CN101154409A - 包含梯度晶格匹配层的外延铁电性磁记录结构 - Google Patents
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Abstract
揭示了一种具有梯度晶格匹配层的外延铁电性磁记录结构。使用单晶材料如Si作为基片材料，在其上沉积梯度晶格匹配层。晶格匹配层可以包含金属和金属合金，或者可以包含掺杂了选定元素的氧化物或者在不同氧压下沉积的氧化物。在梯度晶格匹配层上沉积记录层，如铁电性钛酸铅锆或者磁性Fe/P多层结构。
Description
技术领域
本发明涉及外延铁电性磁记录结构，更具体地，涉及在这种结构的单晶基片和铁电性或磁性记录层之间使用梯度晶格匹配层(graded lattice matchinglayers)。
背景技术
高度定向的外延薄膜的生长因其磁性和输送性质而日益受到重视。这种定向薄膜可以增强取决于晶体学方向的特定性质，如磁各向异性。例如，用作垂直磁记录介质的L10FePt膜需要(001)结构，使易磁化的轴与膜平面直交。另一个例子是钛酸铅锆(PZT)的薄膜可以是在铁电性电容器中上电极和下电极之间沿c-轴取向，以达到最佳电性质。
有许多如GaAs、InAs、SrTiO3和LaAlO3的单晶基片，提供了适合单晶金属和氧化物外延生长的足够的晶格间距和晶体结构，所述金属和氧化物用于数据存储和其它应用。然而，这些基片与基础硅基片相比相当昂贵，限制了它们的应用。更经济的方法是以相对低廉的基片如硅基片为起始材料，并在这些基片上沉积具有良好取向和晶体结构的金属或氧化物膜，所述晶体结构模拟了单晶材料。
沉积在硅晶片上的外延铁电性薄膜具有用于高密度探针存储介质的潜能。然而，将外延铁电性薄膜用于高密度探针记录介质遇到一些困难。薄膜中的缺陷应最小化。特别是，应避免晶粒边界和空隙，因为晶粒边界和空隙可成为漏电流的通道并会增加媒质噪音。此外，极化值应最大化，以获得较高的读取信号和热稳定性。此外，在高密度记录应用中表面粗糙度应最小化。表面形态在畴壁钉扎方面发挥主要作用并影响记录不稳定性和数据密度。
发明内容
本发明提供了具有梯度晶格匹配层的外延铁电性磁记录结构。单晶材料如Si可以用作基片材料，在其上沉积梯度晶格匹配层。晶格匹配层可以包含金属和金属合金，或者可以包含掺杂有选定元素的氧化物或者在不同氧压条件下沉积的氧化物。记录层，如铁电性的钛酸铅锆(lead zirconium titanate)或磁性Fe/Pt多层结构，可以沉积在该梯度晶格匹配层上。
本发明一个方面提供了一种外延记录结构，该结构包括具有一定晶格常数的单晶基片、沉积在该基片上并具有与基片的晶格常数基本上匹配的晶格常数的种子层(seed layer)、包含沉积在种子层上的最下层晶格匹配层和最上层晶格匹配层的多层梯度晶格匹配层、以及沉积在该梯度晶格匹配层上并具有一定晶格常数的记录层。最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层的晶格常数基本上匹配，而最上层晶格匹配层的晶格常数与记录层的晶格常数基本上匹配。
本发明另一个方面提供一种铁电性记录结构，该结构包括具有一定晶格常数的单晶基片、沉积在该基片上并具有与该基片的晶格常数基本上匹配的晶格常数的种子层、包含沉积在种子层上的最下层晶格匹配层和最上层晶格匹配层的多层梯度晶格匹配层、以及沉积在该梯度晶格匹配层上并具有一定晶格常数的铁电性记录层。最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层的晶格常数基本上匹配，而最上层晶格匹配层的晶格常数与记录层的晶格常数基本上匹配。
本发明又一个方面提供一种磁记录结构，该结构包括包括具有一定晶格常数的单晶基片、沉积在该基片上并具有与基片的晶格常数基本上匹配的晶格常数的种子层、包含沉积在种子层上的最下层晶格匹配层和最上层晶格匹配层的多层梯度晶格匹配层、以及沉积在该梯度晶格匹配层上并具有一定晶格常数的磁记录层。最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层的晶格常数基本上匹配，而最上层晶格匹配层的晶格常数与该记录层的晶格常数基本上匹配。
由下面的描述，本发明的这些方面和其它方面将是显而易见的。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式包含梯度晶格匹配层的外延记录结构的等角投影的部分示意图。
图2是晶格常数(a)与截面方向(z)的关系图，说明了根据本发明的实施方式在基片和记录层之间的梯度晶格匹配情况。
图3和图4是沉积在Si基片上并按(200)方向定向的高结构化Cu膜的X-射线衍射扫描谱图。
图5是晶格参数与CuPt合金中Pt百分数的关系图，表明通过控制Cu和Pt的相对量来改变合金的晶格参数的能力。
图6是Cu种子层和CuPt晶格匹配层的X-射线衍射扫描谱图，表明CuPt晶格匹配层与FePt记录层的晶格参数的匹配能力。
图7是类似于图6的X-射线衍射扫描谱图，不同的是该多层结构包括生长在CuPt晶格匹配层顶部的Fe/Pt多层结构，表明在CuPt下层和Fe/Pt多层结构之间的晶格匹配。
图8是包括Cu种子层和Pt晶格匹配层的结构的X-射线衍射扫描谱图，表明形成高结构化的Pt(200)膜。
图9示出包括晶格匹配层的SrRuO3(SRO)铁磁性结构的滞后环。
图10包括在不同氧压下溅射的SRO膜的X-射线衍射扫描谱图。
图11是图10所示SRO膜的晶格常数与氧压的关系图。
图12示出在类似条件下沉积在SRO下层的两种具有不同晶格常数的PZT膜的不同表明形态，以及显示PZT膜的不同表面特征尺寸的图。
具体实施方式
本发明提供了外延记录结构，该结构包括单晶基片以及铁电性记录层或磁性记录层。梯度晶格匹配层沉积在基片和记录层之间。本文所用术语“单晶”指通过重复原子、离子或分子的基本上没有缺陷的三维图案形成的均质固体。术语“外延”指生长在单晶基片顶部的扩展的单晶膜，其中膜的晶体学结构模拟了下层基片的晶体结构。术语“梯度晶格匹配层”指每一层晶格匹配层的晶格常数充分接近各相邻晶格匹配层，使相邻层之间的面内晶格不匹配度小于2％，通常小于1％。例如，每个晶格匹配层的晶格常数通常在各相邻晶格匹配层的0.05之内，例如在各相邻晶格匹配层的0.02之内。
图1示出按照本发明的一个实施方式的记录结构10。该记录结构10包括由单晶材料如Si、SiGe、SrTiO3(STO)或LaAlO3构成的基片12。记录结构10还包括记录层14，该层包含铁电材料如PZT、BaTiO3(BTO)、(BaxSr1-x)TiO3(BSTO)、SrBi2Ta2O9(SBT)或PbTiO3(PTO)，或磁性材料如多个FePt层、CoPt3或CoCrPt。记录层的厚度通常约为10-50nm。
种子层16沉积在基片12的上面。种子层16可以包含Cu、SiGe、STO、(SrxRu1-x)TiO3(SRTO)、(LaxSr1-x)TiO3(LSTO)或(La2-xSrx)CuO4(LSCO)，其厚度通常约为4-100nm。
如图1所示，梯度晶格匹配结构20沉积在种子层16和记录层14之间。在图1所示的实施方式中，晶格匹配结构20有四层晶格匹配层20a、20b、20c和20d。但是，可以采用任意合适数量的晶格匹配层。例如，可以采用2-40层晶格匹配层。
各晶格匹配层20a、20b、20c和20d的厚度通常约为4-100nm，例如约4-10nm。梯度晶格匹配层20的总厚度通常约为10-200nm，例如约50-100nm。
图2示出图1所示各层在通过所有层的截面方向(z)上的晶格常数(a)。如图2所示，基片12和种子层16的晶格常数是相同的，而晶格匹配层20a、20b、20c和20d的晶格常数逐渐增加至其最上层20d的晶格常数与记录层14的晶格常数相同。因此，各晶格匹配层20a、20b、20c和20d的晶格常数都略有不同，可以通过对晶格匹配层进行选择性掺杂来调节晶格常数。不同的掺杂材料可以提高或者降低晶格匹配层的晶格常数。掺杂材料的浓度变化也能逐渐改变晶格常数。
梯度晶格匹配结构20的最下层晶格匹配层20a的晶格常数与种子层16和基片12的晶格常数基本匹配，即彼此相差0.05以内，通常彼此相差0.02以内。最上层晶格匹配层20d的晶格常数与记录层14的晶格常数基本上匹配，即彼此相差0.05以内，通常彼此相差0.02以内。
根据本发明的实施方式，梯度晶格匹配层20a、20b、20c和20d包含金属合金。例如，金属合金可以包括有不同量Cu和Pt的CuPt，提供晶格常数逐渐提高或降低的层。
根据另一个实施方式，梯度晶格匹配层20a、20b、20c和20d可以包含氧化物。例如，氧化物可包括STO、SRO、LSCO或LSTO。氧化物中可以掺杂以元素，如Nb、La和/或Ba，以控制各层的晶格常数。
根据本发明，使用梯度晶格匹配结构20可提供改进了表面光滑度和极化值的记录层14。例如，记录层14的表面光滑度可小于4或5(rms)。此外，记录层14的极化值可以大于50μC/cm2。记录层14能够达到极高记录密度，如大于500Gbit/in2。例如，记录层14可以是大于1Tbit/in2的记录层。
根据本发明的一个实施方式，至少一层导电层(未示出)可以沉积在梯度晶格匹配结构20和记录层14之间。例如，导电层可以包含SRO、掺杂的STO、掺杂的SiGe、掺杂的SRO、LSCO或LSTO，其厚度通常约为50-500nm。加入STO、SiGe和SRO的掺杂剂可以是能向薄膜提供所需水平的电导率的任何已知类型的元素掺杂剂。
本发明的一个实施方式提供了控制界面层结构的晶格常数的方法，以更好地符合沉积在Si(100)晶片上的外延铁电性或磁性薄膜对结构要求和电性能要求，如用于存储高密度数据。对Si基片和铁电性或磁性顶层之间晶格不匹配的逐步调整能够显著改进该顶层的结构性质和电性质。
本发明的多层记录结构可以采用任何适当的沉积方法形成。例如，种子层、晶格匹配层和记录层可以采用常规的物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)或光刻沉积(PLD)技术来沉积。记录层14可以直接沉积在上层晶格匹配层20d的上面。或者，在沉积记录层14之前，可以在上层晶格匹配层20d的上面沉积一层导电层(未示出)。
本发明的另一个实施方式提供了采用简单的室温磁控管溅射在Si上制造高度结构化的种子层。沉积的各薄膜都是高质量的，并在沉积膜和基片之间具有明显的阶跃界面。例如，铜可以沉积在Si基片上，然后沉积由过渡金属元素与Cu构成的梯度指数(graded index)(GRIN)二元合金。然后，将高度定向的FePt和SrRuO3膜沉积在具有(200)结构的Si基片上。
一个实施方式中，基片12在沉积种子层16之前进行蚀刻。例如，Si或其它基片材料可以通过与氟化氢接触进行蚀刻，然后顺序沉积晶格匹配层20a、20b、20c和20d。因此，单晶Si基片可以用HF蚀刻剂进行处理，以除去固有的氧化层。HF酸不仅除去固有的氧化物，而且能除去终结在表面上的Si悬空键上的氢。然后，将基片立刻放置在真空条件下，并采用磁控管溅射沉积厚度小于或等于100nm的Cu膜。图3和图4示出这种薄膜的结构特征数据(X-射线衍射扫描谱图)，表明定向在(200)方向的高度结构化的薄膜的谱图中不存在任何峰。该薄膜的结构有小于3度的窄的摇摆曲线(图4)，小于3度表明该薄膜是良好的溅射薄膜。这种单层膜提供了上面可以生长GRIN合金的初始层。
根据本发明的这一实施方式，可以使用梯度指数金属合金缓冲层来制造高度结构化的下层，所述下层在磁记录和探针存储设备应用中用作供外延生长的薄膜模板。生长在经HF蚀刻的Si(100)上的Cu(100)初始层可以用作起始点。任何适当类型的晶体结构和晶格参数都可以根据与Cu的可混合性选择适当的合金用元素来设计。这种技术不需要高温沉积并且能够制造晶粒扩展小的高度定向的缓冲层。然后，将记录层如L10相FePt薄膜沉积在梯度晶格匹配层上。
FePt的L10相的平面内晶格参数为3.84，而下面的种子层也应具有基本上相同的晶格参数。因为初始Cu表面层的晶格间距为3.61，可以使用CuPt的GRIN合金将纯Cu的晶格参数扩大到3.84。在图5中，示出了Cu1-xPtx合金的晶格参数与原子浓度(x)的关系。在x＝0.74时，Cu26Pt74的晶格参数与FePt的晶格参数(a)精确匹配。高角度X-射线扫描示于图6。在此例子中，所取梯度合金超过了最佳Pt浓度，则使Pt浓度下降到最佳值x＝0.74。这样允许合金中的应力释放。GRIN合金仅几纳米厚，并且可以在相对宽范围内变化。图6所示的高角度X-射线数据仅显示两个峰，Cu(200)和CuPt(200)。由于这种梯度合金，CuPt峰右台肩升高。Fe/Pt多层以3.84的最佳晶格参数生长在顶部，其相应的高角度X-射线数据示于图7，表明它是外延生长。
根据本发明的另一个实施方式，高度结构化的Pt(200)可以沉积在Si基片上。高角度X-射线数据示于图8。在该X-射线谱图中没有其它的峰。摇摆曲线较小(＜3度)，根据原子力显微镜(AFM)的测定，薄膜的rms粗糙度小于1nm。使用这种晶格参数为3.92的Pt(200)种子层(整体Pt)，钙钛矿结构SrRuO3(SRO)可以外延生长在也具有(200)结构的顶部。50nm SRO薄膜可以生长在Pt(200)缓冲层上。SRO是一种金属氧化物，可以用作铁电材料如PZT的种子层。由于这种材料晶格匹配且具有高电导率，这种材料是用于FRAM应用的底部电极的理想材料。大多数PZT薄膜应用都在以下结构中使用SrTiO3(STO)单晶基片：PZT/SRO/STO。不幸的是，STO基片相当昂贵。采用本发明的GRIN合金方法，可以以较低廉和较简单的方式获得所需的结果。
SRO也是一种巡游铁磁体，使材料中导电电子结合在一起，产生磁矩。SRO的居里温度(Curie temperature)为155K，在低于该温度显示铁磁性能。图9中，示出样品堆在5K测定的滞后环。该材料在低温具有磁性。
可以用于晶格匹配层的氧化物材料是钛酸锶(STO)。STO的晶格常数a＝3.905。提高晶格常数的典型掺杂材料可以是铌、镧、钌或钡，还可采用缺氧条件。用来降低晶格常数的典型掺杂材料是钙。掺杂Nb、La和Ru的STO是导电的，因此可以用作底部电极。可以使用Si1-xGex缓冲层。Si1-xGex在(110)方向的晶格常数可以用αSi1-x，Gex＝0.384+0.014142x+0.019092x2(nm)来描述，其中x是Si1-xGex中锗的原子分数。当x＝0.42时，Si1-xGex缓冲层的晶格常数等于STO膜的晶格常数。
LSTO的晶格常数从3.905(SrTiO3)变化为3.92(LaTiO3)。(SrxRu1-x)TiO3的晶格常数从3.905(SrTiO3)变化到3.95(SrRuO3)。(BaxSr1-x)TiO3的晶格常数从3.90(SrTiO3)变化为4.01(BaTiO3)。BaTiO3的平面内和平面外晶格常数可以随最高为5％的掺杂浓度变化。(CaxSr1-x)TiO3的晶格常数从3.84(CaTiO3匹配Si基片)变化到3.90(SrTiO3)。在SBN(SrBi2Nb2O9)层中，通过提高Ba浓度，SBN的晶格常数增大，而Ca具有相反的效应。
XRD研究(示于图10)表明，SRO薄膜的晶格常数随溅射压力变化。在较低氧压(1mbar)下，SRO因为缺氧而扩展。在较高压力(1.5和2mbar)下，SRO薄膜的晶格常数更接近本体值(bulk value)。图10的XRD θ-2θ扫描显示，SRO峰随溅射压力发生位移。在1mbar生长的SRO峰位移到较小角度，意味着薄膜相对于Bragg定律的情况发生了晶格膨胀。晶格常数与溅射压力的对应曲线示于图11。
图11的曲线示出氧溅射压与SRO晶格常数之间的关系。在较低溅射压力(1mbar)时，晶格因缺氧而扩展。在较高氧压(2mbar)下，晶格常数接近于报道的本体值。
图12示出经过XRD测量验证，在同样条件下沉积在晶格常数不同的各SRO下层之上的PZT薄膜的表面形态的AFM图像。在图12左侧，薄膜的SRO晶格常数略大于该图右侧的晶格常数，导致PZT薄膜表面特征尺寸明显减小。
尽管为说明目的以上描述了本发明的具体实施方式，但是显然对本领域技术人员而言，在不偏离权利要求书所界定的本发明下，可以对本发明的细节进行诸多变动。
Claims (23)
1.一种外延记录结构，该结构包括：
具有晶格常数的单晶基片；
沉积在该基片上的种子层，其晶格常数与基片的晶格常数基本上匹配；
沉积在该种子层上的梯度晶格匹配层，包含最下层晶格匹配层和最上层晶格匹配层；
沉积在梯度晶格匹配层上且具有晶格常数的记录层，其中，最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层的晶格常数基本上匹配，最上层晶格匹配层的晶格常数与记录层的晶格常数基本上匹配。
2.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述单晶基片包括Si。
3.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述种子层包括Cu、SiGe、STO、SRTO、LSCO或LSTO。
4.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述梯度晶格匹配层包括金属合金。
5.如权利要求4所述的外延记录结构，其特征在于，所述金属合金包括Cu和Pt。
6.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述梯度晶格匹配层包括氧化物。
7.如权利要求6所述的外延记录结构，其特征在于，所述氧化物包括STO、SRO、LSCO、PZT、BTO、SBT、PTO、PLZT或PLT。
8.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，该外延记录结构包括2-40层的晶格匹配层。
9.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，各晶格匹配层的晶格常数与各相邻晶格匹配层的晶格常数相差0.05以内。
10.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层和基片的晶格常数相差0.05以内，最上层晶格匹配层的晶格常数与记录层的晶格常数相差0.05以内。
11.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，各晶格匹配层的厚度约为4-100nm。
12.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述梯度晶格匹配层的总厚度约为10-200nm。
13.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述记录层包括铁电材料。
14.如权利要求13所述的外延记录结构，其特征在于，所述铁电材料包括PZT、BTO、SBT、PTO、PLZT或PLT。
15.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述记录层包括磁性材料。
16.如权利要求15所述的外延记录结构，其特征在于，所述磁性材料包括多个FePt层、CoPt3或CoCrPt。
17.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述记录层的厚度约为10-50nm。
18.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述记录层的表面光滑度小于5rms。
19.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述记录层的极化值大于30μC/cm2。
20.如权利要求1所述的外延记录结构，其特征在于，所述外延记录结构还包括至少一层在梯度晶格匹配层和记录层之间的导电层。
21.如权利要求20所述的外延记录结构，其特征在于，所述至少一层导电层包括SRO、掺杂的STO、掺杂的SiGe或LSCO。
22.一种铁电性记录结构，该结构包括：
具有晶格常数的单晶基片；
沉积在该基片上的种子层，其晶格常数与基片的晶格常数基本上匹配；
沉积在该种子层上的梯度晶格匹配层，包含最下层晶格匹配层和最上层晶格匹配层；
沉积在梯度晶格匹配层上且具有定晶格常数的铁电性记录层，其中，最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层的晶格常数基本上匹配，最上层晶格匹配层的晶格常数与记录层的晶格常数基本上匹配。
23.一种磁性记录结构，该结构包括：
具有晶格常数的单晶基片；
沉积在该基片上的种子层，其晶格常数与基片的晶格常数基本上匹配；
沉积在该种子层上的梯度晶格匹配层，包含最下层晶格匹配层和最上层晶格匹配层；
沉积在梯度晶格匹配层上且具有晶格常数的磁性记录层，其中，最下层晶格匹配层的晶格常数与种子层的晶格常数基本上匹配，最上层晶格匹配层的晶格常数与记录层的晶格常数基本上匹配。
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