CN108831741B - 增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，属于高密度信息存储及传感技术领域。在经过表面酸化处理的硅Si基片上，沉积铬Cr/铁氮FeNx/氧化镁MgO/钽Ta多层膜，沉积完毕后进行热处理，促进N原子在间隙位置处的均匀占据。N原子能够改变Fe的配位环境，引起Fe/MgO界面处的电荷重新分布，有效地调节Fe的能带结构，大大增加dz 2轨道上的电子占据，进而能够调节Fe 3dz 2–O 2pz轨道杂化状态，使得薄膜的界面磁各向异性能显著增加。本发明只需要在制备Fe薄膜的过程中，通入氮气，就能够直接调节Fe‑O的轨道杂化强度，并增加界面磁各向异性能，不需要高成本的稀有金属或昂贵的附加装置，具有制备简单、控制方便的特点；具有效率高、成本低等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中。

Description

增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法
技术领域
本发明属于高密度信息存储及传感技术领域，涉及上述领域中关键核心材料单元—铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的调控方法，特别是提供了一种利用氮原子掺杂增加铁磁金属/氧化物双层膜的垂直磁各向异性的方法。
背景技术
近年来，信息存储和传感领域中的一个研究热点是：制备具有垂直磁各向异性(PMA) 的铁磁金属(FM)/氧化物(MO)异质结构，如CoFeB/MgO、Co/AlOx、Fe/MgO等，它是构建新型、低功耗、高稳定性自旋电子器件的核心材料单元，如磁随机存储器、赛道存储器、隧道结传感器等。而FM/MO双层膜的PMA主要来源于其界面处的FM 3d-O 2p轨道杂化[Rev.Mod.Phys.89,025008(2017)；Phys.Rev.B 84,054401(2011)]。通过有效的界面轨道杂化，可以获得较大的界面磁各向异性能，克服退磁能以诱导出良好的PMA。然而，通常情况下，直接制备出来的FM/MO双层膜中，铁磁金属通常处于过氧化的状态，很难获得最佳的轨道杂化状态，因此无法实现良好的PMA，这就大大限制了相关器件的应用。
因此，国际上开展了很多通过调控界面轨道杂化来获得或优化PMA性能的研究工作，主要集中在利用电场驱动FM/MO界面氧离子输运，以改变FM材料的氧化状态，从而可逆地调控其界面PMA[Nature Mater.14,174(2015)；Science 339,1402(2013)]。然而，这种方法需要复杂的光刻工艺以及较厚的氧化物(通常需要达到几十纳米以上)。另外，利用退火处理产生温度场，也可以改变FM/MO界面处的氧化状态，从而调控其PMA。然而，热处理会造成其他层原子的相互扩散，影响PMA性能。而这些方法都需要外场来调节，因此，对外场的依赖性极大，还会带来一定的副作用，会限制其应用。所以，如何在不需要外场的前提下，有效、简单地调控FM/MO双层膜界面轨道杂化，是制备垂直自旋电子材料及器件的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种利用氮原子掺杂增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，进而改善薄膜材料的垂直磁各向异性的方法。
一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征为：在经过表面酸化处理的Si基片上沉积Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，促进N 原子在间隙位置处的均匀占据。
如上所述的增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，具体步骤为：
(1)、对Si基片进行表面酸化处理，所述的Si基片厚度为0.5～0.8毫米，酸化处理的pH值为6-7，酸化时间为3-5分钟；
(2)、利用磁控溅射方法，在步骤(1)所述Si基片上依次沉积Cr原子、FeNx原子、MgO原子以及Ta原子，形成Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜结构，上述沉积的溅射室的本底真空度2×10-5～5×10-5Pa，溅射Cr、MgO、Ta层时，只通入氩气，使溅射室的气压为0.3～0.8Pa，溅射FeNx层时，采用通入氩/氮混合气体进行反应溅射，氩气与氮气的气压比为6:1～2:1， x表示对应的N原子含量0.1～0.4；沉积得到的Cr层的厚度为
Figure BDA0001697806300000021
FeNx层的厚度为
Figure BDA0001697806300000022
MgO层的厚度为Ta层的厚度为
Figure BDA0001697806300000024
(3)、在真空环境下，对步骤(2)中得到的复合体系进行热处理。
进一步地，步骤(2)中溅射FeNx层时，溅射室中氩/氮混合气体的总气压可以选择为 0.3Pa-0.6Pa，优选0.4Pa。
进一步地，步骤(3)所述真空环境的真空度为1×10-5～5×10-5Pa，热处理的温度为100～ 300℃，保温时间为20～40分钟；最后，冷却到室温。本发明的原理在于：对Si基片进行表面酸化处理，可以大大减少表面的氧化层、降低表面粗糙程度，为Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜在Si基片上的生长提供了很好的表面质量。在上述处理完毕的Si基片上沉积 Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，N原子以间隙方式填充在Fe八面体中，再利用100～300℃热处理过程让N原子更加均匀地占据在间隙位置上。而间隙位置上的N原子能够改变Fe的配位环境，引起Fe/MgO界面处的电荷重新分布，有效地调节Fe的能带结构，尤其是减小dx 2 -y 2轨道和dz 2轨道之间的能量差，从而大大增加Fe的dz 2轨道上的电子占据，进而有效地调节 Fe 3dz 2–O 2pz轨道杂化状态，使得薄膜的界面磁各向异性能显著增加。
本发明的有益效果在于：以往工作都是通过施加外场，如电场、温度场、应力场等，来调节Fe-O的轨道杂化和界面磁各向异性能，对外场的依赖性极大，且工艺复杂，还会带来一定的副作用。此发明只需要在制备Fe薄膜的过程中，通入氮气，就能够直接调节Fe-O 的轨道杂化强度，并实现对界面磁各向异性能的有效增加，无需施加外场。因此具有制备简单、控制方便的特点；而且，此方法不需要高成本的稀有金属或昂贵的附加装置，因此具有效率高、成本低等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中。
附图说明
图1为经过表面酸化处理、热处理后的Si基片
Figure BDA0001697806300000041
多层膜的磁滞回线，其中，基片厚度为0.5毫米；表面酸化处理的pH值为6，酸化时间为 3分钟；制备FeN层时，其氩/氮气压比为6:1，N原子含量x为0.1；真空热处理过程为： 100℃/20分钟，真空度为1×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.3Pa；
图2为经过表面酸化处理、热处理后的Si基片
Figure BDA0001697806300000042
多层膜的磁滞回线，其中，基片厚度为0.6毫米；表面酸化处理的pH值为6.5，酸化时间为4分钟；制备FeN层时，其氩/氮气压比为4:1，N原子含量x为0.25；真空热处理过程为：200℃/30分钟，真空度为4×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度3×10-5Pa，溅射时氩气压为0.5Pa；
图3为经过表面酸化处理、热处理后的Si基片
Figure BDA0001697806300000043
Figure BDA0001697806300000044
多层膜的磁滞回线，其中，基片厚度为0.8毫米；表面酸化处理的pH值为7，酸化时间为5分钟；制备FeN层时，其氩/氮气压比为3:1，N原子含量x为0.4；真空热处理过程为： 300℃/30分钟，真空度为5×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度5×10-5Pa，溅射时氩气压为0.8Pa；
图4为典型Si基片
Figure BDA0001697806300000045
样品的界面磁各向异性能 (Ki)随N掺杂量(x)的变化关系图。其样品制备过程与上面图2中的样品相同，氩/氮气压比从6:1变到2:1，对应的N原子含量x从0.1变到0.4。
具体实施方式
图1中样品的制备条件为：首先，对Si基片进行表面酸化处理，其中，基片厚度为0.5 毫米；表面酸化处理pH值为6，酸化时间3分钟。然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Cr原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000051
)、FeNx原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000052
)、MgO原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000053
)以及Ta原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000054
)，从而制备Si基片
Figure BDA0001697806300000055
Figure BDA0001697806300000056
多层膜，溅射沉积前的本底真空度为2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.3Pa。制备 FeN层时，其氩/氮气压比为6:1，N原子含量x为0.1。沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为1×10-5Pa，100℃/20分钟，以促进N原子在间隙位置处的均匀占据。然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图1中的面内曲线和垂直曲线。
图2中样品的制备条件为：首先，对Si基片进行表面酸化处理，其中，基片厚度为0.6 毫米；表面酸化处理pH值为6.5，酸化时间4分钟。然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Cr原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000057
)、FeNx原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000058
)、MgO原子 (厚度为
Figure BDA0001697806300000059
)以及Ta原子(厚度为
Figure BDA00016978063000000510
)，从而制备Si基片
Figure BDA00016978063000000511
多层膜，溅射沉积前的本底真空度为3×10-5Pa，溅射时氩气压为0.5Pa。制备FeN层时，其氩/氮气压比为4:1，N原子含量x为0.25。沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为4×10-5Pa，200℃/30分钟，以促进N原子在间隙位置处的均匀占据。然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图2中的面内曲线和垂直曲线。
图3中样品的制备条件为：首先，对Si基片进行表面酸化处理，其中，基片厚度为0.8 毫米；表面酸化处理pH值为7，酸化时间5分钟。然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Cr原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000061
)、FeNx原子(厚度为)、MgO原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000063
)以及Ta原子(厚度为
Figure BDA0001697806300000064
)，从而制备Si基片 多层膜，溅射沉积前的本底真空度为5×10-5Pa，溅射时氩气压为0.8Pa。制备FeN层时，其氩/氮气压比为3:1，N原子含量x为0.4。沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为5×10-5Pa，300℃/40分钟，以促进N原子在间隙位置处的均匀占据。然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图3中的面内曲线和垂直曲线。
从图1到图3可以看出，当改变制备条件尤其是N掺入量时，薄膜的易磁化方向由面内方向，转变为垂直膜面方向，说明：N原子的掺入可以有效地调节Fe/MgO薄膜的磁各向异性。以图2中的薄膜为例，通过改变制备时的氩/氮气压比例，可以获得不同的N掺入量对其界面磁各向异性能(Ki)的影响关系图(图4)。随着N掺入量的增多，界面磁各向异性能由-0.25erg/cm2增加到0.35erg/cm2，显著增加了0.6erg/cm2，这说明N掺杂可以有效增强Fe/MgO的界面磁各向异性。

Claims (2)

1.一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征为：在经过表面酸化处理的Si基片上沉积Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，促进N原子在间隙位置处的均匀占据；
具体步骤为：
(1)、对Si基片进行表面酸化处理，所述的Si基片厚度为0.5～0.8毫米，酸化处理的pH值为6-7，酸化时间为3-5分钟；
(2)、利用磁控溅射方法，在步骤(1)所述Si基片上依次沉积Cr原子、FeNx原子、MgO原子以及Ta原子，形成Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜结构，溅射室的本底真空度2×10-5～5×10-5Pa，溅射Cr、MgO、Ta层时，只通入氩气，其气压为0.3～0.8Pa，溅射FeNx层时，采用通入氩/氮混合气体进行反应溅射，其氩/氮气压比为6:1～2:1，x表示对应的N原子含量0.1～0.4；沉积得到的Cr层的厚度为
Figure FDA0002302347430000011
FeNx层的厚度为
Figure FDA0002302347430000012
MgO层的厚度为
Figure FDA0002302347430000013
Ta层的厚度为
Figure FDA0002302347430000014
(3)、在真空环境下，对步骤(2)中得到的多层膜结构进行热处理。
2.根据权利要求1所述的增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征在于：步骤(3)所述真空环境的真空度为1×10-5～5×10-5Pa，热处理的温度为100～300℃，保温时间为20～40分钟；最后，冷却到室温。
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