具有偏心电流的自旋转移矩磁隧道结的制作方法

本发明一般涉及自旋转移矩磁隧道结(stt-mtj)，自旋转移矩磁随机存取存储器(stt-mram)，尤其涉及垂直磁化stt-mtj。

已知垂直磁化装置，特别是垂直stt-mram。例如，在专利us7602000，us7313013，us7943399，us8558332和us8860105中讨论了这种装置。

一般认为，缩放挑战将阻止动态随机存取存储器(dram)和静态随机存取存储器(sram)设备在具有预期规范的即将到来的技术节点中正常运行。相比之下，mram技术从两项改变游戏规则的创新中获益。

第一个创新是基于以下发现：纳米级铁磁体的磁化可以通过自旋极化电流来切换[1,2]。非极化电流通过在铁磁体中散射的电子获得自旋极化。产生的自旋不平衡可以转移到磁层，最终翻转其磁化。因此，写入存储器单元-或切换其磁化-不再需要磁场，但可以通过短电流脉冲实现。

第二项创新是材料工程成就。最初，磁隧道结(mtj)中的磁层在平面内被磁化，由形状各向异性驱动。几年前，研究表明，如果元件的厚度足够小(通常为1nm)，可以调整像cofeb这样的磁性材料以显示“垂直”磁化，即磁性取向在平面外的位置。[3,4,5]。垂直磁化的mtj优于面内磁化的mtj，因为其在切换自由层时具有更高的效率，即减小了切换所需的最小电流。通常由ic0表示的切换所需的最小电流取决于三个材料参数：阻尼常数α，各向异性阻挡eb和自旋转移效率ζ。低功率器件要求ic0很小，这反过来又需要有利的材料参数。因此通常投入努力以识别更有利的材料参数。

请注意以下参考文献：

[1]j.c.slonczewski，j.magn.magn.mater.159，l1(1996)。

[2]l.berger，phys.rev.b54，9353(1996)。

[3]m.nakayama，t.kai,n.shimomura，m.amano,e.kitagawa，t.nagase，m.yoshikawa，t.kishi,s.ikegawa，andh.yoda，j.appl.phys.103,07a710(2008)。

[4]s.ikeda，k.miura，h.yamamoto，k.mizunuma，h.d.gan，m.endo，s.kanai，j.hayakawa，f.matsukura，andh.ohno，naturemater.9，721(2010)。

[5]d.c.worledge，g.hu,d.w.abraham，j.z.sun，p.l.trouilloud，j.nowak，s.brown，m.c.gaidis，e.j.o’sullivan，andr.p.robertazzi，appl.phys.lett.98,022501(2011)。

[6]关于代码，参见a.vanhaverbeke，对电流引起的畴壁运动的自旋转移矩项的oommf扩展(oommfextensionofspin-transfertorquetermsforcurrent-induceddomainwallmotion)，2008，httpcolon//wwwdotzurichdotibmdotcom/st/magnetism/spintevolvedothtml，对申请另请参见m.najafi，b.krüger，s.bohlens，m.franchin，h.fangohr，a.vanhaverbeke，r.allenspach，m.bolte，u.merkt，d.pfannkuche，d.p.f.andg.meier，j.appl.phys.105，113914(2009)。

[7]c.y.you，j.magnetics17，73(2012)。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明体现为自旋转移矩磁隧道结。后者包括具有两个磁层，即固定层和自由层，以及两个磁层之间的绝缘阻挡层的层堆叠。两个磁层中的每一个都具有面外磁化取向。另外配置结以便允许从两个磁层之一产生的自旋极化电流流动到另一个，以启动自由层的磁化取向的不对称切换，由此所述切换向堆叠边缘偏心。

例如，结可以允许从两个磁层中的一个到另一个朝向堆叠边缘偏心的自旋极化电流，以启动自由层的不对称切换。

本解决方案依赖于面外磁化取向，其优于面内磁化结，因为它们在切换自由层方面具有更高的效率。即，可以降低开关电流，这已经使得与面内磁化装置相比，功率更低的装置成为可能。此外，本发明的结被设计成允许自由层的不对称切换，例如，使用偏离堆叠边缘的电流。正如本发明人发现的那样，这导致相对于中心电流，进一步减小最小切换电流，例如减少两倍。例如，结可以被配置为在0.1ns^-1的切换速率下具有小于50μa的切换电流。

可以设想各种实际实现以实现偏心电流收缩。例如，在实施例中，磁隧道结的绝缘阻挡层具有横向变化的厚度，以便在其边缘处呈现减小的厚度。这样，在结上产生的电流偏心于厚度减小的边缘。例如横向变化的厚度可以从第一值h1变化到第二值h2，其中0.5h2≤h1<h2。

在其他实施例中，由于横向变化的磁特性，实现了偏心切换。即，自由层和/或自由层与绝缘阻挡层之间的界面可以具有一个或多个横向变化的磁性，以便偏离自由层的切换。这可能涉及偏心电流，或不涉及。即，如果产生的电流是对称的，只要满足某些条件，甚至可能发生非对称切换。横向变化的磁特性应优选地包括自由层和/或所述界面的磁化和/或磁各向异性。

在其他实施例中，固定层和绝缘阻挡层中的一个或每个的平均直径小于自由层的平均直径，并且还朝向堆叠的边缘偏心。这也导致在操作中使产生的电流偏离中心。在垂直于堆叠方向的平面中分别测量上述直径。通过设计绝缘阻挡层以使其具有横向变化的电子传输概率，例如通过横向改变绝缘阻挡层中的掺杂剂浓度，也可以获得类似的效果。

优选地，结应设计成使得所述电流从自由层的中心偏心的距离l满足条件2nm≤l<d/2，其中d是自由层的平均直径。l和d的值在自由层的平均平面垂直于堆叠的堆叠方向测量。

在优选实施例中，可以设计结以使得在操作中电流流过的当前电流丝的平均直径d满足条件le≤d<d/2，其中le表示两个磁层的平均交换长度。两个磁层的平均交换长度le通常可以在3nm和6nm之间。例如平均直径d可以满足条件4nm≤d≤d/2。

另一方面，堆叠层的平均直径d应优选大于6nm。在大多数应用中，它通常应小于或等于100nm，并且优选小于或等于32nm。

在实施例中，两个磁层中的每一个包括cofeb化合物，而绝缘阻挡层可以例如包括mgo。例如自由层可以具有1nm至4nm之间的平均厚度，而被固定层的平均厚度优选地在6nm至10nm之间。绝缘阻挡层的平均厚度应该优选在0.5nm和2nm之间，更优选在0.8nm和1.4nm之间，特别是在其包含mgo的情况下。

根据另一方面，本发明体现为存储器设备。后者包括多个例如上面所述的自旋转移矩磁隧道结。存储器装置另外配置为产生穿过每个结的自旋极化电流。

根据最后一个方面，本发明体现为如上所述的自旋转移矩磁隧道结的操作方法。基本上，该方法包括产生从固定层到自由层的自旋极化电流，以启动自由层的磁化取向的不对称切换(例如，将“1”写入并存储到结中)。即，按照结的配置，切换最初向着堆叠的边缘偏心。为此目的，按照结的配置，产生的电流可以向着堆叠的边缘偏心，与上面引发的原理一致。

在需要反转自由层的磁化取向(并将自由层设置回“0”状态)的实施例中，可以产生第二电流，这次是从自由层到固定层，例如，使用向着堆叠边缘再次偏心的电流，由于结的配置，使自由层的磁化取向切换回初始磁化状态。

现在将通过非限制性示例并参考附图来描述体现本发明的装置和方法。

附图说明

图1示出了通过自旋转移矩切换垂直磁化的磁隧道结的一般原理，在本发明的实施例中依赖于这些原理；

图2-4是根据不同实施例的磁隧道结的2d横截面视图；

图5是根据多个实施例的例如图2中所示的包括多个磁隧道结的存储器件的(部分)3d视图；

图6是示出根据实施例的操作磁隧道结的方法的高级步骤的流程图；以及

图7是表示切换各种模型结(包括如图7中的偏心结)的自由层所需的、通过发明人进行的模拟获得最小开关电流的曲线图；

附图示出了实施例中涉及的设备或其部分的简化表示。附图中描绘的技术特征未按比例绘制。特别是，为了描述起见，图2中的绝缘阻挡层的倾斜被夸大了。除非另有说明，否则附图中类似或功能相似的元件已被分配相同的附图标记。

具体实施方式

磁隧道结(mtj)由两个铁磁层组成，这两个铁磁层由薄的绝缘间隔层隔开，该绝缘间隔层用作隧穿势垒。如果这个阻挡层足够薄，电子可以从一侧隧穿到另一侧。其中一个铁磁体(“固定”层，也称为“确定”或“参考”层)的磁化方向保持固定，而另一个铁磁体的磁化方向自由旋转(“自由”层)。从固定层隧穿的电子优选地根据固定层的磁化方向自旋极化。只有那些自旋方向与自由层的磁化方向匹配的电子才能有效地隧穿并进入自由层。因此，两个磁化方向的平行与反平行对准导致两个状态之间的电阻差异。对于由例如mgo制成的隧道势垒，该隧道磁阻(tmr)在室温下可以高达300％。

如本发明人所理解的，图1示出了通过自旋转移矩机构的典型的垂直磁化mtj的切换。显示的mtj(横截面)略微不对称；参考层(底部)确实通常比通常较薄的自由层(顶部)略厚。所描绘的mtj具有垂直磁化方向。间隔物是隧道势垒。用相反的电流方向(标记为“e-”的箭头表示电子流动方向)和在参考和自由层中几乎对齐的磁化方向绘制两种情况。如在阻挡层中所示，电流部分地透射和部分反射，以及多数处于旋转方向。横向旋转分量负责旋转传递矩切换，而纵向分量不施加矩。在左侧，从参考到自由层的电子流动稳定了两层的平行排列。在右侧，从自由层到参考层的电子流使两层的平行排列不稳定，最终导致反射电流的自由层的磁化反转。如果两个磁化方向是反平行的，则从自由层到参考层的电子流动稳定了自由层的磁化。在本发明中依赖类似的原理，除了stt-mtj被进一步设计成促进、约束或收缩电流，以使后者偏离中心。

参考图2-5，首先描述本发明的一个方面，其涉及自旋转移矩磁隧道结1、1a、1b，即其工作原理依赖于自旋转移矩效应的结。基本上，磁隧道结(mtj)包括具有两个磁层和绝缘阻挡层12-12b的层堆叠11-13b。两个磁层，也称为铁磁体，包括固定层11-11b和自由层13-13b。绝缘阻挡层12-12b位于两个磁层之间。

固定层11-11b(也称为确定磁层或参考层)具有固定的磁化强度，其不会被电流明显改变。如本身已知的，例如，这可以通过将该层的磁化耦合到具有高磁各向异性的另一磁层堆叠来实现。绝缘层12-12b有时被称为间隔物或隧道势垒。其厚度需要足够小，通常为1nm，以使足够的电流能够从一个磁层流到另一个磁层。自由层13-13b(在附图中的顶部)通常比固定层薄，它是磁化可以很容易地反转其方向的层。

本发明的器件通常可以包括附加的组件和/或材料层(为了简明起见，这里未示出)，例如，在固定层下面的种子层，在自由层上方的覆盖层，以及电路(源线，字和位线以及将电流注入结点的触点)。通常，覆盖层将位于层13和15之间，种子层将位于层11和14之间，而电路位于层15之外和/或层15。然而，层序列11-13可能保持如图2-4中所示。即，自由层13-13b通常直接覆盖绝缘层12-12b，后者通常直接在固定层11-11b的顶部。

两个磁层11-11b，13-13b中的每一个具有面外磁化取向，即，与面内配置相反的横向于这些层的平均面的磁化取向，其中磁化取向位于磁层的平面中。面外磁化取向有时被称为“垂直”取向，尽管磁化取向可能不是严格垂直的。通常，如前所述，mtj中的面外磁化取向优于面内磁化mtj，因为它们在切换自由层13-13b时具有潜在的更高效率。因此，可以减小开关电流，这使得低功率器件成为可能。

值得注意的是，本发明的stt-mtj1,1a，1b进一步配置成允许横向自旋极化电流50(即，从两个磁层中的一个产生到另一个)产生不对称的自由层的磁化取向的切换。也就是说，自由层的切换偏离于堆叠的边缘。

在诸如参考图2-4中所讨论的实施例中，由于从两个磁层之一到另一个磁层的偏心的横向自旋极化电流50，实现了非对称切换。偏心电流将反过来启动非对称切换。然而，在其他特定实施例中，可以设计结，使得即使对称的电流也可以导致不对称的切换。稍后将对此进行详细讨论。

在所有情况下，通常通过在与磁层电连通的电极14,15之间施加小电势来产生电流。产生的电流50通常垂直于堆叠的平均平面，平行于堆叠方向，如附图中所示。

令人惊讶的是，如下面例示的，确保自由层的不对称切换导致进一步减小用于切换的最小电流。如本发明人所进行的模拟所证明的，所需的最小电流可潜在地减少两倍。

根据本解决方案，使自旋转移矩在mtj的横截面上局部变化，使得在自由层13-13b中切换磁化的趋势在不同位置是不同的。以这种方式，可以使磁化反转在明确定义的位置处开始，然后通过交换延伸到整个自由层。通过使通过mtj的电流密度不均匀，可以使自旋矩效率参数局部地变化。已经意识到这一点，就可以设想stt-mtj的不同设计，来允许实现这种效果。例如，下面参考图2-4详细描述三类实施例。然而，如在本说明书中所引发的，可以预期其他变体。

在图2的实施例中，通过横向改变阻挡层厚度来实现横向变化的电流密度。这种方法增加了一个额外的手柄来定制mtj，因为关键材料参数可以保持不变，只修改设备几何形状。类似地，在图4中，绝缘体12b和固定层11b的直径减小，并且层偏离中心。更一般地，横向改变绝缘阻挡层中的隧道传输概率可以产生类似的效果。或者，在诸如图3中所示的实施例中，自由层或自由层与绝缘体的界面的磁性被局部改变以用于相同的目的。所有这些方法都可以降低开关电流，从而实现低功耗器件。注意，这里使用的层的任何性质的横向变化是指在整个层上，即沿着该层的横截面，在垂直于堆叠方向的方向上的这种性质的变化。

首先参考图2的实施例：这里设计stt-mtj，以使绝缘阻挡层12具有横向变化的厚度。因此，层12在其边缘处具有减小的厚度。结果，结1有利于朝向厚度减小的边缘h1偏心的电流50。注意，在图2中，尽管在附图中使用的描述，但是根据绝缘层12的取向，自由层的磁化方向(由粗的垂直箭头表示)通常会略微倾斜。

特别地，绝缘层的厚度可以从第一值h1变化到第二值h2，其中0.5h2≤h1<h2。例如，如图2中象征性地描绘的那样，可以使用h1≤h2–0.2nm。横向阻挡层厚度梯度在最薄边缘处产生电流限制。假设绝缘阻挡层另外具有适合的隧穿特性，则在堆叠层11-13上产生的电流变得局限于那些具有稍小厚度(因此具有更大的传输概率)的区域。电流限制有效地局部地增加电流密度jc值，以使自由层13在较低的整体jc处切换。如果交换长度小于支柱的直径d，这将更有效。

图2的实施例使得制造结相对容易。在以下变型中：(i)可以改变自由层的磁性；(ii)绝缘阻挡层可具有横向变化的电子传输概率；或者(iii)如下面参考图3和4所讨论的，固定和绝缘层明确地偏心。

在诸如图3中所示的实施例中，自由层13a和/或自由层13a与绝缘阻挡层12a之间的界面可具有(一个或多个)横向变化的磁特性。该变化通过图3中的层13a的渐变填充来象征性地描绘。可以认识到，沿着层13a和/或其与层12a的界面的适当变化的磁特性也可以允许在自由层中引发不对称的切换。横向变化的磁特性应优选地包括自由层13a和/或所述界面的磁化和/或磁各向异性。

现在，只要满足某些条件，跨越层13a和/或其与层12a的界面的磁特性的横向变化也可导致使电流50朝向堆叠的边缘偏心，如图3中明确示出的。因此，可以区分两种情况：

-磁特性横向变化并产生偏心电流，如图3所示；以及

-磁特性横向变化，但依赖于均匀的电流。

在后一种情况下，尽管产生均匀的电流密度，但该电流仅能够在由不对称(偏心)磁特性确定的位置处启动磁化切换，即，切换的阈值是超越。

在前一种情况下，另外依赖于偏心电流在材料特性方面提供了更大的灵活性，因为磁特性的不对称性和电流的偏心相互支持并且每个都有助于获得期望的效果，即自由层中的不对称切换。

现在参考图4：在实施例中，固定层11b和绝缘阻挡层12b可以制成比自由层更窄并且相对于自由层偏心。即，固定层11b和绝缘阻挡层12b中的一个或每个可以具有小于自由层13b的平均直径的平均直径并且朝向堆叠的边缘偏心，如图4中示意性地示出的(也参见图7)。由于下面讨论的原因，这也可能导致在操作中使电流50偏心。层11b-13b的平均直径在各层的平均平面中垂直于堆叠方向测量。图4和图4中描绘的情况假设层11b和12b中的每一个都具有减小的直径并且偏心。当然，其他层或层部分11c和12c通常将存在于叠层中，与层部分11b和12b互补。

假设绝缘阻挡层12b略微“泄漏”，由于其他层或补充层部分11b和12b的层部分11c，12c，两层11b，12b中的一个减少并偏离中心就足够了。实际上，如果阻挡层12b具有减小的直径，则与阻挡层12b互补的层部分12c(在其水平处)也必须是绝缘的，以防止从层11b到层13的捷径。甚至，补充层部分12c通常应该是比减少层部分12b更加绝缘。这相当于具有分级特性的有效阻挡层12b，12c。

更一般地，通过设计绝缘阻挡层以使其具有横向变化的电子传输概率，例如通过横向改变绝缘阻挡层中的掺杂剂浓度，可以获得类似的效果。绝缘阻挡层中掺杂剂的横向变化可以例如通过注入离子或通过氧化阻挡层的一侧来实现。这样，在绝缘阻挡层上可能出现分级的垂直“导电性”，这导致电流偏心。在这个意义上，图4的几何形状可以被认为是横向变化的电子传输概率的特定情况，表现出具有不同传输概率的两个区域12b，12c，其中，与在部分12b的水平处的传输概率相比，导电性在部分12c的水平处消失或强烈降低。

现在，如果阻挡层12b没有被减少(或等效地，如果全局阻挡层12b，12c由在整个层上具有恒定绝缘特性的一种均质材料制成)但是仅仅层11b具有减小的直径，则仅在区域12b中局部地产生自旋极化电流，这反过来允许发生偏心切换。如果阻挡层12b和固定层11b都具有减小的直径并且偏心，则将发生偏离中心的切换。

在图2-5的每个实施例中，结1、1a、1b可以设计成使得电流50服从某些条件。首先，电流50(例如，在自由层的水平处看到的)从自由层13-13b的中心偏心的距离l应优选满足条件2nm≤l<d/2，其中d是自由层的平均直径，在其平均平面中测量，即垂直于堆叠方向。也就是说，如模拟所示，偏移l应该优选地大于(或等于)2nm，以便明显地影响最小切换电流。这将在下面详细讨论。另一方面，偏移l不能大于自由层的半径d/2。注意，当从支柱的轴测量偏移时，该支柱通常与自由层的垂直轴a相同(或准相同)，通常保持上述移位l的条件。

此外，在实施例中，结1,1a，1b可以进一步设计成使得电流50沿着具有满足条件le≤d<d/2的平均直径d的电流丝流过，其中le表示两个磁层的平均交换长度。直径d表示在层堆叠11-13b上发生的电流丝的平均直径。通过选择材料和条件使得平均直径d至少等于磁性材料的交换长度，可以将自旋激发成软自旋波模式，其产生明确定义的激发自旋位置，启动进动运动最终导致磁化反转。交换长度因材料而异。然而，对于本文所考虑的垂直磁化材料，交换长度显示出很小的分散：在交换长度的变化中没有广泛的扩展，通常在3和6nm之间。例如，可以选择用于磁层的材料，以使得当前电流丝的平均直径d满足条件4nm≤d≤d/2。

支柱的尺寸取决于应用。例如，高密度器件可能要求叠层的平均直径d在6或8nm的量级，或略大。可以认识到，直径d应该优选地不小于磁性材料的交换长度(3-6nm)。

然而，可以在密度不重要的情况下提供更大的支柱。然而，层堆叠的平均直径d应优选小于或等于100nm，否则当前电流丝的偏心可能不再对最小开关电流产生实质影响，特别是因为自旋转移矩效果将不那么显著。例如，层堆叠的平均直径d可以小于或等于32nm，或28nm。

两个磁层中的每一个应优选包含cofeb化合物。如stt-mram领域中已知的，可以考虑元素co，fe和b的几种化学计量。对于这样的材料，使当前电流丝偏心对开关电流的影响导致了有希望的结果。然而，固定层和/或自由层可以包括每个子层，例如它们可以作为交替的co和pt层，co和pd层，或者作为具有不同成分的多个cofeb层的堆叠来沉积，如已经以stt-mram而闻名。更一般地，堆叠的任何层11-13实际上可以包括子层并且以其他方式构造。绝缘阻挡层12-12b优选包含mgo。

自由层13-13b的平均厚度优选为1nm至4nm。它通常比固定层略薄，固定层优选具有6nm至10nm之间的平均厚度。如果需要，并且如前所述，固定层的范围为6至10nm，可以插入额外的耦合层。绝缘阻挡层12-12b优选地具有0.5nm和2nm之间的平均厚度，以实现足够的电子传输，即足够的隧道效应。更优选地，绝缘阻挡层的厚度可以在0.8nm和1.4nm之间，例如，约1nm。如果使用mgo，绝缘阻挡层的平均厚度甚至应优选在1和1.2nm之间。

使用如上所述的材料和厚度允许获得磁隧道结，其具有例如在0.1nns^-1的开关速率下小于50μa的最小开关电流。也就是说，与现有装置相比，所需的最小开关电流可减少大约两倍。

为了便于将本方法的性能与现有解决方案进行比较，发明人已经进行了各种模拟，参见图7。使用从中心开始的当前电流丝的各种可能的位移l，即在0≤l≤d/2的范围内，并且使用各种可能的d值(例如，使用值d＝32来报告图7中的结果)。目前的电流丝被认为是圆形支柱，直径为d。然而，具有完美的圆形支柱形状在实践中并不重要，并且实际的当前电流丝通常不是完美的圆支柱形。注意，可以考虑如l＝d/2一样大的位移，其对应于作为半圆支柱的边缘电流丝。然而，根据所进行的模拟，可以预期切换电流减少。

事实证明，切换电流减小的重要条件不是电流丝接触边缘而是从中心移位。至少，设备应设计成使自由层的初始切换偏离中心。因此，即使l与d/2相比较小，例如l＝2nm，开关电流也会明显降低。可能的解释是磁化反转需要是不对称的。因此，如在本解决方案中那样，可以利用反转期间自旋波模式中的对称性破坏。

位移l的2nm精度(在先前条件2nm≤l≤d/2中出现)仍然难以通过实验实现。然而，微磁模拟表明，这样的值原则上足以获得对开关电流的明显效应。

相关的landau-lifshitz-gilbert方程在所谓的“oommf”框架内得到解决，该框架被扩展到包括自旋转移矩项，如[1]中所述。使用的自旋转移模拟代码在[6]中描述。如[7]中所讨论的，该代码适用于支柱几何。现在详细讨论模拟结果。

出于模拟的目的，mtj的支柱具有圆形横截面，通常具有32nm直径。选择自由层和参考层的材料参数和层厚度与典型的，最先进的垂直磁化支柱[5]一致。即，自由层磁化设定为ms＝800ka/m，各向异性场设定为hk＝240ka/m＝3koe。保持的阻尼常数为α＝0.01。对于参考层，参数取如下：ms＝1200ka/m，hk＝800ka/m＝10koe，以及α＝0.1。自由层和参考层的厚度分别为2nm和8nm，其间具有1nm的绝缘阻挡层。使用交换耦合到下面的偏置层来保持参考层的磁性固定。考虑用于模拟的单元尺寸为1和2nm。假设图4的几何形状，尽管图4中的互补层部分11c，12c被忽略了。即，通过假设对参考层的几何形状修改来模仿边缘处的当前限制，还因为绝缘氧化物不能被微磁模拟。

图7示出了通过比较得到的模拟结果：(i)偏心限制的几何形状(上部几何形状，其中当前电流丝被约束在圆支柱的边缘处，使用类似于图4的几何形状)；(ii)标准支柱几何形状(直径为32nm)和(iii)支柱，其中电流被限制在与偏心情况相同的区域，但是居中。如在图7的图中可以看到的那样，现有配置(标准支柱和限制在中心的电流)导致基本上相同的临界切换电流，而偏心几何形状导致最小切换电流ic0减小至少两倍，例如，以0.1ns^-1的固定开关速率。实际上，对于两个电流极性，即从平行(p)切换到反平行状态(ap)，或反之，都可以看到这种减小。

从发明人进行的各种模拟和实验可以得出结论，切换电流减小是一种强有力的效果：改变交换刚度以测试自旋波对边缘电流丝切换的影响。然而，切换电流阈值降低似乎并未明显取决于交换长度和旋转波的细节，只要满足某些条件，如前面所示，例如，2nm≤l<d/2且le≤d<d/2。最后，可以质疑模拟几何修改对参考层的影响(由于绝缘氧化物不能被微磁模拟的事实)。可以认识到，这种修改恰好改变了切换(自由)层中的奥斯特字段。然而，正如进一步的模拟所示，包含更逼真的奥斯特场并不会改变开关电流。由于发现开关电流阈值降低基本上与所选择的奥斯特场的细节无关，因此可以得出结论，开关电流降低是稳健的效果。

可以通过首先通过本领域已知的方法(即，使用物理气相沉积、光刻、反应离子蚀刻、离子束蚀刻和类似技术)对mtj器件进行图案化来获得当前mtj，然后使用任何合适的技术来修改堆叠边缘处(在绝缘阻挡层、自由层或参考层处)的物理或化学结构，以促进局部导电率变化(有效地，电流收缩)或改变磁化强度或磁各向异性强度。这种技术的一个例子是定向离子束，可用于：

-选择性地改变阻挡层，自由层和/或参考层的晶体结构；

-将离子注入阻挡层，自由层和/或参考层的一侧，以使器件的一个边缘更具导电性；

-氧化阻挡层，自由层和/或参考层的一侧，以使器件的一个边缘导电性降低；或者

-在器件的一侧添加材料，使其更具导电性。

此外，可以进一步使用侧壁掩模或牺牲层，例如基于共形薄sin或其他电介质膜，或者来自这些器件阵列中的最近邻mtj器件的遮蔽的明智地使用，能够进一步用于改进边缘修改过程。

接下来，根据另一方面，本发明可以体现为存储器设备100。如前所述，这种设备在图5中部分地示出。它包括多个自旋转移矩磁隧道结1(或1a，1b)。存储器装置100通常被配置为产生穿过每一结的自旋极化电流。为此目的，器件100可以特别地包括电流控制装置，例如包括字线140和位线150，以便施加适当的控制电压并选择性地切换每个mtj1的自由层13的磁化取向。

特别地，本装置可以体现为自旋转移矩随机存取存储器(stt-ram)装置，或者可以用在基于stt-mtj的逻辑电路中。这种装置不需要施加外部磁场。而是，由于流过stt-mtj的堆叠的电流产生的自旋转移矩，发生不同磁状态之间的切换。因为它们的自旋层中的自旋取向发生变化，所以电子在该层的磁化上施加矩，只要矩足够大以克服阻尼，这又可以引起磁化切换。通过改变电流极性，自由层的磁化可以相对于参考层从反平行状态切换到平行状态(并且相反亦可)。通常，可扩展性对于stt-mram单元不是问题，因为减小单元的尺寸会导致切换所需的电流减小。

接下来，根据最后一个方面，本发明还可以体现为stt-mtj1、1a、1b的操作方法，如上面参考图2-4所述。该方法基本上围绕图6中描绘的两个步骤。首先，步骤s10，在mtj的支柱上，即从固定层11-11b到自由层13-13b产生自旋极化电流50。如前面已经讨论的，根据结1、1a、1b的配置，产生的电流启动自由层的磁化取向的不对称切换。特别地，产生的电流50可以朝向堆叠的边缘偏心。这导致切换自由层13-13b的磁化取向。如果mtj用作存储器设备，则该操作可以被视为写操作，例如，写入“1”，以便存储信息。

如果该信息被擦除，则该方法可以进一步包括第二步骤s20，其中，在已经生成如下所述的第一电流之后，在堆叠上生成第二电流(未示出)，这次是从自由层13-13b到固定层11-11b，例如垂直于两个磁层和之间的绝缘阻挡层12-12b。同样，第二电流可以朝向堆叠的边缘偏心。该第二操作导致将自由层13-13b的磁化取向切换回自由层的初始磁化状态。

本文描述的一些方法和装置可用于制造集成电路芯片。得到的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、裸芯片或封装形式分发。在后一种情况下，芯片安装在单芯片封装(例如塑料载体，带有固定到母板或其他更高级别载体的引线)或多芯片封装(例如具有任一或两者中表面互连或埋置互连的陶瓷载体))。在任何情况下，芯片然后可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成，作为(a)中间产品(例如母板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，从低端应用到高级计算机产品。

虽然已经参考有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且可以替换等同物而不脱离本发明的范围。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例、变型或附图中示出的特征(类似装置或类似方法)可以与另一实施例、变型或附图中的另一特征组合或替换。因此可以预期关于任何上述实施例或变型描述的特征的各种组合，这些组合仍然在所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多微小的修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。另外，可以预期除了上面明确触及的许多其他变体。例如，除了明确公开的那些之外的其他绝缘或磁性材料可以用于支柱的层11-13b。