СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ФЕРРИТГРАНАТОВЫХ ПЛЕНОК Российский патент 1997 года по МПК H01L21/42 

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, в частности к методам обработки эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок (ЭФГП), и может быть использовано для улучшения их эксплуатационных параметров, а именно: для подавления жестких (твердых) цилиндрических магнитных доменов (ЖЦМД), т.е. для сокращения интервалов полей коллапса εΗ_o, уменьшения оптического поглощения и повышения термостабильности.

В настоящее время известен способ обработки ЭФГП, в котором для подавления ЖЦМД проводится отжиг пленок в атмосфере азота при T≈1100^oC (см. А.М. Балбашов, А.Я. Червоненкис. Магнитные материалы для микроэлектроники. М. Энергия, 1979, с. 81).

Недостатки этого способа следующие:
а) увеличивается поле анизотропии пленки на 31% что неизменно приводит к существенному изменению ширины полосовой доменной структуры и, как следствие, к изменению диаметра ЦМД;
б) неизвестно, как изменяются после отжига оптическое поглощение и температура Кюри.

Кроме того, известен способ обработки ЭФГП, в котором подавление ЖЦМД осуществляется с помощью ионной имплантации (см. например, А. Эшенфельдер. Физика и техника цилиндрических магнитных доменов. М. Мир, 1983, с. 86). Однако и этот способ имеет ряд недостатков:
а) способ применим только в том случае, если ЭФГП имеет отрицательный коэффициент магнитострикции;
б) ионная имплантация вносит большое количество неконтролируемых радиационных дефектов, которые со временем могут релаксировать, что грозит нестабильностью параметров пленки;
в) радиационные дефекты, вносимые имплантацией, ведут к увеличению оптического поглощения и уменьшению температуры Кюри.

Прототипом предлагаемого технического решения является способ обработки ЭФГП γ-облучением (см. B. Cambon, D. Challeton, D. Mauduit. The influence of neutron and gamma irradiation in bubble garnet films. IEEE Trans. Magn. 1981, V. 17, N6, pp. 2565 2567).

B. Cambon и др. исследовали влияние g-квантов экспозиционными дозами 10⁷ и 10⁸ P на ЭФГП (YSmLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂ (неимплантированные и имплантированные ионами Ne⁺ E 110 кэВ, Ф 2• 10¹⁴ см^-2) и рабочие характеристики чипов памяти емкостью 64 кбит, изготовленных на основе этих пленок. Из измеряемых параметров поле коллапса H_o не изменялось как в имплантированных, так и в неимплантированных образцах. Остальные характеристики (характеристическая длина l, намагниченность насыщения 4πM_s, коэрцитивная сила H_c, поле эффективной анизотропии H_k и подвижность μ_w) подверглись незначительным изменениям.

Указанные способы обработки ЭФГП используются в основном для изменения окраски минералов, просветления кристаллов в ультрафиолетовой области спектра и не решают задачи подавления ЖЦМД, т.е. сокращения интервала полей коллапса, уменьшения оптического поглощения и повышения температуры Кюри в ЭФГП.

Задача изобретения подавление ЖЦМД, уменьшение оптического поглощения и повышение температуры Кюри ЭФГП.

Способ осуществляется следующим образом. После того, как ЭФГП промыты спиртом, предварительно проводят измерения интервала полей коллапса, спектра пропускания и температуры Кюри в исходном состоянии. Затем структуры помещают в изотопную установку с энергией γ-квантов Е 1,25 МэВ и облучают до дозы D 8• 10⁷ Гр при мощности дозы P_D 5 25 Гр/c. По достижении этой дозы пленки промывают спиртом и проводят измерения тех же параметров и сравнивают их со значениями, полученными для пленок в исходном состоянии. Для достижения полного подавления ЖЦМД, уменьшения оптического поглощения и повышения температуры Кюри структуры дальше обрабатывают дозами g-квантов с интервалами в (1,5 2,5)•10⁷ Гр с последующими измерениями тех же параметров. Облучение прекращают, когда ЖЦМД полностью подавляются. Как правило, это происходит в интервале доз (1,0 - 3,0)•10⁸ Гр. Полное подавление ЖЦМД в ЭФГП всегда сопровождается увеличением коэффициента пропускания структур на 10 20% и температуры Кюри на 4 9 градусов.

Механизм подавления ЖЦМД можно объяснить следующим образом. Когда число вертикальных блоховских линий (ВБЛ) в доменной границе становится достаточно большим (порядка 100 и больше), то они дают заметный вклад в энергию границы, и ЦМД с такими доменными стенками становятся жесткими: поле коллапса для них на 50% выше, чем для нормальных ЦМД.

Облучение ЭФГП g-квантами с энергией Е 1,25 МэВ эквивалентно их внутреннему облучению быстрыми электронами (вторичными электронами) с энергией 1,04 МэВ, возникающими в результате Комптонэффекта и фотоэффекта (см. Физические процессы в облученных полупроводниках. Ответственный редактор Смирнов Л. С. Новосибирск: Наука, 1977, 254 с.). При больших дозах облучения происходит радиационный отжиг ЭФГП. Здесь уже действуют два фактора: вторичные электроны и температура. Поскольку эпитаксиальное наращивание пленок сильно неравновесный термодинамический процесс, то нагревание ЭФГП будет приводить пленки к термодинамическому равновесию. Вторичные электроны будут только стимулировать этот процесс, сообщая ионам решетки некоторую энергию. Характерно, что радиационные дефекты, создаваясь, сразу же будут отжигаться (релаксировать) под действием температуры.

Вторым и, по-видимому, основным механизмом подавления ЖЦМД при больших дозах g-облучения является стимулированная вторичными электронами и температурой диффузия ионов галлия из подложки в тонкий слой магнитной пленки, прилегающий к переходному слою "пленка подложка". Галлий, замещая железо в тетраэдрических позициях, снижает намагниченность в тонком слое. Образуется двухслойная магнитная пленка со 180^o доменной границей, свободная от ЖЦМД. ЦМД в основном слое пленки содержат по две ВБЛ и, таким образом, являются нормальными.

Упорядочение кристаллической решетки ЭФГП ведет к увеличению обменной константы, что увеличивает температуру Кюри.

Уменьшение дефектности пленки ведет также к уменьшению оптического поглощения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обладает следующими отличительными признаками.

1. Облучение g-квантами ведут до дозы D 8• 10⁷ Гр непрерывно.

2. Облучение по достижении дозы D 8•10⁷ Гр ведут порциями доз g-квантов величиной в (1,5 2,5)• 10⁷ Гр с последующим измерением температуры Кюри, оптического поглощения и интервалов полей коллапса до полного подавления ЖЦМД.

3. Облучение ведут при мощности дозы P_D 5 25 Гр/c.

Использование указанных отличительных признаков для достижения поставленной цели авторам неизвестно.

На фиг. 1 представлены результаты измерения полей коллапса от дозы g-облучения для ЭФГП (YSmLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂ (толщина пленки h 5,7 мкм). Каак видно из графика, от D 10³ Гр до D 9• 10⁷ Гр dH_o не изменяется. От D 9•10⁷ Гр и далее наблюдается резкое падение δH_o.. При D 2•10⁸ Гр, достигнув максимального уменьшения, интервал полей коллапса при дальнейшем облучении не изменяется. Таким образом, облучение данной феррит-гранатовой пленки γ-квантами до дозы D 2• 10⁸ Гр уменьшает разброс полей коллапса dH_o от 3,15 кА/м до 0,25 кА/м (на 92%), т.е. подавляются ЖЦМД.

На фиг. 2 представлены спектры пропускания для этой же структуры в исходном состоянии (1) и по достижении дозы γ -облучения D 2•10⁸ Гр (2). Одновременно с эффектом подавления ЖЦМД можно наблюдать "просветление" пленки на всем интервале волновых чисел. Максимальное просветление (Т 15 17%) наблюдается в интервале 11000 18000 см^-1.

Температура Кюри Т_c для вышеуказанной пленки по достижении дозы g-облучения D 2•10⁸ Гр увеличилась по сравнению с Т_c в исходном состоянии на 8 градусов.

Пример 1. Предлагаемое техническое решение реализовалось следующим образом. В качестве объекта подавления ЖЦМД использовались две ЭФГП состава (YSmLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂ (h 5,4; 7,75 мкм), взятые из разных партий и выращенные по стандартной технологии методом жидкофазной эпитаксии из раствора в расплаве на подложках Gd₃Ga₅O₁₂ ориентации (111). Источником g -квантов служила изотопная установка УКП-250000 на основе радионуклида Со⁶⁰ (энергия g-квантов 1,25 МэВ, мощность дозы облучения 15 Гр/c). Интервал полей коллапса dH_o измерялся как δH_o=H_оп-H₀₁ (где H₀₁ коллапс первого ЦМД, Н_оп коллапс последнего ЦМД) магнитооптическим методом (см. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах. Справочник. М. Радио и связь, 1987, стр. 30). Точность измерений составляла 1 2 Оптические спектры пропускания ЭФГП снимались на спектрофотометре "Specord-M-40" (точность измерения 0,5). Температура Кюри измерялась магнитооптическим методом как температура перехода структур в немагнитное состояние и фиксировалась по исчезновению доменной структуры. Была достигнута точность 1 К.

Вначале измерялись разброс полей коллапса и температура Кюри, регистрировались спектры пропускания ЭФГП в исходном состоянии. Далее все пленки непрерывно облучались γ-квантами до дозы D 8•10⁷ Гр, после чего проводились контрольные измерения. В дальнейшем все структуры обрабатывались g-квантами с проведением измерений dH_o, Т и T_c через каждые (1,5 2,5)•10⁷ Гр. Обработка каждой пленки прекращалась при полном подавлении ЖЦМД.

Период контрольных измерений выбран как (1,5 2.5)• 10⁷ Гр, исходя из следующих соображений. Если интервал контрольных измерений меньше 1,5•10⁷ Гр, то требуемый эффект сохраняется, но менее выражен, а именно: скорость подавления ЖЦМД уменьшается, не всегда удается достичь полного подавления ЖЦМД, значительно уменьшается из-за увеличения числа операций производительность способа. Период контрольных измерений более, чем 2,5•10⁷ Гр, приводил к нежелательным изменениям магнитных параметров (уменьшению эффективной анизотропии и увеличению поля коллапса), т.е. существенное влияние оказывали высокая температура и отжиг. Таким образом, исходя из условий точности измерений, производительности и экономичности способа, период контроля интересуемых параметров выбран как (1,5 2,5)•10⁷ Гр. Облучение прекращают при полном подавлении ЖЦМД, что достигается, как правило, в интервале доз (1,0 3,0)•10⁸ Гр. Дальнейшее облучение пленок нецелесообразно, т.к. может привести к перераспределению ионов Ga³⁺ и Fe³⁺ по подрешеткам и, кака результат, к изменению магнитных параметров.

Результаты испытания предлагаемого технического решения приведены в таблице.

Кака видно из таблицы, предлагаемое техническое решение эффективно подавляет ЖЦМД. Полное подавление ЖЦМД сопровождается просветлением пленки и ростом ее температуры Кюри. Магнитные параметры ЭФГП при этом не изменяются (изменения не выходят за пределы ошибки измерения; точность измерения P_o и H_o 1 2 H_к 5 7). Обнаруженные эффекты проявили хорошую стабильность на протяжении срока в 1,5 года, благодаря чему предполагаемое изобретение имеет большое практическое значение.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
позволяет полностью подавлять ЖЦМД;
повышает термостабильность ЭФГП на 5 9 градусов;
увеличивает оптическое пропускание пленок на 10 15

Использование: в области магнитной микроэлектроники. Сущность: структуры облучают γ-квантами Co⁶⁰ до дозы D = 8•10⁷ Гр непрерывно, а по достижении этой дозы - с последующим измерением интервалов полей коллапса через каждые (1,5 - 2,5)•10⁷ Гр при мощности дозы облучения P_D = 5 - 25 Гр/с до полного подавления жестких цилиндрических магнитных доменов. 2 ил., 1 табл.

Способ обработки эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок, включающий их облучение j-квантами Со⁶⁰, отличающийся тем, что облучение до дозы D 8 • 10⁷ Гр ведут непрерывно, а по ее достижении дозу j-квантов увеличивают порциями (1,5 2,5) • 10⁷ Гр при мощности дозы облучения P_D 5 25 Гр/с до полного подавления жестких цилиндрических магнитных доменов.