РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 8, с. 995-998
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.67
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ СПИН-ТУННЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
© 2004 г. А. И. Крикунов, Ф. А. Егоров
Поступила в редакцию 09.10.2003 г.
Предложена методика оптического контроля, которая может быть использована в технологии изготовления магниторезистивных спин-туннельных переходов. Метод основан на измерении коэффициентов отражения тонких пленок или слоистых структур на различных этапах технологического процесса. Показана высокая эффективность метода при измерении толщин металлических слоев от единиц до десятков нанометров. Метод может быть использован для контроля процесса окисления тонких слоев алюминия при формировании барьерного слоя спин-туннельных структур.
Магниторезистивные спин-туннельные структуры (СТС) представляют значительный интерес как элементы памяти и как высокоразрешающие сенсоры магнитного поля [1]. В таких структурах перенос электронов поляризованных по спину, из одного ферромагнитного слоя в другой через тонкий барьерный слой диэлектрика зависит от состояния намагниченности соответствующих ферромагнитных слоев. При этом относительное изменение электрического сопротивления перехода равно:
АЯ _(Яа - Яп) Я Я
2 ^ФМ 1 ^ФМ2 1 - ^ФМ1 ^ФМ2
(1)
где Яа и Яп - электрические сопротивления перехода соответственно при антипараллельной и параллельной намагниченности ферромагнитных слоев, РФМ1 и РФМ2 - доля поляризованных по спину свободных электронов в соответствующих ферромагнитных слоях.
В качестве ферромагнитных слоев используют тонкие пленки железа, кобальта, никеля или их сплавов толщиной от единиц до десятков нанометров. Наиболее перспективным материалом для формирования барьерного диэлектрика в настоящее время считается оксид алюминия (А1203). Такие слои могут быть получены напылением слоя А1 толщиной 0.6...2 нм с последующим его окислением до А1203 в кислородсодержащей среде. Используются процессы как естественного окисления, так и окисления в кислородосодержа-щей плазме.
В целом конструкция как первого (верхнего), так и второго (нижнего) электродов может состоять из нескольких функциональных слоев. Значительные технологические трудности при изготовлении спин-туннельных структур обусловлены необходимостью формирования сверхтонких металлических слоев, контроля их толщин, выявления факторов, определяющих их сплошность и
структурное соответствие. Особую трудность представляет контроль процесса формирования барьерного диэлектрика из оксида алюминия. Наличие химически несвязанных с кислородом атомов алюминия в барьерном слое ("недоокисление"), равно как и частичное окисление ферромагнитного слоя на границе раздела ("переокисление"), недопустимо. Оба случая приводят к возникновению дополнительных факторов рассеяния спиновой поляризации туннелирующих электронов [2]. В связи с этим возникла необходимость разработки метода прецизионного контроля толщин и состава функциональных слоев СТС непосредственно в процессе их формирования. Одновременно должна быть возможность в реальном масштабе времени контролировать кинетику физико-химических изменений в слое А1 при его окислении в активной кисло-родосодержащей среде. Одним из эффективных способов контроля в данном случае является использование оптических методов, основанных на эллипсометрических измерениях [3]. Однако совмещение эллипсометрического контроля и технологических процессов требует усложнения технологического оборудования и не всегда оправдано.
В связи с тем, что электроды СТС при типичных толщинах 20.30 нм полупрозрачны в ближнем ИК-диапазоне, представляется целесообразным использование для контроля состава и толщин слоев оптического метода, основанного на интерференционных эффектах в многослойных структурах [4]. При этом контроль осуществляется путем измерения коэффициентов отражения (пропускания) структур, что существенно упрощает задачу практической реализации метода и интерпретации результатов измерений. Интерференционные методы могут обеспечивать высокую точность измерения толщин (не хуже 0.1 нм) и обладать при этом пространственным разрешением, сравнимым с длиной волны излучения. Кроме того, использование источников оптичес-
995
7*
5
Рис. 1. Блок-схема измерительной установки: 1 - оптический зонд, 2 - волоконно-оптический кабель, 3 -измерительный блок, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - ЭВМ.
Рис. 2. Оптическая схема измерительной системы: 1 -светодиод АЛ-107Б, 2 - передающий световод, 3 -"свидетель", 4 - приемный световод, 5 - фотодиод ФД-256.
кого излучения со сложным спектральным составом с последующим разделением сигналов и решение обратной задачи спектрофотометрии открывает перспективы для совместного измерения как толщин, так и оптических постоянных всех слоев многослойной структуры.
В данной работе исследованы возможности метода оптической интерферометрии с целью его использования для контроля отдельных этапов технологического процесса и интегральных параметров структур в целом.
МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Технологические процессы проводили в промышленной модернизированной установке 08ПХТ75-002, оборудованной четырьмя планарными маг-нетронными распылительными системами для нанесения слоев №80Ре20, Со, А1, Си и системой прецизионного напуска газов в рабочую камеру. Блок-схема измерительной установки представляет собой волоконно-оптическое устройство (рис. 1), которое состоит из оптического зонда 1, соединенного с помощью волоконно-оптического кабеля 2 с электронным измерительным блоком 3, включающим приемно-передающие опто-электронные преобразователи, систему обработки сигналов и цифровой индикации результатов измерений. Использование аналого-цифрового преобразователя 4 позволяет осуществлять обработку сигналов и хранение результатов измерений с помощью ЭВМ, связанной с измерительным блоком по стандартному интерфейсу ^5-232.
Оптическая схема устройства контроля показана на рис. 2. Инфракрасное излучение с длиной волны 940 нм от светодиода 1 (АЛ-107Б) с помощью передающего световода 2 направляется в оптический зонд, в котором установлена подложка (или "свидетель") 3. Оптический зонд конструктивно выполнен таким образом, что при заданных оптических и геометрических параметрах световодов волоконного кабеля в приемный световод 4 поступает излучение, отраженное только от рабочей поверхности подложки. Это достигается благодаря свойству световодов передавать (принимать) излучение только в пределах ограни-
ченного конуса лучей, определяемого его числовой апертурой.
В устройстве контроля измеряется интенсивность света, отраженного со стороны подложки в условиях нормального падения. Преобразование интенсивности света в электрический сигнал осуществляется с помощью фотоприемника 5 на основе кремниевого фотодиода ФД-256. Размер светового пятна на поверхности подложки, характеризующий локальность измерений, не превышает 0.25 мм. Благодаря линейной зависимости выходного сигнала от коэффициента отражения Я и известному значению коэффициента отражения свободной поверхности подложки в исходном состоянии Я0 возможно осуществлять самокалибровку измерительной системы, при которой цифровой выходной сигнал устройства представляет собой непосредственно значение коэффициента отражения от подложки. Например, для подложки из стекла К-8 коэффициент Я0 = 4.0%, для кремния Я0 = 31.3%. В диапазоне значений Я = = 0.. .100% погрешность измерения не превышает 0.1%. Длина волоконно-оптического кабеля, определяющего удаленность оптического зонда от электронного измерительного блока, может достигать 100 м.
В условиях поэтапного формирования многослойных структур толщины отдельных слоев определяются в результате численного решения обратной задачи спектрофотометрии с использованием известных значений комплексных оптических показателей материалов и экспериментальных значений коэффициентов отражения. Для двухслойных структур №80Ре20/А1 с типичными толщинами йперм = 10.30 нм и йал = 1.2 нм погрешности измерения толщин не превышают соответственно Айперм = 0.2 нм и Айал = 0.1 нм.
С помощью описанной методики контроля нами были исследованы процессы роста и окисления одно и двухслойных металлических пленок при различных технологических режимах. На рис. 3 приведены типичные экспериментальные зависимости коэффициентов отражения от времени Я(0, полученные в процессе роста пленок различных металлов (А1, Со, №80Ре20) на подложках из стекла К-8.
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
997
Характерно, что на начальной стадии роста пленок (при малых толщинах Н) зависимости Я(0 для всех материалов проходят через точку минимума, причем Ямин = 0. Соответствующие толщины Нмин весьма незначительны, так для пленок А1 значения Нмин, измеренные с помощью кварцевого измерителя толщин, составляют 2.5.3 нм. Такое поведение Я(0 или Я(Н) качественно согласуется с характером соответствующих расчетных зависимостей для сильно поглощающих пленок в случае отражения со стороны подложки [4]. Указанный минимум является одним из проявлений интерференционных эффектов в металлических пленках и наблюдается лишь в случае подложек с определенными значениями показателя преломления. В рамках модели, предполагающей сплошность, резкость границ и однородность оптических свойств по толщине пленки, минимум отражения достигается при толщине, определяемой формулой:
Я, % 60 г
Нм
= («под - По)Х/4п«к,
(2)
где «под и «0 - соответственно показатели преломления подложки («под = 1.5) и окружающей среды («0 = 1); п и к - соответственно показатели преломления и поглощения металлической пленки. Например, для пленки А1 с параметрами п = 1.8 и к = 7.2 на длине волны X = 940 нм [5], в соответствии с выражением (2) получим оценку Нмин = 2.7 нм, что соответствует результатам измерений.
Предлагаемая методика может использоваться также для изучения процесса окисления тонких слоев металлов. На рис. 4 показано изменение коэффициента отражения пленки А1 в процессе ее роста до толщины Н = 1.5 нм (интервал времени 0...^) и последующего окисл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.