CN113046709B - 一种钴基多层膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钴基多层膜及其制备方法，该钴基多层膜包括：基底以及依次位于基底一侧面的第一覆盖层、氮掺杂钨层、Co基软磁层以及第二覆盖层。本发明还提供了该钴基多层膜的制备方法，其通过选择氮原子作为与铁磁金属产生轨道杂化对象，诱发其界面结构的改变，无需后续的真空退火处理，通过界面处的Co‑N轨道杂化工程来调节铁磁金属界面处的轨道结构，得到有益的、适度的Co‑N轨道杂化状态，使得界面处呈现不同程度的处轨道杂化状态，增加了调节的范围和可控性，从而引起Co基多层膜磁性能的改变。

Description

一种钴基多层膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁性材料及信息存储技术领域，尤其涉及一种钴基多层膜及其制备方法。
背景技术
近年来，信息产业的高速发展，对信息存储产业的要求也在不断提升。具有垂直磁各向异性(PMA)的铁磁性薄膜是构建磁随机存储器件的核心材料，因其高磁各向异性、低翻转电流密度和高热稳定性等优点而引起研究人员广泛的研究兴趣。获得可控的、高垂直磁各向异性成为构建高存储速度、低功耗、高存储密度的存储器件的关键问题。因此，需要不断提升作为磁存储器的常用材料如CoFeB/MgO异质结，Co基多层膜等材料的磁各向异性。
调控薄膜材料的磁各向异性的方法有很多。例如，施加外电场、应力场，热力场等。目前大多数研究工作侧重于外场对磁各向异性的调控，尤其是还要伴随着退火工艺的辅助才能获得良好垂直磁各向异性。退火会导致纳米薄膜材料原子间的扩散，例如Co/Pt薄膜之间的原子扩散会损坏垂直磁各向异性。
因此，在不需退火的情况下制备出高磁各向异性的薄膜材料是发展高性能磁随机存储器的关键问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种钴基多层膜及其制备方法，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种钴基多层膜，包括：基底以及依次位于所述基底一侧面的第一覆盖层、氮掺杂钨层、Co基软磁层以及第二覆盖层。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的钴基多层膜，所述Co基软磁层的材料包括Co、CoFe和CoFeB中的一种；
和/或，所述第一覆盖层和所述第二覆盖层的材料包括Pt或Ta。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的钴基多层膜，所述基底包括带有热氧化的SiO2层的Si基底、Si基底、应力应变基底中的一种。
第二方面，本发明还提供了一种所述的钴基多层膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一基底；
S2、在所述基底一侧面制备第一覆盖层；
S3、在所述第一覆盖层远离所述基底一侧面制备氮掺杂钨层；
S4、在所述氮掺杂钨层远离所述基底一侧面制备Co基软磁层；
S5、在所述Co基软磁层所述基底一侧面制备第二覆盖层。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的钴基多层膜的制备方法，S3中采用磁控溅射法制备得到氮掺杂钨层，其中磁控溅射法具体为：以氩气为溅射气体，以W为溅射靶材，在溅射靶材的同时通入氮气，沉积完成后即得到氮掺杂钨层。
进一步优选的，所述的钴基多层膜的制备方法，通入的氮气与氩气的体积流量比为(0.5～12):16。
进一步优选的，所述的钴基多层膜的制备方法，磁控溅射过程中控制溅射室的本底真空度为1×10-5～3×10-5Pa，溅射时氩气压保持为0.24Pa。
进一步优选的，所述的钴基多层膜的制备方法，W靶材的轰击时间为38～60s。
进一步优选的，所述的钴基多层膜的制备方法，在溅射之前还包括对W靶材进行预处理，预处理具体为：先将W靶材置于有机试剂中超声清洗，然后置于水中超声清洗，然后烘干即完成预处理。
进一步优选的，所述的钴基多层膜的制备方法，所述有机试剂包括丙酮和/或酒精。
本发明的一种钴基多层膜及其制备方法相对于现具有以下有益效果：
(1)本发明的钴基多层膜的制备方法，通过选择氮原子作为与铁磁金属产生轨道杂化对象，诱发其界面结构的改变，无需后续的真空退火处理，通过界面处的Co-N轨道杂化工程来调节铁磁金属界面处的轨道结构，得到有益的、适度的Co-N轨道杂化状态，使得界面处呈现不同程度的处轨道杂化状态，增加了调节的范围和可控性，从而引起Co基多层膜磁性能的改变；
(2)本发明的钴基多层膜的制备方法，通过溅射时改变氮气的掺杂量就可以诱发其界面结构的改变，不依赖于后续复杂的真空退火处理的相关温度、时间等参数和条件，具有工艺简单、控制方便、效率高、成本低等优点，适合应用于未来信息存储技术中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的钴基多层膜的结构示意图；
图2为本发明实施例1～5以及对比例1中制备得到的钴基多层膜的磁滞回线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请实施例提供了一种钴基多层膜，包括：基底1以及依次位于基底1一侧面的第一覆盖层2、氮掺杂钨层3、Co基软磁层4以及第二覆盖层5。
在一些实施例中，Co基软磁层4的材料包括Co、CoFe和CoFeB中的一种；
和/或，第一覆盖层2和第二覆盖层5的材料包括Pt或Ta；具体的，在本申请实施中第一覆盖层2材料为Ta、第二覆盖层5的材料为pt。
在一些实施例中，基底1包括带有热氧化的SiO2层的Si基底、Si基底和应力应变基底中的一种。
需要说明的是，带有热氧化的SiO2层的Si基底指的是在Si基底上通过热氧化生成SiO2层。应力应变基底包括TiNi基底、TiNiNb基底等。
基于同一发明构思，本申请还提供了一种钴基多层膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一基底；
S2、在基底一侧面制备第一覆盖层；
S3、在第一覆盖层远离所述基底一侧面制备氮掺杂钨层；
S4、在氮掺杂钨层远离所述基底一侧面制备Co基软磁层；
S5、在Co基软磁层所述基底一侧面制备第二覆盖层。
在一些实施例中，S3中采用磁控溅射法制备得到氮掺杂钨层，其中磁控溅射法具体为：以氩气为溅射气体，以W为溅射靶材，在溅射靶材的同时通入氮气，沉积完成后停止通入氮气，即得到氮掺杂钨层。相较于合金靶材中元素掺杂获得单一成份配比的靶材进而溅射单一配比的薄膜的方式，此方法可以灵活调控氮掺杂的含量，调控窗口大，可以扩宽对磁性能的调控能力范围。
在一些实施例中，通入的氮气与氩气的体积流量比为(0.5～12):16；具体的，记氩气和氮气的体积流量比为Q，实际中Q的取值可为16:2、16:4、16:6、16:8、16:10等，对应的，氮气与氩气组成的混合气体中氮气的体积含量分别为11.1％、20％、27.3％、33.3％、38.5％；通过通入不同的氮气流量来调节氮掺杂钨层中氮的掺杂量。
在一些实施例中，磁控溅射过程中控制溅射室的本底真空度为1×10-5～3×10- 5Pa，溅射时氩气压保持为0.24Pa，而改变通入的氮气气压，进而调控氩气和氮气流量的比例。
在一些实施例中，W靶材的轰击时间为38～60s，即W靶材的溅射时间为38～60s。
在一些实施例中，在溅射还包括对W靶材进行预处理，预处理具体为：先将W靶材置于有机试剂中超声清洗，然后置于水中超声清洗，然后烘干即完成预处理，烘干可采用氮气吹干或烘箱烘干。
在一些实施例中，有机试剂包括丙酮和/或酒精。
在一些实施例中，制备第一覆盖层、制备Co基软磁层、制备第二覆盖层均采用磁控溅射法，若第一覆盖层的材料为Ta、Co基软磁层的材料为Co、第二覆盖层5的材料为pt，则分别以Ta、Co和pt为靶材进行磁控溅射；在制备Co软磁层时，Co靶材轰击时间为32～50s。
实际中，在溅射之前还分别对Ta、Co和pt靶材进行清洗，具体的，清洗方法可按照W靶材的预处理方法进行。
在含有铁磁/氧化物结构的薄膜中，垂直磁各向异性来源于铁磁金属3d与O2p的轨道杂化；本申请的钴基多层膜的制备方法，N原子作为O的近邻元素具有较好的电子亲和性，会与铁磁金属产生轨道杂化，诱发其界面结构的改变，一方面使得界面的粗糙度得到改善，另一反面通过调控铁磁层界面关键电子结构，使得界面轨道状态呈现不同程度的杂化程度，增加了调节的范围和可控性，使得Co-N的轨道杂化强度产生变化，为界面结构有效调控磁性能提供了很大的窗口。
本申请的钴基多层膜的制备方法，通过选择氮原子作为与铁磁金属产生轨道杂化对象，诱发其界面结构的改变，无需后续的真空退火处理，通过界面处的Co-N轨道杂化工程来调节铁磁金属界面处的轨道结构，得到有益的、适度的Co-N轨道杂化状态，使得界面处呈现不同程度的处轨道杂化状态，增加了调节的范围和可控性，从而引起Co基多层膜磁性能的改变；本申请的钴基多层膜的制备方法，通过溅射时改变氮气的掺杂量就可以诱发其界面结构的改变，不依赖于后续复杂的真空退火处理的相关温度、时间等参数和条件，具有工艺简单、控制方便、效率高、成本低等优点，适合应用于未来信息存储技术中。
以下进一步以具体实施例说明本申请的钴基多层膜的制备方法。
实施例1
一种钴基多层膜，其包括Si基底以及依次位于Si基底一侧面的第一覆盖层、氮掺杂钨层、Co基软磁层以及第二覆盖层，其中，第一覆盖层的材料为Ta，第一覆盖层的厚度为2nm，氮掺杂钨层的厚度为3nm，Co基软磁层的材料为Co，Co基软磁层的厚度为1nm，第二覆盖层的材料为Pt，第二覆盖层的厚度为2nm。
具体的，该钴基多层膜的制备方法包括以下步骤：
S1、提供一Si基底；
S2、以Ta为靶材，利用磁控溅射法在Si基底一侧面制备得到Ta，即为第一覆盖层；其中，Ta靶材的溅射功率为120W、溅射时长为20s；
S3、采用磁控溅射法在第一覆盖层远离基底一侧面制备得到氮掺杂钨层，具体工艺为：以氩气为溅射气体，以W为溅射靶材，在溅射靶材的同时通入氮气，沉积完成后停止通入氮气，即得到氮掺杂钨层；其中，W靶材的溅射时间为50s，溅射时氩气压保持恒定不变为0.24Pa，通入的氮气与氩气的流量比为2:16，W靶材溅射功率为100W、溅射时长为38.4s；
S4、以Co为靶材，利用磁控溅射法在氮掺杂钨层远离Si基底一侧面制备得到Co层，即得Co基软磁层；其中，Co靶材的溅射功率为40W、溅射时长为32s；
S5、以pt为靶材，利用磁控溅射法在Co基软磁层远离Si基底一侧面制备得到pt，即为第二覆盖层；其中，pt靶材的溅射功率为40W、溅射时长为44.6s。
实施例2
本申请实施例提供的钴基多层膜的结构与制备方法，同实施例1，不同在于，通入的氮气与氩气的流量比为4:16。
实施例3
本申请实施例提供的钴基多层膜的结构与制备方法，同实施例1，不同在于，通入的氮气与氩气的流量比为6:16。
实施例4
本申请实施例提供的钴基多层膜的的结构与制备方法，同实施例1，不同在于，通入的氮气与氩气的流量比为8:16。
实施例5
本申请实施例提供的钴基多层膜的的结构与制备方法，同实施例1，不同在于，通入的氮气与氩气的流量比为10:16。
对比例1
本对比例提供的钴基多层膜的结构同实施例1，不同在于，氮掺杂钨层替换为钨层，本对比例提供的钴基多层膜的制备方法，同实施例1，不同在于，S3中在溅射靶材的同时不通入氮气，即氮气与氩气的流量比为0:16。
测试实施例1～5与对比例1制备得到的钴基多层膜的磁滞回线，结果如图2所示，图2中横坐标表示氩气与氮气的流量比。
从图2中可以看出，没有通入氮气的样品即对比例1中氩气和氮气的体积流量比为Q＝16:0所对应的点，此时Keff为负值，说明对比例1中制备得到的样品此时具有面内磁各向异性(IMA)。随着氮气通入量的增大，当氩气和氮气的体积流量比为Q＝16:4时，有效磁各向异性常数Keff取得了正值。当氩气和氮气的体积流量比为Q＝16:6时，制备得到的钴基多层膜的易磁化轴方向已完全转变为垂直于薄膜表面方向，且钴基多层膜的有效磁各向异性常数具有最大值，相较于氩气和氮气的体积流量比为Q＝16:4时再次得到了大幅度提升。并且，无需经过退火热处理，在制备态下就成功诱导出了钴基多层膜的很好的垂直磁各向异性。然而，当氩气和氮气的体积流量比进一步增大时，如图2中Q＝16:8,16:10所示，钴基多层膜的垂直磁各向异性又有逐渐减弱的趋势。此结果表明，氮掺杂可以有效地调控薄膜的磁各向异性，并且通过适当的氮气的掺杂可以有效地驱动钴基多层膜由面内磁各向异性向垂直磁各向异性转化。
以上述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钴基多层膜，其特征在于，包括：基底以及依次位于所述基底一侧面的第一覆盖层、氮掺杂钨层、Co基软磁层以及第二覆盖层；所述Co基软磁层的材料包括Co、CoFe和CoFeB中的一种；
所述第一覆盖层和所述第二覆盖层的材料包括Pt或Ta；
所述基底包括Si基底、TiNi基底、TiNiNb基底中的一种。
2.一种如权利要求1所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供一基底；
S2、在所述基底一侧面制备第一覆盖层；
S3、在所述第一覆盖层远离所述基底一侧面制备氮掺杂钨层；
S4、在所述氮掺杂钨层远离所述基底一侧面制备Co基软磁层；
S5、在所述Co基软磁层远离所述基底一侧面制备第二覆盖层。
3.如权利要求2所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，S3中采用磁控溅射法制备得到氮掺杂钨层，其中磁控溅射法具体为：以氩气为溅射气体，以W为溅射靶材，在溅射靶材的同时通入氮气，沉积完成后即得到氮掺杂钨层。
4.如权利要求3所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，通入的氮气与氩气的体积流量比为(0.5~12):16。
5.如权利要求4所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，磁控溅射过程中控制溅射室的本底真空度为1×10-5~3×10-5Pa，溅射时氩气压保持为0.24 Pa。
6.如权利要求4所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，W靶材的轰击时间为38~60s。
7.如权利要求3所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，在溅射之前还包括对W靶材进行预处理，预处理具体为：先将W靶材置于有机试剂中超声清洗，然后置于水中超声清洗，然后烘干即完成预处理。
8.如权利要求7所述的钴基多层膜的制备方法，其特征在于，所述有机试剂包括丙酮和/或酒精。
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