Hochauflösende mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen zur strukturellen Ordnung an MgO-CoFeB-Grenzflächen

Abstract

Tunnelmagnetowiderstandselemente (MTJ) mit einer kristallinen MgO Tunnelbarriere zwischen amorphen CoFeB-Elektroden haben Aufgrund ihres hohen Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) und der guten Integrationsmöglichkeit in bestehende Prozesse viel Aufmerksamkeit bekommen. Dabei zeigten vorherige Berechnungen, dass die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Grenzfläche einen signifikanten Einfluss auf den TMR aufweisen, weshalb diese Grenzfläche im Rahmen dieser Arbeit mittels quantitativer, hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie analysiert wurde.

Um einen hohen TMR in die diesen Systemen zu erzielen ist ein kristalliner Übergang zwischen der Tunnelbarriere und den Elektroden notwendig. Berechnungen zeigten, dass bereits wenige Monolagen kristallinen Materials an der Grenzfläche ausreichen, um einen hohen TMR in diesen Systemen zu erzielen. Ausgehend von diesen Berechnungen wurde die Mikrostruktur auf der Subnanometer-Skala an der kristallin/amorphen Grenzfläche von MgO-CoFeB in dieser Arbeit untersucht. Die experimentellen Daten wurden hierfür mittels aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an Modellsystemproben erstellt und die vom MgO induzierte kristalline Ordnung an der Grenzfläche zum CoFeB mittels iterativen Bildserienvergleichs mit simulierten Daten quantifiziert. Zur Simulation der HRTEM-Grenzflächenabbildungen wurde die „Averaged-Projected-Potential“-Näherung genutzt, welche im Rahmen dieser Arbeit um die Berücksichtigung von monoatomaren Stufen entlang der Strahlrichtung des Mikroskops erweitert wurde. Es zeigte sich, dass mit dieser Methode die Ordnung an der MgO-CoFeB-Grenzfläche von nicht ausgelagerten Systemen gut beschrieben werden kann.

In ausgelagerten Systemen kommt es dagegen zu einer Bor-diffusion aus dem a-CoFeB heraus um damit eine Kristallisation am MgO zu ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Bordiffusion und die Kristallisation in Abhängigkeit von der Deckschicht als auch der MgO-Depositionsmethode sowohl an Modellsystemproben als auch an funktionsfähigen MTJs untersucht. Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (EELS) an diesen Proben konnten zeigen, dass sowohl die Deckschicht also auch die MgO-Depositionsmethode einen entscheidenden Einfluss auf die Bor-Diffusion in diesen Systemen ausüben.