[发明专利]一种具有垂直磁各向异性的磁性薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有垂直磁各向异性的磁性薄膜材料及其制备方法，其薄膜结构：基片/（0.1～100nm）Ta和半金属元素的合金化合物/多层膜/（0.1～100nm）Ta和半金属元素（如B、Si、As、Sb、Te、Po）的合金化合物。本发明的有益效果是，该方法是在上述多层膜两边沉积（0.1～100.0 nm）Ta和半金属元素的合金化合物的缓冲层和保护层。利用半金属材料特殊的物理化学性质来避免Ta的扩散，同时改善薄膜中输运电子的散射途径，延长电子的自由程，进而达到提高薄膜的垂直磁各向异性、改善其热稳定性的目的，以满足磁性随机存储器和磁传感器的性能和产品需求。

技术领域

本发明属于磁性薄膜领域，涉及一种具有垂直磁各向异性磁性薄膜材料及其制备方法。

背景技术

随着非易失性存储器的发展，自旋转移矩-磁随机存储器（STT-MRAM）由于其快速、低能耗、高存储密度以及耐久性的特征引起了广泛的关注。而随着元器件尺寸的降低，与面内磁化的材料相比，具有垂直磁各向异性（PMA）的材料在器件的尺寸降到纳米量级时仍可以保持较好的磁性能，同时还可以有效的降低磁化翻转时的临界电流密度。其中Co/Pt(Pd、 Ir、 Au)、Fe/Pt (Pd、 Ir、 Au)、Pt/Co/MO、Pt/Fe/MO、CoFeB/MO(MO为金属氧化物如MgO、AlOx等)的多层膜，因其具有较高的隧道磁电阻、较低的磁阻尼系数和临界磁化反转电流密度等特点拥有广泛的应用前景。上述多层膜结构多采用 Ta 为缓冲层，这类薄膜材料虽然具有较多的优势，但目前仍然存在一定的问题。为了实现较高的隧穿磁电阻（TMR）或者实现与金属氧化物半导体器件（CMOS）的结合，材料需要经过350-400℃的退火处理过程。然而，当退火温度超过300℃，薄膜材料的垂直磁各向异性会因为Ta扩散而降低甚至消失。因此在保证良好性能的情况下，适当提高薄膜材料的垂直磁各向异性和热稳定性对其实用化具有十分重要的意义。

具有较高垂直磁各向异性和好的热稳定性的磁性材料的制备是一项非常关键的工作，它是MRAM、磁传感器应用的基础。目前国际上还在不断地挖掘磁性薄膜的潜力，提高其磁性能和热稳定性等，以扩大其应用领域。为了提高薄膜材料的垂直磁各向异性和热稳定性，采用适当的措施可以达到上述目的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供工艺简单，具有较高的垂直磁各向异性和好的热稳定性等综合性能的磁性薄膜材料及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种磁性薄膜材料，该磁性薄膜材料包括基底、缓冲层、Co/Pt (Pd、 Ir、 Au)、Fe/Pt (Pd、 Ir、 Au)、Pt/Co/MO、Pt/Fe/MO、CoFeB/MO(MO为金属氧化物如MgO、AlOx等)的多层膜、保护层；

其中，所述缓冲层和保护层均由金属Ta和半金属元素构成，所述金属Ta的质量百分比为：19.9-99.9%，剩余为半金属元素。

进一步，所述半金属元素包括B、Si、As、Sb、 Te、Po。

进一步，所述基底为硅片、玻璃片或MgO基片。

本发明的另一目的是提供上述磁性薄膜材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：选取基底材料，进行清洗；

步骤2：采用共溅射方法将Ta和半金属元素合金化合物沉积在经步骤1处理后的基底材料上作为缓冲层，

步骤3：在所述缓冲层上沉积Co/Pt (Pd、 Ir、 Au)、Fe/Pt (Pd、 Ir、 Au)、Pt/Co/MO、Pt/Fe/MO、CoFeB/MO(MO为金属氧化物如MgO、AlOx)的多层膜；

步骤4：采用共溅射方法将Ta和半金属元素合金化合物沉积在上述多层膜上作为保护层；