СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОЙ ПАТТЕРНИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ В НЕМАГНИТНОЙ МАТРИЦЕ
METHOD OF FORMING MAGNETIC PATTERNED STRUCTURE IN NON-MAGNETIC MATRIX

Изобретение относится к технологии создания сложных структур с помощью потока ускоренных частиц и может быть использовано в нанотехнологиях, микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем и запоминающих устройств.
Предлагаемый способ основан на известном факте (см. RU 2129320 [1]), что под воздействием потока ускоренных частиц происходит селективное удаление атомов одного из элементов, входящих в состав двух- или многоатомных веществ, в результате чего участок, подвергшийся облучению изменяет свои свойства. Способ включает нанесение на подложку слоя исходного диэлектрического материала и его преобразование в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц. На подложку наносят слой материала толщиной 2-20 нм, а преобразование материала в проводящий проводят модулированным потоком заряженных частиц после нанесения материала на подложку [1].
Недостатками известного способа являются высокие требования к расходимости потока заряженных частиц, необходимой для получения проводящих элементов очень малых размеров, и невозможность их получения в «толстых» (~ 100 нм и более) пленках. Хорошо известно, что взаимодействие ускоренных частиц с веществом сопровождается их рассеянием. Эффекты рассеяния приводят к тому, что зона воздействия ускоренных частиц на облучаемый материал всегда превышает размеры пучка или размеры отверстий в маске, если облучение производится через маску. Это превышение тем больше, чем больше энергия ускоренных частиц, а при толщинах материала, меньших длины проективного пробега ускоренных частиц в нем, - пропорционально толщине материала. При средних и больших энергиях ускоренных частиц профиль рассеяния имеет грушевидную форму (см. фиг. в [1]). Аналогичную форму имеет и зона преобразования состава при использовании способа [1]. Поэтому если слой сделать тонким, то можно получить относительно более мелкие детали проводящей структуры. Если слой материала сделать толщиной более 20 нм, то при прочих равных условиях размеры получаемых элементов структуры начинают возрастать. Недостатком известного способа является то, что он пригоден только для использования очень тонких слоев и не пригоден для формирования многослойных структур, поскольку при использовании последовательного нанесения слой на слой и облучении каждого последующего слоя нижележащие слои будут также ощущать воздействие потока частиц, что будет приводить к необратимым изменениям в их элементном составе и вносить искажения в уже сформированную топологию.
В частности, известен так же основанный на селективном удалении атомов одного из элементов, входящих в состав двух- или многоатомных веществ, способ формирования объемной структуры, состоящей из областей, отличающихся по химическому составу, который заключается в том, что на подложку наносят несколько рабочих слоев из различных двух- или многоатомных веществ, размещают полученную заготовку в камере, содержащей источник ускоренных частиц, создают в ней вакуум и облучают модулированным пучком ускоренных частиц. Энергию частиц выбирают из условия возможности прохождения частиц сквозь все рабочие слои с образованием колбы рассеяния с поперечным размером, меньшим промежутка между облученными участками, но не менее энергии, необходимой для смещения и селективного удаления входящих в вещество рабочих слоев атомов выбранного сорта. Величину дозы облучения выбирают из условия обеспечения селективного удаления требуемой доли атомов выбранного сорта до достижения необходимого уровня свойств вещества из оставшихся атомов, которые определяются на основании экспериментальной зависимости свойств облученного вещества от дозы облучения (см. RU 2243613 [2]).
Недостатком известного способа является то обстоятельство, что для формирования модулированного пучка необходимо использовать маски, некоторые из которых вызывают нежелательную модификацию свойств материала защищаемых рабочих слоев из-за наличия механических напряжений.
Известен способ получения многослойного носителя для цифровой магнитной записи, который включает нанесение на немагнитную подложку нескольких слоев из немагнитного материала с формированием в них регулярно распределенных магнитных частиц с немагнитными промежутками между ними. Особенность способа состоит в том, что слои, в которых формируют магнитные частицы, выполняют из материала, преобразующего свои немагнитные свойства в магнитные под воздействием потока ускоренных частиц, нижележащий слой выполняют тоньше вышележащего и между этими слоями размещают слои, обеспечивающие антиферромагнитную связь между сформированными магнитными частицами, и после нанесения всех слоев облучают полученную структуру через шаблон потоком ускоренных частиц. В качестве веществ, обеспечивающих антиферромагнитную связь, предлагается использовать Ir, Rh, Re, Ru, Cu, Mo, а в качестве ускоренных частиц - протоны, ионы гелия, атомы водорода или гелия (RU 2227938 [3]).
Недостатком известного способа является тот факт, что некоторые прилегающие шаблоны, например, создающие механические напряжения в материале рабочего слоя, могут приводить к изменению магнитных свойств защищаемых немагнитных частиц.
Известен способ изготовления магнитного носителя, который включает нанесение на подложку пленки из материала, изменяющего свои магнитные свойства под воздействием потока заряженных частиц, и формирование в ней регулярной структуры из единичных магнитных элементов облучением выбранных участков. Особенность способа состоит в том, что единичный магнитный элемент формируют с отношением его наибольшего размера к каждому из двух других 3,5:1 - 15:1, а пленку наносят толщиной, равной одному из трех размеров элемента (RU 2169398 [4]).
Недостатком известного способа является то, что с его помощью получают носители с относительно невысокой энергией электромагнитного импульса, излучаемого магнитными элементами в процессе перемагничивания или нагрева при считывании хранимой на них информации.
Известен способ формирования магнитного носителя с паттернированной структурой для цифровой записи, который включает упругую деформацию подложки путем приложения к ней растягивающих усилий вдоль одной оси, напыление на нее слоя немагнитного вещества, придание участкам напыленного слоя магнитных свойств за счет изменения их химического состава путем облучения ускоренными частицами, обеспечивающими селективное удаление требуемых атомов, и последующее снятие с подложки растягивающих усилий (RU 2383944 [5]).
Формирование магнитных элементов записи и/или хранения информации на предварительно упругодеформированной путем приложения к ней растягивающих усилий вдоль одной оси подложки и последующее снятие с подложки растягивающих усилий позволяет получить элементы не только с анизотропией формы, но и с анизотропией упругой деформации. А это, как показали исследования, приводит к увеличению прямоугольности петли гистерезиса полученной таким образом тонкой магнитной пленки при ее перемагничивании внешним магнитным полем в направлении, перпендикулярном упругой деформации (по сравнению с такой же пленкой, полученной без предварительного упругого растяжения подложки), и в конечном итоге к увеличению амплитуды электромагнитного импульса (снижению длительности этого импульса), излучаемого при ее перемагничивании внешним магнитным полем.
Недостатком известного способа является то, что он применим только при использовании упругодеформируемых подложек. С другой стороны, случайная деформация носителя при считывании информации может привести к ее искажению.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице, который включает нанесение маски с отверстиями, образующими требуемый рисунок, на пленку или заготовку окисла металла или полупроводника, облучение заготовки через маску потоком ускоренных протонов или атомов водорода и последующее воздействие на облученные участки кислородом, при этом отверстия в маске выполняют с аспектным соотношением, обеспечивающим получение элементов структуры меньшего размера, чем поперечный размер отверстий в маске (RU 2404479 [1]).
Недостатком известного способа является тот факт, что некоторые маски, например, создающие механические напряжения в материале рабочего слоя, приводят к частичной или полной модификации свойств защищаемого материала в результате воздействия ускоренных частиц на маску.
Заявленный способ формирования магнитной паттернированной структуры в немагнитной матрице направлен на уменьшение размеров магнитных элементов.
Указанный результат достигается тем, что способ формирования магнитной паттернированной структуры в немагнитной матрице включает формирование на подложке рабочего слоя из оксидов или нитридов магнитных материалов, нанесение на него промежуточного слоя из вещества с параметрами кристаллической решетки, отличающимися от параметра кристаллической решетки вещества рабочего слоя на величину не более 15%, и с толщиной не менее 5 нм, последующее нанесение на промежуточный слой защитной маски с заданной топологией и облучение через нее потоком ускоренных частиц с энергией, достаточной для селективного удаления атомов кислорода или азота.
3
4
Указанный результат достигается так же тем, что в качестве вещества промежуточного слоя используют нитрид кремния SiN.
Указанный результат достигается так же тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны или атомы водорода.
Известно, что чем тоньше слой защитной маски с заданным рисунком, тем меньшего размера структурные элементы рисунка могут быть получены. Поэтому в микроэлектронике стремятся использовать как можно более тонкие маски.
3
4
В результате проведенных исследований было установлено, что облучение исходного немагнитного вещества через маски с заданным рисунком в некоторых случаях может сопровождаться неэффективной работой маски, т.е. отсутствием защитного действия маски даже при ее толщинах, которые согласно расчетам (по энергии и дозе) должны были предотвращать воздействие пучка на защищаемые участки материала - селективное удаление атомов кислорода или азота в защищенных участках. Частичному преобразованию подвергался весь рабочий слой под маской. Увеличение толщины маски даже в 3-4 раза к требуемому результату не приводило. Было высказано предположение, что причиной такого поведения может служить наличие механических напряжений (возникающих в рабочем слое после нанесения маски) в ходе воздействия облучения на маску из-за большой разницы в параметрах кристаллической решетки вещества рабочего слоя и вещества маски. Для устранения механических напряжений, возникающих в рабочем слое, было предложено нанесение на него промежуточного слоя из вещества с параметрами кристаллической решетки, незначительно отличающимися от параметров кристаллической решетки вещества рабочего слоя. И действительно, при использовании такого приема частичное селективное удаление атомов кислорода или азота в защищенных маской участках прекратилось даже при использовании тонких масок. При этом было установлено, что для устранения нежелательного влияния напряжений несоответствие параметров кристаллической решетки вещества рабочего слоя и промежуточного слоя должно быть не более 15%. В противном случае эффект или не наблюдался, или был «смазанным», т.е. селективное удаление атомов кислорода или азота в защищенных маской участках частично происходило. Наиболее подходящим с точки зрения как параметров кристаллической решетки, так и химических свойств и удобства использования в качестве промежуточного слоя оказалось вещество, используемое в микроэлектронике - нитрид кремния SiN.
Облучение рабочего слоя через маску потоком ускоренных протонов или атомов водорода позволяет обеспечить восстановление исходного материала заготовки (окисла или нитрида, не имеющего магнитных свойств) до практически чистого одноатомного вещества, обладающего магнитными свойствами (металл), или многоатомного (сплав). Режимы работы источников ускоренных частиц определяются расчетным путем или подбираются экспериментально
Сущность заявляемого способа формирования магнитной паттернированной структуры поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 показана последовательность проведения операции при формировании структуры без использования промежуточного слоя. На фиг.2 показана последовательность проведения операции при формировании структуры с использованием промежуточного слоя.
Пример 1. В первом случае способ реализуется следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на нее рабочим слоем (немагнитным оксидом или нитридом магнитного металла или сплава) 2, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных протонов или атомов водорода в магнитный. Поверх этого слоя размешается маска 4 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. Заготовка облучается протонами с расчетной энергией, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов кислорода или азота из пленки оксида или нитрида без маски. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным или расчетным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц, под отверстиями в маске должны были образовываться элементы магнитной паттернированной структуры 5, составляющие заданный рисунок, окруженные областями, где восстановление до состояния металла или сплава произошло не полностью. Однако, как показали исследования облученных образцов, во всем рабочем слое произошло селективное удаление атомов кислорода или азота и, соответственно, преобразование оксида или нитрида металла или сплава в металл или сплав. Таким образом, в этом случае заданную паттеринированную магнитную структуру сформировать не удалось.
3
4
Пример 2. Во втором случае способ реализовывался следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на нее рабочим слоем (немагнитным оксидом или нитридом металла или сплава) 2, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных протонов или атомов водорода в магнитный. Между рабочим слоем 2 и маской (параметры которой были тождественны использованной в примере 1) наносился промежуточный слой 6 из нитрида кремния SiN толщиной 5 нм. Заготовка облучалась протонами с той же расчетной дозой, как в примере 1, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов кислорода или азота из пленки оксида или нитрида без маски. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в маске происходило селективное удаление атомов кислорода или азота и, соответственно, преобразование оксида или нитрида металла или сплава в металл или сплав, обладающий магнитными свойствами, с образованием элементов магнитной паттернированной структуры 5, а под участками, защищенными маской, селективное удаление атомов кислорода или азота и, соответственно, преобразование оксида или нитрида металла или сплава в металл или сплав не происходило. Таким образом, в этом случае удалось сформировать заданную паттеринированную магнитную структуру.
3
4
Пример 3. В третьем случае способ реализуется следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на нее рабочим слоем немагнитного оксида кобальта COО 2 толщиной 15 нм, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных ионов водорода в магнитный кобальт. Поверх этого слоя размешается маска 4 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий из оксида кремния толщиной 15 нм. Заготовка облучается протонами с расчетной энергией в 0.2 кэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов кислорода из пленки оксида без маски. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным или расчетным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в маске должны были образовываться элементы магнитной паттернированной структуры 5, составляющие заданный рисунок, окруженные областями, где восстановление до состояния металла полностью не должно было происходить. Однако, как показали исследования облученных образцов, в открытых частях произошло селективное удаление атомов кислорода и, соответственно, преобразование оксида металла в металл, а на участках, закрытых маской, имело место частичное удаление атомов кислорода, что привело к образованию промежуточного оксида кобальта и, соответственно, появлению магнитных свойств материала матрицы между отдельными элементами паттернированной структуры.
x
y
3
4
Пример 4. В четвертом случае способ реализовывался следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на нее рабочим слоем немагнитного оксида сплава кобальта и платины CoPtO 2 толщиной 12 нм, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных протонов или атомов водорода в магнитный сплав кобальта с платиной. Между рабочим слоем 2 и маской (параметры которой были тождественны использованной в примере 3) наносился промежуточный слой 6 из нитрида кремния SiN толщиной 5 нм. Заготовка облучалась протонами с расчетной энергией ~(0.05-0.2) кэВ дозой, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов кислорода из пленки оксида кобальта или сплава кобальта с платиной без маски. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в маске происходило селективное удаление атомов кислорода и, соответственно, преобразование оксида сплава кобальта с платиной в сплав, обладающий магнитными свойствами, с образованием элементов магнитной паттернированной структуры 5, а под участками, защищенными маской, частичное удаление атомов кислорода и, соответственно, образование промежуточного оксида сплава кобальта с платиной, сопровождающееся появлением магнитных свойств, не происходило. В результате была сформирована паттернированная магнитная структура из отдельных магнитных битов из сплава кобальта с платиной, разделенных матрицей немагнитного оксида сплава кобальта с платиной.