追踪超导薄膜中的磁通涡旋运动，从而优化VLSI超导电子（SCE）电路设计。

引言

超导数字电路相比传统的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，具有更高的频率响应和更低的功耗[1]。与标准CMOS逻辑电路不同，SCE逻辑门采用约瑟夫森结和基于SC Nb的布线来实现，这使得其工作频率超过50 GHz，比传统CMOS数字电路高出大约一个数量级。此外，SCE还具有与低温环境的兼容性以及与超导量子比特和存储架构的直接接口能力，这些是未来量子计算硬件的关键优势。然而，当系统冷却至超导转变温度（T_C ～ 9 K）时，由于捕获的磁通（阿布里科索夫）涡旋的形成，SCE电路的大规模集成（VLSI）受到阻碍，这可能在单个逻辑门级别产生单比特错误。一个捕获的磁通涡旋会产生以下磁场：$B\approx {?}_0/\text{2}\pi {\lambda }^2$其中?₀是磁通量子，λ是温度依赖的伦敦穿透深度（在4.2 K时约为90 nm）。这意味着涡旋在1 μm的距离上会产生几高斯的磁场，且磁场强度随距离的三次方衰减。我们最终的传感器阵列的间距将在10–15 μm范围内，因此需要具备检测5–8 μm远处涡旋产生的约10–20 mG的磁场的能力。

目前管理磁通涡旋的方法是在超导接地平面中设置 elongated openings（称为“护城河”[[3], [4], [5]]，见图1）。最佳护城河几何形状尚未明确界定[6]，且对捕获磁通的动态过程了解不足。目前对这些涡旋的成像方法主要依赖于扫描SQUID测量[3]，但这种方法速度太慢，无法观察磁通运动或扫描大型SCE电路。因此，将磁涡旋传感器与低温CMOS读出电路集成在一起，为追踪磁通涡旋运动、减少磁通捕获误差以及优化超导VLSI设计提供了一个强大的诊断平台。

在本文中，我们展示了实现多像素磁场相机的两个进展：一种是将涡旋MTJ连接到SiO₂上，并通过180纳米工艺的低温CMOS放大器进行读取；另一种是将传感MTJ直接集成在真正的130纳米CMOS表面上，并预先设计了排除填充物的制造区域。130纳米测试芯片针对的是不同的应用，没有完整的低温CMOS读出放大器设计，但排除填充物的制造区域为直接探测传感MTJ提供了试验平台。我们的最终目标是在单个CMOS芯片上直接沉积MTJ传感器阵列，并通过匹配的放大器阵列将其多路复用到输出端，以实现大面积实时成像。

章节摘录

涡旋MTJ传感器

MTJ由两个铁磁（FM）电极组成，两者之间隔着一层薄绝缘膜，如图2(a)所示。它们表现出自旋依赖的隧穿现象：其电阻R取决于FM层的相对对齐情况，其中一个FM层可以对外部平面磁场进行对齐。传统的MTJ表现出滞后磁阻（MR），而采用处于涡旋状态的自由层的MTJ则表现出线性、非滞后的响应特性，这使它们非常适合用于磁场传感。

低温CMOS放大与读出

本项目的主要目标是绘制在超导金属薄膜中移动的磁通涡旋的微弱磁场。我们在180纳米CMOS工艺中设计了一种第一代低温CMOS传感放大器，示意图见图4。该MTJ的电阻R约为15 kΩ，通过共栅电流源施加稳定的1–10 μA直流电流进行偏置。产生的V_MTJ信号被输入到运算放大器的非反相输入端，而反相输入端则连接到一个电容反馈回路中。

MTJ-CMOS集成

我们的涡旋MTJ通常沉积在原子级平整的基底上，因为粗糙的表面会降低器件性能，因为势垒的平滑度对于获得高磁阻响应至关重要[11]。图2中的涡旋MTJ是在原子级平整的SiO₂表面上制造的，该表面的RMS粗糙度通过原子力显微镜测量约为1.9 ?。将MTJ传感器与低温CMOS集成需要将MTJ沉积在排除了金属填充物的CMOS集成电路的平整区域上，如图7(a)所示。

结论

我们首次实现了涡旋磁隧道结（MTJ）传感器与低温互补金属氧化物半导体（低温CMOS）放大电路的混合集成，为低温下的磁场成像奠定了基础。180纳米CMOS放大器在4.2 K下成功工作，提供了约100 mG的检测灵敏度；同时，在SiO₂和真正的130纳米CMOS表面上制造的涡旋MTJ也保持了高灵敏度。

CRediT作者贡献声明

Z.C. Adamson：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿创作，数据可视化，数据分析，数据分析。 Liam K. Mitchell：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿创作，数据可视化，数据分析，数据分析。 Benjamin J. Brown：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿创作，数据可视化，数据分析，数据分析。 William R. Patterson：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，数据分析。 Gang Xiao：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

布朗大学的研究工作得到了超导数字逻辑（FSDL）计划和陆军研究办公室/Devcom项目（W911NF-24-1-0147）的支持。