Способ формирования структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл и структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл (варианты)
Владельцы патента RU 2394304:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)
Изобретение относится к устройствам памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии. Техническим результатом изобретения является упрощение способа, сокращение времени формирования магнитного туннельного перехода и получение высоких значений спин-поляризации за счет использования ферромагнитных полуметаллов в качестве электродов при простоте интеграции в существующую кремниевую технологию. Сущность изобретения: в способе формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, включающем формирование магнитного туннельного перехода на подложке, имеющего свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, туннельный изолирующий слой формируют осаждением диэлектрического слоя на свободно перемагничивающемся слое, при этом на подложку в вакууме осаждают слой железа, затем на поверхность слоя железа осаждают слой кремния, далее осуществляют окисление поверхности осажденного кремния, после этого на слой полученного оксида кремния осаждают слой кремния, поверх него осаждают слой железа, после чего формируют одновременно два слоя ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния и над слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-650°С. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии, в частности к созданию магнитных туннельных переходов на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, и использованию их в качестве базовых компонентов энергонезависимой магниторезистивной памяти нового поколения, выполненных на основе ферромагнитного силицида железа.
Известно изобретение «Метод изготовления слоя магнитно-туннельного перехода в устройстве магнитной памяти произвольного доступа» (Республика Корея, Заявка № KR 20030002142, опубл. 2003-01-08), в котором на подложке последовательно формируются нижний магнитный электрод, изолирующий слой и верхний магнитный электрод. Верхний магнитный электрод, изолирующий слой и нижний магнитный электрод избирательно травятся для образования слоя магнитно-туннельного перехода, состоящего из верхнего магнитного электрода, изолирующего слоя и нижнего магнитного электрода.
Данный способ позволяет упростить и удешевить производственный процесс путем улучшения характеристик устройства, избежав при этом короткого замыкания между электродами. Побочный продукт на боковой стенке слоя магнитно-туннельного перехода затем окисляется.
Недостатком данного изобретения является необходимость проведения процесса избирательного травления структуры, что требует дополнительных затрат при производстве, связанных с наладкой литографического процесса (процесса избирательного травления).
Известно изобретение «Магнитная память произвольного доступа и метод записи данных» (Заявка № JP 2005327988, опубл. 2005-11-24), в котором слой регистрации и слои фиксации сформированы из, например, Fe, Co, Ni или их сплавов, магнетита, имеющего большую спин-поляризацию, окиси типа CrO2 или RXMnO3-y (R: редкоземельные, X: Ca, Ba, or Sr), или сплав Heusler типа MiMnSb или PtMnSb. Эти магнитные вещества могут содержать маленькое количество немагнитного элемента, типа Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Та, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo или Nb, если они не теряют ферромагнетизм. Туннельный запирающий слой сформирован из одного из различных диэлектриков, например, Al2O3, SiO2, MgO, AlN, Bi2O3, MgF2, CaF2, SrTiO2, и AlLaO3. Верхний ферромагнитный слой и более низкий ферромагнитный слой сформированы из, например, Fe, Со, Ni или их сплавов, магнетитов, имеющих большую спин-поляризацию, окисей типа CrO2 или RXMnO3-y (R: редкоземельные, X: Са, Ва, or Sr), или сплав Heusler типа MiMnSb или PtMnSb. Немагнитные слои сформированы из одного из различных диэлектриков, например, Al2O3, SiO2, MgO, AIN, Bi2O3, MgF2, CaF2, SrTiO2, и AlLaO3. Антиферромагнитный слой сформирован из, например, Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO или Fe2O3. Первые и вторые пары слоев 21 и 22 сформированы из, например, NiFe, CoFe, аморфный - CoZrNb, FeNx, или FeAlSi. Изобретение позволяет обеспечить магнитную память произвольного доступа, способную к уменьшению тока и обеспечению способа записи данных.
Недостатком данного изобретения является необходимость создания антиферромагнитного слоя для фиксации одного из магнитных слоев, что делает процесс более громоздким и дорогим.
Известно изобретение «Способ формирования магнитного туннельного перехода (MTJ) для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа» (Заявка США № US 2005277206, опубл. 2005-12-15), которое включает формирование магнитного туннельного перехода, имеющего свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью; формирование проводящей твердой маски, лежащей над первой областью магнитного перехода, в то время как свободно перемагничивающийся слой во второй области не защищен; свободно перемагничивающийся слой представлен электрически и магнитно не действующий во второй области; формирование проводящей линии, связывающей твердую маску, указанная твердая маска электрически не соединена магнитным переходом MTJ с проводящей линией. Туннельный запирающий слой сформирован осаждением тонкого диэлектрического слоя на прикрепленный слой. Как правило, туннельный запирающий слой сформирован из окиси алюминия, типа Al2O3, имеющего толщину приблизительно 1 нм. Другие материалы, доступные для использования как туннельный запирающий слой, включают окиси магния, окиси кремния, нитриды кремния и карбиды кремния; окиси, нитриды и карбиды других элементов, или комбинации элементов и другие материалы, включением или формированием из полупроводникового материалов. Свободно перемагничивающийся слой сформирован внесением на туннельный изолирующий слой слоя NiFe, имеющего толщину приблизительно 5 нм. После этого проводящий запирающий слой нитрида тантала (TaN), имеющего толщину приблизительно 5 нм, сформирован осаждением. Этот TaN слой служит, чтобы защитить слой NiFe в течение последующей обработки и обеспечить сцепление для одного или более впоследствии сформированных слоев. Альтернативно NiCoFe, аморфный CoFeB, и подобные ферромагнетики могут использоваться вместо NiFe как ферромагнитная часть свободного слоя. В альтернативном воплощении свободный слой может быть сформирован из больше чем одного такого ферромагнитного слоя, чтобы улучшить работу или возможности производства. Многократные слои могут быть отделены немагнитными слоями, как TaN или Ru. Эти слои типично располагаются в диапазоне толщин от 2 до 10 нм.
Недостатком данного изобретения является многослойность структуры, что увеличивает риск потерь спина-электрона во время процесса туннелирования и перехода через границы раздела слоев, а следовательно, ведет к ухудшению важнейшего параметра магнитного туннельного перехода - магнитосопротивления.
Задачей данного изобретения является упрощение способа и сокращение времени формирования магнитного туннельного перехода за счет использования всего двух материалов Fe и Si для создания структуры магнитного туннельного перехода и получения высоких значений спин-поляризации за счет использования ферромагнитных полуметаллов в качестве электродов при простоте интеграции в существующую (кремниевую) технологию изготовления элементов памяти.
Данная задача решается созданием способа формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, включающий формирование магнитного туннельного перехода на подложке, имеющего свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, причем туннельный изолирующий слой формируют осаждением тонкого диэлектрического слоя на свободно перемагничивающемся слое, при этом на подложку в вакууме осаждают слой железа при комнатной температуре, затем на поверхность слоя железа в вакууме осаждают слой кремния при комнатной температуре, далее осуществляют окисление поверхности осажденного кремния в плазме тлеющего разряда при комнатной температуре, после этого в вакууме на слой полученного оксида кремния осаждают слой кремния при комнатной температуре, затем поверх этого слоя кремния осаждают слой железа, после чего формируют одновременно два слоя ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния и над слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-650°С.
Кроме того, слой железа осаждают методом импульсного лазерного осаждения.
Кроме того, слой железа осаждают методом термического осаждения. Кроме того, толщина слоя осажденного кремния на поверхность слоя железа рассчитывается по формуле:
,
где dFe1 и ρFe - толщина и атомная плотность Fe, dsiO2 и ρSiO2 - толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO2, ρSi - атомная плотность кремния.
Кроме того, получают слой оксида кремния толщиной 2-3 нм.
Кроме того, толщина слоя осажденного кремния на слой оксида кремния рассчитывается по формуле:
,
где dFe1 и ρFe - толщина и атомная плотность Fe, dSiO2 и ρSiO2 - толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO2, ρSi - атомная плотность кремния.
Данная задача также решается созданием структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем, и слоем с фиксированной намагниченностью, причем туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2, при этом структура получена способом по любому из пп.1-5.
Данная задача также по варианту 2 решается созданием структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, причем туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2, при этом свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке, а слой с фиксированной намагниченностью расположен на туннельном изолирующем слое, при этом оба слоя выполнены из ферромагнитного силицида железа.
Кроме того, свободно перемагничивающийся слой выполнен из ферромагнитного силицида железа типа Fe3Si.
Кроме того, слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитного силицида железа типа Fe3Si.
Данная задача по варианту 3 решается созданием структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, при этом туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2, при этом свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке, а слой с фиксированной намагниченностью расположен на туннельном изолирующем слое, при этом оба слоя выполнены из ферромагнитного силицида железа типа типа Fe3Si.
Изобретение поясняется чертежами и схемами.
На фиг.1 изображена схема этапов формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл.
На фиг.2 изображена принципиальная схема исследовательского комплекса ИЛО-РФЭС (импульсного лазерного осаждения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии) для роста и исследования структур, где 1. YAG: Nd лазер; 2. Система сканирования; 3. Система фокусировки; 4. Мишень; 5. Держатель образцов с подложкой; 6. Шток для ввода образцов; 7. СВВ камера препарирования; 8. Заслонка; 9. Рентгеновская пушка; 10. Полусферический энергоанализатор; 11. Камера анализа; 12. Фотоэлектроны; 13. Детектор; 14. Напуск газа.
Изобретение осуществляют следующим образом.
Способ в соответствии с изобретением предназначен, в частности, для создания магнитных туннельных переходов на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл и использования их в качестве базовых компонентов энергонезависимой магниторезистивной памяти нового поколения, выполненных на основе ферромагнитного силицида железа.
Туннельный изолирующий слой (фиг.1, 4) формируют при помощи реакции окисления тонкого слоя кремния в активированном кислороде. В процессе окисления кремния в плазме тлеющего разряда в течение времени от 1-30 минут на поверхности кремния образуется слой оксида толщиной 2-3 нм, который становится серьезным барьером для проникновения кислорода из внешней среды к кремнию. Толщина туннельного изолирующего слоя определяется временем воздействия активированного кислорода на бислойную систему Fe/Si. Одновременно формируют два слоя ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния и над слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-650°С (фиг.1, 6).
Ферромагнитный силицид железа формируют твердофазной реакцией в бислойной структуре Fe/Si, т.е. реакцией взаимной диффузии слоев железа и кремния, проходящей в твердой фазе, которую проводят в вакууме и активизируют при помощи температурного воздействия в диапазоне 400-650°С. Получаем верхний ферромагнитный слой толщиной, при которой обеспечивается различие в коэрцитивных силах ферромагнитных слоев - с целью достижения независимого перемагничивания слоев. Способ можно осуществить методом импульсного лазерного осаждения или методом термического осаждения.
Данный способ обеспечивает формирование одновременно двух слоев, а именно слоя с фиксированной намагниченностью и свободно перемагничивающегося слоя. При этом упрощается способ формирования магнитных туннельных переходов за счет использования всего двух материалов Fe и Si для создания структуры, уменьшается время технологического процесса.
Данным способом формирования по варианту 1, 2, 3 получена структура магнитного туннельного перехода, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, выполненный из оксида кремния SiO2 и расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке и выполнен из ферромагнитного силицида железа Fe3Si, слой с фиксированной намагниченностью выполнен также из ферромагнитного силицида железа Fe3Si и расположен на туннельном изолирующем слое.
Данным способом формирования получена структура магнитного туннельного перехода Fe3Si/SiO2/Fe3Si (фиг.1, 6.), которая обеспечивает существенное магнитосопротивление - эффект, на котором работает магнитный туннельный переход. Существенное различие в сопротивлении образца в зависимости от направления приложенного магнитного поля дает перспективные преимущества для его применения в элементах магниторезистивной памяти произвольного доступа.
Пример осуществления способа изобретения.
1-й шаг. Подложка Si/SiO2 помещается в сверхвысоковакуумную камеру 11 (вакуум 10-6 Па) (фиг.2).
2-й шаг (Фиг.1, 1-2). На подложку 5 в вакууме (10-6 Па) осаждают слой Fe фиксированной толщины, был осажден 15 нм при комнатной температуре, например, методом импульсного лазерного осаждения или методом термического осаждения. При этом толщина слоя определяется при помощи калибровок скорости осаждения, которые проводятся заранее, скажем, на кварцевом измерителе частоты, или непосредственным измерением толщины калибровочных слоев методом обратного резерфордовского рассеяния.
3-й шаг (Фиг.1, 3). На поверхность Fe в вакууме (10-6 Па) при комнатной температуре осаждается слой Si толщины dSi1, достаточной для проведения двух процессов: окисления Si с целью создания туннельного барьера и проведения твердофазной реакции Si-Fe образования ферромагнитного силицида. Толщина слоя кремния рассчитывается исходя из достаточности количества атомов кремния для образования оксида кремния фиксированной толщины и образования из слоя железа слоя стехиометрического силицида железа, в котором на один атом кремния приходится 3 атома железа.
Толщина dSi1 может быть рассчитана по формуле:
,
где dFe1 и ρFe - толщина и атомная плотность Fe, dSiO2 и ρSiO2 - толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO2, ρSi - атомная плотность кремния.
4-й шаг (Фиг.1, 4). Окисление поверхности осажденного Si путем окисления в плазме тлеющего разряда (Ркислорода = 10÷1 Па) при комнатной температуре. При этом толщина слоя лимитируется диффундированием кислорода при комнатной температуре и имеет фиксированную величину (2 нм-3 нм).
5-й шаг (Фиг.1, 5). На поверхность оксида кремния осаждается слой кремния толщиной dSi2, которая рассчитывается по формуле:
,
Затем поверх этого слоя осаждается слой железа толщиной dFe2=5·dFe1. Т.о. на оксиде кремния формируется бислойная система Si/Fe, толщиной в 5 раз превышающая толщину аналогичной нижней бислойной системы Fe/Si, расположенной под оксидом кремния.
6-й шаг (Фиг.1, 6). Формирование одновременно двух слоев ферромагнитного силицида (Fe3Si) под слоем оксида кремния и над слоем оксида кремния проводится путем твердофазной реакции в диапазоне температур 400-650°С. При этом при температурах около 400°С формирование силицида занимает большее время (порядка десятков часов), чем при более высоких температурах (порядка минут), но в то же время при высоких температурах наблюдается появление высокой шероховатости слоя (2-5 нм), что достаточно плохо сказывается на функциональности структуры, поэтому необходимо соблюсти условие низкой шероховатости и приемлемого времени формирования.
Выбор данной системы Fe3Si/SiO2/Fe3Si не случаен - он определен рядом преимуществ: простота интеграции данной системы в существующую кремниевую технологию производства элементов памяти при сохранении конкурентоспособных характеристик магнитосопротивления, а также простота изготовления такой системы в одном цикле, что позволяет сильно сократить время и затраты на производство элемента магнитного туннельного перехода при получении высоких значений спин-поляризации.
Таким образом, разработан совершенно новый способ создания магнитных туннельных переходов, заключающийся в применении ферромагнитного силицида железа в контакте с оксидом кремния в качестве материала ферромагнитного электрода в контакте с материалом туннельного изолятора, что обеспечивает очень высокое качество границы раздела ферромагнитного слоя и туннельного изолирующего слоя, и, как следствие, высокие значения магнитосопротивления в конечной структуре.
Также преимуществом данного способа является достаточная простота создания и в то же время высокая эффективность магнитного туннельного перехода.
В данном изобретении предлагается качественно новый подход к сформулированной задаче, заключающийся в выборе таких материалов, как ферромагнитный силицид железа, что, в свою очередь, позволяет применить решение данной задачи на уже выстроенной и отлаженной кремниевой технологии производства элементов памяти.
1. Способ формирования структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, включающий формирование магнитного туннельного перехода на подложке, имеющего свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, причем туннельный изолирующий слой формируют осаждением тонкого диэлектрического слоя на свободно перемагничивающемся слое, отличающийся тем, что на подложку в вакууме осаждают слой железа при комнатной температуре, затем на поверхность слоя железа в вакууме осаждают слой кремния при комнатной температуре, далее осуществляют окисление поверхности осажденного кремния в плазме тлеющего разряда при комнатной температуре, после этого в вакууме на слой полученного оксида кремния осаждают слой кремния при комнатной температуре, затем поверх этого слоя кремния осаждают слой железа, после чего формируют одновременно два слоя ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния и над слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-650°С.
2. Способ формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл по п.1, отличающийся тем, что слой железа осаждают методом импульсного лазерного осаждения.
3. Способ формирования магнитного туннельного перехода по п.1, отличающийся тем, что слой железа осаждают методом термического осаждения.
4. Способ формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя осажденного кремния на поверхность слоя железа рассчитывается по формуле
где dFel и ρFe - толщина и атомная плотность Fe;
и 
- толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO2;
ρSi - атомная плотность кремния.
5. Способ формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл по п.4, отличающийся тем, что получают слой оксида кремния толщиной 2-3 нм.
6. Способ формирования магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя осажденного кремния на слой оксида кремния рассчитывается по формуле
где dFel и ρFe - толщина и атомная плотность Fe;
и 
- толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO2;
ρSi - атомная плотность кремния.
7. Структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, при этом туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2, отличающаяся тем, что структура получена способом по любому из пп.1-5.
8. Структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, при этом туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2, отличающаяся тем, что свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке, а слой с фиксированной намагниченностью расположен на туннельном изолирующем слое, при этом оба слоя выполнены из ферромагнитного силицида железа.
9. Структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл по п.8, отличающаяся тем, что свободно перемагничивающийся слой выполнен из ферромагнитного силицида железа типа Fe3Si.
10. Структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл по п.8, отличающаяся тем, что слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитного силицида железа типа Fe3Si.
11. Структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, при этом туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2, отличающаяся тем, что свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке, а слой с фиксированной намагниченностью расположен на туннельном изолирующем слое, при этом оба слоя выполнены из ферромагнитного силицида железа типа Fe3Si.
