促进SOT和MRAM器件的BiSbx（012）合金取向的缓冲层和夹层的制作方法

本公开的实施方案总体上涉及一种缓冲层和夹层，其抑制具有(012)取向的铋锑(bisb)层内的锑(sb)迁移。相关领域的描述bisb是已经被提出作为用于自旋矩振荡器(spin torque oscillator，sto)和磁阻随机存取存储器(magnetoresistive random access memory，mram)器件的自旋霍尔层的材料。bisb是同时具有巨自旋霍尔效应和高电传导率的窄间隙拓扑绝缘体。n.h.d.khang，y.ueda，和p.n.hai，“具有用于超低功率自旋轨道矩切换的大自旋霍尔效应的导电拓扑绝缘体(a conductive topological insulator with large spinhall effect for superlow power spin orbital torque switching)”naturematerials，第17卷，808(2018)，发现与具有(001)结晶取向的bisb相比，具有(012)结晶取向的bisb具有高的自旋霍尔角和高的电导率。在具有(001)结晶取向的mnga膜上形成具有(012)结晶取向的bisb，该mnga膜被形成在具有(001)结晶取向的gaas衬底上。n.roschewsky，e.s.walker，p.gowtham，s.muschinske，f.hellman，s.r.bank和s.salahuddin，“bi-sb/co异质结构中的自旋轨道矩和能斯脱效应(spin-orbit torqueand nernst effect in bi-sb/co heterostructures)”，phys.rev.b，第99卷，195103(2019年5月2日)，认识到bisb生长、结晶取向、自旋霍尔角和高电导率在实验中具有差的一致性。e.s.walker，s.muschinske，c.j.brennan，s.r.na，t.trivedi，s.d.march，y.sun，t.yang，a.yau，d.jung，a.f.briggs，e.m.krivoy，m.l.lee，k.m.liechti，e.t.yu，d.akinwande和s.r.bank，“si(111)上外延bi1 xsbx薄膜中的成分依赖性结构转变(composition-dependent structural transition in epitaxial bi1-xsbx thin filmson si(111))”，phys.rev.materials 3，064201(2019年6月7日)建立了在si(111)衬底上生长任何厚度的bi1-xsbx薄膜(包括非常超薄的薄膜)，但仅对于在9％至28％ sb浓度范围内的浓度，其恰巧与展示ti(拓扑绝缘体)属性所需的范围重叠。此外，bi膜可以以强(012)取向生长，这表明超薄bi/bisb膜层合物可以以强(012)取向外延生长。图11示出了在没有合适的相邻缓冲层和夹层的情况下，sot堆叠内的厚的bisb层中的相对sb浓度的tem-eels线扫描。图11示出了sb从块体向界面迁移的问题，这可以通过使用厚度的超薄bi层来改善，该超薄bi层将可以用作sb成分调节层的bisb sot层夹在中间，以帮助改善化学均匀性并且维持由sb迁移而退化的bisb层的(012)织构和结构。然而，在si(111)上具有(012)取向的bisb层的薄bi和bisb膜粘附性都差。因此，需要一种形成具有高自旋霍尔角和高导电性的bisb的改进工艺以及具有高自旋霍尔角和高导电性的bisb层的改进器件。

背景技术：

技术实现思路

1、本公开一般涉及自旋轨道矩(sot)磁隧道结(mtj)器件，其包括缓冲层、设置在缓冲层上的具有(012)取向的铋锑(bisb)层、以及设置在bisb层上的夹层。缓冲层和夹层可以各自独立地为单层材料或多层材料。缓冲层和夹层各自包括共价键合的非晶材料、四方(001)材料、四方(110)材料、体心立方(bcc)(100)材料、面心立方(fcc)(100)材料、织构化bcc(100)材料、织构化fcc(100)材料、织构化(100)材料或非晶金属材料中的至少一种。缓冲层和夹层抑制锑(sb)在bisb层内的迁移并提高bisb层的均匀性，同时进一步促进bisb层的(012)取向。

2、在一个实施方案中，一种自旋轨道矩(sot)磁隧道结(mtj)器件包括衬底、形成于该衬底上方的缓冲层，该缓冲层包括：非晶层，其包含处于非晶结构中材料，其中该材料包含共价键合的碳化物、共价键合的氧化物或共价键合的氮化物；以及铋锑(bisb)层，其被形成于缓冲层上方，该bisb层具有(012)取向，其中缓冲层被配置为减少bisb层中的sb的迁移。

3、在另一实施方案中，一种sot mtj器件包括衬底、形成于该衬底上的缓冲层，该缓冲层包括：至少一个第一中间层，该至少一个第一中间层包括以下各项中的至少一个：四方(001)材料；四方(110)材料；体心立方(bcc)(100)材料；面心立方(fcc)(100)材料；织构化bcc(100)材料；织构化fcc(100)材料；织构化(100)材料或包括共价键合的碳化物、共价键合的氧化物或共价键合的氮化物的非晶材料；以及形成于缓冲层上的铋锑(bisb)层堆叠包括具有(012)定向的bisb层，其中该bisb层还包括：第一bi层和第二bi层，其中该bisb层被设置在第一bi层上，并且其中第一bi层和第二bi层：各自具有大于约且小于约的厚度，且将该bisb层夹在中间以促进(012)bisb织构且充当被构造为改进因sb迁移而退化的bisb层的化学均匀性及结构的sb成分调节层。

4、在又一实施方案中，一种sot mtj器件包括衬底和形成在该衬底上方的缓冲层，该缓冲层包括：具有(100)取向的织构化层和被设置在该织构化层上的第一中间层，该第一中间层包括从由以下组成的组中选择的立方晶体结构中的至少一种：四方(001)、四方(110)、体心立方(bcc)(100)、面心立方(fcc)(100)、织构化bcc(100)和织构化fcc(100)。该sotmtj器件还包括：铋锑(bisb)层，其形成在缓冲层上方，该bisb层具有(012)取向，其中缓冲层被配置为减少bisb层中的sb的扩散；以及夹层，其被设置在bisb层上。

技术特征：

1.一种自旋轨道矩(sot)磁隧道结(mtj)器件，包括：

2.根据权利要求1所述的sot mtj器件，其中，所述缓冲层还包括一个或多个子层，所述一个或多个子层中的每一个子层包括从由以下材料组成的组中选择的一种或多种材料：四方(001)材料、四方(110)材料、体心立方(bcc)(100)材料、面心立方(fcc)(100)材料、织构化bcc(100)材料、织构化fcc(100)材料、织构化(100)材料、非晶金属材料以及任何前述材料中的一种或多种材料的分层组合。

3.根据权利要求2所述的sot mtj器件，其中，所述一个或多个子层中的至少一个子层包括所述bcc(100)材料，所述bcc(100)材料是从由以下材料组成的组中选择的：b2相中的v、nb、mo、w、ta、wti50、al10nb40ti50、cr、crmo、crx或rual，以及它们与从由ti、al、rh、pd、pt、ni、fe和cr组成的组中选择的元素的合金组合，其中x＝ti、w、mo、ru。

4.根据权利要求2所述的sot mtj器件，其中，所述一个或多个子层中的至少一个子层包括所述fcc(100)材料，所述fcc(100)材料是从由以下材料组成的组中选择的：feo、coo、zro、mgo、tio、scn、tin、nbn、zrn、hfn、tan、scc、tic、nbc、zrc、hfc、tac、wc、coo、sic、gan、fen、zno、mozr10、moni20、nbzr20以及它们与从由w、al和si组成的组中选择的一种或多种元素的复合组合。

5.根据权利要求2所述的sot mtj器件，其中，所述一个或多个子层中的至少一个子层包括所述四方(001)或(110)材料，所述四方(001)或(110)材料是从由以下材料组成的组中选择的：sbo2、tio2、iro2、ruo2、cro2、vo2,oso2、rho2、pdo2、wvo4、crnbo4、sno2、geo2、znnbti、zntita、它们的复合物，以及它们与从由w、ta和nb组成的组中选择的元素的合金。

6.根据权利要求5所述的sot mtj器件，其中，所述四方(001)或(110)材料具有在约至约范围内的a轴以及在约至约范围内的c轴。

7.根据权利要求2所述的sot mtj器件，其中，所述一个或多个子层中的至少一个子层包括所述非晶金属材料，所述非晶金属材料是从由以下材料组成的组中选择的：nita、nifeta、ninb、niw、nifew、nifehf、cohfb、cozrta、cofeb、nifeb、cob、feb以及它们与从由ni、fe、co、zr、w、ta、hf、ag、pt、pd、si、ge、mn、al和ti组成的组中选择的元素的合金组合。

8.根据权利要求1所述的sot mtj器件，其中，处于所述非晶结构的材料具有d-间距等于约至约的最近邻xrd衍射峰，对应于与afcc晶体结构的(111)d-间距，其中afcc在约和之间。

9.根据权利要求8所述的sot mtj器件，其中，最近邻距离为约至约

10.根据权利要求1所述的sot mtj器件，还包括设置在所述bisb层上的夹层，所述夹层包括从由以下材料组成的组中选择的一种或多种材料：四方(001)材料；四方(110)材料；体心立方(bcc)(100)材料；面心立方(fcc)(100)材料；织构化bcc(100)材料；织构化fcc(100)材料；织构化(100)材料；包括共价键合的碳化物、氧化物或氮化物的非晶材料；非晶金属材料；以及任何前述材料中的一种或多种材料的分层组合。

11.一种磁记录头，所述磁记录头包括根据权利要求1所述的sot mtj器件。

12.一种磁记录设备，所述磁记录设备包括根据权利要求11所述的磁记录头。

13.一种磁阻存储器，所述磁阻存储器包括根据权利要求1所述的sotmtj。

14.一种自旋轨道矩(sot)磁隧道结(mtj)器件，包括：

15.根据权利要求14所述的sot mtj器件，其中，所述缓冲层还包括设置在所述第一中间层下方的非晶层，所述非晶层包括从由以下材料组成的组中选择的材料：nita、nifeta、ninb、niw、nifew、nifehf、cohfb、cozrta、cofeb、nifeb、cob、feb以及它们与从由ni、fe、co、zr、w、ta、hf、ag、pt、pd、si、ge、mn、al和ti组成的组中选择的元素的合金组合。

16.根据权利要求15所述的sot mtj器件，其中，所述缓冲层还包括至少一个第二中间层。

17.根据权利要求16所述的sot mtj器件，其中，所述至少一个第二中间层是织构化bcc(100)材料。

18.根据权利要求16所述的sot mtj器件，其中，所述至少一个第二中间层是织构化fcc(100)材料。

19.根据权利要求14所述的sot mtj器件，还包括设置在所述bisb层上的夹层，所述夹层包括与所述至少一个第一中间层相同的材料。

20.根据权利要求14所述的sot mtj器件，其中，所述第一bi层和第二bi层各自具有约至约的宽度。

21.根据权利要求14所述的sot mtj器件，其中，所述至少一个第一中间层包括所述四方(001)或(110)材料，所述四方(001)或(110)材料具有在约至约范围内的a轴晶格参数。

22.根据权利要求14所述的sot mtj器件，其中，所述至少一个第一中间层包括所述fcc(100)材料，所述fcc(100)材料具有在约至约范围内的晶格参数。

23.一种磁记录头，所述磁记录头包括根据权利要求14所述的sotmtj。

24.一种磁记录设备，所述磁记录设备包括根据权利要求23所述的磁记录头。

25.一种磁阻存储器，所述磁阻存储器包括根据权利要求14所述的sotmtj。

26.一种自旋轨道矩(sot)磁隧道结(mtj)器件，包括：

27.根据权利要求26所述的sot mtj器件，其中，所述缓冲层还包括非晶层，所述非晶层包括从由以下材料组成的组中选择的材料：nita、nifeta、ninb、niw、nifew、nifehf、cohfb、cozrta、cofeb、nifeb、cob、feb以及它们与从由ni、fe、co、zr、w、ta、hf、ag、pt、pd、si、ge、mn、al和ti组成的组中选择的元素的合金组合。

28.根据权利要求27所述的sot mtj器件，其中，所述非晶层被设置在所述衬底上方，所述织构化层被设置在所述非晶层上，所述第一中间层被设置在所述织构化层上，并且所述bisb层被设置在所述第一中间层上。

29.根据权利要求26所述的sot mtj器件，其中，所述缓冲层还包括一个或多个第二中间层，所述一个或多个第二中间层具有与所述第一中间层不同的立方晶体结构。

30.根据权利要求26所述的sot mtj器件，其中，所述夹层包括从由以下材料组成的组中选择的一种或多种材料：四方(001)材料；四方(110)材料；体心立方(bcc)(100)材料；面心立方(fcc)(100)材料；织构化bcc(100)材料；织构fcc(100)材料；织构化(100)材料；包括共价键合的碳化物、共价键和的氧化物或共价键和的氮化物的非晶材料；非晶金属材料；以及任何前述材料中的一种或多种材料的分层组合。

31.根据权利要求26所述的sot mtj器件，其中，所述织构化层是从由以下组成的组中选择的：

32.根据权利要求26所述的sot mtj器件，其中，所述第一中间层包括所述四方(001)或(110)材料，所述四方(001)或(110)材料是氧化钌(iv)(ruo2)。

33.一种磁记录头，所述磁记录头包括根据权利要求26所述的sotmtj。

34.一种磁记录设备，所述磁记录设备包括根据权利要求33所述的磁记录头。

35.一种磁阻存储器，所述磁阻存储器包括根据权利要求26所述的sotmtj。

技术总结本公开一般涉及自旋轨道矩(SOT)磁性隧道结(MTJ)器件，其包括缓冲层、设置在缓冲层上的具有(012)取向的铋锑(BiSb)层、以及设置在BiSb层上的夹层。缓冲层和夹层可以各自独立地为单层材料或多层材料。缓冲层和夹层各自包括共价键合的非晶材料、四方(001)材料、四方(110)材料、体心立方(bcc)(100)材料、面心立方(fcc)(100)材料、织构化bcc(100)材料、织构化fcc(100)材料、织构化(100)材料或非晶金属材料中的至少一种。缓冲层和夹层抑制锑(Sb)在BiSb层内的迁移并提高BiSb层的均匀性，同时进一步促进BiSb层的(012)取向。技术研发人员：Q·勒,B·R·约克,C·黄,冈村进,M·戈丽贝尤克,X·刘,K·S·何,高野公史受保护的技术使用者：西部数据技术公司技术研发日：技术公布日：2024/3/31