Ergebnisse und Diskussion
4.2. Bor-Diusion
4.2.1. Einuss der Deckschicht auf die Bor-Diusion und das Kristallisationsverhalten
In diesem Abschnitt werden die Einüsse des Deckschichtmaterials auf die Bor-Diusion und das Kristallisationsverhalten von CoFeB beim Auslagern unter-sucht. Diese Untersuchung erfolgt an Modellsystemen, deren unterschiedlicher Aufbau in Abbildung 4.20 skizziert sind. Im Gegensatz zu funktionsfähigen MTJs lassen sich in diesen Modellsystemen die Schichtdicken freier wählen und Beeinussungen anderer Materialien, die sich in MTJs nden weitestge-hend ausschlieÿen. Die genauen Eigenschaften und deren Herstellung benden sich im Anhang in Abschnitt B.3.
Die vier auf MgO gewachsenen Proben weisen 5 bzw. 100 nm dicke CoFeB-Schichten auf und sind jeweils mit einer Deckschicht versehen. Als Deckschicht-material nden Ta und Ru weit verbreitete Anwendung in MTJs mit hohen TMR [2], weshalb diese Deckschichtmaterialien auch im Folgenden untersucht werden. Alle Proben werden für 60 Minuten bei 450◦C ausgelagert, um eine Kristallisation des zu untersuchenden CoFeB (s. Abschnitt 2.2.2.1) zu ermög-lichen.
Da die Kristallisation des CoFeB sowohl am MgO als auch an der Puer-und Deckschicht möglich ist, ist bei den Proben mit der 100 nm dicken Schicht CoFeB eine getrennte Untersuchung dieser beiden Kristallisationsorte möglich,
Abbildung 4.20.: Übersicht der auf MgO-Substrat hergestellten Proben mit 5 bzw.
100 nm dicker CoFeB-Schicht und darüberliegender Deckschicht aus Ta oder Ru.
sofern die CoFeB-Schicht nicht durchgängig kristallisiert ist.
Die TEM-Abbildung 4.21 zeigt die 100 nm dicken CoFeB-Schicht-Proben mit der Ru-Deckschicht (a) und der Ta-Deckschicht (b). In den TEM-Abbil-dungen ist eine gute Unterscheidung des kristallisierten CoFe (dunklerer Kon-trast) und des amorphen CoFeB (hellerer KonKon-trast) möglich. In beiden Proben ist eine kristalline Schicht CoFe sichtbar, welche epitaktisch auf dem MgO ge-wachsen ist. Diese beträgt im Fall der Ru-Deckschichtprobe 13 nm und ist bei der Ta-Deckschichtprobe mit 25 nm deutlich dicker, was auf eine schnel-lere Kristallisation im Fall der Ta-Deckschicht hinweist. Jedoch bendet sich in der Ru-Deckschichtprobe an der Grenzäche zum polykristallinen hcp-Ru ebenfalls eine 25 nm dicke Schicht polykristallines CoFe. Eine Kristallisation des CoFeB am nanokristallinen Ta ndet dagegen nicht statt.
EDX-Punktmessungen in der amorphen CoFeB-Schicht zur Bestimmung des Fe:Co-Verhältnisses ergeben ein Verhältnis von 29(1):71(1). Da es sich beim Sputter Target um eine (Co25Fe75)80B20-Legierung handelt, ist die CoFeB-Schicht Co-reicher als erwartet. Dieses oft beobachtete Verhalten ist auf eine leicht höhere Sputterrate des Cobalts zurückzuführen [50].
In den Proben mit 100 nm dicken CoFeB-Schichten benden sich an der Grenzäche zum MgO ausgedehnte kristallisierte CoFe-Schichten. Daher ist zu erwarten, dass diese Schichten in den Proben mit nur 5 nm dicken CoFeB-Schichten vollständig kristallisiert sind (s. Abb. 4.22).
(a) (b)
Abbildung 4.21.: TEM-Abbildungen von ausgelagerten Proben mit 100 nm dicker CoFeB-Schicht: a) Die Probe mit Ru-Deckschicht zeigt eine etwa 13 nm dicke Schicht kristallinen CoFe an der Grenzäche zum MgO und eine Kristallisation an der Deckschicht b) Die Kristallisation an der Grenzäche zum MgO ist bei der Ta-Deckschichtprobe mit 25 nm dicker; dafür tritt hier keine Kristallisation zur Deck-schicht hin auf. [117]
Das gilt auch für die Ta-Deckschichtprobe (Abb. 4.22b und 4.22d). Das CoFeB ist vollständig vom MgO aus in bcc(001)-CoFe kristallisiert. Darüber schlieÿt sich das nanokristalline Ta an.
Im direkten Vergleich der Ru-Deckschichtprobe mit der Ta-Deckschichtprobe fällt auf, dass in der Ru-Probe die kristallisierte CoFe-Schicht dünner ist als in der Ta-Probe. Auÿerdem ist in der Ru-Deckschichtprobe eine dünne, vom Kontrast hellere, amorphe Zwischenschicht sichtbar, die zwischen der kristal-lisierten CoFe- und der darüberliegenden polykristallinen hcp-Ru-Schicht liegt.
Da die Kristallisation des CoFeB maÿgeblich durch das Herausdiundie-ren des Bors beeinusst wird, werden im Folgenden EELS-Untersuchungen an den Proben mit der 5 nm dicken CoFeB-Schicht durchgeführt, um nach dem Auslagern Unterschiede der Segregation von Bor festzustellen. Die EELS-Untersuchungen wurden im FEI TITAN ETEM unter STEM-Bedingungen durchgeführt, um einen direkten Zusammenhang des Probenortes mit den erhaltenen EELS-Spektren zu erlangen. Der Strahldurchmesser beträgt da-bei etwa 1,5 Å und hat einen Semikonvergenzwinkel von ∼9,5 mrad. Die Spektrometerdispersion liegt bei 0,25 eV/Kanal, was in einer Energieauösung von 1,5 eV resultiert und ein 512 eV breites Energiespektrum auf dem Detek-tor erzeugt. Dieses ausgedehnte Energiespektrum ist erforderlich, um simul-tan das Signal der Bor-K-Absorptionskante bei 188 eV und der Sauersto-K-Absorptionskante bei 532 eV aufzunehmen [118]. Um Schädigungen der Probe durch den Elektronenstrahl zu verringern, wird das EELS-Spektrum an meh-reren Punkten parallel zur MgO/CoFeB-Grenzäche aufgenommen und inte-griert.
Abbildung 4.23 zeigt für die Messung an der Ru-Deckschichtprobe in der linken Spalte das HAADF-Signal, das die Position des Strahls auf der Probe angibt. Daneben bendet sich das hintergrundkorrigierte EELS-Spektrum im Bereich der Bor-K-Kante und auf der rechten Seite schlieÿt sich das hinter-grundkorrigierte EELS-Spektrum im Bereich der Sauersto-K-Kante an. Ab-bildung 4.24 zeigt die gleiche Messung an der Probe mit der Ta-Deckschicht.
Die Probe mit der Ru-Deckschicht (Abbildung 4.23) zeigt, wie zu erwarten, ein klares Sauerstosignal im Bereich des MgO. Bor ist weder im MgO oder am Übergang zum CoFe, noch im kristallisierten CoFe feststellbar. Das Bor scheint also vollständig aus dem c-CoFe herausdiundiert zu sein. An das CoFe grenzt ein schmaler Bereich an, der im HAADF-Signal als dunkler Kontrast erscheint. In diesem amorphen Bereich ist praktisch das ganze Bor zu nden.
In der Ru-Deckschicht selbst kann wiederum kein Bor nachgewiesen werden.
(a) (b)
(c) (d)
Abbildung 4.22.: TEM-Abbildungen von ausgelagerten Proben mit 5 nm dünner CoFeB-Schicht. Links mit Deckschicht und rechts mit Ta-Deckschicht. Die Deckschichtprobe zeigt eine amorphe Schicht zwischen kristallisiertem CoFe und Ru-Deckschicht. Die Abbildungen c) und d) sind Ausschnitte von a) und b). [117]
Abbildung 4.23:
Mitte und rechts das EELS-Bor-K-Kanten-Signal und
Da in den hellen Zwischenschichten der TEM-Abbildungen mittels EELS Bor festgestellt wurde, erklärt anscheinend das schwach streuende Bor den hellen Kontrast in diesen Schichten.
Die Ta-Deckschichtprobe (Abbildung 4.24) zeigt im MgO naturgemäÿ ein Sauerstosignal gefolgt von einem Bor-freien Bereich im kristallisierten Co-Fe an. Erst die folgenden Messpunkte weisen ein Bor-Signal auf, das sich bis zum Ende des Messbereiches in das Ta hineinerstreckt. Auch in dieser Probe kann kein Bor im MgO oder an der Grenzäche MgO/CoFe festgestellt werden.
Aus den TEM-Abbildungen mit der 100 nm dicken CoFeB-Schicht wird deutlich, dass die Ru-Deckschicht die Kristallisation des CoFe beim Ausla-gern durch seine polykristalline Struktur beeinussen kann, wohingegen bei der Ta-Deckschicht ausschlieÿlich eine Kristallisation vom MgO auftritt.
Die amorphe Zwischenschicht der Ru-Deckschichtprobe kann mittels EELS-Messungen als borhaltig identiziert werden. Da in dieser Probe eine dünnere, kristalline CoFe-Schicht als in der Vergleichsprobe mit einer Ta-Deckschicht vorhanden ist, ist davon auszugehen, dass es sich um eine nicht kristallisierte Schicht CoFeB handelt. Die 100 nm CoFe-Probe mit Ru-Deckschicht zeigt bei gleicher Auslagerungszeit und Temperatur eine 13 nm dicke, kristalline
CoFe-Abbildung 4.24:
Mitte und rechts das EELS-Bor-K-Kanten-Signal und das EELS-Sauersto-K-Kanten-Signal jeweils zum dazugehörigen Ort. Das B-Signal erstreckt sich weit in das Ta hinein. Ebenfalls kein B im MgO oder an der Grenzäche zum MgO.
[117]
Schicht zum MgO, was zeigt, dass die Auslagerungsbedingungen ausreichen, um die 5 nm dicke CoFeB-Schicht zu kristallisieren.
Aus den EELS-Messungen lässt sich folgern, dass das Ru die Bor-Diusion in die Deckschicht blockiert, da dort kein Bor zu nden ist. Dies würde be-deuten, dass das CoFeB beim Auslagern vom MgO aus kristallisiert und sich das Bor im noch nicht kristallisierten CoFeB anreichert, da die darüberliegende Ru-Deckschicht das Bor nicht aufnimmt. Dadurch verlangsamt sich die Kristal-lisation des CoFeB beim Auslagern und es bleibt anschlieÿend eine amorphe Zwischenschicht zurück, welche praktisch das gesamte Bor enthält.
Anders sieht es im Fall der Ta-Deckschichtprobe aus. Hier scheint das CoFe vollständig kristallisiert zu sein. Aus den EELS-Messungen lässt sich schlieÿen, dass das Bor beim Auslagern in das Ta hineindiundiert und das Ta als Senke für das Bor dient. Beiden Proben ist gemein, dass weder Bor noch Boroxid im MgO oder an der MgO/CoFe-Grenzäche gefunden werden konnte. Eine Skiz-ze, die die Veränderungen während des Auslagerns darstellt, ist in Abbildung 4.25 dargestellt.
Bei den 100 nm dicken CoFeB-Schichten sind in der Ru-Deckschichtprobe
Abbildung 4.25.: Schematische Darstellung der Probenveränderung während der Auslagerung mit 5 nm dicker CoFeB-Schicht.
38 % des CoFeB kristallisiert. Geht man davon aus, dass das Bor weder in das angrenzende Ruthenium noch in das MgO übergegangen ist, müsste es sich im amorphen CoFeB angereichert haben. Geht man von einer Ausgangs-konzentration von 20 % Bor im CoFeB aus, so müsste sich der Borgehalt in dieser Probe auf 32 % im amorphen CoFeB angereichert haben. Diese erhöhte Konzentration von Bor könnte erklären, weshalb die vom MgO aus kristal-lisierte CoFe-Schicht in der Ru-Deckschichtprobe dünner ausfällt als in der Ta-Deckschichtprobe.