СПОСОБ СОЗДАНИЯ САМООРИЕНТИРУЕМОГО МАГНИТНОГО СЕНСОРА Российский патент 2021 года по МПК G01R27/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области микроэлектроники, в частности к способу создания самоориентируемого магнитного сенсора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Магниточувствительные устройства или магнитные сенсоры представляют собой устройства, реагирующие на воздействие внешнего магнитного поля. Такое поле, как правило, может формироваться различными типами источников, например, магнитами, электрическим током, магнитным полем земли и пр. В качестве магнитных сенсоров могут выступать устройства, работающие на основе магнитного туннельного перехода (англ. MTJ - Magnetic Tunnel Junction), которые состоят из по меньшей мере двух слоев ферромагнетика, разделенных тонким слоем диэлектрика. Магнитные сенсоры MTJ часто используются для создания ячеек MTJ, которые применяются для создания магниторезистивной памяти (MRAM).

[0003] При создании MTJ сенсора один из слоев ферромагнетика имеет фиксированное направление намагниченности и называется «опорным слоем». Второй слой ферромагнетика имеет направление намагниченности, соответствующее воздействию внешнего магнитного поля, и формирует тем самым «чувствительный слой».

[0004] Существует различные типы MTJ сенсоров, которые имеют различные конфигурации. Одним из примеров таких сенсоров выступают ортогональные сенсоры, в которых направление намагниченности опорного слоя ортогонально направлено намагниченности чувствительного слоя. На Фиг. 1 представлен пример структуры стандартного MTJ-стека (10) для создания MTJ-сенсора, аналогичный которому раскрыт, например, в патентной заявке США US 20120049843 A1 (Everspin Technologies Inc., 01.03.2012).

[0005] Направление намагниченности ферромагнетиков в опорном и чувствительном слоях стека (10) фиксируется за счет применения слоя антиферромагнетиков. Как представлено на Фиг. 1 в общем случае известный тип MTJ-стека (10) содержит расположенный на подложке нижний электрод (ПО), опорный слой (100), который состоит из слоя антиферромагнетика (101), двух слоев ферромагнетика (102, 104) и немагнитного проводящего слоя (103), разделяющего слои ферромагнетика (102, 104).

[0006] Чувствительный слой (120) располагается над тонким слоем диэлектрика (111), разделяющим опорный (110) и чувствительный слои (120), и содержит слои ферромагнетика (121) и антиферромагнетика (122). Над чувствительным слоем (120) располагается высокорезистивный электропроводящий слой (112), играющий роль верхнего электрода при формировании контакта к MTJ ячейке, а также роль жесткой маски в плазмохимическом травлении для последующего формирования MTJ ячейки.

[0007] Для обеспечения температуры блокировки опорного слоя T_b1, отличной от температуры блокировки чувствительного слоя Ты, слои ферромагнетиков (101, 122) изготавливаются из различных материалов или материалов с различной толщиной. Температура блокировки - представляет собой температуру, при которой энергия теплового движения становится достаточно велика для того, чтобы разрушить обменное взаимодействие на границе ферромагнетик/антиферромагнетик. Если температура превышает температуру блокировки, то связь магнитных моментов на границе ферромагнетик/антиферромагнетик теряется и направление намагниченности слоя ферромагнетика больше не является зафиксированным.

[0008] В маршруте изготовления магнитных сенсоров в существующем уровне техники применяются две стадии отжига во внешнем магнитном поле, для того чтобы зафиксировать направление намагниченности опорного и чувствительного слоев в MTJ ячейке. Первый отжиг во внешнем магнитном поле выполняется при температуре выше, чем температура блокировки опорного слоя T_b1 (направление магнитного поля при отжиге показано красной стрелкой). Второй отжиг во внешнем магнитном поле обычно проводится в конце маршрута изготовления MTJ сенсора, чтобы зафиксировать направление намагниченности слоя ферромагнетика (121) чувствительного слоя (120) в требуемом ортогональном направлении (Фиг. 2), при этом температура в процессе второго отжига должна быть выше температуры блокировки чувствительного слоя T_b2 (направление магнитного поля при отжиге показано зеленой стрелкой), но ниже температуры блокировки T_b1, чтобы не разрушить связь магнитных моментов на границе ферромагнетик/антиферромагнетик в опорном слое.

[0009] Таким образом, существующий процесс для изготовления магнитных сенсоров является достаточно трудоемким и длительным в части необходимости осуществления двух стадий отжига во внешнем магнитном поле.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Настоящее решение направлено на оптимизацию маршрута изготовления магнитных сенсоров MTJ в части упрощения, и тем самым ускорения, технологического производственного процесса, за счет реализации способа самоориентации направления магнитных моментов чувствительного слоя в процессе производства магнитных сенсоров MTJ.

[0011] Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в ускорении технологического производственного процесса изготовления магнитных сенсоров MTJ за счет использования MTJ ячейки с анизотропией формы, что дает возможность исключить стадию отжига во внешнем магнитном поле в технологическом маршруте, необходимую для ориентации чувствительного слоя.

[0012] Заявленный результат достигается за счет способа создания самоориентируемого магнитного сенсора, при котором:

формируют на нижнем электроде, расположенном на диэлектрической подложке, MTJ стек, который содержит:

опорный слой, содержащий слой антиферромагнетика с температурой блокировки T_b1, первый слой ферромагнетика, прослойку из немагнитного материала и второй слой ферромагнетика, при этом направление намагниченности первого и второго слоев ферромагнетика является противоположным;

барьерный слой, нанесенный поверх опорного слоя;

чувствительный слой, нанесенный поверх барьерного слоя, при этом чувствительный слой содержит слой ферромагнетика и слой антиферромагнетика с температурой блокировки T_b2;

наносят поверх MTJ стека высокорезистивный проводящий слой для формирования верхнего электрода ячейки MTJ;

выполняют магнитный отжиг в присутствии внешнего магнитного поля при температуре Т>T_b1;

осуществляют процесс плазмохимического травления верхнего высокорезистивного слоя и MTJ стека, при котором формируют MTJ ячейку с верхним электродом, содержащую форму, обеспечивающую направление намагниченности чувствительного слоя вдоль его длинной оси;

осуществляют формирование контактов к верхнему электроду ячейки MTJ и последующих уровней металлической разводки с применением высоко температурных процессов с температурой Т_р, причем T_b1>Т_р>T_b2, при этом в ходе данного этапа направление намагниченности чувствительного слоя автоматически устанавливается ортогонально направлению намагниченности опорного слоя вдоль длинной оси ячейки MTJ.

[0013] В частном варианте осуществления способа магнитный сенсор имеет форму эллипса, овала или прямоугольника.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] Фиг. 1 иллюстрирует известный из уровня техники пример MTJ стека для изготовления магнитных сенсоров.

[0015] Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху MTJ сенсора с направлением намагниченности при выполнении стадий отжига во внешнем магнитном поле.

[0016] Фиг 3 иллюстрирует график, отражающий изменение электрического сопротивления как функцию от величины внешнего магнитного поля.

[0017] Фиг. 4А-4Д иллюстрируют этапы настоящего способа формирования магнитного сенсора.

[0018] Фиг. 5 иллюстрирует вид сверху MTJ сенсора с возможными направлениями намагниченности опорного слоя и чувствительного слоя.

[0019] Фиг. 6А-6Б иллюстрируют петлю гистерезиса, отражающую изменение сопротивления для двух возможных случаев направления намагниченности чувствительного слоя.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Туннельное магнетосопротивление MTJ ячейки будет изменяться при изменении относительной ориентации магнитного момента двух ферромагнитных слоев, и это явление известно как эффект туннельного магнетосопротивления (TMR). Направление намагничивания опорного слоя является фиксированным, а направление намагничивания свободного слоя может регулироваться в соответствии с внешним магнитным полем (Н), поэтому электрическое сопротивление MTJ ячейки также будет изменяться. MTJ ячейка показывает наименьшее сопротивление, когда направление намагничивания свободного слоя параллельно опорному слою, а через барьер протекает сильный ток. Напротив, сопротивление будет значительно увеличиваться, когда направление намагничивания антипараллельно, поэтому через барьер протекает небольшой ток. На Фиг. 3 представлен график, отражающий зависимость сопротивления MTJ ячейки от направления прикладываемого внешнего магнитного поля (Н). При этом поле направлено перпендикулярно направлению намагниченности чувствительного поля (зеленая стрелка).

[0021] Дальнейшее детальное раскрытие настоящего технического решения будет приведено с отсылками Фиг. 4А - Фиг. 4Д.

[0022] Как представлено на Фиг. 4А создание магнитного сенсора (20) основывается на формировании MTJ-стека, содержащего расположенный на подложке нижний электрод (210), опорный слой (200), который состоит из слоя антиферромагнетика (201), по меньшей мере двух слоев ферромагнетика (202, 204) и немагнитного проводящего слоя (203), разделяющего слои ферромагнетика (202, 204). Чувствительный слой (220) располагается над слоем тонкого диэлектрика (211), разделяющим опорный (210) и чувствительный слои (220), и содержит слои ферромагнетика (221) и антиферромагнетика (222). Над чувствительным слоем (220) располагается высокорезистивный электропроводящий слой (212), играющий роль верхнего электрода при формировании контакта к MTJ ячейки, а также роль жесткой маски в плазмохимическом травлении для последующего формирования MTJ ячейки.

[0023] Слои антиферромагнетиков (201, 222) изготавливаются из различных материалов или материалов с различной толщиной, для того чтобы у таких слоев была различная температура блокировки, в частности, Ты для слоя (201) и T_b2 для слоя (222).

[0024] Нижний электрод (210) располагается на подложке (не показана), которая может изготавливаться, например, из оксида кремния или другого полупроводникового материала, такого как: Si, SiC, SiGe, SiGeC, Ge, GaAs, InAs, InP или соединений материалов из Группы III-IV и их сочетаний. Материал для формирования нижнего электрода (210) и слоя (212) для формирования верхнего электрода и MTJ ячейки может представлять собой соединение, выбираемое из группы Та, TaN, Ti, TiN, TaSi, TaSiN и др.

[0025] Материал для опорного слоя (200) может представлять собой, например, соединение CoFe, CoFeB или их сочетаний, или других применимых соединений. Толщина слоя может быть различной, например, от 10 до 100 . Для слоев ферромагнетиков (111, 122) может применяться материал на основе соединений таких как: NiFe, CoFeB, NiFeX, CoFeX и др. толщина слоев также может иметь различную величину с сохранением достижения требуемого эффекта при создании магнитного сенсора (20).

[0026] После нанесения MTJ слоев и высокорезистивного электропроводящего слоя, как представлено на Фиг. 4Б, осуществляется процесс отжига в присутствии внешнего магнитного поля (Н) при температуре Т>T_b1 (направление магнитного поля при отжиге показано красной стрелкой). Диапазон температур при выполнении данной стадии может варьироваться в зависимости от используемых материалов антиферромагнетиков и их толщины, например для PtMn необходима температура Т>280°С, а для IrMn Т>220°С. Верхним приделом диапазона температур является Т<400°С, т.к при этой температуре начинает разрушаться слой диэлектрика между опорным и чувствительным слоем.

[0027] Как показано на Фиг. 4В, после напыления слоев MTJ стека для формирования MTJ ячейки осуществляют процесс переноса топологии с фоторезистивной маски путем плазмохимического травления через верхний слой (212) токопроводящей жесткой маски, который также является верхним электродом для MTJ ячейки. MTJ ячейка изготавливается формой, обеспечивающей направление намагниченности вдоль ее длинной оси, например, прямоугольной, овальной или эллиптической. Данный эффект известен как анизотропия формы и принцип изготовления такого рода элементов известен из уровня техники (см. например, RU 2705175 С2, RU 2716282 С1).

[0028] В процессе выполнения этапа отжига во внешнем магнитном поле устанавливается направление намагниченности для слоев ферромагнетиков опорного (202, 204) и чувствительного слоев (221), но при этом направление намагниченности чувствительного слоя (220) будет параллельно направлено направлению намагниченности опорного слоя (200).

[0029] В маршруте формирования контактов к ячейке MTJ и последующих уровней металлической разводки применяются высоко температурные процессы с температурой больше, чем температура блокировки T_b2 (вплоть до Т_р=300°С), но меньше, чем температура блокировки T_b1. Это приводит к переориентации направления намагниченности чувствительного слоя (221) в направлении ортогональном направлению намагниченности слоев (202, 204) опорного слоя (200).

[0030] За счет применения данного температурного воздействия отпадает необходимость в осуществлении второго магнитного отжига, поскольку за счет эффекта анизотропии формы ячейки MTJ, направление намагниченности чувствительного слоя (210) автоматически устанавливается ортогонально направлению намагниченности опорного слоя (200) вдоль оси легкого намагничивания сформированной ячейки MTJ, что представлено на Фиг. 4Г-4Д и Фиг. 5.

[0031] Направление может быть направлено в двух возможных ортогональных направлениях, которые будут устанавливаться автоматически за счет формы ячейки MTJ, но при этом общее сопротивление магнитного сенсора (20) будет неизменным, что представлено на графиках Фиг. 6А-6Б. На графиках видно, что оба возможных варианта направления намагниченности чувствительного слоя (210) под воздействием внешнего магнитного поля (Н), направленного перпендикулярно направлению чувствительного слоя (210), будут давать одинаковые величины электрического сопротивления.

[0032] Это позволяет значительно ускорить процесс изготовления такого рода изделий, за счет исключения необходимости осуществления второго магнитного отжига для фиксации в ортогональном направлении намагниченности чувствительного слоя (210).

[0033] Представленное описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.

Изобретение относится к области микроэлектроники. Сущность изобретения заключается в том, что способ создания самоориентируемого магнитного сенсора содержит этапы, на которых осуществляют использование MTJ ячейки с анизотропией формы, что дает возможность исключить стадию отжига во внешнем магнитном поле в технологическом маршруте, необходимую для ориентации чувствительного слоя. Технический результат – ускорение технологического производственного процесса изготовления магнитных сенсоров MTJ. 1 з.п ф-лы, 6 ил.

1. Способ создания самоориентируемого магнитного сенсора, при котором:

a) формируют на нижнем электроде, расположенном на диэлектрической подложке, MTJ стек, который содержит:

опорный слой, содержащий слой антиферромагнетика с температурой блокировки T_b1, первый слой ферромагнетика, прослойку из немагнитного материала и второй слой ферромагнетика, при этом направление намагниченности первого и второго слоев ферромагнетика является противоположным;

барьерный слой, нанесенный поверх опорного слоя;

чувствительный слой, нанесенный поверх барьерного слоя, при этом чувствительный слой содержит слой ферромагнетика и слой антиферромагнетика с температурой блокировки T_b2;

b) наносят поверх MTJ стека высокорезистивный проводящий слой для формирования верхнего электрода ячейки MTJ;

c) выполняют магнитный отжиг в присутствии внешнего магнитного поля при температуре T > T_b1 ;

d) осуществляют процесс плазмохимического травления верхнего высокорезистивного слоя и MTJ стека, при котором

формируют MTJ ячейку с верхним электродом, содержащую форму, обеспечивающую направление намагниченности чувствительного слоя вдоль его длинной оси;

е) осуществляют формирование контактов к верхнему электроду ячейки MTJ и последующих уровней металлической разводки с применением высокотемпературных процессов с температурой T_p, причем T_b1 > T_p > T_b2, при этом в ходе выполнения этапа e) направление намагниченности чувствительного слоя автоматически устанавливается ортогонально направлению намагниченности опорного слоя вдоль длинной оси ячейки MTJ.

2. Способ по п.1, в котором MTJ ячейка имеет форму эллипса, овала или прямоугольника.