Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Васильев Дмитрий Вячеславович

• Васильев Дмитрий Вячеславович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Васильев Дмитрий Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

1 Анализ конструктивных и технологических методов изготовления преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

1.1 Спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры

1.1.1 Спин-туннельный магниторезистивный эффект

1.1.2 Материалы спин-туннельных магниторезистивных наноструктур

1.2 Синтетические антиферромагнитные наноструктуры

1.2.1 Косвенное РККИ-взаимодействие

1.2.2 Синтетический антиферромагнетик в фиксированном слое спин-туннельного перехода

1.2.3 Синтетический антиферромагнетик в свободном слое спин-туннельного перехода

1.3 Конструктивные и технологические методы изготовления преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

1.3.1 Методы линеаризации зависимости магнитосопротивления

1.3.2 Конфигурация преобразователя магнитного поля

1.3.3 Концентраторы магнитного поля в составе преобразователя магнитного поля

1.3.4 Технологические методы изготовления преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

1.4 Применения преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных

магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

Постановка задач

2 Исследование спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

2.1 Синтетическая антиферромагнитная структура CoFe / Ru / CoFe

2.2 Синтетическая антиферромагнитная структура CoFeB / Ru / CoFe

2.3 Синтетическая антиферромагнитная структура CoFeB / Ru / CoFe c фиксирующим слоем и в структуре Та / CoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / Ru / CoFe /

¡гШ / Ta

Выводы по главе

3 Разработка методов изготовления и исследование спин-туннельных переходов

3.1 Разработка масочного метода изготовления тестовых образцов спин-туннельных переходов

3.1.1 Масочный метод напыления спин-туннельных магниторезистивных наноструктур

3.1.2 Изготовление и исследование тестовых образцов спин-туннельных переходов на основе структуры CoFe / MgO / CoFe

3.1.3 Изготовление и исследование тестовых образцов спин-туннельных переходов на основе структуры CoFeB / MgO / CoFeB

3.2 Разработка интегрального метода изготовления спин-туннельных переходов

3.2.1 Описание технологического процесса изготовления спин-туннельных переходов интегральным методом

3.2.2 Исследование спин-туннельных переходов на основе структуры CoFeB / MgO / CoFeB с синтетическим антиферромагнетиком в фиксированном слое

Выводы по главе

4 Разработка конструкции и технологии изготовления преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

4.1 Разработка конструктивных основ создания преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур

4.1.1 Исследования магнитных свойств спин-туннельных магниторезистивных наноструктур

4.1.2 Результаты аналитического расчета влияния формы спин-туннельного перехода на зависимость его магнитосопротивления

4.1.3 Результаты экспериментальных исследований влияния формы спин-туннельного перехода на зависимость его магнитосопротивления

4.1.4 Линеаризация зависимости магнитосопротивления

4.1.5 Схема соединения преобразователя магнитного поля

4.2 Разработка технологии изготовления преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим

антиферромагнетиком

Выводы по главе

5 Изготовление и исследование преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

5.1 Изготовление преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

5.2 Исследование характеристик преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

5.3 Анализ и обобщение результатов исследования преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим

антиферромагнетиком

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

БЛАГОДАРНОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Свидетельство о регистрации результата интеллектуальной

деятельности

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Акт о внедрении результатов диссертационной работы

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей диссертационной работе применяют следующие сокращения и обозначения.

АМР - анизотропный магниторезистивный АФ - антиферромагнитный БС - барьерный слой

ВИМС - вторичная ионная масс-спектрометрия ГМР - гигантский магниторезистивный КМП - концентраторы магнитного поля

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник

МР - магниторезистивный

НМ - немагнитный

ОЛН - ось легкого намагничивания

ООА - ось однонаправленной анизотропии

ПМ - постоянный магнит

ПМП - преобразователь магнитного поля

ПМП-САФ - преобразователь магнитного поля на основе спин-туннельных

магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

РККИ - Рудерман - Киттель - Касуя - Иосида

САФ - синтетический антиферромагнитный

СТМР - спин-туннельный магниторезистивный

СТП - спин-туннельный переход

ТМО - термомагнитная обработка

ФМ - ферромагнитный

CAGR (compound annual growth rate) - совокупный среднегодовой темп роста MRAM - magnetoresistive random-access memory (магниторезистивная память с произвольным доступом)

SQUID (superconducting quantum interference device) - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Спин-туннельные магниторезистивные (СТМР) наноструктуры обладают рядом существенных преимуществ, которые делают их перспективными для применения в современных технологиях хранения данных и преобразователях магнитного поля (ПМП). Одним из ключевых достоинств является высокий магниторезистивный (МР) эффект, достигающий значений в несколько сотен процентов в структурах с барьерным слоем (БС) MgO, что обеспечивает высокую чувствительность и надежность работы устройств. СТМР наноструктуры обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям, включая температурные колебания и радиационное излучение, что значительно расширяет область их потенциального применения.

Доля ПМП на основе СТМР наноструктур, являющихся одним из видов многослойных наноструктур с величиной МР эффекта до сотен процентов, в общем объеме рынка магнитных датчиков показывает положительную динамику, отражая общий рост развития данного направления [1-4].

Чувствительность к слабым магнитным полям обеспечивает широкое применение ПМП на основе СТМР наноструктур в электронных блоках телеметрических систем [5], системах обратной связи в электрооборудовании [6], в биомедицинских комплексах [7-9], навигационных системах [10], дефектоскопии [11, 12].

ПМП на основе СТМР наноструктур работают за счет МР эффекта, при котором воздействие внешнего магнитного поля приводит к изменению сопротивления МР наноструктур.

Типичная СТМР наноструктура состоит из двух ферромагнитных (ФМ) слоев, разделенных барьерным диэлектрическим слоем, как правило, один из ФМ слоев фиксируется обменным взаимодействием (фиксированный слой) со слоем антиферромагнетика (АФ), второй ФМ слой называется свободным. В качестве ФМ слоев обычно применяются пленки: CoFe, FeNiCo, FeNi, CoFeB, роль БС играет оксид алюминия (Al2Oз) или оксид магния (MgO), АФ могут быть сплавы FeMn, PtMn, IrMn.

Перспективным направлением для практического применения являются СТМР наноструктуры, где вместо фиксированного ФМ слоя используется синтетический антиферромагнетик (САФ). САФ представляет собой систему из двух ФМ слоев,

разделенных тонкой немагнитной прослойкой. Магнитные моменты этих слоев связаны за счет косвенного обменного взаимодействия Рудермана - Киттеля - Касуя - Иосиды (РККИ), что обеспечивает стабильность и возможность управления магнитными свойствами [13]. Интеграция САФ в СТМР наноструктуры обеспечивает следующие преимущества: увеличение МР эффекта, расширение рабочего диапазона по магнитному полю, существенное уменьшение смещения петли гистерезиса свободного ФМ слоя относительно нулевого магнитного поля.

При проектировании конструкции ПМП на основе СТМР наноструктур с САФ (ПМП-САФ) основными задачами являются: определение последовательности слоев и их толщин в спин-туннельном переходе (СТП), выбор метода линеаризации зависимости магнитосопротивления СТП в области нуля и способа соединения СТП в схему, подбор оптимальной конфигурации СТМР элемента. При линеаризации зависимости наряду со снижением коэрцитивной силы свободного слоя СТМР наноструктуры происходит уменьшение величины МР эффекта и крутизны преобразования. Более детальное изучение основных методов линеаризации и разработка комбинированного метода на их основе позволит подобрать оптимальный режим линеаризации с минимальными временными затратами.

Изучение магнитных параметров СТМР наноструктур с САФ в составе пластин позволяет определять такие параметры как поле магнитного насыщения, поле обменного смещения, рабочий диапазон, коэрцитивную силу свободного слоя. Также экспериментально возможно определить оптимальный диапазон толщин немагнитного слоя Ru в САФ для дальнейшего формирования в составе СТП.

Протекание тока перпендикулярно плоскости СТМР наноструктур, широкий набор материалов многослойной наноструктуры и малые толщины пленок определяют высокую сложность технологического процесса изготовления СТП. Для подбора оптимального состава СТМР наноструктуры с САФ особый интерес представляют способы формирования тестовых структур, исключающие применение фотолитографических процессов. При изготовлении СТП наиболее критичными технологическими процессами являются: напыление тонких пленок, ионное травление наноструктуры. Режимы при ионном травлении определяют магнитные свойства СТМР наноструктур и стойкость СТП к пробою БС, что в значительной степени влияет на функционирование ПМП при повышенном напряжении питания.

Подводя итоги вышесказанному, необходимо отметить, что исследование влияния конструктивных и технологических методов на магнитоэлектрические характеристики ПМП-САФ является актуальной научной задачей, реализация которой позволит оптимизировать ключевые показатели устройств, включая магнитную чувствительность, ток потребления, стойкость к внешним воздействующим факторам.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком»

Цель работы

Исследование конструктивных и магнитных параметров СТМР наноструктур с САФ для создания высокочувствительного преобразователя магнитного поля на их основе.

Задачи исследования:

1 Теоретические исследования СТМР наноструктур с САФ и анализ конструктивно-технологических методов создания высокочувствительных преобразователей магнитного поля на их основе.

2 Исследование магнитных параметров СТМР наноструктур с САФ в составе пластин, подбор толщины немагнитного слоя, обеспечивающей антиферромагнитное взаимодействие ферромагнитных слоев.

3 Исследование и разработка масочного и интегрального методов создания спин-туннельных переходов с САФ.

4 Разработка конструкции и технологии изготовления преобразователей магнитного поля на основе СТМР наноструктур с САФ.

5 Исследование и анализ электрофизических характеристик преобразователей магнитного поля на основе СТМР наноструктур с САФ.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Предложена новая структура Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / / Та, для которой экспериментально установлено влияние толщины

немагнитного слоя Ru на поле обменного смещения, составившее 400 Э в диапазоне толщин Ru 8-9 А и 130 Э в диапазоне толщин Ru 24-25 А.

2 Впервые установлена зависимость сопротивления и величины магниторезистивного эффекта спин-туннельных переходов с САФ от толщины барьерного слоя MgO в многослойной наноструктуре Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / 1г20Мп80 / Та.

3 Предложена новая конструкция преобразователя магнитного поля на основе спин-туннельных переходов эллиптической формы, сформированных из наноструктуры Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / 1г20Мп80 / Та с толщиной барьерного слоя MgO 34-36 А, и концентраторов магнитного поля, обеспечивающих малый ток потребления и высокую чувствительность к магнитному полю.

4 Показано, что зависимость абсолютной чувствительности преобразователя магнитного поля на основе наноструктуры Ta / Co95Fe5 / / MgO / / Ru / Со^е5 / 1г20Мп80 / Та от напряжения питания при превышении диапазона напряжения питания 14-15 В начинает убывать из-за снижения магниторезистивного эффекта при изменении характера туннелирования электронов через барьерный слой в спин-туннельном переходе.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность экспериментальных результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается использованием общепризнанных физических принципов и проверенных методик при разработке конструкции и технологии изготовления ПМП-САФ. Обоснованность выводов исследования демонстрируется соответствием экспериментальных данных, теоретическим расчетам, а также подтверждается сравнительным анализом электрофизических характеристик разработанных образцов высокочувствительного ПМП-САФ с существующими аналогами. Полученные научные результаты нашли свое отражение в публикациях в рецензируемых научных изданиях, а также были представлены и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях.

Практическая значимость

1 Разработанная СТМР наноструктура с САФ вида Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / ^^п^ / Та с величиной магниторезистивного эффекта более 80% использована в преобразователях магнитного поля и электрического тока, в элементах энергонезависимой магниторезистивной памяти и спиновой логики.

2 Разработанный масочный метод формирования тестовых образцов спин-туннельных переходов с САФ, исключающий применение фотолитографических процессов, уменьшает затраты и время их изготовления на начальном этапе исследований и позволяет получать спин-туннельные переходы с магниторезистивным эффектом более 30%.

3 Разработанный интегральный метод получения спин-туннельных переходов с САФ минимизирует риск короткого замыкания верхнего и нижнего электродов спин-туннельного перехода, что повышает коэффициент выхода годных спин-туннельных переходов до 78%.

4 Разработанные высокочувствительные преобразователи магнитного поля на основе СТМР наноструктур с САФ с чувствительностью к магнитному полю 109 мВ/(ВхЭ) при напряжении питания 5 В и током потребления 0,11 мкА использованы для создания компактных датчиков магнитного поля в системах бесконтактного измерения токов и навигации.

5 Экспериментальные зависимости чувствительности к магнитному полю от величины зазора между концентраторами магнитного поля в конструкции преобразователя магнитного поля на основе СТМР наноструктур с САФ обеспечивают создание магниточувствительных устройств, проектируемых на основе данных преобразователей, с относительной чувствительностью к магнитному полю от 34 до 109 мВ/(ВхЭ).

6 Высокочувствительные преобразователи магнитного поля на основе СТМР наноструктур с САФ, работающие при повышенном напряжении питания могут быть использованы в бортовой аппаратуре спутников и летательных аппаратов, где требуется повышенная чувствительность и устойчивость к внешним воздействиям.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1 Диапазоны толщин немагнитного слоя Яи 8-9 А и 24-25 А СТМР наноструктуры с САФ Та / Со95Ре5 / Со40Бе40Б20 / М§0 / Со40Бе40Б20 / Яи / Со95Ре5 / 1г20Мп80 / Та, которые обеспечивают поле обменного смещения величиной 400 Э и 130 Э соответственно.

2 Экспериментальная зависимость сопротивления и величины магниторезистивного эффекта спин-туннельных переходов на основе наноструктуры Та / Со95Ре5 / Со40Бе40Б20 / М§0 / Со40Бе40Б20 / Яи / Со95Ре5 / 1г20Мп80 / Та от толщины барьерного слоя М§0, которая показывает, что наибольшее сопротивление (3,3 МОм) и минимальный магниторезистивный эффект (40%) наблюдаются при толщине барьера 39-41 А. Уменьшение толщины MgO до 29-31 А приводит к значительному росту магниторезистивного эффекта до 78%, в то время как при дальнейшем уменьшении толщины до 19-21 А этот показатель снижается до 62%, сопровождаясь резким падением сопротивления спин-туннельного перехода до 150 Ом.

3 Конструкция преобразователя магнитного поля на основе спин-туннельных переходов эллиптической формы, сформированных из наноструктуры Та / Со95Ре5 / Со40Бе40Б20 / М§0 / Со40Бе40Б20 / Яи / Со95Ре5 / 1г20Мп80 / Та с толщиной барьерного слоя М§0 34-36 А, и концентраторов магнитного поля, обеспечивающая ток потребления 0,11 мкА и относительную чувствительность к магнитному полю 109 мВ/(ВхЭ) при напряжении питания 5 В.

4 Экспериментальная зависимость абсолютной чувствительности к магнитному полю разработанного преобразователя магнитного поля на основе наноструктуры Та / Со95Ре5 / Со40Бе40Б20 / М§0 / Со40Бе40Б20 / Яи / Со95Ре5 / 1г20Мп80 / Та от напряжения питания, которая показывает, что при превышении диапазона напряжения питания 5-6 В наблюдается снижение скорости роста абсолютной чувствительности, а при достижении 12-15 В кривая достигает максимального значения 330 мВ/Э. С 14-15 В до 34-36 В происходит постепенное снижение абсолютной чувствительности, после чего кривая стабилизируется на уровне 130 мВ/Э с небольшими флуктуациями вплоть до 50 В без нарушения работоспособности изделия.

Реализация результатов работы

Результаты исследований были использованы в научно-исследовательской работе «Теоретические и экспериментальные исследования спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком для создания высокочувствительных преобразователей магнитного поля и элементов ячеек энергонезависимой магниторезистивной памяти», выполненной НПК «Технологический центр» в период с 2022 по 2024 год и используются при выполнении научно -исследовательской работы «Теоретические и экспериментальные исследования конструктивно-технологических решений для создания энергоэффективных преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком» с 2025 года.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы представлены докладами на следующих конференциях:

- Международный форум «Микроэлектроника-2018», 4 Международная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» -«Тонкопленочные магниторезистивные микросистемы с высокой крутизной преобразования», 2018 г., Республика Крым, г. Алушта;

- 12 Всероссийская научно-техническая конференция «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» - «Тенденции развития магниторезистивных микросхем для повышения эффективности технических средств обнаружения», 2018 г., г. Пенза, Россия;

- 6 Международная научно-техническая конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике» - «Преобразователи магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур», 2019 г., г. Москва, Россия;

- 29 Международная конференция «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)» - «Влияние доменной магнитной структуры на зависимость гигантского магнитосопротивления от внешнего магнитного поля в спин-туннельном элементе», 2021 г., г. Москва, Россия;

- 30 Международная конференция ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И МАТЕРИАЛЫ (фундаментальные физические исследования) - «Новый метод уменьшения магнитостатической связи между магнитными слоями в спин-туннельном элементе», 2023 г., г. Москва, Россия;

- 14 Всероссийское совещание по проблемам управления - «Магнитные свойства синтетических антиферромагнитных структур в устройствах спинтроники», 2024 г., г. Москва, Россия;

- 31 Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2024» - «Термомагнитная обработка синтетических антиферромагнитных структур», 2024 г., г. Москва, Россия;

- 31 Международная конференция ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И МАТЕРИАЛЫ (фундаментальные физические исследования) - «Особенности перемагничивания магнитных нанослоев синтетического антиферромагнетика спин-туннельного элемента в рамках модели когерентного вращения», 2024 г., г. Москва, Россия;

- 25 Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» - «Исследование процессов перемагничивания шестиугольного элемента в спин-туннельной гетероструктуре», 2024 г., г. Москва, Россия;

- Всероссийский симпозиум «Магнитные измерения: новые разработки и их метрологическое обеспечение» - «Высокочувствительные преобразователи магнитного поля на основе наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом», 2025 г., г. Санкт-Петербург, Россия;

- IX Евро-азиатский симпозиум «Trends in MAGnetism» -«Высокочувствительные преобразователи магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком», 2025 г., г. Южно-Сахалинск, Россия;

- 32 Международная конференция ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И МАТЕРИАЛЫ (фундаментальные физические исследования) - «Магнитосопротивление спин-туннельного перехода с синтетическим антиферромагнетиком в килоэрстедных магнитных полях», 2025 г., г. Москва, Россия.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано девятнадцать работ в высокорейтинговых изданиях, входящих в Перечень ВАК, в базы RSCI, Scopus, в том числе три работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК по специальности 2.2.2., технические науки.

Получено свидетельство № 2024630156 от 22.08.2024 о регистрации результата интеллектуальной деятельности «Топология магниторезистивного преобразователя».

Личный вклад соискателя

Личный вклад автора заключается в разработке конструкции и технологии создания СТМР наноструктур с САФ и СТП на их основе, подборе состава и толщин пленок СТМР наноструктуры, участии в изготовлении кремниевых кристаллов, содержащих СТП, измерении магнитосопротивления серий экспериментальных образцов, оптимизации режимов термомагнитной обработки (ТМО). Автор лично разработал конструкцию ПМП-САФ, активно участвовал в сборочно-монтажных операциях при изготовлении ПМП-САФ, в измерении электрофизических характеристик макетных образцов изделия. Автором проведены обработка и анализ экспериментальных данных, на основе которых были скорректированы состав СТМР наноструктуры и конструкция ПМП на ее основе.

1 Анализ конструктивных и технологических методов изготовления преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

Магнитные датчики используются для измерения и обнаружения магнитного поля, а также для определения положения, скорости, направления и присутствия ферромагнитных объектов.

К основным видам магнитных датчиков относятся датчики Холла, МР датчики на основе анизотропных магниторезистивных (АМР), гигантских магниторезистивных (ГМР), СТМР наноструктур, датчики SQUID (superconducting quantum interference device - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), феррозонды, магнитометры с оптической накачкой. Каждый из этих типов основан на различных физических принципах преобразования магнитного поля, что определяет их характеристики по чувствительности, частотному диапазону, температурной стабильности, стоимости и области применения: от простых задач определения положения до прецизионных измерений сверхслабых магнитных полей.

Магнитные датчики характеризуются широким комплексом параметров: чувствительностью к магнитному полю, током потребления, диапазоном по магнитному полю, шумовыми характеристиками, разрешающей способностью, частотным и температурным диапазоном.

Чувствительность к магнитному полю выражается как отношение выходного напряжения к напряженности магнитного поля. В зависимости от того, как оценивают чувствительность, ее делят на абсолютную и относительную. Абсолютная чувствительность определяется как величина, количественно характеризующая изменение физического выходного сигнала датчика - измеряемого в единицах напряжения или тока, - приходящееся на единицу изменения напряженности магнитного поля. Данный параметр является прямой мерой коэффициента преобразования и позволяет судить об уровнях выходного сигнала. В отличие от абсолютной, относительная чувствительность представляет собой безразмерную или нормированную величину, показывающую не абсолютный уровень выходного сигнала, а эффективность процесса преобразования магнитного поля по отношению к выбранному параметру.

Электрический ток, который датчик потребляет от источника питания в процессе своей работы, характеризует ток потребления магнитного датчика.

Диапазон по магнитному полю определяется как максимальная величина напряженности магнитного поля, при которой датчик может работать, обеспечивая заявленные характеристики. Превышение данного значения, как правило, приводит к нелинейным искажениям или даже насыщению датчика, когда его выходной сигнал перестает изменяться.

Шумовые характеристики магнитного датчика - внутренние флуктуации выходного сигнала датчика, не связанные с измеряемым полем. Шум определяет разрешающую способность датчика, характеризующую минимальное изменение магнитного поля, которое датчик может обнаружить и различить.

Частотный диапазон магнитного датчика представляет собой интервал частот переменного магнитного поля, в границах которого обеспечивается корректное измерение его параметров с заданной точностью. Данная характеристика определяет способность датчика реагировать на изменения магнитного потока во времени, устанавливая нижнюю и верхнюю границы его эффективного функционирования.

Диапазон температур, в которых магнитный датчик обеспечивает характеристики, соответствующие заявленным значениям, определяет температурный диапазон работы датчика.

Таблица 1.1 показывает сравнение параметров основных видов магнитных датчиков.

Таблица 1.1 - Сравнение параметров магнитных датчиков различного типа [4]

Тип магнитного датчика Порог чувствите льности Частоты ый диапазон Температурный диапазон Сложность изготовления Преимущества Недостатки

SQUID 1 фТл <1 кГц < -196°С Высокая Высокая чувствительность Низкая рабочая температура

Феррозонд 100 пТл <1 кГц -5...125 °С Низкая Простота конструкции Большие габаритные размеры, высокая стоимость, высокое энергопотребление

Магнитоме тр с оптической накачкой 1 пТл <2 кГц -40.. .60 °С Высокая Высокая чувствительность Большие габаритные размеры, высокая стоимость, высокое энергопотребление

АМР 400 пТл 0-5 МГц -40.150 °С Низкая Совместимость с технологиями микроэлектроники Set/Reset, высокий ток потребления

ГМР 2 нТл 0-5 МГц -40.150 °С Средняя Высокая чувствительность, совместимость с технологиями микроэлектроники Четная выходная характеристика, высокий ток потребления

СТМР 250 пТл 0-5 МГц -40.150 °С Высокая Низкий ток потребления, высокая чувствительность, совместимость с технологиями микроэлектроники Необходимость высокотехнологичного оборудования, большой гистерезис

При работе с датчиками SQUID необходимо охлаждение до низких температур, но даже с учетом появления высокотемпературных сверхпроводников они требуют высоких затрат и сложны при производстве [4]. Датчики индукционного типа просты в конструкции, но громоздки и обладают низкой чувствительностью, поэтому находят применение в промышленных системах измерения.

Преобразователи на основе МР наноструктур изготавливаются с использованием планарных процессов микроэлектроники и способны обеспечивать высокую чувствительность при относительно компактных размерах. Совместимость магнитных датчиков с КМОП-процессами производства позволяет достичь интеграции датчиков со схемами обработки, создавая системы на кристалле, которые являются весьма привлекательными для высокотехнологичных приложений.

Конструкция ПМП на основе СТМР наноструктур представляет собой мостовую схему Уитстона, что обусловлено необходимостью обеспечения термостабильности изделия и повышения уровня выходного сигнала [14]. Мостовая схема состоит из четырех одинаковых плеч на основе последовательно соединенных СТП, при этом два плеча должны иметь симметричные зависимости магнитосопротивления по отношению к двум другим плечам. Разбаланс мостовой схемы количественно характеризует неидеальность ее плеч и определяется как выходной сигнал в отсутствие внешнего магнитного поля. Увеличение количества СТП в каждом плече повышает абсолютную чувствительность и отношение сигнал-шум преобразователя [14]. Геометрическая форма СТП определяет вид зависимости магнитосопротивления СТП, что в свою очередь влияет на электрофизические характеристики ПМП-САФ [15]. Повышение анизотропии формы СТП уменьшает коэрцитивную силу свободного слоя, одновременно способствуя снижению крутизны преобразования кривой магнитосопротивления. Линеаризация зависимости магнитосопротивления обеспечивает линейную зависимость выходного напряжения преобразователя от измеряемого магнитного поля, что существенно упрощает калибровку, обработку сигнала и расширяет рабочий диапазон устройства. Линеаризация достигается за счет ортогональной конфигурации намагниченности фиксированного и свободного слоев СТМР наноструктуры.

В основе СТП (единичный СТМР элемент) лежит СТМР наноструктура с САФ, вид зависимости магнитосопротивления влияет на диапазон и чувствительность к

магнитному полю преобразователя. При увеличении МР эффекта СТМР наноструктуры с САФ растет выходной сигнал мостовой схемы, повышая чувствительность к магнитному полю. Сопротивление СТП, а следовательно, и общее сопротивление мостовой схемы преобразователя, зависит от толщины БС.

Усиление чувствительности к магнитному полю ПМП-САФ может быть обеспечено с помощью концентраторов магнитного поля (КМП), которые изготавливаются из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. Они фокусируют магнитный поток в области чувствительного элемента, повышая его в десятки раз по сравнению с исходным внешним магнитным полем.

Зависимость чувствительности ПМП-САФ от напряжения питания является критически важным для практического применения параметром. При увеличении напряжения питания на СТП происходит несколько взаимосвязанных процессов: смещение спектра электронов, появление тепловых флуктуаций и повреждение барьера [16]. С ростом напряжения питания растет величина полезного сигнала, но затем падает МР эффект, что приводит к существованию некоторого оптимального напряжения питания, при котором чувствительность достигает максимума. Несмотря на то, что напряжение питания является ключевым параметром для преобразователей, его целенаправленное влияние на абсолютную чувствительность к полю остается малоизученным.

Спинтронные датчики магнитного поля на основе ГМР и СТМР наноструктур обеспечивают высокую чувствительность и пространственное разрешение [ 17, 18] наряду с высоким выходным сигналом и отношением сигнал/шум [19]. Датчики характеризуются низким энергопотреблением и компактными размерами, совместимость их изготовления с КМОП-процессами и гибкими подложками [20] формирует необходимый задел для создания будущего поколения сверхкомпактной коммерческой электроники, создавая повышенный спрос на рынке сенсорных устройств. На рисунке 1.1 показан прогноз развития рынка магнитных датчиков на 20192030 гг. по типам устройств.

Глобальный рынок магнитных датчиков в 2019-2030 гг. (млрд. $)

2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030

Рисунок 1.1 - Прогнозное распределение мирового рынка магнитных датчиков по типам

изделий [2]

Согласно прогнозам к 2030 г. будет наблюдаться рост рынка магнитных датчиков со значительным увеличением доли МР ПМП на основе АМР, ГМР и СТМР наноструктур [2].

Принимая во внимание возможность многофакторного влияния на основные электрофизические параметры ПМП-САФ, задачи исследования СТМР наноструктур с САФ и разработка конструктивно-технологических методов создания высокочувствительного ПМП являются актуальными.

1.1 Спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры

1.1.1 Спин-туннельный магниторезистивный эффект

Изменение электрического сопротивления под воздействием магнитного поля называется МР эффектом. АМР эффект наблюдается в ФМ материалах, к примеру, в железе, никеле, кобальте и выражается в зависимости сопротивления структуры от ориентации вектора намагниченности относительно направления тока в материале. Сопротивление в АМР наноструктурах определяется как [21]:

Д = Дв=0 + ДД х С052 0,

(1.1)

Дв=0 - сопротивление наноструктуры вне действия магнитного поля;

ДД - максимально возможное изменение сопротивления;

Р - угол между вектором намагниченности и направлением тока.

Относительное изменение сопротивления невелико и составляет порядка 4,2% для

Бе№.

Значительное изменение электрического сопротивления многослойной наноструктуры при изменении взаимного направления намагниченности ФМ слоев, между которыми расположены немагнитные пленки (НМ) определяет ГМР эффект. В основе эффекта лежит спин-зависимое рассеяние электронов [22].

Впервые ГМР эффект был обнаружен в магнитных многослойных наноструктурах, состоящих из чередующихся слоев Бе и Сг, Альбертом Фертом и Питером Грюнбергом в 1988 году [23, 24]. При отсутствии магнитного поля из-за АФ связи ФМ слои Бе ориентируются антипараллельно, при воздействии магнитного поля намагниченность слоев изменяется на параллельную конфигурацию. На рисунке 1.2 показана типичная зависимость магнитосопротивления многослойных наноструктур, где параметр И характеризует поле магнитного насыщения.

Рисунок 1.2 - Изменение магнитосопротивления многослойных наноструктур (Бе / Сг)п с различной толщиной слоя Сг при воздействии внешнего магнитного поля [24]

Величина МР эффекта в данных структурах достигала 80% при 4 К и 50% при 300 К [24]. Следующим этапом была разработка трехслойной наноструктуры вида ФМ / НМ / ФМ, так называемого «спинового клапана», который демонстрировал ГМР эффект в диапазоне полей в мТл [25-27]. В этих структурах намагниченность одного из ФМ слоев фиксирована АФ пленкой (фиксированный слой), в то время как перемагничивание второго ФМ слоя осуществляется в слабом магнитном поле (свободный слой). Таким образом, магнитная конфигурация спиновых клапанов изменяется из параллельного в антипараллельное состояние при воздействии слабого магнитного поля (несколько мТл).

Зависимость изменения сопротивления ДЯ от угла ф между векторами намагниченности фиксированной и свободной пленок в ГМР наноструктуре имеет вид

где ДЯ/Я - величина МР эффекта;

Я - сопротивление ГМР наноструктуры.

Главное отличие СТП от спиновых клапанов состоит в том, что НМ слой представлен сверхтонкой диэлектрической пленкой (рисунок 1.3). В СТП ток протекает перпендикулярно плоскости пленок, электроны туннелируют из одного ФМ в другой сквозь БС. Выбор материала БС определяет физический механизм туннелирования электронов: когерентный или некогерентный, а также предельные величины МР эффекта, сопротивление СТП.

Когда ФМ слой контактирует с АФ, индуцируется однонаправленная магнитная анизотропия на границе раздела из-за обменной связи. Энергия однонаправленной магнитной анизотропии способствует смещению центра петли перемагничивания фиксированного слоя относительно нулевого значения напряженности магнитного поля.

[25]:

(1.2)

Антиферромагнетик Фиксированный

Рисунок 1.3 - Эскиз СТП с указанием основных слоев

Сопротивление СТП определяется по формуле:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильев Дмитрий Вячеславович, 2026 год

источник

Ионный источник

V" +

Рисунок 1.26 - Схематичное изображение процесса напыления на установке

^гШ^ 3000 [14]

Для улучшения магнитных характеристик проводилась ТМО напыленной СТМР наноструктуры с САФ в составе пластины. Далее через фоторезистивную маску толщиной 1,5 мкм посредством ионного травления СТМР наноструктуры формировалась конфигурация нижнего электрода (рисунок 1.25в). После снятия фоторезистивного слоя проводилась фотолитография для создания фоторезистивной маски, необходимой для ионного травления СТП (рисунок 1.25д). Травление СТП осуществлялось до БС СТМР наноструктуры включительно, длительность процесса контролировалась методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и при помощи калибровочных образцов, таким образом был получен верхний электрод. На следующем этапе для защиты СТП от замыкания нижнего и верхнего электродов на поверхность подложки осаждался слой пассивации Al2Oз или SiO2, и формировались контактные окна к обоим электродам (рисунок 1.25ж). Завершающим шагом являлось создание металлизации методом обратной фотолитографии. Главным недостатком данного метода является двухэтапное ионное травление СТМР наноструктуры с САФ, что может приводить к повышенной дефектности и переосаждению удаляемого материала на боковые стенки СТМР элемента. Травление СТМР наноструктуры до БС включительно требует высокой точности процесса и равномерности напыленных пленок СТМР наноструктуры по площади пластины.

Другой технологический подход к изготовлению СТП, применяемый в [92], схематично изображен на рисунке 1.27. Главным отличием данного подхода является

то, что он предназначен для формирования цепочки последовательно соединенных СТП. На нижнем электроде расположены два СТМР элемента, контактные окна формируются только к верхнему электроду. Другое отличие заключается в том, что первый процесс ионного травления определяет геометрию свободного слоя, а второй процесс задает форму фиксированного слоя.

На первом этапе выполнялось ионное травление свободного слоя, время травления контролировалось с помощью ВИМС и на основании вычисленной скорости травления, далее следовал второй этап - ионное травление фиксированного слоя с перетравом, чтобы избежать замыкания свободного и фиксированного слоев СТП. После чего осаждался слой 813К4 для формирования защиты СТП от замыканий (этап 3), металлизация СТМР элементов выполнена на основе пленок Сг и Аи (этап 4).

Рисунок 1.27 - Схематичное изображение процесса производства СТП [92]

Необходимо отметить, что на первом этапе ионного травления возможно перетравливание фиксированного слоя, которое может привести к разрыву электрического контакта между двумя СТП.

Для обеспечения равномерности и сплошности многослойной СТМР наноструктуры необходимо снижение шероховатости буферных слоев, это достигается за счет формирования нижнего электрода толщиной, превышающей совокупную толщину всей наноструктуры. При этом, для исключения переосаждения материала на боковые стенки СТП в процессе травления, нижний электрод должен быть сформирован до напыления многослойной наноструктуры. Данные особенности не нашли отражения в рассмотренных подходах, что обуславливает необходимость дальнейшей оптимизации технологического процесса формирования СТП.

1.4 Применения преобразователей магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

Конструкция устройства с ПМП-САФ, используемая для обнаружения дефектов сварных швов в пластине из алюминиевого сплава АА2024, описана в [93]. ПМП состоит из 72 последовательно соединенных СТП размером 50x50 мкм в каждом плече, площадь чувствительной области составляет 0,5x0,5 мм2 (рисунок 1.28), чувствительный элемент реагирует на Z-составляюшую магнитного поля, создаваемого вихревыми токами. ПМП имеет диапазон по магнитному полю от минус 1 мТл до 2,5 мТл и крутизну преобразования 94 В/Тл; СТП в его составе имеет структуру: [Та (5 нм) / СиК (25 нм)]х6 / Ta (5 нм) / Ru (5 нм) / 1гМп (20 нм) / ^^зо (2 нм) / Ru (0,85 нм) / CoFe40B20 (2,6 нм) / MgO (1 нм) / CoFe40B20 (2 нм) / Ta (0,21 нм) / NiFe (4 нм) / Ru (0,2 нм) / Мп (6 нм) / Ru (2 нм) / Ta(5 нм) / Ru (10 нм), содержащую САФ в фиксированном слое. Наведенные вихревые токи равномерно распределены в пространстве, при этом дефект виден как разрыв в генерируемом магнитном поле [93].

МТП1 МТП2 МТПЗ МТП4 МТП5 МТП6 МТП7 МТП8

Рисунок 1.28 - Конструкция устройства для неразрушающего контроля сварного шва

между двумя алюминиевыми плитами [93]

В [94] описан преобразователь тока на основе СТМР наноструктур, в основе которого лежит мостовая схема Уитстона, каждое плечо которой состоит из 360 последовательно соединенных СТП для улучшения электрической надежности и повышения соотношения сигнал/шум. Наноструктура СТП имеет вид: Ta (5 нм) / CuN (50 нм) / Ta (3 нм) / CuN (50 нм) / Ta (3 нм) / Ru (5 нм) / IrMn (6 нм) / CoFe (2 нм) / Ru (0,85 нм) / CoFeB (2,6 нм) / MgO (1 нм) / CoFeB (3 нм) / Ta (0,21 нм) / NiFe (16 нм) / Ta (10 нм) / CuN (30 нм) / Ru (7 нм), размер одиночного СТП составляет 2x30 мкм. СТМР элементы преобразователя расположены на одном кремниевом кристалле, направление намагниченности опорного слоя СТП совпадают. Сигнал на выходе мостовой схемы формируется за счет расположения плеч над U-образной медной шиной: у одной диагональной пары плеч магнитное поле от шины направлено в одну сторону, в то время как у другой диагональной пары плеч внешнее магнитное поле имеет противоположное направление. Данная конструкция минимизирует влияние паразитных магнитных полей и улучшает температурную стабильность. Выходная характеристика преобразователя тока приведена на рисунке 1.29, абсолютная чувствительность преобразователя по электрическому току составляет 9,8 мВ/А в диапазоне от минус 30 А до 30 А, что на порядок выше, чем чувствительность преобразователя тока на основе спин-вентильных магниторезистивных (СВМР) наноструктур [94].

Ывых, МВ 400

300

200

100

0

-100

-200

300

-400

I. А

Рисунок 1.29 - Выходная характеристика преобразователя тока на основе СТМР наноструктур с чувствительностью к току 9,8 мВ/А (а); расположение кремниевого кристалла преобразователя на печатной плате с медной шиной (б) [94]

Существует ряд работ [95-98], касающихся применения ПМП на основе СТМР наноструктур в биомедицинских системах. Концепция использования преобразователей в качестве биочипов основана на их чувствительности к слабым магнитным полям, создаваемым намагниченными нано- и микрочастицами, которые прикреплены к биомолекулам. Данные маркирующие микрочастицы обрабатывают с минимальным агрегированием в парамагнитном состоянии, при воздействии на них локального магнитного поля частицы создают магнитный момент, генерируя краевое магнитное поле, которое может быть обнаружено ПМП.

ПМП-САФ могут применяться для распознавания биомаркеров ВИЧ-инфекции [99] и иммуноанализа рака печени [100]. Шарма и др. в [101] продемонстрировали возможность экстракции природной ДНК из патогенных бактерий, таких как Salmonella, Listeria, а также вируса гепатита E (HEV), с последующим обнаружением указанных патогенов при концентрациях ниже 1 нМ с использованием СТП на основе СТМР наноструктуры с САФ Ta (5 нм) / Ru (18 нм) / Ta (3 нм) / Ir20Mn80 (20 нм) / Co60Fe40 (1,8 нм) / Ru (0,9 нм) / Co40Fe40B20 (2,7 нм) / MgO (2,5 нм) / Co40Fe40B20 (1,3 нм) / Ru (5 нм) / Ta (20 нм).

За счет возможности обнаружения магнитных полей порядка фТл ПМП-САФ могут применяться для магнитной кардиографии [102, 103] и магнитной энцефалографии [104, 105].

В [14] описан блок GPS, способный отслеживать положение автомобиля в случае потери спутникового сигнала GPS, например, при въезде в туннель. Основным компонентом рассматриваемого GPS трекера является цифровой компас на основе аналогового магнитометра. Три различных вида резистивных элементов в качестве чувствительного элемента полной мостовой схемы рассмотрены в [14]: одиночный СТП, направление намагниченности опорного слоя которого установлено в процессе ТМО при помощи локального нагрева током; массив СВМР элементов (без ТМО, направление намагниченности опорного слоя задано в процессе напыления); массив СТП (направление намагниченности опорного слоя получено в результате ТМО). В таблице 1.4 представлены основные характеристики магнитометров на основе каждого вида конструктивного решения.

Таблица 1.4 - Основные характеристики магнитометров на основе различных резистивных элементов [14]

Параметры Одиночный СТП Массив СВМР элементов Массив СТП

Чувствительность 13,6 мВ/В/Э при ^^=90 мВ 6,8 мВ/В/Э при ^^=600 мВ 1,02 мВ/мВт/Э при ^^=600 мВ 0,624 мВ/В/Э 12,48 мВ/мВт/Э 32,0 мВ/В/Э 26,7 мВ/мВт/Э

Напряжение питания, В 0,6 4 4

Ток потребления, мА 6,67 0,05 1,20

Изменение выходного напряжения при изменении магнитного поля на 1 Э, мВ 4,08 2,5 128

Высокий уровень выходного сигнала чувствительного элемента на основе массива СТП снижает требования к схеме обработки, тем самым уменьшая себестоимость устройства.

Помимо научных разработок необходимо отметить основные электрофизические характеристики серийно выпускаемых ПМП на основе различных МР наноструктур (таблица 1.5).

Таблица 1.5 - Сравнительный анализ зарубежных ПМП на основе АМР, СВМР, СТМР наноструктур [106, 107]

AMR2501 AAH002-02 (NVE, США) TMR2905 TMR9082

№ п/п Наименование параметра (MultiDimension, США) (MultiDimension, США) (MultiDimension, США)

СВМР

1 Тип наноструктуры АМР (периодическа я структура) СТМР СТМР

2 Тип выходной характеристики Нечетная Четная Нечетная Нечетная

3 Чувствительность к магнитному полю, мВ/(ВхЭ) 1,8-3,5 11-18 45-65 100

4 Напряжение питания, В 1,8-12,0 1-12 1-7 1-3

5 Выходное (собственное) сопротивление, кОм 0,5-1,1 2 2-55 30

6 Гистерезис, % 0,02-0,1 15 3 6

7 Диапазон по магнитному полю, Э ±2 0,6-3,0 ±5 ±1

8 Рабочая температура, °С от минус 55 до 150 от минус 50 до 150 от минус 40 до 125 от минус 40 до 125

9 Габариты (ДхШхВ), мм 6,00x5,00x0,75 5,00x6,20x1,83 3,00x3,00x0,75 5,80x4,80x1,75

10 Наличие катушек подмагничивания Да (2) Нет Нет Нет

Согласно таблице 1.5 ПМП на основе СТМР наноструктур превосходят другие преобразователи по всем представленным параметрам. Ключевыми преимуществами ПМП на основе СТМР наноструктур являются высокая чувствительность и сопротивление мостовой схемы. Необходимо учитывать, что уровень низкочастотных шумов преобразователей на основе СТМР наноструктур значительно выше, но за счет высокой чувствительности разрешающая способность устройств составляет единицы пТл [108, 109]. Повышенное сопротивление мостовой схемы способствует малому току потребления, обеспечивая широкое применение ПМП на основе СТМР наноструктур в областях, где критичны энергоэффективность, автономность и долгий срок работы без замены источника питания: интернет вещей и умные устройства; автономные системы и беспроводные сети; автомобильная электроника и транспорт.

Постановка задач

По прогнозам, к 2030 году рынок магнитных датчиков расширится, а МР ПМП займут значительно большую долю [1]. При этом в зависимости от сферы применения ПМП должны соответствовать специфическим требованиям к совокупности электрофизических параметров.

Для обеспечения когерентного спин-зависимого туннелирования предпочтительной является СТМР наноструктура с кристаллическим БС в виде MgO, что значительно повышает МР эффект [33, 34]. Исследование зависимости сопротивления и МР эффекта СТП от толщины БС MgO позволит обеспечивать необходимое сопротивление мостовой схемы ПМП-САФ и требуемый МР эффект.

В анализируемых источниках в СТМР наноструктурах преобразователей интегрирован САФ [14, 83, 93, 94, 95-98]. Намагниченность фиксированного слоя должна обладать более высокой стабильностью по сравнению со свободным слоем, что достигается за счет сильного АФ обменного взаимодействия в САФ с толщиной Ru, которая соответствует первому АФ максимуму. Поэтому определение толщин НМ слоя Ru, соответствующих первому АФ максимуму, в СТМР наноструктуре является актуальной задачей.

Мостовая схема Уитстона в конструкции ПМП-САФ обеспечивает высокую чувствительность к магнитному полю и минимизацию температурных воздействий. Одна пара диагональных плеч в мостовой схеме должна иметь положительный наклон зависимости магнитосопротивления, вторая - отрицательный. Каждое плечо представляет собой совокупность последовательно соединенных СТП [83]. Для повышения чувствительности к магнитному полю в конструкциях ПМП-САФ используются КМП [85-88], однако зависимость относительной чувствительности к магнитному полю от величины зазора между КМП систематически не изучалась. Создание новой конструкции ПМП-САФ, обеспечивающей высокую чувствительность к магнитному полю и малый ток потребления, позволит разрабатывать магнитометрические системы отечественного производства с высокой разрешающей способностью и низким энергопотреблением.

Изготовление ПМП-САФ включает несколько подходов [14], [92], при этом ключевыми операциями являются напыление многослойных наноструктур, литография, ионное травление, металлизация и пассивация.

Высокочувствительные ПМП-САФ, способные работать при повышенном напряжении питания, перспективны для специализированных применений, требующих высокой устойчивости к внешним воздействиям. Исследование влияния напряжения питания на абсолютную чувствительность преобразователя представляет научный интерес ввиду отсутствия соответствующих данных в литературных источниках.

2 Исследование спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком

2.1 Синтетическая антиферромагнитная структура CoFe / Ru / CoFe

Применение САФ минимизирует влияние паразитных магнитостатических полей фиксированного слоя на свободный, что повышает стабильность работы устройства. РККИ-взаимодействие имеет осциллирующий характер и зависит от толщины НМ слоя, согласно проведенным теоретическим исследованиям [110, 111] оптимальная толщина Ru для первого АФ максимума лежит в пределах от 4 до 12 А. При данной толщине возникает сильное АФ взаимодействие между ФМ слоями, при этом повышение толщины Ru приводит к существенному ослаблению энергии взаимодействия, оказывая негативное влияние на магнитные характеристики СТМР наноструктуры с САФ и, как следствие, ухудшая функциональные параметры устройства в целом. К примеру, для диапазона толщин Ru от 21 до 25 А, соответствующего второму АФ максимуму [55], энергия РККИ-взаимодействия на один порядок ниже по сравнению с первым АФ максимумом.

Для последующей интеграции САФ в СТП проводились исследования магнитных свойств пленок, сформированных на кремниевых пластинах. Получена многослойная наноструктура вида Ta / Co95Fe5 / Ru (X А) / Co95Fe5 / Ta, эскиз которой представлен на рисунке 2.1. Толщина НМ слоя Ru изменялась в пределах от 3 до 9 А, что соответствует первому АФ максимуму.

Рисунок 2.1 - Эскиз САФ структуры вида Ta / Co95Fe5 / Ru / Co95Fe5 / Ta

Исследуемая наноструктура формировалась методом магнетронного напыления

на установке Orion 8-UHV (AJA International, США) на кремниевые пластины

диаметром 100 мм с изолирующим слоем, состоящим из оксида кремния толщиной

64

0,65 мкм. С помощью магнитного столика в процессе напыления задавалась ОЛН ФМ слоев. Пленка Та выступала в роли буферного и защитного слоя: в нижней части структуры слой Та уменьшал шероховатость подложки, в верхней части -способствовал защите ФМ слоя от окисления.

Контроль магнитных параметров в составе пластин осуществлялся с помощью измерительной системы MESA-200 (Shb Instruments, США) вдоль сформированной в процессе напыления ОЛН (рисунок 2.2). Полная погрешность MESA-200 составляет 1,0 % при доверительной вероятности P=0,95 в диапазоне напряженности магнитного поля от 0 до 80000 А/м (1 кЭ) и в диапазоне частот от 1 Гц до 10 Гц.

Рисунок 2.2 - Фотография измерительной системы MESA-200 (Shb Instruments, США)

Измерительная система MESA-200 обеспечивает исследование следующих магнитных параметров:

- коэрцитивной силы;

- поля магнитной анизотропии;

- величины магниторезистивного эффекта;

- удельного и поверхностного сопротивления;

- величины насыщения;

- остаточной намагниченности;

- величины магнитного рассеяния;

- магнитной проницаемости материалов.

Максимальное намагничивающее поле составляет 80000 А/м (~ 1 кЭ) по основной оси и 8000 А/м (~ 100 Э) по поперечной оси.

При анализе кривых намагничивания наноструктуры Та / Со95Ре5 / Яи / Со95Ре5 / Та особое внимание уделялось полю магнитного насыщения, намагниченности насыщения, коэрцитивной силе. Рисунок 2.3 иллюстрирует результаты измерения магнитных параметров САФ структуры Та / Со95Ре5 / Яи / Со95Ре5 / Та с толщиной Яи от 3 до 9 А. При максимальном значении толщины Яи для САФ характерно ФМ взаимодействие магнитных слоев, при 3 А Яи также наблюдается ФМ связь слоев, что может быть вызвано малой толщиной НМ пленки: магнитные слои связаны напрямую через проколы в разделительном слое Яи.

1

В, нВб

0,5

I

---.--------мт-----

0

-1000

-600

-200

л

-0,5 -

____

-1

Р

тт

200

■■■'■ I.........." 1 —•*■

600 1000

----Ри 3 А Н, Э

-Ри 5 А

-----Ри 7 А

..............Ри 8 А

-Ри 8,5 А

----Ри 9 А

Рисунок 2.3 - Кривые намагничивания САФ структуры Та / Со95Ре5 / Яи / Со95Ре5 / Та с

толщиной Яи от 3до 9 А

Наблюдаемое отсутствие петель гистерезиса в диапазоне толщин Ru 5-8,5 А указывает на значительное возрастание поля магнитного насыщения САФ структуры. Можно сделать вывод, что величина этого поля превышает 1 кЭ, поскольку она выходит за пределы диапазона измерительной системы. Это предположение согласуется с данными, полученными при исследовании образцов ИФМ УрО РАН (рисунок 2.4). Поле магнитного насыщения структуры Та / Со40Бе40Б20 / Яи (6 А) / Со95Ре5 / Та составляет

4 кЭ. Резкий рост поля магнитного насыщения демонстрирует формирование АФ связи между ФМ слоями

У ^—

/

№ /

/ у / г

—I—'—I—■—I—■—I—'—I—1—I—1—I—1—

■6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

Н, Э

Рисунок 2.4 - Кривая намагничивания структуры Ta / Co40Fe40B20 / Ru (6 А) / /

Ta, измеренная ИФМ УрО РАН

Полученные диапазоны толщин Ru, соответствующие ФМ и АФ связи, обеспечивают исходные данные для дальнейших исследованиях САФ структур.

2.2 Синтетическая антиферромагнитная структура CoFeB / Яи / CoFe

Аморфные слои CoFeB активно применяются в СТП с барьерным слоем MgO с типичной структурой АФ / CoFe / Ru / CoFeB / MgO / CoFeB, в которых пленка MgO выращена на аморфном слое CoFeB [52, 53]. В процессе высокотемпературного отжига пленка CoFeB кристаллизуется в объемно-центрированную кубическую решетку с ориентацией (001), обеспечивая когерентное спин-зависимое туннелирование электронов в СТМР наноструктурах и значительное повышение МР эффекта. Исходя из этого, возникает необходимость создавать САФ структуру вида CoFeB / Ru / CoFe. Для оценки влияния замены нижнего слоя Co95Fe5 на Co40Fe40B20 изготовлена структура вида Ta / Co40Fe40B20 / Ru (X А) / / Ta, где толщина НМ пленки Ru изменялась в

диапазоне от 3 до 11 А (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Эскиз САФ структуры вида Та / Со40Бе40В20 / Яи / Со95Бе5 / Та

Результаты измерения кривых намагничивания структуры Та / Со40Бе40В20 / Яи / Со95Бе5 / Та в диапазоне толщин Яи от 3 до 11 А приведены на рисунке 2.6.

1

В, нВб '

-1000

1000 Н, Э

----Ры 3 А

-Ры 5 А

----Ры 6 А

---Ры 7 А

-----Ры 9 А

..............Ры 11 А

Рисунок 2.6 - Кривые намагничивания САФ структуры Та / Со40Бе40В20 / Яи / Со95Бе5 /

Та с толщиной Яи от 3 до 11 А

Из рисунка 2.6 видно, что для САФ структур с толщиной Яи 5 и 6 А

перемагничивание не наблюдается, одной из причин может являться ограничение

измерительной системы по диапазону магнитного поля до 1 кЭ.

Область первого АФ максимума для структуры Та / Со40Бе40В20 / Яи /

Со95Бе5 / Та выражена в диапазоне толщин Яи от 4 до 7 А, при толщинах более 7 А

наблюдается переходное состояние с постоянным полем магнитного насыщения более

500 Э. С целью оценки энергии косвенного обменного взаимодействия для второго АФ

68

максимума дополнительно изготовлена серия образцов Ta / Со4^е40В20 / Ru / Со9^е5 / Ta с толщиной Ru в диапазоне от 18 до 24 А. Результаты измерений представлены на рисунке 2.7, второй АФ максимум выражен при толщинах Ru от 20 до 22 А [53, 54].

В, нВб 1

600

1000 Н, Э

Ри 18 А Ри 20 А Ри 21 А Ри 22 А Ри 23 А

..............Ри 24 А

Рисунок 2.7 - Кривые намагничивания САФ структуры Та / Со4^е40В20 / Ru / Со9^е5 /

Та с толщиной Ru от 18 до 24 А [53]

Из зависимостей, представленных на рисунках 2.6-2.7, можно сделать вывод, что энергия АФ косвенного обменного взаимодействия для второго максимума значительно меньше, чем для первого.

2.3 Синтетическая антиферромагнитная структура CoFeB / К« / CoFe c фиксирующим слоем и в структуре Ta / CoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / Яы / CoFe / 1гМп / Та

Исследование влияния обменного взаимодействия, создаваемого АФ пленкой 1гМп на САФ структуру, осуществлялось с помощью структуры Та / Со4^е40В20 / Ru (X А) / Co95Fe5 / 1г2оМп8о / Та (рисунок 2.8),

где толщина Ru составляла 6, 8 и 10 А. Данные толщины НМ слоя согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям соответствуют первому АФ максимуму.

Выбор пленки 1гМп в качестве АФ обусловлен тем, что сплав 1гМп имеет высокую температуру блокировки Ть = 190-300 °С [44] и коррозионную стойкость. Другим достоинством данного АФ слоя является то, что формирование обменного смещения происходит при напылении в магнитном поле [46]. Таким образом, ось фиксации и ОЛН ФМ слоев формировались в процессе магнетронного напыления с помощью магнитного столика.

Рисунок 2.8 - Эскиз САФ структуры вида Та / Со40Бе40В20 / Яи / Со95Бе5 / 1г20Мп80 / Та

Полученные кривые намагничивания САФ структуры представлены на рисунке 2.9. В области нулевых магнитных полей перемагничивание пленок не наблюдалось, так как обменное смещение фиксировало верхний ФМ слой, антиферромагнитно связанный с нижним ФМ слоем [53]. Если направление внешнего поля совпадает с направлением фиксации, требуется разрушить только РККИ-взаимодействие между ФМ слоями. Однако при противоположно направленном поле необходимо преодолеть как обменное смещение, так и РККИ-связь, что приводит к асимметрии кривой намагничивания (рисунок 2.9).

В, нВб 1

0,8 0,6 0,4

0,2

-1000

-0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

Рисунок 2.9 - Кривые намагничивания САФ структуры Ta / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 /

1г20Мп80 / Ta с различной толщиной Ru

.Л"

200

600

1000 Н, Э

-Ри 6 А

----Ри 8 А

----Ри 10 А

Следующим этапом является исследование магнитных характеристик СТМР наноструктуры с САФ с толщиной НМ слоя, подобранной экспериментальным путем, с учетом ранее полученных диапазонов толщин Ru для АФ максимумов. Эскиз формируемой многослойной наноструктуры вида Ta / Со9^е5 / Со4^е40В20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru (XА) / Со9^е5 / 1г20Мп80 / Та представлен на рисунке 2.10, кривые намагничивания - на рисунке 2.11.

Рисунок 2.10 - Эскиз структуры вида Та / Со9^е5 / Со4^е40В20 / MgO / Со4^е40В20 / Ru /

Со9^е5 / !г20Мп80 / Та

При расположении АФ над БС слоем MgO напыление пленки IrMn осуществляется на слой CoFe. Слои CoFe, полученные методом магнетронного напыления, характеризуются гранецентрированной кубической кристаллической решеткой и высокой степенью преимущественной ориентации кристаллитов (текстуры) в направлении (111). Для напыленных АФ слоев, таких как FeMn, IrMn, характерны схожие структурные параметры и близкие значения параметров кристаллической решетки. В результате чего формируется структурно когерентная граница раздела АФ / САФ. В случае, когда АФ слой находится внизу, буферный слой должен включать в себя специализированные барьерные слои, чтобы предотвратить диффузию примесей из подложки. Это может помешать росту высококачественного, текстурированного туннельного барьера MgO с ориентацией (001).

Исходя из данных соображений, АФ слой в разработанной СТМР наноструктуре расположен над БС MgO.

Свободный слой представлен совокупностью пленок Co95Fe5 и Co4oFe4oB2o: слой Co4oFe4oB2o формирует структуру, необходимую для когерентного туннелирования электронов сквозь БС. Сплавы на основе Co и Fe обладают одной из самых высоких значений спиновой поляризации среди ферромагнетиков. Также выбор Co95Fe5 обусловлен технологическими ограничениями установки магнетронного напыления по количеству мишеней: не более пяти мишеней для металлических сплавов и одна для диэлектрического материала.

В СТМР наноструктуре с САФ при толщине Ru 25 А присутствуют три кривые намагничивания. Для образца с толщиной Ru 8 А диапазон магнитных полей измерительной установки оказался недостаточным, поэтому на рисунке 2.11 присутствует одна петля, соответствующая перемагничиванию свободного слоя. Согласно ранее проведенным исследованиям перемагничивание САФ структуры происходит при магнитных полях 4 кЭ (рисунок 2.4). Экспериментальные данные подтверждают, что для первого АФ максимума характерна более высокая энергия РКИИ-взаимодействия.

Полученные результаты согласуются с теоретическими и экспериментальными работами в [112], где была изучена СТМР наноструктура Ta (5 нм) / CuN (5o нм) / Ta (3 нм) / CuN (5o нм) / Ta (3 нм) / PtMn (15 нм) / CoFe (2,3 нм) / Ru (o,85 нм) / CoFeB (2,5 нм) / MgO / CoFeB (2,5 нм) / Ta (1o нм) / CuN (3o нм) / Ru (7 нм). Экспериментальная кривая перемагничивания СТМР наноструктуры с САФ представлена на рисунке 2.12.

Рисунок 2.11 - Кривые намагничивания СТМР структур с САФ Ta / Co95Fe5 / Co4oFe4oB2o / MgO / Co4oFe4oB2o / Ru (8 А) / Co95Fe5 / Ir2oMn8o / Ta (малиновая штриховая кривая); Ta / Co95Fe5 / Co4oFe4oB2o / MgO / Co4oFe4oB2o / Ru (25 А) / Co95Fe5 / Ir2oMn8o / Ta (оранжевая штрихпунктирная кривая); СТМР структуры без САФ Ta / Co95Fe5 / Co4oFe4oB2o / MgO / Co4oFe4oB2o / Co95Fe5 / Ir2oMn8o / Ta (светло-зеленая сплошная кривая)

Рисунок 2.12 - Экспериментальная кривая перемагничивания СТМР-наноструктуры с

САФ [112]

Наличие САФ структуры в фиксированном слое СТМР наноструктуры обеспечивает увеличение энергии обменного взаимодействия.

Выводы по главе 2

Изготовлены и исследованы серии образцов со структурами типа Ta / CoFe / Ru / CoFe / Ta; Ta / CoFeB / Ru / CoFe / Ta; Ta / CoFeB / Ru / CoFe / ¡гШ / Ta; Ta / CoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / Ru / CoFe / / Ta. Теоретически и экспериментально

обоснован состав СТМР наноструктуры с САФ с учетом материалов слоев и их расположения.

Подтверждено, что введение АФ слоя 1гМп и его обменное взаимодействие с ФМ слоем CoFe приводит к формированию асимметричной петли гистерезиса. Асимметрия кривой намагничивания позволяет контролировать пороги переключения, что критично для спинтронных устройств.

Впервые для разработанной СТМР наноструктуры с САФ определены диапазоны толщин НМ слоя Ru, соответствующие первому и второму АФ максимумам. Было показано, что первый АФ максимум характеризуется более высокой энергией РККИ-взаимодействия по сравнению со вторым АФ максимумом.

3 Разработка методов изготовления и исследование спин-туннельных переходов

3.1 Разработка масочного метода изготовления тестовых образцов спин-туннельных переходов

3.1.1 Масочный метод напыления спин-туннельных магниторезистивных наноструктур

Для подбора оптимальной СТМР наноструктуры с САФ кроме магнитных параметров, исследуемых в главе 2 в составе кремниевых пластин, необходимо оценивать МР эффект, сопротивление СТП и влияние ТМО на данные параметры.

В соответствии с вышеизложенными технологическими основами изготовления ПМП-САФ процесс формирования СТП сложен и длителен. Для оперативной оценки магнитных параметров СТМР наноструктур и создания тестовых образцов СТП применяется масочный метод.

Принимая во внимания достоинства и недостатки исследований, приведенных в первой главе [32], разработан масочный метод формирования СТМР наноструктур без применения фотолитографических процессов и дополнительных процессов осаждения изолирующих слоев. Рисунок 3.1 иллюстрирует внешний вид трафаретов, используемых при создании СТП.

Рисунок 3.1 - Фотография трафаретов, используемых при масочном методе изготовления тестовых образцов СТП [113]

Трафареты представляют собой кремниевые пластины с массивом сквозных отверстий в виде горизонтальных и вертикальных полосок. СТМР наноструктура производилась в два этапа с использованием двух типов масок, в области пересечения полосок крестообразного элемента находился СТП, две смежные контактные площадки полученного элемента обеспечивают контакты к верхнему и нижнему электродам (рисунок 3.2а). Первый этап изготовления СТП включал в себя напыление СТМР наноструктуры до БС включительно с последующей обработкой в кислородной плазме. Окисление БС и боковых стенок нижней части структуры предотвращало замыкание нижнего и верхнего электродов СТП. Во время второго этапа формировались фиксированный, АФ и защитный слои. Полоски на трафаретах имеют различные ширины, за счет чего при напылении многослойной наноструктуры образуются СТП с различными размерами: 500x500 мкм, 200x200 мкм, 100x100 мкм, 50x50 мкм (рисунок 3.2б).

(а) (б)

Рисунок 3.2 - Фотографии кремниевого кристалла тестового образца СТП (а) и группы кремниевых кристаллов с различными размерами СТП (б)

Разработанный масочный метод изготовления тестовых образцов СТП позволил в короткие сроки исследовать значительный объем вариантов структур.

3.1.2 Изготовление и исследование тестовых образцов спин-туннельных переходов на основе структуры CoFe / MgO / CoFe

Как было отмечено в первой главе, МР эффект в наноструктурах с Al2O3 в качестве БС не превышает 70% при комнатной температуре из-за аморфной структуры Al2O3. Согласно теоретическим исследованиям БС с кристаллической структурой значительно повышает величину СТМР эффекта за счет спин-зависимого туннелирования. В исследованиях [32] наибольшие значения МР эффекта получены в СТП с ФМ слоями на основе сплава CoFe, в то время как в образцах с Fe в качестве свободного и фиксированного слоев МР эффект уступал по значению.

При расположении фиксирующего слоя в области нижнего электрода возникает существенная проблема, которая заключается в том, что невозможно сформировать БС MgO с кристаллической структурой (001) на фиксированном слое АФ / ФМ с гранецентрированной кубической кристаллической структурой (111) из-за несовпадения структурной симметрии [114]. Одним из решением данной проблемы является замена смежных с MgO слоев CoFe на аморфные слои CoFeB, вместе с тем предложен комбинированный подход, состоящий в перемещении АФ слоя в область верхнего электрода и замене слоев CoFe на CoFeB.

Методом магнетронного напыления сформирована тестовая СТМР наноструктура вида Та / FeNiCo6 / СоFe / MgO / СоFe / FeNiCo6 / FeMn / Та с толщиной MgO 100 А для оценки эффективности масочного метода напыления. Состав СТМР наноструктуры подобран с учетом технологических возможностей и опыта работы с АМР и ГМР наноструктурами. Толщина БС определена минимизацией риска проколов и несплошности.

При проведении исследований магнитных параметров тестовых образцов СТП применялись следующие средства измерений: мультиметр DAQ6510; источник питания постоянного тока Е36313А. Источником магнитного поля являлась мера магнитной индукции (соленоид со свободным внутренним объемом или катушка индуктивности), которая обеспечивала возможность формирования равномерного магнитного поля величиной от минус 300 Э до 300 Э в области тестовых СТМР наноструктур. Измерение зависимости Я(И) тестовых образцов СТП проводилось на измерительной установке, блок-схема которой приведена на рисунке 3.3.

Gl

т0

Цепь Кон m

+ с

с

Цепь Ко Hin

Ri / с

R2 <

Конт Цепь

+ Output

-

РК1

Конт Цепь

И: К Input

0

ТО - измеряемый тестовый образец СТП; Ь1 - мера магнитной индукции ММИ.005; 01 - источник питания постоянного тока Е36313А; Р81 - мультиметр DAQ6510;

К - кабели соединительные из комплектов используемых СИ.

Рисунок 3.3 - Блок-схема подключения средств измерений для исследования зависимости Я(И) тестовых образцов СТП

Электрический контакт к нижнему и верхнему электродам СТП обеспечивался с помощью измерительной оснастки, фотография которой приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Фотография измерительной оснастки

Выводы и «Я2» тестовой наноструктуры подключались к мультиметру

DAQ6510, включенному в режиме измерения сопротивления, напряжение питания на мультиметре не превышало 20 мВ. Выводы «+» и «-» меры магнитной индукции (катушки) были подсоединены к соответствующим выводам источника питания постоянного тока. Смена направления напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой, происходила путем перемены выводов «+» и «-» на катушке или источнике питания.

Для контроля зависимости Я(Я) в катушке задавалось магнитное поле напряженностью от минус 300 Э до 300 Э с шагом 10 Э, в данных точках фиксировалось сопротивление тестового образца СТП, полученные данные использовались для построения зависимости сопротивления образца от напряженности магнитного поля с прямым и обратным ходом по магнитному полю, МР эффект рассчитывался в соответствии с формулой:

АЯ/ = Яшах-Яшш х 100, (3.1)

Ктт

где Ятах, Ят£п - максимальное и минимальное сопротивления СТП, определяемые по графику зависимости сопротивления от внешнего магнитного поля.

Магнитное поле смещения петли перемагничивания свободного слоя СТМР наноструктуры с САФ (НВЗ) определяется с помощью зависимости сопротивления

образца от напряженности магнитного поля с прямым и обратным ходом. На середине полученной кривой необходимо определить и зафиксировать величину магнитного поля смещения центра петли перемагничивания свободного слоя относительно нулевого значения магнитного поля.

Коэрцитивная сила свободного слоя устанавливается из кривой зависимости сопротивления от внешнего магнитного поля и составляет половину ширины петли перемагничивания свободного слоя.

Метод определения поля обменного смещения НеЬ с помощью зависимости Я(Н) показан на рисунке 1.4.

Направление магнитного поля при измерениях совпадало с направлением оси фиксации, которая, как было указано в разделе 2, формируется в процессе магнетронного напыления с помощью магнитного столика или в процессе ТМО.

Вольт-амперная характеристика тестовых образцов СТП контролировалась на измерительной установке, блок-схема которой приведена на рисунке 3.3.

ТО - измеряемый тестовый образец СТП;

01 - источник питания постоянного тока Е36313А;

К - кабели соединительные из комплектов используемых средств измерений.

Рисунок 3.5 - Блок-схема подключения средств измерений для исследования вольт-амперной характеристики тестовых образцов СТП

С помощью источника питания задавалось напряжение питания от минус 100 мВ

до 100 мВ с шагом 20 мВ, в указанных точках фиксировался ток потребления, на

основании этих данных строили вольт-амперную характеристику. Максимальное

напряжение питания в 100 мВ обусловлено экспериментальными и теоретическими

данными о росте вероятности пробоя БС при его превышении.

80

Общая погрешность измерений в соответствии с разработанной методикой составляла не более 5%.

Вольт-амперная характеристика СТП имеет нелинейный вид (рисунок 3.6а), что показывает сплошность БС, но при этом величина СТМР эффекта равна 2,5%: из-за значительной толщины М^О вероятность туннелирования электронов снижена.

(а) (б)

Рисунок 3.6 - Вольт-амперная характеристика тестового образца СТП с толщиной БС 100 А (а) и его зависимость сопротивления от магнитного поля (б)

После отработки технологического процесса магнетронного напыления и снижения толщины БС подготовлены тестовые наноструктуры с эффектом более 10%, типичная зависимость сопротивления от внешнего магнитного поля приведена на рисунке 3.7.

.200 -150 -100 -50 0 50 100 150

Рисунок 3.7 - ^(Я)-характеристика тестового образца СТП со структурой вида Та / FeNiCo6 / СоFe / MgO / СоFe / FeNiCo6 / FeMn / Та и толщиной БС 30 А, МР эффект

равен 11%

Тестовые образцы СТП на основе данной наноструктуры обладали СТМР эффектом, не превышающим 15%.

3.1.3 Изготовление и исследование тестовых образцов спин-туннельных переходов на основе структуры CoFeB / MgO / CoFeB

Для обеспечения кристаллографической симметрии и когерентного туннелирования электронов через БС необходимо применение структуры вида CoFeB / MgO / CoFeB с последующей кристаллизацией аморфных слоев CoFeB.

Для этого масочным методом были изготовлены тестовые образцы СТП со структурой Та / FeNiCo6 / СоFeB / MgO / СоFeB / FeNiCo6 / FeMn / Та. Обработка в кислородной плазме после напыления первой части многослойной наноструктуры обеспечила высокий коэффициент выхода годных и повышение предельно допустимого напряжения питания образца до 3 В. Тестовые образцы СТП без обработки кислородной плазмой демонстрировали МР эффект не выше 2%, при этом большая часть исследуемых образцов была забракована по причине электрического контакта верхнего и нижнего электродов. МР эффект тестовых образцов СТП составил 10-12%, далее отрабатывался процесс магнитного отжига. В таблице 3.1 отображены результаты

многоступенчатого магнитного отжига тестового образца на основе СТМР наноструктуры Та / FeNiCo6 / СоFeB / MgO / СоFeB / FeNiCo6 / FeMn / Та с сопротивлением перехода 1,78 кОм и величиной МР эффекта 13,1%. Единичный тестовый образец СТП подвергался последовательным этапам ТМО при магнитном поле 300 Э, направленном вдоль ООА, длительность каждого этапа составляла 10 минут. После каждого этапа магнитного отжига контролировались сопротивление и МР эффект.

Таблица 3.1 - Результаты многоступенчатой ТМО тестового образца СТП

ТМО 1 2 3 4 5 6 7

Температура, °С 120 130 150 170 190 210 230

Сопротивление, кОм 4,0 5,0 6,4 8,8 10,5 12,5 10,6

МР эффект, % 13,1 23,4 27,3 33,3 38,4 39,1 21,6

Как видно из таблицы 3.1, при увеличении температуры отжига происходит постепенный рост сопротивления и МР эффекта. При температуре более 210 °С наблюдается обратный процесс, что может быть объяснено взаимной диффузией слоев через БС и нарушением кристаллической структуры пленок.

Рисунок 3.8 иллюстрирует зависимости Я(Н) тестового образца до магнитного отжига и после шестой обработки.

(а) (б)

Рисунок 3.8 - Зависимости Я(Я) тестового образца СТП до ТМО (а) и после шестой

обработки (б)

После магнитного отжига сопротивление СТП возросло на порядок, в то время как величина МР эффекта увеличилась в три раза: с 13,1% до 39,1%, коэрцитивная сила свободного и фиксированного слоев, как и поле обменного смещения, практически не изменились.

Проведено исследование влияния длительности и температуры ТМО на величину МР эффекта СТП на основе наноструктуры Та / FeNiCo6 / СоFeB / MgO / СоFeB / FeNiCo6 / FeMn / Та [115], на первой группе тестовых образцов осуществлялся магнитный отжиг при различных температурах в течение 10 минут в магнитном поле 300 Э (рисунок 3.9а), вторая группа образцов отжигалась при температуре 210 °С в течение различного времени в магнитном поле 300 Э (рисунок 3.9б). Рисунок 3.9в иллюстрирует зависимость сопротивления тестового образца СТП от внешнего магнитного поля с МР эффектом 48% после ТМО в магнитном поле 300 Э при температуре 210 °С в течение 45 минут.

(а)

(б)

(в)

Рисунок 3.9 - Зависимость МР эффекта от температуры отжига в магнитном поле 300 Э в течение 10 минут (а); зависимость МР эффекта от времени отжига в магнитном поле 300 Э при температуре 210 °С (б); зависимость Я(Я) тестового образца СТП после ТМО при температуре 210 °С в течение 45 минут [115]

85

Кристаллизация пленок и снижение дефектов улучшает качество межслойных границ CoFeB / MgO / CoFeB, максимизируя когерентное туннелирование электронов и повышая тем самым МР эффект. В то же время при длительных процессах ТМО происходит диффузия примесей в туннельный барьер, что приводит к снижению МР эффекта [42].

Необходимо отметить, что в результате магнитного отжига возможно изменять ориентацию ООА по направлению внешнего магнитного поля. Масочный метод напыления характеризуется повышенной дефектностью, при этом достигаемый магниторезистивный эффект не превышает 50%. В связи с этим для дальнейшего повышения качества СТП и их миниатюризации был разработан интегральный метод изготовления.

3.2 Разработка интегрального метода изготовления спин-туннельных переходов

3.2.1 Описание технологического процесса изготовления спин-туннельных переходов интегральным методом

В основе технологического маршрута изготовления кремниевых кристаллов СТП лежит технология формирования СТМР наноструктур с САФ, результаты отработки которой описаны во второй главе, перечень основных технологических операций представлен в таблице 3.2.

Разработанный маршрут изготовления кремниевых кристаллов СТП основан на процессах КМОП-технологии формирования интегральных схем с разводкой межэлементных соединений и проектными нормами не менее 1,5 мкм и включает в себя пять фотолитографических циклов, осуществляющихся методом контактной фотолитографии.

Таблица 3.2 - Технологический маршрут изготовления кремниевых кристаллов СТП

№ п/п Наименование операции Примечание

1. Формирование партии

2. Окисление d=0,65 мкм

3. Напыление Та d=0,05 мкм

4. Фотолитография 1 Танталовые площадки

5. РИТ Та (+снятие фоторезиста) h=0,05 мкм

6. Напыление СТМР наноструктуры с САФ

8. Фотолитография 2 СТМР-САФ

9. ИТ СТМР наноструктуры с САФ

10. Снятие фоторезиста

11. Осаждение Si02 d=0,4 мкм

12. Фотолитография 3 Контактные окна

13. ПХТ Si02 h=0,4 мкм

14. Контроль вскрытия контактных окон

15. Снятие фоторезиста

16. Напыление Al-Si, с ионной зачисткой d=1,5 мкм

17. Фотолитография 4 Металл 1

18. РИТ Al-Si (+снятие фоторезиста) h=1,5 мкм

19. Осаждение Si02 d=1,5 мкм

20. Фотолитография 5 Пассивация

21. ПХТ Si02 h=1,5 мкм

22. Контроль вскрытия контактных окон

23. Снятие фоторезиста

24. Скрайбирование

ПХТ - плазмохимическое травление

ИТ - ионное травление

РИТ - реактивное ионное травление

На рисунке 3.10 проиллюстрирован технологический маршрут изготовления кристаллов макетных образцов.

Рисунок 3.10 - Технологический маршрут изготовления кремниевых кристаллов СТП, ФЛЦ - фотолитографический цикл

При создании кремниевых кристаллов СТП критичными технологическими процессами являются магнетронное напыление тантала на установке Orion 8-UHV (AJA International, США), реактивное ионное травление слоя тантала, магнетронное напыление СТМР наноструктуры с САФ, ионное травление многослойной структуры. Технологическая сложность изготовления кристаллов требует добавления контрольных точек после наиболее критичных операций в технологическом маршруте.

С целью снижения шероховатости поверхности кремниевых пластин на них формировался оксид кремния толщиной 0,65 мкм, полученный с использованием процесса термического окисления кремния (рисунок 3.11а).

Рисунок 3.11 - Начальные этапы формирования СТП: подготовка поверхности пластины (а); травление танталовых площадок (б), ФРМ - фоторезистивная маска; формирование

СТП на танталовой площадке (в)

Слой тантала решает две задачи: обеспечивает контакт к нижнему электроду СТП и значительно снижает шероховатость поверхности для последующего формирования СТМР наноструктуры с САФ. При этом толщина тантала, равная 50 нм, была экспериментально подобрана и обеспечивает требуемое поверхностное сопротивление и адгезию многослойной наноструктуры к поверхности подложки. Танталовая площадка создавалась методом магнетронного напыления, требуемый топологический рисунок формировался реактивным ионным травлением через фоторезистивную маску (рисунок 3.11б).

После травления танталовой пленки удалялся фоторезист, особое внимание уделялось чистоте процесса: на поверхности танталовой площадки не допускалось наличие микродефектов, остатков фоторезиста. Качество поверхности танталовой площадки определяет сплошность, адгезию и воспроизводимость магнитных параметров многослойной СТМР наноструктуры.

Принимая во внимание, что в состав СТМР наноструктуры входит САФ, где толщина немагнитного слоя Ru составляет от 8 до 25 А, для отработки процесса магнетронного напыления применялись пластины-спутники, на поверхность которых напылялась многослойная структура с последующим контролем ее магнитных параметров на установке MESA-200 (Shb Instruments, США).

Следующий этап включал в себя магнетронное напыление СТМР наноструктуры с САФ, состав и толщины слоев которой были определены в результате исследований во второй главе: Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / Ir20Mn80 / Ta.

После чего создавалась фоторезистивная маска и с помощью ионного травления формировалась требуемая топология. Полное время травления СТМР наноструктуры с САФ определялось по спутнику. Необходимо учитывать, что при недостаточном времени травления формируются остаточные металлические пленки, что может привести к электрическому контакту между СТМР элементами. Избыточное время травления способствует удалению танталовых площадок - контакта к нижнему электроду СТП. Рисунок 3.11в иллюстрирует полученный СТП на поверхности танталовой площадки.

Значительное влияние на качество СТП и его магнитные свойства оказывает процесс ионного травления. Проведены исследования режимов ионного травления СТМР наноструктуры с САФ для снижения вероятности замыкания нижнего и верхнего электродов.

Процесс ионного травления представляет собой физическое распыление

материала поверхности за счет бомбардировки ионами аргона [116, 117]. В рамках

данного процесса угол падения ионного пучка на обрабатываемую поверхность равен

углу его отражения. Скорость травления находится в прямой зависимости от угла между

падающим пучком и нормалью к поверхности, а также от типа обрабатываемого

материала. При наличии идеальной вертикальной маски, угол травления должен

составлять 15-20°, что обеспечит минимальный уход геометрических размеров,

90

отсутствие переосаждения распыляемого материала и сохранение вертикальности профиля травления [116, 117]. Угол ионного травления варьировался от 5° до 50°, при увеличении угла травления более 30° профиль становится практически вертикальным (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Изображение поперечного сечения СТМР наноструктуры с САФ после двухэтапного ионного травления: 30° в процессе первого этапа и 60° во время второго этапа, полученное растровым электронным микроскопом

Схематичное изображение процесса ионного травления, состоящего из двух стадий, приведено на рисунке 3.13, во время второй стадии при угле травления 60° происходило удаление переосажденного материала с боковых стенок СТП.

Рисунок 3.13 - Схематичное изображение двухэтапного процесса ионного травления

[116, 117]

Длительность ионного травления СТМР наноструктуры определялась с помощью ВИМС-спектрометрии, рисунок 3.14 иллюстрирует спектры удаляемых материалов. На рисунке 3.14 можно наблюдать пик Mg, возникающий при травлении БС, два пика Та соответствуют нижнего и верхнему электродам. Стоит отметить, что именно последний пик Та служил ориентиром для завершения процесса.

Рисунок 3.14 - ВИМС-спектры различных материалов, полученные в процессе ионного

травления СТМР наноструктуры

После формирования СТМР элемента проводилась обработка его боковых стенок в кислородной плазме при температуре 100 °С в течение 10 минут для окисления переосажденного материала во избежание замыкания нижнего и верхнего электродов.

Дополнительно к качественной оценке травления были проведены последующие электрофизические измерения СТП. Результаты измерений в виде количества годных образцов приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты измерений СТП, изготовленных при различных режимах ионного травления

№ пластины Количество измеренных элементов Количество годных элементов КВГ, % Режим обработки Окисление

1 65 0 0 5° 10 минут

2 56 0 0 20° 10 минут

3 50 0 0 30° 10 минут

4 70 28 40 40° 10 минут

5 85 21 25 50° 10 минут

6 100 34 34 30° + 20° 10 минут

7 95 40 42 30°+40° 10 минут

8 90 70 78 30°+60° 10 минут

9 68 15 22 30° + 20° -

10 73 20 27 30°+40° -

11 110 60 55 30°+60° -

КВГ - коэффициент выхода годных

Качественный и количественный анализ показал, что наиболее оптимальным режимом ионного травления является двухэтапный процесс с окислением боковых стенок.

Следующий этап изготовления макетных образцов СТМР наноструктур с САФ включал в себя осаждение диэлектрического слоя SiO2 толщиной 0,4 мкм. Контактные окна к СТМР наноструктуре формировались через фоторезистивную маску методом плазмохимического травления (рисунок 3.15), проверка наличия контакта к металлическому слою выполнялась с помощью золотых зондов при подаче напряжения не более 5 В.

Рисунок 3.15 - Создание контактных окон к верхнему и нижнему электродам СТП

После снятия фоторезиста и химической обработки проводилось напыление слоя Al-Si толщиной 1,5 мкм с предварительной ионной зачисткой. Для получения требуемого топологического рисунка в слое Al-Si применялось реактивное ионное травление через сформированную фоторезистивную маску, на рисунке 3.16 представлен эскиз СТП со слоем металлизации.

Рисунок 3.16 - Формирование металлизированных проводников к нижнему и верхнему

электроду СТП

Для защиты СТМР наноструктур с САФ и слоя металлизации от влияния внешних воздействующих факторов в маршрут введен процесс создания слоя пассивации толщиной 1,5 мкм, эскиз полученной структуры приведен на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 - Эскиз структуры после осаждения слоя пассивации

После контроля внешнего вида пластин выполнялось скрайбирование -разделение кремниевых пластин на кремниевые кристаллы. Фотография кремниевых кристаллов, содержащих макетные образцы СТМР наноструктур с САФ, представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Фотография кремниевых кристаллов макетных образцов СТМР

наноструктур с САФ

В каждом кремниевом кристалле расположены четыре типа СТП, имеющие различную геометрическую форму: первый тип представляет собой эллипс с осями 20 мкм и 10 мкм, второй - эллипс с осями 20 мкм и 16 мкм, третий - эллипс с осями 18 мкм и 5 мкм, четвертый - круг диаметром 20 мкм; а также контактные площадки размером 200x500 мкм для обеспечения надежного контакта при позиционировании на них зондов в процессе измерений.

3.2.2 Исследование спин-туннельных переходов на основе структуры CoFeB / MgO / CoFeB с синтетическим антиферромагнетиком в фиксированном слое

Методика контроля магнитных параметров СТП, изготовленных интегральным методом, совпадает с методикой измерения тестовых СТМР наноструктур, которые были получены масочным методом.

Для изучения влияния толщины НМ слоя на магнитные свойства САФ в СТМР наноструктуре были изготовлены и исследованы кремниевые кристаллы СТП на основе вновь разработанной структуры Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / Ь^Ыи^ / Ta с толщиной Ru 8-9 А и 24-25 А по пять образцов каждого типа. Образцы подвергались ТМО при температуре 250 °С в течение 10 минут при магнитном поле 1000 Э, направление которого совпадало с направлением ООА, сформированной в процессе магнетронного напыления. Режимы магнитного отжига подобраны экспериментальным путем в соответствии с теоретическими источниками. Рисунки 3.19а и 3.19б иллюстрируют характерные зависимости Я(И) двух типов СТМР наноструктур, результаты измерений представлены в таблице 3.4.

кОм

1600 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 1600

Н,э

(а)

300 -200 -100 0 100 200 300

н, э

(б)

Рисунок 3.19 - Зависимости сопротивления от внешнего магнитного поля СТП на основе наноструктуры вида Ta / Co95Fe5 / Co40Fe40B20 / MgO / Co40Fe40B20 / Ru / Co95Fe5 / 1г20Мп80 / Та с толщиной Ru 8-9 А и МР эффектом 79% (а); с толщиной Ru 24-25 А и с

МР эффектом 152% (б)

Таблица 3.4 - Показатели магнитных параметров кремниевых кристаллов СТП

№ МР эффект Коэрцитивная Смещение кривой Поле обменного

6Я/Я, % сила намагничивания смещения НеЬ,

свободного свободного слоя Э