RU2532589C2 - Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions) - Google Patents

Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2532589C2
RU2532589C2 RU2012150647/28A RU2012150647A RU2532589C2 RU 2532589 C2 RU2532589 C2 RU 2532589C2 RU 2012150647/28 A RU2012150647/28 A RU 2012150647/28A RU 2012150647 A RU2012150647 A RU 2012150647A RU 2532589 C2 RU2532589 C2 RU 2532589C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
ferromagnetic
vlsi
mram
sio
Prior art date
Application number
RU2012150647/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012150647A (en
Inventor
Александр Николаевич Качемцев
Владимир Константинович Киселев
Андрей Александрович Фраерман
Александр Павлович Ятманов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова"
Priority to RU2012150647/28A priority Critical patent/RU2532589C2/en
Publication of RU2012150647A publication Critical patent/RU2012150647A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2532589C2 publication Critical patent/RU2532589C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

FIELD: physics, computer engineering.
SUBSTANCE: invention relates to computer engineering, particularly MRAM cell array circuits which employ spin-transfer torque magnetoresistive random-access memory technology. A method of making CMOS/SOI MRAM integrated into a basic processing route in order to form an initial planar VLSI heterostructure of CMOS/SOI technology with STI insulation, used as a substrate, and subsequently forming thereon an MRAM array, includes successively forming in Si device layer of a SOI heterostructure regions of n- and p-pockets, STI insulation, n+- and p+-polysilicon gates for n- and p-channel transistors, respectively, regions of high-ohmic drains and sources of MOS transistors, p+-drains which run to the bottom of the device layer, as well as layers of self-aligned titanium silicide and a multilayer metal coating, then on the formed VLSI structure, after the third metal coating layer, forming an MRAM array, which includes a freely re-magnetising ferromagnetic layer (SS), a fixed magnetisation ferromagnetic layer (FS) and a tunnel insulation layer (IS) between the SS and the FS, and then forming a fourth level of metal coating and a protective dielectric layer.
EFFECT: integrating the technology of forming an MRAM array with improved magnetic hysteresis of magnetic elements into a CMOS/SOI VLSI structure.
36 cl, 56 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к схемам матриц ячеек памяти «MRAM» («Magnetic Random Access Memory»), использующей технологию магниторезистивной оперативной памяти с передачей спинового вращения, так называемым спин-вентильным запоминающим устройствам, «STT-MRAM», также известным как «RAM» («Random Access Memory») с передачей спинового вращательного момента («Spin Transfer Torque RAM», «STT-RAM»), «RAM» с переключением намагничивания и передачей спинового вращательного момента («Spin Torque Transfer Magnetization Switching RAM», или «Spin-RAM»), «RAM» с передачей спинового момента («SMT-RAM»).The present invention relates to the field of computing, in particular to schemes of matrixes of memory cells “MRAM” (“Magnetic Random Access Memory”) using the technology of magnetoresistive random access memory with spin rotation transmission, the so-called spin-valve storage devices, “STT-MRAM” also known as “RAM” (“Random Access Memory”) with spin torque transmission (“Spin Transfer Torque RAM”, “STT-RAM”), “RAM” with magnetization switching and spin torque transmission (“Spin Torque Transfer” Magnetization Switching RAM ”, or“ Spin-RAM ”),“ RAM ”from the front whose spin moment ("SMT-RAM").

Для использования ферромагнитных частиц для хранения информации, в том числе и как основного элемента памяти, необходимо, чтобы в частице (однослойной) возможно было только одно состояние, однородно намагниченное, и чтобы частица обладала осью анизотропии - выделенное направление, вдоль которого будет направлен вектор намагниченности частицы. (Именно это и позволяет приписать двум возможным состояниям (намагниченность вдоль или против оси анизотропии) логические значения «0» и «1».)To use ferromagnetic particles for storing information, including as the main element of memory, it is necessary that in the particle (single-layer) only one state is possible, uniformly magnetized, and that the particle has an anisotropy axis - the distinguished direction along which the magnetization vector will be directed particles. (This is precisely what makes it possible to ascribe to two possible states (magnetization along or against the anisotropy axis) the logical values “0” and “1”.)

Известно изобретение /1/, в котором слой регистрации и слои фиксации сформированы из, например, Fe, Co, Ni или их сплавов, магнетита, имеющего большую спин-поляризацию, окиси типа CrO2 или RXMnO3 - у (R: редкоземельные, X: Ca, Ba или Sr, у - состояние спина) или сплава «Heusler» типа NiMnSb или PtMnSb. Эти магнитные вещества могут содержать небольшое количество немагнитного элемента типа Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo или Nb, если они не теряют ферромагнетизм. Туннельный запирающий слой сформирован из одного из различных диэлектриков, например Al2O3, SiO2, MgO, AlN, Bi2O3, MgF2, CaF2, SrTiO2 и AlLaO3. Верхний ферромагнитный слой и более низкий ферромагнитный слой сформированы из, например, Fe, Co, Ni или их сплавов, магнетитов, имеющих большую спин-поляризацию, окисей типа CrO2 или RXMnO3 - у (R: редкоземельные, X: Ca, Ba или Sr) или сплава «Heusler» типа NiMnSb или PtMnSb. Немагнитные слои сформированы из одного из различных диэлектриков, например Al2O3, SiO2, MgO, AlN, Bi2O3, MgF2, CaF2, SrTiO2 и AlLaO2. Антиферромагнитный слой сформирован из, например, Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO или Fe2O3. Первые и вторые пары ферромагнитных слоев сформированы из, например, NiFe, CoFe, аморфного CoZrNb, FeNX или FeAlSi. Изобретение позволяет обеспечить магнитную память произвольного доступа, способную к уменьшению тока, и обеспечить способ записи данных.The invention is known / 1 /, in which the registration layer and the fixation layers are formed from, for example, Fe, Co, Ni or their alloys, magnetite with a large spin polarization, oxides of the type CrO 2 or RXMnO 3 - у (R: rare earths, X : Ca, Ba or Sr, у is the spin state) or of the Heusler alloy of the NiMnSb or PtMnSb type. These magnetic substances may contain a small amount of a non-magnetic element such as Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo or Nb, if they Do not lose ferromagnetism. The tunnel barrier layer is formed from one of various dielectrics, for example Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, AlN, Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , SrTiO 2 and AlLaO 3 . The upper ferromagnetic layer and the lower ferromagnetic layer are formed of, for example, Fe, Co, Ni or their alloys, magnetites having a large spin polarization, oxides of the type CrO 2 or RXMnO 3 - у (R: rare-earth, X: Ca, Ba or Sr) or Heusler alloy type NiMnSb or PtMnSb. Non-magnetic layers are formed from one of various dielectrics, for example Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, AlN, Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , SrTiO 2 and AlLaO 2 . The antiferromagnetic layer is formed from, for example, Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO or Fe 2 O 3 . The first and second pairs of ferromagnetic layers are formed from, for example, NiFe, CoFe, amorphous CoZrNb, FeN X, or FeAlSi. EFFECT: invention makes it possible to provide a random access magnetic memory capable of reducing current, and to provide a method for recording data.

Недостатком данного изобретения является необходимость создания антиферромагнитного слоя для фиксации одного из магнитных слоев, что делает процесс более громоздким и дорогим.The disadvantage of this invention is the need to create an antiferromagnetic layer for fixing one of the magnetic layers, which makes the process more cumbersome and expensive.

Известно изобретение /2/, которое включает формирование магнитного туннельного перехода, имеющего свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью; формирование проводящей твердой маски, лежащей над первой областью магнитного перехода, в то время как свободно перемагничивающийся слой во второй области незащищен; свободно перемагничивающийся слой представлен электрически и магнитно недействующим во второй области; формирование проводящей линии, связывающейся в твердую маску, указанная твердая маска электрически не соединена магнитным переходом «MTJ» с проводящей линией. Туннельный запирающий слой сформирован осаждением тонкого диэлектрического слоя на прикрепленный слой. Как правило, туннельный запирающий слой сформирован из окиси алюминия типа Al2O3, имеющего толщину приблизительно 1 нм. Материалы, доступные для использования в качестве туннельного запирающего слоя, включают окиси магния, окиси кремния, нитриды кремния и карбиды кремния; окиси, нитриды и карбиды других элементов или комбинаций элементов и другие материалы включением или формированием из полупроводниковых материалов. Свободно перемагничивающийся слой сформирован внесением на туннельный изолирующий слой слоя NiFe, имеющего толщину приблизительно 5 нм. После этого проводящий запирающий слой нитрида тантала (TaN), имеющего толщину приблизительно 5 нм, сформирован осаждением. Этот TaN слой служит, чтобы защитить слой NiFe в течение последующей обработки и обеспечить сцепление для одного или более сформированных впоследствии слоев.The invention is known / 2 /, which includes the formation of a magnetic tunnel junction having a freely magnetizable layer, a layer with a fixed magnetization and a tunnel insulating layer located between a freely magnetizable layer and a layer with a fixed magnetization; the formation of a conductive solid mask lying over the first region of the magnetic transition, while the freely magnetizable layer in the second region is unprotected; a freely remagnetizable layer is electrically and magnetically inactive in the second region; the formation of a conductive line that binds into a solid mask, the specified solid mask is not electrically connected by a magnetic transition "MTJ" to the conductive line. The tunnel barrier layer is formed by depositing a thin dielectric layer on an attached layer. Typically, the tunnel barrier layer is formed from Al 2 O 3 type alumina having a thickness of about 1 nm. Materials available for use as a tunnel barrier layer include magnesium oxides, silicon oxides, silicon nitrides, and silicon carbides; oxides, nitrides and carbides of other elements or combinations of elements and other materials by incorporation or formation of semiconductor materials. A freely remagnetizable layer is formed by depositing a NiFe layer having a thickness of about 5 nm onto the tunnel insulating layer. Thereafter, a conductive barrier layer of tantalum nitride (TaN) having a thickness of approximately 5 nm is formed by deposition. This TaN layer serves to protect the NiFe layer during subsequent processing and to provide adhesion to one or more subsequently formed layers.

Альтернативно NiCoFe, аморфный CoFeB и подобные ферромагнетики могут использоваться вместо NiFe как ферромагнитная часть свободного слоя. В альтернативном воплощении свободный слой может быть сформирован из больше чем одного такого ферромагнитного слоя, чтобы улучшить работу или возможности производства. Многократные слои могут быть отделены немагнитными слоями как TaN или Ru. Эти слои типично располагаются в диапазоне толщин от 2 до 10 нм.Alternatively, NiCoFe, amorphous CoFeB, and similar ferromagnets can be used instead of NiFe as the ferromagnetic part of the free layer. In an alternative embodiment, the free layer may be formed from more than one such ferromagnetic layer to improve performance or production capabilities. Multiple layers can be separated by non-magnetic layers like TaN or Ru. These layers are typically in the thickness range of 2 to 10 nm.

Недостатком данного изобретения является многослойность структуры, что увеличивает риск потерь спина электрона во время процесса туннелирования и перехода через границы раздела слоев и, следовательно, ведет к ухудшению важнейшего параметра.The disadvantage of this invention is the multilayer structure, which increases the risk of loss of electron spin during the tunneling process and the transition through the interface between the layers and, therefore, leads to the deterioration of the most important parameter.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа /3/. Этот способ включает формирование магнитного туннельного перехода («MTJ») на подложке, имеющего свободно перемагничивающийся слой, слой с фиксированной намагниченностью и туннельный изолирующий слой, расположенный между свободно перемагничивающимся слоем и слоем с фиксированной намагниченностью, в котором для формирования магнитного туннельного перехода на подложку в вакууме осаждают слой железа при комнатной температуре, затем на поверхность слоя железа в вакууме осаждают слой кремния при комнатной температуре, далее осуществляют окисление поверхности осажденного кремния в плазме тлеющего разряда при комнатной температуре, после этого формируют слой ферромагнитного силицида под слоем оксида кремния путем твердофазной реакции при температуре 400-800°C, затем слой с фиксированной намагниченностью формируют на туннельном изолирующем слое.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of forming structures of magnetic tunnel junctions for magnetoresistive magnetic random access memory / 3 /. This method includes the formation of a magnetic tunnel junction (“MTJ”) on a substrate having a freely magnetizable layer, a fixed magnetization layer and a tunnel insulating layer located between the freely magnetizable layer and a fixed magnetization layer, in which, to form a magnetic tunnel transition to the substrate, a vacuum layer of iron is precipitated at room temperature, then a silicon layer is deposited on a surface of an iron layer in vacuum at room temperature, then acidification surface deposited silicon in a glow discharge plasma at room temperature, thereafter forming a silicide layer of the ferromagnetic layer of silicon oxide by solid state reaction at a temperature of 400-800 ° C, then a magnetization fixed layer is formed on the tunnel insulating layer.

Несмотря на то что это техническое решение позволяет формировать ферромагнитный электрод, выполненный в виде свободного перемагничивающегося слоя, в контакте с туннельным барьером с высокой характеристикой гладкости, исключает наличие парамагнитной фазы при упрощении метода получения магнитных туннельных переходов, позволяет осуществить простоту интеграции в существующую (кремниевую) технологию изготовления элементов памяти, оно не решает задачи интеграции матрицы «MRAM» в структуру СБИС базовой технологии изготовления КМОП/КНД.Despite the fact that this technical solution allows the formation of a ferromagnetic electrode made in the form of a free magnetizable layer in contact with a tunnel barrier with a high smoothness characteristic, it eliminates the presence of a paramagnetic phase while simplifying the method of obtaining magnetic tunnel junctions, and makes it easy to integrate into an existing (silicon) manufacturing technology of memory elements; it does not solve the problem of integrating the “MRAM” matrix into the VLSI structure of the basic manufacturing technology of CMOS / KND.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является интеграция технологии формирования матрицы памяти «MRAM» с улучшенным магнитным гистерезисом магнитных элементов в структуру СБИС технологии «комплементарный-металл-оксид-полупроводник/кремний-на-изоляторе» (КМОП/КНИ).The technical result of the proposed technical solution is the integration of the technology of forming a matrix of memory "MRAM" with improved magnetic hysteresis of magnetic elements in the structure of the VLSI technology "complementary-metal-oxide-semiconductor / silicon-on-insulator" (CMOS / SOI).

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления встраиваемой в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ памяти «MRAM» с целью формирования исходной планарной гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», используемой в качестве подложки, и последующего формирования на ней матрицы памяти «MRAM», последовательно формируют в приборном слое Si гетероструктуры КНИ области n- и p-карманов, изоляцию «STI», n+- и p+-поликремниевые затворы для n- и p-канальных транзисторов соответственно, области высокоомных стоков и истоков транзисторов МОП, p+-стоки, доходящие до дна приборного слоя, а также слои самосовмещенного силицида титана и надежной системы многоуровневой металлизации, затем на сформированной структуре СБИС после третьего слоя металлизации также по планарной технологии формируют матрицу памяти «MRAM», включающую свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС») и туннельный изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС», затем формируют четвертый уровень металлизации и защитный диэлектрический слой.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a built-in CMOS / SOI memory “MRAM” embedded in the basic technological route in order to form the initial planar heterostructure VLSI CMOS / SOI technology with “STI” insulation used as a substrate, and subsequent formation of a memory matrix on it «MRAM», successively formed in the instrument Si layer of the SOI heterostructure field n- and p-pockets insulation «STI», n + - and p + -polikremnievye closures for n- and p-channel transistors, respectively, the areas of high impedance source and drain a PMOS transistor, p + -Stock reaching to the bottom layer of the instrument, as well as self-aligned titanium silicide layers and reliable system of multilevel metallization, then on VLSI after the third metallization layer structure formed on a planar technology and form a matrix memory «MRAM», comprising a freely remagnetizing a ferromagnetic layer ("SS"), a ferromagnetic layer with a fixed magnetization ("FS") and a tunnel insulating layer ("IS") located between "SS" and "FS", then form the fourth level of metallization and aschitny dielectric layer.

С целью формирования структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией оксидом кремния с мелкими канавками («STI»), в качестве исходной для нее структуры используют пластину «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с толщиной приборного слоя p--типа около 200 нм, толщиной захороненного окисла около 200-400 нм и ориентацией подложки - (100).In order to form the VLSI structure of CMOS / SOI technology with small-grooved silicon oxide (“STI”) insulation, a silicon-on-insulator (SOI) plate with a p - type device layer thickness of about 200 is used as the initial structure for it nm, the buried oxide thickness of about 200-400 nm and the substrate orientation is (100).

Для формирования активных транзисторных структур МОП СБИС, на пластине КНИ выращивают буферный окисел и осаждают слой Si3N4, после чего выполняют фотолитографию «Активные области» и подокисляют боковые стороны островков.To form the active transistor structures of the VLSI MOSFET, buffer oxide is grown on the SOI plate and a layer of Si 3 N 4 is deposited, after which “Active Regions” photolithography is performed and the sides of the islands are acidified.

Для формирования изоляции «STI» в структуре СБИС, осаждают методом плазмохимического газофазного осаждения («HDP») слой SiO2, выполняют уплотнение (отжиг), затем выполняют фотолитографию «Инверсия активных областей» для создания изоляции «STI», выполняют химико-механическую полировку (ХМП), далее проводят травление Si3N4 в горячей ортофосфорной кислоте и травление SiO2, после чего проводят процесс окисления для формирования буферного окисла.To form “STI” insulation in the VLSI structure, a SiO 2 layer is deposited by plasma chemical vapor deposition (“HDP”), compaction (annealing) is performed, then “Inversion of active regions” photolithography is performed to create “STI” insulation, chemical-mechanical polishing is performed (CMP), then etching of Si 3 N 4 in hot phosphoric acid and etching of SiO 2 are carried out, followed by an oxidation process to form a buffer oxide.

Для формирования n-кармана в структуре СБИС, выполняют операцию фотокопирования «n-карман» и ионное легирование фосфором, после чего удаляют фоторезист.To form an n-pocket in the VLSI structure, an “n-pocket” photocopying operation and ion doping with phosphorus are performed, and then the photoresist is removed.

Для формирования p-кармана, выполняют операцию фотокопирования «p-карман» и проводят ионное легирование бором, после чего проводят плазмохимическое удаление фоторезиста.To form a p-pocket, the p-pocket photocopying operation is performed and ion doping with boron is performed, followed by plasmochemical removal of the photoresist.

Для формирования поликремниевых затворов транзисторов в структуре СБИС, их формирование реализуют путем удаления буферного окисла, выращивания подзатворного окисла и осаждения нелегированного Si с последующим выполнением операции фотолитографии «Затворы».To form polysilicon gates of transistors in the VLSI structure, their formation is realized by removing buffer oxide, growing a gate oxide and depositing undoped Si, followed by the Shutters photolithography operation.

Для формирования высокоомных n--стоков с использованием ионно-лучевого легирования («LDD») в структуре СБИС, проводят фотокопирование «n--стоки» и ионное легирование фосфором и мышьяком.To form high-resistance n - sinks using ion-beam doping (“LDD”) in the VLSI structure, “n - stocks” are photocopied and ion doped with phosphorus and arsenic.

Для формирования высокоомных p--стоков с использованием «LDD» в структуре СБИС, проводят фотокопирование «p--стоки» и операцию ионного легирования с использованием соединения BF2.For the formation of high-resistance p - sinks using "LDD" in the VLSI structure, photocopying of the "p - stocks" and ion doping operation using compound BF 2 are performed.

Для формирования межсоединений (спейсеров) в структуре СБИС, осаждают слой «гидрид кремния - диоксид кремния» («Silane-SiO2») по технологии химического осаждения из газовой фазы («LPTEOS») и затем выполняют реактивно-ионное травление слоя «Silane-SiO2+SiO2».To form interconnects (spacers) in the VLSI structure, a layer of "silicon hydride - silicon dioxide"("Silane-SiO 2 ") is deposited by chemical vapor deposition technology ("LPTEOS") and then reactive-ion etching of the "Silane- SiO 2 + SiO 2 ".

Для формирования n+-стоков в структуре СБИС, выполняют окисление с последующей реализацией фотокопирования «n+-стоки» и проводят ионное легирование ионами As+.To form n + -stocks in the VLSI structure, oxidation is carried out with the subsequent implementation of photocopying of "n + -stocks" and ion doping is carried out with As + ions.

Для формирования p+-стоков в структуре СБИС, выполняют операцию фотокопирование «p+-стоки» и проводят ионное легирование бором, что приводит к легированию затвора p-канального транзистора (p+-поликремниевый затвор), затем по технологии химического осаждения из газовой фазы формируют слой «LPTEOS-SiO2», затем проводят отжиг и выполняют быстрый отжиг, который стимулирует диффузию стоков.To form p + -stocks in the VLSI structure, photocopy the “p + -stocks” and perform ion doping with boron, which leads to doping of the gate of the p-channel transistor (p + polysilicon gate), then using the technology of chemical vapor deposition form a layer of "LPTEOS-SiO 2 ", then conduct annealing and perform fast annealing, which stimulates the diffusion of effluents.

Для формирования высокоомных сопротивлений в структуре СБИС, выполняют фотолитографию для защиты области этих сопротивлений и далее проводят реактивно-ионное травление слоя SiO2.To form high-resistance resistances in the VLSI structure, photolithography is performed to protect the region of these resistances and then react-ion etching of the SiO 2 layer is carried out.

Для формирования слоя силицида титана в структуре СБИС, выполняют напыление Ti и напыление TiN и применяют двухстадийную термообработку для получения соединения TiSi2.To form a titanium silicide layer in the VLSI structure, Ti deposition and TiN deposition are performed and a two-stage heat treatment is used to obtain TiSi 2 compound.

Для формирования контактов в структуре СБИС, выполняют осаждение борофосфорного стекла («BPTEOS-SiO2»), его оплавление «SATEOS-SiO2» с последующей процедурой химико-механической полировки, далее формируют контакты, для чего проводят операцию фотокопирования «Контакты», затем выполняют процесс термозадубливания и проводят реактивно-ионное травление слоя SiO2, далее выполняют процесс напыления барьерных слоев Ti/TiN, проводят осаждение вольфрама (W) и далее выполняют химико-механическую полировку структуры W/TiN/Ti до SiO2.To form contacts in the VLSI structure, borophosphor glass (BPTEOS-SiO 2 ) is deposited, its melted is “SATEOS-SiO 2 ” followed by a chemical-mechanical polishing procedure, then contacts are formed, for which the “Contacts” photocopying operation is performed, then perform the process of thermal suppression and carry out reactive-ion etching of the SiO 2 layer, then perform the process of spraying the Ti / TiN barrier layers, carry out the deposition of tungsten (W), and then carry out chemical-mechanical polishing of the W / TiN / Ti structure to SiO 2 .

Для формирования первого уровня металлизации в структуре СБИС, выполняют фотокопирование «МЕТ1» и процесс реактивно-ионного травления TiN/Ti/Al/Ti, далее осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO2», оплавляют его «SATEOS-SiO2» и проводят химико-механическую полировку слоя «PECVD- SiO2».To form the first metallization level in the VLSI structure, MET1 photocopying and the TiN / Ti / Al / Ti reactive-ion etching process are performed, then a thick inter-level PECVD-SiO 2 dielectric is deposited, SATEOS-SiO 2 is fused and conduct chemical-mechanical polishing of the layer "PECVD-SiO 2 ".

Для формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-1» в структуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-1», проводят реактивно-ионное травление SiO2 на всю толщину слоя, далее выполняют процесс напыления Ti/TiN и осаждения W и химико-механическую полировку слоя W/TiN/Ti до SiO2.To form a “VIA-1” layer with metallization in the VLSI structure, “VIA-1” photocopying is performed, reactive-ion etching of SiO 2 is performed over the entire thickness of the layer, then the Ti / TiN deposition process and W deposition and chemical-mechanical polishing are performed layer W / TiN / Ti to SiO 2 .

Для формирования второго уровня металлизации «МЕТ2» в структуре СБИС, выполняют напыление Ti/Al/Ti/TiN, проводят фотокопирование «МЕТ2» и выполняют реактивно-ионное травление TiN/Ti/Al/Ti, затем осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO2», оплавляют его «SATEOS-SiO2» и проводят химико-механическую полировку «PECVD-SiO2».To form the second metallization level “MET2” in the VLSI structure, Ti / Al / Ti / TiN is deposited, photocopying “MET2” is performed, and TiN / Ti / Al / Ti is reactively ion etched, then a thick PECVD-SiO thick interlevel dielectric is deposited 2 ", melt it with" SATEOS-SiO 2 "and carry out chemical-mechanical polishing with" PECVD-SiO 2 ".

Для формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-2» в структуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-2», проводят рективно-ионное травление SiO2 на всю толщину слоя, далее проводят напыление Ti/TiN, осаждение W и выполняют химико-механическую полировку W/TiN/Ti до SiO2.To form a VIA-2 layer with metallization in the VLSI structure, VIA-2 is photocopied, SiO 2 is rectively ion etched over the entire thickness of the layer, then Ti / TiN is deposited, W is deposited, and chemical-mechanical polishing is performed W / TiN / Ti to SiO 2 .

Для формирования третьего уровня металлизации в структуре СБИС, выполняют процессы, аналогичные процессам для формирования второго уровня металлизации.To form the third metallization level in the VLSI structure, processes similar to those for the formation of the second metallization level are performed.

Для формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-3» в структуре СБИС, выполняют процессы, аналогичные процессам по формированию связующего слоя «VIA-2».To form a binder with metallization of the VIA-3 layer in the VLSI structure, processes similar to those for forming the VIA-2 binder layer are performed.

С целью снижения температурного воздействия на последующий процесс формирования памяти «MRAM», этот процесс реализуют между третьим и четвертым уровнями металлизации структуры БИС технологии КМОП/КНИ при пониженных температурах.In order to reduce the temperature effect on the subsequent MRAM memory formation process, this process is implemented between the third and fourth metallization levels of the LSI structure of CMOS / SOI technology at low temperatures.

По первому варианту между третьим и четвертым уровнями металлизации структуры БИС формируют матрицу памяти «STT-MRAM» с соответствующей структурой.According to the first embodiment, between the third and fourth metallization levels, the LSI structures form the STT-MRAM memory matrix with the corresponding structure.

По второму варианту между третьим и четвертым уровнями металлизации структуры БИС формируют матрицу памяти «MRAM» с архитектурой Савченко с соответствующей структурой.According to the second option, between the third and fourth metallization levels, the LSI structures form a “MRAM” memory matrix with Savchenko architecture with the corresponding structure.

По первому варианту встраиваемая в СБИС технологии КМОП/КНИ память «STT-MRAM» включает базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), выполненный из пленочной ферромагнитной структуры, расположенный на нем туннельный изолирующий слой («ИС»), выполненный из TaOx, расположенный сверху на «ИС» свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), выполненный из ферромагнитной структуры, двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au помещена в матрицу из диэлектрика Ta2O5. Структура матрицы «STT-MRAM» сформирована на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполнены из Co с использованием связующего (пиннингующего) подслоя из гранулированного Co или с использованием известного распадающегося раствора металлов Co-Cu, сверху на двухслойную ферромагнитную структуру нанесен четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.According to the first option, the STT-MRAM memory built into the VLSI CMOS / SOI technology includes a base electrode, a fixed magnetization ferromagnetic layer (“FS”) made of a film ferromagnetic structure, a tunnel insulating layer (“IC”) located on it, made of TaO x, disposed on top of the "IP" remagnetizing free ferromagnetic layer ( "MOP"), made of a ferromagnetic structure, double-layered ferromagnetic structure is provided on top with a conductive layer Au with access to the surface for contact with control read / write buses, and the whole two-layer structure of ferromagnetic Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au is placed in a matrix of dielectric Ta 2 O 5. The structure of the “STT-MRAM” matrix is formed on the surface of the third metallization layer “MET3” of the SOI with an additional Au / Ta intermediate layer deposited on it, and to achieve the greatest magnetoresistive effect, the ferromagnetic layers “SS” and “FS” are made of Co using a binder (pinning) sublayer from granular Co or using a known disintegrating Co-Cu metal solution, on top of the two-layer ferromagnetic structure, a fourth metallization layer “MET4” is applied and a dielectric passivating coating .

С целью сопряжения структур КМОП/КНИ и «STT-MRAM», общий процесс изготовления матрицы «STT-MRAM» реализуют после формирования третьего уровня металлизации структуры БИС технологии КМОП/КНИ путем формирования следующего проводящего подслоя Au/Ta, на котором формируют матрицу «STT-MRAM» из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц, диэлектрическую прослойку формируют естественным окислением тонкой пленки Ta с помощью напуска атмосферы в камеру, далее для обеспечения хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрывают Au, затем всю структуру покрывают слоем диэлектрика Ta2O3 и его далее удаляют с верхушек ферромагнитных частиц взрывом оставшейся после ионного травления маски, двухслойные ферромагнитные ячейки помещают, таким образом, в диэлектрическую матрицу, а верхний слой ячеек покрывают Au для осуществления выхода на поверхность.In order to interconnect the CMOS / SOI and STT-MRAM structures, the general STT-MRAM matrix fabrication process is implemented after the formation of the third metallization level of the LSI structure of CMOS / SOI technology by forming the next conductive Au / Ta sublayer on which the STT matrix is formed -MRAM "from a film multilayer ferromagnetic structure Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au by ion etching in an argon atmosphere in a complex combined mask using a negative electron resist that determines the shape of the particles, the dielectric layer is formed naturally by thinning the Ta thin film by letting the atmosphere into the chamber, then, to ensure good contact, the upper magnetic layer of the particles is coated with Au, then the entire structure is covered with a layer of dielectric Ta 2 O 3 and then it is removed from the tops of the ferromagnetic particles by explosion of the mask remaining after ion etching, two-layer ferromagnetic the cells are thus placed in a dielectric matrix, and the upper layer of cells is coated with Au to reach the surface.

По второму варианту встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ память «MRAM», выполненная в соответствии с архитектурой Савченко, включает базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), ферромагнитный слой со свободной намагниченностью («СС»), туннельную прослойку-диэлектрик, или изолирующий слой («ИС»), выполненный из Al2O3, расположенный между «СС» и «ФС», двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика Ta2O5. Структура матрицы «MRAM» по методу Савченко сформирована на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» планарной структуры БИС технологии КМОП/КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполнены на основе многослойной пиннингующей структуры «ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик», сверху на двухслойную ферромагнитную структуру нанесен четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.According to the second variant, the MRAM memory built into the CMOS / SOI basic technological route, made in accordance with Savchenko’s architecture, includes a base electrode, a fixed magnetization ferromagnetic layer (FS), a free magnetization layer (“SS”), and a tunnel a dielectric interlayer or an insulating layer (“IS”) made of Al 2 O 3 located between “SS” and “FS”, the two-layer ferromagnetic structure on top is provided with a conductive Au layer with access to the surface to provide contact with the control write / read buses, and the entire two-layer ferromagnetic structure is placed in a matrix of Ta 2 O 5 dielectric. According to Savchenko’s method, the MRAM matrix structure is formed on the surface of the third MET3 metallization layer of the planar structure of the BIS CMOS / SOI technology with an additional Au / Ta intermediate layer deposited on top of it, and to achieve the greatest magnetoresistive effect, the ferromagnetic layers SS and FS "Are made on the basis of a multilayer pinning structure" ferromagnet-interlayer Ru-ferromagnet ", on top of a two-layer ferromagnetic structure, a fourth metallization layer" MET4 "and a dielectric passivating coating are applied.

Для формирования нижнего базового проводящего электрода структуры матрицы памяти «MRAM», на структуру СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI» до этапа «формирование четвертого уровня металлизации+VIA-3» осаждают многослойную структуру Au/Ta методом магнетронного распыления.To form the lower base conductive electrode of the structure of the MRAM memory matrix, the multilayer Au / Ta structure is deposited by magnetron sputtering on the VLSI structure of CMOS / SOI technology with STI insulation until the stage of “forming the fourth metallization level + VIA-3”.

Для формирования ферромагнитного слоя с фиксированной намагниченностью («ФС») в матрице памяти «MRAM» с архитектурой по методу Савченко, на поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый антиферромагнитный слой (Pinning), далее наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика.To form a ferromagnetic layer with a fixed magnetization (“FS”) in the “MRAM” memory matrix using the Savchenko architecture, the first antiferromagnetic layer (Pinning) is applied to the surface of the multilayer structure using magnetron sputtering, then a layer of a ferromagnet is applied, then a layer of Ru and a layer of ferromagnet .

Далее для формирования туннельной прослойки диэлектрика, на поверхность структуры осаждают диэлектрик Al2O3 оптимальной толщины, позволяющей пропускать ток через элемент с сопротивлением порядка 105 Ом·мкм2.Then, to form a tunneling layer of dielectric, an Al 2 O 3 dielectric of optimum thickness is deposited onto the surface of the structure, allowing a current to pass through an element with a resistance of the order of 10 5 Ω · μm 2 .

С целью формирования ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью («СС»), на поверхность изолирующего слоя («ИС») наносят методом магнетронного распыления слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика.In order to form a ferromagnetic layer with free magnetization (“SS”), a layer of a ferromagnet is applied to the surface of the insulating layer (“IS”) by magnetron sputtering, then a layer of Ru and a layer of ferromagnet.

Для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, на поверхность ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью («СС») наносят слой Au.To ensure contact with the write / read control buses, an Au layer is applied to the surface of the ferromagnetic layer with free magnetization (“CC”).

Для формирования многослойных магнитных ячеек, на поверхность структуры, в том числе и на поверхность верхнего слоя - Au, наносят фоторезист, выполняют фотокопирование по фотошаблону «Ячейки» и проводят операцию термозадубливания фоторезиста, затем выполняют травление многослойной ферромагнитной структуры и удаляют фоторезист.To form multilayer magnetic cells, a photoresist is applied to the surface of the structure, including the surface of the upper layer - Au, photocopying is performed using the “Cells” photo template and the operation is carried out to heat-suppress the photoresist, then the multilayer ferromagnetic structure is etched and the photoresist is removed.

Для формирования диэлектрической изоляции элементов матрицы запоминающих ячеек (ЗЯ), на поверхность структуры наносят слой диэлектрика Ta2O5 толщиной, равной толщине слоев ферромагнитной ячейки, наносят толстый слой фоторезиста, а для планаризации поверхности выполняют процесс плазменно-химического травления слоев фоторезиста и Ta2O5, в котором подбирается одинаковая скорость травления данных материалов.To form the dielectric insulation of the elements of the matrix of storage cells (ZA), a dielectric layer of Ta 2 O 5 is applied to the structure surface with a thickness equal to the thickness of the layers of the ferromagnetic cell, a thick layer of photoresist is applied, and a plasma-chemical etching of the layers of photoresist and Ta 2 is performed to planarize the surface O 5 , in which the same etching rate of these materials is selected.

Для формирования четвертого уровня металлизации матрицы «MRAM», проводят напыление слоя Ti/Al, затем выполняют фотокопирование «МЕТ4» и методом реактивно-ионного травления удаляют Ti/Al до оксида.To form the fourth metallization level of the MRAM matrix, a Ti / Al layer is deposited, then MET4 photocopying is performed and Ti / Al is removed to the oxide by reactive ion etching.

Для формирования защитного диэлектрического слоя всей поверхности матрицы «MRAM» на структуре БИС КМОП/КНИ, осаждают слой «SATEOS-SiO2» и осаждают «PECVD-SW», далее выполняют фотокопирование «Пассивация» и проводят реактивно-ионное травление слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO2».To form a protective dielectric layer of the entire surface of the “MRAM” matrix on the LIS CMOS / SOI structure, a “SATEOS-SiO 2 ” layer is deposited and “PECVD-SW” is deposited, then photocopying “Passivation” and reactive-ion etching of the layers “PECVD- SiN "," SATEOS-SiO 2 ".

Техническое решение иллюстрируется следующими рисунками.The technical solution is illustrated by the following figures.

Фиг.1. Формирование активных областей структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Figure 1. Formation of active areas of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.2. Окончательное формирование изоляции «STI» структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Figure 2. The final formation of isolation “STI” of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.3. Формирование n-кармана структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Figure 3. The formation of the n-pocket structure of VLSI technology CMOS / SOI.

Фиг.4. Формирование поликремниевых затворов структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Figure 4. The formation of polysilicon gates structure VLSI technology CMOS / SOI.

Фиг.5. Формирование n-стоков структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Figure 5. Formation of n-drains of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.6. Формирование межсоединений структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.6. The formation of interconnects structure VLSI technology CMOS / SOI.

Фиг.7. Структура после отжигов.7. Structure after annealing.

Фиг.8. Формирование силицида титана структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Fig. 8. The formation of titanium silicide structure VLSI technology CMOS / SOI.

Фиг.9. Формирование контактных окон структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Fig.9. Formation of contact windows of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.10. Осаждение W и ХМП W/TiN/Ti для формирования структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Figure 10. The deposition of W and HMP W / TiN / Ti to form the structure of the VLSI CMOS / SOI technology.

Фиг.11. Формирование первого уровня металлизации структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.11. Formation of the first metallization level of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.12. ХМП слоя «PECVD-SiO2» структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Fig. 12. CMP layer "PECVD-SiO 2 " structure VLSI technology CMOS / SOI.

Фиг.13. ХМП слоя W/TiN/Ti структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Fig.13. CMP layer W / TiN / Ti structure VLSI technology CMOS / SOI.

Фиг.14. Формирование второго уровня металлизации структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Fig.14. Formation of the second level of metallization of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.15. Формирование четвертого уровня металлизации структуры СБИС технологии КМОП/КНИ.Fig.15. Formation of the fourth metallization level of the VLSI structure of CMOS / SOI technology.

Фиг.16. Окончательный вид структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с поликремниевыми затворами.Fig.16. The final form of the VLSI structure of CMOS / SOI technology with polysilicon gates.

Фиг.17. Формирование «третьего уровня металлизации+«VIA-3»» для «MRAM».Fig.17. The formation of the "third level of metallization +" VIA-3 "" for "MRAM".

Фиг.18. Многослойная структура Au/Та для «MRAM».Fig. 18. Multilayer Au / Ta structure for MRAM.

Фиг.19. Нижний немагнитный проводящий электрод для «MRAM».Fig.19. Lower non-magnetic conductive electrode for "MRAM".

Фиг.20. Нанесение слоев ферромагнетика Co и Ta для «MRAM».Fig.20. Deposition of Co and Ta ferromagnets for MRAM.

Фиг.21. Естественное окисление и нанесение второго ферромагнитного слоя Co и слоя Au для «MRAM».Fig.21. Natural oxidation and deposition of a second ferromagnetic Co layer and Au layer for MRAM.

Фиг.22. Нанесение комбинированной маски для «MRAM».Fig.22. Drawing a combined mask for "MRAM".

Фиг.23. Экспонирование структуры электронным пучком литографической системы для «MRAM».Fig.23. Exposure of the structure of the electron beam lithographic system for "MRAM".

Фиг.24. Последовательное травление слоев металлической маски для «MRAM».Fig.24. Sequential etching of the layers of the metal mask for "MRAM".

Фиг.25. Ионное травление (ИТ) термически обработанного резиста для «MRAM».Fig.25. Ion etching (IT) of a heat-treated resist for MRAM.

Фиг.26. Ионное травление ферромагнитной структуры Co/TaOx/Co/Au для «MRAM».Fig.26. Ion etching of the Co / TaO x / Co / Au ferromagnetic structure for MRAM.

Фиг.27. Осаждение слоя диэлектрика Ta2O5 для «MRAM».Fig.27. The deposition of the dielectric layer Ta 2 O 5 for "MRAM".

Фиг.28. Сформированные магнитные ячейки в окружение диэлектрика для «MRAM».Fig.28. Formed magnetic cells surrounded by a dielectric for "MRAM".

Фиг.29. Формирование четвертого уровня разводки для «MRAM».Fig.29. Formation of the fourth level of wiring for "MRAM".

Фиг.30. Формирование пассивации для «MRAM».Fig.30. Passivation formation for MRAM.

Фиг.31. Окончательный вид структуры «MRAM» на СБИС технологии КМОП/КНИ с n+- p+-поликремниевыми затворами.Fig.31. The final view of the MRAM structure on the VLSI CMOS / SOI technology with n + - p + polysilicon gates.

Фиг.32. а) - многослойная структура элемента памяти, б) - варианты построения архитектуры микросхемы «MRAM».Fig. 32. a) - the multilayer structure of the memory element, b) - options for constructing the architecture of the MRAM chip.

Фиг.33. Формирование «третьего уровня металлизации+VIA-3» для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 33. The formation of the "third level of metallization + VIA-3" for "MRAM" according to the Savchenko method.

Фиг.34. Формирование нижнего базового проводящего электрода для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 34. The formation of the lower base conductive electrode for "MRAM" according to the Savchenko method.

Фиг.35. Формирование слоя «Pinning» и стабильного слоя для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 35. Formation of a “Pinning” layer and a stable layer for “MRAM” according to the Savchenko method.

Фиг.36. Формирование последовательности слоев для магниторезистивной ячейки памяти для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 36. Formation of a sequence of layers for a magnetoresistive memory cell for "MRAM" according to the Savchenko method.

Фиг.37. Травление многослойной структуры для «MRAM» по методу Савченко.Fig.37. The etching of the multilayer structure for "MRAM" according to the method of Savchenko.

Фиг.38. Осаждение слоя диэлектрика для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 38. The deposition of the dielectric layer for "MRAM" according to the Savchenko method.

Фиг.39. Нанесение толстого слоя фоторезиста для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 39. Application of a thick layer of photoresist for "MRAM" according to the Savchenko method.

Фиг.40. Формирование изоляции для «MRAM» по методу Савченко.Fig.40. The formation of insulation for "MRAM" according to the method of Savchenko.

Фиг.41. Формирование четвертого уровня металлизации для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 41. Formation of the fourth metallization level for “MRAM” according to the Savchenko method.

Фиг.42. Формирование пассивации структуры «СБИС КМОП/КНИ+«SDT-MRAM» для «MRAM» по методу Савченко.Fig. 42. Formation of passivation of the structure "VLSI CMOS / SOI +" SDT-MRAM "for" MRAM "according to the Savchenko method.

Фиг.43. BAX изготовленного элемента Co/TaOx/Co (образец №3). Развертка: по оси X напряжение - 100 мВ/клетка; по оси Y ток - 10 µА/клетка. Полная развертка по оси 500 мВ (в одну полярность) и 40 µА. Рабочая точка при измерении R(H) - 100 мВ.Fig. 43. BAX manufactured element Co / TaO x / Co (sample No. 3). Sweep: along the X axis, the voltage is 100 mV / cell; the current along the Y axis is 10 μA / cell. Full sweep along the axis of 500 mV (in one polarity) and 40 µA. The operating point when measuring R (H) is 100 mV.

Фиг.44. Распределение элементов примеси в структуре.Fig.44. Distribution of impurity elements in the structure.

Фиг.45. Зависимость сопротивления от внешнего магнитного поля для эллиптических частиц 300×200 нм.Fig.45. The dependence of the resistance on the external magnetic field for elliptical particles is 300 × 200 nm.

Фиг.46. Зависимость сопротивления от внешнего магнитного поля для эллиптических частиц 200×100 нм (поле вдоль длинной оси частицы).Fig. 46. Dependence of resistance on the external magnetic field for elliptical particles 200 × 100 nm (field along the long axis of the particle).

Фиг.47. Поле вдоль длиной (а) и короткой оси (б) частицы.Fig.47. Field along the length (a) and short axis (b) of the particle.

Фиг.48. ВАХ четырех элементов Co/TaOx/Co: а) BAX в области токов I=0…10-4 А; б) ВАХ в области токов I=10-4…10-7 А (для удобства положительная и отрицательная ветви представлены в виде модуля на одном графике).Fig. 48. IV characteristics of four Co / TaO x / Co elements: a) BAX in the current range I = 0 ... 10 -4 A; b) the current-voltage characteristic in the field of currents I = 10 -4 ... 10 -7 A (for convenience, the positive and negative branches are presented in the form of a module in one graph).

Фиг.49. Зависимость сопротивления четырех элементов от напряжения: а) зависимость в области R=0…7·103 Ω; б) зависимость в области R= 3·103…7·104 Ω.Fig. 49. The dependence of the resistance of four elements on the voltage: a) dependence in the region R = 0 ... 7 · 10 3 Ω; b) the dependence in the region R = 3 · 10 3 ... 7 · 10 4 Ω.

Фиг.50. Изображение на АСМ прямоугольного провода с расположенными на нем ферромагнитными наночастицами.Fig. 50. AFM image of a rectangular wire with ferromagnetic nanoparticles located on it.

Фиг.51. Изображение на МСМ участка массива частиц после намагничивания в магнитном поле величиной индукции +300 Гс.Fig. 51. The image on the MSM of the particle array section after magnetization in a magnetic field with an induction value of +300 G.

Фиг.52. Изображение на МСМ участка массива частиц после намагничивания в магнитном поле величиной индукции -250-280 Гс. Произошло перемагничивание всех частиц.Fig. 52. The image on the MSM of the particle array section after magnetization in a magnetic field with an induction value of -250-280 G. Magnetization reversal of all particles occurred.

Фиг.53. Изображение на АСМ прямоугольного провода с расположенными на нем ферромагнитными наночастицами. Стрелками - большой - показано направление тока, малой - направление магнитного поля.Fig. 53. AFM image of a rectangular wire with ferromagnetic nanoparticles located on it. Arrows - large - shows the direction of the current, small - the direction of the magnetic field.

Фиг.54. Последовательные стадии эксперимента по перемагничиванию частиц током. Направление магнитного поля, создаваемого током, совпадает с горизонтальной осью. Направление подмагничивающего магнитного поля также совпадает с горизонтальной осью: а) 1 стадия. Коэрцитивное поле выделенной частицы 250 Гс; б) 2 стадия. Центральная частица перемагничена током в подмагничивающем магнитном поле 50 Гс (таким образом, магнитное поле, создаваемое током, ≈200 Гс).Fig. 54. The successive stages of the experiment on the magnetization reversal of particles by current. The direction of the magnetic field created by the current coincides with the horizontal axis. The direction of the magnetizing magnetic field also coincides with the horizontal axis: a) stage 1. Coercive field of the selected particle 250 G; b) stage 2. The central particle is magnetized by the current in a magnetizing magnetic field of 50 G. (Thus, the magnetic field created by the current is ≈200 G.).

Фиг.55. Основные этапы изготовления двухслойных магнитных частиц: (а) нанесение пленки Co/Si/Co на подложку; (б) формирование колодцев в пленке электронного резиста ПММА (полиметилметакрилата); (в) покрытие структуры пленкой V; (г) процесс “lift-off”; д) травление структуры Co/Si/Co в атмосфере Ar.Fig. 55. The main stages of the manufacture of two-layer magnetic particles: (a) applying a Co / Si / Co film to a substrate; (b) the formation of wells in the film of the electronic resist PMMA (polymethylmethacrylate); (c) coating the structure with film V; (d) the “lift-off” process; e) etching of the Co / Si / Co structure in an Ar atmosphere.

Фиг.56. Изображение на МСМ образца в нулевом магнитном поле (а) после намагничивания в поле -650 Э; (б) после намагничивания в поле +220 Э.Fig. 56. MSM image of a sample in a zero magnetic field (a) after magnetization in a field of -650 Oe; (b) after magnetization in a field of +220 E.

Техническое решение осуществляется следующим образом.The technical solution is as follows.

Встраиваемая в СБИС технологии КМОП/КНИ память «MRAM» и способ ее изготовления имеют два основных варианта. По первому из них формируется встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ структура матрицы ЗЯ памяти «MRAM», представляющая собой базовую структуру БИС технологии КМОП/КНИ, сформированную до третьего уровня металлизации, свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС») и туннельный изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС». «ФС» расположен на дополнительном промежуточном проводящем слое Au/Ta и выполнен из пленочной ферромагнитной структуры Co. Расположенный на нем «ИС» выполнен из TaOx. Расположенный сверху на «ИС» ферромагнитный «СС» выполнен из ферромагнитной структуры Co, двухслойная ферромагнитная структура Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания. Вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика Ta2O5.Built-in VLSI technology CMOS / SOI memory "MRAM" and the method of its manufacture have two main options. According to the first of them, the structure of the MRAM memory matrix integrated into the basic CMOS / SOI technological route is formed, which is the basic structure of the CMOS / SOI LSI technology, formed up to the third metallization level, freely magnetizable ferromagnetic layer (“CC”), a ferromagnetic layer with fixed magnetization (“FS”) and a tunnel insulating layer (“IS”) located between “SS” and “FS”. "FS" is located on an additional intermediate conductive layer Au / Ta and is made of a film ferromagnetic structure Co. The “IS” located on it is made of TaO x . The ferromagnetic “SS” located on top of the “IS” is made of a Co ferromagnetic structure, the Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au two-layer ferromagnetic structure is provided with an Au conducting layer on top to exit to the surface to provide contact with the write / read control buses. The entire two-layer ferromagnetic structure is placed in a matrix of a dielectric Ta 2 O 5 .

По второму варианту формируется встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ структура матрицы ЗЯ памяти «MRAM», выполненная в соответствии с архитектурой Савченко, представляющая собой базовую структуру БИС технологии КМОП/КНИ, сформированную до третьего уровня металлизации, базовый электрод, антиферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), свободно перемагничивающийся ферромагнитный стабильный слой (ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик) («СС»), туннельную прослойку-диэлектрик (Al2O3), или изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС», верхний электрод, «ФС» расположен на дополнительном промежуточном проводящем слое Au/Ta и выполнен из пленочной многослойной ферромагнитной структуры «Pinning», расположенный на нем «ИС» выполнен из Al2O3, расположенный сверху на «ИС» ферромагнитный «СС» выполнен из многослойной ферромагнитной структуры «ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик», двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена верхним электродом из проводящего слоя Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика Ta2O5.According to the second option, the structure of the MRAM memory matrix, embedded in the basic CMOS / SOI technological route, is formed, made in accordance with Savchenko architecture, which is the basic structure of CMOS / SOI LSI technology, formed to the third metallization level, the base electrode, and an antiferromagnetic layer with a fixed magnetization (“FS”), a freely magnetizable ferromagnetic stable layer (ferromagnet-interlayer Ru-ferromagnet) (“CC”), a tunneling interlayer-dielectric (Al 2 O 3 ), or an insulating layer oh (“IC”) located between “SS” and “FS”, the upper electrode, “FS” is located on an additional intermediate conductive layer Au / Ta and is made of a Pinning multilayer ferromagnetic structure located on it, “IC” is made of Al 2 O 3, located on top of the "IP" ferromagnetic "SS" is made of a multilayer ferromagnetic structure "ferromagnetic-layer Ru-ferromagnet", double-layered ferromagnetic structure on top provided with a top electrode of conductive Au layer with access to the surface for contact with councils yayuschimi write / read buses, and all-layer ferromagnetic structure is placed in a matrix of dielectric Ta 2 O 5.

Пример реализации технического решенияAn example of the implementation of a technical solution

Основой встраиваемой в СБИС технологии КМОП/КНИ памяти «MRAM» и способа ее изготовления является технологический маршрут изготовления СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI». Маршрут включает в себя формирование n- и p-карманов, изоляции «STI», n+- и p+-поликремниевых затворов для n- и p-канальных транзисторов соответственно, областей «LDD», p+-стоков, доходящих до дна приборного слоя, а также формирование самосовмещенного силицида титана и надежной системы четырехуровневой металлизации.The basis of the integrated “VLSI” CMOS / SOI technology “MRAM” memory and the method of its manufacture is the technological route of manufacturing the VLSI technology CMOS / SOI with isolation “STI”. The route includes the formation of n- and p-pockets, isolation of “STI”, n + and p + -silicon gates for n- and p-channel transistors, respectively, areas of “LDD”, p + -stocks reaching the bottom of the instrument layer, as well as the formation of self-aligned titanium silicide and a reliable four-level metallization system.

1. Формирование структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с поликремниевыми затворами. В качестве исходной структуры применяли пластину КНИ с толщиной приборного слоя p--типа 0,2 мкм, толщиной захороненного окисла 0,2-0,4 мкм и ориентацией подложки - (100). Ниже подробно рассмотрены основные технологические этапы изготовления микросхемы «MRAM» с привязкой к технологическому маршруту СБИС технологи КМОП/КНИ. Этот базовый технологический маршрут при изготовлении подобных изделий состоит из следующих этапов.1. Formation of the VLSI structure of CMOS / SOI technology with polysilicon gates. A SOI plate with a p - type instrument layer thickness of 0.2 μm, a buried oxide thickness of 0.2-0.4 μm, and a substrate orientation of (100) was used as the initial structure. Below, the main technological stages of manufacturing the “MRAM” chip with reference to the VLSI technological route, CMOS / SOI technology, are described in detail. This basic technological route in the manufacture of such products consists of the following steps.

0. Формирование глобальных знаков совмещения.0. Formation of global alignment marks.

1. Формирование активных областей. На пластине КНИ выращивают буферный окисел и осаждают слой Si3N4. Далее проводят фотолитографию (ФЛГ) «Активные области» (Фиг.1) и подокисляют боковые стороны островков.1. The formation of active areas. On the SOI plate, buffer oxide is grown and a layer of Si 3 N 4 is deposited. Next, conduct active region photolithography (FLG) (Figure 1) and acidify the sides of the islets.

2. Формирование изоляции «STI». Осаждают методом «HDP» SiO2 и проводят уплотнение (отжиг). Далее выполняют ФЛГ «Инверсия активных областей» для создания изоляции «STI» и химико-механическую полировку (ХМП). Далее проводят травление Si3N4 в горячей ортофосфорной кислоте и травление SiO2. После этого проводят процесс окисления, формируют буферный окисел. На этом этапе заканчивается формирование изоляции «STI» (Фиг.2).2. The formation of insulation "STI". Precipitated by the method of "HDP" SiO 2 and conduct compaction (annealing). Next, perform FLG "Inversion of active areas" to create insulation "STI" and chemical-mechanical polishing (CMP). Next, etching of Si 3 N 4 in hot phosphoric acid and etching of SiO 2 are carried out. After this, the oxidation process is carried out, a buffer oxide is formed. At this stage, the formation of insulation "STI" ends (Figure 2).

3.Формирование n-кармана. Проводят операцию фотокопирования (ФК) для n-кармана и ионное легирование (ИЛ) фосфором (Фиг.3). Удаляют фоторезист.3. Formation of an n-pocket. A photocopying operation (FC) is carried out for the n-pocket and ion doping (IL) with phosphorus (Figure 3). Remove the photoresist.

4. Формирование p-кармана. Затем выполняют ФК p-кармана и проводят ИЛ бором. Затем выполняют плазмохимическое удаление фоторезиста (ПУФ).4. The formation of a p-pocket. Then perform the FC p-pocket and conduct IL boron. Then perform the plasma-chemical removal of photoresist (PUF).

5. Формирование затворов транзисторов. Формируют поликремниевые затворы путем удаления буферного окисла, выращивания подзатворного окисла, осаждения нелегированного Si∗. Далее проводят ФЛГ «Затворы» (Фиг.4).5. The formation of transistor gates. Polysilicon gates are formed by removing buffer oxide, growing a gate oxide, and depositing undoped Si *. Next, conduct FLG "Gates" (Figure 4).

6. Формирование «LDD» (n--стоки). Выполняют ФК «n--стоки» и ИЛ фосфором и мышьяком (Фиг.5).6. The formation of the "LDD" (n - stock). Perform FC "n - stock" and IL phosphorus and arsenic (Figure 5).

7. Формирование «LDD» (p--стоки). Выполняют ФК «p--стоки» и ионное легирование BF2.7. The formation of "LDD" (p - stock). Perform FC "p - stock" and ion doping of BF 2 .

8. Формирование спейсеров. Методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) формируют слой «Silane-SiO2» и проводят операцию реактивного ионного травления (РИТ) слоя «Silane-SiO2+SiO2» для формирования межсоединений (спейсеров) (Фиг.6).8. The formation of spacers. By the method of chemical vapor deposition (CVD), a Silane-SiO 2 layer is formed and reactive ion etching (RIT) of the Silane-SiO 2 + SiO 2 layer is performed to form interconnects (spacers) (Fig. 6).

9. Формирование стоков (n+-стоки). Следующая операция - окисление. Затем выполняют ФК «n+-стоки» и проводят ИЛ As+. При формировании n+-стоков происходит легирование затвора n-канального транзистора (n+-поликремниевый затвор).9. Formation of effluents (n + stocks). The next operation is oxidation. Then perform the FC "n + -stock" and conduct IL As + . During the formation of n + sources, the gate of the n-channel transistor is doped (n + polysilicon gate).

10. Формирование стоков (p+-стоки). Выполняют ФК «p+-стоки» и проводят ИЛ бором. При формировании p+-стоков происходит легирование затвора p-канального транзистора (p+-поликремниевый затвор). Затем методом ХОГФ осаждают слой «LPTEOS-SiO2». Далее проводят отжиг и выполняют быстрый отжиг (диффузия стоков) (Фиг.7).10. Formation of effluents (p + stocks). Perform FC "p + -stock" and conduct IL boron. When p + sources are formed, the gate of the p-channel transistor is doped (p + polysilicon gate). Then, a layer of "LPTEOS-SiO 2 " is precipitated by the method of CVD. Next, annealing is carried out and fast annealing (diffusion of effluents) is performed (Fig. 7).

11. Формирование высокоомных сопротивлений. Проводят ФЛГ: защищают области высокоомных сопротивлений и далее выполняют РИТ SiO2.11. The formation of high resistance. The FLG is carried out: they protect the region of high-resistance resistances and then perform RIT SiO 2 .

12. Формирование силицида титана. Формирование силицида титана начинают с напыления Ti и напыления TiN. Двухстадийная термообработка необходима для получения соединения TiSi2 (Фиг.8).12. The formation of titanium silicide. The formation of titanium silicide begins with Ti deposition and TiN deposition. A two-stage heat treatment is necessary to obtain the TiSi 2 compound (Fig. 8).

13. Формирование контактов. Проводят осаждение борофосфорного стекла («BPTEOS-SiO2»), его оплавление и осаждение «SATEOS-SiO2» с последующей ХМП. Формируют контакты: для этого проводят ФК «Контакты», далее выполняют процесс термозадубливания и проводят РИТ SiO2 (Фиг.9). Далее следует процесс напыления барьерных слоев Ti/TiN. Проводят осаждение вольфрама (W) и далее выполняют ХМП слоя W/TiN/Ti до SiO2 (Фиг.10).13. Formation of contacts. The precipitation of borophosphor glass ("BPTEOS-SiO 2 "), its melting and deposition of "SATEOS-SiO 2 " followed by CMP are carried out. Form contacts: for this, conduct FC “Contacts”, then perform the process of thermal suppression and conduct RIT SiO 2 (Figure 9). The following is the process of deposition of Ti / TiN barrier layers. The deposition of tungsten (W) and then perform the CMP layer W / TiN / Ti to SiO 2 (Figure 10).

14. Формирование первого уровня металлизации (разводки). Следующим этапом проводят напыление Ti/Al/Ti/TiN. Выполняют ФК «МЕТ1» и РИТ TiN/Ti/Al/Ti (Фиг.11). Далее осаждают толстый слой межуровнего диэлектрика («SATEOS-SiO2» и «PECVD-SiO2»). Проводят ХМП «PECVD OXIDE» (Фиг.12).14. The formation of the first level of metallization (wiring). The next step is the deposition of Ti / Al / Ti / TiN. Perform FC "MET1" and RIT TiN / Ti / Al / Ti (Fig.11). Next, a thick layer of inter-level dielectric is deposited (“SATEOS-SiO 2 ” and “PECVD-SiO 2 ”). Conduct HMP "PECVD OXIDE" (Fig.12).

15. Формирование «VIA-1». Затем выполняют ФК «VIA-1». Проводят РИТ SiO2 на всю толщину. Далее выполняют процесс напыления Ti/TiN и осаждения W и ХМП слоя W/TiN/Ti до SiO2 (Фиг.13).15. The formation of "VIA-1". Then perform the FC "VIA-1". RIT SiO 2 is carried out over the entire thickness. Next, perform the process of deposition of Ti / TiN and deposition of W and CMP layer W / TiN / Ti to SiO 2 (Fig.13).

16. Формирование второго уровня металлизации. Следующим этапом проводят напыление Ti/Al/Ti/TiN. Выполняют ФК «МЕТ2» и РИТ слоя TiN/Ti/Al/Ti (Фиг.14). На следующей стадии осаждают толстый межуровневый диэлектрик («SATEOS-SiO2» и «PECVD-SiO2») и проводят ХМП «VECW-SiO2».16. The formation of the second level of metallization. The next step is the deposition of Ti / Al / Ti / TiN. Perform FC "MET2" and RIT layer TiN / Ti / Al / Ti (Fig). In the next step, a thick inter-level dielectric (SATEOS-SiO 2 and PECVD-SiO 2 ) is precipitated and a VECW-SiO 2 CMP is performed.

17. Формирование «VIA-2». На следующем этапе выполняют ФК «VIA-2». Проводят РИТ SiO2 на всю толщину. Далее проводят напыление Ti/TiN, осаждение W и ХМП слоя W/TiN/Ti до SiO2.17. The formation of "VIA-2". At the next stage, FC VIA-2 is performed. RIT SiO 2 is carried out over the entire thickness. Next, a Ti / TiN sputtering, deposition of W and HMP of a W / TiN / Ti layer to SiO 2 is carried out.

Далее аналогичным образом реализуют:Then, in a similar manner, they implement:

18. Формирование третьего уровня металлизации.18. The formation of the third level of metallization.

19. Формирование «VIA-3».19. The formation of "VIA-3".

20. Формирование четвертого уровня металлизации. На данном технологическом этапе напыляют Ti и Al. Выполняют ФК «МЕТ4» и методом РИТ удаляют Al/Ti до оксида кремния (Фиг.15).20. The formation of the fourth level of metallization. At this technological stage, Ti and Al are sprayed. Perform FC "MET4" and the method of RIT remove Al / Ti to silicon oxide (Fig.15).

21. Формирование защитного диэлектрического слоя. Осаждают слой «SATEOS SiO2» и осаждают «PECVD SiN». Далее выполняют ФК «Пассивация» и проводят РИТ слоев «PECVD SiN», «SATEOS-SiO2». Заканчивают этот этап процессом вжигания Al. На Фиг.16 показана окончательная структура сформированной СБИС технологии КМОП/КНИ с n+- p+-поликремниевыми затворами.21. The formation of a protective dielectric layer. A "SATEOS SiO 2 " layer is precipitated and "PECVD SiN" is precipitated. Then, FC Passivation is performed and RITs of the layers “PECVD SiN”, “SATEOS-SiO 2 ” are carried out. Finish this step with Al. On Fig shows the final structure of the generated VLSI CMOS / SOI technology with n + - p + polysilicon gates.

2. Реализация технологического маршрута изготовления «MRAM».2. Implementation of the technological route of manufacturing "MRAM".

Процесс кристального производства состоит из нескольких основных блоков, что в свою очередь составляют более 400 сложных операций. Так как повышенная температура оказывает влияние на качество ячейки памяти и на ее работу, для уменьшения воздействия данного фактора формирование «MRAM» будет происходить на верхнем уровне металлизации. Проблему неоднородности свойств ЗЯ объясняют несовершенством производственного процесса. В предлагаемом способе реализации технологических маршрутов изготовление ЗЯ реализуется между третьим и четвертым уровнями металлизации, процессы формирования которых проводят при пониженных температурах.The process of crystal production consists of several main blocks, which in turn comprise more than 400 complex operations. Since the elevated temperature affects the quality of the memory cell and its operation, to reduce the impact of this factor, the formation of "MRAM" will occur at the upper level of metallization. The problem of the heterogeneity of the properties of Ws is explained by the imperfection of the production process. In the proposed method for the implementation of technological routes, the production of ZW is realized between the third and fourth metallization levels, the formation processes of which are carried out at low temperatures.

2.1. Формирование ячейки «MRAM» пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au с применением взрывной ФЛГ.2.1. Formation of a “MRAM” cell of a film multilayer ferromagnetic structure Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au using explosive PLG.

В общем, способ изготовления элемента можно описать следующим образом: на проводящем подслое Au/Ta формируют ячейки из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц. Диэлектрическую прослойку формируют естественным окислением тонкой пленки Ta с помощью напуска атмосферы в камеру магнетронного напыления. Для возможности хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрывают Au. Затем весь образец покрывают слоем диэлектрика Ta2O5, затем его удаляют с верхушек магнитных частиц взрывом оставшейся после ионного травления маски. Таким образом, двухслойные ферромагнитные ячейки помещают в диэлектрическую матрицу, и верхний золотой слой ячеек имеет выход на поверхность.In general, the method of manufacturing an element can be described as follows: on the conducting Au / Ta sublayer, cells are formed from a film multilayer ferromagnetic structure Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au by ion etching in an argon atmosphere in a complex combined mask using a negative electron resist determining the shape of the particles. The dielectric interlayer is formed by the natural oxidation of a thin Ta film using the atmosphere inlet into the magnetron sputtering chamber. To allow good contact, the upper magnetic layer of the particles is coated with Au. Then the whole sample is covered with a layer of a dielectric Ta 2 O 5 , then it is removed from the tops of the magnetic particles by explosion of the mask remaining after ion etching. Thus, bilayer ferromagnetic cells are placed in a dielectric matrix, and the upper gold layer of cells has an exit to the surface.

Более детально способ изготовления выглядит следующим образом.In more detail, the manufacturing method is as follows.

19-0∗). (∗)В двойной нумерации этапов «Х-Y» «X» означает порядковый номер этапа с начала формирования структуры БИС технологи КМОП/КНИ, «Y» означает порядковый номер этапа формирования одного из двух вариантов «MRAM», начиная с этапа формирования 3-го уровня металлизации, принятого за «О».)19-0 ∗) . ( ∗) In the double stage numbering “X-Y”, “X” means the sequence number of the stage from the beginning of the formation of the LSI structure of the CMOS / SOI technology, “Y” means the serial number of the stage of formation of one of the two “MRAM” options, starting from the formation stage 3 level of metallization, adopted as "O".)

Формирование третьего уровня металлизации (п.18 СБИС). В качестве исходной структуры применяли структуру СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», способ изготовления которой рассмотрен в п.0…18. На Фиг.17 показана процедура формирования «третьего уровня металлизации+«VIA-3»», что является продолжением процесса формирования окончательной структуры СБИС технологии КМОП/КНИ с запоминающими ячейками (ЗЯ) на основе элементов «MTJ».The formation of the third level of metallization (p. 18 VLSI). As the initial structure, the VLSI structure of the CMOS / SOI technology with STI insulation was used, the manufacturing method of which is described in Section 0 ... 18. On Fig shows the procedure for the formation of the "third level of metallization +" VIA-3 "", which is a continuation of the process of forming the final structure of the VLSI technology CMOS / SOI with storage cells (ZA) based on the elements of "MTJ".

20-1. Формирование нижнего немагнитного проводящего электрода. На всю поверхность наносят многослойную структуру Au/Ta методом магнетронного распыления (Фиг.18). Эта структура является нижним немагнитным проводящим электродом (Фиг.19). Тантал обеспечивает высокую адгезию к подложке и снимает напряжение в многослойной структуре, а золото в свою очередь обеспечивает высокую электропроводность структуры.20-1. The formation of the lower non-magnetic conductive electrode. A multilayer Au / Ta structure is applied over the entire surface by magnetron sputtering (FIG. 18). This structure is the lower non-magnetic conductive electrode (Fig.19). Tantalum provides high adhesion to the substrate and relieves stress in the multilayer structure, and gold, in turn, provides high electrical conductivity of the structure.

21-2. Формирование последовательных слоев ячейки. На поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый ферромагнитный слой (Co) и покрывают тонким слоем Ta (Фиг.20). Проводят естественное окисление слоя Ta через развакуумирование камеры или напуск кислорода. Этот слой является диэлектрической прослойкой между двумя магнитными слоями. На поверхность окисленного тантала TaOx методом магнетронного распыления наносится второй ферромагнитный слой (Co), затем слой Au. Верхний слой золота позволяет обеспечить малое сопротивление между ферромагнитным слоем и расширенной контактной площадкой (Фиг.21).21-2. The formation of successive cell layers. The first ferromagnetic layer (Co) is applied to the surface of the multilayer structure by magnetron sputtering and coated with a thin layer of Ta (FIG. 20). The Ta layer is naturally oxidized through chamber evacuation or oxygen injection. This layer is a dielectric layer between two magnetic layers. On the surface of oxidized tantalum TaO x by magnetron sputtering, a second ferromagnetic layer (Co) is deposited, followed by an Au layer. The upper layer of gold allows you to provide a small resistance between the ferromagnetic layer and the expanded contact pad (Fig.21).

22-3. Формирование многослойных магнитных ячеек. Для изготовления из слоя Co/TaOx/Co/Au многослойных магнитных ячеек на поверхность образца, в том числе, и на поверхность верхнего слоя Au структуры, наносят комбинированную маску, состоящую из: 1) термически обработанного негативного электронного резиста (P1); 2) многослойной металлической маски (Cu/V/Cu); 3) стандартного негативного электронного резиста ФП-9102 (на основе фенолальдегидных смол) («P2»). С дополнительным слоем резиста, перед нанесением на него металлической маски, проводят термическую обработку, что делает его устойчивым к стандартному щелочному проявителю (Фиг.22).22-3. The formation of multilayer magnetic cells. To make multilayer magnetic cells from a Co / TaO x / Co / Au layer, a combined mask is applied onto the surface of the sample, including the surface of the upper layer of the Au structure, consisting of: 1) a heat-treated negative electron resist (P1); 2) a multilayer metal mask (Cu / V / Cu); 3) standard negative electronic resistor FP-9102 (based on phenolaldehyde resins) ("P2"). With an additional layer of resist, before applying a metal mask to it, heat treatment is carried out, which makes it resistant to a standard alkaline developer (Fig. 22).

Проводят литографию (ЛГ): структуру экспонируют электронным пучком литографической системы. Обработка образца в проявителе приводит к формированию островков в верхнем слое маски - негативном электронном резисте, то есть области резиста, которые были обработаны электронным пучком, остаются. Эти островки резиста имеют форму будущих ячеек. При этом нижний слой маски - термически обработанный резист - не изменяется (Фиг.23). Проводят последовательное ионное травление (ИТ) слоев металлической маски (Фиг.24): ИТ Cu (в атмосфере аргона); ИТ V (в атмосфере фреона) (при этом нижний слой меди служит так называемым «стоп-слоем»); ИТ Cu (в атмосфере аргона). В результате на поверхности образца остается открытым слой негативного электронного резиста, и на нем с формой будущих магнитных ячеек лежит металлическая маска Cu/V/Cu. Далее со всей поверхности образца (за исключением областей, покрытых Cu/V/Cu) удаляют термически обработанный резист с помощью ИТ в атмосфере кислорода. При этом удаляют «P2» и верхний слой Cu. Слой ванадия при этом практически не изменяют. В результате на поверхности пленочной структуры Co/TaOx/Co/Au оставляют островки, состоящие из слоев резиста Cu и V, с латеральной формой будущих частиц (Фиг.25). Проводят ионное травление ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au в атмосфере аргона в маске Cu/V. В результате на поверхности нижнего подводящего электрода формируется многослойная ячейка Co/TaOx/Co/Au/резист/Cu/V (Фиг.26).Lithography (LH) is carried out: the structure is exposed to the electron beam of the lithographic system. Processing the sample in the developer leads to the formation of islands in the upper layer of the mask — the negative electron resist, that is, the resist regions that were processed by the electron beam remain. These resist islands are in the form of future cells. In this case, the lower layer of the mask — the heat-treated resist — does not change (Fig. 23). Conduct sequential ion etching (IT) of the layers of the metal mask (Fig.24): IT Cu (in an argon atmosphere); IT V (in the atmosphere of Freon) (in this case, the lower layer of copper serves as the so-called “stop-layer”); IT Cu (in argon atmosphere). As a result, a negative electron resist layer remains open on the sample surface, and a metal mask Cu / V / Cu lies on it with the shape of future magnetic cells. Then, the heat-treated resist is removed from the entire surface of the sample (with the exception of areas covered by Cu / V / Cu) using IT in an oxygen atmosphere. In this case, “P2” and the upper layer of Cu are removed. The vanadium layer is practically not changed. As a result, islands consisting of Cu and V resist layers with a lateral shape of future particles are left on the surface of the Co / TaO x / Co / Au film structure (FIG. 25). Ion etching of the ferromagnetic structure of Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au is carried out in an argon atmosphere in a Cu / V mask. As a result, a multilayer Co / TaO x / Co / Au / resist / Cu / V cell is formed on the surface of the lower supply electrode (Fig. 26).

23-4. Формирование изоляции. Магнитная ячейка должна быть окружена слоем диэлектрика, чтобы разделить нижнюю и верхнюю контактные площадки. На всю поверхность образца наносится слой диэлектрика Ta2O5 толщиной, равной толщине слоя Co/TaOx/Co/Au (Фиг.27).23-4. The formation of isolation. The magnetic cell must be surrounded by a dielectric layer to separate the lower and upper pads. A Ta 2 O 5 dielectric layer is applied over the entire surface of the sample, equal to the thickness of the Co / TaO x / Co / Au layer (Fig. 27).

24-5. Взрывная фотолитография. Проводят процесс «lift-off», а именно оставшуюся маску с термически обработанным резистом на поверхности магнитных частиц удаляют в специальном растворе щелочи (аналог «remover»). В результате формируют магнитные ячейки, упакованные в диэлектрическую матрицу и имеющие выход на поверхность (Фиг.28).24-5. Explosive photolithography. The “lift-off” process is carried out, namely, the remaining mask with a heat-treated resist on the surface of the magnetic particles is removed in a special alkali solution (analogue of “remover”). As a result, magnetic cells are formed, packed in a dielectric matrix and having an exit to the surface (Fig. 28).

25-6. Формирование четвертого уровня металлизации. На данном технологическом этапе напыляют Ti/Al. Выполняют ФК «МЕТ4» и методом РИТ удаляют Al/Ti (Фиг.29).25-6. The formation of the fourth level of metallization. At this process stage, Ti / Al is sprayed. Perform FC "MET4" and the method of RIT remove Al / Ti (Fig.29).

26-7. Формирование защитного диэлектрического слоя. Осаждают слой «SATEOS-SiO2» и осаждают «PECVD-SiN». Далее выполняют ФК «Пассивация» и проводят РИТ слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO2» (Фиг.30).26-7. The formation of a protective dielectric layer. A “SATEOS-SiO 2 ” layer is precipitated and “PECVD-SiN” is precipitated. Then, FC Passivation is performed and RITs of the layers “PECVD-SiN”, “SATEOS-SiO 2 ” are carried out (Fig. 30).

На Фиг.31 показана окончательная структура «MRAM» на СБИС технологии КМОП/КНИ с n+- p+-поликремниевыми затворами.On Fig shows the final structure of "MRAM" on the VLSI technology CMOS / SOI with n + - p + polysilicon gates.

2.1. Формирование ячейки «MRAM», работающей в переключательном режиме, методом Савченко из пленочной многослойной ферромагнитной структуры.2.1. Formation of the “MRAM” cell operating in the switching mode by the Savchenko method from a film multilayer ferromagnetic structure.

Режим переключения Савченко основан на уникальном поведении составного антиферромагнитного свободного слоя («SAF»), который формируется из двух ферромагнитных слоев, разделенных тончайшей немагнитной прослойкой, связывающей их вместе. Сама ячейка памяти и микросхема на ее основе представляют собой многослойную структуру, состоящую из следующих слоев (Фиг.32-а)): базовый электрод; антиферромагнетик (слой «Pinning»); стабильный слой (ферромагнетик, прослойка Ru, ферромагнетик); туннельная прослойка-диэлектрик (Al2O3); свободный слой (ферромагнетик, прослойка Ru, ферромагнетик); верхний электрод. Кроме того, отдельные элементы памяти должны быть объединены в матрицу памяти, определяемую архитектурой микросхемы (Фиг.32-б)).The Savchenko switching mode is based on the unique behavior of the composite antiferromagnetic free layer (“SAF”), which is formed from two ferromagnetic layers separated by the thinnest non-magnetic layer connecting them together. The memory cell itself and the microcircuit based on it are a multilayer structure consisting of the following layers (Fig. 32-a)): base electrode; antiferromagnet (“Pinning” layer); stable layer (ferromagnet, Ru interlayer, ferromagnet); dielectric tunnel layer (Al 2 O 3 ); free layer (ferromagnet, Ru interlayer, ferromagnet); upper electrode. In addition, the individual memory elements must be combined into a memory matrix, determined by the architecture of the chip (Fig.32-b)).

Способ изготовления этой структуры включает следующие технологические этапы.A method of manufacturing this structure includes the following process steps.

19-0. Формирование третьего уровня металлизации. В качестве исходной структуры применяют СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», технологический маршрут изготовления которой рассмотрен в п.0-21 для СБИС, до этапа формирования четвертого уровня металлизации (Фиг.33). На всю поверхность наносится многослойная структура Au/Та методом магнетронного распыления (Фиг.18). Эта структура является нижним немагнитным проводящим электродом (Фиг.34). Тантал обеспечивает высокую адгезию к подложке и снимает напряжение в многослойной структуре, а золото в свою очередь обеспечивает высокую электропроводность структуры.19-0. The formation of the third level of metallization. As the initial structure used VLSI CMOS / SOI technology with insulation "STI", the production route of which is discussed in paragraphs 0-21 for VLSI, until the stage of formation of the fourth metallization level (Fig. 33). A multilayer Au / Ta structure is applied over the entire surface by magnetron sputtering (Fig. 18). This structure is the lower non-magnetic conductive electrode (Fig. 34). Tantalum provides high adhesion to the substrate and relieves stress in the multilayer structure, and gold, in turn, provides high electrical conductivity of the structure.

20-1. Формирование стабильного слоя ячейки. На поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый антиферромагнитный слой («Pinning), наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика (Фиг.35).20-1. Formation of a stable cell layer. On the surface of the multilayer structure by the method of magnetron sputtering, a first antiferromagnetic layer (“Pinning”) is applied, a layer of a ferromagnet is applied, then a layer of Ru and a layer of a ferromagnet (Fig. 35).

21-2. Формирование туннельной прослойки диэлектрика и свободного слоя ячейки. Осаждают диэлектрик Al2O3. Толщину туннельной прослойки между ферромагнитными электродами выбирают оптимальной толщины с возможностью пропускания тока через элемент «MTJ» с сопротивлением порядка 105 Ом·мкм2. Далее методом магнетронного распыления наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru, слой ферромагнетика и затем слой Au (Фиг.36).21-2. Formation of a tunneling layer of a dielectric and a free layer of a cell. The dielectric Al 2 O 3 is precipitated. The thickness of the tunnel layer between the ferromagnetic electrodes is chosen to the optimum thickness with the possibility of passing current through the MTJ element with a resistance of the order of 10 5 Ω · μm 2 . Next, by a method of magnetron sputtering, a layer of a ferromagnet is applied, then a layer of Ru, a layer of a ferromagnet and then a layer of Au (Fig. 36).

22-3. Формирование многослойных магнитных ячеек. Далее из слоя, полученного в п.21-2, формируют многослойные магнитные ячейки. На поверхность образца, в том числе и на поверхность верхнего слоя Au структуры, наносят ФР, выполняют ФК по фотошаблону (ФШ) «Ячейки» и проводят операцию термозадубливания ФР. Проводят ИТ многослойной ферромагнитной структуры (Фиг.37). Удаляют ФР.22-3. The formation of multilayer magnetic cells. Further, multilayer magnetic cells are formed from the layer obtained in p.21-2. On the surface of the sample, including on the surface of the upper layer of the Au structure, a DF is deposited, a FC is made according to the "cells" photo template (FS) and the DF is thermally suppressed. Spend IT multilayer ferromagnetic structure (Fig.37). Remove the FR.

23-4. Формирование изоляции (Фиг.40). Магнитная ячейка должна быть окружена слоем диэлектрика, чтобы разделить нижнюю и верхнюю контактные площадки. Для этого на всю поверхность образца наносят слой диэлектрика Ta2O5 толщиной, равной толщине слоев ячейки (Фиг.38). Наносят толстый слой ФР (Фиг.39). Для планаризации поверхности выполняют процесс ПХТ слоев ФР и Ta2O5, в котором подбирается одинаковая скорость травления данных материалов.23-4. The formation of insulation (Fig.40). The magnetic cell must be surrounded by a dielectric layer to separate the lower and upper pads. To do this, a dielectric layer of Ta 2 O 5 is applied to the entire surface of the sample, equal to the thickness of the cell layers (Fig. 38). Apply a thick layer of FR (Fig. 39). To planarize the surface, the PCT process of the FR and Ta 2 O 5 layers is performed, in which the same etching rate of these materials is selected.

24-5. Формирование четвертого уровня металлизации. На этом этапе осаждают Ti и Al. Выполняют ФК «МЕТ4» и методом РИТ удаляют Al/Ti (Фиг.41).24-5. The formation of the fourth level of metallization. At this stage, Ti and Al are precipitated. Perform FC "MET4" and the method of RIT remove Al / Ti (Fig.41).

25-6. Формирование защитного диэлектрического слоя. Осаждают слой «SATEOS-S702» и осаждают «PECVD-S7JV». Далее выполняют ФК «Пассивация» и проводят РИТ слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO2» (Фиг.42).25-6. The formation of a protective dielectric layer. Precipitate the "SATEOS-S702" layer and precipitate "PECVD-S7JV". Next, perform FC "Passivation" and conduct RIT layers "PECVD-SiN", "SATEOS-SiO 2 " (Fig. 42).

По предложенному способу из многослойной пленки были изготовлены для проверки технологии и контроля топологии магниторезистивного элемента двухслойные магнитные частицы Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au с электродами для пропускания тока, и была измерена вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая представлена на Фиг.43. Как следует из приведенных данных Фиг.43, ВАХ является нелинейной, что свидетельствует о наличии туннельного барьера между электродами. Сопротивление структуры составило около 104 Ом при субмикронной площади частицы. Для проверки качества и количества материалов, составляющих исследуемый элемент, были проведены методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) структурные исследования пленочной структуры, которая лежит в основе элемента «MTJ». Измерения проводились на установке, оснащенной масс-анализатором времяпролетного типа. Типичный предел обнаружения элементов в установке ВИМС составляет 1016 ат/см3. Это позволило разделить отдельные слои в структуре - верхний слой Au толщиной около 40 нм, затем слой Co - 15 нм, Ta (TaO) - 2÷4 нм, Co - 15 нм, пять чередующихся слоев Au/Ta общей толщиной 40 нм и наконец - подложка Si.According to the proposed method, two-layer magnetic particles Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au with electrodes for transmitting current were made from a multilayer film to test the technology and control the topology of the magnetoresistive element, and the current-voltage characteristic (IVC) was measured, which is represented on Fig. As follows from the data of FIG. 43, the I – V characteristic is nonlinear, which indicates the presence of a tunnel barrier between the electrodes. The resistance of the structure was about 10 4 Ohms with a submicron area of the particle. To check the quality and quantity of the materials that make up the element under study, structural studies of the film structure, which underlies the MTJ element, were carried out by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The measurements were carried out on a setup equipped with a time-of-flight mass analyzer. A typical detection limit of elements in a SIMS installation is 10 16 at / cm 3 . This made it possible to separate the individual layers in the structure — the upper Au layer about 40 nm thick, then the Co layer — 15 nm, Ta (TaO) —2–4 nm, Co — 15 nm, five alternating Au / Ta layers with a total thickness of 40 nm, and finally - Si substrate.

Наиболее сложной в технологическом отношении являет область структуры Co/TaO/Co, качество изготовления этого промежутка в значительной степени определяет и магнитотранспортные свойства структуры в целом. Установка ВИМС позволяет регистрировать как элементарные ионы Ta, так и его кластеры с кислородом - TaO-. Та присутствует в одинаковой концентрации в нескольких слоях структуры. В то же время, ион TaO- в значительном количестве наблюдается только в промежутке между двумя слоями Co. Полученные данные позволяют характеризовать эту часть структуры именно как Co/TaO/Co. Ширина слоя TaO, измеренная на полувысоте профиля, составляет 4 нм.The most technologically challenging is the region of the Co / TaO / Co structure; the manufacturing quality of this gap largely determines the magnetotransport properties of the structure as a whole. The SIMS facility allows one to detect both elementary Ta ions and its clusters with oxygen - TaO - . That is present in the same concentration in several layers of the structure. At the same time, TaO - ion in a significant amount is observed only in the interval between two layers of Co. The data obtained allow us to characterize this part of the structure precisely as Co / TaO / Co. The TaO layer width measured at half maximum of the profile is 4 nm.

На Фиг.44 приведено распределение элементов примеси с наибольшей концентрацией в структуре. Элементы Al, Cr, Fe коррелируют со слоями Co и Ta. По-видимому, их источником являются мишени Со и Та, используемые при магнетронном напылении. Наибольшую концентрацию среди этих элементов имеет Al, она составила около 1019 ат/см3. Примеси C и O коррелируют со слоями Ta, наиболее вероятным их источником является остаточная атмосфера камеры напыления. Максимальное значение концентрации атомов составило около 5·1020 ат/см3 в двух областях структуры на переходах «подложка Si - слой» и «слой 5·(Au/Ta) - Co». Присутствует также примесь C и в меньшем количестве - F и Cl. Источником этих примесей, по-видимому, являлась остаточная атмосфера камеры. Были изготовлены и доведены до токовых измерений 12 структур «MTJ». Первые 7 образцов различались, главным образом, в способах формирования туннельных барьеров. Они были изготовлены по методике с использованием Au в качестве контактных материалов. Ферромагнитные частицы в этих магниторезистивных элементах имели размер 300×500 нм и больше. Второй и третий образцы Co/TaOx/Co показали наличие магнетосопротивления порядка 1% и 3%, соответственно. Изготовление данных образцов различалось давлением при окислении прослойки Ta - 0,1 и 1,0 атм кислорода соответственно. Была определена оптимальная толщина барьера TaOx. Если туннельный барьер изготавливался из пленки Ta толщиной менее 2 нм, то BAX образов имела линейный (не туннельный характер). Образец №7 был сформирован аналогичным образом, что и №3, и обладал такими же гальвано-магнитными свойствами, показал такое же магнетосопротивление - порядка 3%. Это позволяет говорить о создании воспроизводимого способа формирования многослойных элементов, обладающих магнетосопротивлением.Fig. 44 shows the distribution of impurity elements with the highest concentration in the structure. Elements Al, Cr, Fe correlate with Co and Ta layers. Apparently, their source is Co and Ta targets used in magnetron sputtering. Al has the highest concentration among these elements; it was about 10 19 at / cm 3 . Impurities C and O correlate with Ta layers; their most probable source is the residual atmosphere of the deposition chamber. The maximum value of the concentration of atoms was about 5 · 10 20 at / cm 3 in two regions of the structure at the transitions “Si substrate - layer” and “layer 5 · (Au / Ta) - Co”. Impurity C is also present, and in lesser amounts F and Cl. The source of these impurities, apparently, was the residual atmosphere of the chamber. 12 MTJ structures were fabricated and brought to current measurements. The first 7 samples differed mainly in the methods of forming tunnel barriers. They were made by the method using Au as contact materials. The ferromagnetic particles in these magnetoresistive elements had a size of 300 × 500 nm or more. The second and third Co / TaO x / Co samples showed the presence of magnetoresistance of the order of 1% and 3%, respectively. The fabrication of these samples differed in pressure during the oxidation of the Ta interlayer — 0.1 and 1.0 atm of oxygen, respectively. The optimum TaO x barrier thickness was determined. If the tunneling barrier was made of Ta film with a thickness of less than 2 nm, then the BAX images had a linear (non-tunneling character). Sample No. 7 was formed in the same way as No. 3, and had the same galvanic-magnetic properties, showed the same magnetoresistance - about 3%. This allows us to talk about creating a reproducible method of forming multilayer elements with magnetoresistance.

Изготовление магниторезистивных элементов и линеек из однотипных элементов. Были изготовлены 15 итераций образцов магниторезистивных элементов различной конструкции и размера. Каждый из образцов - чипов - состоял из порядка 100 независимых магниторезистивных элементов. Для определенности каждый элемент имеет номер, состоящий из номера ряда и порядкового номера элемента в ряду. Все элементы имели общий (нижний) электрод и наверху, над каждым элементом была сформирована отдельная контактная площадка. Для проведения экспериментов по перемагничиванию магниторезистивных элементов полем протекающего тока и изучения влияния внешних полей на магнитное состояние элемента и сохранность информации в нем методом электронной литографии на базовом проводнике были изготовлены цепочки ферромагнитных частиц субмикронного размера. Как показали исследования во внешнем магнитном поле на магнитном силовом микроскопе (МСМ) величина коэрцитивного поля частиц составляет порядка 200-250 Гс.Production of magnetoresistive elements and rulers from the same type of elements. 15 iterations of samples of magnetoresistive elements of various designs and sizes were made. Each of the samples - chips - consisted of about 100 independent magnetoresistive elements. For definiteness, each element has a number consisting of the row number and the serial number of the element in the row. All elements had a common (lower) electrode and at the top, a separate contact area was formed above each element. To carry out experiments on the magnetization reversal of magnetoresistive elements by the field of the flowing current and to study the effect of external fields on the magnetic state of the element and the safety of information in it using electron lithography on a base conductor, chains of ferromagnetic particles of submicron size were made. As shown by studies in an external magnetic field using a magnetic force microscope (MSM), the coercive particle field is about 200-250 G.

Результаты исследования электрофизических параметров магнитных многослойных структур. Зависимость магнетосопротивления одного из магнитных элементов от магнитного поля, приложенного вдоль длинной оси магнитного элемента, эллиптической формы (размер 300×200 нм) представлена на Фиг.45 (падение напряжения 100 мВ). Величина магнетосопротивления составила порядка 3%. Сопротивление структуры составляло ~10 кОм, измерения проводились при пропускании тока ~1-50 µА (падение напряжения 10-500 мВ). Величина магнетосопротивления составила ~3% при падении напряжения 10 мВ и плавно уменьшалась с ростом измерительного тока. Вид кривых магнетосопротивления можно объяснить следующим образом: при приложении внешнего магнитного поля порядка 500 Э намагниченности слоев становятся коллинеарными. Если магнитное поле уменьшать, то намагниченности слоев начинают разворачиваться относительно друг друга, т.е. возникает угловое состояние. Этот разворот происходит до магнитного поля величины порядка нуля эрстед. При изменении направления внешнего поля на кривой R(H) скачек - частица перешла в антиферромагнитное состояние, намагниченности слоев противоположно направлены. Это состояние является устойчивым до полей порядка 500 Э, при увеличении поля магнетосопротивление R(H) скачком уменьшается, что соответствует переходу частицы в состояние с ферромагнитным упорядочиванием слоев.The results of the study of the electrophysical parameters of magnetic multilayer structures. The dependence of the magnetoresistance of one of the magnetic elements on the magnetic field applied along the long axis of the magnetic element, elliptical shape (size 300 × 200 nm) is shown in Fig. 45 (voltage drop 100 mV). The magnitude of magnetoresistance was about 3%. The structure resistance was ~ 10 kOhm; measurements were carried out with a current passing of ~ 1-50 μA (voltage drop of 10-500 mV). The magnitude of magnetoresistance was ~ 3% at a voltage drop of 10 mV and gradually decreased with increasing measuring current. The shape of the magnetoresistance curves can be explained as follows: when an external magnetic field of the order of 500 Oe is applied, the magnetizations of the layers become collinear. If the magnetic field is reduced, then the magnetizations of the layers begin to unfold relative to each other, i.e. an angular state occurs. This reversal occurs to a magnetic field of the order of zero oersted. With a change in the direction of the external field on the R (H) curve of the jumps, the particle passed into the antiferromagnetic state, the magnetizations of the layers are oppositely directed. This state is stable up to fields of the order of 500 Oe; with an increase in the field, the magnetoresistance R (H) abruptly decreases, which corresponds to the transition of a particle to a state with ferromagnetic ordering of the layers.

С уменьшением размера магниторезистивного элемента удалось добиться, чтобы существовало только два устойчивых состояния во внешнем магнитном поле. Зависимость магнетосопротивления одного из магнитных элементов от магнитного поля, приложенного вдоль длинной оси магнитного элемента, эллиптической формы (размер 200×100 нм) представлена на Фиг.46. Величина магнетосопротивления составила порядка 2%. Фактически этот элемент позволяет хранить информацию при выключении поля. Результаты измерения зависимости сопротивления от магнитного поля, направленного вдоль короткой оси частицы, представлены на Фиг.47. Эти измерения показывают, что сопротивление системы пропорционально косинусу угла между магнитными моментами слоев. Таким образом, продемонстрирована возможность наблюдения магнетосопротивления в двухслойной магнитной структуре Au/Co/TaOx/Co/Au. Полученные результаты открывают возможность разработки конструкции магниторезистивных элементов запоминающих устройств на основе эффекта туннельного магнетосопротивления. Этот результат был достигнут благодаря разработке и освоению способа изготовления магниторезистивных элементов с размерами 100×200 нм, помещенных между подводящими электродами.With a decrease in the size of the magnetoresistive element, it was possible to achieve that only two stable states exist in an external magnetic field. The dependence of the magnetoresistance of one of the magnetic elements on the magnetic field applied along the long axis of the magnetic element, elliptical shape (size 200 × 100 nm) is shown in Fig. 46. The magnitude of magnetoresistance was about 2%. In fact, this element allows you to store information when you turn off the field. The results of measuring the dependence of resistance on a magnetic field directed along the short axis of the particle are presented in Fig. 47. These measurements show that the resistance of the system is proportional to the cosine of the angle between the magnetic moments of the layers. Thus, the possibility of observing magnetoresistance in a two-layer magnetic structure Au / Co / TaO x / Co / Au has been demonstrated. The results obtained make it possible to develop the design of magnetoresistive elements of storage devices based on the effect of tunnel magnetoresistance. This result was achieved thanks to the development and development of a method for manufacturing magnetoresistive elements with dimensions of 100 × 200 nm, placed between the supply electrodes.

Измерение вольт-амперных характеристик (BAX) многослойных структур. Была разработана методика измерений вольт-амперных характеристик при наличии или отсутствии внешнего магнитного поля в диапазоне температур от 77 К до 300 К. При ожидаемом сопротивлении магниторезистивного элемента порядка 10 кОм данная методика измерений позволяет регистрировать изменение сопротивления структур с максимальной погрешностью ±0,1-0,3%.Measurement of current-voltage characteristics (BAX) of multilayer structures. A procedure was developed for measuring the current-voltage characteristics in the presence or absence of an external magnetic field in the temperature range from 77 K to 300 K. With an expected resistance of the magnetoresistive element of the order of 10 kOhm, this measurement technique allows you to register a change in the resistance of structures with a maximum error of ± 0.1-0 , 3%.

Наиболее характерные положительные результаты измерений BAX многослойных магниторезистивных структур представлены на Фиг.43. Видно, что BAX всех приведенных образцов (образец 7, элементы на чипе выбраны произвольно) имеют существенно нелинейный характер, т.е. изготовлены действительно туннельные гетероструктуры. Также видно, что BAX различных образцов (изготовленных в различных технологических циклах) близки, что говорит о воспроизводимости результатов и точности методики изготовления образцов.The most characteristic positive BAX measurements of multilayer magnetoresistive structures are presented in FIG. 43. It can be seen that the BAX of all the given samples (sample 7, elements on the chip are chosen arbitrarily) are essentially nonlinear, i.e. really tunnel heterostructures are made. It can also be seen that the BAX of various samples (manufactured in different technological cycles) are close, which indicates the reproducibility of the results and the accuracy of the sample production methodology.

Разброс сопротивлений по чипу составляет порядка 20%, что связано с линейным изменением размеров частиц по образцу, обусловленным особенностями используемого режима электронной литографии, т.е. изменением площади элемента.The spread of resistance across the chip is about 20%, which is associated with a linear change in particle size over the sample, due to the features of the electronic lithography mode used, i.e. changing the area of an element.

На Фиг.48 и Фиг.49 приведены BAX, полученные цифровыми методами, и зависимости сопротивления элемента от напряжения R(U) для четырех случайно выбранных магниторезистивных элементов, расположенных на одном чипе. Как следует из анализа полученных данных, зависимости измеренных параметров для всех условий эксперимента у разных элементов близки друг другу.Figures 48 and 49 show BAX obtained by digital methods, and the dependence of the element resistance on voltage R (U) for four randomly selected magnetoresistive elements located on the same chip. As follows from the analysis of the obtained data, the dependences of the measured parameters for all experimental conditions for different elements are close to each other.

Исследование процессов перемагничивания элементов памяти. Для исследования возможности перемагничивания ферромагнитных наночастиц полем электрического тока была изготовлена серия тестовых образцов. Каждый образец включал цепочку ферромагнитных наночастиц. Образцы изготавливались методом фотолитографии на кремниевой подложке. Методом электронной литографии на базовом проводнике была изготовлена цепочка эллиптических ферромагнитных частиц с различными длинами полуосей эллипса и толщиной 25 нм. Размер, форма и толщина частиц были выбраны таким образом, чтобы их основное состояние было однородно намагниченным. На Фиг.50 приведено изображение на АСМ тестового образца с расположенными на нем частицами. Эксперименты по перемагничиванию ферромагнитных наночастиц магнитным полем электрического тока проводились в вакуумной камере сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Для этого через шлюз внутрь вакуумной камеры были заведены провода, при помощи которых на образец подавалось напряжение. Выбранная схема эксперимента обеспечивала возможность, во-первых, пропускания тока через образец (иными словами создание магнитного поля электрическим током). Во-вторых, приложение внешнего магнитного поля величиной индукции до 800 Гс при помощи встроенного электромагнита. В-третьих, методом магнитной силовой микроскопии (МСМ) возможно было осуществлять непосредственный контроль магнитных состояний исследуемых ферромагнитных наночастиц. Вначале были сделаны оценки величины коэрцитивного поля изготовленных частиц. Как показали МСМ исследования МСМ, приложение внешнего магнитного поля индукцией 300 Гс вдоль длинной оси частиц достаточно для перемагничивания всей цепочки частиц. На Фиг.51 показан участок массива ферромагнитных частиц после намагничивания в магнитном поле величиной индукции 300 Гс, направление длинной оси частиц совпадает с горизонтальной осью на рисунке. Направление прикладываемого магнитного поля слева-направо («+ направление»). При приложении магнитного поля противоположной ориентации (справа-налево, или «- направление») индукцией -250 Гс происходит перемагничивание одной частицы (Фиг.52). Таким образом, коэрцитивное поле частиц составляет порядка 250-280 Гс. Далее были проведены эксперименты по перемагничиванию ферромагнитных наночастиц магнитным полем, создаваемым постоянным током. Схема эксперимента по пропусканию тока приведена на Фиг.53. Как следует из Фиг.53, геометрия структуры подобрана таким образом, чтобы линии магнитного поля, создаваемого постоянным током, совпадали с длинной осью частиц (осью легкого намагничивания). Поскольку направление магнитного поля тока изначально известно не было, то за начальное состояние было выбрано размагниченное состояние цепочки частиц, в котором присутствуют частицы с различным направлением вектора намагниченности. Было показано, что перемагничивание частиц не происходит вплоть до величины тока 120 мА (что соответствует плотности тока ~107 А/см2), при дальнейшем увеличении тока происходило разрушение провода. Были проведены эксперименты по перемагничиванию током в импульсном режиме (длительность импульса 200 нс). Показано, что при амплитуде импульса 40 В не происходит перемагничивания частиц, при увеличении амплитуды импульса до 50 В (что соответствует плотности тока ~108 А/см2) происходит разрушение провода. Перемагничивание частиц было реализовано в импульсном режиме во внешнем подмагничивающем магнитном поле. Последовательные стадии эксперимента приведены на Фиг.54. Был выбран участок цепочки с частицами размером 500 нм на 300 нм и проведены исследования коэрцитивных полей частиц на данном участке. Для перемагничивания током была выбрана центральная на Фиг.54 частица с коэрцитивным полем 250 Гс (стадия 1). Перемагничивание током данной частицы происходило при подаче импульсов амплитудой 25 В (амплитуда импульсов была выбрана специально в два раза меньше пороговой амплитуды 50 В, при которой происходит разрушение металлизации) и подаче подмагничивающего внешнего магнитного поля, совпадающего по направлению с магнитным полем тока, величиной 50 Гс (стадия 2). Таким образом, величина индуктивности магнитного поля, создаваемого током в таком режиме, составляла порядка 200 Гс.Research of processes of magnetization reversal of memory elements. To study the possibility of magnetization reversal of ferromagnetic nanoparticles by an electric current field, a series of test samples was made. Each sample included a chain of ferromagnetic nanoparticles. Samples were prepared by photolithography on a silicon substrate. Using electronic lithography on a base conductor, a chain of elliptic ferromagnetic particles with different lengths of the semiaxes of the ellipse and a thickness of 25 nm was fabricated. The size, shape and thickness of the particles were chosen so that their ground state was uniformly magnetized. On Fig shows the image on the AFM test sample with particles located on it. Experiments on magnetization reversal of ferromagnetic nanoparticles by a magnetic field of an electric current were carried out in a vacuum chamber of a scanning probe microscope (SPM). To do this, wires were brought into the vacuum chamber through a lock in which voltage was applied to the sample. The chosen experimental design provided, firstly, the possibility of passing current through the sample (in other words, creating a magnetic field by electric current). Secondly, the application of an external magnetic field with an induction value of up to 800 Gs using the built-in electromagnet. Thirdly, using magnetic force microscopy (MSM), it was possible to directly monitor the magnetic states of the studied ferromagnetic nanoparticles. Initially, estimates of the coercive field of the manufactured particles were made. As shown by MSM studies of MSM, the application of an external magnetic field by induction of 300 G along the long axis of the particles is sufficient for magnetization reversal of the entire chain of particles. On Fig shows a plot of an array of ferromagnetic particles after magnetization in a magnetic field with an induction value of 300 G. The direction of the long axis of the particles coincides with the horizontal axis in the figure. The direction of the applied magnetic field from left to right ("+ direction"). When a magnetic field is applied in the opposite orientation (from right to left, or "- direction"), a magnetization reversal of one particle occurs with an induction of -250 G (Fig. 52). Thus, the coercive particle field is of the order of 250-280 G. Next, experiments were conducted on the magnetization reversal of ferromagnetic nanoparticles with a magnetic field created by direct current. The scheme of the experiment for transmitting current is shown in Fig. 53. As follows from Fig. 53, the geometry of the structure is selected so that the lines of the magnetic field created by the direct current coincide with the long axis of the particles (axis of easy magnetization). Since the direction of the magnetic field of the current was not initially known, the demagnetized state of the particle chain, in which particles with different directions of the magnetization vector were present, was chosen as the initial state. It was shown that magnetization reversal of particles does not occur up to a current of 120 mA (which corresponds to a current density of ~ 10 7 A / cm 2 ), with a further increase in current, the wire was destroyed. Experiments were carried out on magnetization reversal by current in a pulsed mode (pulse duration 200 ns). It is shown that with a pulse amplitude of 40 V, magnetization reversal does not occur, with an increase in the pulse amplitude to 50 V (which corresponds to a current density of ~ 10 8 A / cm 2 ), the wire is destroyed. The magnetization reversal of particles was realized in a pulsed mode in an external magnetizing magnetic field. The subsequent stages of the experiment are shown in Fig. 54. A section of the chain with particles 500 nm by 300 nm in size was selected, and coercive particle fields were studied in this section. For magnetization reversal by a current, the central particle in Fig. 54 with a coercive field of 250 G was selected (stage 1). The magnetization reversal by the current of this particle occurred when pulses with an amplitude of 25 V were applied (the pulse amplitude was specially chosen two times less than the threshold amplitude of 50 V at which the metallization was destroyed) and a magnetizing external magnetic field coinciding in direction with the current magnetic field of 50 G. (stage 2). Thus, the magnitude of the inductance of the magnetic field generated by the current in this mode was about 200 G.

Проведенные измерения свидетельствуют о реализации эффекта «MTJ» на сформированных магнитных элементах с латеральными размерами 100×200×25 нм, что позволяет интегрировать эти элементы в структуру «MRAM», с формированием электрических шин управления процессами записи/чтения информации в электронном виде.The measurements indicate the implementation of the "MTJ" effect on the formed magnetic elements with lateral dimensions of 100 × 200 × 25 nm, which allows you to integrate these elements into the structure of "MRAM", with the formation of electric buses for controlling the processes of recording / reading information in electronic form.

Процедура перемагничивания «MRAM» с архитектурой по методу Савченко реализуется аналогичным способом.The magnetization reversal procedure “MRAM” with architecture according to the Savchenko method is implemented in a similar way.

Предложенные варианты технического решения, основанные на интеграции технологии формирования матрицы памяти «STT-MRAM» с улучшенным магнитным гистерезисом магнитных элементов в структуру СБИС технологии «комплементарный-металл-оксид-полупроводник/кремний-на-изоляторе» (КМОП/КНИ), позволяют создать единую структуру СБИС «STT-MRAM/CMOS/SOI» с широкими функциональными возможностями: ПЛИС, микропроцессор с ОЗУ и ПЗУ и т.п.The proposed technical solutions based on the integration of STT-MRAM memory matrix formation technology with improved magnetic hysteresis of magnetic elements into the VLSI structure of the “complementary-metal-oxide-semiconductor / silicon-on-insulator” (CMOS / SOI) technology allow unified VLSI "STT-MRAM / CMOS / SOI" structure with wide functional capabilities: FPGA, microprocessor with RAM and ROM, etc.

ПРИЛОЖЕНИЕ «A»: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАТЕРАЛЬНО-ОГРАНИЧЕННЫХ МАГНИТНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРAPPENDIX A: METHOD FOR PRODUCING LATERALLY LIMITED MAGNETIC MULTILAYER STRUCTURES

Для того чтобы магниторезистивный элемент мог служить ячейкой памяти, в нем должно быть устойчиво только два магнитных состояния, соответствующих «0» и «1». Было предложено сделать магнитную часть магниторезистивного элемента в виде тонкой двухслойной эллиптической частицы с субмикронными латеральными размерами, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким немагнитным диэлектрическим слоем. Подобное предложение не является оригинальным, например, см. /2, 3, 4/.In order for the magnetoresistive element to serve as a memory cell, only two magnetic states corresponding to “0” and “1” must be stable in it. It was proposed to make the magnetic part of the magnetoresistive element in the form of a thin two-layer elliptical particle with submicron lateral dimensions, consisting of two ferromagnetic layers separated by a thin non-magnetic dielectric layer. Such a proposal is not original, for example, see / 2, 3, 4 /.

Анизотропия формы создает легкую ось по длинной оси эллипса. При подходящем выборе геометрических параметров частицы, соотношении латеральных размеров и толщины каждый из магнитных слоев частицы будет всегда однородно намагничен вдоль легкой оси анизотропии. В этом случае возможно реализация двух состояний с ферромагнитным и антиферромагнитным упорядочиванием между слоями.Anisotropy of the shape creates a light axis along the long axis of the ellipse. With a suitable choice of the geometric parameters of the particle, the ratio of lateral sizes and thickness, each of the magnetic layers of the particle will always be uniformly magnetized along the easy axis of anisotropy. In this case, it is possible to realize two states with ferromagnetic and antiferromagnetic ordering between the layers.

Использование эллиптической формы. Необходимо отметить, что антиферромагнитное состояние может быть реализовано двумя способами: либо на магнитостатическом взаимодействии между слоями частицами, либо при формировании магнитомягкого (свободного) и магнитожесткого (высококоэрцитивного) слоя. В рамках этого технического решения предприняты попытки реализовать антиферромагнитное упорядочивание обоими способами. Ферромагнитное упорядочивание между слоями всегда может быть достигнуто в больших полях намагничивания.Using an elliptical shape. It should be noted that the antiferromagnetic state can be realized in two ways: either in the magnetostatic interaction between the layers of particles, or in the formation of a soft magnetic (free) and magnetically hard (highly coercive) layer. As part of this technical solution, attempts have been made to implement antiferromagnetic ordering in both ways. Ferromagnetic ordering between layers can always be achieved in large fields of magnetization.

Изготовление магниторезистивного элемента можно условно разбить на две части. Первая - это изготовление основной части элемента - двухслойной ферромагнитной частицы, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким немагнитным диэлектрическим слоем. Вторая часть - это изготовление электродов к частице, обеспечивающих возможность пропускания тока через магнитную частицу (магниторезистивный элемент).The manufacture of a magnetoresistive element can be divided into two parts. The first is the manufacture of the main part of the element - a two-layer ferromagnetic particle, consisting of two ferromagnetic layers separated by a thin non-magnetic dielectric layer. The second part is the manufacture of electrodes to the particle, providing the possibility of passing current through a magnetic particle (magnetoresistive element).

Латеральные размеры элемента должны составлять 0,1-1 мкм. Изготовление ферромагнитных частиц с подобными размерами проводилось методами электронной литографии с использованием процесса «lift-off» (взрыва).The lateral dimensions of the element should be 0.1-1 microns. The manufacture of ferromagnetic particles with similar sizes was carried out by electronic lithography using the “lift-off” (explosion) process.

1-й этап. Вначале для выполнения исходных требований было предложено использовать частицы с субмикронными размерами, эллиптической формы и с магнитостатическим взаимодействием между слоями. Изготовление двухслойных магнитных частиц без токовых электродов является существенно менее трудоемкой задачей и позволяет вести исследования намагниченности слоев уже на первых шагах отработки методики изготовления магниторезистивных структур.1st stage. Initially, to fulfill the initial requirements, it was proposed to use particles with submicron sizes, elliptical shape and with magnetostatic interaction between the layers. The manufacture of two-layer magnetic particles without current electrodes is a significantly less laborious task and allows us to study the magnetization of the layers already at the first steps of developing a method for manufacturing magnetoresistive structures.

Двухслойные ферромагнитные частицы изготавливались методом электроннолучевой литографии с использованием позитивного электронного резиста ПММА (полиметилметакрилат). Экспонирование электронного резиста проводилось в электронном микроскопе с литографической приставкой. Металлическая маска, используемая при травлении, была изготовлена с помощью “lift-off” процесса.Bilayer ferromagnetic particles were prepared by electron beam lithography using a positive PMMA electronic resist (polymethyl methacrylate). The exposure of the electron resist was carried out in an electron microscope with a lithographic attachment. The metal mask used for etching was fabricated using a “lift-off” process.

В общих чертах первоначальную методику изготовления можно описать следующим образом: частицы формируются из пленочной ферромагнитной многослойной структуры травлением в атмосфере аргона в маске негативного резиста, определяющего форму частиц. Первые структуры изготавливались из трехслойной пленки Co/Si/Co. В дальнейшем немагнитная прослойка кремния, являющаяся диэлектрической при толщине в несколько нанометров, была заменена на оксид тантала (TaOx) с возможностью контролируемого окисления.In general terms, the initial manufacturing procedure can be described as follows: particles are formed from a film ferromagnetic multilayer structure by etching in an argon atmosphere in a mask of negative resist, which determines the shape of the particles. The first structures were made of a three-layer Co / Si / Co film. Subsequently, the nonmagnetic silicon interlayer, which is dielectric at a thickness of several nanometers, was replaced by tantalum oxide (TaO x ) with the possibility of controlled oxidation.

Основные шаги методики изготовления магниторезистивного элемента представлены на Фиг.55.The main steps of the manufacturing method of the magnetoresistive element are presented in Fig. 55.

1. Пленки Co/Si/Co одна за другой были нанесены на подложку методами магнетронного распыления; на поверхность этой трехслойной структуры с использованием центрифуги наносится пленка электронного резиста ПММА. Остаточный вакуум в камере при магнетронном напылении порядка 10-5 Торр. Структура засвечивается электронным пучком литографической системы.1. Co / Si / Co films, one after another, were deposited onto a substrate by magnetron sputtering; A film of the PMMA electron resist is applied to the surface of this three-layer structure using a centrifuge. The residual vacuum in the chamber during magnetron sputtering is about 10 -5 Torr. The structure is illuminated by the electron beam of the lithographic system.

2. Обработка пленки ПММА - позитивного резиста в проявителе (MIBK на основе изопропилового спирта) приводила к формированию колодцев («отверстий») в пленке ПММА, т.е. области резиста, которые были засвечены электронным пучком, удаляются. Колодцы имеют форму будущих частиц.2. Processing the PMMA film - a positive resist in the developer (MIBK based on isopropyl alcohol) led to the formation of wells ("holes") in the PMMA film, i.e. areas of the resist that were illuminated by the electron beam are removed. Wells are in the form of future particles.

3. Полученная структура с развитым рельефом покрывалась пленкой V методом магнетронного распыления.3. The resulting structure with a developed relief was covered with a V film by magnetron sputtering.

4. Проводился процесс «lift-off». Оставшаяся пленка ПММА, покрытая V, удалялась в ремуворе (remover, «удалитель»), в качестве которого используется ацетон.4. The “lift-off” process was carried out. The remaining PMMA film coated with V was removed in a remover (remover, “remover”), which was used as acetone.

В результате на поверхности пленки Со/Si/Co оставались островки V с формой будущих частиц.As a result, islands V with the shape of future particles remained on the surface of the Co / Si / Co film.

5. Проводилось ионное травление ферромагнитной структуры Co/Si/Co в атмосфере аргона.5. Ion etching of the Co / Si / Co ferromagnetic structure in an argon atmosphere was carried out.

С использованием вышеописанной методики была изготовлена структура, состоящая из 9 модулей ферромагнитных частиц. Общий вид образца приведен на Фиг.56.Using the above methodology, a structure consisting of 9 modules of ferromagnetic particles was manufactured. A general view of the sample is shown in Fig. 56.

Изготовление контактных площадок проводилось методами фотолитографии. Используя разработанные шаблоны на одной подложке, можно было сформировать решетку 10×10 магниторезистивных элементов.The manufacture of contact pads was carried out by photolithography methods. Using the developed patterns on one substrate, it was possible to form a lattice of 10 × 10 magnetoresistive elements.

На втором этапе способ изготовления элемента был модифицирован: на проводящем подслое формировались частицы из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц. Диэлектрическая прослойка формировалась естественным окислением тонкой пленки Ta с помощью напуска атмосферы в камеру. Для возможности хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрыт Au. Затем весь образец покрывался слоем диэлектрика Ta2O5, и он удалялся с верхушек частиц взрывом оставшейся после ионного травления маски. Таким образом, двухслойные ферромагнитные частицы были помещены в диэлектрическую матрицу, верхний золотой слой частиц имел выход на поверхность (Фиг.55-а)). Было проведено последовательное расширение контактных площадок с субмикронных размеров частицы до 400 микрон (см. Фиг.55-б), в)).At the second stage, the method of manufacturing the element was modified: particles of a film multilayer ferromagnetic structure Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au were formed on the conducting sublayer by ion etching in an argon atmosphere in a complex combined mask using a negative electron resist that determines the shape of the particles. The dielectric interlayer was formed by the natural oxidation of a thin Ta film with the help of the atmosphere being poured into the chamber. To allow good contact, the upper magnetic layer of the particle is coated with Au. Then, the entire sample was covered with a layer of a dielectric Ta 2 O 5 , and it was removed from the tops of the particles by an explosion of the mask remaining after ion etching. Thus, bilayer ferromagnetic particles were placed in a dielectric matrix, the upper gold layer of particles had an exit to the surface (Fig. 55-a)). Consecutive expansion of the contact pads with submicron particle sizes of up to 400 microns was carried out (see Fig. 55-b), c)).

ЛитератураLiterature

1. Метод изготовления слоя магнитно-туннельного перехода в устройстве магнитной памяти произвольного доступа / Патент Республики Корея, № KR 20030002142, опубл. 08.01.2003.1. A method of manufacturing a layer of a magnetic tunnel junction in a magnetic random access memory device / Patent of the Republic of Korea, No. KR 20030002142, publ. 01/08/2003.

2. Магнитная память произвольного доступа и метод записи данных / Патент Японии, № JP 2005327988, опубл. 24.11.2005.2. Magnetic random access memory and data recording method / Japanese Patent, No. JP 2005327988, publ. 11/24/2005.

3. Способ формирования магнитного туннельного перехода (MTJ) для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа / Патент США № US 2005277206, опубл. 15.12.2005.3. A method of forming a magnetic tunnel junction (MTJ) for a magnetoresistive magnetic random access memory / US Patent No. US 2005277206, publ. 12/15/2005.

4. Гойхман А.Ю., Зенкевич А.В., Лебединский Ю.Ю. Способ формирования структур магниторезистивных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа и структура магниторезистивного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты) / Патент РФ № RU 2367057 C2, опубл. 10.09.2009.4. Goikhman A.Yu., Zenkevich A.V., Lebedinsky Yu.Yu. A method of forming structures of magnetoresistive tunnel junctions for magnetoresistive magnetic random access memory and the structure of a magnetoresistive tunnel junction for magnetoresistive magnetic random access memory (options) / Patent RF № RU 2367057 C2, publ. 09/10/2009.

Claims (36)

1. Встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ память «MRAM», включающая базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), выполненный из пленочной ферромагнитной структуры, расположенный на нем туннельный изолирующий слой («ИС»), выполненный из TaOx, расположенный сверху на «ИС» свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), выполненный из ферромагнитной структуры, двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au помещена в матрицу из диэлектрика Ta2O5, отличающаяся тем, что структура памяти «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM») сформирована на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» планарной гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполнены из Co с использованием связующего (пиннингующего) подслоя из гранулированного Co или с использованием известного распадающегося раствора металлов Co-Cu, сверху на двухслойную ферромагнитную структуру нанесен четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.1. “MRAM” memory built into the CMOS / SOI basic technological route, including the base electrode, a fixed magnetization ferromagnetic layer (“FS”) made of a film ferromagnetic structure, a tunnel insulating layer (“IS”) located on it, made of TaO x , located on top of the “IS”, a freely magnetizable ferromagnetic layer (“SS”) made of a ferromagnetic structure, a two-layer ferromagnetic structure on top is equipped with a conductive Au layer with access to the surface to provide contact with write / read control buses, and the entire two-layer ferromagnetic Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au structure is placed in a Ta 2 O 5 dielectric matrix, characterized in that the memory structure is “MRAM” (with transmission of spin torque “ STT-MRAM ”) is formed on the surface of the third metallization layer“ MET3 ”of the planar heterostructure of the VLSI CMOS / SOI technology with an additional Au / Ta intermediate layer deposited on top of it, and to achieve the maximum magnetoresistive effect, the SS and FS ferromagnetic layers are made of Co using binding uyuschego (pinning) sublayer of Co or granulated using a known disintegrating Co-Cu metal solution on top of the two-layered ferromagnetic structure is applied a fourth metallization layer "MET4" and dielectric passivation coating. 2. Встраиваемая в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ память «MRAM», выполненная по методу Савченко, включающая базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), ферромагнитный слой со свободной намагниченностью («СС»), туннельную прослойку-диэлектрик, или изолирующий слой («ИС»), выполненный из Al2O3, расположенный между «СС» и «ФС», двухслойная ферромагнитная структура сверху снабжена проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а вся двухслойная ферромагнитная структура помещена в матрицу из диэлектрика Ta2O5, отличающаяся тем, что структура памяти «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM») по методу Савченко сформирована на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» планарной гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполнены на основе многослойной пиннингующей структуры «ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик», сверху на двухслойную ферромагнитную структуру нанесен четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.2. The MRAM memory built into the CMOS / SOI basic technological route, made according to the Savchenko method, including the base electrode, the fixed magnetization ferromagnetic layer (FS), the free magnetization ferromagnetic layer (SS), the dielectric tunnel layer or an insulating layer (“IS”) made of Al 2 O 3 located between “SS” and “FS”, the two-layer ferromagnetic structure on top is equipped with a conductive Au layer with access to the surface to ensure contact with the write / read control buses, and all two Leuna ferromagnetic structure is placed in a matrix of dielectric Ta 2 O 5, characterized in that the memory structure «MRAM» (with Spin Transfer Torque «STT-MRAM») by the method Savchenko formed on the surface of the third layer of metallization "MET3" planar heterostructure VLSI Technology CMOS / SOI with an additional Au / Ta intermediate layer deposited on top of it, and to achieve the greatest magnetoresistive effect, the SS and FS ferromagnetic layers are made on the basis of a multilayer ferromagnet-interlayer pinning structure Single Ru-ferromagnet ", on top of the two-layer structure of a ferromagnetic layer applied to the fourth metallization" MET4 "and dielectric passivation coating. 3. Способ изготовления встраиваемой в базовый технологический маршрут КМОП/КНИ памяти «MRAM», отличающийся тем, что, с целью формирования исходной планарной гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI», используемой в качестве подложки, и последующего формирования на ней памяти «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM»), последовательно формируют в приборном слое Si гетероструктуры КНИ области n- и p-карманов, изоляцию «STI», n+- и p+-поликремниевые затворы для n- и p-канальных транзисторов соответственно, области высокоомных стоков и истоков транзисторов МОП, p+-стоки, доходящие до дна приборного слоя, а также слои самосовмещенного силицида титана и надежной системы многоуровневой металлизации, затем на сформированной структуре СБИС после третьего слоя металлизации также по планарной технологии формируют память «MRAM», включающую свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС») и туннельный изолирующий слой («ИС»), расположенный между «СС» и «ФС», затем формируют четвертый уровень металлизации и защитный диэлектрический слой.3. A method of manufacturing a built-in CMOS / SOI memory “MRAM” embedded in the basic technological route, characterized in that, in order to form the initial planar heterostructure of the VLSI CMOS / SOI technology with “STI” insulation used as a substrate, and subsequent formation of a memory on it “MRAM” (with transfer of spin torque “STT-MRAM”), sequentially form in the instrument layer Si the SOI heterostructure of the region of n- and p-pockets, insulation “STI”, n + and p + -silicon gates for n- and p-channel transistors respectively koomnyh drains and sources of the MOS transistors, p + -Stock reaching to the bottom layer of the instrument, as well as self-aligned titanium silicide layers and reliable system of multilevel metallization structure is then formed on VLSI after the third metallization layer is also formed by planar technology memory «MRAM», comprising a freely remagnetizable ferromagnetic layer (“SS”), a ferromagnetic layer with a fixed magnetization (“FS”) and a tunnel insulating layer (“IS”) located between “SS” and “FS”, then form the fourth level etallizatsii and protective dielectric layer. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что, с целью формирования гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией оксидом кремния с мелкими канавками («STI»), в качестве исходной для нее структуры используют пластину КНИ с толщиной приборного слоя p--типа около 200 нм, толщиной захороненного оксида кремния около 200-400 нм и ориентацией подложки - (100).4. The method according to claim 3, characterized in that, in order to form a VLSI heterostructure of CMOS / SOI technology with silicon oxide insulation with small grooves ("STI"), a SOI plate with an instrument layer thickness p - is used as the initial structure for it -type about 200 nm, the thickness of the buried silicon oxide is about 200-400 nm and the orientation of the substrate is (100). 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что, с целью формирования активных транзисторных структур МОП гетероструктуры СБИС, на пластине КНИ выращивают буферный окисел и осаждают слой Si3N4, после чего выполняют фотолитографию «Активные области» и подокисляют боковые стороны островков.5. The method according to claim 4, characterized in that, in order to form active transistor structures of the MOS VLSI heterostructure, a buffer oxide is grown on the SOI plate and a Si 3 N 4 layer is deposited, after which Active Areas photolithography is performed and the sides of the islands are acidified . 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что, с целью формирования изоляции «STI» в гетероструктуре СБИС, осаждают методом плазмохимического газофазного осаждения («HDP») слой SiO2, выполняют уплотнение (отжиг), затем выполняют фотолитографию «Инверсия активных областей» для создания изоляции «STI», выполняют химико-механическую полировку, далее проводят травление Si3N4 в горячей ортофосфорной кислоте и травление SiO2, после чего проводят процесс окисления для формирования буферного окисла.6. The method according to claim 5, characterized in that, in order to form the “STI” insulation in the VLSI heterostructure, a SiO 2 layer is deposited by plasma chemical vapor deposition (“HDP”), compaction (annealing) is performed, then “Inversion of active” photolithography is performed areas ”to create insulation“ STI ”, perform chemical-mechanical polishing, then etch Si 3 N 4 in hot phosphoric acid and etch SiO 2 , and then carry out the oxidation process to form a buffer oxide. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что, с целью формирования n-кармана в гетероструктуре СБИС, выполняют операцию фотокопирования для n-кармана и ионное легирование фосфором, после чего удаляют фоторезист.7. The method according to claim 6, characterized in that, in order to form an n-pocket in the VLSI heterostructure, perform a photocopying operation for the n-pocket and ion doping with phosphorus, and then the photoresist is removed. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что, с целью формирования p-кармана, выполняют операцию фотокопирования «p-карман» и проводят ионное легирование бором, после чего проводят плазмохимическое удаление фоторезиста.8. The method according to claim 7, characterized in that, in order to form a p-pocket, a p-pocket photocopying operation is performed and ion doping with boron is performed, followed by plasmochemical removal of the photoresist. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что, с целью формирования поликремниевых затворов транзисторов МОП в гетероструктуре СБИС, их формирование реализуют путем удаления буферного окисла, выращивания подзатворного окисла и осаждения нелегированного Si с последующим выполнением операции фотолитографии «Затворы».9. The method according to claim 8, characterized in that, in order to form the polysilicon gates of the MOS transistors in the VLSI heterostructure, their formation is realized by removing buffer oxide, growing the gate oxide and depositing undoped Si with the subsequent performance of the Shutters photolithography operation. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что, с целью формирования высокоомных n--стоков с использованием ионно-лучевого легирования («LDD») в гетероструктуре СБИС, проводят фотокопирование «n--стоки» и ионное легирование фосфором и мышьяком.10. The method according to claim 9, characterized in that, in order to form high-resistance n - stocks using ion-beam doping ("LDD") in the VLSI heterostructure, photocopying "n - stocks" and ion doping with phosphorus and arsenic is carried out . 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что, с целью формирования высокоомных p--стоков с использованием «LDD» в гетероструктуре СБИС, проводят фотокопирование «p--стоки» и операцию ионное легирование с использованием соединения BF2.11. The method according to claim 10, characterized in that, in order to form high-resistance p - sinks using "LDD" in the VLSI heterostructure, photocopying the "p - sinks" and ion doping using the BF 2 compound are performed. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что, с целью формирования межсоединений (спейсеров) в гетероструктуре СБИС, осаждают слой «гидрид кремния-диоксид кремния» («Silane-SiO2») по технологии химического осаждения из газовой фазы («LPTEOS») и затем выполняют реактивно-ионное травление слоя «Silane-SiO2+SiO2».12. The method according to claim 11, characterized in that, in order to form interconnects (spacers) in the VLSI heterostructure, a layer of "silicon hydride-silicon dioxide"("Silane-SiO 2 ") is deposited by the technology of chemical vapor deposition (" LPTEOS ”) and then react-ion etch the“ Silane-SiO 2 + SiO 2 ”layer. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что, с целью формирования n+-стоков в гетероструктуре СБИС, выполняют окисление с последующей реализацией фотокопирования «n+-стоки» и проводят ионное легирование ионами As+.13. The method according to p. 12, characterized in that, in order to form n + -stocks in the VLSI heterostructure, they perform oxidation followed by photocopying the “n + -stocks” and carry out ion doping with As + ions. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что, с целью формирования p+-стоков в гетероструктуре СБИС, выполняют операцию фотокопирование «p+-стоки» и проводят ионное легирование бором, что приводит к легированию затвора p-канального транзистора (p+-поликремниевый затвор), затем по технологии химического осаждения из газовой фазы формируют слой «LPTEOS-SiO2», затем проводят отжиг и выполняют быстрый отжиг, который стимулирует диффузию стоков.14. The method according to p . 13, characterized in that, in order to form p + -stocks in the VLSI heterostructure, photocopy the “p + -stocks” and perform ion doping with boron, which leads to doping of the gate of the p-channel transistor (p + polysilicon gate), then, using the technology of chemical vapor deposition from the gas phase, an “LPTEOS-SiO 2 ” layer is formed, then annealing is performed and fast annealing is performed, which stimulates the diffusion of effluents. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что, с целью формирования высокоомных сопротивлений в гетероструктуре СБИС, выполняют фотолитографию для защиты области этих сопротивлений и далее проводят реактивно-ионное травление слоя SiO2.15. The method according to 14, characterized in that, in order to form high-resistance resistances in the VLSI heterostructure, photolithography is performed to protect the region of these resistances and then react-ion etching of the SiO 2 layer is carried out. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что, с целью формирования слоя силицида титана в гетероструктуре СБИС, выполняют напыление Ti и напыление TiN и применяют двухстадийную термообработку для получения соединения TiSi2.16. The method according to p. 15, characterized in that, in order to form a titanium silicide layer in the VLSI heterostructure, Ti is deposited and TiN is deposited, and two-stage heat treatment is used to obtain TiSi 2 compound. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что, с целью формирования контактов в гетероструктуре СБИС, выполняют осаждение борофосфорного стекла («BPTEOS-SiO2»), его оплавление «SATEOS-SiO2» с последующей процедурой химико-механической полировки, далее формируют контакты, для чего проводят операцию фотокопирования «Контакты», затем выполняют процесс термозадубливания и проводят реактивно-ионное травление слоя SiO2, далее выполняют процесс напыления барьерных слоев Ti/TiN, проводят осаждение вольфрама (W) и далее выполняют химико-механическую полировку структуры W/TiN/Ti до SiO2.17. The method according to clause 16, characterized in that, in order to form contacts in the VLSI heterostructure, precipitate borophosphor glass ("BPTEOS-SiO 2 "), fuse it with "SATEOS-SiO 2 " followed by a chemical-mechanical polishing procedure, next, contacts are formed, for which the “Contacts” photocopying operation is carried out, then the thermal suppression process is carried out and reactive-ion etching of the SiO 2 layer is carried out, then the Ti / TiN barrier layers are sprayed, the tungsten (W) is deposited and the chemical-mechanical polishing is carried out page W / TiN / Ti structures to SiO 2 . 18. Способ по п.17, отличающейся тем, что, с целью формирования первого уровня металлизации в гетероструктуре СБИС, выполняют фотокопирование «МЕТ1» и процесс реактивно-ионного травления TiN/Ti/Al/Ti, далее осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO2», оплавляют его «SATEOS-SiO2» и проводят химико-механическую полировку слоя «PECVD-SiO2».18. The method according to 17, characterized in that, in order to form the first metallization level in the VLSI heterostructure, the MET1 photocopy and the TiN / Ti / Al / Ti reactive-ion etching process are performed, then a thick inter-level dielectric PECVD- is deposited SiO 2 ", melt it with" SATEOS-SiO 2 "and carry out chemical-mechanical polishing of the layer" PECVD-SiO 2 ". 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что, с целью формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-1» в гетероструктуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-1», проводят реактивно-ионное травление SiO2 на всю толщину слоя, далее выполняют процесс напыления Ti/TiN и осаждения W и химико-механическую полировку слоя W/TiN/Ti до SiO2.19. The method according to p. 18, characterized in that, in order to form a VIA-1 bonding layer with metallization in the VLSI heterostructure, VIA-1 photocopying is performed, reactive-ion etching of SiO 2 is carried out over the entire thickness of the layer, then perform the process of deposition of Ti / TiN and deposition of W and chemical-mechanical polishing of the layer W / TiN / Ti to SiO 2 . 20. Способ по п.19, отличающийся тем, что, с целью формирования второго уровня металлизации «МЕТ2» в гетероструктуре СБИС, выполняют напыление Ti/Al/Ti/TiN, проводят фотокопирование «МЕТ2» и выполняют реактивно-ионное травление TiN/Ti/Al/Ti, затем осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO2», оплавляют его «SATEOS-SiO2» и проводят химико-механическую полировку «PECVD-SiO2».20. The method according to claim 19, characterized in that, in order to form the second metallization level “MET2” in the VLSI heterostructure, Ti / Al / Ti / TiN is deposited, photocopying “MET2” is performed, and TiN / Ti is reactively ion etched / Al / Ti, then a thick inter-level dielectric PECVD-SiO 2 is deposited, fused with SATEOS-SiO 2 and chemically-mechanically polished with PECVD-SiO 2 . 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что, с целью формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-2» в гетероструктуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-2», проводят реактивно-ионное травление SiO2 на всю толщину слоя, далее проводят напыление Ti/TiN, осаждение W и выполняют химико-механическую полировку W/TiN/Ti до SiO2.21. The method according to claim 20, characterized in that, in order to form a “VIA-2” layer bonding to metallization in the VLSI heterostructure, photocopying “VIA-2” is performed, reactive-ion etching of SiO 2 is carried out over the entire thickness of the layer, then sputtering Ti / TiN, deposition of W and carry out chemical-mechanical polishing of W / TiN / Ti to SiO 2 . 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что, с целью формирования третьего уровня металлизации в гетероструктуре СБИС, выполняют напыление Ti/Al/Ti/TiN, проводят фотокопирование «МЕТ3» и выполняют реактивно-ионное травление TiN/Ti/Al/Ti, затем осаждают толстый межуровневый диэлектрик «PECVD-SiO2, оплавляют его «SATEOS-SiO2» и проводят химико-механическую полировку «PECVD-SiO2».22. The method according to item 21, wherein, in order to form a third metallization level in the VLSI heterostructure, Ti / Al / Ti / TiN is deposited, “MET3” photocopying is performed, and TiN / Ti / Al / is reactively ion etched Ti, then a thick inter-level dielectric “PECVD-SiO 2 ” is deposited, it is fused with “SATEOS-SiO 2 ” and chemical-mechanical polishing is carried out with “PECVD-SiO 2 ”. 23. Способ по п.22, отличающийся тем, что, с целью формирования связующего с металлизацией слоя «VIA-3» в гетероструктуре СБИС, выполняют фотокопирование «VIA-3», проводят реактивно-ионное травление SiO2 на всю толщину слоя, далее проводят напыление Ti/TiN, осаждение W и выполняют химико-механическую полировку W/TiN/Ti до SiO2.23. The method according to p. 22, characterized in that, in order to form a VIA-3 bonding layer with metallization in the VLSI heterostructure, photocopying of VIA-3 is performed, reactive-ion etching of SiO 2 is carried out over the entire thickness of the layer, then sputtering Ti / TiN, deposition of W and carry out chemical-mechanical polishing of W / TiN / Ti to SiO 2 . 24. Способ по п.3 или 23, отличающийся тем, что, с целью снижения температурного воздействия на последующий процесс формирования памяти «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM»), этот процесс реализуют между третьим и четвертым уровнями металлизации гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ при пониженных температурах.24. The method according to claim 3 or 23, characterized in that, in order to reduce the temperature effect on the subsequent process of forming the memory "MRAM" (with the transfer of spin torque "STT-MRAM"), this process is implemented between the third and fourth levels of metallization VLSI heterostructures of CMOS / SOI technology at low temperatures. 25. Способ по п.24, отличающийся тем, что между третьим и четвертым уровнями металлизации гетероструктуры СБИС формируют память «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM»), включающую базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), выполненный из пленочной ферромагнитной структуры, расположенный на нем туннельный изолирующий слой («ИС»), выполненный из TaOx, расположенный сверху на «ИС» свободно перемагничивающийся ферромагнитный слой («СС»), выполненный из ферромагнитной структуры, двухслойную ферромагнитную структуру сверху снабжают проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а всю двухслойную ферромагнитную структуру Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au помещают в матрицу из диэлектрика Ta2O5.25. The method according to p. 24, characterized in that between the third and fourth metallization levels of the VLSI heterostructure, an MRAM memory is formed (with transmission of spin torque “STT-MRAM”), including a base electrode, a fixed magnetization ferromagnetic layer (“FS ") made of a ferromagnetic thin film structure disposed thereon a tunnel insulating layer (" IC ") formed of TaO x, disposed on top of the" IP "remagnetizing free ferromagnetic layer (" MOP "), made of a ferromagnetic structure Double top ferromagnetic structure is provided with a conductive layer Au with access to the surface for contact with the control read / write buses, and the whole two-layer Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au ferromagnetic structure is placed in a dielectric matrix of Ta 2 O 5. 26. Способ по п.25, отличающийся тем, что, с целью сопряжения структур КМОП/КНИ и «MRAM», общий процесс изготовления памяти «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM») реализуют после формирования третьего уровня металлизации гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ путем формирования следующего проводящего подслоя, на котором формируют память «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM»), из пленочной многослойной ферромагнитной структуры Au/Ta/Co/TaOx/Co/Au ионным травлением в атмосфере аргона в сложной комбинированной маске с использованием негативного электронного резиста, определяющего форму частиц, диэлектрическую прослойку формируют естественным окислением тонкой пленки Ta с помощью напуска атмосферы в камеру, далее для обеспечения хорошего контакта верхний магнитный слой частицы покрывают Au, затем всю структуру покрывают слоем диэлектрика Ta2O5 и его далее удаляют с верхушек ферромагнитных частиц взрывом оставшейся после ионного травления маски, двухслойные ферромагнитные ячейки помещают, таким образом, в диэлектрическую матрицу, а верхний слой ячеек покрывают Au для осуществления выхода на поверхность.26. The method according A.25, characterized in that, in order to pair the structures of CMOS / SOI and "MRAM", the overall manufacturing process of the memory "MRAM" (with the transfer of spin torque "STT-MRAM") is implemented after the formation of the third level of metallization VLSI heterostructures of CMOS / SOI technology by forming the next conductive sublayer on which the MRAM memory (with transmitting spin torque "STT-MRAM") is formed from a film multilayer ferromagnetic structure of Au / Ta / Co / TaO x / Co / Au ion etching in an argon atmosphere in a complex combined mask using negative electron resist defining the particles, the dielectric layer is formed naturally by oxidation Ta thin film via inlet air into the chamber, then to ensure good contact of the upper magnetic layer of the particles coated with Au, and then the entire structure is covered by a dielectric layer Ta 2 O 5 and then they are removed from the tops of the ferromagnetic particles by explosion of the mask remaining after ion etching, the two-layer ferromagnetic cells are thus placed in the dielectric matrix, and the upper the cells are coated with Au to reach the surface. 27. Способ по п.24, отличающийся тем, что между третьим и четвертым уровнями металлизации гетероструктуры СБИС формируют память «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM») по методу Савченко, включающую базовый электрод, ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью («ФС»), ферромагнитный слой со свободной намагниченностью («СС»), туннельную прослойку-диэлектрик, или изолирующий слой («ИС»), выполненный из Al2O3, расположенный между «СС» и «ФС», двухслойную ферромагнитную структуру сверху снабжают проводящим слоем Au с выходом на поверхность для обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, а всю двухслойную ферромагнитную структуру помещают в матрицу из диэлектрика Ta2O5, а структуру памяти «MRAM» (с передачей спинового вращательного момента «STT-MRAM») формируют на поверхности третьего слоя металлизации «МЕТ3» планарной гетероструктуры СБИС технологии КМОП/КНИ с нанесенным на него дополнительно сверху промежуточным слоем Au/Ta, а для достижения наибольшего магниторезистивного эффекта ферромагнитные слои «СС» и «ФС» выполняют на основе многослойной пиннингующей структуры «ферромагнетик-прослойка Ru-ферромагнетик», сверху на двухслойную ферромагнитную структуру наносят четвертый слой металлизации «МЕТ4» и диэлектрическое пассивирующее покрытие.27. The method according to p. 24, characterized in that between the third and fourth metallization levels of the VLSI heterostructure, an MRAM memory is formed (with transmission of spin torque "STT-MRAM") according to the Savchenko method, which includes a base electrode, a ferromagnetic layer with a fixed magnetization (“FS”), a free-magnetization ferromagnetic layer (“SS”), a dielectric tunnel layer, or an insulating layer (“IS”) made of Al 2 O 3 located between “SS” and “FS”, a two-layer ferromagnetic the structure on top is provided with a conductive layer of Au with Exit to the surface for making contact with the control read / write buses, and the whole two-layer ferromagnetic structure is placed in a matrix of dielectric Ta 2 O 5, and the memory structure «MRAM» (with Spin Transfer Torque «STT-MRAM») is formed on the surface of the third metallization layer “MET3” of the planar heterostructure of the VLSI CMOS / SOI technology with an additional Au / Ta intermediate layer deposited on top of it, and to achieve the greatest magnetoresistive effect, the ferromagnetic layers “SS” and “FS” are based on many gosloynoy pinning structure "ferromagnetic-Ru-ferromagnetic layer" on top of the two-layered ferromagnetic structure is applied to the fourth metallization layer "MET4" and dielectric passivation coating. 28. Способ по п.27, отличающийся тем, что, с целью формирования нижнего базового проводящего электрода, на гетероструктуру СБИС технологии КМОП/КНИ с изоляцией «STI» до этапа «формирование четвертого уровня металлизации + VIA3» осаждают многослойную структуру Au/Ta методом магнетронного распыления.28. The method according to item 27, wherein, in order to form the lower base conductive electrode, on the VLSI heterostructure CMOS / SOI technology with "STI" insulation, prior to the step "formation of the fourth metallization level + VIA3", a multilayer Au / Ta structure is deposited by magnetron sputtering. 29. Способ по п.28, отличающийся тем, что, с целью формирования ферромагнитного слоя с фиксированной намагниченностью («ФС»), на поверхность многослойной структуры методом магнетронного распыления наносят первый антиферромагнитный слой (Pinning), далее наносят слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика.29. The method according to p. 28, characterized in that, in order to form a ferromagnetic layer with a fixed magnetization ("FS"), the first antiferromagnetic layer (Pinning) is applied to the surface of the multilayer structure by magnetron sputtering, then a layer of ferromagnet is applied, then a layer of Ru and a layer of ferromagnet. 30. Способ по п.29, отличающийся тем, что, для формирования туннельной прослойки диэлектрика, на поверхность структуры осаждают диэлектрик Al2O3 оптимальной толщины, позволяющей пропускать ток через элемент с сопротивлением порядка 105 Ом·мкм2.30. The method according to clause 29, wherein in order to form a tunneling layer of dielectric, an Al 2 O 3 dielectric of optimum thickness is deposited onto the surface of the structure, allowing a current to pass through an element with a resistance of the order of 10 5 Ω · μm 2 . 31. Способ по п.30, отличающийся тем, что, с целью формирования ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью («СС»), на поверхность изолирующего слоя («ИС») наносят методом магнетронного распыления слой ферромагнетика, затем прослойку Ru и слой ферромагнетика.31. The method according to p. 30, characterized in that, in order to form a ferromagnetic layer with free magnetization ("CC"), a layer of a ferromagnet is applied to the surface of the insulating layer ("IC"), then a layer of Ru and a layer of ferromagnet. 32. Способ по п.31, отличающийся тем, что, с целью обеспечения контакта с управляющими шинами записи/считывания, на поверхность ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью («СС») наносят слой Au.32. The method according to p. 31, characterized in that, in order to ensure contact with the control bus write / read on the surface of the ferromagnetic layer with free magnetization ("CC") is applied to the Au layer. 33. Способ по п.32, отличающийся тем, что, с целью формирования многослойных магнитных ячеек, на поверхность структуры, в том числе и на поверхность верхнего слоя структуры Au, наносят фоторезист, выполняют фотокопирование по фотошаблону «Ячейки» и проводят операцию термозадубливания фоторезиста, затем выполняют травление многослойной ферромагнитной структуры и удаляют фоторезист.33. The method according to p. 32, characterized in that, in order to form multilayer magnetic cells, a photoresist is applied to the surface of the structure, including the surface of the upper layer of the Au structure, photocopying is performed using the "Cell" photo template and the photoconduct is thermally suppressed , then etching the multilayer ferromagnetic structure is performed and the photoresist is removed. 34. Способ по п.33, отличающийся тем, что, с целью формирования диэлектрической изоляции запоминающих ячеек, на поверхность структуры наносят слой диэлектрика Ta2O5 толщиной, равной толщине слоев ферромагнитной ячейки, наносят толстый слой фоторезиста, а для планаризации поверхности выполняют процесс плазменно-химического травления слоев фоторезиста и Ta2O5, в котором подбирается одинаковая скорость травления данных материалов.34. The method according to p. 33, characterized in that, in order to form the dielectric insulation of the storage cells, a Ta 2 O 5 dielectric layer is applied to the structure surface with a thickness equal to the thickness of the layers of the ferromagnetic cell, a thick photoresist layer is applied, and the process is performed to planarize the surface plasma-chemical etching of the photoresist and Ta 2 O 5 layers, in which the same etching rate of these materials is selected. 35. Способ по п.26 или п.34, отличающийся тем, что, с целью формирования четвертого уровня металлизации, проводят напыление слоя Ti/Al, затем выполняют фотокопирование «MET4» и методом реактивно-ионного травления удаляют Ti/Al до оксида.35. The method according to p. 26 or p. 34, characterized in that, in order to form the fourth metallization level, a Ti / Al layer is deposited, then “MET4” is photocopied and Ti / Al is removed to the oxide by reactive ion etching. 36. Способ по п.35, отличающийся тем, что, с целью формирования защитного диэлектрического слоя, осаждают слой «SATEOS-SiO2» и осаждают «PECVD-57M», далее выполняют фотокопирование «Пассивация» и проводят реактивно-ионное травление слоев «PECVD-SiN», «SATEOS-SiO2». 36. The method according to claim 35, characterized in that, in order to form a protective dielectric layer, a SATEOS-SiO 2 layer is deposited and PECVD-57M is deposited, then passivation is photocopied and reactive-ion etching of the layers is performed PECVD-SiN "," SATEOS-SiO 2 ".
RU2012150647/28A 2012-11-26 2012-11-26 Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions) RU2532589C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012150647/28A RU2532589C2 (en) 2012-11-26 2012-11-26 Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012150647/28A RU2532589C2 (en) 2012-11-26 2012-11-26 Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012150647A RU2012150647A (en) 2014-06-10
RU2532589C2 true RU2532589C2 (en) 2014-11-10

Family

ID=51213864

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012150647/28A RU2532589C2 (en) 2012-11-26 2012-11-26 Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2532589C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10644232B2 (en) 2017-12-28 2020-05-05 International Business Machines Corporation Self-aligned and misalignment-tolerant landing pad for magnetoresistive random access memory

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674413C1 (en) * 2017-12-29 2018-12-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чеченский государственный университет" Method for making semiconductor device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6165803A (en) * 1999-05-17 2000-12-26 Motorola, Inc. Magnetic random access memory and fabricating method thereof
US7211446B2 (en) * 2004-06-11 2007-05-01 International Business Machines Corporation Method of patterning a magnetic tunnel junction stack for a magneto-resistive random access memory
RU2367057C2 (en) * 2007-10-31 2009-09-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Инженерно-Физический Институт (государственный университет)" Method of forming structures of magnetic tunnel barriers for magnetoresistive random access magnetic memory and structure of magnetic tunnel barrier for magnetoresistive random access magnetic memory (versions)
US7919407B1 (en) * 2009-11-17 2011-04-05 Magic Technologies, Inc. Method of high density field induced MRAM process
US8169821B1 (en) * 2009-10-20 2012-05-01 Avalanche Technology, Inc. Low-crystallization temperature MTJ for spin-transfer torque magnetic random access memory (SSTTMRAM)

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6165803A (en) * 1999-05-17 2000-12-26 Motorola, Inc. Magnetic random access memory and fabricating method thereof
US7211446B2 (en) * 2004-06-11 2007-05-01 International Business Machines Corporation Method of patterning a magnetic tunnel junction stack for a magneto-resistive random access memory
RU2367057C2 (en) * 2007-10-31 2009-09-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Инженерно-Физический Институт (государственный университет)" Method of forming structures of magnetic tunnel barriers for magnetoresistive random access magnetic memory and structure of magnetic tunnel barrier for magnetoresistive random access magnetic memory (versions)
US8169821B1 (en) * 2009-10-20 2012-05-01 Avalanche Technology, Inc. Low-crystallization temperature MTJ for spin-transfer torque magnetic random access memory (SSTTMRAM)
US7919407B1 (en) * 2009-11-17 2011-04-05 Magic Technologies, Inc. Method of high density field induced MRAM process

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10644232B2 (en) 2017-12-28 2020-05-05 International Business Machines Corporation Self-aligned and misalignment-tolerant landing pad for magnetoresistive random access memory
US11411175B2 (en) 2017-12-28 2022-08-09 International Business Machines Corporation Self-aligned and misalignment-tolerant landing pad for magnetoresistive random access memory

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012150647A (en) 2014-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9660183B2 (en) Integration of spintronic devices with memory device
US8726491B2 (en) Method of forming a spin-transfer torque random access memory (STT-RAM) device
JP3906139B2 (en) Magnetic random access memory
US6518588B1 (en) Magnetic random access memory with thermally stable magnetic tunnel junction cells
US6912107B2 (en) Magnetic element with insulating veils and fabricating method thereof
US20060220084A1 (en) Magnetoresistive effect element and method for fabricating the same
CN112750856B (en) Semiconductor device and method of forming the same
EP1251519A1 (en) Semiconductor memory device using magneto resistive element and method of manufacturing the same
TWI779555B (en) Magnetic memory device and manufacture method thereof
KR102494311B1 (en) Strained ferromagnetic hall metal sot layer
KR101053333B1 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory device
US7172908B2 (en) Magnetic memory cells and manufacturing methods
US10388852B2 (en) Magnetic tunnel junction element
CN117426152A (en) On-chip integration of high efficiency high retention reverse wide substrate dual magnetic tunnel junction devices
US7334317B2 (en) Method of forming magnetoresistive junctions in manufacturing MRAM cells
RU2532589C2 (en) Cmos/soi mram memory integrated with vlsi and method for production thereof (versions)
US6756239B1 (en) Method for constructing a magneto-resistive element
CN217719653U (en) Memory device
CN110459673B (en) Semiconductor element and manufacturing method thereof
US11968907B2 (en) Magnetoresistive memory device including a magnetoresistance amplification layer
CN113594086B (en) Semiconductor element and manufacturing method thereof
CN116249357A (en) Semiconductor element and manufacturing method thereof
US7114240B2 (en) Method for fabricating giant magnetoresistive (GMR) devices
US12016251B2 (en) Spin-orbit torque and spin-transfer torque magnetoresistive random-access memory stack
JP2004158578A (en) Magnetic storage and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20190507