具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有新穎結(jié)構(gòu)和垂直磁各向異性的基于鈷(Co)和鉑(Pt)的多層薄膜及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有垂直磁各向異性(PMA)的基于鈷和鉑的多層薄膜及其制造方法，其包括在襯底之上交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層，并且具有薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。基于鈷和鉑的多層薄膜具有磁性薄層的厚度比非磁性薄層的厚度大的新結(jié)構(gòu)。多層薄膜可以通過根據(jù)層的厚度比控制垂直磁各向異性能量，來容易地應(yīng)用以作為磁隧道結(jié)中的自由層和固定層。此外，多層薄膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，因而即使在經(jīng)受熱處理工藝之后也能保持其PMA能量密度。另外，它使得微量的平面內(nèi)磁各向異性能夠通過熱處理形成，以便降低磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流密度。因此，它可以有利地用于高性能和高密度的MRAM。
【專利說明】具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有新穎結(jié)構(gòu)和垂直磁各向異性的基于鈷(Co)和鉑(Pt)的多層薄膜，及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在努力克服廣泛地用于諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)和移動(dòng)電話之類的電子設(shè)備中的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件一一動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(在下文中，被稱作為DRAM)的易失性時(shí)，已經(jīng)積極地對(duì)具有非易失性存儲(chǔ)器特性的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(在下文中，被稱作為MRAM)進(jìn)行了研宄。如本文中所使用的，術(shù)語“非易失性存儲(chǔ)器”指的是僅需要特定量的功率來讀取和寫入信息以及即使當(dāng)電源阻斷時(shí)也不需要單獨(dú)的電源來保持寫入的信息的性能。特別地，近年來，DRAM的集成度達(dá)到了極限，因而MRAM已經(jīng)被視為DRAM的替代。因此，在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域中，已經(jīng)積極地進(jìn)行MRAM的研宄和開發(fā)。
[0003]自2000年初已經(jīng)對(duì)MRAM進(jìn)行了研宄，并且早期研宄主要集中在通過利用施加電流產(chǎn)生的磁場使磁化反轉(zhuǎn)來改變隧穿磁阻(在下文中，被稱作為TMR)的電阻。然而，這種基于TMR的MRAM器件具有的缺點(diǎn)在于，隨著器件尺寸的減小，寫入電流的量大大地增加，這使得難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、密集集成的存儲(chǔ)器。由于此缺點(diǎn)的原因，引入了基于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁化翻轉(zhuǎn)的MRAM技術(shù)。它是電流感應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)的類型，并且基于利用通過施加電流至磁性薄膜產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩(在下文中，被稱作為STT)來翻轉(zhuǎn)磁化的方法?；诖朔椒ǖ腗RAM被稱作為STT-MRAM。自旋轉(zhuǎn)移力矩磁化翻轉(zhuǎn)與現(xiàn)有的磁場感應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)相比，提供了包括高集成度、寬寫入窗口以及低功耗在內(nèi)的各種優(yōu)點(diǎn)。
[0004]對(duì)STT-MRAM的在先研宄主要集中在具有平面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結(jié)(在下文中，被稱作為MTJ)。近來，還開發(fā)了具有相對(duì)低的臨界電流密度，同時(shí)在納米尺寸的磁單元中保持它們的熱穩(wěn)定性的平面內(nèi)磁隧道結(jié)(iMTJ)。這樣的結(jié)果大多在基于MgO的結(jié)構(gòu)(具有包括自由層和固定層的交換耦合的三層)中獲得，但是要求需要更低的臨界電流密度(例如，IMA/cm2或更少)的MTJ實(shí)現(xiàn)高集成MRAM器件以供商業(yè)用途。
[0005]鑒于iMTJ的此缺點(diǎn)，具有垂直磁各向異性(在下文中，被稱作為PMA)的MJG具有很大的優(yōu)點(diǎn)在于，磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流密度低。這是因?yàn)樵诖呕D(zhuǎn)期間iMTJ需要額外的力矩來克服去磁場(2 Ms，其中Ms =飽和磁化)，因而難以降低臨界電流密度。針對(duì)此垂直MTJ(pMTJ)，最重要的是開發(fā)具有優(yōu)良PMA性能(PMA能量密度=大約107erg/CC)的材料和結(jié)構(gòu)。然而，從靜磁能角度，PMA應(yīng)當(dāng)克服很高的去磁場，因而基本上難以開發(fā)具有優(yōu)良PMA性能的材料和結(jié)構(gòu)。
[0006]很大程度上可以把PMA分成由界面引起的PMA和由體性能引起的PMA。至今，已經(jīng)主要地研宄了具有垂直磁各向異性(PMA)的三種類型的材料，包括稀土-3d過渡金屬無定形合金、諸如 CoPd 和 CoPt 的多層薄膜[W.B.Zeper 等人,J.Appl.Phys.70, 2264 (1991)]、以及諸如FePt、CoPt之類的具有LI。結(jié)構(gòu)的金屬間化合物[T.Shima等人，Appl.Phys.Lett.80，288(2002)]。
[0007]然而，稀土 -3d過渡金屬無定形合金具有的問題在于PMA能量密度不足，并且即使在相對(duì)低的溫度(大約300°C)也發(fā)生結(jié)晶化以快速地降低PMA性能。另一方面，諸如FePtXoPt之類的具有Lltl結(jié)構(gòu)的金屬間化合物被稱為至目前為止具有最好特性的材料，這是因?yàn)镻MA能量密度足夠高，并且溫度特性也良好。然而，具有LI##構(gòu)的金屬間化合物還具有的問題在于，這些化合物不適于在當(dāng)前存儲(chǔ)器件工藝中使用的溫度條件，這是因?yàn)樾枰?00°C更高的溫度來形成具有被認(rèn)為PMA最重要的因素的高長范圍量級(jí)的金屬間化合物。另外，存在的問題在于，不容易設(shè)計(jì)用于形成對(duì)垂直磁各向異性(PMA)必要的(001)紋理所需的晶種層和緩沖層。最后，諸如CoPd和CoPt之類的多層薄膜結(jié)構(gòu)具有足夠的PMA能量密度，但是具有的問題在于在從大約350 °C至450 °C變動(dòng)的溫度(即為在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理溫度)下，這些多層薄膜結(jié)構(gòu)容易被破壞，因而PMA性能被降低或喪失。
[0008]因此，由于在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題，所以迫切需要適用于在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理溫度并且同時(shí)具有足夠的垂直磁各向異性密度的新的材料和結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]技術(shù)問題
[0010]因此，本發(fā)明的第一目標(biāo)是提供一種基于鈷和鉑的多層薄膜，其即使在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理溫度范圍內(nèi)也能夠牢固地保持其結(jié)構(gòu)和性能，并且同時(shí)具有優(yōu)良的垂直磁各向異性(PMA)以便實(shí)現(xiàn)垂直磁隧道結(jié)(pMTJ)。
[0011]本發(fā)明的第二目標(biāo)是提供一種制造上面的基于鈷和鉑的多層薄膜的方法。
[0012]技術(shù)方案
[0013]為了實(shí)現(xiàn)第一目標(biāo)，本發(fā)明提供了一種具有垂直磁各向異性(PMA)的基于鈷和鉑的多層薄膜，其包括交替地沉積在襯底上的薄鈷層和薄鉑層，并且具有薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
[0014]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在基于鈷和鉑的多層薄膜中薄鈷層的厚度與薄鉑層的厚度之比可以大于1:1，但小于3:1。
[0015]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在基于鈷和鉑的多層薄膜中每個(gè)薄鉑層的厚度可以從0.15nm 至 0.25nm 變動(dòng)。
[0016]在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，在基于鈷和鉑的多層薄膜中薄鈷層和薄鉑層可以沉積一次，或者可以交替地沉積2至10次。
[0017]在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，襯底可以選自硅襯底、玻璃襯底、藍(lán)寶石襯底和氧化鎂襯底中的任何一種。
[0018]在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，緩沖層和晶種層可以沉積在襯底與交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層之間，并且保護(hù)層可以沉積在交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層上。
[0019]在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，緩沖層、晶種層或保護(hù)層可以由Au、Cu、Pd、Pt、Ta、Ru、或它們中的兩個(gè)或更多個(gè)的合金制成。
[0020]為了實(shí)現(xiàn)第二目標(biāo)，本發(fā)明提供了一種制造基于鈷和鉑的多層薄膜的方法，所述方法包括步驟:(a)在襯底上沉積具有薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鉑和鈷的多層薄膜；以及(b)對(duì)沉積的多層薄膜進(jìn)行熱處理。
[0021]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，熱處理可以在150°C和500°C之間的溫度下執(zhí)行。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還可以包括:在步驟(a)之前，在襯底上順序地沉積緩沖層和晶種層的步驟。
[0023]在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，所述方法還可以包括:在步驟(a)之后且在步驟(b)之前，沉積保護(hù)層的步驟。
[0024]有益效果
[0025]具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜具有磁性薄層的厚度比非磁性薄層的厚度大的新結(jié)構(gòu)。在高密度MRAM的開發(fā)中，本發(fā)明的多層薄膜可以通過根據(jù)磁性薄層和非磁性薄層的厚度比控制PMA能量密度來容易地應(yīng)用以作為自由層和固定層。此夕卜，本發(fā)明的多層薄膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，因而即使在經(jīng)受熱處理工藝之后也能夠保持其PMA能量密度。另外，它使得微量的平面內(nèi)磁各向異性能夠通過熱處理形成，以便降低磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流密度。因此，它可以有利地用于高性能和高密度的MRAM。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多層薄膜的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0027]圖2a是為具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜[Co (0.32nm) /Pt (0.2nm) ]6的掃描透射電子顯微鏡圖像，以及圖2b是示出由圖2a中的紅虛線表示的部分的每個(gè)組分的分布的曲線圖。
[0028]圖3a至圖3c描繪了對(duì)于為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜的[Co (0.2nm)/Pt (0.28鹽)]6隨著熱處理溫度的磁矩(m)-遲滯⑶曲線。圖3a:在熱處理之前；圖3b:在300°C熱處理之后；以及圖3c:在450°C熱處理之后。
[0029]圖4a至圖4c描繪了對(duì)于作為具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜的[Co(0.32nm)/Pt(0.2鹽)]6隨著熱處理溫度的磁矩(m)_遲滯(H)曲線。圖4a:在熱處理之前；圖4b:在300°C熱處理之后；以及圖4c:在450°C熱處理之后。
[0030]圖5a和圖5b是示出對(duì)于作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜的[Co (0.2nm)/Pt (tPtnm)]6(Co厚度(tCo)被固定至0.2nm，而Pt厚度(tPt)變化)，作為厚度比的函數(shù)的飽和磁化(Ms)(圖5a)和PMA能量密度(Ku)(圖5b)的曲線圖。
[0031]圖6a和圖6b是示出對(duì)于作為具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜的[Co (tCo nm) /Pt (0.2nm) ]6 (Co厚度(tCo)被固定至0.2nm，而Pt厚度(tPt)變化)，作為厚度比(tPt/tc。)的函數(shù)的飽和磁化(Ms)(圖6a)和PMA能量密度(Ku)(圖6b)的曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]在下文中，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
[0033]本發(fā)明提供了一種具有垂直磁各向異性(PMA)的基于鈷和鉑的多層薄膜，其包括交替地沉積在襯底上的薄鈷層和薄鉑層，并且具有薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
[0034]如上所述，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于鈷和鉑的多層薄膜具有作為非磁性薄層的薄鉑層的厚度比作為磁性薄層的薄鈷層的厚度大的結(jié)構(gòu)。已知根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的此多層薄膜中的PMA存在于薄鈷層和薄鉑層之間的界面處。具有此結(jié)構(gòu)的多層薄膜具有致命的缺點(diǎn)在于，多層薄膜在熱處理之前的PMA性能喪失，而對(duì)于PMA的呈現(xiàn)所必要的薄鈷層和薄鉑層之間的界面在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理溫度范圍中被破壞。此缺點(diǎn)使得難以將現(xiàn)有的基于鈷和鉑的多層薄膜應(yīng)用于MRAM領(lǐng)域。因此，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了研宄，將薄鈷層(磁性薄層)的厚度和薄鉑層(非磁性薄層)的厚度控制在寬范圍上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大時(shí)，取得了意外的效果?；诖税l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明人完成了本發(fā)明。
[0035]因此，本發(fā)明提供了一種具有作為磁性薄層的薄鈷層的厚度比作為非磁性薄層的薄鉑層的厚度大的結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜。本發(fā)明中的此結(jié)構(gòu)被稱作為“反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”，這是因?yàn)樵诖私Y(jié)構(gòu)中這兩個(gè)層的厚度比與在現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)(非磁性薄層的厚度比磁性薄層的厚度大)中的相比相反。如從隨后所述的實(shí)例的結(jié)果可以看出，具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多層薄膜具有的優(yōu)點(diǎn)在于，即使當(dāng)它在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理溫度范圍下經(jīng)受熱處理工藝時(shí)，其PMA性能也能保持完整，或者進(jìn)一步地提高。因而，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜相比它具有更好的性能。
[0036]在根據(jù)本發(fā)明的基于鈷和鉑的多層薄膜中，薄鈷層的厚度與薄鉑層的厚度之比不被限制，只要前者比后者厚即可。優(yōu)選地，薄鈷層的厚度與薄鉑層的厚度之比可以大于1:1，但不大于3:1。如果厚度比不大于1:1，則所得的結(jié)構(gòu)不是反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，而僅是與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)，因而不能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特性效果。如果厚度比大于3:1，則將存在的問題在于，在熱處理工藝期間，PMA能量密度降低，且PMA性能大大地惡化。
[0037]在根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜中，每個(gè)薄鉬層的厚度可以從0.15nm至0.25nm變動(dòng)，并且在這種情況下，每個(gè)薄鈷層的厚度將為滿足厚度比范圍的厚度，也就是說，厚度從大于0.15nm至0.75nm變動(dòng)。如果每個(gè)薄鉑層的厚度小于0.15nm，則將存在的問題在于，PMA能量密度降低并且該層對(duì)抗熱處理工藝弱，而如果厚度大于0.25nm，則將存在的問題在于，在熱處理工藝期間PMA性能快速地惡化。
[0038]此外，在具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多層薄膜中，薄鈷層和薄鉑層中的每個(gè)可以沉積一次，但是優(yōu)選地薄鈷層和薄鉑層交替地沉積若干次，以保證更好的垂直磁各向異性。因而，薄鈷層和薄鉑層中的每個(gè)可以沉積I至10次。然而，如果每個(gè)層沉積大于10次，則將存在的問題在于，當(dāng)所得的多層薄膜被應(yīng)用于實(shí)際的存儲(chǔ)器件時(shí)，其電阻增加，或者用于磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流值由于磁性薄層的體積增加而增加，因而該多層薄膜不利于商業(yè)用途。
[0039]因而，當(dāng)層被沉積I至10次以具有上述厚度范圍的厚度時(shí)，由薄鈷層和薄鉑層構(gòu)成的多層薄膜的總厚度將從0.3nm(當(dāng)均具有0.15nm厚度的薄鈷層和薄鉑層均被沉積I次時(shí))至1nm(當(dāng)具有0.25nm厚度的薄鈷層和具有0.75nm厚度的薄鉑層均被沉積10次時(shí))變動(dòng)。
[0040]此外，根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜被沉積在襯底上。襯底可以由選自硅、玻璃、藍(lán)寶石或氧化鎂中的任何一種材料制成，但是不限制于此。此外，在根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜中，緩沖層和晶種層可以在把薄鈷層和薄鉑層沉積在襯底上之前被沉積。另外，在沉積薄鈷層和薄鉑層之后，還可以在它們上沉積保護(hù)層。緩沖層、晶種層或保護(hù)層可以由在本發(fā)明所屬的領(lǐng)域中通常使用的任何材料制成。例如，緩沖層、晶種層或保護(hù)層可以由Au、Cu、Pd、Pt、Ta、Ru、或者它們中的兩個(gè)或更多個(gè)的合金制成，并且不僅可以沉積為單個(gè)層，還可以沉積為多個(gè)層。
[0041]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多層薄膜的結(jié)構(gòu)的截面圖。參見圖1，用作緩沖層的Ta層110沉積在襯底100上，并且用作晶種層的Pt層120和Ru層130沉積在它們上。在晶種層120和130上，構(gòu)成基于鈷和鉑的多層薄膜140的薄鈷層和薄鉑層中的每個(gè)分別沉積N次至t。。和t ^的厚度。然后，最后沉積用作保護(hù)層的Ru層150。
[0042]本發(fā)明還提供了一種制造具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜的方法。該方法包括步驟:(a)在襯底上沉積具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜，在該反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大；以及(b)對(duì)多層薄膜進(jìn)行熱處理。
[0043]在根據(jù)本發(fā)明的方法中，關(guān)于薄鈷層的厚度與薄鉑層的厚度之比、每個(gè)薄鉑層的厚度、每個(gè)層的沉積數(shù)、緩沖層、晶種層、保護(hù)層和襯底的材料的細(xì)節(jié)如上所述。然而，在根據(jù)本發(fā)明的本發(fā)明中，可以制造對(duì)抗熱處理工藝的具有高熱穩(wěn)定性的多層薄膜，其與現(xiàn)有技術(shù)明顯不同，這是因?yàn)樵摱鄬颖∧ぞ哂蟹崔D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。具體地，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在每個(gè)層沉積之后執(zhí)行的熱處理工藝的溫度可以從150°C至500°C變動(dòng)。這意味著鑒于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜制造工藝由于與薄膜結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)的問題而需要主要在低溫范圍執(zhí)行的事實(shí)，本發(fā)明中的熱處理工藝可以在與現(xiàn)有技術(shù)相比顯著更寬的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行。因而，根據(jù)本發(fā)明的方法使得當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝能夠以方便且成本有效的方式執(zhí)行，允許這些工藝以各種方式來修改，以及使得可以選擇各種材料。此外，如果熱處理溫度比150°C低，則將不發(fā)生顯著的問題，但是如果熱處理溫度比500°C高，則可能存在的問題在于PMA性能惡化。
[0044]本發(fā)明的模式
[0045]在下文中，將參照優(yōu)選實(shí)例更詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，提供了這些實(shí)例以供更好地理解本發(fā)明，并且本發(fā)明的范圍不限制于這些實(shí)例。
[0046]多層薄膜的制造
[0047]使用高質(zhì)量(最優(yōu)級(jí))濕氧化Si/S1jf底作為襯底。在襯底上，形成Ta緩沖層(5nm厚度)，并且在其上在密堆積方向上形成Pt (1nm厚度)和Ru(30nm厚度)晶種層。在如上所述形成的緩沖層和晶種層上，形成具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多層薄膜、和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜中的每個(gè)，同時(shí)改變作為磁性薄層的薄鈷層的厚度(t。。nm)和作為非磁性薄層的薄鉑層的厚度(tPt nm)。在形成的多層薄膜的每個(gè)上，形成用作保護(hù)層的Ru層(3nm厚度)ο
[0048]圖1示出了根據(jù)上述方法制造的本發(fā)明的多層薄膜的截面圖。圖1中所示的每個(gè)層通過磁控管濺射沉積工藝來沉積。在沉積中使用的腔室的基礎(chǔ)壓力保持在1X10_8托(torr)或更低，并且在氬氣的大氣下在大約2X10_3的壓力執(zhí)行沉積。在沉積過程中，所有的層都通過在真空下沉積單個(gè)元素目標(biāo)(Ta、Pt、Ru和Co)來形成。特別地，薄鈷層和薄鉑層交替地沉積6次。薄層的厚度通過基于沉積速率準(zhǔn)確地控制沉積時(shí)間來控制。為了準(zhǔn)確地測量薄層的形成速率，沉積的薄層的厚度利用表面分布分析儀和掃描透射電子顯微鏡(STEM)來測量。另外，對(duì)于制造出的多層薄膜的準(zhǔn)確元素分布分析，使用了能量色散X射線光譜法(在下文中，被稱作為EDS)。
[0049]圖2示出了對(duì)于通過根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例順序地沉積元素所制造的多層薄膜的STEM圖像和EDS分布分析曲線圖。如在圖2中可以看出，每個(gè)層可以被準(zhǔn)確地沉積至期望的厚度，并且組分比還可以與期望比準(zhǔn)確地一致。在沉積多層薄膜之后，在300°C至500°C的溫度下在1X10_6托或更低的真空下執(zhí)行熱處理I小時(shí)。
[0050]具體地，圖2a是作為具有根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜的[Co(0.32nm) /Pt (0.211111)]6的STEM圖像。從其中可以看出，每個(gè)層被沉積成具有均勻的厚度。圖2b是示出由圖2a中的紅色虛線所指示的部分的每個(gè)元素組分的分布的曲線圖。如從其中可以看出，在沉積工藝期間、或者沉積之前或之后，多層薄膜基本上不受氧化的影響。這支持了根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜的PMA性能僅直接依賴于鈷和鉑的薄層的厚度和熱處理溫度。
[0051]圖3和圖4是示出針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜和本發(fā)明的多層薄膜，測量磁矩(m)-遲滯(H)曲線的結(jié)果的曲線圖，以便證實(shí)根據(jù)本發(fā)明制造的多層薄膜的改善性能。m-H遲滯曲線利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)在正常溫度進(jìn)行測量。另外，盡管在附圖中未示出，但是薄膜的微觀結(jié)構(gòu)利用X射線衍射計(jì)和TEM顯微鏡來分析。
[0052]具體地，圖3a至圖3c描繪了對(duì)于作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜且具有非磁性薄層的厚度比磁性薄層的厚度大的結(jié)構(gòu)的[Co (0.2nm) /Pt (0.28nm) ]6，隨著熱處理溫度的m_H遲滯曲線(3a:在熱處理之前；3b:在300°C熱處理之后；以及3c:在450°C熱處理之后)。更具體地，圖3a至圖3c描繪了在平面外方向和平面內(nèi)方向上施加外部磁場至薄膜表面時(shí)測量的隨著熱處理溫度的m-H遲滯曲線。
[0053]如在圖3a至3c中可以看出，在熱處理之前(如被沉積的)的膜的確切PMA性能在熱處理之后大大地惡化了，并且在平面外方向上薄膜的矯頑力也降低了。這樣的結(jié)果暗示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜的PMA性能在熱處理之后降低了，或者隨著熱處理溫度增加而降低。
[0054]這樣的特性是出現(xiàn)非磁性薄層的厚度比磁性薄層的厚度大的鈷鉑多層薄膜的典型特性。將理解，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜的PMA性能存在于薄鈷層和薄鉑層之間的界面處，但是在薄鈷層和薄鉑層之間的界面在熱處理期間被破壞時(shí)喪失。這樣的觀察結(jié)構(gòu)清楚地暗示出把現(xiàn)有技術(shù)的鈷-鉑多層薄膜應(yīng)用至MRAM存在限制。
[0055]圖4a至圖4c描繪了對(duì)于作為具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜的[Co(0.32nm)/Pt(0.2nm) ]6，隨著熱處理溫度的m_H遲滯曲線(4a:在熱處理之前；4b:在300°C熱處理之后；以及4c:在450°C熱處理之后)。如圖4a中可以看出，本發(fā)明的多層薄膜在熱處理之前的m-H遲滯曲線與圖3a中所示的現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜的m_H遲滯曲線相比，表明了更明顯的PMA。因而，可以看出，在熱處理之前，本發(fā)明的多層薄膜與現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜相比具有更好的垂直磁各向異性。
[0056]如圖4b中可以看出，本發(fā)明的多層薄膜在熱處理之前的PMA性能即使在300°C的熱處理之后基本上也能保持，這暗示出本發(fā)明的多層薄膜可以克服與在熱處理之后PMA性能降低相關(guān)聯(lián)的問題(其為現(xiàn)有技術(shù)的問題)。此外，如圖4c中可以看出，本發(fā)明的多層薄膜的PMA性能即使在450°C的熱處理之后也能充分地保持或改善，450°C是與在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理工藝溫度相對(duì)應(yīng)的溫度。此外，從平面內(nèi)m-H遲滯曲線的性質(zhì)可以看出，當(dāng)沉積的多層薄膜在450°C進(jìn)行熱處理時(shí)，具有平面內(nèi)磁各向異性的第二相位被精細(xì)地形成。特別地，從此平面內(nèi)磁各向異性在本發(fā)明的多層薄膜的熱處理之后形成的事實(shí)中，可以看出降低垂直磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流值的效果也可以獲得。
[0057]圖5和圖6是示出對(duì)于作為現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜和本發(fā)明的多層薄膜的[Co(t。。nm) /Pt (tPt nm)]6結(jié)構(gòu)，在改變薄鈷層厚度(t。。nm)和薄鉬層厚度(tPt nm)至各個(gè)值時(shí)，測量飽和磁化(Ms)和PMA能量密度(Ku)的結(jié)果的曲線圖，以便檢查根據(jù)本發(fā)明制造的多層薄月吳的關(guān)鍵意義。
[0058]圖5a和圖5b是示出對(duì)于作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層薄膜的[Co (0.2nm)/Pt (tPtnm)]6(Co厚度(tc。)被固定至0.2nm，并且Pt厚度(tPt)變化)，作為厚度比U1VtcJ的函數(shù)的飽和磁化(Ms)(圖5a)和PMA能量密度(Ku)(圖5b)的曲線圖。如圖5a和圖5b中所示，隨著厚度比接近于現(xiàn)有技術(shù)的鈷鉑多層薄膜的厚度比(即，非磁性薄層的厚度變得更大)，由于平面內(nèi)飽和磁化降低的原因，所以在熱處理溫度下多層薄膜的耐久性降低，并且低，以及Ku也降低。
[0059]另一方面，圖6a和圖6b是示出對(duì)于作為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于鉑和鈷的多層薄膜的[Co (tCo nm) /Pt (0.2nm) ]6 (Co厚度(tCo)被固定至0.2nm，而Pt厚度(tPt)變化)，作為厚度比(tPt/tc。)的函數(shù)的飽和磁化(Ms)(圖6a)和PMA能量密度(Ku)(圖6b)的曲線圖。從其中可以看出，具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(也就是說，具有固定的0.2nm的非磁性薄層和逐步增加的大于0.2nm的磁性薄層厚度的結(jié)構(gòu))的鈷鉑多層薄膜，即使在熱處理工藝中也示出了充分的耐久性，并且與現(xiàn)有技術(shù)相比示出了顯著改善的PMA性能。
[0060]此外，在大約500 °C的熱處理之前和之后，在具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的[Co(0.5nm)/Pt (0.2nm)]6的鈷鉑多層薄膜中Ku值最大，并且示出了隨著磁性薄層的厚度增加而趨向于降低。特別地，此熱處理溫度是非常接近于在當(dāng)前存儲(chǔ)器制造工藝中使用的熱處理溫度(300°C至450°C)的溫度。另外，這樣的結(jié)果清楚地暗示出，當(dāng)在具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多層薄膜中層的厚度比得到了精細(xì)地控制時(shí)，多層薄膜的PMA能量密度能夠容易控制，并且可以獲得具有更強(qiáng)的PMA性能的結(jié)構(gòu)。
[0061]工業(yè)實(shí)用性
[0062]如上所述，具有根據(jù)本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜使得磁性結(jié)構(gòu)能夠保證優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，并且可以有利地用在制造和應(yīng)用替代達(dá)到它們極限的DRAM的MRAM 中。
【權(quán)利要求】
1.一種具有垂直磁各向異性(PMA)的基于鈷和鉑的多層薄膜，其包括交替地沉積在襯底之上的薄鈷層和薄鉑層，并且具有所述薄鈷層的厚度比所述薄鉑層的厚度大的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于鈷和鉑的多層薄膜，其中，在所述基于鈷和鉑的多層薄膜中，所述薄鈷層的厚度與所述薄鉑層的厚度之比大于1:1，但小于3:1。
3.如權(quán)利要求1所述的基于鈷和鉑的多層薄膜，其中，在所述基于鈷和鉑的多層薄膜中，每個(gè)薄鉬層的厚度從0.15nm至0.25nm變動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于鈷和鉑的多層薄膜，其中，在所述基于鈷和鉑的多層薄膜中，所述薄鈷層和所述薄鉑層沉積一次，或者交替地沉積2至10次。
5.如權(quán)利要求1所述的基于鈷和鉑的多層薄膜，其中，所述襯底是選自硅襯底、玻璃襯底、藍(lán)寶石襯底和氧化鎂襯底中的一個(gè)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于鈷和鉑的多層薄膜，其中，緩沖層和晶種層沉積在所述襯底與交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層之間，以及保護(hù)層沉積在交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層上。
7.如權(quán)利要求6所述的基于鈷和鉑的多層薄膜，其中，所述緩沖層、所述晶種層或所述保護(hù)層由Au、Cu、Pd、Pt、Ta、Ru、或者它們中的兩個(gè)或更多個(gè)的合金制成。
8.—種制造基于鈷和鉑的多層薄膜的方法，所述方法包括步驟: (a)在襯底之上沉積具有薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的基于鈷和鉑的多層薄膜；以及 (b)對(duì)所述多層薄膜進(jìn)行熱處理。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在150°C和500°C之間的溫度下執(zhí)行所述熱處理。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括，在步驟(a)之前，在所述襯底之上順序地沉積緩沖層和晶種層的步驟。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括，在步驟(a)之后且在步驟(b)之前，沉積保護(hù)層的步驟。
【文檔編號(hào)】G01R33/05GK104471419SQ201280073290
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月22日
【發(fā)明者】林相鎬, 李泰榮, 李性來, 孫東秀 申請(qǐng)人:愛思開海力士有限公司