Способ изготовления магниторезистивных наноструктур Российский патент 2022 года по МПК H01L43/08 

Изобретение относится к области изготовления магниторезистивных наноструктур, обладающих гигантским магниторезистивным эффектом (ГМР эффект), и может быть использовано при разработке датчиков магнитного поля, запоминающих и логических элементов.

Известны различные магниторезистивные наноструктуры на основе тонких магнитных пленок типа магнитожесткий (с большой коэрцитивной силой) ферромагнитный, разделительный немагнитный и магнитомягкий (с малой коэрцитивной силой) ферромагнитный слой.

В изобретении (патент РФ №2139602, H01L 43/08. Магниторезистивный датчик. Опубликовано 10.10.1999, бюл. №28) и полезной модели (патент РФ №128764. МПК G11C 11/15. B82Y 25/00. Спин - вентильная магниторезистивная наноструктура. Опубликовано 28.05.2013, бюл. №15.) авторов Касаткина С.И. и др. в качестве магнитожесткого слоя применяют Со или сплав Fe(50%)Co(50%), разделительного - Cu и магнитомягкого сплав FeNi (пермаллой). Такие структуры обладают рядом недостатков, что препятствует их практическому использованию в виде датчиков магнитного поля, в частности, наличие гистерезиса на полевой зависимости магнитосопротивления и небольшая величина магниторезистивного эффекта, приводят к увеличению погрешности измерения магнитного поля.

Известны спин - вентильные структуры с гигантским магниторезистивным эффектом (спиновые клапаны), которые в дополнение к вышеописанной структуре, содержат антиферромагнитный слой. В результате обменного взаимодействия антиферромагнитного и магнитожесткого слоев, происходит увеличение значения коэрцитивной силы магнитожесткого слоя, что обуславливает появление однонаправленной анизотропии,

В кандидатской диссертации Наумовой Л.И. «Магнитная анизотропия, кристаллографическая текстура и гистерезисные свойства металлических наноструктур - спиновый клапан» (опубл. http://wwwl.imp.uran.ru) детально исследован процесс получения структур типа спиновый клапан с антиферромагнитными слоями на основе соединений редкоземельных металлов.

Такие структуры обладают гигантским магниторезистивным эффектом (~8 - 10% и более), но их получение требует использования оборудования с большим количеством магнетронов и мишенями из разных, в том числе редкоземельных, металлов, что вызывает дополнительные сложности при производстве структуры.

Повышение значения коэрцитивной силы магнитожесткого слоя за счет структуры антиферромагнетик-ферромагнетик с однонаправленной анизотропией проводят в двух установках (напыление в одной и магнитный отжиг в другой), что также усложняет процесс изготовления магниторезистивных наноструктур. Кроме того, перенос образца из одной установки в другую, может отрицательно повлиять на интерфейс между закрепленным слоем и немагнитным и привести к образованию питтингов.

Известна также, большая группа магниторезистивных наноструктур, у которых антиферромагнитный слой выполнен из окислов магнитных металлов или окислов магнитных сплавов (Coehorn R, Giant magnetoresistance and magnetig interactions in exchange-biased spin-valves // Handbook of magnetic materials. Amsterdam: Elsevier Science, 2003, p. 34. tab. 2.1). Здесь предпочтение отдается NiO за счет большей температуры блокировки, чем у других окислов. Той же причиной объясняется применение сплавов с большим содержанием Ni (50% и более).

Одна из таких структур, описанная в (Lin Т., Mauri D., Staud N., Hwang С., Howard J.K., Gorman G.L., 1994a. Appl. Phys. Lett. 65. 1183.), состоит из Ni(50%)Co(50%)O(30 нм) / Ру(3 нм) / Со(1,5 нм) / Cu(2,2 нм) / Со(1,5 нм) / Ру(6 нм), где Ру-пермаллой.

Получение такой структуры значительно проще, чем при вышеописанных способах, однако требуется напыление не менее 6 слоев, входящих в структуру, а также напыление защитного и проводникового слоев для формирования контактных площадок.

Известны более простые структуры, у которых магнитожесткий и магнитомягкий слои выполнены из одного и того же материала, чаше всего это Со и NiFe и реже сплав NiFeCo. Так же в данной структуре может присутствовать и антиферромагнитный слой (FeMn). Примером такой структуры является Hf(5 нм) / Ni(66%)Fe(16%)Со(18%)(5 нм) / Cu(2 нм) Ni(66%)Fe(T6%)Co(18%)(X5 им) Fe(50%)Mn(50%)(5 нм) / Hf(5 нм) (Hoshino, K., Noguchi, S., Nakatani, R., Hoshiya, H.Sugita, Y., 1994, Jpn. J. Appl. Phys. 33, 1327), которая взята нами за прототип. Недостатком является сложность изготовления, обусловленная использованием большого количества используемых материалов, в том числе редкоземельных металлов.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является уменьшение количества технологических операций при получении данных наноструктур, использование меньшего количества материалов и формирования одноосной анизотропии за один цикл напыления без переноса образцов из одной установки в другую.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение технологичности изготовления магниторезистивных наноструктур с получением высокого значения коэрцитивной силы магнитожесткого слоя.

Технический результат достигается тем, что в способе получения магниторезистивных наноструктур заключающемся в вакуумном напылении на подложку из монокристаллического кремния с нанесенным на него защитным слоем SiO₂ антиферромагнитного слоя, магнитожесткого слоя из сплава NiFeCo, медного слоя и магнитомягкого слоя из сплава NiFeCo, антиферромагнитный и магнитожесткий слои получают за один технологический цикл напыления сплава NiFeCo при температуре подложки не ниже, чем температура окисления сплава на воздухе, и последующем отжиге слоя в вакууме при остаточном давлении (2-4)×10^-6 мм рт.ст. при той же температуре не менее одного часа, охлаждении до комнатной температуры и последующего напыления медного слоя и магнитомягкого слоя из сплава NiFeCo, при этом напыление многослойной магниторезистивной наноструктуры проводят при приложении вдоль поверхности подложки магнитного поля напряженностью 160Э и более.

Кроме того, в качестве магнитного сплава NiFeCo предпочтительно применяют сплав с химическим составом Ni(65%)Fe(15%)Со(20%).

Предлагаемое техническое решение поясняют следующие фигуры: На фигуре 1 показана схема измерения магнитосопротивления тестового образца четырехконтактным методом, где: 1-2 - контактные площадки тестового образца для подачи постоянного тока; 3-4 - контактные площадки для измерения напряжения тестового образца; 5 - магниторезистивная полоска; 6 - вольтметр: 7 - источник постоянного тока.

На фигуре 2 показан график зависимости магнитосопротивления тестовых образцов спиновых клапанов от величины внешнего магнитного поля (полевая зависимость), где: 8 - полевая зависимость магнитосопротивления при увеличении магнитного поля от -125Э до +125Э. 9 - полевая зависимость магнитосопротивления при чменыиеннн магнитного поля от +125Э до -125Э: 10 - область зависимости магнитосопротивления от внешнего магнитного поля в увеличенном масштабе в которой наблюдается максимальная чувствительность.

Способ изготовления магниторезистивных наноструктур осуществляется следующим образом.

На подложку из монокристаллического кремния с нанесенным на него защитным слоем SiO₂, наносят антиферромагнитный и магнитожесткий слои за один технологический цикл напыления сплава NiFeCo, Температура подложки должна быть не ниже, чем температура окисления сплава (или одного из компонентов сплава) на воздухе. Затем проводят отжиг полученной тонкопленочной структуры в вакууме при остаточном давлении (2-4)×10^-6 мм рт.ст. при той же температуре не менее одного часа. Далее подложка с нанесенным слоем NiFeCo охлаждается до комнатной температуры. Затем напыляют слой меди и магнитомягкий слой из сплава NiFeCo. Предпочтительнее применять сплав с химическим составом Ni(65%)Fe(15%)Co(20%). Напыление многослойной наноструктуры происходит при приложении вдоль поверхности подложки магнитного поля напряженностью 160Э и более.

Сущность изобретения заключается в том, что найдены условия для магнитного превращения и получения одновременно в одном напыленном слое различных конфигураций магнитного состояния за один цикл откачки вакуумной камеры.

Возможно, что в ранее приведенных условиях происходит получение ферромагнитного и ферримагнитного состояний магнитного слоя, что приводит к однонаправленной анизотропии (Большая энциклопедия нефти и газа. Однонаправленная анизотропия [Электронный ресурс] URL: http://www.ngpedia.ru/id50588pl/html). Получение ферромагнитного и антиферромагнитного состояний возможно происходит за счет окисления кобальта (или в связке с Fe), как имеющего более низкую температуру окисления на воздухе (>300°С). в то время как Fe и Ni окисляются при температуре >500°С (Бирон B.C., Дроздова Т.Н., Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе системы железо-никель-кобальт. Журнал сибирского федерального университета. Техника и технология., 2009., №2., С. 139-150.) Окисление возможно в нанослоях за счет остаточной атмосферы в рабочей камере напылительной установки, когда основную роль играют поверхностные взаимодействия с внешней средой. Возможно, что оба этих процесса - магнитное превращение и окисление имеют место одновременно в одном и том же технологическом процессе напыления магнитного слоя.

Пример реализации способа.

Эксперименты проводились на электронно-лучевой установке с использованием внешней магнитной системы, формирующей вдоль поверхности подложки магнитного поля с напряженностью более 160Э. Для изготовления образцов использовались пластины кремния марки 100-1А2ямед КДБ-80-(100)-470 с нанесенным слоем оксида кремния толщиной ~ 0,3 мкм. Для напыления был выбран тройной сплав Ni(65%)Fe(15%)Со(20%). Напыление структуры Ni(65%)Fe(15%)Со(20%) Cu / Ni(65%)Fe(15%)Со(20%) проводилось в следующем режиме:

- материал магнитных слоев Ni(65%)Fe(15%)Со(20%);

- скорость напыления сплава - (3 - 5) нм/сек;

- температура напыления Ni(65%)Fe(15%)Со(20%) - (320 - 350)°С;

- отжиг - 1 час при температуре - (320 - 350)°С и при остаточном давлении (2-4)×10^-6 мм рт.ст.

- температура напыления слоя Cu и магнитомягкого слоя - комнатная;

- скорость напыления Cu - (1 - 2) нм/сек;

- толщина Cu - (3 - 5) нм;

- скорость напыления магнитомягкого слоя - (3 - 5) нм/сек;

- толщина магнитомягкого слоя Ni(65%)Fe(15%)Co(20%) - (5 - 7) нм.

Толщина слоев определялась на поперечном шлифе на электронном микроскопе. Скорость рассчитывалась по времени напыления полученной толщины.

По общепринятой практике в качестве защитного слоя использовался слой тантала, а проводники напылялись из алюминия.

Тестовые образцы (магниторезнстивная полоска с контактными площадками) изготавливались метолом фотолитографии.

По приведенному режиму были напылены наноструктуры, из которых были изготовлены тестовые образцы, с последующим измерением их полевой зависимости магнитосопротивления. Образцы представляли полоски шириной 100 мкм и длиной 5 мм, на которых определялось сопротивление стандартным четырехконтактным методом, схема измерения приведена на фиг.1. Тестовый образец устанавливался на контактное приспособление, а зонды контактного приспособления устанавливались на контактные площадки. Контактное приспособление с тестовым образцом помешался в соленоид, формирующий нормированное магнитное поле, таким образом, что силовые линии магнитного поля параллельны току, протекающему в магниторезистивной полоске 5.

На контакты 1-2 подавался постоянный ток с источника тока 7, а с контактов 3-4 снималось падения напряжения вольтметром 8.

Полевая зависимость магнитосопротивления полоски 5, вычисленного по показаниям вольтметра 8, в диапазоне магнитных полей от - 125 Э до +125 Э приведена на фиг. 2.

По результатам измерения магнитосопротивления было определено:

- поле смещения (5Э):

-линейный диапазон изменения магнитного поля от 5 до 12Э;

- чувствительность на линейном диапазоне 0,14%/Э.

При включении данной наноструктуры в качестве чувствительного элемента в мост Уитстона, чувствительность преобразователя составила: 3,4 мВ/ВЭ - при использовании одного плеча моста Уитстона, и 6,8 мВВЭ - при использовании двух противоположных плеч. Данные значения позволяют использовать такие наноструктуры для изготовления датчиков магнитного поля, используемых в навигационных системах.

Таким образом, в предлагаемом решении для создания всей магниторезистивной структуры использовалось четыре материала, для напыления электронно-лучевым источником (или четыре мишени, в случае магнетронного распыления).

Изобретение относится к области изготовления магниторезистивных наноструктур, обладающих гигантским магниторезистивным эффектом, и может быть использовано при разработке датчиков магнитного поля, запоминающих и логических элементов. Технический результат - повышение технологичности изготовления магниторезистивных наноструктур с получением высокого значения коэрцитивной силы магнитожесткого слоя. В способе получения магниторезистивных наноструктур, заключающемся в вакуумном напылении на подложку из монокристаллического кремния с нанесенным на него защитным слоем SiO₂ антиферромагнитного слоя, магнитожесткого слоя из сплава NiFeCo, медного слоя и магнитомягкого слоя из сплава NiFeCo, антиферромагнитный и магнитожесткий слои получают за один технологический цикл напыления сплава NiFeCo при температуре подложки не ниже, чем температура окисления сплава на воздухе, и последующем отжиге слоя в вакууме при остаточном давлении (2-4)×10^-6 мм рт.ст. при той же температуре не менее одного часа, охлаждении до комнатной температуры и последующем напылении медного слоя и магнитомягкого слоя из сплава NiFeCo, при этом напыление многослойной магниторезистивной наноструктуры проводят при приложении вдоль поверхности подложки магнитного поля напряженностью 160Э и более. 2 ил.

1. Способ изготовления магниторезистивных наноструктур, заключающийся в вакуумном напылении на подложку из монокристаллического кремния с нанесенными на него защитным слоем SiO₂ антиферромагнитного слоя, магнитожесткого слоя из сплава NiFeCo, медного слоя и магнитомягкого слоя из сплава NiFeCo, отличающийся тем, что антиферромагнитный и магнитожесткий слои получают за один технологический цикл напыления сплава NiFeCo при температуре подложки не ниже, чем температура окисления сплава на воздухе, и последующем отжиге слоя в вакууме при остаточном давлении (2-4)×10^-6 мм рт.ст. при той же температуре не менее одного часа, охлаждении до комнатной температуры и последующем напылении медного слоя и магнитомягкого слоя из сплава NiFeCo, при этом напыление многослойной магниторезистивной наноструктуры проводят при приложении вдоль поверхности подложки магнитного поля напряженностью 160Э и более.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного сплава NiFeCo предпочтительно применяют сплав с химическим составом Ni(65%)Fe(15%)Co(20%).