[发明专利]一种调控MRAM材料阻尼因子的方法

说明书

本发明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/cm²。

技术领域：

本发明属于磁性材料、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。

背景技术：

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(K u eff)成正相关，与α成负相关。在保持较高K u eff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。

发明内容：

本发明目的：针对现有技术和设计中的不足，本发明提供一种只改变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。

本发明技术方案：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。本发明调控MRAM材料阻尼因子的方法由材料生长次序实现(见图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，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。

Ta/CoFeB/MgO材料体系中，磁性层CoFeB薄膜厚度为1nm。

Ta/CoFeB/MgO材料体系中，Ta的厚度为5nm。

Ta/CoFeB/MgO材料体系中，MgO厚度为3nm且晶向为(100)。

探测光功率为20μw，重复频率为1000Hz；这样会使得探测光所探测区域是被均匀加热的。

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。

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。