磁存儲(chǔ)器及其提供方法和編程方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種磁存儲(chǔ)器及其提供方法和編程方法。該磁存儲(chǔ)器包括雙磁性結(jié)和自旋軌道相互作用（SO）有源層。每個(gè)雙磁性結(jié)包括第一和第二參考層、第一和第二非磁性間隔層以及自由層。自由層是磁性的，并且在非磁性間隔層之間。非磁性間隔層在對(duì)應(yīng)的參考層和自由層之間。SO有源層鄰近于每個(gè)雙磁性結(jié)的第一參考層。SO有源層由于電流與SO有源層和第一參考層之間的方向基本上垂直地穿過(guò)SO有源層而在第一參考層上施加SO扭矩。第一參考層具有通過(guò)至少SO扭矩可改變的磁矩。自由層利用被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)雙磁性結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移寫入電流而可轉(zhuǎn)換。
【專利說(shuō)明】磁存儲(chǔ)器及其提供方法和編程方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]示例性實(shí)施方式涉及磁存儲(chǔ)器及其提供方法和編程方法。

【背景技術(shù)】
[0002]磁存儲(chǔ)器，尤其是磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，由于它們?cè)诓僮髌陂g的高讀/寫速度、優(yōu)良的耐用性、非易失性和低功耗方面的潛能，已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注。MRAM可以利用磁性材料作為信息記錄介質(zhì)來(lái)存儲(chǔ)信息。一種類型的MRAM是自旋轉(zhuǎn)移扭矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)0 STT-MRAM利用磁性結(jié)，所述磁性結(jié)至少部分地通過(guò)被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)的電流而被寫入。被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)的自旋極化電流對(duì)磁性結(jié)中的磁矩施加自旋扭矩。結(jié)果，具有響應(yīng)于自旋扭矩的磁矩的層可以被轉(zhuǎn)換至期望狀態(tài)。
[0003]例如，圖1描繪了可以被用于常規(guī)STT-RAM中的常規(guī)雙磁性隧道結(jié)(MTJ)1。常規(guī)雙MTJlO通常位于底部接觸11上，利用常規(guī)籽晶層12并且包括常規(guī)第一反鐵磁(AFM)層
14、常規(guī)第一被釘扎或參考層16、常規(guī)第一隧穿勢(shì)壘層18、常規(guī)自由層20以及常規(guī)第二隧穿勢(shì)壘層22、常規(guī)第二被釘扎層24、常規(guī)第二 AFM層26和常規(guī)蓋層28。還示出了頂部接觸30。
[0004]常規(guī)接觸11和30被用于在電流垂直平面(CPP)的方向上或者沿著如圖1所示的Z軸驅(qū)動(dòng)電流。常規(guī)籽晶層12通常被用于輔助具有期望的晶體結(jié)構(gòu)的后續(xù)層諸如第一 AFM層14的生長(zhǎng)。常規(guī)隧穿勢(shì)壘層18和22每個(gè)是非磁性的，并且為例如薄絕緣體，諸如MgO。
[0005]常規(guī)被釘扎層16/24和常規(guī)自由層20是磁性的。常規(guī)參考層16和24的磁化17和25通常通過(guò)與AFM層14和26的交換偏置相互作用而被固定或者被釘扎在特定方向上。雖然被描繪為單一(單個(gè))層，但常規(guī)參考層16和24可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)參考層16和/或24可以是包括通過(guò)薄的導(dǎo)電層諸如Ru而反鐵磁耦合的磁性層的合成反鐵磁(SAF)層。在這樣的SAF中，可以使用插入有Ru的薄層的多個(gè)磁性層。在另一實(shí)施方式中，經(jīng)由Ru層的耦合可以是鐵磁性的。雖然可以使用單個(gè)參考層16或24以及單個(gè)隧穿勢(shì)壘層18或22，但是如果參考層16和24被固定在雙態(tài)(參考層16和24的磁矩17和25反平行)，雙MTJlO可以具有提高自旋扭矩的優(yōu)點(diǎn)。然而，處于雙態(tài)下的雙MTJlO可以具有減小的磁阻。相反，如果參考層16和24被固定在反雙態(tài)(參考層16和24的的磁矩17和25平行)，雙MTJlO可以具有提高的磁阻。此外，在反雙態(tài)構(gòu)造中，由兩個(gè)參考層16和24貢獻(xiàn)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩相互抵消。結(jié)果，與雙態(tài)相比或者甚至與具有單個(gè)勢(shì)壘的類似單元相比，在反雙態(tài)下，自由層上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩的數(shù)值會(huì)實(shí)質(zhì)上減小。因此，可以顯著減小讀取錯(cuò)誤率，該讀取錯(cuò)誤率是在讀取操作期間無(wú)意地轉(zhuǎn)換自由層的可能性。這可以允許顯著地增加感測(cè)余量(其是由讀出放大器可接收的最小讀取電流與導(dǎo)致不容許的讀取錯(cuò)誤的電流之間的差異)，從而使得在雙構(gòu)造中讀取電流能夠接近寫入電流。因?yàn)樽x取錯(cuò)誤率取決于單元熱穩(wěn)定性，所以這也可以允許放寬對(duì)于MTJ單元參數(shù)的要求，尤其對(duì)于MTJ單元的熱穩(wěn)定性的要求。然而，這也意味著基于自旋轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)換會(huì)需要更大的寫入電流。
[0006]常規(guī)自由層20具有可改變的磁化21。雖然被描繪為單一層，但是常規(guī)自由層20也可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)自由層20可以是包括通過(guò)薄的導(dǎo)電層諸如Ru而反鐵磁地或鐵磁地耦合的磁性層的合成層。雖然被示出為在平面內(nèi)，但常規(guī)自由層20的磁化21可以具有垂直各向異性。類似地，常規(guī)被釘扎層16的磁化17也可以垂直于平面。
[0007]為了轉(zhuǎn)換常規(guī)自由層20的磁化21，電流被垂直于平面(在Z方向上)驅(qū)動(dòng)。載流子被自旋極化并且對(duì)于常規(guī)自由層的磁化21施加扭矩。在常規(guī)雙MTJlO中，來(lái)自參考層16和24的自旋扭矩在這些層處于反雙態(tài)(磁矩17和25反平行)時(shí)是附加的。當(dāng)磁矩21平行于易磁化軸(穩(wěn)定狀態(tài))時(shí)，常規(guī)自由層20的磁矩21上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩最初是小的。這樣，磁矩21的穩(wěn)定態(tài)也對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)換中的臨界點(diǎn)。由于熱波動(dòng)，磁矩21可以從與常規(guī)自由層20的易磁化軸對(duì)準(zhǔn)而旋轉(zhuǎn)。然后，自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以起到增大效果的作用，并且自由層20的磁矩被轉(zhuǎn)換。當(dāng)足夠的電流被從頂部接觸30驅(qū)動(dòng)到底部接觸11時(shí)，常規(guī)自由層20的磁化21可以轉(zhuǎn)換為平行于常規(guī)參考層16的磁化17。當(dāng)足夠的電流被從底部接觸11驅(qū)動(dòng)到頂部接觸30時(shí)，自由層的磁化21可以轉(zhuǎn)換為反平行于參考層16的磁化。磁構(gòu)造的差異對(duì)應(yīng)于不同的磁阻，因此對(duì)應(yīng)于常規(guī)MTJlO的不同邏輯狀態(tài)(例如，邏輯“O”和邏輯“I”)。
[0008]當(dāng)在STT-RAM應(yīng)用中使用時(shí)，常規(guī)MTJlO的自由層20被期望在相對(duì)低的電流下轉(zhuǎn)換，從而防止對(duì)于常規(guī)磁性結(jié)10的損壞，減小供應(yīng)此電流(未示出)的晶體管的尺寸以及減少存儲(chǔ)操作的能耗。另外，短電流脈沖被期望用于以更高的數(shù)據(jù)率對(duì)常規(guī)磁性元件10編程。例如，在5-30ns或者更小的量級(jí)的電流脈沖被期望來(lái)使得常規(guī)自由層20的磁化更快轉(zhuǎn)換。
[0009]雖然常規(guī)雙MTJlO可以利用自旋轉(zhuǎn)移被寫入并且被用于STT-RAM中，但其存在缺點(diǎn)。例如，寫入錯(cuò)誤率可高于對(duì)于具有可接受的脈沖寬度的存儲(chǔ)器所期望的。寫入錯(cuò)誤率(WER)是當(dāng)單元(即常規(guī)磁性結(jié)的自由層20的磁化21)被施加至少等于典型轉(zhuǎn)換電流的電流時(shí)該單元沒(méi)有被轉(zhuǎn)換的可能性。WER期望為10_9或更小。然而，在此WER值下，可能需要很高的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)自由層20的轉(zhuǎn)換。另外，已經(jīng)確定了 WER會(huì)對(duì)縮短寫入電流脈沖的改進(jìn)構(gòu)成挑戰(zhàn)。例如，圖2是曲線圖50，其描繪了對(duì)于不同寬度的脈沖在WER方面的趨勢(shì)。需要注意的是，曲線圖50中沒(méi)有繪示實(shí)際數(shù)據(jù)。而是，曲線圖50意在表示趨勢(shì)。從最長(zhǎng)到最短的脈沖寬度是曲線52、54、56和58。如從曲線圖50中可見，脈沖寬度越高，WER與施加到結(jié)10的電壓具有越大的斜率。因此，對(duì)于相同的脈沖寬度，施加更高的電壓會(huì)導(dǎo)致WER的顯著減小。然而，隨著脈沖寬度在曲線54、56和58中縮短，曲線54、56和58的斜率減小。對(duì)于減小的脈沖寬度，電壓和/或電流的增大很少會(huì)導(dǎo)致WER的減小。在足夠短的脈沖下，即使高電壓/電流也不引起更低的錯(cuò)誤率。因此，采用常規(guī)MTJlO的存儲(chǔ)器可具有不可接受的高WER，其不能通過(guò)增大電壓而消除。此外，為了獲得這種高自旋轉(zhuǎn)移扭矩，參考層16和24使得它們的磁矩17和25處于反雙態(tài)(被固定在相反方向上)。當(dāng)在此狀態(tài)下時(shí)，在讀取操作期間存在磁阻的消除，這降低了讀取信號(hào)。這種信號(hào)的減小是不期望的。
[0010]因此，需要可以提高基于自旋轉(zhuǎn)移扭矩的存儲(chǔ)器的性能的方法和系統(tǒng)。在此描述的方法和系統(tǒng)解決了這種需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]描述了一種磁存儲(chǔ)器。該磁存儲(chǔ)器包括雙磁性結(jié)和至少一個(gè)自旋軌道相互作用
(SO)有源層。每個(gè)雙磁性結(jié)包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層和第二參考層。自由層是磁性的，并且位于第一非磁性間隔層和第二非磁性間隔層之間。第一非磁性間隔層在第一參考層和自由層之間。第二非磁性間隔層在第二參考層和自由層之間。SO有源層鄰近于每個(gè)雙磁性結(jié)的第一參考層。SO有源層被配置為由于電流與至少一個(gè)SO有源層和第一參考層之間的方向基本上垂直地穿過(guò)至少一個(gè)SO有源層而在第一參考層上施加SO扭矩。第一參考層具有被配置為通過(guò)至少SO扭矩可改變的磁矩。自由層被配置為利用被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)雙磁性結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移寫入電流而可轉(zhuǎn)換。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1描繪了常規(guī)磁性結(jié)。
[0013]圖2描繪了對(duì)于常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移扭矩RAM的寫入錯(cuò)誤率與電壓的關(guān)系。
[0014]圖3描繪了利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的磁性結(jié)的示例性實(shí)施方式。
[0015]圖4描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的一示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0016]圖5A-?描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器包括在轉(zhuǎn)換中利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0017]圖6A-6D描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器包括在轉(zhuǎn)換中利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0018]圖7A-7B描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器包括在轉(zhuǎn)換中利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0019]圖8A-8B描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器包括在轉(zhuǎn)換中利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0020]圖9描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0021]圖10描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0022]圖11描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0023]圖12描繪了磁存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0024]圖13描繪了存儲(chǔ)器的一部分的一示例性實(shí)施方式，該存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0025]圖14描繪了存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0026]圖15描繪了存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0027]圖16描繪了存儲(chǔ)器的一部分的另一示例性實(shí)施方式，該存儲(chǔ)器包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)。
[0028]圖17是流程圖，描繪了用于提供利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的磁性結(jié)的方法的示例性實(shí)施方式。
[0029]圖18是流程圖，描繪了對(duì)于利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的磁性結(jié)編程的方法的示例性實(shí)施方式。

【具體實(shí)施方式】
[0030]示例性實(shí)施方式涉及可用于磁性裝置諸如磁存儲(chǔ)器中的磁性結(jié)以及利用這樣的磁性結(jié)的裝置。給出以下描述以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖褪褂帽景l(fā)明，以下描述被提供在專利申請(qǐng)及其要求的內(nèi)容中。對(duì)于示例性實(shí)施方式的各種修改以及在此描述的一般原理和特征將容易變得明顯。主要就特定實(shí)施中提供的特定方法和系統(tǒng)來(lái)描述示例性實(shí)施方式。然而，所述方法和系統(tǒng)在其他實(shí)施中將有效地操作。諸如“示例性實(shí)施方式”、“一個(gè)實(shí)施方式”和“另一實(shí)施方式”的表述可指相同的實(shí)施方式或者不同的實(shí)施方式以及多個(gè)實(shí)施方式。將關(guān)于具有某些組件的系統(tǒng)和/或裝置來(lái)描述實(shí)施方式。然而，所述系統(tǒng)和/或裝置可以包括比示出的組件多或少的組件，可以對(duì)組件的布置和類型做出變化而不背離本發(fā)明的范圍。也將在具有某些步驟的特定方法的情形下描述示例性實(shí)施方式。然而，所述方法和系統(tǒng)對(duì)于具有不同步驟和/或附加步驟以及與示例性實(shí)施方式不一致的次序的步驟的其他方法可以有效地操作。因此，本發(fā)明并非旨在限于示出的實(shí)施方式，而是符合與在此描述的原理和特征一致的最寬范圍。
[0031]示例性實(shí)施方式描述了用于提供磁存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。磁存儲(chǔ)器包括雙磁性結(jié)和至少一個(gè)自旋軌道相互作用(SO)有源層(active layer)。每個(gè)雙磁性結(jié)包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層和第二參考層。自由層是磁性的并且位于第一非磁性間隔層和第二非磁性間隔層之間。第一非磁性間隔層在第一參考層和自由層之間。第二非磁性間隔層在第二參考層和自由層之間。SO有源層鄰近每個(gè)雙磁性結(jié)的第一參考層。SO有源層配置為由于電流基本與至少一個(gè)SO有源層與第一參考層之間的方向垂直地經(jīng)過(guò)該至少一個(gè)SO有源層而對(duì)于第一參考層施加SO扭矩。第一參考層具有配置為通過(guò)至少SO扭矩可改變的磁矩。自由層配置為利用驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)雙磁性結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移寫入電流可轉(zhuǎn)換。
[0032]在具有某些組件的特定磁性結(jié)和磁存儲(chǔ)器的情形下描述示例性實(shí)施方式。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明與具有與本發(fā)明不一致的其他組件和/或附加組件和/或其他特征的磁性結(jié)和磁存儲(chǔ)器的使用相一致。也在對(duì)自旋軌道相互作用、自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象、磁各向異性及其他物理現(xiàn)象的當(dāng)前理解的情形下描述方法和系統(tǒng)。因此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，對(duì)于方法和系統(tǒng)的行為的理論性解釋是基于對(duì)自旋軌道相互作用、自旋轉(zhuǎn)移、磁各向異性及其他物理現(xiàn)象的當(dāng)前理解而進(jìn)行的。然而，在此描述的方法和系統(tǒng)不取決于特定的物理解釋。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將容易地認(rèn)識(shí)到，在與基板具有特定關(guān)系的結(jié)構(gòu)的情形下描述方法和系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，所述方法和系統(tǒng)與其他結(jié)構(gòu)一致。此外，在某些層為合成的和/或單一的情形下描述方法和系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，這些層可以具有另一結(jié)構(gòu)。此夕卜，在磁性結(jié)、自旋軌道有源層和/或其他結(jié)構(gòu)具有特定層的情形下描述方法和系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，還可以使用具有與所述方法和系統(tǒng)不一致的附加的層和/或不同的層的磁性結(jié)、自旋軌道有源層和/或其他結(jié)構(gòu)。此外，某些部件被描述為是磁性的、鐵磁性的和亞鐵磁性的。當(dāng)在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“磁性的”可以包括鐵磁性的、亞鐵磁性的或者類似結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“磁性的”或者“鐵磁性的”包括但不限于鐵磁體和亞鐵磁體。還在單個(gè)磁性結(jié)的情形下描述方法和系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，所述方法和系統(tǒng)與使用具有多個(gè)磁性結(jié)的磁存儲(chǔ)器一致。此外，當(dāng)在此使用時(shí)，“在平面內(nèi)”基本上在磁性結(jié)的一個(gè)或多個(gè)層的平面內(nèi)或平行于一個(gè)或多個(gè)層的平面。相反地，“垂直”對(duì)應(yīng)于基本上垂直于磁性結(jié)的一個(gè)或多個(gè)層的方向。
[0033]圖3描繪了先前開發(fā)的磁存儲(chǔ)器100的一部分的不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器100在轉(zhuǎn)換中利用自旋軌道相互作用。為了清楚，圖3沒(méi)有按比例繪制。另外，同樣地，磁存儲(chǔ)器100的部分諸如位線、字線、行選擇器和列選擇器沒(méi)有被示出或者沒(méi)有被標(biāo)示。磁存儲(chǔ)器100包括磁存儲(chǔ)單元102。磁存儲(chǔ)單元102可以是以陣列排布的許多磁存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。每個(gè)磁存儲(chǔ)單元包括選擇器件104和磁性結(jié)110。在一些實(shí)施方式中，多個(gè)磁性結(jié)110和/或多個(gè)選擇器件104可以在單個(gè)單元中使用。還示出了包括自旋軌道相互作用(SO)有源層122的公共總線120。公共總線120伸展越過(guò)多個(gè)存儲(chǔ)單元，圖3僅示出其中一個(gè)存儲(chǔ)單元。在示出的實(shí)施方式中，形成SO有源層122的材料僅位于存儲(chǔ)單元102附近。因此，其他材料，包括但不限于高導(dǎo)電性和/或非磁性材料，可以在單元102之間使用。然而，在其他實(shí)施方式中，公共總線120可由SO有源層122組成。在其他實(shí)施方式中，SO有源層122可以與公共總線120分離。例如，SO有源層122可位于磁性結(jié)110和公共總線120之間。在其他實(shí)施方式中，SO有源層122可以被包括作為存儲(chǔ)單元102的一部分，并且公共總線120可以被省略。
[0034]在示出的實(shí)施方式中，磁性結(jié)110包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或自由層112、非磁性間隔層114和參考層116。間隔層114是非磁性的。在一些實(shí)施方式中，間隔層114是絕緣體，例如，隧穿勢(shì)壘。在這樣的實(shí)施方式中，每個(gè)間隔層114可包括晶體MgO，其可增加磁性結(jié)110的TMR和自旋轉(zhuǎn)移效率和/或磁性結(jié)110的自旋軌道相互作用。在其他實(shí)施方式中，間隔層114可以是導(dǎo)體，諸如Cu。在備選實(shí)施方式中，間隔層114可具有另一結(jié)構(gòu)，例如，包括在絕緣矩陣中的導(dǎo)電溝道的顆粒層。
[0035]自由層112是具有可轉(zhuǎn)換的磁矩(未示出)的自由層112。當(dāng)磁性結(jié)110是靜態(tài)的(沒(méi)有被轉(zhuǎn)換)時(shí)，自由層112的磁矩處于沿著自由層112的易磁化軸。在磁存儲(chǔ)器100的操作期間，參考層112的磁矩被期望為基本被固定。參考層116被描繪為單層。然而，在其他實(shí)施方式中，參考層116可以是多層，其包括但不限于具有被非磁性層(其可以是Ru)分離的鐵磁層的合成反鐵磁體。在一些實(shí)施方式中，磁性結(jié)110還包括將參考層116的磁矩固定至適當(dāng)處的釘扎層諸如反鐵磁層(未示出)。在其他實(shí)施方式中，參考層116的磁矩以另一方式被固定。自由層112和參考層116是鐵磁性的，因此可包括Fe、Ni和Co中的一個(gè)或多個(gè)。雖然沒(méi)有示出磁矩，但是在一些實(shí)施方式中層112和116的磁矩可以垂直于平面。因此，層112和/或116的每個(gè)可具有垂直各向異性場(chǎng)，其超過(guò)它的平面外退磁場(chǎng)(通常地，大部分為4 JiMs)。在其他實(shí)施方式中，磁矩在平面內(nèi)。
[0036]自由層112的磁矩利用自旋軌道相互作用效應(yīng)而被轉(zhuǎn)換，如下所述。在一些實(shí)施方式中，自由層112可以利用效應(yīng)的組合而被轉(zhuǎn)換。例如，自由層112的磁矩可以利用自旋轉(zhuǎn)移扭矩作為主要效應(yīng)(其可以通過(guò)由自旋軌道相互作用引起的扭矩而得到輔助)而被轉(zhuǎn)換。然而，在其他實(shí)施方式中，主要轉(zhuǎn)換機(jī)制是由自旋軌道相互作用引起的扭矩。在這樣的實(shí)施方式中，另一效應(yīng)，包括但不限于自旋轉(zhuǎn)移扭矩，可輔助轉(zhuǎn)換和/或選擇磁性結(jié)110。在其他實(shí)施方式中，自由層112的磁矩僅利用自旋軌道相互作用效應(yīng)而被轉(zhuǎn)換。
[0037]SO有源層122是具有強(qiáng)自旋軌道相互作用并且可被用于轉(zhuǎn)換自由層112的磁矩的層。SO有源層122可被用于產(chǎn)生自旋軌道場(chǎng)Hsq。更具體地，電流被平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層122。這可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流(例如具有電流密度JsJ經(jīng)過(guò)公共總線120來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于SO有源層122中的自旋軌道相互作用，流動(dòng)經(jīng)過(guò)這個(gè)層的電流會(huì)產(chǎn)生與電流密度成比例的自旋軌道場(chǎng)HS()。對(duì)于一些實(shí)施方式，自旋軌道場(chǎng)HS()平行于矢量pS(),其通過(guò)SO有源層122的材料參數(shù)和幾何形狀以及通過(guò)電流的方向而確定。對(duì)于一些其它實(shí)施方式，HS()平行于矢量[MXpsJ，其中M是磁矩115的矢量。對(duì)于一些其它實(shí)施方式，它與矢量[MXpsJ和Pm的線性組合成比例。此自旋軌道場(chǎng)HS()等于在磁矩115上的自旋軌道扭矩ΤΜ。自由層112上的自旋軌道扭矩由Tsq=-Y [MXHso]給出，其中M為磁矩115的矢量。因此，這種互相關(guān)聯(lián)的扭矩和場(chǎng)可互換地在此被稱為自旋軌道場(chǎng)和自旋軌道扭矩。
[0038]這反映了自旋軌道相互作用是自旋軌道扭矩和自旋軌道場(chǎng)的起源。這個(gè)術(shù)語(yǔ)還將此自旋軌道(SO)扭矩與更常規(guī)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩(STT)區(qū)別開。由于在SO有源層122中在平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)的電流和自旋軌道相互作用產(chǎn)生自旋軌道扭矩。例如，在示出的實(shí)施方式中，由于電流密度產(chǎn)生自旋軌道扭矩。相反，自旋轉(zhuǎn)移扭矩是由于流過(guò)自由層112、間隔層114和參考層116以將自旋極化的載荷子注入到自由層112中的垂直平面電流。在示出的實(shí)施方式中，自旋轉(zhuǎn)移扭矩是由于電流密度Jstt。自旋軌道扭矩TS()可將自由層112的磁矩從其平行于易磁化軸的平衡狀態(tài)迅速偏轉(zhuǎn)。因?yàn)殡娏髟谄矫鎯?nèi)，所以流過(guò)SO有源層122的電流可具有非常大的電流密度(達(dá)到108A/cm2或處于108A/cm2的量級(jí))。SO有源層122的此電流密度比流過(guò)MTJ單元的勢(shì)壘的電流密度大很多，因?yàn)榱鬟^(guò)MTJ單元的勢(shì)壘的電流密度受到單元晶體管的尺寸和MTJ擊穿電壓限制。因此，經(jīng)過(guò)磁性結(jié)110的垂直平面電流通常地不超過(guò)幾MA/cm2。因此，由Jsq產(chǎn)生的自旋軌道扭矩Tsq可以明顯大于由流過(guò)MTJ單元的電流產(chǎn)生的最大STT扭矩。結(jié)果，相比于常規(guī)STT扭矩，自旋軌道扭矩Tstj可以將自由層的磁化顯著更快地傾斜。在一些實(shí)施方式中，諸如自旋轉(zhuǎn)移的另一種機(jī)制可以被用于完成轉(zhuǎn)換。在其他實(shí)施方式中，可以利用自旋軌道扭矩來(lái)完成轉(zhuǎn)換。因此，所產(chǎn)生的自旋軌道場(chǎng)/自旋軌道扭矩可被用于轉(zhuǎn)換自由層112的磁矩。
[0039]在一些實(shí)施方式中，SO相互作用可包括以下兩個(gè)效應(yīng)的一些組合:自旋霍耳效應(yīng)和Rashba效應(yīng)。在許多SO有源層中，自旋軌道相互作用包括自旋霍耳效應(yīng)和Rashba效應(yīng)兩者，但是這兩個(gè)中的一個(gè)占主要地位。也可以采用其他自旋軌道效應(yīng)。自旋霍耳效應(yīng)一般被認(rèn)為是體效應(yīng)。通常地，對(duì)于自旋霍耳效應(yīng)，在自旋軌道有源層122的給定表面上的矢量Psq指向?yàn)榇怪庇陔娏鞯姆较蚝驮摫砻娴姆ㄏ蚴噶俊１憩F(xiàn)出自旋霍耳效應(yīng)的材料經(jīng)常包括重金屬或被重金屬摻雜的材料。例如，這樣的材料可以選自A和被B摻雜的M中的至少一個(gè)。A 包括 Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta (包括高阻的非晶 β-Ta),W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At 和 / 或它們的組合；M 包括 Al、T1、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、S1、Ga、GaMn 或 GaAs 中的至少一個(gè)，B 包括 V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H0.Er.Tm.Yb中的至少一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，SO有源層122可以包括摻雜Ir的Cu和/或摻雜Bi的Cu，或者由摻雜Ir的Cu和/或摻雜Bi的Cu組成。摻雜一般在0.1至10原子百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施方式中，可以使用其他材料。
[0040] SO有源層122中的自旋軌道場(chǎng)Hsq的另一起源可以與界面處的自旋軌道相互作用有關(guān)。在此情況下的自旋軌道場(chǎng)的數(shù)值常常與晶體場(chǎng)的數(shù)值相關(guān)，其往往在界面處高。由于相鄰層的晶格參數(shù)的失配、在界面處重金屬的存在和其他效應(yīng)而使得在一些界面處自旋軌道相互作用可能相當(dāng)大。在與晶體場(chǎng)的垂直于界面平面方向上的梯度有關(guān)的界面處的強(qiáng)自旋軌道效應(yīng)常被稱為Rashba效應(yīng)。然而，如在此使用時(shí)，Rashba效應(yīng)是指在與它的起源和方向無(wú)關(guān)的界面處的自旋軌道相互作用。需要注意，在至少一些實(shí)施方式中，SO有源層122的界面應(yīng)該不同，以獲取相當(dāng)大的Rashba效應(yīng)。例如，對(duì)于SO有源層122，其為Pt層/具有Pt層，鄰接磁性結(jié)110、用于自由層112的Co層以及鋁氧化物或MgO的非磁性層114，可以產(chǎn)生Rashba效應(yīng)。在一些實(shí)施方式中，可以使用其他材料。
[0041 ] 對(duì)于Rashba效應(yīng)的自旋極化的單位矢量Psq通常地垂直于晶體場(chǎng)和電流方向。許多SO有源層122具有垂直于層120的平面的晶體場(chǎng)。這樣，自旋軌道極化將在面內(nèi)，例如，在圖3中的HS()的方向上。備選地，SO有源層122可具有平面內(nèi)或傾斜于平面的結(jié)晶場(chǎng)。這樣，SO有源層122具有垂直于平面(圖3中未示出)或相應(yīng)地傾斜于平面(圖3中未示出)的自旋軌道極化。在這樣的實(shí)施方式中，SO有源層122可以是表面合金。例如，SO有源層122 可以包括 Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和/或它們的組合中的至少一個(gè)。在其他實(shí)施方式中，SO有源層122可以包括A/B的表面合金，例如，位于基質(zhì)材料B的(111)表面上的A原子而使得在頂部原子層上的是 A 和 B 的混合物。A 包括 Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 中的至少一個(gè)，B 包括 S1、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一個(gè)。在許多實(shí)施方式中,A包括兩種或三種不同的材料。在一些實(shí)施方式中，至少0.1至不超過(guò)三個(gè)單層的A被沉積。在一些這樣的實(shí)施方式中，大約1/3單層的A被沉積。在一些實(shí)施方式中，這可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/S1、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的(111)表面上的一層的雙層中的一種或多種。在其它實(shí)施方式中，SO有源層122可以包括像InGaAs、HgCdTe或雙層LaA103/SrTi03、LaTi03/SrTi03的化合物。在其它實(shí)施方式中，可以使用其它材料。對(duì)于一些實(shí)施方式，Rashba效應(yīng)可以在自由層112上導(dǎo)致自旋軌道扭矩Tsq和相應(yīng)的自旋軌道場(chǎng)Hsq。
[0042]因此，磁存儲(chǔ)器100可以在自由層112的磁矩的轉(zhuǎn)換中利用由SO層120產(chǎn)生的自旋軌道相互作用和自旋軌道場(chǎng)。在一些實(shí)施方式中，SO有源層122可以依賴于自旋霍耳效應(yīng)和Rashba效應(yīng)中的一種或兩種以產(chǎn)生自旋軌道場(chǎng)Hsq。因此，如在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)諸如“自旋軌道效應(yīng)”、“自旋軌道場(chǎng)”和/或“自旋軌道相互作用”可以包括經(jīng)由Rashba效應(yīng)、自旋霍耳效應(yīng)、這兩種效應(yīng)的一些組合和/或一些其它自旋軌道相互作用或自旋軌道相互作用類似效應(yīng)的自旋軌道耦合。自旋軌道場(chǎng)可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層/自由層112的磁矩上施加扭矩。這種自旋軌道扭矩可被用于切換自由層112的磁矩。在一些實(shí)施方式中，自旋軌道場(chǎng)輔助于切換自由層112的磁矩。諸如自旋轉(zhuǎn)移扭矩的另一種機(jī)制是主切換機(jī)制。在其它實(shí)施方式中，自旋軌道扭矩是用于自由層112的磁矩的主切換機(jī)制。然而，在一些這樣的實(shí)施方式中，可以通過(guò)諸如自旋轉(zhuǎn)移扭矩的另一種機(jī)制來(lái)輔助自旋軌道扭矩。該輔助可以是在切換自由層112的磁矩中和/或在選擇將被切換的磁性結(jié)中。
[0043]因?yàn)樽孕壍琅ぞ乜梢员挥糜谇袚Q自由層112的磁矩，所以可以改善存儲(chǔ)器100的性能。如以上所討論的，通過(guò)SO有源層120產(chǎn)生的自旋軌道扭矩可以減少磁性結(jié)110的切換時(shí)間。自旋軌道扭矩通常地具有高效Pso并且與電流Jso成比例。因?yàn)榇穗娏髅芏仁窃谄矫鎯?nèi)并且不流過(guò)間隔物層114，所以此自旋軌道電流可以增大而不損壞磁性結(jié)110。結(jié)果，可以增大自旋軌道場(chǎng)和自旋軌道扭矩。因而，可以減少寫入時(shí)間并且改善了寫錯(cuò)誤率。因而，可以改善存儲(chǔ)器100的性能。
[0044]雖然先前開發(fā)的存儲(chǔ)器100起作用，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到進(jìn)一步的改進(jìn)是所期望的。例如，在先前開發(fā)的存儲(chǔ)器中，為了輔助轉(zhuǎn)換，SO有源層122施加SO扭矩到自由層112。為此，SO有源層122靠近自由層112。例如，SO有源層122鄰接自由層112或者僅通過(guò)可選間隔層而與自由層112分隔開。在任一情況下，SO扭矩作用在自由層112上。因此，磁性結(jié)110是具有一個(gè)自由層112和一個(gè)參考層116的單個(gè)磁性結(jié)。不能獲得其他構(gòu)造諸如具有兩個(gè)參考層和兩個(gè)非磁性間隔層的雙磁性結(jié)的益處。
[0045]圖4描繪了磁存儲(chǔ)器200的一部分的示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器200包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)210。為了清楚，圖4沒(méi)有按比例繪制。另外，同樣地，磁存儲(chǔ)器200的部分諸如位線、字線、行選擇器和列選擇器沒(méi)有被示出或者沒(méi)有被標(biāo)示。磁存儲(chǔ)器200包括其中具有至少一個(gè)磁性結(jié)210的磁存儲(chǔ)單元。在一些實(shí)施方式中，磁存儲(chǔ)單元可以具有額外的部件，包括但不限于另一磁性結(jié)和一個(gè)或多個(gè)選擇器件。這樣的選擇器件可以是晶體管。磁存儲(chǔ)單元可以是以陣列排布的許多磁存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。
[0046]在示出的實(shí)施方式中，磁性結(jié)210包括第一參考層212、第一非磁性間隔層214、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層216、第二非磁性間隔層218和第二參考層220。間隔層214和218的每個(gè)是非磁性的。在一些實(shí)施方式中，間隔層214和218的一個(gè)或兩者是絕緣體，例如隧穿勢(shì)壘。在這樣的實(shí)施方式中，間隔層214和218的每個(gè)可包括晶體MgO，其可增加磁性結(jié)210的TMR和自旋轉(zhuǎn)移效率和/或磁性結(jié)210的自旋軌道相互作用。在其他實(shí)施方式中，間隔層214和/或218可以是導(dǎo)體，諸如Cu。在備選實(shí)施方式中，間隔層214和/或218可具有另一結(jié)構(gòu)，例如包括在絕緣矩陣中的導(dǎo)電溝道的顆粒層。
[0047]自由層216是具有可轉(zhuǎn)換的磁矩(未示出)的自由層216。當(dāng)磁性結(jié)210是靜態(tài)的(沒(méi)有被轉(zhuǎn)換)時(shí)，自由層216的磁矩處于沿著自由層216的易磁化軸。在一些實(shí)施方式中，自由層216是包括鐵磁材料和/或合金的單層。在其他實(shí)施方式中，自由層216可以是多層。多層可以由鐵磁層或鐵磁層和非鐵磁層的混合物形成。例如，自由層216可以是包括插入有諸如Ru的非磁性層的磁性層的合成反鐵磁體(SAF)。自由層216也可以是鐵磁性的多層。
[0048]磁性結(jié)210還包括參考層212和220。參考層212和/或220可以是由鐵磁材料組成的單一層或者可以是多層。在一些實(shí)施方式中，參考層212和/或220可以包括鐵磁層和非磁性層。在一些這樣的實(shí)施方式中，參考層212和/或220可以是SAF。
[0049]參考層220的磁矩(未示出)被期望為被固定的。因此，在一些實(shí)施方式中，雙磁性結(jié)210可以包括將參考層的磁矩釘扎在適當(dāng)處的釘扎層。例如，這樣的釘扎層可以是鄰接參考層220的反鐵磁(AFM)層。在其他實(shí)施方式中，參考層220的磁矩以另一方式被固定。自由層和參考層212、216和220是鐵磁性的，因此可包括Fe、Ni和Co中的一個(gè)或多個(gè)。雖然沒(méi)有示出磁矩，但是在一些實(shí)施方式中層212、216和220的磁矩可以垂直于平面。因此，層212、216和/或220的每個(gè)可具有垂直各向異性場(chǎng)，其超過(guò)它的平面外退磁場(chǎng)(通常地，大部分為4 JiMs)。在其他實(shí)施方式中，磁矩在平面內(nèi)。
[0050]SO有源層230具有可以被用于產(chǎn)生SO場(chǎng)Hsq的強(qiáng)自旋軌道相互作用。因此，SO有源層230類似于SO有源層122。SO相互作用可以源于自旋霍耳效應(yīng)、Rashba效應(yīng)、另一效應(yīng)或其的一些組合。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層230可以是整個(gè)線。因此，SO有源層230可以在多個(gè)磁性結(jié)210上延伸。在其他實(shí)施方式中，SO有源層230可以簡(jiǎn)單地在磁性結(jié)210的區(qū)域中。這由層230中的虛線表示。在其他實(shí)施方式中，SO有源層可以位于磁性結(jié)210 (并且因此參考層212)和運(yùn)送平面內(nèi)電流的字線之間。為了簡(jiǎn)單起見，附圖標(biāo)記230將被用于形成SO有源層的線的部分和這條線兩者。
[0051]在操作中，電流Jsq被在平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層230。經(jīng)過(guò)SO有源層230的電流具有可以產(chǎn)生SO場(chǎng)HS()的相關(guān)自旋軌道相互作用。此自旋軌道場(chǎng)HS()類似于自旋軌道扭矩Tsq，如上所述。因此，SO有源層230可以包括選自A和被B摻雜的M的材料。A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta (包括高阻的非晶 β -Ta)、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At 和 / 或它們的組合；Μ 包括 Al、T1、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、S1、Ga、GaMn 或 GaAs 中的至少一個(gè)，B 包括 V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 中的至少一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，SO有源層230可以包括摻雜Ir的Cu和/或摻雜Bi的Cu，或者由摻雜Ir的Cu和/或摻雜Bi的Cu組成。摻雜一般在0.1至10原子百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施方式中，可以使用其他材料。在其他實(shí)施方式中，SO有源層230還可以具有與界面處的自旋軌道相互作用相關(guān)的SO相互作用。在此情況下的自旋軌道場(chǎng)的數(shù)值常常與晶體場(chǎng)的數(shù)值相關(guān)，其往往在界面處高。由于相鄰層的晶格參數(shù)的失配、在界面處重金屬的存在和其他效應(yīng)而使得在一些界面處自旋軌道相互作用可能相當(dāng)大。例如，SO有源層230可以是/具有Pt層，其鄰接磁性結(jié)210、用于參考層212的Co層以及鋁氧化物或MgO非磁性層。在一些實(shí)施方式中，可以使用其他材料。
[0052]在一些實(shí)施方式中，SO有源層230可以是表面合金。例如，SO有源層230可以包括 Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和/或它們的組合中的至少一個(gè)。在其他實(shí)施方式中，SO有源層230可以包括Α/Β的表面合金，例如，位于基質(zhì)材料B的(111)表面上的A原子而使得在頂部原子層上的是A和 B 的混合物。A 包括 Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 中的至少一個(gè)，B 包括 S1、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd 中的至少一個(gè)。在許多實(shí)施方式中，A包括兩種或三種不同的材料。在一些實(shí)施方式中，至少0.1至不超過(guò)三個(gè)單層的A被沉積。在一些這樣的實(shí)施方式中，大約1/3單層的A被沉積。在一些實(shí)施方式中，這可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/S1、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的(111)表面上的一層的雙層中的一種或多種。在其它實(shí)施方式中，SO有源層230可以包括像InGaAs、HgCdTe或雙層LaA103/SrTi03、LaTi03/SrTi03的化合物。在其它實(shí)施方式中，可以使用其它材料。對(duì)于一些實(shí)施方式，Rashba效應(yīng)可以在自由層212上導(dǎo)致自旋軌道扭矩Tsq和相應(yīng)的自旋軌道場(chǎng)Hsq。
[0053]在一些實(shí)施方式中，自旋擴(kuò)散層(圖4中未不出)可以位于參考層212和SO有源層230之間。對(duì)于一些實(shí)施方式,可選自旋擴(kuò)散層230是金屬。然而,在其他實(shí)施方式中，這層可以是薄絕緣材料，例如，晶體MgO或者其他氧化物或其他絕緣層。這層的電阻面積(RA)應(yīng)該是小的，例如，小于20hm-ym2。在其他實(shí)施方式中，可選自旋擴(kuò)散層可以是包括不同材料的兩層或更多層的多層。如果自旋軌道場(chǎng)被期望為用來(lái)轉(zhuǎn)換磁性結(jié)210的主要貢獻(xiàn)，可選自旋擴(kuò)散插入層可以被用于減少對(duì)于自旋軌道場(chǎng)的貢獻(xiàn)或/和增強(qiáng)對(duì)于自旋軌道場(chǎng)的貢獻(xiàn)。可選自旋擴(kuò)散插入層也可以被用來(lái)提供改進(jìn)的用于參考層212的籽晶層和/或減小參考層的弱化(damping)，其可能與鄰近SO有源層230有關(guān)。然而，在其他實(shí)施方式中，如圖4所示，可以省略自旋擴(kuò)散層。
[0054]參考層212的磁矩被配置為利用來(lái)自SO有源層230的自旋軌道相互作用而被改變。然而，對(duì)于被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)210的讀取電流和任意自旋轉(zhuǎn)移電流，參考層212的磁矩被固定。在一些實(shí)施方式中，參考層212的磁矩可以被來(lái)自SO有源層230的SO扭矩從它的平衡位置擾動(dòng)。在其他實(shí)施方式中，參考層212的磁矩利用來(lái)自SO有源層230的SO扭矩在平衡位置之間轉(zhuǎn)換。例如，參考層212的磁矩可以在多個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，使得層212和220的磁矩處于分別用于寫入和讀取的雙態(tài)和反雙態(tài)。在這樣的實(shí)施方式中，參考層212的磁矩在雙態(tài)和反雙態(tài)下可以是穩(wěn)定的，或者為了穩(wěn)定而可以需要SO扭矩。在其他實(shí)施方式中，可以使用這些效應(yīng)的一些組合。例如，為了寫入，參考層的磁矩可以被轉(zhuǎn)換成雙態(tài)并且從與自由層的磁矩平行/反平行被擾動(dòng)。為了讀取，參考層212的磁矩可以轉(zhuǎn)換至反雙態(tài)。
[0055]自由層216可以利用SO扭矩和自旋轉(zhuǎn)移扭矩的組合而被寫入。更具體地，電流Jsq被在平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層230。經(jīng)過(guò)SO有源層230的電流具有可產(chǎn)生自旋軌道場(chǎng)Hsq的相關(guān)自旋軌道相互作用。此自旋軌道場(chǎng)HS()等于磁矩上的自旋軌道扭矩TS()。參考層212上的自旋軌道扭矩由Tstj=-Y [MXHso]給出，其中M為參考層212的磁矩的數(shù)值。參考層212上的SO扭矩將參考層從與自由層216的磁矩對(duì)準(zhǔn)或反對(duì)準(zhǔn)的平衡狀態(tài)擾動(dòng)。參考層212的磁矩在自由層216上施加場(chǎng)，其使得自由層的磁矩從它的平衡位置傾斜。換句話說(shuō)，自由層的磁矩遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)而傾斜。自旋轉(zhuǎn)移電流Jstt可以被垂直平面地驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)210。自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以被施加在自由層的磁矩上。因此，自由層216的磁矩利用STT被轉(zhuǎn)換。
[0056]在其他實(shí)施方式中，電流Jsq被在平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層230。此扭矩將參考層212和220置于雙態(tài)下。因而，自由層216可利用自旋轉(zhuǎn)移扭矩被寫入。自由層216的磁矩可以利用自旋轉(zhuǎn)移扭矩被寫入。在從磁性結(jié)210讀取數(shù)據(jù)時(shí)，SO電流在相反方向上被馬區(qū)動(dòng)。因而，參考層212和260處于反雙態(tài)。結(jié)210的磁阻于是可被讀取。
[0057]磁性結(jié)210可經(jīng)歷更快的轉(zhuǎn)換。由于SO扭矩?cái)_動(dòng)參考層212的磁矩并且所得的雜散場(chǎng)移動(dòng)自由層的磁矩以遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)，所以利用STT扭矩的轉(zhuǎn)換可以更快。此外，由于使用了雙磁性結(jié)210，所以自由層216上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以比在雙態(tài)下的參考層212和220的自旋轉(zhuǎn)移扭矩高。更低的轉(zhuǎn)換電流于是可被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)210。如果參考層212和220處于反雙態(tài)，則結(jié)210的磁阻可以更高。因此，可以獲得更高的信號(hào)。此外，在反雙態(tài)下，由于在給定的電流密度下減小的STT數(shù)值而使得讀取錯(cuò)誤率可以顯著地減小。因此，感測(cè)余量可增大，對(duì)于單元的熱穩(wěn)定性的要求可以放寬。
[0058]圖5A-?描繪了磁存儲(chǔ)器300的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器300包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)310。為了清楚，圖5A-?沒(méi)有按比例繪制。另夕卜，同樣地，磁存儲(chǔ)器300的部分諸如位線、選擇器件、字線、行選擇器和列選擇器沒(méi)有被示出或沒(méi)有被標(biāo)示。磁存儲(chǔ)器300類似于磁存儲(chǔ)器200。因此，磁存儲(chǔ)器300包括與磁性結(jié)210和其中具有SO有源層230的線230類似的磁存儲(chǔ)單元310和包括SO有源層330的線330。磁存儲(chǔ)單元310可以是以陣列排布的許多磁存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。
[0059]磁性結(jié)310包括分別類似于第一參考層212、第一非磁性間隔層214、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層216、第二非磁性間隔層218和第二參考層220的第一參考層312、第一非磁性間隔層314、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層316、第二非磁性間隔層318和第二參考層320。間隔層314和318的每個(gè)是非磁性的。間隔層314和318中的一個(gè)或兩者可以是絕緣隧穿勢(shì)壘，諸如晶體MgO。在其他實(shí)施方式中，間隔層314和/或318可以是導(dǎo)體。在備選實(shí)施方式中，間隔層314和/或318可具有另一結(jié)構(gòu)。層312、316和320是鐵磁性的，因此包括諸如Co、Ni和/或Fe的材料。
[0060]自由層316具有可轉(zhuǎn)換的磁矩317。當(dāng)磁性結(jié)310是靜態(tài)的(沒(méi)有被轉(zhuǎn)換)時(shí)，自由層316的磁矩317處于沿著自由層316的易磁化軸。在圖5A-5D中示出的實(shí)施方式中，易磁化軸在平面內(nèi)。然而，在其他實(shí)施方式中，易磁化軸可以在另一方向上，包括但不限于垂直于平面。在一些實(shí)施方式中，自由層316是包括鐵磁材料和/或合金的單層。在其他實(shí)施方式中，自由層316可以是多層，包括但不限于SAF或其他結(jié)構(gòu)。
[0061]磁性結(jié)310還包括分別具有磁矩313和321的參考層312和320。參考層312和/或320的每個(gè)可以是由鐵磁材料組成的單一層或者可以是多層諸如SAF。參考320的磁矩321被期望為被固定或者被釘扎。因此，在一些實(shí)施方式中，磁性結(jié)310可包括將磁矩321釘扎在適當(dāng)處的釘扎層(圖5A-5D中未示出)諸如AFM層。對(duì)于被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)310的讀取電流和自旋轉(zhuǎn)移電流，參考層312的磁矩313被固定。在其他實(shí)施方式中，磁矩321可以以另一方式被固定。在示出的實(shí)施方式中，磁矩313和321在平面內(nèi)。然而，在其他實(shí)施方式中，磁矩313和/或321可以在另一方向上,在一些實(shí)施方式中包括但不限于垂直于平面。
[0062]SO有源層330具有可以被用于產(chǎn)生SO場(chǎng)HS()的強(qiáng)自旋軌道相互作用。SO相互作用可以源于自旋霍耳效應(yīng)、Rashba效應(yīng)、另一效應(yīng)和/或其的一些組合。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層330可以是整個(gè)線。因此，SO有源層330可以在多個(gè)磁性結(jié)310之上延伸。在其他實(shí)施方式中，SO有源層330可以簡(jiǎn)單地在磁性結(jié)310的區(qū)域中。這由層330中的虛線表示。在其他實(shí)施方式中，SO有源層可以位于磁性結(jié)310 (并且因此參考層312)和運(yùn)送平面內(nèi)電流的字線之間。為簡(jiǎn)單起見，附圖標(biāo)記330將被用于形成SO有源層的線的部分和這條線兩者。因此，SO有源層330可包括類似于上文討論的用于SO有源層122和230的材料。
[0063]在一些實(shí)施方式中，可選自旋擴(kuò)散層(圖5A-5D中未不出)可以位于參考層312和SO有源層330之間。然而，在其他實(shí)施方式中，如圖5A-?所示，自旋擴(kuò)散層可以被省略。
[0064]參考層312的磁矩313被配置為利用來(lái)自SO有源層330的自旋軌道相互作用而被改變，然而通常不因自旋轉(zhuǎn)移或被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)300的讀取電流而被改變。這種磁矩的改變?cè)谧杂蓪?16的寫入期間發(fā)生，如圖5A-?所示。如在圖5A中所描繪的，平面內(nèi)電流Jsq可以被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層330。這產(chǎn)生了 SO場(chǎng)Hsq。SO場(chǎng)擾動(dòng)磁矩312的位置。圖5B示出了結(jié)果。磁矩313’從它的先前位置轉(zhuǎn)向。因此，參考層312的磁矩313’不再與自由層316的磁矩317的平衡位置對(duì)準(zhǔn)(反對(duì)準(zhǔn))。因此，磁矩313’在自由層磁矩317上施加磁場(chǎng)HstMy。自由層磁矩317被磁場(chǎng)HstrayW它的平衡位置傾斜。這在圖5C中被描述。因此，自由層的磁矩317’從自由層316中由虛線示出的易磁化軸轉(zhuǎn)向。自由層的磁矩317’遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)而傾斜。自旋轉(zhuǎn)移電流Jstt可以被垂直平面地驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)310，如圖5C所示。自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以施加在自由層的磁矩317’上。另外，平面內(nèi)電流可以被去除。因此，自由層316的磁矩利用STT被轉(zhuǎn)換，參考層312恢復(fù)到它的平衡狀態(tài)。這在圖中示出。因此，自由層磁矩317〃與磁矩313〃反對(duì)準(zhǔn)。這是因?yàn)?，?duì)于圖5A-5D中示出的實(shí)施方式，自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流被驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)離線330。如果自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流在相反方向上被驅(qū)動(dòng)，自由層的磁矩317"將平行于磁矩313"。在其他實(shí)施方式中，對(duì)于給定方向的自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流，自由層的轉(zhuǎn)換方向可以從圖5A-5D中示出的方向反轉(zhuǎn)。
[0065]磁性結(jié)310可經(jīng)歷更快的轉(zhuǎn)換。因?yàn)镾O扭矩?cái)_動(dòng)參考層312的磁矩313’，所以場(chǎng)Hstaay移動(dòng)自由層的磁矩以遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)。因此，利用STT扭矩的轉(zhuǎn)換可以更快并且具有減小的WER。此外，因?yàn)槭褂昧穗p磁性結(jié)310，所以對(duì)于處于雙態(tài)的參考層312和320的磁矩313/313’/313"和321，自由層316上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以更高。因而，更低的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換電流Jstt可被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)310。如果參考層312和320處于反雙態(tài)，結(jié)310的磁阻可以更高。因此，可以獲得更高的信號(hào)。此外，在反雙態(tài)下，由于在給定的電流密度下減小的STT數(shù)值而使得讀取錯(cuò)誤率可以顯著地減小。因此，感測(cè)余量可增大，對(duì)于單元的熱穩(wěn)定性的要求可以放寬。在雙態(tài)和反雙態(tài)之間的轉(zhuǎn)換在下文例如相對(duì)于圖8A和SB來(lái)描述。
[0066]圖6A-6D描繪了磁存儲(chǔ)器400的一部分的另一不例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器400包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)410。為了清楚，圖6A-6D沒(méi)有按比例繪制。另夕卜，同樣地，磁存儲(chǔ)器400的部分諸如位線、選擇器件、字線、行選擇器和列選擇器沒(méi)有被示出或者沒(méi)有被標(biāo)示。磁存儲(chǔ)器400類似于磁存儲(chǔ)器200和300。因此，磁存儲(chǔ)器400包括與磁性結(jié)210/310和其中具有SO有源層230/330的線230/330類似的磁存儲(chǔ)單元410和包括SO有源層430的線430。磁存儲(chǔ)單元410可以是以陣列排布的許多磁存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。
[0067]磁性結(jié)410包括分別類似于第一參考層212/312、第一非磁性間隔層214/314、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層216/316、第二非磁性間隔層218/318和第二參考層220/320的第一參考層412、第一非磁性間隔層414、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層416、第二非磁性間隔層418和第二參考層420。間隔層414和418的每個(gè)是非磁性的。間隔層414和418中的一個(gè)或兩者可以是絕緣隧穿勢(shì)壘，諸如晶體MgO。在其他實(shí)施方式中，間隔層414和/或418可以是導(dǎo)體。在備選實(shí)施方式中，間隔層414和/或418可具有另一結(jié)構(gòu)。層412、416和420是鐵磁性的，因此包括諸如Co、Ni和/或Fe的材料。
[0068]自由層416具有可轉(zhuǎn)換的磁矩417。當(dāng)磁性結(jié)410是靜態(tài)的(沒(méi)有被轉(zhuǎn)換)時(shí)，自由層416的磁矩417處于沿著自由層416的易磁化軸。在圖6A-6D不出的實(shí)施方式中，易磁化軸垂直于平面。因此，自由層416可具有垂直各向異性場(chǎng)，其超過(guò)它的平面外退磁場(chǎng)(通常地，大部分為4jiMs)。然而，在其他實(shí)施方式中，易磁化軸可以在另一方向上，包括但不限于平面內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，自由層416是包括鐵磁材料和/或合金的單層。在其他實(shí)施方式中，自由層416可以是多層，包括但不限于SAF或其他結(jié)構(gòu)。
[0069]磁性結(jié)410還包括分別具有磁矩413和421的參考層412和420。參考層412和/或420的每個(gè)可以是由鐵磁材料組成的單一層或者可以是多層諸如SAF。參考層420的磁矩421被期望為被固定或者被釘扎。對(duì)于驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)410的讀取電流和自旋轉(zhuǎn)移電流，參考層412的磁矩413被固定。在示出的實(shí)施方式中，磁矩413和421垂直于平面。因此，參考層412和416的每個(gè)可具有垂直各向異性場(chǎng)，其超過(guò)它的平面外退磁場(chǎng)(通常地，大部分為4 Ms)。然而，在其他實(shí)施方式中，磁矩413和/或421可以在另一方向上，在一些實(shí)施方式中，包括但不限于平面內(nèi)。
[0070]SO有源層430具有可以被用于產(chǎn)生SO場(chǎng)Hsq的強(qiáng)自旋軌道相互作用。SO相互作用可以源于自旋霍耳效應(yīng)、Rashba效應(yīng)、另一效應(yīng)和/或其的一些組合。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層430可以是整個(gè)線。因此，SO有源層430可以在多個(gè)磁性結(jié)410上延伸。在其他實(shí)施方式中，SO有源層430可以簡(jiǎn)單地在磁性結(jié)410的區(qū)域中。這由層430中的虛線表示。在其他實(shí)施方式中，SO有源層可以位于磁性結(jié)410 (并且因此參考層412)和運(yùn)送平面內(nèi)電流的字線之間。為簡(jiǎn)單起見，附圖標(biāo)記430將被用于形成SO有源層的線的部分和這條線兩者。因此，SO有源層430可包括類似于上文討論的用于SO有源層122、230和330的材料。
[0071]在一些實(shí)施方式中，可選自旋擴(kuò)散層(圖6A-6D中未不出)可以位于參考層412和SO有源層430之間。然而，在其他實(shí)施方式中，如圖6A-6D所示，自旋擴(kuò)散層可以被省略。
[0072]參考層412的磁矩413被配置為利用來(lái)自SO有源層430的自旋軌道相互作用而被改變。然而，如以上的討論，對(duì)于被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)400的讀取電流或自旋轉(zhuǎn)移電流，磁矩413將是穩(wěn)定的,垂直于平面。在自由層416的寫入期間發(fā)生磁矩413的改變,如圖6A-6D所示。如圖6A中所描繪的，平面內(nèi)電流Jsq可以被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層430。這產(chǎn)生了 SO場(chǎng)Hsq。SO場(chǎng)擾動(dòng)磁矩412的位置。圖6B中示出了結(jié)果。磁矩413’從它的先前位置轉(zhuǎn)向?，F(xiàn)在，磁矩413’具有平面內(nèi)分量。因此，參考層412的磁矩413’不再與自由層416的磁矩417的平衡位置對(duì)準(zhǔn)(反對(duì)準(zhǔn))。因此，參考層413’在自由層的磁矩417上施加磁場(chǎng)Hstray。自由層的磁矩417被磁場(chǎng)Hstray從它的平衡位置傾斜。這在圖6C中被描繪。因此，自由層的磁矩417’從自由層416中由虛線示出的易磁化軸轉(zhuǎn)向。自由層的磁矩417’具有平面內(nèi)分量。此外，自由層的磁矩417’遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)而傾斜。自旋轉(zhuǎn)移電流Jstt可以被垂直平面地驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)410，如圖6C所示。自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以施加在自由層的磁矩417’上。另夕卜，平面內(nèi)電流可以被去除。因此，自由層416的磁矩利用STT被轉(zhuǎn)換，參考層412恢復(fù)到它的平衡狀態(tài)。這在圖6D中示出。因此，自由層的磁矩417〃被對(duì)準(zhǔn)而平行于磁矩413"。這是因?yàn)樽孕D(zhuǎn)移扭矩電流被驅(qū)動(dòng)朝向線430。如果自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流在相反方向上被驅(qū)動(dòng)，自由層的磁矩417"將反平行于磁矩413"。在其他實(shí)施方式中，對(duì)于給定方向的自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流，自由層的轉(zhuǎn)換方向可以與圖6A-6D所示的方向反向。
[0073]磁性結(jié)410可經(jīng)歷更快的轉(zhuǎn)換。因?yàn)镾O扭矩?cái)_動(dòng)參考層412的磁矩413’，所以場(chǎng)Hstray移動(dòng)自由層磁矩以遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)。因此，利用STT扭矩的轉(zhuǎn)換可以更快并且具有減小的WER。此外，因?yàn)槭褂昧穗p磁性結(jié)410，所以對(duì)于處于雙態(tài)的參考層412和420的磁矩413/413’/413"和421，自由層416上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以更高。因而，更低的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換電流Jstt可被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)410。如果參考層412和420處于反雙態(tài)，則結(jié)410的磁阻可以更高。因此，可以獲得更高的信號(hào)。此外，在反雙態(tài)下，由于在給定的電流密度下減小的STT數(shù)值而使得讀取錯(cuò)誤率可以顯著地減小。因此，感測(cè)余量可增大，對(duì)于單元的熱穩(wěn)定性的要求可以放寬。在雙態(tài)和反雙態(tài)之間的轉(zhuǎn)換在下文例如相對(duì)于圖8A和SB來(lái)描述。
[0074]圖7A-7B描繪了磁存儲(chǔ)器400’的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器400’包括利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)410’。為了清楚，圖7A-7B沒(méi)有按比例繪制。另外，同樣地，磁存儲(chǔ)器400’的部分諸如位線、選擇器件、字線、行選擇器和列選擇器沒(méi)有被示出或者沒(méi)有被標(biāo)示。磁存儲(chǔ)器400’類似于磁存儲(chǔ)器200、300和400。因此，磁存儲(chǔ)器400’包括與磁性結(jié)210/310/410和其中具有SO有源層230/330/430的線230/330/430類似的磁存儲(chǔ)單元410’和包括SO有源層430’的線430’。磁存儲(chǔ)單元410’可以是以陣列排布的許多磁存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。SO有源層可構(gòu)成整個(gè)總線或者僅僅鄰近磁性結(jié)410’。這由公共線/SO有源層430’中的虛線表示。為了簡(jiǎn)單起見，附圖標(biāo)記430’將被用于形成SO有源層的線的部分和這條線兩者。
[0075]磁性結(jié)410’包括分別類似于第一參考層212/312/412、第一非磁性間隔層214/314/414、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層216/316/416、第二非磁性間隔層218/318/418和第二參考層220/320/420的第一參考層412’、第一非磁性間隔層414’、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層416’、第二非磁性間隔層418’和第二參考層420’。雖然層414’和420’被示出為單一層，但是層414’和420’中的一個(gè)或兩者可以是多層,包括但不限于SAF。
[0076]在示出的實(shí)施方式中，參考層412’是SAF，其包括由非磁性層444諸如Ru分離的鐵磁層442和446。鐵磁層442和446的每個(gè)具有磁矩443和447。層412’、416’和420’被描繪為它們的磁矩垂直于平面。然而，在另一實(shí)施方式中，磁矩可以在平面內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，可選自旋擴(kuò)散層(圖7A-7B中未示出)可以位于參考層412’和SO有源層430’之間。然而，在其他實(shí)施方式中，如圖7A-7B所示，自旋擴(kuò)散層可以被省略。
[0077]參考層412’的磁矩443和447被配置為利用來(lái)自SO有源層430的自旋軌道相互作用而被改變，而不是由于被垂直于平面地驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)400’的讀取電流或自旋轉(zhuǎn)移電流而被改變。如圖7A中所描繪的，平面內(nèi)電流Jsq可以被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層430’。這產(chǎn)生了 SO場(chǎng)Hsq。SO場(chǎng)擾動(dòng)磁矩443的位置。由于它們被反鐵磁I禹合,所以磁矩447也從垂直于平面傾斜,如圖7A所不。參考層412’的磁矩443和447分別不再與自由層416’的磁矩417〃’的平衡位置對(duì)準(zhǔn)或反對(duì)準(zhǔn)。因此，參考層412’在自由層的磁矩417〃’上施加磁場(chǎng)Hstray0需要注意的是，在一些實(shí)施方式中，磁矩443和447的數(shù)值被期望為不平衡的，以增大場(chǎng)Hstray的數(shù)值。自由層的磁矩417〃’將被磁場(chǎng)Hstray從它的平衡位置傾斜。因此，自由層的磁矩417〃’將遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)而傾斜。自旋轉(zhuǎn)移電流Jstt可以被垂直平面地驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)410’，如圖7A所示。自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以施加在自由層的磁矩417〃’上。另外，平面內(nèi)電流Jsq可以被去除。因此，自由層416’的磁矩利用STT被轉(zhuǎn)換，參考層412’恢復(fù)到它的平衡狀態(tài)。這在圖7B中示出。因此，對(duì)于圖7A-7B所示的實(shí)施方式，自由層的磁矩417〃〃被對(duì)準(zhǔn)而平行于磁矩447’。這是因?yàn)樽孕D(zhuǎn)移扭矩電流被驅(qū)動(dòng)朝向線430。如果自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流在相反方向上被驅(qū)動(dòng)，自由層的磁矩417〃〃將反平行于磁矩447’。在其他實(shí)施方式中，對(duì)于給定方向的自旋轉(zhuǎn)移扭矩電流，自由層的轉(zhuǎn)換方向可從與圖7A-7B所示的方向反轉(zhuǎn)。
[0078]磁性結(jié)410’可經(jīng)歷更快的轉(zhuǎn)換。因?yàn)镾O扭矩?cái)_動(dòng)參考層412’的磁矩443和447，所以場(chǎng)Hstray移動(dòng)自由層磁矩417〃’以遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)。因此，利用STT扭矩的轉(zhuǎn)換可更快。此夕卜，因?yàn)槭褂昧穗p磁性結(jié)410，所以對(duì)于處于雙態(tài)的參考層412’和420’，自由層416’上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以更高。因而，更低的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換電流Jstt可被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)410’。如果參考層412’和420’處于反雙態(tài)，則結(jié)410’的磁阻可以更高。因此，可以獲得更高的信號(hào)。此外，在反雙態(tài)下，由于在給定的電流密度下減小的STT數(shù)值而使得讀取錯(cuò)誤率可以顯著地減小。因此，感測(cè)余量可增大，對(duì)于單元的熱穩(wěn)定性的要求可以放寬。在雙態(tài)和反雙態(tài)之間的轉(zhuǎn)換在下文例如相對(duì)于圖8A和SB來(lái)描述。
[0079]圖8A-8B描繪了磁存儲(chǔ)器500的一部分的另一不例性實(shí)施方式,該磁存儲(chǔ)器500包括在轉(zhuǎn)換期間利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的雙磁性結(jié)510。為了清楚，圖8A-8B沒(méi)有按比例繪制。另外，同樣地，磁存儲(chǔ)器500的部分諸如位線、選擇器件、字線、行選擇器和列選擇器沒(méi)有被示出或者沒(méi)有被標(biāo)示。磁存儲(chǔ)器500類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400和400’。因此，磁存儲(chǔ)器500包括與磁性結(jié)210/310/410/410’和其中具有SO有源層230/330/430/430’的線230/330/430/430’類似的磁存儲(chǔ)單元510和包括SO有源層530的線530。磁存儲(chǔ)單元510可以是以陣列排布的許多磁存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。為簡(jiǎn)單起見，附圖標(biāo)記530將被用于形成SO有源層的線的部分和這條線兩者。
[0080]磁性結(jié)510包括分別類似于第一參考層212/312/412/412’、第一非磁性間隔層214/314/414/414’、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層216/316/416/416’、第二非磁性間隔層218/318/418/418’、和第二參考層220/320/420/420’的第一參考層512、第一非磁性間隔層514、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層516、第二非磁性間隔層518和第二參考層520。間隔層514和518的每個(gè)是非磁性的。間隔層514和518中的一個(gè)或兩者可以是絕緣隧穿勢(shì)壘，諸如晶體MgO。在其他實(shí)施方式中，間隔層514和/或518可以是導(dǎo)體。在備選實(shí)施方式中，間隔層514和/或518可具有另一結(jié)構(gòu)。層512、516和520是鐵磁性的，因此包括諸如Co、Ni和/或Fe的材料。
[0081]自由層516具有可轉(zhuǎn)換的磁矩517。當(dāng)磁性結(jié)510是靜態(tài)的(沒(méi)有被轉(zhuǎn)換)時(shí)，自由層516的磁矩517處于沿著自由層516的易磁化軸。在圖8A-8B示出的實(shí)施方式中，易磁化軸垂直于平面。因此，自由層516可具有垂直各向異性場(chǎng)，其超過(guò)它的平面外退磁場(chǎng)(通常地，大部分為4jiMs)。然而，在其他實(shí)施方式中，易磁化軸可以在另一方向上，包括但不限于平面內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，自由層516是包括鐵磁材料和/或合金的單層。在其他實(shí)施方式中，自由層516可以是多層，包括但不限于SAF或其他結(jié)構(gòu)。
[0082]SO有源層530具有可以用于產(chǎn)生SO場(chǎng)Haj的強(qiáng)自旋軌道相互作用。SO相互作用可以源于自旋霍耳效應(yīng)、Rashba效應(yīng)、另一效應(yīng)和/或其的一些組合。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層530可以是整個(gè)線。因此，SO有源層530可以在多個(gè)磁性結(jié)510上延伸。在其他實(shí)施方式中，SO有源層530可以簡(jiǎn)單地在磁性結(jié)510的區(qū)域中。這由層530中的虛線表示。在其他實(shí)施方式中，SO有源層可以位于磁性結(jié)510 (并且因此參考層512)和運(yùn)送平面內(nèi)電流Jsq的字線之間。因此，SO有源層530可包括類似于上文討論的用于SO有源層122、230，330、430 和 430’ 的材料。
[0083]在一些實(shí)施方式中，可選自旋擴(kuò)散層(圖8A-8B中未不出)可以位于參考層512和SO有源層530之間。然而，在其他實(shí)施方式中，如圖8A-8B所示，自旋擴(kuò)散層可以被省略。
[0084]磁性結(jié)510還包括參考層512和520。參考層520包括被非磁性層254分離的鐵磁層522和526。鐵磁層522和526分別具有磁矩523和527。因此，參考層520可以是SAF。然而，參考層512是具有磁矩513的單一層。在其他實(shí)施方式中，參考層可以是多層。參考520的磁矩523和527被期望為被固定或者被釘扎。然而，參考層512的磁矩513被期望為可改變的。具體地，參考層512被期望在圖8A中示出的反雙態(tài)與圖8B中示出的雙態(tài)之間可轉(zhuǎn)換。反雙態(tài)被用于讀取，而雙態(tài)被用于寫入。
[0085]參考層512的磁矩513被配置為利用來(lái)自SO有源層530的自旋軌道相互作用而被改變。對(duì)于自由層516的寫入或讀取，發(fā)生磁矩513的改變。如圖8A中所描繪的，平面內(nèi)電流JS()可以被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)SO有源層530。這產(chǎn)生了 S0%HS()。為了轉(zhuǎn)換參考層512的垂直于平面的磁矩513，SO場(chǎng)同樣實(shí)質(zhì)上垂直于平面。然而，如果磁矩513在平面內(nèi)，則SO場(chǎng)實(shí)質(zhì)上在平面內(nèi)。SO場(chǎng)擾動(dòng)磁矩513的位置。為了讀取，平面內(nèi)電流JajI在產(chǎn)生用于反雙態(tài)的SO場(chǎng)的方向上被驅(qū)動(dòng)，如圖8A所示。因此，磁矩513被轉(zhuǎn)換成反雙態(tài)。磁性結(jié)510于是可被讀取。為了寫入，平面內(nèi)電流JS()2在相反的方向上被驅(qū)動(dòng)，在相反的方向上產(chǎn)生SO場(chǎng)。因此，磁矩513’被轉(zhuǎn)換成雙態(tài)。磁性結(jié)510于是可利用自旋轉(zhuǎn)移扭矩被寫入。
[0086]在一些實(shí)施方式中，在沒(méi)有SO場(chǎng)/SO扭矩的情況下,參考層512的磁矩513在雙態(tài)和反雙態(tài)下是穩(wěn)定的。換句話說(shuō)，磁矩513被穩(wěn)定地對(duì)準(zhǔn)而平行或反平行于自由層516的易磁化軸。因此，參考層512具有垂直于平面的一些各向異性。在這樣的實(shí)施方式中，SO電流可以在讀取和寫入期間減小或者被去除。在其他實(shí)施方式中，在沒(méi)有SO場(chǎng)/SO扭矩的情況下，參考層512的磁矩513是不穩(wěn)定的。在這樣的實(shí)施方式中，SO電流在讀取和寫入期間保持。
[0087]對(duì)于磁性結(jié)510，利用由來(lái)自參考層512的雜散場(chǎng)輔助的自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以執(zhí)行寫入。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)磁性層512從反雙態(tài)轉(zhuǎn)換為雙態(tài)或反之時(shí)，它在自由層516上施加足夠大的雜散場(chǎng)來(lái)移動(dòng)磁矩517以遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)。在一些其它實(shí)施方式中，磁矩513可以從平行/反平行于自由層516的磁矩517而傾斜。例如，如果磁矩513/513’僅僅在SO扭矩被施加時(shí)穩(wěn)定，則SO電流可以減小以允許磁矩513/513’從圖8A和8B所示的位置傾斜。在這樣的實(shí)施方式中，傾斜的磁矩513/513’也可在自由層處產(chǎn)生移動(dòng)磁矩517以遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)的雜散場(chǎng)。磁性結(jié)510可以以類似于磁性結(jié)200、300、400和400’的方式被寫入。在這樣的實(shí)施方式中，參考層512的磁矩513/513’應(yīng)當(dāng)足夠大。例如，對(duì)于這種實(shí)施方式，參考層512的平均磁化飽和度可以是700-1200emu/cm3。然而，在其他實(shí)施方式中，磁性結(jié)510可以以另一方式被寫入。例如，磁性結(jié)510可以僅利用常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移扭矩來(lái)寫入。在這樣的實(shí)施方式中，在自由層的磁矩517利用例如自旋轉(zhuǎn)移扭矩被轉(zhuǎn)換之前，磁矩513/513’將首先被轉(zhuǎn)換。在這樣的實(shí)施方式中，期望的是，減小參考層512的磁矩，因?yàn)橛纱啪?13施加在自由層516上的靜態(tài)雜散場(chǎng)和動(dòng)態(tài)雜散場(chǎng)可導(dǎo)致磁矩517的熱穩(wěn)定性降低。因此,在一些實(shí)施方式中，平均磁化飽和度可以在O和500emU/Cm3之間。為了實(shí)現(xiàn)這樣的低磁矩，在一些實(shí)施方式中，參考層512可以由SAF制成，其兩個(gè)磁性層的磁矩被完全補(bǔ)償或部分補(bǔ)償。此外，為了減小由磁矩513施加在自由層516上的靜態(tài)雜散場(chǎng),在一些實(shí)施方式中,磁矩513可以形成為使得它的靜態(tài)垂直于自由層516的磁矩517的易磁化軸。例如，如果磁矩517垂直于平面，類似于圖8A-8B中所描繪的，參考層512的磁矩513可以形成在平面內(nèi)(未示出)。如果磁矩517在平面內(nèi)，則磁矩513可以形成為垂直于平面或者在平面內(nèi)，其易磁化軸垂直于自由層516的易磁化軸(未不出)。
[0088]在SO扭矩被用來(lái)使得磁矩513/513’從平行或反平行于自由層的磁矩517而傾斜的實(shí)施方式中，磁性結(jié)510可具有磁性結(jié)210、310、410和/或410’的益處。例如，磁性結(jié)510可經(jīng)歷更快的轉(zhuǎn)換。磁性結(jié)510也可以根據(jù)期望處于雙態(tài)或反雙態(tài)。因?yàn)殡p磁性結(jié)510在雙態(tài)下被用于寫入，所以自由層516上的自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以更高。更低的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換電流Jstt于是可以被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)510。因?yàn)閰⒖紝?12和520在反雙態(tài)下被用于讀取，所以結(jié)510的磁阻可以更高。因此，可以獲得更高的信號(hào)。此外，在反雙態(tài)下，由于在給定的電流密度下減小的STT數(shù)值而使得讀取錯(cuò)誤率可以顯著地減小。因此，感測(cè)余量可增大，對(duì)于單元的熱穩(wěn)定性的要求可以放寬。雖然在雙態(tài)和反雙態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)于具有垂直于平面的磁矩的磁性結(jié)510示出，但是這種轉(zhuǎn)換也可以對(duì)于包括但不限于平面內(nèi)磁矩的其他構(gòu)造實(shí)現(xiàn)。因此，可以增強(qiáng)磁性結(jié)的性能。
[0089]圖9描繪了采用磁性結(jié)562的磁存儲(chǔ)器550的另一示例性實(shí)施方式，該磁性結(jié)562利用自旋軌道相互作用來(lái)改變參考層的磁矩。為了清楚，圖9沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器550類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500。因此，磁存儲(chǔ)器550包括分別類似于磁性結(jié)210、310、410、410’和/或510以及SO有源層230、330、430、430’和/或530的磁性結(jié)562和SO有源層570。因此，磁性結(jié)562是雙磁性結(jié)。因此，部件562和570的結(jié)構(gòu)和功能分別類似于上文關(guān)于部件210/310/410/410’ /510和230/330/430/430’ /530所描述的。例如，磁性層可具有平面內(nèi)或垂直于平面的易磁化軸。參考層也可以使得它們的磁矩在平面內(nèi)或垂直于平面。磁性結(jié)562可以利用用于控制參考層的磁矩的自旋軌道相互作用連同用于轉(zhuǎn)換自由層的自旋轉(zhuǎn)移扭矩而被轉(zhuǎn)換，如上所述。
[0090]除了磁性結(jié)566之外，磁存儲(chǔ)器550包括與存儲(chǔ)單元560中的每個(gè)磁性結(jié)562相應(yīng)的選擇器件564。在示出的實(shí)施方式中，存儲(chǔ)單元包括磁性結(jié)562和選擇器件564。選擇器件564是晶體管并且可以與位線聯(lián)接。在示出的實(shí)施方式中，磁存儲(chǔ)器550也可以包括可選自旋擴(kuò)散插入層566。對(duì)于一些實(shí)施方式,可選自旋擴(kuò)散層566是金屬。然而,在其他實(shí)施方式中，這層可以是薄絕緣材料，例如晶體MgO或者其他氧化物或其他絕緣層。這層的電阻面積(RA)應(yīng)該是小的，例如，小于20hm_ μ m2。在其他實(shí)施方式中，可選自旋擴(kuò)散層566可以是包括不同材料的兩層或更多層的多層?？蛇x自旋擴(kuò)散插入層566可以被用于減少對(duì)于自旋軌道場(chǎng)(類似于Rashba效應(yīng))的貢獻(xiàn)或/和增強(qiáng)對(duì)于自旋軌道場(chǎng)(類似于自旋霍耳效應(yīng))的貢獻(xiàn)?？蛇x自旋擴(kuò)散插入層566也可以被用來(lái)提供改進(jìn)的用于參考層的籽晶層。
[0091]雖然圖9中僅示出了一個(gè)磁性結(jié)562，但是SO有源層572可以在多個(gè)磁性結(jié)上延伸。因此，SO有源層572也可以起到字線570的作用。此外，SO有源層572被示出為具有基本恒定的厚度(在z方向上的尺寸)和寬度(在y方向上的尺寸)。在一些實(shí)施方式中，SO有源層的厚度和/或?qū)挾戎辽僭诖判越Y(jié)562下面減小。在這樣的實(shí)施方式中，自旋軌道電流密度在磁性結(jié)572的區(qū)域中增大。因此，可以改善利用自旋軌道相互作用的轉(zhuǎn)換。在一些實(shí)施方式中，SO有源層572可以是包括可選源極574和可選漏極576的晶體管的一部分。然而，在其他實(shí)施方式中，這種結(jié)構(gòu)可以省略。
[0092]磁存儲(chǔ)器550享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500的益處。因?yàn)樽孕壍琅ぞ乜梢员挥糜谵D(zhuǎn)換自由層的磁矩，所以存儲(chǔ)器550的性能可以得到提高。因?yàn)镾O電流在平面內(nèi)以用于SO有源層572,所以電流密度Jsq可以是大的。此外，磁性結(jié)562可以是雙磁性結(jié)。因此，可以實(shí)現(xiàn)更大的磁阻和/或更高的自旋轉(zhuǎn)移扭矩。因此，可以提高存儲(chǔ)器550的性能。
[0093]圖10描繪了采用磁性結(jié)562’的磁存儲(chǔ)器550’的示例性實(shí)施方式，該磁性結(jié)562’利用自旋軌道相互作用來(lái)改變參考層的磁矩而被轉(zhuǎn)換。為了清楚，圖10沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器550’類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500。因此，磁存儲(chǔ)器550’包括磁性結(jié)562’和SO有源層572’，其分別類似于磁性結(jié)210/310/410/410’ /510和SO有源層230/330/430/430’/530。因此，部件562’和572’的結(jié)構(gòu)和功能分別類似于上文關(guān)于部件210/310/410/410’ /510和230/330/430/430’ /530所描述的。例如，磁性層可使得它們的磁矩在平面內(nèi)或垂直于平面。最靠近SO有源層572’的參考層也可以使得它的磁矩由于自旋軌道場(chǎng)而可改變。磁性結(jié)562’可以利用自旋軌道相互作用來(lái)改變參考層的磁矩和利用自旋轉(zhuǎn)移扭矩來(lái)寫入自由層而被轉(zhuǎn)換，如上所述。磁存儲(chǔ)器550’也可以包括類似于可選自旋擴(kuò)散插入層566的可選自旋擴(kuò)散插入層566’。為簡(jiǎn)單起見，SO場(chǎng)被不出為在y方向上。然而，SO場(chǎng)可以在另一方向上，包括但不限于垂直于平面(例如，在正或負(fù)z方向上)。
[0094]磁存儲(chǔ)器550’也包括字線570’。字線570’在多個(gè)磁性結(jié)562’上延伸，因此在多個(gè)存儲(chǔ)單元上延伸。SO有源層572’與字線電聯(lián)接，但是位于單個(gè)磁性結(jié)562’的區(qū)域中。因此，在示出的實(shí)施方式中，每個(gè)SO有源層572’對(duì)應(yīng)于磁性結(jié)562’。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層572’在字線570’上方延伸。然而，在其他實(shí)施方式中，SO有源層572的頂部可以在另一位置處，包括但不限于與字線570’的頂部基本上齊平。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層572’的底部在字線570’之內(nèi)。因此，SO有源層572’可以位于字線570’內(nèi)的凹部中。然而，在其他實(shí)施方式中，SO有源層572’的底部可以在另一位置處。備選地，SO有源層572’可以具有小于或等于字線570’的厚度，并且位于字線中的孔內(nèi)。在這樣的實(shí)施方式中，經(jīng)過(guò)SO有源層572’的電流密度可以大于字線570’周圍的電流密度。SO有源層572’還被示出為延伸到磁性結(jié)562’的邊緣。然而，在其他實(shí)施方式中，在χ-y平面內(nèi)，SO有源層572’可以延伸得比磁性結(jié)562’更遠(yuǎn)。
[0095]磁存儲(chǔ)器550’享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’ ,500和550的益處。由于自旋軌道扭矩被用于改變最靠近SO有源層572’的參考層的磁矩，所以可以提高存儲(chǔ)器550’的性能。因?yàn)镾O電流在平面內(nèi)以用于SO有源層572’，所以電流密度Jsq可以是大的。此外，磁性結(jié)562’可以是具有增強(qiáng)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩和/或磁阻的雙磁性結(jié)。因此，可以提高存儲(chǔ)器550’的性能。
[0096]圖11描繪了采用磁性結(jié)562"的磁存儲(chǔ)器550"的示例性實(shí)施方式，該磁性結(jié)562"利用自旋軌道相互作用而被轉(zhuǎn)換。為了清楚，圖11沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器550〃類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’、500、550和/或550’。因此，磁存儲(chǔ)器550〃包括分別類似于磁性結(jié) 210/310/410/410’ /510 和 SO 有源層 230/330/430/430’ /530 的磁性結(jié) 562〃 和 SO 有源層572〃。部件562〃和572〃的結(jié)構(gòu)和功能分別類似于上文關(guān)于部件210/310/410/410’ /510和230/330/430/430’/530所描述的。例如，磁性層可使得它們的磁矩在平面內(nèi)或者垂直于平面。最靠近SO有源層572〃的參考層也可以使得它的磁矩由SO扭矩改變。磁存儲(chǔ)器550〃也可以包括可選自旋擴(kuò)散插入層566〃。
[0097]磁存儲(chǔ)器550〃還包括類似于字線570的字線570"。字線570"在多個(gè)磁性結(jié)562〃上延伸，因此在多個(gè)存儲(chǔ)單元上延伸。SO有源層572〃與字線電聯(lián)接，但是位于單個(gè)磁性結(jié)562〃的區(qū)域中。因此，在示出的實(shí)施方式中，每個(gè)SO有源層572〃對(duì)應(yīng)于磁性結(jié)560"。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層572〃在字線570 "上方和下方延伸。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層572’位于字線570"內(nèi)的孔中。然而，在其他實(shí)施方式中，SO有源層572"的頂部和/或底部可以在另一位置處。SO有源層572〃還被示出為延伸到磁性結(jié)562〃的邊緣。然而，在其他實(shí)施方式中，在x-y平面內(nèi)，SO有源層572〃可以延伸得比磁性結(jié)562〃更遠(yuǎn)。
[0098]磁存儲(chǔ)器550〃享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’、500、550和/或550’的益處。由于自旋軌道扭矩被用于改變最靠近SO有源層572〃的參考層的磁矩，所以可以提高存儲(chǔ)器550"的性能。因?yàn)镾O電流在平面內(nèi)以用于SO有源層572"，所以電流密度Jsq可以是大的。此外，磁性結(jié)562〃可以是具有增強(qiáng)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩和/或磁阻的雙磁性結(jié)。因此，可以提高存儲(chǔ)器550〃的性能。
[0099]圖12描繪了采用磁性結(jié)462〃’的磁存儲(chǔ)器550〃’的示例性實(shí)施方式，該磁性結(jié)462〃’具有參考層，該參考層的磁矩利用自旋軌道相互作用而改變。為了清楚，圖12沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器550〃’類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’、500、550、550’和/或550〃。因此，磁存儲(chǔ)器550〃’包括分別類似于磁性結(jié)210/310/410/410’ /510和SO有源層230/330/430/430’ /530 的磁性結(jié) 562"，和 SO 有源層 572"，。因此，部件 562"，和 572"，的結(jié)構(gòu)和功能分別類似于上文關(guān)于部件210/310/410/410’ /510和230/330/430/430’ /530所描述的。例如，磁性層可使得它們的磁矩在平面內(nèi)或垂直于平面。最靠近SO有源層572〃’的參考層也可以使得它的磁矩由SO扭矩改變。磁存儲(chǔ)器550〃’也可以包括可選自旋擴(kuò)散插入層566〃’。
[0100]磁存儲(chǔ)器550〃’還包括類似于字線230/330/430/430’ /530的字線570〃’，。字線570〃’在多個(gè)磁性結(jié)562〃’上延伸，因此在多個(gè)存儲(chǔ)單元上延伸。SO有源層572〃’與字線電聯(lián)接，但是位于單個(gè)磁性結(jié)562"’的區(qū)域中。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層572"’鄰近磁性結(jié)562〃’。SO有源層572〃’不直接在磁性結(jié)562〃’下面。代替地，字線570〃’的另一部分在磁性結(jié)562〃’下面。SO有源層572〃’可以與磁性結(jié)562〃’具有一些間隔。此間隔應(yīng)該不非常大，通常地小于MTJ的寬度。然而，對(duì)于其它的實(shí)施方式，它可以大于MTJ的寬度，達(dá)到lOOnm。
[0101]磁存儲(chǔ)器562〃’享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500的益處。因?yàn)樽孕壍琅ぞ乇挥糜谵D(zhuǎn)換參考層的磁矩，所以可以提高存儲(chǔ)器550"’的性能。因?yàn)镾O電流在平面內(nèi)以用于SO有源層572〃’，所以電流密度Jsq可以是大的。此外，磁性結(jié)562〃’可以是雙磁性結(jié)，從而允許增強(qiáng)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩和/或增大的磁阻。因此，可以提高存儲(chǔ)器200〃’的性能。
[0102]圖13描繪了采用雙磁性結(jié)610的磁存儲(chǔ)器600的示例性實(shí)施方式，該雙磁性結(jié)610具有參考層，該參考層的磁矩利用模擬自旋軌道相互作用的特征而可改變。為了清楚，圖13沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器600類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500。因此，相似的部件具有相似的標(biāo)示。因此，磁存儲(chǔ)器600包括分別類似于磁性結(jié)210/310/410/410’ /510 和 SO 有源層 230/330/430/430’ /530 的磁性結(jié) 610 和結(jié)構(gòu) 620。因此，部件610和620的結(jié)構(gòu)和功能分別類似于上文關(guān)于部件210/310/410/410’ /510和230/330/430/430’ /530所描述的。磁存儲(chǔ)器600也可以包括類似于可選自旋擴(kuò)散插入層566的可選自旋擴(kuò)散插入層614。
[0103]在本申請(qǐng)的內(nèi)容中，磁存儲(chǔ)器600被認(rèn)為在轉(zhuǎn)換磁性結(jié)610中利用自旋軌道相互作用，因?yàn)轭愃朴赟O有源層的結(jié)構(gòu)620被使用。更具體地，在磁性結(jié)610之外的結(jié)構(gòu)620提供被用于改變磁性結(jié)610中參考層的磁矩的自旋極化平面內(nèi)電流。更具體地，最靠近字線624的磁矩可以改變。因此，用于存儲(chǔ)器600的轉(zhuǎn)換機(jī)制模擬自旋軌道相互作用。
[0104]在磁存儲(chǔ)器600中，類似SO有源層的結(jié)構(gòu)620由高導(dǎo)電性字線624和至少一個(gè)自旋極化注入器622的組合形成。在圖13示出的實(shí)施方式中，僅使用了單個(gè)自旋極化電流注入器622。然而，在其他實(shí)施方式中，可以使用多個(gè)自旋極化注入器。例如，可以使用具有相反自旋極性的兩個(gè)注入器。備選地，可以使用單個(gè)極化自旋注入器622。自旋極化電流注入器622對(duì)于被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)自旋極化電流注入器622的電流使得載荷子的自旋極化。例如，自旋極化電流注入器622可以是磁性層。此外，單個(gè)自旋極化注入器622被期望為多個(gè)磁性結(jié)610提供極化的自旋。因此，高導(dǎo)電性字線624是具有高自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的至少一個(gè)導(dǎo)電層。例如，在一些實(shí)施方式中，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度是至少一百納米。在一些這樣的實(shí)施方式中，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度為至少一微米。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，高導(dǎo)電性字線624可以是石墨烯線。高自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度被期望而使得來(lái)自注入器622的自旋極化載荷子可以橫過(guò)字線624并且到達(dá)至少一個(gè)磁性結(jié)610，而沒(méi)有經(jīng)歷破壞載荷子的自旋信息的嚴(yán)重散射。
[0105]由于隨著電流行進(jìn)經(jīng)過(guò)高導(dǎo)電性字線624，電流被注入器622極化并且保留它的自旋信息，所以極化的電流以類似于上文關(guān)于自旋霍爾效應(yīng)和Rashba效應(yīng)所描述的自旋極化的方式起作用。因此，注入器622和高導(dǎo)電性字線624的組合以類似于SO有源層230/330/430/430’/530的方式起作用。換句話說(shuō)，自旋極化電流可以提供類似于自旋軌道場(chǎng)和扭矩的場(chǎng)和扭矩。
[0106]磁存儲(chǔ)器600享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500的益處。因?yàn)樽孕壍琅ぞ乇挥糜谵D(zhuǎn)換參考層的磁矩，所以可以提高存儲(chǔ)器600的性能。此外，磁性結(jié)610可以是雙磁性結(jié)，從而允許增強(qiáng)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩和/或增大的磁阻。因此，可以提高存儲(chǔ)器600的性能。因此，存儲(chǔ)器 550、550’、550〃、550〃’ 和 600 分別描繪了 SO有源層 572、572’、572〃、572〃’和620的各種構(gòu)造。利用這些構(gòu)造中的一個(gè)或多個(gè)，可以提高磁存儲(chǔ)器的性能。
[0107]圖14描繪了采用磁性結(jié)710的磁存儲(chǔ)器700的示例性實(shí)施方式，該磁性結(jié)710主要利用自旋軌道相互作用而被轉(zhuǎn)換。為了清楚，圖14沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器700類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500。因此，相似的部件具有相似的標(biāo)示。因此，磁存儲(chǔ)器700包括類似于先前描述的磁性結(jié)、選擇器件、自旋擴(kuò)散插入層以及SO有源層的磁性結(jié)710、選擇器件718、可選自旋擴(kuò)散插入層730以及SO有源層720。雖然未示出，但是磁性結(jié)710包括類似于先前描述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層、非磁性間隔層和參考層。因此，部件710和720的結(jié)構(gòu)和功能類似于上文所描述的。雖然SO有源層720被描繪為字線，但是在其他實(shí)施方式中可以使用其他構(gòu)造。磁性結(jié)710的磁性層的每個(gè)可以具有平面內(nèi)或垂直于平面的易磁化軸。需要注意，雖然Hsra和Hstj2兩個(gè)都在x-y平面中被示出，但是在另一實(shí)施方式中，場(chǎng)HS()1和HS()2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
[0108]在存儲(chǔ)器700中，被用于改變參考層的磁矩的自旋軌道相互作用通過(guò)電阻控制而得到輔助。在示出的實(shí)施方式中，電阻器735的電阻通過(guò)電阻選擇晶體管736被控制。因此，電阻器735是可變電阻元件。電阻Rl是相對(duì)于SO有源層720的電阻的高電阻。因此，SO有源層720中的電流沒(méi)有被分路通過(guò)電阻器735。這樣，Hsqi產(chǎn)生的自旋軌道扭矩仍然足以改變磁性結(jié)710的參考層的磁矩。對(duì)于比SO有源層720低的電阻器R2，自旋軌道電流Jsq被分路通過(guò)電阻器R2。載荷子在層720的頂表面處的積累被減少。還減小了自旋軌道場(chǎng)Hs02o因此，在R2上方產(chǎn)生的自旋軌道場(chǎng)沒(méi)有足以改變磁性結(jié)710的參考層的磁矩。因此，磁存儲(chǔ)器700利用磁性結(jié)710的電阻變化以選擇其參考層的磁矩將被改變的磁性結(jié)710。因此，磁存儲(chǔ)器700可以被認(rèn)為利用電阻變化來(lái)選擇將被寫入和/或讀取的雙磁性結(jié)。
[0109]磁存儲(chǔ)器700享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500的益處。因?yàn)樽孕壍琅ぞ乇挥糜诟淖儏⒖紝拥拇啪兀钥梢蕴岣叽鎯?chǔ)器700的性能。此外，可以利用電阻變化選擇將被編程的期望的磁性結(jié)720。因此，可以提高存儲(chǔ)器700的性能。
[0110]圖15描繪了采用磁性結(jié)710’的磁存儲(chǔ)器700’的示例性實(shí)施方式，磁性結(jié)710’利用自旋軌道相互作用來(lái)改變參考層的磁矩。為了清楚，圖15沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器700’類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500。因此，相似的部件具有相似的標(biāo)示。因此，磁存儲(chǔ)器700’包括類似于先前描述的磁性結(jié)、選擇器件、自旋擴(kuò)散插入層以及SO有源層的磁性結(jié)710’、選擇器件718’、可選自旋擴(kuò)散插入層730’以及SO有源層720’。雖然未示出，但是磁性結(jié)710’包括類似于先前描述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層、非磁性間隔層和參考層。因此，部件710’和720’的結(jié)構(gòu)和功能類似于上文所描述的。雖然SO有源層720’被描繪為字線，但是在其他實(shí)施方式中可以使用其他構(gòu)造。磁性結(jié)710’的磁性層的每個(gè)可以具有平面內(nèi)或垂直于平面的易磁化軸。需要注意，雖然HS()1和HS()2兩個(gè)都在x-y平面中被不出，但是在另一實(shí)施方式中，場(chǎng)Hsra和HS()2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
[0111]在存儲(chǔ)器700’中，自旋軌道相互作用的轉(zhuǎn)換通過(guò)使用加熱器740加熱SO有源層720’而得到輔助。加熱器740通過(guò)加熱器選擇晶體管742來(lái)控制。當(dāng)加熱元件諸如加熱器I為靜態(tài)時(shí)，SO有源層720’可以產(chǎn)生用于改變磁性結(jié)710’的參考層的磁矩的期望自旋軌道場(chǎng)Hsm。然而，加熱器2可以被驅(qū)動(dòng)。SO有源層720’被加熱，其增大SO誘導(dǎo)的自旋積累的弛豫并因此減小自旋軌道場(chǎng)ΗΜ2。產(chǎn)生的自旋軌道場(chǎng)不足以改變磁性結(jié)710’的參考層的磁矩。因此，磁存儲(chǔ)器700’利用SO有源層720’的加熱來(lái)選擇其參考層的磁矩被改變的磁性結(jié)720’。磁性結(jié)720’可利用加熱來(lái)使得它的參考層的磁矩改變。
[0112] 申請(qǐng)人:還注意到，磁性結(jié)710’的自由層和/或參考層的磁矩的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)加熱而得到改善。加熱器740和/或驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)710’的加熱電流可以加熱磁性結(jié)710。結(jié)果，自由層的磁矩和/或參考層的磁矩可以更加熱不穩(wěn)定，因此更易于轉(zhuǎn)換。因此，可以利用加熱來(lái)輔助轉(zhuǎn)換和參考層的磁矩改變。
[0113]磁存儲(chǔ)器700’享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500的益處。因?yàn)樽孕壍琅ぞ乇挥糜诟淖儏⒖紝拥拇啪?，所以可以提高存?chǔ)器700’的性能。此外，可以利用加熱選擇將被編程的期望的磁性結(jié)710’。因此，可以提高存儲(chǔ)器700’的性能。
[0114]圖16描繪了采用磁性結(jié)710"的磁存儲(chǔ)器700"的示例性實(shí)施方式，該磁性結(jié)710"利用自旋軌道相互作用來(lái)改變參考層的磁矩。為了清楚，圖16沒(méi)有按比例繪制。磁存儲(chǔ)器700〃類似于磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500。因此，相似的部件具有相似的標(biāo)示。因此，磁存儲(chǔ)器700〃包括類似于先前描述的磁性結(jié)、選擇器件、自旋擴(kuò)散插入層以及SO有源層的磁性結(jié)710"、選擇器件718"、可選自旋擴(kuò)散插入層730"以及SO有源層720"。雖然未示出，但是磁性結(jié)710"包括類似于先前描述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/自由層、非磁性間隔層和參考層。因此，部件710〃和720〃的結(jié)構(gòu)和功能類似于上文所描述的。雖然SO有源層720〃被描繪為字線，但是在其他實(shí)施方式中可以使用其他構(gòu)造。磁性結(jié)710"的磁性層的每個(gè)可以具有平面內(nèi)或垂直于平面的易磁化軸。需要注意，雖然HS()1和HS()2兩個(gè)都在x-y平面中被不出，但是在另一實(shí)施方式中，場(chǎng)Hsra和HS()2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
[0115]在存儲(chǔ)器700〃中，自旋軌道相互作用對(duì)磁矩的改變通過(guò)自旋軌道電流在磁性結(jié)710"的區(qū)域中的濃度而得到輔助。在示出的實(shí)施方式中，SO有源層720"的厚度(在z方向上)被限制在磁性結(jié)710〃的區(qū)域中。在其他實(shí)施方式中，寬度(在y方向上)或者厚度和寬度兩者可以被限制，使得SO有源層720"的截面積在磁性結(jié)710"的區(qū)域中被減小。結(jié)果，自旋軌道電流可以聚集于這些區(qū)域中并且關(guān)于給定的電流能夠施加更大的自旋軌道扭矩。
[0116]磁存儲(chǔ)器700〃享有磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和500的益處。因?yàn)樽孕壍琅ぞ乇挥糜诟淖儏⒖紝拥拇啪兀钥梢蕴岣叽鎯?chǔ)器700"的性能。此外，可以利用加熱選擇將被編程的期望的磁性結(jié)710"。因此，可以提高存儲(chǔ)器700"的性能。
[0117] 申請(qǐng)人:還注意到，在存儲(chǔ)器700、700’和700〃的任一個(gè)中，分別最靠近SO有源層720、720’和720"的參考層的各向異性可以是可改變的。例如，參考層的各向異性可以通過(guò)施加到參考層的電壓而被改變。在這樣的實(shí)施方式中，通過(guò)施加控制電壓到磁性結(jié)710/710’/710"，可以選擇參考層的磁矩改變的磁性結(jié)710/710’ /710"。此外，此控制電壓可以被用于其他存儲(chǔ)器，包括但不限于存儲(chǔ)器200、300、400、400’、500、550、550’、550〃、550〃’和/或600。
[0118]圖17是流程圖，描繪了用于提供磁存儲(chǔ)器的方法800的示例性實(shí)施方式，該磁存儲(chǔ)器具有利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的磁性結(jié)。為簡(jiǎn)單起見，一些步驟可以被省略、組合和/或交替。方法800在磁存儲(chǔ)器200的情況下被描述。然而，方法800可以被用于提供其他磁存儲(chǔ)器，包括但不限于磁存儲(chǔ)器 300、400、400’、500、550、550’、550〃、550〃’、600、700、700’ 和 / 或 700"。
[0119]通過(guò)步驟802，提供SO有源層230。在一些實(shí)施方式中，步驟804包括提供適于自旋霍耳效應(yīng)的層。在其他實(shí)施方式中，提供適于Rashba效應(yīng)的層。在其他實(shí)施方式中,提供的SO有源層可以采用自旋霍耳效應(yīng)和Rashba效應(yīng)的組合。還可以提供其他自旋軌道相互作用機(jī)制。步驟804還可以包括圖案化SO有源層。通過(guò)步驟804可選地提供自旋擴(kuò)散層(在磁存儲(chǔ)器200中未示出)。如果提供了自旋擴(kuò)散層，則自旋擴(kuò)散層位于SO有源層120和磁性結(jié)110之間。
[0120]通過(guò)步驟806提供雙磁性結(jié)210。在一些實(shí)施方式中，步驟806包括提供第一參考層212、第一非磁性間隔層214、自由層216、第二非磁性層諸如隧穿勢(shì)壘層208以及第二參考層220。于是，可以完成磁存儲(chǔ)器200的制造。因此，使用方法800，可以實(shí)現(xiàn)磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500中的一個(gè)或多個(gè)的益處。
[0121]圖18是流程圖，描繪了對(duì)于利用自旋軌道相互作用轉(zhuǎn)換的磁性結(jié)編程的方法850的示例性實(shí)施方式。方法850可以被用于存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500中的一個(gè)或多個(gè)。為簡(jiǎn)單起見，一些步驟可以被省略、組合和/或交替。方法850在磁存儲(chǔ)器100的情況下被描述。然而，方法850可以被用于其他磁性結(jié)，包括但不限于磁性結(jié)200、300、400、400’ 、500、550、550’ 、550〃、550〃’ 、600、700、700’ 和 / 或 700"。
[0122]通過(guò)步驟852施加了平面內(nèi)自旋軌道寫入電流。自旋軌道寫入電流可以以脈沖施力口。如果參考層212和220被期望為在雙態(tài)和反雙態(tài)之間轉(zhuǎn)換，脈沖的幅值和持續(xù)時(shí)間可以足夠轉(zhuǎn)換磁矩213的方向。例如，這種脈沖可以被用于存儲(chǔ)器500。在其他實(shí)施方式中，脈沖擾動(dòng)幅值和持續(xù)時(shí)間足夠使得參考層212的磁矩213傾斜并且允許產(chǎn)生的雜散場(chǎng)將自由層216的磁矩217從臨界點(diǎn)擾動(dòng)。
[0123]通過(guò)步驟854，自旋轉(zhuǎn)移扭矩寫入電流被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)210。在步驟854中的電流也可以以脈沖施加，如上所述。在步驟854中施加的電流脈沖可以被期望為相對(duì)于在步驟852中驅(qū)動(dòng)的自旋軌道電流而被定時(shí)，使得自由層216在脈沖開始時(shí)或者在脈沖開始之前沒(méi)有處于臨界。在其他實(shí)施方式中，定時(shí)可以是不同的。因此，利用步驟852和854可以完成單元的寫入。
[0124]另外，將被寫入的磁性結(jié)210可以通過(guò)步驟856來(lái)選擇。例如，自旋轉(zhuǎn)移扭矩、磁性結(jié)I1的加熱、在SO有源層230上方的電阻控制、SO有源層230的加熱、上述的一些組合和/或其他機(jī)制可以被用于選擇將被寫入的單元。步驟856也可以與步驟852基本上同時(shí)執(zhí)行。因此，磁存儲(chǔ)器200中的期望的磁性結(jié)210可以被編程。需要注意的是，通過(guò)驅(qū)動(dòng)讀取電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)210并且確定磁性結(jié)210處于高阻態(tài)或低阻態(tài)，可以讀取磁性結(jié)210。作為讀取的一部分，磁性結(jié)可以從參考層的雙態(tài)被轉(zhuǎn)換為反雙態(tài)。
[0125]因此，使用方法850，可以將磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500編程。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁存儲(chǔ)器200、300、400、400’和/或500的益處。
[0126]已經(jīng)描述了用于提供雙磁性結(jié)和使用該雙磁性結(jié)制造的存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。在磁存儲(chǔ)器 200、300、400、400，、500、550、550’、550〃、550〃’、600、700、700’ 和 / 或 700〃 中的特征的各種組合可以被結(jié)合。所述方法和系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)示出的示例性實(shí)施方式來(lái)描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到可以對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行變化，任意變化將在所述方法和系統(tǒng)的精神和范圍內(nèi)。因此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以作出許多修改而沒(méi)有脫離權(quán)利要求的精神和范圍。
[0127]本申請(qǐng)要求于2013年3月14日提交的名稱為“METHOD AND SYSTEM FORPROVIDING INTERACT1N-BASED SWITCHING AND MEMOREIS UTILIZING THE DUAL MAGNETICTUNNELING JUNCT1NS”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/785，682的優(yōu)先權(quán)，其通過(guò)引用結(jié)合于此。此外，本申請(qǐng)要求于2013年3月27日提交的名稱為“METHOD AND SYSTEM FORPROVIDING AMAGNETIC TUNNELING JUNCT1N USING SPIN-ORBIT INTERACT1N BASEDSWITCHING AND MEMORIES UTILIZING THE MAGNETIC TUNNELING JUNCT1N” 的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/851,591的優(yōu)先權(quán)，其通過(guò)引用結(jié)合于此。
【權(quán)利要求】
1.一種磁存儲(chǔ)器，包括: 多個(gè)雙磁性結(jié)，所述多個(gè)雙磁性結(jié)的每個(gè)包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層和第二參考層，所述自由層是磁性的，并且位于所述第一非磁性間隔層和所述第二非磁性間隔層之間，所述第一非磁性間隔層在所述第一參考層和所述自由層之間，所述第二非磁性間隔層在所述第二參考層和所述自由層之間；以及 至少一個(gè)自旋軌道相互作用(so)有源層，鄰近于所述多個(gè)雙磁性結(jié)的每個(gè)的所述第一參考層，所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層被配置為由于電流與所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層和所述第一參考層之間的方向基本上垂直地穿過(guò)所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層而在所述第一參考層上施加自旋軌道相互作用扭矩，所述自由層被配置為利用被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)所述雙磁性結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移寫入電流而能轉(zhuǎn)換，所述第一參考層具有被配置為通過(guò)至少所述自旋軌道相互作用扭矩能改變的磁矩。
2.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有自由層磁矩，所述自由層磁矩具有沿著易磁化軸的多個(gè)穩(wěn)定態(tài)，其中所述第一參考層的所述磁矩通過(guò)至少所述自旋軌道相互作用扭矩從所述易磁化軸傾斜非零的角度。
3.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第二參考層具有附加參考層磁矩，其中所述第一參考層的所述磁矩被配置為通過(guò)所述自旋軌道相互作用扭矩而改變?yōu)橛糜趯懭氩僮鞯碾p態(tài)和用于讀取操作的反雙態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有自由層磁矩，所述自由層磁矩具有沿著易磁化軸的多個(gè)穩(wěn)定態(tài)，其中所述第一參考層的所述磁矩在沒(méi)有所述自旋軌道相互作用扭矩的情況下沿著所述易磁化軸是穩(wěn)定的。
5.如權(quán)利要求3所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有自由層磁矩，所述自由層磁矩具有沿著易磁化軸的多個(gè)穩(wěn)定態(tài)，其中所述第一參考層的所述磁矩在具有所述自旋軌道相互作用扭矩的情況下沿著所述易磁化軸是穩(wěn)定的，并且在沒(méi)有所述自旋軌道相互作用扭矩的情況下相對(duì)于所述易磁化軸是不穩(wěn)定的。
6.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一參考層和所述第二參考層中的至少一個(gè)是包括多個(gè)鐵磁層的合成層。
7.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一非磁性間隔層和所述第二非磁性間隔層中的至少一個(gè)是隧穿勢(shì)壘層。
8.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，還包括: 自旋擴(kuò)散插入層，用于所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的每個(gè)，所述自旋擴(kuò)散插入層在所述第一參考層和所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層之間。
9.如權(quán)利要求8所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自旋擴(kuò)散插入層包括金屬層、具有小于2 Ω - μ m2的電阻面積的絕緣層以及包括第一層和第二層的多層中的至少一個(gè)，所述第一層包括第一材料，所述第二層包括不同于第一材料的第二材料。
10.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自旋軌道相互作用有源層鄰接所述第一參考層。
11.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層包括A和被B摻雜的M中的至少一個(gè)，其中A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、非晶 β-Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po 和 At 中的至少一個(gè)，M 包括 Al、T1、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、S1、Ga、GaMn 和 GaAs 中的至少一個(gè)，B 包括 V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 和 Yb 中的至少一個(gè)。
12.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層包括Z、或位于基質(zhì)材料B的(111)表面上的至少一個(gè)表面合金A/B、或材料Q、或其組合中的至少一個(gè)，其中 A 包括 Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 和 Yb 中的至少一個(gè)，B 包括 S1、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt 和 Pd 中的至少一個(gè)；合金A/B包括取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/S1、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge和取代的Bi/Cu中的至少一個(gè)；Z包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 和 Yb 中的至少一個(gè)；Q 包括 InGaAs、HgCdTe、LaA103/SrTi03 雙層和 LaTi03/SrTi03 雙層中的至少一個(gè)。
13.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Lu、Hf、Ta、非晶 β -Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、B1、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一個(gè)。
14.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層是在所述多個(gè)雙磁性結(jié)中的至少兩個(gè)上延伸的自旋軌道相互作用有源字線。
15.如權(quán)利要求14所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自旋軌道相互作用有源層的鄰近于所述多個(gè)雙磁性結(jié)的每個(gè)的部 分具有第一厚度和第一寬度，所述自旋軌道相互作用有源層在所述多個(gè)雙磁性結(jié)中的兩個(gè)之間具有第二厚度和第二寬度，所述第一厚度和所述第一寬度的第一乘積小于所述第二寬度和所述第二厚度的第二乘積。
16.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，還包括: 相應(yīng)于所述多個(gè)雙磁性結(jié)的至少一個(gè)字線，所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層位于所述第一參考層和所述至少一個(gè)字線之間。
17.如權(quán)利要求10所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)字線包括相應(yīng)于所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的每個(gè)的至少一個(gè)孔。
18.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自旋軌道相互作用有源層還包括: 至少一個(gè)自旋極化電流注入器，用于對(duì)于所述電流將多個(gè)載荷子的多個(gè)自旋極化；以及 至少一個(gè)導(dǎo)電層，具有高自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，所述至少一個(gè)導(dǎo)電層在所述至少一個(gè)自旋極化電流注入器和所述多個(gè)雙磁性結(jié)之間。
19.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有基本上垂直于平面的易磁化軸。
20.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有在平面內(nèi)的易磁化軸。
21.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一參考層的所述磁矩被配置為通過(guò)所述自旋轉(zhuǎn)移扭矩和被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)所述第一參考層的加熱電流而被改變。
22.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一參考層的所述磁矩被配置為利用自旋軌道相互作用扭矩和施加到所述第一參考層的各向異性控制電壓而被改變，所述各向異性控制電壓被配置為改變所述第一參考層的磁各向異性。
23.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器，還包括: 多個(gè)可變電阻元件，相應(yīng)于所述多個(gè)雙磁性結(jié)并且鄰近于所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層，所述多個(gè)可變電阻元件的每個(gè)被配置為具有低阻態(tài)并且使得在與所述多個(gè)雙磁性結(jié)中將不被寫入的至少一個(gè)雙磁性結(jié)相應(yīng)的第一區(qū)中所述電流從所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層分路，所述多個(gè)可變電阻元件的每個(gè)被配置為在與所述多個(gè)雙磁性結(jié)中將被寫入的至少另一雙磁性結(jié)相應(yīng)的第二區(qū)中具有高阻態(tài)，所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層在所述第二區(qū)中產(chǎn)生所述自旋軌道相互作用扭矩。
24.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器，還包括: 多個(gè)加熱元件，相應(yīng)于所述多個(gè)雙磁性結(jié)并且鄰近于所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層，所述多個(gè)加熱元件的每個(gè)被配置為在與所述多個(gè)雙磁性結(jié)中將不被寫入的至少一個(gè)雙磁性結(jié)相應(yīng)的區(qū)域中加熱所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層，在沒(méi)有加熱所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的一部分的所述加熱元件處所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層產(chǎn)生所述自旋軌道相互作用扭矩。
25.—種提供磁存儲(chǔ)器的方法,包括: 提供多個(gè)雙磁 性結(jié)，所述多個(gè)雙磁性結(jié)的每個(gè)包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層和第二參考層，所述自由層是磁性的，并且位于所述第一非磁性間隔層和所述第二非磁性間隔層之間，所述第一非磁性間隔層在所述第一參考層和所述自由層之間，所述第二非磁性間隔層在所述第二參考層和所述自由層之間；以及 鄰近于所述多個(gè)雙磁性結(jié)的每個(gè)的所述第一參考層提供至少一個(gè)自旋軌道相互作用(SO)有源層，所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層被配置為由于電流與所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層和所述第一參考層之間的方向基本上垂直地穿過(guò)所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層而在所述第一參考層上施加自旋軌道相互作用扭矩，所述自由層被配置為利用被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)所述雙磁性結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移寫入電流而能轉(zhuǎn)換，所述第一參考層具有被配置為通過(guò)至少所述自旋軌道相互作用扭矩能改變的磁矩。
26.一種磁存儲(chǔ)器的編程方法，該磁存儲(chǔ)器包括多個(gè)雙磁性結(jié)，所述多個(gè)雙磁性結(jié)的每個(gè)包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層和第二參考層，所述自由層是磁性的并且位于所述第一非磁性間隔層和所述第二非磁性間隔層之間，所述第一非磁性間隔層在所述第一參考層和所述自由層之間，所述第二非磁性間隔層在所述第二參考層和所述自由層之間，所述自由層是磁性的，該方法包括: 驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)過(guò)鄰近于所述雙磁性結(jié)的所述第一參考層的至少一個(gè)自旋軌道相互作用(S0)有源層，所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層被配置為由于電流與所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層和所述多個(gè)雙磁性結(jié)中最靠近所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的雙磁性結(jié)的所述第一參考層之間的方向基本上垂直地穿過(guò)所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層而在所述第一參考層上施加自旋軌道相互作用扭矩，所述第一參考層具有通過(guò)至少所述自旋軌道相互作用扭矩改變的磁矩；以及 驅(qū)動(dòng)自旋轉(zhuǎn)移寫入電流經(jīng)過(guò)所述雙磁性結(jié)，由此寫入所述自由層。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中驅(qū)動(dòng)所述電流經(jīng)過(guò)至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的步驟包括驅(qū)動(dòng)第一電流脈沖經(jīng)過(guò)所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層，其中驅(qū)動(dòng)所述自旋轉(zhuǎn)移寫入電流的步驟還包括: 在所述第一電流脈沖開始之后，驅(qū)動(dòng)第二電流脈沖經(jīng)過(guò)至少一個(gè)雙磁性結(jié)的一部分。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括: 選擇用于寫入的所述多個(gè)雙磁性結(jié)中的至少一個(gè)。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述自由層具有自由層磁矩，所述自由層磁矩具有沿著易磁化軸的多個(gè)穩(wěn)定態(tài)，其中驅(qū)動(dòng)所述電流經(jīng)過(guò)所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的步驟使得所述第一參考層的所述磁矩從所述易磁化軸傾斜非零的角度。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述第二參考層具有附加參考層磁矩，其中驅(qū)動(dòng)所述電流經(jīng)過(guò)所述至少一個(gè)自旋軌道相互作用有源層的步驟將所述第一參考層的所述磁矩改變?yōu)橛糜?寫入操作的反雙態(tài)和用于讀取操作的雙態(tài)。
【文檔編號(hào)】H01L43/12GK104051611SQ201410096481
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】A.V.克瓦爾科夫斯基, D.阿帕爾科夫, M.T.克魯恩比 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社