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研究生:蘇柏瑞
研究生(外文):Su Po-Jui
論文名稱:鈷鐵硼穿隧結之製作與電特性分析研究
論文名稱(外文):Fabrication and Electrical Characterization of CoFeB Magnetic Tunnel Junctions
指導教授:吳仲卿
指導教授(外文):Wu Jong-Ching
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:鈷鐵硼穿隧結尺寸效應電流偏壓效應磁阻翻轉
外文關鍵詞:CoFeBMTJPerpendicular AnisotropyCurrent Biased EffectInverse MR
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磁性穿隧結(MTJ)元件在磁場傳感器、儲存記憶元件、邏輯元件方面受到極大的關注。本論文主要探究鈷鐵硼穿隧結之電特性,期待作為前述相關應用為目標。研究中以鈷鐵硼薄膜作為主要材料,根據不同的組成、厚度與介面,可以調變其磁特性為垂直或水平之磁矩異向性,因此得以具有更大的應用範圍。首先,在四吋晶圓上以超高真空濺鍍系統成長Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta 多層膜結構,經過熱退火後,因為成長膜厚不
均勻,於晶片中間區域成長為上下均為垂直磁矩異向性之鈷鐵硼薄膜,而於邊際界區則形成一為水平一為垂直磁矩異向性之鈷鐵硼薄膜。元件製作則採取光微影並配合離子蝕刻技術,製作橢圓形元件,尺寸分別為6μm×6μm 的、6μm×8μm、6μm×10μm、6μm×12μm;同時使用電子束微影術製作次微米元件:尺寸分別是0.3μm×0.4μm、0.9μm×1.2μm、0.2μm×0.7μm、1μm×3.5μm。電性量測則以四點探針方式,因應不同磁特性之穿隧結,
施加平面方向或垂直膜面方向之磁場,進行磁阻量測,並進一步施加電流偏壓方式,進行微分磁阻量測。
實驗結果顯示:在外加垂直磁場於兩磁性層均具垂直磁矩異向性之元件,量測到高至45%的磁阻率,且有良好的方正性;而在兩磁性層分別具水平/垂直磁矩異向性的元件上,量測到高至34%的磁阻率,且在零磁場附近具有線性磁阻區。另外的發現包括:於不同尺寸的元件上,發現形狀異向性所帶來的影響;在次微米尺寸部分之元件,觀察到兩層鐵磁層之間有耦合的現象,且元件越小,耦合現象越強;在微分磁阻量測中,則發現隨著電流強度增加,得到反轉的磁阻趨勢;在不同方向的電流偏壓下,看到可能有自旋極化電流或介面所帶來的效應。
本研究所發現之結果具有下列兩方面之應用價值:鈷鐵硼雙層均具有垂直磁矩異向性之穿隧結元件部分,有助於提升作為記憶體元件之應用;一層水平一層垂直磁矩異向性之穿隧結,則有助於作為磁傳感器之應用。最後有關電流偏壓所造成之磁組翻轉,則需要進一步探究其物理機制。

Magnetic tunnel junction (MTJ) devices have recently drawn tremendous attention for their prominent usage as magnetic field sensors, logic devices, memory elements etc. In light of the aforementioned applications, the electrical Characterization of CoFeB MTJ device is focused in this study. The magnetic anisotropy of CoFeB thin film is dependent of the composition, thickness and interface to CoFeB layer. Therefore, this fruitful property makes
the CoFeB thin film more applicable. First, a four-inch SiO2-coated silicon wafer is used for growing Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta multilayer structure using ultrahigh vacuum sputtering system. After thermal annealing the magnetic property varies throughout the whole wafer due
to non-uniform film growth, in which it shows perpendicular magnetic anisotropy in both CoFeB layers in the center part of wafer, while it reveals one in-plane and one perpendicular magnetic anisotropy in each CoFeB layer closing to the edge areas. Elliptical devices are then
fabricated by using photolithography in combination with ion beam etching, and the dimensions are 6× 6, 6×8, 6×10 and 6×12 (unit in micrometer). An electron beam lithography
is also employed for making submicron elliptical devices with dimensions of 0.3×0.4, 0.9×1.2, 0.2×0.7 and 1×3.5(unit in micrometer). For the electrical characterizations on the
various cell sizes of MTJ devices under difference field directions, a four-terminal electrical measurement is used. A current biased effect is also studied using differential resistance measurements.
The measurements reveal: the MR ratio is up to 45% and yet show good squareness of MR curves on the devices having perpendicular magnetic anisotropy on both CoFeB layers; the MR ratio is up to 34% on the devices having one in-plane and one perpendicular magnetic anisotropy on each CoFeB layer, and a good linear transfer curve is obtained around the zero magnetic field. Other observations include: different cell sizes of MTJs indicate effect arising
from shape anisotropy; a stronger interlayer coupling occurs in the submicron devices, the smaller cell size the stronger interlayer coupling; an inverse MR behavior occurs with higher current bias; a discernable effect occurs due to current polarity, indicating possible spin
transfer torque effect.
The implications of this work include: for CoFeB MTJ having perpendicular anisotropy on both CoFeB layers may lead to application in memory and data storage uses; for CoFeB MTJ having one in-plane and one perpendicular magnetic anisotropy on each CoFeB layer is useful in magnetic field sensing. More work is needed to find out the physical mechanism accounting for the inverse MR behavior due to current biased effect.

中文摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2磁阻材料 2
1-3磁性穿隧結之發展與應用 5
1-3-1常磁阻 5
1-3-2異向磁阻 5
1-3-3巨磁阻 5
1-3-4穿隧磁阻 6
1-3-4超巨磁阻 6
第二章 理論背景&;文獻探討 7
2-1 穿隧式磁阻 7
2-2 鈷鐵硼穿隧結之發展 14
第三章 製程與電性量測 18
3-1磁性穿隧結之製程 18
3-2製程儀器介紹 23
3-2電性量測 34
3-2-1 I-V 量測架構 37
3-2-2 R-H 量測架構 38
3-2-3 R-H 微分電阻的偏壓量測 39
第四章 結果與討論 40
4-1鈷鐵硼穿隧結之磁矩異向性結果與分析 41
4-2兩磁性層具水平/垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結電傳輸特性 44
4-3兩磁性層均具垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結電傳輸特性 52
4-4自由層翻轉場和鈷鐵硼穿隧結元件尺寸之關係 60
4-5直流電偏壓效應對鈷鐵硼穿隧結磁阻行為之影響 63
4-5-1兩磁性層均具垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結電流偏壓效應 69
4-5-2兩磁性層具水平/垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結電流偏壓效應 72
第五章 結論與未來展望 76
參考文獻 77


圖目錄

圖1-2-1鐵磁性材料在無外加場下的磁區分布 1
圖1-2-2鐵磁性材料的M-H曲線 2
圖1-2-3磁性穿隧結的示意圖 3
圖2-1-1左圖為穿隧結膜層示意圖、右圖為穿隧結的費米面 7
圖2-1-2左圖磁穿隧接面Ni/NiO/Co在低溫下之R-H曲線、右圖為M-H曲線 8
圖2-1-3氧化鋁的膜層,左圖為自然氧化、右圖直接濺鍍 9
圖2-1-4電子穿隧絕緣層示意圖,左圖為非單晶、右圖為單晶 10
圖2-1-5 氧化鎂厚度對MR值的關係圖 10
圖2-1-6上為室溫下的M-H曲線,下為變溫下的電阻與TMR曲線 11
圖2-1-7方型壁壘穿隧接面示意圖與相關對應符號 12
圖2-1-8左到右分別為低偏壓中偏壓與高偏壓示意圖 13
圖2-2-1 D. Wang團隊膜層TEM照片 14
圖2-2-2左圖為磁性膜的膜層TEM、右圖可以看到MgO與CoFeB的接觸面. 15
圖2-2-3不同厚度的鈷鐵硼其磁滯曲線 16
圖2-2-4藍點為方正性0.9以上的分布,左圖為結構(A)、右圖為結構(B 16
圖3-1-1本實驗所使用的多層膜結構 18
圖3-1-2 Top-down製程的第一部分 19
圖3-1-3 Top-down製程的第二部分 20
圖3-1-4正阻劑與負阻劑微影製程的差別 21
圖3-1-5光學顯微鏡下的元件半成品與成品 21
圖3-1-6完成元件的AFM圖,顏色較亮的部分為上電極 22
圖3-1-7橢圓元件的SEM圖,橢圓中間較暗處為元件上電極開口 22
圖3-1-8 MicroMagTM 2900交替式梯度測磁儀 23
圖3-1-9 Karl Suss MJB3曝光機 24
圖3-1-10由左到右分別為接觸式、接近式、真空式曝光 24
圖3-1-11 Hitachi S-3000H掃描式電子顯微鏡 26
圖3-1-12各項逸散粒子與深度對應圖 26
圖3-1-13 SEM內部架構圖 27
圖3-1-14電子束轟擊表面結構下粒子逸散示意圖 27
圖3-1-15直徑1um的圓形薄膜,中間較亮處為位置較高的金屬膜面,旁邊一圈最亮的為舉離後所捲曲較高的金屬 28
圖3-1-16 Elionix EIS-200ER離子蝕刻機 29
圖3-1-17離子蝕刻機蝕刻過程 30
圖3-1-18為SPM顯微鏡系統 31
圖3-1-19圓形元件舉離前的AFM影像 31
圖3-1-20 EIS-220W離子束濺鍍機 32
圖3-1-21左圖為反應式離子蝕刻機、右圖為內部構造 33
圖3-2-1原始訊號與放大訊號用的參考訊號 35
圖3-2-2左圖為In plane電磁鐵、右圖為Out of plane電磁鐵 35
圖3-2-3四點量測系統 36
圖3-2-4量測I-V的儀器架構 37
圖3-2-5兩條線分別為高低阻態的I-V圖,詳情可看章節4-4 37
圖3-2-6量測R-H的儀器架構 38
圖3-2-7元件電阻隨著外加場改變的R-H圖 38
圖3-2-8電流偏壓量測架構圖 39
圖3-2-9左為直流電量測到的電阻、右為交流電量測到的電阻 39
圖4-4-1四吋晶圓破片後的元件分布圖,紅色圈為兩磁性層具水平/垂直磁矩異向性膜面元件位置、藍色圈為兩磁性層兼具垂直磁矩異向性膜面元件位置 40

圖4-1-2上圖為紅色區塊(晶圓中心)在AGM垂直膜面所量測到的磁滯曲線,下圖為做成元件的磁阻訊號 41
圖4-1-3上圖為藍色區塊(晶圓邊緣)在AGM垂直膜面所量測到的磁滯曲線,下圖為做成元件的磁阻訊號 42
圖4-1-4一片樣品上各元件的相對位置與編號 43
圖4-2-1左圖為直流電四點量測架構示意圖,右圖為電流通過元件示意圖,H為外加場方向 44
圖4-2-2四種不同的尺寸元件的分圖與其MR值 45
圖4-2-3四吋晶圓破片後的元件分布圖,紅色圈為此小節的兩磁性層具水平/垂直磁矩異向性元件位置 45
圖4-2-4 6μm × 6μm大小的圓形元件R-H major loop 46
圖4-2-5 8μm ×6μm大小的圓形元件R-H major loop 46
圖4-2-6 10μm × 6μm大小的圓形元件R-H major loop 47
圖4-2-7 12μm× 6μm大小的圓形元件R-H major loop 47
圖4-2-8 10μm × 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 48
圖4-2-9 12μm× 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 48
圖4-2-10 10μm × 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 49
圖4-2-11 12μm× 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 49
圖4-2-12不同尺寸元件的R-H minor loop歸一化比較圖 50
圖4-2-13不同尺寸元件的major loop與minor loop疊合圖 50
圖4-2-14兩磁性層具水平/垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結電面積對RA作圖 51
圖4-2-15兩磁性層具水平/垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結電面積對MR值作圖
51
圖4-3-1左圖為直流電四點量測架構示意圖,右圖為電流通過元件示意圖,H為外加場方向 52
圖4-3-2四種不同的尺寸元件的分圖與其MR值 53
圖4-3-3四吋晶圓破片後的元件分布圖,藍色圈為此小節的兩磁性層兼具垂直磁矩異向性元件位置 53
圖4-3-4 6μm × 6μm大小的圓形元件R-H major loop 54
圖4-3-5 8μm× 6μm大小的圓形元件R-H major loop 54
圖4-3-6 10μm× 6μm大小的圓形元件R-H major loop 55
圖4-3-7 12μm × 6μm大小的圓形元件R-H major loop 55
圖4-3-8 6μm × 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 56
圖4-3-9 8μm× 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 56
圖4-3-10 10μm× 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 57
圖4-3-11 12μm × 6μm大小的圓形元件R-H minor loop 57
圖4-3-12不同尺寸後的R-H比較圖 58
圖4-3-13不同尺寸的R-H major loop 與 minor loop 58
圖4-3-14兩磁性層均具垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結面積對RA作圖 59
圖4-3-15兩磁性層均具垂直磁矩異向性之鈷鐵硼穿隧結面積對MR值作圖 59
圖 4-4-1小尺寸元件所使用的膜層M-H圖 60
圖4-4-2左圖為直流電四點量測架構示意圖,右圖為電流通過元件示意圖,H為外加場方向 60
圖4-4-3 1μm×3.5μm元件大小的major loop與minor loop 61
圖4-4-4 0.9μm×1.2μm元件大小的major loop與minor loop 61
圖4-4-5 0.2μm×0.7μm元件大小的major loop與minor loop 62
圖4-4-6 0.3μm×0.4μm元件大小的major loop與minor loop 62
圖4-5-1左圖為直流電四點量測架構示意圖,右圖為電流通過元件示意圖,H為外加場方向 63
圖4-5-2四吋晶圓破片後的元件分布圖,藍色圈為此小節的兩磁性層兼具垂直磁矩異向性元件位置 63
圖4-5-3改變不同電流偏壓AC量測R-H曲線,12μm× 6μm大小的橢圓形元件 64
圖4-5-4四吋晶圓破片後的元件分布圖,藍色圈為此小節的兩磁性層兼具垂直磁矩異向性元件位置 65
圖4-5-5改變不同電流偏壓的DC量測R-H曲線,12μm×6μm大小的橢圓形元件 65
圖4-5-6 12μm×6μm大小的橢圓形元件I-V圖 66
圖4-5-7高低阻態的I-V曲線固定I微分換算成電流偏壓對MR值的關係圖 67
圖4-5-8為圖4-5-3整理後的電流偏壓對MR值的關係圖 67
圖4-5-9為圖4-5-7與圖4-5-8重疊的電流偏壓對MR值關係圖 68
圖4-5-10為圖4-5-6固定電壓V微分轉換成電壓偏壓對應MR圖 68
圖4-5-11相同大小不同元件上的電流偏壓對MR值趨勢 69
圖4-5-12不同元件大小的偏壓電流對MR值趨勢 69
圖4-5-13不同方向電流偏壓的R-H圖 70
圖4-5-14不同方向電流偏壓對應MR值圖 71
圖4-5-15不同元件尺寸的完整電流偏壓對MR值關係 71
圖4-5-16改變不同電流偏壓的AC量測R-H圖, 12μm× 6μm大小的橢圓形元件 72
圖4-5-17不同方向電流偏壓的R-H圖 73
圖4-5-18不同方向電流偏壓(6uA)的R-H圖 73
圖4-5-19不同方向電流偏壓(9uA)的R-H圖 74
圖4-5-20不同方向電流偏壓(12uA)的R-H圖 74
圖4-5-21不同方向電流偏壓對應到MR值圖 75
圖4-5-22 不同元件尺寸的完整電流偏壓對MR值關係 75

表目錄

表1-3-1各類磁阻的基本資料整理 6

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[42] mems-exchange,https://www.mems-exchange.org/MEMS/processes/etch.html
[43] Splung.com Physics,http://britneyspears.ac/physics/fabrication/photolithography.htm
[44] Physics 111-Lab,
http://advancedlab.berkeley.edu/mediawiki/index.php/Nuclear_Magnetic_Resonance

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