Способ формирования магниторезистивного элемента памяти на основе туннельного перехода и его структура

Способ формирования магниторезистивного элемента памяти на основе туннельного перехода и его структура

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для формирования постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), а также в качестве датчиков магнитного поля.

Известны разработки ячейки памяти, или запоминающей ячейки (ЗЯ), основанной на эффекте туннельного магнетосопротивления, так называемой «MRAM» (Magnetic random access memory). «MRAM» сочетают высокую пропускную способность памяти и энергонезависимость при малой потребляемой мощности и высокой радиационной стойкости /1-2/.

Физической основой «MRAM» являются субмикронные многослойные структуры из магнитных и немагнитных материалов, изменяющие свое магнитное состояние и электропроводность под действием внешнего магнитного поля. Два противоположных направления намагниченности одного из магнитных слоев соответствуют записи логических «1» и «0». На кристалле располагается множество ячеек, способных сохранять цифровую информацию без питания. ЗЯ состоит из двух сверхтонких ферромагнитных пленок, разделенных слоем материала с низкой проводимостью (например, TaN), а также пленок сложного состава, вытравленных в виде плоских проводников (полосок, шин).

Открытое в 1988 году при исследовании свойств сверхтонких многослойных структур, состоящих из чередующих слоев ферромагнитного (Fe, Со) и немагнитного (Cu, Ag) или антиферромагнитного (Cr, Mn) металлов, гигантское магнитосопротивление («GMR») позволило значительно повысить скорость считывания и записи информации в ячейках «MRAM». Толщина каждого слоя составляла несколько десятков ангстрем. Минимально возможное число слоев, при котором наблюдается эффект, это три-два ферромагнитных слоя, разделенных немагнитной прослойкой.

Сегодня наиболее перспективными считаются два основных элемента - псевдоспиновый вентиль («PSV» - Pseudo-Spin Valve) и ячейки на основе туннельного эффекта («SDT» - Spin Depending Tunneling, или «MTJ» - Magnetic Tunnel Junction). В приборах магнитной памяти для хранения цифровой информации используется явление гистерезиса.

В ячейках «SDT» (Фиг.1) ферромагнитные слои разделены диэлектриком (в структурах «PSV» промежуточный слой медный). Для электронов проводимости ферромагнитных слоев этот слой является потенциальным барьером. Если его толщина составляет десяток ангстрем, то существует заметная вероятность туннелирования электронов из одного ферромагнитного слоя в другой. Именно этими процессами обусловлено наличие тока в направлении, перпендикулярном слоям. Оказалось, что туннельный ток больше, а сопротивление слоев меньше, когда намагниченности ферромагнитных слоев параллельны. При этом в результате туннелирования электронов большинство (меньшинство) остается таковым и после туннелирования. Поэтому при антипараллельной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоев сопротивление в направлении, перпендикулярном слоям, больше, чем при параллельной ориентации намагниченностей, теоретически на 45%. Взаимодействие ферромагнитных слоев через диэлектрическую прослойку намного слабее, чем через проводящую прослойку. Оно обусловлено только электронами, туннелирующими через диэлектрический барьер. Если это взаимодействие приводит к антиферромагнитному упорядочению намагниченностей, то прикладывая к системе магнитное поле, можно изменить ориентацию намагниченностей с антипараллельной на параллельную. Такая переориентация сопровождается падением сопротивления. Это явление носит название туннельного магнитосопротивления.

Ячейки памяти «MRAM» памяти на эффекте «SDT» обеспечивают изменение магнитосопротивления до 40% по сравнению с 6…9% для структур «PSV». Однако сопротивление ячеек «SDT», в отличие от «PSV», составляет тысячи Ом, при этом напряжение пробоя диэлектрического слоя не превышает 1…2 В. Это накладывает ограничения на величину тока через прибор, не более 1 мА, что недостаточно для надежного переключения ячеек. Кроме того, необходимы дополнительные внешние контакты, что снижает плотность компоновки по сравнению с ячейками «PSV».

Сопротивления магнитного туннельного перехода («MTJ») для этих двух состояний отличались не достаточно сильно (на 15-30%) С ростом объемов матрицы памяти и уменьшением физических размеров ячейки сокращаются интервалы между проводниками и усиливается влияние магнитного поля на состояние соседних ячеек. Понятно, что никакого эффективного экранирования внутри кристалла практически реализовать невозможно. Было нелегко выполнить жесткие требования к качеству материалов, стабильности и повторяемости технологических процессов.

Для устранения вышеуказанных недостатков специалистами фирмы «Motorola» («Freescale») была предложена новая структура ячейки памяти «MRAM». В этой структуре запоминающей ячейки (ЗЯ) нет «полувыбраных» битов. Благодаря применению новой структуры свободного слоя, иной ориентации бита и специальной последовательности токовых импульсов, состояние разряда в массиве ЗЯ может быть запрограммировано в «переключательном» режиме, названном в честь его изобретателя «методом Савченко» (Фиг.2). Переключательным новый метод назван потому, что одна и та же токовая импульсная последовательность используется как для записи «0», так и для записи «1». И всякий раз состояние свободного магнитного слоя переключается в противоположное магнитное состояние. Этот тип переключения значительно отличается от «обычного», где магнитный момент свободного слоя просто следовал за состоянием прикладываемого поля.

Во время операции установки бита магнитный вектор свободного слоя принимает одно из двух возможных состояний. Направление вектора поля задается с помощью внутренних медных проводников, расположенных в перпендикулярных направлениях относительно друг друга на вершине и в основании структуры «MTJ». Импульсы тока, протекающего через перпендикулярно расположенные медные проводники, создают магнитное поле, которое изменяет намагниченность свободного слоя той битовой ячейки, которая находится в области перекрещивания проводников (Фиг.2).

Такая трехслойная структура повышает скорость и стабильность операций стирания/записи, однако требует более высокого тока для выполнения этих операций, чем ячейки традиционной памяти.

Режим переключения Савченко основан на уникальном поведении составного антиферромагнитного свободного слоя («SAF»), который формируется из двух ферромагнитных слоев, разделенных тончайшей немагнитной прослойкой, связывающей их вместе. Общие принципы формирования магнитного туннельного перехода «MTJ» и структура этого «слоеного пирога», образующего вместе со стабильным слоем, имеющим неизменный магнитный момент, магнитный туннельный переход, приведены на Фиг.3 в Приложении «А».

Следует отметить основные недостатки технологии «MRAM»: большой ток записи; нестабильность магнитных параметров ячеек памяти; температурная нестабильность ячеек памяти; технологические проблемы. Еще одна проблема - необходимость использовать при создании «MRAM» низкотемпературных процессов, не более 300°С. При совместном изготовлении с приборами технологии CMOS, ячейки «MRAM» возможно изготавливать только в конце процесса.

Известно изобретение /3/, в котором содержится способ формирования магнитного туннельного перехода («MTJ») для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, 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 Al₂O₃, имеющего толщину приблизительно 1 нм. Другие материалы, доступные для использования в качестве туннельноо запирающего слоя, включают окисиды магния, окисиды кремния, нитриды кремния и карбиды кремния; окисиды, нитриды и карбиды других элементов или комбинаций элементов и другие материалы, включением или формированием из полупроводниковых материалов, свободно перемагничивающийся слой сформирован внесением на туннельный изолирующий слой слоя N/Fe, имеющего толщину приблизительно 5 нм. После этого проводящий запирающий слой нитрида тантала (TaN), имеющего толщину приблизительно 5 нм, сформирован осаждением. Этот слой TaN служит, чтобы защитить слой N/Fe в течение последующей обработки и обеспечить сцепление для одного или более впоследствии сформированных слоев. Альтернативно N/Co/Fe, аморфный Co/Fe/B и подобные ферромагнетики могут использоваться вместо N/Fe, как ферромагнитная часть свободного слоя. В альтернативном воплощении свободный слой может быть сформирован из большего, 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, и, следовательно, ведет к ухудшению важнейшего параметра магнитного туннельного перехода - величины магнитосопротивления.

В качестве наиболее близкого технического решения к предлагаемому и выбранному в качестве прототипа, является способ формирования и структура ячейки памяти «MTJ» для «MRAM» /4/, включающий формирование «MTJ» на подложке, имеющего свободно перемагничивающийся слой («СС»), слой с фиксированной намагниченностью («ФС») и туннельный изолирующий слой, расположенный между «СС» и «ФС», в котором для формирования «MTJ» на подложку в вакууме осаждают слой Fe при комнатной температуре, затем на поверхность слоя Fe в вакууме осаждают слой Si при комнатной температуре, далее осуществляют окисление поверхности осажденного Si 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.

Недостатком способа /4/ является неопределенность в выборе подложки для формирования магниторезистивного элемента, что не позволяет применить его для интеграции элемента «SDT-MRAM» в большие интегральные схемы (БИС) технологии КМОП. Другим недостатком является ограничение возможности проверки качества изготовленных элементов инструментальными методами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являлось:

- создание магниторезистивного элемента памяти, состоящего из двух ферромагнитных пленок, разделенных туннельно-прозрачным диэлектрическим барьером (латеральные размеры элемента должны составлять 0,1-1 мкм) с возможностью интеграции в БИС планарной технологии КМОП/КНД;

- исследование возможности изменения электросопротивления элемента «MTJ» с достаточным уровнем изменения магниторезистивного сопротивления для промышленной реализации путем перемагничивания одного из ферромагнитных слоев внешним магнитным полем.

Перечень решаемых проблем, определяющих конструкцию и способ создания магниторезистивного элемента, формулируется следующим образом:

- геометрия контактных площадок, способ контакта к ним и способ их изготовления;

- способ изготовления многослойных магнитных частиц и формирование контактных электродов;

- однородность намагниченности магнитных электродов;

- формирование двух устойчивых состояний и создание магнитожесткого магнитного слоя.

- оптимизация толщины туннельной прослойки между ферромагнитными электродами;

- технология изготовления магниторезистивного элемента и состав оборудования. Технический результат достигается тем, что в способе формирования

магниторезистивного элемента памяти на основе туннельного перехода, включающем нанесение на подложку магниторезистивной структуры, включающей свободный и связанный магнитные слои, разделенные диэлектрической туннельной прослойкой с последующим формированием структуры элемента памяти, с целью последующей интеграции элемента в структуру БИС технологии КМОП, перед нанесением магниторезистивной структуры на поверхность подложки для формирования нижнего немагнитного проводящего электрода методом магнетронного распыления наносят многослойную структуру Au/Та, а элемент памяти получают путем формирования структуры Au/Та/Со/ТаО_х/Со/Au методом планарной технологии.

Для обеспечения сопрягаемости магниторезистивных элементов с подложкой и формирования нижней токопроводящей шины, структуру Au/Та формируют методом магнетронного рапыления с суммарной толщиной 40 нм при периоде 8 нм.

С целью формирования связанного магнитного слоя, на поверхность многослойной структуры Au/Та методом магнетронного распыления наносят первый ферромагнитный слой Со толщиной около 15 нм.

Для формирования диэлектрической туннельной прослойки между свободным и связанным магнитными слоями, первый ферромагнитный слой Со покрывают тонким слоем Та, толщиной около 2 нм, проводят естественное окисление слоя Та путем развакуумирования рабочей камеры магнетронной установки.

С целью формирования свободного магнитного слоя, на поверхность окисленного тантала ТаО_х методом магнетронного распыления наносят второй ферромагнитный слой Со толщиной около 15 нм, затем слой Аu толщиной около 40 нм для создания верхней токопроводящей разрядной шины.

Для формирования из структуры Au/Ta/Co/Ta_x/Co/Au многослойных магнитных частиц, на поверхность слоя Аu наносят слой негативного электронного резиста.

С целью повышения стойкости нижнего слоя резиста, проводят его термическую обработку.

Для формирования из структуры Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au многослойных магнитных частиц, на поверхность нижнего слоя резиста наносят дополнительную многослойную металлическую маску Cu/V/Cu, затем на нее наносят на места формирования будущих магнитных частиц стандартный негативный электронный резист ФП-9102 на основе магнитных частиц, стандартный негативный электронный резист ФП-9102 на основе фенол-альдегидных смол, и далее полученная структура засвечивается электронным пучком литографической системы.

С целью формирования островков в верхнем слое маски, производят последовательное травление слоев металлической маски, в процессе которого медь удаляют ионным травлением в атмосфере аргона, ванадий в атмосфере фреона, при этом используют нижний слой меди в качестве «стоп-слоя», который затем подвергают ионному травлению в атмосфере аргона.

Для формирования латеральной формы будущих магнитных частиц, со всей поверхности структуры, за исключением областей, покрытых Cu/V, удаляют термически обработанный нижний слой резиста с помощью ионного травления в атмосфере кислорода.

С целью формирования многослойной магниторезистивной частицы Au/Та/Со/ТаО_х/Со/Au, проводят ионное травление ферромагнитной структуры Au/Та/Со/TaO_xCo/Au/резист/V в атмосфере аргона в маске V, которое останавливают без сильного углубления в нижний слой структуры Аu/Та.

Для разделения нижней и верхней контактной площадок магнитных частиц, их окружают слоем диэлектрика, для чего на всю поверхность устройства наносят слой диэлектрика Ta₂O₅ толщиной, равной толщине слоя Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au и составляющей порядка 70 нм.

С целью формирования магнитных частиц, упакованных в диэлектрическую матрицу и имеющих выход на поверхность, проводят процесс обратной литографии («lift-off»), в ходе которого оставшуюся маску с термически обработанным резистом на поверхности магнитных частиц удаляют в специальном растворе щелочи.

С целью расширения верхней контактной площадки для лабораторных исследований электрофизических характеристик магнитных частиц, для исключения возможных пробоев между верхним и нижним электродами увеличение контактной площадки проводят в два этапа методом фотолитографии, для чего на первом этапе на поверхность образца наносят с использованием «темного» фотошаблона позитивный фоторезист ФП-9102 для ультрафиолетовой фотолитографии, в ультрафиолете экспонируют всю площадь устройства, за исключением круглого окна с диаметром 20 мкм, причем это окно позиционируют таким образом, чтобы в центре окна находилась магнитная частица, затем экспонированный резист удаляют и на всю поверхность устройства наносят диэлектрик Ta₂O₅ толщиной 100 нм, затем удаляют остатки резиста, покрытого слоем диэлектрика.

Для перекрытия возможных геометрических дефектов фотошаблона, на втором этапе фотолитографии фотошаблон поворачивают на 90° и повторяют операции двухэтапной фотолитографии.

С целью формирования круглой контактной площадки диаметром 400 мкм, на всю поверхность структуры наносят трехслойную металлическую пленку Cu/Та/Au и покрывают ее слоем резиста, затем в резисте с использованием «темного» фотошаблона формируют рисунок контактной площадки в виде круга диаметром 400 мкм, удаляют резист вне круга, далее проводят удаление металлической проводящей маски, не закрытой резистом, с помощью реактивного травления и потом удаляют остатки маски резиста.

Для увеличения коэрцитивного магнитного поля ферромагнитной пленки, при формировании первого и второго ферромагнитных слоев используют гранулированный ферромагнетик в качестве подслоя, пиннингующего намагниченность.

С целью фиксации намагниченности пленки кобальта, используют известный распадающийся раствор металлов Со-Cu.

Для формирования магниторезистивного элемента на основе туннельного перехода, структура получена способом, описанным выше.

С целью получения максимального при реализации вышеприведенного способа магниторезистивного эффекта, структура Au/Та/Со/TaO_X/Со/Au, содержащая подложку, связанный магнитный слой, свободный магнитный слой и туннельный изолирующий слой, дополнительно содержит слой, сопрягающий магниторезистивный элемент с подложкой, выполненный на основе многослойной гетероструктуры Au/Со (толщиной 40 нм), сверху на слое Au/Со расположен слой со связанной намагниченностью, выполненный на основе Со(толщиной 15 нм), слой со свободной намагниченностью, выполненный из Со (толщиной 15 нм), расположен на туннельном изолирующем слое, расположенном между слоями со связанной и свободной намагниченностью, а туннельный изолирующий слой выполнен на структуре ТаО_х (толщиной 2-4 нм), поверх которого расположен проводящий слой Au (толщиной 40 нм).

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 показана структура ячейки памяти ИМС 1T1MTJ «MRAM» фирмы «Motorola» («Freescale»): (1-1) - шина записи/считывания (Word); (1-2) - шина данных (Sense); (1-3) - I_S - ток считывания данных; (1-4) - «0»↔«1» - полярность тока записи/считывания; (1-5) - «0»←; →«1» - полярность вектора намагниченности.

На Фиг.2 показано 3-D изображение ячейки «SDT-MRAM» («МЛ»)конструкции Савченко: (2-1) - ячейка «MTJ»; (2-2) - разрядная шина; (2-3) - магнитное поле; (2-4) шина слов; (2-5) - ток считывания; (2-6) - транзистор МОП («ВКЛ» при считывании, «ОТКЛ» при записи); (2-7) - компаратор; (2-8) - выходные данные; (2-9) - I_REF - опорный источник.

На Фиг.3 показано поперечное сечение элемента «MTJ» с эффектом «пиннинга»: (3-1) - верхний электрод; (3-2) - составной магнитный слой; (3-3) - сенсорный слой; (3-4) -магнитный барьер; (3-5) - магнитный слой; (3-6) - эталонный слой; (3-7) - Pinning; (3-8) -базовый электрод.

На Фиг.4 представлена эволюция архитектуры «MTJ», конструированная под «MRAM»: (а) базисная структура «MTJ»; (б) структура «MTJ» с ферромагнитным слоем, запинингованным, на антиферромагнетике;(с) структура «MTJ» с ферромагнитным слоем, запинингованным, на искусственном антиферромагнетике; (d) структура «MTJ», в котором оба электрода содержат пары слоев: (4-1) - магнитный СС; (4-2) - пиннингуемый магнитный слой; (4-3) - пленка туннельного барьера; (4-4) - пленка, содержащая Ru; (4-5) - антиферромагнитная пленка со смещением; (4-6) - прослойки; (4-7) - засеянные пленки; (4-8) - подложка.

Фиг.5. Многослойная структура Au/Та для «MRAM».

Фиг.6. Формировании нижнего немагнитного проводящего электрода для «MRAM».

Фиг.7. Нанесение слоев ферромагнетика Со и Та для «MRAM»..

Фиг.8. Естественное окисление и нанесение второго ферромагнитного слоя Со и слоев ТаО_х и Аu для «MRAM».

Фиг.9. Нанесение комбинированной маски P1/Cu/V/Cu/Р2 для «MRAM».

Фиг.10. Экспонирование структуры электронным пучком литографической системы с последующим травлением для «MRAM».

Фиг.11. Последовательное травление слоев металлической маски для «MRAM».

Фиг.12. Ионное травление термически обработанного резиста Р1 для «MRAM».

Фиг.13. Ионное травление ферромагнитной структуры

Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au/Pl/Cu/V для «MRAM».

Фиг.14. Осаждение слоя диэлектрика Ta₂O₅ для создания изолированных ячеек «MRAM».

Фиг.15. Сформированные магнитные ячейки в окружении диэлектрика для «MRAM».

Фиг.16. Изображение образца на атомно-силовом микроскопе (АСМ) в нулевом магнитном поле; (а) после намагничивания в поле -650 Э; (б) после намагничивания в поле +220 Э.

Фиг.17. Основные (а)-(в) этапы изготовления магниторезистивного элемента с увеличенными контактными электродами; (г) изображение решетки магниторезистивных контактов с контактными площадками; (д) изображение одного магниторезистивного элемента с верхней контактной площадкой.

На Фиг.18. показана кривая намагничивания (а) пленки Со, толщиной 15 нм, (б) пленки Со, толщиной 15 нм с подслоем Co_0.5Cu_0.5 (пунктирная линия) и двухслойной магнитной структурой.

На Фиг.19. представлено изображение на АСМ частиц с размерами 500×250 нм. Исследовавшийся модуль выделен белым кругом.

На Фиг.20. Изготовленные многослойные магнитные структуры.

На Фиг.21. Этап травления (ионное (Ar)+ плазмохимическое (фреон)).

На Фиг.22. Изображение структуры во вторичных электронах. Резистивная и промежуточная металлическая маски.

На Фиг.23. Изображение во вторичных электронах. Маска из резиста ФП9120.

На Фиг.24. Поперечное сечение нескольких магнитных структур с изоляцией Ta₂O₅ между структурами.

На Фиг.25. Изображение многослойной частицы во вторичных электронах.

На Фиг.26. Вид магнитной структуры: (а) - перед нанесением слоя изолятора (фон -нижний контакт из Au/Та), (б) - после нанесения изолятора и проведения процедуры «lift-off» (верхний контакт из Au).

На Фиг.27. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) магнитной частицы Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au.

На Фиг.28. Форма (а) и профиль (б) кратера травления структуры Au/Со/Та ионами Cs, с энергией 1 кэВ и растром 350×350 мкм. Видимая цифра «2», видимая на Фиг.21-а), была вытравлена пучком ионов Bi в непрерывном режиме рядом с кратером.

На Фиг.29. Распределение элементов Si, Со, Та, Та к Au по тощине структуры и схематичное восстановленное изображение структуры.

На Фиг.30. Распределение элементов в структуре в линейном масштабе, нормированное на максимальное значение.

На Фиг.31. Распределение интенсивности ионов Та^-, ТаО^- и Si^- в структуре.

На Фиг.32. Распределение интенсивности ионов Со₁ ^-, Со₂ ^- и Co₃ ^- в структуре.

На Фиг.33. Распределение элементов примеси в структуре.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Разработанный и оптимизированный способ изготовления магниторезистивного элемента представляет собой следующие операции: вначале для создания промежуточного слоя, обеспечивающего сопрягаемость магниторезистивных элементов с подложкой и формирование нижней токопроводящей разрядной шины, на подложке формируют методом магнетронного распыления в вакууме многослойную структуру Au/Та с суммарной толщиной 40 нм при периоде 8 нм (Фиг.5). Для формирования нижнего связанного магнитного слоя, на поверхность многослойной структуры Au/Та (Фиг.6) методом магнетронного распыления наносят первый ферромагнитный слой Со толщиной около 15 нм, и покрывают тонким слоем Та, толщиной около 2 нм (Фиг.7). На Фиг.6 показан адгезионный слой TaSi₂, который возникает при нанесении гетероструктуры Au/Та на поверхность подложки из полупроводникового материала, например, Si (для упрощения на следующих рисунках не показан). Для формирования диэлектрической прослойки между свободным и связанным магнитными слоями проводят естественное окисление слоя Та путем развакуумирования камеры. Для формирования свободного магнитного слоя на поверхность окисленного тантала ТаО_х методом магнетронного распыления наносят второй ферромагнитный слой Со толщиной около 15 нм, затем слой Аu толщиной около 40 нм для создания верхней токопроводящей разрядной шины (Фиг.8). Для формирования из структуры Au/Та/Со/ТаО_х/Со/Au многослойных магнитных частиц, на поверхность слоя Аu наносят слой негативного электронного резиста PL Далее проводят термическую обработку слоя резиста. Для формирования из структуры Au/Та/Со/ТаО_х/Со/Au многослойных магнитных частиц на поверхность нижнего слоя резиста Р1 наносят дополнительную многослойную металлическую маску Cu/V/Cu, затем на нее наносят на места формирования будущих магнитных частиц стандартный негативный электронный резист Р2 ФП-9102 (Фиг.9) на основе фенол-альдегидных смол, и далее полученная структура засвечивается электронным пучком литографической системы. Формирование островков в верхнем слое маски производят последовательным травлением слоев металлической маски Cu/V/Cu на Фиг.10, в процессе которого медь удаляют ионным травлением в атмосфере аргона, ванадий в атмосфере фреона, при этом используют нижний слой меди, а в качестве «стоп-слоя», который затем подвергают ионному травлению в атмосфере аргона (Фиг.11). При формировании латеральной формы будущих магнитных частиц, со всей поверхности устройства, за исключением областей, покрытых Cu/V, удаляют термически обработанный нижний слой резиста с помощью ионного травления в атмосфере кислорода (Фиг.12). Для формирования магнитной многослойной частицы Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au, проводят ионное травление структуры Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au/Pl/Cu/Vb в атмосфере аргона в маске V, которое останавливают без сильного углубления в нижний слой структуры Au/Та (Фиг.13). Для разделения нижней и верхней контактной площадок магнитных частиц, их окружают слоем диэлектрика, для чего на всю поверхность устройства наносят слой диэлектрика Та₂О₅ толщиной, равной толщине слоя Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au и составляющей порядка 70 нм (Фиг.14). Для формирования магнитных частиц, упакованных в диэлектрическую матрицу и имеющих выход на поверхность, проводят процесс «lift-off», в ходе которого оставшаяся маска с термически обработанным резистом на поверхности магнитных частиц удаляется в специальном растворе щелочи (аналог «remover») (Фиг.15). Для расширения верхней контактной площадки для лабораторных исследований электрофизических характеристик магнитных частиц, для исключения возможных пробоев между верхним и нижнем электродами увеличение контактной площадки проводят в два этапа методами фотолитографии. На первом этапе на поверхность образца наносят с использованием «темного» фотошаблона позитивный фоторезист ФП-9102 для ультрафиолетовой фотолитографии, в ультрафиолете экспонируют всю площадь устройства, за исключением круглого окна с диаметром 20 мкм, причем это окно позиционируют таким образом, чтобы в центре окна находилась магнитная частица. Затем экспонированный резист удаляют и на всю поверхность устройства наносят диэлектрик Та₂О₅ толщиной 100 нм, далее удаляют остатки резиста, покрытого слоем диэлектрика. На втором этапе фотолиторафии фотошаблон поворачивают на 90° и вышеописанные операции повторяют (Фиг.17-в) и Фиг.17-д)).

Чтобы сформировать круглую контактную площадку диаметром 400 мкм, на всю поверхность устройства наносят трехслойную металлическую пленку Сu/Та/Au и покрывают ее слоем резиста, затем в резисте с использованием «темного» фотошаблона формируют рисунок контактной площадки в виде круга диаметром 400 мкм, удаляют резист вне круга, далее проводят удаление металлической проводящей маски Аu/Та, не закрытой резистом, с помощью реактивного травления и потом удаляют остатки маски резиста (Фиг.17-в)).

Для увеличения магнитного гистерезиса ферромагнитной пленки, при формировании магнитных элементов используют гранулированный ферромагнетик в качестве подслоя, пиннингующего намагниченность.

Для фиксации намагниченности пленки кобальта, используют известный распадающийся раствор металлов Со-Cu.

Таким образом, способом, предложенным выше, формируется структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа, содержащая подложку, связанный магнитный слой, свободный магнитный слой и туннельный изолирующий слой, расположенный между ними, дополнительно содержащий слой, сопрягающий магниторезистивный элемент с подложкой, выполненный на основе гетероструктуры Au/Та (40 нм), сверху на слое Au/Та расположен слой со связанной намагниченностьью, выполненный из Со (15 нм), слой со свободной намагниченностью, выполненный из Со (15 нм), расположен на туннельном изолирующем слое, расположенном между слоями со связанной и свободной намагниченностью, а туннельный изолирующий слой выполнен на структуре ТаО_х (2-4 нм), поверх которого нанесен проводящий слой Аu (40 нм). Пример конкретной реализации.

Разработанную и оптимизированную методику изготовления магниторезистивного элемента можно описать следующим образом: на проводящем подслое Au/Та (Фиг.5), нанесенном на подложку (Фиг.6), формируются частицы из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц. Диэлектрическая прослойка формировалась естественным окислением тонкой пленки 71а, с помощью напуска кислорода в камеру. Для возможности хорошего контакта верхний и нижний слой магнитной частицы покрыт Au. Затем весь образец покрывался слоем диэлектрика Ta₂O₅, и он удалялся с верхушек частиц «взрывом» оставшейся после ионного травления маски. Таким образом, двухслойные ферромагнитные частицы были помещены в диэлектрическую матрицу, и верхний слой частиц Аu имел выход на поверхность. Далее было проведено последовательное расширение контактных площадок с субмикронных размеров частицы до 400 микрон для реализации возможности измерений величины магниторезистивного сопротивления.

Для того чтобы магниторезистивный элемент мог служить ячейкой памяти, в нем должно быть устойчиво только два магнитных состояния, соответствующих «0» и «1». Предложено сделать магнитную часть магниторезистивного элемента в виде тонкой трехслойной эллиптической частицы с субмикронными латеральными размерами, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенным тонким немагнитным диэлектрическим слоем. Подобное предложение не является оригинальным (например, см. /5, в/).

Анизотропия формы создает легкую ось по длинной оси эллипса. При подходящем выборе геометрических параметров частицы, в соотношении латеральных размеров и толщины каждый из магнитных слоев частицы будет всегда однородно намагничен вдоль легкой оси анизотропии. В этом случае возможна реализация двух состояний с ферромагнитным и антиферромагнитным упорядочиванием между слоями. Необходимо подчеркнуть, что антиферромагнитное состояние может быть реализовано двумя способами: либо на магнитостатическом взаимодействии между слоями частиц, либо при формировании магнитомягкого «СС» и магнитожесткого (высококоэрцитивного) «ФС». Были предприняты попытки реализовать антиферромагнитное упорядочивание обоими способами. Ферромагнитное упорядочивание между слоями всегда может быть достигнуто в больших полях намагничивания.

Изготовление магниторезистивного элемента можно условно разбить на две части. Первая, это изготовление основной части элемента - двухслойной ферромагнитной частицы, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким немагнитным диэлектрическим слоем. Вторая, это изготовление электродов к частице, обеспечивающих возможность пропускания тока через магнитную частицу (магниторезистивный элемент).

Выбранные латеральные размеры элемента должны составлять 0,1-1 мкм. Изготовление ферромагнитных частиц с подобными размерами проводилось методами электронной литографии с использованием процесса «lift-off» (отслаивание, или обратная «взрывная» литография).

Основные этапы способа изготовления магниторезистивного элемента представлены на Фиг.5-15.

С использованием вышеописанной методики был изготовлен образец, состоящий из 9 модулей ферромагнитных частиц. Общий вид образца приведен на Фиг.16.

Изготовление контактных площадок проводилось методами фотолитографии. Были изготовлены для проведения этой операции шаблоны, используя которые на одной подложке можно было сформировать решетку 10×10 магниторезистивных элементов.

В предлагаемом способе изготовления магнитного элемента на проводящем подслое Au/Та (Фиг.5) формировались частицы из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Та/Со/TaO_x/Со/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц. Диэлектрическая прослойка формировалась естественным окислением тонкой пленки Та, с помощью напуска атмосферы в камеру. Для возможности хорошего контакта верхний магнитный слой частицы был покрыт Au. Затем весь образец покрывался слоем диэлектрика Ta₂O₅, который удалялся с верхушек частиц «взрывом» оставшейся после ионного травления маски. Таким образом, двухслойные ферромагнитные частицы были помещены в диэлектрическую матрицу, верхний золотой слой частиц имел выход на поверхность (Фиг.15). Выполнялось последовательное расширение контактных площадок с субмикронных размеров частицы до 400 микрон (см. Фиг.17).

Более детально способ изготовления выглядит следующим образом.

1. На всю поверхность подложки (кремний, марка КДБ-10) наносилась многослойная структура Аu/Та методом магнетронного распыления. Суммарная толщина многослойной структуры составляла порядка 40 нм при периоде 8 нм (Фиг.5-Фиг.6). Эта структура являлась нижним немагнитным проводящим электродом. Та обеспечивал высокую адгезию к подложке и снимал напряжение в многослойной структуре, а Au, в свою очередь, обеспечивает высокую электропроводность структуры (Фиг.6).

2. На поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносится первый ферромагнитный слой Со толщиной около 15 нм, и покрывался тонким слоем Та, толщиной около 2 нм (Фиг.7).

3. Проводилось естественное окисление слоя Та, путем развакуумирования напылительной камеры.

Этот слой является диэлектрической прослойкой между двумя магнитными слоями.

4. На поверхность окисленного тантала ТаО_х методом магнетронного распыления наносится второй ферромагнитный слой (Со) толщиной около 15 нм, затем слой Аu толщиной около 40 нм. Верхний слой Аu позволил обеспечить малое сопротивление между ферромагнитной частицей и расширенной контактной площадкой (Фиг.8).

5. Далее из структуры Au/Ta/Co/TaO_x/Co/Au по вышеописанной методике необходимо было изготовить многослойные магнитные частицы. Магнитная частица должна быть окружена слоем диэлектрика, чтобы разделить нижнюю и верхнюю контактные площадки. Это потребовало введение еще одной дополнительной маски, покрывающей магнитную частицу для обеспечения удаления слоя диэлектрика с частицы с помощью процесса «lift-off». Процесс изготовления магнитных частиц представлен на Фиг.5 - Фиг.15, содержит следующие основные этапы:

- в качестве многослойной металлической маски использовалась гетероструктура Cu/V/Cu, которая размещалась между двух слоев негативного электронного рези