实施例(例如，Co70Fel0B20)。在另外的其它实施例中，隧穿层108组合物充当合适的纹理模板(但不是MgO)，例如氧化铝(AlOx) ο
[0023]隧穿层108可具有多达2nm的厚度，然而，给定器件面积的电阻通常随着隧穿层厚度以指数方式增加。在示例性MgO实施例中，低于Inm的厚度提供有利的低电阻，其中，在Inm与1.3nm之间的厚度还提供可接受的低电阻。固定磁性层106的厚度还可以相当大地变化，例如在Inm与2nm之间。在实施例中，自由磁性层106的厚度超过Inm(例如，至少
1.1nm)，并且自由磁性层106的示例性富铁CoFeB实施例具有在1.3nm与2nm之间的厚度。该较大的厚度提高自由磁性层106的热稳定性，从而相对于具有较小厚度的自由磁性层实现STTM器件的较长非易失性寿命。
[0024]虽然对于该示例性实施例来说，MTJ叠置体103直接设置在电极105上(例如，其中，CoFeB固定磁性层106直接位于Ta层上)，但再次注意的是，MTJ叠置体可以相当大地变化，而不背离本发明的实施例的范围，例如，包括一个或多个中间层可以设置在固定磁性层110与电极105之间。例如，出于各种目的(例如钉扎固定磁性层110的界面(例如，通过交换-偏置耦合))，可以存在反铁磁层(例如(但不限于)铱锰(IrMn)或铂锰(PtMn))或者相邻于另一铁磁层(例如，CoFe)包括此反铁磁层的合成反铁磁(SAF)结构，其中，非磁性间隔体层(例如(但不限于)Ru)介入在固定磁性层106与SAF之间。
[0025]电极105和130电连接到MTJ叠置体103。电极105和130是可操作用于电接触STTM器件的磁性电极的材料或材料叠置体中的每一者，并且可以是本领域中出于此目的公知的任何材料或材料叠置体。虽然电极105、130可以具有一系列层厚度(例如，5nm-50nm)并且包括多种材料以便与MTJ叠置体103和互连件两者形成兼容界面，但在该示例性实施例中，固定磁性层电极105包括至少钽(Ta)层，并且可还可以包括额外的下伏导电缓冲层，其包括至少一个钌(Ru)层和第二 Ta层。对于自由磁性层(顶部)电极130来说，具有高导电率的金属、即使在表面氧化也是有利的，例如(但不限于)Cu、Al、Ru、Au等，其中，Ru有利地提供了良好的氧气阻隔，从而减小MTJ叠置体103内氧化的可能性。
[0026]如图1A中所示出的，MTJ叠置体103被电介质层150环绕。虽然电介质层150可通常是任何常规的电介质材料，例如(但不限于)二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，但在有利的实施例中，电介质层150是具有大于至少8、有利地大于10、并且更有利地大于15的体介电常数的高k电介质材料。这种高介电常数有利于通过减小电介质层150的厚度(沿图1A的X-维度)来增加在场板160与MTJ电极(例如，自由磁性层电极130)之间形成的电场的强度。在STTM器件101与驱动晶体管设置在同一衬底上(例如，在1-晶体管自旋转移扭矩存储器单元(例如图6中所绘示的)中)的情况下，电介质层150与(该晶体管中)所利用的栅极电介质具有相同的电介质材料(和潜在的相同厚度)。示例性材料包括金属氧化物，例如(但不限于)二氧化铪(HF02)、氧化锆(Zr02)等等。对于这种高k实施例来说，电介质层150可以具有低于2nm、并且更具体来说在Inm与2nm之间的厚度(图1A中的X-维度)。如图1A中进一步所示出的，该电介质层的垂直高度(H2)不大于自由磁性层电极130的顶部表面的垂直Z-高度(Hl)，从而容许布线金属化以接触电极130。对于其中自由磁性层106设置在固定磁性层110上方的那些实施例来说，电介质层150应还具有至少等于自由磁性层106的垂直高度、并且更具体来说至少等于MTJ叠置体103的高度的垂直高度，如图1A中所示出的。
[0027]场板160是导电材料，其接近于自由磁性层106设置，但通过介入电介质层150与磁性层106和/或MTJ叠置体103分隔开。在功能上，场板160用于实现在场板160 (其在器件101的操作期间短路到MJT叠置体103的第一电极)和MJT叠置体103的第二电极之间施加电压差，从而跨越电介质层150降低电压并且形成延伸到自由磁性层106的至少一部分中的电场(包括边缘场，其在具有MTJ叠置体的典型几何结构上可能是显著的)。虽然通常，场板160可以由任何导电材料制成，包括经掺杂半导体，例如(但不限于)多晶娃，但在该示例性实施例中，场板160是金属，例如(但不限于)电极105、130中的一个或多个电极中存在的金属中的一种或多种金属(例如，Ta、Ru、Au)或其它金属(例如Al、Cu)。场板160可以具有为了如所期望的指引该电场通过自由磁性层106而选择的垂直高度并且因此是取决于实施方式的设计变量。通常，如图1A中所示出的，场板160可具有小于电介质层150的垂直高度的垂直高度，从而确保与电极130的电隔离。在某些实施例中，该场板的垂直高度近似等于该MTJ叠置体的垂直高度(H3)，这是紧密接近于自由磁性层106和自由磁性层电极130放置场板160。
[0028]如图1A中所示出的，在场板160相邻于MTJ叠置体103的侧壁的情况下，电场线(虚线)在最紧密接近于自由磁性层106的MTJ电极和场板160之间延伸。这些电场线的强度和方向可以通过电介质层150和场板160的设计(独立于MTJ叠置体103)、并且进一步通过对施加在电极130和场板160之间的差分电压的操纵来操纵。值得注意的是，该电场的方向可以随着场板160和/或电介质层150的几何结构相对于MTJ叠置体103的几何结构的变化而改变。但是，由于场板160设置在通过MTJ叠置体103的导电通路(在电极105与130之间)的外部，因此该电场非平行于该导电通路、或通过MTJ叠置体103的电流的方向。在自由磁性层106的电阻大于电极130的电阻的情况下(这通常是这种情况(例如，CoFeB膜具有数百到数千的电阻率cm μ Ω，通常在层厚度由于形态变化而减小时增加))，该电场延伸通过最靠近于场板160设置的自由磁性层106的周边部分。在某些此类实施例中，该场在自由磁性层106的一个或多个区域内基本上正交于通过MTJ叠置体103的导电通路的方向。可以容易针对给定器件几何结构对其中存在正交场的这些区域的范围和位置进行建模。
[0029]在图1A中所示出的示例性实施例中，场板160可作为两个MTJ电极105、130中的一个电极的延伸物来操作。场板160直接连接到(例如，设置成直接欧姆接触)MTJ电极105，并且因此维持在等于MTJ电极105的电压电位的第一电压电位(例如，0V)，而另一 MTJ电极(例如，自由磁性层电极130)维持在第二电压电位(例如，IV)。因此，跨越自由磁性层106的至少一部分形成的电场是跨越MTJ电极105、130施加的电压和/或驱动的电流的函数。因此，电介质层150的厚度和场板160相对于自由磁性层106的位置可以基于要通过MTJ叠置体103以切换磁化状态的临界电流来确定，其中，所产生的电场以由图2Α-图2D和图3Α-图3D进一步所示出的方式对该临界电流的大小具有影响(例如，减小)。
[0030]在图1B中所示出的另一实施例中，场板160与MTJ电极105、130两者电隔离(例如，通过电介质层150)。因此，该场板可作为STTM器件101的第三独立端子来操作。作为第三独立端子，可以由偏置电压(Vb)独立于施加在处于电压电位VO和Vl的MTJ电极105与130之间的用于诱导临界电流通过自由磁性层106的电流驱动电压来提供可由电介质层150持续的任何差分电压(例如，低于电介质击穿电压)。注意，隧穿层108可以限制MTJ电极105与130之间可持续的电压电平差，因为还跨越隧穿层108形成电场，可以借助利用如图1B中所绘示的电独立场板160的实施例来实现较高的电压以及因此较强的电场。
[0031]图2Α-图2D根据一实施例示出在平行磁性层的极化状态进行切换时包括场板的STTM器件的横切面的等轴视图，而图3A-3D根据另一实施例示出在垂直磁性层的极化状态进行切换时包括场板的STTM器件的横切面的等轴视图。如这些图中所示出的，场板160形成环绕电介质层150的周长，其还形成环绕自由磁性层106的区段的环形物。如图2Α中所示出的，在初始状态，自由磁性层106内的磁化偶极子基本上沿X轴在第一方向上对准，其中场板160和自由磁性层电极(在图2Α中不可见，但正如图1A中的电极130 —样连接到自由磁性层106)之间具有O伏差。
[0032]对于图2Β中所示出的状态来说，将电压差施加在场板160与该自由磁性层电极之间(例如，就其中场板160电关联到固定磁性层电极电位的示例性实施例而言，将+电压施加到场板160，其中，该自由磁性层电极未被偏置或处于负电压)。该电压差形成延伸到自由磁性层106的至少周边区域275中的电场。由于场板160围绕自由磁性层106形成周长，因此周边区域275为环形并且该电场与环形周边区域275内的磁偶极子相互作用，从而(径向地)远离其初始(优选)定向对其进行定向。
[0033]接下