CN103490006B - 磁元件和编程磁存储器的方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，一种用于半导体器件的磁元件包括参考层、自由层、以及设置在参考层和自由层之间的非磁性隔离物层。非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料。二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。

Description

磁元件和编程磁存储器的方法
技术领域
本发明构思涉及一种用于半导体器件的磁元件和一种编程磁存储器的方法。
背景技术
磁存储器尤其是磁随机存取存储器（MRAM）由于其在操作期间的高读/写速度、极佳的耐久性、非易失性和低功耗方面的潜能，已经吸引了越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁元件,至少部分通过磁元件驱动的电流来对磁元件写入。
例如，图1描绘了一个示例性的磁性隧道结（MTJ）10，该MTJ可用在常规STT-RAM中。常规MTJ10通常形成在底部接触11上，使用常规的（一个或多个）籽层12并且包括诸如常规反铁磁性（AFM）层的钉扎层14，常规被钉扎层（或参考层（reference layer））16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规盖层（capping layer）22。也示出了顶部接触24。
常规接触11和24用于在电流垂直于平面（CPP）的方向上、或者沿着如图1所示的z轴驱动电流。常规隧穿势垒层18是非磁性的并且例如是薄的绝缘体，诸如MgO。常规的（一个或多个）籽层12通常用于辅助具有期望晶体结构的后续层的生长，所述后续层例如是AFM层14。常规自由层20直接暴露于顶部接触24可能导致无序界面、死磁性区和增强的衰减。因此，在沉积顶部接触24之前，直接在自由层20上提供常规的盖层22。该常规的盖层用作扩散阻挡物并且改善常规自由层20的表面质量。常规的被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规的被钉扎层16的磁化强度17通常通过与AFM层14的交换-偏置相互作用，而被固定或钉扎在特定方向上。尽管被描绘为简单的（单个）层，但是常规的被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规的被钉扎层16可以是合成的铁磁性（SAF）层，其包括通过薄的诸如Ru的导电层反铁磁地或者铁磁地耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用与薄的Ru层交替的多个磁性层。
常规自由层20具有可变的磁化强度21。尽管被描绘为简单的层，但是常规的自由层20也可以包括多个层。例如，常规的自由层20可以是合成的层，其包括通过薄的诸如Ru的导电层反铁磁地或者铁磁地耦合的多个磁性层。
自旋转移矩可用于向常规MTJ10写入。具体而言，自旋转移矩将常规自由层20的磁化强度21旋转到沿其易磁化轴的两个方向中的一个。当写入电流垂直于层平面流过常规MTJ10时，电子可由于传输经过常规被钉扎层16或者从常规被钉扎层16反射而被自旋极化。如果足够的电流被驱动经过常规MTJ10，则常规自由层20的磁化强度21上的自旋转移矩可足以转变该常规自由层20。因此，可以将常规自由层20写入到期望的状态。由此常规MTJ10可用于STT-RAM中的数据存储。
发明内容
在示例性实施例中，可以提供在退火后具有与MgO相同的基本晶体取向（001）的二元合金氧化物、三元合金氧化物或者多元合金氧化物，以降低MgO的势垒高度，使其在厚度增加时电阻更小。例如，可以通过向诸如MgO的氧化物提供另外的元素以减小其电阻来形成新氧化物。这些另外的元素可包括例如下述元素中的任意一种或多种：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。所述新氧化物可以用作籽层、盖层、或隔离物/势垒层以增加用于诸如磁存储器件的磁器件的隧道磁阻（TMR）比值并减小其RA（电阻面积）。
因此，可以通过使用添加剂或另外的元素改善MgO层的属性。例如，可以使用添加剂来拉伸或收缩晶体结构以匹配晶格常数。或者，可以使用添加剂来增加由失配引起的对垂直各向异性的应变影响。
这些氧化物材料由于具有较小的带隙或者在一些情况下具有导电性，提供了低的RA值。较小的带隙减小了材料对隧穿的阻力。导电性氧化物材料可用于例如为籽层或盖层提供减小的电阻。并且，尽管对于自旋转移矩MTJ结构中的势垒层通常应当避免导电性，但是导电的隔离物（插入）层对于自旋阀结构是有用的。通过将具有减小的RA值的新氧化物材料用于籽层、盖层和势垒/隔离物层，存储器写入电流和功率可以减小，读取信号和速度可以增加，并且写入和读取错误的概率可以大大降低。
附图说明
图1描绘了常规的磁元件。
图2描绘了示例性的磁元件。
图3和4的曲线图，示出了对于两个转变方向图2所示的磁存储器结构在各种电压下的转变速度。
图5的图表，示出了在图2所示的结构中对于两个转变方向(P→AP,AP→P)MTJ存储器位的数目与写入电流的关系。
图6提供了一组图表，示出了在其中根据本发明构思的原理来配置两个势垒层之一的DMTJ结构的以及DMTJ结构的益处。
图7示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件构造成具有由根据本发明构思的原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。
图8示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件既具有面内参考层也具有垂直参考层，并且还具有面内磁化自由层，以及具有由根据本发明构思的原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。
图9示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件类似于图8但是还包括由根据本发明构思的额外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层。
图10示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件既具有垂直参考层也具有面内参考层，具有垂直磁化自由层，并且还具有由根据本发明构思的另一实施例的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。
图11示意性地表示磁存储器元件的另一实施例，该磁存储器元件既具有垂直参考层也具有面内参考层，具有垂直磁化自由层，并且还具有由根据本发明构思的额外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。
图12示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有由根据本发明构思的又一原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的籽层。
图13示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有由根据本发明构思的额外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层。
图14示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有由根据本发明构思的另外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层和籽层。
图15示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有基本垂直磁化的自由层和参考层，并且还具有由根据本发明构思的原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。
图16示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有基本垂直磁化的参考层和自由层，并且图16还示出了根据本发明构思的另外原理将新氧化物材料中的一种或多种用作盖层、势垒层和/或籽层。
图17描绘了利用根据本公开的一些实施例的磁性元件的磁存储器的示例性实施例。
图18是包括根据本公开的原理构造的MTJ元件的磁器件的示意性横截面图。
图19是在其中使用根据本发明构思的一些实施例的磁元件器件的电子系统的示意图。
具体实施方式
示例性实施例涉及可用于诸如磁存储器的磁器件的磁元件，以及使用这种磁元件的器件。给出下文的描述以使得本领域普通技术人员能够作出和使用本发明，并且下文的描述在专利申请及其要求的背景下提供。对于在此描述的示例性实施例和一般性原理以及特征的各种修改将是容易显而易见的。主要就在特定实现方式中提供的特定方法和系统的方面，描述了示例性实施例。然而，这些方法和系统将在其它实现方式中有效工作。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一个实施例”的短语可指相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有特定部件的系统和/或设备描述实施例。然而，所述系统和/或设备可以包括比所示出的部件更多或更少的部件，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下对所述部件的布置和类型作出改变。也将在具有特定步骤的特定方法的背景下描述示例性实施例。然而，对于具有不同和/或另外的步骤以及与示例性实施例不一致的不同顺序的步骤的其它方法，所述方法和系统有效地工作。因此，本发明并不意图限于所示的实施例，而是与在此描述的原理和特征一致的最宽的范围一致。
在特定磁元件和具有特定部件的磁存储器的背景下描述示例性实施例。本领域普通技术人员将容易认识到本发明与具有与本发明不一致的其它和/或另外的部件和/或其它特征的磁元件和磁存储器的使用是一致的。所述方法和系统也在对自旋转移现象的当前理解的背景下描述。因此，本领域普通技术人员将容易认识到，所述方法和系统的行为的理论解释是基于对自旋转移的这种当前理解作出的。本领域普通技术人员也将容易认识到所述方法和系统是在与衬底具有特定关系的结构的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易认识到所述方法和系统与其它结构是一致的。此外，所述方法和系统是在某些层是合成的和/或简单的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易认识到这些层可具有另一结构。此外，所述方法和系统是在具有特定层的磁元件的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易认识到也可以使用具有与所述方法和系统不一致的另外的和/或不同的层的磁元件。此外，特定部件被描述为磁性的、铁磁的和亚铁磁的。如本文中所描述的，术语磁性的可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似结构。因此，在此所使用的，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体或亚铁磁体。所述方法和系统也在单个的元件的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将容易认识到所述方法和系统与具有多个元件的磁存储器的使用是一致的。此外，如本申请中所使用的，“面内”实质上是在磁元件的一个或多个层的平面内或平行于该平面。相反，“垂直于”对应于与磁元件的一个或多个层实质上垂直的方向。
如所讨论的，诸如图1的MTJ10的MTJ元件可以包括MgO隧穿势垒层。MgO通常具有（001）（“岩盐”）晶体结构，该晶体结构提供与bcc（001）CoFe良好的晶体结构匹配，或者与退火之后的CoFeB良好的晶体结构匹配。这种良好的晶体结构提供了适合于例如存储器器件应用的较高的隧穿磁阻（TMR）比值。尤其是，高的TMR比值（例如，100%）能够实现更快的读取操作。并且，对称过滤增强的自旋极化导致自旋转移矩（STT）临界转变电流密度减小。
然而，向更小器件的趋势使得期望减小MTJ的RA（电阻面积，resistance-area）。为了减小MTJ的RA，一种方法已经减小MgO势垒层的厚度。然而，不幸的是，当MgO层太薄时，其优点可能丧失。尤其是，低于约5-10Ωμm2RA值，势垒质量快速劣化并且TMR比值减小。对于20nm圆形，10Ωμm2的RA值将使得MTJ位具有约32kΩ的电阻。高的MTJ位电阻将导致写入电压Vw和写入能量Ew有害地高。
因此，期望有一种改善的隧穿势垒层，其具有与MgO相同或相似的效果但是具有更低的势垒高度以提供低的RA而不使势垒层薄到膜质量开始劣化。例如，期望更低的RA以将基于PMTJ（垂直MTJ）的STT-RAM按比例缩小至20nm节点以下。
此外，为了有最佳晶体结构匹配，可以将薄的MgO层用作籽层、盖层或隔离物（插入）层，其中最佳晶体结构匹配对于获得最高TMR比值和最低自旋转移矩转变电流密度是期望的。这些层具有各种期望的功能。例如，它们可以帮助减小转变期间MTJ上的电压降。例如，常规的盖层可以有助于防止磁性材料（例如Ta）的氧化，要不然可能发生磁性材料的氧化反应以及产生磁死层。在MgO盖层的情况下，可以防止形成死层并且可以实现强的垂直界面各向异性。然而，不幸的是，提供另外的MgO层可能增加串联电阻，该串联电阻能够通过提供太多的电阻而最终降低TMR比值。
因此，也期望有：具有与低得多的RA值的良好晶体结构匹配的籽层、盖层和/或隔离物（插入）层，以减少否则可能发生的性能劣化。
此外，在一些存储器结构中，例如图2所示的存储器结构，当MgO用作唯一的隧穿势垒层、（一个或多个）籽层以及（一个或多个）盖层时，所得到的存储器100可能遭受若干写入和读取性能问题，所述问题在下文中进一步描述。
在图2中，存储器100包括垂直各向异性盖层140、具有可变磁化强度131的自由层130、以及隔离物层120、（例如隧穿势垒）、以及被钉扎层110。磁元件100用于诸如磁存储器的磁器件中，其中电流被驱动通过磁元件100。因此，这种器件可以包括（图2中未示出的）接触，通过所述接触电流将被提供到磁元件100以及从磁元件100离开。这种接触也可以包含在下文中例如参考图7-16进一步讨论的器件中的一些或全部中，尽管并未示出。本申请的磁元件也包括图2中未示出的其它部件。例如，除了籽层之外，磁元件可以包括与被钉扎层110相邻的AFM层（未示出），用于钉扎被钉扎层110的磁化强度111。
在图2所示的实施例中，自旋转移矩可用于将自由层130的磁化强度131转变成平行于（P）或者反平行于（AP）被钉扎层110的磁化强度111。在难以转变（例如，P→AP）方向上，所需的中间转变电流近似为容易转变（例如，AP→P）方向的两倍。此外，由于来自单元晶体管（例如，图17的414）的电源电流限制，当单元尺寸与相同技术节点的DRAM单元尺寸相当时，所有MTJ位转变的转变时间可能长几个数量级，导致与其他存储器技术没有竞争力的慢的写入操作。即使在容易转变的方向上，当存储器100被写几千到几百万次时，越来越多坏的MTJ位逐渐形成，变得在一些写入周期期间无法转变，然后再次变好。这是因为MTJ位在被自旋矩转变时具有随时间变化的孕育期，取决于在施加自旋矩时其确切的磁化强度方向。当MgO用作籽层和盖层时，其增加串联电阻并且降低读取信号，因此降低了存储器读取速度，这在下文中进一步解释。
图3-5提供了当使用MgO作为诸如图2所示的器件结构中的存储单元结构的单个隧穿势垒层以及籽层和盖层中的一个或多个来构造MTJ100时存储器100的写入操作性能数据。
现在参考图3-5，现在将讨论在仅由MgO形成籽层、盖层和唯一的势垒层的存储器结构中的写入操作的问题。图3示出了在施加到单元晶体管的各种栅极电压（Vpp）下、单个写入操作的通过MTJ单元计数与写入脉冲宽度之间的关系。如图3所示，（对于要在存储器阵列中转变的所有好的MTJ单元或位）在容易转变的方向(例如,AP→P)上的写入速度可以有20ns那么快。然而，如图4所示，在难以转变的方向（P→AP）上，对于所有要转变的MTJ单元或位，单个写入操作的写入速度可能比500ns更慢。因此，总体写入速度可能显著降低。
图5示出了当写入脉冲固定在5ns时，在容易转变的方向和难以转变的方向两者上用于写入操作的写入电流分布。如图5所示，在难以转变的方向上对单元编程所需的写入电流同样比在容易转变的方向上对单元编程所需的写入电流大得多。如图所示，难以转变的方向上的平均写入电流约为113μA，标准偏差约为47μA。然而，在容易转变的方向上，平均写入电流仅为约86μA，标准偏差仅为约9μA。由于在难以转变的方向上写入电流的宽分布，以这种方式构造的器件难以有效工作。
图6是比较单势垒层MTJ结构（例如底部MTJ结构）中的转变电流和根据本发明构思的一些原理构造的DMTJ结构（例如，如图7所示）中的转变电流的图表图示，该DMTJ结构克服了上面讨论的器件的缺点。
参考图6，单个隧穿势垒层在容易转变的方向上具有集中的转变电流分布，但是在难以转变的方向上具有宽的分布。使用根据本发明构思的一些原理构造的DMTJ结构，转变电流的分布在难以写入的方向上可以显著减小。
此外，尽管使用多个MgO势垒层的DMTJ结构能够在两个方向上都获得快的转变速度（例如，50ns或更短），但是它易于具有低的TMR比值，这是因为两个MgO势垒层的抵消。这可以导致50%-80%的TMR比值以及大于20Ωμm2的RA，这不适用于低于20nm的节点应用。
因此，根据本发明构思的原理，如果不提供两个MgO势垒层，而是将势垒层之一（或二者）用由在本申请中公开的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层代替，则这种具有低得多的RA的新氧化物材料势垒层将通过提供大大提高的TMR比值而解决该问题。
现在具体参考图7，示出了根据本发明构思的一个实施例的DMTJ结构。在该实施例的DMTJ结构中，可以由并非MgO的新氧化物材料中的一种或多种构造所述两个势垒层之一。
具体而言，在图7中，用于诸如磁存储器的磁器件的磁元件70可以包括被钉扎层（或者底部参考层72）、MgO隔离物层74、自由层76、由新氧化物材料形成的非磁性隔离物层78、以及另一被钉扎层（或者顶部参考层）79。该新氧化物材料可以是例如二元、三元、或多元合金氧化物，所述二元、三元、或多元合金氧化物被提供了另外的元素以减小其电阻同时在退火后保留与MgO相同的基本晶体取向（001）。各个磁性层的磁取向可以是面内的或垂直的。在一些实施例中，各个磁性层的磁取向可以是面内和垂直磁取向的组合。
更具体地，二元合金氧化物可以例如由化学式MgxAyOz代表，其中例如x+y+z=1,x>y且0<x、y或z<1。“A”表示添加到MgO的另外的元素。该元素可以是例如下列元素中的任何一种：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。尽管MgO的典型势垒高度是约2-3eV，但是有了另外的元素A，势垒高度可以减小到低于约2eV以提供更低的RA值。该二元合金氧化物MgxAyOz仍可以具有MgO的（001）晶体结构。
类似地，三元合金氧化物例如可以用化学式MgxA1 y1A2 y2Oz表示，其中，例如x+y1+y2+z=1，x>y1+y2，且0<x、y1、y2或z<1。A1和A2是添加到MgO以实现低于约2eV的势垒高度以由此降低RA值的元素。三元合金氧化物仍然MgxA1 y1A2 y2Oz仍然优选具有MgO的（001）晶体结构。
多元合金氧化物例如可以用化学式MgxA1 y1A2 y2…An ynOz表示，其中，例如x+y1+y2+…+yn+z=1，并且0<x、y1、y2、…、yn或z<1。A1、A2、...、An是添加到MgO以实现低于约2eV的势垒高度从而降低RA值的元素。
然而，应当注意，在一些实施例中，x+y或者x+y1+…+yn可以>1，并且z也可以>1。例如，材料MgAl2O4、(Mg,Ca,Sr,Ba)SnO3、Mg2SnO4或NiMn2O4中的任何一种或多种可以用作新氧化物材料。
例如，可以通过用所需的另外的（一种或多种）元素溅射镁靶然后将溅射的膜暴露于氧气，来形成所述新氧化物材料。或者，两个、三个或更多靶可以共溅射以用于二元、三元或多元合金氧化物。也可以提供预先混合的靶，其中在溅射和暴露于氧气之前预先混合期望的金属。或者，虽然对于存储器器件粒子计数（particle count）可能太高，但是可以在溅射之前在单个靶中预先混合金属和氧。尽管用作势垒层时所述新氧化物材料不应当导电，但是所述新氧化物材料在用于籽层或盖层时或者在用作自旋阀结构中的隔离物层时可以是导电的。
如果没有将新氧化物材料用于MgO势垒层中的一个或多个，由于MgO层的串联电阻，TMR比值将较低。通过使用新氧化物材料之一，可以获得更高的TMR比值和增强的自旋极化。
图8-16示出了用于根据本发明构思的原理构造的存储元件的磁堆叠结构的另一些实施例。在这些实施例的每一个中，参考层例如可以是用于减小或消除自由层上的偏置场效应的SAF结构。此外，自由层可以是SAF结构。
参考图8，磁元件或磁堆叠结构80可以包括具有垂直磁取向（垂直磁化强度）的被钉扎层（或顶部参考层）89，该顶部参考层89安置在具有面内磁取向（面内磁化强度）的自由层86之上，由所述新氧化物中的一种或多种形成的非磁性隔离物层（或者隧穿势垒层）88安置在自由层86和顶部参考层89之间。可以提供具有面内磁取向的另一被钉扎层（或者底部参考层）82，MgO隧穿势垒层形成于底部参考层82和自由层86之间。由于来自底部面内参考层和顶部垂直参考层的两个自旋矩的组合，该实施例可以提供非常快的转变。在该例子中MgO可以用作主要隧穿势垒层以提供较高的R值。因此，通过具有更高TMR比值的该主要MgO势垒，读取信号可以得到改善，其中更高的TMR比值对应于更大的读取信号和更快的读取操作。当写入电流经过图8所示的MTJ结构时，顶部垂直参考层在自由层86上提供大的垂直自旋矩，并且使得自由层磁化强度立即倾斜离开平面，来自底部参考层82的自旋矩也将作用于自由层磁化强度，并且将自由层86的磁化强度指向平行于或反平行于底部参考层82的方向。当自由层的磁化强度倾斜离开其膜平面时也将存在自由层磁化强度的进动旋转效应（precessional rotational effect），由此使得自由层磁化强度的转变非常快（例如，几十到几百皮秒）。
图9所示的实施例类似于图8所示的实施例，除了由新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层99安置在被钉扎层（或顶部参考层）98上之外。新氧化物材料盖层99可以帮助在顶部参考层98中诱导另外的界面垂直各向异性。应当注意，在前述实施例以及后面描述的实施例中的每一个中，结构可以颠倒而不脱离本申请中所描述的发明构思。磁元件90也可以包括面内自由层96、底部参考层92，MgO层94设置在二者之间。由新氧化物材料中的一种或多种形成的非磁性隔离物层（或者隧穿势垒层）97安置在自由层96和顶部参考层98之间。
图10示出了磁元件（磁堆叠结构或MTJ）100，其中顶部参考层109具有面内磁取向，而自由层106和底部参考层102每个都具有垂直磁取向。由新氧化物材料中的一种或多种形成的非磁性隔离物层或隧穿势垒层108可以安置在顶部参考层109和自由层106之间，并且MgO隧穿势垒层104可以安置在自由层106和底部参考层102之间。垂直磁取向能够有助于将磁器件的尺寸减小到20nm以下的尺寸，这是因为垂直磁性材料具有比面内磁性材料大得多的磁各向异性。当写入电流通过图10所示的MTJ被施加时，面内参考层109在自由层上提供最大自旋矩以将其磁化强度向着面内方向倾斜，与来自底部垂直参考层102的自旋矩相结合，该自由层将在短时间段内转变成平行于或反平行于底部参考层102。然而，在没有面内顶部参考层109的情况下，初始自旋矩可以为零或接近零，并且可能花费不希望的长时间来开始转变。
图11示出了磁元件（磁堆叠结构或MTJ）110，其中顶部参考层119和自由层116具有垂直磁取向，而底部参考层112具有面内磁取向。MgO隧穿势垒层118可以安置在顶部参考层119和自由层116之间，而由新氧化物材料中的一种或多种形成的非磁性隔离物层（或者隧穿势垒层）114可以安置在自由层116和底部参考层112之间。与图10所示实施例的面内顶部参考层109一样，该实施例的面内底部参考层112可以通过帮助初始化转变操作来帮助加快转变速度。
图7-11中的每一个都示出了根据本发明构思的原理构造的DMTJ结构。在本发明构思的范围内也想得到各种单势垒层MTJ结构，将参考图12-14描述单势垒层MTJ结构的几个实施例。
图12示出了其中新氧化物材料中的一种或多种能用作籽层122的磁元件（或磁堆叠结构）120，自由层124形成在籽层122上。MgO隧穿势垒层126将自由层124与被钉扎层（或顶部参考层）128分开。在该特定实施例中，自由层124和顶部参考层128都具有垂直磁取向。如前所述，垂直磁取向能够实现更小的器件结构。对于垂直单隧穿势垒层结构，当自由层的活化体积小于总体积时，可以通过快速磁畴成核来实现转变，这在Applied PhysicsLetters,Vol.99,042501(2001)和IEEE Magnetics Letters,Vol.2,3000204(2011)中有更详细的讨论。
图13示出了磁元件或（磁堆叠结构或MTJ）130，其中可以提供由新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层138。盖层138可以安置在自由层136之上，自由层136可以通过MgO隧穿势垒层134与被钉扎层（或底部参考层）132分开。在该实施例中，自由层136和底部参考层132都具有垂直磁取向。
图14示出了根据本发明构思的原理构造的另一磁元件（或磁堆叠结构）140。如图14所示，籽层142可以由在此公开的新氧化物材料中的一种或多种形成。钉扎层（或底部参考层）144可以形成在籽层142上。可以提供通过MgO隧穿势垒层146与底部参考层144分开的自由层148。最后，盖层149可以由新氧化物材料中的一种或多种形成并且安置在自由层148之上。在该特定实施例中，自由层148和底部参考层144都具有垂直磁取向。
图15示出了磁元件或DMTJ磁堆叠结构150，其类似于图8所示的磁元件，除了每一个磁性层都具有垂直磁取向之外。更具体地，如图15所示，被钉扎层（或顶部参考层）159可以安置在自由层156上方，而非磁性隔离物层或隧穿势垒层158安置在被钉扎层159与自由层156之间。隔离物层158可以由在此公开的新氧化物材料中的一种或多种形成。可以在自由层156下方提供另一被钉扎层（或者底部参考层152），MgO隧穿势垒层154设置于自由层156和底部参考层层152之间。参考层152、159和自由层156中的每一个都可以具有垂直磁取向，顶部参考层159的磁取向优选与底部参考层152的磁取向相反地安置。如前所述，垂直磁取向能够实现更小的器件结构，并且当活性体积小于自由层的总体积时快的转变是可能的。
现在参考图16，根据又一实施例的磁元件（或磁堆叠结构或MTJ）160可以包括由新氧化物材料中的一种或多种形成的籽层161、安置在籽层161上的被钉扎层（或底部参考层）163、安置在底部参考层163与自由层165之间的MgO隧穿势垒层164、安置在自由层165和另一被钉扎层（或顶部参考层）168之间的由新氧化物材料之一形成的非磁性隔离物层或隧穿势垒层167、以及安置在顶部参考层上方的由新氧化物材料之一形成的盖层169。自由层和参考层中的每一个都具有垂直磁取向，顶部和底部参考层163、168具有相反方向的磁取向。
图17描绘了利用上面讨论的磁元件的磁存储器400的一部分的示例性实施例。在所示的实施例中，磁存储器可以是STT-RAM400。STT-RAM400包括读取/写入列选择器/驱动器402和406以及字线选择器/驱动器404。STT-RAM400还包括存储单元410，存储单元410包括磁元件412和选择/隔离器件414。磁元件412可以是图7-16所示的任何磁元件。读取/写入列选择器/驱动器402和406可用于选择性地驱动电流流过位线403并因此流过单元410。字线选择器/驱动器404通过启用（enable）与被选择的字线405耦合的选择/隔离器件414，选择性地启用一行或多行STT-RAM400。在所示的实施例中，写入时使用的另外的磁场可以由位线403提供。
再次参考图17，根据本发明构思的另一些原理，如图17所示的电路结构可以使用这样的磁存储器元件形成，所述磁存储器元件包括二元、三元或多元合金氧化物作为籽层、盖层或势垒层，以在减小的存储单元尺寸、更快的写入和读取速度以及减少的读取和写入随机错误方面提高它们的性能特性。
参考图18，存取器件安置在衬底10的预定区域内。
衬底10可以是硅衬底、砷化镓衬底、硅锗衬底、陶瓷衬底、石英衬底、或用于显示器的玻璃衬底，并且可以是SOI（绝缘体上硅）衬底。在这种情况下，存取器件可以是MOS晶体管。在这种情况下，存取晶体管可以安置在有源区中，有源区由形成在衬底10的预定区域内的器件隔离膜11限定。具体地，存取晶体管安置在有源区内，并且可以包括彼此间隔开的源区13和漏区12、以及形成在源区13和漏区12之间的沟道区的上部上的栅电极22。栅电极22可以延伸成与有源区的上部交叉以用作字线。栅电极22通过栅极绝缘膜21与有源区绝缘。
第一层间绝缘膜20形成在具有存取晶体管的衬底10的上部上，并且源极线32可以安置在与源区13对应的第一层间绝缘膜20的预定区域上。源极线32可以形成为在与栅电极22相同的方向上延伸。源极线接触24和搭接式接触（landing contact）23形成在第一层间绝缘膜20中。源极线接触24电连接源极线32和源区13，搭接式接触23可以形成于漏区12上以将MTJ元件电连接到存取晶体管的漏区12。
第二层间绝缘膜30可以形成于第一层间绝缘膜20上，源极线32可以安置在第一层间绝缘膜20上。在第二层间绝缘膜30中，可以形成电连接到搭接式接触23的下电极接触31。
例如参考图7-16在上文中讨论的根据本公开的一些实施例的MTJ元件10可以安置在电极接触31和/或第二层间绝缘膜30上。由于在上文中描述了磁性隧道结元件10，将省略对其的详细描述。
磁性隧道结元件10和漏区12通过搭接式接触23和下电极接触31电连接。
可以在MTJ元件10之上形成第三层间绝缘膜40。在第三层间绝缘膜40上，位线50可安置为与栅电极22交叉。位线50和磁性隧道结元件100通过上电极接触41电连接。在备选的工艺中，可以省略上电极接触41。
第一、第二和第三层间绝缘膜20、30和40例如可以由硅氧化物膜或氮硅氧化物膜形成。搭接式接触23、源极线接触24、源极线32、下电极接触31、上电极接触41以及位线50可以使用例如W、Ru、Ta、Cu、Al或掺杂的多晶硅形成。
在位线50上，还可以形成用于与外围电路部分（未示出）的电路电接触的导电线。
图19是电子系统900的示意图，在电子系统900中可以使用上述根据本发明构思的一些实施例的磁元件器件。电子系统900可用于诸如计算机的各种电子设备，包括但不限于便携式笔记本计算机、超级移动PC(UMPC)、平板PC、服务器、工作站、移动通信设备、卫星、机顶盒、TV等等。例如，电子系统900可以包括存储器系统912、处理器914、RAM916和用户接口918，它们可以使用总线920执行数据通信。存储器系统912可以包括上面讨论的根据本申请的一些实施例的磁器件。处理器914可以是微处理器或移动处理器（AP）。处理器914可以具有处理器核（未示出），该处理器核可包括浮点单元（FPU）、算法逻辑单元（ALU）、图形处理单元（GPU）和数字信号处理核（DSP Core）或者它们的任何组合。处理器914可以执行程序以及控制电子系统900。RAM916可以用作处理器914的操作存储器。例如，处理器914或RAM916可以包括根据上述示例性实施例的磁器件。或者，处理器914和RAM916可以封装在单个封装体中。用户接口918可以用于向电子系统900输入数据/从电子系统900输出数据。存储器系统912可以存储用于操作处理器914的代码、由处理器914处理的数据或者外部输入数据。存储器系统912可以包括控制器和存储器。
电子系统900可用在各种电子设备的电子控制器中。
通过构造具有新氧化物材料中的一种或多种作为籽层、盖层和/或势垒或隔离物层的磁堆叠结构，可以提供更高的TMR比值以及更低的RA值和更低的STT写入电流密度和电压。此外，使用这些改进的籽材料、盖材料和插入材料，可以实现更高的界面垂直各项异性。这些改进的材料也提供了大大降低的读取和写入错误的概率，以及良好确立的转变方向和良好选择特性。
例如，通过使用作为新MgxAyOz二元氧化物的MgTbyO形成势垒层之一，可以实现高相干隧穿，使得能够获得高TMR比值。此外，可以在势垒层与磁性被钉扎层或自由层之间获得良好的晶体匹配。类似地，当将MgTbyO（或者其它新氧化物材料之一）用于形成籽层或盖层时，可以获得晶体结构之间的良好晶格匹配，并且可以实现更低的RA值。这是因为Tb优选与O相关联，因此使得更少的氧原子与Mg相关联，从而得到更低的势垒高度和更低的RA值。
在所示的实施例中，MgO通常可以用作势垒层之一，新氧化物材料之一用作第二势垒层、盖层或籽层。然而，当使用并非MgO的势垒材料时，也可以应用本申请的原理。如果将新氧化物材料用于提供两个或更多势垒层，则新氧化物材料层之一的RA值应当优选比另一新氧化物材料势垒层的RA值高至少一个量级。由于抵消取决于RA值，所以如果RA值太相似，则难以有效从器件读取。因此，在备选实施例中，主要隧穿势垒可以由新种类的氧化物中的任何一种或多种制造。
在一些实施例中，向这些器件进行写入的方法包括使用流过MTJ器件的双极或单极电流（或电压）来引起转变。或者，一种写入方法可以包括使用流过MTJ器件的双极或单极电流（或电压）结合与该MTJ器件相邻的辅助脉冲电流。在一个实施例中，该辅助脉冲电流可以通过磁场耦合到MTJ。在另一实施例中，由于诸如自旋霍尔效应或Rashba效应的物理效应，该辅助脉冲电流可以在MTJ上引起自旋电流或自旋矩。该辅助脉冲电流可以引导流过MTJ的电流（或电压）和/或与流过MTJ的电流（或电压）交叠。这些方法可以帮助产生更快的转变，同时降低写入错误率。
特别地，根据一个实施例，包括多个如图17所示的磁存储单元（每一个磁存储单元包括至少一个如上所讨论的磁元件）的磁存储器，可以通过驱动双极或单极电流流过所述至少一个磁元件或者向至少一个磁元件施加电压而被编程。所述双极或单极电流或电压足以编程所述至少一个磁元件。多个磁存储单元中的每一个也可以包括至少一个选择器件。因此，可以通过使写入电流流过所述至少一个磁元件或者向所述至少一个磁元件施加电压，编程所述至少一个磁元件。
在另一实施例中，包括多个如图17所示的磁存储单元（包含至少一个如上所讨论的磁元件）的磁存储器，可以通过在多个磁存储单元的一部分中的至少一个磁元件附近驱动第一电流但第一电流不流过该至少一个磁元件（例如在与该至少一个磁元件相邻的导电线中驱动脉冲电流）、以及驱动第二电流流过该至少一个磁元件或施加电压，而被编程。该第一电流可以产生磁场或另外的自旋矩。该第二电流或电压和所述磁场或另外的自旋矩一起足以对至少一个磁元件编程。在上述的本发明构思的实施例中，可以在磁存储器的操作中实现更快的转变和更低的错误率。换而言之，在本发明构思的新氧化物材料与上面讨论的辅助写入相结合的情况下，可以在诸如亚20纳米节点的甚至最小的存储单元尺寸下实现最快的转变。
本领域技术人员将理解，一般而言，本申请中尤其是所附权利要求书（例如所附权利要求书的主体部分）中所使用的术语通常意为“开放式”术语（例如，术语“包括”应当理解为“包括但不限于”，术语“具有”应当理解为“至少具有”，术语“包含”应当理解为“包含但不限于”等等）。本领域技术人员还将理解，如果有要引用特定编号的权利要求的叙述的意图，这种意图将在权利要求中明确叙述，在没有这种叙述时不存在这种意图。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可包含引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用，用于引入权利要求叙述。然而，这些短语的使用不应当理解为不定冠词“a”或“an”所引导的权利要求叙述将包含如此引导的权利要求叙述的任何特定权利要求限制为仅包含一个这种叙述的示例，即使同一权利要求包括引导性短语“一个或多个”或者“至少一个”，以及诸如“a”或“an”的不定冠词（例如“a”和或“an”应当理解为意思为“至少一个”或“一个或多个”）；对于用于引导权利要求叙述的定冠词的使用，以上也适用。此外，在使用类似“A、B或C等中的至少一个”的约定的那些情况下，一般而言这种结构意味着本领域技术人员将理解该约定（例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A的系统、仅具有B的系统、仅具有C的系统、具有A和B的系统、具有A和C的系统、具有B和C的系统以及/或者具有A、B和C的系统，等等）。本领域技术人员还将理解，实际上，表示两个或更多可供选择的项的任何转折词和/或短语，无论是在说明书中、权利要求中还是在图中，都应当理解为想到了包括所述项之一、所述项中的任一项或者这两个项的可能性。例如，短语“A或B”将理解为包括“A”、或“B”或“A和B”的可能性。
贯穿该说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着与该实施例相关地描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在该说明书各处出现的短语“在一个实施例中”和“在一实施例中”并不必都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合。已经描述了各种磁存储器元件结构、以及用于提供磁存储器元件的方法和系统、以及使用该磁存储器元件制造的存储器。尽管已经根据示例性实施例描述了结构、方法和系统，但是本领域普通技术人员将容易认识到所公开实施例的很多变型都是可能的，并且因此任何变型都应当被认为在本申请中公开的设备、方法和系统的精神和范围内。因此，本领域普通技术人员可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下作出很多修改。
本申请要求于2012年6月7日向美国专利局提交的美国专利申请US13/491,568的优先权，其全部内容通过引用结合在此。

Claims (29)

1.一种用于半导体器件的磁元件，包括：
第一参考层；
自由层；以及
设置在所述第一参考层和所述自由层之间的第一非磁性隔离物层；
其中所述第一非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，
其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
2.如权利要求1所述的磁元件，其中所述第一非磁性隔离物层是绝缘隧穿势垒层。
3.如权利要求1所述的磁元件，其中所述第一非磁性隔离物层包括用作自旋阀的导电材料。
4.如权利要求1所述的磁元件，进一步包括安置在所述第一参考层上方的盖层，所述盖层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
5.如权利要求1所述的磁元件，进一步包括安置在所述第一参考层下面的籽层，所述籽层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
6.如权利要求1所述的磁元件，其中所述第一非磁性隔离物层包括(001)晶体结构。
7.如权利要求1所述的磁元件，进一步包括安置在所述自由层的相反侧的第二参考层，以及安置在所述第二参考层和所述自由层之间的第二非磁性隔离物层。
8.如权利要求7所述的磁元件，其中所述第二非磁性隔离物层包括MgO。
9.如权利要求7所述的磁元件，其中所述自由层和所述第二参考层具有面内磁取向，并且所述第一参考层具有垂直磁取向。
10.如权利要求7所述的磁元件，其中所述自由层和所述第二参考层具有垂直磁取向，并且所述第一参考层具有面内磁取向。
11.如权利要求7所述的磁元件，进一步包括覆盖在所述第一参考层上面的盖层，其中所述自由层和所述第二参考层具有面内磁取向，并且所述第一参考层具有垂直磁取向。
12.如权利要求7所述的磁元件，其中所述第一参考层设置在所述第二参考层下方，并且其中所述自由层和所述第二参考层具有垂直磁取向，所述第一参考层具有面内磁取向。
13.如权利要求7所述的磁元件，还包括：
安置在所述第一参考层上方的盖层；以及
安置在所述第二参考层下方的籽层；
其中所述盖层、所述籽层或者二者由二元、三元或多元合金氧化物材料形成，该合金氧化物材料具有与所述第一和第二参考层中相邻的一个紧密匹配的晶体结构，其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
14.一种磁元件，包括：
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层；
安置在所述参考层上方的盖层；以及
安置在所述参考层下方的籽层；
其中所述非磁性隔离物层、所述盖层和所述籽层中的至少一个包括MgAl2O4、(Mg,Ca,Sr,Ba)SnO3、Mg2SnO4或NiMn2O4。
15.一种用于半导体器件的磁元件，包括：
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层；
其中所述非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，
其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素A的MgO，其中A选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh，
其中所述二元合金氧化物材料包括MgxAyOz，其中x+y>1且z<1。
16.一种磁元件，包括：
自由层，其具有能够从一个方向转变到相反方向的磁化强度方向；
参考层；
安置在所述自由层和所述参考层之间的隔离物层；以及
与所述参考层或所述自由层相邻安置的籽层或盖层，其中所述籽层或盖层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，该合金氧化物材料具有一种或多种另外的元素以及与相邻的参考层或自由层的晶体结构紧密匹配的晶体结构，
其中所述一种或多种另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
17.如权利要求16所述的磁元件，其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括Mg、O以及一种或多种另外的元素，以相比于MgO减小该氧化物材料的电阻。
18.如权利要求16所述的磁元件，其中所述隔离物层是隧穿势垒层。
19.如权利要求18所述的磁元件，其中所述隧穿势垒层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，该合金氧化物材料具有与相邻的自由层和参考层的晶体结构紧密匹配的晶体结构。
20.如权利要求16所述的磁元件，其中所述磁元件提供自旋阀结构。
21.一种用于半导体器件的磁元件，包括：
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层；以及
安置在所述参考层下面的籽层；
其中所述非磁性隔离物层和所述籽层中的至少一个包括二元、三元或多元合金氧化物材料，
其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素A的MgO，其中A选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh，
其中所述二元合金氧化物材料包括MgxAyOz，其中x+y+z＝1、x>y且0<x、y或z<1，
其中所述三元合金氧化物包括MgxA1 y1A2 y2Oz，其中，x+y1+y2+z＝1、x>y1+y2，且0<x、y1、y2或z<1，并且
其中所述多元合金氧化物包括MgxA1 y1A2 y2…An ynOz，其中，x+y1+y2+…+yn+z＝1，x>y1+y2+…+yn并且0<x、y1、y2、…、yn或z<1。
22.一种用于半导体器件的磁元件，包括：
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层；以及
覆盖在所述自由层上面的盖层；以及
其中所述非磁性隔离物层和所述盖层中的至少一个包括二元、三元或多元合金氧化物材料，
其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素A的MgO，其中A选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh，
其中所述二元合金氧化物材料包括MgxAyOz，其中x+y+z＝1、x>y且0<x、y或z<1，
其中所述三元合金氧化物包括MgxA1 y1A2 y2Oz，其中，x+y1+y2+z＝1、x>y1+y2且0<x、y1、y2或z<1，并且
其中所述多元合金氧化物包括MgxA1 y1A2 y2…An ynOz，其中，x+y1+y2+…+yn+z＝1、x>y1+y2+…+yn并且0<x、y1、y2、…、yn或z<1。
23.一种磁元件，包括
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层；以及
覆盖在所述自由层上面的盖层；以及
安置在所述参考层下方的籽层；
其中所述非磁性隔离物层、所述盖层和所述籽层中的至少一个包括二元、三元或多元合金氧化物材料，
其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素A的MgO，其中A选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh，
其中所述二元合金氧化物材料包括MgxAyOz，其中x+y+z＝1、x>y且0<x、y或z<1，
其中所述三元合金氧化物包括MgxA1 y1A2 y2Oz，其中，x+y1+y2+z＝1，x>y1+y2且0<x、y1、y2或z<1，并且
其中所述多元合金氧化物包括MgxA1 y1A2 y2…An ynOz，其中，x+y1+y2+…+yn+z＝1、x>y1+y2+…+yn并且0<x、y1、y2、…、yn或z<1。
24.一种编程磁存储器的方法，该磁存储器包括多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每一个包括至少一个磁元件和至少一个选择器件，通过使写入电流流过所述至少一个磁元件或者向所述至少一个磁元件施加电压，所述至少一个磁元件可编程，该方法包括：
驱动双极或单极电流流过所述至少一个磁元件或者向所述至少一个磁元件施加电压，所述双极或单极电流或电压足以编程所述至少一个磁元件，其中所述至少一个磁元件包括：
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层，
其中所述非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
25.一种编程磁存储器的方法，该磁存储器包括多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每一个包括至少一个磁元件和至少一个选择器件，通过使写入电流流过所述至少一个磁元件或者向所述至少一个磁元件施加电压，所述至少一个磁元件可编程，该方法包括：
在所述多个磁存储单元的一部分中的所述至少一个磁元件附近驱动第一电流但该第一电流不流过所述至少一个磁元件，所述第一电流产生磁场或另外的自旋矩；以及
驱动第二电流流过所述至少一个磁元件或施加电压，
其中该第二电流或电压和所述磁场或另外的自旋矩一起足以对所述至少一个磁元件编程，
其中所述至少一个存储元件包括：
参考层；
自由层；以及
设置在所述参考层和所述自由层之间的非磁性隔离物层，
其中所述非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，
其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述第二电流是双极或单极电流。
27.如权利要求25所述的方法，其中驱动所述第一电流包括在与所述至少一个磁元件相邻的导线中驱动脉冲电流。
28.如权利要求27所述的方法，其中由于自旋霍尔效应或Rashba效应这样的物理效应，所述脉冲电流在所述至少一个磁元件上引起自旋电流或自旋矩。
29.如权利要求27所述的方法，其中所述脉冲电流引导在所述至少一个磁元件中流过的所述第一电流和/或与所述第一电流交叠。
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