Desenvolvimento de nano-osciladores utilizando litografia de máscaras duras de TiW

Abstract

Nano-osciladores de torque de spin (STNOs) são dispositivos baseados no fenômeno de transferência de torque de spin (STT), que consiste na transferência de momento para magnetização local de camadas magnéticas, a partir de uma corrente elétrica polarizada em spin. A geometria de nanopilar tem sido amplamente utilizada para estudos de STT, devido à sua pequena dimensão lateral e possibilidade de utilização da dimensão vertical para o transporte de elétrons. Normalmente, o processo de fabricação de nanopilares envolve litografia por feixe de elétrons e corrosão por ion milling, que gera redeposição do material ejetado da superfície da amostra e efeito de sombra devido ao ângulo de incidência do feixe de íons. Neste trabalho foram fabricados e caracterizados STNOs, com o uso de máscaras duras (MD) de TiW. Primeiramente, foram estabelecidas condições de corrosão por RIE para o TiW, que proporcionaram obter máscaras duras com bom perfil lateral e sem irregularidades na camada de referência para parar a corrosão (stop layer). As máscaras foram então incorporadas ao processo de fabricação dos STNOs, sendo fabricados dispositivos com dimensão lateral de 50 a 250 nm. As propriedades estruturais, estáticas e dinâmicas foram investigadas para os diferentes tamanhos. Foi possível obter razões de magnetorresistência túnel (TMR) superiores a 100%, com produto resistência x área (RA) entre 2,3 e 4 ?.?m². Não foram observados padrões de redeposição nas medidas de TMR vs. RA ou nas imagens de STEM com perspectiva lateral dos nanopilares. Foi observada uma dependência da TMR e RA com o tamanho dos dispositivos, que foi relacionada a defeitos na estrutura cristalina do MgO, possivelmente causado pela difusão de boro e ou oxigênio. Defeitos na rede cristalina podem dificultar o tunelamento coerente dos elétrons, prejudicando a TMR e reduzindo a RA. A partir de micrografias de HRTEM, foi possível identificar a camada cristalina de MgO, mas não foi possível determinar a distância interplanar e o consequente plano cristalino. As geometrias circular de 150nm de diâmetro e a elíptica de dimensão 100 x 250 nm, foram as que melhor apresentaram emissão de sinal RF, com um único pico bem definido de emissão. A potência de emissão obtida foi na ordem de 23 nW e foi possível atingir valores de largura do pico a meia altura de 54 MHz. Os dispositivos também indicaram ter altos valores de tensão de ruptura de barreira (> 0,8 V).<br>

Abstract : Spin-transfer nano-oscillators (STNOs) are devices based on spin transfer torque phenomenon (STT), which consists in momentum transfer to magnetic layers, from spin polarized currents. The nanopillar geometry has been widely used for STT studies, because of its reduced lateral dimension and possibility of having electron transport in the vertical dimension. Usually, the process of fabrication of nanopillars involves electron beam lithography and ion milling etching, that last process promote the re-deposition on side walls of ejected material from sample surface and shadow effect due to incidence angle of the beam. On the other hand, reactive ion etching (RIE) is anisotropic and the material ejected from surface sample react with gases present in chamber and is removed from it. In this work STNOs produced by TiW hard masks were characterized. Firstly, RIE etching conditions for TiW were established, allowing to have hard masks with good lateral profile and without irregularities in the reference stop layer for corrosion. The masks were then incorporated into the manufacturing process of STNOs and devices were produced with lateral dimension varying from 50 to 250 nm. The structural, static and dynamics properties were investigated for different sizes of the pillars. It was possible to obtain large values of tunnel magnetoresistance (TMR) higher than 100 %, with small resistance x area (RA) between 2.3 and 4 ?.?m². No re-deposition patterns in TMR vs. RA measurements or in STEM cross-section images were observed. A dependence of TMR and RA on the size of devices was observed and assumed to be related to defects in MgO crystalline structure, possibly due to boron or oxygen diffusion. Defects on crystal lattice could difficult the coherent tunneling of electrons, damaging the TMR and reducing RA. From HRTEM micrographs was possible to identified that MgO layer is crystalline, but was not to determine the interplanar distance and consequently the crystal planes. The circular geometries with 150 nm diameter and elliptical with 100 x 250 nm size, were those that present the best results of radio frequency (RF) emission signal, with a single well defined peak with a linewidth of 54 MHz. The emitted output power was about 23 nW for devices with high values of rupture breakdown voltage (> 0.8V). These results were obtained without using synthetic antiferromagnetic layer.