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FeCoB/MgO薄膜的结构、磁性及其热稳定性研究

王虎  
【摘要】: 自20世纪80年代末人们在纳米尺度“铁磁/非磁”多层膜中发现了层间交换耦合和巨磁电阻效应以来,多层膜及巨磁电阻即成为凝聚态物理及材料科学的研究热点。由于大的室温TMR值及合适的电阻值,铁磁/绝缘/铁磁结构的磁隧道结(MTJ)被认为适合作为磁性随机存贮器(MRAM)的存储单元,在高密度存贮及高感度磁传感器方面有着广泛的应用。在半导体生产工艺线上将MTJ与互补性金属氧化半导体(CMOS)结合时,后期处理时需要一个热处理过程,这就要求MTJ在较高温度下的结构和性能的稳定性。鉴于热稳定性对MTJ与现有半导体技术的成功结合很重要,本论文以MgO作为绝缘层,具有高自旋极化率的FeCoB为铁磁层,对FeCoB/MgO体系的结构、磁性及其热稳定性进行研究。 本论文采用磁控溅射的方式在商用玻璃载玻片上制备了一系列不同B含量的FeCoB/MgO双层薄膜,并对薄膜进行了结构分析。结果表明,FeCoB层中的B元素起到了细化晶粒及促使薄膜非晶化的作用。为了研究薄膜的热稳定性,我们分别在不同温度下对FeCoB/MgO薄膜进行了真空热处理,并用X射线衍射仪(XRD)及俄歇电子能谱(AES)对热处理后的样品进行了结构及成分分析。当退火温度为200℃及300℃时,B含量为2.2%及6.7%的FeCoB/MgO薄膜出现了比较弱的Co_3Fe_7(110)衍射峰;而B含量为12.1%及16.9%FeCoB/MgO薄膜仍然为非晶态。当热处理温度升高到400℃时,不同B含量的FeCoB/MgO薄膜均发生了一定程度的结晶,薄膜中FeCo晶粒的尺寸随着B含量的增多而减小,并且Co_3Fe_7(110)衍射峰随着FeCoB/MgO薄膜中B含量的增多向低角度偏移。这是由B原子进入FeCo晶格中导致晶格膨胀所引起的。为了研究FeCoB/MgO薄膜在退火前后膜内成分分布的情况,对制备态和400℃退火后的FeCoB/MgO薄膜进行了AES深度分析。结果发现,退火后B元素从FeCoB层扩散到了FeCoB/MgO界面处以及MgO层中。对FeCoB/MgO薄膜在退火前后各元素在不同深度处的俄歇线形进行的分析可知,400℃退火后在FeCoB/MgO界面处有一定的B的氧化物产生。 在以上的研究基础上,我们进一步研究了不同B含量的FeCoB/MgO薄膜在沉积态和不同温度退火后的磁性能。结果发现,在B含量较低时,随着B含量的增多,沉积态FeCoB/MgO薄膜的矫顽力及饱和磁化强度都有很大的降低;在B含量较高时,随着B含量的增多,沉积态FeCoB/MgO薄膜的矫顽力及饱和磁化强度的降低幅度不是很大。在300℃以下低温退火之后,FeCoB/MgO薄膜的矫顽力降低,这是因为低温退火去除了薄膜的内应力。而在300℃以上进行退火时,FeCoB/MgO薄膜的矫顽力变化不大,但是表现出了一定的顺磁性质,这可能是因为在高温退火时,由于B元素扩散到了界面处,形成了B的氧化物,导致薄膜的磁性发生了变化。


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