CN117202765B - 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法 - Google Patents

降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117202765B
CN117202765B CN202311397334.2A CN202311397334A CN117202765B CN 117202765 B CN117202765 B CN 117202765B CN 202311397334 A CN202311397334 A CN 202311397334A CN 117202765 B CN117202765 B CN 117202765B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
thickness
oxide
functional layer
spin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202311397334.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117202765A (zh
Inventor
张静言
窦鹏伟
王守国
冯量予
邱全高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN202311397334.2A priority Critical patent/CN117202765B/zh
Publication of CN117202765A publication Critical patent/CN117202765A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117202765B publication Critical patent/CN117202765B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

本发明公开了一种降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法，其结构包括：种子外延层、自旋流发生层、磁性核心层、金属功能层、氧化物功能层、顶层覆盖层；利用磁控溅射系统/分子束外延系统制备种子外延层、自旋流发生层、磁性核心层、金属功能层、氧化物功能层、顶层覆盖层；其中设置位置可调的楔形挡板附件制备自旋流发生层、金属功能层；制备种子层时，控制腔室真空度在1.0×10‑6～7.0×10‑7 Pa，温度为25℃至220℃。本发明通过该方法制备的磁性多层膜方式简易经济，可稳定降低自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度，从而降低能量消耗。

Description

降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及自旋电子学领域，尤其涉及自旋轨道矩-磁性随机存储器(Spin-OrbitTorque Magnetic Random Access Memory，SOT-MRAM)中的磁性多层膜及制备方法，以降低磁性多层膜自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度。
背景技术
当今社会与人类文明的不断发展离不开信息科技变革的原始推动力，特别是5G通讯、全球定位和人工智能将智慧生活、国防安全和人类文明进步紧密地连接在一起。基于此，在应用需求为先导的快速发展过程中，对信息的存储和处理能力，如存储密度＞Tbit/in2、存储速度＞Gbit/s提出了更高要求。基于自旋操控的磁性随机存储器（MRAM）在未来高存储密度、高响应速度和低功耗的信息存储领域展现了巨大的潜在优势。近年来，基于自旋轨道矩的第三代MRAM的提出，从材料本身和器件设计上解决了第一代磁场驱动MRAM中磁场微型化难和第二代自旋转移矩驱动MRAM中势垒层易击穿的难题，为存储一体化的智能器件设计提供了一种极具发展潜力的方案。但是，随着研究的不断深入，科研工作者采用自旋轨道矩效率较高的材料作为自旋流产生源设计了一系列的基于自旋轨道矩的MRAM并实现了原理型器件设计，但是研究也发现自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度居高不下（高于107A/cm2），远高于当前硅基半导体技术中沟道电流密度上限值（105A/cm2），这就极大地阻碍了第三代MRAM的实用化进程。因此，如何降低自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度将是该领域的热点问题。
对于此类膜的设计通常在自旋流发生层、磁性核心层的基础上增加功能层，但鲜有关注这些层除了自旋流发生层、磁性核心层以外的其它层之间的关系，其它层对临界电流的影响。
现有技术中专利CN112701216A公开了一种基于轨道工程调控自旋轨道矩效率的方法，该发明利用铁电材料产生极化电场来调控人工反铁磁自由层，使其从反铁磁态转变为铁磁态，同时结合自旋轨道矩效应翻转自由层的磁化方向，从而使得人工反铁磁自由层翻转所需的外加电场大大降低，也减小了写入电流密度。该发明通过在自旋轨道矩外部添加铁电材料来调控电场，该方法调控电场所减小的电流密度效果有限且并未从自旋轨道内部的角度进行优化。
专利CN115867113A 中公开了一种基于Ga基二维铁磁体异质结的自旋轨道矩器件及制备方法。根据该发明制备基于Ga基二维铁磁体异质结的自旋轨道矩器件只需要百Oe量级的磁场和104-105A/cm2量级的电流密度就能在室温下使铁磁体实现可靠且低功耗的磁化翻转。但是该发明制备过程中使用了氩离子刻蚀、湿法刻蚀、紫外光刻等工艺方法制备，生产工艺繁琐，生产成本高昂，不利于其实际生产。
因此，如何发明一种制备方式简易，通过对自旋轨道矩中材料膜层进行改善，以实现稳定地降低自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度的磁性多层膜是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种制备方式简易经济，可稳定降低自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度，从而降低能量消耗的磁性多层膜。
第一方面，本发明提供一种降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜，其结构依次包括：种子外延层、自旋流发生层、磁性核心层、金属功能层、氧化物功能层、顶层覆盖层；
所述金属功能层为银、钌、铪、铌、钆、铽、镝、钬、铒、铥中的一种或多种的单质或者合金形成的层，厚度范围为1.2 nm～12 nm，该层厚度在面内方向单调变化，所述单调变化是指逐渐增加或减少，面内方向厚度差保持在5 nm/mm至30 nm/mm；所述氧化物功能层为氧化铝、氧化铪、氧化钆、氧化锆、氧化钛中的一种或多种形成的层，厚度范围为2 nm～10 nm。
优选的，所述种子外延层的厚度范围为2 nm～11 nm，为铜、钛、铬、钽、钌、铪中的一种或多种的单质或合金形成的单层或复合多层，且复合多层中的单层厚度不低于1.5 nm且不超过3 nm。
优选的，所述自旋流发生层为钨、钽、钛、铜、铬、锰中的一种或多种的单质和/或合金和/或氧化物形成的层，厚度范围为1.5 nm～7.5 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在1 nm/mm至15 nm/mm。
优选的，所述自旋流发生层为合金层，不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化，浓度梯度范围为2%/nm至20%/nm；不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化有利于膜层的生长，继而提高自旋流的产生。
优选的，所述磁性核心层为钴、铁、镍、锰中的一种或多种的单质或者合金形成的层，厚度范围为0.5 nm～5 nm，该层厚度面内且4英寸面积内偏差低于1%。
优选的，金属功能层为合金层，不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化，浓度梯度范围为-15%/nm至15%/nm。不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化有利于膜层的生长，提高势能壁垒。
优选的，所述氧化物功能层在4英寸面积内的厚度面内偏差低于1.5%。
优选的，所述顶层覆盖层为氧化铝、氧化钽、氧化铪、氮化硅、氧化钼、钌、钽、钼、硅中的一种或多种形成的单层或复合多层，厚度范围为5 nm～50 nm；
优选的，顶层覆盖层为多层复合结构时，单层厚度不低于2.5 nm且不超过10 nm。
第二方面，本发明提供一种磁性多层膜的制备方法：
S1.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统制备种子外延层，厚度范围为2 nm - 11 nm；
优选的，当该层为多层复合结构时，单层厚度不低于1.5 nm且不超过3 nm；
S2.利用磁控溅射系统/分子束外延系统在种子外延层表面制备自旋流发生层，厚度范围为1.5 nm～7.5 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在1 nm/mm至15 nm/mm，
优选的，该层为合金层时不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化，浓度梯度范围为2%/nm至20%/nm；
S3.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统在自旋流发生层表面制备磁性核心层，厚度范围为0.5 nm～5 nm，该层厚度面内且4英寸面积内偏差低于1%。
S4.利用磁控溅射系统/分子束外延系在磁性核心层表面制备金属功能层，厚度范围为1.2 nm～12 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在5 nm/mm至30nm/mm，
优选的，该层为合金层，不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化，浓度梯度范围为-15%/nm至15%/nm；
S5.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统在金属功能层表面制备氧化物功能层，厚度范围为2 nm～10 nm，该层厚度面内且4英寸面积内偏差低于1.5%；
S6.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统在氧化物功能层表面制备顶层覆盖层，厚度范围为5 nm～ 50 nm，所述顶层覆盖层为单层或多层复合结构。
优选的，当该层为多层复合结构，单层厚度不低于2.5 nm且不超过10 nm。
优选的，金属类薄膜层采用直流溅射工艺，溅射功率控制在20 W至160 W之间，其中化合物薄膜层采用射频溅射工艺，溅射功率控制在100 W至275 W之间。
优选的，制备种子外延层时，控制腔室真空度在1.0×10-6～7.0×10-7 Pa，优选在5.5×10-7Pa；薄膜制备过程中各层的生长温度控制在25℃～220℃。制备完成后进行气氛保护热处理，温度控制在150℃至300℃之间，时长范围控制在1小时至5小时之间。
本发明提供的磁性多层膜，至少包括如下有益效果：
（1）本发明提供的薄膜结构中自旋流发生层负责提供充足的自旋流，磁性核心层对进入该层的自旋流产生响应，自旋流层采用更为经济的钨、钽、钛、铜、铬、锰金属，通过与种子外延层稳定生长为自旋流产生充足的自旋流发生层，减少了贵金属的使用。
（2）通过厚度的控制以及厚度在面内方向单调变化，金属功能层与磁性核心层联合形成界面自旋泵对自旋的吸收可以提高另一侧自旋流发生层/磁性核心层界面的自旋流注入效率，这将使得更多的自旋流进入到磁性核心层，从而达到稳定持续的降低自旋轨道矩诱导磁化翻转临界电流密度的目的。
（3）本发明提供的薄膜结构中金属功能层与氧化物层，通过厚度的控制以及厚度在面内方向单调变化，形成特定的金属氧化物界面，提供界面电子轨道杂化，进一步提高材料的垂直磁各向异性，降低自旋轨道矩诱导磁化翻转临界电流密度。
（4）本发明提供的制备方法中各个膜层采用磁控溅射系统/分子束外延系统的制备方法制备，保证了种子层的结构，使得自旋流发生层的金属能快速稳定生长，通过制备工艺参数的控制保证各层膜的厚度，以及自旋流发生层和金属功能层厚度单调变化，为形成低临界电流密度的磁性膜提供保证。
（5）本发明提供的磁性多层膜具有较低的自旋轨道矩诱导磁化翻转的临界电流密度，无外加辅助磁场的情况下，最小达到2.1×105 A/cm2。
附图说明
图1为本发明的多层膜结构简图；
图2为本发明的电流、电压配置的扫描电子显微图；
图3为本发明的实施例1脉冲电流及在脉冲电流作用下磁矩的变化；
图4为本发明的实施例5金属功能层和氧化物层利用自旋霍尔效应实现磁化翻转过程中电阻的变化；
图5为本发明的对比例5-4金属功能层和氧化物层利用自旋霍尔效应实现磁化翻转过程中电阻的变化；
图6为本发明的对比例5-5金属功能层和氧化物层利用自旋霍尔效应实现磁化翻转过程中电阻的变化。
附图标记：1-顶层覆盖层，2-氧化物功能层，3-金属功能层，4-磁性核心层，5-自旋流发生层，6-种子外延层，7-衬底。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
实施例1
一种降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜，如图1所示，其结构依次包括：种子外延层6、自旋流发生层5、磁性核心层4、金属功能层3、氧化物功能层2、顶层覆盖层1；所述磁性多层膜电流、电压配置的扫描电子显微图如图2所示；
上述磁性多层膜制备方法如下：
1）利用超高真空多靶磁控溅射系统种制备种子外延层6，采用Hf作为材料，厚度为2 nm；控制腔室压力为5.5×10-7Pa，温度为180℃；
2）利用磁控溅射系统制备自旋流发生层5，采用Cu作为材料，厚度为5 nm，该层厚度在面内方向单调变化，单调变化是指厚度的变化逐渐增加或减小，面内方向厚度差保持在6 nm/mm；
3）利用超高真空多靶磁控溅射系统制备磁性核心层4，采用Co作为材料，其厚度为1 nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1%；
4）利用磁控溅射系统制备金属功能层3，采用Nb作为材料，厚度为6 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在20 nm/mm;
5) 利用分子束外延系统制备氧化物功能层2，采用TiO2作为材料，厚度为2 nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1.5%；
6）利用超高真空多靶磁控溅射系统制备顶层覆盖层1，采用Ta作为材料，厚度为50nm。
薄膜制备过程中除种子外延层6外各层生长温度均控制在100℃。制备完成后进行气氛保护热处理，温度控制在200℃，时长控制在3小时。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Hf，膜厚为6 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Cu，膜厚为5 nm，面内方向厚度差保持在10 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Co，膜厚为1 nm；
4）金属功能层3：材料选择Nb，膜厚为4 nm，面内方向厚度差保持在25 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择TiO2，膜厚为2 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta，膜厚为20 nm。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Hf，膜厚为2 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Ti，膜厚为5 nm，面内方向厚度差保持在11 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Co，膜厚为1 nm；
4）金属功能层3：材料选择Er，膜厚为4 nm，面内方向厚度差保持在15 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择ZrO2，膜厚为2 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta，膜厚为10 nm。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Cu，膜厚为2 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Ti，膜厚为5 nm，面内方向厚度差保持在9 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Co，膜厚为1 nm；
4）金属功能层3：材料选择Nb，膜厚为6 nm，面内方向厚度差保持在18 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择ZrO2，膜厚为2 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta，膜厚为8 nm。
实施例5
1）利用直流溅射工艺制备种子外延层6，溅射功率为60 W，采用Hf作为材料，厚度为2 nm；控制腔室压力为4.5×10-7 Pa，温度为160℃；
2）利用直流溅射工艺制备自旋流发生层5，功率为90 W，采用Cr作为材料，厚度为5nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在12 nm/mm；
3）利用直流溅射工艺制备磁性核心层4，功率为70 W，采用Fe作为材料，其厚度为1nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1%；
4）利用直流溅射工艺制备金属功能层3，功率为120 W，采用Gd作为材料，厚度为8nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在28 nm/mm;
5) 利用射频溅射工艺制备氧化物功能层2，功率为260 W，采用TiO2作为材料，厚度为5 nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1.5%；
6）利用直流溅射工艺制备顶层覆盖层1，功率为120 W，采用Ta作为材料，厚度为5nm。
薄膜制备过程中除种子外延层6外各层的生长温度均控制在200℃。制备完成后进行气氛保护热处理，温度控制在290℃，时长范围控制在2.5小时。
实施例6
本实施例与实施例5不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Ta/Cr，膜厚为1.5/3 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Cr，膜厚为3 nm，面内方向厚度差保持在15 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Fe，膜厚为0.5 nm；
4）金属功能层3：材料选择Hf，膜厚为2 nm，面内方向厚度差保持在15 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择Al2O3，膜厚为6 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta，膜厚为8 nm。
实施例7
本实施例与实施例5不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Ru，膜厚为3 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择W，膜厚为3 nm，面内方向厚度差保持在6 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Fe，膜厚为3.4 nm；
4）金属功能层3：材料选择Hf，膜厚为2 nm，面内方向厚度差保持在23 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择Al2O3，膜厚为4 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta，膜厚为8 nm。
实施例8
本实施例与实施例5不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Ta，膜厚为3 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择W，膜厚为3 nm，面内方向厚度差保持在8 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Fe，膜厚为3.4 nm；
4）金属功能层3：材料选择Hf，膜厚为2 nm，面内方向厚度差保持在24 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择Al2O3，膜厚为4 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Si，膜厚为40 nm。
实施例9
1）利用超高真空多靶磁控溅射系统种制备种子外延层6，采用Ti作为材料，厚度为11 nm；控制腔室压力为2.5×10-7Pa，温度为200℃；
2）利用分子束外延系统制备自旋流发生层5，采用Ta作为材料，厚度为7 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在9 nm/mm；
3）利用超高真空多靶磁控溅射系统制备磁性核心层4，采用Ni作为材料，其厚度为5 nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1%；
4）利用磁控溅射系统制备金属功能层3，采用Ag作为材料，厚度为10 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在27 nm/mm;
5) 利用射频溅射工艺制备氧化物功能层2，功率180 W，采用HfO2作为材料，厚度为7 nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1.5%；
6）利用射频溅射工艺制备顶层覆盖层1，功率220 W，采用MoO2作为材料,厚度为12nm。
薄膜制备过程中除种子层外延层外各层的生长温度控制在100℃。制备完成后进行气氛保护热处理，温度控制在200℃，时长范围控制在3小时。
实施例10
本实施例与实施例9不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Cr，膜厚为11 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Ta，膜厚为7 nm，面内方向厚度差保持在7 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Ni，膜厚为5 nm；
4）金属功能层3：材料选择Dy，膜厚为1.5 nm，面内方向厚度差保持在16 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择HfO2，膜厚为6 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择MoO2，膜厚为12 nm。
实施例11
本实施例与实施例1不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Hf，膜厚为11 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Mn，膜厚为1.5 nm，面内方向厚度差保持在5 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Ni，膜厚为2.5 nm；
4）金属功能层3：材料选择Gd，膜厚为8 nm，面内方向厚度差保持在17 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择TiO2，膜厚为6 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Mo，膜厚为5 nm。
实施例12
本实施例与实施例1不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Ru/Hf，膜厚为3/3 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Mn，膜厚为4 nm，面内方向厚度差保持在8 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Mn，膜厚为3 nm；
4）金属功能层3：材料选择Gd，膜厚为12 nm，面内方向厚度差保持在20 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择Gd2O3，膜厚为6 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Mo/Si，膜厚为5/7 nm。
实施例13
本实施例与实施例9不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Ru/Hf，膜厚为2/3 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Ta，膜厚为1.5 nm，面内方向厚度差保持在4 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Mn，膜厚为3 nm；
4）金属功能层3：材料选择Dy，膜厚为1.5 nm，面内方向厚度差保持在21 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择Gd2O3，膜厚为8 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta2O5，膜厚为7 nm。
实施例14
本实施例与实施例1不同之处在于各膜层材料选择及膜层厚度不同，具体如下：
1）种子外延层6：材料选择Ta，膜厚为8 nm；
2）自旋流发生层5：材料选择Ti，膜厚为4 nm，面内方向厚度差保持在6 nm/mm；
3）磁性核心层4：材料选择Mn，膜厚为3 nm；
4）金属功能层3：材料选择Dy，膜厚为1.5 nm，面内方向厚度差保持在27 nm/mm;
5）氧化物功能层2：材料选择HfO2，膜厚为10 nm；
6）顶层覆盖层1：材料选择Ta/Si，膜厚为3/10 nm。
对比例1-1
本对比例与实施例1不同之处在于没有添加种子外延层6。
对比例1-2
本对比例与实施例1不同之处在于没有添加金属功能层3。
对比例1-3
本对比例与实施例1不同之处在于没有添加氧化物功能层2。
对比例1-4
本对比例与实施例1不同之处在于金属功能层3和氧化物功能层2膜厚不同：
金属功能层3膜厚为14 nm，面内方向厚度差保持在35 nm/mm；
氧化物功能层2膜厚为12 nm。
对比例1-5
本对比例与实施例1不同之处在于金属功能层3和氧化物功能层2膜厚不同：
金属功能层3膜厚为1 nm，面内方向厚度差保持在4 nm/mm；
氧化物功能层2膜厚为1 nm。
对比例1-6
本对比例与实施例1不同之处在于自旋流材料采用Pt。
对比例5-1
本对比例与实施例5不同之处在于没有添加种子外延层6。
对比例5-2
本对比例与实施例5不同之处在于没有添加金属功能层3。
对比例5-3
本对比例与实施例5不同之处在于没有添加氧化物功能层2。
对比例5-4
本对比例与实施例5不同之处在于金属功能层3和氧化物功能层2膜厚不同：
金属功能层3膜厚为18 nm，面内方向厚度差保持在40 nm/mm；
氧化物功能层2膜厚为14 nm。
对比例5-5
本对比例与实施例5不同之处在于金属功能层3和氧化物功能层膜厚不同：金属功能层3膜厚为1 nm，面内方向厚度差保持在2 nm/mm；
氧化物功能层2膜厚为1 nm。
对比例5-6
本对比例与实施例5不同之处在于自旋流材料采用Ir。
表1是实施例1～14和对比例1-1～1-6、5-1～5-6临界电流的变化，膜厚单位为nm，面内方向厚度差单位为nm/mm临界电流密度单位为A/cm2。
表1
由表1看出：
实施例1和对比例1-1相比、实施例5和对比例5-1相比，对比例仅缺少了种子外延层，使得后续薄膜的生长表面不平坦、洁净，衬底7与薄膜之间的附着结合力降低，晶格匹配外延生长不好，直接影响自旋流层的自旋流注入效率，最终整体性能下降，磁化翻转临界电流密度增加。实施例选择合适的种子层，晶格匹配与厚度相适宜的情况下，自旋流层的生长较好，能准确控制其膜厚变化。
实施例1和对比例1-2相比、实施例5和对比例5-2相比，对比例仅缺少了金属功能层，使得另一侧自旋流发生层/磁性核心层界面的自旋流注入效率降低，这将使得自旋流进入到磁性核心层变少，自旋轨道矩诱导磁化翻转临界电流密度对比例比本申请高。
实施例1和对比例1-3相比、实施例5和对比例5-3相比，对比例仅缺少了氧化物功能层，使得磁化翻转临界电流密度增加。而实施例因为氧化物功能层与金属功能层形成合适的金属氧化物界面，提供界面电子轨道杂化，进一步提高材料的垂直磁各向异性，降低自旋轨道矩诱导磁化翻转临界电流密度。
实施例1和对比例1-4、1-5相比，实施例5和对比例5-4、5-5相比，对比例的金属功能层、氧化物层的厚度或厚度变化超过本发明的优选范围，使得其所要取得的界面效应降低。
由实施例1与其对比例1-1～1-5，实施例5与其对比例5-1～5-5的相比可以看出，金属功能层和氧化物层对临界电流密度的降低尤为重要，仅有金属功能层的对比例1-3、5-3 和仅有氧化物层的对比例1-2、5-2都不能有效降低临界电流密度，而且即使将金属功能层和氧化物层简单叠加在一起，不控制其厚度，如对比例1-4、1-5、5-4、5-5所示，也不能有效降低临界电流密度。可见金属功能层和氧化物层叠加的厚度也是关键因素，实施例1、5与其对比例相比，通过控制特定厚度的种子外延层、金属功能层和氧化物层叠加，使临界电流密度的降低呈现不可预料的两个数量及的变化。
实施例1和对比例1-6相比，实施例5和对比例5-6相比，将自旋流层的Cu、Cr替换为铂族贵金属 Pt、Ir，发现实施例1、5的临界电流仍比对比例1-6、5-6低，可见通过选择合适原料及膜厚度和厚度差配合在保证减少临界电流的前提下，可以减少贵金属的使用，节约成本。
为进一步研究金属功能层及其厚度变化对性能参数的影响，设置没有种子外延层、氧化物层、顶层覆盖层，仅含有自旋流发生层、磁性核心层和金属功能层的磁性膜的实施例及对比例以考察金属功能层具体元素的选择、厚度以及厚度差单调变化对临界电流密度的影响，具体实施例及对比例设置如下。
实施例B1
1）利用磁控溅射系统制备自旋流发生层5，采用Cu作为材料，厚度为5 nm，该层厚度在面内方向单调变化，单调变化是指厚度的变化逐渐增加或减小，面内方向厚度差保持在6 nm/mm；
2）利用超高真空多靶磁控溅射系统制备磁性核心层4，采用Co作为材料，其厚度为1 nm，该层4英寸面积内厚度面内偏差低于1%；
3）利用磁控溅射系统制备金属功能层3，采用Dy作为材料，厚度为2 nm，该层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度差保持在20 nm/mm。
薄膜制备过程中各层生长温度均控制在100℃。制备完成后进行气氛保护热处理，温度控制在200℃，时长控制在3小时。
实施例B2
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Dy作为材料，厚度为4nm。
实施例B3
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Dy作为材料，厚度为6nm。
实施例B4
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Dy作为材料，厚度为9nm。
实施例B5
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Er作为材料，厚度为2nm。
实施例B6
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Er作为材料，厚度为4nm。
实施例B7
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Er作为材料，厚度为6nm。
实施例B8
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Er作为材料，厚度为9nm。
实施例B9
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Ho作为材料，厚度为2nm。
实施例B10
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Ho作为材料，厚度为4nm。
实施例B11
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Ho作为材料，厚度为6nm。
实施例B12
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Ho作为材料，厚度为9nm。
实施例B13
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Gd作为材料，厚度为2nm。
实施例B14
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Gd作为材料，厚度为8nm。
实施例B15
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Nb作为材料，厚度为2nm。
实施例B16
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Nb作为材料，厚度为8nm。
对比例C1
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Al作为材料，厚度为3nm。
对比例C2
本实施例与实施例B1的区别在于金属功能层选用Mg作为材料，厚度为7nm。
上述各实施例及对比例所得磁性膜临界电流密度如表2所示：
表2
由表2可知，在无辅助磁场的条件下，当金属功能层选择Dy、Ho、Gd、Nb时，随着金属功能层厚度的增加，临界电流密度随之减小，但Er增加到一定程度后临界电流密度略有回升。可见不同的材料随着厚度的增加，临界电流密度并不一定呈降低的趋势，选择不同材料需控制合适的厚度。
当金属功能层选择Gd且膜厚8 nm时，所得到的临界电流密度最低为1.3×107 A/cm2，相比对比例C1～C2中金属功能层选择Al（3 nm）、Mg（7 nm），其临界电流密度为5.0×107（A/cm2）、9.0×107（A/cm2），磁化翻转临界电流密度大大降低。
图3是在脉冲电流作用下磁矩的变化，左右两个图的脉冲电流是一一对应的。对实施例1的磁性多层膜施加的电流脉冲序列如图3左侧所示，-10 mA→10 mA→-10 mA；第一个电流脉冲-10 mA，如左图中第一个小柱子，每个方柱之间存在一定间隔，间隔中间施加恒定小电流读取电阻值，电阻值为右图横坐标-10 mA对应的纵坐标值。
图4、图5与图6分别是实施例5、对比例5-4与对比例5-5，即不同厚度金属功能层和氧化物层利用自旋霍尔效应实现磁化翻转过程中电阻的变化。相比于图4对应的实施例5，图5、图6分别对应的对比例5-4和5-5，其金属功能层和氧化物层的厚度和面内厚度差均不在本申请的范围内，可见其所需临界电流增大。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜，其特征在于，其结构依次包括：种子外延层、自旋流发生层、磁性核心层、金属功能层、氧化物功能层、顶层覆盖层；
所述种子外延层的厚度范围为2nm～11nm，为铜、钛、铬、钽、钌、铪中的一种或多种的单质或合金形成的单层或复合多层，且复合多层中的单层厚度不低于1.5nm且不超过3nm；
所述自旋流发生层为钨、钽、钛、铜、铬、锰中的一种或多种的单质和/或合金和/或氧化物形成的层，厚度范围为1.5nm～7.5nm，所述自旋流发生层的厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度梯度保持在1nm/mm至15nm/mm；所述磁性核心层为钴、铁、镍、锰中的一种或多种的单质或者合金形成的层，厚度范围为0.5nm～5nm，所述磁性核心层的4英寸面积内厚度偏差低于1%；所述金属功能层为银、钌、铪、铌、钆、铽、镝、钬、铒、铥中的一种或多种的单质或者合金形成的层，厚度范围为1.2nm～12nm，所述金属功能层的厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度梯度保持在5nm/mm至30nm/mm；所述氧化物功能层为氧化铝、氧化铪、氧化钆、氧化锆、氧化钛中的一种或多种形成的层，厚度范围为2nm～10nm。
2.如权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，金属功能层为合金层，不同元素浓度沿薄膜法线方向单调变化，浓度梯度范围为-15%/nm至15%/nm。
3.如权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述氧化物功能层的4英寸面积内厚度偏差低于1.5%。
4.如权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述顶层覆盖层的厚度范围为5nm～50nm。
5.如权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述顶层覆盖层为氧化铝、氧化钽、氧化铪、氮化硅、氧化钼、钌、钽、钼、硅中的一种或多种形成的单层或复合多层。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统制备种子外延层，厚度范围为2nm～11nm；
S2.利用磁控溅射系统/分子束外延系统在所述种子外延层表面制备自旋流发生层，厚度范围为1.5nm～7.5nm，所述自旋流发生层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度梯度保持在1nm/mm至15nm/mm；
S3.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统在所述自旋流发生层表面制备磁性核心层，厚度范围为0.5nm～5nm，所述磁性核心层的4英寸面积内厚度偏差低于1%；
S4.利用磁控溅射系统/分子束外延系统在所述磁性核心层表面制备金属功能层，厚度范围为1.2nm～12nm，所述金属功能层厚度在面内方向单调变化，面内方向厚度梯度保持在5nm/mm至30nm/mm；
S5.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统在所述金属功能层表面制备氧化物功能层，厚度范围为2nm～10nm，所述氧化物功能层的4英寸面积内厚度偏差低于1.5%；
S6.利用超高真空多靶磁控溅射系统/分子束外延系统在所述氧化物功能层表面制备顶层覆盖层，厚度范围为5nm～50nm，所述顶层覆盖层为单层或多层复合结构。
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，金属类薄膜层采用直流溅射工艺，溅射功率控制在20W至160W之间，其中化合物类薄膜层采用射频溅射工艺，溅射功率控制在100W至275W之间。
8.如权利要求6所述的磁性多层膜的制备方法，其特征在于，制备种子外延层时，控制腔室真空度在1.0×10-6～7.0×10-7Pa，薄膜制备过程中各层的生长温度控制在25℃～220℃，制备完成后进行气氛保护热处理，温度控制在150℃至300℃之间，时长范围控制在1小时至5小时之间。
CN202311397334.2A 2023-10-26 2023-10-26 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法 Active CN117202765B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311397334.2A CN117202765B (zh) 2023-10-26 2023-10-26 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311397334.2A CN117202765B (zh) 2023-10-26 2023-10-26 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117202765A CN117202765A (zh) 2023-12-08
CN117202765B true CN117202765B (zh) 2024-02-09

Family

ID=88994549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311397334.2A Active CN117202765B (zh) 2023-10-26 2023-10-26 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117202765B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1941175A (zh) * 2005-09-30 2007-04-04 索尼株式会社 存储元件和存储器
JP2008159698A (ja) * 2006-12-21 2008-07-10 Tdk Corp 磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置
CN102082018A (zh) * 2009-11-26 2011-06-01 中国科学院物理研究所 一种磁性多层膜单元及其制备和磁矩翻转方法
JP2011180355A (ja) * 2010-03-01 2011-09-15 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 光変調素子および空間光変調器
CN104347226A (zh) * 2013-07-23 2015-02-11 中国科学院物理研究所 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜
CN110459674A (zh) * 2019-07-30 2019-11-15 北京航空航天大学 一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器
CN112490352A (zh) * 2019-09-11 2021-03-12 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN113889567A (zh) * 2021-12-07 2022-01-04 北京科技大学 一种具有拓扑磁性的多组态霍尔天平材料及其制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1941175A (zh) * 2005-09-30 2007-04-04 索尼株式会社 存储元件和存储器
JP2008159698A (ja) * 2006-12-21 2008-07-10 Tdk Corp 磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置
CN102082018A (zh) * 2009-11-26 2011-06-01 中国科学院物理研究所 一种磁性多层膜单元及其制备和磁矩翻转方法
JP2011180355A (ja) * 2010-03-01 2011-09-15 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 光変調素子および空間光変調器
CN104347226A (zh) * 2013-07-23 2015-02-11 中国科学院物理研究所 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜
CN110459674A (zh) * 2019-07-30 2019-11-15 北京航空航天大学 一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器
CN112490352A (zh) * 2019-09-11 2021-03-12 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN113889567A (zh) * 2021-12-07 2022-01-04 北京科技大学 一种具有拓扑磁性的多组态霍尔天平材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117202765A (zh) 2023-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7351594B2 (en) Methods of forming magnetic random access memory devices having titanium-rich lower electrodes with oxide layer and oriented tunneling barrier
JP7084121B2 (ja) 半導体素子及び半導体論理素子
JP5800480B2 (ja) 磁気メモリ素子
JP4527806B2 (ja) 磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造装置
CN109755382B (zh) 一种垂直磁电阻元件的顶覆盖层及其制作方法
WO2017135251A1 (ja) 強磁性トンネル接合体、これを用いた磁気抵抗効果素子及びスピントロニクスデバイス並びに強磁性トンネル接合体の製造方法
EP3683851B1 (en) Precursor structure of perpendicular magnetization film, perpendicular magnetization film structure and method for manufacturing same, perpendicular magnetization-type tunnel magnetoresistance junction film using those and method for manufacturing same, and perpendicular magnetization-type tunnel magnetoresistance junction element using those
JP2011138954A (ja) 強磁性層の垂直磁化を用いた磁気トンネル接合デバイスの製造方法
JP2012502447A (ja) 非晶質または微結晶質ＭｇＯトンネル障壁に用いる優先グレイン成長強磁性シード層
CN117202765B (zh) 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法
JP4039656B2 (ja) 交換結合素子及び交換結合素子の製造方法
US20220223784A1 (en) Magnetic memory and preparation method thereof
CN115715142A (zh) 一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法、异质结构器件和自旋电子学器件
CN210379112U (zh) 一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构
CN114420836A (zh) 一种Ru插层调节的超高各向异性磁电阻薄膜及其制备方法
CN113451504B (zh) 具有复合种子层结构的磁性随机存储器存储单元
CN112490352A (zh) 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112864315B (zh) Mtj器件的制作方法
CN113178518B (zh) 基于底电极平行向电压控制的sot-mram及制造方法
TWI421353B (zh) 具奈米級釘紮效應的磁性材料
US20210343936A1 (en) Magnetoresistive stack device fabrication methods
KR101240806B1 (ko) 산화물/질화물계 강자성 다층박막, 이를 이용하는 자성소자 및 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조방법
CN117178362A (zh) 磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备
Purnama et al. Structural control of magnetic properties in Co/Pd multilayer for heat assisted perpendicular MRAM application
JP2008277693A (ja) トンネル磁気抵抗素子

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant