用于改进磁存储器中的基于自旋轨道耦合的切换的设备的制作方法
具有状态保持的嵌入式存储器能够实现能量和计算效率。但是，主要自旋电子存储器选项(例如基于自旋转移转矩的磁随机存取存储器(stt-mram))在比特单元的编程(例如写)期间遭受高电压和高写电流的问题。例如，要求大写电流(例如大于100µa)和电压(例如大于0.7v)，以写基于隧道结的磁隧道结(mtj)。受限写电流还导致基于mtj的mram中的高写错误率或缓慢切换时间(例如超过20ns)。流经隧道势垒（barrier）的大电流的存在导致在磁隧道结中的可靠性问题。
附图说明
从本公开的各个实施例的以下给出的详细描述和附图，将会更全面地了解本公开的实施例，但是其不应当被理解为将本公开限于特定实施例，而是仅用于说明和理解。
图1a示出对铁磁体的所施加磁场的磁化响应。
图1b示出对顺磁体的所施加磁场的磁化响应。
图2a-b分别示出具有耦合到自旋轨道耦合(soc)互连的平面内磁隧道结(mtj)堆叠的装置的三维(3d)视图和对应顶视图。
图2c示出具有使其自旋平面内极化并且产生于充电电流的流动的上和下偏转的电子的soc互连的截面。
图3a-b分别示出具有耦合到soc互连的平面内mtj堆叠的装置的3d视图和对应顶视图，其中平面内磁化与电流的方向是共线的。
图4a-b分别示出具有耦合到soc互连的平面外mtj堆叠的装置的3d视图和对应顶视图。
图5a-c示出用于切换自旋轨道转矩电极上形成的平面外mtj存储器装置(例如图4a的装置)的机制。
图6a示出图表，该图表示出一个晶体管和具有自旋霍耳效应(she)材料的一个mtj(例如图2-3的装置)与传统mtj相比的写能量延迟条件。
图6b示出比较自旋霍耳mram和自旋转矩mram的可靠写时间的图表。
图7a-b分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图和对应截面图，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结以及磁结和soc互连之间的插入层。
图7c-d分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图和对应截面图，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结以及磁结与具有反铁磁(afm)材料的合成互连之间的插入层。
图7e-f分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图和对应截面图，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及磁结和soc互连之间的插入层以及包括与soc互连相邻的平面内磁体的通孔。
图7g-h分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图和对应截面图，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及磁结和soc互连之间的插入层以及包括平面内磁体和afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔。
图7i-j分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图和对应截面图，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及磁结和soc互连之间的插入层(其中afm嵌入soc互连中)以及包括与afm相邻的平面内磁体的通孔。
图8a示出按照本公开的一些实施例的装置的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层，其中磁结的自由磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠。
图8b示出按照本公开的一些实施例的装置的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层，其中磁结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠。
图8c示出按照本公开的一些实施例的装置的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层，其中磁结的固定磁体结构以及自由磁体结构的自由磁体之一包括具有垂直磁化的磁体的堆叠。
图8d示出按照本公开的一些实施例的装置的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层，其中磁结的固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠。
图8e示出按照本公开的一些实施例的装置的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层，其中磁结的固定磁体结构以及自由磁体结构的自由磁体之一包括具有垂直磁化的磁体的堆叠。
图8f示出按照本公开的一些实施例的装置的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及包括与afm(其嵌入soc互连中)相邻的平面内磁体的通孔以及磁结和互连之间的插入层，其中磁结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠。
图9a示出图表，该图表示出按照本公开的一些实施例的捕获自由磁体结构(其通过soc互连之下的磁通孔以及磁结和互连之间的插入层来交换耦合或偏置)的切换的自旋极化。
图9b示出按照本公开的一些实施例的与图9a关联的磁化图表。
图9c示出图表，该图表按照本公开的一些实施例的捕获自由磁体结构(其通过soc互连之下的磁通孔以及磁结和互连之间的插入层来交换耦合或偏置)的切换的自旋极化。
图9d示出按照本公开的一些实施例的与图9c关联的磁化图表。
图10a-c示出按照一些实施例的耦合到第一晶体管和比特线的sot存储器装置(例如图7-8的装置的任一个)的截面图。
图11示出按照一些实施例的用于形成图7-8的装置的方法的流程图。
图12示出图表，该图表示出由于soc互连和磁结之间的插入物引起的切换效率的改进。
图13示出按照本公开的一些实施例的具有基于磁结的存储器的智能装置或计算机系统或soc(芯片上系统)，所述基于磁结的存储器带有具有用于soc互连中的偶极和交换耦合的通孔以及磁结和互连之间的插入层。
具体实施方式
垂直自旋轨道转矩(psot)mram使用来自重金属、二维(2d)材料、反铁磁(afm)或拓扑绝缘体(ti)的自旋轨道转矩(sot)来传递，以切换垂直磁体。通常，平面内磁场用于psotmram的确定性双向切换，其能够通过反铁磁材料作为sot电极或磁掺杂重金属电极或磁通孔或者通过设计复杂自由磁体层堆叠来生成。用于自由磁体的有效切换的平面内磁场的幅度取决于自由磁体层的各向异性上以及dzyaloshinskii-moriya交互(dmi)场的幅度。dmi存在于任何sot电极以及与其相邻的自由层磁体的界面。较大dmi意味着较大平面内磁场将要被施加以有效地保持sot切换。
另一个挑战是在sot层的界面和自由磁体层界面的自旋存储器损失。自旋存储器损失能够被理解为因自由磁体层和sot电极之间的自旋传导性失配引起的对磁体起作用的降低的自旋极化。在高失配的情况下，sot电极中的较大电流量被施加，以取得相同自旋转矩量。自旋存储器损失能够使psot装置是低效的。
一些实施例描述基于自旋轨道耦合(soc/sot)的磁存储器，其具有soc/sot层或电极和磁结的自由磁体层之间的插入物。在一些实施例中，插入物包括下列中的一个或多个：hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au。在一些实施例中，插入物包括具有以上列出的元素之一的化合物。例如，hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au的合金能够用于制作插入物。在一些实施例中，插入物包括来自上述列表的单个元素。在一些实施例中，插入物是非磁性化合物。在一些实施例中，soc/sot电极包括二维(2d)材料。2d材料的示例包括：石墨烯、bi2se3、bixteyse1-x-y、bixsb1-x、wse2、wte2、ptse2、ptte2、ptte2、mose2、mos2或mote2。
在一些实施例中，该装置包括与插入物相接触的垂直磁体，插入物又耦合到soc写电极(例如自旋霍耳效应写电极)，并且耦合到磁通孔以产生偶极/交换偏置场。在一些实施例中，磁通孔包括afm或平面内固定磁体。在一些实施例中，来自afm和/或平面内固定磁体的平面内交换偏置用来对磁结的自由磁体的磁定向建模板。因此，磁结的自由磁体提供强效平面内磁体效应。在一些实施例中，平面内固定磁体和afm两者在通孔中形成，通孔耦合到soc电极的表面或者与其相邻，使得磁结在soc电极的另一表面上形成。
在一些实施例中，soc电极包括afm。在一个这样的实施例中，通孔包括具有固定平面内磁化的磁体。由于afm效应在这个示例中通过soc电极来提供，所以附加afm可以不在通孔中形成。在一些实施例中，soc电极下的平面内固定磁体具有比磁结长度更长的长度。在这里，长度表示如参照各个附图所述沿y轴的距离。在一些实施例中，平面内磁体制作成足够厚，以使得它是稳定的。在这里，稳定性一般指磁化方向的持续性。这个示例中的不稳定磁体将是在外部场的施加时切换其磁化的磁体。在一些实施例中，afm包括ir和mn(或者任何其他afm)，其能够对通孔中的平面内磁体的磁定向建模板。
在一些实施例中，磁结的自由磁体结构包括至少两个自由磁体，其通过耦合层来耦合。在一些实施例中，耦合层包括下列一个或多个：ru、os、hs、fe或者来自周期表的铂系元素的其他类似过渡金属。在一些实施例中，去除(一个或多个)耦合层，使得自由磁体结构或堆叠的自由磁体相互直接连接，从而形成单个磁体(或者合成磁体)。
在一些实施例中，磁结的自由磁体结构的自由磁体的一个或多个包括合成磁体。合成磁体可以是超晶格，包括第一材料和第二材料，其中第一材料包括下列之一：co、ni、fe或赫斯勒合金，以及其中第二材料包括下列之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，磁结的固定磁体也包括合成磁体。
存在各个实施例的许多技术效果。例如，在一些实施例中，平面外磁化切换实现基于垂直磁体各向异性(pma)的磁装置(例如mram和逻辑)，其包括生成垂直自旋电流的自旋轨道效应。一些实施例的垂直磁体开关实现低编程电压(或者相同电压的更高电流)，其通过垂直磁存储器和逻辑的巨自旋轨道效应(gsoe)所实现。一些实施例的垂直磁体开关产生更低写差错率，其实现更快的mram(例如小于10ns的写时间)。一些实施例的垂直磁体开关将写和读路径解耦，以实现更快的读时延。一些实施例的垂直磁体开关使用经过磁结(例如mtj或自旋阀)的明显更小读电流，并且提供隧穿氧化物和mtj的改进可靠性。例如，与标称写的100μa相比，小于10μa被一些实施例的垂直磁体开关所使用。
在一些实施例中，插入物降低在sot和磁结的界面的dmi，以允许以低平面内场的有效soc/sot转导。插入物还充当磁结和soc/sot电极之间的匹配层，以降低自旋存储器损失影响。在一些实施例中，soc/sot电极采用反铁磁(afm)材料或铁磁(fm)材料来掺杂。在一些实施例中，插入物允许对afm/fm掺杂的soc/sot电极或者基于磁通孔的soc/sot电极的简化磁存储器设计约束。因此，取得自由磁体的更有效自旋轨道基耦合的切换，产生更低功率垂直soc/sot磁存储器。在各个实施例中，耦合到soc互连的一个表面的固定平面内磁体和/或afm提供附加有效平面内场，其用于使用自旋轨道转矩效应来切换(磁结的)自由磁体结构或堆叠的(一个或多个)自由磁体。因此，对磁体结取得更快切换和更低功率切换。
在以下描述中，论述许多细节，以提供对本公开的实施例的更透彻说明。但是，本领域的技术人员将会清楚地知道，可在没有这些特定细节的情况下实施本公开的实施例。在其他情况下，众所周知的结构和装置以框图形式示出而不是详细示出，以便避免是本公开的实施例模糊。
要注意，在实施例的对应附图中，信号采用线条来表示。一些线条可以更粗以指示更多组成信号路径，和/或在一端或多端具有箭头以指示主信息流方向。这类指示不是旨在进行限制。而是，线条与一个或多个示范实施例结合用来促进对电路或逻辑单元的更易理解。如设计需要和偏好所规定的任何所表示信号实际上可包括可在任一方向中传播并且可采用任何适当类型的信号方案来实现的一个或多个信号。
在这里参照磁体的术语“自由”或者“非固定”表示其磁化方向在外部场或力(例如奥斯特场、自旋转矩等)的施加时能够沿其易轴改变的磁体。相反，在这里参照磁体的术语“固定”或“钉住”表示其磁化方向沿轴钉住或固定并且其不会因外部场(例如电场、奥斯特场、自旋转矩)的施加而改变的磁体。
在这里，术语“垂直磁化磁体”(或垂直磁体或者具有垂直磁各向异性(pma)的磁体)一般指具有与磁体或装置的平面充分地垂直的磁化的磁体。例如具有在z方向中在相对于装置的x-y平面的90(或270)度+/-20度的范围中的磁化的磁体。
在这里，术语“平面内磁体”一般指具有在充分地沿磁体的平面的方向中的磁化的磁体。例如具有在x或y方向中并且在相对于装置的x-y平面的0(或180)度+/-20度的范围中的磁化的磁体。
术语“装置”可一般指按照那个术语的使用上下文的设备。例如，装置可指层或结构的堆叠、单个结构或层、具有有源和/或无源元件的各种结构的连接等。一般来说，装置是三维结构，其中具有在x-y方向中的平面以及沿x-y-z笛卡尔坐标系的z方向的高度。装置的平面也可以是包括该装置的设备的平面。
贯穿本说明书和在权利要求书中，术语“连接”表示直接连接，诸如所连接事物之间没有任何中间装置的电、机械或磁连接。
术语“耦合”表示直接或间接连接，诸如所连接事物之间的直接电、机械或磁连接或者经过一个或多个无源或有源中间装置的间接连接。
这里的术语“相邻”一般指和另一个事物紧接(例如与它们之间的一个或多个事物紧邻或靠近)或者毗连(例如与其邻接)的事物的位置。
术语“电路”或“模块”可指一个或多个无源和/或有源组件，其布置成相互协作以提供预期功能。
术语“装置”可一般指按照那个术语的使用上下文的设备。例如，装置可表示层或结构的堆叠、单个结构或层、具有有源和/或无源元件的各种结构的连接等。一般来说，装置是三维结构，其中具有沿x-y方向的平面以及沿x-y-z笛卡尔坐标系的z方向的高度。装置的平面也可以是包括该装置的设备的平面。
术语“信号”可指至少一个电流信号、电压信号、磁信号或数据/时钟信号。
“一（a、an）”和“该”的含意包括复数引用。“之中”的含意包括“之中”和“之上”。
为了本公开的目的，等效地使用术语“自旋”和“磁矩”。更严格来说，自旋的方向与磁矩的方向相反，并且微粒电荷为负(例如在电子的情况下)。
术语“缩放”一般指将设计(示意和布局)从一种过程技术转换成另一种过程技术，并且随后在布局面积中减少。术语“缩放”一般还指在同一技术节点内对布局和装置缩小尺寸。术语“缩放”还可指信号频率相对于另一个参数(例如功率供应等级)的调整(例如减慢或加速—即，分别缩小和/或放大)。
术语“充分地”、“接近”、“大致”、“附近”和“大约”一般指处于目标值的+/10%之内。例如，除非在其使用的明确上下文中另加说明，否则术语“充分地相等”、“大约相等”和“大致相等”意味着这样描述的事物之间仅仅存在偶然变化。在本领域中，这种变化通常不超过预定目标值的+/-10%。
除非另加说明，否则用来描述共同对象的序数形容词“第一”、“第二”和“第三”等只是指示正涉及到相似对象的不同实例，而不是要暗示这样描述的对象必须在时间、空间、排序或者以其他任何方式处于给定序列中。
为了本公开的目的，词语“a和/或b”和“a或b”表示(a)、(b)或(a和b)。为了本公开的目的，词语“a、b和/或c”表示(a)、(b)、(c)、(a和b)、(a和c)、(b和c)或者(a、b和c)。
本描述中和权利要求书中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”等(若有的话)用于描述性目的，而不一定用于描述永久相对位置。例如，在本文中使用时，术语“之上”、“之下”、“前侧”、“后侧”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”和“上”指一个组件、结构或材料相对于装置内的其他所引用组件、结构或材料的相对位置，其中这类物理关系是值得注意的。这些术语在本文中仅用于描述性目的并且主要在装置z轴的上下文之内，并且因此可相对于装置的定向。因此，如果装置相对于所提供附图的上下文倒置定向，则在本文所提供的附图的上下文中的第二材料“之上”的第一材料也可在第二材料“之下”。在材料的上下文中，一种材料设置在另一种材料之上或之下可直接接触或者可具有一种或多种中间材料。此外，一种材料设置在两种材料之间可与两个层直接接触或者可具有一个或多个中间层。相比之下，第二材料“上”的第一材料与那个第二材料直接接触。在组件装配的上下文中进行类似区分。
可在装置的z轴、x轴或y轴的上下文中采用术语“之间”。处于两种其他材料之间的材料可与那些材料之一或两者相接触，或者它可通过一种或多种中间材料与其他两种材料两者分隔。因此，两种其他材料“之间”的材料可与其他两种材料的任一种相接触，或者它可经过中间材料耦合到其他两种材料。处于两个其他装置之间的装置可直接连接到那些装置之一或两者，或者它可通过一个或多个中间装置与其他两个装置两者分隔。
为了本公开的目的，等效地使用术语“自旋”和“磁矩”。更严格来说，自旋的方向与磁矩的方向相反，并且微粒电荷为负(例如在电子的情况下)。
图1a示出铁磁体(fm)101的磁滞图表100。该图表示出对铁磁体101的所施加磁场的磁化响应。图表100的x轴是磁场‘h’，而y轴是磁化‘m’。对于fm101，‘h’和‘m’之间的关系不是线性的，并且引起如曲线102和103所示的滞后回线。滞后回线的最大和最小磁场区域分别对应于饱和磁化配置104和106。在饱和磁化配置104和106中，fm101具有稳定磁化。在滞后回线的零磁场区域105中，fm101没有明确的磁化值，而是取决于所施加磁场的历史。例如，配置105中的fm101的磁化能够在对于平面内fm的+x方向或者-x方向中。因此，将fm101的状态从一个磁化方向(例如配置104)改变或切换到另一个磁化方向(例如配置106)是费时的，引起较慢纳米磁体响应时间。它与曲线102和103之间包含的图表中的区域成比例地与切换的本征能量关联。
在一些实施例中，fm101由cfgg(即，钴(co)、铁(fe)、锗(ge)或镓(ga)或者它们的组合)来形成。在一些实施例中，fm101包括co、fe、ni合金以及多层赫托结构（hertostructure）、各种氧化物铁磁体、石榴石或赫斯勒合金中的一个或多个。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是具有某个组成和面心立方晶体结构的金属间化合物。赫斯勒合金的铁磁性质是相邻磁性离子之间的双重交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。
图1b示出顺磁体121的磁化图表120。图表120示出对顺磁体121的所施加磁场的磁化响应。图表120的x轴是磁场‘h’，而y轴是磁化‘m’。如与铁磁体相反，顺磁体在其被施加磁场时呈现磁化。顺磁体一般具有大于或等于一的磁导率，并且因此吸附到磁场。与图表100相比，图1b的磁图120没有呈现滞后，这允许曲线122的两个饱和磁化配置124和126之间的更快的切换速度和更小的切换能量。在中间区域125中，顺磁体121没有任何磁化，因为不存在所施加磁场(例如h=0)。与切换关联的本征能量在这种情况下不存在。
在一些实施例中，顺磁体121包括一种材料，其包括下列一个或多个：铂(pt)、钯(pd)、钨(w)、铈(ce)、铝(al)、锂(li)、镁(mg)、钠(na)、cr2o3(三氧化二铬)。coo(氧化钴)、镝(dy)、dy2o(氧化镝)、铒(er)、er2o3(氧化铒)、铕(eu)、eu2o3(氧化铕)、钆(gd)、氧化钆(gd2o3)、feo和fe2o3(氧化铁)、钕(nd)、nd2o3(氧化钕)、ko2(超氧化钾)、镨(pr)、钐(sm)、sm2o3(氧化钐)、铽(tb)、tb2o3(氧化铽)、铥(tm)、tm2o3(氧化铥)或v2o3(氧化钒)。在一些实施例中，顺磁体121包括掺杂剂，其包括下列一个或多个：ce、cr、mn、nb、mo、tc、re、nd、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb。在各个实施例中，磁体能够是fm或者顺磁体。
图2a-b分别示出装置的三维(3d)视图200和对应顶视图220，该装置具有耦合到自旋轨道耦合(soc)互连的平面内磁隧道结(mtj)堆叠，其中mtj堆叠包括比soc互连的长度更小许多的自由磁体层。
在这里，具有磁结221的层的堆叠耦合到电极222(又称作互连222和层222)，其包括自旋霍耳效应(she)或soc材料(或者自旋轨道转矩(sot)材料)，其中she材料将电荷电流iw(或者写电流)转换成自旋极化电流is。图2a的装置形成具有she感应的写机构和基于mtj的读出的三端存储器单元。自旋霍耳效应是相对自旋轨道耦合现象，其能够用来电生成或检测非磁性系统中的自旋电流。
当平面内电流施加到重金属/铁磁体双层系统时，这个平面内电流经由自旋轨道交互引起铁磁体中的自旋累积。自由铁磁体中的自旋累积引起对磁化起作用的转矩(例如sot)或有效场，因而切换自由铁磁体的磁化。sot具有带有不同对称性的两个分量—类slonczewski转矩和类场转矩。sot的起源一般归因于重金属中的体自旋霍耳效应。这里所示范的sot切换方案的特定结构按照铁磁体的易轴的方向来分类为两种类型。
图2a示出平面内并且与电流正交的易轴，而图4a示出与膜平面(或装置)垂直的易轴。两者的切换动态是不同的。
图2a的装置包括磁结221、she互连或电极222以及(一个或多个)非磁性金属223a/b。在一个示例中，mtj221包括层221a、221b和221c。在一些实施例中，层221a和221c是铁磁层。在一些实施例中，层221b是金属或隧穿电介质。
例如，当磁结为自旋阀时，层221b是金属或者金属氧化物(例如，非磁性金属，例如al和/或其氧化物)，以及当磁结为隧穿结时，层221b则为电介质(例如mgo、al2o3)。沿she互连222的水平方向的一端或两端由非磁性金属223a/b来形成。附加层221d、221e、221f和221g还能够堆叠在层221c顶上。在一些实施例中，层221g为非磁性金属电极。
为了使对各个实施例的理解模糊，磁结被描述为磁隧穿结(mtj)。但是，实施例也可适用于自旋阀。材料的广泛组合能够用于磁结221的材料堆叠。例如，层221a、221b、221c、221d、221e、221f和221g的堆叠分别由包括下列项的材料来形成：coxfeybz、mgo、coxfeybz、ru、coxfeybz、irmn和ru，其中‘x’、‘y’和‘z’是合金中的元素的分数。其他材料也可用来形成mtj221。mtj221堆叠包括自由磁层221a、mgo隧穿氧化物221b、固定磁层221c/d/e(其分别是cofe、ru和cofe层的组合，称作合成反铁磁体(saf))以及反铁磁体(afm)层221f。saf层具有如下性质：两个cofe层中的磁化是相反的，并且允许抵消自由磁层周围的偶极场，使得杂散偶极场将不会控制自由磁层。
在一些实施例中，自由和固定磁层(分别为221a和221c)是铁磁体(fm)，其由cfgg(即，钴(co)、铁(fe)、锗(ge)或镓(ga)或者它们的组合)来形成。在一些实施例中，fm221a/c由赫斯勒合金来形成。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是具有某个组成和面心立方晶体结构的金属间化合物。赫斯勒合金的铁磁性质是相邻磁性离子之间的双重交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。
铁磁层(例如固定或自由磁层)的厚度可确定其均衡磁化方向。例如，当铁磁层221a/c的厚度高于某个阈值(取决于磁体的材料，例如对cofe为大致1.5nm)时，铁磁层则呈现平面内的磁化方向。同样，当铁磁层221a/c的厚度低于某个阈值(取决于磁体的材料)时，铁磁层221a/c则呈现与磁层的平面垂直的磁化方向，如参照图4a-b所示。
其他因素也可确定磁化的方向。例如，诸如表面各向异性(取决于铁磁层的相邻层或多层组成)和/或结晶各向异性(取决于应力和晶体晶格结构修改，诸如fcc(面心立方晶格)、bcc(体心立方晶格)或l10类型的晶体，其中l10是呈现垂直磁化的一种类型的晶体类)等的因素也能确定磁化的方向。
参照回图2a，在一些实施例中，she互连222(或者写电极)包括3d材料，例如采用诸如铱、铋等的元素以及可呈现高自旋轨道耦合的周期表中的3d、4d、5d和4f、5f周期组的元素的任一个所掺杂的β-钽(β-ta)、ta、β-钨(β-w)、w、pt、铜(cu)中的一个或多个。在一些实施例中，she互连222转变为(一个或多个)高传导性非磁性金属223a/b，以降低she互连222的电阻。(一个或多个)非磁性金属223a/b包括下列一个或多个：cu、co、α-ta、al、cusi或nisi。
图2a中，切换层221a具有沿平面(例如y平面)方向的易轴。对于这种类型，施加沿z轴的外部场hz，以打破对称性并且取得偶极切换。假定用于切换的驱动力源自互连222中的自旋霍耳效应，临界电流密度jc由下式给出：
其中，a是吉伯阻尼常数，e是元电荷，h是迪拉克接触，
在这个示例中，所施加电流iw由she互连222(又称作自旋轨道耦合互连)来转换为自旋电流is。这个自旋电流切换自由层的磁化的方向，并且因而改变mtj221的电阻。但是，为了读出mtj221的状态，需要感测机构来感测电阻变化。
磁单元通过经由she互连222施加电荷电流来写。自由磁体层221a中的磁写的方向通过所施加电荷电流的方向来判定。正电流(例如在+y方向中流动的电流)产生具有传输方向(沿+z方向)以及指向+x方向的自旋的自旋注入电流。所注入的自旋电流又产生自旋转矩，以在+x方向中对齐自由磁体221a(耦合到she材料的she层222)。负电流(例如在-y方向中流动的电流)产生具有传输方向(沿+z方向)以及指向-x方向的自旋的自旋注入电流。所注入的自旋电流又产生自旋转矩，以在-x方向中对齐自由磁体221a(耦合到层222的she材料)。在一些实施例中，在具有she/soc效应的相反符号的材料中，自旋极化并且因而自由层磁化对齐的方向与以上所述相比是相反的。在一些实施例中，磁体221a和/或221c是顺磁体。在一些实施例中，磁体221a和/或221c能够是铁磁体或顺磁体的组合。例如，磁体221a是铁磁体，而磁体221c是顺磁体。在另一个示例中，磁体221c是铁磁体，而磁体221a是顺磁体。
图2c示出具有使其自旋平面内极化和使产生于充电电流的流动的上和下偏转的电子的soc互连222的截面230。在这个示例中，通过jc所表示的正电荷电流产生自旋前(例如在+x方向中)极化电流301和自旋后(例如在-x方向中)极化电流302。通过写电极222中的电荷电流
其中，自旋电流
所生成上和下自旋电流231/232相当于每单位面积的自旋极化电流(例如
电荷转换的这个自旋基于隧道磁阻(tmr)，其在所生成的信号强度方面受到极大限制。电荷转换的基于tmr的自旋具有低效率(例如小于一)。
图3a-b分别示出具有耦合到soc互连222的平面内mtj堆叠的装置的3d视图300和对应顶视图320。与图2a-b的装置相比，在这里，切换层321a具有膜平面(例如y平面)中的易轴，并且与沿y轴的电流共线。固定磁体321c也具有沿y平面的磁化。在材料方面，磁体321a/c与磁体221a/c相同，但是具有沿相同平面的不同磁定向。在一些实施例中，易轴与沿y轴流动的电流平行。通过沿z方向的外部磁场hz的施加，取得偶极切换。
图4a-b分别示出具有耦合到soc互连222的平面外mtj堆叠的装置的3d视图400和对应顶视图420。与图2-3的实施例相比，在这里，自由和固定磁体层(或结构)421a和421c分别具有垂直磁各向异性(pma)。例如，固定磁体结构421c具有沿z方向指向的磁化，并且与装置400的x-y平面垂直。同样，固定磁体结构421a具有沿z方向指向的磁化，并且与装置400的x-y平面垂直。
在一些实施例中，具有pma的磁体包括材料的堆叠，其中堆叠的材料从由下列项所组成的组中选取：co和pt；co和pd；co和ni；mgo、cofeb、ta、cofeb和mgo；mgo、cofeb、w、cofeb和mgo；mgo、cofeb、v、cofeb和mgo；mgo、cofeb、mo、cofeb和mgo；mnxgay；具有l10对称性的材料；以及具有四方晶体结构的材料。在一些实施例中，具有pma的磁体由一种或多种材料的单层来形成。在一些实施例中，单层由mnga来形成。
l10是fcc(面心立方晶格)结构的晶体衍生结构，并且使面中的两个面被一种类型的原子所占据，以及使角和另一面采用第二类型的原子所占据。当具有l10结构的相为铁磁时，磁化向量通常沿着晶体的[001]轴。具有l10对称性的材料的示例包括copt和fept。具有四方晶体结构和磁矩的材料的示例是赫斯勒合金，例如cofeal、mnge、mngega和mnga。
在一些实施例中，自由和固定磁层(421a和/或421c)为由cfgg组成fm。在一些实施例中，fm421a/c由赫斯勒合金来形成。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是具有某个组成和面心立方晶体结构的金属间化合物。赫斯勒合金的铁磁性质是相邻磁性离子之间的双重交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。
在一些实施例中，磁体421a和/或421c能够是铁磁体或顺磁体的组合。例如，磁体421a是铁磁体，而磁体421c是顺磁体。在另一个示例中，磁体421c是铁磁体，而磁体421a是顺磁体。在一些实施例中，磁体421a和/或421c是顺磁体。
图4a中，切换层421a具有沿平面外(z)方向的易轴。对于这种类型，施加沿y轴的外部场hy，以打破对称性并且取得偶极切换。假定用于切换的驱动力源自互连222中的自旋霍耳效应，临界电流密度jc由下式给出：
其中，e是元电荷，h是迪拉克接触，
在一些实施例中，she互连222包括自旋轨道2d材料，其包括下列一个或多个：石墨烯、tis2、ws2、mos2、tise2、wse2、mose2、b2s3、sb2s3、ta2s、re2s7、lacps2、laoass2、scobis2、gaobis2、alobis2、laosbs2、biobis2、yobis2、inobis2、laobise2、tiobis2、ceobis2、probis2、ndobis2、laobis2或srfbis2。在一些实施例中，she互连222包括自旋轨道材料，其包括2d材料或3d材料其中之一，其中3d材料比2d材料更薄。在一些实施例中，she互连222包括自旋轨道材料，其包括呈现rashba-bychkov效应的材料。
在一些实施例中，2d材料包括下列一个或多个：mo、s、w、se、石墨烯、mos2、wse2、ws2或mose2。在一些实施例中，2d材料包括吸收剂，其包括下列一个或多个：cu、ag、pt、bi、fr或h吸收剂。在一些实施例中，soc结构包括自旋轨道材料，其包括呈现rashba-bychkov效应的材料。在一些实施例中，包括呈现rashba-bychkov效应的材料的材料包括材料roch2，其中‘r’包括下列一个或多个：la、ce、pr、nd、sr、sc、ga、al或in，并且其中“ch”是包括下列一个或多个的硫属化物：s、se或te。
虽然图2-3的实施例示出均在相同平面(例如平面内或者相对于装置的x-y平面垂直)中具有磁化的磁体，但是固定和自由磁体的磁化方向能够在不同平面中。例如，固定磁层221c相对于自由磁层221a的磁化方向垂直(例如，自由和固定磁层的磁化方向不是平行的，它们而是正交的)。在另一个示例中，自由磁层221a的磁化方向是平面内的(例如沿装置的x-y平面)，而固定磁层221c的磁化方向与装置的x-y平面垂直。在另一种情况下，固定磁层221a的磁化方向是平面内的(例如沿装置的x-y平面)，而自由磁层221c的磁化方向与装置的x-y平面垂直。
图3a的装置300的切换动态与图4a的装置400的切换动态相似，其中磁化极性在施加转矩时立即发生变化。这与图2a的动态装置200形成对照，其中许多进动在极性发生变化之前发生。因此，按照一些实施例，装置300/400允许比装置200的切换时间更短的切换时间。
图5a-c示出用于切换自旋轨道转矩电极222上形成的mtj存储器装置(例如装置400)的机制。
图5a示出mtj存储器装置(例如装置400)，其中mtj421设置在自旋轨道转矩电极222上，以及自由磁体421a(又称作存储层421a)的磁化在与固定磁体421c的磁化556相同的方向中。在一些实施例中，存储层421a的磁化554的方向以及固定磁体421c的磁化556的方向如图5a中所示均在负z方向中。当存储层421a的磁化554在与固定磁体421c的磁化556相同的方向中时，mtj存储器装置400处于低电阻状态。相反，当存储层421a的磁化554在与固定磁体421c的磁化556相反的方向中时，mtj存储器装置400处于高电阻状态。
图5b示出切换到高电阻状态的sot存储器装置(例如装置400)。在实施例中，图5b的存储层421a的磁化554的方向与存储层421a的磁化554的方向相比的反转通过以下所引起：(a在沿y方向中感应自旋轨道转矩电极222中的自旋霍耳电流568；(b)通过施加自旋转矩转移电流570isttm(通过在端子b施加相对接地c的正电压)；和/或(c)通过在y方向中施加外部磁场hy。
在实施例中，电荷电流560在负y方向中经过自旋轨道转矩电极222(通过在端子a施加相对接地c的正电压)。响应电荷电流560，电子电流562在正y方向中流动。电子电流562包括具有两个相反自旋定向的电子，并且在自旋轨道转矩电极222中遭遇自旋相关散射现象。
电子电流562包括具有两个相反自旋定向的电子，具有定向在负x方向中的自旋的类型i电子566以及具有定向在正x方向中的自旋的类型ii电子564。在一些实施例中，组成电子电流562的电子在自旋轨道转矩电极222中遭遇自旋相关散射现象。自旋相关散射现象通过自旋轨道转矩电极222中的原子核和电子电流562中的电子之间的自旋轨道交互所引起。自旋相关散射现象使类型i电子566(其自旋被定向在负x方向中)向上朝自旋轨道转矩电极222的最上部分偏转，并且使类型ii电子564(其自旋被定向在正x方向中)向下朝自旋轨道转矩电极222的最下部分偏转。
类型i电子自旋角矩566和类型ii电子自旋角矩564之间的分隔感生自旋轨道转矩电极222中的极化自旋扩散电流568。在一些实施例中，极化自旋扩散电流568被指引向上朝mtj存储器装置400的自由磁体421a，如图5b中所示。极化自旋扩散电流568感生对自由磁体421a的磁化554的自旋霍耳转矩。自旋霍耳转矩将磁化554旋转到指向在负x方向中的暂时状态。在一些实施例中，为了完成磁化反转过程，施加附加转矩。流经mtj存储器装置400的isttm电流570对存储层421a的磁化554施加附加转矩。自旋霍耳转矩和自旋转移转矩的组合引起存储层421a中的磁化554从中间磁化状态(负x方向)到图5b中所示的正z方向的翻转。在一些实施例中，能够通过在y方向中施加外部磁场hy(如图5b中所示)而不是施加isttm电流570来对存储层421a施加附加转矩。
图5c示出切换到低电阻状态的sot存储器装置。在实施例中，图5c中的存储层421a的磁化554的方向与图5b中的存储层421a的磁化554的方向相比的反转通过以下所引起：(a)反转自旋轨道转矩电极222中的自旋霍耳电流568；(b)通过反转isttm电流570的方向；和/或(c)通过反转外部磁场hy的方向。
图6a示出图表620，其示出一个晶体管和具有she材料的一个mtj(例如装置200或300其中之一)与传统mtj相比的写能量延迟条件。图6b示出图表630，其示出一个晶体管和具有she材料的一个mtj(例如装置200或300其中之一)与传统mtj相比的写能量延迟条件。在这里，x轴是单位为毫微微焦耳(fj)的每写操作的能量，而y轴是单位为纳秒(ns)的延迟。
在这里，对于当所施加的写电压改变时的平面内磁体切换来比较she和mtj装置(例如装置200或300其中之一)的能量延迟轨迹。能量延迟关系(对于平面内切换)能够写作：
其中，rwrite是装置的写电阻(she电极的电阻或者mtj-p或mtj-ap的电阻，其中mtj-p是具有平行磁化的mtj，而mtj-ap是具有反平行磁化的mtj)，
例如，曲线621示出通过将磁体从反平行(ap)切换到平行(p)状态所引起的写能量延迟条件，而曲线622示出通过将磁体从p切换到ap状态所引起的写能量延迟条件。曲线622、623和624示出具有she材料的mtj的写能量延迟条件。显然，具有she材料的mtj(例如装置200或300其中之一)的写能量延迟条件比没有she材料的mtj(装置未示出)的写能量延迟条件更低许多。虽然具有she材料的mtj(例如装置200或300其中之一)的写能量延迟改进成优于没有she材料的传统mtj，但是期望写能量延迟方面的进一步改进。
图6b示出比较自旋霍耳mram和自旋转矩mram的可靠写时间的图表630。图表630中存在所考虑的三种情况。波形631是平面内mtj的写时间，波形632是pmamtj的写时间，以及波形633是自旋霍耳mtj的写时间。这里所考虑的情况假定具有40kt能量势垒和3.5nmshe电极厚度的30×60nm磁体。得到装置的能量延迟轨迹，假定按照缩放的cmos的电压限制从0v到0.7v的电压扫描。she-mtj装置的能量延迟轨迹广泛地呈现两个操作区域，a)区域1，其中能量延迟乘积大致为常数
stt-mtj(自旋转移转矩mtj)装置的能量延迟轨迹在0.7v最大施加的电压对平面内装置以1ns的最小延迟来限制，p-ap和ap-p的切换能量在1pj/写的范围中。相比之下，she-mtj(平面内各向异性)装置的能量延迟轨迹能够实现低至20ps的切换时间(具有0.7v、20fj/比特的β-w)或者小至2fj的切换能量(具有0.1v、1.5ns切换时间的β-w)。
图7a-b分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图700和对应截面图720，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结以及磁结和soc互连之间的插入层。
图7a的装置与图4a的装置相似。在这里，图4a的自由磁体421a利用包括层或膜的堆叠的结构来替换。磁结通过参考标号721示出，其中层221b(例如电介质或金属/金属氧化物)之下的层共同形成包括结的自由磁体的自由磁体结构。
在一些实施例中，结构替换自由磁体421a包括在它们之间具有耦合层721ab的至少两个自由磁体721aa和721ac，其中自由磁体之一耦合到插入层725(或者与其相邻)。在一些实施例中，插入层725耦合到soc电极222(或者与其相邻)。
在一些实施例中，插入层725包括下列中的一个或多个：hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au。在一些实施例中，插入物包括具有以上列出的元素之一的化合物。例如，hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au的合金能够用于制作插入物。在一些实施例中，插入物包括来自上述列表的单个元素。在一些实施例中，插入物是非磁性化合物。按照一些实施例，ti插入物725的厚度范围能够为0.1nm(纳米)至7nm。
在插入层725不存在的情况下，高dmi存在于任何soc/sot电极以及与其相邻的自由层磁体的界面。较大dmi意味着较大平面内磁场将要被施加以保持有效地sot切换。各个实施例的插入层725降低在soc互连222和自由磁体721aa的界面处的dmi，以允许以低平面内场的效率自旋轨道耦合或转矩转导。插入层725还充当匹配层，以降低自旋存储器损失影响。例如，插入层725的晶格结构与soc互连222的晶格结构匹配，并且这个匹配降低自旋存储器损失影响。
在一些实施例中，soc互连222包括掺杂的afm。例如，互连222的afm通过下列之一来掺杂：氧、氮或者具有大自旋翻转长度和小热迁移率的重金属(诸如ta、pt、w、mo、co、ni和其他)。在一些实施例中，互连22的afm对自由层721aa/421a施加sot和平面内交换偏置。在一些实施例中，互连222的afm采用下列之一来掺杂：co、fe、ni、mnga、mngega或bct-ru。在一些实施例中，掺杂材料能够是：irmn、ptmn、nimn或其他三角形、kagomi、手性或六边形反铁磁体以及采取其单晶体形式或者各种组成中的非晶合金。在一些实施例中，掺杂能够通过共溅射和/或在氧或氮的情况下的反应离子溅射来完成。在一些实施例中，氧、氟掺杂能够通过等离子体处理来完成。
在一些实施例中，自由磁体结构的另一自由磁体721ac耦合到电介质(例如当磁结为mtj时)或者金属或其氧化物(例如当磁结为自旋阀时)或者与其相邻。在一些实施例中，自由磁体结构包括：第一自由磁体721aa，其具有能够按照外部场(例如自旋转矩、自旋耦合、电场)充分地沿+z轴或-z轴指向的垂直磁化；耦合层721ab；以及第二自由磁体721ac，其具有能够充分地沿+z轴或-z轴指向的垂直磁化。在各个实施例中，第二自由磁体721ac与层221b(例如电介质或金属/金属氧化物)相邻。
虽然这里的各个实施例示出与插入层725(其与自旋霍耳效应写电极222相邻)相邻的多层自由磁体结构的使用，但是实施例可适用于规则自旋转移转矩(sot)电极(未示出)，其能够替换自旋霍耳效应写电极222。按照一些实施例，tsoc互连222的厚度的范围为0.1nm至20nm。
在一些实施例中，耦合层721ab包括下列中的一个或多个：ru、os、hs、fe或者来自周期表的铂组的其他过渡金属。在一些实施例中，磁体721aa、721ac和724包括cfgg。在一些实施例中，磁体721aa、721ac和724由赫斯勒合金来形成。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一个或多个。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mnga、co2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。
在一些实施例中，具有pma的磁体721aa和721ac包括材料的堆叠，其中堆叠的材料从包括下列项的组中选取：co和pt；co和pd；co和ni；mgo、cofeb、ta、cofeb和mgo；mgo、cofeb、w、cofeb和mgo；mgo、cofeb、v、cofeb和mgo；mgo、cofeb、mo、cofeb和mgo；mnxgay；具有l10对称性的材料；或者具有四方晶体结构的材料。在一些实施例中，具有pma的磁体由一种或多种材料的单层来形成。在一些实施例中，单层包括mn和ga(例如mnga)。
图7c-d分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图730和对应截面图740，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结以及磁结和具有反铁磁(afm)材料的合成互连之间的插入层。图7c-d的装置与图7a-b的装置相似，除了互连222的组成之外。在这里，按照一些实施例，互连222利用合成互连722来替换。按照一些实施例，tn的厚度处于0.1nm至20nm的范围中。在一些实施例中，合成互连722包括722a和722b的两个或更多层。在一些实施例中，722a和722b的两个或更多层包括afm材料。在各个实施例中，层722a(其与插入层725直接接触)包括与其他非722a层相比具有最高自旋轨道转矩的afm材料。在一些实施例中，互连722的afm材料对自由层721aa施加界面平面内交换偏置。在一些实施例中，afm材料包括下列之一：ir、pt、mn、pd或fe。在一些实施例中，afm材料是包括ni(1-x)mxga2s4的准二维三角形afm，其中‘m’包括下列之一：mn、fe、co或zn。按照一些实施例，ta和tb的厚度处于0.1nm至8nm的范围中。
图7e-f分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图750和对应截面图760，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及磁结和soc互连之间的插入层以及包括与soc互连相邻的平面内磁体的通孔。
在一些实施例中，图7e-f的装置包括平面内固定磁体726，其与互连222/722的表面之一相邻，使得插入层725与另一表面(其与互连222/722的表面相对)相邻。在一些实施例中，平面内固定磁体726在尺寸上足够厚或足够长，其产生对垂直自由磁体721aa和/或721ac施加有效平面内场以用于自由磁体721aa和/或721ac的更快切换的稳定平面内磁体。按照一些实施例，平面内固定磁体726厚度tm处于1nm至20nm的范围中。有效平面内场能够经由来自平面内固定磁体726的交换偏置交互或偶极耦合来施加。例如，平面内磁体726具有沿x方向或y方向指向的磁化，并且与装置750的x-y平面平行。在这里，结构中的自由磁体的切换速度对相同功率消耗改进成优于图4a的自由磁体421a的切换速度。
图7g-h分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图750和对应截面图760，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及磁结和soc互连之间的插入层以及包括平面内磁体和afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔。
图7g的装置与图7e的装置相似，除了磁通孔中的afm727的添加之外。在一些实施例中，磁通孔的平面内固定磁体726耦合到平面内afm或合成afm(saf)727(其也形成在磁通孔中)或者与其相邻。afm727和平面内固定磁体726的顺序能够交换。例如，在一些实施例中，afm727与互连222/722相邻，而平面内固定磁体726在afm727下方而没有与互连222/722直接接触。
在一些实施例中，afm或saf727包括一种材料，其包括下列中的一个或多个：ir、pt、mn、pd或fe。在一些实施例中，afm或saf727是包括ni(1-x)mxga2s4的准二维三角形afm，其中‘m’包括下列之一：mn、fe、co或zn。在一些实施例中，afm或saf727包括具有平面内磁化的一对固定磁体727a和727c以及固定磁体727a和727c之间的耦合层727b。在一些实施例中，固定磁体727a/c的材料能够按照本文所述磁体的材料的任一种。在各个实施例中，固定磁体727a/c是平面内磁体。在一些实施例中，耦合层727b的材料能够是与耦合层721ab的材料相同的材料(或者从材料的相同组中选取)。在技术效果方面，图7g的装置与图7a的装置类似地执行，并且相对于自由磁体221a的切换速度改进自由磁体721aa和721ac的切换速度。
图7i-j分别示出按照本公开的一些实施例的装置的3d视图770和对应截面图780，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结、以及磁结和soc互连之间的插入层(其中afm嵌入soc互连中)以及包括与afm相邻的平面内磁体的通孔。
图7i的装置与图7g的装置相似，除了afm727如与soc互连222相邻的afm728一样也结合在磁通孔外部。在一些实施例中，afm728能够在制作soc互连222时表现为蚀刻终止层。因此移除用于形成蚀刻终止层的一个或多个附加过程。在各个实施例中，afm728帮助利用平面内磁化使磁体726的磁化保持稳定。在一些实施例中，afm728还包括具有平面内磁化的一对固定磁体(未示出)以及固定磁体(像afm727)之间的耦合层。在技术效果方面，图7i的装置与图7g的装置类似地执行，并且相对于有单独的she电极222对自由磁体221a的切换速度改进自由磁体721aa和721ac的切换速度。
图8a示出按照本公开的一些实施例的装置800的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结(其中磁结的自由磁体结构包括具有垂直磁化801、802和803的磁体的堆叠)、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层。
这里的磁结通过参考标号821示出，其中层221b(例如电介质或金属/金属氧化物)之下的层共同形成包括结的自由磁体的结构。图8a的装置与图7a的装置相似，除了自由磁体721aa和721ae利用具有多个层的合成磁体来替换。
在一些实施例中，多层自由磁体821aa的合成堆叠包括第一材料和第二材料的‘n’个层。例如，合成堆叠包括按照交替方式所堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中‘n’具有1至10的范围。在一些实施例中，第一材料包括下列之一：co、ni、fe或赫斯勒合金。在一些实施例中，第二材料包括下列之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一个或多个。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。在一些实施例中，第一材料具有0.6nm至2nm的范围中的厚度t1。在一些实施例中，第二材料具有0.1nm至3nm的范围中的厚度t2。虽然这里的实施例示出第一材料处于底部，之后接着第二材料，但是顺序能够反转，而没有改变技术效果。在各个实施例中，自由磁体结构821aa经由插入层725来耦合到互连222/722。
在一些实施例中，多层自由磁体821bb的合成堆叠包括第一材料和第二材料的‘n’个层。例如，合成堆叠包括按照交替方式所堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中‘n’具有1至10的范围。在一些实施例中，第一材料包括下列之一：co、ni、fe或赫斯勒合金。在一些实施例中，第二材料包括下列之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一个或多个。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。在一些实施例中，第一材料具有0.6nm至2nm的范围中的厚度t1。在一些实施例中，第二材料具有0.1nm至3nm的范围中的厚度t2。虽然这里的实施例示出第一材料处于底部，之后接着第二材料，但是顺序能够反转，而没有改变技术效果。
图7a-j的实施例能够按照任何顺序来混合。例如，平面内磁体726能够利用afm磁体来替换，具有自由磁体和耦合层的自由磁体结构能够利用具有自由磁化的单个磁体来替换等。在一些实施例中，磁体(自由和/或固定)也能够是顺磁体。
图8b示出按照本公开的一些实施例的装置830的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结(其中磁结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠)、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层。
在这里，图8a的固定磁体221c利用合成堆叠来替换。因此，磁结被标记为831。在一些实施例中，多层固定磁体821cc的合成堆叠包括第一材料和第二材料的‘n’个层。例如，合成堆叠包括按照交替方式所堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中‘n’具有1至10的范围。在一些实施例中，第一材料包括下列之一：co、ni、fe或赫斯勒合金。在一些实施例中，第二材料包括下列之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一个或多个。在一些实施例中，赫斯勒合金包括下列之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。在一些实施例中，第一材料具有0.6nm至2nm的范围中的厚度t3。在一些实施例中，第二材料具有0.1nm至3nm的范围中的厚度t4。虽然这里的实施例示出第一材料处于底部，之后接着第二材料，但是顺序能够反转，而没有改变技术效果。
图8c示出按照本公开的一些实施例的装置850的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结(其中磁结的固定磁体结构以及自由磁体结构的自由磁体之一包括具有垂直磁化的磁体的堆叠)、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层。在这里，图8c的自由磁体821bb利用非合成自由磁体721ac来替换。因此，磁结被标记为851。
图8d示出按照本公开的一些实施例的装置860的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结(其中磁结的固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠)、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层。在这里，图8d的自由磁体821aa利用非合成自由磁体721aa来替换。因此，磁结被标记为861。
图8e示出按照本公开的一些实施例的装置870的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结(其中磁结的固定磁体结构以及自由磁体结构的自由磁体之一包括具有垂直磁化的磁体的堆叠)、以及包括平面内磁体和/或afm(其中之一与soc互连相邻)的通孔以及磁结和互连之间的插入层。在这里，图8b的自由磁体821aa利用非合成自由磁体721aa来替换。
图8f示出按照本公开的一些实施例的装置880的截面，该装置具有带有磁体(其具有垂直磁化)的磁结(其中磁结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠)、以及包括与afm(其嵌入soc互连中)相邻的平面内磁体的通孔以及磁结和互连之间的插入层。在这里与图8f相比，afm727从磁通孔中去除，并且作为层728集成在soc互连222中。
图9a示出图表900，其示出按照本公开的一些实施例的捕获自由磁体结构(其通过soc互连之下的磁通孔以及磁结和互连之间的插入层来交换耦合或偏置)的切换的自旋极化。图9b示出按照本公开的一些实施例的与图9a关联的磁化图表920。
图表900示出具有pma的自旋轨道转矩装置的切换。在这里，波形901、902和903分别表示x、y和z轴上的磁化投影。磁体开始于-1的z磁化。从5ns(纳秒)至50ns来施加正自旋轨道转矩(sot)。它引起将z磁化切换到1。然后，在120ns和160ns之间施加负自旋轨道转矩。它引起将z磁化切换到1。这示出响应于某个极性的写电荷电流的磁化的改变。
图9c示出图表930，其示出按照本公开的一些实施例的捕获自由磁体结构(其通过soc互连之下的磁通孔以及磁结和互连之间的插入层来交换耦合或偏置)的切换的自旋极化。图9d示出按照本公开的一些实施例的与图9c关联的磁化图表940。
在这里，波形931、932和933分别表示x、y和z轴上的磁化投影。与图9c的情况的差别在于，从5ns至50ns施加负自旋轨道转矩(sot)。因此，z磁化保持为接近-1。这示出响应于相反极性的写电荷电流的磁化的持续性。
图10a-c分别示出按照一些实施例的耦合到晶体管和比特线的sot存储器装置1000a、1000b和1000c(例如图7-8的装置的任一个)的截面图。
在实施例中，晶体管是n型晶体管nm，其具有源极区1002、漏极区1004和栅极1006。晶体管nm还包括：栅极触点1014，设置在栅极1006上方并且与其电耦合；源极触点1016，设置在源极区1002上方并且与其电耦合；以及漏极触点718，设置在漏极区1004上方并且与其电耦合。在一些实施例中，sot存储器装置(诸如图7-8的sot存储器装置)设置在晶体管上方。虽然利用n型晶体管nm示出实施例，但是晶体管能够利用p型晶体管来替换。
在一些实施例中，sot存储器装置包括：自旋轨道转矩电极，诸如自旋轨道转矩电极222/722；设置在自旋轨道转矩电极222上的磁隧道结存储器装置，诸如mtj721/821/831/841/851/861/871，；以及设置在mtj221/321/421上并且与其耦合的传导互连结构，例如传导互连结构708(例如结构708a/b)。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222设置在晶体管700的漏极触点718上。
在一些实施例中，mtj存储器装置(例如，其包括mtj721/821/831/841/851/861/871)包括与图2-8关联描述的单独功能层。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222具有长度lsot，其小于漏极触点1018与源极触点1016之间的分隔距离lds。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222的一部分在栅电极1012和栅极触点1014上方延伸。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222的一部分在栅电极1012之上延伸。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222如图7a所示处于第一y-z平面中。
在一些实施例中，栅极触点1014处于自旋轨道转矩电极222的正下方。在一些实施例中，字线(wl)触点1070设置到自旋轨道转矩电极222的第一y-z平面背后(进入页面)的第二y-z平面上的栅极触点1014上。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222(其可以不接触字线触点)设置在栅电极1012上。
在一些实施例中，与衬底1001关联的晶体管nm是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet或者简单地称作mos晶体管)，其在衬底1001上制作。在本公开的各个实施例中，晶体管可以是平面晶体管、非平面晶体管或两者的组合。非平面晶体管包括finfet晶体管(诸如双栅晶体管和三栅晶体管)以及回绕或环绕栅晶体管(诸如纳米带和纳米线晶体管)。在实施例中，晶体管是三栅晶体管。
在一些实施例中，电压vds施加在比特线(bl)1030和源线(sl)1040之间，以及字线1050被激励成高于晶体管上的阈值电压vth。在一些实施例中，电子电流(自旋霍耳电流)流经自旋轨道转矩电极222，并且使自旋扩散电流朝mtj存储器装置200/300/400流动。自旋扩散电流对mtj721/821/831/841/851/861/871的自由磁体721aa/821aa的磁化施加转矩。
在一些实施例中，通过在比特线1030和源线1040之间施加电压vds，电流能够流经图7-8的mtj存储器装置。在一些实施例中，等于或大于阈值电压vts的电压vds足以生成经过mtj721/821/831/841/851/861/871的自旋极化电流。在一些实施例中，流经mtj221/321/421的自旋转移转矩电流还对自由磁体421a/721aa/821aa赋予转矩，从而加入来自自旋扩散电流的转矩。在一些实施例中，自旋转移转矩和自旋扩散转矩的组合效果能够切换自由磁体421a/721aa//821aa的磁化。在一些实施例中，通过反转电压vds的极性，并且施加满足或超过阈值电压的电压，自由磁体421a/721aa/821aa的磁化的方向切换回前一配置。
在一些实施例中，通过在比特线1030和源线1040之间施加电压，并且通过在晶体管的字线1050上施加高于阈值电压vth的电压，图7-8的mtj存储器装置能够经过磁化切换，而无需附加电压源(例如第二晶体管)。在一些实施例中，在晶体管上方实现图7-8的sot存储器装置能够将管芯的给定面积中的图7-8的sot存储器装置的数量增加到至少两倍。
在一些实施例中，基础衬底1001表示用来制造集成电路的表面。在一些实施例中，衬底1001包括适当半导体材料，诸如但不限于单晶硅、多晶硅和绝缘体上硅(soi)。在另一个实施例中，衬底1001包括其他半导体材料，例如锗、硅锗或者适当iii-v族或iii-n族化合物。衬底1001还可包括半导体材料、金属、掺杂剂以及常见于半导体衬底中的其他材料。
在一些实施例中，晶体管包括栅极堆叠，其由至少二个层、即栅极介电层1010和栅极电极层1012所形成。栅极介电层1010可包括一层或者层的堆叠。一个或多个层可包括氧化硅、二氧化硅(sio2)和/或高k介电材料。高k介电材料可包括诸如铪、硅、氧、钛、钽、镧、铝、锆、钡、锶、钇、铅、钪、铌和锌之类的元素。可用于栅极介电层中的高k材料的示例包括但不限于氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钽、氧化钛、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽和铌锌酸铅。在一些实施例中，退火过程可对栅极介电层1010执行，以在使用高k材料时改进其质量。
晶体管700的栅极电极层1012在栅极介电层1010上形成，并且可由至少一个p型功函数金属或n型功函数金属组成，这取决于晶体管将是pmos还是nmos晶体管。在一些实施例中，栅极电极层1012可包括两个或更多金属层的堆叠，其中一个或多个金属层是功函数金属层，而至少一个金属层是传导填充层。
对于pmos晶体管，可用于栅极电极层1012的金属包括但不限于钌、钯、铂、钴、镍和导电金属氧化物(例如氧化钌)。p型金属层将实现具有在大约4.9ev和大约5.2ev之间的功函数的pmos栅极电极层1012的形成。对于nmos晶体管，可用于栅极电极层1012的金属包括但不限于铪、锆、钛、钽、铝、这些金属的合金以及这些金属的碳化物(例如碳化铪、碳化锆、碳化钛、碳化钽和碳化铝)。n型金属层将实现具有在大约3.9ev和大约4.2ev之间的功函数的nmos栅极电极层1012的形成。
在一些实施例中，栅极电极层1012可包括“u”形结构，其包括与衬底表面充分地平行的底部部分以及与衬底的顶面充分地垂直的两个侧壁部分。在另一个实施例中，形成栅极电极层1012的金属层的至少一个可以只是平面层，其与衬底的顶面充分地平行，并且不包括与衬底的顶面充分地垂直的侧壁部分。在本公开的一些实施例中，栅极电极层1012可由u形结构和平面、非u形结构的组合组成。例如，栅极电极层1012可由一个或多个u形金属层(其在一个或多个平面顶部形成)、非u形层组成。
在一些实施例中，一对栅极介电层1010可在栅极堆叠的相对侧上形成，其托住栅极堆叠。栅极介电层710可由诸如氮化硅、氧化硅、碳化硅、掺杂有碳的氮化硅和氧氮化硅的材料来形成。用于形成侧壁间隔体的过程是本领域众所周知的，并且一般包括沉积和蚀刻过程操作。在一些实施例中，可使用多个间隔体对，例如二对、三对或四对侧壁间隔体可在栅极堆叠的相对侧上形成。
在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004在衬底内与晶体管的栅极堆叠相邻地形成。源极区1002和漏极区1004一般使用注入/扩散过程或蚀刻/沉积过程来形成。在前一过程中，掺杂剂(诸如硼、铝、锑、磷或砷)可离子注入到衬底中，以形成源极区1002和漏极区1004。激活掺杂剂并且使其进一步扩散到衬底中的退火过程通常跟随离子注入过程。在后一过程中，衬底可首先被蚀刻，以在源极区和漏极区的位置处形成凹口。然后可执行外延沉积过程，以利用用来制作源极区1002和漏极区1004的材料来填充凹口。在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004可使用硅合金(诸如硅锗或碳化硅)来制作。在一些实施例中，外延沉积硅合金可利用掺杂剂(诸如硼、砷或磷)在原位掺杂。在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004可使用一个或多个备选半导体材料(诸如锗或适当iii-v族化合物)来形成。在一些实施例中，金属和/或金属合金的一个或多个层可用来形成源极区1002和漏极区1004。
在一些实施例中，晶体管700的栅极触点1014和漏极触点1018设置在第一介电层1020(其设置在衬底1001上方)中。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极222设置在第二介电层1022(其设置在第一介电层1020上)中。在一些实施例中，第三介电层1024设置在第二介电层1022上。在一些实施例中，第四介电层1026设置在第三介电层1024上。在一些实施例中，源极触点1016部分设置在第四介电层1026中，部分设置在第三介电层1024中，部分设置在第二介电层1022中，并且部分设置在第一介电层1020中。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极触点设置在自旋轨道转矩电极222上的第三介电层1024中。在一些实施例中，传导互连结构(诸如传导互连结构1008a/b)设置在第四介电层1026中。
栅极触点1014在多(poly)区域中形成；漏极触点1018在有源、多和金属0(m0)中形成；sot或she电极222在通孔0-1层中形成；mtj721/821/831/841/851/861/871在金属1(m1)和通孔1-2中形成；触点708a在金属2(m2)和通孔2-3中形成；以及导体1008b在金属3(m3)中形成。
在一些实施例中，磁结(例如mtj721/821/831/841/851/861/871或自旋阀)在金属3(m3)区域中形成。在一些实施例中，磁结721/821/831/841/851/861/871的自由磁体层421a耦合到自旋霍耳电极222。在一些实施例中，磁结721/821/831/841/851/861/871的固定磁体层421c/821cc经过通孔3-4经由自旋霍耳电极222来耦合到比特线(bl)(例如经由将金属4区域连接到金属4(m4))。在这个示例实施例中，比特线在m4上形成。
在一些实施例中，n型晶体管mn在管芯的前端中形成，而自旋霍耳电极222位于管芯的后端中。在这里，术语“后端”一般指与“前端”相对并且其中ic(集成电路)封装耦合到ic管芯焊盘的管芯的一段。例如，高级金属层(例如十金属堆叠管芯中的金属层6及以上)和对应通孔(其更靠近管芯封装)被认为是管芯的后端的组成部分。相反，术语“前端”一般指包括有源区域(例如其中制作晶体管)和低级金属层及对应通孔(其更靠近有源区域(例如十金属堆叠管芯示例中的金属层5及以下))的管芯的一段。在一些实施例中，自旋霍耳电极222位于后端金属层或通孔层中(例如通孔3中)。在一些实施例中，到装置的电连通性在层m0和m4或m1和m5或者两个平行互连的任何集合中得到。在一些实施例中，mtj721/821/831/841/851/861/871在金属2(m2)和金属1(m1)层区域和/或通孔1-2区域中形成。在一些实施例中，自旋霍耳电极222在金属1区域中形成。
图11示出按照一些实施例的形成图7-8的装置的方法的流程图1100。虽然流程图中的以下框(或处理操作)按照某个顺序来步骤，但是顺序能够改变。在一些实施例中，一些框能够并行地执行。在框1101，形成磁结，其带有具有第一磁化(例如垂直磁化)的磁体。在框1102，形成与磁结相邻的第一结构(例如插入层725)。在框1103，形成与第一结构相邻的互连(例如222/722或者222和728的组合)。在一些实施例中，在框1104，形成与互连相邻的第二结构(例如磁通孔)，使得第一结构和第二结构处于互连的相对表面上，其中第二结构包括具有与第一磁化充分地不同的第二磁化的磁体。例如，第二结构的磁体具有平面内磁化。
图12示出图表1200，其示出因soc互连和磁结之间的插入物引起的切换效率的改进。在这里，x轴是sot互连222/722中的平面内场，而y轴是效率(例如切换场/电流密度)。图表1200示出没有插入物725的波形1201及关联效率、具有插入物725的波形1202及关联效率。图表1200示出，利用插入物725，并且利用相同平面内场，效率比没有插入物725的磁存储器更高。
图13示出按照本公开的一些实施例的具有基于磁结的存储器(其带有具有用于soc互连中的偶极和交换耦合的通孔以及磁结和互连之间的插入层)的智能装置或计算机系统或soc(芯片上系统)。
为了实施例的目的，这里所述的各种电路和逻辑块中的晶体管是金属氧化物半导体(mos)晶体管或者其衍生物，其中mos晶体管包括漏极、源极、栅极和体端子。晶体管和/或mos晶体管衍生物还包括三栅和finfet晶体管、环栅圆柱晶体管、隧穿fet(tfet)、方形线或矩形带晶体管、铁电fet(fefet)或者实现晶体管功能性的其他装置(像碳纳米管或自旋电子装置)。mosfet对称源极和漏极端子(即)是相同端子，并且在这里可互换地使用。另一方面，tfet装置具有不对称源极和漏极端子。本领域的技术人员将会理解，可使用例如双极结晶体管(bjtpnp/npn)、bicmos、cmos等的其他晶体管，而没有背离本公开的范围。
图13示出其中可使用平坦表面接口连接器的移动装置的实施例的框图。在一些实施例中，计算装置1600表示移动计算装置，例如计算平板、移动电话或智能电话、无线使能电子阅读器或其他移动装置。将会理解，一般示出某些组件，并且并非在计算装置1600中示出这种装置的所有组件。
在一些实施例中，按照所述的一些实施例，计算装置1600包括第一处理器1610，其具有按照图7-8的装置的任一个的一个或多个装置。按照一些实施例，计算装置1600的其他块还可包括按照图7-8的装置的任一个的一个或多个装置。本公开的各个实施例还可包括1670中的网络接口（诸如无线接口），使得系统实施例可结合到无线装置、例如蜂窝电话或个人数字助理中。
在一些实施例中，处理器1610(和/或处理器1690)能够包括一个或多个物理装置，例如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑装置或者其他处理部件。由处理器1610所执行的处理操作包括操作平台或操作系统(其上执行应用和/或装置功能)的执行。处理操作包括与人类用户或者与其他装置的i/o(输入/输出)相关的操作、与功率管理相关的操作和/或与将计算装置1600连接到另一个装置相关的操作。处理操作还可包括与音频i/o和/或显示i/o相关的操作。
在一些实施例中，计算装置1600包括音频子系统1620，其表示与向计算装置提供音频功能关联的硬件(例如音频硬件和音频电路)以及软件(例如驱动程序、编解码器)组件。音频功能能够包括扬声器和/或耳机输出以及麦克风输入。用于这类功能的装置能够集成到计算装置1600中或者连接到计算装置1600。在一个实施例中，用户通过提供音频命令(其由处理器1610来接收和处理)来与计算装置1600进行交互。
在一些实施例中，计算装置1600包括显示子系统1630。显示子系统1630表示提供视觉和/或触觉显示以用于用户与计算装置1600进行交互的硬件(例如显示装置)和软件(例如驱动程序)组件。显示子系统1630包括显示接口1632，其包括用来向用户提供显示的特定屏幕或硬件装置。在一个实施例中，显示接口1632包括与处理器1610分开的、用于执行与显示相关的至少某个处理的逻辑。在一个实施例中，显示子系统1630包括触摸屏(或触摸垫)装置，其向用户提供输出和输入两者。
在一些实施例中，计算装置1600包括i/o控制器1640。i/o控制器1640表示与用户的相交相关的硬件装置和软件组件。i/o控制器1640可操作以管理硬件，其作为音频子系统1620和/或显示子系统1630的一部分。另外，i/o控制器1640示出连接到计算装置1600的附加装置的连接点，用户通过其可与系统进行交互。例如，能够附连到计算装置1600的装置可包括麦克风装置、扬声器或立体声系统、视频系统或其他显示装置、键盘或小键盘装置或者其他i/o装置，以用于与诸如读卡器或其他装置之类的特定应用一起使用。
如上所述，i/o控制器1640能够与音频子系统1620和/或显示子系统1630进行交互。例如，经过话筒或另一音频装置的输入能够为计算装置1600的一个或多个应用或功能提供输入或命令。另外，除了显示输出之外还能够提供音频输出，或者能够提供音频输出替代显示输出。在另一个示例中，如果显示子系统1630包括触摸屏，则显示装置还充当输入装置，其能够至少部分由i/o控制器1640来管理。计算装置1600上还能够存在附加按钮或开关，以提供由i/o控制器1640所管理的i/o功能。
在一些实施例中，i/o控制器1640管理装置，例如加速计、相机、光传感器或其他环境传感器或者能够被包括在计算装置1600中的其他硬件。输入能够是直接用户交互的一部分，以及向系统提供环境输入以影响其操作(诸如对噪声的滤波、对亮度检测调整显示、对相机应用闪光或者其他特征)。
在一些实施例中，装置1600包括电源管理1650，其管理电池电力使用、电池的充电以及与省电操作相关的特征。存储器子系统1660包括用于存储计算装置1600中的信息的存储器装置。存储器能够包括非易失性(状态在中断到存储器装置的电力的情况下不改变)和/或易失性(状态在中断到存储器装置的电力的情况下是不确定的)存储器装置。存储器子系统1660能够存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或其他数据以及与计算装置1600的应用和功能的执行相关的系统数据(无论是长期还是暂时)。
实施例的元件还作为用于存储计算机可执行指令(例如实现本文所述的任何其他过程的指令)的机器可读介质(例如存储器1660)来提供。机器可读介质(例如存储器1660)可包括但不限于闪速存储器、光盘、cd-rom、dvdrom、ram、eprom、eeprom、磁卡或光卡、相变存储器(pcm)或者适合于存储电子或计算机可执行指令的其他类型的机器可读介质。例如，本公开的实施例可作为计算机程序(例如bios)来下载，该计算机程序可通过数据信号经由通信链路(例如调制解调器或网络连接)从远程计算机(例如服务器)被传递给进行请求的计算机(例如客户端)。
在一些实施例中，计算装置1600包括连通性1670。连通性1670包括硬件装置(例如无线和/或有线连接器和通信硬件)和软件组件(例如驱动程序、协议栈)，以使计算装置1600能够与外部装置进行通信。计算装置1600可能是独立装置(诸如其他计算装置、无线接入点或基站)以及外设(诸如耳机、打印机或其他装置)。
连通性1670能够包括多个不同类型的连通性。一般来说，计算装置1600示为具有蜂窝连通性1672和无线连通性1674。蜂窝连通性1672一般指由无线载体所提供的蜂窝网络连通性，诸如经由gsm(全球移动通信系统)或者变化或衍生、cdma(码分多址)或者变化或衍生、tdm(时分复用)或者变化或衍生或者其他蜂窝服务标准所提供的。无线连通性(或无线接口)1674指不是蜂窝的无线连通性，并且能够包括个人区域网络(例如蓝牙、近场等)、局域网(例如wi-fi)和/或广域网(例如wimax)或者其他无线通信。
在一些实施例中，计算装置1600包括外设连接1680。外设连接1680包括硬件接口和连接器以及软件组件(例如驱动程序、协议栈)，以进行外设连接。将会理解，计算装置1600可能即是其他计算装置的外设装置(“至”1682)又具有与其连接的外设装置(“自”1684)。计算装置1600通常具有“对接”连接器，以便连接到其他计算装置，以用于诸如管理(例如下载和/或上传、改变、同步)计算装置1600上的内容的用途。另外，对接连接器能够允许计算装置1600连接到某些外设，其允许计算装置1600控制例如向视听或其他系统的内容输出。
除了专利对接连接器或其他专利连接硬件之外，计算装置1600还能够经由通用或者基于标准的连接器来进行外设连接1680。通用类型能够包括通用串行总线(usb)连接器(其能够包括多个不同硬件接口的任一个)、包括微型显示端口(mdp)的显示端口、高清晰度多媒体接口(hdmi)、火线或其他类型。
本发明还提供如下技术方案：
技术方案1.一种设备，包括：
磁结，所述磁结包括：
结构的堆叠，所述结构的堆叠包括：
第一结构，所述第一结构包括具有相对于装置的x-y平面的非固定垂直磁各向异性(pma)的磁体；
第二结构，所述第二结构包括电介质或金属之一；
第三结构，所述第三结构包括具有固定pma的磁体，其中所述第三结构具有与所述装置的所述平面垂直的各向异性轴，并且其中所述第三结构与所述第二结构相邻，使得所述第二结构处于所述第一结构和所述第三结构之间；
第四结构，所述第四结构与所述磁体的所述第一结构相邻，其中所述第四结构包括金属；以及
互连，所述互连与所述第四结构相邻，使得所述第四结构处于所述磁结和所述互连之间。
技术方案2.如技术方案1所述的设备，其中，所述第四结构包括下列中的一个或多个：hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au。
技术方案3.如技术方案1所述的设备，包括第五结构，所述第五结构与所述互连相邻，使得所述第四结构和第五结构处于所述互连的相对表面上，其中所述第五结构包括具有相对于所述装置的所述x-y平面的平面内磁化的磁体。
技术方案4.如技术方案1所述的设备，其中所述磁结包括：
所述第一结构和所述第二结构之间的第六结构，其中所述第六结构包括下列中的一个或多个：ru、os、hs或fe；或者
所述第二结构和所述第三结构之间的第七结构，其中所述第七结构包括下列中的一个或多个：ru、os、hs或fe。
技术方案5.如技术方案1所述的设备，包括：所述互连和所述第五结构之间的第八结构，其中所述第八结构包括反铁磁(afm)材料，并且其中所述互连包括自旋轨道材料。
技术方案6.如技术方案5所述的设备，其中所述afm材料包括下列之一：ir、pt、mn、pd或fe。
技术方案7.如技术方案5所述的设备，其中所述afm材料是包括ni(1-x)mxga2s4的准二维三角形afm，其中‘m’包括下列之一：mn、fe、co或zn。
技术方案8.如技术方案1所述的设备，其中：
所述第一或第三结构包括堆叠，所述堆叠包括第一材料以及与所述第一材料不同的第二材料；
所述第一材料包括下列之一：co、ni、fe或赫斯勒合金；
所述赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一个或多个；
所述第二材料包括下列之一：pt、pd、ir、ru或ni；以及
其中所述第一材料具有在0.6nm至2nm的范围中的厚度，并且其中所述第二材料具有在0.1nm至3nm的范围中的厚度。
技术方案9.如技术方案1所述的设备，其中所述电介质包括：mg和o。
技术方案10.如技术方案1所述的设备，其中所述第一或所述第三结构包括超晶格，所述超晶格包括第一材料和第二材料，其中所述第一材料包括下列之一：co、ni、fe或赫斯勒合金；以及其中所述第二材料包括下列之一：pt、pd、ir、ru或ni。
技术方案11.如技术方案1所述的设备，其中，所述第一或第三结构包括三种材料的堆叠，所述三种材料包括与所述第四结构相邻的第一材料、与所述第一材料相邻但没有与所述第四结构相接触的第二材料以及与所述第二材料和所述第二结构相邻的第三材料，其中所述第一材料包括下列中的一个或多个：co、ni、fe或赫斯勒合金，其中所述第二材料包括ru；以及其中所述第三材料包括co、ni、fe或赫斯勒合金中的一个或多个。
技术方案12.如技术方案1所述的设备，其中：
所述互连要生成自旋霍耳效应(she)；以及
所述互连包括下列中的一个或多个：利用包括铱、铋其中之一的元素或者3d、4d、5d和4f、5f周期组的元素、ti、s、w、mo、se、b、sb、re、la、c、p、la、as、sc、o、bi、ga、al、y、in、ce、pr、nd、f、ir、mn、pd或fe所掺杂的β-钽(β-ta)、ta、β-钨(β-w)、w、铂(pt)、铜(cu)。
技术方案13.如技术方案1所述的设备，其中：
所述互连包括自旋轨道材料，所述自旋轨道材料包括下列之一：2d材料、3d材料、反铁磁(afm)材料或者利用掺杂材料所掺杂的afm材料；
所述3d材料比所述2d材料更薄；以及
所述掺杂材料包括下列之一：co、fe、ni、mn、ga、fe或bct-ru。
技术方案14.如技术方案1所述的设备，其中所述互连包括层的堆叠，其中所述堆叠中的所述层之一包括反铁磁(afm)材料。
技术方案15.如技术方案1所述的设备，其中所述磁结是自旋阀或磁隧穿结(mtj)之一。
技术方案16.如技术方案1所述的设备，其中所述第一结构的所述磁体是顺磁体，所述顺磁体包括下列中的一个或多个：pt、pd、w、ce、al、li、mg、na、cr、co、dy、o、er、eu、eu、gd、fe、nd、k、pr、sm、tb、tm或v，或者其中所述第一结构的所述磁体是顺磁体，所述顺磁体包括掺杂剂，所述掺杂剂包括下列中的一个或多个：ce、cr、mn、nb、mo、tc、re、nd、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb。
技术方案17.一种系统，包括：
存储器；
处理器，所述处理器耦合到所述存储器，所述处理器具有磁存储器，所述磁存储器包括：
磁结，所述磁结具有带有第一磁化的磁体；
第一结构，所述第一结构与所述磁结相邻，其中所述结构包括金属；
互连，所述互连与所述第一结构相邻；以及
第二结构，所述第二结构与所述互连相邻，使得所述第一结构和所述第二结构处于所述互连的相对表面上，其中所述第二结构包括具有与所述第一磁化充分地不同的第二磁化的磁体；以及
无线接口，所述无线接口允许所述处理器与另一个装置进行通信。
技术方案18.如技术方案17所述的系统，其中所述第一结构包括下列中的一个或多个：hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au。
技术方案19.一种设备，包括：
磁结，所述磁结具有带有第一磁化的磁体；
第一结构，所述第一结构与所述磁结相邻，其中所述第一结构包括金属；
互连，所述互连与所述第一结构相邻；以及
第二结构，所述第二结构与所述互连相邻，使得所述第一结构和所述第二结构处于所述互连的相对表面上，其中所述第二结构包括具有与所述第一磁化充分地不同的第二磁化的磁体。
技术方案20.如技术方案19所述的系统，其中所述第一结构包括下列中的一个或多个：hf、ta、w、ir、pt、bi、cu、mo、gd、ge、ga或au。
本说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或“其他实施例”的引用表示结合实施例所述的具体特征、结构或特性被包括在至少一些实施例中，但不一定在所有实施例中。“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”的各种出现不一定都指相同实施例。如果本说明书陈述组件、特征、结构或特性“可”、“可能”、“能够”被包括，则不要求包括那个具体组件、特征、结构或特性。如果本说明书或权利要求书提到“一（a或an）”元件，则并不表示仅存在元件中的一个。如果本说明书或权利要求书提到“附加”元件，则并不排除存在多于一个附加元件。
此外，可在一个或多个实施例中按照任何适当方式来组合具体特征、结构、功能或特性。例如，在与两个实施例关联的具体特征、结构、功能或特性不是互斥的任何情况下，第一实施例可与第二实施例相组合。
虽然已结合本公开的特定实施例描述了本公开，但是根据以上描述，这类实施例的许多备选、修改和变更将对本领域的技术人员是显而易见的。本公开的实施例旨在包含关于落入所附权利要求书的广义围之内的所有这类备选、修改和变更。
另外，为了说明和论述的简洁起见以及不使本公开模糊，所示附图内可以或者可以不示出到集成电路(ic)芯片和其他组件的众所周知的电力/接地连接。此外，布置可采取框图形式示出，以免使本公开模糊，并且还考虑到以下事实：相对这类框图布置的实现的具体细节在很大程度上取决于本发明要被实现在其内的平台(即，这类具体细节应当完全处于本领域的技术人员的能力范围之内)。在阐述具体细节(例如电路)以便描述本公开的示例实施例的地方，应对本领域的技术人员显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下或者利用其变体实践本公开。因此，本描述将被看作是说明性的而不是限制性的。
提供摘要，其将允许读者确定本技术公开的性质和精神。摘要被提交带有如下理解：它将不被用于限制权利要求书的范围或含意。随附权利要求书据此结合到详细描述中，其中各权利要求本身作为独立实施例。
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