专利名称：磁性薄膜及其制造方法和使用其的各种应用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有其中原子有序排列的型Co-Pt-C有序合金的磁性薄膜。本发
明的磁性薄膜能够应用于各种装置如磁记录介质中。 在该磁性薄膜中，优选磁性薄膜含有50体积％以下的C。 在以上Co-Pt-C合金中，可以含有除了 Co和Pt之外的至少一种金属元素。另外，所述磁性薄膜可以由具有非磁性晶粒间界的粒状结构形成。优选在上述磁性薄膜中，易磁化轴取向垂直于膜平面。 接下来，本发明涉及制造磁性薄膜的方法，其中，为了在基体上制造磁性薄膜，将基体的温度设定为150至50(TC，并且磁性薄膜通过高真空磁控溅射法形成，在所述高真空磁控溅射法中，在成膜之前的真空度为等于或小于1X10—4Pa。在该制造方法中，优选基体温度在270至400°C的范围内，优选真空度为等于或小于7X 10—7Pa。 另外，本发明包括各自配置有以上磁性薄膜的垂直磁记录介质、隧道磁阻元件、磁阻式随机存取存储器和微机电系统装置。 通过以上结构，本发明的磁性薄膜能够实现关于型Co-Pt-C合金的优良有序度，以获得磁性薄膜的优良磁各向异性。因此，在使用该磁性薄膜的各种装置中，可以高水平地获得大容量化和/或高密度化。 从示例性实施方案(参考附图)的以下描述中，本发明的进一步特征将变得显而易见。
图IA为示出使用根据本发明的磁性薄膜形成的垂直磁记录介质的实例的横截面，并示出垂直磁记录元件10a，其中底层14、磁性层16和保护层18依次形成于基体12上； 图IB为示出使用根据本发明的磁性薄膜形成的垂直磁记录介质的实例的横截面，并示出垂直磁记录元件10b，其中在图1A中所示的实例中，在基体12和底层14之间进一步形成晶种层(seed layer) 20 ; 图2A为示出使用根据本发明的磁性薄膜形成的隧道磁阻元件的横截面； 图2B为示出使用图2A中所示的隧道磁阻元件形成的磁阻式随机存取存储器的横
5截面； 图3A为示出垂直磁记录介质中的X射线衍射图案的图，并示出实施例1中的介质； 图3B为示出垂直磁记录介质中的X射线衍射图案的图，并示出实施例2中的介质； 图3C为示出垂直磁记录介质中的X射线衍射图案的图，并示出实施例3中的介质； 图3D为示出垂直磁记录介质中的X射线衍射图案的图，并示出实施例4中的介质；和 图4为示出在由实施例1至4中各垂直记录介质的Co-Pt-C合金组成的磁性层中单轴磁各向异性Ku和Kug的图，其中Kug用通过减去磁性层中包含的C体积率得到的薄膜体积换算。
具体实施例方式〈磁性薄膜(及其制造方法)> 在下文中，将说明本发明的磁性薄膜与制造方法。应注意，如下所示的实例仅指本发明的实例，本领域技术人员能够根据需要进行设计方面的改进。 本发明的磁性薄膜包括含有其中原子有序排列的型Co-Pt-C合金的磁性薄膜。 在此，本发明中的"1^型"是指彼此具有不同组成的两种原子的最密堆积平面在面心立方晶格中交替层压的晶体结构。 磁性薄膜优选含有50体积％以下的C，优选2-30体积％的C，进一步优选1_30体积^的C。当因此将下限值设定为l体积X以上时，能够形成磁连续性高的l^型Co-Pt-C合金膜，其原子有序度和Ku值高，并且还限制C析出至晶粒间界中。另一方面，当因此将上限值设定为30体积％以下时，能够获得具有高晶粒体积率的型Co-Pt-C合金的粒状薄膜，其中晶粒分离同时维持大的Ku值。 Co-Pt-C合金含有Co、Pt和C作为必需元素，另外，可以含有除了 Co和Pt之外的至少一种金属元素。例如，该合金可以任意选择性地含有金属元素如Ni、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Sc、 C u、 Zn、 Pd、 Rh、 Ru、 Mo、 Nb、 Zr、 Ag、 Ir、 Au、 Re、 W、 Ta、 Hf 、 Al、 Si、 Ge禾口 B。
特别地，在Co-Pt-C合金中的C含量优选在2-5体积X范围内。由此，在玻璃基体上形成磁性薄膜的情况下，形成的含有多晶型Co-Pt-C合金的磁性薄膜的单轴磁各向异性(Ku)的值最接近于在MgO单晶基体的(111)晶面表面上形成的含有单晶l^型Co-Pt合金的磁性薄膜的Ku值。这是因为，当多晶Lh型Co-Pt-C合金原子排列的有序度与单晶l^型Co-Pt合金的有序度相比更低时，通过经由添加C至以上多晶合金中的大的差幅(margin)能够增大Ku值，考虑到用于各种装置的磁性膜的形成，这是非常重要的。
另夕卜，即使Co-Pt-C合金中的C含量从2-5体积％增大至30体积％，也能够获得多晶Lh型Co-Pt-C合金。因此，基于控制该组成区域中Co-Pt-C合金薄膜的结构，通过形成主要由非磁性C制成的晶粒间界相，可能获得用于能量辅助(energy assist)等的显示高Ku值的粒状膜。
该磁性薄膜可通过在Co-Pt-C合金晶粒之间插入除了主要由非磁性C等组成的晶粒间界相之外的非磁性物质，由粒状膜形成。 用于形成粒状膜的非磁性物质的实例包括S叫、CrA、Z鳴和Al^，其各自磁分离Co-Pt-C合金晶粒的性能高。其中，在磁分离Co-Pt-C合金晶粒的性能优良方面，优选Si02。用于形成粒状膜的非磁性物质可以为型有序结构，或者可以为其它类型的结构。
在上述任一磁性薄膜中，易磁化轴优选垂直于膜平面取向。在此，易磁化轴是指具有晶体磁各向异性的磁性薄膜可容易磁化的结晶取向。通过用X射线衍射等测量结晶取向可检测易磁化轴是否垂直于薄膜平面取向。 接下来，可以使磁性薄膜层压于其上的基体温度为150-50(TC的方式获得该磁性薄膜，使用高真空磁控溅射法形成磁性薄膜，在所述高真空磁控溅射法中，在成膜之前的真空度为等于或小于1X10—4Pa。 基体不特别限制，只要能够层压磁性薄膜即可，必要时，适当地依次形成在其上进一步层压的各层。例如，可以将玻璃基体和Si基体等用作基体。 使用磁控溅射法，特别是高真空磁控溅射法的原因是通过适于大量生产的成膜技术以促进型有序结构的形成。 形成磁性薄膜时基体的加热温度优选在150-50(TC范围内。当使加热温度为150°C以上时，能够促进L"型有序结构的形成，另一方面，当使加热温度为500°C以下时，能够限制Lh型有序结构的紊乱。当使加热温度为270-40(TC时，能够以极高的水平获得以上效果。 考虑到促进1^型有序结构，优选使形成磁性薄膜时的真空度为等于或小于1X10—4Pa。考虑到以高水平获得以上效果，更优选形成磁性薄膜时的真空度为等于或小于7X10—7Pa。〈使用磁性薄膜的各种应用装置> 接下来，将说明使用上述磁性薄膜的各种应用装置。应注意，以下实例仅为根据本
发明的实例，本领域技术人员能够根据需要进行设计方面的改变。〈磁记录介质> 图1A和图1B为示出各自显示使用磁性薄膜形成的垂直磁记录介质的两个实例的横截面，图1A示出在基体12上依次形成底层14、磁性层16和保护层18的垂直磁记录介质10a，图1B示出在基体12与底层14之间进一步形成晶种层20的垂直磁记录介质10b，其目的是适当地控制底层14的优良结晶取向和/或优良的晶粒直径。
(基体12) 基体12为在各垂直磁记录介质10a和10b的最下部配置的构成元件，其用于支承在其上依次形成的稍后将描述的其它构成元件14至20。基体12不仅可以由用于普通磁记录介质的镀有NiP的Al合金、强化玻璃和结晶化玻璃(crystallized glass)形成，还可以由硅基体形成。
(底层14) 底层14为用于改进磁性层16的取向、控制层16的晶粒直径和进一步限制形成层16时产生初始生长层而设置的构成元件。优选使用具有hcp结构的材料如Ru、Re、Ti、Zr、Nd、 Tm和Hf ，从而使底层14能够充分地发挥该作用。
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(磁性层16) 磁性层16为用于记录信息而设置的构成元件。磁性层16为单层元件或具有两层 以上层的层压层结构。在层压层结构的情况下，能够将磁性薄膜应用于其至少一层，构成和 制造方法已在磁性薄膜部分详细地描述，因此省略。
(保护层18) 保护层18为用于保护在各图1A和图IB中磁记录介质10的横截面图中在层18 下面设置的各层12至16和20的构成元件，在磁性层16为粒状层的情况下，用于防止Co 从磁性层16溶出(elution)。保护层18可以由通常用于垂直磁记录介质的材料形成。例 如，保护层18可以为主要由碳如类金刚石(DLC)或无定形碳(优选类金刚石(DLC))制成 的保护层，或者由已知用作磁记录介质保护层的各种薄层材料形成的保护层。可以使保护 层18的厚度等于通常用作垂直磁记录介质的构成元件的厚度。 [OOSS](晶种层加) 在图IB中的垂直磁记录介质10b中，在基体12与底层14之间进一步形成晶种层 20。晶种层20为用于适当控制作为晶种层20的上层形成的底层14的取向，以最终获得良 好的磁性层16的垂直取向的构成元件。
(其它层) 此外，在图IA和图IB中所示的垂直磁记录介质lOa和10b中，可包括除了这些图 中公开的各层12至20之外的层。 例如，在基体12上能够形成软磁性底层(皿derlayer)(未示出)。软磁性底层 为充分确保沿垂直方向的磁场以防止记录信息时从头部产生的磁通扩散的构成元件。软 磁性底层材料的实例可以包括Ni合金、Fe合金和Co合金。特别地，通过使用无定形 材料Co-Zr-Nb、 Co-Ta-Zr、 Co-Ta-Zr-Nb、 Co-Fe-Nb、 Co-Fe-Zr-Nb、 Co-Ni-Fe-Zr-Nb和 Co-Fe-Ta-Zr-Nb等作为软磁性底层材料，能够获得良好的记录性能。 底层14、磁性层16、保护层18、晶种层20及其它层如上述软磁性底层可使用相应 技术中已知的任意方法和条件如溅射法(包括DC磁控溅射法和RF磁控溅射法等)和真空 气相沉积法形成。 另外，可以在保护层18上形成润滑层(未示出)。润滑层为任意层，但其是为了减 小在保护层18与图IA和图IB中未示出的磁头(head)之间产生的摩擦力以获得磁记录介 质10的优良耐久性和可靠性的液体构成元件。润滑层材料的实例可以包括通常用于磁记 录介质的材料。例如，可将全氟聚醚润滑剂用作润滑层材料。可以使润滑层的膜厚度等于 通常用于垂直磁记录介质的构成元件的膜厚度。润滑层可使用在相应技术中已知的任意涂 布方法如浸涂法和旋涂法形成。[隧道磁阻元件(TMR)和磁阻式随机存取存储器(MRAM)] 图2A为示出使用以上磁性薄膜形成的根据本发明的隧道磁阻元件的横截面。图 2B为示出使用图2A中所示的隧道磁阻元件形成的磁阻式随机存取存储器的横截面。
如图2A所示，根据本发明的隧道磁阻元件30为依次形成固定磁性层(pi皿ed magnetic layer) 32、势垒层(barrier layer) 36和自由磁性层34的层压元件。
自由磁性层34为能够通过在隧道磁阻元件30中流动的电流或从外部给予的磁场 改变磁化取向的构成元件。
势垒层36为用于在自由磁性层34与固定磁性膜32之间设置使隧道电流流动的 势垒的构成元件。使用氧化物薄膜如氧化镁(Mg0)和氧化铝(A1203)能够形成势垒层36。 势垒层可使用相应技术中已知的任意方法和条件如溅射法(包括DC磁控溅射法和RF磁控 溅射法等)和真空气相沉积法形成。 固定磁性层32为作为即使将电流或外部磁场施加于隧道磁阻元件30也不改变磁 化取向的磁性层而设置的构成元件。固定磁性层32和自由磁性层34之间磁化取向的差异 能够改变在势垒层36中流动的隧道电流的量。 磁性薄膜能够用于固定磁性层32和自由磁性层34的至少一层中。在磁性薄膜部 分中已详细描述该构成和方法，因此在此省略。 通过改变具有供给至相同元件30的电流或外部磁场的自由磁性层34的磁化取 向，具有该结构的隧道磁阻元件30工作。特别地，通过将固定磁性层32和自由磁性层34 之间磁化取向的平行状态(图中左侧)可逆性地改变为固定磁性层32和自由磁性层34之 间磁化取向的反平行状态(图中右侧)，隧道磁阻元件30如图2A所示工作。
沿两层32和34的面内方向，固定磁性层32和自由磁性层34的磁化取向可为如 图2A所示的平行状态或反平行状态，或者沿垂直于两层32和34的方向，固定磁性层32和 自由磁性层34的各磁化取向可为彼此平行的状态或反平行的状态。另外，图中所示的"O" 和"1"分别指在将隧道磁阻元件30用作存储器的情况下的信号0和1 。
接下来，如图2B所示，可以将磁阻元件30引入磁阻式随机存取存储器40中以使 用。如该图所示，磁阻式随机存取存储器40配置有具有电源42a、栅极(gate)42b和漏极 (drain) 42c的MOS-FET 42，通过接触端(contact) 44连接至MOS-FET 42的磁阻元件30，和 在其上方形成的位线(bit lines)46。 图2B中所示的磁阻式随机存取存储器40可使用任何已知技术形成。 基于图2B中所示的构成，具有该构成的磁阻式随机存取存储器40能够用作通过
磁阻元件30的以上功能用于存储数字信息的存储器。[其它装置] 使用根据本发明的磁性薄膜的其它应用装置的实例包括微机电系统(MEMS)装置 (未示出)。微机电系统装置可通过将以上磁性薄膜引入给定元件中通过任何已知技术形 成。[实施例] 在下文中，将通过实施例来例证本发明的效果。应注意，以下实施例仅为用于解释 本发明的代表性实例，绝不限制本发明。
〈磁记录介质的形成〉
(实施例1) 磁记录介质使用超高真空(UHV)用DC磁控溅射装置(ANELVAE 8001)生产。
制备具有直径2. 5英寸的玻璃圆盘作为基体，在该基体上形成5nm的Ta层，在其 上形成20nm的Ru底层。 接下来，将极限真空设定为7 X 10—7Pa以下，使用具有杂质浓度2至3ppb的超纯氩 气，并将玻璃基体的温度设定为360°C，以通过共溅射法在Ru底层上形成lOnm的Co-Pt-C 合金(C含量0体积％ )。应注意，在该溅射法中，将各Co、 Pt和C的成膜速度设定为1. 4
9至4. 7nm/min。该各成膜速度依赖于预期的成膜合金的组成等。 另外，在Co-Pt-C合金上形成2nm的Pt保护层(c即layer)，以获得实施例1的垂
直磁记录介质。(实施例2) 除了将C含量设定为10体积％之外，以与实施例1中相同的方式获得实施例2中
的垂直磁记录介质。(实施例3) 除了将C含量设定为20体积％之外，以与实施例1中相同的方式获得实施例3中
的垂直磁记录介质。(实施例4) 除了将C含量设定为30体积％之外，以与实施例1中相同的方式获得实施例4中 的垂直磁记录介质。
评价项目
关于实施例1至实施例4的各垂直磁记录介质，通过观察X射线衍射图案中的超
晶格衍射进行型有序结构的确认。另外，关于实施例1至实施例4的各垂直磁记录介
质，通过VSM(振动样品磁强计)得到饱和磁化强度(Ms)。另外，关于实施例1至实施例4
的各垂直磁记录介质，通过Sucksmith-Thompson方法(GST法)得到单轴磁各向异性(Ku)。
这些结果如下。 (X射线衍射图案) 图3A至图3D为分别示出实施例1至实施例4中各垂直磁记录介质中的X射线衍 射图案的图。从任一该图案发现，仅观察到来自最密堆积平面的衍射，记录介质由多晶薄膜 形成，在所述多晶薄膜中最密堆积平面平行于膜平面设置。从任一该图案发现，观察到由于 两原子层的原子周期性导致的L1「(111)平面的衍射，实现Lh型有序结构。特别地，各自 在C为10体积％的实施例2和C为20体积％的实施例3中，Llr (111)平面的超晶格衍射 的峰值与C为0体积％的实施例1相比更大。
(饱和磁化强度和单轴磁各向异性) 图4为示出由实施例1至实施例4中各垂直磁记录介质的Co-Pt-C合金形成的磁 性层的单轴磁各向异性(Ku和Kug)的图。在该图中，Ku示出在实施例1至实施例4中磁 性层的实际单轴磁各向异性，Kug示出由通过减去在各实施例1至实施例4中包含的C体 积率获得的薄膜体积换算的单轴磁各向异性。 另外，如图4所示，Ku示出C的添加量为5体积X时的最大值，其后，逐渐减小。在 C的添加量为5体积％时，Kug达到最大值2. 6X 107erg/cm3。在实施例1中不添加C的情 况下，该值增大至约两倍Ku，并且变得接近于在MgO单晶的(111)平面基体上形成的单晶 Ll丄型Co-Pt薄膜的Ku (3. 7 X 107erg/cm3)。因此，发现，具有C添加量为5体积%的L 1!型 Co-Pt-C多晶薄膜显示比Co-Pt多晶薄膜的原子有序度更高的原子有序度(Lh型原子排列 规则性)。另夕卜，即使在C的添加量为30体积％的情况下，Kug也维持1. 7X lOWcm3的 值。因此，发现，即使在C为30体积％的情况下，Co-Pt-C多晶薄膜的晶粒也由Lh型晶体 结构形成。根据本发明的磁性薄膜能够获得型Co-Pt-C有序结构，实现优良的磁各向异
10性(Ku)。因此，根据本发明的磁性薄膜在应用于需要大容量化和/ 方面是有利的。 一
虽然已参考示例性实施方案描述本发明，但应理解，本发明并不限于公开的示例 性实施方案。以下权利要求的范围符合最宽泛的解释，以致包含所有的该类改进和等同结 构及功能。
权利要求
一种磁性薄膜，其含有原子有序排列的L11型Co-Pt-C有序合金。
2. 根据权利要求1所述的磁性薄膜，其中所述磁性薄膜含有50体积％以下的C。
3. 根据权利要求1所述的磁性薄膜，其中在所述Co-Pt-C合金中，含有除了 Co和Pt之外的至少一种金属元素。
4. 根据权利要求1所述的磁性薄膜，其中所述磁性薄膜由具有非磁性晶粒间界的粒状结构形成。
5. 根据权利要求1所述的磁性薄膜，其中易磁化轴垂直于膜平面取向。
6. —种在基体上制造根据权利要求1所述的磁性薄膜的方法，其中将所述基体设定为温度150至50(TC，所述磁性薄膜通过高真空磁控溅射法形成，在所述高真空磁控溅射法中，在成膜之前的真空度为等于或小于1 X 10—4Pa。
7. 根据权利要求6所述的制造磁性薄膜的方法，其中所述真空度为等于或小于7X10—7Pa。
8. —种垂直磁记录介质，其设置有根据权利要求1所述的磁性薄膜。
9. 一种隧道磁阻元件，其设置有根据权利要求1所述的磁性薄膜。
10. —种磁阻式随机存取存储器，其设置有根据权利要求1所述的磁性薄膜。
11. 一种微机电系统装置，其设置有根据权利要求1所述的磁性薄膜。
全文摘要
本发明涉及磁性薄膜及其制造方法和使用其的各种应用装置。本发明涉及含有其中原子有序排列的L11型Co-Pt-C合金的磁性薄膜，能够实现关于L11型Co-Pt-C合金的优良有序度，以获得磁性薄膜的优良磁各向异性。因此，在使用该磁性薄膜的各种应用装置中，可以高水平地获得其大容量化和/或高密度化。
文档编号G11B5/62GK101752053SQ20091025205
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月4日 优先权日2008年12月5日
发明者佐藤英夫, 冈本聪, 北上修, 岛津武仁, 片冈弘康, 青井基 申请人:国立大学法人东北大学;富士电机电子技术株式会社