[發(fā)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

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010325501.2
• 申請(qǐng)日: 2020-04-23
• 公開（公告）號(hào): CN111490157A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳嘉民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
• 主分類號(hào): H01L43/08
• 分類號(hào): H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 吳夢(mèng)圓

一種單晶自旋電子器件，所述電子器件的結(jié)構(gòu)依次包括：襯底；具有B2晶體結(jié)構(gòu)的種子層，位于所述襯底之上；GMR或TMR多層膜結(jié)構(gòu)，位于所述具有B2晶體結(jié)構(gòu)的種子層之上。本發(fā)明提出了使用鎳鋁合金和鈷鐵合金(NiAl/CoFe)雙種子層來提高自旋電子器件的熱穩(wěn)定性，使器件可通過更高溫度的退火處理來提高性能。本發(fā)明提出在多晶電極上制備單晶(001)晶向自旋電子器件的完整工藝流程和方法，成功解決了目前高性能單晶外延生長(zhǎng)的自旋電子器件需要使用價(jià)格昂貴的單晶氧化鎂基片，缺乏與之匹配的實(shí)用化制備工藝的關(guān)鍵性難題，為高性能單晶自旋電子器件在硅晶圓上低成本、大規(guī)模生產(chǎn)提供了解決方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子器件制備的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單晶GMR、TMR自旋電子器件、制備方法及其三維集成制備方法。

背景技術(shù)

巨磁電阻GMR(Giant Magnetoresistance)、隧穿磁電阻TMR(TunnelingMagnetoresistance)等自旋電子器件現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于如電腦的硬盤磁頭、存儲(chǔ)器、工業(yè)控制的傳感器等信息科技領(lǐng)域。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)海量信息數(shù)據(jù)快速、高效、低功耗的存算需求越來越大。為了滿足這一需求，亟需開發(fā)下一代更高性能的自旋電子器件。

目前，已經(jīng)商業(yè)化的硬盤磁頭、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器當(dāng)中，普遍使用的是基于巨磁電阻(GMR)效應(yīng)和隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)的多晶自旋電子器件。TMR器件是通過在熱氧化處理后的硅晶圓上，利用磁控濺射的方法，自下而上依次制備出包含底電極層、反鐵磁層、釘扎層、隧道勢(shì)壘層、自由層和頂電極層的多晶多層膜結(jié)構(gòu)，如圖1所示。GMR器件是通過在熱氧化處理后的硅晶圓上，利用磁控濺射的方法，自下而上依次制備出包含底電極層、反鐵磁層、釘扎層、非磁性金屬中間層、自由層和頂電極層的多晶多層膜結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該類多晶自旋電子器件經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但由于其材料體系單一以及多晶薄膜晶界的存在不利于自旋電子輸運(yùn)的局限，器件性能已出現(xiàn)技術(shù)瓶頸，無法滿足日益增長(zhǎng)的高性能要求。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于多晶生長(zhǎng)制備而成的GMR、TMR器件，單晶外延生長(zhǎng)制備而成的GMR、TMR器件普遍擁有更好的均一性和更高的磁電阻比值，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。但由于目前高性能單晶外延生長(zhǎng)的GMR、TMR器件需要使用價(jià)格昂貴的單晶氧化鎂基片，缺乏與之匹配的實(shí)用化制備工藝，因此該器件仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法走向應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種單晶自旋電子器件、制備方法及其三維集成制備方法，以期部分地解決上述技術(shù)問題中的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一方面，提供了一種單晶自旋電子器件，所述電子器件的結(jié)構(gòu)依次包括：

襯底；

具有B2晶體結(jié)構(gòu)的種子層，位于所述襯底之上；

GMR或TMR多層膜結(jié)構(gòu)，位于所述具有B2晶體結(jié)構(gòu)的種子層之上。

其中，所述襯底為Si(001)單晶襯底；

所述具有B2晶體結(jié)構(gòu)的種子層包括NiAl種子層和CoFe種子層。

其中，所述NiAl種子層的厚度為10-200nm；

所述CoFe種子層的厚度為1-30nm。

其中，所述GMR多層膜結(jié)構(gòu)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；