不同底層對CoFeB/Pt多層膜垂直磁各向異性的影響研究

程 鵬，王洪信，俱海浪，李寶河

（北京工商大學(xué) 理學(xué)院，北京 120488）

不同底層對CoFeB/Pt多層膜垂直磁各向異性的影響研究

程 鵬，王洪信，俱海浪，李寶河

（北京工商大學(xué) 理學(xué)院，北京 120488）

采用磁控濺射方法在玻璃基片上制備了以Ru，Cu，Pt和Ta為底層的CoFeB/Pt多層膜樣品，研究了各底層對CoFeB/Pt多層膜的反?；魻栃?yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)Ru和Cu作為CoFeB/Pt多層膜的底層在保持樣品的垂直磁各向異性方面的作用遠(yuǎn)不如 Pt 和 Ta 底層，而且樣品的霍爾電阻比Pt和Ta 做底層要小。Ta 作為 CoFeB/Pt多層膜的底層與Pt作為底層相比能夠更好地和多層膜晶格匹配，并且在400 ℃退火后反常霍爾效應(yīng)得到增強(qiáng)?；魻栯娮杼岣呓?0%，矯頑力達(dá)到了5.7×103A·m-1，有望作為垂直自由層應(yīng)用到磁隧道結(jié)構(gòu)中。

CoFeB/Pt多層膜；反?；魻栃?yīng)；垂直磁各向異性；底層；熱穩(wěn)定性；磁隧道結(jié)

目前，磁存儲(chǔ)技術(shù)中最具發(fā)展前景的是磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)，為了實(shí)現(xiàn)快速的讀寫，下一代高密度MRAM應(yīng)該依靠自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)(STT)用電流來實(shí)現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)。然而，隨著存儲(chǔ)單元尺寸的下降，STT極化反轉(zhuǎn)電流將迅速增加。就目前來說，解決這些問題的一個(gè)有效的方法是改用垂直磁存儲(chǔ)技術(shù)，即在磁性層中引入垂直磁各向異性(PMA)，使得磁性層的磁矩垂直于膜面[1-3]。

具有垂直磁各向異性的材料主要有 Co/(Pt，Pd)、 Fe/(Pt，Pd)多層膜，F(xiàn)ePt、FePd合金薄膜，CoFeB/MgO/ CoFeB結(jié)構(gòu)和CoFeB/(Pt，Pd)多層膜等[4-5]。其中因?yàn)镃oFeB具有很高的自旋極化率及CoFeB/Pt多層膜具有強(qiáng)的自旋軌道耦合，有望作為垂直自由層應(yīng)用到磁隧道結(jié)構(gòu)中[6-7]。由于反?；魻栃?yīng)電阻與樣品磁矩的垂直分量成正比，所以技術(shù)上可以用反?；魻柷€模擬磁性材料垂直膜面方向的磁滯回線，該方法在研究Fe/Pt，Co/Pt等磁性薄膜磁晶各向異性方面有很重要的應(yīng)用[1-3,5]。近年來，劉娜等[6]利用反常霍爾效應(yīng)手段研究了 CoFeB和 Pt層的不同厚度對CoFeB/Pt多層膜的垂直磁各向異性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CoFeB厚度大于0.6 nm時(shí)，多層膜出現(xiàn)垂直磁各向異性。Zhu等[2]系統(tǒng)研究了CoFeB/Pt 多層膜熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)退火溫度超過 260 ℃時(shí)，多層膜垂直磁各向異性開始降低。迄今為止，CoFeB/Pt多層膜的研究大都集中在Pt底層，對Ru、Cu及Ta底層的研究很少，本文采用反?；魻栃?yīng)（AHE）這一研究手段研究了Ru，Cu，Pt和Ta作為底層對CoFeB/Pt多層膜垂直磁各向異性及熱穩(wěn)定的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

CoFeB/Pt多層膜樣品采用磁控濺射法在玻璃基片上制備而成。其中CoFeB層采用純度為99.9%的Co40Fe40B20靶材制備，并且使用射頻磁控濺射的方法。而Pt、Ta、Ru、Cu層均采用純度為99.99%的靶材，使用直流磁控濺射方法制備。本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為雙室五靶的JGP560A型超高真空多功能磁控濺射儀，濺射系統(tǒng)的本底真空優(yōu)于 2×10-5Pa，濺射氣體為99.999%的高純Ar氣，濺射氣壓為0.5 Pa。實(shí)驗(yàn)中為了便于比較，所有樣品底層厚度均為4 nm，CoFeB層厚度為0.8 nm，Pt層為1.2 nm，周期為2。

磁性材料的霍爾效應(yīng)包括正?；魻栃?yīng)（OHE）和AHE兩部分，霍爾電阻率ρxy與外加磁場H的關(guān)系是：

式中：R0為正?；魻栂禂?shù)；RS為反常霍爾系數(shù)；M⊥為材料的磁矩在垂直方向上的分量。一般地，AHE來自于自旋-軌道相互作用，并且遠(yuǎn)大于OHE，因此，根據(jù)式（1）可得到ρxy∝M⊥，即從ρxy隨H的變化關(guān)系（霍爾回線）可以獲得垂直磁結(jié)構(gòu)的磁化特征[8]。

圖1 反常霍爾效應(yīng)測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement of anomalous Hall effect

樣品結(jié)構(gòu)為：M4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2（M= Ta, Pt, Ru, Cu）

將制備好的薄膜樣品，分別用四探針法測量其霍爾曲線，磁場垂直膜面。利用Quantum Design的綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）測量其M-H曲線，使用布魯克Dimension Fastscan原子力顯微鏡（AFM）測量薄膜樣品的表面形貌。

2 結(jié)果與分析

圖2為M4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2（M= Ta, Pt, Ru, Cu）的霍爾回線?？梢钥闯?，以Ta和Pt為底層的CoFeB/Pt多層膜具有明顯的垂直磁各向異性，具有100%的剩磁比和良好的矩形度。Pt底層對樣品的分流作用過大導(dǎo)致樣品的霍爾電阻比同樣結(jié)構(gòu)的Ta底層樣品小很多。而以Ru為底層樣品具有垂直磁各向異性，但矩形度不是很好，垂直磁各向異性(PMA)變差。并且霍爾電阻（RHall）和矯頑力（Hc）都較小。以Cu為底層的樣品雖然還有磁滯現(xiàn)象，但樣品的矩形度變的很差，已經(jīng)沒有明顯垂直磁各向異性。由于用 Ta和Pt做底層有利于增強(qiáng)CoFeB/Pt多層膜垂直磁各向異性，下面重點(diǎn)探究一下 Ta和 Pt作為底層對CoFeB/Pt多層膜磁性能以及熱穩(wěn)定性的影響。

圖2 M4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2（M= Ta，Pt，Ru，Cu）的霍爾回線Fig.2 Hall curves of M4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2（M= Ta，Pt，Ru，Cu）

CoFeB/Pt多層膜是否具備垂直磁各向異性，底層同樣起著重要的作用。不同的底層和CoFeB/Pt多層膜的晶格匹配度不同，匹配度較好的底層可以使得樣品表面生長的相對平整，利于PMA的形成[9]。利用PPMS分別測出以Ta、Pt為底層多層膜的M-H曲線，通過對平行于面內(nèi)的M-H曲線歸一化積分計(jì)算出磁晶各項(xiàng)異性能Keff值。

圖3是以Ta、Pt為底層的AFM圖，其中取樣長度內(nèi)，輪廓偏離平均線的均方根（Rq）值的大小能給出樣品的表面粗糙程度。其中Rq值越大，薄膜樣品的表面粗糙程度越大[10]。

從表 1可以看出以 Ta為底層的樣品的 Keff為3.16×104J·m-3，與Pt底層相比，Ta底層能更好地與CoFeB/Pt多層膜的晶格相匹配。Ta底層樣品的表面粗糙度為0.481 nm，而Pt底層的樣品表面粗糙度為0.586 nm，因此Ta底層更利于多層膜的PMA的形成。另外由于Pt底層具有較大的分流作用，導(dǎo)致樣品的霍爾電阻比同樣結(jié)構(gòu)的Ta底層樣品小近一倍。

圖3 （a）Pt4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2和（b）Ta4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2的表面形貌Fig.3 Surface topography of（a）Pt4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2and（b）Ta4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2

表1 M4(CoFeB0.8/Pt1.2)2（M=Pt，Ta）樣品Keff，Rq，RHall的值Tab.1 The values of Keff，Rq，RHallfor the M4(CoFeB0.8/Pt1.2)2（M=Pt，Ta）sample

對于巨磁電阻器件來說，以及在實(shí)際的自旋電子應(yīng)用中，熱穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵因素[11-12]。本實(shí)驗(yàn)研究了以Ta和Pt為底層的樣品在熱處理后磁性能的變化情況，使多層膜樣品在真空優(yōu)于2×10-5Pa退火爐中進(jìn)行退火，并在室溫下測量每次退火后的樣品霍爾回線。圖4(a)和4(b)分別為以Pt和Ta為底層樣品在不同溫度退火30 min后的霍爾回線。從圖中可以觀察到，以Pt為底層的樣品在小于240 ℃退火處理后依然具有良好的垂直磁各向異性，并且隨著溫度的升高，矯頑力逐漸增大，霍爾電阻逐漸減小。從圖4(c)中看出，當(dāng)溫度為240 ℃，矯頑力達(dá)到最大值1.6×104A·m-1。當(dāng)溫度溫度超過240 ℃后，其垂直磁各向異性急劇減小，垂直矯頑力明顯減小。當(dāng)退火溫度為 300 ℃時(shí)，多層膜的霍爾回線過原點(diǎn)，垂直磁各向異性消失，說明易磁化軸不再垂直于薄膜表面。而圖4(d)顯示以Ta為底層的樣品在400 ℃的高溫退火溫度后，依然有良好PMA，矯頑力達(dá)到了5.7×103A·m-1，并且霍爾電阻提高近80%。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)耐嘶鹂梢员３稚踔猎黾佣鄬幽さ拇怪贝鸥飨虍愋裕叩臒崽幚韺?dǎo)致垂直磁各向異性的破壞，這是由于高溫導(dǎo)致過多的界面擴(kuò)散和合金效應(yīng)，破壞了界面垂直磁各向異性[8]。

圖4 （a）、（c）和（b）、（d）分別為Pt4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2和Ta4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2樣品的霍爾回線，霍爾電阻及矯頑力隨不同退火溫度的變化Fig.4 (a), (c) and (b), (d), respective the samples of Pt4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2and Ta4/(CoFeB0.8/Pt1.2)2,which show the changes of Hall curves, Hall resistance and coercivity with different temperatures

3 結(jié)論

本文通過對以 Ru，Cu，Pt和 Ta作為底層的CoFeB/Pt多層膜反?；魻栃?yīng)的影響進(jìn)行了研究。對不同底層對CoFeB/Pt多層膜反?；魻栃?yīng)的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Ru和Cu作為CoFeB/Pt多層膜的底層在保持其垂直磁各向異性方面的作用遠(yuǎn)不如 Pt和Ta底層。Pt底層雖然能促使CoFeB/Pt多層膜的磁矩垂直于膜面，并且樣品的矯頑力適中，但其對樣品的分流作用過大，導(dǎo)致樣品的霍爾電阻比同樣結(jié)構(gòu)的Ta底層樣品小很多。Ta作為CoFeB/Pt多層膜的底層與Pt作為底層相比能夠更好地和多層膜晶格匹配，并且在 400 ℃退火后反?；魻栃?yīng)得到增強(qiáng)，矯頑力也增加到適當(dāng)?shù)闹担捎诖潘淼澜Y(jié)在與CMOS集合成電子器件時(shí)，需要在350 ℃環(huán)境下加工處理，所以可進(jìn)一步研究以 Ta作為底層的CoFeB/Pt多層膜在垂直磁納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

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（編輯：陳豐）

Perpendicular magnetic anisotropy in CoFeB/Pt multilayers with different underlayers

CHENG Peng, WANG Hongxin, JU Hailang, LI Baohe

(School of Science, Beijing Technology and Business University, Beijing 102488, China)

The impact of different underlayers such as Ru, Cu, Pt and Ta on anomalous Hall effect of CoFeB/Pt multilayers was investigated. The samples were successfully manufactured by magnetron sputtering technique on the glass substrate. Pt and Ta underlayer plays a much greater role in maintaining the PMA of samples, compared with Ru and Cu underlayer. The Hall resistance of Ru and Cu underlayer samples is smaller than that of Ta and Pt underlayer samples. Ta underlayer has less lattice mismatcha to CoFeB/Pt multilayers than the Pt underlayer, and the perpendicular magnetic anisotropy is enhanced even after annealing at 400 ℃. The Hall resistance is increased by nearly 80%, and the coercive force reaches 5.7×103A·m-1. It is expected to be applied to the magnetic tunnel structure as a vertical free layer in the future.

CoFeB/Pt multilayers; anomalous Hall effect; perpendicular magnetic anisotropy; underlayer; thermal stability; magnetic tunnel junction

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.004

O469

A

1001-2028（2016）12-0017-04

2016-08-18

李寶河

國家自然科學(xué)基金資助（No. 11174020）；北京工商大學(xué)特色科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助（No. 19008001076）

李寶河（1972-），男，北京人，教授，主要從事磁性功能材料的理論和工藝研究，E-mail: lbhe@th.btbu.edu.cn ；程鵬（1992-），男，河北邯鄲人，研究生，研究方向?yàn)榇判员∧げ牧?，E-mail: 605764924@qq.com 。

時(shí)間：2016-11-29 11:30:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1130.004.html