DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.6.332.337

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса формирования многослойных наноструктур со спин-туннельным магниторезистивным (СТМР) эффектом. При формировании СТМР-наноструктур по интегральной технологии достигнут эффект на уровне 157,5%.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под редакцией д.т.н., профессора Мальцева П.П.
А.О. Жигачев, Ю.И. Головин, А.В. Умрихин, В.В Коренков, А.И. Тюрин, В.В. Родаев, Т.А. Дьячек, Б.Я. Фарбер / Под общей редакцией Ю.И. Головина
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #6/2020
В.В.Амеличев, А.А.Резнев, Д.В.Васильев
Развитие технологии наноструктур со спин-туннельным магниторезистивным эффектом
Просмотры: 2127
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.6.332.337

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса формирования многослойных наноструктур со спин-туннельным магниторезистивным (СТМР) эффектом. При формировании СТМР-наноструктур по интегральной технологии достигнут эффект на уровне 157,5%.
В.В.Амеличев1, к.т.н., начальник отдела микросистемной техники, (ORCID: 0000-0002-4204-2626), А.А.Резнев2, д.т.н., зам. руководителя ФГКУ "В/ч 68240", Д.В.Васильев1, науч. сотр. / V.Amelichev@tcen.ru
V.V.Amelichev, Cand. of Sc. (Technical), Head of Microsystem Technology Department, A.A.Reznev, Doct. of Sc. (Technical),
Deputy Head of FSOI "M/u 68240", D.V.Vasilyev, Researcher

УДК 681.586.7, 53.087.92, DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.6.332.337
Получено: 16.10.2020 г.



ВВЕДЕНИЕ
Тонкопленочные многослойные наноструктуры со спин-туннельным магниторезистивным (СТМР) эффектом применяются в ряде современных приборов: высокочувствительных преобразователях магнитного поля, считывающих головках, энергонезависимой памяти, биосенсорных и логических элементах устройств спинтроники. Овладение технологией формирования наноструктур с СТМР-эффектом открывает новые возможности для таких секторов экономики, как приборостроение, медицина, транспорт, аэрокосмическая техника и системы безопасности.

Среди наиболее востребованных применений СТМР-наноструктур в настоящее время выделяют­ся два – энергонезависимая память и высокочувствительные датчики и преобразователи магнитного поля. Так, например, компания Everspin одной из первых реализовала магниторезистивную память с произвольным доступом (magnetoresistive random-access memory – MRAM) и в настоящее время является лидером в области перспективных энергонезависимых устройств хранения информации. Технология MRAM основана на последовательном формировании КМОП-схемы и массива СТМР-элементов. Как правило, в состав ячейки MRAM входит МОП-транзистор и СТМР-элемент. Отличительной особенностью MRAM является использование квантовых и магнитных эффектов в СТМР-элементах. Основным преимуществом MRAM является сочетание свойств, которым не обладает ни одна другая технология стандартной или энергонезависимой памяти – полная энергонезависимость, высокая скорость чтения / записи и неограниченное количество циклов чтения / записи [1].

За последнее десятилетие появилось еще несколько компаний, обладающих своими фирменными технологиями изготовления MRAM на основе СТМР-элементов [1–4]. Одной из таких компаний является "Крокус Наноэлектроника" – совместное предприятие РОСНАНО и Crocus Technology, созданное в 2011 году. Компания Crocus Technology анонсировала для магниторезистивной оперативной памяти и преобразователей магнитного поля собственную конструкцию СТМР-элемента, в которой переключение между состояниями низкого и высокого сопротивления происходит при высокой плотности тока сквозь наноструктуру СТМР-элемента [2].

Американо-китайская компания MultiDimension Technology имеет широкий ассортимент продуктов (высокочувствительные преобразователи магнитного поля, переключатели, датчики угла, датчики тока и др.), реализованных на основе СТМР-наноструктур. В линейке продуктов данной компании есть демонстрационные платы, помогающие освоить их изделия в различных приложениях [5].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Спин-туннельный переход (СТП) состоит из барьерного слоя, заключенного между двумя ферромагнитными (ФМ) пленками различной коэрцитивности [6]. Ввиду того что ФМ-слои достаточно быстро окисляют­ся, для их защиты применяются пленки Та, Ti, Ru. На рис.1 представлен эскиз структуры СТП.

В качестве барьерного слоя в основном применяет­ся диэлектрик MgO, позволяющий получать более высокий СТМР-эффект. Тем не менее, в ряде фирм выполняются исследования СТП на основе Al2O3 [7], NaCl [8], ZnO [9] и Mg3B2O6 [10]. Для пленок ФМ1 и ФМ2, в основном, используются сплавы на основе Co (CoFe, FeNiCo, CoFeB и др.), также в последнее время активно изучаются сплавы Гейслера и редкоземельные металлы [6].

Когда спиновая ориентация ФМ-слоев совпадает, проводимость структуры возрастает, при антипараллельной конфигурации проводимость значительно уменьшается [6]. Разница сопротивлений при параллельной и антипараллельной конфигурации намагниченности ФМ-слоев определяет СТМР-эффект наноструктуры. При фиксации одного из ФМ-слоев в СТП антиферромагнетиком вид магнитной характеристики наноструктуры Fe/MgO/Fe/IrMn принимает вид, представленный на рис.2 [11]. ФМ-слой без фиксации называется свободным и перемагничивается при значительно меньших полях в сравнении с фиксированным ФМ-слоем, который перемагничивается более сильным магнитным полем.

Работа устройств спинтроники основана на изменении сопротивления в области малых полей, то есть перемагничивании свободного ФМ-слоя.

Создание эффективного СТП является основой конструирования широкого спектра приборов и устройств на основе СТМР-эффекта. Для минимизации временных и материальных затрат в процессе отработки формирования состава наноструктуры СТП применялся масочный метод [12]. В качестве трафаретных масок могут использоваться кремниевые пластины со сквозными отверстиями в виде полосок и многоугольников (рис.3).

Массивы данных фигур на пластинах кремния формируются ортогонально, так, чтобы при совмещении трафаретной и рабочей пластин, образовывался крестообразный элемент, содержащий в области пересечений нижнего и верхнего электродов ФМ-слоев СТП (рис.4).
Согласно исследованиям [13] наноструктуры вида CoFeB/MgO/CoFeB имеют высокий СТМР-эффект даже при комнатной температуре. Значительный СТМР-эффект объясняется когерентным спин-зависимым туннелированием через барьер MgO. Когерентное туннелирование возможно, к примеру, в наноструктуре Fe(001)/MgO(001)/Fe(001) [13].


ФМ-слои в наноструктуре CoFeB/MgO/CoFeB аморфны после напыления, но после термомагнитной обработки (ТМО) слои CoFeB кристаллизуются в объемноцентрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру с плоскостью (001). Следует отметить, что CoFeB в данной наноструктуре, прилегающий к барьеру MgO(001), кристаллизуется в ОЦК с плоскостью (001), а барьерный слой MgO(001) в данном случае выступает в роли затравочного слоя при кристаллизации аморфного CoFeB. Такой процесс кристаллизации известен как твердофазная эпитаксия [14]. Таким образом, ОЦК CoFeB(001) имеет полностью спин-поляризованные Δ1 блоховские состояния на уровне Ферми, наноструктура CoFeB/MgO/CoFeB может достигать значительных значений СТМР-эффекта, вплоть до 600% [15].

В процессе отработки технологии формирования наноструктуры СТП было экспериментально подтверждено влияние ТМО на СТМР-эффект в образцах, изготовленных как масочным методом (рис.5), так и с применением фотолитографических циклов (рис.6).
Интегральная технология изготовления СТМР-наноструктур состоит из пяти фотолитографических циклов, включающих формирование определенной последовательности наноразмерных слоев Ta/FeNiCo/CoFeB/MgO/CoFeB/FeNiCo/FeMn/Ta в едином технологическом процессе. В интегральной СТМР-наноструктуре после проведения ТМО достигнутый СТМР-эффект составил 108%. Дальнейшее повышение величины магниторезистивного эффекта было возможно при повышенной температуре ТМО.

Следующим этапом в развитии интегральной СТМР-наноструктуры являлась замена антиферромагнитного слоя FeMn на слой IrMn, обладающий более высокой температурой Нееля.

Дальнейшие исследования показали, что применение в составе СТМР-наноструктуры синтетического антиферромагнетика (САФ) позволяет обеспечить более высокую термостабильность, симметричность петли перемагничивания свободного слоя относительно нуля, повышенное значение величины СТМР-эффекта (рис.7) [14]. Как правило, САФ представляет собой два ФМ-слоя, разделенных немагнитным слоем (Ru, Ag, Au), для которых характерно взаимодействие Рудермана – Киттеля – Касуя – Иосиды (РККИ-взаимодействие).

На рис.8 показано влияние слоя Ru на процесс кристаллизации аморфного слоя CoFeB в СТП. После ТМО границы раздела CoFeB/MgO/CoFeB образца с Ru имеют более упорядоченную структуру, что значительно повышает СТМР-эффект [16].

В результате ряда модификаций и отработки технологического процесса СТМР-наноструктура приняла вид Та/CoFe/CoFeB/MgО/CoFeB/Ru/CoFe/IrMn/Ta. После отработки технологического процесса формирования данной СТМР-наноструктуры и подбора оптимального режима ТМО достигнут СТМР-эффект на уровне 157,5% (рис.9).

Полученные экспериментальные и теоретические данные способствуют разработке и изготовлению устройств на основе СТМР-наноструктур: высокочувствительных преобразователей магнитного поля, энергонезависимой магниторезистивной памяти с произвольным доступом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Масочное формирование СТМР-наноструктур значительно сократило технологический цикл изготовления экспериментальных образцов СТП при подборе материалов и толщин пленок, входящих в состав многослойной наноструктуры. Замена антиферромагнитного слоя FeMn на IrMn в наноструктуре позволило повысить температуру ТМО, что повлекло за собой увеличение СТМР-эффекта. Применение САФ-структуры в фиксированном слое обеспечило температурную стабильность СТП, повышение СТМР-эффекта, снижение магнитостатического поля опорного слоя и его влияния на свободный слой. САФ в фиксированном слое применяется для создания скрещенной магнитной конфигурации, необходимой для создания преобразователей магнитного поля. После проведения нескольких стадий ТМО СТМР-наноструктур с САФ в фиксированном слое при различных режимах коэрцитивность свободного слоя значительно снижается.

Минимизация влияния шероховатости на свойства фиксирующего антиферромагнитного слоя в СТМР-наноструктуре реализуется путем его формирования в области верхнего электрода СТП. Величина полученного СТМР-эффекта при данной конфигурации наноструктуры находится на уровне, достигнутом зарубежными исследователями [17].
Исследование параметров сформированных наноструктур осуществлялось с использованием уникального оборудования ЦКП "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" на базе НПК "Технологический центр".

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Материалы компании Everspin Technologies [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.everspin.com/ (дата обращения: 29.06.2020).
Материалы компании Крокус Наноэлектроника [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://crocusnano.com/magneto (дата обращения: 29.06.2020).
Материалы компании IBM [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.ibm.com/ru-ru (дата обращения: 29.06.2020).
Материалы компании Honeywell International [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://aerospace.honeywell.com/en/learn/products/microelectronics/ memories (дата обращения: 29.06.2020).
Материалы компании MultiDimension Technology [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.dowaytech.com/en/modules/demo_boards.html (дата обращения: 04.09.2020).
Advanced Applications in Manufacturing Engineering / Ed. by M.Ram, J.P.Davim. 2019. PP. 53–77.
Buchanan J.D.R., Hase T.P.A., Tanner B.K. et al.Determination of the thickness of Al2O3 barriers in magnetic tunnel junctions // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. No. 4. PP. 751–753.
Nakazumi M., Yoshioka D., Yanagihara H., Kita E. et al. Fabrication of magnetic tunneling junctions with NaCl barriers // J. Appl. Phys. 2002. V. 46. No. 10A. 2007. PP. 6618–6620.
Yang Z., Zhan Q., Zhu X. et al. Tunneling magnetoresistance induced by controllable formation of Co filaments in resistive switching Co/ZnO/Fe structures // Europhys. Lett. 2014. V. 108. No. 5. 58004-p1-p6.
Stewart D.A. New type of magnetic tunnel junction based on spin filtering through a reduced symmetry oxide: FeCo/Mg3B2O6/FeCo // Nano Lett. 2010. V. 10. No. 1. PP. 263–267.
Yuasa S., Nagahama T., Fukushima A., Suzuki Y., Ando K. Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions // Nature. 2004. No. 3. PP. 868–871.
Абанин И.Е., Амеличев В.В., Беляков П.А. [и др.] Исследование спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с барьерным слоем из оксида магния (MgO), полученных масочным методом // Нано- и микросистемная техника. 2015. No. 4. PP. 10–14.
Tsunekawa K., Djayaprawira D.D., Nagai M. et al. 230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/ MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions // Appl. Phys. Lett. 2005. No. 87. P. 072503.
Dieny B., Goldfarb R.B., Lee K.-J. Introduction to magnetic random-access memory. – IEEE Magnetics, 2017. 255 p.
Ikeda S., Hayakawa J., Ashizawa Y. et al. Tunnel magnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature // Appl. Phys. Lett. 2008. No. 93. P. 082508.
Lee Y.M., Hayakawa J., Ikeda Sh. et al. Giant tunnel magnetoresistance and high annealing stability in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions with synthetic pinned layer // Appl. Phys. Lett. 2006. No. 89. P. 042506.
Jin Zh., Oogane M., Fujiwara K., Ando Ya. Magnetic sensor based on serial magnetic tunnel junctions for highly sensitive detection of surface cracks // Journal of applied physics. 2017. No. 122. P. 174502.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art