The effect of HfO2 on the magnetic anisotropy, electrical structure and microstructure of CoFeB/MgO films
The effect of HfO2 on the magnetic anisotropy, electrical structure and microstructure of CoFeB/MgO films
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HfO2对CoFeB/MgO薄膜磁各向异性、电学结构和微观结构的影响
DOI：
10.1016/j.jallcom.2017.07.142
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发表时间：
2017-11
影响因子：
6.2
通讯作者：
Minghua Li
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Minghua Li
金属氧化物用于磁性隧道结，以提高高性能应用中材料的磁性和热稳定性。在本研究中，在Ta缓冲层上沉积了超薄的Hf薄膜。此外，正如X射线光电子能谱(XPS)所证实的那样，350℃的后续热处理导致Hf被氧化成HfO2。研究了HfO2对Ta/Hf/CoFeb/MgO/Ta多层膜磁各向异性的影响。在200℃的退火温度下观察到易轴磁化从面内到面外的转变，并且在350℃的温度下，样品表现出明显的垂直磁各向异性，这满足了行业对磁随机存取存储器应用的退火温度的要求。用X射线光电子能谱(XPS)、正电子湮没谱(PAS)、X射线反射率(XRR)和原子力显微镜(AFM)研究了Ta/Hf/CoFeb/MgO/Ta多层膜的成分、缺陷、界面宽度和表面粗糙度。XPS结果表明，部分抑制了Ta原子在CoFeB/MgO中的扩散，促进了Fe(Co)氧化物的形成。PAS分析结果表明，350℃退火后薄膜缺陷密度降低。XRR和AFM结果表明，350℃退火后CoFeB/MgO界面更加平整。这些因素共同改善了Ta/Hf/CoFeb/MgO/Ta薄膜的磁性和热稳定性。
Metal oxides are used in magnetic tunnel junctions to improve the magnetic properties and thermostability of materials in high-performance applications. In this study, an ultrathin Hf film is deposited on a Ta buffer layer. Moreover, subsequent annealing at 350 °C leads to the oxidation of Hf into HfO2, as confirmed by X-ray photoelectron spectrometry (XPS). The effect of HfO2on magnetic anisotropy is evaluated in Ta/Hf/CoFeB/MgO/Ta multilayer films. Easy-axis magnetisation transition from in-plane to out-of-plane direction is observed at an annealing temperature of 200 °C. Moreover, the sample annealed at a temperature of 350 °C exhibits clear perpendicular magnetic anisotropy, which satisfies industry requirements in terms of annealing temperature for magnetic random access memory applications. XPS, positron annihilation spectroscopy (PAS), X-ray reflectivity (XRR) and atomic force microscopy (AFM) are used to study film composition, defects, interface width and surface roughness in Ta/Hf/CoFeB/MgO/Ta multilayers. XPS results demonstrate partial suppression of Ta atom diffusion and enhanced formation of Fe (Co)oxides in CoFeB/MgO. The results of PAS analysis suggest that the density of film defects decreases after annealing at 350 °C. XRR and AFM results reveal that annealing at 350 °C produces a smoother CoFeB/MgO interface. Together, these factors lead to improved magnetic properties and thermostability in a Ta/Hf/CoFeB/MgO/Ta film.
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