1。 NIMS 正在与 AIST 合作，在工业实用的硅基板上创造出卓越的产品。磁阻1表示特征单晶霍斯勒合金2我们成功制造了巨磁阻元件。进一步晶圆键合技术3，可以将单晶磁阻元件薄膜粘合到多晶电极上。这一结果为高性能单晶器件的实际部署开辟了一条新途径，这在以前是不切实际的，并且有望有助于硬盘驱动器（HDD）容量的增加。
2。有限公司2当原子有序（有序状态）时，某些霍斯勒合金（例如 MnSi）在一个方向上具有传导电子旋转4只有``半金属5'' 已知。先前的研究表明，使用半金属霍斯勒合金的高级全单晶结构巨磁阻元件6据报道，这种磁阻材料已经制造出来，具有极高的磁阻比，这是高密度硬盘驱动器读取头所需要的，高密度硬盘驱动器的记录密度几乎是当前硬盘驱动器的五倍。然而，其制造需要使用具有良好晶格匹配和高耐热性的单晶氧化镁（MgO）衬底，而工业生产的MgO衬底的小尺寸和高成本阻碍了其实际应用。此外，HDD的读取头必须在具有多晶结构的磁屏蔽电极膜上制造，但不可能在具有不同晶格方向的多晶上直接生长单晶元件。此外，磁屏蔽对热敏感，热处理温度必须保持在300℃以下，因此单晶霍斯勒合金巨磁阻元件的实际应用存在各种障碍，例如无法进行订购霍斯勒合金所需的高温热处理。
3。该研究小组发现，在廉价且实用性高的硅衬底上使用NiAl/CoFe底层可以获得极高的耐热性和平坦度，并成功在硅衬底上制造了单晶赫斯勒合金巨磁阻元件，其性能与在MgO衬底上生长的元件相当。此外，通过使用近年来发展起来的三维堆叠技术，我们成功地将制作的单晶赫斯勒巨磁阻元件薄膜晶圆键合到在单独基板上生长的多晶电极薄膜上。通过优化晶圆键合条件，我们实现了极其平坦且无缺陷的多晶/单晶键合界面，并证明键合后实现了与键合前相同的高磁阻性能。采用该方法，无需直接在多晶电极薄膜上生长单晶磁阻元件，彻底解决了高温热处理带来的问题。
4。这一结果证明的方法不仅可用于单晶霍斯勒合金巨磁阻元件，而且还可用于已知表现出高性能的单晶结构。隧道磁阻元件7耐热性低的集成电路等。预计这项工作将为高性能单晶自旋电子器件的实际应用铺平道路，并有助于提高硬盘驱动器和磁性随机存取存储器的容量。
5。这项研究是由日本国立材料科学研究所磁自旋电子材料中心组长樱庭佑也、米乐m6官方网站自旋电子学研究中心研究组组长药师寺宏、器件技术研究部综合研究主任高木秀树、菊地克也研究组组长组成的联合研究小组进行的。这项研究也是创新研发促进计划 ImPACT“实现无需充电即可长时间使用的终极生态 IT 设备”的一部分（PM Masashi Sahashi）。这项研究的结果是材料学报杂志上在线发布。
将几纳米厚的非磁性层夹在两个磁性层之间的层叠膜的电阻根据磁性层的相对磁化方向而变化。当非磁性层为金属时，称为巨磁阻（GMR），当非磁性层为绝缘体时，称为隧道磁阻（TMR），这些磁阻现象已在硬盘驱动器（HDD）播放磁头和磁性随机存取存储器（MRAM）记录元件中投入实际应用。为了实现更高容量的 HDD 和 MRAM，需要进一步提高这些实用设备的元件级性能。
例如，为了增加HDD的容量，需要提高读取头中使用的磁传感器，即磁阻元件的性能，并且需要开发具有更小的元件电阻和更高的磁阻1（MR）比的数十纳米尺寸的微小元件。为了大幅提高MR比，近年来，使用赫斯勒合金（图1）的磁阻元件的研究取得了进展，这种合金具有一种被称为“半金属”的特性，其中传导电子的自旋在一个方向上极化，就像磁性层一样。垂直电流型巨磁阻元件（CPP-GMR）6已经实现了远远超过使用铁和钴等常见磁性材料的元件的MR比（图2）。如此大的MR比和很小的元件电阻为5 Tbit/in，几乎是当前HDD的5倍。2的记录密度。然而，这些优异的性能只能通过在单晶氧化镁（MgO）衬底上外延生长的单晶磁阻元件来实现，而工业化生产的MgO衬底的小尺寸和高成本一直是半金属Heusler合金高质量单晶磁阻元件实际应用的障碍。
此外，用作HDD读取头的磁阻元件必须生长在多晶结构的磁屏蔽电极膜上，但由于晶格失配的问题，理论上不可能直接生长单晶结构的磁阻元件。另外，由于磁屏蔽特性恶化的问题，允许工艺温度的上限约为300℃。如图1所示，半金属霍斯勒合金在原子规则排列的有序状态下表现出高自旋极化，但通常需要在超过300℃的温度下进行热处理以促进原子的有序化。如上所述，单晶Heusler合金CPP-GMR元件的实际应用中存在各种技术问题。
图1 显示全霍斯勒合金半金属性的晶体结构和电子结构。当原子规则排列时可以获得高自旋极化。
图2 单晶Heusler合金巨磁阻元件磁阻比更新。获得了使用普通磁性材料无法实现的极高磁阻比，但所有结果都是使用不切实际的MgO基板实现的。
为了解决使用半金属霍斯勒合金的上述问题，NIMS首先开发了一种在硅衬底上使用钴基霍斯勒合金作为磁性层制造高质量单晶CPP-GMR元件的技术，该技术具有很强的工业实用性。如果可以使用硅基板，就可以利用近年来在高集成LSI领域受到关注的三维堆叠技术，因此我们的目标是在不同的基板上生长单晶CPP-GMR元件膜和用于磁屏蔽的多晶电极膜，然后使用三维堆叠技术将它们键合到晶圆上。我们与产业技术研究院自旋电子学研究中心和器件技术研究部合作，利用三维层压技术将硅基板上制作的单晶Heusler CPP-GMR薄膜粘合到多晶电极基板上，旨在即使在粘合后也能再现高磁阻特性。
■ 在硅衬底上成功制备高性能单晶Heusler合金CPP-GMR器件
如图1所示，霍斯勒合金是不同类型原子规则排列的有序合金，已知只有实现高度有序的结构才能获得称为半金属的高自旋极化状态。为了获得高度有序的结构，需要高温热处理工艺，并且已观察到Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)，需要在500℃以上的高温下进行热处理。此次，NIMS研究组发现，可以在硅（001）单晶衬底上生长出（001）取向的NiAl/CoFe两层结构的基底层，并且还可以在基底层上生长出（001）取向的CFGG/Ag/CFGG单晶CPP-GMR薄膜。生长后，单晶 CPP-GMR 薄膜耐热至 500°C，可在不损坏原子有序性的情况下促进原子有序化，从而获得与在单晶 MgO 基板上生长时获得的 MR 比率相当的值（图 3）。
图3具有不同基底和底层的CFGG/Ag/CFGG结构的单晶巨磁阻元件的磁阻的热处理温度依赖性。
■ 成功将硅基板上的高性能单晶Heusler合金CPP-GMR器件直接晶圆键合到多晶电极上
我们尝试在制作好的硅基板上进行单晶CPP-GMR薄膜和多晶磁屏蔽电极薄膜的晶圆键合（详细过程如图4所示）。该薄膜是在产业技术研究所设备技术研究部使用全自动室温晶圆键合机MWB-12-ST（三菱重工）通过晶圆键合进行贴合的。由于CPP-GMR元件是由纳米级异种材料的堆叠结构组成，因此选择要接合的单晶CPP-GMR薄膜侧和多晶电极薄膜侧的覆盖层非常重要，以免接合时的强大压力损坏各层之间的界面。通过尝试使用多种帽材料进行接合，我们发现当两种帽材料都使用 Au（金）时，可以获得最佳接合界面。观察接合界面的截面电子显微镜图像，结果确认，实现了无缺陷的平滑的单晶Au/多晶Au接合界面，并且没有对单晶CPP-GMR层压膜造成损坏（图5左）。之后，通过湿法研磨和选择性蚀刻去除单晶CPP-GMR薄膜侧的硅基板，然后使用光刻将其加工成数百纳米尺寸的柱状，并评估磁阻效应。结果，即使在贴合到多晶电极膜上之后，观察到MR比也与贴合前完全相同（图5右）。这是世界上第一个成功的单晶磁阻元件薄膜三维堆叠工艺的报道。
图4 CFGG/Ag/CFGG结构单晶巨磁阻元件薄膜与多晶电极的直接晶圆键合-衬底去除-磁阻元件加工的工艺流程
图5 直接晶圆键合后的横截面透射显微镜图像（左）和键合后磁阻测量结果（右）
这项研究的结果使得在实用的硅衬底上制造高性能单晶半金属Heusler合金CPP-GMR器件成为可能，而无需使用昂贵且不实用的MgO单晶衬底。此外，我们还实现了需要高温工艺的单晶CPP-GMR元件薄膜和不耐高温的多晶电极膜的三维堆叠结构。尽管该技术仍存在降低三维堆叠工艺成本和键合后器件良率等问题，但如果这些问题能够得到解决，则使用Heusler合金的高质量单晶CPP-GMR器件有可能应用于下一代HDD的播放磁头。此外，本研究发现的NiAl/CoFe底层具有高度通用性，使得不仅可以在本研究中演示的Heusler合金CPP-GMR器件，还可以在硅衬底上生长单晶结构TMR器件和面内电流型GMR器件，以及使用类似的三维堆叠工艺。这项工作将为迄今为止仅限于基础研究的不切实际的高性能单晶磁阻元件的应用铺平道路，并有望应用于各种自旋电子器件，如大容量HDD、MRAM和高灵敏度磁传感器。
标题：利用三维集成技术在多晶电极上制造半金属赫斯勒合金全外延巨磁阻器件
作者：Jiamin Chen、Yuya Sakuraba、Kay Yakushiji、Yuichi Kurashima、Naoya Watanabe、Jun Liu、Songtian Li、Akio Fukushima、Hideki Takagi、Katsuya Kikuchi、Shinji Yuasa 和 Kazuhiro Hono
杂志：材料学报
发布日期和时间：协调世界时间 2020 年 5 月 28 日上午 9:00（日本时间 5 月 28 日下午 6:00）