Способ получения тонких магнитных пленок в полупроводниках Советский патент 1985 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к технологии получения тонких магнитных пленок (тип) на полупроводниковых подложках т.е. пленск, имеющих толщину- ЮО нм и может быть использовано в области микроэлектроники для изготовления управляемых магнитных приборов.

Известен способ получения ТИП путем вакуумного напыления, электролитического осаждения или термического разложения на нагретой поверхности подложки 1 J .

Недостатками способа является плохая твердость и прочность пленок. Наиболее близким к изобретению является способ получения тонких магнитных пленок в полупроводниках, включающий введение атомов магнитных элементов с применением ионных пучков 2. Суть его заключается в еледующем: поверхность катода, выполненного из материала формируемой магнитной пленки, например, железа, помещенного в специальную камеру, подвергают интенсивной ионной бомбардировке (обычно ионами инертных газов) в результате чего из катода выбиваются атомы, которые осаждаются на полупроводниковую подложку, например на

кремний, и формируют ТМП.

I

Недостатками способа катодного

распыления является то, что получение ТМП характеризуются низкой механической прочностью и твердостью. Например, твердость ТМП, полученных на основе чистого железа не превышает 4-5 единиц по Моссу, что затрудняет механическую чистку и применение их в жестких эксплуатационных условиях. Далее, будучи расположенными после напыления непосредственно на поверхности полупроводниковой подложки, такие пленки (особенно на основе железа) подвержены сильному химическому воздействию окружающей среды, в частности, окислению кислородом воздуха, что ухудшает магнитные свойства пленок и не допускает применения их в атмосфере, содержащей даже малые концентрации кислот и щелочей. И, наконец, способ катодного, распыления для получения ТМП на полупроводниковой подложке- не обеспечивает требуемые величины адгезии (сцепления) пленки к подложке. Это объясняется тем, что из-за малой величины энергии (Е 2 21000 эВ) распьтяемых атомов в спбсобе катодного распьшения, они практически осаждаются непосредственно на поверхности полупроводниковой подложки, не г1„.-оникая вглубь, в результате чего граница раздела 2-х разнородных сред пленка - подложка получается рекой, т.е. без переходной области,что и препятствует получению хорошей адгезии.

Цель изобретения - повышение механической прочности, твердости, химической стоГжости и адгезии магнитной пленки к полупроводнику.

Цель достигается тем, что в способе получения тонких магнитных пленок в полупроводниках, включающем введение атомов магнитных элементов с применением ионных пучков,- бомбардировк полупроводника осуществляют ионами магнитных элементов с энергией 10500 кэВ, дозой облучения, определяемой из соотношения С - п- с) , где П - концентрация атомов в материале тонкой магнитной пленки и J - заданная толщина тонкой магнитной пленки, при плотности ионного тока, лежащей в диапазоне 6 .Ю ион/см с, а также тем, что бомбардировку кремния производят ионами железа с энергией Е 10-40 кэБ и дозой ,810-2,4 -Ю при плотности ионного тока j 6102-6-103 .. с для магнитных пленок толщиной 2030 нм, также тем, что для повьш1ения намагниченности насьш ения и расширения диапазона рабочих температур,полученную структуру с магнитной пленкой дополнительно отжигают при температуре 500i50°C в вакууме или в потоке сухого азота в течение 1030 мин.

При указанных режимах внедрения ионов ТМП формируется на некоторой глубине от поверхности полупроводниковой подложки, т.е. представляет собой захороненньш слой, защищенный сверху тонким слоем исходного полупроводника. В результате, механическая твердость и химическая стойкость полученной ТМП определяются, по существу, материалом подложки, например кремнием, который по этим параметрам существенно превосходит тонкие пленки Fe, Со, Ni.

Оптимально решается в этом случае и вопрос о повьшении адгезии. В предлагаемом способе в о -личие от известных ТМП формируется, как уже отмечалось, не на поверхности, а внут- , ри подложки и с плавными переходами по составу и свойствам от подложки к пленке, т.е. без резких границ раздела между разнородными средами пленка-подложка; Благодаря этому реа лизуется максимально возможная адгезия ТМП с полупроводниковой подложкой. Конкретные значения или интервалы допустимых изменений параметров (E,D,y), определяющих режимы ионной имплантации, вытекают из необходимости выполнения следующих основных условий зарождения и роста ТМП задан ной толщины и в заданной области внутри полупроводника: наличия достаточного количества ферромагнитных атомов в заданной области формирования ТМП, наличия центров преципитации (вьтадения в осадок) внедренной примеси в заданной области формирования ТМП малая растворимость атомов материала ТМП в подложке. Всем этим условиям удовлетворяет бомбардировка полупроводников (например. Si или Ge) ионами магнитных элементов, например железа, кобальта никеля, для которых предел растворимости не превышает 3-10 см-. При этом центрами преципитации являются микропоры, образукнциеся при указанны режимах ионной бомбардировки (E,0,j) в приповерхностном слое полупроводника. Режимы ионной бомбардировки определяются из следующих соображений. Энергия иона Б определяет величину его среднего проекционного пробега и среднеквадратичного отклонени лКр которые, в свою очередь, опре.деляют глубину залегания пленки, ее ,толщину, а также толщину верхнего за щитного слоя. Причем сверху энергия иона, в принципе, не ограничена. Однако учитьшая типовые характеристи ки используемьпс ионных ускорителей, энергию иона Е можно ограничить свер ху величиной 500 кэБ. Ограничение снизу величиной кэБ связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Е уже не удается получить качественный защитный слой из материала .подложки над сформированной пленкой ТМП. Доза облучения определяется необходимым количеством атомов материала ТМП, чтобы обеспечить формирование магнитной пленки заданной толщины. Поскольку на практике толщина ТМП является варьируемым параметром, то необходимая доза облучения также не может быть фиксированной величиной и определяется из соотношения D п. d (ион/см) которое непосредственно вытекает из указанного выше условия. - Плотность тока в ионном пучке j определяет, с одной стороны, скорость генерации и накопления радиационных дефектов с образованием, в конечном счете, микропор - центров преципитации внедренной примеси. С другой стороны, при увеличении j вьше некоторой величины, степень радиационного нагрева становится столь значительной, что температура облучаемой поверхности полупроводника превьш1ает температуру отжига Т радиационных дефектов. В результате этого происходит их эффективный отжиг непосредственно в процессе-бомбардировки,что препятствует образованию в бомбардируемом слое микропор, т.е. не выполняется второе необходимое условие формирования ТМП. В связи с этим на величину j накладывается- ограничение сверху. Экспериментально было уста-, новлено, что для большинства используемых на практике полупроводниковых подложек (Si, G, (aAs, InSb, CdTe и др.) максимальное значение плотности ««иного тока не должно превьшать 6 Х10 ион/см, с. Ионнай бомбардировка с малой плотностью ионного тока практически не сказывается на магнитных характеристиках ТМП. Однако при этом достижения необходимой .дозы необоснованно увеличивается время облучения. Поэтому целесообразно ограничить минимальную плотность ионного тока величиной бтЮ ион/см «с. Известно, что для кристаллически упорядоченных магнетиков температура. Кюри и намагниченность насыщения значительно. вьш1е, чем в неупорядоченных или аморфных магнетиках. Поэтому, термический отжиг ионноимплантированных образцов, приводящий к отжигу различных дефектов и упорядочению структуры, ведет к улучшению магнитных характеристик пленок. Для кремния отжиг радиационных дефектов, в зависимости от их сложности происходит в интервале температур от 100 до в течение 10 мин. Однако как показа:

ли исследования, при высоких температурах (выше 550 С) наряду с отжи- i гом дефектов начинается распад образовавшейся ферромагнитной пленки. Исходя из сказанного, температура отжига для ТИП на основе кремния выбрана 500i50°C. Экспериментально определенное минимальное время отжига ТИП при данной температуре составило 10 мин. Увеличение времени отжига не влияло на магнитные характеристики ТМП. Однако исходя из экономии времени отжига и уменьшения трудоемкости процесса, верхний предел установлен равным 30 мин.

Пример. Для получения магнитной пленки на основе железа подложку в виде монокристаллического кремния бомбардируют на ускорителе ИЛУ-3 ионами Fe с -энергией кэВ, дозой ,4-10 Fe/см, плотностью потока ионов j 6-10 Fe . Температура за счет радиационного нагрева при этом не превышала . Методами ферромагнитного резонанса, электронографии, электронной микроскопии и дифференциапьного термомагнитного анализа было подтверждено образование фер ромагнитной пленки со следующими основными характеристиками: намагниченность насыщения 411 М 4800 Гс, толщина ТМПЗ 50 нм,

температура Кюри Т 310°С, толщина защитной пленки d .- 10 нм.

После дополнительного термического отжига данного образца . 430 С в течение 30 мин намагниченность насьш;ения возросла до 4 и M, 8100 Гс, температура Кюри увеличилась доТ| .

Таким образом, используя метод ионной бомбардировки, можно на одной полупроводниковой пластине в едином технологическом цикле сформировать как чисто, полупроводниковые, так и магнитные элементы микроэлектроники. Полученные пленки характеризуются повышенной механической прочностью, твердостью и химической стойкостью, а также максимальной адгезией к подложке по сравнению с ТМП, полученным по известному способу (смотри таблицу сравнительных данных). Благодаря специфике образования ТМП - она формируется внутри полупроводника исключается возможность взаимодействия ее с остаточнымИ газами в камере ускорителя и с внешней окружающей средой в процессе эксплуатации (например, ТМП на основе железа в кремнии выдерживали многочасовое нахождение непосредственно в концентрированных кислотах HCt, без изменения своих свойств).

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, включающий введение атомов магнитных элементов с применением ионных пучков, отличающийся тем, что, с целью повышения механической прочности, твердости, химической стойкости и адгезии магнитной пленки к полупроводнику, бомбардировку полупроводника осуществляют ионами магнитных элементов с энергией 10500 кэВ, дозой облучения, определяемой из соотношения D - п-