具有控制晶粒生长和结晶取向的种子层的结构的制作方法

文档序号:8923607阅读:775来源:国知局
具有控制晶粒生长和结晶取向的种子层的结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数据存储系统,更具体地,本发明涉及一种具有用于控制覆盖层的晶粒生长和结晶取向的种子层的结构,其中该结构对磁记录介质尤其有用。
【背景技术】
[0002]薄膜的外延生长对许多现代技术而言非常重要。通过外延生长形成并具有择优结晶取向的薄膜对微电子器件、半导体电子、光电子、太阳能电池、传感器、存储器、电容器、探测器、记录介质等特别有用。因此,存在对于具有择优结晶取向的改善的外延膜以及制备其的方法的持续需求。

【发明内容】

[0003]根据一个实施例,一种结构包括:衬底;位于衬底上方的外延种子层,外延种子层包括多个成核区(nucleat1n reg1n)和多个非成核区;以及位于外延种子层上方的晶体层,其中外延种子层具有基本上沿着垂直于衬底上表面的轴线的结晶取向。
[0004]根据另一实施例,一种方法包括:提供衬底;在衬底上方形成外延种子层;在外延种子层中限定多个成核区和多个非成核区;以及在外延种子层上方形成晶体层,其中外延种子层具有基本上沿着垂直于衬底上表面的轴线的结晶取向。
[0005]这些实施例中的任一个都可以在磁性数据存储系统诸如磁盘驱动系统中实施,其可包括磁头、用于使磁介质(例如,硬盘)通过磁头的驱动机构、以及电耦合至磁头的控制器。
[0006]本发明的其它方面和优点将从下面的详细描述变得明显,当其与附图结合时,以下的详细描述通过示例的方式示出了本发明的原理。
【附图说明】
[0007]为了全面理解本发明的本质和优点以及使用的优选模式,应结合附图参考以下详细描述。
[0008]图1A-1C是根据各种实施例的用于形成具有结构化外延种子层的结构的方法的流程图。
[0009]图2是根据一个实施例的用于形成结构化外延种子层的方法的流程图。
[0010]图3是根据一个实施例的具有用于控制覆盖层的晶粒生长和结晶取向的种子层的结构的示意图。
[0011]图4是根据一个实施例的磁记录盘驱动系统的简化图。
[0012]图5是沉积在Pt (111)种子柱(seed pillar)的六方阵列上的Pt/NiW/Ru/(具有氧化物的磁性层)膜叠层上的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0013]图6是显示Pt/NiW/Ru/(具有氧化物的磁性层)膜叠层的柱状生长与Pt (111)种子柱之间的配准(registry)的透射电子显微镜(TEM)图像。
[0014]图7是沉积在Pt(Ill)种子柱的六方阵列上的Pt/NiW/Ru/(具有氧化物的磁性层)膜叠层的X射线衍射图案。
[0015]图8是在Pt(Ill)种子柱上生长的Pt/NiW/Ru/(具有氧化物的磁性层)膜叠层的TEM图像,示出了从Pt到CoCrPt磁性层的晶面的连续性。
[0016]图9是在Pt(Ill)种子柱上生长的Pt/NiW/Ru/(具有氧化物的磁性层)膜叠层的高分辨TEM图像,示出了从Pt到NiW到Ru层的晶面的外延对准(epitaxial alignment)。
[0017]图10A-10B分别是在愈合层(healing layer)沉积之前和之后布置在六方结构中的成核区的SEM图像。
[0018]图1IA-1IB分别是在愈合层沉积之前和之后布置在矩形结构中的成核区的SEM图像。
【具体实施方式】
[0019]下面的描述被进行以示出本发明的一般原理,并不意味着限制此处所要求保护的发明构思。此外,在每个不同的可能组合和排列中,此处描述的具体特征可以与另外描述的特征组合使用。
[0020]除非此处另有特别定义,所有术语都被赋予最宽的可能解释,包括从说明书暗示的涵义、以及由本领域技术人员理解的涵义和/或在字典、论文等中定义的涵义。
[0021]还必须注意,如在说明书和权利要求书中使用的,单数形式包括复数对象,除非另有明确说明。
[0022]同样如此处所用的,术语“约”表示确保所讨论特征的技术效果的准确区间。在各种方法中,当术语“约”与一个值组合时,指的是参考值的正负10%。例如,约1nm的厚度指的是10nm±lnm的厚度。
[0023]下面的描述中公开了基于磁盘的存储系统和/或相关的系统和方法以及其操作和/或部件的几个优选实施例。本发明尤其涉及一种具有用于控制覆盖层的晶粒生长和结晶取向的种子层的结构,其中该结构可以对磁记录介质和其它设备(例如,微电子、半导体电子、光电子、存储器、太阳能电池、电容器、探测器、传感器等)是有益的。
[0024]在一个一般性的实施例中,一种结构包括:衬底;位于衬底上方的外延种子层,夕卜延种子层包括多个成核区和多个非成核区;以及位于外延种子层上方的晶体层,其中外延种子层具有基本上沿着垂直于衬底上表面的轴线的结晶取向。
[0025]在另一个一般性的实施例中,一种方法包括:提供衬底;在衬底上方形成外延种子层;在外延种子层中限定多个成核区和多个非成核区;以及在外延种子层上方形成晶体层,其中外延种子层具有基本上沿着垂直于衬底上表面的轴线的结晶取向。
[0026]为了控制薄膜的生长,常常使用种子层,其包括成核点(nucleat1n site)以引导薄膜的生长。在种子层中成核点的位置通常由衬底上种子层生长的统计性质决定。因此,膜在这些成核点的生长可能导致不期望的特性,这是成核点的随机或接近随机定位的结果。例如,晶粒在这样的成核点的生长可能会导致:(I)晶粒的中心至中心的间隔(即间距)的宽分布;⑵晶粒尺寸的宽分布;及(3)晶界的增加的粗糙度。
[0027]控制晶粒尺寸和/或位置的分布并由此防止和/或减轻这些不期望的结果的一种方法可包括在种子层中故意/目的性地定位成核点。特别是,这可导致柱状结构的有意定位。这种方法,也被称为模板生长,可允许晶粒间距和/或晶粒尺寸的更好的均匀性、对晶粒至晶粒交换耦合的更好控制等等。
[0028]然而,仅仅将成核点放置在种子层的特定位置可能不会导致在其上形成的晶体层的精确结晶取向。样品(例如,磁记录层)中结晶取向的程度可以通过X射线衍射摇摆曲线测定,其提供结晶膜将反射给定波长的角度范围。X射线衍射(XRD)通常包括利用单色X射线辐射照射结晶样品,并检测衍射的X射线。为了产生XRD摇摆曲线,X射线源和探测器通常以特定的布拉格角度(即,结构干涉发生的角度)设置,并且样品相对于其倾斜。从而摇摆曲线用来测定衍射的X射线强度与入射角(该X射线源和样品之间的角度)的关系曲线。摇摆曲线宽度对应于所述曲线的半峰宽(FWHM),其中所述峰值表示在所选择的布拉格角的最大X射线强度。窄摇摆曲线宽度对应于具有平行或基本平行的晶面(例如,具有窄分布的结晶取向的膜)的结晶样品。然而,缺陷如位错、弯曲(curvature)、堆垛层错或其它类似的晶面平行的中断,将导致摇摆曲线宽度变宽。
[0029]窄摇摆曲线宽度可以是被期望的,并有利于各种应用。例如,需要磁记录层的精确结晶取向以获得窄的开关场分布、较高的矫顽力、介质噪声降低以及高密度记录所需的其它磁特性。实现窄摆动角的一种方式是通过外延生长。外延生长指的是膜在晶体层(也被称为种子层,或外延种子层)上的生长,其中原子的原子排列连续使得结晶度和晶向得以保持。
[0030]因此,这里所公开的实施例描述了具有用于控制沉积于其上的材料的晶粒生长/位置和结晶取向的外延种子层的结构。在优选的方法中,所沉积的材料的生长可以经由阴影增长(shadow growth)、在外延种子层中的成核区和非成核区之间的局部自由能的差别(化学对比)、或其它这样的手段而通过外延种子层中的成核区成核,使得沉积材料的单个晶粒或其岛与成核区的位置配准。成核区本身可以由尚晶序的材料制成(该尚晶序的材料具有沿着垂直于外延种子层的上/顶面的轴线取向的特定轴),形成与沉积在其上的材料具有大致外延关系的局部表面。因此,所沉积的材料可具有与外延种子层的成核区配准的晶粒或岛,以及具有高度的结晶取向(例如,通过小于6度的摆动角度测量的)。
[0031]现在参考图1A-1C,示出了根据一个实施例的用于形成具有外延种子层的结构的方法100。作为一选项,本发明的方法100可结合来自此处列出的任何其它实施例(诸如那些参照其它附图描述的)的特征被实施。当然,可以使用该方法100以及此处给出的其它方法来形成用于与磁记录相关或不相关的多种多样的设备和/或目的的结构。应当注意,根据各种实施例,方法100可以包括比图1A-1C中描述和/或示出的那些多或少的步骤。还应当注意,该方法100可以在任何期望的环境下进行。例如,与方法100相关联的一些或全部步骤可以在真空下(例如,在真空反应室)中进行。此外,虽然给出了示例性的加工技术(例如,沉积技术、蚀刻技术、抛光技术,等等),但其它已知的处理技术也可以被用于各种步骤。
[0032]如图1A所示,方法100包括提供衬底102,在衬底102上方形成第一和第二底层(分别为104和106),并在第一和第二底层(104,106)上方形成外延种子层108。见结构101。
[0033]衬底
[0034]在各种方法中,衬底102可以包括玻璃、陶瓷材料、玻璃/陶瓷混合物、AlMg、硅、碳化硅等。在具体的方法中,衬底102可以是适合于在磁记录介质中使用的任何衬底。
[0035]底层
[0036]在一些方法中,第一底层104和第二底层106可以每个包括一种或多种材料。在其它的方法,在第一底层104中存在的材料的至少一种、一些、或全部可以与在第二底层106中存在的材料相同或不同。在优选的方法中,第一和第二底层104、106中的至少一个可包括易氧化材料(例如,在含氧气氛中容易氧化的材料)。在另一些方法中,第一底层104和/或第二底层106可包括非晶材料。在另一些方法中,第一底层104和/或第二底层106的上表面可以是平滑的和/或平坦的,使得其上表面实质上沿着垂直于所述表面的面(法线)延伸。在另一些方法中,第一底层104和/或第二底层106可包括NiTa和NiW中的至少之
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[0037]第一底层104和/或第二底层106可通过溅射沉积、离子束沉积、化学气相沉积、蒸发工艺、或本领域技术人员通过阅读本公开可以理解的其它技术沉积在衬底上方。
[0038]外延种子层
[0039]在各种方法中,外延种子层108可以包括选自由以下材料组成的组的材料:Pt、Pd、Au、Ru、Ir、Rh、RuAl、RuRh, Niff, MgO, Cr、TiN及其组合。在具体的方法中,外延种子层108可包括防腐材料,例如不氧化的材料,和/或在化学上是惰性的(例如不具有化学活性)的材料。
[0040]在另外的方法中,外延种子层108可以具有包含期望的和特定的结晶取向的物理特征。在许多方法中,适当的底层、沉积参数(例如沉积技术、温度、沉积能量等)的存在可便于/促进外延种子层108的期望结晶取向。在优选的方法中,在外延种子层108中的晶体(或晶粒)可以具有基本上沿着垂直于衬底的上表面的轴线的结晶取向。垂直于衬底102的上表面的轴线在图1A的结构101中由虚线箭头表示,也可以被称为衬底法线。
[0041]在一个具体的实施方式中,外延种子层108可以包括以面心立方(111)为主的晶体织构。在另一实施方式中,外延种子层108可包括以(002)为主的晶体织构。在各种方法中,外延种子层108的晶体织构可以促进沉积在其上的任何附加层的外延生长和晶体织构。例如,外延种子层108的(111)晶体织构可以促进NiAl (110)、Ru(002)和/或CoCrPt (002)附加层的生长。此外
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