用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理方法和装置的制造方法
用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及GMR自旋阀、TMR磁传感器领域，特别涉及自旋电子器件的快速热处理方法和装置。
【背景技术】
[0002]磁性传感器已经广泛用于现代测量系统，用来测量多种物理量，包括但不仅限于磁场强度、电流、位移、方向等物理量。之前已经有多种传感器可以用以测量磁场等物理量。
[0003]推挽桥式传感器具有比单电阻、参考电阻桥式传感器更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。推挽式桥要求两个桥臂电阻中的磁性隧道结的钉扎层磁矩方向相反，而通常沉积在同一硅片上的磁性隧道结MTJ由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上磁电阻钉扎层磁矩通常都相同。因此，在同一个硅片上沉积两个钉扎层磁矩相反的相邻磁电阻有点困难。目前人们常用的是两次成膜的工艺，分两次分别沉积钉扎层方向相反的MTJ元件，这使得制作工艺复杂，同时第二次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄膜，使得两次成膜的一致性很差，很难对电桥桥臂进行匹配，会产生很大的偏移，影响传感器的整体性能，目前没有很好的技术或者市售的设备能够完成这个过程。
[0004]激光直写技术是激光退火的一种，其中，激光束扫描表面以限制晶圆表面特定位置上的退火过程。激光退火系统提供快速升温速率，快速冷却速率，并降低热预算。激光辐射对固体的研宄与效果可以追溯到1971年，许多不同类型的激光退火系统已经用于掺杂剂活化中的半导体器件的处理系统。在激光照射期间，固体通过聚焦在样品上的光子束进行轰击。这些光子与样品传递到晶格的能量相互作用，这种能量会局部加热样品。光的波长决定了能量是如何被吸收到固体上。激光退火技术在磁传感器领域中作为一种新兴的技术发展。
[0005]然而，现有技术中，已经有通过激光直写技术使用快速偏离聚焦激光照射在自旋电子层积中进行交换偏置磁化方向的重新排列的技术。这种技术已经得到发展，用于MTJ传感器的钉扎层的设置上，如图1所示。如图所述，11为调制器，12为缝隙，13为激光束衰减，14为电流扫描，15为光学镜片，激光系统提供连续和脉冲激光辐射，激光束通过电流计扫描仪快速偏移，聚焦在焦距为80mm的光学镜片上，焦距半径为12 μπι。附图1(b)中，通过两个装配组成的永磁铁提供外部磁场，通过这种方式，两个磁极之间的磁场出现了相对均匀的磁场。通过改变磁铁之间的距离磁场强度可以在15到335kA/M的范围内变化。MTJ晶圆设置在磁铁上，激光扫描通过表面，以加热某些区域。然而，这个技术的缺点是它很慢，并且精度不高。
[0006]另外，在公开号为US2007/0187670A1的美国专利公开了一种光热退火罩和方法，该发明增强了热退火精度和空间分辨率，其中光热退火罩层都依次包括热耗散层位于衬底，反光层设置在热耗散层上，透明覆盖层设置反光层上，该光热退火罩在场效应装置中可以用作栅极。
[0007]在申请号为201110134982.x的中国专利申请公开了一种单一芯片磁性传感器及其激光加热辅助退火装置与方法，如图2所示，退火装置包括有激光源1，反光镜2，聚焦物镜5，CXD相机3，可移动平台9，X、Y轴电磁铁对7-8，磁场探测器10，温度传感器11等，能够在同一硅片上实现局部加热和局部磁矩翻转，制得的推挽式传感器具有灵敏度高，具备温度补偿功能和噪声抵消的特点，并且适合大规模批量生产等特点。然而，推挽桥梁需要不同的桥臂的铁磁被钉扎层设置在不同的方向，而且没有很好的技术或商用设备执行过程的能力。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理方法和装置，在推挽桥中制造单芯片的TMR、GMR或MTJ传感器，使得生产出来的TMR或者GMR、MTJ传感器性能优良。
[0009]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现:
[0010]一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的装置，包括快速热退火光源、反射罩、磁铁、晶圆，所述的反射罩包括至少一个透明绝缘层和一反射层，所述的磁铁用于产生恒定的磁场，所述透明绝缘层和所述反射层依次涂覆在所述晶圆上，所述光源用于通过图形化的所述反射罩发送入射光至所述晶圆的加热区域，通过控制所述的光源的曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层的阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场。
[0011]优选的，所述光源是单个灯泡或者灯泡阵列。
[0012]优选的，所述装置还包括有一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域。
[0013]优选的，所述的晶圆是可移动的，并设置在传送带上。
[0014]优选的，所述的装置设置在快速热退火炉室中。
[0015]优选的，所述的磁铁为永磁铁。
[0016]优选的，所述的磁铁为超导永磁铁。
[0017]优选的，所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一层反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的中间，
[0018]优选的，所述的透明绝缘层是TEOS，SiN或光刻胶。
[0019]优选的，所述反射层的材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光的任一种材料。
[0020]优选的，所述的反射层的材料是金属。
[0021]优选的，所述的透明绝缘层为抗反射层。
[0022]优选的，所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。
[0023]本发明另一方面还提供了一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的方法，包括如下步骤:
[0024](I)在炉室的上方设置一快速热退火光源，用于加热晶圆的MR薄膜层；
[0025](2)在晶圆上方设置有反射罩，包括至少一层透明绝缘层、以及一反射层，图形化反射罩，当在反射罩下方的部分区域在加热的同时，其他区域仍然保持冷却；
[0026](3)在反射罩和光源之间设置一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域；移动晶圆，当晶圆移动到狭缝下方时，光源可以加热没有被反射罩遮挡的晶圆部分；
[0027](4)在移动晶圆的下方设置磁铁，用于产生永恒磁场；
[0028](5)通过控制曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场，反铁磁层被固定。
[0029]优选的，所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的之间。
[0030]优选的，所述的快速退火光源包括单个灯泡或者灯泡阵列。
[0031]优选的，所述的透明绝缘层可以是TEOS，SiN或光刻胶。
[0032]优选的，所述的透明绝缘层为抗反射层。
[0033]优选的，所述反射层材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光中的任一种材料。
[0034]优选的，所述的反射层的材料是金属。
[0035]优选的，所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。
[0036]与现有技术相比，本发明具有以下优点:采用快速热退火地方法和装置提高了激光退火的空间分辨率，还减少加工时间，能够快速生产晶圆，且性能优良，适合大批量生产。
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图l(a)、l(b)为自旋电子器件的激光直写系统。
[0039]图2为磁性薄膜的激光加热辅助退火装置示意图。
[0040]图3为通过遮罩的磁性热退火示意图。
[0041]图4为钉扎层热磁重置过程图。
[0042]图5为反射罩晶圆的横截面示意图。
[0043]图6-7为通过遮罩加热示意图。
[0044]图8为永磁铁的设计示意图。
[0045]图9为总体薄膜系统示意图。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图分别对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
[0047]实施例
[0048]图3为本发明的通过反射罩进行磁性热退火示意图，如图3所示，晶圆34涂有透明绝缘层33和反射层32，反射层被覆盖和蚀刻以露出将被加热区域，以恒定的速度在RTA(Rapid Thermal Anneal，快速热退火)狭缝灯31下移动晶圆34，当晶圆34经过狭缝35的时候，RTA狭缝灯31加热MR晶圆上薄膜没有被罩住的区域；当晶圆34经过狭缝边缘的地方 ，加热的区域逐渐冷却，然后应用在磁场中，图中的箭头方向为晶圆的移动方向，从右往左移动。
[0049]图4为钉扎层热磁重置过程图，如图4所示，41为铁磁磁矩，42为铁磁自由层，43为绝缘隧道结，44为参考铁磁层，45为铜交换耦合层，46为铁磁钉扎层，47为反铁磁层，从图4(a)到图4(d)中可以看出，在图4(b)应用饱和磁场，加热温度超过反铁磁层的阻隔温度Tb后，应用到饱和磁场铁磁层的磁化方向一致，在图4(c)中，关闭光源，然后冷却存在的应用磁场，当应用磁场一旦冷却之后，钉扎层磁化方向一致时，由于反铁磁性物质冷却温度低于其阻隔温度，铁磁层和反铁磁层之间的接口旋转被锁定。最后，关闭磁场，反铁磁层被固定，如图4(d)所示。
[0050]定义阻隔温度Tb和奈耳温度T N，Tn是反铁磁性和顺磁性之间的过渡阶段，上述的Tn，反铁磁性的旋转没有针对磁场和温度锁定在合适的位置。Tb是阻隔温度，阻隔温度在全部旋转可以与磁场对准。Tb总是小于T N，Tb是由反铁磁层的颗粒大小控制。大的颗粒的阻隔温度比小的颗粒的要高，对于有无限个颗粒，\与Tn相等。在某些情况下，反铁磁层和磁铁钉扎层必须加热到温度大于反铁磁层的TB，然后冷却温度低于TB，同时施加一个磁场以固定钉扎层的磁矩的方向。
[0051]图5为反射罩与晶圆的横截面示意图，51为绝缘透明层，52为反射层，53也为绝缘透明层，54为MR薄膜(MAGNETO-RESITIVEHEAD磁阻磁头)层，55为基片，56为图形化开口的加热区域。
[0052]图6-7为通过反射罩加热示意图，从图6中可以看出，入射光照射过来，对MR薄膜层进行加热，其中大部分的入射光被反射回去，部分的入射光通过图形化的反射罩窗口穿过，被MR薄膜层表面接收，并转换为热量，如果照射的时间很短，很有可能只给在狭缝下面的晶圆结构的一部分加热。然而，由于加热的过程太依赖于曝光时间，这样就会导致不好的结果，加热时间常数和MR薄膜层的热环境决定了加热区域的空间分辨率。
[0053]图7则反映了一个较好的加热结构。以MTJ晶圆为例，MTJ的金属材料比绝缘体有更高的热导率，因此，即使MTJ两端与夹缝不完全对齐，也可以仅仅加热MTJ材料。狭缝只需要足够的精确，这样可以确保热量能够提供给MTJ的一部分，热传导可能足以加热整个MTJ。差的绝缘材料的热传导性可能会阻止反射罩覆盖的地方加热。因此，MTJ的热传导要远远大于绝缘材料的热传导。如果MTJ能被合适的图形化，并且MTJ之间设置得范围足够大，这样局部加热过程的可选择性将得到更好的改善。
[0054]为了提高空间分辨率，MR薄膜可以图形化，以使得在图形化反射罩的窗口下方存在一个不连续的MR薄膜结构，薄膜结构需要全部加热，使得加热区域的边界可以通过反射罩和MR结构的边缘来决定。
[0055]透明绝缘层可以是包含透明的电介质的抗反射涂层(用于最大化入射光的吸收半波的厚度)，比如SiN或者聚合物，聚化物如光刻胶等。
[0056]反射材料可以是能够反射红外光、可见光或者紫外光中的任一材料，AL是最常用的选择。MR薄膜层可以是由GMR或者MTJ薄膜构成，薄膜可以在热处理之前或之后处理。基片可以是任何光滑的基片，在基片上MR薄膜可以沉积。它通常是Si，其也可以包含电子电路。
[0057]图8为永磁铁的设计示意图，有两个磁极36，永磁铁设置在两个磁极的中间，这样产生了磁场37。该设计是为了集中永磁铁的磁通量，使得磁通量很强，并且平行于硅晶圆的表面，磁极主要由金属合金构成，包括钴、铁、镍。永磁铁在缺口处有高能量密度，这样才有很强的磁场强度，稀土是一个不错的选择。
[0058]图9为总体薄膜系统示意图，如图9所示，整个薄膜是通过磁场的脉冲灯加热的，RTA灯泡阵列91用于加热晶圆，灯泡可以采用脉冲设定加热时间，或者通过腔室92移动晶圆。恒温箱腔体可以具有真空或者氮气的受控环境，可能不仅被包含空气的所控制。磁铁可以是一个很大永久的磁铁阵列或者超导磁铁。通过全部的晶圆表面提供至少1000e大小的均匀场。晶圆上设有一个反射罩，用于选择那些将被加热的区域。晶圆夹94夹持住晶圆，如有必要，可以预热晶圆到一定的温度，该温度要低于反铁磁层的阻隔温度，在其他实现中，它也可能用于冷却，这样使得冷却时间更快。
[0059]以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和方法进行很多修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。
【主权项】
1.一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的装置，其特征在于:该装置包括快速热退火光源、反射罩、磁铁、晶圆，所述的反射罩包括至少一个透明绝缘层和一反射层，所述的磁铁用于产生恒定的磁场，所述透明绝缘层和所述反射层依次涂覆在所述晶圆上，所述光源用于通过图形化的所述反射罩发送入射光至所述晶圆的加热区域，通过控制所述的光源的曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层的阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述光源是单个灯泡或者灯泡阵列。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述装置还包括有一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的晶圆是可移动的，并设置在传送带上。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的装置设置在快速热退火炉室中。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的磁铁为永磁铁。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的磁铁为超导永磁铁。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一层反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的中间。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于:所述的透明绝缘层是TEOS，SiN或光刻胶。10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于:所述反射层的材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光的任一种材料。11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于:所述的反射层的材料是金属。12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于:所述的透明绝缘层为抗反射层。13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。14.一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)在炉室的上方设置一快速热退火光源，用于加热晶圆的MR薄膜层； (2)在晶圆上方设置有反射罩，包括至少一层透明绝缘层、以及一反射层，图形化反射罩，当在反射罩下方的部分区域在加热的同时，其他区域仍然保持冷却； (3)在反射罩和光源之间设置一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域；移动晶圆，当晶圆移动到狭缝下方时，光源可以加热没有被反射罩遮挡的晶圆部分； (4)在移动晶圆的下方设置磁铁，用于产生永恒磁场； (5)通过控制曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层的阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场，反铁磁层被固定。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的之间。16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的快速退火光源包括单个灯泡或者灯泡阵列。17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的透明绝缘层可以是TEOS，SiN或光刻胶。18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的透明绝缘层为抗反射层。19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述反射层材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光中的任一种材料。20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的反射层的材料是金属。21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。
【专利摘要】本发明公开了一种用于本地编程的自旋电子器件钉扎层的快速热处理装置及方法，该装置包括快速热退火光源、反射罩、磁铁、晶圆、基片，其中所述的光源用于加热基片，所述的反射罩至少包括一个透明的绝缘层和反射层，所述的磁铁用于产生恒定的磁场，通过控制曝光时间，让晶圆的加热区域加热到反铁磁层阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场，反铁磁体被固定。本发明也公开了快速热处理的方法，本发明采用快速热退火提高了激光退火的空间分辨率，且性能优良，适合大批量生产。
【IPC分类】G01R33/09, H01L43/08, H01L27/22, H01L43/12
【公开号】CN104900802
【申请号】CN201510204777
【发明人】詹姆斯·G·迪克
【申请人】江苏多维科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月27日
【技术领域】
[0001]本发明涉及GMR自旋阀、TMR磁传感器领域，特别涉及自旋电子器件的快速热处理方法和装置。
【背景技术】
[0002]磁性传感器已经广泛用于现代测量系统，用来测量多种物理量，包括但不仅限于磁场强度、电流、位移、方向等物理量。之前已经有多种传感器可以用以测量磁场等物理量。
[0003]推挽桥式传感器具有比单电阻、参考电阻桥式传感器更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。推挽式桥要求两个桥臂电阻中的磁性隧道结的钉扎层磁矩方向相反，而通常沉积在同一硅片上的磁性隧道结MTJ由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上磁电阻钉扎层磁矩通常都相同。因此，在同一个硅片上沉积两个钉扎层磁矩相反的相邻磁电阻有点困难。目前人们常用的是两次成膜的工艺，分两次分别沉积钉扎层方向相反的MTJ元件，这使得制作工艺复杂，同时第二次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄膜，使得两次成膜的一致性很差，很难对电桥桥臂进行匹配，会产生很大的偏移，影响传感器的整体性能，目前没有很好的技术或者市售的设备能够完成这个过程。
[0004]激光直写技术是激光退火的一种，其中，激光束扫描表面以限制晶圆表面特定位置上的退火过程。激光退火系统提供快速升温速率，快速冷却速率，并降低热预算。激光辐射对固体的研宄与效果可以追溯到1971年，许多不同类型的激光退火系统已经用于掺杂剂活化中的半导体器件的处理系统。在激光照射期间，固体通过聚焦在样品上的光子束进行轰击。这些光子与样品传递到晶格的能量相互作用，这种能量会局部加热样品。光的波长决定了能量是如何被吸收到固体上。激光退火技术在磁传感器领域中作为一种新兴的技术发展。
[0005]然而，现有技术中，已经有通过激光直写技术使用快速偏离聚焦激光照射在自旋电子层积中进行交换偏置磁化方向的重新排列的技术。这种技术已经得到发展，用于MTJ传感器的钉扎层的设置上，如图1所示。如图所述，11为调制器，12为缝隙，13为激光束衰减，14为电流扫描，15为光学镜片，激光系统提供连续和脉冲激光辐射，激光束通过电流计扫描仪快速偏移，聚焦在焦距为80mm的光学镜片上，焦距半径为12 μπι。附图1(b)中，通过两个装配组成的永磁铁提供外部磁场，通过这种方式，两个磁极之间的磁场出现了相对均匀的磁场。通过改变磁铁之间的距离磁场强度可以在15到335kA/M的范围内变化。MTJ晶圆设置在磁铁上，激光扫描通过表面，以加热某些区域。然而，这个技术的缺点是它很慢，并且精度不高。
[0006]另外，在公开号为US2007/0187670A1的美国专利公开了一种光热退火罩和方法，该发明增强了热退火精度和空间分辨率，其中光热退火罩层都依次包括热耗散层位于衬底，反光层设置在热耗散层上，透明覆盖层设置反光层上，该光热退火罩在场效应装置中可以用作栅极。
[0007]在申请号为201110134982.x的中国专利申请公开了一种单一芯片磁性传感器及其激光加热辅助退火装置与方法，如图2所示，退火装置包括有激光源1，反光镜2，聚焦物镜5，CXD相机3，可移动平台9，X、Y轴电磁铁对7-8，磁场探测器10，温度传感器11等，能够在同一硅片上实现局部加热和局部磁矩翻转，制得的推挽式传感器具有灵敏度高，具备温度补偿功能和噪声抵消的特点，并且适合大规模批量生产等特点。然而，推挽桥梁需要不同的桥臂的铁磁被钉扎层设置在不同的方向，而且没有很好的技术或商用设备执行过程的能力。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理方法和装置，在推挽桥中制造单芯片的TMR、GMR或MTJ传感器，使得生产出来的TMR或者GMR、MTJ传感器性能优良。
[0009]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现:
[0010]一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的装置，包括快速热退火光源、反射罩、磁铁、晶圆，所述的反射罩包括至少一个透明绝缘层和一反射层，所述的磁铁用于产生恒定的磁场，所述透明绝缘层和所述反射层依次涂覆在所述晶圆上，所述光源用于通过图形化的所述反射罩发送入射光至所述晶圆的加热区域，通过控制所述的光源的曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层的阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场。
[0011]优选的，所述光源是单个灯泡或者灯泡阵列。
[0012]优选的，所述装置还包括有一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域。
[0013]优选的，所述的晶圆是可移动的，并设置在传送带上。
[0014]优选的，所述的装置设置在快速热退火炉室中。
[0015]优选的，所述的磁铁为永磁铁。
[0016]优选的，所述的磁铁为超导永磁铁。
[0017]优选的，所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一层反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的中间，
[0018]优选的，所述的透明绝缘层是TEOS，SiN或光刻胶。
[0019]优选的，所述反射层的材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光的任一种材料。
[0020]优选的，所述的反射层的材料是金属。
[0021]优选的，所述的透明绝缘层为抗反射层。
[0022]优选的，所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。
[0023]本发明另一方面还提供了一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的方法，包括如下步骤:
[0024](I)在炉室的上方设置一快速热退火光源，用于加热晶圆的MR薄膜层；
[0025](2)在晶圆上方设置有反射罩，包括至少一层透明绝缘层、以及一反射层，图形化反射罩，当在反射罩下方的部分区域在加热的同时，其他区域仍然保持冷却；
[0026](3)在反射罩和光源之间设置一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域；移动晶圆，当晶圆移动到狭缝下方时，光源可以加热没有被反射罩遮挡的晶圆部分；
[0027](4)在移动晶圆的下方设置磁铁，用于产生永恒磁场；
[0028](5)通过控制曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场，反铁磁层被固定。
[0029]优选的，所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的之间。
[0030]优选的，所述的快速退火光源包括单个灯泡或者灯泡阵列。
[0031]优选的，所述的透明绝缘层可以是TEOS，SiN或光刻胶。
[0032]优选的，所述的透明绝缘层为抗反射层。
[0033]优选的，所述反射层材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光中的任一种材料。
[0034]优选的，所述的反射层的材料是金属。
[0035]优选的，所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。
[0036]与现有技术相比，本发明具有以下优点:采用快速热退火地方法和装置提高了激光退火的空间分辨率，还减少加工时间，能够快速生产晶圆，且性能优良，适合大批量生产。
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图l(a)、l(b)为自旋电子器件的激光直写系统。
[0039]图2为磁性薄膜的激光加热辅助退火装置示意图。
[0040]图3为通过遮罩的磁性热退火示意图。
[0041]图4为钉扎层热磁重置过程图。
[0042]图5为反射罩晶圆的横截面示意图。
[0043]图6-7为通过遮罩加热示意图。
[0044]图8为永磁铁的设计示意图。
[0045]图9为总体薄膜系统示意图。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图分别对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
[0047]实施例
[0048]图3为本发明的通过反射罩进行磁性热退火示意图，如图3所示，晶圆34涂有透明绝缘层33和反射层32，反射层被覆盖和蚀刻以露出将被加热区域，以恒定的速度在RTA(Rapid Thermal Anneal，快速热退火)狭缝灯31下移动晶圆34，当晶圆34经过狭缝35的时候，RTA狭缝灯31加热MR晶圆上薄膜没有被罩住的区域；当晶圆34经过狭缝边缘的地方 ，加热的区域逐渐冷却，然后应用在磁场中，图中的箭头方向为晶圆的移动方向，从右往左移动。
[0049]图4为钉扎层热磁重置过程图，如图4所示，41为铁磁磁矩，42为铁磁自由层，43为绝缘隧道结，44为参考铁磁层，45为铜交换耦合层，46为铁磁钉扎层，47为反铁磁层，从图4(a)到图4(d)中可以看出，在图4(b)应用饱和磁场，加热温度超过反铁磁层的阻隔温度Tb后，应用到饱和磁场铁磁层的磁化方向一致，在图4(c)中，关闭光源，然后冷却存在的应用磁场，当应用磁场一旦冷却之后，钉扎层磁化方向一致时，由于反铁磁性物质冷却温度低于其阻隔温度，铁磁层和反铁磁层之间的接口旋转被锁定。最后，关闭磁场，反铁磁层被固定，如图4(d)所示。
[0050]定义阻隔温度Tb和奈耳温度T N，Tn是反铁磁性和顺磁性之间的过渡阶段，上述的Tn，反铁磁性的旋转没有针对磁场和温度锁定在合适的位置。Tb是阻隔温度，阻隔温度在全部旋转可以与磁场对准。Tb总是小于T N，Tb是由反铁磁层的颗粒大小控制。大的颗粒的阻隔温度比小的颗粒的要高，对于有无限个颗粒，\与Tn相等。在某些情况下，反铁磁层和磁铁钉扎层必须加热到温度大于反铁磁层的TB，然后冷却温度低于TB，同时施加一个磁场以固定钉扎层的磁矩的方向。
[0051]图5为反射罩与晶圆的横截面示意图，51为绝缘透明层，52为反射层，53也为绝缘透明层，54为MR薄膜(MAGNETO-RESITIVEHEAD磁阻磁头)层，55为基片，56为图形化开口的加热区域。
[0052]图6-7为通过反射罩加热示意图，从图6中可以看出，入射光照射过来，对MR薄膜层进行加热，其中大部分的入射光被反射回去，部分的入射光通过图形化的反射罩窗口穿过，被MR薄膜层表面接收，并转换为热量，如果照射的时间很短，很有可能只给在狭缝下面的晶圆结构的一部分加热。然而，由于加热的过程太依赖于曝光时间，这样就会导致不好的结果，加热时间常数和MR薄膜层的热环境决定了加热区域的空间分辨率。
[0053]图7则反映了一个较好的加热结构。以MTJ晶圆为例，MTJ的金属材料比绝缘体有更高的热导率，因此，即使MTJ两端与夹缝不完全对齐，也可以仅仅加热MTJ材料。狭缝只需要足够的精确，这样可以确保热量能够提供给MTJ的一部分，热传导可能足以加热整个MTJ。差的绝缘材料的热传导性可能会阻止反射罩覆盖的地方加热。因此，MTJ的热传导要远远大于绝缘材料的热传导。如果MTJ能被合适的图形化，并且MTJ之间设置得范围足够大，这样局部加热过程的可选择性将得到更好的改善。
[0054]为了提高空间分辨率，MR薄膜可以图形化，以使得在图形化反射罩的窗口下方存在一个不连续的MR薄膜结构，薄膜结构需要全部加热，使得加热区域的边界可以通过反射罩和MR结构的边缘来决定。
[0055]透明绝缘层可以是包含透明的电介质的抗反射涂层(用于最大化入射光的吸收半波的厚度)，比如SiN或者聚合物，聚化物如光刻胶等。
[0056]反射材料可以是能够反射红外光、可见光或者紫外光中的任一材料，AL是最常用的选择。MR薄膜层可以是由GMR或者MTJ薄膜构成，薄膜可以在热处理之前或之后处理。基片可以是任何光滑的基片，在基片上MR薄膜可以沉积。它通常是Si，其也可以包含电子电路。
[0057]图8为永磁铁的设计示意图，有两个磁极36，永磁铁设置在两个磁极的中间，这样产生了磁场37。该设计是为了集中永磁铁的磁通量，使得磁通量很强，并且平行于硅晶圆的表面，磁极主要由金属合金构成，包括钴、铁、镍。永磁铁在缺口处有高能量密度，这样才有很强的磁场强度，稀土是一个不错的选择。
[0058]图9为总体薄膜系统示意图，如图9所示，整个薄膜是通过磁场的脉冲灯加热的，RTA灯泡阵列91用于加热晶圆，灯泡可以采用脉冲设定加热时间，或者通过腔室92移动晶圆。恒温箱腔体可以具有真空或者氮气的受控环境，可能不仅被包含空气的所控制。磁铁可以是一个很大永久的磁铁阵列或者超导磁铁。通过全部的晶圆表面提供至少1000e大小的均匀场。晶圆上设有一个反射罩，用于选择那些将被加热的区域。晶圆夹94夹持住晶圆，如有必要，可以预热晶圆到一定的温度，该温度要低于反铁磁层的阻隔温度，在其他实现中，它也可能用于冷却，这样使得冷却时间更快。
[0059]以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和方法进行很多修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。
【主权项】
1.一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的装置，其特征在于:该装置包括快速热退火光源、反射罩、磁铁、晶圆，所述的反射罩包括至少一个透明绝缘层和一反射层，所述的磁铁用于产生恒定的磁场，所述透明绝缘层和所述反射层依次涂覆在所述晶圆上，所述光源用于通过图形化的所述反射罩发送入射光至所述晶圆的加热区域，通过控制所述的光源的曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层的阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述光源是单个灯泡或者灯泡阵列。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述装置还包括有一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的晶圆是可移动的，并设置在传送带上。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的装置设置在快速热退火炉室中。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的磁铁为永磁铁。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的磁铁为超导永磁铁。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一层反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的中间。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于:所述的透明绝缘层是TEOS，SiN或光刻胶。10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于:所述反射层的材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光的任一种材料。11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于:所述的反射层的材料是金属。12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于:所述的透明绝缘层为抗反射层。13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。14.一种用于自旋电子器件钉扎层的快速热处理的方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)在炉室的上方设置一快速热退火光源，用于加热晶圆的MR薄膜层； (2)在晶圆上方设置有反射罩，包括至少一层透明绝缘层、以及一反射层，图形化反射罩，当在反射罩下方的部分区域在加热的同时，其他区域仍然保持冷却； (3)在反射罩和光源之间设置一狭缝，用于限制光入射在晶圆的区域；移动晶圆，当晶圆移动到狭缝下方时，光源可以加热没有被反射罩遮挡的晶圆部分； (4)在移动晶圆的下方设置磁铁，用于产生永恒磁场； (5)通过控制曝光时间，让所述的晶圆上的加热区域加热到其反铁磁层的阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场，反铁磁层被固定。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的反射罩包括有两层透明绝缘层和一反射层，其中所述的反射层位于所述两层透明绝缘层的之间。16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的快速退火光源包括单个灯泡或者灯泡阵列。17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的透明绝缘层可以是TEOS，SiN或光刻胶。18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的透明绝缘层为抗反射层。19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述反射层材料是能够反射红外光、可见光或者紫外光中的任一种材料。20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的反射层的材料是金属。21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于:所述的晶圆包括基片和MR薄膜层，所述基片的材料为硅且所述基片包括电子电路，所述MR薄膜层沉积在所述的基片上。
【专利摘要】本发明公开了一种用于本地编程的自旋电子器件钉扎层的快速热处理装置及方法，该装置包括快速热退火光源、反射罩、磁铁、晶圆、基片，其中所述的光源用于加热基片，所述的反射罩至少包括一个透明的绝缘层和反射层，所述的磁铁用于产生恒定的磁场，通过控制曝光时间，让晶圆的加热区域加热到反铁磁层阻隔温度之上，然后在应用的磁场中冷却下来，关闭磁场，反铁磁体被固定。本发明也公开了快速热处理的方法，本发明采用快速热退火提高了激光退火的空间分辨率，且性能优良，适合大批量生产。
【IPC分类】G01R33/09, H01L43/08, H01L27/22, H01L43/12
【公开号】CN104900802
【申请号】CN201510204777
【发明人】詹姆斯·G·迪克
【申请人】江苏多维科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月27日
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