[發明專利]單晶自旋電子器件、制備方法及其三維集成制備方法

在審

• 申請號: 202010325501.2
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111490157A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 陳嘉民
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 吳夢圓

1.一種單晶自旋電子器件，其特征在于，所述電子器件的結構依次包括：

襯底；

具有B2晶體結構的種子層，位于所述襯底之上；

GMR或TMR多層膜結構，位于所述具有B2晶體結構的種子層之上。

2.根據權利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述襯底為Si(001)單晶襯底；

所述具有B2晶體結構的種子層包括NiAl種子層和CoFe種子層。

3.根據權利要求2所述的電子器件，其特征在于，所述NiAl種子層的厚度為10-200nm；

所述CoFe種子層的厚度為1-30nm。

4.根據權利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述GMR多層膜結構包括底電極層、反鐵磁層、釘扎層、非磁性金屬中間層、自由層和頂電極層，其中，釘扎層的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金，非磁性金屬中間層的材料使用Ag、Cu，自由層的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金；

所述TMR多層膜結構包括底電極層、反鐵磁層、釘扎層、隧道勢壘層、自由層和頂電極層，其中，釘扎層的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金，隧道勢壘層的材料使用MgO、MgAl_xO_1-x，自由層的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金。

5.一種如權利要求1-4任一所述的電子器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

用酸性溶液對襯底表面進行化學腐蝕，去除二氧化硅氧化薄層；

在沉積薄膜之前，襯底在真空濺射腔內以200-1000℃的溫度加熱10-120分鐘進行熱清洗；

在200-800℃的襯底溫度下，在襯底上沉積10-200nm厚的NiAl種子層；

在室溫條件下沉積1-30nm的CoFe作為第二層種子層；

依次沉積GMR或TMR自旋電子器件所需的多層膜結構。

6.根據權利要求5所述的電子器件的制備方法，其特征在于，所述酸性溶液為稀釋后的1-10％氫氟酸。

7.一種多晶底電極和單晶自旋電子器件的三維集成制備方法，采用權利1-4任一所述的單晶自旋電子器件，其特征在于，包括以下步驟：

在多晶底電極和單晶自旋電子器件兩個樣品表面上都沉積了1-200nm厚的金屬層作為鍵合材料，以增強鍵合界面的附著力；

把單晶自旋電子器件多層膜翻轉，與多晶底電極相對；

利用真空室溫鍵合裝置，施加2.0-5.0MPa的壓力載荷持續60s，在真空中室溫下進行鍵合；

鍵合后通過粗細研磨和濕法腐蝕的方法去除多余膜層；

采用電子束光刻、紫外光光刻和/或氬離子刻蝕的方法將薄膜疊層微細加工成器件進行器件性能測量。

8.根據權利要求7所述的三維集成制備方法，其特征在于，所述鍵合前先利用低損傷的氬離子束對兩部分的表面進行清潔，氬離子束能量為0.5-5keV；

所述金屬層的材料為金、銅、鉭、鈦、銀、鉑。

9.根據權利要求7所述的三維集成制備方法，其特征在于，所述粗細研磨分別使用320和8000粒度的砂輪進行粗磨和精磨；用堿性溶液進行濕法腐蝕，選擇性地去除殘留的Si；所述刻蝕溫度為50-90℃。

10.根據權利要求9所述的三維集成制備方法，其特征在于，所述堿性溶液使用了對NiAl種子層具有很高刻蝕選擇性的四甲基氫氧化銨(TMAH)基溶液；TMAH基溶液的質量濃度為3-10％。