具有反轉結構的基于鈷和鉑的多層薄膜及其制造方法

具有反轉結構的基于鈷和鉑的多層薄膜及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有新穎結構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結構。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構。多層薄膜可以通過根據層的厚度比控制垂直磁各向異性能量，來容易地應用以作為磁隧道結中的自由層和固定層。此外，多層薄膜具有優良的熱穩定性，因而即使在經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磁各向異性能夠通過熱處理形成，以便降低磁化翻轉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】具有反轉結構的基于鈷和鉑的多層薄膜及其制造方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及具有新穎結構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】
[0002]在努力克服廣泛地用于諸如個人計算機(PC)和移動電話之類的電子設備中的半導體存儲器件一一動態隨機存取存儲器(在下文中，被稱作為DRAM)的易失性時，已經積極地對具有非易失性存儲器特性的磁性隨機存取存儲器(在下文中，被稱作為MRAM)進行了研宄。如本文中所使用的，術語“非易失性存儲器”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電源阻斷時也不需要單獨的電源來保持寫入的信息的性能。特別地，近年來，DRAM的集成度達到了極限，因而MRAM已經被視為DRAM的替代。因此，在相關工業領域中，已經積極地進行MRAM的研宄和開發。
[0003]自2000年初已經對MRAM進行了研宄，并且早期研宄主要集中在通過利用施加電流產生的磁場使磁化反轉來改變隧穿磁阻(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，這使得難以實現大規模、密集集成的存儲器。由于此缺點的原因，引入了基于自旋轉移力矩磁化翻轉的MRAM技術。它是電流感應的磁化翻轉的類型，并且基于利用通過施加電流至磁性薄膜產生的自旋轉移力矩(在下文中，被稱作為STT)來翻轉磁化的方法。基于此方法的MRAM被稱作為STT-MRAM。自旋轉移力矩磁化翻轉與現有的磁場感應的磁化翻轉相比，提供了包括高集成度、寬寫入窗口以及低功耗在內的各種優點。
[0004]對STT-MRAM的在先研宄主要集中在具有平面內磁各向異性的磁隧道結(在下文中，被稱作為MTJ)。近來，還開發了具有相對低的臨界電流密度，同時在納米尺寸的磁單元中保持它們的熱穩定性的平面內磁隧道結(iMTJ)。這樣的結果大多在基于MgO的結構(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實現高集成MRAM器件以供商業用途。
[0005]鑒于iMTJ的此缺點，具有垂直磁各向異性(在下文中，被稱作為PMA)的MJG具有很大的優點在于，磁化翻轉所需的臨界電流密度低。這是因為在磁化翻轉期間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。針對此垂直MTJ(pMTJ)，最重要的是開發具有優良PMA性能(PMA能量密度=大約107erg/CC)的材料和結構。然而，從靜磁能角度，PMA應當克服很高的去磁場，因而基本上難以開發具有優良PMA性能的材料和結構。
[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。結構的金屬間化合物[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，并且即使在相對低的溫度(大約300°C)也發生結晶化以快速地降低PMA性能。另一方面，諸如FePtXoPt之類的具有Lltl結構的金屬間化合物被稱為至目前為止具有最好特性的材料，這是因為PMA能量密度足夠高，并且溫度特性也良好。然而，具有LI##構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前存儲器件工藝中使用的溫度條件，這是因為需要比600°C更高的溫度來形成具有被認為PMA最重要的因素的高長范圍量級的金屬間化合物。另外，存在的問題在于，不容易設計用于形成對垂直磁各向異性(PMA)必要的(001)紋理所需的晶種層和緩沖層。最后，諸如CoPd和CoPt之類的多層薄膜結構具有足夠的PMA能量密度，但是具有的問題在于在從大約350 °C至450 °C變動的溫度(即為在當前存儲器制造工藝中使用的熱處理溫度)下，這些多層薄膜結構容易被破壞，因而PMA性能被降低或喪失。
[0008]因此，由于在現有技術中出現的上述問題，所以迫切需要適用于在當前存儲器制造工藝中使用的熱處理溫度并且同時具有足夠的垂直磁各向異性密度的新的材料和結構。


【發明內容】

[0009]技術問題
[0010]因此，本發明的第一目標是提供一種基于鈷和鉑的多層薄膜，其即使在當前存儲器制造工藝中使用的熱處理溫度范圍內也能夠牢固地保持其結構和性能，并且同時具有優良的垂直磁各向異性(PMA)以便實現垂直磁隧道結(pMTJ)。
[0011]本發明的第二目標是提供一種制造上面的基于鈷和鉑的多層薄膜的方法。
[0012]技術方案
[0013]為了實現第一目標，本發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結構。
[0014]在本發明的一個實施例中，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]在本發明的另一實施例中，在基于鈷和鉑的多層薄膜中每個薄鉑層的厚度可以從0.15nm 至 0.25nm 變動。
[0016]在本發明的又一實施例中，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]在本發明的再一實施例中，襯底可以選自硅襯底、玻璃襯底、藍寶石襯底和氧化鎂襯底中的任何一種。
[0018]在本發明的再一實施例中，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，并且保護層可以沉積在交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層上。
[0019]在本發明的再一實施例中，緩沖層、晶種層或保護層可以由Au、Cu、Pd、Pt、Ta、Ru、或它們中的兩個或更多個的合金制成。
[0020]為了實現第二目標，本發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結構的基于鉑和鈷的多層薄膜；以及(b)對沉積的多層薄膜進行熱處理。
[0021]在本發明的一個實施例中，熱處理可以在150°C和500°C之間的溫度下執行。
[0022]在本發明的一個實施例中，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]在本發明的又一實施例中，所述方法還可以包括:在步驟(a)之后且在步驟(b)之前，沉積保護層的步驟。
[0024]有益效果
[0025]具有根據本發明的反轉結構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構。在高密度MRAM的開發中，本發明的多層薄膜可以通過根據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用以作為自由層和固定層。此夕卜，本發明的多層薄膜具有優良的熱穩定性，因而即使在經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磁各向異性能夠通過熱處理形成，以便降低磁化翻轉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是示出根據本發明的一個實施例的多層薄膜的結構的截面圖。
[0027]圖2a是為具有根據本發明的一個實施例的反轉結構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組分的分布的曲線圖。
[0028]圖3a至圖3c描繪了對于為根據現有技術的多層薄膜的[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描繪了對于作為具有根據本發明的反轉結構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是示出對于作為根據現有技術的多層薄膜的[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是示出對于作為具有根據本發明的實施例的反轉結構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。)的函數的飽和磁化(Ms)(圖6a)和PMA能量密度(Ku)(圖6b)的曲線圖。

【具體實施方式】
[0032]在下文中，將更詳細地描述本發明。
[0033]本發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結構。
[0034]如上所述，根據現有技術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構。已知根據現有技術的此多層薄膜中的PMA存在于薄鈷層和薄鉑層之間的界面處。具有此結構的多層薄膜具有致命的缺點在于，多層薄膜在熱處理之前的PMA性能喪失，而對于PMA的呈現所必要的薄鈷層和薄鉑層之間的界面在當前存儲器制造工藝中使用的熱處理溫度范圍中被破壞。此缺點使得難以將現有的基于鈷和鉑的多層薄膜應用于MRAM領域。因此，本發明的發明人進行了研宄，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，結果發現當薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大時，取得了意外的效果。基于此發現，本發明人完成了本發明。
[0035]因此，本發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構的基于鈷和鉑的多層薄膜。本發明中的此結構被稱作為“反轉結構”，這是因為在此結構中這兩個層的厚度比與在現有技術結構(非磁性薄層的厚度比磁性薄層的厚度大)中的相比相反。如從隨后所述的實例的結果可以看出，具有根據本發明的反轉結構的多層薄膜具有的優點在于，即使當它在當前存儲器制造工藝中使用的熱處理溫度范圍下經受熱處理工藝時，其PMA性能也能保持完整，或者進一步地提高。因而，與根據現有技術的多層薄膜相比它具有更好的性能。
[0036]在根據本發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，則所得的結構不是反轉結構，而僅是與根據現有技術的多層結構相同的結構，因而不能實現本發明的特性效果。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]在根據本發明的多層薄膜中，每個薄鉬層的厚度可以從0.15nm至0.25nm變動，并且在這種情況下，每個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。如果每個薄鉑層的厚度小于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，在具有根據本發明的反轉結構的多層薄膜中，薄鈷層和薄鉑層中的每個可以沉積一次，但是優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可以沉積I至10次。然而，如果每個層沉積大于10次，則將存在的問題在于，當所得的多層薄膜被應用于實際的存儲器件時，其電阻增加，或者用于磁化翻轉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用途。
[0039]因而，當層被沉積I至10次以具有上述厚度范圍的厚度時，由薄鈷層和薄鉑層構成的多層薄膜的總厚度將從0.3nm(當均具有0.15nm厚度的薄鈷層和薄鉑層均被沉積I次時)至1nm(當具有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)變動。
[0040]此外，根據本發明的多層薄膜被沉積在襯底上。襯底可以由選自硅、玻璃、藍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，在根據本發明的多層薄膜中，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層。緩沖層、晶種層或保護層可以由在本發明所屬的領域中通常使用的任何材料制成。例如，緩沖層、晶種層或保護層可以由Au、Cu、Pd、Pt、Ta、Ru、或者它們中的兩個或更多個的合金制成，并且不僅可以沉積為單個層，還可以沉積為多個層。
[0041]圖1是示出根據本發明一個實施例的多層薄膜的結構的截面圖。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，構成基于鈷和鉑的多層薄膜140的薄鈷層和薄鉑層中的每個分別沉積N次至t。。和t ^的厚度。然后，最后沉積用作保護層的Ru層150。
[0042]本發明還提供了一種制造具有反轉結構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結構的基于鈷和鉑的多層薄膜，在該反轉結構中薄鈷層的厚度比薄鉑層的厚度大；以及(b)對多層薄膜進行熱處理。
[0043]在根據本發明的方法中，關于薄鈷層的厚度與薄鉑層的厚度之比、每個薄鉑層的厚度、每個層的沉積數、緩沖層、晶種層、保護層和襯底的材料的細節如上所述。然而，在根據本發明的本發明中，可以制造對抗熱處理工藝的具有高熱穩定性的多層薄膜，其與現有技術明顯不同，這是因為該多層薄膜具有反轉結構。具體地，在根據本發明的方法中，在每個層沉積之后執行的熱處理工藝的溫度可以從150°C至500°C變動。這意味著鑒于根據現有技術的多層薄膜制造工藝由于與薄膜結構的熱穩定性相關聯的問題而需要主要在低溫范圍執行的事實，本發明中的熱處理工藝可以在與現有技術相比顯著更寬的溫度范圍內執行。因而，根據本發明的方法使得當前存儲器制造工藝能夠以方便且成本有效的方式執行，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]本發明的模式
[0045]在下文中，將參照優選實例更詳細描述本發明。然而，提供了這些實例以供更好地理解本發明，并且本發明的范圍不限制于這些實例。
[0046]多層薄膜的制造
[0047]使用高質量(最優級)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，形成具有根據本發明的反轉結構的多層薄膜、和根據現有技術的多層薄膜中的每個，同時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上，形成用作保護層的Ru層(3nm厚度)ο
[0048]圖1示出了根據上述方法制造的本發明的多層薄膜的截面圖。圖1中所示的每個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的壓力執行沉積。在沉積過程中，所有的層都通過在真空下沉積單個元素目標(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確地控制沉積時間來控制。為了準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，對于制造出的多層薄膜的準確元素分布分析，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示出了對于通過根據本發明的一個實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，每個層可以被準確地沉積至期望的厚度，并且組分比還可以與期望比準確地一致。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行熱處理I小時。
[0050]具體地，圖2a是作為具有根據本發明一個實施例的反轉結構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。這支持了根據本發明的多層薄膜的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是示出針對現有技術的多層薄膜和本發明的多層薄膜，測量磁矩(m)-遲滯(H)曲線的結果的曲線圖，以便證實根據本發明制造的多層薄膜的改善性能。m-H遲滯曲線利用振動樣品磁強計在正常溫度進行測量。另外，盡管在附圖中未示出，但是薄膜的微觀結構利用X射線衍射計和TEM顯微鏡來分析。
[0052]具體地，圖3a至圖3c描繪了對于作為根據現有技術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構的[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方向上施加外部磁場至薄膜表面時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。這樣的結果暗示出根據現有技術的多層薄膜的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，根據現有技術的多層薄膜的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喪失。這樣的觀察結構清楚地暗示出把現有技術的鈷-鉑多層薄膜應用至MRAM存在限制。
[0055]圖4a至圖4c描繪了對于作為具有根據本發明實施例的反轉結構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中所示的現有技術的多層薄膜的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，本發明的多層薄膜與現有技術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，這暗示出本發明的多層薄膜可以克服與在熱處理之后PMA性能降低相關聯的問題(其為現有技術的問題)。此外，如圖4c中可以看出，本發明的多層薄膜的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是與在當前存儲器制造工藝中使用的熱處理工藝溫度相對應的溫度。此外，從平面內m-H遲滯曲線的性質可以看出，當沉積的多層薄膜在450°C進行熱處理時，具有平面內磁各向異性的第二相位被精細地形成。特別地，從此平面內磁各向異性在本發明的多層薄膜的熱處理之后形成的事實中，可以看出降低垂直磁化翻轉所需的臨界電流值的效果也可以獲得。
[0057]圖5和圖6是示出對于作為現有技術的多層薄膜和本發明的多層薄膜的[Co(t。。nm) /Pt (tPt nm)]6結構，在改變薄鈷層厚度(t。。nm)和薄鉬層厚度(tPt nm)至各個值時，測量飽和磁化(Ms)和PMA能量密度(Ku)的結果的曲線圖，以便檢查根據本發明制造的多層薄月吳的關鍵意義。
[0058]圖5a和圖5b是示出對于作為根據現有技術的多層薄膜的[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有技術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是示出對于作為根據本發明一個實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，具有根據本發明的反轉結構(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構)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，并且與現有技術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，在具有反轉結構的[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前存儲器制造工藝中使用的熱處理溫度(300°C至450°C)的溫度。另外，這樣的結果清楚地暗示出，當在具有根據本發明的反轉結構的多層薄膜中層的厚度比得到了精細地控制時，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的PMA性能的結構。
[0061]工業實用性
[0062]如上所述，具有根據本發明的反轉結構的基于鈷和鉑的多層薄膜使得磁性結構能夠保證優良的熱穩定性，并且可以有利地用在制造和應用替代達到它們極限的DRAM的MRAM 中。
【權利要求】
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結構。
2.如權利要求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，每個薄鉬層的厚度從0.15nm至0.25nm變動。
4.如權利要求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、藍寶石襯底和氧化鎂襯底中的一個。
6.如權利要求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，以及保護層沉積在交替地沉積的薄鈷層和薄鉑層上。
7.如權利要求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層由Au、Cu、Pd、Pt、Ta、Ru、或者它們中的兩個或更多個的合金制成。
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結構的基于鈷和鉑的多層薄膜；以及 (b)對所述多層薄膜進行熱處理。
9.如權利要求8所述的方法，其中，在150°C和500°C之間的溫度下執行所述熱處理。
10.如權利要求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，沉積保護層的步驟。
【文檔編號】G01R33/05GK104471419SQ201280073290
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2012年6月26日 優先權日:2012年5月22日
【發明者】林相鎬, 李泰榮, 李性來, 孫東秀 申請人:愛思開海力士有限公司