一种调控MRAM材料阻尼因子的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过改变MgO/CoFeB/Ta生长顺序来调节CoFeB薄膜阻尼因子的方法。该结构不仅表现出较好的垂直各向异性，而且阻尼因子可调性好，因此是一种可用于生产磁性随机存储(MRAM)器件的关键材料。本发明专利技术利用磁控溅射生长出Ta/CoFeB/MgO和MgO/CoFeB/Ta两种超薄膜并利用时间分辨磁光克尔效应(TRMOKE)测试材料的阻尼因子。Ta/CoFeB/MgO的阻尼因子(α)的值是0.017，而MgO/CoFeB/Ta的是0.027，由于阻尼因子改变大，这种材料很适合提高磁存储介质的读写速度。本发明专利技术中涉及到的样品结构依次是衬底、缓冲层、磁性层和覆盖层。飞秒脉冲激光重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，泵浦功率密度为3.54mJ/cm

【技术实现步骤摘要】
一种调控MRAM材料阻尼因子的方法
：本专利技术属于磁性材料、光学技术测量相结合的交叉领域。具体涉及到磁性材料生长以及飞秒激光的时间分辨探测，主要特点是在材料磁性基本不变的情况下，阻尼因子改变明显，可应用于磁性随机存储器及低功耗传感器。
技术介绍
：磁随机存储器MRAM是一种非易失性的存储器。具有很多明显的优势：高集成的存储密度，高速读取和写入能力，可重复读写次数近乎无穷大、低功耗和高的抗辐射能力以及最突出的非易失性。典型的MRAM器件结构和制作工艺十分复杂，不利于集成器件的制作。目前关于MRAM的研究很多，主要侧重点是磁翻转速度、热稳定性及低功耗。其中，磁矩的翻转速度主要依赖于材料本身的阻尼因子(α)大小，当材料的本征阻尼因子变大，其弛豫时间相应会变小，从而使反转速度提高。同时，热稳定性及低功耗与垂直各向异性因子(Kueff)成正相关，与α成负相关。在保持较高Kueff时，根据器件工作的环境可以选择合适的a。磁性随机存储器的关键材料采用CoFeB/MgO结构体系，主要因为它有很高的隧道磁电阻TMR比值。而如何调控该体系中阻尼因子，目前主要集中在缓冲层/覆盖层种类、磁性层CoFeB厚度、以及高温退火等方面。
技术实现思路
：本专利技术目的：针对现有技术和设计中的不足，本专利技术提供一种只改变Ta/CoFeB/MgO结构生长次序来调节阻尼因子的方法，从而改变磁性随机存储器的翻转速度和热稳定性及低功耗。本专利技术技术方案：通过磁控溅射方法生长材料结构Ta/CoFeB/MgO和MgO/CoFeB/Ta：利用时间分辨磁光克尔效应测量磁性材料的阻尼因子。磁光克尔效应探测设备由飞秒激光器、分束片、延迟线、格兰泰勒透镜、斩波器、光学透镜、电磁铁、半波片、沃拉斯顿棱镜、平衡探测器以及计算机组成。通过计算机设置磁场变化范围、延迟线延迟长度，可直接采集到随着时间变化的光学信号。本专利技术对材料阻尼因子调控由材料生长次序实现(见图1)。利用磁光克尔效应探测得到了材料的磁化强度进动信号，并通过拟合得到了材料在不同生长次序下的阻尼因子(见图5)，实现了对材料阻尼因子的调控，进而实现对材料磁翻转速度、热稳定性及低功耗的调控。本专利技术的理论基础：①利用时间分辨的磁光克尔效应来测量CoFeB的阻尼因子。所谓磁光克尔效应是指：一束线偏振光通过磁性样品或者在外磁场存在下通过物质时，线偏振光的偏振面会发生偏转，与此同时也会伴随着线偏振光变为椭圆偏振光。而时间分辨的磁光克尔效应技术是指：通过泵浦光的瞬时加热，使得电子温度升高，紧接着电子的热量在电子、自旋和晶格三个系统之间交换弛豫，最终达到平衡，这就是著名的三温度模型。在上述动态过程中，另一束飞秒脉冲光去探测泵浦光所引起的变化。脉冲激光的照射，相当于给样品施加了一个暂态的有效场Heff，在Heff的作用下，磁性薄膜的磁化强度方向偏离初始平衡位置。当施加一个外磁场时，偏离平衡位置后的磁化强度会沿着有效场进动。该磁化强度的进动最终会趋于有效场的方向，其中阻尼因子的大小对于进动趋于稳定起到了重要作用。我们利用唯象的LLG方程将进动现象和阻尼很好的联系了起来。通过实验，我们可以直接得到的图像是磁化强度的进动，即正弦振荡波形指数衰减的过程。可以用以下公式来表达：其中θk表示所测量的克尔信号，等式右边第一项代表超快退磁下的指数衰减背景，v表示磁化强度恢复的速率，c，τ，f，和分别表示磁化强度进动的幅度、弛豫时间、进动频率和进动相位。通过求LLG方程，我们可以得到一个阻尼因子的简单计算公式：α＝1/ωτ。需要注意的是，此处的阻尼因子a并不是本征的阻尼因子，我们称之为有效阻尼因子，因为它是随着外磁场的大小而变化的。而在本专利中，由于外加磁场约为7000Oe，CoFeB的磁各向异性影响已可忽略，所以有效阻尼因子约等于本征阻尼因子α0。②变化的阻尼因子α′可以用公式表示：α′＝(hγ/2πMs)(g↑↓S-1/tCoFeB)g↑↓和S-1代表混合电导和样品横截面面积。当Ta溅射在CoFeB磁性层上面时，由于Ta是重元素且溅射动能比较大，容易与磁性层混合。与此同时，Ta层能轻易吸收硼元素，这样导致混合电导变大，根据以上公式，Ta/MgO/CoFeB/Ta的阻尼因子变大，实现了材料生长次序调控阻尼因子。有益效果：本专利技术所提出的生长次序调制方法，可以精确控制样品的生长，并通过调控其生长次序，实现准确定位、范围可控的阻尼因子的调控，从而影响磁性材料的弛豫时间，改变材料的磁翻转时间，实现更高速的MRAM读写和高热稳定性与低功耗。附图说明：图1是本专利技术中所采用的样品结构示意图。图2所示是利用振动样品磁强计(VSM)得到的样品磁滞回线(Hysteresisloop)信息。图3是本专利技术所采用的实验方案简化图：(1)泵浦光、(2)探测光、(3)分束片、(4)延迟线、(5)BBO晶体用于将800nm的光倍频为400nm的探测光、(6)格兰泰特棱镜、(7)斩波器、(8)光学透镜、(9)反射镜、(10)半波片、(11)沃拉斯顿棱镜、(12)平衡探测器。图4是本专利技术涉及到的磁化强度进动原理示意图。图5所示的是有效阻尼因子随着磁场变化并趋于本征α0的过程。实验结果清楚地表明通过改变材料生长次序，在一定范围内我们可以有效地改变CoFeB薄膜的本征阻尼因子(阻尼值并不随着外磁场而变化)。具体实施方式：为实现上述目的，本专利技术首先制备了材料结构substrate/Ta(5)/CoFeB(1)/MgO(3)/Ta(5)和substrate/Ta(5)/MgO(3)/CoFeB(1)/Ta(5)(数字表示薄膜厚度，单位是纳米)，如图1所示。该磁性薄膜结构具有垂直磁各向异性，矫顽力HC分别为5.31Oe和5.66Oe，饱和磁化场MS为890emu/cm3、836emu/cm3，如图2所示。本专利技术中涉及到的样品是采用磁控溅射方法生长。首先，对Si衬底进行表面清洁处理，具体方法是使用氮气流吹拂衬底表面。开始溅射样品时真空度保持在10-6Pa左右。为了完成上述专利技术，我们采取的实验方案是利用时间分辨的磁光克尔效应手段，使用的是如图3所示的实验系统。本专利技术中使用的飞秒激光器脉冲宽度为50fs，重复频率为1000Hz。因为该脉冲激光自身在时域的分辨率为50fs，所以理论上我们可以探测到大于50fs的物理过程。因此该探测手段对于皮秒乃至纳秒级的磁化进动现象(见图4)是足够精确的。本专利技术中，为了探测泵浦光引起的磁进动现象，我们采用了精度为1μm，总长度为100cm的延迟线。延迟线利用两束相干光将光程差转化为时间差，从而实现在皮秒尺度的物理过程跟踪。在本专利技术中，泵浦光的波长为800nm；探测光的波长为400nm(通过800nm在BBO倍频下得到)，探测功率大小为20μw。在本专利技术中为了保证上述要求中倍频得到400nm的探测光，需要400nm的带通滤波片，将倍频之后混合在400nm光之中的800nm波长的光过滤掉。为了探测到磁性薄膜中的磁矩进动现象，我们对样品施加了一个近面内的磁场(该磁场大小远远大于磁性薄膜的饱和场)。该磁场的作用是将CoFeB样品面外的磁矩拉离垂直方向，从而能够绕着外磁场方向产生进动。外磁场同样品平面的夹角θH＝30°，如图4所示。为了探测到更加明显的进动现象，我本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过改变Ta/CoFeB/MgO材料体系的生长次序来改变该阻尼因子，其特征在于CoFeB/MgO界面形成垂直各向异性，并且Ta/CoFeB界面形成的上下位置在飞秒激光照射时对进动的影响不同，进而改变阻尼因子。

【技术特征摘要】
1.通过改变Ta/CoFeB/MgO材料体系的生长次序来改变该阻尼因子，其特征在于CoFeB/MgO界面形成垂直各向异性，并且Ta/CoFeB界面形成的上下位置在飞秒激光照射时对进动的影响不同，进而改变阻尼因子。2.根据权利要求1所述的样品结构，其特征在于，磁性层CoFeB薄膜厚度为1nm。3.根据权利要求1所述的样...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永兵，黄大威，阮学忠，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32