CN103682087B - 一种有效增强磁性多层膜垂直矫顽力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁存储技术领域，具体为一种有效增强磁性多层膜垂直矫顽力的方法。本发明通过对Ta/Cu底层进行不同温度下的在位加热处理，研制出具有高垂直矫顽力的Ta/Cu/[Co/Ni]3-8/Ta多层膜结构，并且具有较强的垂直各向异性。再结合后续退火处理，可进一步提高多层膜的垂直矫顽力。本发明的有益效果在于：其方法简单，可有效提高基于较薄种子层的磁性多层膜的垂直矫顽力，进而用于高性能的自旋电子器件的研究。
Description
技术领域
本发明属于磁存储技术领域，具体涉及一种有效增强磁性多层膜垂直矫顽力的方法。
背景技术
以[Co/Ni]多层膜作为磁性层的垂直磁化巨磁电阻（GMR）结构，除具有热稳定性好、翻转可靠、临界翻转电流低和无单元尺寸形状限制等优点之外，还具有自旋极化率高和阻尼系数低等特点，因而在高密度自旋转矩型磁性随机存储器（STT-MRAM）方面具有极大应用前景。理论计算表明，Co、Ni厚度在一定范围，且厚度比为1:2时，[Co/Ni]多层膜具有垂直各向异性。MRAM的核心存储单元是两个磁性层中间夹一个非磁性层的三明治结构。为了获得高的巨磁电阻信号和低的临界翻转电流，自由层的矫顽力要尽量小，而参考层的则要尽量高。因此提高参考层多层膜的垂直矫顽力对实际应用有重要的意义。使用后退火的方法可以提高多层膜的垂直矫顽力，但是，随着退火温度的升高，[Co/Ni]多层膜磁性原子间的相互扩散也变得剧烈，最终使得其失去垂直各向异性，限制了矫顽力的进一步提高。此外，垂直矫顽力与种子层的厚度及晶格取向有很大关系，因此，在溅射[Co/Ni]多层膜之前，需要事先生长一层有强（111）取向的种子层，如Au、Cu等。大量的实验表明，在一定范围内，[Co/Ni]多层膜的垂直矫顽力与种子层的厚度成正比，即在一定范围内种子层越厚，垂直矫顽力越大，直至饱和。但太厚的种子层会对流入多层膜的电流分流，造成临界翻转电流的增大和巨磁电阻信号的降低，不利于实际应用。因此，在较薄种子层的前提下，探求提高多层膜矫顽力的实验方法和技术，对研发高性能的自旋电子器件至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种有效增强磁性多层膜垂直矫顽力的方法。其方法简单，可有效提高基于较薄种子层的磁性多层膜的垂直矫顽力，进而用于高性能的自旋电子器件的研究。
本发明运用在位热处理的方法提高磁性多层膜的垂直矫顽力（）。本发明首次对种子层进行在位预退火处理，并对整个多层膜结构进行后退火处理，最终研制出具有高垂直矫顽力的[Co/Ni]N多层膜结构。
本发明提供的一种有效增强磁性多层膜垂直矫顽力的方法，具体步骤如下：
（1）在衬底上通过磁控溅射法依次镀缓冲层和种子层；
（2）镀好种子层后，进行热退火处理；热处理温度为300-550℃；
（3）待温度缓慢冷却至室温后，再溅射磁性层及保护层；得到具有高垂直矫顽力的磁性多层膜。
上述步骤（3）后，进一步还包括步骤（4），其对得到的整个多层膜进行后退火处理，具体条件为：真空下，热处理温度为200-250℃，其间沿垂直于膜面方向施加恒定磁场。
上述步骤（2）、步骤（4）中进行退火处理时，升温速率为8-10℃/min；恒温20min-60min。
上述衬底为玻璃衬底，所述缓冲层为Ta单层膜，种子层为Cu层，磁性层为
具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]N多层膜结构，其中Co层在下，Ni层在上，N取值范围为3-8；保护层为Ta层，得到具有高垂直矫顽力的Ta/Cu/[Co/Ni]3-8/Ta多层膜结构。
上述缓冲Ta层厚度为3.0nm；Cu层厚度为2.0nm；Co层为0.28-0.35nm；Ni层厚度为Co层的1.8-2倍，N为4或者6；保护Ta层厚度为5nm。
本发明的有益效果在于：其方法简单，其基于较薄的种子层，得到高的垂直矫顽力。发明中对底层进行在位热处理后，垂直翻转场（矫顽力）从139Oe提高到318Oe。对整个多层膜结构进一步进行后火处理，提高了4倍，高达620Oe。同时，其单轴各向异性常数Ku最高可达，与结构相同但没有经过在位退火处理的多层膜相比有较大的提高。因此可直接应用于垂直磁化巨磁电阻结构的参考层，满足其在高密度巨磁阻MRAM和硬盘读头以及其它微纳自旋电子学器件中的应用。这些结果对于研发高性能的自旋电子器件如MRAM等具有重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为在不同在位退火温度下样品的垂直方向磁滞回线。
图3中，（a）为Co层厚度分别为0.28nm和0.35nm时，样品在不同的Cu在位退火的温度下，垂直矫顽力的变化情况。（b）为基于本发明设计的参数下,样品单轴各向异性常数Ku随在位退火温度的变化曲线。
图4分别为不同后退火温度对样品影响图示。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
图1为本发明的结构示意图。自下向上分别为衬底、缓冲层、种子层、磁性层和保护层。磁性层采用[Co/Ni]N垂直磁化多层膜，图示箭头表示对Ta/Cu种子层进行在位加热处理，加热时间为，20-60min，加热温度范围为100℃到600℃。
实施例中，缓冲层采用Ta单层膜，Ta层厚度为3.0nm。种子层为Cu层，其厚度为2.0nm，其作用主要是诱导上面磁性层的（111）晶向。磁性层采用具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]N多层膜结构，其中Co层在下，Ni层在上，厚度比为（1.8-2）：1，符合实现强垂直各向异性的理论计算结果。多层膜的周期数N=3-8。磁性层上面覆盖的5.0nmTa层作为防氧化保护层。
实施例中，上述各层均通过在高真空（优于）室温条件下进行磁控溅射的方法获得。其衬底采用康宁玻璃，其在沉积好Ta/Cu底层后，预先对其进行不同温度的在位热退火处理，热处理温度（TCu）为100-600℃，升温速率为8-10℃/min；恒温20-60min。待Cu层缓慢冷却至室温后，再溅射[Co/Ni]N磁性层及保护层。其仅对底部的Ta/Cu种子层进行在位加热处理，不仅避免了磁性层Co/Ni原子间的扩散，同时诱导了种子层Cu层的（111）取向，进一步改善了沉积在其上的[Co/Ni]4多层膜的（111）取向，因而增强了[Co/Ni]4多层膜的垂直各向异性，得到具有较高垂直矫顽力的磁性多层膜。
为了进一步提高样品的矫顽力，我们又将样品进行后退火处理。而后整个多层膜在真空腔内进行后退火处理。后退火过程在真空（）条件下进行，其间沿垂直于膜面方向施加5kOe的恒定磁场，退火温度为200-250℃；升温速率为8-10℃/min；恒温20-60min。结果显示本发明中后退火温度为250℃时，样品的最大达620Oe，这是相同结构未经在位热处理的多层膜矫顽力的近4倍，且此时样品的垂直各向异性常数保持在一个较高的水平。
实施例1
磁性层中，Co层厚度为0.28nm,Ni层厚度为0.60nm，周期数N选用4。分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、550℃及600℃的退火温度下对Ta/Cu底层进行在位退火，热处理时，加热速率为10℃/min，恒温时间为30min，得到了具有不同垂直矫顽力的多层膜结构。
不经退火及经不同温度退火得到的样品垂直方向磁滞回线的比较，结果如图（2）所示。
结果表明：在位退火温度100℃<TCu<550℃时，矫顽力随着在位退火温度升高而升高，且回线的剩磁比保持为1。TCu=600℃时，矫顽力大幅减小，回线的矩形度变差，且剩磁比小于1。在位退火时，比较适宜的热处理温度为300-550℃。
但随着Cu层在位退火温度的升高（从100℃到600℃），其矫顽力和单轴各向异性常数Ku的变化并非单调增加，而是先增加后减小。我们对样品进行XRD分析、对Cu界面进行AFM分析后发现，在较低在位退火温度（TCu≤400℃）的条件下，[Co/Ni]4多层膜的平整生长以及增强的（111）结构取向导致了样品垂直各向异性和的提高。单轴各向异性常数最高值为（此时在位退火温度为400℃）。当在位退火温度400℃<TCu<550℃时，虽然样品的有所下降，但其矫顽力仍持续增加，这是因为此时Cu层晶格缺陷的增加使其对畴壁的钉扎作用增强，进而使矫顽力进一步增大。垂直矫顽力在TCu=550℃时达到最大值。但当在位退火温度升至600℃时，粗糙的Cu表面造成[Co/Ni]4多层膜不连续，（111）取向也减弱，使得样品的饱和磁化强度和单轴各项异性常数迅速减小，样品失去较好的垂直各向异性，也随之减小。
实施例2
磁性层中，Co层厚度分别为0.28nm和0.35nm，Ni层分别为0.56nm和0.7nm，周期数N=6。分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、550℃及600℃的退火温度下对Ta/Cu底层进行在位退火，热处理时，加热速率为8℃/min，恒温时间为60min，得到了具有不同垂直矫顽力的多层膜结构。
图3（a）为Co层厚度分别为0.28nm和0.35nm，Ni层分别为0.56nm和0.7nm的样品垂直矫顽力随Cu在位退火温度的变化曲线；图3（b）为Co层厚度为0.28nm，Ni层为0.56nm时，样品单轴各向异性常数Ku随在位退火温度的变化曲线。
图3（a）结果表明：在Co层厚度为0.35nm时，虽然各个温度下样品的矫顽力低于Co层厚度为0.28nm的样品，但是他们的变化规律相同，表明了实验结果的重复性和可靠性。在位退火时，比较适宜的热处理温度为300-550℃
图3（b）结果显示，除Cu在位退火温度为600℃的样品外，其它多层膜拥有比较好的垂直各向异性。Cu在位退火温度为400℃后，样品有最大的单轴各向异性常数（），Cu在位退火温度为550℃时，虽然矫顽力进一步提高，但是其垂直各向异性却在不断减小。综合考虑矫顽力和垂直各向异性的关系，生产中Cu的在位退火温度取500℃为宜。
实施例3
本例中对Ta/Cu层经不同温度（100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、550℃及600℃）在位退火(热处理时，加热速率为9℃/min，恒温时间为20min)后制备的全结构样品，再进行热处理（温度为200℃、250℃,加热速率为8℃/min，恒温时间为50min)）后，比较垂直矫顽力，结果如图4所示。
结果显示：在300-550℃对Ta/Cu层进行在位退火后，进一步对全结构在200℃和250℃的温度下进行后退火，样品均具有较高的垂直性能。相比较，后退火温度为250℃的样品拥有更好的垂直性能。Cu层在位退火温度为550℃、后退火温度为250℃时，样品获得了最大的矫顽力（约620Oe）。本发明通过对种子层进行预处理然后再对全结构热处理，找到了增强垂直各向异性和提高器件热稳定性的技术手段和工艺条件，具有重要的的实际应用价值。
Claims (2)
1.一种有效增强磁性多层膜垂直矫顽力的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）在衬底上通过磁控溅射法依次镀缓冲层和种子层；
（2）镀好种子层后，进行热退火处理；热退火处理温度为300-550℃；
（3）待温度缓慢冷却至室温后，再依次通过磁控溅射法镀磁性层及保护层，得到具有高垂直矫顽力的磁性多层膜；其中：
步骤（3）后，还包括步骤（4），其对得到的整个多层膜进行后退火处理，具体条件为：真空下，后退火处理温度为200-250℃，其间沿垂直于膜面方向施加恒定磁场；
步骤（2）、步骤（4）中进行退火处理时，升温速率为8-10℃/min；恒温20min-60min；
所述衬底为玻璃衬底，所述缓冲层为Ta单层膜，种子层为Cu层，磁性层为具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]N多层膜结构，其中Co层在下，Ni层在上，N取值范围为3-8；保护层为Ta层，得到具有高垂直矫顽力的Ta/Cu/[Co/Ni]3-8/Ta多层膜结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：缓冲Ta层厚度为3.0nm；Cu层厚度为2.0nm；Co层为0.28-0.35nm；Ni层厚度为Co层的1.8-2倍，N为4；保护Ta层，厚度为5nm。
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