具有調(diào)諧的各向異性和磁矩的薄膜的制作方法
【專利摘要】一種裝置和方法一般被描述為表現(xiàn)出經(jīng)調(diào)諧的各向異性和磁矩的薄膜。各實(shí)施例可形成一磁性層，該磁性層通過(guò)在被冷卻至預(yù)定襯底溫度的襯底上沉積材料而被調(diào)諧至預(yù)定的各向異性和磁矩。
【專利說(shuō)明】具有調(diào)諧的各向異性和磁矩的薄膜

【發(fā)明內(nèi)容】

[0001]本公開(kāi)的各實(shí)施例總地涉及針對(duì)各種磁特性調(diào)諧的薄膜。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，磁性層被調(diào)諧至預(yù)定的各向異性和磁矩并被形成在深冷襯底上。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0002]圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的示例性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的方框圖。
[0003]圖2是根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的一部分的等軸框圖。
[0004]圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的示例磁性層的等軸框圖。
[0005]圖4顯示了根據(jù)各個(gè)實(shí)施例調(diào)諧的示例磁性層的頂視框圖。
[0006]圖5用曲線圖示出了通常與根據(jù)各實(shí)施例構(gòu)造和運(yùn)作的磁性元件相關(guān)的性能數(shù)據(jù)。
[0007]圖6用曲線圖示出了根據(jù)各實(shí)施例構(gòu)造和運(yùn)作的磁性元件的各種操作特性。
[0008]圖7給出根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例執(zhí)行的薄膜制造例程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]對(duì)于更大容量、更快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的不斷強(qiáng)調(diào)已對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件的磁穩(wěn)定性產(chǎn)生壓力，尤其是在小形狀因數(shù)的設(shè)備中。在用于多種旋轉(zhuǎn)和固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中的薄膜磁性層中，高的單軸各向異性和磁矩可有助于減輕性能不穩(wěn)定性。然而，在制造或工作期間可能發(fā)生的熱處理之后，在磁性薄膜中，單軸各向異性可能難以維持。因此，業(yè)內(nèi)正設(shè)法提供盡管暴露于升高的溫度也能保持單軸各向異性和磁矩的熱穩(wěn)定磁性薄膜。
[0010]因此，薄膜可被構(gòu)造成一磁性層，該磁性層可通過(guò)在冷卻至預(yù)定襯底溫度的襯底上沉積一材料并使其具有預(yù)定沉積入射角而被調(diào)諧至預(yù)定的各向異性和磁矩。通過(guò)調(diào)節(jié)在其上沉積磁性層的襯底的溫度提供預(yù)定單軸各向異性和磁矩的能力可使磁性層被調(diào)諧以在多種不同的磁性工作環(huán)境下運(yùn)作，例如小形狀因數(shù)數(shù)據(jù)讀和寫。
[0011]根據(jù)各實(shí)施例的磁性薄膜的構(gòu)造可通過(guò)相干磁旋轉(zhuǎn)至少提高高頻磁性能，并同時(shí)增進(jìn)薄膜的熱穩(wěn)定性的強(qiáng)健度。在被冷卻至深冷溫度(例如50K)的襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)薄膜可控制磁疇結(jié)構(gòu)，這可維持傾斜濺射的薄膜中的應(yīng)力各向異性并對(duì)應(yīng)于增加的熱和各向異性穩(wěn)定性。通過(guò)深冷冷卻的襯底，傾斜入射角調(diào)諧可通過(guò)精確地控制薄膜的各向異性和磁矩來(lái)進(jìn)一步提高熱和各向異性穩(wěn)定性。
[0012]轉(zhuǎn)向附圖，圖1大體地示出示例性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備100的方框圖。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備100可采取多種不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的形式，例如旋轉(zhuǎn)、固態(tài)和混合系統(tǒng)，它們可在多種非限定性的移動(dòng)、服務(wù)器、住宅環(huán)境中實(shí)施。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備100可至少配置有控制器102，該控制器102將輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)104引導(dǎo)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106。輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)104可起源于無(wú)限多的地點(diǎn)，例如來(lái)自外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和內(nèi)部數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器，并與旨在臨時(shí)或永久地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106上的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。
[0013]應(yīng)當(dāng)注意，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106的尺寸、速度、類型和數(shù)目不僅限于特定的配置。也就是說(shuō)，能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)以供將來(lái)訪問(wèn)的任何存儲(chǔ)元件(例如旋轉(zhuǎn)式數(shù)據(jù)介質(zhì)、固態(tài)單元以及混合式數(shù)據(jù)系統(tǒng))可被用來(lái)單獨(dú)或組合地作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106提供任何數(shù)據(jù)容量和轉(zhuǎn)移速度配置。不管數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106的類型和容量如何，控制器102能處理輸入的數(shù)據(jù)104，也能從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106提供數(shù)據(jù)輸出信號(hào)108。同樣，控制器102可連續(xù)地或者同時(shí)地將數(shù)據(jù)選擇性地輸入至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域或從該一個(gè)或多個(gè)區(qū)域選擇性地輸出數(shù)據(jù)。
[0014]在一些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106被構(gòu)造有至少一個(gè)薄膜磁性層，該薄膜磁性層是磁性固定的或自由的，以允許數(shù)據(jù)經(jīng)由控制器102被存儲(chǔ)、寫入和讀出。例如，薄膜磁性層可以是用來(lái)感測(cè)被編程為旋轉(zhuǎn)式數(shù)據(jù)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)位的磁阻疊層的一部分。在另一例子中，薄膜磁性層可以是諸如阻性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)的固態(tài)疊層的一部分，該RRAM通過(guò)在兩個(gè)電極之間形成細(xì)絲而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0015]圖2示出能被用在圖1的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件106中的示例性薄膜磁性層120的等軸框圖。磁性層120被圖示為具有厚度122、長(zhǎng)條高度124和寬度126的矩形，但層120的這種形狀和具體尺寸不僅限于具體的配置。不管磁性層120的形狀和尺寸如何，平行于磁性層120的橫斷方向和X軸的單軸各向異性128可被構(gòu)造以增加相對(duì)于全向軸各向異性的磁疇控制。
[0016]這種單軸各向異性取向可在預(yù)定磁通密度(例如2.4特斯拉)下實(shí)現(xiàn)磁穩(wěn)定的性能。然而，單軸各向異性128可替代地相對(duì)于X軸和Y軸兩者被調(diào)諧至成角度的取向130，以當(dāng)長(zhǎng)條高度124增加時(shí)維持層120的磁性能。換句話說(shuō)，增加的長(zhǎng)條高度126可對(duì)應(yīng)于升高的磁不穩(wěn)定性，這種磁不穩(wěn)定性是通過(guò)將單軸各向異性128的取向傾斜至相對(duì)于X軸和Y軸不正交取向的成角度的單軸各向異性130而減輕的。
[0017]隨著長(zhǎng)條高度124到達(dá)預(yù)定長(zhǎng)度，例如寬度126的兩倍，可在磁性層120內(nèi)形成一取向在與X軸正交的角度上的單軸各向異性132，以支持磁穩(wěn)定性。例如，將單軸各向異性取向成平行于磁性層120沿X軸的寬度可降低寫后擦除的現(xiàn)象，因?yàn)楦飨虍愋?28允許磁化比如果各向異性沿X軸取向(如同在各向異性132中)或與X軸成角度地取向(如同在各向異性130中)更快地緩解。
[0018]盡管磁性層120的單軸各向異性的取向可連同磁性層120的尺寸被調(diào)諧以提供預(yù)定的磁特性，例如在退火或操作期間將熱施加于磁性層可能永久地改變磁性層120的各向異性和磁矩，不管在加熱之前各向異性和磁矩是如何配置的。通過(guò)導(dǎo)致磁性層120中的各向異性和磁矩不穩(wěn)定性的熱施加，調(diào)諧在其上沉積磁性層120的襯底的溫度和在其中沉積磁性層120的角可幫助在加熱之后維持各向異性和磁矩特性。
[0019]圖3示出根據(jù)各實(shí)施例在襯底152上沉積磁性層150的等軸框圖。如同圖2的磁性層120，磁性層150可形成為多種形狀、尺寸和材料，但在一些實(shí)施例中是通過(guò)以預(yù)定的傾斜入射角GpGye3在襯底152上濺射沉積FeCo形成的矩形薄膜，GpGye3相對(duì)于Z軸從0°直至90°地變化。
[0020]靜態(tài)或動(dòng)態(tài)傾斜角濺射，例如在30°或低于30°的角度下，可產(chǎn)生提高的各向異性，例如2000e或更高，這是由于應(yīng)力各向異性是通過(guò)由傾斜角的遮蔽效應(yīng)形成在生長(zhǎng)晶體之后的空隙和納米空穴的凝聚造成的，而不喪失材料的固有磁矩。也就是說(shuō)，生長(zhǎng)的微晶阻塞了來(lái)自濺射槍154的入射束的視線以在可預(yù)測(cè)的位置產(chǎn)生空隙，這些空隙一起產(chǎn)生應(yīng)力各向異性，這導(dǎo)致薄膜內(nèi)的磁各向異性。
[0021]圖4的磁性層160大體地示出這些空隙162如何與可預(yù)測(cè)行164對(duì)準(zhǔn)，該可預(yù)測(cè)行164與預(yù)定的各向異性方向166對(duì)準(zhǔn)以產(chǎn)生沿該方向166的單軸各向異性。然而，由于應(yīng)力各向異性降低，行164的熱穩(wěn)定性在升高的加熱下變得不穩(wěn)定。因此，類似退火或熱處理磁性層160的條件可能干擾單軸各向異性的強(qiáng)度和方向。要注意，磁性層的材料可摻雜以較大的原子半徑的元素，以緩解熱不穩(wěn)定性，但這樣的努力經(jīng)常將磁性層160的總磁矩降低至對(duì)高頻數(shù)據(jù)位存取操作有害的地步。
[0022]考慮到單軸各向異性的熱不穩(wěn)定性，冷卻在其上沉積磁性層160的襯底(例如圖3的襯底152)能降低原子遷移率并更容易形成空隙162和納米空穴，這對(duì)應(yīng)于空隙162沿預(yù)定各向異性方向166的空隙162對(duì)準(zhǔn)的增加的熱穩(wěn)定性。在各實(shí)施例中，通過(guò)將襯底深冷冷卻至預(yù)定溫度(例如將近50開(kāi)氏溫度)調(diào)諧各向異性和磁矩，同時(shí)控制沉積的傾斜角。
[0023]這種調(diào)諧的沉積能提供恒定或變化的深冷襯底溫度，并且被優(yōu)化以產(chǎn)生升高的應(yīng)力各向異性的傾斜沉積角能通過(guò)維持加熱后的高單軸各向異性和磁矩來(lái)減輕退火和加熱處理的有害效果。圖5和圖6分別用曲線圖示出與包括磁阻疊層相關(guān)的示例性工作數(shù)據(jù)，該磁阻疊層包括根據(jù)各實(shí)施例的不同調(diào)諧的磁性層。在圖5中，室溫襯底上的傾斜沉積被圖示為提供易軸170和難軸172，這些軸被調(diào)諧至預(yù)定的單軸各向異性和磁矩特性。
[0024]盡管圖5的磁特性可通過(guò)調(diào)節(jié)沉積的傾斜入射角來(lái)改變，然而后繼的熱處理或退火由于一個(gè)或多個(gè)磁性層內(nèi)的空隙在晶格內(nèi)移動(dòng)可能減小或消除經(jīng)調(diào)諧的各向異性和磁矩，前述空隙移動(dòng)是由加熱引發(fā)的熱應(yīng)力造成的。相反，圖6所示的易軸180和難軸182示出調(diào)諧傾斜入射角和襯底溫度兩者如何能夠產(chǎn)生增加的單軸各向異性，該單軸各向異性也更為熱穩(wěn)定，因?yàn)樯罾淅鋮s的襯底上的沉積磁性材料的原子遷移性得以降低。
[0025]盡管包括調(diào)諧的磁性層的磁性元件的形成不僅限于特定手段，然而圖7給出根據(jù)各實(shí)施例執(zhí)行的示例性薄膜制造例程200。例程200可在步驟202通過(guò)設(shè)計(jì)與針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的磁性能對(duì)應(yīng)的單軸各向異性和磁矩而開(kāi)始。也就是說(shuō)，可在步驟202設(shè)計(jì)各向異性和磁矩以提供磁特性，例如各向異性方向和磁通容量，這些磁特性迎合薄膜要被使用的方式，例如固態(tài)疊層、磁阻疊層和接近傳感器。
[0026]通過(guò)在步驟202中設(shè)計(jì)的單軸各向異性和磁矩，隨后分別在步驟204和206中設(shè)定與那些磁參數(shù)對(duì)應(yīng)的傾斜入射角和襯底溫度。在步驟206將層沉積裝置(例如濺射裝置)配置成預(yù)定的傾斜入射角之前，步驟204首先將襯底冷卻和維持至深冷溫度。襯底至冷卻溫度的配置和至預(yù)定角的傾斜沉積設(shè)置使例程200進(jìn)至步驟208，在步驟208薄膜開(kāi)始沉積到冷卻的襯底上。
[0027]在步驟208中的材料沉積開(kāi)始之后的某一時(shí)間，在判決210對(duì)沉積進(jìn)行評(píng)價(jià)，即襯底溫度或傾斜入射角的調(diào)整是否要被調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，在材料被沉積到襯底上時(shí)先前的靜態(tài)襯底溫度和傾斜入射角是否變得動(dòng)態(tài)。如果來(lái)自判決210的判斷是需要修整，則步驟212在將材料沉積到冷卻襯底的同時(shí)或者單獨(dú)或者一起地改變襯底溫度和/或傾斜入射角。
[0028]或者在步驟212中的沉積參數(shù)改變后或者根據(jù)判決210不改變地將薄膜形成為預(yù)定形狀、厚度、寬度和長(zhǎng)條高度最終到達(dá)步驟214，在步驟214沉積終止。多個(gè)實(shí)施例即使在沉積之后也將襯底維持在深冷溫度下，而其它實(shí)施例使新形成的薄膜在升高的溫度下受退火熱處理，前述兩種情況都不是例程200所必需的或?qū)?00構(gòu)成限制。[0029]盡管例程200中未給出，然而薄膜可被制造成與疊層分離的或作為疊層的一部分，其中附加的層被沉積在例程200中形成的經(jīng)調(diào)諧薄膜頂之上。應(yīng)當(dāng)注意，例程200不限于圖7中所示的工藝，因?yàn)楦鱾€(gè)判決和步驟可被省去、改變和添加。例如，可在步驟208和214之間對(duì)傾斜入射角和/或襯底溫度作出多次調(diào)整。不管例程200的表現(xiàn)如何，所制造的薄膜是以單軸各向異性方向、各向異性強(qiáng)度和磁矩調(diào)諧的，前述單軸各向異性方向、各向異性強(qiáng)度和磁矩是針對(duì)穩(wěn)定性優(yōu)化的，尤其是關(guān)于在施加熱之后保持磁特性。
[0030]可以理解，本公開(kāi)中描述的磁性薄膜的配置和材料特性使磁性層針對(duì)各向異性和熱穩(wěn)定性而被優(yōu)化。用傾斜入射角沉積對(duì)增加的單軸各向異性調(diào)諧磁性層的能力與深冷冷卻的襯底上的沉積組合以提供一種強(qiáng)健的磁性薄膜，該磁性薄膜能增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)位容量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移速率。另外要理解，所要求保護(hù)的技術(shù)能容易地利用在任何數(shù)量的磁應(yīng)用中，例如數(shù)據(jù)感測(cè)、數(shù)據(jù)寫入以及固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用。
[0031]將理解，盡管在先前描述中連同各實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)一起闡述了本公開(kāi)的各實(shí)施例的許多特性和結(jié)構(gòu)，但是此詳細(xì)描述僅僅是示例性的，并且可以在細(xì)節(jié)上作出修改，尤其在由表達(dá)所附權(quán)利要求的術(shù)語(yǔ)的寬泛的一般含義所指示的盡可能范圍內(nèi)在本公開(kāi)的原理內(nèi)對(duì)部件的結(jié)果和布置的諸方面作出修改。例如，在不偏離本發(fā)明技術(shù)的精神和范圍的情況下，特定元件可以取決于特定應(yīng)用而變化。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜，包括被調(diào)諧至預(yù)定的各向異性和磁矩并被形成在深冷襯底上的磁性層。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述深冷襯底溫度為將近50開(kāi)氏溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述深冷襯底溫度沉積將材料傾斜地沉積至襯底之上。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述預(yù)定的各向異性是單軸各向異性。
5.如權(quán)利要求4所述的薄膜，其特征在于，所述單軸各向異性被配置在預(yù)定角上。
6.如權(quán)利要求5所述的薄膜，其特征在于，所述預(yù)定角相對(duì)于所述磁性層的縱斷面是不正交的。
7.如權(quán)利要求5所述的薄膜，其特征在于，所述預(yù)定角相對(duì)于所述磁性層的縱斷面是正交的。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述磁性層包括FeCo。
9.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述磁性層是磁阻疊層的一部分。
10.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述磁性層是固態(tài)存儲(chǔ)器疊層的一部分。
11.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述預(yù)定的各向異性和磁矩在對(duì)所述磁性層進(jìn)行熱處理之后被維持。
12.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述磁性層中的多個(gè)空隙在對(duì)所述磁性層進(jìn)行熱處理之后沿預(yù)定方向?qū)?zhǔn)。
13.一種裝置，包括: 襯底；以及 將形成在所述襯底上的磁性層調(diào)諧至預(yù)定的各向異性和磁矩的手段。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)諧磁性層的手段包括深冷襯底溫度沉積。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述經(jīng)調(diào)諧的預(yù)定各向異性在所述磁性層的熱處理之后高于2000e。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)諧磁性層的手段在所述磁性層內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定的應(yīng)力各向異性。
17.一種方法，包括: 將磁性層沉積在襯底上；以及 通過(guò)將所述襯底冷卻至預(yù)定的深冷溫度而將所述磁性層調(diào)諧至預(yù)定的各向異性和磁矩。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定的各向異性和磁矩通過(guò)所述冷卻的襯底上的傾斜入射角沉積受到調(diào)諧。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括用加熱處理所述磁性層達(dá)一預(yù)定量的時(shí)間。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定的各向異性和磁矩在熱處理步驟之后被維持。
【文檔編號(hào)】H01L43/08GK103855298SQ201310625298
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】V·R·印圖瑞, 田偉, J·芒德納 申請(qǐng)人:希捷科技有限公司