ВСТРАИВАЕМАЯ С СБИС ТЕХНОЛОГИИ КМОП/КНИ ПАМЯТЬ "MRAM" И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
CMOS/SOI MRAM MEMORY INTEGRATED WITH VLSI AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к схемам матриц ячеек памяти «MRAM» («Magnetic Random Access Memory»), использующей технологию магниторезистивной оперативной памяти с передачей спинового вращения, так называемым спин-вентильным запоминающим устройствам, «STT-MRAM», также известным как «RAM» («Random Access Memory») с передачей спинового вращательного момента («Spin Transfer Torque RAM», «STT-RAM»), «RAM» с переключением намагничивания и передачей спинового вращательного момента («Spin Torque Transfer Magnetization Switching RAM», или «Spin-RAM»), «RAM» с передачей спинового момента («SMT-RAM»).
Для использования ферромагнитных частиц для хранения информации, в том числе и как основного элемента памяти, необходимо, чтобы в частице (однослойной) возможно было только одно состояние, однородно намагниченное, и чтобы частица обладала осью анизотропии - выделенное направление, вдоль которого будет направлен вектор намагниченности частицы. (Именно это и позволяет приписать двум возможным состояниям (намагниченность вдоль или против оси анизотропии) логические значения «0» и «1».)
2
3
2
3
2
2
3
2
2
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
2
2
2
2
3
X
Известно изобретение /1/, в котором слой регистрации и слои фиксации сформированы из, например, Fe, Co, Ni или их сплавов, магнетита, имеющего большую спин-поляризацию, окиси типа CrO или RXMnO - у (R: редкоземельные, X: Ca, Ba или Sr, у - состояние спина) или сплава «Heusler» типа NiMnSb или PtMnSb. Эти магнитные вещества могут содержать небольшое количество немагнитного элемента типа Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, 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 AlO, SiO, MgO, AlN, BiO, MgF, CaF, SrTiO и AlLaO. Верхний ферромагнитный слой и более низкий ферромагнитный слой сформированы из, например, Fe, Co, Ni или их сплавов, магнетитов, имеющих большую спин-поляризацию, окисей типа CrO или RXMnO - у (R: редкоземельные, X: Ca, Ba или Sr) или сплава «Heusler» типа NiMnSb или PtMnSb. Немагнитные слои сформированы из одного из различных диэлектриков, например AlO, SiO, MgO, AlN, BiO, MgF, CaF, SrTiO и AlLaO. Антиферромагнитный слой сформирован из, например, Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO или FeO. Первые и вторые пары ферромагнитных слоев сформированы из, например, NiFe, CoFe, аморфного CoZrNb, FeN или FeAlSi. Изобретение позволяет обеспечить магнитную память произвольного доступа, способную к уменьшению тока, и обеспечить способ записи данных.
Недостатком данного изобретения является необходимость создания антиферромагнитного слоя для фиксации одного из магнитных слоев, что делает процесс более громоздким и дорогим.
2
3
Известно изобретение /2/, 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 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 AlO, имеющего толщину приблизительно 1 нм. Материалы, доступные для использования в качестве туннельного запирающего слоя, 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 полупроводниковых 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 сформированных впоследствии 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 и, следовательно, ведет к ухудшению важнейшего параметра.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа /3/. Этот способ включает формирование магнитного туннельного перехода («MTJ») 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°C, затем слой с фиксированной намагниченностью формируют на туннельном изолирующем слое.
Несмотря на то что это техническое решение позволяет формировать ферромагнитный электрод, выполненный в виде свободного перемагничивающегося слоя, в контакте с туннельным барьером с высокой характеристикой гладкости, исключает наличие парамагнитной фазы при упрощении метода получения магнитных туннельных переходов, позволяет осуществить простоту интеграции в существующую (кремниевую) технологию изготовления элементов памяти, оно не решает задачи интеграции матрицы «MRAM» в структуру СБИС базовой технологии изготовления КМОП/КНД.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является интеграция технологии формирования матрицы памяти «MRAM» с улучшенным магнитным гистерезисом магнитных элементов в структуру СБИС технологии «комплементарный-металл-оксид-полупроводник/кремний-на-изоляторе» (КМОП/КНИ).
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления встраиваемой в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ памяти «MRAM» с целью формирования исходной планарной гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», используемой в качестве подложки, и последующего формирования на ней матрицы памяти «MRAM», последовательно формируют в приборном слое Si гетероструктуры КНИ области n- и p-карманов, изоляцию «STI», n- и p-поликремниевые затворы для n- и p-канальных транзисторов соответственно, области высокоомных стоков и истоков транзисторов МОП, p-стоки, доходящие до дна приборного слоя, а также слои самосовмещенного силицида титана и надежной системы многоуровневой металлизации, затем на сформированной структуре СБИС после третьего слоя металлизации также по планарной технологии формируют матрицу памяти «MRAM», включающую свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС») и туннельный изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС», затем формируют четвертый уровень металлизации и защитный диэлектрический слой.
-
С целью формирования структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией оксидом кремния с мелкими канавками («STI»), в качестве исходной для нее структуры используют пластину «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с толщиной приборного слоя p-типа около 200 нм, толщиной захороненного окисла около 200-400 нм и ориентацией подложки - (100).
3
4
Для формирования активных транзисторных структур МОП СБИС, на пластине КНИ выращивают буферный окисел и осаждают слой SiN, после чего выполняют фотолитографию «Активные области» и подокисляют боковые стороны островков.
2
3
4
2
Для формирования изоляции «STI» в структуре СБИС, осаждают методом плазмохимического газофазного осаждения («HDP») слой SiO, выполняют уплотнение (отжиг), затем выполняют фотолитографию «Инверсия активных областей» для создания изоляции «STI», выполняют химико-механическую полировку (ХМП), далее проводят травление SiN в горячей ортофосфорной кислоте и травление SiO, после чего проводят процесс окисления для формирования буферного окисла.
Для формирования n-кармана в структуре СБИС, выполняют операцию фотокопирования «n-карман» и ионное легирование фосфором, после чего удаляют фоторезист.
Для формирования p-кармана, выполняют операцию фотокопирования «p-карман» и проводят ионное легирование бором, после чего проводят плазмохимическое удаление фоторезиста.
Для формирования поликремниевых затворов транзисторов в структуре СБИС, их формирование реализуют путем удаления буферного окисла, выращивания подзатворного окисла и осаждения нелегированного Si с последующим выполнением операции фотолитографии «Затворы».
-
-
Для формирования высокоомных n-стоков с использованием ионно-лучевого легирования («LDD») в структуре СБИС, проводят фотокопирование «n-стоки» и ионное легирование фосфором и мышьяком.
-
-
2
Для формирования высокоомных p-стоков с использованием «LDD» в структуре СБИС, проводят фотокопирование «p-стоки» и операцию ионного легирования с использованием соединения BF.
2
2
2
Для формирования межсоединений (спейсеров) в структуре СБИС, осаждают слой «гидрид кремния - диоксид кремния» («Silane-SiO») по технологии химического осаждения из газовой фазы («LPTEOS») и затем выполняют реактивно-ионное травление слоя «Silane-SiO+SiO».
+
+
+
Для формирования n-стоков в структуре СБИС, выполняют окисление с последующей реализацией фотокопирования «n-стоки» и проводят ионное легирование ионами As.
+
+
+
2
Для формирования p-стоков в структуре СБИС, выполняют операцию фотокопирование «p-стоки» и проводят ионное легирование бором, что приводит к легированию затвора p-канального транзистора (p-поликремниевый затвор), затем по технологии химического осаждения из газовой фазы формируют слой «LPTEOS-SiO», затем проводят отжиг и выполняют быстрый отжиг, который стимулирует диффузию стоков.
2
Для формирования высокоомных сопротивлений в структуре СБИС, выполняют фотолитографию для защиты области этих сопротивлений и далее проводят реактивно-ионное травление слоя SiO.
2
Для формирования слоя силицида титана в структуре СБИС, выполняют напыление Ti и напыление TiN и применяют двухстадийную термообработку для получения соединения TiSi.
2
2
2
2
Для формирования контактов в структуре СБИС, выполняют осаждение борофосфорного стекла («BPTEOS-SiO»), его оплавление «SATEOS-SiO» с последующей процедурой химико-механической полировки, далее формируют контакты, для чего проводят операцию фотокопирования «Контакты», затем выполняют процесс термозадубливания и проводят реактивно-ионное травление слоя SiO, далее выполняют процесс напыления барьерных слоев Ti/TiN, проводят осаждение вольфрама (W) и далее выполняют химико-механическую полировку структуры W/TiN/Ti до SiO.
2
2
2
Для формирования первого уровня металлизации в структуре СБИС, выполняют фотокопирование «МЕТ1» и процесс реактивно-ионного травления TiN/Ti/Al/Ti, далее осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO», оплавляют его «SATEOS-SiO» и проводят химико-механическую полировку слоя «PECVD- SiO».
2
2
Для формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-1» в структуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-1», проводят реактивно-ионное травление SiO на всю толщину слоя, далее выполняют процесс напыления Ti/TiN и осаждения W и химико-механическую полировку слоя W/TiN/Ti до SiO.
2
2
2
Для формирования второго уровня металлизации «МЕТ2» в структуре СБИС, выполняют напыление Ti/Al/Ti/TiN, проводят фотокопирование «МЕТ2» и выполняют реактивно-ионное травление TiN/Ti/Al/Ti, затем осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO», оплавляют его «SATEOS-SiO» и проводят химико-механическую полировку «PECVD-SiO».
2
2
Для формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-2» в структуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-2», проводят рективно-ионное травление SiO на всю толщину слоя, далее проводят напыление Ti/TiN, осаждение W и выполняют химико-механическую полировку W/TiN/Ti до SiO.
Для формирования третьего уровня металлизации в структуре СБИС, выполняют процессы, аналогичные процессам для формирования второго уровня металлизации.
Для формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-3» в структуре СБИС, выполняют процессы, аналогичные процессам по формированию связующего слоя «VIA-2».
С целью снижения температурного воздействия на последующий процесс формирования памяти «MRAM», этот процесс реализуют между третьим и четвертым уровнями металлизации структуры БИС технологии КМОП/КНИ при пониженных температурах.
По первому варианту между третьим и четвертым уровнями металлизации структуры БИС формируют матрицу памяти «STT-MRAM» с соответствующей структурой.
По второму варианту между третьим и четвертым уровнями металлизации структуры БИС формируют матрицу памяти «MRAM» с архитектурой Савченко с соответствующей структурой.
x
x
2
5
По первому варианту встраиваемая в СБИС технологии КМОП/КНИ память «STT-MRAM» включает базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), выполненный из пленочной ферромагнитной структуры, расположенный на нем туннельный изолирующий слой («ИС»), выполненный из TaO, расположенный сверху на «ИС» свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), выполненный из ферромагнитной структуры, двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура Au/Ta/Co/TaO/Co/Au помещена в матрицу из диэлектрика TaO. Структура матрицы «STT-MRAM» сформирована на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполнены из Co с использованием связующего (пиннингующего) подслоя из гранулированного Co или с использованием известного распадающегося раствора металлов Co-Cu, сверху на двухслойную ферромагнитную структуру нанесен четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.
x
2
3
С целью сопряжения структур КМОП/КНИ и «STT-MRAM», общий процесс изготовления матрицы «STT-MRAM» реализуют после формирования третьего уровня металлизации структуры БИС технологии КМОП/КНИ путем формирования следующего проводящего подслоя Au/Ta, на котором формируют матрицу «STT-MRAM» из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaO/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц, диэлектрическую прослойку формируют естественным окислением тонкой пленки Ta с помощью напуска атмосферы в камеру, далее для обеспечения хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрывают Au, затем всю структуру покрывают слоем диэлектрика TaO и его далее удаляют с верхушек ферромагнитных частиц взрывом оставшейся после ионного травления маски, двухслойные ферромагнитные ячейки помещают, таким образом, в диэлектрическую матрицу, а верхний слой ячеек покрывают Au для осуществления выхода на поверхность.
2
3
2
5
По второму варианту встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ память «MRAM», выполненная в соответствии с архитектурой Савченко, включает базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), ферромагнитный слой со свободной намагниченностью («СС»), туннельную прослойку-диэлектрик, или изолирующий слой («ИС»), выполненный из AlO, расположенный между «СС» и «ФС», двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика TaO. Структура матрицы «MRAM» по методу Савченко сформирована на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» планарной структуры БИС технологии КМОП/КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполнены на основе многослойной пиннингующей структуры «ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик», сверху на двухслойную ферромагнитную структуру нанесен четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.
Для формирования нижнего базового проводящего электрода структуры матрицы памяти «MRAM», на структуру СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI» до этапа «формирование четвертого уровня металлизации+VIA-3» осаждают многослойную структуру Au/Ta методом магнетронного распыления.
Для формирования ферромагнитного слоя с фиксированной намагниченностью («ФС») в матрице памяти «MRAM» с архитектурой по методу Савченко, на поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый антиферромагнитный слой (Pinning), далее наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика.
2
3
5
2
Далее для формирования туннельной прослойки диэлектрика, на поверхность структуры осаждают диэлектрик AlO оптимальной толщины, позволяющей пропускать ток через элемент с сопротивлением порядка 10 Ом·мкм.
С целью формирования ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью («СС»), на поверхность изолирующего слоя («ИС») наносят методом магнетронного распыления слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика.
Для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, на поверхность ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью («СС») наносят слой Au.
Для формирования многослойных магнитных ячеек, на поверхность структуры, в том числе и на поверхность верхнего слоя - Au, наносят фоторезист, выполняют фотокопирование по фотошаблону «Ячейки» и проводят операцию термозадубливания фоторезиста, затем выполняют травление многослойной ферромагнитной структуры и удаляют фоторезист.
2
5
2
5
Для формирования диэлектрической изоляции элементов матрицы запоминающих ячеек (ЗЯ), на поверхность структуры наносят слой диэлектрика TaO толщиной, равной толщине слоев ферромагнитной ячейки, наносят толстый слой фоторезиста, а для планаризации поверхности выполняют процесс плазменно-химического травления слоев фоторезиста и TaO, в котором подбирается одинаковая скорость травления данных материалов.
Для формирования четвертого уровня металлизации матрицы «MRAM», проводят напыление слоя Ti/Al, затем выполняют фотокопирование «МЕТ4» и методом реактивно-ионного травления удаляют Ti/Al до оксида.
2
2
Для формирования защитного диэлектрического слоя всей поверхности матрицы «MRAM» на структуре БИС КМОП/КНИ, осаждают слой «SATEOS-SiO» и осаждают «PECVD-SW», далее выполняют фотокопирование «Пассивация» и проводят реактивно-ионное травление слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO».
Техническое решение иллюстрируется следующими рисунками.
Фиг.1. Формирование активных областей структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.2. Окончательное формирование изоляции «STI» структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.3. Формирование n-кармана структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.4. Формирование поликремниевых затворов структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.5. Формирование n-стоков структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.6. Формирование межсоединений структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.7. Структура после отжигов.
Фиг.8. Формирование силицида титана структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.9. Формирование контактных окон структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.10. Осаждение W и ХМП W/TiN/Ti для формирования структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.11. Формирование первого уровня металлизации структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
2
Фиг.12. ХМП слоя «PECVD-SiO» структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.13. ХМП слоя W/TiN/Ti структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.14. Формирование второго уровня металлизации структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.15. Формирование четвертого уровня металлизации структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.
Фиг.16. Окончательный вид структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с поликремниевыми затворами.
Фиг.17. Формирование «третьего уровня металлизации+«VIA-3»» для «MRAM».
Фиг.18. Многослойная структура Au/Та для «MRAM».
Фиг.19. Нижний немагнитный проводящий электрод для «MRAM».
Фиг.20. Нанесение слоев ферромагнетика Co и Ta для «MRAM».
Фиг.21. Естественное окисление и нанесение второго ферромагнитного слоя Co и слоя Au для «MRAM».
Фиг.22. Нанесение комбинированной маски для «MRAM».
Фиг.23. Экспонирование структуры электронным пучком литографической системы для «MRAM».
Фиг.24. Последовательное травление слоев металлической маски для «MRAM».
Фиг.25. Ионное травление (ИТ) термически обработанного резиста для «MRAM».
x
Фиг.26. Ионное травление ферромагнитной структуры Co/TaO/Co/Au для «MRAM».
2
5
Фиг.27. Осаждение слоя диэлектрика TaO для «MRAM».
Фиг.28. Сформированные магнитные ячейки в окружение диэлектрика для «MRAM».
Фиг.29. Формирование четвертого уровня разводки для «MRAM».
Фиг.30. Формирование пассивации для «MRAM».
+
+
Фиг.31. Окончательный вид структуры «MRAM» на СБИС технологии КМОП/КНИ с n- p-поликремниевыми затворами.
Фиг.32. а) - многослойная структура элемента памяти, б) - варианты построения архитектуры микросхемы «MRAM».
Фиг.33. Формирование «третьего уровня металлизации+VIA-3» для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.34. Формирование нижнего базового проводящего электрода для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.35. Формирование слоя «Pinning» и стабильного слоя для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.36. Формирование последовательности слоев для магниторезистивной ячейки памяти для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.37. Травление многослойной структуры для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.38. Осаждение слоя диэлектрика для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.39. Нанесение толстого слоя фоторезиста для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.40. Формирование изоляции для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.41. Формирование четвертого уровня металлизации для «MRAM» по методу Савченко.
Фиг.42. Формирование пассивации структуры «СБИС КМОП/КНИ+«SDT-MRAM» для «MRAM» по методу Савченко.
x
Фиг.43. BAX изготовленного элемента Co/TaO/Co (образец №3). Развертка: по оси X напряжение - 100 мВ/клетка; по оси Y ток - 10 µА/клетка. Полная развертка по оси 500 мВ (в одну полярность) и 40 µА. Рабочая точка при измерении R(H) - 100 мВ.
Фиг.44. Распределение элементов примеси в структуре.
Фиг.45. Зависимость сопротивления от внешнего магнитного поля для эллиптических частиц 300×200 нм.
Фиг.46. Зависимость сопротивления от внешнего магнитного поля для эллиптических частиц 200×100 нм (поле вдоль длинной оси частицы).
Фиг.47. Поле вдоль длиной (а) и короткой оси (б) частицы.
x
-4
-4
-7
Фиг.48. ВАХ четырех элементов Co/TaO/Co: а) BAX в области токов I=0…10 А; б) ВАХ в области токов I=10…10 А (для удобства положительная и отрицательная ветви представлены в виде модуля на одном графике).
3
3
4
Фиг.49. Зависимость сопротивления четырех элементов от напряжения: а) зависимость в области R=0…7·10 Ω; б) зависимость в области R= 3·10…7·10 Ω.
Фиг.50. Изображение на АСМ прямоугольного провода с расположенными на нем ферромагнитными наночастицами.
Фиг.51. Изображение на МСМ участка массива частиц после намагничивания в магнитном поле величиной индукции +300 Гс.
Фиг.52. Изображение на МСМ участка массива частиц после намагничивания в магнитном поле величиной индукции -250-280 Гс. Произошло перемагничивание всех частиц.
Фиг.53. Изображение на АСМ прямоугольного провода с расположенными на нем ферромагнитными наночастицами. Стрелками - большой - показано направление тока, малой - направление магнитного поля.
Фиг.54. Последовательные стадии эксперимента по перемагничиванию частиц током. Направление магнитного поля, создаваемого током, совпадает с горизонтальной осью. Направление подмагничивающего магнитного поля также совпадает с горизонтальной осью: а) 1 стадия. Коэрцитивное поле выделенной частицы 250 Гс; б) 2 стадия. Центральная частица перемагничена током в подмагничивающем магнитном поле 50 Гс (таким образом, магнитное поле, создаваемое током, ≈200 Гс).
Фиг.55. Основные этапы изготовления двухслойных магнитных частиц: (а) нанесение пленки Co/Si/Co на подложку; (б) формирование колодцев в пленке электронного резиста ПММА (полиметилметакрилата); (в) покрытие структуры пленкой V; (г) процесс “lift-off”; д) травление структуры Co/Si/Co в атмосфере Ar.
Фиг.56. Изображение на МСМ образца в нулевом магнитном поле (а) после намагничивания в поле -650 Э; (б) после намагничивания в поле +220 Э.
Техническое решение осуществляется следующим образом.
x
x
2
5
Встраиваемая в СБИС технологии КМОП/КНИ память «MRAM» и способ ее изготовления имеют два основных варианта. По первому из них формируется встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ структура матрицы ЗЯ памяти «MRAM», представляющая собой базовую структуру БИС технологии КМОП/КНИ, сформированную до третьего уровня металлизации, свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС») и туннельный изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС». «ФС» расположен на дополнительном промежуточном проводящем слое Au/Ta и выполнен из пленочной ферромагнитной структуры Co. Расположенный на нем «ИС» выполнен из TaO. Расположенный сверху на «ИС» ферромагнитный «СС» выполнен из ферромагнитной структуры Co, двухслойная ферромагнитная структура Au/Ta/Co/TaO/Co/Au сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания. Вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика TaO.
2
3
2
3
2
5
По второму варианту формируется встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ структура матрицы ЗЯ памяти «MRAM», выполненная в соответствии с архитектурой Савченко, представляющая собой базовую структуру БИС технологии КМОП/КНИ, сформированную до третьего уровня металлизации, базовый электрод, антиферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), свободно перемагничивающийся ферромагнитный стабильный слой (ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик) («СС»), туннельную прослойку-диэлектрик (AlO), или изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС», верхний электрод, «ФС» расположен на дополнительном промежуточном проводящем слое Au/Ta и выполнен из пленочной многослойной ферромагнитной структуры «Pinning», расположенный на нем «ИС» выполнен из AlO, расположенный сверху на «ИС» ферромагнитный «СС» выполнен из многослойной ферромагнитной структуры «ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик», двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена верхним электродом из проводящего слоя Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика TaO.
Пример реализации технического решения
+
+
+
Основой встраиваемой в СБИС технологии КМОП/КНИ памяти «MRAM» и способа ее изготовления является технологический маршрут изготовления СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI». Маршрут включает в себя формирование n- и p-карманов, изоляции «STI», n- и p-поликремниевых затворов для n- и p-канальных транзисторов соответственно, областей «LDD», p-стоков, доходящих до дна приборного слоя, а также формирование самосовмещенного силицида титана и надежной системы четырехуровневой металлизации.
-
1. Формирование структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с поликремниевыми затворами. В качестве исходной структуры применяли пластину КНИ с толщиной приборного слоя p-типа 0,2 мкм, толщиной захороненного окисла 0,2-0,4 мкм и ориентацией подложки - (100). Ниже подробно рассмотрены основные технологические этапы изготовления микросхемы «MRAM» с привязкой к технологическому маршруту СБИС технологи КМОП/КНИ. Этот базовый технологический маршрут при изготовлении подобных изделий состоит из следующих этапов.
0. Формирование глобальных знаков совмещения.
3
4
1. Формирование активных областей. На пластине КНИ выращивают буферный окисел и осаждают слой SiN. Далее проводят фотолитографию (ФЛГ) «Активные области» (Фиг.1) и подокисляют боковые стороны островков.
2
3
4
2
2. Формирование изоляции «STI». Осаждают методом «HDP» SiO и проводят уплотнение (отжиг). Далее выполняют ФЛГ «Инверсия активных областей» для создания изоляции «STI» и химико-механическую полировку (ХМП). Далее проводят травление SiN в горячей ортофосфорной кислоте и травление SiO. После этого проводят процесс окисления, формируют буферный окисел. На этом этапе заканчивается формирование изоляции «STI» (Фиг.2).
3.Формирование n-кармана. Проводят операцию фотокопирования (ФК) для n-кармана и ионное легирование (ИЛ) фосфором (Фиг.3). Удаляют фоторезист.
4. Формирование p-кармана. Затем выполняют ФК p-кармана и проводят ИЛ бором. Затем выполняют плазмохимическое удаление фоторезиста (ПУФ).
5. Формирование затворов транзисторов. Формируют поликремниевые затворы путем удаления буферного окисла, выращивания подзатворного окисла, осаждения нелегированного Si∗. Далее проводят ФЛГ «Затворы» (Фиг.4).
-
-
6. Формирование «LDD» (n-стоки). Выполняют ФК «n-стоки» и ИЛ фосфором и мышьяком (Фиг.5).
-
-
2
7. Формирование «LDD» (p-стоки). Выполняют ФК «p-стоки» и ионное легирование BF.
2
2
2
8. Формирование спейсеров. Методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) формируют слой «Silane-SiO» и проводят операцию реактивного ионного травления (РИТ) слоя «Silane-SiO+SiO» для формирования межсоединений (спейсеров) (Фиг.6).
+
+
+
+
+
9. Формирование стоков (n-стоки). Следующая операция - окисление. Затем выполняют ФК «n-стоки» и проводят ИЛ As. При формировании n-стоков происходит легирование затвора n-канального транзистора (n-поликремниевый затвор).
+
+
+
+
2
10. Формирование стоков (p-стоки). Выполняют ФК «p-стоки» и проводят ИЛ бором. При формировании p-стоков происходит легирование затвора p-канального транзистора (p-поликремниевый затвор). Затем методом ХОГФ осаждают слой «LPTEOS-SiO». Далее проводят отжиг и выполняют быстрый отжиг (диффузия стоков) (Фиг.7).
2
11. Формирование высокоомных сопротивлений. Проводят ФЛГ: защищают области высокоомных сопротивлений и далее выполняют РИТ SiO.
2
12. Формирование силицида титана. Формирование силицида титана начинают с напыления Ti и напыления TiN. Двухстадийная термообработка необходима для получения соединения TiSi (Фиг.8).
2
2
2
2
13. Формирование контактов. Проводят осаждение борофосфорного стекла («BPTEOS-SiO»), его оплавление и осаждение «SATEOS-SiO» с последующей ХМП. Формируют контакты: для этого проводят ФК «Контакты», далее выполняют процесс термозадубливания и проводят РИТ SiO (Фиг.9). Далее следует процесс напыления барьерных слоев Ti/TiN. Проводят осаждение вольфрама (W) и далее выполняют ХМП слоя W/TiN/Ti до SiO (Фиг.10).
2
2
14. Формирование первого уровня металлизации (разводки). Следующим этапом проводят напыление Ti/Al/Ti/TiN. Выполняют ФК «МЕТ1» и РИТ TiN/Ti/Al/Ti (Фиг.11). Далее осаждают толстый слой межуровнего диэлектрика («SATEOS-SiO» и «PECVD-SiO»). Проводят ХМП «PECVD OXIDE» (Фиг.12).
2
2
15. Формирование «VIA-1». Затем выполняют ФК «VIA-1». Проводят РИТ SiO на всю толщину. Далее выполняют процесс напыления Ti/TiN и осаждения W и ХМП слоя W/TiN/Ti до SiO (Фиг.13).
2
2
2
16. Формирование второго уровня металлизации. Следующим этапом проводят напыление Ti/Al/Ti/TiN. Выполняют ФК «МЕТ2» и РИТ слоя TiN/Ti/Al/Ti (Фиг.14). На следующей стадии осаждают толстый межуровневый диэлектрик («SATEOS-SiO» и «PECVD-SiO») и проводят ХМП «VECW-SiO».
2
2
17. Формирование «VIA-2». На следующем этапе выполняют ФК «VIA-2». Проводят РИТ SiO на всю толщину. Далее проводят напыление Ti/TiN, осаждение W и ХМП слоя W/TiN/Ti до SiO.
Далее аналогичным образом реализуют:
18. Формирование третьего уровня металлизации.
19. Формирование «VIA-3».
20. Формирование четвертого уровня металлизации. На данном технологическом этапе напыляют Ti и Al. Выполняют ФК «МЕТ4» и методом РИТ удаляют Al/Ti до оксида кремния (Фиг.15).
2
2
+
+
21. Формирование защитного диэлектрического слоя. Осаждают слой «SATEOS SiO» и осаждают «PECVD SiN». Далее выполняют ФК «Пассивация» и проводят РИТ слоев «PECVD SiN», «SATEOS-SiO». Заканчивают этот этап процессом вжигания Al. На Фиг.16 показана окончательная структура сформированной СБИС технологии КМОП/КНИ с n- p-поликремниевыми затворами.
2. Реализация технологического маршрута изготовления «MRAM».
Процесс кристального производства состоит из нескольких основных блоков, что в свою очередь составляют более 400 сложных операций. Так как повышенная температура оказывает влияние на качество ячейки памяти и на ее работу, для уменьшения воздействия данного фактора формирование «MRAM» будет происходить на верхнем уровне металлизации. Проблему неоднородности свойств ЗЯ объясняют несовершенством производственного процесса. В предлагаемом способе реализации технологических маршрутов изготовление ЗЯ реализуется между третьим и четвертым уровнями металлизации, процессы формирования которых проводят при пониженных температурах.
x
2.1. Формирование ячейки «MRAM» пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaO/Co/Au с применением взрывной ФЛГ.
x
2
5
В общем, способ изготовления элемента можно описать следующим образом: на проводящем подслое Au/Ta формируют ячейки из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaO/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц. Диэлектрическую прослойку формируют естественным окислением тонкой пленки Ta с помощью напуска атмосферы в камеру магнетронного напыления. Для возможности хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрывают Au. Затем весь образец покрывают слоем диэлектрика TaO, затем его удаляют с верхушек магнитных частиц взрывом оставшейся после ионного травления маски. Таким образом, двухслойные ферромагнитные ячейки помещают в диэлектрическую матрицу, и верхний золотой слой ячеек имеет выход на поверхность.
Более детально способ изготовления выглядит следующим образом.
∗)
∗)
19-0. (В двойной нумерации этапов «Х-Y» «X» означает порядковый номер этапа с начала формирования структуры БИС технологи КМОП/КНИ, «Y» означает порядковый номер этапа формирования одного из двух вариантов «MRAM», начиная с этапа формирования 3-го уровня металлизации, принятого за «О».)
Формирование третьего уровня металлизации (п.18 СБИС). В качестве исходной структуры применяли структуру СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», способ изготовления которой рассмотрен в п.0…18. На Фиг.17 показана процедура формирования «третьего уровня металлизации+«VIA-3»», что является продолжением процесса формирования окончательной структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с запоминающими ячейками (ЗЯ) на основе элементов «MTJ».
20-1. Формирование нижнего немагнитного проводящего электрода. На всю поверхность наносят многослойную структуру Au/Ta методом магнетронного распыления (Фиг.18). Эта структура является нижним немагнитным проводящим электродом (Фиг.19). Тантал обеспечивает высокую адгезию к подложке и снимает напряжение в многослойной структуре, а золото в свою очередь обеспечивает высокую электропроводность структуры.
x
21-2. Формирование последовательных слоев ячейки. На поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый ферромагнитный слой (Co) и покрывают тонким слоем Ta (Фиг.20). Проводят естественное окисление слоя Ta через развакуумирование камеры или напуск кислорода. Этот слой является диэлектрической прослойкой между двумя магнитными слоями. На поверхность окисленного тантала TaO методом магнетронного распыления наносится второй ферромагнитный слой (Co), затем слой Au. Верхний слой золота позволяет обеспечить малое сопротивление между ферромагнитным слоем и расширенной контактной площадкой (Фиг.21).
x
22-3. Формирование многослойных магнитных ячеек. Для изготовления из слоя Co/TaO/Co/Au многослойных магнитных ячеек на поверхность образца, в том числе, и на поверхность верхнего слоя Au структуры, наносят комбинированную маску, состоящую из: 1) термически обработанного негативного электронного резиста (P1); 2) многослойной металлической маски (Cu/V/Cu); 3) стандартного негативного электронного резиста ФП-9102 (на основе фенолальдегидных смол) («P2»). С дополнительным слоем резиста, перед нанесением на него металлической маски, проводят термическую обработку, что делает его устойчивым к стандартному щелочному проявителю (Фиг.22).
x
x
x
Проводят литографию (ЛГ): структуру экспонируют электронным пучком литографической системы. Обработка образца в проявителе приводит к формированию островков в верхнем слое маски - негативном электронном резисте, то есть области резиста, которые были обработаны электронным пучком, остаются. Эти островки резиста имеют форму будущих ячеек. При этом нижний слой маски - термически обработанный резист - не изменяется (Фиг.23). Проводят последовательное ионное травление (ИТ) слоев металлической маски (Фиг.24): ИТ Cu (в атмосфере аргона); ИТ V (в атмосфере фреона) (при этом нижний слой меди служит так называемым «стоп-слоем»); ИТ Cu (в атмосфере аргона). В результате на поверхности образца остается открытым слой негативного электронного резиста, и на нем с формой будущих магнитных ячеек лежит металлическая маска Cu/V/Cu. Далее со всей поверхности образца (за исключением областей, покрытых Cu/V/Cu) удаляют термически обработанный резист с помощью ИТ в атмосфере кислорода. При этом удаляют «P2» и верхний слой Cu. Слой ванадия при этом практически не изменяют. В результате на поверхности пленочной структуры Co/TaO/Co/Au оставляют островки, состоящие из слоев резиста Cu и V, с латеральной формой будущих частиц (Фиг.25). Проводят ионное травление ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaO/Co/Au в атмосфере аргона в маске Cu/V. В результате на поверхности нижнего подводящего электрода формируется многослойная ячейка Co/TaO/Co/Au/резист/Cu/V (Фиг.26).
2
5
x
23-4. Формирование изоляции. Магнитная ячейка должна быть окружена слоем диэлектрика, чтобы разделить нижнюю и верхнюю контактные площадки. На всю поверхность образца наносится слой диэлектрика TaO толщиной, равной толщине слоя Co/TaO/Co/Au (Фиг.27).
24-5. Взрывная фотолитография. Проводят процесс «lift-off», а именно оставшуюся маску с термически обработанным резистом на поверхности магнитных частиц удаляют в специальном растворе щелочи (аналог «remover»). В результате формируют магнитные ячейки, упакованные в диэлектрическую матрицу и имеющие выход на поверхность (Фиг.28).
25-6. Формирование четвертого уровня металлизации. На данном технологическом этапе напыляют Ti/Al. Выполняют ФК «МЕТ4» и методом РИТ удаляют Al/Ti (Фиг.29).
2
2
26-7. Формирование защитного диэлектрического слоя. Осаждают слой «SATEOS-SiO» и осаждают «PECVD-SiN». Далее выполняют ФК «Пассивация» и проводят РИТ слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO» (Фиг.30).
+
+
На Фиг.31 показана окончательная структура «MRAM» на СБИС технологии КМОП/КНИ с n- p-поликремниевыми затворами.
2.1. Формирование ячейки «MRAM», работающей в переключательном режиме, методом Савченко из пленочной многослойной ферромагнитной структуры.
2
3
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. Сама ячейка памяти и микросхема на ее основе представляют собой многослойную структуру, состоящую из следующих слоев (Фиг.32-а)): базовый электрод; антиферромагнетик (слой «Pinning»); стабильный слой (ферромагнетик, прослойка Ru, ферромагнетик); туннельная прослойка-диэлектрик (AlO); свободный слой (ферромагнетик, прослойка Ru, ферромагнетик); верхний электрод. Кроме того, отдельные элементы памяти должны быть объединены в матрицу памяти, определяемую архитектурой микросхемы (Фиг.32-б)).
Способ изготовления этой структуры включает следующие технологические этапы.
19-0. Формирование третьего уровня металлизации. В качестве исходной структуры применяют СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», технологический маршрут изготовления которой рассмотрен в п.0-21 для СБИС, до этапа формирования четвертого уровня металлизации (Фиг.33). На всю поверхность наносится многослойная структура Au/Та методом магнетронного распыления (Фиг.18). Эта структура является нижним немагнитным проводящим электродом (Фиг.34). Тантал обеспечивает высокую адгезию к подложке и снимает напряжение в многослойной структуре, а золото в свою очередь обеспечивает высокую электропроводность структуры.
20-1. Формирование стабильного слоя ячейки. На поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый антиферромагнитный слой («Pinning), наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика (Фиг.35).
2
3
5
2
21-2. Формирование туннельной прослойки диэлектрика и свободного слоя ячейки. Осаждают диэлектрик AlO. Толщину туннельной прослойки между ферромагнитными электродами выбирают оптимальной толщины с возможностью пропускания тока через элемент «MTJ» с сопротивлением порядка 10 Ом·мкм. Далее методом магнетронного распыления наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru, слой ферромагнетика и затем слой Au (Фиг.36).
22-3. Формирование многослойных магнитных ячеек. Далее из слоя, полученного в п.21-2, формируют многослойные магнитные ячейки. На поверхность образца, в том числе и на поверхность верхнего слоя Au структуры, наносят ФР, выполняют ФК по фотошаблону (ФШ) «Ячейки» и проводят операцию термозадубливания ФР. Проводят ИТ многослойной ферромагнитной структуры (Фиг.37). Удаляют ФР.
2
5
2
5
23-4. Формирование изоляции (Фиг.40). Магнитная ячейка должна быть окружена слоем диэлектрика, чтобы разделить нижнюю и верхнюю контактные площадки. Для этого на всю поверхность образца наносят слой диэлектрика TaO толщиной, равной толщине слоев ячейки (Фиг.38). Наносят толстый слой ФР (Фиг.39). Для планаризации поверхности выполняют процесс ПХТ слоев ФР и TaO, в котором подбирается одинаковая скорость травления данных материалов.
24-5. Формирование четвертого уровня металлизации. На этом этапе осаждают Ti и Al. Выполняют ФК «МЕТ4» и методом РИТ удаляют Al/Ti (Фиг.41).
2
25-6. Формирование защитного диэлектрического слоя. Осаждают слой «SATEOS-S702» и осаждают «PECVD-S7JV». Далее выполняют ФК «Пассивация» и проводят РИТ слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO» (Фиг.42).
x
4
16
3
По предложенному способу из многослойной пленки были изготовлены для проверки технологии и контроля топологии магниторезистивного элемента двухслойные магнитные частицы Au/Ta/Co/TaO/Co/Au с электродами для пропускания тока, и была измерена вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая представлена на Фиг.43. Как следует из приведенных данных Фиг.43, ВАХ является нелинейной, что свидетельствует о наличии туннельного барьера между электродами. Сопротивление структуры составило около 10 Ом при субмикронной площади частицы. Для проверки качества и количества материалов, составляющих исследуемый элемент, были проведены методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) структурные исследования пленочной структуры, которая лежит в основе элемента «MTJ». Измерения проводились на установке, оснащенной масс-анализатором времяпролетного типа. Типичный предел обнаружения элементов в установке ВИМС составляет 10 ат/см. Это позволило разделить отдельные слои в структуре - верхний слой Au толщиной около 40 нм, затем слой Co - 15 нм, Ta (TaO) - 2÷4 нм, Co - 15 нм, пять чередующихся слоев Au/Ta общей толщиной 40 нм и наконец - подложка Si.
-
-
Наиболее сложной в технологическом отношении являет область структуры Co/TaO/Co, качество изготовления этого промежутка в значительной степени определяет и магнитотранспортные свойства структуры в целом. Установка ВИМС позволяет регистрировать как элементарные ионы Ta, так и его кластеры с кислородом - TaO. Та присутствует в одинаковой концентрации в нескольких слоях структуры. В то же время, ион TaO в значительном количестве наблюдается только в промежутке между двумя слоями Co. Полученные данные позволяют характеризовать эту часть структуры именно как Co/TaO/Co. Ширина слоя TaO, измеренная на полувысоте профиля, составляет 4 нм.
19
3
20
3
x
x
На Фиг.44 приведено распределение элементов примеси с наибольшей концентрацией в структуре. Элементы Al, Cr, Fe коррелируют со слоями Co и Ta. По-видимому, их источником являются мишени Со и Та, используемые при магнетронном напылении. Наибольшую концентрацию среди этих элементов имеет Al, она составила около 10 ат/см. Примеси C и O коррелируют со слоями Ta, наиболее вероятным их источником является остаточная атмосфера камеры напыления. Максимальное значение концентрации атомов составило около 5·10 ат/см в двух областях структуры на переходах «подложка Si - слой» и «слой 5·(Au/Ta) - Co». Присутствует также примесь C и в меньшем количестве - F и Cl. Источником этих примесей, по-видимому, являлась остаточная атмосфера камеры. Были изготовлены и доведены до токовых измерений 12 структур «MTJ». Первые 7 образцов различались, главным образом, в способах формирования туннельных барьеров. Они были изготовлены по методике с использованием Au в качестве контактных материалов. Ферромагнитные частицы в этих магниторезистивных элементах имели размер 300×500 нм и больше. Второй и третий образцы Co/TaO/Co показали наличие магнетосопротивления порядка 1% и 3%, соответственно. Изготовление данных образцов различалось давлением при окислении прослойки Ta - 0,1 и 1,0 атм кислорода соответственно. Была определена оптимальная толщина барьера TaO. Если туннельный барьер изготавливался из пленки Ta толщиной менее 2 нм, то BAX образов имела линейный (не туннельный характер). Образец №7 был сформирован аналогичным образом, что и №3, и обладал такими же гальвано-магнитными свойствами, показал такое же магнетосопротивление - порядка 3%. Это позволяет говорить о создании воспроизводимого способа формирования многослойных элементов, обладающих магнетосопротивлением.
Изготовление магниторезистивных элементов и линеек из однотипных элементов. Были изготовлены 15 итераций образцов магниторезистивных элементов различной конструкции и размера. Каждый из образцов - чипов - состоял из порядка 100 независимых магниторезистивных элементов. Для определенности каждый элемент имеет номер, состоящий из номера ряда и порядкового номера элемента в ряду. Все элементы имели общий (нижний) электрод и наверху, над каждым элементом была сформирована отдельная контактная площадка. Для проведения экспериментов по перемагничиванию магниторезистивных элементов полем протекающего тока и изучения влияния внешних полей на магнитное состояние элемента и сохранность информации в нем методом электронной литографии на базовом проводнике были изготовлены цепочки ферромагнитных частиц субмикронного размера. Как показали исследования во внешнем магнитном поле на магнитном силовом микроскопе (МСМ) величина коэрцитивного поля частиц составляет порядка 200-250 Гс.
Результаты исследования электрофизических параметров магнитных многослойных структур. Зависимость магнетосопротивления одного из магнитных элементов от магнитного поля, приложенного вдоль длинной оси магнитного элемента, эллиптической формы (размер 300×200 нм) представлена на Фиг.45 (падение напряжения 100 мВ). Величина магнетосопротивления составила порядка 3%. Сопротивление структуры составляло ~10 кОм, измерения проводились при пропускании тока ~1-50 µА (падение напряжения 10-500 мВ). Величина магнетосопротивления составила ~3% при падении напряжения 10 мВ и плавно уменьшалась с ростом измерительного тока. Вид кривых магнетосопротивления можно объяснить следующим образом: при приложении внешнего магнитного поля порядка 500 Э намагниченности слоев становятся коллинеарными. Если магнитное поле уменьшать, то намагниченности слоев начинают разворачиваться относительно друг друга, т.е. возникает угловое состояние. Этот разворот происходит до магнитного поля величины порядка нуля эрстед. При изменении направления внешнего поля на кривой R(H) скачек - частица перешла в антиферромагнитное состояние, намагниченности слоев противоположно направлены. Это состояние является устойчивым до полей порядка 500 Э, при увеличении поля магнетосопротивление R(H) скачком уменьшается, что соответствует переходу частицы в состояние с ферромагнитным упорядочиванием слоев.
x
С уменьшением размера магниторезистивного элемента удалось добиться, чтобы существовало только два устойчивых состояния во внешнем магнитном поле. Зависимость магнетосопротивления одного из магнитных элементов от магнитного поля, приложенного вдоль длинной оси магнитного элемента, эллиптической формы (размер 200×100 нм) представлена на Фиг.46. Величина магнетосопротивления составила порядка 2%. Фактически этот элемент позволяет хранить информацию при выключении поля. Результаты измерения зависимости сопротивления от магнитного поля, направленного вдоль короткой оси частицы, представлены на Фиг.47. Эти измерения показывают, что сопротивление системы пропорционально косинусу угла между магнитными моментами слоев. Таким образом, продемонстрирована возможность наблюдения магнетосопротивления в двухслойной магнитной структуре Au/Co/TaO/Co/Au. Полученные результаты открывают возможность разработки конструкции магниторезистивных элементов запоминающих устройств на основе эффекта туннельного магнетосопротивления. Этот результат был достигнут благодаря разработке и освоению способа изготовления магниторезистивных элементов с размерами 100×200 нм, помещенных между подводящими электродами.
Измерение вольт-амперных характеристик (BAX) многослойных структур. Была разработана методика измерений вольт-амперных характеристик при наличии или отсутствии внешнего магнитного поля в диапазоне температур от 77 К до 300 К. При ожидаемом сопротивлении магниторезистивного элемента порядка 10 кОм данная методика измерений позволяет регистрировать изменение сопротивления структур с максимальной погрешностью ±0,1-0,3%.
Наиболее характерные положительные результаты измерений BAX многослойных магниторезистивных структур представлены на Фиг.43. Видно, что BAX всех приведенных образцов (образец 7, элементы на чипе выбраны произвольно) имеют существенно нелинейный характер, т.е. изготовлены действительно туннельные гетероструктуры. Также видно, что BAX различных образцов (изготовленных в различных технологических циклах) близки, что говорит о воспроизводимости результатов и точности методики изготовления образцов.
Разброс сопротивлений по чипу составляет порядка 20%, что связано с линейным изменением размеров частиц по образцу, обусловленным особенностями используемого режима электронной литографии, т.е. изменением площади элемента.
На Фиг.48 и Фиг.49 приведены BAX, полученные цифровыми методами, и зависимости сопротивления элемента от напряжения R(U) для четырех случайно выбранных магниторезистивных элементов, расположенных на одном чипе. Как следует из анализа полученных данных, зависимости измеренных параметров для всех условий эксперимента у разных элементов близки друг другу.
7
2
8
2
Исследование процессов перемагничивания элементов памяти. Для исследования возможности перемагничивания ферромагнитных наночастиц полем электрического тока была изготовлена серия тестовых образцов. Каждый образец включал цепочку ферромагнитных наночастиц. Образцы изготавливались методом фотолитографии на кремниевой подложке. Методом электронной литографии на базовом проводнике была изготовлена цепочка эллиптических ферромагнитных частиц с различными длинами полуосей эллипса и толщиной 25 нм. Размер, форма и толщина частиц были выбраны таким образом, чтобы их основное состояние было однородно намагниченным. На Фиг.50 приведено изображение на АСМ тестового образца с расположенными на нем частицами. Эксперименты по перемагничиванию ферромагнитных наночастиц магнитным полем электрического тока проводились в вакуумной камере сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Для этого через шлюз внутрь вакуумной камеры были заведены провода, при помощи которых на образец подавалось напряжение. Выбранная схема эксперимента обеспечивала возможность, во-первых, пропускания тока через образец (иными словами создание магнитного поля электрическим током). Во-вторых, приложение внешнего магнитного поля величиной индукции до 800 Гс при помощи встроенного электромагнита. В-третьих, методом магнитной силовой микроскопии (МСМ) возможно было осуществлять непосредственный контроль магнитных состояний исследуемых ферромагнитных наночастиц. Вначале были сделаны оценки величины коэрцитивного поля изготовленных частиц. Как показали МСМ исследования МСМ, приложение внешнего магнитного поля индукцией 300 Гс вдоль длинной оси частиц достаточно для перемагничивания всей цепочки частиц. На Фиг.51 показан участок массива ферромагнитных частиц после намагничивания в магнитном поле величиной индукции 300 Гс, направление длинной оси частиц совпадает с горизонтальной осью на рисунке. Направление прикладываемого магнитного поля слева-направо («+ направление»). При приложении магнитного поля противоположной ориентации (справа-налево, или «- направление») индукцией -250 Гс происходит перемагничивание одной частицы (Фиг.52). Таким образом, коэрцитивное поле частиц составляет порядка 250-280 Гс. Далее были проведены эксперименты по перемагничиванию ферромагнитных наночастиц магнитным полем, создаваемым постоянным током. Схема эксперимента по пропусканию тока приведена на Фиг.53. Как следует из Фиг.53, геометрия структуры подобрана таким образом, чтобы линии магнитного поля, создаваемого постоянным током, совпадали с длинной осью частиц (осью легкого намагничивания). Поскольку направление магнитного поля тока изначально известно не было, то за начальное состояние было выбрано размагниченное состояние цепочки частиц, в котором присутствуют частицы с различным направлением вектора намагниченности. Было показано, что перемагничивание частиц не происходит вплоть до величины тока 120 мА (что соответствует плотности тока ~10 А/см), при дальнейшем увеличении тока происходило разрушение провода. Были проведены эксперименты по перемагничиванию током в импульсном режиме (длительность импульса 200 нс). Показано, что при амплитуде импульса 40 В не происходит перемагничивания частиц, при увеличении амплитуды импульса до 50 В (что соответствует плотности тока ~10 А/см) происходит разрушение провода. Перемагничивание частиц было реализовано в импульсном режиме во внешнем подмагничивающем магнитном поле. Последовательные стадии эксперимента приведены на Фиг.54. Был выбран участок цепочки с частицами размером 500 нм на 300 нм и проведены исследования коэрцитивных полей частиц на данном участке. Для перемагничивания током была выбрана центральная на Фиг.54 частица с коэрцитивным полем 250 Гс (стадия 1). Перемагничивание током данной частицы происходило при подаче импульсов амплитудой 25 В (амплитуда импульсов была выбрана специально в два раза меньше пороговой амплитуды 50 В, при которой происходит разрушение металлизации) и подаче подмагничивающего внешнего магнитного поля, совпадающего по направлению с магнитным полем тока, величиной 50 Гс (стадия 2). Таким образом, величина индуктивности магнитного поля, создаваемого током в таком режиме, составляла порядка 200 Гс.
Проведенные измерения свидетельствуют о реализации эффекта «MTJ» на сформированных магнитных элементах с латеральными размерами 100×200×25 нм, что позволяет интегрировать эти элементы в структуру «MRAM», с формированием электрических шин управления процессами записи/чтения информации в электронном виде.
Процедура перемагничивания «MRAM» с архитектурой по методу Савченко реализуется аналогичным способом.
Предложенные варианты технического решения, основанные на интеграции технологии формирования матрицы памяти «STT-MRAM» с улучшенным магнитным гистерезисом магнитных элементов в структуру СБИС технологии «комплементарный-металл-оксид-полупроводник/кремний-на-изоляторе» (КМОП/КНИ), позволяют создать единую структуру СБИС «STT-MRAM/CMOS/SOI» с широкими функциональными возможностями: ПЛИС, микропроцессор с ОЗУ и ПЗУ и т.п.
ПРИЛОЖЕНИЕ «A»: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАТЕРАЛЬНО-ОГРАНИЧЕННЫХ МАГНИТНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР
Для того чтобы магниторезистивный элемент мог служить ячейкой памяти, в нем должно быть устойчиво только два магнитных состояния, соответствующих «0» и «1». Было предложено сделать магнитную часть магниторезистивного элемента в виде тонкой двухслойной эллиптической частицы с субмикронными латеральными размерами, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким немагнитным диэлектрическим слоем. Подобное предложение не является оригинальным, например, см. /2, 3, 4/.
Анизотропия формы создает легкую ось по длинной оси эллипса. При подходящем выборе геометрических параметров частицы, соотношении латеральных размеров и толщины каждый из магнитных слоев частицы будет всегда однородно намагничен вдоль легкой оси анизотропии. В этом случае возможно реализация двух состояний с ферромагнитным и антиферромагнитным упорядочиванием между слоями.
Использование эллиптической формы. Необходимо отметить, что антиферромагнитное состояние может быть реализовано двумя способами: либо на магнитостатическом взаимодействии между слоями частицами, либо при формировании магнитомягкого (свободного) и магнитожесткого (высококоэрцитивного) слоя. В рамках этого технического решения 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 часть - это изготовление электродов к частице, обеспечивающих возможность пропускания тока через магнитную частицу (магниторезистивный элемент).
Латеральные размеры элемента должны составлять 0,1-1 мкм. Изготовление ферромагнитных частиц с подобными размерами проводилось методами электронной литографии с использованием процесса «lift-off» (взрыва).
1-й этап. Вначале для выполнения исходных требований было предложено использовать частицы с субмикронными размерами, эллиптической формы и с магнитостатическим взаимодействием между слоями. Изготовление двухслойных магнитных частиц без токовых электродов является существенно менее трудоемкой задачей и позволяет вести исследования намагниченности слоев уже на первых шагах отработки методики изготовления магниторезистивных структур.
Двухслойные ферромагнитные частицы изготавливались методом электроннолучевой литографии с использованием позитивного электронного резиста ПММА (полиметилметакрилат). Экспонирование электронного резиста проводилось в электронном микроскопе с литографической приставкой. Металлическая маска, используемая при травлении, была изготовлена с помощью “lift-off” процесса.
x
В общих чертах первоначальную методику изготовления можно описать следующим образом: частицы формируются из пленочной ферромагнитной многослойной структуры травлением в атмосфере аргона в маске негативного резиста, определяющего форму частиц. Первые структуры изготавливались из трехслойной пленки Co/Si/Co. В дальнейшем немагнитная прослойка кремния, являющаяся диэлектрической при толщине в несколько нанометров, была заменена на оксид тантала (TaO) с возможностью контролируемого окисления.
Основные шаги методики изготовления магниторезистивного элемента представлены на Фиг.55.
-5
1. Пленки Co/Si/Co одна за другой были нанесены на подложку методами магнетронного распыления; на поверхность этой трехслойной структуры с использованием центрифуги наносится пленка электронного резиста ПММА. Остаточный вакуум в камере при магнетронном напылении порядка 10 Торр. Структура засвечивается электронным пучком литографической системы.
2. Обработка пленки ПММА - позитивного резиста в проявителе (MIBK на основе изопропилового спирта) приводила к формированию колодцев («отверстий») в пленке ПММА, т.е. области резиста, которые были засвечены электронным пучком, удаляются. Колодцы имеют форму будущих частиц.
3. Полученная структура с развитым рельефом покрывалась пленкой V методом магнетронного распыления.
4. Проводился процесс «lift-off». Оставшаяся пленка ПММА, покрытая V, удалялась в ремуворе (remover, «удалитель»), в качестве которого используется ацетон.
В результате на поверхности пленки Со/Si/Co оставались островки V с формой будущих частиц.
5. Проводилось ионное травление ферромагнитной структуры Co/Si/Co в атмосфере аргона.
С использованием вышеописанной методики была изготовлена структура, состоящая из 9 модулей ферромагнитных частиц. Общий вид образца приведен на Фиг.56.
Изготовление контактных площадок проводилось методами фотолитографии. Используя разработанные шаблоны на одной подложке, можно было сформировать решетку 10×10 магниторезистивных элементов.
x
2
5
На втором этапе способ изготовления элемента был модифицирован: на проводящем подслое формировались частицы из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaO/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 Ta с помощью напуска атмосферы в камеру. Для возможности хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрыт Au. Затем весь образец покрывался слоем диэлектрика TaO, и он 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.55-а)). Было проведено последовательное расширение контактных площадок с субмикронных размеров частицы до 400 микрон (см. Фиг.55-б), в)).
Литература
1. Метод изготовления слоя магнитно-туннельного перехода в устройстве магнитной памяти произвольного доступа / Патент Республики Корея, № KR 20030002142, опубл. 08.01.2003.
2. Магнитная память произвольного доступа и метод записи данных / Патент Японии, № JP 2005327988, опубл. 24.11.2005.
3. Способ формирования магнитного туннельного перехода (MTJ) для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа / Патент США № US 2005277206, опубл. 15.12.2005.
4. Гойхман А.Ю., Зенкевич А.В., Лебединский Ю.Ю. Способ формирования структур магниторезистивных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа и структура магниторезистивного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты) / Патент РФ № RU 2367057 C2, опубл. 10.09.2009.