CN103633239A - 磁存储器及其提供方法和编程方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁存储器及其提供方法和编程方法。该磁存储器包括磁性结和至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层。每个磁性结包括数据存储层，该数据存储层是磁性的。SO有源层与磁性结的数据存储层相邻。SO有源层被配置为由于在一方向上经过至少一个SO有源层的电流而在数据存储层上施加SO扭矩，该方向实质上垂直于至少一个SO有源层和多个磁性结中最靠近至少一个SO有源层的磁性结的数据存储层之间的方向。数据存储层被配置为使用至少SO扭矩是可切换的。

Description

磁存储器及其提供方法和编程方法
技术领域
本发明涉及一种磁存储器及其提供方法和编程方法。
背景技术
磁存储器、尤其是磁随机存取存储器（MRAM）由于其在操作期间关于高的读/写速度、优良的耐用性、非易失性和低功耗的潜力而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是自旋转移扭矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁性结，而磁性结至少部分地通过被驱动经过该磁性结的电流写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流在该磁性结中的磁矩上施加自旋扭矩。结果，具有响应于自旋扭矩的磁矩的层可以被切换到期望状态。
例如，图1描绘了可以被用于常规STT-RAM中的常规磁隧道结（MTJ）10。常规MTJ10典型地位于底部接触11上，使用常规籽晶层12并且包括常规反铁磁（AFM）层14、常规被钉扎层或参考层16、常规隧道势垒层18、常规自由层20以及常规盖层22。顶部接触24也被示出。
常规接触11和24被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。常规籽晶层12典型地被用于辅助具有期望晶体结构的后续层诸如AFM层14的生长。常规隧道势垒层18是非磁性的，并且例如是诸如MgO的薄绝缘体。
常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规参考层16的磁化17典型地通过与AFM层14的交换偏置相互作用而被固定或被钉扎在特定方向上。虽然被描绘为单一（单个）层，但是常规参考层16可以包括多层。例如，常规参考层16可以是包括磁性层的合成反铁磁（SAF）层，所述磁性层通过薄导电层诸如Ru而反铁磁耦合。在这种SAF层中，可以使用与Ru薄层交替的多个磁性层。在另一实施方式中，经过Ru层的耦合可以是铁磁性的。此外，其它种类的常规MTJ10可以包括通过附加的非磁性势垒层或导电层（未示出）而与自由层20分离的附加的被钉扎层（未示出）。
常规自由层20具有可变的磁化21。虽然被描绘为单一层，但是常规自由层20也可以包括多层。例如，常规自由层20可以是包括磁性层的合成层，所述磁性层通过薄导电层诸如Ru而反铁磁或铁磁耦合。虽然被显示为在平面内，但是常规自由层20的磁化21可具有垂直各向异性。类似地，常规被钉扎层16的磁化17也可以垂直于平面。
为了切换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面（在z方向上）驱动。载流子是自旋极化的，并且在常规自由层的磁化21上施加扭矩。当磁矩21平行于易磁化轴（稳定状态）时，常规自由层20的磁矩21上的自旋转移扭矩最初很小。因而，磁矩21的稳定状态也相应于切换中的临界点（stagnation point）。由于热波动，磁矩21可以从与常规自由层20的易磁化轴对准而旋转。自旋转移扭矩于是可以起作用以增加效应，并且自由层20的磁矩被切换。当足够的电流被从顶部接触24驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化21可以切换为平行于常规参考层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶部接触24时，自由层的磁化21可以切换为反平行于参考层16的磁化。在磁性配置中的差异相应于不同的磁阻，因而相应于常规MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）。
当在STT-RAM应用中使用时，期望常规MTJ10的自由层20以相对低的电流切换，从而防止对常规磁性结10的损坏，减小供应该电流（未示出）的晶体管的尺寸并降低存储操作的能耗。此外，期望短的电流脉冲被用于以更高的数据率编程常规磁性结10。例如，期望20-30ns或更小的数量级的电流脉冲允许常规自由层20的磁化更快地切换。
虽然常规MTJ10可以使用自旋转移被写入，并且被用于STT-RAM中，但是存在缺点。例如，写错误率可能比对于具有可接受的脉冲宽度的存储器所期望的高。写错误率（WER）是单元（即，常规磁性结的自由层20的磁化21）在经受至少等于典型的切换电流时没有被切换的概率。WER被期望为10-9或更小。然而，可能需要非常高的电流来实现以该WER值切换常规自由层20。此外，已经确定的是，对于更短的写电流脉冲，WER要改善可能是挑战性的。例如，图2是曲线图50，其描绘了对于不同宽度的脉冲的WER的趋势。注意的是，实际数据没有在曲线图50中绘出。代替地，曲线图50旨在表示趋势。从最长到最短的脉冲宽度被用于曲线52、54、56和58。如曲线图50中可见，脉冲宽度越高，WER关于施加到结10的电压具有越高的斜率。因而，对于相同的脉冲宽度，施加更高的电压会导致WER的明显减小。然而，随着脉冲宽度在曲线54、56和58中缩短，曲线54、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度，电压和/或电流的增加很少导致WER的减小。在足够短的脉冲下，即使高的电压/电流也不会导致更低的错误率。因此，采用常规MTJ10的存储器可具有不能通过电压的增加而解决的不能接受的高WER。
此外，虽然在图1中示出了单个的磁隧道结，但是双磁隧道结被经常用于获得用于切换的足够高的自旋转移扭矩。双磁隧道结具有被两个隧道势垒层夹置的单个自由层。每个隧道势垒层在自由层和参考层之间。双磁隧道结的第二（上）隧道势垒层要生长有适当的晶体结构可能是挑战性的。此外，为了获得这样的高扭矩，参考层具有被固定在相反方向上的磁矩。结果，存在磁阻的抵消，从而降低了读信号。这样的信号减少是不期望的。
因此，需要可以改善基于自旋转移扭矩的存储器的性能的方法和系统。在此描述的方法和系统解决了这样的需要。
发明内容
描述了一种磁存储器。该磁存储器包括磁性结和至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层。每个磁性结包括数据存储层，该数据存储是磁性的。SO有源层与磁性结的数据存储层相邻。SO有源层被配置为由于在一方向上经过至少一个SO有源层的电流而在数据存储层上施加SO扭矩，该方向实质上垂直于至少一个SO有源层和多个磁性结中最靠近至少一个SO有源层的磁性结的数据存储层之间的方向。数据存储层被配置为使用至少SO扭矩是可切换的。
附图说明
图1描绘了常规磁性结。
图2描绘了常规自旋转移扭矩RAM的写错误率与电压的关系曲线。
图3描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的示例性实施方式。
图4描绘了使用自旋轨道相互作用切换的另一磁性结的示例性实施方式。
图5描绘了在编程使用自旋轨道相互作用切换的磁性结中使用的电压脉冲的示例性实施方式。
图6描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图7描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图8描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图9描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图10描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图11描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图12描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图13描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的示例性实施方式。
图14描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图15描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图16描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图17描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图18描绘了使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的另一示例性实施方式。
图19是描绘提供使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的方法的示例性实施方式的流程图。
图20是描绘编程使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的方法的示例性实施方式的流程图。
具体实施方式
示例性实施方式涉及在磁性器件诸如磁存储器中可使用的磁性结和使用这样的磁性结的器件。以下的说明被给出以使得本领域的普通技术人员能够实施并使用本发明，并且在专利申请及其要求的情况下被提供。在此描述的一般性原理和特征以及示例性实施方式的各种变形将是易于明白的。示例性实施方式主要在特定实施中提供的特定方法和系统的方面被描述。然而，方法和系统将在其它实施中有效地起作用。诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”的词语可以指代相同或不同的实施方式以及多个实施方式。将关于具有某些组件的系统和/或器件描述实施方式。然而，系统和/或器件可以包括比所示出的组件多或少的组件，并且可以进行在组件的布置和类型上的变化而不脱离本发明的范围。示例性实施方式也将在具有某些步骤的特定方法的情况下被描述。然而，对于具有不同和/或附加的步骤以及与示例性实施方式不一致的不同顺序的步骤的其它方法，方法和系统有效地起作用。因而，本发明不旨在限制于所示出的实施方式，而应具有与在此描述的原理和特征一致的最宽范围。
示例性实施方式描述了用于提供磁存储器的方法和系统以及用于编程该磁存储器的方法，该磁存储器利用经由自旋轨道相互作用切换的磁性结。磁存储器包括磁性结和至少一个自旋轨道（SO）有源层。每个磁性结包括数据存储层，该数据存储层是磁性的。SO有源层与磁性结的数据存储层相邻。至少一个SO有源层被配置为由于在一方向上经过至少一个SO有源层的电流而在数据存储层上施加SO扭矩，该方向实质上垂直于至少一个SO有源层和多个磁性结中最靠近至少一个SO有源层的磁性结的数据存储层之间的方向。数据存储层被配置为使用至少SO扭矩而可切换。
在特定磁性结和具有某些组件的磁存储器的情况下描述了示例性实施方式。本领域的技术人员将易于理解，本发明与具有与本发明不一致的其它和/或附加组件和/或其它特征的磁性结和磁存储器的使用一致。方法和系统还在自旋轨道相互作用、自旋转移现象、磁各向异性和其它物理现象的当前理解的情况下被描述。因此，本领域的普通技术人员将易于理解，方法和系统的性能的理论说明是基于自旋轨道相互作用、自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的这种当前理解而进行的。然而，在此描述的方法和系统不取决于特定的物理说明。本领域的普通技术人员还将易于理解，方法和系统是在具有与衬底的特定关系的结构的情况下描述的。然而，本领域的普通技术人员将易于理解，方法和系统与其它结构一致。此外，方法和系统是在某些层是合成的和/或单一的情况下描述的。然而，本领域的技术人员将易于理解，所述层可以具有另一结构。此外，方法和系统是在磁性结、自旋轨道有源层和/或具有特定层的其它结构的情况下描述的。然而，本领域的普通技术人员将易于理解，也可以使用磁性结、自旋轨道有源层和/或具有与方法和系统不一致的额外和/或不同层的其它结构。此外，某些组件被描述为是磁性的、铁磁性的和亚铁磁性的。在此使用时，术语“磁性”可以包括铁磁性的、亚铁磁的或类似的结构。因而，在此使用时，术语“磁性”或“铁磁性”包括、但是不限于铁磁体和亚铁磁体。方法和系统还在单个磁性结的情况下被描述。然而，本领域的普通技术人员将易于理解，方法和系统与具有多个磁性结的磁存储器的使用一致。此外，在此使用时，“平面内”实质上是在磁性结的层中的一个或多个层的平面内或与之平行。相反地，“垂直”相应于实质上与磁性结的层中的一个或多个层垂直的方向。
图3描绘了在切换中利用自旋轨道相互作用的磁存储器100的一部分的示例性实施方式。为了清晰，图3不是按比例绘制。此外，没有示出磁存储器100的部分，诸如位线、行和列选择器以及诸如用于每个单元的晶体管的选择器件。磁存储器100包括磁性结110和自旋轨道相互作用（SO）有源层120。磁性结110可以是存储单元的一部分，其还可以包括诸如晶体管的选择器件和/或其它磁性结。
在所示出的实施方式中，磁性结110包括数据存储层112、非磁性间隔物层114和参考层116。间隔物层114是非磁性的。在一些实施方式中，每个间隔物层114是绝缘体，例如隧道势垒。在这样的实施方式中，每个间隔物层114可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结110的TMR和自旋转移效率和/或自旋轨道相互作用。在其它实施方式中，间隔物层114可以是诸如Cu的导体。在备选实施方式中，间隔物层114可具有另一结构，例如，包括绝缘矩阵中的导电沟道的颗粒层（granular layer）。
数据存储层112是具有可切换的磁矩（未示出）的自由层112。当磁性结110是静态（没有被切换）时，自由层112的磁矩沿着自由层112的易磁化轴定位。期望参考层112的磁矩在磁存储器100的操作期间实质上被固定在适当位置。参考层116被描绘为单个层。然而，在其它实施方式中，参考层116可以是包括、但不限于合成反铁磁体的多层，该合成反铁磁体具有通过可以是Ru的非磁性层分离的铁磁层。在一些实施方式中，磁性结110还包括钉扎层，诸如将参考层116的磁矩固定在适当位置的反铁磁层（未示出）。在其它实施方式中，参考层116的磁矩以另一方式被固定。自由层112和参考层116是铁磁性的，因而可以包括Fe、Ni和Co中的一种或多种。虽然没有示出磁矩，但是在一些实施方式中，层112和116的磁矩可以垂直于平面。因而，层112和/或116的每个可具有超过其平面外退磁场（典型地是4πMs的有效部分）的垂直各向异性场。在其它实施方式中，磁矩是在平面内的。
自由层112的磁矩使用自旋轨道相互作用效应被切换，如下所述。在一些实施方式中，自由层112的磁矩仅使用自旋轨道相互作用效应被切换。然而，在其它实施方式中，自由层112可以使用多个效应的组合被切换。例如，自由层112的磁矩可以使用自旋转移扭矩作为主效应（其可以通过由自旋轨道相互作用引起的扭矩辅助）被切换。然而，在其它实施方式中，主切换机制是由自旋轨道相互作用引起的扭矩。在这样的实施方式中，包括、但不限于自旋转移扭矩的另一效应可以辅助切换和/或选择磁性结110。
SO有源层120是具有强自旋轨道相互作用并且可被用于切换自由层112的磁矩的层。SO有源层120可以被用于产生自旋轨道场HSO。更具体而言，在平面内被驱动经过SO有源层120的电流和伴随的自旋轨道相互作用可以导致自旋轨道场HSO。此自旋轨道场HSO相当于关于自由层112中的磁化的自旋轨道扭矩TSO，TSO=-γ[M×HSO]。因而，这种相互关联的扭矩和场可互换地被称为自旋轨道场和自旋轨道扭矩。这反映了以下事实：自旋轨道相互作用是自旋轨道扭矩和自旋轨道场的起因。这个术语也将此自旋轨道（SO）扭矩与更常规的自旋转移扭矩（STT）相区分。由于在SO有源层120中在平面内驱动的电流和自旋轨道相互作用而使自旋轨道扭矩产生。相反，自旋转移扭矩起因于流过自由层112、间隔物层114和参考层116的垂直于平面的电流，其将自旋极化的载流子注入到自由层112中。自旋轨道扭矩TSO可以使自由层112的磁矩从其平行于易磁化轴的平衡状态快速地偏转。自旋轨道扭矩TSO可以比具有类似最大幅度的常规STT扭矩明显更快地使自由层的磁化倾斜。在一些实施方式中，可以使用自旋轨道扭矩来完成切换。在其它实施方式中，另一机制诸如自旋转移可以被用于完成切换。因而，所产生的自旋轨道场/自旋轨道扭矩可以被用于切换自由层112的磁矩。
在一些实施方式中，SO相互作用可以包括两种效应（自旋霍耳（Hall）效应和Rashba效应）的一些组合。在许多SO有源层中，自旋轨道相互作用包括自旋霍耳效应和Rashba效应二者，但是这两种效应的其中之一占支配地位。因此，自旋霍耳效应和Rashba效应描述如下。自旋霍耳效应一般被认为是体效应。表现出自旋霍耳效应的材料常常包括重金属或由重金属掺杂的材料。例如，这样的材料可以选自A和由B掺杂的M。A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta（包括高电阻的非晶β-Ta）、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At和/或其组合；M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs的至少一种，B包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、InSb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb的至少一种。在一些实施方式中，SO有源层120可以包括Ir掺杂的Cu和/或Bi掺杂的Cu，或者由Ir掺杂的Cu和/或Bi掺杂的Cu组成。掺杂一般在0.1至10原子百分数的范围内。在其它实施方式中，可以使用其它材料。
对于自旋霍耳效应，电流JSO在SO有源层120的平面内被驱动（即，实质上在图3中的x-y平面中的平面内电流）。换句话说，电流垂直于SO有源层120和数据存储层/自由层112之间的方向（即，垂直于表面的法线，垂直于图3中的z方向）被驱动。具有垂直于电流的方向和垂直于表面的法线（z方向）的特定取向的自旋的载流子积聚在SO有源层120的表面处。在图3所示的实施方式中，具有在y方向上的自旋的载流子积聚在SO有源层120的顶部，其通过单位极化矢量PSO122显示。这些自旋极化的载流子中的许多扩散到自由层中。这种扩散导致关于自由层112的磁化的扭矩TSO。因为通过TSO=-γ[M×HSO]而使关于磁化的扭矩相当于关于磁化的有效场，所以它可以被等效地描述为，自旋积累导致自由层112上的场HSO。对于自旋霍耳效应的自旋轨道场是自旋轨道极化122和自由层112的磁矩的叉积，并且由以下表达式给出：
HSOα(JSO*PSO/2t*e)m×PSO      （1）
这里，t是自由层112的厚度，是电子电荷，m是沿着数据存储层112的磁化的单位矢量，PSO是沿着自旋极化122的方向的单位矢量。因而，扭矩的大小与平面内电流密度JSO和载流子的自旋极化PSO成比例。对于其中自旋霍耳效应是唯一的SO相互作用的一些实施方式，PSO等于所谓的霍尔角度ΦSO。一般而言，PSO是被用于SO有源层120和相邻层的几何结构和材料的特性。对于不同的材料，PSO可以是0.01-1。SO极化PSO的更大值导致更大的极化，因此导致更大的自旋轨道场和扭矩。在由自旋霍耳效应PSO引起的极化平行于自由层112的易磁化轴时，自旋霍耳效应可以被用于切换磁性结110。为了获得自旋轨道扭矩TSO，电流脉冲在平面内被驱动经过SO有源层120。由此产生的自旋轨道扭矩TSO抵消阻尼扭矩，其导致自由层112的磁化以与常规的STT切换类似的方式切换。
SO有源层120中的自旋轨道场HSo的另一起源可以与在界面处的自旋轨道相互作用有关。在此情形下，自旋轨道场的大小通常与晶体场的大小（其通常在界面处是高的）有关。由于相邻层的晶格参数的不匹配、在界面处重金属的存在以及其它效应，自旋轨道相互作用可以在一些界面处相当大。在界面处与晶体场的垂直于界面平面方向的梯度有关的强自旋轨道效应通常被称为Rashba效应。然而，如在此使用时，Rashba效应指的是在界面处的自旋轨道相互作用，而与其起源和方向无关。注意的是，在至少一些实施方式中，SO有源层120的界面应该不同，以得到相当大的Rashba效应。例如，对于是/具有与磁性结110邻接的Pt层的SO有源层120、用于自由层112的Co层以及铝氧化物或MgO非磁性层114，可以产生Rashba效应。在一些实施方式中，可以使用其它材料。
关于磁化的在界面处的自旋轨道相互作用的效应（即，Rashba效应）是双重的。首先，自旋积累可以在界面处建立。对于Rashba效应的自旋积累的自旋极化的单位矢量PSO典型地垂直于晶体场和电流方向。许多SO有源层120具有垂直于层120的平面的晶体场。因而，自旋轨道极化PSO122可以在平面内，如图3所示。备选地，SO有源层120可具有在平面内或关于该平面倾斜的晶体场。因而，SO有源层120具有垂直于平面（图3中未示出）或关于该平面（图3中未示出）相应地倾斜的自旋轨道极化。在这样的实施方式中，SO有源层120可以是表面合金。例如，SO有源层120可以包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和/或其组合中的至少一种。在其它实施方式中，SO有源层120可以包括A/B的表面合金，例如位于基质材料B的（111）表面上的A原子，使得在顶部原子层上的是A和B的混合物。A包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一种，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一种。在许多实施方式中，A包括两种或三种不同的材料。在一些实施方式中，至少0.1至不超过三个单层的A被沉积。在一些这样的实施方式中，大约1/3单层的A被沉积。在一些实施方式中，这可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的（111）表面上的一层的双层中的一种或多种。在其它实施方式中，SO有源层120可以包括像InGaAs、HgCdTe或双层LaAlO3/SrTiO3、LaTiO3/SrTiO3的化合物。在其它实施方式中，可以使用其它材料。对于一些实施方式，Rashba效应可以在自由层上导致自旋轨道扭矩TSO和相应的自旋轨道场HSO，其可以由表达式（1）给出。这里，单位极化矢量PSO可以是在平面内、关于该平面倾斜或垂直于该平面，如以上说明的。对于一些实施方式，对于Rashba效应的极化PSO可以是0.1-1；对于其它的实施方式，其可以大于1。越大的极化PSO的值会导致越大的极化，并因此导致越大的自旋轨道场。在其它实施方式中，Rashba效应可以导致自由层的关于磁化的自旋轨道场，其由以下表达式给出：
HSOα(JSO*PSO/2d*e)PSO。      （2）
对于Rashba效应，由于自旋轨道场引起的自旋轨道扭矩的大小与平面内电流密度Jso成比例，因而极化PSO·JSO垂直于SO有源层120和自由层112之间的方向（即，在x-y平面内并且垂直于表面的法线）。再次，PSO是在自旋轨道极化的方向上的单位矢量。对于这些实施方式，自旋轨道极化PSO是用于SO有源层120的材料的一种特性。对于一些实施方式，对于Rashba效应的极化PSO可以是0.1-1。对于一些其它实施方式，极化可以大于1。越大的极化PSo的值会导致越大的极化，并因此导致越大的自旋轨道场。对于其它实施方式，由于Rashba效应引起的自旋轨道场HSO可以由两个项的组合给出，其中一个项由表达式（1）给出，另一个由表达式（2）给出。每个项的作用取决于界面的材料和几何特性。
如果由于Rashba效应引起的单位极化矢量PSO平行于自由层112的易磁化轴，则Rashba效应可以被用于切换磁性结110，类似于关于自旋霍耳效应所描述的。因此，为了切换自由层112，平面内电流脉冲（JSO）被驱动经过SO有源层120。电流脉冲以上述方式产生自旋轨道场Hso。与由表达式（1）给出的SO场的分量相应的扭矩可以相反于磁阻尼扭矩，并且可以以与STT类似的方式以及与以上关于自旋霍耳效应所讨论的类似地切换自由层的磁化。由表达式（2）给出的SO场的分量相反于自由层的本征各向异性场HK。如果Hso胜过HK，则磁化也切换。如果存在自旋轨道场的两个分量，则两种效应可以互相帮助。注意的是，在前者情形下（TSO胜过阻尼项），自旋轨道场Hso典型地可以是后者情形（HSO胜过各向异性场HK）所需的1/α，其中α是自由层的Gilbert阻尼常数，典型地是0.001-0.05。
因而，在自由层112的磁矩切换中，磁存储器100可以使用由SO层120产生的自旋轨道相互作用和自旋轨道场。在一些实施方式中，SO有源层120可以依赖于自旋霍耳效应和Rashba效应的一种或两种来产生自旋轨道场Hso。因此，如在此使用时，术语诸如“自旋轨道效应”、“自旋轨道场”和/或“自旋轨道相互作用”可以包括经由Rashba效应、自旋霍耳效应、这两种效应的一些组合和/或一些其它自旋轨道相互作用或自旋轨道相互作用类似效应的自旋轨道耦合。自旋轨道场可以在数据存储层/自由层112的磁矩上施加扭矩。这种自旋轨道扭矩可被用于切换自由层112的磁矩。在一些实施方式中，自旋轨道场辅助于切换自由层112的磁矩。诸如自旋转移扭矩的另一种机制是主切换机制。在其它实施方式中，自旋轨道扭矩是用于自由层112的磁矩的主切换机制。然而，在一些这样的实施方式中，可以通过诸如自旋转移扭矩的另一种机制来辅助自旋轨道扭矩。该辅助可以是在切换自由层112的磁矩中和/或在选择将被切换的磁性结中。
因为自旋轨道扭矩可以被用于切换自由层112的磁矩，所以可以改善存储器100的性能。如上所讨论的，通过SO有源层120产生的自旋轨道扭矩可以减少磁性结110的切换时间。自旋轨道扭矩典型地具有高效PSO并且与电流JSO成比例。因为此电流密度是在平面内并且不流过间隔物层114，所以此自旋轨道电流可以增大而不损坏磁性结110。结果，可以增大自旋轨道场和自旋轨道扭矩。因而，可以减少写入时间并且改善了写错误率。因而，可以改善存储器100的性能。
图4描绘了磁存储器100'的示例性实施方式。为了清晰，图4不是按比例绘制。磁存储器100'类似于磁存储器100。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器100'包括分别与磁性结110和SO有源层120类似的磁性结110'和SO有源层120'。磁性结110'包括分别与存储层/自由层112、非磁性间隔物层114和参考层116类似的数据存储层/自由层112'、非磁性间隔物层114'和参考层116'。因而，组件110'和120'的结构和功能分别类似于以上关于组件110和120所描述的。自由层112'的磁矩113'稳定地垂直于平面。因而，磁矩113'平行于自由层112'的易磁化轴115'。在显示的实施方式中，参考层116'的磁矩117'也垂直于平面。
用于磁性结110'的主切换机制是自旋转移扭矩。因而，被垂直于平面（沿着z轴）驱动经过磁性结110'的切换电流JSTT是主切换电流。然而，自旋轨道相互作用扭矩被用于辅助切换。因而，平面内自旋轨道电流JSO被驱动经过SO有源层120'。自旋轨道电流是在x-y平面内的，该x-y平面也是存储器100'的层的平面。SO有源层120'具有可能引起自旋轨道场诸如HSO的自旋轨道极化。自旋轨道场HSO可具有由于自旋霍耳效应、Rashba效应或二者引起的分量。此外，虽然显示了垂直于面内自旋轨道电流，但是在其它实施方式中，自旋轨道场可以在另一方向上。SO有源层120'可具有与上述相同的结构、功能和组成材料。因而，SO有源层120'可以被用于辅助磁性结110'的切换。
为了辅助切换磁性结110'，自旋轨道极化PSO垂直于自由层112'的易磁化轴/稳定状态115'。易磁化轴115'垂直于平面，而自旋轨道极化是在平面内（例如，在x-y平面内）。自旋轨道扭矩TSO可以使自由层112'的磁矩从其平行于易磁化轴的平衡状态快速反转为垂直于平面。自旋轨道扭矩TSO可以在初始位置被最大化，因而能够在施加SO电流脉冲之后在最初就相当大地倾斜自由层121'的磁矩。因而，自旋轨道扭矩TSO比具有类似的最大幅度的常规STT扭矩明显更快地倾斜自由层的磁化。实际上，对于与自由层磁矩共线的常规参考层磁矩，常规STT扭矩在施加STT脉冲之后在最初较小。TSO在与逻辑1或0相应的状态下（分别为磁矩的上和下位置）同样地偏转自由层的磁矩。然而，如果没有其它，磁矩不会切换到相反的取向。因此，自旋转移扭矩可以被施加，从而切换自由层112'的磁矩。除了用于SO有源层的平面内电流脉冲之外，STT电流脉冲也可以被垂直于平面驱动以完成切换。对于自由层112'的磁化从平衡位置的倾斜越大，STT扭矩越大。当自由层112'的磁矩垂直于自由层易磁化轴115'时，STT扭矩达到最大值。因此，如果磁化由于SO扭矩TSO而显著倾斜，则STT扭矩可以更快地切换磁化。因为自旋轨道扭矩TSO可以使磁化从平衡位置快速地倾斜，并且在此倾斜位置，STT扭矩可以将磁化快速地切换到新的平衡位置，所以相比于只有常规STT扭矩切换的情形，可以显著减少总切换时间。此外，可以显著地改善写错误率。因而，自旋轨道相互作用可以被用于辅助切换自由层112'的磁矩。
因为对于自由层112'的磁化的越大倾斜，总切换时间因自旋轨道扭矩TSO而减少，所以重要的是自旋轨道扭矩TSO的大小和相应的场HSO足够高。因此，对于磁性结110'，期望自旋轨道场是各向异性场的相当大的百分比。在一些实施方式中，对于磁性结110'，期望自旋轨道场是各向异性场的至少百分之十并且不大于百分之五十。然而，在其它实施方式中，自旋轨道场可具有另一值。
为了使自由层的磁化可靠地倾斜，对于一些实施方式，SO场脉冲足够短。在这样的实施方式中，为了提高性能，SO场脉冲的总持续时间小于磁化处理周期的一半。对于一些实施方式，磁化处理周期等于1/2(2π/γHk)，其中Hk是自由层112'的各向异性场。因而，SO电流脉冲可以是至少30ps并且不大于3ns长，但是取决于Hk。如果代替地，脉冲宽度在处理周期（对于一些实施方式，2π/γHk）的数量级，则磁矩返回到平行于易磁化轴的临界点。SO场HR不会提高切换的速度。如果脉冲宽度长于振荡周期，例如1纳秒或更长，则最终的磁化倾斜可能不受控制。
对于一些其它实施方式，如果SO场HSO具有由表达式（1）给出的形式并且HSO场足够高，则自旋轨道场HSO能够旋转自由层112'的磁矩，直到平行（或反平行）于极化矢量PSO。对于具有垂直于平面的易磁化轴的自由层112'，这相应于与易磁化轴垂直的取向。在这种SO扭矩TSO具有非常大的幅度的情形下，只要电流脉冲被驱动经过SO有源层120'，则磁矩可以保持从易磁化轴旋转。因而，如果自旋轨道电流脉冲具有足够大的大小和宽度，则磁矩可以由于自旋霍耳效应而保持被钉扎在平面内。对于这样的实施方式，对于SO场脉冲的持续时间没有限制。此外，在自由层的磁化的初始倾斜垂直于易磁化轴时的情形下，STT最大化。
如果自由层的磁化由于自旋轨道扭矩的倾斜不是非常大（例如，对于一些实施方式，小于π/4孤度）并且没有施加STT扭矩，则磁化可以在SO场脉冲结束之后返回到初始磁化状态。然而，如果倾斜较大，则磁化具有返回到相反位置的高可能性。如果由TSO引起的倾斜接近π/2并且没有施加STT脉冲，则磁化可具有返回到初始状态和切换到相反状态的相等可能性。因此，对于由TSO引起的大的倾斜，单元中的信息会被自旋轨道扭矩TSO扰乱或擦除。对于一些实施方式，由于SO效应引起的最佳倾斜由速度（更大倾斜）与对初始存储状态（更小倾斜）的非干扰的限制之间的平衡而确定。
为了切换自由层112'的磁矩113'，平面内自旋轨道（SO）电流脉冲（JSO）被驱动经过SO有源层120'。换句话说，自旋轨道电流脉冲被垂直于SO有源层120'和自由层112'之间的方向（例如垂直于z方向）驱动。SO电流脉冲以上述方式产生自旋轨道场HSO。对于电流JSO的足够短的脉冲宽度，自旋轨道场HSO将自由层112'的磁矩113'从其平衡状态沿着易磁化轴115'而扰乱。如果然后施加自旋转移电流JSTT，则可以切换自由层112'的磁矩113'。磁性结110'的切换可以得到改善。例如，图5是描绘在存储器100'的编程中使用的电流脉冲的时序的曲线图150。参考图4至图5，在曲线图150中示出的曲线152和154仅是用于示例性目的，而不意味着明确地描绘特定真实的脉冲。
具有宽度tSO和大小JSO的SO电流脉冲152被驱动经过SO有源层120'。期望宽度tSO是短的，以确保被由Rashba效应产生的自旋轨道场的任何部分扰乱的磁矩113'不回到临界点。因而，期望SO电流脉冲152的宽度相对小，例如0.1-3纳秒。在一些这样的实施方式中，SO电流脉冲152的宽度是30皮秒-0.1纳秒的数量级。此外，因为SO电流脉冲152是在SO有源层120'的平面内，所以SO电流脉冲152的大小可以是大的。例如，当自由层具有与0.01-1mA数量级的电流相应的高HK时，电流密度JSO可以为1×108A/cm2的数量级。对于一些其它的应用，电流密度可以在1×107A/cm2的数量级。
在SO电流脉冲开始之后，具有宽度tSTT和大小JSTT的自旋转移扭矩（STT）电流脉冲154被垂直于平面驱动经过磁性结110'。因而，STT电流脉冲154可以在磁矩113'具有回到临界点的机会之前开始。在图5中示出的实施方式中，STT电流脉冲154在SO电流脉冲152终止之前开始。然而，在其它实施方式中，STT电流脉冲154可以在SO电流脉冲152期间或终止之后开始。如果STT电流脉冲154在SO电流脉冲152终止之后开始，则期望在SO电流脉冲152的终止和STT电流脉冲154的开始之间仅过去少量的时间，例如不超过磁矩113'的几个振荡周期。因为STT电流脉冲154垂直于平面，所以STT电流脉冲154的大小可以显著地小于SO电流脉冲152的大小。例如，JSTT可以是1×106A/cm2的数量级。STT电流脉冲154的宽度可以如用于切换磁性结110所期望的一样长。然而，因为还使用SO电流脉冲152，所以切换仍然可以更快。
使用电流脉冲152和154，磁存储器100'可以更快地切换。经过SO有源层120'的SO电流脉冲152产生自旋轨道场，该自旋轨道场沿着易磁化轴115'从临界点扰乱磁矩113'。由于经过磁性结110'的STT电流脉冲154引起的自旋转移扭矩然后可以在磁矩113'的切换中起到更大的作用。因而，STT扭矩可以被用于更快地切换磁性结110'的磁矩113'。
因为自旋轨道扭矩可以被用于切换自由层112'的磁矩113'，所以可以改善存储器100'的性能。由SO有源层120'产生的自旋轨道扭矩允许磁性结110'以增加的速度被编程。因为自旋轨道扭矩具有高效率并且与平面内自旋轨道电流脉冲152成比例，所以自旋轨道扭矩可以是大的。因而，大的自旋轨道扭矩可以从临界点扰乱磁矩113'。自旋转移扭矩脉冲154的宽度和大小可以被减小，同时仍然写入到磁存储器100'。因而，可以减少写入时间并且改善了写错误率。因此，可以改善存储器100'的性能。
图6描绘了磁存储器100"的示例性实施方式。为了清晰，图6不是按比例绘制。磁存储器100"类似于磁存储器100。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器100"包括分别与磁性结110和SO有源层120类似的磁性结110"和SO有源层120"。磁性结110"包括分别与存储层/自由层112、非磁性间隔物层114和参考层116类似的数据存储层/自由层112"、非磁性间隔物层114"和参考层116"。因而，组件110"和120"的结构和功能分别类似于以上关于组件110和120所描述的。自由层112"的磁矩113"稳定地在平面内。因而，磁矩113"平行于自由层112"的易磁化轴115"。在显示的实施方式中，参考层116"的磁矩117"也在平面内。对于一些实施方式，此平面内易磁化轴方向垂直于SO有源层120"中的电流JSO的方向。结果，PSO平行于自由层112"的易磁化轴115"。
磁性结110"使用自旋轨道扭矩作为主切换机制被切换。在一些实施方式中，自旋轨道扭矩是由自旋霍耳效应和/或Rashba效应而产生。因而，SO有源层120"可具有与上述相同的结构、功能和组成材料。被驱动经过SO有源层120"的平面内电流JSo是主切换电流。然而，以下讨论的其它机制可以被用于选择磁性结110"，从而辅助于编程磁性结110"。此外，在其它实施方式中，可以使用其它机制和/或材料。
为了编程磁性结110"，在期望磁矩113"被切换的方向上，在自旋轨道极化PSO沿着自由层112"的易磁化轴/稳定状态115"的情况下，产生自旋轨道场。需要被驱动经过SO有源层120"的自旋轨道电流是JSTT-几MA/cm2的数量级。在图6示出的实施方式中，期望磁矩113"将方向改变为在+y方向上。为了将磁矩113"切换至-y方向，自旋轨道电流JSO在所示出的相反方向上被驱动。由自旋轨道相互作用产生的自旋轨道场122"将自旋轨道扭矩施加到磁矩113"，将磁矩113"切换到期望方向。
因为自旋轨道扭矩切换自由层112"的磁矩113"，所以可以改善存储器100'的性能。因为SO电流是在SO有源层120"的平面内并且因此不流过间隔物114"，所以电流密度JSO可以是大的。例如，电流密度可以达到1x108A/cm2的数量级，其相应于0.01-1mA的数量级的电流。这样的大电流可以提供大的自旋轨道场，并且因此在磁性结113"上提供更大的自旋轨道扭矩。换句话说，磁性结110"的超速驱动可以更容易完成。此外，磁性结110"可以是单个的磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器100"的性能。
图7描绘了磁存储器100"'的示例性实施方式。为了清晰，图7不是按比例绘制。磁存储器100"'类似于磁存储器100/100"。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器100"'包括分别与磁性结110/110"和SO有源层120/120"类似的磁性结110"'和SO有源层120"'。磁性结110"'包括分别与存储层/自由层112/112"、非磁性间隔物层114/114"和参考层116/116"类似的数据存储层/自由层112"'、非磁性间隔物层114"'和参考层116"'。因而，组件110"'和120"'的结构和功能分别类似于以上关于组件110/110"和120/120"所描述的。自由层112"'的磁矩113"'稳定地垂直于平面。因而，磁矩113"'平行于自由层112"'的易磁化轴115"'。在显示的实施方式中，参考层116"'的磁矩117"'也垂直于平面。
磁性结110"'使用自旋轨道扭矩作为主切换机制被切换。在一些实施方式中，自旋轨道扭矩是由Rashba效应而产生。因而，SO有源层120"'可具有与以上对于Rashba效应所描述的相同的结构、功能和组成材料。然而，在其它实施方式中，可以使用其它机制和/或材料。被驱动经过SO有源层120"'的平面内电流JSO是主切换电流。然而，其它机制可以被用于选择磁性结110"'，因而辅助于编程磁性结110"'。
为了编程磁性结110"'，在期望磁矩113"'被切换的方向上，在自旋轨道极化PSO沿着自由层112"'的易磁化轴/稳定状态115″′的情况下，产生自旋轨道场。在一些实施方式中，此自旋轨道场主要或完全由Rashba效应产生。需要被驱动经过SO有源层120'"的自旋轨道电流是JSTT—几MA/cm2的数量级。在图7示出的实施方式中，期望磁矩113"′将方向改变为在+z方向上。为了将磁矩113"'切换至-z方向，自旋轨道电流JSO在所示出的相反方向上被驱动。由自旋轨道相互作用产生的自旋轨道场122"′将自旋轨道扭矩施加到磁矩113"′，将磁矩113"′切换到期望方向。
磁存储器100"′共享磁存储器100"的优点。因为自旋轨道扭矩切换自由层112"′的磁矩113″′，所以可以改善存储器100"′的性能。因为SO电流是在SO有源层120″′的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结110"′的超速驱动。此外，磁性结110"′可以是单个的磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器100"′的性能。
因而，自旋轨道相互作用可以被用作切换磁性结的数据存储层/自由层112/112′/112″/112″′的磁矩的机制。自旋轨道相互作用可以辅助切换诸如自旋转移扭矩切换，或者可以被用作主切换机制。自旋轨道相互作用允许更高的扭矩，这是因为平面内自旋轨道电流可以更大，允许以改善的写错误率而更快切换。此外，可以避免使用对于STT-RAM存储器有利、但是可能具有各种问题的双磁性结。因此，磁存储器100、100′、100"和/或100"′的性能可以被增强。
图8描绘了采用使用自旋轨道相互作用切换的磁性结210的磁存储器200的示例性实施方式。为了清晰，图8不是按比例绘制。磁存储器200类似于磁存储器100、100′、100"和100"′。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器200包括分别与磁性结110/110′/110″/110"′和SO有源层120/120′/120″/120"′类似的磁性结210和SO有源层220。磁性结210包括分别与存储层/自由层112/112′/112″/112″′、非磁性间隔物层114/114′/114″/114"′和参考层116/116′/116″/116"′类似的数据存储层/自由层212、非磁性间隔物层214和参考层216。因而，组件210和220的结构和功能分别类似于以上关于组件110/110′/110″/110"′和120/120′/120″/120"′所描述的。例如，自由层212可具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴并且被用于储存数据。参考层216也可以具有被固定在平面内或垂直于平面的磁矩。磁性结210可以使用自旋轨道相互作用作为主机制被切换，或者可以使用自旋轨道相互作用辅助另一机制（诸如如上所述的自旋转移扭矩）被切换。
除了磁性结210之外，磁存储器200包括与每个磁性结210相应的选择器件218。在显示的实施方式中，存储单元包括磁性结210和选择器件218。选择器件218是晶体管并且可以与位线耦接。在显示的实施方式中，磁存储器200还可以包括可选的自旋扩散插入层230。对于一些实施方式，可选的自旋扩散插入层230是金属。然而，在其它实施方式中，这一层可以是薄绝缘材料，例如晶体MgO或其它氧化物或其它绝缘层。这样的层的电阻-面积（RA）应该是小的，例如小于2欧姆（Ohm）-μm2。在其它实施方式中，可选的自旋扩散插入层230可以是包括不同材料的两个或更多层的多层。可选的自旋扩散插入层230可以被用于减少对于由表达式（2）给出的自旋轨道场的作用，或/和可以用于增强对于由表达式（1）给出的自旋轨道场的作用，如果期望这是在切换磁性结210中使用的主要作用。可选的自旋扩散插入层230也可以被用于提供用于自由层212的改善的籽晶层和/或减少自由层的阻尼，这可以与对于SO有源层220的接近度有关。
虽然在图8中仅示出了一个磁性结210，但是SO有源层220延伸过多个磁性结。因而，SO有源层220也可以起到字线的作用。此外，SO有源层220被显示为具有实质上不变的厚度（在z方向上的尺寸）和宽度（在y方向上的尺寸）。在一些实施方式中，SO有源层的厚度和/或宽度至少在磁性结210下面减小。在这样的实施方式中，自旋轨道电流密度在磁性结210的区域中增大。因而，可以改善使用自旋轨道相互作用的切换。
磁存储器200共享磁存储器100、100′、100"和100"′的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层212的磁矩213，所以可以改善存储器200的性能。因为SO电流是在SO有源层220的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结210的超速驱动。此外，磁性结210可以是单个的磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器200的性能。
图9描绘了采用使用自旋轨道相互作用切换的磁性结210'的磁存储器200'的示例性实施方式。为了清晰，图9不是按比例绘制。磁存储器200'类似于磁存储器200、100、100′、100"和100"′。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器200'包括分别与磁性结210/110/110′/110″/110"′和SO有源层220/120/120′/120″/120"′类似的磁性结210'和SO有源层220'。磁性结210'包括分别与存储层/自由层212/112/112'/112''/112"'、非磁性间隔物层214/114/114'/114''/114"'和参考层216/116/116'/116''/116"'类似的数据存储层/自由层212'、非磁性间隔物层214'和参考层216'。因而，组件210'和220'的结构和功能分别类似于以上关于组件210/110/110'/110''/110"'和220/120/120'/120''/120"'所描述的。例如，自由层212'可具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴并且被用于储存数据。参考层216'也可以具有被固定在平面内或垂直于平面的磁矩。磁性结210'可以使用自旋轨道相互作用作为主机制被切换或者可以使用自旋轨道相互作用辅助另一机制（诸如如上所述的自旋转移扭矩）被切换。磁存储器200'也可以包括与可选的自旋扩散插入层230类似的可选的自旋扩散插入层230'。为简单起见，SO场222'被示出在y方向上。然而，SO场222'可以在包括、但是不限于垂直于平面的另一方向上（例如，在正z方向或负z方向上）。
磁存储器200'也包括字线240。字线240延伸过多个磁性结210'，因此延伸过多个存储单元。SO有源层220'与字线电耦接，但是位于单个磁性结210'的区域内。因而，在显示的实施方式中，每个SO有源层220'相应于磁性结210'。在显示的实施方式中，SO有源层220'在字线240上方延伸。然而，在其它实施方式中，SO有源层220'的顶部可以在包括、但是不限于与字线240的顶部实质上齐平的另一位置。在显示的实施方式中，SO有源层220'的底部在字线240之内。因而，SO有源层220'可以位于字线240之内的凹陷中。然而，在其它实施方式中，SO有源层220'的底部可以在另一位置。备选地，SO有源层220'可具有小于或等于字线240的厚度，并且位于字线中的孔内。在这样的实施方式中，经过SO有源层220'的电流密度可以大于周围的字线240中的电流密度。SO有源层220'还被显示为延伸到磁性结210'的边缘。然而，在其它实施方式中，SO有源层220'可以在x-y平面内延伸得远于磁性结210'。
磁存储器200'共享磁存储器200、100、100'、100"和100"'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层212'的磁矩213'，所以可以改善存储器200'的性能。因为SO电流是在SO有源层220的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结210'的超速驱动。此外，磁性结210'可以是单个磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器200'的性能。
图10描绘了采用使用自旋轨道相互作用切换的磁性结210"的磁存储器200"的示例性实施方式。为了清晰，图10不是按比例绘制。磁存储器200"类似于磁存储器200、200'、100、100'、100"和100"'。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器200"包括分别与磁性结210/210'/110/110'/110''/110"'和SO有源层220/220'/120/120'/120''/120"'类似的磁性结210"和SO有源层220"。磁性结210"包括分别与存储层/自由层212/212'/112/112'/112''/112"'、非磁性间隔物层214/214'/114/114'/114''/114"'和参考层216/216'/116/116'/116''/116"'类似的数据存储层/自由层212"、非磁性间隔物层214"和参考层216"。因而，组件210"和220"的结构和功能分别类似于以上关于组件210/210'/110/110'/110''/110"'和220/220'/120/120'/120''/120"'所描述的。例如，自由层212"可具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴并且被用于储存数据。参考层216"也可以具有被固定在平面内或垂直于平面的磁矩。磁性结210"可以使用自旋轨道相互作用作为主机制被切换，或者可以使用自旋轨道相互作用辅助另一机制（诸如如上所述的自旋转移扭矩）被切换。磁存储器200"也可以包括与可选的自旋扩散插入层230/230'类似的可选的自旋扩散插入层230"。为简单起见，SO场222"被示出在y方向上。然而，SO场222"可以在包括、但是不限于垂直于平面的另一方向上（例如，在正z方向或负z方向上）。
磁存储器200"还包括与字线240类似的字线240'。字线240'延伸过多个磁性结210"，因此延伸过多个存储单元。SO有源层220"与字线电耦接，但是位于单个磁性结210"的区域内。因而，在显示的实施方式中，每个SO有源层220"相应于磁性结210"。在显示的实施方式中，SO有源层220"在字线240'上方和下方延伸。在显示的实施方式中，SO有源层220"位于字线240'之内的孔中。然而，在其它实施方式中，SO有源层220"的顶部和/或底部可以在另一位置。SO有源层220"还被显示为延伸到磁性结210"的边缘。然而，在其它实施方式中，SO有源层220"可以在x-y平面内延伸得远于磁性结210"。
磁存储器200"共享磁存储器200、200'、100、100'、100"和100"'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层212"的磁矩213"，所以可以改善存储器200"的性能。因为SO电流是在SO有源层220"的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结210"的超速驱动。此外，磁性结210"可以是单个磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器200"的性能。
图11描绘了采用使用自旋轨道相互作用切换的磁性结210"'的磁存储器200"'的示例性实施方式。为了清晰，图11不是按比例绘制。磁存储器200"'类似于磁存储器200、200'、200"、100、100'、100"和100"'。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器200"'包括磁性结210"'和SO有源层220"'，其分别与磁性结210/210'/210''/110/110'/110''/100"'和SO有源层220/220'/220''/120/120'/120''/120"'类似。磁性结210"'包括分别与存储层/自由层212/212'/212''/112/112'/112''/112"'、非磁性间隔物层214/214'/214''/114/114'/114''/114"'和参考层216/216'/216''/116/116'/116''/116"'类似的数据存储层/自由层212"'、非磁性间隔物层214"'和参考层216"'。因而，组件210"'和220"'的结构和功能分别类似于以上关于组件210/210'/210''/110/110'/110''/110"'和220/220'/220''/120/120'/120''/120"'所描述的。例如，自由层212"'可具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴并且被用于储存数据。参考层216"'也可以具有被固定在平面内或垂直于平面的磁矩。磁性结210"'可以使用自旋轨道相互作用作为主机制被切换，或者可以使用自旋轨道相互作用辅助另一机制（诸如如上所述的自旋转移扭矩）被切换。磁存储器200"'也可以包括与可选的自旋扩散插入层230/230'/230"类似的可选的自旋扩散插入层230"'。为简单起见，SO场222"'被示出在y方向上。然而，SO场222"'可以在包括、但是不限于垂直于平面的另一方向上（例如，在正z方向或负z方向上）。
磁存储器200"'还包括与字线240/240'类似的字线240"。字线240"延伸过多个磁性结210"'，因此延伸过多个存储单元。SO有源层220"'与字线电耦接，但是位于单个磁性结210"'的区域内。在显示的实施方式中，SO有源层220"'邻近于磁性结210"'。SO有源层220"'不是直接在自由层212"'下面。代替地，字线240"的另一部分位于磁性结210"'之下。SO有源层220"'可以与磁性结210"'有一些分离。这种分离应该不是非常大，典型地小于MTJ的宽度。然而，对于一些其它的实施方式，其可以大于高达100nm。
磁存储器200"'共享磁存储器200、200'、200"、100、100'、100"和100"'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层212"'的磁矩213"'，所以可以改善存储器200"'的性能。因为SO电流是在SO有源层220"'的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结210"'的超速驱动。此外，磁性结210"'可以是单个磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器200"'的性能。
图12描绘了采用使用自旋轨道相互作用切换的磁性结210''''的磁存储器200''''的示例性实施方式。为了清晰，图12不是按比例绘制。磁存储器200''''类似于磁存储器200、200'、200"、200"'、100、100'、100"和100"'。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器200''''包括磁性结210''''和SO有源层220''''，其分别与磁性结210/210'/210''/210"'/110/110'/110''/110"'和SO有源层220/220'/220"/220"'/120/120'/120''/120"'类似。磁性结210''''包括分别与存储层/自由层212/212'/212''/212"'/112/112'/112''/112"'、非磁性间隔物层214/214'/214''/214"'/114/114'/114''/114"'和参考层216/216'/216''/216"'/116/116'/116''/116"'类似的数据存储层/自由层212''''、非磁性间隔物层214''''和参考层216''''。因而，组件210''''和220''''的结构和功能分别类似于以上关于组件210/210'/210''/210"'/110/110'/110''/110"'和220/220'/220"/220"'/120/120'/120''/120"'所描述的。例如，自由层212''''可具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴并且被用于储存数据。参考层216''''也可以具有被固定在面内或垂直于平面的磁矩。磁性结210''''可以使用自旋轨道相互作用作为主机制被切换，或者可以使用自旋轨道相互作用辅助另一机制（诸如如上所述的自旋转移扭矩）被切换。磁存储器200″″也可以包括与可选的自旋扩散插入层230/230'/230''/230"'类似的可选的自旋扩散插入层230″″。为简单起见，SO场222″″被示出在y方向上。然而，SO场222″″可以在包括、但是不限于垂直于平面的另一方向上（例如，在正z方向或负z方向上）。
磁存储器200″″还包括可以是导线的部分的晶体管245。晶体管包括通过SO有源层220″″分离的源极247和漏极248。晶体管245还包括可以在y方向上与磁性结210″″偏离的栅极（未示出）。因而，SO有源层220″″于是可以是平面内自旋轨道电流经过其流动的沟道的部分。
磁存储器200''''共享磁存储器200、200'、200"、200"'、100、100'、100"和100"'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层212″″的磁矩213″″，所以可以改善存储器200″″的性能。因为SO电流是在SO有源层220″″的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结210″″的超速驱动。此外，磁性结210″″可以是单个磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器200″″的性能。
图13描绘了采用使用模仿自旋轨道相互作用的特征切换的磁性结260的磁存储器250的示例性实施方式。为了清晰，图13不是按比例绘制。磁存储器250类似于磁存储器200、200'、200"、200"'、200″″、100、100'、100"和100"'。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器250包括分别与磁性结210/210'/210"/210"'/210″″/110/110'/110''/110"'和SO有源层220/220'/220"/220"'/220″″/120/120'/120''/120"'类似的磁性结260和结构270。磁性结260包括分别与存储层/自由层212/212'/212''/212"'/212″″/112/112'/112''/112"'、非磁性间隔物层214/214'/214''/214"'/214''''/114/114'/114''/114"'和参考层216/216'/216''/216"'/216″″/116/116'/116''/116"'类似的数据存储层/自由层262、非磁性间隔物层264和参考层266。因而，组件260和270的结构和功能分别类似于以上关于组件210/210'/210"/210"'/210″″/110/110'/110''/110"'和220/220'/220"/220"'/220″″/120/120'/120''/120"'所描述的。例如，自由层262可具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴并且被用于储存数据。参考层266也可以具有被固定在平面内或垂直于平面的磁矩。磁性结260可以使用与自旋轨道相互作用类似的极化载流子作为主机制被切换，或者可以使用与自旋轨道相互作用类似的极化载流子辅助另一机制（诸如如上所述的自旋转移扭矩）被切换。磁存储器250也可以包括与可选的自旋扩散插入层230/230'/230''/230"'/230″″类似的可选的自旋扩散插入层280。
在本申请的情况下，因为使用了与SO有源层类似的结构270，所以磁存储器250被认为在切换磁性结260中使用自旋轨道相互作用。更具体而言，在磁性结260之外的结构270提供在切换磁性结260中使用的自旋极化平面内电流。因而，用于存储器250的切换机制模仿自旋轨道相互作用。
在磁存储器250中，与SO有源层类似的结构270由高导电性字线276和至少一个自旋极化电流注入器（injector）274的组合形成。在图13中示出的实施方式中，仅使用单个自旋极化电流注入器274。然而，在其它实施方式中，可以使用多个自旋极化电流注入器。例如，可以使用具有相反的自旋极化的两个注入器。备选地，可以使用单个自旋极化电流注入器274，但是电流方向反转。自旋极化电流注入器274使被驱动经过自旋极化电流注入器274的载流子的自旋极化。例如，自旋极化电流注入器274可以是磁性层。此外，期望单自旋极化电流注入器274提供用于多个磁性结260的极化自旋。因而，高导电性字线276是具有高自旋扩散长度的至少一个导电层。例如，在一些实施方式中，自旋扩散长度为至少一百纳米。在一些这样的实施方式中，自旋扩散长度为至少一微米。例如，在一个实施方式中，高导电性字线276可以是石墨烯线。高自旋扩散长度被期望为使得来自注入器274的自旋极化载流子可以横越字线276并且到达至少一个磁性结260，而不经受破坏载流子的自旋信息的显著散射。
因为电流被注入器274极化并且在其经过高导电性字线276时保持其自旋信息，所以极化电流以与以上关于自旋霍尔效应和Rashba效应描述的自旋的极化类似的方式起作用。因而，注入器274和高导电性字线276的组合以与SO有源层220/220'/220"/220"'/220″″/120/120'/120''/120"'类似的方式起作用。换句话说，自旋极化电流可以提供与自旋轨道场和扭矩类似的场和扭矩。通过使用自旋极化电流作为主切换机制或者辅助切换，磁性结260可以以与以上所述类似的方式被写入。
磁存储器250共享磁存储器200、200'、200"、200"'、200″″、100、100'、100"和100"'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层的磁矩，所以可以改善存储器250的性能。因为SO电流是在SO有源层270的平面内，所以电流密度JSO可以是大的。因而，可以更容易完成磁性结260的超速驱动。此外，磁性结260可以是单个磁性结，而不是包括两个参考层的双磁性结。因而，可以减少诸如磁阻抵消的问题和生长双结的势垒层的问题。因而，可以改善存储器250的性能。
因而，存储器200、200'、200"、200"'、200″″、250分别描绘了SO有源层220、220'、220"、220"'、220″″和270的不同结构。对于存储器100、100'、100"和100"'，磁性结210、210'、210"、210"'、210″″和260可以使用自旋轨道扭矩作为主切换机制或使用自旋轨道扭矩辅助主切换机制。如果自旋轨道扭矩被用作主切换机制而没有其它，则沿着SO有源层或包含SO有源层的字线的任何磁性结110、110'、110"、110"'、210、210'、210"、210″″、210″″和260可以被切换。因此，期望用于选择将被写入的磁性结的机制。
图14描绘了采用主要使用自旋轨道相互作用切换的磁性结310的磁存储器300的示例性实施方式。为了清晰，图14不是按比例绘制。磁存储器300类似于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″和250。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器300包括与之前描述的磁性结、选择器件和SO有源层类似的磁性结310、选择器件318和SO有源层320。虽然未示出，但是磁性结310包括与之前描述的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层类似的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层。因而，组件310和320的结构和功能类似于以上所描述的。虽然SO有源层320被描绘为字线，但是在其它实施方式中，可以使用其它结构。此外，示出了可选的自旋扩散插入层330。这些层330类似于可选的自旋扩散插入层230、230'、230"、230"'、230″″和/或280。磁性结310的自由层均可以具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴。
在存储器300中，通过自旋转移扭矩辅助自旋轨道相互作用切换。特别地，SO有源层320被配置为使得自旋轨道扭矩HSo和自旋转移扭矩的期望组合足以切换磁性结。例如，在显示的实施方式中，第一自旋转移选择电流JSTT-Sel1产生STT扭矩，其具有在与自旋轨道场HSO相同的方向上的有效STT场H1。注意的是，虽然H1和HSO都被显示为在x-y平面内，但是在另一实施方式中，场H1和HSO可以在包括垂直于平面的另一方向上。因而，在HSO和H1的影响下的此磁性结被切换。然而，第二自旋转移选择电流JSTT-Sel2在相反的方向上被驱动。因而，具有场H2的自旋转移扭矩在与自旋轨道场HSO相反的方向上。HSO减去H2的组合作用不足以切换磁性结。因而，即使自旋轨道扭矩HSO单独足以编程磁性结310，但是磁性结310没有被切换。在其它实施方式中，可以以另一方式执行选择。例如，在一些实施方式中，自旋转移选择电流仅被驱动经过将被编程的磁性结310。在这样的实施方式中，如果没有在相同方向上的自旋转移扭矩，则自旋轨道扭矩不足以编程磁性结310。在其它实施方式中，自旋转移选择电流仅被驱动经过不将被编程的磁性结。在这样的实施方式中，自旋轨道扭矩足以单独地编程磁性结310。然而，自旋轨道扭矩和在相反方向上的自旋转移扭矩的组合不足以编程磁性结。因而，磁存储器300利用自旋转移扭矩来选择将被写入的磁性结310，并且使用自旋轨道扭矩作为主切换机制。
磁存储器300共享磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″和/或250的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层的磁矩，所以可以改善存储器300的性能。此外，可以使用自旋转移扭矩来选择将被编程的期望的磁性结310。因而，可以改善存储器300的性能。
图15描绘了采用主要使用自旋轨道相互作用切换的磁性结310'的磁存储器300'的示例性实施方式。为了清晰，图15不是按比例绘制。磁存储器300'类似于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″和300。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器300'包括与之前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层和SO有源层类似的磁性结310'、选择器件318'、可选的自旋扩散插入层330'和SO有源层320'。虽然未示出，但是磁性结310'包括与之前描述的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层类似的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层。因而，组件310'和320'的结构和功能类似于以上所描述的。虽然SO有源层320'被描绘为字线，但是在其它实施方式中，可以使用其它结构。磁性结310'的自由层均可以具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴。
在存储器300'中，通过热来辅助自旋轨道相互作用切换。在显示的实施方式中，通过驱动经过磁性结的加热电流JHeat而在期望的磁性结310'中产生热。对于已经被加热的磁性结，各向异性场减小为Hk1。此各向异性场足够低，使得自旋轨道场HSO施加足够的扭矩以切换磁性结310'。相反，不将被切换的磁性结310'没有被加热，因此具有更高的各向异性场Hk2。对于未被加热的磁性结310'，自旋轨道扭矩HSO不足以切换自由层的磁矩。因而，磁存储器300'利用磁性结310'的加热来选择将被写入的磁性结310'，并且使用自旋轨道扭矩作为主切换机制。注意的是，虽然Hk1、Hk2和HSO都被示出在x-y平面内，但是在另一实施方式中，场Hk1、Hk2和HSO可以在包括垂直于平面的另一方向上。
磁存储器300'共享磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250和/或300的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层的磁矩，所以可以改善存储器300'的性能。此外，可以使用自旋转移扭矩选择将被编程的期望的磁性结310'。因而，可以改善存储器300'的性能。
图16描绘了采用主要使用自旋轨道相互作用切换的磁性结310"的磁存储器300"的示例性实施方式。为了清晰，图16不是按比例绘制。磁存储器300"类似于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、300和300'。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器300"包括与之前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层和SO有源层类似的磁性结310"、选择器件318"、可选的自旋扩散插入层330"和SO有源层320"。虽然未示出，但是磁性结310"包括与之前描述的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层类似的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层。因而，组件310"和320"的结构和功能类似于以上所描述的。虽然SO有源层320"被描绘为字线，但是在其它实施方式中，可以使用其它结构。磁性结310"的自由层均可以具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴。注意的是，虽然Hk1、Hk2和HSO都被示出在x-y平面内，但是在另一实施方式中，场Hk1、Hk2和HSO可以在包括垂直于平面的另一方向上。
在存储器300"中，通过电压控制的各向异性来辅助自旋轨道相互作用切换。这可以通过在具有足够大的介电常数和高RA的磁性结310"中使用非磁性势垒层而成为可能。垂直磁各向异性可以对于施加在结上的电压是敏感的。在显示的实施方式中，控制电压VControl1被施加在一个磁性结310"上。对于具有平面内易磁化轴的磁性结310"，控制电压将垂直磁各向异性增加至Hk1。垂直于易磁化轴的各向异性的增加可以允许磁性结310"被切换。不将被切换的磁性结310"被施加有不同的电压VControl2（其可以是零）。结果，这样的磁性结310"具有减小的垂直各向异性场Hk2。这样的磁性结310"可以不切换。在其它实施方式中，磁性结可具有其垂直于平面的易磁化轴。在这样的实施方式中，控制电压VControl1的施加仍然导致垂直各向异性的增加。然而，因为沿着易磁化轴的各向异性已经增加，所以磁性结不会切换。相反，控制电压VControl2的施加减少了相对的垂直各向异性。结果，这样的磁性结310"具有更低的各向异性场Hk2。对于更低的垂直各向异性的磁性结310"，自旋轨道扭矩HSO切换自由层的磁矩。因而，磁存储器300"利用磁性结310"的电压控制的各向异性来选择将被写入的磁性结310"，并且使用自旋轨道扭矩作为主切换机制。
磁存储器300"共享磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300和/或300'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层的磁矩，所以可以改善存储器300"的性能。此外，可以使用电压控制的各向异性来选择将被编程的期望的磁性结310"。因而，可以改善存储器300"的性能。
图17描绘了采用主要使用自旋轨道相互作用切换的磁性结310"'的磁存储器300"'的示例性实施方式。为了清晰，图17不是按比例绘制。磁存储器300"'类似于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、300、300'和300"。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器300"'包括与之前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层和SO有源层类似的磁性结310"'、选择器件318"'、可选的自旋扩散插入层330"'和SO有源层320"'。虽然未示出，但是磁性结310"'包括与之前描述的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层类似的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层。因而，组件310"'和320"'的结构和功能类似于以上所描述的。虽然SO有源层320"'被描绘为字线，但是在其它实施方式中，可以使用其它结构。磁性结310"'的自由层均可以具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴。注意的是，虽然HSO1和HSO2都被示出在x-y平面内，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
在存储器300"'中，通过电阻控制来辅助自旋轨道相互作用切换。在显示的实施方式中，通过电阻选择晶体管336来控制电阻器335的电阻。因而，电阻器335是可变电阻元件。相对于SO有源层320"'的电阻，电阻R1是高电阻。因而，在SO有源层320"'中的电流没有被电阻器335分流。因而，产生的自旋轨道扭矩HSO1仍然足以切换磁性结310"'。相对于SO有源层320"'，电阻器R2为较低的，自旋轨道电流JSO被电阻器R2分流。在层320"'的顶表面的载流子的积累减少。自旋轨道场HSO2也减小。因而，在R2上产生的自旋轨道场不足写到磁性结310"'。因而，磁存储器300"'利用磁性结310的电阻变化来选择将被写入的磁性结310"'，并且使用自旋轨道扭矩作为主切换机制。
磁存储器300"'共享磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'和300"的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层的磁矩，所以可以改善存储器300"'的性能。此外，可以使用自旋转移扭矩选择将被编程的期望的磁性结310"'。因而，可以改善存储器300"'的性能。
图18描绘了采用主要使用自旋轨道相互作用切换的磁性结310″″的磁存储器300″″的示例性实施方式。为了清晰，图18不是按比例绘制。磁存储器300″″类似于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"和300"'。因此，类似的组件具有相似的标记。因而，磁存储器300″″包括与之前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层和SO有源层类似的磁性结310″″、选择器件318″″、可选的自旋扩散插入层330″″和SO有源层320″″。虽然未示出，但是磁性结310″″包括与之前描述的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层类似的数据存储层/自由层、非磁性间隔物层和参考层。因而，组件310″″和320″″的结构和功能类似于以上所描述的。虽然SO有源层320″″被描绘为字线，但是在其它实施方式中，可以使用其它结构。磁性结310″″的自由层均可以具有在平面内或垂直于平面的易磁化轴。注意的是，虽然HSO1和HSO2都被示出在x-y平面内，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
在存储器300″″中，通过使用加热器340加热SO有源层320″″来辅助自旋轨道相互作用切换。通过加热器选择晶体管342来控制加热器340。当加热元件诸如加热器1处于静态态时，SO有源层320″″可以产生用于切换磁性结310″″的期望的自旋轨道场HSO1。然而，加热器2可以被驱动。SO有源层320″″被加热，其增加了SO引起的自旋积累的减退（relaxation），因而减小了自旋轨道场HSO2。所产生的自旋轨道场不足以写到磁性结310″″中。因而，磁存储器300″″利用SO有源层320″″的加热来选择将被写入的磁性结310″″并且使用自旋轨道扭矩作为主切换机制。
磁存储器300″″共享磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"和300"'的益处。因为自旋轨道扭矩被用于切换自由层的磁矩，所以可以改善存储器300″″的性能。此外，可以使用自旋转移扭矩来选择将被编程的期望的磁性结310″″。因而，可以改善存储器300″″的性能。
图19是描绘提供使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的磁存储器的方法400的示例性实施方式的流程图。为简单起见，一些步骤可以被省略、组合和/或交替。在磁存储器100的情况下描述方法400。然而，方法400可以被用于提供包括、但是不限于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″的其它磁存储器。
经由步骤402，提供SO有源层120。在一些实施方式中，步骤402包括提供适于自旋霍耳效应的层。在其它实施方式中，提供适于Rashba效应的层。在又一实施方式中，所提供的SO有源层120可以使用自旋霍耳效应和Rashba效应的组合。也可以提供其它的自旋轨道相互作用机制。步骤402还可以包括图案化SO有源层。经由步骤404，可选地提供自旋扩散层（未在磁存储器100中示出）。自旋扩散层如果被提供，则其位于SO有源层120和磁性结110之间。
经由步骤406，提供磁性结110。在一些实施方式中，步骤406包括提供自由层112、非磁性层诸如隧道势垒层114和参考层116。然后，可以完成磁存储器100的制造。因而，使用方法400，可以实现磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″中的一个或多个磁存储器的益处。
图20是描绘了用于编程使用自旋轨道相互作用切换的磁性结的方法450的示例性实施方式的流程图。方法450可以被用于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″中的一个或多个。为简单起见，一些步骤可以被省略、组合和/或交替。在磁存储器100的情况下描述方法450。然而，方法450可以被用于其它磁性结，包括、但是不限于磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″。
经由步骤452，施加平面内自旋轨道写电流。自旋轨道写电流可以作为脉冲被施加。对于自旋轨道相互作用辅助的切换，脉冲的持续时间（duration）和上升（rise）可被期望为是短的，例如不超过0.1-3纳秒。在其它实施方式中，可以使用其它的脉冲持续时间。在一些实施方式中，如果自旋轨道相互作用是主切换机制，则脉冲的持续时间可以较长。
经由步骤454，自旋转移扭矩写电流被可选地驱动经过磁性结。如果自旋轨道相互作用被用于辅助自旋转移扭矩写入，则执行步骤454。如果自旋轨道相互作用被用作主写入机制，则可以省略步骤454。在步骤454中的电流也可以作为脉冲被施加，如上所述（例如，关于图5）。在步骤454中施加的电流脉冲被期望为在步骤452中的脉冲已经开始之后开始。电流脉冲也可以在自旋轨道写电流脉冲期间、在自旋轨道写电流脉冲终止之前或在自旋轨道写电流脉冲终止之后开始。然而，期望自旋转移写电流脉冲在自旋轨道相互作用写入脉冲的终止之后、不迟于自由层的磁矩的几个处理的时间开始。因而，使用步骤452和454可以完成单元的写入。
此外，经由步骤456，可以选择将被写入的磁性结110。例如，自旋转移扭矩、磁性结110的加热、磁各向异性的电压控制、在SO有源层120上的电阻控制、SO有源层120的加热、上述机制和/或另一机制的一些组合可以被用于选择将被写入的单元。步骤456也可以与步骤452实质上同时地执行。因而，可以编程磁存储器100中的期望的磁性结110。注意的是，磁性结110可以通过驱动读电流经过磁性结110并且确定磁性结110是否处于高电阻状态或低电阻状态而被读取。
因而，使用方法450，可以编程磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″。因而，可以实现磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″的益处。
已经描述了用于提供磁性结和使用磁性结而制造的存储器的方法和系统。在磁存储器100、100'、100"、100"'、200、200'、200"、200"'、200″″、250、300、300'、300"、300"'和/或300″″中的特征的各种组合可以被结合。已经根据示出的示例性实施方式描述了方法和系统，本领域的普通技术人员将容易地理解，可以对这些实施方式进行变化，并且任何变化将在方法和系统的精神和范围内。因此，本领域的普通技术人员可以进行许多变形而不脱离权利要求的精神和范围。

Claims (43)

1.一种磁存储器，包括：
多个磁性结，所述多个磁性结的每个包括数据存储层，所述数据存储层是磁性的；以及
至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层，与所述磁性结的所述数据存储层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于在一方向上经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的电流而在所述数据存储层上施加自旋轨道相互作用扭矩，其中所述方向实质上垂直于所述至少一个自旋轨道相互作用有源层和所述多个磁性结中最靠近所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的磁性结的所述数据存储层之间的方向，
所述数据存储层被配置为使用至少所述自旋轨道相互作用扭矩是可切换的。
2.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述多个磁性结的每个还包括参考层和非磁性间隔物层，所述非磁性间隔物层位于所述数据存储层和所述参考层之间，所述数据存储层是自由层。
3.根据权利要求1所述的磁存储器，还包括：用于所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的每个的自旋扩散插入层，所述自旋扩散插入层在所述数据存储层和所述至少一个自旋轨道相互作用有源层之间。
4.根据权利要求3所述的磁存储器，其中所述自旋扩散插入层包括金属层、具有小于2Ω-μm2的电阻面积的绝缘层以及包括第一层和第二层的多层中的至少之一，所述第一层包括第一材料，所述第二层包括与所述第一材料不同的第二材料。
5.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被选自A的第一自旋轨道相互作用层和由B掺杂的M的第二自旋轨道相互作用层，其中A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、非晶β-Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po以及At中的至少一种，M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn和GaAs中的至少一种，B包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、InSb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、非晶β-Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的磁存储器，其中所述自旋轨道相互作用有源层邻接所述数据存储层，其中所述数据存储层包括Co、Fe、Ni、Mn中的至少一种，其中所述磁性结包括邻接所述数据存储层的绝缘层，其中邻接所述数据存储层的所述绝缘层包括铝氧化物和镁氧化物中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层延伸过所述多个磁性结中的至少两个。
9.根据权利要求8所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层是自旋轨道相互作用有源字线。
10.根据权利要求9所述的磁存储器，其中所述自旋轨道相互作用有源层的与所述多个磁性结的每个相邻的一部分具有第一厚度和第一宽度，所述自旋轨道相互作用有源层在所述多个磁性结中的两个之间具有第二厚度和第二宽度，所述第一厚度和所述第一宽度的第一乘积小于所述第二宽度和所述第二厚度的第二乘积。
11.根据权利要求1所述的磁存储器，还包括：与所述多个磁性结相应的至少一条字线，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层位于所述数据存储层和所述至少一条字线之间。
12.根据权利要求11所述的磁存储器，其中所述至少一条字线包括与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层中的每个相应的至少一个孔。
13.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述自旋轨道相互作用有源层还包括：
至少一个自旋极化电流注入器，用于使所述电流的多个载流子的多个自旋极化；以及
至少一个导电层，具有高自旋扩散长度，所述至少一个导电层在所述至少一个自旋极化电流注入器和所述多个磁性结之间。
14.根据权利要求13所述的磁存储器，其中所述自旋扩散长度为至少100nm。
15.根据权利要求14所述的磁存储器，其中所述自旋扩散长度为至少一微米。
16.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述数据存储层还被配置为使用经过所述磁性结的写电流是可切换的。
17.根据权利要求16所述的磁存储器，其中所述数据存储层具有在第一方向上的静态磁矩，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层产生在实质上垂直于所述第一方向的第二方向上的自旋轨道相互作用极化。
18.根据权利要求17所述的磁存储器，其中所述数据存储层的所述磁矩实质上垂直于平面。
19.根据权利要求16所述的磁存储器，其中经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的所述电流是第一电流脉冲，所述写电流是第二电流脉冲，其中所述第一电流脉冲不在所述第二电流脉冲之后开始。
20.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层包括Z中的至少一个，或者位于基质材料B的（111）表面上的至少一种表面合金A/B、或材料Q、或其组合，A包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一种，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一种；合金A/B包括取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu，Z包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一种，Q包括InGaAs、HgCdTe、LaAlO3/SrTiO3双层和LaTiO3/SrTiO3双层中的至少一种。
21.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述数据存储层具有易磁化轴，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层产生具有沿着所述易磁化轴的极化的自旋轨道相互作用场。
22.根据权利要求21所述的磁存储器，其中所述数据存储层被配置为在所述自旋轨道相互作用场和自旋转移场对准的情况下被切换。
23.根据权利要求21所述的磁存储器，其中所述数据存储层被配置为通过所述自旋轨道相互作用场和被驱动经过所述数据存储层的加热电流而被切换。
24.根据权利要求21所述的磁存储器，其中所述数据存储层被配置为通过所述自旋轨道相互作用场和施加到所述数据存储层的各向异性控制电压而被切换，所述各向异性控制电压被配置为改变所述数据存储层的磁各向异性。
25.根据权利要求21所述的磁存储器，还包括：
多个可变电阻元件，与所述多个磁性结相应并且与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层相邻，所述多个可变电阻元件的每个被配置为具有低电阻状态并且在与所述多个磁性结中的不将被写入的至少一个磁性结相应的第一区域中分流来自所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的所述电流，所述多个可变电阻元件的每个被配置为在与所述多个磁性结中的将被写入的至少另一磁性结相应的第二区域中具有高电阻状态，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层在所述第二区域中产生所述自旋轨道相互作用场。
26.根据权利要求21所述的磁存储器，还包括：
多个加热元件，与所述多个磁性结相应并且与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层相邻，所述多个加热元件的每个被配置为在与所述多个磁性结中的不将被写入的至少一个磁性结相应的区域中加热所述至少一个自旋轨道相互作用有源层，所述多个加热元件的每个被配置为在与所述多个磁性结中的将被写入的至少另一磁性结相应的区域中不加热所述至少一个自旋轨道相互作用有源层。
27.一种磁存储器，包括：
多个磁存储单元，所述多个磁存储单元的每个包括至少一个选择器件和至少一个磁性结，所述至少一个磁性结的每个包括参考层、非磁性间隔物层和自由层，所述自由层是磁性的，所述非磁性间隔物层在所述参考层和所述自由层之间；以及
至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层，与所述磁性结的所述自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的平面内电流而在所述自由层上施加自旋轨道相互作用扭矩，
所述自由层被配置为使用所述自旋轨道相互作用扭矩和被驱动经过所述至少一个磁性结的垂直写电流是可切换的。
28.一种磁存储器，包括：
多个磁存储单元，所述多个磁存储单元的每个包括至少一个选择器件和至少一个磁性结，所述至少一个磁性结的每个包括参考层、非磁性间隔物层和自由层，所述自由层是磁性的，所述非磁性间隔物层在所述参考层和所述自由层之间；以及
至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层，与所述磁性结的所述自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的平面内电流而在所述自由层上施加自旋轨道相互作用扭矩，
所述自由层被配置为使用所述自旋轨道相互作用扭矩是可切换的。
29.一种用于提供磁存储器的方法，包括：
提供多个磁性结，所述多个磁性结的每个包括数据存储层，所述数据存储层是磁性的；以及
提供与所述磁性结的所述数据存储层相邻的至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于在一方向上经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的电流而在所述数据存储层上施加自旋轨道相互作用扭矩，所述方向实质上垂直于在所述至少一个自旋轨道相互作用有源层和所述多个磁性结中最靠近所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的磁性结的所述数据存储层之间的方向，所述数据存储层被配置为使用至少所述自旋轨道相互作用扭矩是可切换的。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述多个磁性结的每个还包括参考层和非磁性间隔物层，所述非磁性间隔物层位于所述数据存储层和所述参考层之间，所述数据存储层是自由层。
31.根据权利要求29所述的方法，还包括：提供用于所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的每个的自旋扩散插入层，所述自旋扩散插入层在所述数据存储层和所述至少一个自旋轨道相互作用有源层之间。
32.根据权利要求29所述的方法，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层延伸过所述多个磁性结中的至少两个。
33.根据权利要求29所述的方法，还包括：
提供与所述多个磁性结相应的至少一条字线，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层位于所述数据存储层和所述至少一条字线之间。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述至少一条字线包括与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层中的每个相应的至少一个孔。
35.根据权利要求29所述的方法，其中提供所述自旋轨道相互作用有源层的步骤还包括：
提供用于使所述电流的多个载流子的多个自旋极化的至少一个自旋极化电流注入器；以及
提供具有高自旋扩散长度的至少一个导电层，所述至少一个导电层在所述至少一个自旋极化电流注入器和所述多个磁性结之间。
36.根据权利要求29所述的方法，其中所述数据存储层还被配置为使用经过所述磁性结的写电流是可切换的。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述数据存储层具有在第一方向上的磁矩，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层产生在实质上垂直于所述第一方向的第二方向上的自旋轨道相互作用场。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述数据存储层的所述磁矩实质上垂直于平面。
39.根据权利要求37所述的方法，其中经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的所述电流是第一电流脉冲，所述写电流是第二电流脉冲，其中所述第一电流脉冲在所述第二电流脉冲之前开始。
40.根据权利要求29所述的方法，其中所述数据存储层具有易磁化轴，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层产生沿着所述易磁化轴的自旋轨道相互作用场。
41.一种用于编程磁存储器的方法，所述磁存储器包括多个磁性结，所述多个磁性结的每个包括数据存储层，所述数据存储层是磁性的，所述方法包括：
驱动电流经过与所述磁性结的所述数据存储层相邻的至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于在一方向上经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的电流而在所述数据存储层上施加自旋轨道相互作用扭矩，所述方向实质上垂直于在所述至少一个自旋轨道相互作用有源层和所述多个磁性结中最靠近所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的磁性结的所述数据存储层之间的方向，所述数据存储层被配置为使用至少所述自旋轨道相互作用扭矩是可切换的。
42.根据权利要求40所述的方法，其中驱动所述电流经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的步骤包括驱动第一电流脉冲经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层，其中所述方法还包括：
在所述第一电流脉冲开始之后，驱动第二电流脉冲经过所述多个磁性结中的至少一个。
43.根据权利要求40所述的方法，还包括：
选择所述多个磁性结中的至少一个而用于写入。
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