包括赫斯勒化合物的磁性器件和提供磁性器件的方法与流程

本发明属于磁随机存取存储器(mram)领域，更具体地，属于依赖自旋转移矩的mram器件领域。
背景技术：
：磁隧道结(mtj)形成承诺高性能和高耐久性而且具有被缩小到极小尺寸的潜力的新的非易失性磁随机存取存储器(mram)的基本存储元件。磁隧道结(mtj)由通过超薄绝缘层隔开的两个磁性电极的三明治式结构组成。这些层中的一层形成存储器或存储层，另一层形成磁性结构在mram的操作期间不变的参考层。在参考磁性电极与存储磁性电极之间隧穿的电流是自旋极化的：自旋极化的大小由磁性电极的电子特性和隧道势垒的“自旋过滤”特性的组合决定。在当前的mram中，无论形成存储层的电极的磁化取向为与参考电极的磁化平行还是反平行，mtj的磁性状态通过使电流穿过mtj而改变。固有自旋极化的电流传递自旋角动量，一旦超过阈值电流，就会导致磁存储电极力矩方向的切换。这种自旋角动量的传递产生自旋转移矩(stt)，并且通过这种方法切换的磁存储电极被称为stt-mram。当电极的磁化垂直于层取向时，切换电流的大小减小。该电流的大小受到用于提供写入电流的晶体管的尺寸限制。这意味着可切换磁性电极(存储电极)的厚度必须足够小，使得其能通过可用电流被切换。因此，对于～1000emu/cm3的磁化值，电极必须具有不超过约1nm的厚度。如今正在探索的用于密集型mram的mtj的最有希望的材料包括由co、fe和b的合金形成的铁磁电极、以及由mgo形成的隧道势垒(参见帕金(parkin)专利)。铁磁电极被制造得足够薄，使得这些电极的磁化垂直于这些层取向。co-fe-b层的垂直磁各向异性(pma)来自这些层与隧道势垒和/或其上沉积co-fe-b层的下层之间的界面。因此，这些层必须被制造得足够薄，使得界面pma克服退磁能，退磁能来自磁量并且与co-fe-b层的磁量成比例地增大。实际上，这意味着当器件尺寸减小到～20nm以下的尺寸时，pma太弱而无法克服热波动，因为磁性层的厚度必须低于保持其力矩垂直所需的厚度且低于以合理的电流密度切换磁性层所需的厚度。到目前为止，mram器件中其磁矩能通过stt切换的磁性材料具有界面各向异性、形状各向异性或无各向异性。这样的材料不允许mram器件缩小到～20nm以下的尺寸。需要用于表现出比co-fe-b展现的pma大得多的pma且优选该pma来自电极的体积或尺寸的铁磁电极的新材料。具有这种性质的有前景的一类磁性材料是赫斯勒化合物。赫斯勒合金是化学式为x2yz或x'x”yz的化合物，其中x、x'、x"和y是过渡金属或镧系元素(稀土金属)，z来自主族金属。赫斯勒化合物具有(在皮尔森表中定义的)cu2mnal类型的结构，该结构中元素设置在4个穿插的面心立方(fcc)晶格上。许多化合物(～800)在该族中已知(t.grafet.al.,progressinsol.statechem.39,1(2011))。由于x和/或y位点上的磁矩，这些化合物中的一些是铁磁性或亚铁磁性的。此外，虽然母体赫斯勒化合物是立方体并且表现出弱的或不显著的磁各向异性，但这些化合物中的一些的结构也被发现四方变形：由于这种变形，这些化合物所表现出的磁化可以优选地沿四方轴排列。因此，由这种材料形成的薄膜可以由于与其四方变形结构相关的磁晶各向异性而表现出pma。这种四方赫斯勒化合物的一些已知示例是mn3z(其中z＝ga、ge、sn和sb)或mn2cosn。至今，使用导电下层在si/sio2基板上由赫斯勒合金形成的磁性电极的厚度远远超过1nm的厚度。至今最薄的层用于赫斯勒化合物mn3ge，对于赫斯勒化合物mn3ge，薄至5nm的层显示出垂直磁各向异性和合理的方形磁滞回线。在化学模板层(ctl)上生长的表现出较大pma的这些材料的超薄膜(～1nm厚)需要使用诸如mgo(100)的单晶基板或在si/sio2基板上使用mgo籽晶层。这种单晶基板或使用mgo作为部分籽晶层对stt-mram应用是无用的，stt-mram应用中mtj必须沉积在现今基于cmos的技术中由多晶铜形成的导线上，该多晶铜可以覆盖有也为多晶或非晶的其它层。为了能够使用超薄的四方赫斯勒化合物作为通过stt可切换的磁性电极用于mram，需要在非晶或多晶基板或层上形成这些化合物的方法。技术实现要素：描述了一种磁性器件。该磁性器件包括基板、覆盖基板的mnxn层、在室温下为非磁性的多层结构、以及第一磁性层。mnxn层具有2≤x≤4.75。该多层结构包括co和e的交替的层，其中e包括包含al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由co1-xex表示，x在从0.45到0.55的范围内。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触，并且第一磁性层形成磁隧道结的部分。描述了一种提供磁性器件的方法。该方法包括使用磁性器件作为存储元件，该磁性器件包括：基板、覆盖基板的mnxn层、在室温下为非磁性的多层结构、第一磁性层、隧道势垒、以及与隧道势垒接触的第二磁性层。mnxn层具有2≤x≤4.75。该多层结构包括co和e的交替的层，其中e包括包含al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由co1-xex表示，x在从0.45到0.55的范围内。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触，并且第一磁性层形成磁隧道结的部分。隧道势垒覆盖第一磁性层从而允许电流穿过隧道势垒和第一磁性层两者。描述了一种磁性器件。该磁性器件包括基板、在室温下为非磁性的多层结构、第一磁性层、覆盖第一磁性层的隧道势垒、以及与隧道势垒接触的第二磁性层。该多层结构包括co和e的交替的层，其中e包括包含al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由co1-xex表示，x在从0.45到0.55的范围内。该多层结构覆盖基板。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触。第二磁性层具有可切换的磁矩。附图说明图1：对于在溅射气体中以不同的n2含量生长的mn氮化物膜由rbs确定的mn:n的比例。图2：测量自不同温度下生长的mn4n膜的均方根粗糙度rrms。图3：作为mn/n比例的函数的mnn膜的均方根粗糙度rrms和电阻率。图4：mnxn膜的面外x射线衍射θ-2θ扫描，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图5：由图4中显示的xrd数据确定的mnxn膜的面外晶格常数。图6：mnxn/coal层的面外x射线衍射θ-2θ扫描，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图7：在沉积态以及在300℃退火30分钟后测量自室温下沉积在mnxn/coal层上的mn3sb赫斯勒化合物的p-moke磁滞回线，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图8：在沉积态以及在1t的外加场中在300℃、350℃和400℃连续退火半小时后对各种厚度的mn3ge赫斯勒化合物测量的p-moke磁滞回线的矫顽力。图9：沉积在cipt基板上的典型mtj器件堆叠的示意图。图10：对图9中描述的堆叠测量的vsm磁滞回线。图11：mtj器件电导与器件面积的关系的图。实线显示对电导数据的线性最小二乘拟合。图12：左侧插图所示的代表性mtj器件的剖视图的透射电子显微镜(tem)图像。该区域以高分辨率成像。右下角的插图显示了该区域的扩展视图。图13：对于具有110nm(标称)直径的mtj的器件电阻(r)与外加场(h)的关系。图14：对于与图12中所用相同的mtj器件，电阻(r)与偏置电压的关系。右侧的示意图描述了与该器件的电连接。图15：测得的作为电压脉冲的以纳秒为单位的持续时间的函数的切换概率。右侧的示意图描述了与该器件的电连接。图16：切换电流与电压脉冲的持续时间的关系(左图)。电压脉冲持续时间的倒数对切换电流的依赖关系绘制在右侧。具体实施方式示例性实施方式涉及可用于诸如磁存储器的磁性器件的磁性结、以及使用这种磁性结的器件。磁存储器可以包括自旋转移矩磁随机存取存储器(stt-mram)、自旋轨道耦合转矩(sot)存储器，并且可以在采用非易失性存储器的电子装置中使用。包括磁性结特别是stt或sot可编程磁性结的其它器件包括但不限于逻辑、神经形态计算单元和其它器件。电子装置包括但不限于蜂窝电话、智能电话、平板电脑、膝上型计算机及其它便携式和非便携式计算装置。以下描述被给出以使本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，并且在专利申请及其要求的背景下被提供。对示例性实施方式的各种修改以及这里描述的一般原理和特征将容易地明显。示例性实施方式主要在特定实现方式中提供的特定方法和系统方面来描述。然而，这些方法和系统将在其它实现方式中有效地操作。诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”的短语可以指相同或不同的实施方式以及多个实施方式。实施方式将关于具有某些部件的系统和/或装置来描述。然而，系统和/或装置可以包括比显示的部件更多或更少的部件，并且在不脱离本发明范围的情况下可以进行部件的布置和类型的变化。示例性实施方式还将在具有某些步骤的特定方法的背景下来描述。然而，该方法和系统对于具有不同和/或额外步骤以及按照不与示例性实施方式矛盾的不同次序的步骤的其它方法有效地操作。因此，本发明不旨在限于所示的实施方式，而是旨在符合与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。术语“一”和“该”以及类似指示物在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)的使用将被解释为涵盖单数和复数两者，除非这里另行指示或者与上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”将被解释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)，除非另有说明。除非另外规定，这里使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。注意，这里提供的任何及所有示例或示例性术语的使用仅旨在更好地阐明本发明，而不是对本发明范围的限制，除非另外指明。此外，除非另外规定，通用词典中定义的所有术语不会被过度解释。描述了一种磁性器件和提供磁性器件的方法。该磁性器件包括基板、覆盖基板的mnxn层、在室温下为非磁性的多层结构、以及第一磁性层。mnxn层具有2≤x≤4.75。该多层结构包括co和e的交替的层，其中e包括包含al的至少一种另外的元素。该多层结构的组成由co1-xex表示，其中x在从0.45到0.55的范围内。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触，并且第一磁性层形成磁隧道结的部分。赫斯勒化合物形成由空间群对称性l21(或当它们四方变形时为d022)限定的独特结构。赫斯勒化合物的性质强烈依赖于构成该化合物的元素的化学排序。因此，高质量赫斯勒膜的制造通常需要高温热处理：例如，在显著高于室温的温度下沉积和/或在高温(400℃或更高)下热退火。这样的高温造成mtj堆叠内导致mtj不良性能的各层之间的互扩散，因而必须被避免。近来，我们已公开了可在没有热退火工艺的情况下使用非磁性化学模板层沉积的赫斯勒化合物的高度织构、非常平滑、高质量超薄膜。该化学模板层优选由co-ga或co-ge或co-sn或co-al的二元合金以b1结构(l10的立方形式)形成。化学模板层可在室温下沉积，并且甚至在一些情况下(co-al)在室温下或者在显著的退火温度(对于go-ga400℃以上，对于co-sn200-300℃)下是化学有序的。我们发现沉积在这些模板层上的赫斯勒化合物的超薄膜是高度外延、化学有序、高质量的膜，其具有优秀的磁性质，包括特别高的垂直磁各向异性值和方形磁滞回线(零磁场中的剩余力矩接近饱和力矩)。我们将其归因于模板层的b1对称性与赫斯勒层的l21或d022对称性之间的相似性。赫斯勒化合物可选自包括mn3.1-xge、mn3.1-xsn和mn3.1-xsb的组，其中x在从0到1.1的范围内。或者，赫斯勒化合物可以是三元赫斯勒，诸如mn3.1-xco1.1-ysn，其中x≤1.2且y≤1.0。化学模板层需要绝缘的mgo层作为籽晶层，这限制了其在stt-mram应用中的效用，因为切换电流流过mtj器件。这里我们显示了导电的mnxn(2.5≤x≤4)能用作用于允许生长磁矩通过stt可切换的超薄赫斯勒膜的化学模板层的籽晶层。mn氮化物膜通常在具有～1×10-9托的基础压力的超高真空室中在具有25nm厚的热氧化sio2层的si基板上沉积。si基板依次在uv臭氧室中被清洁以去除任何吸附的有机物、在去离子水浴中冲洗以去除水溶性污染物和颗粒、暴露于热的ipa蒸汽以去除水、最后在热氮气炉中在～60℃下干燥。mn氮化物籽晶层在3×10-3托的气压下在ar和氮气的气体混合物中通过反应直流磁控溅射从mn金属靶沉积。mn氮化物层内的mn:n相对比例能通过调节作为ar和n2的混合物的溅射气体的n2含量来控制(参见图1)。mn氮化物膜的组成由来自沉积在石墨基板上并盖以pt以防止其在暴露于周围环境时氧化的一系列mn氮化物膜的卢瑟福背散射(rbs)确定。主要含有碳(具有比氮低的原子序数的元素)的石墨基板允许mn氮化物膜的氮含量被确定至±0.5％内。具有本公开感兴趣的组成的mnn膜通过在10％到20％的范围内改变溅射气体的n2含量来获得，优选组成为mnxn，其中2.5≤x≤4。或者，可以通过从mnn靶溅射生长mn氮化物。膜粗糙度是一重要参数，其必须被最小化以获得具有超薄磁性电极和隧道势垒的高质量mtj。因此，一系列mn4n膜在不同的生长温度下沉积，然后用ta层覆盖以防止mn4n薄膜由周围环境条件所致的任何氧化。用于这些系列的膜的膜堆叠是si/sio2/ta/co20fe60b20/tg下的mn4n/ta，其中tg＝室温、200℃、300℃、400℃和500℃。膜粗糙度用原子力显微镜(afm)确定。图2显示了对于各种生长温度的均方根表面粗糙度(rrms)。在tg≤200℃下沉积的膜显示出具有的rrms的非常平滑的表面。因此，mnxn膜(其中2.5≤x≤4)此后在tg≤200℃的基板温度下沉积。mn氮化物膜对表面形态的组成相依性显示在图3中。这里，mnxn膜在室温下沉积，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。这些系列的膜的膜堆叠是si/sio2/ta/co20fe60b20/mnxnta。对于2至4之间的mn:n比例，获得具有的rrms的平滑的膜。该图还总结了这些mnn膜的电阻率。膜电阻率通过4点成一线的探针技术靠近样品中心来确定。4个触点之间的间隔为～1mm，远小于样品尺寸。对于具有1至2之间的mn:n比例的膜，mn氮化物膜的电阻率随着n含量减小而急剧增大。在≥3的更高的mn:n比例处，mnn膜的电阻率对组成不敏感。此外，具有2至4之间的mn:n比例的膜的电阻率与通常用在磁隧道结堆叠中的金属性下层相当(例如，ti的电阻率为42μω-cm，ta的电阻率为95μω-cm)。此外，mn氮化物膜的电阻率几乎是也用在mtj堆叠中的tan籽晶层的五分之一(例如，通过反应射频磁控溅射在氩气中用10％n2生长的tan膜的电阻率报道为～700μω-cm)。因此，mn氮化物膜适合在mtj堆叠内使用。在具有gadds面探测器的布鲁克x射线衍射仪上对这些膜测量x射线衍射(xrd)θ-2θ扫描。这些xrd测量在对称的面外几何中执行，并且对膜织构敏感。图4显示了来自这些膜的一组xrd扫描，并且在每种情况下观察到单个衍射峰。所有mnxn膜具有期望的(001)取向。衍射峰的2θ位置和强度强烈依赖于mn氮化物膜的组成，表明图5中总结的膜的面外晶格常数的相关变化。mn氮化物膜的面外晶格常数随mn:n比例几乎线性地变化。而且对于mn:n比例在2.5到4范围内的膜，它们的面外晶格常数在±～2％内与典型的四方赫斯勒化合物之一mn3sn的面外晶格常数以及coalctl的面外晶格常数很好地匹配。该晶格常数匹配促进四方赫斯勒化合物以期望的面外取向生长。此外，调节mn氮化物组成提供通过调节mn:n比例来调整晶格失配的灵活性。coal的化学模板层的膜在室温下通过离子束沉积(ibd)或通过直流磁控溅射在mnxn膜上生长，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。执行面外几何的xrd测量来确定mnxn膜是否促进coal层内必要的织构和交替层结构。xrd数据包括在图6内，并获得自具有由如下组成的堆叠的膜：si/sio2/ta/co20fe60b20/mnxn/coal/mn3sb/mgo/ta。除了图中阴影区域所绘的来自mnn层的xrd峰之外，对于除去x＝1以外的mnxn的所有组成观察到了与coal层相关的两个峰。这些coal峰对应于(001)和(002)衍射，并证明沉积的coal层具有期望的(001)织构。coal(001)超晶格峰的存在清楚地证明了存在co和al的交替分层，其在赫斯勒化合物在室温下生长期间促进赫斯勒化合物内的排序。来自该系列的膜的作为外加场(h)的函数的垂直磁光克尔效应(p-moke)信号被测量。图7显示了来自样品在其沉积态以及在1t的外加场中在300℃下在真空炉中退火30分钟后的p-moke回线。即使在退火工艺之后，对于x＝1的mnxn膜也没有观察到磁滞回线。对于x≥2的mnxn膜，在退火工艺之后观察到了p-moke磁滞回线。p-moke磁滞回线表明，超薄的厚的mn3sb赫斯勒层为pma。有趣的是，对于x＝3和4的mnxn膜，即使在它们的沉积态也观察到了来自超薄赫斯勒层的p-moke磁滞回线，使它们成为优选的mn氮化物组成。图8中显示了确定自赫斯勒化合物(mn3ge)的p-moke磁滞回线的矫顽力(hc)的热稳定性及其对mn3ge厚度的依赖。该研究中使用的膜堆叠为si/sio2/ta/co20fe60b20/mn4n/coal/mn3ge/mgo/ta，其中和这些膜在室温下沉积，并且p-moke磁滞回线在沉积态以及在1t的外加场中在300℃、350℃和400℃下连续退火半小时后被测量。厚度的mn3ge层的膜是稳定的，即使在400℃下经受退火也没有显示出层的矫顽力的显著变化。因此，我们得出结论，在室温下在非晶基板(si/sio2)上生长的超薄赫斯勒膜具有承受通常在cmos制造期间使用的工艺条件所需的充分的热稳定性。常规用于评估mtj堆叠的磁特性和切换特性的另一类型的基板是cipt基板(cipt是指电流面内隧穿)。这些基板是涂有凭借极其平滑的表面光洁度(的rrms)高度导电的w和tin的厚层的si基板。图9显示了生长在cipt基板上的典型材料堆叠(样品编号g1757-37)的示意图。该材料堆叠为：cipt基板/ta/co20fe60b20/mn4n/coal/mn3ge/mgo/co20fe60b20/ta/[co/pt]3/ru/co/pt/[co/pt]4/pt/ru。这里公开的籽晶层mn4n/coal促进具有较大pma的赫斯勒化合物mn3ge的生长。该赫斯勒化合物是磁存储电极或可切换磁性层。在一些实施方式中，包括赫斯勒化合物的第一磁性层可以具有小于5nm的厚度、小于3nm的厚度或一个晶胞的厚度。所用的隧道势垒优选为具有(001)织构的mgo，但也可以使用其它(001)取向的隧道势垒，诸如cao和lif。或者，mg1-zal2-zo4可用作隧道势垒，-0.5<z<0.5。例如，mgal2o4可用作隧道势垒，该隧道势垒的晶格间距能通过控制mg-al组成来调节，这可导致与赫斯勒化合物更好的晶格匹配。覆盖隧道势垒的参考磁性电极可以包括例如fe、cofe合金或cofeb合金。通过使参考电极与合成反铁磁体(saf)结构接触，参考电极的磁矩被稳定至高磁场(即，使它们的矫顽力显著高于可切换磁性层的矫顽力)。这里使用的saf结构是[co/pt]3/ru/co/pt/[co/pt]4。应注意，也可使用这里未描述的其它saf结构。盖层可以包括mo、w、ta、ru、pt、甚至导电氮化物层或其组合。为了更好的性能(即，改善mtj的tmr或切换特性)，可以有利地采用可选的(第二)磁性层或所谓的“极化增强层”。该可选的第二磁性层可以包括fe、cofe合金、co2feal、co2mnsi或另外的赫斯勒化合物。该可选的磁性层可位于隧道势垒的任一侧或甚至两侧上。该可选的第二磁性层可以与隧道势垒接触。盖层可以与可选的第二磁性层接触。电流可以通过在由隧道势垒隔开的两个磁性电极之间施加电压而产生。图10显示了对该样品在其在具有沿着样品法线施加的1t的场的高真空室中在350℃下退火30分钟之后测量的磁滞回线。这些振动样品磁强计(vsm)测量在室温下以沿着样品法线取向的外加磁场来进行。在～3至4koe的场中观察到saf层的切换，但是mn3ge赫斯勒化合物的磁滞回线由于其低磁矩而不可见。赫斯勒化合物的切换场由电流面内隧穿(cipt)测量被确定为<300oe(见表1)。这些测量在capresa/s所提供的商业仪器上执行。磁场通过使永磁体位于样品上方而沿着样品法线施加，并且场强通过改变该磁体相对于样品的位置来调节。该样品的tmr被确定为～10％，且电阻面积乘积(ra)为～25ω-(μm)2。表1样品场[oe]tmr[％]ra[ωμm2]g1757-37±3008.425.4±4508.725.4±7509.725.4±15009.225.5±21008.725.4±24009.325.4±27909.425.4形状像纳米柱的mtj器件通过电子束光刻被图案化，其尺寸范围从直径30nm到250nm。在标称10％的coal层被去除之后终止mtj堆叠蚀刻以使侧壁沉积最小化。具有15×15mm2尺寸的单个cipt基板上总共有256个器件。图11显示了产量分布图，作为对于所有图案化mtj器件的电导与器件面积关系的图。这些电测试在定制探针台上进行。80％的mtj器件显示出预期的～25ω-μm2的ra值。而且在该双对数坐标图中，mtj器件电导与器件面积成线性关系。实线是对这些数据的线性最小二乘拟合，并具有1.07的斜率，接近期望值1。对若干工作器件探测了磁性状态通过场和电流两者的切换。图12是来自包含赫斯勒存储层的另一样品(样品g1746-39)的stt可切换mram器件(器件编号614)的透射电子显微镜图像。与以上详述的材料堆叠略有不同的该材料堆叠是：cipt基板/ta/co20fe60b20/mn4n/coal/mn3ge/mgo/co20fe60b20/ta/[co/pt]2/ru/co/pt/[co/pt]4/pt/ru。在电子束光刻图案化成为纳米柱mtj器件之前，沉积的材料堆叠在具有沿着样品法线施加的1t的场的高真空室中在350℃下退火30分钟。该mtj器件的直径被确定为102nm，与其100nm的标称直径非常一致。器件形状上的轻微底切来自于侧壁去除步骤。高分辨率图像显示了包括沉积的材料堆叠的各个层。coal层沿着样品法线具有拥有(001)取向的bcc织构。而且该区域的扩展视图表明mn3ge层与下面的coal层的结构非常类似，并且沿着样本法线随其四方轴生长。图13显示了以沿垂直于基板施加的场测量自110nm直径(标称)器件(器件编号501且样品编号g1757-37)的电阻(r)与外加场(h)回线的关系。该r-h回线以50mv的感测电压(vsense)在恒流模式下测量。低电阻状态与高电阻状态之间的切换归因于赫斯勒层的磁矩通过施加外部磁场的旋转(参见图13中包括的两个插图)。赫斯勒层急剧切换，而saf结构缓慢得多地切换(参见场<-2koe处的数据)。该器件的tmr与覆膜(blanketfilm)上的cipt测量9.6％一致。图14显示了在施加1毫秒持续时间的偏置电压(vbias)脉冲之后测得的相同器件的电阻(r-v回线)。右侧的示意图显示了与该器件串联的脉冲发生器生成vbias脉冲。电流流动方向对于相反极性的vbias是相反的。器件的电阻切换到阈值vbias以上，并且两种状态(参见图14中的两个插图)的电阻类似于r-h回线(图13)中的两种状态的电阻。这表明赫斯勒层的磁化在stt切换期间与在磁场感应切换期间相同的两个状态之间切换。赫斯勒层的stt切换也通过确定切换相位图来独立地确认，在切换相位图中用于在高电阻状态到低电阻状态以及低电阻状态到高电阻状态(即平行磁化状态到反平行磁化状态以及反平行磁化状态到平行磁化状态)之间切换的阈值切换电压被发现强烈依赖于外加磁场。由于这些测量中使用的更低的积分时间，r-v回线(图14)中的点对点噪声高于r-h回线(图13)中的点对点噪声。使用1毫秒电压脉冲的器件的stt切换所需的电流密度jc为～6×105acm-2。该jc比具有cofeb可切换磁存储电极的相似尺寸器件低一个数量级。随着mtj器件缩小到20nm以下的光刻节点，高度期望这种更低的jc。图15测量了作为纳秒电压脉冲的函数的切换具有100nm(标称)器件直径的mtj器件(器件编号602且样品编号g1757-37)的概率。使用的测量设置的示意图显示在右侧。mtj器件首先通过使1ms复位脉冲通过该器件而被设置到其低电阻状态或高电阻状态(平行磁化状态或反平行磁化状态)。接着，具有2至100ns之间的脉冲宽度且具有切换该器件的电阻/磁化状态所需的极性的切换电压脉冲(vp)通过该器件。总共100个脉冲被使用，并且切换mtj器件电阻的概率通过在每个脉冲之后读取器件电阻来确定。对于更低的vp，任何给定vp处的50％切换概率的脉冲宽度t(50％)增大。图16总结了切换电流(ic)与脉冲宽度(tp)关系的数据。这些数据分为两种机制，进动的(precessional)(tp<～100ns)和热激活的(tp>～1ms)，见左侧的图。虚线显示宏观自旋模型的拟合(参见d.bedauetal,appl.phys.lett.97,262502(2010))。tp的倒数(对于tp<～100ns)随ic线性地变化，表明角动量守恒(参见图16中右侧的图)。这里描述的某些结构也可以用在赛道存储器件中。在这种情况下，赛道是可包括基板、可选的籽晶层、mnxn/coal层(其中2.5≤x≤4)以及赫斯勒化合物的第一磁性层的纳米线。(对于这些层的可能组成，参见以上关于图9的讨论。注意，在赛道存储器件中，正常来讲不会存在图9所示的隧道势垒和可切换磁性层；然而，在这种情况下，图9所示的第一磁性层会具有可切换的而非固定的磁矩。)磁畴壁可以沿赛道移动，如美国专利6834005中所述。通过询问(或改变)赛道内相邻畴壁之间的磁性材料的磁矩的取向，可以从赛道读出数据(以及在赛道中存储数据)。这里描述的各种层可以通过多种方法中的任何一种或更多种来沉积，包括磁控溅射、电沉积、离子束溅射、原子层沉积、化学气相沉积和热蒸发。本发明可以实现为其它特定形式而不背离其精神或实质特征。所描述的实施方式将在所有方面仅被视为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非前面的描述表示。该范围内将包含权利要求的等同含义和范围内的所有变化。本申请要求享有2018年4月3日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请第62/763,123号“基于物理学启发的递归神经网络的高效预测性电路仿真器”的权益以及2018年8月31日在美国专利商标局提交的美国专利申请第16/119,785号“基于物理学启发的递归神经网络的高效预测性电路仿真器”的权益，其全部公开通过引用合并于此。当前第1页12