测定磁性超薄膜磁性均一度的方法及其应用与流程

本发明涉及存储器技术领域，具体而言，涉及一种测定磁性超薄膜磁性均一度的方法及其应用。

背景技术：

电流读写的磁性随机存储器(st-mram)是一种极具潜力的新型存储器。要取代或部分取代现有的主流存储器，必须实现兆字节(mb)到吉字节(gb)级别的大容量mram，这意味着mram当中的大量磁性隧道结(mtj)位元间的读写电流电压特性差别，即统计分布必须非常小。为此，研发和生产中第一要务是获得磁性质高度均一的磁记录薄膜层。由于该层厚度仅为1-2纳米(几个单原子层厚度)，上下界面的平整度、磁记录层内部缺陷、退火温度导致的临近层间扩散等都会对均一度带来损伤。

传统的均一度表征方法为两大类：1)表面和界面形貌分析，原子力显微镜(afm)可以分析薄膜表面的粗糙度，横断面透射电镜(tem)分析界面的膜层情况；2)得到mtj阵列以及测试电极后，测试大量器件的读写特性并进行统计分析。

然而，上述传统的均一度表征方法均存在局限性：afm只能在包含覆盖层的表面进行分析，并且扫描结果受探针针尖影响大，在探针良好的情况下，也只能反映最上层的粗糙度，而磁记录层(一般cofeb)，必须覆盖保护层以防止被空气氧化，因此其分析的对象也是覆盖的保护层而不是磁记录层；tem是当前最有效的手段，但是tem制备样品时间长，只能看到界面和结构的差异，并不能完全对应到最终磁信息的差异；得到mtj阵列后的测试非常耗时，在前期的工艺优化过程中不适合。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种测定磁性超薄膜磁性均一度的方法及其应用，以解决现有技术中均一度表征方法均存在局限性的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种测定磁性超薄膜磁性均一度的方法，包括：步骤s1，提供磁性超薄膜样品，采用铁磁共振法获取磁性超薄膜样品的铁磁共振谱；步骤s2，根据铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线；以及步骤s3，线性拟合第一关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的均一度。

进一步地，上述方法包括：步骤s1，将磁性超薄膜样品置于第一磁场中，第一磁场的方向与磁性超薄膜样品的表面垂直，以获取磁性超薄膜样品在第一磁场中的铁磁共振谱；步骤s2，根据第一磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线；以及步骤s3，线性拟合第一关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的长程均一度。

进一步地，步骤s3包括：利用公式i线性拟合第一关系曲线，得到磁性阻尼数值和截距，其中，公式i为△h⊥为第一关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽，f为微波频率，α为磁性阻尼数值，△h0⊥为截距，γ为旋磁比，利用截距的大小表征长程均一度。

进一步地，上述方法还包括：步骤s1’，将磁性超薄膜样品置于第二磁场中，第二磁场的方向与磁性超薄膜样品的表面平行，以获取磁性超薄膜样品在第二磁场中的铁磁共振谱；步骤s2’，根据第二磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第二关系曲线；以及步骤s4，非线性拟合第二关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的短程均一度。

进一步地，在步骤s4之前，方法还包括以下步骤：根据第一磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的共振磁场随微波频率变化的第三关系曲线；利用公式ii线性拟合第三关系曲线，得到有效饱和磁化强度，其中，公式ii为2πf＝γμ0(h-4πmeff)，4πmeff为有效饱和磁化强度，μ0为真空中的磁导率，h为共振磁场；对公式ii在固定的微波频率f下进行微分，得到公式iii，公式iii为△h0⊥＝△(4πmeff)。

进一步地，步骤s4包括：利用公式iv非线性拟合第二关系曲线，得到曲线非线性度，公式iv为△h→＝a+b+c，其中，γ＝γ1，或γ＝γ2，或γ＝γ1+γ2，△h→为第二关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽，γ为曲线非线性度，利用曲线非线性度表征短程均一度。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的方法在检测磁性随机存储器磁性能中的应用，方法得到的均一度检测结果用于表征磁性随机存储器的性能或性能的统计分布。

进一步地，将磁性超薄膜样品应用于磁性随机存储器中的存储单元中，方法中截距表征的长程均一度反应存储单元阵列性能的统计分布，方法中曲线非线性度表征的短程均一度反应mram芯片中单一存储单元在重复操作下的性能统计分布。

根据本发明的另一方面，还提供了一种磁性随机存储器的制作方法，包括磁记录层的制作和磁记录层的均一度的检测，磁记录层的均一度的检测采用上述的方法检测得到，根据磁记录层的均一度的检测结果确定是否调整磁记录层的制作工艺条件。

进一步地，磁记录层的制作包括对磁性超薄膜进行退火的过程，磁记录层的均一度的检测包括检测退火前后的磁性超薄膜的均一度，根据退火前后磁性超薄膜的曲线非线性度的差异，调整退火的工艺条件。

应用本发明的技术方案，提供了一种测定磁性超薄膜磁性均一度的方法，由于该方法中首先提供磁性超薄膜样品，并采用铁磁共振法获取磁性超薄膜样品的铁磁共振谱，然后根据铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线，最后线性拟合第一关系曲线，得到磁性超薄膜样品的均一度信息，从而仅通过铁磁共振法中几个频率的测量，即能够获取磁性超薄膜样品的均一度信息，有效地提高了测定效率、缩短了测定时间。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法中第一关系曲线和第二关系曲线的示意图；

图2示出了实施例1和2提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法中第一关系曲线和第二关系曲线的示意图；以及

图3示出了实施例2提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法中磁性超薄膜样品i和磁性超薄膜样品ii的tem图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中均一度表征方法均存在局限性。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种测定磁性超薄膜磁性均一度的方法，包括：步骤s1，提供磁性超薄膜样品，并采用铁磁共振法获取磁性超薄膜样品的铁磁共振谱；步骤s2，根据铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线；以及步骤s3，线性拟合第一关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的均一度。

上述方法中由于首先提供磁性超薄膜样品，并采用铁磁共振法获取磁性超薄膜样品的铁磁共振谱，然后根据铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线，最后线性拟合第一关系曲线，得到磁性超薄膜样品的均一度信息，从而仅通过铁磁共振法中几个频率的测量，即能够获取磁性超薄膜样品的均一度信息，有效地提高了测定效率、缩短了测定时间。

下面将更详细地描述根据本发明提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

首先，执行步骤s1：提供磁性超薄膜样品，并采用铁磁共振法获取磁性超薄膜样品的铁磁共振谱。上述磁性超薄膜样品即为磁性超薄膜，应用于磁性随机存储器中作为存储单元的磁记录薄膜层。铁磁共振是通过高频磁场对样品磁矩产生的周期性力矩，在一定条件下驱动磁矩绕平衡位置进动，而进动的产生和进动角度的大小由外偏置磁场h，样品有效磁化强度meff，样品各向异性场hk决定，从而可用于精确测定有效磁化强度和各向异性场；并且，铁磁共振谱的半高全宽(fwhm)和磁阻尼系数α直接关联，而mram写电流大小正比于磁阻尼系数。因此，铁磁共振谱内含了磁性材料的静态和动态磁性质信息。

本领域技术人员可以根据现有技术采用铁磁共振法(fmr)得到上述磁性超薄膜样品的铁磁共振谱，宽频铁磁共振利用平面波导作为微波源和探测器，探测区域为平面波导中心线。在本发明实施例中对应的面积为100μm×5000μm，即基于平面波导的铁磁共振谱是来源与大约100μm×5mm样品区间的平均响应，因而其必然包含了样品均一度的信息。

当超薄膜沿着平行薄膜表面磁化时，界面的缺陷及粗糙程度会改变样品的fmr线宽(即半高全宽fwhm)，因此，在完成上述步骤s1之后，执行步骤s2：根据铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线。

在完成上述步骤s2之后，执行步骤s3：线性拟合第一关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的均一度。由于上述第一关系曲线为半高全宽随微波频率变化的曲线，因此以半高全宽和微波频率为变量建立线性回归方程，并利用上述线性回归方程拟合上述第一关系曲线，以得到线性回归方程中的定量来用来表征磁性超薄膜样品的均一度。

为了获取磁性超薄膜样品的均一度信息，在一种优选的实施方式中，上述方法包括：步骤s1，将磁性超薄膜样品置于第一磁场中，第一磁场的方向与磁性超薄膜样品的表面垂直，以获取磁性超薄膜样品在第一磁场中的铁磁共振谱；步骤s2，根据第一磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线；以及步骤s3，线性拟合第一关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的均一度。

在上述优选的实施方式中，外部磁场hdc的方向垂直于薄膜表面，选取一系列微波激励频率f，频率可为0.1ghz到几百ghz之间的分立数值。在每个频率下，扫描垂直面内磁场，获取铁磁共振谱，然后提取铁磁共振谱半高全宽δh(fwhm)和微波激励频率f的依赖关系，得到第一关系曲线，如图1(a)所示。上述长程均一度指的是远大于100nm(优选>500nm)尺度的均一性，在物理上对应样品不同小区域的铁磁共振谱信号线性叠加，该长程均一度导致mram芯片中存储单元之间，或其他类似应用中位元之间的差别。

在上述获取磁性超薄膜样品长程均一度的过程中，步骤s3可以包括：利用公式i线性拟合第一关系曲线，得到磁性阻尼数值和截距，其中，公式i为△h⊥为第一关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽，f为微波频率，α为磁性阻尼数值，△h0⊥为截距，γ为旋磁比，利用截距的大小表征长程均一度。由于mram写电流大小正比于磁阻尼系数，因此上述磁阻尼系数能够表征mram的性能。

利用上述公式i线性拟合第一关系曲线，可获取磁性超薄膜样品的磁性阻尼数值α和截距△h0⊥(即零频率外推展宽)，截距△h0⊥是由于磁性超薄膜样品界面在较大范围(微米级别)内起伏导致，反映了薄膜厚度在1～2nm尺度下时fmr线宽受界面平整度的影响，这一数值大，预期器件加工后得到的mtj位元之间的读写电流差异也大。具体地，将获取的上述磁性超薄膜样品的截距△h0⊥与已知均一度信息的标准样品的截距△h0⊥进行比较，即得到该磁性超薄膜样品的长程均一度；或者，通过上述同样的步骤获取另一磁性超薄膜样品的截距△h0⊥，并通过比较两个磁性超薄膜样品的截距△h0⊥，以获取两个磁性超薄膜样品的长程均一度差别。

在上述优选的实施方式中，为了获取磁性超薄膜样品更为有效的均一度信息，更为优选地，方法还包括：步骤s1’，将磁性超薄膜样品置于第二磁场中，第二磁场的方向与磁性超薄膜样品的表面平行，以获取磁性超薄膜样品在第二磁场中的铁磁共振谱；步骤s2’，根据第二磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第二关系曲线；以及步骤s4，非线性拟合第二关系曲线，利用拟合结果表征磁性超薄膜样品的短程均一度。

在上述优选的实施方式中，外部磁场hdc方向平行于薄膜表面。选取一系列微波激励频率f，频率可为0.1ghz到几百ghz之间的分立数值，在每个频率下，扫描面内磁场，获取铁磁共振谱，然后提取铁磁共振谱半高全宽δh(fwhm)和微波激励频率f的依赖关系，得到第二关系曲线，如图1(b)所示。上述短程均一度指的是几十到几百纳米尺度内的均一性，在物理上可能诱导出自旋波散射等多种量子力学效应，导致铁磁共振谱的非线性叠加变化。由于当前主流半导体工艺中器件尺寸在100nm左右，该短程均一度导致mram芯片中存储单元之内或其他类似应用中器件本身的性能受到影响，如多次操作的写电压统计分布变宽等。

在上述获取磁性超薄膜样品短程均一度的过程中，步骤s4可以包括：利用公式iv非线性拟合第二关系曲线，得到曲线非线性度，公式iv为△h→＝a+b+c，其中，γ＝γ1，或γ＝γ2，或γ＝γ1+γ2，△h→为第二关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽，γ为曲线非线性度，利用曲线非线性度表征短程均一度。

为了利用上述公式iv获取磁性超薄膜样品的短程均一度，在步骤s4之前，方法还包括以下步骤：根据第一磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的共振磁场随微波频率变化的第三关系曲线；利用公式ii线性拟合第三关系曲线，得到有效饱和磁化强度，其中，公式ii为2πf＝γμ0(h-4πmeff)，4πmeff为有效饱和磁化强度，μ0为真空中的磁导率，h为共振磁场；对公式ii在固定的微波频率f下进行微分，得到公式iii，公式iii为△h0⊥＝△(4πmeff)。通过将上述有效饱和磁化强度4πmeff和公式iii带入公式iv中，以得到表征磁性超薄膜样品长程均一度的曲线非线性度γ。

利用上述公式iv线性拟合第二关系曲线，可获取磁性超薄膜样品的曲线非线性度γ，上述第二关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽△h→分成三个部分，即磁阻尼项a、磁长程不均一导致线宽b和短程不均一导致线宽c，半高全宽△h→(测试线宽)＝磁阻尼项(a)+长程不均一展宽(b)+短程不均一展宽(c)，即

其中，α在步骤s3中计算得到；代表在平行磁场中，由于有效饱和磁化强度长程不均一性导致的铁磁共振线宽展宽的微分形式，它的起源也是不同部分共振信号的线性叠加，其中的长程不均一度△h0⊥＝△(4πmeff)已经通过垂直磁场中提取数据的截距计算，可以根据kittel公式求出，利用h对4πmeff求导计算，kittel公式中h为共振磁场，hk为面内磁性各向异性，对金属性样品，一般只包含生长条件或衬底导致的面内单轴各向异性，其数值在正常工艺情况下可忽略，求导后的结果为对于第三项c，和短程均一度相关的线宽贡献，通过引入非线性项或数据拟合后，可以得到拟合参数γ1/γ2/γ1+γ2，从而计算出反映了曲线非线性度的γ。曲线非线性度γ来源于自旋统一有序进动被界面局域范围起伏、杂质和内部缺陷散射的强度等的综合影响，且该类缺陷的特征尺度为几十到几百纳米，由于高密度mtj位元尺寸小于100nm，由此可以用γ值预估对单个mtj位元进行多次读写操作时，写电流大小的差异，还可以通过监控γ来判断工艺稳定性。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述方法在检测磁性随机存储器磁性能中的应用，该方法得到的均一度检测结果用于表征磁性随机存储器的性能或性能的统计分布。具体地，将磁性超薄膜样品应用于磁性随机存储器中的存储单元中，上述方法中截距表征的长程均一度反应存储单元阵列性能的统计分布，上述方法中曲线非线性度表征的短程均一度反应mram芯片中单一存储单元重复操作下的性能统计分布，上述重复操作下的性能统计分布是指mram芯片中存储单元之内或其他类似应用中，如多次操作的写电压统计分布变宽等。其原理为器件本身由于磁畴的存在和读写具有热激活随机性影响，每次超作时，磁矩方向的最初变化可以发生在单元不同的位置。即上述长程均一度和短程均一度分别表征了mtj位元阵列和位元本身的读写电流分布和重复性。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种磁性随机存储器的制作方法，包括磁记录层的制作和磁记录层的均一度的检测，上述磁记录层的均一度的检测采用上述的方法检测得到，根据磁记录层的均一度的检测结果确定是否调整磁记录层的制作工艺条件。具体地，磁记录层的制作包括对磁性超薄膜进行退火的过程，磁记录层的均一度的检测包括检测退火前后的磁性超薄膜的均一度，根据退火前后磁性超薄膜的曲线非线性度的差异，调整退火的工艺条件。

下面将结合实施例进一步说明本发明提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法。

实施例1

本实施例提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法包括以下步骤：

提供结构为mgo/cofeb/mgo的磁性超薄膜样品i和参考样品ii，磁性超薄膜样品i的厚度为1.4nm，参考样品ii的厚度为2.4nm，将磁性超薄膜样品置于第一磁场中，第一磁场与磁性超薄膜样品的表面垂直，以获取磁性超薄膜样品在第一磁场中的铁磁共振谱；

根据第一磁场中的铁磁共振谱建立样品i和ii的半高全宽随微波频率变化的第一关系曲线；

利用公式i线性拟合第一关系曲线，得到磁性阻尼数值和截距，其中，公式i为△h⊥为第一关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽，f为微波频率，α为磁性阻尼数值，△h0⊥为截距，γ为旋磁比，利用截距的大小表征长程均一度。

实施例1的拟合结果显示，样品i和ii的阻尼系数α均为0.0048；并且，样品i和ii的第一关系曲线如图2(a)所示，图中1.4nm的磁性超薄膜样品i(适用于mram记录层厚度)的△h0⊥为47.5oe远大于2.4nm的参考样品ii的14oe，该数值是由于cofeb界面在较大范围(微米级别)内起伏导致，反映了薄膜厚度在1～2nm尺度下时fmr线宽受界面平整度的影响，这一数值大，预期器件加工后得到的mtj位元阵列的读写电流统计分布(方差)也大。

实施例2

本实施例提供的方法与实施例1的区别在于，测定磁性超薄膜磁性均一度的方法还包括以下步骤：

根据第一磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的共振磁场随微波频率变化的第三关系曲线；

利用公式ii线性拟合第三关系曲线，得到有效饱和磁化强度4πmeff，公式ii为2πf＝γμ0(h-4πmeff)，磁性超薄膜样品i的效饱和磁化强度4πmeff＝0.3t，参考样品ii的效饱和磁化强度4πmeff＝0.79t；

对公式ii进行微分，得到公式iii，公式iii为△h0⊥＝△(4πmeff)；

将样品i和ii置于第二磁场中，第二磁场与磁性超薄膜样品的表面平行，以获取磁性超薄膜样品在第二磁场中的铁磁共振谱；

根据第二磁场中的铁磁共振谱建立磁性超薄膜样品的半高全宽随微波频率变化的第二关系曲线；

利用公式iv非线性拟合第二关系曲线，得到曲线非线性度，公式iv为△h→＝a+b+c，其中，γ＝γ1，或γ＝γ2，或γ＝γ1+γ2，△h→为第二关系曲线中磁性超薄膜样品的半高全宽，γ为曲线非线性度，利用曲线非线性度表征短程均一度。

实施例2中样品i和ii的第二关系曲线如图2(b)所示，拟合采用γ＝γ1，拟合结果显示磁性超薄膜样品i的γ＝79oe，而参考样品ii的对应数值接近0。由于高密度mtj位元尺寸小于100纳米，由此可以用γ值预估对单个mtj位元进行多次读写操作时，写电流大小的差异；通过监控γ来判断工艺稳定性，利用tem对界面的局域相关平整度进行标定，如图3所示，图3(a)为磁性超薄膜样品i的tem图，图3(b)为磁性超薄膜样品ii的tem图，可见，磁性超薄膜样品i的起伏明显大于参考样品ii，该结果证明了本发明上述方法的有效性。

实施例3

本实施例提供的测定磁性超薄膜磁性均一度的方法与实施例2的区别在于：

样品i和ii分别为退火前后1.8nm钴铁硼的磁性超薄膜，退火温度为250℃，时间为1h。

利用实施例3中的上述方法来协助优化退火温度及其它薄膜处理工艺条件，1.8nm的cofeb在退火前后，面内磁化fmr测试结果表明，局部的磁散射γ加大，由16.3oe增大为92.2oe，说明该薄膜结构磁性均一度易受退火工艺影响。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、仅通过铁磁共振法中几个频率的测量，即能够获取磁性超薄膜样品的均一度信息，有效地提高了测定效率、缩短了测定时间；

2、该测量可以同时对长程和短程的磁性均一度进行估计，长程均一度和短程均一度分别表征了mtj位元阵列和位元本身的读写电流分布和重复性；

3、由于采用了铁磁共振法，还能够同时获取样品的磁阻尼系数α和垂直各项异性能ks这两个mtj中磁记录层的关键指标。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。