形成磁性材料的方法以及由此形成的制品的制作方法

形成磁性材料的方法以及由此形成的制品的制作方法
【专利摘要】本申请公开形成磁性材料的方法以及由此形成的制品。在衬底上形成磁性材料层的方法，该方法包括：将衬底配置在腔内；将衬底的温度控制在一衬底温度下，该衬底温度等于或低于大约250℃；以及将一种或多种前体引入腔内，该一种或多种前体包括：钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或其组合，其中前体在衬底温度下化学地分解，并且磁性材料层被形成在衬底上，该磁性材料包括一种或多种前体的至少一部分，并且该磁性材料具有至少约1特斯拉(T)的磁通密度。
【专利说明】形成磁性材料的方法以及由此形成的制品
【背景技术】
[0001]形成磁性材料的方法经常涉及高温。如果可包括已沉积的层或结构的衬底对高温敏感，则当前利用的形成磁性材料的方法可影响或甚至摧毁已沉积的层或结构的特性。因此，仍然需要不依赖高温工艺地沉积磁性材料的方法。

【发明内容】

[0002]本文公开的是在衬底上形成磁性材料层的方法，该方法包括:将衬底配置在腔内；将衬底的温度控制在一衬底温度下，该衬底温度等于或低于大约250°C ;以及将一种或多种前体引入腔内，该一种或多种前体包括:钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或其组合，其中前体在衬底温度下化学地分解，并且磁性材料层被形成在衬底上，该磁性材料包括一种或多种前体的至少一部分，并且该磁性材料具有至少约I特斯拉(T)的磁通密度。
[0003]一种制品包括衬底以及沉积在衬底上的磁性材料层，其中该磁性材料包括钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)或其组合，该磁性材料具有至少约I特斯拉的磁通密度，磁性材料的粒度尺寸从大约IOnm至大约50nm，并且该磁性材料包括重量小于约I %的氧并包括通过俄歇电子光谱法(Auger Electron Spectroscopy)无法检测到的程度的非磁性杂质。
[0004]本文公开的是在衬底上形成磁性材料层的方法，该方法包括:将衬底配置在腔内；将衬底的温度控制在一衬底温度下，该衬底温度等于或低于大约250°C ;以及将一种或多种前体引入腔内，该一种或多种前体包括钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)的羰基化合物或其组合，其中磁性材料层被形成在衬底上，该磁性材料包括一种或多种前体的至少一部分，并且该磁性材料具有至少约I特斯拉(T)的磁通密度。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]图1A和图1B示出本文公开的示例性制品。
[0006]这些附图不一定按比例示出。附图中所使用的相同数字表示相同组件。然而，应当理解，在给定附图中使用数字表示组件并不旨在限制在另一附图中用相同数字标记该组件。
【具体实施方式】
[0007]在以下描述中，参照构成本说明书一部分的一组附图，其中通过解说示出了若干具体实施例。应当理解，可构想并作出其他实施例而不背离本公开的范围或精神。因此，以下详细描述不具有限制性含义。
[0008]除非另有规定，否则在说明书和权利要求书中使用的表示特征大小、量和物理性质的所有数字应当理解为在任何情况下均由术语“大约”修饰。因此，除非相反地指出，否则在上述说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，这些近似值可利用本文中公开的教示根据本领域技术人员所寻求获得的期望性质而变化。
[0009]借由端点对数值范围的陈述包括归入该范围内的所有数字(例如，I至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
[0010]如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”涵盖具有复数引用物的实施例，除非该内容另外明确地指出。如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”一般以包括“和/或”的含义来使用，除非该内容另外明确地指出。
[0011]“包括”、“包含”或类似术语表示涵盖但不受限于，即表示包括但不是排他的。应该注意到，“顶部”和“底部”(或类似“上”和“下”的其它术语)被严格地用于相对的描述，并不暗示所描述的要素所处的物件的任何总体取向。
[0012]本文披露了形成磁性材料层的方法以及包括磁性材料层的制品。本文利用的方法可通过或不通过籽晶层来达成，可在层组成上给予高度控制，并可给予厚度的精确控制。使用所披露方法形成的磁性材料层可相对高度地共形在二维或三维表面或结构上，可具有理想的粒度尺寸，可具有低掺杂水平，并可具有理想的磁特性。
[0013]所披露的方法是化学汽相沉积(CVD)方法。CVD是一种工艺，其中层通过前体的分解而沉积。所披露的方法可使用任何CVD装置或系统来实现。可利用来执行所披露的方法或制造所披露的制品的示例性CVD装置包括例如诸如ASM EmerALDiDS ASM Pulsar (ASM国际N.V.，荷兰)、Veeco NEXUS CVD (Veeco仪器公司，普莱恩维，纽约)之类的工业规模CVD工具或来自牛津仪器(牛津仪器，牛津郡，英国)的CVD仪器。
[0014]所披露的方法的第一步骤包括将衬底配置在腔内。将衬底配置在腔内可通过简单地将衬底放置在腔内或通过将衬底放置或定位在被设计成保持该衬底的装置或设备中来实现的。在一些实施例中，腔或者包括腔或与腔相关联的组件可被设计成保持衬底，这可被称为衬底保持器。在一些实施例中，衬底保持器可提供水平面以支承衬底。
[0015]所披露的方法可利用任何类型的衬底。衬底可由任何一种或多种材料制成,并可具有任意二维或三维结构。在一些实施例中，衬底也可选择地包括(使用任何方法)已形成在其上的其它层或结构。在一些实施例中，衬底可包括已形成的二维或三维外形。在一些实施例中，衬底可包括形成在其上或其中的磁性读取器和/或写入器。
[0016]本文中利用的腔可以是较大装置或系统的一部分。腔可被设计或配置成控制腔内的压力，控制腔内的组成(例如气体)，控制腔内的组成的压力，控制腔内的温度，或其某些组合。腔也可被设计或配置成控制本文未讨论或提到的其它参数。
[0017]所披露的方法也包括控制衬底温度的步骤。衬底的温度在本文中被称为衬底温度。在一些实施例中，衬底的温度更具体地说就是衬底体积(the bulk of the substrate)的温度。在一些实施例中，衬底温度可受衬底保持器的控制或影响。在这些实施例中，衬底保持器可包括或被配置有加热器，该加热器耦合于衬底保持器。加热器可包括例如一个或多个电阻加热元件、辐射加热系统(例如卤素钨丝灯)或其组合。
[0018]所披露的方法总体将衬底温度控制在相对低的温度下。在一些实施例中，衬底温度可被控制在等于或低于250°C。在一些实施例中，衬底温度可被控制在等于或低于225°C。在一些实施例中，衬底温度可被控制在大约200°C。一般来说，衬底温度使已存在于衬底内或衬底上的层或结构不受有害影响。所披露的方法给出了在不有害地影响已形成在衬底之上或之内的层或结构的温度下形成磁性材料的方法。
[0019]所披露的方法还包括将一种或多种前体引入腔的步骤。本文中利用的前体指化合物，其一部分最终成为所沉积的磁性材料的一部分。本文利用的前体被选择以使它们在衬底温度下化学地分解。化学地分解意味着前体化合物中的至少一个键将会断裂并且前体将分割成元素、更简单的化合物或分子组成(它可以是或不是稳定的、带电荷的，或两者兼有)。化合物将化学分解的温度经常被称为分解温度。
[0020]前体一般包括在被形成的磁性材料中的至少一种元素。在一些实施例中，前体可包括金属，例如:钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或其组合。在一些实施例中，前体也可包括稀土金属，该稀土金属可被利用来掺杂Co、N1、Fe或其组合。在一些实施例中，前体可包括Co、N1、Fe或其组合。在一些实施例中，前体可包括例如Co和Fe。
[0021]前体也可包括一种或多种元素或元素基团，这些元素不包含在所形成的磁性材料中，它们在本文中被称为牺牲元素。这些牺牲元素可出现在前体中以与感兴趣元素(它最终将出现在磁性材料中)一起形成稳定的化合物。一旦前体化学地分解，出现在元素基团中的牺牲元素可被分裂成它们各自的元素。一旦化学分解，这些各个元素可被汽化并成为腔内气体的一部分，由此不形成磁性材料部分。
[0022]在一些实施例中，牺牲元素、它们出现在的基团或两者被选择，由此在分解温度下(其在一些实施例中等于或低于衬底温度)，牺牲元素将被转化成不被形成在磁性材料中的气体。示例性牺牲元素因此可包括可在衬底温度下形成稳定(热力学有利的)的化合物的元素。示例性牺牲元素可以是有机的或可形成有机基团。有机元素是碳，而有机基团是含碳的基团。示例性牺牲元素可包括例如碳(C)、氧(O)或其组合(例如CO (—氧化碳))。在一些实施例中，牺牲元素可出现在基团或半族(moiety)或有机基团中的一种或多种前体内。示例性半族可包括羰基(CO)，它也可被表述为与金属复合的一氧化碳。
[0023]具体地说，示例性前体包括例如羰基铁(Fe (CO) 5)、羰基钴(Co2 (CO) 8)以及羰基镍(Ni (CO) 4)。在一些实施例中，Fe (CO) 5和Co2 (CO) 8可被利用作为前体。前体可以是液体、固体或气体。在一些实施例中，前体可以是液体、固体或两者。在一些实施例中，在所披露的方法中利用的一种前体可以是液体而另一种前体可以是固体。应当理解，可至少部分地通过前体被维持在的压力和/或温度规定状态(固体、液体或气体)。在一些实施例中，Fe (CO)5和Co2 (CO) 8例如可从Strem化学公司(纽伯里波，马萨诸塞)、Alfa Aesar (沃德山，马萨诸塞)、Materion公司(前身Cerac公司，萨福克,英国)或Gelest公司(莫里斯维尔，宾夕法尼亚)获得。
[0024]前体也可至少部分地基于将它们转化成气体的能力来选择，以便形成磁性材料层。示例性前体可作为液体维持，并受一温度和/或压力作用，该温度和/或压力在该液体被引入到腔内之前将其转化成气体。示例性前体可作为液体维持，并通过鼓泡技术的使用被传递(例如通过将液态前体包含在气泡储藏罐中，使惰性载气经过其中，由此将前体带入腔内)。示例性前体可作为固体维持，并在将其引入到腔内之前(要么立即要么等待较长时间)通过将前体沐浴温度控制在例如前体化学物质的沸腾温度之下或之上而使其汽化。在前体以气态被引入到腔内的一些实施例中，前体的量更容易控制。在这些实施例中，前体在腔内的压力可受控制以控制最终磁性材料中的每种组成的量。
[0025]随着前体在腔内化学地分解，磁性材料层被形成在衬底上。将要形成磁性材料的前体部分在衬底表面起反应以形成要求的磁性材料。如前面提到的，磁性材料的组成可通过选择正确的前体来控制，而磁性材料中的各个组成的量可通过控制腔内的前体压力来控制，或其一些组合。可通过例如控制前体气在腔内的压力来控制前体在腔内的量。[0026]在一些实施例中，前体的压力可从0.01毫托(mTorr)至0.5毫托。在一些实施例中，前体的压力可从0.05毫托(mTorr)至0.2毫托。在一些实施例中，两个组成的压力比关联于薄膜中的两种组成的原子百分比。在Fe和Co系统的情形下，当压力维持在0.01毫托至0.5毫托的范围内时，Fe和Co前体的压力比相当好地关联于最终薄膜中的组成的原子百分比。
[0027]使用所披露的方法形成的磁性材料可通过其特性予以描述。可使用所披露的方法形成的磁性材料的一个例子是CoFex，其中X不一定是整数并落在从大于O至小于100的范围内。要理解X指铁的原子百分比，其中钴(在该例中)具有100-x的量。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料是CoFex，其中X不一定是整数并可在10至90的范围内。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料是CoFex，其中X不一定是整数并可在40至70的范围内。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料是CoFex,其中X不一定是整数并可在55至65的范围内。
[0028]使用所披露的方法形成的磁性材料层可具有多种性质。例如，该磁性材料可具有至少I特斯拉(T)的磁通密度。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料可具有至少1.8T的磁通密度。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料可具有至少
2.4T的磁通密度。磁性材料也可通过其表现出的矫顽力来描述。在一些实施例中，磁性材料可具有相对低的矫顽力。在一些实施例中，磁性材料可具有不大于500奥斯特(Oe)的矫顽力。在一些实施例中，磁性材料可具有从IOOe至500e的矫顽力。在一些实施例中,磁性材料可具有从50e至200e的矫顽力。可至少部分地通过例如控制磁性材料中的组成的特性和量来控制磁性材料的磁通密度和矫顽力。
[0029]磁性材料层也可通过构成层的材料的粒度尺寸来描述。本文中使用的粒度尺寸指平均粒度尺寸。磁性材料层的粒度尺寸可通过TEM、SEM、FIB，通过AFM的顶表面扫描或通过XRD扫描，使用横截面图或平面图来测得。在一些实施例中，磁性材料层的粒度尺寸可使用TEM测得。在一些实施例中，磁性材料层的粒度尺寸可从10至lOOnm。在一些实施例中，磁性材料层的粒度尺寸可从20至50nm。
[0030]磁性材料层也可通过磁性材料中的杂质的量、特性或前述两者来描述。如本文中所使用的，杂质是除了在磁性材料中所需元素以外的任何元素，例如磁性材料的CoFex层中除钴和铁以外的任何其它元素。杂质的特性、量或其两者可使用多种方法确定，包括例如俄歇电子光谱法、SEM-EDX、TEM-EDX、SMS、XPS或RBS。在一些实施例中，杂质的特性、量或其两者可使用俄歇电子光谱法来确定。在一些实施例中，可利用俄歇电子光谱法，因为它由于光谱的广泛延伸(在能量方面，例如eV)能够提供关于所有元素的信息。
[0031]在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料层可被描述为具有一定程度的氧(O)作为杂质。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料层可被描述为具有不大于5原子百分比(at%)的氧。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料层可被描述为具有不大于I原子百分比的氧。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料层可被描述为具有低于使用俄歇电子光谱法能测得的程度的氧(例如低于0.1原子百分比)。
[0032]另一类型的杂质是非磁性杂质。本文中使用的非磁性杂质指除了那些需要的元素(例如CoFex中的铁和钴)和氧(仅因为氧在前面被单独地考虑和讨论)以外的元素。具体类型的非磁性杂质可包括例如碳。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的磁性材料层可具有低于俄歇电子光谱法检测程度的一些程度的非磁性杂质，所述俄歇电子光谱法通常能检测到非常低程度的杂质，例如低于0.1原子百分比。使用电解沉积形成的磁性材料例如可具有一些程度的碳、氧或其两者，这些元素是通过例如俄歇电子光谱法可检测到的。
[0033]磁性材料层也可由磁性材料的体积性质(bulk properties)描述。例如，使用所披露的方法形成的磁性材料可能不具有与使用利用成核的方法形成的那些磁性材料相同的界面。例如，使用溅射技术形成的材料有时利用成核层以增进要求的晶体取向或减小粒度尺寸——该层将不出现在使用所披露的方法制成的材料中。类似地，使用成核方法形成的材料将具有若干界面，这些界面出现在从一个成核位点生长的一种晶体“突入”来自第二成核位点的另一晶体的位置。类似地，使用电解沉积形成的材料利用导电籽晶层来沉积合需的金属或合金层——该层不需要出现在使用所披露的方法制造的材料中。
[0034]磁性材料层或所披露的其制造方法也可通过其厚度可控制的程度来描述。材料的厚度可通过沉积速率和沉积时间来控制。在一些实施例中，沉积速率可被控制在2nm/分钟至IOOnm/分钟的范围内。
[0035]另外本文披露了制品。所披露的制品的一个例子可在图1中看到。图1A中的制品100包括衬底105以及磁性材料层110。衬底105和磁性材料层110可具有例如前述的那些性质。如图1A所示的例子中看到的那样，衬底105不是平坦的而是包括特征，衬底也可被描述为具有非平坦的表面。衬底的非平坦表面可包括凹口、沟槽、通孔、阶梯表面或其组合。衬底内或衬底上的非平坦表面或结构可以，但不一定，具有相对高的高宽比。磁性材料层110可被描述为大部分共形的或共形地沉积在衬底的下伏表面上。所披露的制品包括磁性材料层，该磁性材料层与衬底的非平坦表面的共形性优于物理汽相沉积(PVD)层在同一非平坦表面上的共形性。层的共形性可通过将层的水平部分的厚度与层的非水平(例如垂直)部分的厚度比较来描述。
[0036]在一些实施例中，可通过将垂直层的厚度除以水平层的厚度并乘以100获得百分数来获得共形性的百分比值。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的层可具有大于35%的共形性。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的层可具有大于40%的共形性。在一些实施例中，使用所披露的方法形成的层可具有大于50%的共形性，而在一些实施例中，它大约为60%。相反，使用之前利用的溅射技术形成的层一般可具有大约25-30%的共形性。
[0037]图1B示出可包括可选用的籽晶层115的所披露制品的另一例子。可选用的籽晶层115(如果存在的话)可位于衬底105和磁性材料层110之间。可选用的籽晶层可为其上的磁性材料提供增进的成核。可选用的籽晶层可以——但不一定——被直接设置在磁性材料层下面以使两者直接接触。可选用的籽晶层可以一但不一定一被直接设置在衬底的顶部以使两者直接接触。可选用的籽晶层可由多种材料制成，包括例如钌(Ru)、钽(Ta)、镍(Ni)、铁(Fe)、CoFe、NiFe、Cu, TaN, TiN, CoFeB, NiCu、Pd、Pt 或其组合。在一些实施例中，可选用的籽晶层可由诸如Ru、Ta或NiFe的材料制成。在一些实施例中，可选用的籽晶层可具有从0.5nm至20nm的厚度。在一些实施例中，可选用的籽晶层可具有从0.5nm至IOnm的厚度。在一些实施例中，可选用的籽晶层例如可具有大约5nm的厚度。
[0038]所披露的制品可包括磁性材料层和所披露的可选用籽晶层以外的层，即使这些其它层在本文中未予以描述。可利用所披露的方法的示例性制品可包括下列各项，例如:用于磁读取器的层压的侧屏蔽；垂直或热辅助磁记录(HAMR)头中的写极或用于写极的籽晶层；用于接触焊盘的籽晶层；以及写极或用于各写头中的侧屏蔽的籽晶层。类似地，可利用所披露的方法的示例性制品可包括对诸如磁阻随机存取存储器(MRAM)之类的其它应用从阶梯上的高共形性以及沟槽的填充能力获益的任何制品。
[0039]本公开通过以下示例来说明。要理解，特定的示例、材料、量以及过程应当根据如此处所阐述的发明的范围和精神来宽泛地解释。
[0040]示例
[0041]通过传输线在衬底表面上直接注射各前体的化学汽相沉积(CVD)装置被利用以通过改变Fe (CO) 5和Co2 (CO) 8的压力以及沉积时间来从Fe (CO) 5和Co2 (CO) 8 (Alfa Aesar (沃德山，马萨诸塞))沉积FeCo薄膜，如下面表1中示出的。使用俄歇、SEM-EDX和ICP-OES发现组成(Fe原子百分比和Co原子百分比)。使用振动样本磁力计来测量磁性质。
[0042]表1
[0043]
【权利要求】
1.一种在衬底上形成磁性材料层的方法，所述方法包括: 将衬底配置在腔内； 将所述衬底的温度控制在衬底温度下，所述衬底温度等于或低于约250V ;以及 将一种或多种前体引入所述腔内，所述一种或多种前体包括:钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或其组合， 其中所述前体在所述衬底温度下化学地分解，以及 其中磁性材料的层被形成在所述衬底上，所述磁性材料包括所述一种或多种前体的至少一部分，并且所述磁性材料具有至少约I特斯拉(T)的磁通密度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底温度等于或低于约225°C。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底温度大约为200°C。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一种或多种前体包括羰基半族。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一种或多种前体是从下组中选择的:Fe (CO) 5、Co2 (CO)8 及其组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁性材料包括CoFex，其中X落在大于O至小于100的范围内。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述CoFex具有大约2.4特斯拉(T)的磁通山/又ο
8.—种制品，包括: 衬底；以及 沉积在所述衬底上的磁性材料的层， 其中所述磁性材料包括钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)或其组合,所述磁性材料具有至少约I特斯拉的磁通密度，所述磁性材料的粒度尺寸从大约IOnm至大约50nm,并且所述磁性材料包括重量小于约I %的氧并包括通过俄歇电子光谱法无法检测到的程度的非磁性杂质。
9.如权利要求8所述的制品，其特征在于，还包括位于所述衬底和所述磁性材料的层之间的籽晶层。
10.如权利要求9所述的制品，其特征在于，所述籽晶层是溅射沉积的钌(Ru)、钽(Ta)、或镍铁(NiFe)。
11.如权利要求10所述的制品，其特征在于，所述籽晶层具有约5nm的厚度。
12.如权利要求8所述的制品，其特征在于，所述磁性材料包括Co和Fe，Ni和Fe，或Co、Ni 和 Fe。
13.如权利要求8所述的制品，其特征在于，所述磁性材料包括CoFex，其中X落在从O至小于100的范围内。
14.如权利要求8所述的制品，其特征在于，所述衬底具有非平坦表面并且所述磁性材料的层具有与所述衬底的非平坦表面共形的表面。
15.如权利要求14所述的制品，其特征在于，所述磁性材料的层与所述衬底的所述非平坦表面的共形性优于物理汽相沉积(PVD)的层在同一非平坦表面上的共形性。
16.—种在衬底上形成磁性材料层的方法，所述方法包括: 将衬底配置在腔内； 将所述衬底的温度控制在衬底温度下，所述衬底温度等于或低于约250°C ;以及将一种或多种前体引入所述腔内，所述一种或多种前体包括钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)的羰基化合物，或其组合， 其中磁性材料的层被形成在所述衬底上，所述磁性材料包括所述一种或多种前体的至少一部分，并且所述磁性材料具有至少约I特斯拉(T)的磁通密度。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述衬底温度等于或低于约225°C。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述衬底温度大约为200°C。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述前体是Fe(CO)5和Co2(CO) 8。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述前体在所述腔内的压力受到控制并且所述Fe(CO)5的压力不高于所述Co2(CO)8的压力。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述磁性材料的层的形成速率可被控制在2-1OOnm/分钟的范围内。
【文档编号】H01L43/12GK103715351SQ201310459951
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】S·萨胡, M·朱, M·C·考茨基 申请人:希捷科技有限公司