Способ получения тонких магнитных пленок в полупроводниках

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ„

РЕСПУБЛИК

4(5!1 Н 01 21 265

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н авторском свидетельству

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ.И ОТНРЫТИЙ (21) 3495290/18-25 (22) 23.07.82 (46) 30.06.85. Бюл. Ф 24 (72) В.Ю.Петухов, И.Б.Хайбуллин и М.M.Çàðèïîâ (7 1) Казанский физико-технический институт Казанского филиала АН СССР (53) 621.382.002(088.8) (56) 1. Праттон M. Тонкие ферромагнитные пленки. M., "Судостроение", 1967, с. 29-35.

2. Майселл Л.И. Нанесение тонких пленок катодным распылением, в книге

"физика тонких пленок", под ред. Г.Хасса и P.Òóíà, M., "Мир", 1968, с. 58-134.(прототип). (54) (57) 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ

МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, включающий введение атомов магнитных элементов с применением ионных пучков, отличающийся тем, что, с целью повышения механической прочности, твердости, химической стойкости и адгезии магнитной пленки к полупроводнику, бомбардировку по„„SU„„1114246 A лупроводника осуществляют ионами магнитных элементов с энергией 10500 кэВ, дозой облучения, определяемой из соотношения 3 = и 3, где Ь концентрация атомов в материале тонкой магнитной пленки и о — заданная толщина тонкой магнитной пленки при плотности ионного тока, лежащей в диапазоне 6 -10 " -6-10 " ион/см ° с.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что бомбардйровку

-кремния производят ионами железа с энергией Е=10-40 кэВ и дозой Д=1,8 >

< 10 -2,4 ° 10. Fe /см при плотности ионного тока ) =6 .10 -6 .10 3 Ре /

Ф

/см21с для магнитных пленок толщиной

20-30 нм.

3. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с. целью повышения намагниченности насыщения и расширения диапазона рабочих температур, полученную структуру с магнитной пленкой дополнительно отжигают при . температуре 500+50 С в вакууме или потоке сухого, азота в течение 1030 мин.

1114246

Изобретение относится к технологии получения тонких магнитных пленок (ТМП) на полупроводниковых подложках, т.е. пленок, имеющих толщину 100 нм, и может быть использовано в области микроэлектроники для изготовления управляемых магнитных приборов.

Из весте н способ получе ния ТМП путем вакуумного напыления, электроли тического осаждения или термического 1О разложения на нагретой поверхности подложки (1) .

Недостатками способа является плохая твердость и прочность пленок.

Наиболее близким к изобретению является способ получения тонких магнитных пленок в полупроводниках, включающий введение атомов магнитных элементов с применением ионных пучков )2) . Суть его заключается в сле- о дующем: поверхность катода, выполненного из материала формируемой магнитной пленки, например, железа, помещенного в специальную камеру, подвергают интенсивной ионной бомбарди- 5 ровке (обычно ионами инертных газов), в результате чего из катода выбиваются атомы, которые осаждаются на полупроводниковую подложку, например на кремний, и формируют ТМП.

Недостатками способа катодного распыления является то, что получение

ТМП характеризуются низкой механической прочностью и твердостью. Например, твердость ТМП, полученных на основе чистого железа не превышает

4-5 единиц по Моссу что затрудняет механическую чистку и применение их в жестких эксплуатационных условиях.

Далее, будучи расположенными после 40 напыления непосредственно на поверхности полупроводниковой подложки, такие пленки (особенно на основе железа) подвержены сильному химическому воздействию окружающей среды, в част-4$ ности, окислению кислородом воздуха, что ухудшает магнитные свойства пленок и не допускает применения их в атмосфере, содержащей даже малые концентрации кислот и щелочей. И, нако- 50 нец, способ катодного. распыления для получения ТМП на полупроводниковой подложке не обеспечивает требуемые величины адгеэии (сцепления) пленки к подложке. Это объясняется тем, что SS из-за малой величины энергии (E c.

21000 эВ) распыляемых атомов в criocoбе катодного распыления, они практи-, чески осаждаются непосредственно на поверхности полупроводниковой подложки, не и .оникая вглубь, в результате чего граница раздела 2-х разнородных сред плениa — подложка получается резкой, т.е. без переходной области,что и препятствует получению хорошей адгезии.

Цель изобретения — повышение механической прочности, твердости, химической стойкости и адгезии магнитной пленки к полупроводнику.

Цель достигается тем, что в способе получения тонких магнитных пленок в полупроводниках, включающем введение атомов магнитных элементов с при менением ионных пучков, бомбардировку полупроводника осуществляют ионами магнитных элементов с энергией 10500 кэВ, дозой облучения, определяемой из соотношения D - n d где концентрация атомов в материале тонкой магнитной пленки и о — заданная толщина тонкой магнитной пленки, при плотности ионного тока, лежащей в диапазоне 6 .10 " -6 .10 ион/см с, а также тем, что бомбардировку кремния производят ионами железа с энергией E=10-40 кэВ и дозой Д=1,8 ° 10 в

-2,4 10 Ге /см при плотности ионl ного тока j=6 10 "-6 ° 10" Fe /см ° с для магнитных пленок толщиной 2030 нм, также тем, что для повышения намагниченности насыщения и расширения диапазона рабочих температур,полученную структуру с магнитной пленкой дополнительно отжигают при темо пературе 500250 С в вакууме или в потоке сухого азота в течение 1030 мин.

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

Оптимально решается в этом случае и вопрос о повышении адгезии. В предлагаемом способе в отличие от известных TKI формируется, как уже отмечалось, не на поверхности, а внут1114246 ри подложки и с плавными переходами по составу и свойствам от подложки к пленке, т.е. без резких границ раздела между разнородными средами пленка-подложка. Благодаря этому реализуется максимально возможная адгезия ТМП с полупроводниковой подложкой.

Конкретные значения или интервалы допустимых изменений параметров 10 (ЕД, ), определяющих режимы ионной имплантации, вытекают из необходимости выполнения следующих основных условий зарождения и роста TMII заданной толщины и в заданной области 15 внутри полупроводника: наличия достаточного количества ферромагнитных атомов в заданной области формирования ТМП, наличия центров преципитации (выпадения в осадок) внедренной щ примеси в заданной области формирования ТМП; малая растворимость атомов материала ТМП в подложке.

Всем этим условиям удовлетворяет бомбардировка полупроводников (на- 25 пример, Si или Ge) ионами магнитных элементов, например железа, кобальта, никеля, для которых предел растворимости не превышает 3 10 см- . При этом центрами преципитации являются микропоры, образующиеся при указанных режимах ионной бомбардировки (E,D,)) в приповерхностном слое полупроводника.

Режимы ионной .бомбардировки определяются из следующих соображений.

Энергия иона E определяет величину его среднего проекционного пробега

6.R p и среднеквадратичного отклонения дЯ >, которые, в свою очередь, опре- 4О деляют глубину залегания пленки, ее ,толщину, а также толщину верхнего защитного слоя. Причем сверху энергия иона, в принципе, не .ограничена.

Однако учитывая типовые характеристи- 45 ки используемых ионных ускорителей, энергию иона E можно ограничить сверху величиной 500 кэВ. Ограничение снизу величиной Е=10 кэВ связано с тем, что при дальнейшем уменьшении 50

Е уже не удается получить качественный защитный слой из материала .подложки над сформированной пленкой

ТМП.

Доза облучения определяется необ- 55 родимым количеством атомов материала

ТМП, чтобы обеспечить формирование магнитной пленки заданной толщины.

Поскольку на практике толщина TMII является варьируемым параметром, то необходимая доза облучения также не может быть фиксированной величиной и определяется из соотношения

2 = и d (ион/см )

l которое непосредственно вытекает из указанного выше условия.

Плотность тока в ионном пучке 1 определяет, с одной стороны, скорость генерации и накопления радиационных дефектов с образованием, в конечном счете, микропор — центров преципита» ции внедренной примеси. С другой стороны, при увеличении 1 выше некоторой величины, степень радиационного нагрева становится столь значительной, что температура облучаемой поверхности полупроводника превышает температуру отжига Т радиационных дефектов. В результате этого происходит их эффективный отжиг непосредственно в процессе. бомбардировки,что препятствует образованию в бомбардируемом слое микропор, т.е. не выполняется второе необходимое условие формирования TMII В связи с этим на величину 1 накладывается- ограничение сверху. Экспериментально было установлено, что для большинства используемых на практике полупроводниковых подложек (Si, Де, gaAs, InSb, Cd7e и др.) максимальное значение плотности ионного тока не должно превышать 6»

110 ион/см . с. Ионная бомбардировка с малой плотностью ионного тока практически не сказывается на магнитных характеристиках ТМП. Однако при этом для достижения необходимой .дозы необоснованно увеличивается время облучения. Поэтому целесообразно ограничить минимальную плотность ионного тока величиной 6;10™ ион/см с. . Известно, что для кристаллически упорядоченных магнетиков температура.

Кюри и намагниченность насыщения значительно.выше, чем в неупорядоченных или аморфных магнетиках. Поэтому, термический отжиг ионноимплантированных образцов, приводящий к отжигу различных дефектов и упорядочению структуры, ведет к улучшению магнитных характеристик пленок. Для кремния отжиг радиационных дефектов, в зависимости от их сложности происходит в интервале температур от 100 до 700 С о в течение 10 мин. Однако как показа1114246 температура Кюри Т„ =310 С толщина защитной пленки д „= 10 нм.

После дополнительного термического отжига данного образца при =

=430 С в течение 30 мин намагничено ность насыщения возросла до 4 М

=8100 Гс, температура Кюри увеличилась до Т =530 С.

Таким образом, используя метод ионной бомбардировки, можно на одной полупроводниковой пластине в едином технологическом цикле сформировать как чисто. полупроводниковые, так и магнитные элементы микроэлектроники.

Полученные пленки характеризуются повышенной механической прочностью, твердостью и химической стойкостью, а также максимальной адгезией к подложке по сравнению с ТМП, полученным по известному способу (смотри таблицу сравнительных данных). Благодаря специфике образования ТМП вЂ” она формируется внутри полупроводника— исключается возможность взаимодействия ее с остаточными газами в камере ускорителя и с внешней окружающей средой в процессе эксплуатации (например, TMII на основе железа в кремнии выдерживали многочасовое нахождение непосредственно в концентрированных кислотах HCR, H SO без изменения своих свойств).

Химическая стойкость

Способы получения

TMII (Fe íà Si) Твердость (по Моссу) гезия к подложке (10 Н/м2 ) 0,3-3

Окисляется на возПрототип духе, не допускает контакта с кислотами и щелочами

Не взаимодействует с разбавлеными и концентрированными растворами кислот

НС19 Н So HNO 3 и разбавленными щелочами

Пр едл аг а емый фаз овращатели, аттенюаторы, СВЧ-ключи и т,п., а также различные магнйт- . ные датчики и зонды, работающие в тяжелых химических и механических условиях, ли исследования при высоких темпео ратурах (выше 550 С) наряду с отжигом дефектов начинается распад образовавшейся ферромагнитной пленки.

Исходя из сказанного, температура 5 отжига для TMII на основе кремния выбрана 500+50 С. Экспериментально определенное минимальное время отжига

TMII при данной температуре составило

10 мин. Увеличение времени отжига не влияло на магнитные характеристики

ТМП. Однако исходя из экономии времени отжига и уменьшения трудоемкости процесса, верхний предел установлен равным 30 мин. 1S

Пример. Для получения магнит. ной пленки. на основе железа подложку в виде монокристаллического кремния бомбардируют на ускорителе ИЛУ-3 ионами Fe с -энергией Г=40 кэВ, до- 20 зой Д=2,4 10 Fe /см, плотностью и потока ионов 1 =6 10 3 Fe /см с.

Температура за счет радиационного нао грева при этом не превышала 80 С. Методами ферромагнитного резонанса, 2 электронографии, электронной микроскопии и дифференциапьного термомагнитного анализа было подтверждено образование ферромагнитной пленки со следующими основными характеристика- ЗО ми: намагниченность насыщения 4ц М

=4800 Гс, толщина ТМП Д 50 нм, (На основе полученных по данному способу ТМП могут быть созданы различные приборы, например приборы СВЧ в планарных линях передач (микрополосковых, щелевых, компланарных):

Определяется пределом прочности TMII

2-50