Способ формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа и структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты)

Способ формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа и структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 использования 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 СrO₂ или RXMnO3-y (R: редкоземельные, X: Са, Ва или Sr), или сплав Heusler, типа MiMnSb или PtMnSb. Эти магнитные вещества могут содержать маленькое количество немагнитного элемента, типа Аg, Сu, Аu, Аl, Мg, Si, Bi, Та, В, С, О, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Мо или Nb, если они не теряют ферромагнетизм. Туннельный запирающий слой сформирован из одного из различных диэлектриков, например, Аl₂O₃, SiO₂, MgO, AlN, Вi₂O₃, MgF₂, CaF₂, SrTiO₂ и AlLaO₃. Верхний ферромагнитный слой и более низкий ферромагнитный слой сформированы из, например, Fe, Co, Ni или их сплавов, магнетитов, имеющих большую спин-поляризацию, окисей, типа СrO₂ или RXMnO3-y (R: редкоземельные, X: Са, Ва или Sr), или сплав Heusler, типа MiMnSb или PtMnSb. Немагнитные слои сформированы из одного из различных диэлектриков, например, Аl₂O₃, SiO₂, MgO, AlN, 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 №US2005277206, опубл. 2005-12-15), который 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 незащищен; свободно перемагничивающийся слой представлен электрически и магнитно недействующим во второй области; формирование проводящей линии, связывающейся в 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 Аl₂O₃, 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 комбинаций 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 (ТаN), 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 формирование ферромагнитного электрода, выполненного в виде свободного перемагничивающегося слоя, в контакте с туннельным барьером с высокой характеристикой гладкости, отсутствием парамагнитной фазы при упрощении метода получения магнитных туннельных переходов, простоте интеграции в существующую (кремниевую) технологию изготовления элементов памяти и также удешевлении процесса при сохранении конкурентоспособных характеристик.

Данная задача решается созданием способа формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, включающем 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, в котором для формирования магнитного туннельного перехода 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 формируют слой ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-800°С, затем слой с фиксированной намагниченностью формируют на туннельном изолирующем слое.

Кроме того, слой железа осаждают методом импульсного лазерного осаждения.

Кроме того, слой железа осаждают методом термического осаждения. Кроме того, толщину слоя осаждаемого кремния рассчитывают по формуле:

где d и ρ - толщина и атомная плотность Fe, d_SiO2 и ρ_SiO2 - толщина и молекулярная плотность оксида кремния _SiO2, ρ₁ - атомная плотность кремния.

Кроме того, формируют слой оксида кремния толщиной 2-3 нм.

Данная задача также по варианту 2 решается созданием структуры магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем, и слоем с фиксированной намагниченностью, в котором свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке и выполнен из ферромагнитного силицида железа, слой с фиксированной намагниченностью, выполненный из ферромагнитных материалов, расположен на туннельном изолирующем слое, а туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO₂.

Кроме того, свободно перемагничивающийся слой выполнен из ферромагнитного силицида железа Fe₃Si.

Кроме того, слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитных материалов, выбранных из группы, содержащей Ni, Co, Fe.

Данная задача также по варианту 3 решается созданием структуры магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем, и слоем с фиксированной намагниченностью, в котором свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке и выполнен из ферромагнитного силицида железа Fe₃Si, слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитных материалов, выбранных из группы, содержащей Ni, Со, Fe, а туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO₂.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема этапов формирования магнитного туннельного перехода.

На фиг.2 изображена принципиальная схема исследовательского комплекса ИЛО-РФЭС 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.

Осуществление изобретения

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.

Способ осуществляется следующим образом.

Туннельный изолирующий слой (фиг.1) формируют при помощи реакции окисления тонкого слоя кремния в активированном кислороде. В процессе окисления кремния в плазме тлеющего разряда в течении времени от 1-30 минут на поверхности кремния образуется слой оксида толщиной 2 нм (максимум 3нм), 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. 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 400-800°С. Окончательно наносят верхний ферромагнитный слой толщиной, при которой обеспечивается различие в коэрцитивных силах ферромагнитных слоев - с целью достижения независимого перемагничивания слоев. Верхний ферромагнитный слой формируется осаждением соответствующего слоя ферромагнитного материала непосредственно на туннельный изолирующий слой, например методом импульсного лазерного осаждения или методом термического осаждения.

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, а слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитных материалов, выбранных из группы, содержащей Mi, Co, Fe, и расположен на туннельном изолирующем слое.

Данным способом формирования получена структура магнитного туннельного перехода Fe₃Si/SiO₂/Co, которая обеспечивает существенное магнитосопротивление - эффект на котором работает магнитный туннельный переход и который основан на различии туннельного тока в случае параллельной и антипараллельной намагниченности слоев. 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 (вакуум 10^-6 Па).

2-й шаг. На подложку 5 в вакууме (10^-6 Па) осаждается слой Fe слой толщиной порядка 10-15 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. На поверхность Fe в вакууме (10^-6 Па) при комнатной температуре осаждается слой Si толщины d₁ достаточной для проведения двух процессов: окисления Si с целью создания туннельного барьера и проведения твердофазной реакции Si-Fe образования ферромагнитного силицида. Т.о. толщина d₁ рассчитывается по формуле:

где d и ρ - толщина и атомная плотность Fe, d_SiO2 и р_SiO2 - толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO₂, ρ₁ - атомная плотность кремния.

4-й шаг. Окисление поверхности осажденного Si путем окисления в плазме тлеющего разряда (Р_{кислорода}=10÷1 Па) при комнатной температуре. При этом толщина слоя лимитируется диффундированием кислорода при комнатной температуре и имеет величину (2 нм).

5-й шаг. Формирование слоя ферромагнитного силицида (Fe₃Si) под слоем оксида кремния путем твердофазной реакции в диапазоне температур 400-650°С. При этом при температурах около 400°С формирование силицида занимает большое время (порядка десятков часов), чем при более высоких температурах 470-650°С (порядка минут), но при этом шероховатость слоя при температуре 400°С - 0,5 нм, при температуре 550°С - 0,8 нм, при температуре 650° - 1,0 нм.

Данная система Fe₃Si/SiO₂ дает ряд 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.

6-й шаг. Нанесение верхнего ферромагнитного электрода, например Со толщиной (50-200 нм).

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 тоже 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 структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, 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, отличающийся тем, что для формирования магнитного туннельного перехода 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 формируют слой ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-800°С, затем слой с фиксированной намагниченностью формируют на туннельном изолирующем слое.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой железа осаждают методом импульсного лазерного осаждения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой железа осаждают методом термического осаждения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя осаждаемого кремния рассчитывают по формуле: где d и р - толщина и атомная плотность Fe, и - толщина и молекулярная плотность оксида кремния SiO₂, p₁ - атомная плотность кремния.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что формируют слой оксида кремния толщиной 2-3 нм.

6. Структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, отличающаяся тем, что структура получена способом по любому из пп.1-5.

7. Структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, отличающаяся тем, что свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке и выполнен из ферромагнитного силицида железа, слой с фиксированной намагниченностью, выполненный из ферромагнитных материалов, расположен на туннельном изолирующем слое, а туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO₂.

8. Структура магнитного туннельного перехода по п.7, отличающаяся тем, что свободно перемагничивающийся слой выполнен из ферромагнитного силицида железа Fe₃Si.

9. Структура магнитного туннельного перехода по п.7, отличающаяся тем, что слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитных материалов, выбранных из группы, содержащей Ni, Со, Fe.

10. Структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, содержащая подложку, свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, отличающаяся тем, что свободно перемагничивающийся слой расположен на подложке и выполнен из ферромагнитного силицида железа Fe₃Si, слой с фиксированной намагниченностью выполнен из ферромагнитных материалов, выбранных из группы, содержащей Ni, Co, Fe, а туннельный изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO₂.