Изготовление субмикронных туннельных магниторезистивных контактов CoFeB/MgO/CoFeB с использованием резистивной маски HSQ/PMMA

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Широкий спектр применения обуславливает необходимость в изготовлении туннельных магниторезистивных контактов (ТМК) с различными характеристиками. При использовании ТМК в датчиках магнитного поля реализация вихревого распределения намагниченности свободного слоя позволяет улучшить масштабируемость чувствительных элементов. Это связано с уменьшением взаимного влияния друг на друга отдельных сенсоров обусловленного создаваемыми ими полями рассеяния [1]. Изменение соотношения между латеральными размерами свободного и опорного ферромагнитных слоёв при сохранении вихревого состояния даёт возможность управлять чувствительностью таких датчиков [2]. С другой стороны, благодаря большим значениям относительного изменения сопротивления – 100 % и более при комнатной температуре [3, 4] использование эффекта туннельного магнетосопротивления в спин-трансферных наноосциляторах (СТНО) позволяет повысить выходную мощность единичного наногенератора [5–7]. Отдельным направлением в данной области является синхронизация больших массивов СТНО [8, 9], где также важна возможность изготовления структур сложной формы с малыми латеральными размерами [10]. Другим требованием, предъявляемым к ТМР-контактам при их использовании в системах магниторезистивной памяти с произвольным доступом, является энергоэффективность переключения их резистивного состояния. Управление логическим состоянием ячеек хранения данных при помощи магнитоэлектрического эффекта может позволить избежать пропускания через систему токов гигантской плотности, что является характерной проблемой для наиболее распространенных методов переключения [11–17]. Как было показано в работе [18], переход между двумя резистивными состояниями потенциально возможен за счет управления межслоевым обменным взаимодействием между свободным и закрепленным слоями ТМК при приложении электрического напряжения к барьеру. Однако малая величина сдвига кривой намагничивания (≈10 Э) накладывает жесткие требования к форме кривой перемагничивания свободного слоя, недостижимые в ТМР элементах с характерными латеральными размерами в несколько единиц микрометров, в которых ширина фронта перемагничивания составляет около 30 Э. Это обусловлено возникновением неоднородных состояний в процессе перемагничивания. Ожидается, что переход к субмикронным латеральным размерам ТМК позволит значительно увеличить крутизну магниторезистивной кривой. Таким образом, изготовление туннельных магниторезистивных контактов с различными геометрическими параметрами является важной технологической задачей при исследовании таких систем.

В рамках данной работы обсуждаются особенности технологии изготовления ТМК на основе слоёв CoFeB/MgO/CoFeB с субмикронными латеральными размерами, а также влияние геометрических параметров туннельных контактов на форму кривых магнетосопротивления. Переход от оптической литографии к электронно-лучевой позволяет уменьшить латеральные размеры ТМК от нескольких единиц микрометров до нескольких сотен нанометров. Основной проблемой на этом пути стала низкая стойкость электронного резиста PMMA к ионному травлению, а также его задубливание. Как следствие, последующая электрическая изоляция посредством взрывной литографии диэлектрического слоя в этой маске не представляется возможной. Проблему удалось решить путем использования двухслойной маски HSQ/PMMA, в которой HSQ имеет высокую стойкость и выполняет функцию маски для травления, а PMMA при этом сохраняет возможность растворения. Благодаря такому сочетанию свойств этих электронных резистов, данное технологическое решение позволяет формировать ТМК субмикронного латерального размера с воспроизводимыми параметрами.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

Основой для изготовления ТМК послужили многослойные структуры двух типов: Ta(20)/Pt(10)/Ta(20)/IrMn(10)/CoFeB[001](4)/ MgO[001](1.5)/CoFeB[001](2.5)/Ta(3)/Pt(10) и Ta(20)/Pt(10)/Ta(20)/IrMn(10) CoFeB[001](4)/ MgO[001](1.5)/CoFeB[001](4)/CoFeB_аморф.(40)/Ta(3)/ Pt(10) (толщины указаны в нм), выращенные на подложке Si/SiO₂/Si₃N₄ методом магнетронного распыления при комнатной температуре. Первый тип структур используют для получения ТМК с квазиоднородным распределением намагниченности свободного слоя, а второй – для вихревого. Общая схема с указанием толщин слоёв представлена на рис. 1. Остаточное давление в напылительной камере не превышало 5×10^–7 Torr, рабочее давление аргона в процессе напыления составляло 2×10^–3 Торр. Барьерный слой MgO формировали радиочастотным распылением диэлектрической мишени MgO стехиометрического состава.

Формирование ТМК субмикронных латеральных размеров производили методом электронно-лучевой литографии и ионного травления в атмосфере аргона. Для формирования резистивной маски на поверхность исходной многослойной наноструктуры с помощью центрифуги последовательно наносили два типа электронных резистов –PMMA 950K A2 (EM Resist Ltd., Великобритания), толщиной 200 нм и затем HSQ XR-1541–006 E-Beam (DOW CORNING^TM, США), толщиной 100 нм (рис. 1).

 

Рис. 1. Исходная многослойная наноструктура для формирования ТМР-контактов с квазиоднородным (а) и вихревым (б) распределением намагниченности свободного слоя, в скобках указаны толщины в нм.

 

С помощью растрового электронного микроскопа SUPRA 50 VP (Carl Zeiss, Германия) с приставкой для электронно-лучевой литографии Raith ELPHY PLUS производили экспонирование резиста HSQ путем сканирования поверхности электронным пучком. После экспонирования и проявления на поверхности образца формируется маска негативного резиста HSQ, представляющая собой частицы эллиптической формы с размерами 200×400 нм (для ТМК с квазиоднородным распределением намагниченности) и круглые частицы диаметром 700 нм (для ТМК с вихревым распределением намагниченности). Затем производили ионное травление слоя PMMA и ТМР-структуры в маске HSQ. После травления при помощи магнетронного распыления на образец наносили слой диэлектрика Ta₂O₅, чтобы сформировать электрическую изоляцию между верхним и нижним контактами (рис. 2а). Далее производится взрывная литография за счет растворения PMMA в ацетоне при ультразвуковом воздействии (рис. 2б–г).

 

Рис. 2. Формирование электрической изоляции путем напыления диэлектрика Ta2O5 (а); процесс взрывной литографии (б, в); изображение ТМР-контактов после электрической изоляции и вскрытия окон в диэлектрике, полученное в растровом электронном микроскопе (г).

 

Использование двух электронных резистов обусловлено тем, что именно такая комбинация позволяет решить две важные задачи при изготовлении субмикронных туннельных переходов – латеральное ограничение и создание диэлектрической изоляция верхнего и нижнего контактов. Формирование резистивной маски, вообще говоря, возможно и без использования HSQ. Однако воздействие ускоренных ионов Ar⁺ на PMMA при травлении приводит к его “стеклованию”, вследствие чего следующий этап – создание диэлектрической изоляции контактов при помощи взрывной литографии становится невозможным. Таким образом, резист HSQ выполняет также защитную функцию слоя PMMA в процессе ионного травления.

Для исследования процессов перемагничивания в полученных образцах были проведены измерения зависимости электрического сопротивления от величины внешнего магнитного поля, приложенного вдоль оси легкого намагничивания ТМК.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Кривые магнетосопротивления ТМК эллиптической формы с квазиоднородным распределением намагниченности свободного слоя приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Участки кривых магнетосопротивления, отвечающие процессу перемагничивания квазиоднородного свободного ферромагнитного слоя для одиночного ТМР-контакта с латеральными размерами: a) 2×4 мкм; б) 200×400 нм.

 

Видно, что ширина фронта перемагничивания ТМК с латеральными размерами 2×4 мкм составляет около 30 Э. Уменьшение латерального размера частицы до 200×400 нм позволила снизить эту величину до 2–6 Э. В таких ТМК реализуются два устойчивых однодоменных состояния, переключение между которыми происходит путем когерентного вращения намагниченности.

На рис. 4 представлены кривые магнетосопротивления цепочки из 5 последовательно соединенных круглых ТМР-контактов диаметром около 700 нм, полученные в разных диапазонах изменения внешнего магнитного поля. Соединение ТМК в цепочку было необходимо для предупреждения статического пробоя барьера ввиду его малой толщины и, соответственно, низкого сопротивления. Форма кривой магнетосопротивления свидетельствует о вихревом распределении намагниченности свободного слоя ТМК (рис. 4а) [1]. Еще одним подтверждением этого является безгистерезисная и линейная зависимость R(H) в диапазоне полей от –150 Э до 150 Э (рис. 4б).

 

Рис. 4. Кривые магнетосопротивления цепочки из 5 круглых ТМР-контакта с диаметром около 700 нм и вихревым распределением намагниченности свободного слоя.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, отработана технология изготовления туннельных магниторезистивных контактов с характерными латеральными размерами от 200 до 700 нм. В зависимости от структуры магниточувствительного слоя, а также геометрической формы реализованы ТМР-элементы с вихревым или квазиоднородным распределением намагниченности свободного слоя. Переход к субмикронным латеральным размерам позволяет получать ТМК, обладающие резким фронтом перемагничивания (≈ 2 Э). Полученные результаты могут быть использованы при разработке энергоэффективной магниторезистивной памяти и датчиков магнитного поля.

Данная работа выполнена в рамках государственного задания ИФМ РАН (тема ГЗ: FFUF–2022–0006).

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

И. А. Федотов

Институт физики микроструктур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: fedotov@ipmras.ru
Россия, ГСП-105, Нижний Новгород, 603950

И. Ю. Пашенькин

Институт физики микроструктур РАН

Email: fedotov@ipmras.ru
Россия, ГСП-105, Нижний Новгород, 603950

Е. В. Скороходов

Институт физики микроструктур РАН

Email: fedotov@ipmras.ru
Россия, ГСП-105, Нижний Новгород, 603950

Н. С. Гусев

Институт физики микроструктур РАН

Email: fedotov@ipmras.ru
Россия, ГСП-105, Нижний Новгород, 603950

Список литературы

Дополнительные файлы