CN103890855A - 自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用 - Google Patents

自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用 Download PDF

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Abstract

ST-MRAM结构、用于制造该ST-MRAM结构的方法以及用于操作源自ST-MRAM结构的ST-MRAM装置的方法均采用了自旋霍尔效应基层，该自旋霍尔效应基层与磁性自由层接触，并在磁性自由层内产生磁矩切换由此在自旋霍尔效应基层内产生横向切换电流。这使得ST-MRAM装置使用经过磁阻堆叠的独立的感测电流和感测电压，其中磁阻堆叠包括固定层、非磁性间隔层和与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层。用于自旋霍尔效应基层的理想的非磁性导电材料包括某些类型的钽材料及钨材料，这些材料具有不大于自旋霍尔效应基层的厚度约5倍的自旋扩散长度和至少约0.05的自旋霍尔角。

Description

自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用
相关申请的交叉引用
本申请涉及以下申请，并从以下申请得到优先权：（1）于2011年8月18日提交的序列号为61/524,998的美国临时专利申请；（2）于2011年9月14日提交的序列号为61/534,517的美国临时专利申请；（3）于2011年10月11日提交的序列号为61/545,705的美国临时专利申请；以及（4）于2012年4月3日提交的序列号为61/619,679的美国临时专利申请，上述申请的标题均为自旋霍尔效应装置、方法和应用，并且每个临时专利申请的内容通过引用完全并入本文。
政府利益的陈述
美国陆军研究办公室以W911NF-08-2-0032的奖项，美国国防部高级研究计划局以HR0011-11-C-0074的奖项，以及海军研究美国办事处以N00014-10-1-0024的奖项对得到本文所公开的实施方式及本文所保护的发明的研究提供了经费。美国政府具有在本文中要求保护的发明的权利。
背景技术
技术领域
本发明的实施方式总体涉及磁存储装置，例如但不限于磁随机存取存储（MRAM）装置。更具体地，各实施方式涉及磁存储装置，例如但不限于具有加强性能的磁随机存取存储（MRAM）装置。
相关技术的描述
磁随机存取存储（MRAM）装置包括一类非易失性、快速且高效数据存储装置，这类存储装置被预期能够实现非常高水平的磁数据密度。每个MRAM单元存储一个二进位数据。MRAM装置单元的中心部件是薄膜磁阻元件，其中薄膜磁阻元件是薄膜材料的组合、其电阻率取决于两个或两个以上（通常仅两个）薄膜铁磁材料层的相关磁性取向。薄膜铁磁材料层中的一个通常具有固定的磁性取向并被称为固定层（PL），而另一个薄膜铁磁材料层具有可切换的磁性取向并被称为自由层（FL）。
MRAM装置的另一子类为自旋扭矩MRAM（ST-MRAM）装置。与更传统的MRAM装置相比，ST-MRAM装置利用由电流产生的自旋扭矩（即，不是由电流产生的磁场）来切换自由层（FL）相对于固定层（PL）的相关磁性取向。
随着集成电路装置尺寸的减少以及集成电路装置密度的增加，期望提供包括ST-MRAM结构的更有效且更可靠的MRAM结构、以及用于制造包括ST-MRAM结构的更有效且更可靠的MRAM结构的方法及其操作方法。
发明内容
各实施方式提供了ST-MRAM结构、用于制造ST-MRAM结构的方法和用于操作源自ST-MRAM结构的ST-MRAM装置的方法。
根据实施方式的ST-MRAM结构和相关方法使用了具有加强的自旋霍尔效应的基层（即，自旋霍尔效应基层（Spin Hall Effect，SHE基层）），该基层位于ST-MRAM结构内并且与ST-MRAM结构内的自由层形成接触。根据实施方式的ST-MRAM结构和相关方法是建立在使用相对于SHE基层施加的横向切换电流的基础上的，其中SHE基层在自由层内提供磁性校准切换。经过薄膜磁阻元件堆叠的感测电流和感测电压可被测量或者可垂直地施加，其中薄膜磁阻元件堆叠在ST-MRAM结构内依次包括固定层、非磁性间隔层以及与SHE基层接触的自由层。
因此，当操作ST-MRAM结构和装置时，根据实施方式的ST-MRAM结构和装置提供了：（1）在SHE基层内的切换自由层相对于固定层的磁性取向的面内横向切换电流；连同（2）经由薄膜磁阻元件堆叠的垂直于平面的感测电流和感测电压，其中薄膜磁阻元件堆叠包括固定层、非磁性间隔层和自由层（与SHE基层接触）。
为了实现上述效果，根据实施方式的ST-MRAM结构和装置内的SHE基层包括非磁性导电材料，该非磁性导电材料具有（1）大于约0.05的自旋霍尔角（更优选为大于约0.10）；以及（2）不大于非磁性导电材料内的自旋扩散长度约5倍的最大厚度（更优选为自旋扩散长度的约1.5至约3倍）。对于磁性自由层的平衡磁化处于样本平面中的装置几何形状，具有上述自旋霍尔角的非磁性导电材料也应具有如下性质：（3a）其与磁性自由层相邻并与其接触的布置使得磁性自由层的磁性阻尼在磁性自由层材料的本征值上增加了不大于2的因素。对于使磁性自由层的平衡磁化垂直于样本平面的装置几何形状，具有上述自旋霍尔角的非磁性导电材料应具有如下性质：（3b）其与磁性自由层之间的界面对磁性自由层贡献了垂直的磁各向异性，这允许磁性自由层的各向异性能量实现了处于40kBT至300kBT之间的最优值，其中kB玻尔兹曼常数，T为温度。
因此实施方式包括：磁性隧道联接以及相邻的非磁性金属带，其中磁性隧道联接允许感测电流垂直地流至多个膜的平面，相邻的非磁性金属带包含能够承载在薄膜平面中流动的电流的、具有相对强的自旋霍尔效应（SHE）的材料。具有相对强的自旋霍尔效应的金属元素包括但不限于Ta和W，这将在下面进一步讨论。处于其高电阻率的β相的Ta和W尤其适合于制造面内极化的磁性自由层，而处于其高电阻率的β相的Ta和W以及Pt适合于制造垂直于薄膜平面磁化定向的磁性自由层。还可以形成也具有强SHE效应并且可用于实施方式的内容中的上述这些元素和其他元素的合金。磁性隧道联接包括具有固定磁化方向的铁磁层（即，固定层（PL））、具有在自旋流或磁场下自由旋转的磁化的另一铁磁层（即，自由层（FL））以及使自由层和固定层间隔开的隧道势垒或非磁性金属层（即，非磁性间隔层）。包括非磁性带的SHE基层与自由层接触，并且位于自由层/隧道势垒界面的相对侧上。在没有写入电流的任何实质性部分流经隧道势垒的情况下，写入电流在非磁性带SHE基层中横向流动，并且穿过磁性隧道联接施加读取或感测电流。磁性隧道联接还可以包括其它层，例如固定的磁性层，其中该固定的磁性层可与反铁磁层固定、或者通过间接交换作用或其它一些磁性固定法通过合成反铁磁三层（包括由如Ru的薄非磁性层相隔的两个薄铁磁层，其中如Ru的薄非磁性层的厚度导致两个磁性层的反平行磁性的校准）固定；和/或固定的磁性层和自由磁性层可包括合成反铁磁层或其它铁磁多层。
对于具有强自旋霍尔效应（SHE）并且不被任何特定理论约束的材料，当存在纵向流动的充电电流时，电流中的电子和金属中的离子之间的所谓自旋轨道耦合（spin-orbit coupling）使得在一个方向上具有其自旋的电子优先被偏转至横向于电流的一个方向，并且使具有相反自旋的电子偏转至相反的横向方向。最终结果是横向于充电电流流动的电子的“自旋流”。自旋流方向是由自旋方向与充电电流流动方向的交叉乘积来确定的。当形成这种自旋流的自旋极化电子到达产生有SHE的非磁性层SHE基层与FL之间的界面时，这些电子将在FL上施以自旋扭矩，从而可旋转或切换FL的磁化。因为自旋霍尔效应在紧邻（即邻接）FL的非常薄的层中发生，所以不存在通过电引线扩散的自旋流的显著损失。此外，因为自旋霍尔效应使得扭矩对应于大于电流中每个电子的一个单位的转换自旋（h/4pi）（其中h为普朗克常数、pi为通过圆的圆周与其直径之比确定的基本常数），所以自旋霍尔效应在产生自旋电流的效率方面是优越的。通过在磁性隧道联接或磁性自旋阀中进行自旋滤波而产生自旋流的传统方法受限于对应于严格地小于电流中每个电子的一个单位的转换自旋（h/4pi）的扭矩。其结果，相比于传统的电流诱导切换、通过使用SHE可在使用更小的电流和能耗的情况下切换磁体，从而改善了装置效率。相比于磁性隧道联接中传统的电流诱导切换，SHE装置的几何形状还提供了用于读取和写入的独立的电流路径，这极大地改善了装置的可靠性，而这是目前对于ST-MRAM商业化的主要障碍。
为了读取存储在根据实施方式的ST-MRAM存储单元中的数据，横跨磁性隧道联接垂直地施加电流。因为FL和PL的磁化可以是平行或反平行的，所以因隧道磁阻导致存储单元将处于低阻状态或高阻状态，其中这两个状态中的一个状态可以表示二进制数据0，而另一个状态表示二进制数据1。
根据实施方式的特定ST-MRAM结构包括位于基板之上的自旋霍尔效应基层。特定结构还包括位于基板之上并且与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层。在该结构内，构成自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有（1）大于约0.05的自旋霍尔角、和（2）不大于非磁性导电材料内的自旋扩散长度约5倍的厚度。
根据实施方式的另一特定ST-MRAM结构包括位于基板之上并且包括两个横向分隔的端部的自旋霍尔效应基层。该另一特定结构还包括与自旋霍尔效应基层接触的磁阻堆叠，其中该磁阻堆叠包括（1）与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层、（2）位于磁性自由层之上的非磁性间隔层、和（3）位于非磁性间隔层之上的固定层。该另一特定结构还包括电连接至固定层的第三端部。在该另一特定结构内，构成自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有（1）大于约0.05的自旋霍尔角、和（2）不大于非磁性导电材料内的自旋扩散长度约5倍的厚度。
根据实施方式的用于制造ST-MRAM结构的特定方法包括：在基板之上形成包括非磁性导电材料的自旋霍尔效应基层，其中该非磁性导电材料具有（1）大于约0.05的自旋霍尔角和（2）不大于非磁性导电材料内的自旋扩散长度约5倍的厚度。该特定方法还包括：在基板上形成与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层。
根据实施方式的用于操作ST-MRAM结构的具体方法包括：提供磁性结构，其中该磁性结构包括（1）位于基板之上并且包括两个横向相隔的端部的自旋霍尔效应基层；（2）与自旋霍尔效应基层接触的磁阻堆叠，其中该磁阻堆叠包括（a）与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层、（b）位于磁性自由层之上的非磁性间隔层、和（c）位于非磁性间隔层之上的固定层；以及（3）电连接至固定层的第三端。在该方法内，用于构成自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有（1）大于约0.05的自旋霍尔角、和（2）不大于非磁性导电材料内的自旋扩散长度约5倍的厚度。该方法还包括：向两个相向相隔的端部施加切换电流以切换自由层相对于固定层的磁化方向。
附图说明
通过对以下阐述的本发明的实施方式的详细描述，将理解本发明的实施方式的目的、特征和优点。通过构成本公开的重要部分的附图中的内容，将理解本发明的实施方式的详细描述，在附图中：
图1示出了用于说明根据实施方式的采用用于写入操作的SHE的三端式ST-MRAM装置单元的示意性立体图。该ST-MRAM单元包括磁性隧道联接和具有强SHE的非磁性带。在具体的实施方式中，非磁性带位于装置结构的底部。
图2示出了图1所示的实施方式的替代性实施方式，其中具有强SHE的非磁性带位于ST-MRAM装置结构的顶部。
图3示出了图1所示的实施方式的另一替代性实施方式，其中FL和PL的磁矩的平衡位置垂直于膜平面。
图4示出了注入型自旋σ的方向、以及充电电流Jc和自旋流Js的流动方向。
图5示出了在不同频率下从具有Pt（6nm）、Ta（8nm）或W（6nm）的CoFeB（3-4nm）获得的铁磁谐振（FMR）线宽。阻尼系数α是从图5中所示的数据的线性拟合中获得的。
图6示出了使用钽膜作为SHE基层的三端式自旋霍尔效应装置的示意图。
图7示出了从具有钽SHE基层的三端式自旋霍尔效应装置中获得的实验数据，展示了SHE诱导的面内磁化的铁磁层在室温下的磁性切换。
图8A示出了用于说明在FL磁矩的不同方向下，有效的自旋扭矩场BST的方向的视图。将注入型自旋假设为沿着-x方向作为例子。
图8B示出了用于说明有效的自旋扭矩场BST的方向与所施加的场Bext的方向之间的关系。
图9示出了从Pt/Co/Al多层获得的实验数据，展示了SHE诱导的垂直磁化的铁磁层在室温下的磁性切换。
图10是图3所示的结构的变形，其具有一个额外的面内磁化的铁磁材料层，提供了用于限定明确的切换方向所需的面内场。
图11分开示出了Ta和Pt的注入自旋流与充电电流之间的比率。这些结果是在一系列驱动频率下独立地对CoFeB/Ta和Pt/坡莫合金样本进行自旋扭矩铁磁谐振实验而获得的。
图12示出了用于将信息存储在磁畴中并且使用SHE作为写入机构的磁数据存储装置的示意图。FM线和MTJ的固定层的磁矩在面内被磁化。
图13是图12所示的结构的变形，其垂直于平面磁各向异性。
图14示出了α相钨和β相钨的晶体结构、电阻率和稳定特性。
图15示出了随使用DC磁控溅射沉积的厚度改变的钨薄膜的电阻率。
图16示出了6纳米厚的钨膜中自旋霍尔角的测量的图形结果。
图17示出了来自FMR数据的三个不同钨膜以及来自切换数据的一个钨膜的自旋霍尔角测量结果。
图18示出了使用钨膜作为SHE基层的三端式自旋霍尔效应装置的示意图。
图19在左侧示出了自旋霍尔效应存储元件的示意图，并在右侧示出了利用6纳米厚的钨膜层的三端式自旋霍尔效应装置在室温下的自旋霍尔效应切换行为。
图20在左侧示出了装置参数，并在右侧示出了利用高电阻率的5.2纳米厚的钨膜层的三端式自旋霍尔效应装置在室温下的自旋霍尔效应切换行为。
具体实施方式
实施方式包括自旋扭矩磁性随机存取存储器（ST-MRAM）结构、用于制造ST-MRAM结构的方法和用于操作源自ST-MRAM结构的ST-MRAM装置的方法。根据实施方式，ST-MRAM结构和装置使用位于ST-MRAM结构和装置内并形成为与自由层接触的自旋霍尔效应基层，以便经过SHE基层的横向电流可用于切换自由层相对于固定层的磁性方向，并同时测量或施加垂直地通过磁阻元件堆叠的感测电压和感测电流，该磁阻元件堆叠包括与自旋霍尔效应基层接触的自由层、非磁性间隔层和固定层。
实施方式考虑可用于自旋霍尔效应基层的具体材料，例如但不限于Ta和W，其中在特定材料特性的内容中高电阻率β形式的Ta和W是特别理想的。可构成自旋霍尔效应基层的其它附加材料包括但不限于：Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb、Bi、以及基于这些过渡金属的合金，例如Cu1-xBix、Ag1-xBix、Cu1-xIrx、Ag1-xIrx、Cu1-xWx、Ag1-xWx、Cu1-xTax、Ag1-xTax，和包含具有高原子序数的一个或多个元素的高电阻率化合物，如具有A15晶体结构的化合物（如Ta3Al、Nb3Sn、W3Ge）以及其它化合物（如TaN、WN和NbN）。
I.对于根据实施方式的ST-MRAM结构和装置内的自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料的示例性选择标准。
实施方式涉及概括地根据图1、图2、图3、图10、图12和图13的ST-MRAM结构和装置，该ST-MRAM结构和装置利用在ST-MRAM结构内与自由层接触的自旋霍尔效应基层。如上所述，ST-MRAM结构和相关装置在自旋霍尔效应基层内提供横向切换电流，以用于在与自旋霍尔效应基层接触的自由层内产生磁自旋转换。然后，可以利用感测电压或感测电流独立且垂直地通过磁阻隧道联接、或磁性自旋阀来进行读取以确定磁阻隧道联接内的0数据状态或1数据状态，其中磁阻隧道联接或磁性自旋阀门包括依次层叠的固定层、非磁性间隔层和与自旋霍尔效应基层接触的自由层。
如上进一步描述的，尽管在实施方式的内容中并未排除如纯金属和金属合金和化合物的其它非磁性导电材料，但通常，根据实施方式的自旋霍尔基层可以包含数个非磁性导电材料中的任何材料，包括但不限于钽和钨。
用于构成自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料的第一特性在于，相对较大的自旋霍尔角；通常实际的装置需要该值大于0.05，且更优选地是约大于0.1。自旋霍尔角是指包括自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料内的充电电流密度与自旋流密度之间的转换效率。如下面的详细记载，这是导电材料的固有性质，因此应使用自旋扭矩FMR技术或直接切换实验对各个具体材料进行测量。
此外，当选择用于自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料时，实施方式应考虑这种非磁性导电材料被选择为厚度不大于包括自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料的自旋扩散长度的约5倍。自旋扩散长度是指使非磁性金属中的传导电子的非平衡态自旋极化通过自旋反转散射过程而成倍地衰减到零的长度范围。例如，可以使用自旋扭矩FMR技术与具有用于自旋霍尔效应基层的不同厚度的一系列样本来测量这种自旋扩散长度。当最大厚度远大于其自旋扩散长度时，这种最大厚度通过考虑切换电流根据SHE基层的厚度线性增加而控制。
根据磁性自由层的平衡磁化方向是在样本平面内还是垂直于该平面，对于选择用于自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料的附加考虑将会不同。如果自由层磁化处于平面内，自旋霍尔扭矩可以通过修改自由层的有效磁性阻尼来驱动磁性切换。为实现这一结果，自旋霍尔材料应被选择成在没有电流的情况下不会在其固有值上以大于2的因素增加自由层的磁性阻尼。Ta和W满足该标准，但诸如Pt的其它具有强自旋轨道耦合的材料却不满足该标准。如果自由层磁化垂直于样本平面，自旋霍尔扭矩可以通过克服因垂直各向异性所产生的扭矩而实现切换。为实现这一结果，自旋霍尔材料应被选择为使其有助于自由层的垂直磁各向异性以提供在40kBT至300kBT的范围内的总磁各向异性能量，以便磁性自由层具有热稳定性，但仍可在低值的施加电流下进行切换。W、Ta和Pt均能满足这些标准。
为了与对可用于构成根据实施方式的ST-MRAM结构和装置内的自旋霍尔基层中的非磁性导电材料进行上述材料选择考虑一致，在下表I中示出了候选材料铂、钽和钨的数据。
表I：
金属 SD长度 SHE角度
W ～1nm 0.2-0.3
Ta ～1nm 0.15
Pt 1.4nm 0.06
II.根据实施方式的ST-MRAM结构和装置的总体考虑因素
实施方式利用自旋霍尔效应作为用于实际的三端式ST-MRAM装置的写入机制。为了说明基本概念，图1具体示出了三端式ST-MRAM结构的示意性剖面图，其中采用SHE作为写入机制，采用MTJ结构读出通过磁性隧道联接内的自由层FL相对于磁性隧道联接内的固定层的磁性取向所存储的数据。
在根据实施方式的ST-MRAM内，磁性隧道联接包括具有一般处于亚微米级或纳米级范围（即，约10纳米至约500纳米）的横向尺寸的柱状磁阻元件和部件。具有磁矩
Figure BDA0000491411020000091
的自由铁磁层由具有小至中等的矫顽场（一般在约10至约5000奥斯特的范围内）的软铁磁材料制成。用于自由层的典型厚度在约0.5纳米至约3纳米的范围内。磁矩为
Figure BDA0000491411020000101
的固定铁磁层由具有大的矫顽场（一般在约100至约20000奥斯特的范围内）的软或硬铁磁材料制成，或者通过附加的反铁磁层固定。用于固定磁性层的典型厚度处于约4纳米至约50纳米的范围内。FL和PL通过非磁性间隔层相隔，且非磁性间隔层由绝缘氧化物材料构成、或者可选地由如Cu或Ag的非磁性金属构成。非磁性间隔层的厚度通常处于约0.5纳米至约50纳米的范围内。用于磁性层的典型材料可以包括（但不限于）：Fe、Co、Ni、这些元素的合金（如Ni1-xFex）、具有非磁性材料的这些元素的合金（如Fe1-xPtx和CoxFeyB1-(x+y)）、和由如(Co/Ni)n、(Co/Pt)n和(Co/Pd)的那些材料制成的铁磁多层，其中n表示该多层的重复数。用于非磁性间隔层的典型的氧化材料可以包括（但不限于）：氧化镁(MgO)、掺硼氧化镁(Mg(B)O)、化学计量和非化学计量的氧化铝(Al2O3和AlOx)、氧化钛、氧化钽、氧化铪、氮化硼和氧化硅。
与磁性隧道联接的FL接触的非磁性薄膜带由表现出强自旋霍尔效应（SHE）的多种可能材料中的一种制成（即，自旋霍尔效应基层）。非磁性带被构图成纳米级或微米级的线。具有强SHE的典型材料可以包括（但不限于）：Ta、W、Pt、包含这些元素或其他高原子序数的元素的合金和化合物、以及诸如Cu1-xIrx、Cu1-xBix的合金。
如图1所示，ST-MRAM结构的三个端部被形成在可对该结构进行电连接之处。一个端部位于柱上、靠近MTJ的PL，而另外两个端部为包括自旋霍尔效应基层的非磁性带的两端。写入电流被施加在非磁性条上的两个端部之间，而读取电流被施加在柱上的端部与包括SHE基层的非磁性带上的两个端部中的任一个之间。
图1中所示的示意性透视图给出了每个层的相对位置，但不一定反映它们的确切位置。例如，MTJ的FL可以如图1所示位于柱的底部、或者如图2所示位于柱的顶部。但是在任何情况下，具有强SHE的非磁性带总是与FL相邻（通常毗邻）。当FL位于底部时，非磁性带也位于装置结构的底部，紧挨着其上设有且形成有根据实施方式的ST-MRAM内的所有材料层的基板（未示出）。当FL位于顶部时，PL位于并形成在隧道势垒的基板侧上，FL位于隧道势垒之上，并且包括SHE基层的非磁性带位于ST-MRAM装置的顶部。
FL和PL的磁矩和
Figure BDA0000491411020000112
的平衡取向可如图1所示处于膜平面内，或者如图3所示垂直于膜平面。如图4所示，来自SHE的注入自旋总是定向于膜平面内和垂直于非磁性带中的电流的流动方向。通过公式
Figure BDA0000491411020000113
确定注入自旋的取向。这里，为注入自旋磁矩的方向（而不是角动量），θSH为自旋霍尔角，其是每种材料固有的参数并且量化具体材料中的SHE的幅度。由于FL位于用于承载充电电流Jc的非磁性带之上或之下，所以自旋流
Figure BDA0000491411020000115
可以沿着图4中的+z或者–z的方向流动。因此，根据上面的公式，根据Jc的方向和自旋霍尔角θSH的符号，注入自旋沿+x或者–x方向。
当
Figure BDA0000491411020000117
和位于平面内并且垂直于上述电流方向（例如，沿着+/-x轴方向）时，
Figure BDA0000491411020000119
与来自SHE的注入自旋
Figure BDA00004914110200001110
共线（平行或反平行）。在这种情况下，注入自旋充当根据自旋的方向的有效磁性阻尼，其可以具有任一符号，即正或负阻尼。在这种配置下，SHE诱导的切换以与传统的自旋扭矩诱导的切换相同的方式工作。在根据实施方式的自旋霍尔效应ST-MRAM装置内，使用非磁性材料替代诸如但不限于铁磁偏振层的铁磁材料层来产生自旋流。当
Figure BDA00004914110200001111
与
Figure BDA00004914110200001112
平行时，自旋流会使电流磁化取向更加稳定，并且将不会引起切换。相反，当
Figure BDA00004914110200001113
与
Figure BDA00004914110200001114
反平行时，如果自旋流足够大，则FL的磁化将被切换。因此，具有相反符号的电流将相反取向的自旋注入到FL中，并且那些相反取向将导致FL磁化的不同的可选取向，从而可以通过确定经过被设计成SHE基层的SHE产生层的电流的方向来实现可逆的确定性切换。
因为当FL和PL在膜的平面被磁化内时用于切换FL所需的电流与自由层的有效磁性阻尼成线性正比，所以在该有效阻尼最小时会发生最有效的切换。由此，非常可取的是，在产生SHE的常规层为不同于Pt的一些材料。这是因为已知为自旋泵浦的进程（S.Mizukami,Y.Ando和T.Miyazaki的J.Magn.Magn.Mater.239,42(2002)，Y.Tserkovnyak,A.Brataas和G.E.W.Bauer的Phys.Rev.Lett.88,117601(2002)），进而当与Pt层处于电接触时，FL的磁性阻尼通过从FL横跨界面至Pt的自旋扩散（其中自旋会快速松弛）而被大大提高。例如，如果采用Ta或W而非Pt来产生SHE，自旋泵浦效应则会非常小。图5示出了通过铁磁谐振确定的与Pt薄层接触的CoFeB铁磁层的磁性阻尼，以及用于比较两个相似的双层的磁性阻尼，其中一个由与Ta膜接触的CoFeB铁磁膜构成、另一个由与W膜接触的CoFeB铁磁膜构成。CoFeB/Ta和CoFe/W双层的磁性阻尼比CoFeB/Pt双层的磁性阻尼小大约2或更大数量级，展示出使用除了Pt以外的Ta或W、或者具有低自旋松弛率的SHE材料对于通过反阻尼自旋扭矩的自旋扭矩切换的优势。
Ta中的巨大SHE以及其在相邻的磁性层的阻尼上的较小影响，使得Ta成为用于影响磁隧道联接中的面内磁化的自由层的自旋扭矩切换的优良材料。在自旋以近似平行于或反平行于本地磁矩的初始方向的方式被注入的传统反阻尼自旋扭矩切换中，在缺少热波动的情况下用于切换的临界电流密度JC0可以近似地计算为：
Figure BDA0000491411020000121
其中MS,、t和HC分别表示自由层的饱和磁化强度、厚度和矫顽场。
为了展示由Ta中的自旋霍尔效应诱导的面内磁性切换，制造了一种三端式装置，其包括被构图成图6所示的几何形状的基板/Ta（6.2）/CoFeB（1.6）/MgO（1.6）/CoFeB（3.8）/Ta（5）/Ru（5）（以nm为单位的厚度）的多层。Ta底层被构图成1μm宽且5μm长的带（具有3kΩ电阻），其余层被蚀刻以在具有～100×350nm的横向尺寸的Ta的顶部上形成磁性隧道联接（MTJ）纳米柱，并且纳米柱的长轴垂直于Ta微带的长轴。
对于自旋扭矩切换的测量而言，施加直流电ITa以流经Ta微带，并且监测磁性隧道联接的微分电阻dV/dI。图7示出了当ITa扫过1mA时发生的MTJ电阻的突然迟滞切换，其导致反平行到平行(AP-P)的切换。当电流扫回-1mA时，该切换颠倒（P-AP切换）。应注意，在自旋-扭矩切换测量过程中，沿着MTJ的长轴施加了-3.5mT的面内磁场以取消作用在底层上的来自MTJ的顶层的磁偶极子场。这使得在磁阻效应回路中间点处的、联接的自由层偏置。在用于优化存储单元应用的SHE装置中，例如，顶部固定层将为合成的反铁磁三层，其中高合成的反铁磁三层被平衡以使得FL处的净偶极场接近于零，这将消除对于外部面内长的需求。
该三端式SHE切换结果展示出，无需流经MTJ的任何实质部分的切换电流，如在β-Ta中的自旋霍尔效应那么强的自旋霍尔效应在切换磁性隧道联接的自由层方面是非常有效的，这解决了与传统的二端式ST-MRAM装置相关的一个主要的可靠性问题。此外，该结果展示出，本实施方式的重要特征在于用于将FL从处于与PL的平行（P）切换至与PL的反平行（AP）所需的电流在本质上是与在相反方向上的切换（AP至P）所需的电流是一样的，并且当然，用于写入操作的电阻抗对于两种切换方向是相同的。这与二端式MTJ自旋扭矩装置形成鲜明的对比，在二端式MTJ自旋扭矩装置中对于两种切换方向的切换电流是非常不同的，并且在写入操作的开始阶段的电阻抗对于两种切换方向也是非常不同的。三端式SHE切换的MTJ存储单元中的写入操作的这些对称特性提供了设计磁性存储器电路的优点。
也可以通过取向成垂直于平面的
Figure BDA0000491411020000131
和
Figure BDA0000491411020000132
来实现SHE诱导的切换。在该配置中，来自SHE的注入自旋
Figure BDA0000491411020000133
仍然沿着+/-x轴，并且对于
Figure BDA0000491411020000134
的平衡位置沿+/-z轴对齐。由此，
Figure BDA0000491411020000135
的方向与
Figure BDA0000491411020000136
的方向彼此垂直，并且注入自旋的效应不再等同于有效阻尼。可以使用有效磁场BST来替代描述自旋扭矩的效应。通过注入自旋流产生的每单元扭矩的自旋扭矩可以写成
Figure BDA0000491411020000137
其中h、e、MS和t分别表示普朗克常数、电子电荷、FL的饱和磁化强度和FL的厚度，并且JS为从SHE注入到FL的自旋流。同时，通过磁场产生的扭矩一般可以写成
Figure BDA0000491411020000138
通过比较两个扭矩的形式，由自旋霍尔效应诱导的有效磁场具有
Figure BDA0000491411020000139
的形式。因此，根据注入自旋的方向，
Figure BDA00004914110200001310
总是垂直于
Figure BDA00004914110200001311
并且为顺时针或逆时针指向。图8A示出了当注入自旋
Figure BDA00004914110200001312
沿着-x方向时，
Figure BDA00004914110200001313
的方向的视图。如果JS大到足以使得
Figure BDA00004914110200001314
其中
Figure BDA00004914110200001315
为磁性膜能够提供的最大的各向异性场，
Figure BDA00004914110200001316
则会诱导
Figure BDA00004914110200001317
的连续旋转。在磁性膜的矫顽场Bc小于
Figure BDA00004914110200001318
的多域铁磁层中，对
Figure BDA00004914110200001319
的相应要求可以放宽至约在没有确定性最终状态的情况下，在
Figure BDA00004914110200001321
的效应下，
Figure BDA00004914110200001322
将被连续地切换。因此必须引入外部磁场以得到确定性切换。在图8B中，应用+y方向上的外部磁场作为例子。使用mz来表示
Figure BDA00004914110200001323
的z分量，可以看出因为
Figure BDA00004914110200001324
与
Figure BDA00004914110200001325
可以彼此平衡、所以mz>0状态将变成稳定状态，并且因为
Figure BDA00004914110200001326
和
Figure BDA00004914110200001327
在同一方向上工作、所以mz<0状态仍是不稳定的，从而导致
Figure BDA00004914110200001328
继续旋转。因此，在+y方向上施加的磁场的作用下，在-x方向上注入的自旋可以将
Figure BDA0000491411020000141
切换成mz>0状态。通过反转写入电流的方向，来自SHE的自旋将沿着+x方向被注入，导致
Figure BDA0000491411020000142
被切换成mz<0状态。总之，通过使用从SHE被注入的自旋，能够实现可逆的确定性切换。外部磁场
Figure BDA0000491411020000143
的作用是破坏系统的对称性并得到明确的最终状态。该场的幅度可以小到几毫-特斯拉（mT），如在实验中展示的。图9示出了在室温下利用来自SHE的自旋流切换磁矩的实验结果。可以通过20um宽、2nm厚的Pt带和具有垂直磁各向异性的、与Pt带接触的0.7nm的Co磁性层形成样本，利用1.6nm的Al作为覆盖层以保护Co免被大气氧化。反常霍尔效应被用作监测Co层的磁化取向。图9中的x轴表示Pt带中的施加电流、y轴反映了在相应电流下的反常霍尔电阻。可以看出，在+10mT的外部场下，Co层的磁矩可通过相反的施加电流被来回切换。如图10所示，在MRAM单元的装置配置中，为了沿电流流动方向提供所需的外部场，几纳米厚的面内磁化的固定磁性层可以被添加至MTJ的顶部上。由该面内磁性层产生的偶极场会给出切换确定性最终状态诱导的电流。也可以采用铁磁薄膜的其它配置来产生这种小的、外部面内磁场。
虽然与FL接触的Pt层的阻尼加强或自旋泵浦效应不会在FL和PL垂直于膜层的平面被磁化时导致所需的切换电流增加，但是在该配置中，仍然优选使用Ta、W或除了Pt以外的一些其它材料以通过自旋霍尔效应产生自旋流。这是因为在Ta和W中的SHE的效率远高于通过施加电流Pt在产生自旋流中的效率。这在图11中得到展示，在图11中绘制了用于NiFe/Pt双层和CoFe/Ta双层的自旋流密度对于电流密度的比率。在Ta情况下的自旋霍尔效率是在Pt情况下的自旋霍尔效率的两倍以上，并且处于β相的W的自旋霍尔效率是Ta的自旋霍尔效率的约两倍。
如上面所讨论的，可以通过以面内或者垂直于平面磁各向异性的方式在用于磁性隧道联接的非磁性带中施加电流实现写入操作。读取操作应与传统的ST-MRAM装置相似。根据FL和PL的相对取向，穿过绝缘势垒的感应电流会产生不同的电压信号。
与传统的ST-MRAM相比，采用SHE作为写入机制的MRAM单元的一个优势为每单位电流更强的扭矩。SHE可以提供与比在施加电流中的每个电子的一个单位自旋（h/2pi）大的转换或角动量对应的扭矩，其中在传统的ST-MRAM中的扭矩必须始终弱于电流中每个电子的一个单位自旋（h/2pi）。采用SHE作为写入机制的MRAM单元的第二优势在于，写入电流不再流经隧道势垒，这可以大大增加存储单元的寿命并且大大简化实现可靠的读取和写入所需的再生余量。在传统的ST-MRAM中，因为写入和读取操作均依赖于隧道势垒，所以需要进行不期望的权衡以得到大的隧道磁阻效应并且同时允许大量电流流经势垒。在许多情况下，无法同时满足这两个要求。相反，在使用SHE作为写入机制的三端式MRAM单元中，MTJ的性能可以仅为读取操作进行优化。因此，在MTJ的设计上获得了相当大的自由，例如可以调节隧道势垒的厚度以得到最佳隧道磁阻效应，与电路匹配的适当的阻抗提供了写入电流和用于读取感测电压的电路。
根据实施方式的ST-MRAM具有制造简便的优点。根据实施方式的ST-MRAM无需将明显的复杂性添加到制造处理就可分离写入电流与读取电流。在图1至图3所示的ST-MRAM结构中仅制造了单个纳米尺度的柱。
由此，在图1至图3和图10中进一步讨论的ST-MRAM装置的几何形状中，薄膜磁性自由层具有有限的横向范围，并因此包含（大约）单个磁畴，图1至图3和图10所示的箭头指示了其两个可能的磁化方向。在根据实施方式的另一类ST-MRAM磁性存储器装置中，磁性自由层由长线或线段构成，其中信息是通过以不同的磁化方向分离磁畴的畴壁的位置存储的。
为此，如图12和图13所示，实施方式还建议使用来自SHE的扭矩来加强电流的能力，从而通过使用以下样本并与固定的磁性层结合以读出自由层的磁性取向来操作畴壁的方向，在该样本中磁性自由层线与展现出强SHE的非磁性薄膜接触。电流可以与样本平面平行地横向流动、或者可以以与竖直电流结合的方式施加横向电流。来自SHE的扭矩可以直接协助畴壁的移动并且其还可能稳定畴壁的配置，从而使畴壁相比于传统的自旋转换扭矩单独的影响能够以更快的速度和更高的效率移动。
III.在根据实施方式的ST-MRAM装置结构中的自旋霍尔效应的具体材料有关的考虑因素
根据上面的第I章节，存在至少三种与自旋霍尔效应基层的材料性质有关的材料，在自旋霍尔效应基层内发生可以通过SHE产生的自旋流所施加的自旋扭矩而优化自由层磁性元件的有效切换的自旋霍尔效应（SHE）。
首先，从充电电流至自旋流的转换效率取决于自旋霍尔角θSH=JS(∞)/Je，其为产生的横向自旋流密度对于施加的纵向电流密度之间的比率。这是导电材料的固有性质，其随材料而改变并且随给定材料的材料质量而改变。大的自旋霍尔角对应于大的自旋流产生效率。例如，W、Ta和Pt具有相当大的自旋霍尔角。其它金属元素或合金可能具有大的自旋霍尔角。由金属元素、合金以及包含高原子序数元素的化合物形成的导电膜，以及掺杂有具有强自旋轨道散射的高原子序数掺杂物的导电膜，例如掺杂有Pt的Au或者掺杂有Ir或Bi的Cu也可以具有大的自旋霍尔角。
第二个参数为非磁性材料的自旋扩散长度λSF，该非磁性材料用于通过SHE产生横向自旋流。自旋扩散长度是使非平衡自旋密度在材料内松弛回平衡的长度尺度。当在装置的示意图中（例如参见图1，图3和图10）自旋扩散长度相当于或小于非磁性薄膜纳米线的厚度d时，自旋流产生效率根据方程[JS(∞)/Je,SHM][1-sech(d/λSF)]优化。所以，为了使SHE写入机制以最高效率工作，通常期望自旋扩散长度尽可能小。一种方法是利用具有高自旋霍尔角和用于其传导电子的短弹性平均自由路径l的高电阻金属作为直接具有l1/2自旋扩散长度尺度。
大的自旋霍尔角和短的自旋扩散长度对MRAM单元是有利的，其中MRAM单元具有位于平面内或垂直于平面的自由的、可逆层的磁矩，分别在图1和图3中展示了这两种情况。对于垂直于平面的磁化自由层的后一种情况而言，可以通过下式近似地给出启动热稳定（各向异性能量=40kBT）垂直极化磁体的自旋扭矩切换所需的电、或电荷、最小电流：
Figure BDA0000491411020000161
此处，JS(d=∞)/Je,SHM为自旋霍尔角，d为非磁性金属层M的厚度，在该金属层M内SHE作用以产生横向自旋流，t为自由层磁体的厚度，L为自由层磁体在电流流动方向上的长度，kB为玻尔兹曼常数，T为装置的绝对温度，σF为自由层磁体的电导率，σSHM为非磁性层的电导率，λsf为产生自旋霍尔效应的层内的自旋扩散长度，MS(|Ic|)为由欧姆加热而导致具有可变电流的自由层磁体的饱和磁化强度，以及
Figure BDA0000491411020000171
为垂直极化自由层的有效各向异性场。各向异性场
Figure BDA0000491411020000172
应足够大以确保自由层铁磁的热稳定性。当自旋霍尔角被最大化并且自旋扩散长度被最小化时，切换电流明确地最小化。
对通过SHE在ST-MRAM单元中的数据写入的优化重要的第三个材料参数为使自旋霍尔金属的存在例如将通过自旋泵浦效应增加相邻磁性层的磁性阻尼系数（α）的程度。如在图1所示的情况，为了将影响在磁矩于膜平面中被磁化的MRAM装置中自由层铁磁的磁性反转而所需的电流最小化，需要最小化该增加的阻尼。具有大的自旋霍尔角的一些材料，如Pt引起了大量不需要的多余阻尼，而具有大的自旋霍尔角的其它材料，如W和Ta因为增加非常小的阻尼所以是优选的。通过下式近似地给出切换热稳定面内磁化自由层所需的最小电流：
Figure BDA0000491411020000173
此处，Vol为自由层磁体的体积，μ0为自由空间的磁导率，HK(I)为自由层磁体的面内矫顽场，以及Meff(I)为自由层磁体的有效退磁场，这两者均因热效应而随电流改变。因此，对于具有面内磁化自由层的MRAM单元的情况而言，通过利用用于产生横向自旋流的材料而对SHE诱导的切换加强效率具有直接益处，其中用于产生横向自旋流的材料具有尽可能大的自旋霍尔角、尽可能短的自旋扩散长度、和用于与自旋霍尔金属接触的磁性自由层的低的阻尼参数α。通过包括自旋霍尔角的材料的性质已经被特征化，其可以直接计算SHE可以相当接近通过传统的自旋扭矩切换而可实现的最佳值的磁性反转的效率。结合该出色的效率，SHE ST-MRAM装置更高的可靠性和制造的简化使其显著优于高性能、非易失性磁性存储器应用。
IV.在根据实施方式的ST-MRAM装置结构中将钨作为SHE基层有关的附加考虑因素
如上面的讨论，源于在正确类型的薄的常规金属带中流动的电流的自旋霍尔效应可以有效地影响放置成与常规金属带相邻并且与其电接触的小的纳米级铁磁的磁激励和极性反转。虽然不束缚于实施方式的任何特定的操作理论，但是认为这是由于具有高原子序数Z的金属中的传导电子的自旋轨道交互而引起的，具有一个自旋取向的电子优先在横向于电子流动方向的一个方向上偏转，并且在相反的方向上具有其自旋取向的那些电子在相反的横向方向上偏转。其结果是自旋极化的电子扩散至常规金属带的两个相反表面，这被称为自旋霍尔效应。这种“自旋流”在其撞击到放置在膜微带的表面上的纳米磁体的表面上时，可以通过目前公知的自旋转移现象而在纳米磁体上施加自旋扭矩。这是因为横向于纳米磁体的本地磁矩的、进入纳米磁体或从纳米磁体反射的电子的量子力学角动量需要由该磁矩吸收。
上面还讨论了为何在Pt和Ta薄膜中的自旋霍尔效应能够强到足以以适于纳米级磁性存储单元中的应用的方式影响磁性反转。一般来说，电流密度至横向自旋流密度的转换越高效，装置的整体效能越好。横向自旋流密度Js对于纵向电流密度Je的比率已知为自旋霍尔角θ=Js/Je。可以将自旋霍尔角等价地描述为θ=σs/σe，其中σs为横向自旋电导率，σe为纵向的电导率。根据上述公开内容，在所谓的β相中对于高电阻率Ta薄膜微带的自旋霍尔角可以≥0.15。
为了最大化θ，有必要利用具有强自旋轨道交互的材料。在所讨论的金属中弹性碰撞之间的电子平均自由路径相当短的金属系统的情况中，自旋霍尔效应预计处于所谓的固有机制中。在这种情况下，电导率σe随电子平均自由路径线性地减小，但仅取决于金属中传导电子与绕高Z原子的电子轨道的交互的转移自旋导电性σs是独立于平均自由路径的。因此，如果在低电导率的金属中存在大的自旋轨道交互，则θ可以相当大。
作为例子，可以确定已经以例如至少部分地处于β-W相中的方式生产的钨W薄膜中的自旋霍尔角可以是0.3数量级或可能更高，其中β-W相一般被认为是具有A15晶体结构并且具有相对高的电阻率。α-W相处于体心立方晶体结构中并且具有相当低的电阻率。例如参见图14。β-W相在非常薄的、厚度≤10nm的W层中是稳定的，可通过在高真空中的磁控溅射法并且也可通过其它方法生产W层。根据生产的方法，在β相中、在混合的α和β相中、或者纯α相中，厚度和处理W膜的后沉积可以近似100％，并且电阻率处于在β相中超过200microOhm（微欧）-cm至在α相中小于30microOhm-cm的范围内。图15中示出了电阻率随厚度和处理而变化的例子。
为了确定在给定材料中的自旋霍尔效应的强度，最直接的方法是生产所讨论的材料的薄微带层，然后将薄铁磁性层布置在顶部上。然后可以在存在可变施加磁场的情况下使微波电流经过双层。当场幅度在频率和场的正确组合处变化时，可以在铁磁材料内产生铁磁谐振（FMR）激励，其可以通过各向异性磁阻效应来检测。存在可以产生谐振的两种方法。第一种方法是由于通过在自旋霍尔材料中流动的电流部分而产生的磁场所导致，第二种方法是通过当自旋流撞击在铁磁层上时，在该铁磁层上通过转移效应而产生自旋扭矩的自旋霍尔效应的横向自旋流所导致的。随着场的作用的FMR响应的对称性关于用于磁场响应的谐振场是反对称的，但是通过自旋霍尔效应是对称的。这允许了SHE的强度的直接校准。此外，随着流经双层微带的直流电流的作用，自旋霍尔效应的强度的独立测量用于确定FMR信号的线宽。根据电流流动的方向，SHE线性地增加铁磁谐振的有效阻尼，因此随着场的作用而缩小或扩大线宽。这可以提供用于确定自旋霍尔角的第二种方法。图16中示出了使用W膜的这种测量结果的示例。
已经在该方面研究了数个W样本。根据膜和其厚度的处理，可确定W材料的自旋霍尔角相当大，并且可以比使用Ta大得多。结果显示，至少随着W电阻率线性地变化，并且可能更加快速。参见图17。
如图18示意性所示，为了在实践中展示在W膜中的自旋霍尔效应对于影响ST-MRAM磁性存储器单元内的自由层的写入或磁性反转的功效，可以在W薄膜带上制造磁性隧道联接。如图19和图20所示，根据W样本和电阻率，流经W带的小至350微安的直流电流可以反转磁性隧道联接的底部铁磁自由层电极的磁性取向，并因此将隧道联接的电阻率从低切换至高电阻率状态、或者根据流经W带的电流的方向而反之。如果自旋霍尔材料的带宽度最小化至接近隧道联接的宽度、和/或如果自由层的垂直磁性各向异性场HK减小至1000Oe（0.1mTelsa）或更低的数量级，较低的电流也可足以反转磁性隧道联接的铁磁自由层的磁性取向。
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本领域技术人员应明确，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种修改和变形。并不试图将本发明限制成所公开的一个或多个特定形式，而是相反，本发明旨在涵盖落入如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代性配置和等同。因此，本发明旨在涵盖所附权利要求书及其等同的范围内所提供的本发明的修改和变形。

Claims (31)

1.一种磁性结构，包括：
自旋霍尔效应基层，位于基板之上；以及
磁性自由层，位于所述基板之上并且接触所述自旋霍尔效应基层，其中构成所述自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有：
大于约0.05的自旋霍尔角；以及
不大于所述非磁性导电材料中的自旋扩散长度约5倍的厚度。
2.如权利要求1所述的磁性结构，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板面内被磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，所述磁性自由层的阻尼因素增加了约小于2的因素。
3.如权利要求1所述的磁性结构，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板被垂直地磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，对所述磁性自由层的垂直磁各向异性的贡献适于实现所述磁性自由层在40kBT与300kBT之间的总各向异性能量。
4.如权利要求1所述的磁性结构，其中，所述非磁性导电材料包括Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb和Bi导电材料以及前述导电材料的合金中的至少一种。
5.如权利要求1所述的磁性结构，其中，所述自旋霍尔效应基层包括钽材料和钨材料中的至少一种。
6.如权利要求1所述的磁性结构，其中，所述自旋霍尔效应基层至少部分地包括β相钨材料和β相钽材料中的至少一种。
7.如权利要求1所述的磁性结构，其中，所述自旋霍尔效应基层包括由所述自由层横向隔开的两个端部。
8.如权利要求1所述的磁性结构，还包括：
非磁性间隔层，位于所述自由层的与所述自旋霍尔效应基层相反的一侧之上；
固定层，位于所述非磁性间隔层的与所述自由层相反的一侧之上；以及
单端层，电连接至所述固定层。
9.如权利要求8所述的磁性结构，还包括：
第二非磁性间隔层，插置于所述固定层和所述单端层之间；以及
第二自由层，插置于所述第二非磁性间隔层与所述单端层之间。
10.如权利要求1所述的磁性结构，其中，所述自旋霍尔效应基层比所述自由层更靠近所述基板。
11.如权利要求1所述的磁性结构，其中，所述自由层比所述自旋霍尔效应基层更靠近所述基板。
12.一种磁性结构，包括：
自旋霍尔效应基层，位于基板之上并且包括两个横向相隔的端部；
磁阻堆叠，接触所述自旋霍尔效应基层，并且包括：
磁性自由层，接触所述自旋霍尔效应基层；
非磁性间隔层，位于所述磁性自由层之上；以及
固定层，位于所述非磁性间隔层之上；以及
第三端部，电连接至所述固定层，其中构成所述自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有：
大于约0.05的自旋霍尔角；以及
不大于所述非磁性导电材料的自旋扩散长度约5倍的厚度。
13.如权利要求12所述的磁性结构，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板面内被磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，所述磁性自由层的阻尼因素增加了小于约2的因素。
14.如权利要求12所述的磁性结构，其中
所述磁性自由层相对于所述基板垂直地被磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，对所述磁性自由层的垂直磁各向异性的贡献适于实现所述磁性自由层在40kBT至300kBT之间的的总各向异性能量。
15.据权利要求12所述的磁性结构，其中，所述非磁性导电材料包括Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb和Bi导电材料以及前述材料的合金中的至少一种。
16.如权利要求12所述的磁性结构，其中，所述自旋霍尔效应基层包括钽材料和钨材料中的至少一种。
17.如权利要求12所述的磁性结构，其中，所述自旋霍尔效应基层至少部分地包括β相钨材料和β相钽材料中的至少一种。
18.一种用于制造磁性结构的方法，包括：
在基板之上形成包括非磁性导电材料的自旋霍尔效应基层，其中所述非磁性导电材料具有：
大于约0.05的自旋霍尔角；以及
不大于所述非磁性导电材料的自旋扩散长度约5倍的厚度；以及
在所述基板之上形成磁性自由层并且使所述磁性自由层与所述自旋霍尔效应基层接触。
19.如权利要求18所述的方法，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板面内被磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，所述磁性自由层的阻尼因素增加了小于约2的因素。
20.如权利要求18所述的方法，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板被垂直地磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，对所述磁性自由层的垂直磁各向异性的贡献适于实现所述磁性自由层在40kBT与300kBT之间的总各向异性能量。
21.据权利要求18所述的方法，其中，所述非磁性导电材料包括Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb和Bi导电材料以及前述材料的合金中的至少一种。
22.如权利要求18所述的方法，其中，所述自旋霍尔效应基层包括钽材料和钨材料中的至少一种。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所述自旋霍尔效应基层至少部分地包括β相钨材料和β相钽材料中的至少一种。
24.一种用于操作磁性装置的方法，包括：
提供磁性结构，所述磁性结构包括：
自旋霍尔效应基层，位于所述基板之上并且包括两个横向相隔的端部；
磁阻堆叠，接触所述自旋霍尔效应基层并且包括：
磁性自由层，接触所述自旋霍尔效应基层；
非磁性间隔层，位于所述磁性自由层之上；以及
固定层，位于所述非磁性间隔层之上；以及
第三端部，电连接至所述固定层，其中构成所述自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有：
大于约0.05的自旋霍尔角；以及
不大于非磁性导电材料中的自旋扩散长度约5倍的厚度；以及
向所述两个横向相隔的端部施加切换电流以切换所述自由层相对于所述固定层的磁性方向。
25.如权利要求24所述的方法，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板面内被磁性极化；以及
通过与所述自旋霍尔效应基层接触，所述磁性自由层的阻尼因素增加了小于约2的因素。
26.如权利要求24所述的方法，其中，
所述磁性自由层相对于所述基板垂直地被磁性极化；以及
对所述磁性自由层的垂直磁各向异性的贡献适于实现所述磁性自由层在40kBT至300kBT之间的的总各向异性能量。
27.据权利要求24所述的方法，其中，所述非磁性导电材料包括Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb和Bi导电材料以及前述材料的合金中的至少一种。
28.据权利要求24所述的方法，还包括：测量流经所述磁阻堆叠的感测电流和感测电压中的至少一个。
29.据权利要求24所述的方法，其中，所述自旋霍尔效应基层包括Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb和Bi导电材料以及前述材料的合金中的至少一种。
30.如权利要求24所述的方法，其中，所述自旋霍尔效应基层包括钽材料和钨材料中的至少一种。
31.如权利要求24所述的方法，其中，所述自旋霍尔效应基层至少部分地包括β相钨材料和β相钽材料中的至少一种。
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