CN114156042B - 一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法。本发明可以简单分成三层：缓冲层、合金层和保护层。通过共溅射工艺的优化，以及Tb和Co溅射功率的调节，可以实现TbCo垂直各向异性的控制，实现倾斜垂直各向异性。本发明提供了这种基于TbCo合金的倾斜垂直磁各向异性工艺方法，相比于其他实现材料体系，其实现方法更加适用于产业化的晶圆级尺寸样品生长，且更加经济高效。在未来的磁存储行业中有着很大的应用前景。

Description

一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法
技术领域
本发明属于磁性存储材料领域，具体涉及一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法。
技术背景
磁性随机存储(Magnetic Random Accessory Memory，MRAM)被视为目前最具发展前景的存储技术。MRAM兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等优点，原则上可取代各类存储器的应用。另外，其抗辐射性尤为军方所青睐。MRAM芯片利用磁性隧道结作为存储单元，其信息读取具有很高的信噪比，目前，如何实现高可靠性，高速度，以及低功耗的信息写入技术是MRAM设计研发的关键问题。在今年来，一种利用自旋轨道力矩效应(Spin Orbit Torque,SOT)的新型写入技术，受到极大关注。相比于传统的利用自旋转移力矩(Spin transfer torque,STT-)写入技术，SOT驱动磁矩翻转比STT效应有更快的速度，更低的功耗，更高的耐久性。
一般而言，SOT驱动垂直薄膜磁矩定向翻转，需要施加额外的面内磁场辅助才能实现。目前对于SOT驱动磁矩翻转的研究，其中一个关键问题是如何实现垂直各向异性薄膜磁矩的无磁场辅助定向翻转。片上磁场的存在，极大的限制了器件向小型化，高密度化发展。因此，如何实现无磁场辅助的定向翻转是SOT-MRAM器件研究一个关键问题。目前已证实的实现垂直磁矩无磁场翻转，主要技术路线有三种，其各有优缺点，分别做简要概括(1)利用多个磁性膜层的耦合作用产生内建磁场：包括通过增加反铁磁层，利用交换偏置效应提供内建场，利用铁磁/非磁/铁磁三层膜之间的层间耦合效应提供内建场。然而额外膜层的引入增加了器件的复杂度，耦合效应和额外膜层的分流效应使得器件稳定性降低，临界翻转电流密度增加。(2)生长非均匀厚度的楔形薄膜结构，利用非均匀薄膜造成的对称性破缺实现无磁场翻转。然而，受到实验技术制约，楔形结构只能在小尺寸样品实现，无法在晶圆级尺寸的衬底上实现，从而限制了其产业化。(3)利用具有倾斜的各向异性的磁性薄膜体系。如果通过控制薄膜各向异性，在垂直各向异性同时具有面内倾斜，产生一个面内的各向异性有效场，从而实现无磁场翻转。对于这种方式，目前已发现的具有倾斜各向异性材料很少，已报道的只有一种，SrIrO3/SrRuO3双层膜结构。然而这类氧化物结构需要高温激光脉冲沉积生长，且难与目前半导体工艺兼容。也有提出采用薄膜的形状各向异性实现倾斜各向异性，然而需要聚焦离子束刻蚀来实现，也无法实现大规模应用。如何找到一种适合大规模生产的倾斜各向性体系，是目前研究的焦点。目前研究已经证实，单层的TbCo薄膜存在SOT效应，可以实现磁矩的定向翻转。然而找到一种有效实现无磁场辅助SOT驱动磁矩翻转方法，是进一步降低器件功耗的关键问题。本专利通过共溅射控制磁性合金TbCo膜层成分的方法，使TbCo薄膜具有倾斜的垂直各向异性磁性，从而为实现TbCo体系SOT驱动磁矩无磁场翻转提供了一条简单易行，适合大规模应用的器件制备方法。
发明内容
本发明属于磁性存储材料领域，具体涉及一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法。
一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜，从上到下依次为保护层、合金层、缓冲层，所述的合金层为TbCo，合金层TbCo的厚度为6-10nm，其中生长的合金层Tb的溅射功率为27-30w，Co的溅射功率为100w。
作为优选，所述的缓冲层和保护层同为金属Ru，且厚度选择为2nm。
作为优选，合金层TbCo的厚度为8nm。
作为优选，所生长的合金层Tb的溅射功率为29w。
一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：将Si/SiO2衬底用异丙醇，去离子水超声清洗各5分钟；
步骤二：在Si/SiO2衬底上溅射生长Ru作为缓冲层；
步骤三：生长合金层TbCo；
具体为：靶和衬底的距离为14.5-15.5cm，靶和衬底的溅射倾角为40°-50°，溅射室本底真空3x10-8Torr，溅射Ar气压为3mTorr,溅射温度为室温，Co,Tb溅射电源都为交流电源，Tb的溅射功率为27-30w，Co的溅射功率为100w，合金层TbCo的厚度为6-10nm；
步骤四：在合金层TbCo上生长Ru作为保护层。
作为优选，所述的缓冲层和保护层厚度选择为2nm。
作为优选，合金层TbCo的厚度为8nm。
作为优选，所生长的合金层Tb的溅射功率为29w。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
目前能够实现倾斜垂直各向异性薄膜体系还较少，已报道的材料主要有两种，SrIrO3/SrRuO3双层膜体系中的体系本征的磁晶各向异性，通过离子束刻蚀实现的薄膜边缘的改性。分别加以讨论：
1、相比于利用SrIrO3/SrRuO3双层膜体系，本发明提出的TbCo薄膜工艺更加适合于产业化应用，更低能耗。SrIrO3/SrRuO3需要外延生长才能保持其本征的磁晶各向异性，而氧化物的外延生长需要高温激光脉冲沉积技术才能实现，这种方法无法保持大尺寸衬底上生长的薄膜均匀性，只适用于小面积高质量薄膜生长，限制了其产业化应用。本发明提出的采用室温磁控溅射方法实现的倾斜垂直各向异性的TbCo薄膜，无需外延生长，不但适合晶圆级尺寸样品制备，同时更加经济高效。
2、相比于通过离子束刻蚀实现的薄膜边缘的改性实现的方法。这类方法不但需要精密的微纳米加工工艺，实现薄膜边缘的改性，无法将器件尺寸做的很小，而且不易控制，不利于高密度应用。本发明提出的室温溅射成分控制的方法通过磁控溅射速率实现薄膜成分的控制，不需要精密的微纳米加工工艺，更加简单易行。
综上所述，相比于其他无外加辅助磁场实现电流驱动翻转的结构，本发明所述的结构更加适合于产业化应用，更加经济高效。为芯片集成，工业生产中对元器件的参数稳定性要求提供保障。
附图说明
图1是TbCo合金共溅射原理图；
图2是TbCo中不同Tb溅射功率的磁光克尔归一化曲线；
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于TbCo合金的倾斜垂直磁各向异性的有效实现无磁场翻转的器件结构。本发明的目的是通过如下技术方案实现：
实施例一：一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法：
1)薄膜的制备，需要先使用有机溶剂异丙醇和乙醇对衬底表面进行清洁，再用超纯水将表面的有机溶剂去除干净。后利用磁控溅射依次将缓冲层，合金层，保护层溅射至衬底表面。首先是溅射缓冲层，即Ru金属层，靶和衬底的距离为15cm。靶与衬底的溅射角度为90°，溅射室本底真空为3x10-8Torr，溅射时Ar气气压为3mTorr，溅射温度为室温，使用直流电源驱动Ru靶，溅射功率80w，控制溅射的厚度为2nm，作为缓冲层。其次时合金层，保持靶和衬底的距离为15cm，靶和衬底的溅射倾角为45度。溅射室本底真空3x10-8Torr。溅射Ar气压为3mTorr,溅射温度为室温。Co,Tb溅射电源都为交流电源，所选合金层TbCo对于不同的Tb和Co原子比具有不同强度的垂直磁各向异性。其中选择Co靶位控制功率为100w，Tb靶功率选择29w。合金层总厚度为8nm。最后是保护层，其生长条件与缓冲层保持一致，生长2nm的Ru金属。
实施例二：
薄膜的制备，需要先使用有机溶剂异丙醇和乙醇对衬底表面进行清洁，再用超纯水将表面的有机溶剂去除干净。后利用磁控溅射依次将缓冲层，合金层，保护层溅射至衬底表面。首先是溅射缓冲层，即Ru金属层，靶和衬底的距离为15cm。靶与衬底的溅射角度为90°，溅射室本底真空为3x10-8Torr，溅射时Ar气气压为3mTorr，溅射温度为室温，使用直流电源驱动Ru靶，溅射功率80w，控制溅射的厚度为2nm，作为缓冲层。其次时合金层，保持靶和衬底的距离为14.5cm，靶和衬底的溅射倾角为40度。溅射室本底真空3x10-8Torr。溅射Ar气压为3mTorr,溅射温度为室温。Co,Tb溅射电源都为交流电源，所选合金层TbCo对于不同的Tb和Co原子比具有不同强度的垂直磁各向异性。其中选择Co靶位控制功率为100w，Tb靶功率选择27w。合金层总厚度为9nm。最后是保护层，其生长条件与缓冲层保持一致，生长2nm的Ru金属。
实施例三：
薄膜的制备，需要先使用有机溶剂异丙醇和乙醇对衬底表面进行清洁，再用超纯水将表面的有机溶剂去除干净。后利用磁控溅射依次将缓冲层，合金层，保护层溅射至衬底表面。首先是溅射缓冲层，即Ru金属层，靶和衬底的距离为15cm。靶与衬底的溅射角度为90°，溅射室本底真空为3x10-8Torr，溅射时Ar气气压为3mTorr，溅射温度为室温，使用直流电源驱动Ru靶，溅射功率80w，控制溅射的厚度为2nm，作为缓冲层。其次时合金层，保持靶和衬底的距离为15.5cm，靶和衬底的溅射倾角为50度。溅射室本底真空3x10-8Torr。溅射Ar气压为3mTorr,溅射温度为室温。Co,Tb溅射电源都为交流电源，所选合金层TbCo对于不同的Tb和Co原子比具有不同强度的垂直磁各向异性。其中选择Co靶位控制功率为100w，Tb靶功率选择30w。合金层总厚度为6nm。最后是保护层，其生长条件与缓冲层保持一致，生长2nm的Ru金属。
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1所示，为TbCo合金共溅射原理图。其中样品托盘悬挂再溅射靶位之上，用于放置衬底。其中Tb和Co靶位位于样品托之下，并分别和样品托所在平面呈45度的夹角。当溅射合金层时，通过固定Co靶位的功率改变Tb靶位的功率，实现对所生长TbCo合金原子比的调控。
如图2所示，为对于相同的Co溅射功率不同Tb溅射功率的MOKE数据图，可以看到随着功率的增加，薄膜的垂直磁各向异性逐渐变弱。这说明了合金层TbCo对于不同的Tb和Co原子比具有不同强度的垂直各向异性。且垂直各向异性在一定的成分范围内与原子成分比存在线性关系。这证明了TbCo薄膜可以通过控制溅射原子比例来实现磁矩的倾斜。这对现如今的无磁场电流驱动翻转具有重大的实际意义。

Claims (4)

1.一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜的制备方法，其特征在于：所述薄膜从上到下依次为保护层、合金层、缓冲层，具体制备步骤为：
步骤一：将Si/SiO2衬底用异丙醇，去离子水超声清洗各5分钟；
步骤二：在Si/SiO2衬底上溅射生长Ru作为缓冲层；
步骤三：生长合金层TbCo，厚度为6-10nm；
具体为：靶和衬底的距离为14.5-15.5cm，靶和衬底的溅射倾角为40°-50°，溅射室本底真空3x 10-8Torr，溅射Ar气压为3mTorr,溅射温度为室温，Co,Tb溅射电源都为交流电源，Tb的溅射功率为27-30w，Co的溅射功率为100w，合金层TbCo的厚度为6-10nm；
步骤四：在合金层TbCo上生长Ru作为保护层。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜的制备方法，其特征在于：所述缓冲层和保护层的厚度选择为2nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜的制备方法，其特征在于：合金层TbCo的厚度为8nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜的制备方法，其特征在于：所生长的合金层的溅射功率为29w。
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