Podstawy Mikroelektroniki

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział IEiT Katedra Elektroniki Podstawy Mikroelektroniki Temat ćwiczenia: Nr ćwiczenia 1 Pomiary charakterystyk magnetoelektrycznych elementów spintronicznych-wpływ grubości warstw aktywnych 2016 r.

2 I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania i wpływem grubości warstw aktywnych na charakterystyki rezystancja od pola magnetycznego elementów spintronicznych typu tunelowa magnetorezystancja (TMR). II. Wprowadzenie Elementy spintroniczne cechuje przewodnictwo, które może być sterowane zarówno polem elektrycznym jak i magnetycznym. Ponadto elementy spintroniczne mogą wykazywać nieulotny (zachowany po odłączeniu zasilania) stabilny stan wysoko lub nisko-rezystancyjny, który związany jest z ich magnetyzmem. Duwzaciskowe elementy spintroniczne, o potencjale komercyjnym, wykorzystują w swojej budowie cienkowarstwowe (grubości nanometrowe) struktury materiałów wykazujące efekty gigantycznej (GMR) i tunelowej (TMR) magnetorezystancji. Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ), wykazujące efekt TMR, jest dwuzaciskowym elementem, który posiada niespotykane w innych elementach spintronicznych właściwości, do których należą: modyfikowalna w szerokim zakresie (od omów do megaomów) rezystancja i bardzo duży współczynnik tunelowej magnetorezystancji (do 1000 %). Dzięki tym właściwościom magnetyczne złącze tunelowe stało się kluczowym elementem magnetorezystancjnych pamięci MRAM (Magnetic Random Access Memory) przełączalnych polem magnetycznym i sensorów w głowicach odczytowych dysków twardych. Element TMR w podstawowej formie składa się z dwóch ferromagnetycznych elektrod przedzielonych dielektrykiem (bariera) (Rys. 1). Działanie elementu opiera się na wykorzystaniu zjawiska tunelowania elektronów przez barierę potencjałów, które jest zależne od parametrów bariery, wzajemnego kierunku namagnesowania elektrod (tunelowanie spinowo zależne) oraz przyłożonego napięcia. W efekcie spinowo zależnego tunelowania elektronów złącze wykazuje dwa stany rezystancji, wysoki i niski. Niska rezystancja (RP) występuje, gdy kierunki namagnesowania elektrod złącza są równoległe (Rys. 1a) natomiast wysoka rezystencja (RAP) występuje, gdy kierunki namagnesowania elektrod elementu są antyrównoległe (Rys. 1b). Rys. 1. Budowa i konfiguracje magnetyczne, w których występuje stan nisko i wysokorezystancyjny elementu TMR. Strzałki oznaczają kierunki namagnesowania elektrod ferromagnetycznych. 2

3 Struktura warstwowa aplikacyjnych elementów TMR składa się z kilkunastu warstw różnych materiałów (Rys. 2a, b), o grubościach od ułamka nanometra do kilkudziesięciu nanometrów, które można podzielić na warstwy: buforowe, aktywne i zabezpieczające. Warstwy aktywne składają się z warstw odpowiedzialnych za efekt TMR (FM/bariera dielektryczna/fm). W układzie tym dolną warstwę FM zamocowuje się magnetycznie (cz. uniemożliwia się zmianę jej kierunku namagnesowania poprzez oddziaływanie wymienne typu exchange bias ) na styku warstw FM/antyferromagnetyk, pozostawiając natomiast górną warstwę FM (elektroda górna) swobodną magnetycznie. Element o takiej budowie nosi nazwę zawór spinowy. warstwy aktywne (a) Zabezpieczające FM/B/FM Exchange bias Buforowe (b) Ru 7 Ta 10 CoFeB 3 MgO 1 CoFeB 3 Ru 0,9 CoFe 2 PtMn 16 Ta 3 CuN 10 Ta 5 swobodna zamocowana Podłoże Si/SiO Rys. 2. Struktura warstwowa elementu TMR typu zawór spinowy z podziałem na części funkcjonalne (a). Przykładowa struktura warstwowa elementu TMR (grubości w nm) (b). A. Pomiary charakterystyk rezystancja od pola magnetycznego W badaniu właściwości statycznych elementów spintronicznych, pomiar charakterystyki rezystancja od pola magnetycznego (R-H) jest jednym z podstawowych. Rysunek 3 przedstawia przykładową charakterystykę R-H elementu TMR typu zawór spinowy. Z charakterystyki tej wyznacza się tunelową magnetorezystancję, pola przełączeń warstwy swobodnej oraz pole przesunięcia charakterystyki względem zera pola. Tunelowa magnetorezystancja Tunelową magnetorezystancję definiuje się jako: TMR R AP R R P P 100% (1) gdzie RAP, RP rezystancja wysoka i niska elementu. 3

4 Pola przełączeń warstwy swobodnej Pole HP1 jest to pole, dla którego rezystancja elementu R= (RAP +RP)/2 przy przejściu z stanu wysokiej do niskiej rezystancji. Pole HP2 jest to pole, dla którego rezystancja elementu R= (RAP +RP)/2 przy przejściu z stanu niskiej do wysokiej rezystancji. Pole przesunięcia charakterystyki R-H Pole przesunięcia definiuje równanie: H S H H 2 P1 P2 (2) 180 R AP 160 Rezystancja (Ohm) H S 80 R P H 0 40 H P2 P1 Pole (Oe) Rys. 3. Charakterystyka R-H elementu TMR. HP1 i HP2 pola przełączenia warstwy swobodnej, HS pole przesunięcia. Strzałki oznaczają kierunki namagnesowania warstwy swobodnej (górna) i zamocowanej (dolna). B. Elementy TMR Do pomiaru charakterystyki R-H wykorzystane zostaną elementy TMR o zmiennej grubości bariery tunelowej MgO(tB) i warstwy swobodnej CoFeB(tF). Strukturę warstwową elementów TMR oraz lokalizację na podłożu przedstawiono na Rys. 4. Elementy na podłożu zorganizowane są w trzech kolumnach C1-C3. W każdej kolumnie znajduje się 20 wierszy (R1-R20) i w każdym wierszu występuje 9 elementów (S1-S9). Zmiana pozycji w wierszu wiąże się ze zmianą grubości bariery tunelowe MgO (tb) natomiast zmiana wiersza powoduje zmianę grubości warstwy magnetycznej CoFeB(tF). Zakres grubości warstw (tb1,tb2, tf1, tf1 ) oraz ich zmiany z położeniem ( tb i tf) określają grubości warstw MgO i CoFeB dla wybranego elementów na podłożu. Ponadto elementy w zależności od numeru (S1-S9) i wybranego wiersza (R1-R20) posiadają odmienne kształty i rozmiary. 4

5 (a) (b) (c) Ru 7 Ta 10 CoFeB (t F ) MgO (t B ) CoFeB 2,3 Ru 0,9 CoFe 2 PtMn 16 Ta 3 CuN 10 Ta 5 Si/SiO R1 R20 C1 C2 C3 t F2 t F1 R1 R20 S1 t B S9 t F t B1 MgO (t B ) t B2 Rys. 4. Struktur warstwowa elementów TMR grubości warstw wyrażono w nm (a). Schemat lokalizacji elementów na podłożu (b). Schemat do określenia grubości warstw w zależności od położenia elementu na podłożu (c). C. System pomiarowy Pomiar charakterystyki R-H polega na wyznaczeniu zmienności rezystancji elementu w zadanym zakresie zmienności pola magnetycznego. Zakres zmienności pola dobiera się tak, aby uzyskać na charakterystyce R-H stan wysokiej i niskiej rezystancji. Pomiary wymienionych charakterystyk wykonuje się systemem, którego schemat blokowy przedstawia Rys. 5. Podstawowymi elementami systemu są: źródło-miernik prądu/napięcia, źródło pola magnetycznego, zasilacz prądowy. Ponieważ elementy do badań laboratoryjnych dostarczane są najczęściej na podłożu (wafer) lub ich części konieczne jest ich umieszczenie na specjalnym stoliku i użycie głowic pomiarowych. Głowice pomiarowe Igłowe Źródło pola magnetycznego Źródło Prądu I/U Źródło I/U Miernik GPIB Bus Rys. 5. Schemat blokowy systemu pomiarowego. 5

6 III. Wykonanie ćwiczenia 1. Przygotowanie do pomiarów 1. Zapoznanie z elementami składowymi systemu pomiarowego oraz programem do sterowania i rejestracji danych pomiarowych. 2. Zapoznanie z procedurą podłączania głowic pomiarowych do pól kontaktowych elementów. 3. Lokalizacja elementów na podłożu z użyciem mikroskopu. 2. Pomiary charakterystyk rezystancja-pole magnetyczne 1. Wybór elementów (co najmniej 4) o różnych grubościach warstw do pomiaru. Lokalizację wybranego elementu wyraża się przez podanie numeru kolumny, wiersza oraz elementu np. C1R3S9 2. Określenie grubości warstw dla wybranych elementów zgodnie ze schematem (Ry.4b,c). Zakres grubości warst (tb1,tb2, tf1,tf1 ) ich zmienność ( tb i tf) oraz kształty i rozmiary podaje prowadzący. 3. Podłączenie głowic pomiarowych do wybranego elementu. 4. Pomiary charakterystyk R-H dla wybranych elementów. IV. Opracowanie wyników Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia powinno zaczynać się tabelką Podstawy Mikroelektroniki Tytuł: Imię Nazwisko: Numer zespołu: Data wykonania ćwiczenia: Wydział, rok, grupa: Uwagi: Ocena: 1. Pomiary charakterystyk R-H a) Przedstawić i opisać budowę (strukturę warstwową) oraz podać grubości warstw zmierzonych elementów. b) Przedstawić na wykresie charakterystyki R-H. c) Wyznaczyć: Tunelową magnetorezystancję (TMR) zgodnie z równaniem (1), Pola przełączeń (HP1,2) warstwy swobodnej oraz pole przesunięcia (HS) charakterystyki R-H względem zera pola, równanie (2). c) Przedstawić na oddzielnych wykresach Hs, HP1,2 w funkcji grubości warstwy tf. d) Przedstawić na wykresie TMR w funkcji grubości tb. 2. Podsumowanie i wnioski Opracował Piotr Wiśniowski 6