В статье приведен анализ развития перспективных устройств магнитной микроэлектроники, использующих ферромагнитные тонкопленочные магниторезистивные элементы; рассмотрены особенности проектирования и изготовления таких устройств.

Устройства магнитной микроэлектроники

Магнитная микроэлектроника – активно развиваемое в мире направление, в основе которого лежит планарная интегральная технология изготовления элементов микронных размеров на магнитных пленках. Описываемые ниже устройства представляют собой важный и интенсивно развиваемый класс магнитных элементов на основе ферромагнитных однослойных и двухслойных структур, включая магниторезистивные (МР), с вектором намагниченности в плоскости пленки. На таком принципе изготовлялись регистровые запоминающие устройства (ЗУ) на плоских магнитных доменах (ПМД), а в настоящее время – энергонезависимые МР ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), МР головки считывания и МР датчики магнитного поля. Открытие в последние годы "гигантского" МР (ГМР) эффекта, достигающего величины в десятки процентов при комнатной температуре, создало бум в разработке подобных устройств и сделало реальной задачу создания МР ЗУПВ большой емкости [1] и МР процессоров [2].

При изготовлении устройств на магнитных пленках используется вакуумная технология напыления магнитных пленок, изолирующих и защитных слоев, плазменное травление, фотолитография и ряд других процессов. На данный момент все большее количество устройств изготовляются совместно с полупроводниковыми схемами управления на одной подложке.

Проектирование подобных устройств включает следующие задачи: описание топологии элементов, отображение топологии на графическом дисплее ПЭВМ или графопостроителе, подготовка данных для непосредственного изготовления элементов или создание промежуточных шаблонов для последующего изготовления элементов.

Система, используемая для проектирования таких устройств, должна быть достаточно универсальной, чтобы учитывать особенности топологии. Особенностями топологии ферромагнитных микроэлектронных устройств являются наличие элементов произвольной конфигурации и высокая регулярность структуры. Технология изготовления таких устройств достаточно быстро развивается, происходит переход на новые физические принципы с целью увеличения плотности размещения элементов, точности изготовления и совмещения, что полностью меняет методы описания топологии.

Методы изготовления устройств магнитной микроэлектроники

На начальном этапе топология устройств создавалась с использованием координатографов, на которых на майларовых пленках вырезалась требуемая конфигурация рабочих слоев устройств с последующим перефотографированием для получения фотошаблонов. Точность работы координатографов составляла до 50 мкм. Для управления координатографом готовились описания внутренних и внешних контуров элементов в терминах входного языка координатографа. Такой способ изготовления шаблонов занимал достаточно много времени и не позволял создавать сложные структуры устройств из-за потери точности при получении фотошаблонов. В дальнейшем были созданы фотонаборные установки, в которых производилась засветка поверхности специальных фотопластин через прямоугольную диафрагму. Точность таких установок при создании фотошаблонов возрасла до нескольких микрон. Также, как и в первом случае, для изготовления устройств требовалась

операция проецирования фотошаблонов на поверхность рабочих пластин. Информация для фотонаборных установок, поступающая от систем проектирования, представляла собой перечень набора прямоугольников, расположенных под произвольными углами и повторяющихся требуемое число раз по осям координат. На входе систем проектирования разработчиком описывалась топология либо в виде

контуров с последующим автоматическим их заполнением прямоугольниками, либо непосредственно в виде прямоугольников.

В последнее время широко применяется электронно-лучевая литография, когда изображение создается непосредственно на рабочих пластинах и не нужно изготовлять шаблоны. Существуют два типа подобных установок: с одновременным экспонированием всего изображения целиком через тонкопленочную маску и сканирование топологии элемента. В первом случае носителем информации является маска, во втором – информация о топологии хранится в ПЭВМ. Эти установки имеют высокое разрешение (св. 0,1 мкм) и точность совмещения (св. 0,1 мкм). Появились гибридные установки, совмещающие в себе оба описанных способа экспонирования. Описание топологии может осуществляться либо описанием контуров элементов с последующим их автоматическим заполнением линиями прохождения центра электронного луча или непосредственно сразу этими линиями.

Большее разрешение дает ионно-лучевая литография. Достоинство таких установок в том, что кроме литографии они могут применяться для ионной имплантации и травления. Разрешающая способность при ионно-лучевой литографии существенно лучше, т.к. вторичные электроны, выбиваемые ионным пучком, имеют малую энергию, т.е. небольшой пробег, и поэтому практически исключается обратное рассеивание. Диаметр пятна ионов может достигать 100 нм и менее вплоть до 10-50 нм. Метод описания топологии при ионно-лучевой литографии совпадает с методом описания для электронно-лучевой литографии.

Проектирование топологии устройств магнитной микроэлектроники

Для проектирования топологии устройств использовалась система ГРАФИКА-81-2D [3], которая предназначена для автоматизации проектно-конструкторских работ, выпуска чертежной документации, подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ, фотоплоттеров и координатографов. Система позволяет создавать сложные геометрические модели, состоящие из точек, линий, дуг, окружностей, сплайнов и т.п., редактировать модели на уровне отдельных примитивов или составных узлов, создавать и вести библиотеки геометрических моделей.

Геометрические модели в системе могут создаваться в интерактивном режиме или предварительно описаны на специальном входном языке. Внутри системы информация о моделях размещается на двух уровнях. На первом содержатся описания геометрических моделей ГМ на входном языке системы:

ГМ ё Op1; Op2;...Opn ё
Id1, Pa11,Pa21...Pak1;
Id2, Pa12, Pa22,...Pai2;
.........
Idn, Pa1n, Pa2n...Pamn;

где Idi – идентификатор i – го оператора Ор ; Paji – j -ый параметр i – го оператора.

На втором уровне представлен перечень координат характерных точек элементов модели в аппаратно-независимом виде, в виде так называемого предтерминального файла ПТФ :

ПТФ ё x11, y11, x21, y21,...xn1, yn1, 4*Sl1,
x12, y12, x22, y22,... xm2, ym2, 4 * Sl2
........
x1k, y1k, x2k, y2k,... xlk, ylk, 4 * Slk,

где xij, yij- координаты i – ой точки j – ломаной линии; Slj- служебная информация для j – ломаной линии.

Информация с любого уровня может быть выведена на внешние устройства или передана в другие системы. Использование двух уровней внутреннего представления моделей позволяет при необходимости компактно хранить в библиотеках большой объем информации и, приминительно к внешним устройствам, языки описания топологии которых совпадают с описанием ГМ, непосредственно выводить информацию на внешние устройства, минуя геометрический процессор системы. Последнее позволяет существенно сократить время на вывод информации для сравнительно сложных топологий.

Использование специального языка для описания геометрических моделей в системе позволило удаленному пользователю решать задачи проектирования в глобальной сети. Информация на вход системы от пользователя поступает в терминах входного языка, пользователь получает результаты проектирования в терминах языка HPGL для визуального просмотра с помощью стандартного вьювера или непосредственно для вывода на внешие устройства (см. http://www.ipu.rssi.ru. Лаб. компьютерной графики, №18).

Рис. 1
Далеее рассмотрим примеры проектирования топологии устройств магнитной микроэлектроники с использованием системы ГРАФИКА-81-2D. На рис.1 – 3 приведены примеры топологии магнитной матрицы (рис.1), одного из слоев проводников управления (рис.2) и фрагмент регистрового ЗУ на ПМД емкостью 1 кбит (рис.3), на котором изображены низкокоэрцитивные каналы с областями поворота доменов и проходящими над ними проводниками управления одного из слоев, топология которых обеспечивает противоположное продвижение ПМД в соседних каналах. Работоспособность этого типа устройств во многом зависит от правильно спроектированной топологии магнитной матрицы, в первую очередь, областей поворотов ПМД, соединяющих низкокоэрцитивные каналы, в которых записываются, хранятся и продвигаются домены.


Рис. 2
Рис. 3

Рис. 4
В настоящее время на смену этим устройствам пришли однокристальные МР ЗУПВ, МР головки считывания в тонкопленочных магнитных дисках и лентах и МР датчики магнитного поля на тонкопленочных многослойных структурах. Особенно активно ведется разработка этих устройств на ГМР эффекте [4]. В США Фондом оборонных исследовательских проектов (DARPA) c октября 1996 г. ведется 5-летний проект по разработке спин-вентильных МР и спин-туннельных МР (два направления в ГМР эффекте, имеющих практическое применение) ЗУПВ. Через три года планируется разработать однокристальный 16-Мбитный чип по 0,5 мкм технологии с КМОП элементами управления, а к концу проекта – 64-Мбитный чип по 0,15-0,35 мкм технологии. На рис.4 приведены топология магнитного слоя МР датчика магнитного поля и фрагмент проводникового слоя, соединяющего отдельные магнитные полоски в четыре меандра, объединенных в мостовую схему, спроектированного с использованием системы ГРАФИКА-81-2D,.

На основе спроектированных с использованием Графики-81 магнитных элементов были получены работоспособные тестовые образцы ЗЭ с анизотропным МР (АМР) эффектом с полупроводниковыми схемами управления на одной подложке [5] и в настоящее время ведутся работы по разработке спин-туннельных МР устройств. Датчики магнитного поля на АМР эффекте показали хорошие характеристики [6] и могут применяться как аналоговые, так и пороговые сенсоры.

Литература

1. Pohm A.V., Daughton J.M., Brown J., Beech R. The architecture of a high performance mass store with GMR memory cells. – IEEE Trans. Magnetics. 1995.V.31.N.6. P.3200-3202.
2. Редько В.Г., Звездин К.А. Магниторезистивный нейрочип, архитектура и принципы функционирования. – Микроэлектроника.1997.№6. с.420-425.
3. Артамонов Е.И., Загвоздкин В.А., Шурупов А.А., Щегольков М.Ю. Языки взаимодействия пользователя ЭВМ в системе ГРАФИКА-81. М.:ИПУ.1993.
4. Васильева Н.П., Касаткин С.И. Новые направления развития магниторезистивных запоминающих устройств с произвольной выборкой. – Приборы и системы управления.1997.№8.с.55-60.
5. Васильева Н.П. и др. Однокристальные магниторезистивные запоминающие ячейки для устройств с произвольной выборкой. – Микроэлектроника. 1995.№4. С.275-280.
6. Васильева Н.П., Касаткин С.И., Муравьев А.М. Элементы на ферромагнитных тонкопленочных многослойных структурах. – Приборы и системы управления.1997.№7.с.42-43