用作拓扑绝缘体的铋锑合金的制作方法

用作拓扑绝缘体的铋锑合金
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年6月30日提交的美国申请16/917,334的优先权，该申请以引用的方式全文并入本文。


背景技术：
技术领域
3.本公开的实施方案整体涉及用作拓扑绝缘体的具有(012)取向的铋锑(bisb)合金。
4.相关领域的描述
5.具有(012)取向的bisb是同时具有巨自旋霍尔(hall)效应和高电传导率的窄间隙拓扑绝缘体。bisb是已被提出用于各种自旋轨道扭矩(sot)应用的材料，该材料诸如用于磁阻随机存取存储器(mram)设备和能量辅助磁记录(eamr)写入头的自旋霍尔层。
6.然而，由于几个障碍，bisb材料尚未在商业sot应用中采用。例如，bisb材料具有低熔点、大颗粒尺寸、由于膜的粗糙度而在热退火时显著的sb迁移问题、难以维持(012)取向以获得最大的自旋霍尔效应并且通常是软的以及容易被离子研磨损坏。
7.因此，需要改进的sot设备和形成具有(012)取向的bisb层的工艺。


技术实现要素：

8.本公开的实施方案整体涉及用作自旋轨道扭矩(sot)设备中的拓扑绝缘体的具有(012)取向的铋锑(bisb)合金。
9.在一个实施方案中，sot设备包括位于衬底上方的铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层包含铋、锑和掺杂物元素。掺杂物元素是非金属掺杂物元素、金属掺杂物元素或它们的组合。金属掺杂物元素的示例包括ni、co fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合。非金属掺杂物元素的示例包括si、p、ge或它们的组合。bisbe合金层具有(012)取向。
10.在另一个实施方案中，sot设备包括位于衬底上方的铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层包括多个bisb薄片层和一个或多个掺杂物元素薄片层。掺杂物元素薄片层中的每个掺杂物元素薄片层均包含非金属掺杂物元素、金属掺杂物元素或它们的组合。金属掺杂物元素的示例包括ni、co fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合。非金属掺杂物元素的示例包括si、p、ge或它们的组合。bisbe合金层具有(012)取向。
11.在仍另一个实施方案中，磁阻随机存取存储器(mram)设备包括铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层包含铋、锑和金属掺杂物元素。金属掺杂物元素是ni、co fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合。bisbe合金层具有(012)取向。mram设备进一步包括垂直磁各向异性(pma)铁磁层。
附图说明
12.因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
13.图1a-图1c是包含掺杂物元素的bisb合金层的示意图。
14.图2a-图2b是bisbe合金层的示意图，该bisbe合金层包括多个bisb薄片层并且包括在位于bisb薄片层中的每个薄片层之间的掺杂物元素薄片层。图2c-图2d是bisbe合金层的示意图，该bisbe合金层包括多个bisb薄片层并且包括在位于bisbe合金层的底部边缘和顶部边缘处的掺杂物元素薄片层。图2e-图2f是bisbe合金层的示意图，该bisbe合金层包括多个bisb薄片层并且包括在位于bisbe合金层的底部边缘、中心和顶部边缘处的掺杂物元素薄片层。图2g-图2h是bisbe合金层的示意图，该bisbe合金层包括多个bisb薄片层并且包括在位于bisbe合金层的底部边缘处的掺杂物元素薄片层。
15.图3显示包含非金属掺杂物元素si的bisbe合金层的各种堆叠的bisb取向的2θxrd扫描与强度的对数的关系。
16.图4显示包含金属掺杂物元素cuagni的bisbe合金层的各种堆叠的bisb取向的2θxrd扫描与强度的对数的关系。
17.图5显示对于掺杂物元素nife、si和cuagni，跨bisbe合金层的掺杂物e-cs 簇的tof-sims净强度。
18.图6显示跨bisbe堆叠的tem cu eels扫描，该bisbe堆叠包括硅化物帽盖层、包含金属掺杂物cuagni的bisbe合金层和硅化物晶种层。
19.图7显示包含金属掺杂物的各种bisbe合金层的电导率与厚度的关系。
20.图8显示包含非金属掺杂物元素的各种bisbe合金层的电导率与厚度的关系。
21.图9显示沉积态室温bisbsi合金的非金属掺杂物元素si浓度与bisbsi晶粒尺寸的关系，如通过各种si掺杂物元素浓度在1度入射角获取的平面内xrd图案所测量。
22.图10显示如通过xrr所确定的作为非金属掺杂物元素si的原子百分比含量的函数的bisbe合金层的表面粗糙度。
23.图11显示对于非金属掺杂物元素以及对于金属掺杂物元素，bisbe合金的估计晶粒尺寸与bisbe的估计厚度的关系。
24.图12是bisbe堆叠的强度对数与2θxrd平面外或耦合扫描的关系的曲线图。
25.图13a是具有带(012)取向的bisbe合金层的sot设备的某些实施方案的示意性横截面视图，该bisbe合金层形成基于sot的磁阻随机存取存储器(mram)设备。
26.图13b是具有带(012)取向的bisbe合金层的sot设备的某些实施方案的示意性横截面视图，该bisbe合金层形成用于磁记录中的基于sot的能量辅助磁记录(eamr)写入头的部分或部件。
27.为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
28.在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求中明确地叙述。术语“包括”在发明内容或具体实施方式中的使用应意指包括、基本上由
……
组成和/或由
……
组成。
29.本公开的实施方案整体涉及用作拓扑绝缘体的具有(012)取向的铋锑(bisb)合金。bisb合金包含铋、锑和掺杂物元素(e)，并且在本文中被称为bisbe合金。掺杂物元素包含非金属掺杂物元素、金属掺杂物元素或它们的组合。
30.具有(012)取向的bisbe合金层具有大的自旋霍尔角效应和高电传导率。与没有掺杂物元素的bisb材料相比，bisbe合金层的某些实施方案具有减小的晶粒尺寸和较低的界面粗糙度。与没有掺杂物元素的bisb材料相比，包含金属掺杂物元素的bisbe合金层的某些实施方案具有增加的熔融温度并且允许使用更高的退火温度，同时维持高(012)织构。具有(012)取向的bisbe合金层可用于形成自旋轨道扭矩(sot)设备，诸如mram设备或eamr写入头中的自旋霍尔电极层。例如，将bisbe合金层实现为sot设备的制造，该sot设备被退火以设置垂直磁各向异性(pma)铁磁层的磁性方向。
31.具有(012)取向的现有bisb层具有大的自旋霍尔角效应和高电传导率。表1显示具有(012)取向的bisb层与β-钽和具有(001)取向的bisb层相比的性质的一个示例。与β-钽(β-ta)或具有(001)取向的bisb层相比，具有(012)取向的bisb层具有相似的电传导率和大得多的自旋霍尔角。因此，与β-ta或bisb(001)相比，bisb(012)产生自旋霍尔效应所需的相对功率较低。
[0032][0033]
取决于sb含量，sb含量为约5原子％到约22原子％的现有bisb材料具有约270℃到约300℃的熔点。在退火期间，由于bisb材料的高粗糙度，现有bisb材料经历高水平的不期望的sb迁移。
[0034]
根据本文所公开的各种实施方案的本发明bisbe合金层具有与没有掺杂物元素的bisb(012)材料相当的高度的(012)取向、大的自旋霍尔角效应、低界面粗糙度和高电传导率。在某些实施方案中，与没有掺杂物元素的bisb材料相比，具有金属掺杂物元素的bisbe合金层提供了更高的待使用的退火温度。
[0035]
在某些实施方案中，bisbe合金层包含非金属掺杂物元素，该非金属掺杂物元素包
括si、p、ge、其它合适的非金属掺杂物元素或它们的组合。在某些实施方案中，bisbe合金层包含金属掺杂物元素，该金属掺杂物元素包括ni、co、fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in、其他合适的金属掺杂物元素或它们的组合。
[0036]
在某些实施方案中，bisbe合金层包含bi
1-x
sb
x
e(其中x为0.05《x《0.22)并且包含约0.5原子％到约15原子％的掺杂物元素(e)。
[0037]
不受理论的约束，除非在权利要求中明确阐述，否则相信bisb合金层的掺杂物元素在bisb晶格内具有低溶解度，同时维持bisb材料的拓扑绝缘体性质和(012)取向。相信掺杂物元素的一部分在沉积后进入bisb晶格中。例如，在某些实施方案中，对于在室温下沉积的掺杂物元素，掺杂物元素的一部分进入bisb晶格中并使a轴线收缩约0.5％并且使c轴线从约0.5％膨胀到约1.0％。相信掺杂物元素的一部分可充当细化bisb晶粒结构的晶界偏析剂(segregant)，或到达bisbe界面区域，形成部分晶种层或部分帽盖层。
[0038]
图1a是在沉积时的bisbe合金层100的俯视平面视图的示意图。bisbe合金层100在沉积时包括多个bisb薄片层110和一个或多个掺杂物元素薄片层。bisbe合金层100包括bisb晶粒和一层均匀地沉积在bisb晶粒上方的掺杂物元素的原子/簇120。相信掺杂物元素薄片层的原子/簇120均匀地形成在bisb薄片层110上方。
[0039]
图1b是在后退火之后的bisbe合金层100的俯视平面视图的示意图。相信掺杂物元素的原子/簇120已重新分布到bisbe薄片层110的晶界。掺杂物元素的原子/簇120的一些部分保留在bisb晶格中，而掺杂物元素的原子/簇120的另一部分到达bisb的晶界和bisbe界面。掺杂物元素的到达bisb晶界的部分成为偏析剂，该偏析剂减小bisb的晶粒尺寸并降低bisbe合金层100的界面粗糙度。在某些实施方案中，与没有掺杂物元素的bisb层相比，包括金属掺杂物元素的掺杂物元素的保留在bisb晶格中的部分增加bisbe合金层的熔点。掺杂物元素的保留在bisb晶格中的部分允许bisbe合金层的退火温度由于合金化(晶格硬化)和晶界偏析(晶粒尺寸硬化)效应而增加，该效应约束并限制晶界在高温下移动。bisbe合金层能够承受退火，诸如约280℃或以上的退火达三小时或更长。
[0040]
图1c是在后退火之后的bisbe合金层100的横截面层视图的示意图。相信掺杂物元素的原子/簇120已重新分布到bisbe薄片层110的晶界，以及晶种或帽盖层界面，诸如硅化物晶种或硅化物帽盖层界面。掺杂物元素的到达晶界的部分变成偏析物，该偏析物减小或改变bisb的晶粒110的晶粒尺寸和晶格参数，并降低bisbe合金层100的界面粗糙度。
[0041]
在某些实施方案中，具有硅化物晶种层以及具有硅化物帽盖层的bisbe合金层的界面粗糙度为约或更小。在某些实施方案中，与没有掺杂物元素的bisb材料相比，具有硅化物晶种层和硅化物帽盖层的bisbe合金层的界面粗糙度降低约到约在bisbe合金层和硅化物晶种层之间以及bisbe合金层和硅化物帽盖层之间使用金属夹层进一步降低了bisbe合金层的界面粗糙度。
[0042]
与没有掺杂物元素的bisb相比，使用bisbe合金层增强了(012)织构。例如，在某些实施方案中，硅化物晶种层、金属夹层、bisbe合金层、金属夹层、硅化物帽盖层的bisbe合金堆叠的(012)织构具有宽度小于11度(诸如约7度到约10度)的摇摆曲线。相比之下，硅化物晶种层、金属夹层、bisb层、金属夹层、硅化物帽盖层的堆叠中没有掺杂物元素的bisb堆叠的(012)织构具有宽度为约10度或更大且具有双重(001)和(012)织构的摇摆曲线。
[0043]
在某些实施方案中，bisbe合金层形成为约到约(诸如约到约)的厚度。在其他实施方案中，bisbe合金层形成为任何合适的厚度。在某些实施方案中，通过物理气相沉积(pvd)(诸如溅射、分子束外延、离子束沉积、其他合适的pvd工艺和它们的组合)来沉积bisbe合金层。在某些实施方案中，sot设备包括形成在任何合适的层上方的bisbe合金层，以及形成在bisbe合金层上方的任何合适的层。
[0044]
在某些实施方案中，bisbe合金层包括多个bisb薄片层和一个或多个掺杂物元素薄片层的多层层压件。bisbe合金多层层压件提供掺杂物元素薄片层在bisbe合金层的特定区域处的放置，以增加(012)取向的成核和生长，降低界面粗糙度和/或减小晶粒尺寸。
[0045]
在一个实施方案中，bisbe合金层包括2到10个bisb薄片层，其中每个bisb薄片层具有约到约的厚度，并且包括1到9个掺杂物元素薄片层，其中每个掺杂物元素薄片层具有约到约的厚度。一种或多种掺杂物元素薄片层散布在bisb薄片层之间。在其他实施方案中，bisbe合金层包括任何合适数目的bisb薄片层，其中每个bisb薄片层形成为任何合适的厚度，并且包括任何合适数目的掺杂物元素薄片层，其中每个掺杂物元素薄片层形成为任何合适的厚度。
[0046]
图2a是包括六个bisb薄片层210和五个掺杂物元素薄片层220的bisbe合金层200的沉积的示意图。掺杂物元素薄片层220已沉积在bisb薄片层210中的每个薄片层之间。掺杂物元素薄片层220已沉积在整个bisbe合金层200中。图2b是在沉积时或退火之后的bisbe合金层200的bisb薄片层210内掺杂物元素的分布的示意图。掺杂物元素分布到bisb薄片层210中的每个薄片层中。
[0047]
图2c是包括六个bisb薄片层210和四个掺杂物元素薄片层220的bisbe合金层200的沉积的示意图。bisbe合金层200还可被视为在底部边缘处的两个薄bisb薄片层210、在顶部边缘处的两个薄bisb薄片层210和在中心处的一个厚bisb薄片层210t，在它们之间有掺杂物元素薄片层220。掺杂物元素薄片层220已沉积在bisbe合金层200的底部边缘和顶部边缘处，而不是bisbe合金层200的中心处。图2d是在沉积时或退火之后的bisbe合金层200的bisb薄片层210内掺杂物元素的分布的示意图。掺杂物元素分布在bisbe合金层200的底部边缘和顶部边缘处。
[0048]
图2e是包括六个bisb薄片层210和三个掺杂物元素薄片层220的bisbe合金层200的沉积的示意图。bisbe合金层200还可被视为在底部边缘处的一个薄bisb薄片层210、在顶部边缘处的一个薄bisb薄片层210和在中心处的两个厚bisb薄片层210t，在它们之间有掺杂物元素薄片层220。掺杂物元素薄片层220每隔一个bisb薄片层210进行沉积。掺杂物元素薄片层220已沉积在bisbe合金层200的底部边缘、中心和顶部边缘处。图2f是在沉积时或退火之后的bisbe合金层200的bisb薄片层210内掺杂物元素的分布的示意图。掺杂物元素分布在bisbe合金层200的底部边缘、中心和顶部边缘处。
[0049]
图2g是包括六个bisb薄片层210和三个掺杂物元素薄片层220的bisbe合金层200的沉积的示意图。bisbe合金层200可被视为在底部边缘处的三个薄bisb薄片层210和在顶部边缘处的一个厚bisb薄片层210t，在它们之间有掺杂物元素薄片层220。掺杂物元素薄片层220已沉积在bisbe合金层200的底部边缘处，而不是顶部边缘处。图2h是在沉积时或退火之后的bisbe合金层200的bisb薄片层210内掺杂物元素的分布的示意图。掺杂物元素分布
在bisbe合金层200的底部边缘处。
[0050]
图13a是具有带(012)取向的bisbe合金层50的sot设备10的某些实施方案的示意性横截面视图，该bisbe合金层形成基于sot的磁阻随机存取存储器(mram)设备。
[0051]
具有(012)取向的bisbe合金层50形成在衬底20(诸如硅衬底、氧化铝衬底或其他合适的衬底)上方。晶种层30沉积于衬底20上方。晶种层30包括硅化物层32或其他合适的晶种层。在某些实施方案中，硅化物层32包含nisi、nifesi、nifetasi、nicusi、cosi、cofesi、cofetasi、cocusi或它们的组合。在某些实施方案中，晶种层30进一步包括位于硅化物层32和bisbe合金层50之间的表面控制层40。在某些实施方案中，表面控制层40包含nife、nifeta、nita、niw、nifew、nicu、nifecu、cota、cofeta、nicota、co、com、conim、coni、nisi、cosi、nicosi、cu、cuag、cuagm、cum或它们的组合，其中m是fe、cu、co、ta、ag、ni、mn、cr、v、ti或si。
[0052]
在某些实施方案中，夹层70沉积在bisbe合金层50上方。夹层70包括硅化物层72。在某些实施方案中，硅化物层72包含nisi、fesi、cosi、nicusi、nifetasi、cofesi、cocusi或它们的组合。在某些实施方案中，夹层70进一步包括位于bisbe合金层50和硅化物层72之间的表面控制层71。表面控制层71包含cu、ni、nife、co或它们的组合。
[0053]
自由垂直磁各向异性(pma)层80形成在夹层70上方。例如，自由pma层80可包括co/pt、co/pd、co/ni、cofeb、fept或其他pma诱导层或它们的组合的一个或多个堆叠。绝缘层84(诸如mgo层)形成在自由pma层80上方。参考pma层88形成在绝缘层84上方。参考pma层88可以包括co/pt、co/pd、co/ni、cofeb、fept或其他pma诱导层或它们的组合的一个或多个堆叠。参考pma层88可包括一个或多个合成反铁磁(saf)钉扎结构。帽盖层92可形成在参考pma层88上方。帽盖层92包含nife、sin、si、nifeta、nita、pt、co、cu、ni、nicu、cocu、ru、ta、cr、au、rh、cofe cofeb、其他非磁性材料、其他磁性材料和它们的组合。参考pma层88的磁方向可通过在约270℃或更高温度下退火两小时或更长来设定。在某些实施方案中，bisbe合金层50包含金属掺杂物元素。bisbe合金层50的金属掺杂物元素有助于在退火之后维持bisbe合金层50的低界面粗糙度，并且有助于mram设备的可制造性、性能和/或寿命。与没有掺杂物元素的bisb材料相比，在后退火之后，包含金属掺杂物元素的bisbe合金层50具有bisbe合金层50的降低的sb迁移。
[0054]
多个sot设备10可以被一起配置为存储器单元阵列的一部分，其中bisbe合金层50是自旋轨道材料电极。顶部电极(未显示)可设置在参考pma层88上方。每个存储器单元可以是两端子设备或三端子设备的一部分。自旋轨道材料电极和顶部电极可用作位线、字线、读取字线、写入字线和它们的组合。存储器单元阵列可实现为交叉点阵列或其他架构。
[0055]
图13b是具有带(012)取向的bisbe合金层50的sot设备10的某些实施方案的示意性横截面视图，该bisbe合金层形成用于磁记录中的基于sot的eamr写入头的部分或部件。
[0056]
具有(012)取向的bisbe合金层50形成在衬底20(诸如硅衬底、氧化铝衬底或其他合适的衬底)上方。晶种层30沉积于衬底20上方。晶种层30包括硅化物层32或其他合适的晶种层。在某些实施方案中，硅化物层32包含nisi、nifesi、nifetasi、nicusi、cosi、cofesi、cofetasi、cocusi或它们的组合。在某些实施方案中，晶种层30进一步包括位于硅化物层32和bisbe合金层50之间的表面控制层40。在某些实施方案中，表面控制层40包含nife、nifeta、nita、niw、nifew、nicu、nifecu、cota、cofeta、nicota、co、com、conim、coni、nisi、
cosi、nicosi、cu、cuag、cuagm、cum或它们的组合，其中m是fe、cu、co、ta、ag、ni、mn、cr、v、ti或si。
[0057]
在某些实施方案中，夹层70沉积在bisbe合金层50上方。夹层70包括硅化物层72。在某些实施方案中，硅化物层72包含nisi、fesi、cosi、nicusi、nifetasi、cofesi、cocusi或它们的组合。在某些实施方案中，夹层70进一步包括位于bisbe合金层50和硅化物层72之间的表面控制层71。表面控制层71包含cu、ni、nife、co或它们的组合。
[0058]
自旋扭矩层(stl)60形成在夹层70上方。stl 60包含铁磁材料，诸如一层或多层cofe、coir、nife和cofem，其中m＝b、ta、re或ir。通过用作自旋霍尔层的bisbe合金层50的充电电流在bisbe层50中生成自旋电流。bisbe合金层50和自旋扭矩层(stl)60的旋转轨道耦合通过来自bisbe合金层50的自旋电流的自旋轨道耦合引起stl 60的磁化的切换或进动。stl 60的磁化的切换或进动可从磁记录中使用的写入头的主极生成对写入场的辅助dc场。与基于自旋转移扭矩(stt)的微波辅助磁记录(mamr)元件相比，基于sot的eamr元件具有大多倍的功率效率。在某些实施方案中，bisbe合金层50包含金属掺杂物元素或非金属掺杂物元素。例如，如果基于sot的eamr写入头未退火，则可使用包含非金属掺杂物元素的bisbe合金层50，因为避免了由于后退火引起的界面粗糙度的降级。
[0059]
sot设备包括位于衬底上方的铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层用作拓扑绝缘体，诸如用于基于sot的mram设备或用于基于sot的eamr写入头。bisbe合金层包含铋、锑、掺杂物元素。掺杂物元素可以是非金属掺杂物元素，该非金属掺杂物元素包括si、p、ge或它们的组合；金属掺杂物元素，该金属掺杂物元素包括ni、co、fe、cofe、nife、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合；或非金属掺杂物元素和金属掺杂物元素的组合。bisbe合金层可包括多个bisb薄片层和一个或多个掺杂物元素薄片层。bisbe合金层具有(012)取向。在某些实施方案中，与没有掺杂物元素的bisb材料相比，bisbe合金层具有更高的退火温度、更强的(012)织构、更小的晶粒尺寸和/或更低的表面粗糙度。
[0060]
在一个实施方案中，sot设备包括位于衬底上方的铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层包含铋、锑和掺杂物元素。掺杂物元素是非金属掺杂物元素、金属掺杂物元素和它们的组合。金属掺杂物元素的示例包括ni、co、fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合。非金属掺杂物元素的示例包括si、p、ge或它们的组合。bisbe合金层具有(012)取向。
[0061]
在另一个实施方案中，sot设备包括位于衬底上方的铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层包括多个bisb薄片层和一个或多个掺杂物元素薄片层。掺杂物元素薄片层中的每个掺杂物元素薄片层均包含非金属掺杂物元素、金属掺杂物元素和它们的组合。金属掺杂物元素的示例包括ni、co、fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合。非金属掺杂物元素的示例包括si、p、ge或它们的组合。bisbe合金层具有(012)取向。
[0062]
在仍另一个实施方案中，磁阻随机存取存储器(mram)设备包括铋锑掺杂物元素(bisbe)合金层。bisbe合金层包含铋、锑和金属掺杂物元素。金属掺杂物元素是ni、co、fe、cofe、nife、nico、nicu、cocu、niag、cuag、cu、al、zn、ag、ga、in或它们的组合。bisbe合金层具有(012)取向。mram设备进一步包括垂直磁各向异性(pma)铁磁层。
[0063]
实施例
[0064]
以下是示出图1、图2a-图2h或图13a-图13b的bisbe合金层50、100、200、其他sot设备和它们的变型的各种实施方案的示例。除非权利要求书中明确陈述，否则这些实施例并非意在限制权利要求书的范围。
[0065]
实施例1
[0066]
图3显示包含非金属掺杂物元素si的bisbe合金层的各种堆叠310-360的bisb取向的2θxrd扫描与强度的对数的关系。堆叠310-360中的每个堆叠均包括形成为约的厚度的nifecu-硅化物层的晶种层和形成为约的厚度的铜合金(cuagni)层、形成为约的厚度的bisbe合金层、形成为约的厚度的nife-硅化物层的夹层以及形成为的厚度的sin的帽盖层。bisbsi合金层包括多个bisb薄片层和多个si薄片层，其中掺杂物元素包括si。bisb薄片层中的每个薄片层均包含约90原子％的bi和约10原子％的sb。
[0067]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个si薄片层(其中每个si薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠310的bisbe合金层。将si薄片层以bisb-bisb-bisb-si-bisb-si-bisb-si-bisb(bbbsbsbsb)的顺序沉积在bisbe合金层的顶部边缘处。
[0068]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个si薄片层(其中每个si薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠320的bisbe合金层。将si薄片层以bisb-bisb-si-bisb-si-bisb-si-bisb-bisb(bbsbsbsbb)的顺序沉积在bisbe合金层的中心处。
[0069]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个si薄片层(其中每个si薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠330的bisbe合金层。将si薄片层以bisb-si-bisb-si-bisb-si-bisb-bisb-bisb(bsbsbsbbb)的顺序沉积在bisbe合金层的底部边缘处。
[0070]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个si薄片层(其中每个si薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠340的bisbe合金层。将si薄片层在bisbe合金层内以bisb-si-bisb-bisb-si-bisb-bisb-si-bisb(bsbbsbbsb)的顺序调制。
[0071]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积四个si薄片层(其中每个si薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠350的bisbe合金层。将si薄片层以bisb-si-bisb-si-bisb-bisb-si-bisb-si-bisb(bsbsbbsbsb)的顺序沉积在bisbe合金层的底部边缘和顶部边缘处。
[0072]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积五个si薄片层(其中每个si薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠360的bisbe合金层。将si薄片层以bisb-si-bisb-si-bisb-si-bisb-si-bisb-si-bisb(bsbsbsbsbsb)的顺序沉积在整个bisbe合金层中。
[0073]
具有掺杂物元素si的顶部边缘分布的堆叠310和具有掺杂物元素si的中心分布的
堆叠320不会促进强bisbsi(012)取向。具有掺杂物元素si的底部边缘分布的堆叠330、具有掺杂物元素si的调制分布的堆叠340、具有掺杂物元素si的底部边缘和顶部边缘分布的堆叠350和在整个bisbe合金层中具有掺杂物元素si分布的堆叠360促进强bisbsi(012)取向。
[0074]
实施例2
[0075]
图4显示包含金属掺杂物元素cuagni的bisbe合金层的各种堆叠410-460的bisb取向的2θxrd扫描与强度的对数的关系。bisbe合金层包括多个bisb薄片层和金属掺杂物元素cuagni的多个薄片层。bisb薄片层中的每个薄片层均包含约90原子％的bi和约10原子％的sb。堆叠410-460中的每个堆叠均包括形成为约的厚度的nifecu-硅化物层的晶种层、形成为约的厚度的bisbe合金层、形成为约的厚度的nife-硅化物层的夹层以及形成为的厚度的sin的帽盖层。
[0076]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个cuagni薄片层(其中每个cuagni薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠410的bisbe合金层。将cuagni薄片层以bisb-bisb-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb(bbbcbcbb)的顺序沉积在bisbe合金层的顶部边缘处。
[0077]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个cuagni薄片层(其中每个cuagni薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠420的bisbe合金层。将cuagni薄片层以bisb-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-bisb(bbcbcbcbb)的顺序沉积在bisbe合金层的中心处。
[0078]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个cuagni薄片层(其中每个cuagni薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠430的bisbe合金层。将cuagni薄片层以bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-bisb-bisb(bcbcbcbbb)的顺序沉积在bisbe合金层的底部边缘处。
[0079]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积三个cuagni薄片层(其中每个cuagni薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠440的bisbe合金层。将cuagni薄片层在bisbe合金层内以bisb-cuagni-bisb-bisb-cuagni-bisb-bisb-cuagni-bisb(bcbbcbbcb)的顺序调制。
[0080]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积四个cuagni薄片层(其中每个cuagni薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠450的bisbe合金层。将cuagni薄片层以bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb(bcbcbb-cbcb)的顺序沉积在bisbe合金层的底部边缘和顶部边缘处。
[0081]
通过沉积六个bisb薄片层(其中每个bisb薄片层沉积到约的厚度)以及通过沉积五个cuagni薄片层(其中每个cuagni薄片层沉积到约的厚度)来形成堆叠460的bisbe合金层。将cuagni薄片层以bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb(bcbcbcbcbcb)的顺序沉积在整个bisbe合金层中。
[0082]
具有cuagni的顶部边缘分布的堆叠410、具有cuagni的中心分布的堆叠420和具有cuagni的调制分布的堆叠440不会促进强bisbe(012)取向。具有cuagni的底部边缘分布的
堆叠430、具有cuagni的底部边缘和顶部边缘分布的堆叠450和在整个bisbe合金层中具有cuagni分布的堆叠460促进强bisbe(012)取向。
[0083]
实施例3
[0084]
图5显示对于掺杂物元素nife、si和cuagni，跨bisbe合金层的掺杂物e-cs 簇的tof-sims净强度作为以秒计的溅射时间的函数的曲线图。bisbe样品510具有约17％的掺杂物元素硅的原子百分比含量，bisbe样品520具有约14％的掺杂物元素cuagni的原子百分比含量，bisbe样品530具有约14％的掺杂物元素nife的原子百分比含量。bisbe样品510形成有si掺杂物元素的调制分布。bisbe样品520形成有cuagni掺杂物元素的边缘分布。bisbe样品530形成有nife掺杂物元素的边缘分布。净强度是bisbe的e-cs 簇的绝对强度减去不含掺杂物元素的bisbe的e-cs 簇的强度。样品510-530中的每个样品均包括约的nifecu硅化物晶种层、约的cu、约的nife、约的cu，以及约的cu、的si和的nife的nifecu硅化物帽盖层。用竖直黑色虚线指示nifecu硅化物晶种层、nifecu硅化物帽盖层和bisbe合金层的中心的位置。
[0085]
图5显示掺杂物元素的一部分被推出bisbe合金层。图5显示bisbe合金层内部的非零净tof-sims强度，其指示在沉积后，掺杂物元素的一部分保留在bisbe晶格中。
[0086]
实施例4
[0087]
图6显示跨bisbe堆叠的tem cu eels扫描，该bisbe堆叠包括硅化物帽盖层、包含金属掺杂物cuagni的bisbe合金层和硅化物晶种层。bisbe合金层包含原子百分比含量为约6％的金属掺杂物cuagni。金属掺杂物cuagni包含原子百分比含量为约5％的ag和原子百分比含量为约10％的ni。bisbe堆叠包括约的nifecu硅化物晶种层、约的cu、约的bisbe合金层、约的nifecu硅化物帽盖层和约的sin层。
[0088]
bisbe合金层包含位于bisbe合金层的中心处的金属掺杂物元素，对于室温以及在约280℃后退火3小时之后两种情况，该金属掺杂物元素均朝向界面更高。cuagni掺杂物元素的一部分离开bisb晶格，并且即使在接近bisbe合金层的熔点后退火之后，cuagni掺杂物元素的一部分也保留在bisb晶格中。
[0089]
掺杂物元素的一部分在接近熔融之后已保留在晶格中。相信在退火时，bisbe晶格弛豫晶格参数，其中掺杂物元素的一部分驻留在bisbe晶格内形成合金，而一部分扩散到夹层界面或晶界。
[0090]
实施例5
[0091]
图7显示包含金属掺杂物的bisbe合金层710-750的沉积态电导率与如通过xrr/xrf所测量的厚度的关系。bisbe合金层710-750中的每个合金层形成在具有约的厚度的si晶种层上方。使用四点探针测量电导率(1/电阻)。拟合曲线呈现表面导电层和体导电层的2-电阻器模型，并拟合“a b/厚度模型”。
[0092]
bisb层710是没有掺杂物元素的纯bisb层，bisbe合金层720包含cu的原子百分比含量为约10％的bisbcu。bisbe合金层730包含cu的原子百分比含量为约14％的bisbcu。bisbe合金层740包含cu的原子百分比含量为约20％的bisbcu。bisbe合金层750包含nife的原子百分比含量为约10％的bisb-nife。
[0093]
bisbe合金层720、730、750显示与参考bisb层710相似的良好拓扑绝缘体性质。
bisbe合金层740显示体导电而不是拓扑绝缘体性质。
[0094]
实施例6
[0095]
图8显示包含非金属掺杂物元素si的各种bisbe合金层820-860的沉积态电导率与如通过xrr/xrf所测量的厚度的关系。通过xrr测量bisbe合金层820-860中的每个合金层的厚度，并且该层形成在具有约的厚度的si晶种层上方。使用四点探针测量电导率(1/电阻)。拟合曲线呈现表面导电层和体导电层的2-电阻器模型，并拟合“a b/厚度模型”。
[0096]
bisb合金层810包含bisb作为参考层。bisbe合金层820包含si的原子百分比含量为约4％的bisbsi。bisbe合金层830包含si的原子百分比含量为约5％的bisbsi。bisbe合金层840包含si的原子百分比含量为约9％的bisbsi。bisbe合金层850包含si的原子百分比含量为约13％的bisbsi。bisbe合金层860包含si的原子百分比含量为约15％的bisbsi。
[0097]
bisbe合金层820-860显示在沉积后与bisb参考层810相似的良好拓扑绝缘体性质。包含具有0％到约15％的si原子百分比含量的bisbsi的bisbe合金层显示良好的拓扑绝缘体性质。
[0098]
实施例7
[0099]
图9显示bisbsi合金的si掺杂物元素浓度与bisbsi晶粒尺寸的关系，如通过各种bisbsi合金层在1度入射角下获取的平面内xrd图案所测量。bisbsi合金层中的每个合金层形成在具有约的厚度的si晶种层上方，并且si帽盖层形成在具有约的厚度的bisbsi合金层上方。当si的原子百分比从0％增加到约10％时，bisbsi合金层显示出大的晶粒尺寸减小趋势。当si的原子百分比从超过10％增加时，bisbsi合金层显示出小的晶粒尺寸减小趋势。尽管与没有掺杂物元素的bisb材料相比，具有约10原子％si含量的bisbsi合金的晶粒尺寸大大减小，但将si的原子百分比含量进一步增加到高于10％仅产生晶粒尺寸的小的额外减小。
[0100]
实施例8
[0101]
图10显示如通过xrr所确定的作为非金属掺杂物元素si的原子百分比含量的函数的bisbe合金层610、620的表面粗糙度。
[0102]
bisbe合金层中的每合金层个形成在具有约的厚度的si晶种层上方，并且si封盖层形成在具有约的厚度的bisbe合金层上方。将bisbe合金层中的每个合金层沉积到约的厚度。bisbe合金层610包含具有变化的硅原子百分比含量的bisbsi。bisbe合金层620包含具有变化的铜原子百分比含量的bisbcu。
[0103]
图10显示与没有掺杂物元素的bisb层相比，掺杂物元素降低界面粗糙度。与没有掺杂物元素的bisb材料相比，掺杂物元素的原子百分比含量为约3％到约12％的bisbe合金层产生表面粗糙度的大的降低。掺杂物元素的原子百分比含量大于12％的bisbe合金层与具有较大界面粗糙度的没有掺杂物元素的bisb材料相当。
[0104]
实施例9
[0105]
图11显示与没有掺杂物元素的bisb相比，对于非金属掺杂物元素si、金属掺杂物元素cu、金属掺杂物元素nife，来自在大约1度入射角下获取的平面内xrd图案的bisbe合金的估计晶粒尺寸与通过xrr获得的bisbe的估计厚度的关系。曲线图中给出了沉积到膜中的估计的掺杂物元素浓度。bisb层1110包含没有掺杂物元素的bisb。bisbe合金层1120包含原
子百分比含量为约5％的掺杂物元素si。bisbe合金层1130包含原子百分比含量为约10％的掺杂物元素cu。bisbe合金层1140包含原子百分比含量为约cu6％的掺杂物元素cu，将该bisbe合金层在约280℃退火3小时。bisbe合金层1150包含原子百分比含量为约10％的掺杂物元素nife。对于所有bisbe合金厚度，掺杂物元素均降低晶粒尺寸。
[0106]
实施例10
[0107]
图12是bisbe堆叠1210、1220的强度对数与2θxrd平面外或耦合扫描的关系的曲线图。bisbe合金层包含原子百分比含量为约6％的金属掺杂物cuagni。金属掺杂物cuagni包含原子百分比含量为约5％的ag和原子百分比含量为约10％的ni。通过沉积六个bisb薄片层以及通过沉积四个cuagni薄片层来形成bisbe合金层。将cuagni薄片层以bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb-bisb-cuagni-bisb-cuagni-bisb(bcbcbbcbcb)的顺序沉积在bisbe合金层的底部边缘和顶部边缘处。
[0108]
堆叠1210、1220中的每个堆叠均包括形成为约的厚度的nifecu-硅化物层、形成为约的厚度的铜层、形成为约的厚度的bisbe合金层、形成为约的厚度的nifecu-硅化物层以及形成为约的厚度的sin的封盖层。bisbe堆叠1210是在退火之前。bisbe堆叠1220是在接近bisb的熔点于约280℃退火约3小时之后。bisbe堆叠1210、1220在退火之前和退火之后均显示强(012)织构。bisbe堆叠1220即使在接近bisb的熔点退火之后，也显示出摇摆曲线为约11度或更小(诸如7度到11度)的强(012)织构。退火之后bisbe堆叠1220的xrr测量显示约或更小的低表面粗糙度。
[0109]
虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。