СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУИРОВАННЫХ СЛОЕВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА КРЕМНИИ ДЛЯ СПИНТРОНИКИ
METHOD OF OBTAINING NANOSTRUCTURED LAYERS OF MAGNETIC MATERIALS ON SILICON FOR SPINTRONICS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам получения магнитных сред для записи информации с высокой плотностью, и может быть использовано для спинтроники.
2-δ
Известен способ получения пленки спинтронного материала на основе диоксида титана, легированного ионами кобальта, включающий магнетронное распыление сплавной металлической мишени-прекурсора в аргонокислородной атмосфере (Балагуров Л.А. и др. О природе ферромагнетизма в полупроводниковом оксиде Ti: Со. Письма в ЖЭТФ, 79(2), 111, 2004). Полученный ферромагнитный полупроводник может быть использован в электронных устройствах для спинтроники, но степень его намагниченности насыщения, при этом оказывается невысокой.
3
4
Известен способ получения композитной гранулированной тонкой пленки, содержащей зерна высокоэрцетивного сплава FePt в изолирующей матрице SiN. Пленка изготавливается при помощи совместного вакуумного магнетронного распыления мишени заданного состава на охлажденную подложку из окиси кремния или кварцевого стекла. Для перевода сплава FePt в кристаллическую фазу пленка отжигалась в вакууме при температуре 600°С. К недостаткам данного способа можно отнести достаточно сложный и трудноконтролируемый технологический процесс и относительно большой размер магнитных зерен (патент США №6183606, 2001).
Известен способ получения среды для хранения информации, заключающийся в том, что в исходную матрицу из магнитного материала вводятся примеси или дефекты, которые взаимодействуют с матрицей (патент РФ №2227941, H01F 10/08, 2004). В результате чего в ней формируются мелкодисперсные области (кластеры) с характерными размерами от нескольких ангстрем до нескольких десятков нанометров и с существенно отличным от основной матрицы типом магнитного состояния. Кластеры устойчиво фиксируются в матрице в позициях, связанных с пространственным расположением примесей и дефектов. В качестве исходной матрицы используют материал, обладающий, например, ферромагнитным типом магнитного упорядочения, полученный, например, магнетронным распылением составной мишени в виде тонкой пленки. Введение дефектов и изменение их концентрации осуществляется облучением матрицы в процессе ее формирования или при ее последующей обработке высокоэнергетическими фотонами, ионами, электронами и другими частицами. Свойства полученного материала для записи могут также изменяться путем термообработки (отжиг, закалка и т.д.) в вакууме или газовой атмосфере (аргон и др.), вызывающей рекристаллизацию или иные изменения кристаллической структуры матрицы.
Недостатком данного способа является большое количество технологических операций при совмещении с кремниевым КМОП-процессом и использование нестандартного технологического оборудования.
Технический результат заключается в получении материала, обеспечивающего полностью оптическое перемагничивание, при помощи только стандартного промышленного оборудования.
-4
-3
-1
-3
Технический результат достигается тем, что в способе получения наноструктурированных слоев магнитных материалов на кремнии для спинтроники, включающем магнетронное распыление составной мишени, обработку полученной пленки ионами, термическую обработку структур в вакууме, согласно изобретению мишень состоит из кремния 85-99% и ферромагнитного металла 1-15%, магнетронное распыление проводят в среде аргона, предварительный отжиг пластин при 200÷250°С, предварительный вакуум 5×10 Па, давление в рабочей камере во время распыления (6÷7)×10 Па, давление аргона в магнетроне (6÷7)×10 Па, скорость нанесения слоя гетерогенной смеси магнитного материала, кремния и продуктов их взаимодействия на подложке монокристаллического кремния (22÷25) нм/с, плазмохимическое травление проводят во фторсодержащей плазме при давлении азота в рабочей камере 4÷4,5 Па, суммарном давлении хладона 14 и азота в рабочей камере во время травления 1,33 Па, скорость травления слоя (10÷12) нм/с, термическую обработку проводят при вакууме 0,5×10 Па, температуре 300-400°С, длительностью 10-15 мин.
В качестве ферромагнитных металлов используют железо, никель, кобальт.
Данный способ может быть использован для серийного производства получения на кремнии наноструктурированных магнитных слоев, так как ориентирован на использование технологии кремниевой микроэлектроники, заключающийся в следующем.
Получение базового слоя на кремнии для формирования наноструктурированной магнитной пленки.
Получение гетерогенных слоев для базового слоя на кремнии проводится методом магнетронного распыления составной мишени кремний + ферромагнитный металл с контролируемой концентрацией компонентов кремний 85-99% + ферромагнитный металл (железо, никель, кобальт) 1-15%. Эта операция обеспечивает частичный синтез силицидов в паровой фазе и формирование на подложке кремния базового слоя для магнитной пленки на кремнии. Полученный слой имеет мелкозернистую структуру, статистически однородное распределение компонентов. Фазовый состав базового слоя: ферромагнитные металлы, силициды ферромагнитных металлов и кремний. Толщина слоя с воспроизводимыми свойствами может меняться в пределах 0.1-0.12 мкм.
Плазмохимическая обработка и селективное травление.
Компоненты гетерогенной смеси выбираются таким образом, чтобы они различались химической активностью по отношению к фторсодержащей плазме: кремний - высокая химическая активность, силициды ферромагнитных металлов - низкая химическая активность, ферромагнитные металлы - инертны. При обработке во фторсодержащей плазме происходит селективное вытравливание свободного кремния из пленки и обогащение соответственно магнитным материалом. Это приводит, с одной стороны, к структурной неустойчивости гетерогенного слоя, с другой, - к локальному взаимодействию ФМ-металлов с подложкой. В результате совокупности элементарных стадий плазмохимических и топохимических реакций происходит формирование самоорганизованных наноструктур магнитных пленок на основе силицидов переходных металлов, характеризующихся:
- высокой адгезией пленка-подложка;
- однородностью наноструктуры с размером кластера до 50 нм;
- магнитным откликом.
Термическая обработка.
Термическая обработка проводится в вакууме при температуре 300-400°С. В выбранных режимах обнаруживается высокая термостабильность, происходит стабилизация магнитных и структурных свойств пленки.
На фиг.1 изображены: а - АСМ-топография подложки Si, размер скана 10×10 мкм; б - МСМ-картина намагниченности контрольного образца Si; на фиг.2 изображены: а - АСМ-топограмма поверхности в системе Si-Ni после процесса избирательного плазмохимического травления (размер скана 1×1 мкм), б - профиль сечения АСМ-топограммы поверхности в системе Si-Ni после процесса, в - магнитный отклик в системе Si-Ni после процесса магнетронного напыления (размер скана 10×10 мкм); на фиг 3 изображены: а - АСМ-топограмма поверхности в системе Si-Ni после процесса магнетронного напыления (размер скана 10×10 мкм); б - магнитный отклик в системе Si-Ni после избирательного плазмохимического травления (размер скана 1×1 мкм). Пример получения магнитных пленок на кремнии.
Используются кремниевые пластины с ориентацией [100].
Напыление базового слоя
Слой «кремний - магнитный материал» наносится методом вакуумного напыления на установке магнетронного распыления типа 01НИ-7-006 в среде аргона с использованием комбинированной (составной мишени) мишени, состоящей из кремния и магнитного материала, закрепленных на медном основании.
предварительный отжиг пластин
2004÷250°С
предварительный вакуум
5×10<sup>-4</sup> Па
давление в рабочей камере во время распыления
(6÷7)×10<sup>-3</sup> Па
давление аргона в магнетроне
(6÷7)×10<sup>-1</sup> Па
скорость нанесения слоя
(22÷25) нм/с
толщина нанесенного слоя
(0,1-0,12)мкм
Плазмохимическая обработка
Плазмохимическая обработка проводилась на установке 08ПХО-100Т-005.
предварительный вакуум
4×10<sup>-1</sup> Па
давление азота в рабочей камере
4÷4,5 Па
суммарное давление хладона 14 и азота в рабочей
камере во время травления
1,33 Па
скорость травления слоя
(10÷12) нм/с
толщина удаленного слоя
0,7-0,8 толщины исходного слоя (7000-10000) нм
Термообработка
предварительный вакуум
1×10<sup>-4</sup> Па
вакуум в процессе термообработки
0,5×10<sup>-3</sup> Па
температура
300-400°С
длительность
10-15 мин
Контроль структуры и магнитных свойств наноструктуированных слоев магнитных материалов.
При отработке технологий получения наноструктурированных магнитных пленок в системах Si-Ni, Si-Co использовались такие методы сканирующей зондовой микроскопии как атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия. Исследованию подвергались исходные пластины кремния и все изготовленные образцы.
Для определения уровня шумового сигнала на картине намагниченности в методе магнитно-силовой микроскопии производилось сканирование шлифованной подложки Si с перепадом рельефа ~60 нм. Перепад сигнала на картине намагниченности содержит слабо заметные следы влияния рельефа подложки. При расстоянии между подложкой и зондом 10 нм перепад составил ~15 пА. Аналогичные измерения были проведены для других расстояний между подложкой и зондом и служили в качестве пороговой величины при оценке наличия/отсутствия магнитного отклика у исследуемых образцов.
Исследование образцов, полученных методом избирательного плазмохимического травления гетерогенного слоя кремний-силицид переходного металла (Fe, Ni, Со) - ферромагнитный металл (Fe, Ni, Со), показало, что в результате процесса избирательного травления кремния происходит образование нанокластеров силицидов ферромагнитных металлов до 50 нм и для этих структур характерен переход от многодоменного состояния к однодоменному. Размер магнитных наноструктур, полученных по данной технологии, не превышает 50 нм.