CN115101284B - 一种磁性多层膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁性多层膜及其制备方法和应用。本发明的磁性多层膜，包括基底以及在基底依次层叠设置的N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层和第二Ta层；本发明的磁性多层膜的制备方法，通过溅射Ta的同时通入氮气引入氮离子，通过反应溅射方式在基底上生成N掺杂的Ta层，从而制造出较高的原子晶格空位浓度，产生结构缺陷，使得N掺杂的Ta层中的N固定底层的Ta一定程度起到扩散阻挡层的作用，大大减少Ta的扩散破坏界面处的Fe‑O键合，因而使得磁性多层膜呈现出垂直磁各向异性(PMA)；本发明的磁性多层膜的制备方法，可以低成本实现对薄膜垂直磁各向异性的调控，且具有制备简单高效、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料技术领域，尤其涉及一种磁性多层膜及其制备方法和应用。
背景技术
在许多磁性多层膜体系中，Ta/CoFeB/MgO多层膜由于其易调控的垂直磁各向异性，因而在基于自旋轨道矩（Spin Orbit Torque，SOT）的高密度磁随机存储器中被人们广泛地使用。但是，由于在退火过程中Ta原子的扩散，破坏了Ta/CoFeB界面，从而降低CoFeB/MgO多层膜的垂直磁各向异性，甚至会导致垂直磁各向异性的消失，而不利于实用化。因此如何阻碍CoFeB/MgO多层膜中底层Ta在退火过程中的扩散，来提高其垂直磁各向异性的热稳定性具有重要的意义。
针对Ta/CoFeB/MgO/Ta体系，现有技术提出了在Ta和CoFeB的界面引入重金属插层、氧化物插层（如TaOx、WNx、Ru）等办法，这些方法中插层的引入都需要额外增加对应的高纯靶材，成本较高。在一定程度上不利于工业化的生产和应用。
因此，如何简单有效、低成本地解决CoFeB基多层膜中Ta的扩散进而使得垂直磁各向异性恶化的问题，是制备高效MRAM（磁性随机存储器）器件的关键问题之一。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种磁性多层膜及其制备方法和应用，以解决Ta的扩散进而使得垂直磁各向异性恶化的问题。
第一方面，本发明提供了一种磁性多层膜，包括：
基底；
N掺杂的Ta层，其位于所述基底的一侧面；
第一Ta层，其位于所述N掺杂的Ta层远离所述基底的一侧面；
CoFeB层，其位于所述第一Ta层远离所述基底的一侧面；
MgO层，其位于所述CoFeB层远离所述基底的一侧面；
第二Ta层，其位于所述MgO层远离所述基底的一侧面。
优选的是，所述的磁性多层膜，所述N掺杂的Ta层和所述第一Ta层的厚度之和为4~5nm；
所述第一Ta层的厚度为2~3nm；
所述CoFeB层的厚度为1~1.2nm；
所述MgO层的厚度为2~2.5nm；
所述第二Ta层的厚度为2~2.5nm。
优选的是，所述的磁性多层膜，所述基底为硅基片，所述硅基片表面设有SiO2氧化层。
第二方面，本发明还提供了一种所述的磁性多层膜的制备方法，包括以下步骤：
在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层，得到多层膜；
再将多层膜进行热处理即得磁性多层膜。
优选的是，所述的磁性多层膜的制备方法，利用磁控溅射法，在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层。
优选的是，所述的磁性多层膜的制备方法，在基底上沉积N掺杂的Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta的同时通入氮气，即得N掺杂的Ta层；
在基底上沉积第一Ta层、第二Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta，即分别得到第一Ta层、第二Ta层。
优选的是，所述的磁性多层膜的制备方法，在氩气气氛下，以Ta为靶材，通过溅射Ta的同时通入氮气，即得N掺杂的Ta层；其中，氩气与氮气的体积比为(14~18):(0.8~1.2)。
优选的是，所述的磁性多层膜的制备方法，在基底上沉积CoFeB层具体为：以Co40Fe40B20为靶材，通过溅射Co40Fe40B20，即得CoFeB层；
在基底上沉积MgO层具体为：以MgO为靶材，通过溅射MgO，即得MgO层。
优选的是，所述的磁性多层膜的制备方法，磁控溅射时的溅射室的本底真空度为1×10-5~3×10-5 Pa，溅射时氩气压为0.3~0.6Pa；
和/或，所述的磁性多层膜的制备方法，所述热处理具体为：在真空度为1×10-5~3×10-5 Pa下，于200~400℃下保温30~120min。
第三方面，本发明还提供了一种所述的磁性多层膜或所述的制备方法制备得到的磁性多层膜在制备MRAM器件中的应用。
本发明的磁性多层膜及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
（1）本发明的磁性多层膜，包括基底以及在基底依次层叠设置的N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层和第二Ta层；本发明的磁性多层膜，通过引入N掺杂的Ta层，N掺杂的Ta层中的N固定底层的Ta一定程度起到扩散阻挡层的作用，大大减少Ta的扩散破坏界面处的Fe-O键合，因而使得磁性多层膜呈现出垂直磁各向异性；本发明的磁性多层膜，相比现有的Ta/CoFeB/MgO/Ta多层膜，无需增加额外的插层，可以明显提高磁性多层膜的垂直磁各向异性；
（2）本发明的磁性多层膜的制备方法，通过溅射Ta的同时通入氮气引入氮离子，通过反应溅射方式在基底上生成N掺杂的Ta层，从而制造出较高的原子晶格空位浓度，产生结构缺陷，使得N掺杂的Ta层中的N固定底层的Ta一定程度起到扩散阻挡层的作用，大大减少Ta的扩散破坏界面处的Fe-O键合，因而使得磁性多层膜呈现出垂直磁各向异性(PMA)；本发明的磁性多层膜的制备方法，可以低成本实现对薄膜垂直磁各向异性的调控，且具有制备简单高效、成本低等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中；
（3）本发明的磁性多层膜可用于制备MRAM器件，并提高MRAM器件的存储密度以及热稳定性。
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地介绍，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为本发明的磁性多层膜的结构示意图；
图2为对比例2中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线；
图3为实施例2中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线；
图4为对比例1中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线；
图5为实施例1中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线；
图6为实施例1和对比例1中磁性多层膜CoFeB/MgO界面处的Ta 4f的高分辨XPS光谱，以及Ta原子和N原子扩散情况示意图。
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。
本申请实施例提供了一种磁性多层膜，如图1所示，包括：
基底1；
N掺杂的Ta层2，其位于基底1的一侧面；
第一Ta层3，其位于N掺杂的Ta层2远离基底1的一侧面；
CoFeB层4，其位于第一Ta层3远离基底1的一侧面；
MgO层5，其位于CoFeB层4远离基底1的一侧面；
第二Ta层6，其位于MgO层5远离基底1的一侧面。
需要说明的是，本申请的磁性多层膜包括基底1，以及在基底1依次层叠设置的N掺杂的Ta层2、第一Ta层3、CoFeB层4、MgO层5和第二Ta层6；本申请的磁性多层膜，通过引入N掺杂的Ta层2，N掺杂的Ta层2中的N固定底层的Ta一定程度起到扩散阻挡层的作用，大大减少Ta的扩散破坏界面处的Fe-O键合，因而使得磁性多层膜呈现出垂直磁各向异性(PMA)；本申请的磁性多层膜，相比现有的Ta/CoFeB/MgO/Ta多层膜，无需增加额外的插层，可以明显提高磁性多层膜的垂直磁各向异性。
在一些实施例中，N掺杂的Ta层和第一Ta层的厚度之和为4~5nm；第一Ta层的厚度为2~3nm；CoFeB层的厚度为1~1.2nm；MgO层的厚度为2~2.5nm；第二Ta层的厚度为2~2.5nm。
在上述实施例中，N掺杂的Ta层和第一Ta层称为缓冲层，缓冲层的厚度为4~5nm，第二Ta层为保护层。
在一些实施例中，基底为硅基片，硅基片表面通过热氧化形成SiO2氧化层，SiO2氧化层的厚度为280~320nm。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述的磁性多层膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层，得到多层膜；
S2、再将多层膜进行热处理即得磁性多层膜。
在一些实施例中，利用磁控溅射法，在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层。
在一些实施例中，在基底上沉积N掺杂的Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta的同时通入氮气，即得N掺杂的Ta层；
在基底上沉积第一Ta层、第二Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta，即分别得到第一Ta层、第二Ta层。
本申请的磁性多层膜的制备方法，在制备N掺杂的Ta层时，通过溅射Ta的同时通入氮气引入氮离子，通过反应溅射方式在基底上生成N掺杂的Ta层，从而制造出较高的原子晶格空位浓度，产生结构缺陷，使得N掺杂的Ta层中的N固定底层的Ta一定程度起到扩散阻挡层的作用，大大减少Ta的扩散破坏界面处的Fe-O键合，因而使得磁性多层膜呈现出垂直磁各向异性(PMA)；本申请通过引入N掺杂的Ta层，无需增加额外的插层，可以明显提高薄膜的垂直磁各向异性。本申请的磁性多层膜的制备方法，可以低成本实现对薄膜垂直磁各向异性的调控，且具有制备简单高效、成本低等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中。
在一些实施例中，在氩气气氛下同时通入氮气，通过磁控溅射Ta得到N掺杂的Ta层；通过控制氮气和氩气的体积比可以调控N掺杂量，具体的，氩气和和氮气的体积比为(14~18):(0.8~1.2)，优选的，氩气和和氩气的体积比为16:1，申请人发现过大的氮气通入量不利于得到具有垂直磁各向异性的磁性多层膜，当氩气和和氩气的体积比为(14~18):(0.8~1.2)有利于垂直磁各向异性的获得。
在一些实施例中，在基底上沉积CoFeB层具体为：以Co40Fe40B20为靶材，通过溅射Co40Fe40B20，即得CoFeB层；
在基底上沉积MgO层具体为：以MgO为靶材，通过溅射MgO，即得MgO层。
具体的，实际中除了可以采用MgO为靶材，通过溅射得到MgO层；还可以采用金属Mg靶材，在Mg层的沉积过程中通入一定量的高纯氧气反应溅射获得MgO层。
在一些实施例中，磁控溅射时的溅射室的本底真空度为1×10-5~3×10-5 Pa，溅射时氩气压为0.3~0.6Pa。
在一些实施例中，在真空环境下对多层膜进行热处理， 热处理具体为：在真空度为1×10-5~3×10-5 Pa下，热处理的温度为200~400 ℃，保温时间为30~120min，最后，冷却到室温。
在一些实施例中，在基底上沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层之前，还包括使用有机溶剂对基底、Ta、Co40Fe40B20、MgO进行清洗，具体的清洗为：依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗，最后用氮气吹干。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述的磁性多层膜在制备MRAM器件中的应用；具体的，采用本申请的磁性多层膜制备的MRAM器件可以提高MRAM器件的存储密度以及热稳定性。
以下进一步以具体实施例说明本申请的磁性多层膜的制备方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
以下将结合具体的实施例来说明上述磁性多层膜及其制备方法，本领域技术人员所理解的是，下述实施例仅是本发明上述磁性多层膜及其制备方法的具体示例，而不用于限制其全部。
实施例1
本申请实施例提供了一种磁性多层膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供硅基片，硅基片表面通过热氧化形成厚度为300 nm的SiO2氧化层；
S2、利用磁控溅射法，在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层，得到多层膜；
S3、在真空环境下，对多层膜进行热处理，即得磁性多层膜；
其中，在基底上沉积N掺杂的Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta的同时通入氮气，即得N掺杂的Ta层；
在基底上沉积第一Ta层、第二Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta，即分别得到第一Ta层、第二Ta层；
在基底上沉积CoFeB层具体为：以Co40Fe40B20为靶材，通过溅射Co40Fe40B20，即得CoFeB层；
在基底上沉积MgO层具体为：以MgO为靶材，通过溅射MgO，即得MgO层；
磁控溅射时的溅射室的本底真空度为1×10-5Pa，溅射时氩气压为0.3Pa；
溅射沉积得到N掺杂的Ta层时，通入的氮气与氩气的体积比为1:16，N掺杂的Ta层的厚度为3nm，溅射沉积时间为30秒；
第一Ta层的厚度为2nm，溅射沉积时间为20秒；
CoFeB层的厚度为1.0nm，溅射沉积时间为20 秒；
MgO层的厚度为2.0nm，溅射沉积时间为328 秒；
第二Ta层的厚度为2nm，溅射沉积时间为20 秒；
热处理具体为：在真空度为1×10-5Pa下，于300℃下保温30min。
实施例2
本申请实施例提供的磁性多层膜的制备方法，同实施例1，不同在于，步骤S3中热处理为：在真空度为1×10-5Pa下，于250℃下保温30min。
对比例1
本对比例提供了一种磁性多层膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供硅基片，硅基片表面通过热氧化形成厚度为300 nm的SiO2氧化层；
S2、利用磁控溅射法，在基底上依次沉积第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层，得到多层膜；
S3、在真空环境下，对多层膜进行热处理，即得磁性多层膜；
其中，在基底上沉积第一Ta层、第二Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta，即分别得到第一Ta层、第二Ta层；
在基底上沉积CoFeB层具体为：以Co40Fe40B20为靶材，通过溅射Co40Fe40B20，即得CoFeB层；
在基底上沉积MgO层具体为：以MgO为靶材，通过溅射MgO，即得MgO层；
磁控溅射时的溅射室的本底真空度为1×10-5Pa，溅射时氩气压为0.3Pa；
第一Ta层的厚度为5nm，溅射沉积时间为50秒；
CoFeB层的厚度为1.0nm，溅射沉积时间为20 秒；
MgO层的厚度为2.0nm，溅射沉积时间为328 秒；
第二Ta层的厚度为2nm，溅射沉积时间为20 秒；
热处理具体为：在真空度为1×10-5Pa下，于300℃下保温30min。
对比例2
本对比例提供了一种磁性多层膜的制备方法，同对比例1，不同在于，步骤S3中热处理为：在真空度为1×10-5Pa下，于250℃下保温30min。
性能测试
图2~5为实施例1~2和对比例1~2中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线。具体的，图2为对比例2中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线（图2中表示在250℃下保温30min制备的磁性多层膜Ta/CoFeB /MgO/Ta）；图3为实施例2中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线（图3中表示在250℃下保温30min制备的磁性多层膜Ta(N)Ta/CoFeB /MgO/Ta）；图4为对比例1中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线（图4中表示在300℃下保温30min制备的磁性多层膜Ta/CoFeB /MgO/Ta）；图5为实施例1中制备得到的磁性多层膜的磁滞回线（图5中表示在300℃下保温30min制备的磁性多层膜Ta(N)Ta/CoFeB /MgO/Ta）。
由图2~5可知，对比例2中在制备第一Ta层时未引入氮气，在250℃热处理后的磁性多层膜的磁各向异性常数Keff为1.5×106erg/cm3，表现为垂直磁各向异性（PMA）；对比例1中经过300℃热处理后的磁性多层膜的磁各向异性常数明显降低，磁矩介于面内和面外并倾向于面内磁各向异性（IMA）。而实施例2中通过溅射Ta的同时通入氮气，形成N掺杂的Ta层，且经过250℃热处理后的磁性多层膜的磁各向异性常数Keff为1.8×106erg/cm3，表现为垂直磁各向异性（PMA）；实施例1中通过溅射Ta的同时通入氮气，形成N掺杂的Ta层，且经过300℃热处理后的磁性多层膜的磁各向异性常数进一步升高为2.4×106erg/cm3，呈较好的垂直磁各向异性（PMA）。
图6为实施例1和对比例1中经过300℃热处理后的磁性多层膜CoFeB/MgO界面处的Ta 4f的高分辨XPS光谱，以及300℃热处理后的磁性多层膜中Ta原子和N原子扩散情况示意图。
图6中Ta/CoFeB/MgO/Ta即为对比例1中磁性多层膜，Ta(N)Ta/CoFeB /MgO/Ta即为实施例1中磁性多层膜，图中Ta(N)表示N掺杂的Ta层。
从图6中可以看出，实施例1和对比例1中经过300℃热处理后的磁性多层膜，底层Ta原子都在一定程度上扩散到了CoFeB/MgO界面，并且形成了Ta2O5和Ta的低值氧化物。对比例1中的磁性多层膜，CoFeB/MgO界面处出现Ta的4f峰；但是实施例1中的磁性多层膜的CoFeB/MgO界面处Ta的氧化物的峰明显降低，且并未出现N 1s峰，这表明在该磁性多层膜中，N并没有扩散到CoFeB/MgO界面，只有Ta扩散到了该界面。实施例1和对比例1中经过300℃热处理后的磁性多层膜在该界面形成了较多量的Ta2O5，Ta的严重扩散与Ta2O5的生成影响了CoFeB/MgO界面处Fe-O的轨道耦合，降低了界面磁各向异性，这也是对比例1中磁性多层膜表现为面内磁各向异性(IMA)的主要原因。而实施例1中磁性多层膜中也有Ta扩散到CoFeB/MgO界面，但是从该样品的Ta 4f峰来看，该界面处的Ta并没有与Fe大量争夺O，并且由于N的引入，大大降低了Ta的扩散程度，在Ta-Ta键合的情况下加入少量的N，形成了晶界，为Ta原子创造了额外的扩散路径，从而避免了高温下Ta扩散到CoFeB/MgO界面对PMA的破坏。因此在CoFeB/MgO界面处的Fe-O的轨道耦合并没有受到彻底的破坏，因而实施例1中经过300℃热处理后的磁性多层膜在300℃退火时仍能保持较好的垂直磁各向异性（PMA）。
以上所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 (10)
1.一种磁性多层膜，其特征在于，包括：
基底；
N掺杂的Ta层，其位于所述基底的一侧面，所述N掺杂的Ta层是通过溅射Ta的同时通入氮气引入氮离子，通过反应溅射方式在基底上生成得到；
第一Ta层，其位于所述N掺杂的Ta层远离所述基底的一侧面；
CoFeB层，其位于所述第一Ta层远离所述基底的一侧面；
MgO层，其位于所述CoFeB层远离所述基底的一侧面；
第二Ta层，其位于所述MgO层远离所述基底的一侧面；
即所述磁性多层膜的结构为：基底/ Ta(N) /Ta/CoFeB /MgO/Ta。
2.如权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述N掺杂的Ta层和所述第一Ta层的厚度之和为4~5nm；
所述第一Ta层的厚度为2~3nm；
所述CoFeB层的厚度为1~1.2nm；
所述MgO层的厚度为2~2.5nm；
所述第二Ta层的厚度为2~2.5nm。
3.如权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述基底为硅基片，所述硅基片表面设有SiO2氧化层。
4.一种如权利要求1~3任一所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层，得到多层膜；
再将多层膜进行热处理即得磁性多层膜，所述磁性多层膜的结构为：基底/ Ta(N) /Ta/CoFeB /MgO/Ta。
5.如权利要求4所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射法，在基底上依次沉积N掺杂的Ta层、第一Ta层、CoFeB层、MgO层、第二Ta层。
6.如权利要求5所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，在基底上沉积N掺杂的Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta的同时通入氮气，即得N掺杂的Ta层；
在基底上沉积第一Ta层、第二Ta层具体为：以Ta为靶材，通过溅射Ta，即分别得到第一Ta层、第二Ta层。
7.如权利要求6所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，在氩气气氛下，以Ta为靶材，通过溅射Ta的同时通入氮气，即得N掺杂的Ta层；其中，氩气与氮气的体积比为(14~18):(0.8~1.2)。
8.如权利要求5所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，在基底上沉积CoFeB层具体为：以Co40Fe40B20为靶材，通过溅射Co40Fe40B20，即得CoFeB层；
在基底上沉积MgO层具体为：以MgO为靶材，通过溅射MgO，即得MgO层。
9.如权利要求5所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，磁控溅射时的溅射室的本底真空度为1×10-5~3×10-5 Pa，溅射时氩气压为0.3~0.6Pa；
和/或，所述热处理具体为：在真空度为1×10-5~3×10-5 Pa下，于200~400℃下保温30~120min。
10.一种如权利要求1~3任一所述的磁性多层膜或权利要求4~9任一所述的磁性多层膜的制备方法制备得到的磁性多层膜在制备MRAM器件中的应用。
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