[发明专利]制备铂基高自旋霍尔角材料的方法、合金薄膜及应用

说明书

本发明提供了一种制备铂基高自旋霍尔角材料的方法、合金薄膜及应用，该方法，包括在铂基金属膜的生长过程中，通过添加杂质，使杂质与铂形成具有多晶或单晶结构的合金薄膜；其中，杂质为非铂的金属、金属的碳化物、金属的氮化物或金属的氧化物以及硅或硅的化合物中的一种或多种；杂质的体积百分比为1％‑60％；铂基金属膜中的铂用于提供自旋霍尔效应；杂质用于增强铂基金属膜中铂的电子散射和电阻率。本发明提供合金薄膜具有低电阻率、巨大自旋霍尔角、均匀平整、成本低廉、结构和性质稳定、兼容集成电路和CMOS半导体工艺等优势。基于该合金薄膜发展的磁随机存储器、振荡器、逻辑器件、赛道存算器件等器件，具有高能效、长寿命、低阻抗等优点。

技术领域

本发明涉及信息技术和集成电路领域，具体涉及一种制备铂基高自旋霍尔角材料的方法、合金薄膜及应用。

背景技术

近年来，信息技术突飞猛进，对高速信息存储和传输的需求越来越大。自旋轨道转矩驱动的非易失性存储、计算和传感等技术被认为是“后摩尔时代”最有前景的解决方案之一。这类应用的功耗、速度、寿命、集成密度等性能要求自旋轨道矩的源材料必须同时具有电阻率和高自旋霍尔角。这是因为高电阻率材料(如拓扑绝缘体、强关联氧化物、β-W和β-Ta等)会导致大量的驱动电流扩散进入相邻导电层造成总电流、晶体管尺寸和焦耳热的大幅增加，进而影响器件的功效、寿命和集成密度。因此，低阻抗自旋霍尔金属Pt成为自旋电子学研究的明星材料，然而纯Pt的自旋霍尔角相对较低。如何制备出兼具低阻抗和高自旋霍尔角的薄膜材料成为自旋轨道矩技术产业化的关键问题。

发明内容

基于此，本发明提出了一种制备铂基高自旋霍尔角材料的方法、合金薄膜及应用，同时实现了低阻抗和高自旋霍尔角，有望应用于高能效、长寿命、低阻抗的磁随机存储器、逻辑器件、赛道存算器件等器件。

根据本发明的第一方面，提供了一种铂基高自旋霍尔角材料的制备方法，包括：

在上述铂基金属膜的生长过程中，通过添加杂质，使上述杂质与铂形成具有多晶或单晶结构的合金薄膜；

其中，上述杂质为非铂的金属、上述金属的碳化物、上述金属的氮化物或上述金属的氧化物以及硅或硅的化合物中的一种或多种；

上述杂质的体积百分比为1％-60％；

上述铂基金属膜中的铂用于提供自旋霍尔效应；

上述杂质用于增强上述铂基金属膜中铂的电子散射和电阻率。

根据本发明的实施例，其中，上述杂质为Si₃N₄、AlN、GaN、MgO、SiO₂、ZnO、CdO、SnO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Al₂O₃、SiC、Si、Ge、Mn、Pd、Ti、Cu、Cr中的一种或多种。

根据本发明的实施例，其中，上述合金薄膜的电阻率不大于120微欧厘米。

根据本发明的实施例，其中，上述合金薄膜基于磁控溅射、分子束外延、热蒸发、离子束蒸发或激光脉冲的沉积技术生长制备。

根据本发明的实施例，其中，上述合金薄膜基于磁控溅射技术生长制备，包括

采用含有上述铂和/或上述杂质成分的一个或多个靶材共溅射生长上述合金薄膜；

其中，通入磁控溅射的氩气流量为5-50sccm；

工作气压为1-8mTorr。

根据本发明的第二方面，提供了一种利用上述的方法制备得到的合金薄膜。