게시 및 게시 날짜 : 2020/05/28
3D 라미네이트 기술을 사용하여 다바카라 하는 법 전극에서 단바카라 하는 법 거인 자석성 장치를 성공적으로 제작했습니다
-고성능 하반 금속 Heusler Magnetoresistive 요소의 실제 배치 경로를 보여줍니다
요약
1 NIMS는 AIST와 협력하여 산업적으로 실용적으로 우수한 실리콘 기질을 만들었습니다magnetoresistance1특성 표시단바카라 하는 법 Heusler 합금2우리는 거대한 자석성 요소를 성공적으로 제작했습니다 게다가웨이퍼 본딩 기술38326_8464 |를 사용하여 단바카라 하는 법 자석성 요소 필름을 다바카라 하는 법 전극에 결합 할 수있는 것은 세계에서 처음입니다 이 결과는 이전에 실용적이지 않은 고성능 단바카라 하는 법 장치의 실질적인 개발 경로를 보여줍니다
2 CO2MNSI와 같은 일부 Heusler 합금에는 원자가 정기적으로 정렬 될 때 일원 전도 전자가 있습니다 (조절 상태)스핀4만 "반 금속5"로 알려져 있습니다 이전의 연구에 따르면 반 메탈 Heusler 합금을 사용하는 고품질의 모든 단일 바카라 하는 법 구조가 나타났습니다거대한 자석성 요소6현재 HDD의 거의 5 배의 녹음 밀도를 갖는 고 녹음 밀도 HDD 재생 헤드에 필요한 매우 큰 자성상 비율을 생성하고보고 된 것으로보고되었습니다 그러나, 우수한 바카라 하는 법 격자 호환성 및 높은 내열성을 갖는 단바카라 하는 법 산화 마그네슘 (MGO) 기질을 사용해야했으며, 산업적으로 생산 된 MGO 기판 및 높은 비용의 작은 크기는 실제 사용을 방지 할 필요가 있었다 또한, HDD 재생 헤드는 다바카라 하는 법 구조를 갖는 자기 실드 전극 필름에 제작되어야하지만, 다른 격자 방향으로 다바카라 하는 법에서 단바카라 하는 법 요소를 직접 재배하는 것은 불가능하다 또한, 자기 방패는 열에 민감하고 열처리 온도가 300 ° C 미만이어야하므로 Heusler 합금을 규칙화하는 데 필요한 고온 열처리를 수행 할 수 없습니다 또한 단바카라 하는 법 Heusler 합금 거대 자성 저항 요소의 실제 적용에 다양한 장벽이 있었다
3 이 연구 팀은 저렴하고 실용적으로 실용적인 실리콘 기판에서 Nial/Cofe 언더 레이어를 사용하여 매우 높은 내열성 및 평탄도를 제공하며, MGO 기판에서 성장한 요소의 성능과 동일한 성능을 나타내는 실리콘 기판에서 단바카라 하는 법 Heusler Alloy Giant Magnetoresistance 요소를 성공적으로 제작했다는 것을 발견했습니다 또한, 최근 몇 년 동안 개발 된 3D 라미네이트 기술을 사용함으로써, 우리는 제조 된 단바카라 하는 법 Heusler의 거인 자석성 요소 필름을 다른 기판에서 자란 다바카라 하는 법 전극 필름에 성공적으로 결합했습니다 웨이퍼 접합 조건을 최적화함으로써, 매우 평평하고 결함이없는 다바카라 하는 법/단바카라 하는 법 결합 인터페이스가 달성되며, 결합 후에도 결합 전과 동일한 높은 자성상 성능이 달성 될 수 있음을 입증 하였다 이 방법을 사용하여, 다바카라 하는 법 전극 필름에서 단바카라 하는 법 자성 요소를 직접 성장시킬 필요는 없으며, 고온 열처리로 인한 문제는 완전히 해결됩니다
4 이 작업에 의해 제시된 방법은 단바카라 하는 법 Heusler 합금 거대 자성상 요소 일뿐 만 아니라 고성능으로 알려진 단바카라 하는 법 구조이기도합니다터널 자기 적 요소7등을 쌓는 데 일반적으로 사용할 수 있습니다 고성능 단바카라 하는 법 스핀 트로닉 장치는 실질적인 사용의 길을 열어주고 HDD의 용량 증가 및 자기 랜덤 액세스 메모리에 기여할 것으로 예상됩니다
5 이 연구는 Sakuraba Yuya, Magnetic and Spintronics Research Center의 그룹 리더, 국립 재료 및 재료 연구소 및 Yakushiji Hiroshi, Spintronics Research Center의 책임자, Takagi Hide의 국립 연구원, Takagi Hideki의 책임자, Kikuchi katsua, Kikuchi katsua, Kikuchi hueys and the the device research of the the the the the the the the devication research and technology, Takagi Hide and Technits의 Spintronics Research Center, Yakushiji Hiroshi로 구성된 공동 연구 팀에 의해 수행되었습니다 그룹 이 연구는 또한 혁신적인 연구 개발 프로모션 프로그램 영향의 일환으로 "충전없이 오랜 시간 동안 사용될 수있는 궁극적 인 ECO-IT 장치의 실현"(PM Sahashi Masaji)의 일환으로 수행되었습니다 이 연구의 결과는 다음과 같습니다Acta Materialia잡지는 2020 년 5 월 28 일 오전 9시 (일본 28 일 오후 6시)에 온라인으로 출판됩니다
연구 배경
2 개의 자기 층을 갖는 샌드위치 구조에서 몇 가지 나노 미터의 두께를 갖는 비자 성 층으로 만들어진 적층 필름의 전기 저항은 자기 층의 상대적인 자화 방향에 따라 변화한다 비자 성 층이 금속 인 경우 GMR (Giant Magnetoresistance)이라고하며, 절연체를 사용하는 경우 TMR (Tunnel Magnetoresistance)이라고하며, 이러한 자성상의 현상 현상은 하드 디스크 드라이브 (HDDS)에 대한 재생 헤드 (MRAM)의 재생 헤드로 이미 사용되었습니다 HDDS 및 MRAM에 대한 더 높은 용량을 달성하려면 이러한 실제 장치의 요소 수준에서의 성능이 더욱 향상됩니다
예를 들어, HDD의 용량을 높이기 위해서는 자기 센서의 성능, 즉 읽기 헤드에 사용 된 자석성 요소의 성능을 향상시켜야하며, 수십 개의 크기의 크기의 미세 요소의 개발이 더 작은 요소 저항과 더 큰 자력 1 (MR) 비율이 필요합니다 MR 비율을 극적으로 증가시키려는 시도에서, 최근 몇 년 동안, 전도 전자의 스핀이 자기 층으로, Heusler Alloy를 사용하여 전도 전자의 스핀을 한 방향으로 분극하는 "Half Metal"이라고 불리는 Heusler 합금 (그림 1)을 사용하여 Magnetoristive 요소에 대한 연구가 진행되고 있습니다직접 전류 유형 대기업 거대 자석 정전 요소 (CPP-GMR)6철 또는 코발트와 같은 일반적인 자기 재료를 사용하는 장치보다 훨씬 큰 MR 비율이 달성됩니다 (그림 2) 이러한 큰 MR 비율과 작은 요소 저항은 5 tbit/in2그러나, 이러한 우수한 특성은 단바카라 하는 법 자성 마그네슘 (MGO) 기판에서 에피 탁상으로 성장한 단바카라 하는 법 자성 요소로만 실현되며, 산업적으로 생산할 수있는 소형 크기 및 높은 비용은 반 중간 heusler alloys를 사용하여 고품질의 단일 바카라 하는 법 마그네토테이션 요소의 실질적인 적용에 의해 방해되었다
또한, HDDS의 읽기 헤드 역할을하는 자기 정상 요소는 다바카라 하는 법 구조를 갖는 자기 방패 전극 필름에서 성장해야하지만 원칙적으로 원칙적으로는 바카라 하는 법 라트이스에서 Mistal Lattice에서 Magnetoresistive 요소를 직접 성장시키는 것은 불가능합니다 또한, 자기 방패의 특성이 악화되어 최대 허용 공정 온도는 약 300 ℃이다 반-금속 Heusler 합금은도 1과 같이 원자가 정기적으로 배열되는 일반 상태에서 높은 스핀 분극성을 나타내지 만, 원자의 정규화를 촉진하기 위해서는 300 ℃를 초과하는 열처리가 일반적으로 필요하다 따라서, 단바카라 하는 법 Heusler 합금 CPP-GMR 장치의 실질적인 개발에 다양한 기술적 문제가 있었다

그림 1 전체 Heusler 합금의 바카라 하는 법 구조 및 반 금속 특성을 나타내는 전자 구조 원자가 정기적으로 배열 될 때 높은 스핀 분극성을 얻을 수 있습니다

그림 2 : 단바카라 하는 법 Heusler 합금 거대 자석 정전 요소의 업데이트 된 자력 비율 전형적인 자기 재료가 사용될 때 달성 할 수없는 매우 높은 자성 저항 비율이 얻어 지지만, 실용적 MGO 기판을 사용하는 장치의 결과입니다
연구 내용 및 결과
Half-Metal Heusler 합금을 사용하는 위에서 언급 한 문제를 해결하기 위해 NIMS는 먼저 산업적으로 실용적 인 공동 기반 하반 메탈 하우슬러 합금을 사용하여 고품질 단바카라 하는 법 CPP-GMR 요소를 제조하는 기술을 개발했습니다 실리콘 기판이 사용될 수 있다면, 최근 몇 년 동안 LSI의 높은 통합 분야에서 주목을받은 3 차원 라미네이션 기술은 3 차원 적층 기술을 활용할 수 있었기 때문에 목표는 단일 바카라 하는 법 CPP GMR 요소 필름과 분리 된 기질을 갖는 자성 분위기를 갖는 자성 분위기를 갖는 자력을 갖는 다형 화폐 필름을 성장시키는 것입니다 AIST의 Spintronics Research Center 및 Device Technology Research Division과 협력하여, 우리는 3D 라미네이트 기술을 사용하여 폴리 바카라 하는 법질 전극 기판에 실리콘 기판에 제조 된 단바카라 하는 법 Heusler CPP-GMR 박막을 조정하고 결합 후에도 높은 자기 저항 특성을 재현하는 것을 목표로했습니다
■ 실리콘 기판에서 고성능 단바카라 하는 법 Heusler 합금 CPP-GMR 요소를 성공적으로 제작했습니다
그림 1에 표시된 바와 같이, Heusler 합금은 정기적으로 배열 된 이종 원자가있는 일반 합금이며, 반 금속이라고 불리는 높은 스핀 분극성은 높은 차수 구조를 얻을 때만 얻을 수 있음이 알려져있다 고차 구조를 얻으려면, 고온 열처리 공정이 필요하며, 가장 높은 스핀 분극성이 관찰되었습니다2Fega0.5ge0.5(CFGG)의 경우 500 ° C 이상 높은 온도에서 열처리가 필요합니다 이번에 NIMS 연구 그룹은 2 층 NIAL/COFE 언더 레이어가 실리콘 (001)의 단바카라 하는 법 기판에서 (001)의 방향으로 단바카라 하는 법을 자라며 유사한 방향 (001)을 갖는 CFGG/AG/CFGG 단일 크리스탈 CPP-GMR 필름이 언더 레이어에서 자랄 수 있음을 발견했다 성장 후, Heusler 합금의 원자 순서를 촉진하기 위해 최대 500 ° C의 열처리 후에도, 단바카라 하는 법 CPP-GMR 필름에 손상되지 않고 내열성이 달성되어 단일 바카라 하는 법 MGO 기판에서 성장한 MR 비율과 동등한 MR 비율을 초래 하였다 (도 3)

그림 3 : 다른 기판 및 언더 레이어를 갖는 CFGG/Ag/CFGG 구조를 갖는 단바카라 하는 법 대기업 자성 저항성 요소에서 열처리 온도의 자성상의 의존성
■ 실리콘 기판의 고성능 단바카라 하는 법 Heusler 합금 CPP-GMR 요소가 다바카라 하는 법 전극에 직접 직접 결합되었습니다
다바카라 하는 법 자기 실드 전극 필름과 함께 제조 된 실리콘 기판상의 단바카라 하는 법 CPP-GMR 필름에 결합하려는 시도가 이루어졌다 (자세한 공정은 그림 4에 나와있다) 이 필름은 완전 자동 실내 온도 웨이퍼 본딩 장치 MWB-12-ST (Mitsubishi Heavy Industries)를 사용하여 AIST의 장치 기술 연구 부서를 사용하여 웨이퍼 결합에 의해 준수되었다 CPP-GMR 장치는 나노 미터 크기의 상이한 재료의 적층 구조로 구성되기 때문에, 단바카라 하는 법 CPP-GMR 필름 측면에서 캡 층을 선택하는 것이 중요했다 이번에는 여러 캡 재료를 사용하여 조인팅을 시도했지만 AU (Gold)가 두 가지 모두에 사용될 때 최상의 결합 인터페이스를 달성 할 수 있음을 발견했습니다 접합 인터페이스의 단면 전자 현미경 이미지를 관찰하면, 부드럽고 결함이없는 단바카라 하는 법 AU/다바카라 하는 법 AU 결합 인터페이스가 달성되었고 단일 바카라 하는 법 CPP-GMR 라미네이트 필름에 손상이 적용되지 않았 음을 확인 하였다 (도 5) 그 후, 단바카라 하는 법 CPP-GMR 필름 측의 실리콘 기판을 분쇄 및 습식 공정을 사용하여 선택적 에칭함으로써 제거한 다음,이어서 리소그래피에 의해 크기가 수백 나노 미터의 기둥 모양으로 처리되어 자기 저항 효과를 평가 하였다 결과적으로, 다바카라 하는 법 전극 필름에 결합 된 후에도, 결합 전과 정확히 동일한 MR 비율이 관찰되었다 (도 5 오른쪽) 단바카라 하는 법 자성 분위기 필름의 성공적인 3D 라미네이트 프로세스가 세계적으로 처음으로 처음입니다

그림 4 CFGG/AG/CFGG의 구조화 된 단바카라 하는 법 거대 자성적 요소 필름의 다바카라 하는 법 전극 - 기질 제거 - 자성상 요소 프로세싱의 공정 흐름

그림 5 직접 웨이퍼 결합 후 (왼쪽) 후 (왼쪽) 횡단면 투과 현미경 이미지 및 결합 후 자석성 측정 결과 (오른쪽)
미래 개발
이 연구 결과를 통해 비싸고 실용적이지 않은 MGO 단일 바카라 하는 법 기판을 사용하지 않고 실용적 실리콘 기질에서 고성능을 나타내는 단바카라 하는 법 반 메탈 Heusler 합금 CPP-GMR 요소를 제조 할 수 있습니다 또한, 우리는 고온 공정과 고온에 저항하지 않는 다바카라 하는 법 전극 필름이 필요한 단바카라 하는 법 CPP-GMR 장치 박막의 3 차원 적층 구조를 달성했습니다 이 기술은 3D 라미네이션 프로세스 비용 절감 및 결합 후 장치 수율을 낮추는 것과 같은 문제를 남기지 만,이를 해결할 수 있다면 차세대 HDD 재생 헤드에 Heusler 합금을 사용하여 고품질의 단바카라 하는 법 CPP-GMR 요소를 적용 할 수 있습니다 또한,이 연구에서 발견 된 Nial/Cofe 언더 레이어는 매우 다재다능하며,이 연구에서 입증 된 Heusler 합금 CPP-GMR 요소뿐만 아니라 단바카라 하는 법 구조 및 평면 내 GMR 요소를 갖는 TMR 요소는 실리콘 기판에서 성장할 수 있으며 동일한 3D 스택 프로세스를 사용할 수 있습니다 기본 연구의 프레임 워크 내에 남아 있고 대용량 HDD, MRAM 및 고도로 민감한 자기 센서와 같은 다양한 스핀 트로닉 장치에 배치 될 예정인 비 실용적이고 고성능 단바카라 하는 법 자석성 요소로의 적용 경로를 열게 될 것으로 예상됩니다
게시 된 논문
제목 : 3 차원 통합 기술을 사용하여 다 회화 전극에 제조 된 반금속 Heusler 합금을 갖춘 완전 에피 택셜 거인 자력 장치
저자 : 저자 : Jiamin Chen, Yuya Sakuraba, Kay Yakushiji, Yuichi Kuroshima, Naoya Watanabe, Jun Liu, Songtian Li, Akio Fukushima, Hideki Takagi, Katsuya Kikuchi, Shinji Yuasa, 및 Kazuhiro
잡지 :Acta Materialia
게시 날짜와 시간 : 2020 년 5 월 28 일, 오전 9시 (일본, 일본 시간, 28 일)
용어집
- 1Magneoresistance
- 자기 재료에 의해 보유 된 외부 자기장 또는 자화로 인한 전기 저항이 변화하는 현상을 자기 정상 효과 (MR Effect)라고합니다 전기 저항의 변화량이 클수록 (자기 저항률, MR 비율) 감지기 또는 메모리 요소의 성능이 높아집니다[참조로 돌아 가기]
- 2휘슬러 합금
- X2yz 및 xyz의 세 가지 요소로 구성된 일반 합금 재료입니다 수천 개 이상의 수많은 재료가 있지만 공동2MNSI와 같은 일부 공동 Heusler 합금은 Half Metal이라는 특수한 전자 구조를 가지고 있기 때문에 주목을 끌었습니다[참조로 돌아 가기]
- 3웨이퍼 본딩
- 이것은 실리콘과 같은 두 개의 웨이퍼를 서로 연결하는 기술입니다 이 연구에서, 우리는 접착제를 사용하지 않고 2 개의 웨이퍼에서 필름 표면을 활성화하여 2 개의 웨이퍼의 필름 표면을 결합하는 직접 웨이퍼 본딩 기술을 사용했습니다[참조로 돌아 가기]
- 4스핀
- 양자 역학 입자의 스핀 각 운동량으로 알려진 자유도 중 하나이며 자기 모멘트의 기원입니다 스핀 자유에는 두 가지 유형의 스핀 자유가 있습니다[참조로 돌아 가기]
- 5반 금속
- Po-Electrons는 두 개의 양자 기계적 자유도를 가지며 상향 및 하향 스핀이지만 재료의 전기 전도를 제어하는 전도성 전자가 하나만 상향 또는 하향 스핀을 갖는 특수 전자 구조를 갖는 재료를 반 금속이라고합니다 GMR 및 TMR과 같은 자성상 효과는 전자의 스핀 방향으로부터 발생하므로 높은 스핀 분극성을 갖는 반 금속은 다양한 스핀 의존적 현상을 증가시킬 수있다[참조로 돌아 가기]
- 6거대한 자석 정서 장치
- 자기 금속/비자 성 금속/자기 금속의 라미네이트 필름 구조로 구성된 자석성 요소 다중 자기 층에 의해 유지되는 상대적 자화 각도에 따라 전기 저항이 변화하는 현상을 GMR 효과라고합니다 평면 (CPP)에 수직으로 흐르는 전류를 흐르는 것을 GMR 요소라고하며, 평면 내 방향으로 전류를 흐르는 것은 전류-평면 (CIP) GMR 요소라고합니다[참조로 돌아 가기]
- 7터널 자석 정서 장치
- 자기 금속/절연체/자기 금속의 라미네이트 필름 구조로 구성된 자석성 요소 절연체의 두께는 나노 미터의 순서이기 때문에, 터널 전류는 절연체를 통해 흐르지만, 두 자기 층에 의해 유지되는 자화의 상대적 각도에 따라 전기 저항 (터널 저항)이 전기 저항 (터널 저항)이 변화하는 현상을 TMR 효과라고한다[참조로 돌아 가기]
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