Evaluation of sputter-deposited MgO-based tunneling diodes for silicon spintronics

Abstract

Bis heute besteht das Grundprinzip aller Halbleiterbauelemente in Ladungsträgermanipulation und -transfer zwischen unterschiedlichen Halbleiterregionen, wobei der Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor (MOSFET) den Grundbaustein für höchstintegrierte Schaltkreise darstellt. Der gewaltige Leistungszuwachs von Halbleiterbauelementen wurde dabei vor allem durch eine Miniaturisierung der Bauteildimensionen erreicht, einem Trend der durch das Moore'sche Gesetz beschrieben wird. In dieser Entwicklung wurde allerdings ein weiterer Freiheitsgrad der Elektronen ignoriert, der Elektronenspin. Die Kombination von Ladungsträgermanipulation mit dem Elektronenspin könnte eine neue Ära der Informationstechnologie einleiten, nämlich die der "Halbleiter Spintronik". Die Integration eines sogenannten spinFET in hochmodernen CMOS Bauelementen wird dabei als eine Lösung diskutiert, um das aufkommenden Miniaturisierungslimit zu umgehen. Bei einem spinFET werden die Source/Drain Kontakte durch magnetische Elektroden ersetzt, welche einen spin-polarisierten Strom in Silizium injizieren bzw.<br />detektieren.<br />Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist die Vereinigung von Datenverarbeitung und Datenspeicherung innerhalb eines einzigen Bauelementes. Dies wird erreicht durch die Verwendung eines Magneto-Strom Effektes, abhängig von der relativen magnetischen Ausrichtung von Injektor und Detektor. Die Verwendung von Silizium als Transportmedium für den spin-polarisierten Strom liefert dabei einen großen Vorteil: eine außerordentlich hohe Spin-Lebensdauer.<br />Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von gesputterten, MgO-basierten Tunneldioden, zur Verwendung als magnetische Kontakte eines spinFET. Die größte Hürde stellt hierbei die Fehlanpassung des Widerstandes zwischen Ferromagnet und Silizium dar, was die Verwendung eines spin-selektiven Widerstandes, in der Form einer Schottky- oder Tunnelbarriere, erforderlich macht. Die Verwendung einer Tunnelbarriere wird hierbei als vielversprechendste Lösung angesehen, wobei für die erfolgreiche Umsetzung eines spin-FET das Widerstand-Flächen Produkt der Dioden innerhalb eines engen Fensters liegen muss.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurden die strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften von ferromagnetischen Schottky- und MgO-basierten Tunneldioden untersucht, unter Verwendung von CoFe/NiFe, NiFe und CoFeB Elektroden, unterschiedlicher Siliziumdotierung und thermischer Nachbehandlung. Die elektrischen Diodeneigenschaften im Fall von n-dotiertem Silizium zeigen zu hohe Kontaktwiderstände. Im Fall von niedrig dotiertem p-Silizium hingegen sind die Kontaktwiderstände nahe dem geforderten Bereich des Widerstand-Flächen Produkts, was durch die Inversion der Silizium Oberfläche und der damit verschwindend kleinen Schottky-Barriere erreicht wird. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass MgO in einer kubischen Phase kristallisiert wenn es auf thermischem [SiO tief 2] abgeschieden wird, wodurch eine höhere Spinpolarisation erreicht werden kann. Bei direkter Abscheidung auf Silizium hingegen bleibt die MgO-Barriere amorph.<br />Niedrig dotiertes p-Silizium zeigt sowohl für die Injektion als auch Detektion von spin-polarisiertem Strom die vielversprechendsten Resultate. Die gezeigten Ergebnisse belegen, dass die Annäherung an den geforderten Bereich des Widerstands-Flächen Produkts in Verbindung mit den herausragenden dielektrischen und spin-filternden Eigenschaften, der Verwendung einer [SiO tief 2]/MgO(001) Doppelbarriere das höchste Potential für den Einsatz in einem spinFET zuteilwerden lassen.<br />

Until today the basic principle of semiconductor devices is the charge manipulation and transfer form one semiconductor region to another, with the metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) as basic building block for large integrated circuits. The tremendous gain in performance of semiconductor devices has mostly been possible by down-scaling the elements' sizes, following Moore's law, ignoring another inherent property of the electrons: their spin. The conjunction of charge manipulation in the semiconductor with the electron spin could lead to a whole new era in information technology, called semiconductor spintronics. The implementation of a so-called spinFET in state-of-the-art CMOS devices is discussed as a possible solution for upcoming scaling limitation. In a spinFET device the conventional source/drain contacts are replaced by ferromagnetic (FM) electrodes, injecting and detecting spin-polarized current in silicon.<br />The main advantage of this approach is the merge of information processing and storage in one device, employing a magneto-current effect that depends on the relative magnetization of the injector and detector electrode. The use of silicon as a host material for spin polarized current features a big advantage: its outstanding spin lifetime.<br />The present work addresses the fabrication and characterization of sputter-deposited MgO-based tunneling diodes for contact electrodes in such a spinFET device. The so-called conductivity mismatch between the FM contact and silicon is identified as major obstacle for spin injection, which imposes the need of a spin selective interface resistance, such as a Schottky or tunneling barrier. A tunneling barrier inserted at the FM/silicon interface is discussed as most promising solution for the conductivity mismatch, where the diodes' resistance area product has to match a narrow resistance window for successful device implementation. The structural, electrical and magnetic properties of ferromagnetic Schottky diodes and MgO-based tunneling diodes have been investigated, employing CoFe/NiFe, NiFe and CoFeB ferromagnetic electrodes, different silicon doping densities and different post-deposition annealing conditions. The electrical properties reveal a too high resistance-area product of diodes on n-doped silicon. For low doped p-Si the required resistance-area product is almost matched, where an inversion layer at the interface leads to a vanishing Schottky barrier. Furthermore, it is shown that MgO crystallizes in a cubic phase when deposited on thermally grown [SiO tief 2], which could result in increased spin polarization, while staying amorphous on silicon.<br />As a result, p-type silicon with a low doping density leads for both spin injection and spin detection to the most promising results. The results presented in this thesis demonstrate that the close approach of the resistance-area product to the required range, combined with superior dielectric and spin-filtering properties, give the [SiO tief 2]/MgO(001) bilayer the highest potential for use as tunnel barrier in spinFET ferromagnetic contacts.<br />