CN110323330A - 高阻挡温度自旋轨道转矩电极 - Google Patents

高阻挡温度自旋轨道转矩电极 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有高阻挡温度的设备，其包括：具有带有第一磁化的磁体的磁性结；与所述磁性结相邻的互连，其中，所述互连包括利用掺杂材料(Pt、Ni、Co或Cr)掺杂的反铁磁(AMF)材料；以及与所述互连相邻的结构，所述结构与所述互连相邻使得所述磁性结和所述结构处于所述互连的相对表面上，其中，所述结构包括具有第二磁化的磁体，所述第二磁化显著不同于所述第一磁化。

Description

高阻挡温度自旋轨道转矩电极
背景技术
具有状态保持的嵌入式存储器能够实现能量和计算高效。然而，诸如 基于自旋转移矩的磁性随机存取存储器(STT-MRAM)的领先的自旋电子 学存储器选项在位单元的编程(例如，写入)期间遭受高电压和高写入电 流的问题。例如，需要大的写入电流(例如，大于100μΑ)和电压(例如， 大于0.7V)来对基于隧道结的磁性隧道结(MTJ)进行写入。受限的写入 电流还在基于MTJ的MRAM中引起高写入误差率或者缓慢的切换时间(例 如，超过20ns)。流过隧道势垒的大电流的存在在磁性隧道结中带来可靠性 问题。
附图说明
根据下文给出的具体实施方式以及本公开的各种实施例的附图，本公 开的实施例将得到更加充分的理解，然而，具体实施方式和附图不应被理 解为将本公开局限于具体的实施例，而是仅用于解释和理解的目的。
图1A示出了铁磁体的对外加磁场的磁化响应。
图1B示出了顺磁体的对外加磁场的磁化响应。
图2A-2B分别示出了具有耦合至自旋轨道耦合(SOC)互连的平面内 磁性隧道结(MTJ)堆叠体的器件的三维(3D)视图和对应顶视图。
图2C示出了SOC互连的截面图，其中，电子的自旋受到平面内极化 并且由于电荷电流的流动而受到向上和向下偏转。
图3A-3B分别示出了具有耦合至SOC互连的平面内MTJ堆叠体的器 件的3D视图和对应顶视图，其中，平面内磁化与电流的方向共线。
图4A-4B分别示出了具有耦合至SOC互连的平面外MTJ堆叠体的器 件的3D视图和对应顶视图。
图5A-5C示出了用于对在自旋轨道转矩电极上形成的平面外MTJ存储 器件(例如，图4A的器件)进行切换的机制。
图5D示出了在温度(T)低于阻挡温度(T阻挡)时，平面外MTJ存储 器件(例如，图4A的器件)的截面图、以及器件的互连中的自旋方向。
图5E示出了在温度(T)高于阻挡温度(T阻挡)时，平面外MTJ存储 器件(例如，图4A的器件)的截面图、以及器件的互连中的自旋方向。
图6A示出了显示一个晶体管和具有自旋霍尔效应(SHE)材料的一个 MTJ(例如，图2-图3的器件)的写入能量-延迟状况与传统MTJ相比的曲 线图。
图6B示出了对自旋霍尔MRAM和自旋转矩MRAM的可靠写入时间 进行比较的曲线图。
图6C示出了显示被200A的PtMn钉扎的顶部自旋阀的残余钉扎场曲 线的曲线图。
图6D示出了显示具有不同反铁磁偏置层的自旋阀结构中的不受阻挡 比例的曲线图。
图6E示出了显示对应结构中的阻挡温度分布的曲线图。
图7A-7B分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和掺杂自 旋轨道转矩(SOT)/反铁磁(AFM)互连的器件的3D视图和对应截面图， 所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化。
图7C-7D分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和复合互 连的器件的3D视图和对应截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化， 所述复合互连具有AFM材料。
图7E-7F分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和掺杂的 SOT/AFM互连、以及过孔的器件的3D视图和对应截面图，所述磁性结所 具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括与SOT/AFM互连相邻的平面内磁 体。
图7G-7H分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和 SOT/AFM互连、以及过孔的器件的3D视图和对应截面图，所述磁性结所 具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括平面内磁体和AFM，平面内磁体 和AFM之一与SOT/AFM互连相邻。
图7I-7J分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器 件的3D视图和对应截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，AFM嵌入在掺杂的SOT/AFM互连中，所述过孔包括与AFM相邻的平面 内磁体。
图8A示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件的 截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的自 由磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体 和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互 连相邻。
图8B示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件的 截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的自 由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔 包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有较高阻挡温度 的SOT/AFM互连相邻。
图8C示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件的 截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的自 由磁体结构的自由磁体中的一个自由磁体以及固定磁体结构包括具有垂直 磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和 AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连相邻。
图8D示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件的 截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的固 定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体 和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互 连相邻。
图8E示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件的截 面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的自由 磁体结构的自由磁体中的一个自由磁体以及固定磁体结构包括具有垂直磁 化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和 AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连相邻。
图8F示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件的截 面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的自由 磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包 括与嵌入在具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连中的AFM相邻的平面内磁 体。
图9A示出了根据本公开的一些实施例的显示获取自由磁体结构的切 换的自旋极化的曲线图，所述自由磁体结构受到处于具有较高阻挡温度的 SOT/AFM互连之下的磁性过孔的交换耦合或偏置。
图9B示出了根据本公开的一些实施例的与图9A相关联的磁化曲线图。
图9C示出了根据本公开的一些实施例的显示获取自由磁体结构的切 换的自旋极化的曲线图，所述自由磁体结构受到处于具有较高阻挡温度的 SOT/AFM互连之下的磁性过孔的交换耦合或偏置。
图9D示出了根据本公开的一些实施例的与图9C相关联的磁化曲线图。
图10A-10C示出了根据一些实施例的耦合至第一晶体管和位线的SOT 存储器件(例如，图7-8的器件中的任一个)的截面图。
图11示出了根据一些实施例的用于形成图7-8的器件的方法的流程图。
图12示出了根据本公开的一些实施例的具有基于磁性结的存储器的智 能装置或计算机系统或SoC(片上系统)，所述基于磁性结的存储器具有用 于具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连中的偶极子和交换耦合的过孔。
具体实施方式
垂直自旋轨道转矩(PSOT)MRAM使用来自重金属、二维(2D)材 料、反铁磁体(AFM)或者拓扑绝缘体(TI)的自旋轨道转矩(SOT)(又 称为自旋轨道耦合(SOC))来对耦合至SOT电极的垂直磁体进行切换。典 型地，穿过SOT电极的平面内磁场用于PSOT MRAM的自由磁体的确定性 双向切换。该平面内磁场可以是由作为SOT电极的AFM材料或者磁性掺 杂重金属电极或者磁性过孔生成的，或者可以是通过设计复杂的自由磁体 层堆叠体而生成的。
诸如三角形、手性、六边形、kagomi和/或立方体的反铁磁材料表现出 了用作PSOT器件中的SOT电极层的巨大潜力。AFM材料具有大自旋轨道 转矩，并且能够使用界面交换偏置效应向PSOT器件的自由磁体层施加平 面内偏置磁场。来自交换偏置的平面内磁场是能够打破对称性以实现对 PSOT MRAM的可重复的确定性双向切换的方式之一。
在SOT电极中直接使用AFM材料的一项挑战在于，AFM材料典型具 有低阻挡温度。术语“阻挡温度”在此处一般是指一个温度，在该温度以 下，AFM材料丧失其磁性取向。阻挡温度取决于反铁磁材料的厚度和颗粒 大小。如果AFM是沿一个取向(例如，x方向)通过退火和现场冷却沉积 的，那么由于使电流通过SOT/AFM电极的原因，SOT/AFM电极的AFM 可以被加热到其阻挡温度以上，并且将得到重新磁化，具体取决于其感受 到的磁场的方向。这将影响SOT/AFM MRAM操作的可靠性。
根据一些实施例，解决上述问题的一种方式是通过改变反铁磁材料的 厚度。例如，通过增大SOT/AFM电极的AFM材料的厚度，阻挡温度升高。 另一种解决上述问题的方式是用不具有低阻挡温度的材料完全替换反铁磁 材料。
改变反铁磁材料的厚度的方案的一个问题在于，为了高效的SOT操作， SOT/AFM电极中的AFM的厚度在其与自旋扩散相当时是最佳的。因而， 增大AFM的厚度以实现必需的热预算可能无法实现期望的结果。此外，替 换AFM材料的方案的问题在于，并非所有的AFM选项都具有大的自旋轨 道转矩，因而不能简单地完全替代AFM材料，因为期望的是某一SOT。
一些实施例描述了基于自旋轨道耦合或者自旋轨道转矩(SOC/SOT) 的磁性存储器，其中，SOT电极(例如，石墨烯、Bi2Se3、BixTeySe1-x-y、BixSb1-x、 WSe2、WTe2、PtSe2、PtTe2、PtTe2、MoSe2、MoS2或者MoTe2)还包括利 用重金属、氧、氮、或者具有高阻挡温度的其它AFM材料中的一者或多者 掺杂或与其共同溅射的AFM材料(例如，IrMn)。例如，利用Pt、Ni、Co或Cr之一掺杂具有IrMn的SOT/AFM电极。在一些实施例中，SOT/AFM 电极与AFM氧化物层(例如，铋铁氧体(BFO))相邻。因而，与不受掺 杂时相比或者与不使用AFM氧化物层时相比，修改了SOT/AFM电极的阻 挡温度。
在一些实施例中，磁性存储器的SOT/AFM电极包括由不同AFM材料 构成的多层或者AFM与重金属构成的多层。在一些实施例中，在多层之中， 较薄的AFM层是具有较高阻挡温度的层。在一些实施例中，在多层之中， 较薄的层包括重金属。在一些实施例中，这些多层的厚度小于材料的自旋 扩散长度，以确保实现最高自旋轨道转矩。在该示例中，较高的自旋轨道 转矩层与磁性存储器的自由磁体形成界面(例如，磁性隧道结或自旋阀)。
在一些实施例中，磁性器件包括与具有较高阻挡温度的SOT/AFM电极 接触的垂直自由磁体。在一些实施例中，SOT/AFM电极耦合至磁性过孔， 以产生偶极子/交换偏置场。在一些实施例中，磁性过孔包括AFM或者平 面内固定磁体。在一些实施例中，来自AFM和/或平面内固定磁体的平面 内交换偏置用于设定磁性结的自由磁体的磁性取向的模板。因而，磁性结 的自由磁体提供了强有效平面内磁体效应。
在一些实施例中，平面内固定磁体和AFM都形成在过孔中，所述过孔 耦合至SOC/AFM电极的表面或者与之相邻，从而使得磁性结形成在 SOC/AFM电极的另一表面上。在一些实施例中，SOC/AFM电极之下的平 面内固定磁体具有不长于磁性结的长度的长度。这里，长度是指如参考各 图所描述的沿y轴的距离。在一些实施例中，使平面内磁体足够厚，以使其稳定。这里，稳定性一般是指磁化方向的永久性。该示例中的不稳定磁 体将是在施加外部磁场时切换其磁化的磁体。在该示例中，AFM包括Ir和 Mn(或者任何其它AFM)，其可以设定过孔中的平面内磁体的磁性取向的 模板。
在一些实施例中，磁性结的自由磁体结构包括通过耦合层耦合的至少 两个自由磁体。在一些实施例中，耦合层包括以下中的一者或多者：Ru、 Os、Hs、Fe、或者来自周期表的铂族的其它类似过渡金属。在一些实施例 中，去除耦合层，以使得自由磁体结构或堆叠体的自由磁体直接相互连接， 从而形成单个磁体(或者复合磁体)。
在一些实施例中，磁性结的自由磁体结构的自由磁体中的一者或多者 包括复合磁体。复合磁体可以是包括第一材料和第二材料的超晶格，其中， 第一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒(Heusler)合金之一，并且其中，第 二材料包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一。在一些实施例中，磁性结的固定磁 体也包括复合磁体。
各种实施例有很多技术效果。例如，在一些实施例中，平面外磁化切 换实现了基于垂直磁各向异性(PMA)的磁性器件(例如，MRAM和逻辑)， 所述磁性器件包括生成垂直自旋电流的自旋轨道效应。一些实施例的垂直 磁体切换实现了由垂直磁性存储器和逻辑的巨自旋轨道效应(GSOE)实现 的低编程电压(或者针对等同电压的较高电流)。一些实施例的垂直磁体切 换获得了更低的写入错误率，其实现了更快的MRAM(例如，写入时间低 于10ns)。一些实施例的垂直磁体切换对写入和读取路径进行解耦，以实现 更快的读取延迟。一些实施例的垂直磁体切换使用明显更小的通过磁性结 (例如，MTJ或者自旋阀)的读取电流，并提供隧穿氧化物和MTJ的提高 的可靠性。例如，与用于标称写入的100μA相比，一些实施例的垂直磁体 切换使用小于10μA。
在一些实施例中，利用重金属、氧、氮或者具有高阻挡温度的其它AFM 掺杂低温高效SOT/AFM材料或者对两者共同溅射的一个优点在于，其将实 现更高电流以及更高温度的操作而不损失AFM性质。利用较重金属进行掺 杂或者与较重金属共同溅射将提高AFM的阻挡温度。典型地，重金属对扩 散的响应较低。在一些实施例中，利用氮和氧掺杂SOT/AFM电极具有不只 提高阻挡温度，还提高AFM层生成的自旋轨道转矩的可能性。这使得基于 PSOT的MRAM更加可靠。
在一些实施例中，将多层用于SOT/AFM电极将允许更大的电流流过 SOT/AFM电极而不必担忧超过阻挡温度。通过对多层的厚度进行适当的工 程设计，能够极大地提高各层的SOT效率，同时通过降低磁性器件的阻抗 而降低发热效应。这也使得基于PSOT的MRAM更加可靠。在一些实施例 中，耦合至SOT/AFM互连的一个表面的固定平面内磁体和/或AFM提供了 用于使用自旋轨道转矩效应对(磁性结的)自由磁体结构或堆叠体的自由 磁体进行切换的附加的高效平面内场。因而，实现了用于磁性结的更快的 切换以及更低功率的切换。根据各种附图和实施例，其它技术效果将是显 而易见的。
在下文的描述中将讨论很多细节，以提供对本公开的实施例的更加透 彻的解释。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不具有这 些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其它实例中，公知的结构和 装置以框图的形式示出而非详细示出，以避免使本公开的实施例难以理解。
注意，在实施例的对应附图中，用线表示信号。一些线可以较粗，以 指示更多的构成信号路径，和/或一些线可以在一端或两端具有箭头，以指 示主要信息流向。这种指示并非旨在进行限制。相反，这些线是结合一个 或多个示例性实施例使用的，以便于更容易理解电路或逻辑单元。任何所 表示的信号(由设计需要或者偏好指定的)可以实际上包括一个或多个信 号，所述信号可以沿任一方向行进，并且可以利用任何适当类型的信号方 案实施。
此处参照磁体所使用的术语“自由”或“非固定”是指在施加外部场 或外力(例如，Oersted场、自旋转矩等)时其磁化方向能够沿其易轴改变 的磁体。相反，此处参照磁体所使用的术语“固定”或“钉扎”是指其磁 化方向沿轴被钉扎或固定并且不会因外部场(例如，电场、Oersted场、自 旋转矩)的施加而改变的磁体。
这里，垂直磁化的磁体(或者垂直磁体或者具有垂直磁各向异性(PMA) 的磁体)是指所具有的磁化大体上垂直于磁体或器件的平面的磁体。例如， 磁体在z方向上具有的磁化相对于器件的x-y平面处于90(或270)度+/-20 度的范围内。
这里，平面内磁体是指具有处于大体上沿磁体的平面的方向上的磁化 的磁体。例如，磁体具有的磁化在x方向或y方向上，并且相对于器件的 x-y平面处于0(或180)度+/-20度的范围内。
术语“器件”可以根据该术语的使用语境而总体上指代设备。例如， 器件可以指代层或结构的堆叠体、单个结构或层、具有有源和/或无源元件 的各种结构的连接等。总体而言，器件是具有沿x-y-z笛卡尔坐标系的x-y 方向的平面以及沿所述坐标系的z方向的高度的三维结构。器件的平面还 可以是包括所述器件的设备的平面。
在整个说明书中以及在权利要求中，术语“连接”是指被连接的事物 之间的直接连接，例如电气、机械或磁性连接，而没有任何中间器件。
术语“耦合”是指直接或间接连接，例如，被连接的事物之间的直接 电气、机械或磁性连接、或者通过一个或多个无源或有源中间器件的间接 连接。
术语“相邻”在此处总体上指代一个事物紧挨着另一事物(例如，直 接挨着另一事物，或者靠近但是其间有一个或多个事物)或者与另一事物 毗连(例如，与其邻接)的位置。
术语“电路”或“模块”可以指代被布置为相互协作以提供期望功能 的一个或多个无源和/或有源部件。
术语“信号”可以指代至少一个电流信号、电压信号、磁信号或者数 据/时钟信号。“一”和“所述”的含义包括复数个引用。“在……中”的含 义包括“在……中”和“在……上”。
术语“缩放”总体上指代将设计(示意图和布局)从一种工艺技术转 换至另一种工艺技术，并且因此随后减小布局面积。术语“缩放”总体上 还指代在同一技术节点内减小布局和器件的尺寸。术语“缩放”还可以指 代相对于另一参数(例如，电源电平)调整(例如，减慢或者加快——即， 分别为缩小或放大)信号频率。
术语“大体上”、“接近”、“大致”、“近于”和“大约”总体上 指代处于目标值的+/-10％内。例如，除非在其使用的明确语境中另行指出， 否则术语“大体上等于”、“大约等于”和“大致等于”是指在所描述的 事物之间最多不过是偶然变化。在本领域中，这种变化典型不超过预定目 标值的+/-10％。
除非另行指出，否则使用“第一”、“第二”、“第三”等序数形容 词描述共同对象仅指示正在引用类似对象的不同实例，而不是暗示所描述 的对象必须采用时间上、空间上的给定顺序、采用排序或者任何其它方式。
出于本公开的目的，短语“A和/或B”以及“A或B”是指(A)、(B) 或者(A和B)。出于本公开的目的，短语“A、B和/或C”是指(A)、(B)、 (C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或者(A、B和C)。
说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶 部”、“底部”、“之上”、“之下”等(如果有的话)仅用于描述性用 途，而未必用于描述永久性的相对位置。例如，文中使用术语“之上”、 “之下”、“前侧”、“后侧”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之 下”以及“上”指代一个部件、结构、材料相对于器件内的其它参照部件、 结构或材料的相对位置，其中，这种物理关系是值得注意的。这些术语在 文中仅用于描述目的，并且主要在器件z轴的语境内，并且因此可以是相 对于器件的取向而言的。因而，如果相对于本文所提供的附图的语境使器件的取向颠倒，那么在所提供的附图的语境中处于第二材料“之上”的第 一材料也可以处于第二材料“之下”。在材料的语境中，设置在另一材料 之上或者之下的一种材料可以直接接触，或者可以具有一种或多种居间材 料。此外，设置在两种材料之间的一种材料可以与这两个层直接接触，或 者可以具有一个或多个居间层。相反，第二材料“上”的第一材料与该第 二材料直接接触。在部件组装的语境下可以做出类似的区分。
可以在器件的z轴、x轴或y轴的语境中采用术语“之间”。处于两种 其它材料之间的材料可以与这些材料之一或两者接触，或者可以通过一种 或多种居间材料与所述两种其它材料都分开。因此，处于两种其它材料“之 间”的材料可以与其它两种材料中的任一者接触，或者可以通过居间材料 耦合至其它两种材料。处于两个其它器件之间的器件可以直接连接至这些 器件之一或两者接触，或者可以通过一个或多个居间器件与其它两个器件都分开。
这里，可以在单个鳍状物结构内堆叠多个非硅半导体材料层。多个非 硅半导体材料层可以包括适合于P型晶体管(例如，提供比硅高的空穴迁 移率)的一个或多个“P型”层。多个非硅半导体材料层还可以包括适合于 N型晶体管(例如，提供比硅高的电子迁移率)的一个或多个“N型”层。 多个非硅半导体材料层还可以包括将N型层与P型层分开的一个或多个居 间层。居间层可以是至少部分牺牲的，以(例如)允许栅极、源极或漏极 中的一者或多者完全环绕N型晶体管和P型晶体管中的一者或多者的沟道 区。多个非硅半导体材料层可以是至少部分利用自对准技术制造的，以使 得堆叠的CMOS器件可以在单个finFET的覆盖面积内包括高迁移率N型 晶体管和高迁移率P型晶体管两者。
出于本公开的目的，可以等价地使用术语“自旋”和“磁矩”。更严 格地，自旋的方向与磁矩的方向相反，并且粒子的电荷为负(例如，就电 子而言)。
应当指出，附图中的与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或 名称)的那些元件能够按照与所描述的方式类似的任何方式进行操作或发 挥作用，但是不限于此。
图1A示出了铁磁体(FM)101的磁化滞后曲线图100。该曲线图示出 了铁磁体101的对外加磁场的磁化响应。曲线图100的x轴是磁场“H”， 而y轴是磁化“m”。对于FM 101，“H”和“m”之间的关系不是线性的， 并且导致如曲线102和103所示的滞后回线。滞后回线的最大磁场区和最 小磁场区分别对应于饱和磁化配置104和106。在饱和磁化配置104和106 中，FM 101具有稳定磁化。在滞后回线的零磁场区105中，FM 101不具有 明确的磁化值，而是取决于所施加的磁场的历史。例如，对于平面内FM， 处于配置105中的FM 101的磁化可以处于+x方向或者处于-x方向。因而， 将FM 101的状态从一个磁化方向(例如，配置104)改变或者切换到另一 磁化方向(例如，配置106)是耗时的，从而导致了较慢的纳米磁体响应时 间。其与固有切换能量相关联，所述固有切换能量与曲线102和103之间 包含的图形的面积成正比。
在一些实施例中，FM 101由CFGG(即，钴(Co)、铁(Fe)、锗(Ge) 或镓(Ga)或其组合)形成。在一些实施例中，FM 101包括Co、Fe、Ni 合金和多层异质结构、各种氧化物铁磁体、石榴石、或赫斯勒合金中的一 者或多者。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是金属 间化合的，其具有特定成分以及面心立方晶体结构。赫斯勒合金的铁磁特 性是相邻的磁离子之间的双交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合 金包括Cu2MnAl、Cu2MnIn、Cu2MnSn、Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、 Ni2MnSb、Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、 Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、 MnGa或MnGaRu之一。
图1B示出了顺磁体121的磁化曲线图120。曲线图120示出了顺磁体 121的对外加磁场的磁化响应。曲线图120的x轴是磁场“H”，而y轴是 磁化“m”。与铁磁体相反，顺磁体在被施加磁场时表现出磁化。顺磁体一 般具有大于或等于一的磁导率，并且因而被吸引到磁场。与曲线图100相 比，图1B的磁性曲线图120未表现出滞后，这允许实现在曲线122的两种饱和磁化配置124和126之间的较快的切换速度和较小的切换能量。在中 间区125中，顺磁体121没有任何磁化，因为没有任何外加磁场(例如， H＝0)。在该情况下没有与切换相关联的固有能量。
在一些实施例中，顺磁体121所包括的材料包括以下中的一个或多个： 铂(Pt)、钯(Pd)、钨(W)、铈(Ce)、铝(Al)、锂(Li)、镁(Mg)、钠 (Na)、Cr2O3(氧化铬)、CoO(氧化钴)、镝(Dy)、Dy2O(氧化镝)、铒(Er)、Er2O3(氧化铒)、铕(Eu)、Eu2O3(氧化铕)、钆(Gd)、氧化钆(Gd2O3)、 FeO和Fe2O3(氧化铁)、钕(Nd)、Nd2O3(氧化钕)、KO2(过氧化钾)、 镨(Pr)、钐(Sm)、Sm2O3(氧化钐)、铽(Tb)、Tb2O3(氧化铽)、铥(Tm)、 Tm2O3(氧化铥)或V2O3(氧化钒)。在一些实施例中，顺磁体121包括掺 杂剂，所述掺杂剂包括以下中的一个或多个：Ce、Cr、Mn、Nb、Mo、Tc、 Re、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb。在各种实施例中，磁体可以 是FM或者顺磁体。
图2A-2B分别示出了具有耦合至自旋轨道耦合(SOC)互连的平面内 磁性隧道结(MTJ)堆叠体的器件的三维(3D)视图200和对应顶视图220， 其中，MTJ堆叠体包括比SOC互连的长度小得多的自由磁体层。
这里，具有磁性结221的层的堆叠体耦合至包括自旋霍尔效应(SHE) 或SOC材料(或者自旋轨道转矩(SOT)材料)的电极222，其中，SHE 材料将电荷电流IW(或者写入电流)转换为自旋极化电流IS。图2A的器件 形成了具有SHE感应的写入机制和基于MTJ的读出的三端子存储单元。自 旋霍尔效应是相对论自旋轨道耦合现象，其可以用于在非磁性系统中电气 生成或者检测自旋电流。
在向重金属/铁磁体双层系统施加平面内电流时，该平面内电流经由自 旋轨道相互作用在铁磁体中引起自旋累积。自由铁磁体中的自旋累积引起 作用于磁化、因而切换自由铁磁体的磁化的转矩(例如，SOT)或者有效场。 SOT具有两个具有不同对称性的分量——类似Slonczewski转矩和类场转矩。 SOT的起源一般对重金属中的大的体自旋霍尔效应有贡献。根据铁磁体的 易轴的方向，将此处演示的SOT切换方案的具体结构分类成两种类型。
图2A示出了将处于平面内并且与电流正交的易轴，而图4A示出了将 与膜平面(或器件)垂直的易轴。两者的切换动态不同。
图2A的器件包括磁性结221、SHE互连或电极222、以及非磁性金属 223a/b。在一个示例中，MTJ 221包括层221a、221b和221c。在一些实施 例中，层221a和221c是铁磁层。在一些实施例中，层221b是金属或者隧 穿电介质。
例如，在磁性结是自旋阀时，层221b是金属或者金属氧化物(例如， 诸如Al的非磁性金属和/或其氧化物)，并且在磁性结是隧穿结时，层221b 是电介质(例如，MgO、Al2O3)。沿SHE互连222的水平方向的一端或两 端是由非磁性金属223a/b形成的。还可以在层221c的顶部堆叠附加的层 221d、221e、221f和221g。在一些实施例中，层221g是非磁性金属电极。
为了不使各种实施例难以理解，将磁性结描述为磁性隧道结(MTJ)。 然而，实施例也适用于自旋阀。可以将宽范围的材料组合用于磁性结221 的材料堆叠。例如，层221a、221b、221c、221d、221e、221f和221g的堆 叠体分别由包括CoxFeyBz、MgO、CoxFeyBz、Ru、CoxFeyBz、IrMn和Ru 的材料形成，其中，x、y、z是元素在合金中的占比。其它材料也可以用于形成MTJ 221。MTJ 221堆叠体包括自由磁层221a、MgO隧穿氧化物221b、 分别是CoFe层、Ru层和CoFe层的组合的固定磁层221c/d/e(被称为合成 反铁磁体(SAF))、以及反铁磁体(AFM)层221f。SAF层具有这样的特 性，即，两个CoFe层中的磁化是相反的，并且允许消除自由磁层周围的偶 极子场，从而使杂散偶极子场不会控制自由磁层。
在一些实施例中，自由磁层和固定磁层(分别为221a和221c)是由 CFGG(即，钴(Co)、铁(Fe)、锗(Ge)或镓(Ga)或其组合)形成的 铁磁体(FM)。在一些实施例中，FM 221a/c是由赫斯勒合金形成的。赫斯 勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是金属间化合的，其具 有特定成分以及面心立方晶体结构。赫斯勒合金的铁磁特性是相邻的磁离子之间的双交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Cu2MnAl、 Cu2MnIn、Cu2MnSn、Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2MnGa、 Co2MnAl、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、 Pd2MnSb、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、MnGa或MnGaRu 之一。
铁磁层(即，自由磁层或固定磁层)的厚度可以确定其平衡磁化方向。 例如，在铁磁层221a/c的厚度超过特定阈值(取决于磁体的材料，例如， 对于CoFe约为1.5nm)时，铁磁层表现出处于平面内的磁化方向。类似地， 在铁磁层221a/c的厚度低于特定阈值(取决于磁体的材料)时，铁磁层221a/c 表现出垂直于磁层的平面的磁化方向，如参考图4A-4B所示。
其它因素也可能确定磁化的方向。例如，诸如表面各向异性(取决于 相邻层或者铁磁层的多层成分)和/或晶体各向异性(取决于应力和晶格结 构修改，例如FCC(面心立方晶格)、BBC(体心立方晶格)或者L10型晶 体，其中，L10是表现出垂直磁化的晶类的类型)的因素也可以确定磁化的 方向。
参考图2A，在一些实施例中，SHE互连222(或者写入电极)包括3D 材料，例如，β-钽(β-Ta)、Ta、β-钨(β-W)、W、Pt、利用元素进行掺杂 的铜(Cu)中的一者或多者，所述元素例如为铱、铋以及周期表中的3d、 4d、5d和4f、5f周期族中的可以表现出高自旋轨道耦合的元素中的任何元 素。在一些实施例中，SHE互连222过渡到高导电性非磁性金属223a/b中， 以降低SHE互连222的电阻。非磁性金属223a/b包括Cu、Co、α-Ta、Al、 CuSi或NiSi中的一者或多者。
在图2A中，切换层221a具有其沿平面(例如，y平面)方向的易轴。 对于该类型，施加沿z轴的外部场Hz，以打破对称性并实现双极切换。假 设用于切换的驱动力源自于互连222中的自旋霍尔效应，那么临界电流密 度Jc由下式给出：
其中，α是Gilbert阻尼常数，e是元电荷，h是狄拉克接触，是有效自 旋霍尔角，Ms是饱和磁化强度，tF是铁磁体层221a沿z方向的厚度，是 平面内有效各向异性场，是铁磁体层221a的平面外有效各向异性场。
在该示例中，所施加的电流Iw被SHE互连222(又称为自旋轨道耦合 互连)转换成自旋电流Is。该自旋电流切换自由层的磁化方向，并且因而改 变MTJ 221的电阻。然而，为了读出MTJ 221的状态，需要感测电阻改变 的感测机制。
通过经由SHE互连222施加电荷电流而对磁性单元进行写入。自由磁 体层221a中的磁性写入的方向由所施加的电荷电流的方向决定。正电流(例 如，沿+y方向流动的电流)产生具有传送方向(沿+z方向)的自旋注入电 流以及指向+x方向的自旋。所注入的自旋电流继而产生自旋转矩，以使自 由磁体221a(耦合至由SHE材料的SHE层222)在+x方向上对准。负电 流(例如，沿-y方向流动的电流)产生具有传送方向(沿+z方向)的自旋 注入电流以及指向-x方向的自旋。所注入的自旋电流继而产生自旋转矩， 以使自由磁体221a(耦合至层222的SHE材料)在-x方向上对准。在一些 实施例中，在具有相反符号的SHE/SOC效应的材料中，自旋极化的方向与 上文相比被反向，并且因而自由层磁化对准的方向与上文相比被反向。在 一些实施例中，磁体221a和/或221c是顺磁体。在一些实施例中，磁体221a 和/或221c可以是铁磁体或顺磁体的组合。例如，磁体221a是铁磁体，而 磁体221c是顺磁体。在另一个示例中，磁体221c是铁磁体，而磁体221a 是顺磁体。
图2C示出了SOC互连222的截面图230，其中，电子的自旋受到平面 内极化并且由于电荷电流的流动而受到向上和向下的偏转。在该示例中， 由Jc表示的正电荷电流产生自旋向前(例如，沿+x方向)极化电流301和 自旋向后(例如，沿-x方向)极化电流302。通过下式给出了在写入电极 222中由电荷电流生成的注入自旋电流
其中，自旋电流的向量指向所传递的磁矩的方向，并且其具有的 幅度是具有沿自旋极化方向的自旋的电流与具有与自旋极化方向相反的自 旋的电流之差，是垂直于界面的单位向量，PSHE是自旋霍尔注入效率，其 为横向(transverse)自旋电流与侧向(lateral)电荷电流的幅度之比，w是 磁体的宽度，t是SHE互连(或者写入电极)222的厚度，λsf是SHE互连 222中的自旋翻转长度，θSHE是SHE互连222的相对于自由铁磁层界面的自旋霍尔角。通过下式给出了造成自旋转矩的单位时间的注入自旋角动量：
所生成的自旋向上电流和自旋向下电流231/232等于单位面积的自旋 极化电流(例如，)，其由下式给出：
该自旋到电荷转换基于隧道磁阻(TMR)，其在所生成的信号强度方面 高度受限。基于TMR的自旋到电荷转换具有低效率(例如，小于一)。
图3A-3B分别示出了具有耦合至SOC互连222的平面内MTJ堆叠体 的器件的3D视图300和对应顶视图320。与图2A-2B的器件相比，此处切 换层321a具有处于膜平面(例如，y平面)内并且与沿y轴的电流共线的 易轴。固定磁体321c也具有沿y平面的磁化。在材料方面，磁体321a/c与 磁体221a/c相同，只是沿同一平面具有不同的磁性取向。在一些实施例中，易轴平行于沿y轴流动的电流。借助于沿z方向的外部磁场Hz的施加，实 现了双极切换。
图4A-4B分别示出了具有耦合至SOC互连222的平面外MTJ堆叠体 的器件的3D视图400和对应顶视图420。与图2-图3的实施例相比，此处， 自由和固定磁体层(或结构)421a和421c分别具有垂直磁各向异性(PMA)。 例如，固定磁体结构421c具有指向沿z方向的磁化，并且垂直于器件400 的x-y平面。类似地，固定磁体结构421c具有指向沿z方向的磁化，并且垂直于器件400的x-y平面。
在一些实施例中，具有PMA的磁体包括材料的堆叠体，其中，堆叠体 的材料选自由下述材料构成的组：Co和Pt；Co和Pd；Co和Ni；MgO、 CoFeB、Ta、CoFeB和MgO；MgO、CoFeB、W、CoFeB和MgO；MgO、 CoFeB、V、CoFeB和MgO；MgO、CoFeB、Mo、CoFeB和MgO；MnxGay； 具有L10对称性的材料；以及具有四方晶体结构的材料。在一些实施例中， 具有PMA的磁体是由一种或多种材料的单层形成的。在一些实施例中，单 层是由MnGa形成的。
L10是FCC(面心立方晶格)结构的晶体学衍生结构，其晶面中的两个 被一种类型的原子占据，并且拐角和另一晶面被第二种类型的原子占据。 在具有L10结构的相具有铁磁性时，磁化向量通常沿晶体的[0 0 1]轴。具有 L10对称性的材料的示例包括CoPt和FePt。具有四方晶体结构和磁矩的材 料的示例是诸如CoFeAl、MnGe、MnGeGa和MnGa的赫斯勒合金。
在一些实施例中，自由磁层和固定磁层(分别为421a和421c)是由 CFGG形成的FM。在一些实施例中，FM 421a/c是由赫斯勒合金形成的。 赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是金属间化合的， 其具有特定成分以及面心立方晶体结构。赫斯勒合金的铁磁特性是相邻的 磁离子之间的双交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括 Cu2MnAl、Cu2MnIn、Cu2MnSn、Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、 Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、 Pd2MnSn、Pd2MnSb、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、 MnGa或MnGaRu之一。
在一些实施例中，磁体421a和/或421c可以是铁磁体或顺磁体的组合。 例如，磁体421a是铁磁体，而磁体421c是顺磁体。在另一个示例中，磁体 421c是铁磁体，而磁体421a是顺磁体。在一些实施例中，磁体421a和/或 421c是顺磁体。
在图4A中，切换层421a具有其沿平面外(z)方向的易轴。对于该类 型，施加沿y轴的外部场Hy，以打破对称性并实现双极切换。假设用于切 换的驱动力源自于互连222中的自旋霍尔效应，那么临界电流密度JC由下 式给出：
其中，e是元电荷，h是狄拉克接触，是有效自旋霍尔角，并且Ms、tF和分别是铁磁体层421a的饱和磁化、厚度、有效各向异性场。
在一些实施例中，SHE互连222包括自旋轨道2D材料，其包括以下中 的一个或多个：石墨烯、TiS2、WS2、MoS2、TiSe2、WSe2、MoSe2、B2S3、 Sb2S3、Ta2S、Re2S7、LaCPS2、LaOAsS2、ScOBiS2、GaOBiS2、AlOBiS2、 LaOSbS2、BiOBiS2、YOBiS2、InOBiS2、LaOBiSe2、TiOBiS2、CeOBiS2、 PrOBiS2、NdOBiS2、LaOBiS2或SrFBiS2。在一些实施例中，SHE互连222 包括自旋轨道材料，其包括2D材料或3D材料之一，其中，3D材料比2D 材料薄。在一些实施例中，SHE互连222包括自旋轨道材料，其包括表现 出Rashba-Bychkov效应的材料。
在一些实施例中，2D材料包括Mo、S、W、Se、石墨烯、MoS2、WSe2、 WS2或MoSe2中的一者或多者。在一些实施例中，2D材料包括吸收剂，所 述吸收剂包括Cu、Ag、Pt、Bi、Fr或H吸收剂中的一者或多者。在一些实 施例中，SOC结构包括自旋轨道材料，其包括表现出Rashba-Bychkov效应 的材料。在一些实施例中，包括表现出Rashba-Bychkov效应的材料的材料 包括材料ROCh2，其中，“R”包括La、Ce、Pr、Nd、Sr、Sc、Ga、Al或 In中的一者或多者，并且其中，“Ch”是包括S、Se或Te中的一者或多者 的硫属元素化物。
尽管图2-图3的实施例例示了两种磁体都具有处于同一平面(例如， 要么处于平面内，要么相对于器件的x-y平面垂直)内的磁化，但是固定磁 体和自由磁体的磁化方向可以处于不同平面内。例如，固定磁层221c相对 于自由磁层221a的磁化方向是垂直的(例如，自由磁层和固定磁层的磁化 方向是不平行的，相反它们是正交的)。在另一个示例中，自由磁层221a 的磁化方向处于平面内(例如，沿器件的x-y平面)，而固定磁层221c的磁 化方向垂直于器件的x-y平面。在另一种情况下，固定磁层221a的磁化方 向处于平面内(例如，沿器件的x-y平面)，而自由磁层221c的磁化方向垂 直于器件的x-y平面。
图3A的器件300的切换动态与图4A的器件400的切换动态类似，其 中，一旦施加转矩，磁化极性就改变。这与图2A的器件200的动态相反， 在器件200的动态中，在极性变化之前发生了很多进动。因而，根据一些 实施例，器件300/400允许比器件200的切换时间更短的切换时间。
图5A-5C示出了用于切换在自旋轨道转矩电极222上形成的MTJ存储 器件(例如，器件400)的机制。
图5A示出了一种MTJ存储器件(例如，器件400)，其中，MTJ 421 设置在自旋轨道转矩电极222上，并且其中，自由磁体421a(又称为存储 层421a)的磁化554与固定磁层421c的磁化556处于同一方向上。在一些 实施例中，存储层421a的磁化554的方向和固定磁体421c的磁化556的方 向都处于负z向上，如图5A中所示。在存储层421a的磁化554与固定磁 体421c的磁化556处于同一方向上时，MTJ存储器件400处于低电阻状态。 相反，在存储层421a的磁化554与固定磁体421c的磁化556处于相反方向 上时，MTJ存储器件400处于高电阻状态。
图5B示出了被切换至高电阻状态的SOT存储器件(例如，器件400)。 在实施例中，图5B中的存储层421a的磁化554的方向与存储层421a的磁 化554的方向相比的反转是通过下述方式引起的：(a)在y方向上在自旋 轨道转矩电极222中感应出自旋霍尔电流568，以及(b)通过施加自旋转 矩转移电流570iSTTM(通过相对于地C在端子B处施加正电压)，和/或(c) 通过在y方向上施加外部磁场Hy。
在实施例中，使电荷电流560在负y方向上通过自旋轨道转矩电极222 (通过相对于地C在端子A处施加正电压)。响应于电荷电流560，电子电 流562在正y方向上流动。电子电流562包括具有两个相反的自旋取向的 电子，并且在自旋轨道转矩电极222中经历自旋相关散射现象。
电子电流562包括具有两个相反的自旋取向的电子：类型I电子566， 其具有定向在负x方向上的自旋；以及类型II电子564，其具有定向在正x 方向上的自旋。在一些实施例中，构成电子电流562的电子在自旋轨道转 矩电极222中经历自旋相关散射现象。自旋相关散射现象是由自旋轨道转 矩电极222中的原子的原子核与电子电流562中的电子之间的自旋轨道相 互作用引起的。自旋相关散射现象产生了类型I电子566和类型II电子564， 类型I电子566的自旋定向在负x方向上，以朝向自旋轨道转矩电极222 的最上部分向上偏转，类型II电子564的自旋定向在正x方向上，以朝向 自旋轨道转矩电极222的最下部分向下偏转。
类型I电子的自旋角动量566和类型II电子的自旋角动量564之间的 间隔在自旋轨道转矩电极222中感应出极化自旋扩散电流568。在一些实施 例中，极化自旋扩散电流568被朝向MTJ存储器件400的自由磁体421a 向上引导，如图5B所示。极化自旋扩散电流568感应出作用于自由磁体 421a的磁化554的自旋霍尔转矩。自旋霍尔转矩使极化554旋转到指向负 x方向的暂时状态。在一些实施例中，为了完成磁化反转过程，施加附加的 转矩。流经MTJ存储器件400的iSTTM电流570对存储层421a的磁化554 施加附加的转矩。自旋霍尔转矩和自旋转移矩的组合使得存储层421a中的 磁化554从中间磁化状态(负x方向)翻转到图5B所示的正z方向。在一 些实施例中，可以通过如图5B所示在y方向上施加外部磁场Hy而非施加 iSTTM电流570来对存储层421a施加附加的转矩。
图5C示出了被切换至低电阻状态的SOT存储器件。在实施例中，图 5C中的存储层421a的磁化554的方向与图5B中的存储层421a的磁化554 的方向相比的反转是通过下述方式引起的：(a)使自旋轨道转矩电极222 中的自旋霍尔电流568的方向反转，以及(b)通过使iSTTM电流570的方向 反转，和/或(c)通过使外部磁场Hy的方向反转。
图5D示出了在温度(T)低于互连222的AFM的阻挡温度(T阻挡)时， 平面外MTJ存储器件580(例如，图4A的器件)的截面图、以及器件的 SOT/AFM互连222中的自旋方向。为SOC电极(或者互连)222使用AFM 材料的一项挑战在于，AFM材料典型具有低阻挡温度。如果AFM是通过 退火和现场冷却沿一个取向(例如，y方向)沉积的，那么由于电流560流 过SOT/AFM电极222的原因，电极222的AFM可以被加热到其阻挡温度 T阻挡以上，并且将得到重新磁化，具体取决于其感受到的磁场的方向。这将 影响SOT MRAM操作的可靠性。在该示例中，操作温度低于阻挡温度，因 而电极222中的自旋591的方向显示出零净磁化，因为交替层中的自旋处 于相反方向上，如自旋581所示。
图5E示出了在温度(T)高于互连222中的AFM的阻挡温度(T阻挡) 时，平面外MTJ存储器件590(例如，图4A的器件)的截面图、以及器件 的SOT/AFM互连222中的自旋方向。与图5E相比，这里，在温度高于阻 挡温度时，SOT/AFM电极222中的自旋变得随机，如自旋591所示。这些 随机自旋方向对PSOT磁性存储器操作的可靠性产生负面影响。
解决随机自旋问题的一种方式是调整SOT/AFM电极222的AFM材料 的厚度。例如，通过提高AFM材料在z方向上的厚度。阻挡温度取决于 AFM材料的厚度和颗粒大小。通过提高厚度，提高了阻挡温度。此处的各 种实施例改变了SOT/AFM电极222的材料成分，以提高SOT/AFM的AFM 材料的阻挡温度。例如，在继续向自由磁体421a提供高自旋轨道转矩的同时，将AFM材料的阻挡温度提高到120度或更高。
图6A示出了显示一个晶体管和具有SHE材料的一个MTJ(例如，器 件200或300之一)的写入能量-延迟状况与传统MTJ相比的曲线图620。 图6B示出了显示一个晶体管和具有SHE材料的一个MTJ(例如，器件200 或300之一)的写入能量-延迟状况与传统MTJ相比的曲线图630。此处， x轴是以毫微微焦耳(fJ)为单位的每次写入操作的能量，而y轴是以纳秒(ns)为单位的延迟。
此处，随着所施加的写入电压的改变，针对平面内磁体切换对SHE和 MTJ器件(例如，器件200或300之一)的能量-延迟轨迹进行比较。能量 -延迟关系(针对平面内切换)可以被写作：
其中，Rwrite是器件的写入电阻(SHE电极的电阻或者MTJ-P或MTJ-AP的 电阻，其中，MTJ-P是具有平行磁化的MTJ，而MTJ-AP是具有反平行磁 化的MTJ)，μ0是真空磁导率，e是电子电荷。方程表明，给定延迟处的能 量与Gilbert阻尼α的平方成正比。此处，对于各种SHE金属电极(例如， 623、624、625)，特征时间τ0＝MsVe/IcPμB随着自旋极化的变化而变化。曲线 图620示出了五条曲线621、622、623、624和625。曲线621和622示出 了使用没有SHE材料的传统MTJ器件的写入能量-延迟状况。
例如，曲线621示出了使磁体从反平行(AP)状态切换至平行(P)状 态所引起的写入能量-延迟状况，而曲线622示出了使磁体从P状态切换至 AP状态所引起的写入能量-延迟状况。曲线622、623和624示出了具有SHE 材料的MTJ的写入能量-延迟状况。显然，具有SHE材料的MTJ(例如， 器件200或300之一)的写入能量-延迟状况比没有SHE材料的MTJ(未示 出该器件)的写入能量-延迟状况低得多。尽管具有SHE材料的MTJ(例如， 器件200或300之一)的写入能量-延迟状况相对于没有SHE材料的传统 MTJ有所改善，但还是期望获得写入能量-延迟方面的进一步改善。
图6B示出了对自旋霍尔MRAM和自旋转矩MRAM的可靠写入时间 进行比较的曲线图630。在曲线图630中考虑了三种情况。波形631是平面 内MTJ的写入时间，波形632是PMAMTJ的写入时间，并且波形633是 自旋霍尔MTJ的写入时间。本文考虑的情况假设具有40kT的能垒以及 3.5nm SHE电极厚度的30x60nm磁体。根据受到缩放的CMOS的电压限制 而假设从0V到0.7V的电压扫描，获得了器件的能量-延迟轨迹。SHE-MTJ 器件的能量-延迟轨迹大致展示出两个操作区域：A)区域1，其中能量-延 迟乘积大致恒定(τd<MsVe/IcPμB)；以及B)区域2，其中能量与延迟成正比， τd>MsVe/IcPμB。这两个区域由τopt＝MsVe/IcPμB处的能量最小值分开，其中获得 了自旋转矩器件的最小切换能量。
STT-MTJ(自旋转移矩MTJ)器件的能量-延迟轨迹是有限的，其中， 处于0.7V最大施加电压下的平面内器件具有1ns的最小延迟，P-AP和AP-P 的切换能量处于1pJ/写入的范围内。相反，SHE-MTJ(平面内各向异性) 器件的能量-延迟轨迹能够实现低至20ps的切换时间(具有0.7V、20fJ/比 特的β-W)或者小到2fJ的切换能量(具有0.1V、1.5ns的切换时间的β-W)。
图6C示出了显示被200A的PtMn钉扎的顶部自旋阀的残余钉扎场曲 线的曲线图630。PtMn(例如，IrMn)是AFM材料。这里，x轴是以摄氏 度(C)为单位的温度，并且y轴是SOT/AFM互连222和磁性结的界面处 的以奥斯特(Oe)为单位的磁场。曲线图表明，在大约350℃，界面处的 磁场突然从1280Oe降到低于零。界面处的磁场的该突变引起了使用PtMn 作为AFM的磁性器件的操作可靠性问题。
图6D示出了显示具有不同反铁磁偏置层的自旋阀结构中的不受阻挡 比例的曲线图640。偏置层是施加磁场偏置的反铁磁层。这里，曲线图中的 线是双曲线正切拟合。图6E示出了显示对应结构中的阻挡温度分布的曲线 图650。虚线对应于未获取实验数据点的区域。曲线图650示出了针对不同 AFM材料(FeMn、CrPdMn、IrMn、PtMn和NiMn)的阻挡温度。
图7A-7B分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和掺杂 SOT/AFM互连的器件的3D视图700和对应截面图720，所述磁性结所具 有的磁体具有垂直磁化，所述掺杂SOT/AFM互连导致较高的阻挡温度。
图7A的器件与图4A的器件类似。这里，利用包括层或膜的堆叠体的 结构替换图4A的自由磁体421a。磁性结由附图标记721示出，其中，层 221b(例如，电介质或者金属/金属氧化物)之下的层一起形成了包括所述 结的自由磁体的自由磁体结构。
在一些实施例中，替换自由磁体421a的结构包括至少两个自由磁体 721aa和721ac以及位于其间的耦合层721ab，其中，自由磁体之一耦合至 插入层725(或者与之相邻)。在一些实施例中，插入层725耦合至SOC电 极222(或者与之相邻)。
在一些实施例中，图4A的SOC/AFM互连222包括掺杂AFM，并且 被标示为SOC/AFM互连722。在一些实施例中，通过下述元素之一对SOT 互连722的AFM进行掺杂：氧、氮或者诸如Ta、Pt、W、Mo、Co、Ni及 其它的具有大自旋翻转长度和小热迁移率的重金属。在一些实施例中，互 连722的AFM向自由层721aa/421a施加SOT和平面内交换偏置。在一些 实施例中，互连722的厚度tSOC处于0.5nm到20纳米的范围内。
在一些实施例中，利用Co、Fe、Ni、MnGa、MnGeGa或Bct-Ru之一 掺杂互连722的AFM。在一些实施例中，掺杂材料可以是IrMn、PtMn、 NiMn或者其它三角形、Kagomi、手性或六边形反铁磁材料并且处于它们的 单晶形式或者它们的采用各种构成的非晶合金。在一些实施例中，在氧或 氮的情况下，可以通过共同溅射和/或反应离子溅射完成掺杂。在一些实施例中，可以通过等离子体处理完成氧和/或氟掺杂。
利用重金属、氧、氮或者具有高阻挡温度的其它AFM来掺杂电极722 的低温高效SOT/AFM材料或者将它们共同溅射的一个优点在于，这将实现 较高电流以及较高温度的操作而不损失AFM性质。力用较重金属进行掺杂 或者与较重金属共同溅射将提高电极722中的AFM的阻挡温度。典型地， 重金属对扩散的响应较低。在一些实施例中，利用氮和氧掺杂SOT/AFM电 极722具有不止提高阻挡温度，还提高AFM层生成的自旋轨道转矩的潜力。 这使得基于PSOT的MRAM更加可靠。
在一些实施例中，自由磁体结构的另一自由磁体721ac耦合到电介质 (例如，在磁性结为MTJ时)或者金属或其氧化物(例如，在磁性结为自 旋阀时)，或者与电介质或者金属或其氧化物相邻。在一些实施例中，自由 磁体结构包括第一自由磁体721aa、耦合层721ab和第二自由磁体721ac， 第一自由磁体721aa具有能够根据外部场(例如，自旋转矩、自旋耦合、电 场)大体上指向沿+z轴或-z轴的方向的垂直磁化；第二自由磁体721ac具 有能够大体上指向沿+z轴或-z轴的方向的垂直磁化。在各种实施例中，第 二自由磁体721ac与层221b(例如，电介质或者金属/金属氧化物)相邻。
在一些实施例中，耦合层721ab包括以下中的一者或多者：Ru、Os、 Hs、Fe或者来自周期表的铂族的其它过渡金属。在一些实施例中，磁体721aa、 721ac和724包括CFGG。在一些实施例中，磁体721aa、721ac和724由赫 斯勒合金形成。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Co、Cu、Fe、Ga、Ge、 In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、Ni、Pd、Ru或V中的一者或多者。在一些 实施例中，赫斯勒合金包括Cu2MnAl、Cu2MnIn、Cu2MnSn、Ni2MnAl、 Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi、Co2MnGa、 Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、MnGa或MnGaRu之一。
在一些实施例中，具有PMA的磁体721aa和721ac包括材料的堆叠体， 其中，所述堆叠体的材料选自由下述材料构成的组：Co和Pt；Co和Pd； Co和Ni；MgO、CoFeB、Ta、CoFeB和MgO；MgO、CoFeB、W、CoFeB 和MgO；MgO、CoFeB、V、CoFeB和MgO；MgO、CoFeB、Mo、CoFeB 和MgO；MnxGay；具有L10对称性的材料；或者具有四方晶体结构的材料。 在一些实施例中，具有PMA的磁体由一种或多种材料的单层形成。在一些 实施例中，单层包括Mn和Ga(例如，MnGa)。
图7C-7D分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和复合互 连的器件的3D视图730和对应截面图740，所述磁性结所具有的磁体具有 垂直磁化，所述复合互连具有导致较高阻挡温度的AFM材料。
除了互连722的成分之外，图7C-7D的器件与图7A-7B的器件类似。 这里，根据一些实施例，利用复合互连733替换互连722。在一些实施例中， 厚度tn为0.1nm到20nm。在一些实施例中，复合互连733包括两层或更多 层的733a和722b。在一些实施例中，两层或者更多层的733a和733b包括 AFM材料。在各种实施例中，与插入层725直接接触的层733a包括AFM材料，所述AFM材料与其它非733a层相比具有最高的自旋轨道转矩。在 一些实施例中，互连733的AFM材料向自由层721aa施加界面平面内交换 偏置。在一些实施例中，AFM材料包括Ir、Pt、Mn、Pd或Fe之一。在一 些实施例中，AFM材料是包括Ni(1-x)MxGa2S4的准二维三角形AFM，其中， “M”包括Mn、Fe、Co或Zn之一。在一些实施例中，ta和tb的厚度处于 0.1nm到8nm的范围内。
在一些实施例中，通过以下元素之一对AFM层733a/b进行掺杂：氧、 氮或者诸如Ta、Pt、W、Mo、Co、Ni及其它的具有大自旋翻转长度和小热 迁移率的重金属。在一些实施例中，利用Co、Fe、Ni、MnGa、MnGeGa 或Bct-Ru之一掺杂互AFM层733a/b。在一些实施例中，利用氮和氧掺杂 SOT/AFM电极733的层具有不只提高阻挡温度，还提高耦合至自由层721aa 的AFM层733a所生成的自旋轨道转矩的潜力。这使得图7C-7D的基于 PSOT的MRAM更加可靠。
图7E-7F分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和掺杂SOT/AFM互连以及过孔的器件的3D视图750和对应截面图760，所述磁 性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述掺杂SOT/AFM互连导致较高的阻挡 温度，所述过孔包括与SOT/AFM互连相邻的平面内磁体。
在一些实施例中，图7E-7F的器件包括与互连722/733的表面之一相邻 的平面内固定磁体726，以使得自由磁体721aa与互连722/733的与所述表 面相对的另一表面相邻。在一些实施例中，平面内固定磁体726的尺寸足 够厚或者足够长，从而得到稳定的平面内磁体，其对垂直自由磁体721aa 和/或721ac施加有效平面内场，以用于自由磁体721aa和/或721ac的较快 切换。在一些实施例中，平面内固定磁体的厚度tm处于1nm到20nm的范 围内。可以经由来自平面内固定磁体726的交换偏置相互作用或者偶极子 耦合来施加有效平面内场。例如，平面内磁体726具有指向沿x方向或y 方向的磁化，并且平行于器件750的x-y平面。这里，对于相同的功耗而言， 所述结构中的自由磁体的切换速度相对于图4A的自由磁体421a的切换速 度有所提高，与此同时，通过互连722/733提高了阻挡温度。
图7G-7H分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结、 SOT/AFM互连以及过孔的器件的3D视图750和对应截面图760，所述磁 性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述SOT/AFM互连导致较高的阻挡温度， 所述过孔包括平面内磁体和AFM，平面内磁体和AFM之一与SOT/AFM互 连相邻。
除了在磁性过孔中添加了AFM 727之外，图7G的器件与图7E的器件 类似。在一些实施例中，磁性过孔的平面内固定磁体726与同样形成于磁 性过孔中的平面内AFM或者合成AFM(SAF)727耦合或者相邻。可以调 换AFM 727和平面内固定磁体726的顺序。例如，在一些实施例中，AFM 727与互连222/722相邻，而平面内固定磁体726在AFM 727下方，并且 不与互连722/733直接接触。
在一些实施例中，AFM或者SAF 727所包括的材料包括Ir、Pt、Mn、 Pd或Fe之一。在一些实施例中，AFM或SAF 727是包括Ni(1-x)MxGa2S4的 准二维三角形AFM，其中，“M”包括Mn、Fe、Co或Zn之一。在一些实 施例中，AFM或SAF 727包括具有平面内磁化的一对固定磁体727a和727c 以及处于固定磁体727a和727c之间的耦合层727b。在一些实施例中，固 定磁体727a/c的材料可以根据用于本文讨论的磁体的材料中的任何材料。 在各种实施例中，固定磁体727a/c为平面内磁体。在一些实施例中，用于 耦合层727b的材料可以是与耦合层721ab的材料相同的材料(或者选自相 同的材料组)。从技术效果的角度来看，图7G的器件表现得与图7A的器 件相似，并且相对于自由磁体221a的切换速度提高了自由磁体721aa和721ac的切换速度，并且还导致更高的阻挡温度。
图7I-7J分别示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器 件的3D视图770和对应截面图780，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁 化，其中，AFM嵌入在掺杂的SOT/AFM互连中，所述过孔包括与AFM相 邻的平面内磁体。
图7I的器件与图7G的器件类似，只是也在磁性过孔外部并入了AFM 727作为与SOC/AFM互连722相邻的AFM 728。在一些实施例中，AFM 728 可以在制作SOC/AFM互连722时充当蚀刻停止层。这样，去除了用于形成 蚀刻停止层的一个或多个附加工艺。在各种实施例中，AFM 728有助于使 磁体726的磁化保持稳定地具有平面内磁化。在一些实施例中，AFM728 还包括具有平面内磁化的一对固定磁体(未示出)以及处于固定磁体之间 的耦合层，如AFM 727。从技术效果的角度来看，图7I的器件表现得与图 7G的器件相似，并且仅通过SHE电极222相对于自由磁体221a的切换速 度提高了自由磁体721aa和721ac的切换速度，并且还提高了阻挡温度。
在一些实施例中，层728包括与SOT/AFM电极733或者SOT/AFM电 极222(没有用于提高阻挡温度的掺杂)相邻的诸如BFO的氧化物AFM。 在一些实施例中，磁性过孔不是器件770的部分。在其它实施例中，包括 AFM 727和/或平面内磁体726的磁性过孔与氧化物AFM层728相邻。在 一些实施例中，层728的氧化物AFM提高了未掺杂的SOT/AFM电极222 的阻挡温度。
图8A示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件800 的截面图，所述磁性结所具有的磁体具有通过符号801、802和803指示的 垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠 体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有 较高阻挡温度的SOT/AFM互连相邻。
磁性结在此处由附图标记821示出，其中，层221b(例如，电介质或 者金属/金属氧化物)之下的层一起形成了包括所述结的自由磁体的结构。 图8A的器件与图7A的器件类似，只是利用具有多个层的复合磁体替换了 自由磁体721aa和721ae。
在一些实施例中，多层自由磁体821aa的复合堆叠体包括“n”层第一 材料和第二材料。例如，复合堆叠体包括按照交替方式堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中，“n”具有1到10的范围。在一些实施例中，第一材料 包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之一。在一些实施例中，第二材料包括 Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Co、Cu、 Fe、Ga、Ge、In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、Ni、Pd、Ru或V中的一者 或多者。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Cu2MnAl、Cu2MnIn、Cu2MnSn、 Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi、 Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、Co2FeSi、 Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、MnGa或MnGaRu之一。在一些实 施例中，第一材料具有处于0.6nm到2nm的范围内的厚度t1。在一些实施 例中，第二材料具有处于0.1nm到3nm的范围内的厚度t2。尽管此处的实 施例表明第一材料处于底部，随后是第二材料，但是该顺序可以反转，而不改变技术效果。在各种实施例中，自由磁体结构821aa耦合至互连722/733， 这提高了阻挡温度。
在一些实施例中，多层自由磁体821bb的复合堆叠体包括“n”层第一 材料和第二材料。例如，复合堆叠体包括按照交替方式堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中，“n”具有1到10的范围。在一些实施例中，第一材料 包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之一。在一些实施例中，第二材料包括 Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Co、Cu、 Fe、Ga、Ge、In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、Ni、Pd、Ru或V中的一者 或多者。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Cu2MnAl、Cu2MnIn、Cu2MnSn、 Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi、 Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、Co2FeSi、 Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、MnGa或MnGaRu之一。在一些实 施例中，第一材料具有处于0.6nm到2nm的范围内的厚度t1。在一些实施 例中，第二材料具有处于0.1nm到3nm的范围内的厚度t2。尽管此处的实 施例表明第一材料处于底部，随后是第二材料，但是该顺序可以反转，而不改变技术效果。
可以按照任何顺序混合图7A-7J的实施例。例如，可以利用AFM磁体 替换平面内磁体726，可以利用具有自由磁化的单个磁体替换具有自由磁体 和耦合层的自由磁体结构，等等。在一些实施例中，磁体(自由和/或固定 的)也可以是顺磁体。
图8B示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件850 的截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的 自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过 孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有较高阻挡温 度的SOT/AFM互连722/733相邻。
这里，利用复合堆叠体替换图8A的固定磁体221c。因而，将磁性结 标示为831。在一些实施例中，多层固定磁体821cc的复合堆叠体包括“n” 层第一材料和第二材料。例如，复合堆叠体包括按照交替方式堆叠的层 821aa1-n和821ab1-n，其中，“n”具有1到10的范围。在一些实施例中，第 一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之一。在一些实施例中，第二材料 包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Co、 Cu、Fe、Ga、Ge、In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、Ni、Pd、Ru或V中的 一者或多者。在一些实施例中，赫斯勒合金包括Cu2MnAl、Cu2MnIn、 Cu2MnSn、Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、 Co2FeSi、Co2FeAl、Fe2VAl、Mn2VGa、Co2FeGe、MnGa或MnGaRu之一。 在一些实施例中，第一材料具有处于0.6nm到2nm的范围内的厚度t3。在 一些实施例中，第二材料具有处于0.1nm到3nm的范围内的厚度t4。尽管此处的实施例表明第一材料处于底部，随后是第二材料，但是该顺序可以 反转，而不改变技术效果。
图8C示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件850 的截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的 自由磁体结构的自由磁体中的一个自由磁体以及固定磁体结构包括具有垂 直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体 和AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连722/733相邻。这里， 利用非复合自由磁体721ac替换图8C的自由磁体821bb。因而，将磁性结 标示为851。
图8D示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件860 的截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的 固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁 体和/或AFM，平面内磁体和AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM 互连722/733相邻。这里，利用非复合自由磁体721aa代替图8D的自由磁 体821aa。因而，将磁性结标示为861。
图8E示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件870 的截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的 自由磁体结构的自由磁体中的一个自由磁体以及固定磁体结构包括具有垂 直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或AFM，平面内磁体 和AFM之一与具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连722/733相邻。这里， 利用非复合自由磁体721aa代替图8B的自由磁体821aa。
图8F示出了根据本公开的一些实施例的具有磁性结和过孔的器件880 的截面图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，所述磁性结的 自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过 孔包括与嵌入在SOT/AFM互连中的AFM相邻的平面内磁体。与图8F相 比，这里，从磁性过孔中去除AFM 727，并将AFM 727作为层728集成在 SOC互连222中。在一些实施例中，层728是提高互连的阻挡温度的AFM 氧化物层，现在所述互连包括SOT/AFM 222和层728。在一些实施例中， 互连或电极包括SOC 222和层728(例如，BFO)。
图9A示出了根据本公开的一些实施例的显示获取自由磁体结构的切 换的自旋极化的曲线图900，所述自由磁体结构受到处于具有较高阻挡温度 的SOT/AFM互连722/733之下的磁性过孔以及处于磁性结和互连之间的插 入层的交换耦合或偏置。图9B示出了根据本公开的一些实施例的与图9A 相关联的磁化曲线图920。
曲线图900示出了具有PMA的自旋轨道转矩器件的切换。这里，波形901、902和903分别表示在x轴、y轴和z轴上的磁化投影。磁体以-1的z 磁化开始。从5ns(纳秒)到50ns施加正自旋轨道转矩(SOT)。其使得z 磁化被切换至1。之后，在120ns和160ns之间施加负自旋轨道转矩。其使 得z磁化被切换至1。这例示了响应于某一极性的写入电荷电流的磁化改变。
图9C示出了根据本公开的一些实施例的显示获取自由磁体结构的切 换的自旋极化的曲线图930，所述自由磁体结构受到处于具有较高阻挡温度 的SOT/AFM互连722/733之下的磁性过孔、以及处于磁性结和互连之间的 插入层的交换耦合或偏置。图9D示出了根据本公开的一些实施例的与图 9C相关联的磁化曲线图940。
这里，波形931、932和933分别表示在x轴、y轴、z轴上的磁化投 影。与图9C的情况的差异在于，从5ns到50ns施加负自旋轨道转矩(SOT)。 结果，z磁化保持接近-1。这例示了响应于相反极性的写入电荷电流的磁化 的持续性。
图10A-10C分别示出了根据一些实施例的耦合至晶体管和位线的SOT 存储器件1000、1020和1030(例如，图7-8的器件中的任何器件)的截面 图1000、1020和1030。
在实施例中，晶体管是n型晶体管MN，其具有源极区1002、漏极区 1004和栅极1006。晶体管MN还包括设置在栅极1006上方并与栅极1006 电耦合的栅极接触部1014、设置在源极区1002上方并与源极区1002电耦 合的源极接触部1016、以及设置在漏极区1004上方并与漏极区1004电耦 合的漏极接触部718。在一些实施例中，诸如图7-8的SOT存储器件的SOT 存储器件设置在晶体管上方。尽管实施例被例示为具有n型晶体管MN，但 是可以利用p型晶体管替换晶体管。
在一些实施例中，SOT存储器件包括自旋轨道转矩电极，例如自旋轨 道转矩电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧 化物；或者包括722或733以及层728的电极)，诸如MTJ 721/821/831/ 841/851/861/871的磁性隧道结存储器件设置在自旋轨道转矩电极722/733 上，并且诸如导电互连结构708(例如，结构708a/b)的导电互连结构设置 在MTJ上并与MTJ耦合。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极722/733(或 者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733 以及层728的电极)设置在晶体管700的漏极接触部718上。
在一些实施例中，MTJ存储器件(例如，其包括MTJ 721/821/831/ 841/851/861/871)包括联系图2-图8所描述的个体功能层。在一些实施例 中，自旋轨道转矩电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层728 是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极)具有小于漏极接 触部1018和源极接触部1016之间的间隔距离LDS的长度LSOT。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层 728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极)的部分在栅 极电极1012和栅极接触部1014上方延伸。在一些实施例中，自旋轨道转 矩电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧化物； 或者包括722或733以及层728的电极)的部分在栅极电极1012之上延伸。 在一些实施例中，自旋轨道转矩电极722/733(或者包括222/728的电极， 其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极)处 于图7A所示的第一y-z平面中。
在一些实施例中，栅极接触部1014直接处于自旋轨道转矩电极722/733 (或者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722 或733以及层728的电极)下方。在一些实施例中，字线(WL)接触部1070 被设置到处于自旋轨道转矩电极222的第一y-z平面后面(进入纸内)的第 二y-z平面上的栅极接触部1014上。在一些实施例中，可以不接触字线接 触部的自旋轨道转矩电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层728 是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极)设置在栅极电极 1012上。
在一些实施例中，与衬底1001相关联的晶体管MN是制作在衬底1001 上的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET或简称为MOS晶体管)。 在本公开的各种实施例中，晶体管可以是平面晶体管、非平面晶体管或两 者的组合。非平面晶体管包括诸如双栅极晶体管和三栅极晶体管的FinFET 晶体管、以及诸如纳米带晶体管和纳米线晶体管的环绕栅极或者栅极全包 围晶体管。在实施例中，晶体管是三栅极晶体管。
在一些实施例中，在位线(BL)1030和源极线(SL)1040之间施加 电压VDS，并且对字线1050加电到超过晶体管上的阈值电压VTH。在一些 实施例中，电子电流(自旋霍尔电流)流经自旋轨道转矩电极722/733(或 者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733 以及层728的电极)，并使得自旋扩散电流流向MTJ存储器件200/300/400。 自旋扩散电流对MTJ 721/821/831/841/851/861/871的自由磁体721aa/821aa 的磁化施加转矩。
在一些实施例中，通过在位线1030和源极线1040之间施加电压VDS， 电流能够流经图7-8的MTJ存储器件。在一些实施例中，等于或者大于阈 值电压VTS的电压VDS足以生成通过MTJ 721/821/831/841/851/861/871的自 旋极化电流。在一些实施例中，流经MTJ 221/321/421的自旋转移矩电流还 向自由磁体421a/721aa//821aa赋予加到来自自旋扩散电流的转矩的转矩。 在一些实施例中，自旋转移矩和自旋扩散转矩的合并效应能够切换自由磁体421a/721aa//821aa的磁化。在一些实施例中，通过反转电压VDS的极性 以及施加符合或者超过阈值电压的电压，将自由磁体421a/721aa//821aa的 磁化方向切换回到先前配置。
在一些实施例中，通过在位线1030和源极线1030之间施加电压，并 且通过在晶体管的字线1050上施加超过阈值电压VTH的电压，图7-8的 MTJ存储器件能够经历磁化切换，而无需附加的电压源(例如，第二晶体 管)。在一些实施例中，在晶体管上方实施图7-8的SOT存储器件能够使给 定管芯面积内的图7-8的SOT存储器件的数量提高至少两倍。
在一些实施例中，下层衬底1001表示用于制造集成电路的表面。在一 些实施例中，衬底1001包括适当的半导体材料，例如但不限于单晶硅、多 晶硅和绝缘体上硅(SOI)。在另一个实施例中，衬底1001包括其它半导体 材料，例如锗、硅锗或者适当的III-V族或III-N族化合物。衬底1001还可 以包括半导体材料、金属、掺杂剂以及半导体衬底中常见的其它材料。
在一些实施例中，晶体管包括由至少两层形成的栅极堆叠体，所述至 少两层为栅极电介质层1010和栅极电极层1012。栅极电介质层1010可以 包括一个层或者层的堆叠体。一个或多个层可以包括氧化硅、二氧化硅(SiO2) 和/或高k电介质材料。高k电介质材料可以包括诸如铪、硅、氧、钛、钽、 镧、铝、锆、钡、锶、钇、铅、钪、铌和锌的元素。栅极电介质层中可以 使用的高k材料的示例包括但不限于氧化铪、硅氧化铪、氧化镧、氧化镧 铝、氧化锆、硅氧化锆、氧化钽、氧化钛、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化 锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽、以及铌酸铅锌。在一些实施例中， 在使用高k材料时，可以对栅极电介质层1010执行退火工艺，以提高其质 量。
晶体管700的栅极电极层1012形成于栅极电介质层1010上，并且可 以由至少一种P型功函数金属或者N型功函数金属构成，具体取决于晶体 管是PMOS晶体管还是NMOS晶体管。在一些实施例中，栅极电极层1012 可以由两个或更多金属层的堆叠体构成，其中，一个或多个金属层是功函 数金属层，并且至少一个金属层是导电填充层。
对于PMOS晶体管而言，可以用于栅极电极层1012的金属包括但不限 于钌、钯、铂、钴、镍和导电金属氧化物，例如氧化钌。P型金属层将使得 能够形成具有处于大约4.9eV和大约5.2eV之间的功函数的PMOS栅极电 极层1012。对于NMOS晶体管而言，可以用于栅极电极层1012的金属包 括但不限于铪、锆、钛、钽、铝、这些金属的合金以及这些金属的碳化物，例如碳化铪、碳化锆、碳化钛、碳化钽和碳化铝。N型金属层将使得能够 形成具有处于大约3.9eV和大约4.2eV之间的功函数的NMOS栅极电极层 1012。
在一些实施例中，栅极电极层1012可以包括“U”形结构，其包括大 体上平行于衬底的表面的底部部分以及大体上垂直于衬底的顶表面的两个 侧壁部分。在另一个实施例中，形成栅极电极层1012的金属层中的至少一 个可以仅仅是大体上平行于衬底的顶表面的平面层，并且不包括大体上垂 直于衬底的顶表面的侧壁部分。在本公开的一些实施例中，栅极电极层1012 可以由U形结构以及平面非U形结构构成。例如，栅极电极层1012可以由形成在一个或多个平面非U形层顶上的一个或多个U形金属层构成。
在一些实施例中，栅极电介质层对1010可以形成在栅极堆叠体的相对 侧上，以托夹栅极堆叠体。栅极电介质层710可以由诸如氮化硅、氧化硅、 碳化硅、利用碳掺杂的氮化硅、以及氮氧化硅的材料形成。用于形成侧壁 间隔体的工艺是本领域已知的，并且一般包括沉积和蚀刻工艺操作。在一 些实施例中，可以使用多个间隔体对，例如，可以在栅极堆叠体的相对侧 上形成两对、三对或四对侧壁间隔体。
在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004形成在衬底内、与晶体 管的栅极堆叠体相邻。源极区1002和漏极区1004通常使用注入/扩散工艺 形成，或者使用蚀刻/沉积工艺形成。在前一种工艺中，可以将诸如硼、铝、 锑、磷或砷的掺杂剂离子注入到衬底中，以形成源极区1002和漏极区1004。 在离子注入工艺之后是退火工艺，其将掺杂剂激活，并使其进一步扩散到 衬底中。在后一种工艺中，可以首先对衬底进行蚀刻，以在源极区和漏极 区的位置处形成凹陷。之后，可以实施外延沉积工艺，以利用用于制作源 极区1002和漏极区1004的材料填充凹陷。在一些实施例中，源极区1002 和漏极区1004可以是使用诸如硅锗或者碳化硅的硅合金制作的。在一些实 施例中，可以利用诸如硼、砷或磷的掺杂剂对外延沉积的硅合金进行原位 掺杂。在一些实施例中，可以使用一种或多种替代的半导体材料(例如， 锗或者适当的III-V族化合物)形成源极区1002和漏极区1004。在一些实 施例中，可以使用金属和/或金属合金的一个或多个层来形成源极区1002 和漏极区1004。
在一些实施例中，晶体管700的栅极接触部1014和漏极接触部1018 设置在第一电介质层1020中，所述第一电介质层1020设置在衬底1001上 方。在一些实施例中，自旋轨道转矩电极722/733(或者包括222/728的电 极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极) 设置在第二电介质层1022中，所述第二电介质层1022设置在第一电介质 层1020上。在一些实施例中，第三电介质层1024设置在第二电介质层1022 上。在一些实施例中，第四电介质层1026设置在第三电介质层1024上。 在一些实施例中，源极接触部1016部分地设置在第四电介质层1026中， 部分地设置在第三电介质层1024中，部分地设置在第二电介质层1022中， 并且部分地设置在第一电介质层1020上。在一些实施例中，自旋轨道转矩 电极接触部设置在自旋轨道转矩电极722/733(或者包括222/728的电极， 其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极)上 的第三电介质层1024中。在一些实施例中，诸如导电互连结构1008A/B的 导电互连结构设置在第四电介质层1026中。
栅极接触部1014形成于多晶区中；漏极接触部1018形成于有源、多 晶和金属0(M0)中；SOT或SHE电极222形成于过孔0-1层中；MTJ 721/821/831/841/851/861/871形成于金属1(M1)和过孔1-2中；接触部708a 形成于金属2(M2)和过孔2-3中；并且导体1008B形成于金属3(M3) 中。
在一些实施例中，磁性结(例如，MTJ 721/821/831/841/851/861/871或 自旋阀)形成于金属3(M3)区中。在一些实施例中，磁性结721/821/831/ 841/851/861/871的自由磁体层421a耦合至电极722/733(或者包括222/728 的电极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的 电极)。在一些实施例中，磁性结721/821/831/841/851/861/871的固定磁体 层421c/821cc通过过孔3-4(例如，将金属4区连接至金属4(M4)的过孔) 经由电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧化 物；或者包括722或733以及层728的电极)耦合至位线(BL)。在该示例 性实施例中，位线形成在M4上。
在一些实施例中，n型晶体管MN形成在管芯的前端中，而电极722/733 (或者包括222/728的电极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722 或733以及层728的电极)位于管芯的后端中。这里，术语“后端”一般 是指管芯的与“前端”相对的部分，并且其中，IC(集成电路)封装耦合 至IC管芯凸点。例如，更加靠近管芯封装的高层级金属层(例如，十金属 堆叠体管芯中的金属层6及以上的金属层)和对应的过孔被认为是管芯的 后端的部分。相反，术语“前端”一般是指管芯的包括有源区(例如，其 中制作了晶体管)以及更加靠近有源区的低层级金属层和对应过孔(例如， 十金属堆叠体管芯示例中的金属层5及以下的金属层)的部分。在一些实 施例中，电极722/733(或者包括222/728的电极，其中，层728是AFM 氧化物；或者包括722或733以及层728的电极)位于后端金属层中或者 (例如)过孔3中的过孔层中。在一些实施例中，在层M0和M4或者M1 和M5或者两个平行互连的任何组中获得通往器件的电连接。在一些实施例 中，MTJ 721/821/831/841/851/861/871形成于金属2(M2)和金属1(M1) 层区和/或过孔1-2区中。在一些实施例中，电极722/733(或者包括222/728 的电极，其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的 电极)形成于金属1区中。
图11示出了根据一些实施例的用于形成图7-8的器件的方法的流程图1100。尽管流程图中的下述块(或者工艺操作)是按照特点顺序布置的， 但是也可以改变该顺序。在一些实施例中，一些块可以并行执行。在块1101， 形成具有带有第一磁化(例如，垂直磁化)的磁体的磁性结。在块1102， 形成与磁性结相邻的互连(例如，电极722/733(或者包括222/728的电极， 其中，层728是AFM氧化物；或者包括722或733以及层728的电极))。 在一些实施例中，互连包括被掺杂有掺杂材料以提高阻挡温度的AFM材料。 在一些实施例中，掺杂材料包括Pt、Ni、Co或Cr中的一者或多者。
在块1103，一种结构与互连相邻，以使得磁性结和结构处于互连的相 对表面上，其中，所述结构包括具有显著不同于第一磁化的第二磁化的磁 体。
在一些实施例中，形成磁性结包括：形成结构的堆叠体，其包括：形 成包括相对于器件的x-y平面具有不固定的垂直磁各向异性(PMA)的磁 体的第一结构；形成包括电介质或金属之一的第二结构；以及形成包括具 有固定PMA的磁体的第三结构，其中，第三结构具有垂直于器件平面的各 向异性轴，并且其中，第三结构与第二结构相邻，以使得第二结构处于第 一和第三结构之间。
在一些实施例中，互连与第三结构相邻。在一些实施例中，所述方法 包括形成与互连相邻的第四结构，以使得第三和第四结构处于互连的相对 表面上，其中，第四结构包括具有相对于器件的x-y平面的平面内磁化的磁 体。在一些实施例中，形成磁性结的方法包括：形成处于第一和第二结构 之间的第五结构，其中，第五结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一者或多者； 或者形成处于第二和第三结构之间的第六结构，其中，第六结构包括Ru、 Os、Hs或Fe中的一者或多者。
在一些实施例中，所述方法包括形成处于互连和第四结构之间的第七 结构，其中，第七结构包括AFM材料，并且其中，互连包括自旋轨道材料。 在一些实施例中，AFM材料包括Ir、Pt、Mn、Pd或Fe之一。在一些实施 例中，AFM材料是包括Ni(1-x)MxGa2S4的准二维三角形AFM，其中，“M” 包括Mn、Fe、Co或Zn之一。在一些实施例中，形成第一或第三结构包括 形成包括第一材料以及不同于第一材料的第二材料的堆叠体。在一些实施 例中，第一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之一。在一些实施例中， 赫斯勒合金包括Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、 Ni、Pd、Ru或V中的一者或多者。在一些实施例中，第二材料包括Pt、Pd、 Ir、Ru或Ni之一。在一些实施例中，第一材料具有处于0.6nm到2nm的范 围内的厚度，并且其中，第二材料具有处于0.1nm到3nm的范围内的厚度。 在一些实施例中，电介质包括Mg和O。
在一些实施例中，形成第一结构或者第三结构包括形成包括第一材料 和第二材料的超晶格，其中，第一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之 一；并且其中，第二材料包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一。在一些实施例中， 形成第一结构或第三结构包括三种材料的堆叠体，所述三种材料包括与第 四结构相邻的第一材料、与第一材料相邻但是不与第四结构接触的第二材 料、以及与第二材料和第二结构相邻的第三材料，其中，第一材料包括Co、 Ni、Fe或者赫斯勒合金中的一者或多者，其中，第二材料包括Ru，并且其 中，第三材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金中的一者或多者。在一些实 施例中，互连包括β-钽(β-Ta)、Ta、β-钨(β-W)、W、铂(Pt)、利用元素 进行掺杂的铜(Cu)、Ti、S、W、Mo、Se、B、Sb、Re、La、C、P、La、 As、Sc、O、Bi、Ga、Al、Y、In、Ce、Pr、Nd、F、Ir、Mn、Pd或Fe中 的一者或多者，所述元素包括铱、铋或者3d、4d、5d以及4f、5f周期表族 的元素之一。在一些实施例中，互连包括自旋轨道材料，所述自旋轨道材 料包括2D材料、3D材料、AFM材料或者掺杂有掺杂材料的AFM材料之 一。在一些实施例中，3D材料比2D材料薄。在一些实施例中，掺杂材料 包括Co、Fe、Ni、Mn、Ga、Fe或Bct-Ru之一。
在一些实施例中，形成互连包括形成层的堆叠体，其中，堆叠体中的 层之一包括AFM材料。在一些实施例中，磁性结是自旋阀或者磁性隧道结 (MTJ)之一。在一些实施例中，第一结构是顺磁体，其包括Pt、Pd、W、 Ce、Al、Li、Mg、Na、Cr、Co、Dy、O、Er、Eu、Eu、Gd、Fe、Nd、K、 Pr、Sm、Tb、Tm或V中的一者或多者，或者其中，第一结构的磁体是包 括掺杂剂的顺磁体，所述掺杂剂包括Ce、Cr、Mn、Nb、Mo、Tc、Re、Nd、 Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一者或多者。
图12示出了根据本公开的一些实施例的具有基于磁性结的存储器的智 能装置或计算机系统或SoC(片上系统)，所述基于磁性结的存储器具有用 于具有较高阻挡温度的SOT/AFM互连中的偶极子和交换耦合的过孔。
出于实施例的目的，文中描述的各种电路和逻辑块中的晶体管是金属 氧化物半导体(MOS)晶体管或其衍生物，其中，MOS晶体管包括漏极端 子、源极端子、栅极端子和体端子。晶体管和/或MOS晶体管衍生物还包 括三栅极晶体管和FinFET晶体管、栅极全包围圆柱晶体管、隧穿FET (TFET)、方线、或者矩形带晶体管、铁电FET(FeFET)或者实施晶体管 功能的其它器件，例如，碳纳米管或者自旋电子器件。MOSFET的对称源 极端子和漏极端子是等同端子，并且在此处可互换使用。另一方面，TFET 器件具有非对称的源极端子和漏极端子。本领域技术人员将认识到，可以 使用其它晶体管，例如，双极结型晶体管(BJT PNP/NPN)、BiCMOS、CMOS 等，而不脱离本公开的范围。
图12示出了能够使用平表面接口连接器的移动装置的实施例的框图。 在一些实施例中，计算装置1600表示移动计算装置，例如，计算平板电脑、 移动电话或智能电话、支持无线的电子阅读器或者其它无线移动装置。应 当理解，在计算装置1600中只是大致示出了某些部件，而未示出这种装置 的所有部件。
在一些实施例中，根据所讨论的一些实施例，计算装置1600包括具有 根据图7-8的器件中的任何器件的一个或多个器件的第一处理器1610。根 据一些实施例，计算装置1600的其它块也可以包括根据图7-8的器件中的 任何器件的一个或多个器件。本公开的各种实施例还可以包括处于1670内 的网络接口，例如，无线接口，以使系统实施例可以被并入到诸如蜂窝电 话或个人数字助理的无线装置中。
在一些实施例中，处理器1610(和/或处理器1690)可以包括一个或多 个物理器件，例如，微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑器件 或者其它处理模块。处理器1610执行的处理操作包括在上面执行应用和/ 或装置功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括与人类使用或者 其它装置的I/O(输入/输出)有关的操作、与功率管理有关的操作、和/或 与将计算装置1600连接至另一装置有关的操作。处理操作还可以包括与音频I/O和/或显示I/O有关的操作。
在一些实施例中，计算装置1600包括音频子系统1620，其表示与向计 算装置提供音频功能相关联的硬件部件(例如，音频硬件和音频电路)和 软件部件(例如，驱动程序、编解码程序)。音频功能可以包括扬声器和/ 或耳机输出以及麦克风输入。用于这种功能的装置可以被集成到计算装置 1600中，或者可以连接至计算装置1600。在一个实施例中，用户通过提供 由处理器1610接收并处理的音频命令而与计算装置1600交互。
在一些实施例中，计算装置1600包括显示子系统1630。显示子系统 1630表示提供视觉和/或触觉显示以使用户与计算装置1600交互的硬件部 件(例如，显示装置)和软件部件(例如，驱动程序)。显示子系统1630 包括显示接口1632，其包括用于向用户提供显示的特定屏幕或硬件装置。 在一个实施例中，显示接口1632包括与处理器1610分开的用于执行与显 示有关的至少一些处理的逻辑。在一个实施例中，显示子系统1630包括向 用户提供输入和输出的触摸屏(或触控板)装置。
在一些实施例中，计算装置1600包括I/O控制器1640。I/O控制器1640 表示与和用户的交互有关的硬件装置和软件部件。I/O控制器1640可操作 用于管理作为音频子系统1620和/或显示子系统1630的部分的硬件。此外， I/O控制器1640示出了用于连接至计算装置1600的附加装置的连接点，用 户可以通过该附加装置与系统交互。例如，可以附接至计算装置1600的装 置可以包括麦克风装置、扬声器或立体声系统、视频系统或者其它显示装置、键盘或小键盘装置、或者与特定应用结合使用的其它I/O装置，例如， 读卡器或其它装置。
如上文所提及的，I/O控制器1640可以与音频子系统1620和/或显示子 系统1630交互。例如，通过麦克风或其它音频装置的输入可以提供用于计 算装置1600的一个或多个应用或功能的输入或命令。此外，可以提供音频 输出以替代显示输出，或者除了显示输出之外还提供音频输出。在另一示 例中，如果显示子系统1630包括触摸屏，那么显示装置还可以充当输入装 置，其可以至少部分地由I/O控制器1640管理。在计算装置1600上还可以存在附加的按钮或开关，以提供通过I/O控制器1640管理的I/O功能。
在一些实施例中，I/O控制器1640管理诸如加速度计、照相机、光传 感器或其它环境传感器、或者计算装置1600中包括的其它硬件的装置。输 入可以是直接用户交互的部分，以及向系统提供环境输入，以影响其操作(例如，噪声过滤、针对亮度检测调整显示、为照相机应用闪光灯或者其 它特征)。
在一些实施例中，计算装置1600包括功率管理1650，其管理电池功率 使用、电池充电以及与省电操作有关的特征。存储器子系统1660包括用于 存储计算装置1660中的信息的存储器装置。存储器可以包括非易失性存储 器装置(如果中断对存储器装置的供电，则状态不变)和/或易失性存储器 装置(如果中断对存储装置的供电，则状态不确定)。存储器子系统1660 可以存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或者其它数据以及与计 算装置1600的应用和功能的执行有关的系统数据(不管是长期的还是暂时 的)。
还将实施例的要素提供为用于存储计算机可执行指令(例如，用以实 施文中讨论的任何其它过程的指令)的机器可读介质(例如，存储器1660)。 机器可读介质(例如，存储器1660)可以包括但不限于闪速存储器、光盘、 CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁或光卡、相变存储 器(PCM)、或者适于存储电子或计算机可执行指令的其它类型的机器可读介质。例如，可以将本公开的实施例作为计算机程序(例如，BIOS)下载， 其可以被经由通信链路(例如，调制解调器或者网络连接)通过数据信号 从远程计算机(例如，服务器)传输至请求计算机(例如，客户端)。
在一些实施例中，计算装置1600包括连接1670。连接1670包括硬件 装置(例如，无线和/或有线连接器和通信硬件)和软件部件(例如，驱动 程序、协议栈)，以使计算装置1600能够与外部装置通信。计算装置1600 可以是单独的装置，例如，其它计算装置、无线接入点或基站、以及诸如 耳机、打印剂或其它装置的外围装置。
连接1670可以包括多种不同类型的连接。作为概括，计算装置1600 被例示为采用蜂窝连接1672和无线连接1674。蜂窝连接1672一般是指通 过无线载波提供的蜂窝网络连接，例如，经由GSM(全球移动通信系统) 或其变型或衍生产物、CDMA(码分多址)或其变型或衍生产物、TDM(时 分复用)或其变型或衍生产物、或者其它蜂窝服务标准所提供的蜂窝网络 连接。无线连接(或者无线接口)1674是指非蜂窝的无线连接，并且可以 包括个域网(例如，蓝牙、近场等)、局域网(例如，Wi-Fi)和/或广域网(例如，WiMax)或者其它无线通信。
在一些实施例中，计算装置1600包括外围连接1680。外围连接1680 包括硬件接口和连接器以及软件部件(例如，驱动程序、协议栈)，以实施 外围连接。应当理解，计算装置1600既可以是通往其它计算装置的外围装 置(“通往”1682)，也可以具有与之连接的外围装置(“来自”1684)。 计算装置1600通常具有“对接”连接器，以连接至其它计算装置，以用于 诸如管理(例如，下载和/或上载、改变、同步化)计算装置1600上的内容 的目的。此外，对接连接器能够允许计算装置1600连接至某些外围装置， 其允许计算装置1600控制输出到(例如)视听系统或其它系统的内容。
除了专有对接连接器或其它专有连接硬件之外，计算装置1600还能够 经由公共的或者基于标准的连接器实施外围连接1680。常见类型可以包括 通用串行总线(USB)连接器(其可以包括很多不同硬件接口中的任何硬 件接口)、包括迷你显示端口(MDP)的显示端口、高清晰度多媒体接口 (HDMI)、Firewire、或其它类型。
在说明书中提到“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或者 “其它实施例”是指结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在至 少一些实施例中，但是未必在所有实施例中。“实施例”、“一个实施例” 或者“一些实施例”的各种出现未必全部指代同一实施例。如果说明书陈 述“可以”、“或许”或者“可能”包括部件、特征、结构或特性，则不 要求包括该特定部件、特征、结构或特性。如果说明书或者权利要求提及 “一”元件，那么其不表示只有一个所述元件。如果说明书或权利要求提 到“附加的”元件，那么其不排除存在不只一个附加的元件。
此外，可以在一个或多个实施例中按照适当方式将特定特征、结构、 功能或特性组合。例如，第一实施例可以与第二实施例组合，只要与这两 个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥。
尽管已经结合本公开的具体实施例描述了本公开，但是考虑到上述说 明，这种实施例的很多替代方案、修改和变化对本领域普通技术人员是显 而易见的。本公开的实施例旨在涵盖所有这种替代方案、修改和变化，从 而使之落在所附权利要求的宽泛范围内。
此外，在所给出的附图内可以或可以不示出与集成电路(IC)芯片和 其它部件的公知的电源/接地连接，以简化图示和讨论，并且不使本公开难 以理解。此外，布置可能是按照方框图的形式示出的，以避免使本公开难 以理解，而且还鉴于这样的事实，即关于这种框图布置的实施方式的细节 高度依赖于要实施本公开的平台(即，这种细节应当充分地处于本领域技 术人员的能力范围内)。在为了描述本公开的示例性实施例而阐述了具体细节(例如，电路)的地方，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有 这些细节的情况下或者可以利用这些细节的变型实践本公开。因而，应当 将说明书视为是例示性的，而非限制性的。
提供了摘要以允许读者确认本公开的本质和主旨。在理解了摘要将不 用于限制权利要求的范围或含义的情况下提交摘要。由此将以下权利要求 并入到具体实施方式中，每个权利要求自身代表单独的实施例。

Claims (26)

1.一种具有高阻挡温度的设备，所述设备包括：
磁性结，其包括：
结构的堆叠体，包括：
第一结构，其包括具有相对于器件的x-y平面的非固定垂直磁各向异性(PMA)的磁体；
第二结构，其包括电介质或金属之一；以及
第三结构，其包括具有固定PMA的磁体，其中，所述第三结构具有垂直于所述器件的所述平面的各向异性轴，并且其中，所述第三结构与所述第二结构相邻，以使得所述第二结构处于所述第一结构和所述第三结构之间；以及
与所述第三结构相邻的互连，其中，所述互连包括利用掺杂材料掺杂的反铁磁(AFM)材料。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掺杂材料包括Pt、Ni、Co或Cr中的一者或多者。
3.根据权利要求1所述的设备，包括第四结构，所述第四结构与所述互连相邻以使得所述第三结构和所述第四结构处于所述互连的相对表面上，其中，所述第四结构包括具有相对于所述器件的所述x-y平面的平面内磁化的磁体。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述磁性结包括：
处于所述第一结构和所述第二结构之间的第五结构，其中，所述第五结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一者或多者；或者
处于所述第二结构和所述第三结构之间的第六结构，其中，所述第六结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一者或多者。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，包括：处于所述互连和所述第四结构之间的第七结构，其中，所述第七结构包括AFM材料，并且其中，所述互连包括自旋轨道材料。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述AFM材料包括Ir、Pt、Mn、Pd或Fe之一。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述AFM材料是包括Ni(1-x)MxGa2S4的准二维三角形AFM，其中，“M”包括Mn、Fe、Co或Zn之一。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中：
所述第一结构或所述第三结构包括包含第一材料以及不同于所述第一材料的第二材料的堆叠体；
所述第一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之一；
所述赫斯勒合金包括Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Mn、Al、In、Sb、Si、Sn、Ni、Pd、Ru或V中的一者或多者；
所述第二材料包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一；并且
其中，所述第一材料具有处于0.6nm到2nm的范围内的厚度，并且其中，所述第二材料具有处于0.1nm到3nm的范围内的厚度。
9.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述电介质包括Mg和O。
10.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述第一结构或所述第三结构包括包含第一材料和第二材料的超晶格，其中，所述第一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金之一；并且其中，所述第二材料包括Pt、Pd、Ir、Ru或Ni之一。
11.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述第一结构或所述第三结构包括三种材料的堆叠体，所述三种材料包括与所述第四结构相邻的第一材料、与所述第一材料相邻但是不与所述第四结构接触的第二材料、以及与所述第二材料和所述第二结构相邻的第三材料，其中，所述第一材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金中的一者或多者，其中，所述第二材料包括Ru；并且其中，所述第三材料包括Co、Ni、Fe或者赫斯勒合金中的一者或多者。
12.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述互连包括β-钽(β-Ta)、Ta、β-钨(β-W)、W、铂(Pt)、利用元素进行掺杂的铜(Cu)、Ti、S、W、Mo、Se、B、Sb、Re、La、C、P、La、As、Sc、O、Bi、Ga、Al、Y、In、Ce、Pr、Nd、F、Ir、Mn、Pd或Fe中的一者或多者，所述元素包括铱、铋或者3d、4d、5d以及4f、5f周期表族的元素之一。
13.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中：
所述互连包括自旋轨道材料，所述自旋轨道材料包括2D材料、3D材料、AFM材料或者利用掺杂材料掺杂的AFM材料之一；
所述3D材料比所述2D材料薄；并且
所述掺杂材料包括Co、Fe、Ni、Mn、Ga、Fe或Bct-Ru之一。
14.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述互连包括层的堆叠体，其中，所述堆叠体中的层之一包括AFM材料。
15.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述磁性结是自旋阀或者磁性隧道结(MTJ)之一。
16.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其中，所述第一结构的磁体是顺磁体，所述顺磁体包括Pt、Pd、W、Ce、Al、Li、Mg、Na、Cr、Co、Dy、O、Er、Eu、Eu、Gd、Fe、Nd、K、Pr、Sm、Tb、Tm或V中的一者或多者，或者其中，所述第一结构的磁体是包括掺杂剂的顺磁体，所述掺杂剂包括Ce、Cr、Mn、Nb、Mo、Tc、Re、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一者或多者。
17.一种系统，包括：
存储器；
耦合至所述存储器的处理器，所述处理器具有磁性存储器，所述磁性存储器包括：
具有带有第一磁化的磁体的磁性结；
与所述磁性结相邻的互连，其中，所述互连包括利用掺杂材料掺杂的反铁磁(AMF)材料；以及
与所述互连相邻的结构，所述结构与所述互连相邻使得所述磁性结和所述结构处于所述互连的相对表面上，其中，所述结构包括具有第二磁化的磁体，所述第二磁化显著不同于所述第一磁化；以及
允许所述处理器与另一装置通信的无线接口。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述掺杂材料包括Pt、Ni、Co或Cr中的一者或多者。
19.一种设备，包括：
具有带有第一磁化的磁体的磁性结；
与所述磁性结相邻的互连，其中，所述互连包括利用掺杂材料掺杂的反铁磁(AMF)材料；以及
与所述互连相邻的结构，所述结构与所述互连相邻使得所述磁性结和所述结构处于所述互连的相对表面上，其中，所述结构包括具有第二磁化的磁体，所述第二磁化显著不同于所述第一磁化。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述掺杂材料包括Pt、Ni、Co或Cr中的一者或多者。
21.一种用于形成磁性结构的方法，所述方法包括：
形成具有带有第一磁化的磁体的磁性结；
形成互连，所述互连包括包含反铁磁(AMF)材料的层；以及
形成与所述互连相邻的结构，所述结构与所述互连相邻使得所述磁性结和所述结构处于所述互连的相对表面上，其中，所述结构包括具有第二磁化的磁体，所述第二磁化显著不同于所述第一磁化。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述AFM材料被掺杂材料掺杂以提高阻挡温度。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，形成所述磁性结包括：
形成结构的堆叠体，包括：
形成第一结构，所述第一结构包括具有相对于器件的x-y平面的非固定垂直磁各向异性(PMA)的磁体；
形成第二结构，所述第二结构包括电介质或金属之一；以及
形成第三结构，所述第三结构包括具有固定PMA的磁体，
其中，所述第三结构具有垂直于所述器件的所述平面的各向异性轴，并且其中，所述第三结构与所述第二结构相邻，以使得所述第二结构处于所述第一结构和所述第三结构之间。
24.根据权利要求21所述的方法，包括：形成第四结构，所述第四结构与所述互连相邻以使得所述第三结构和所述第四结构处于所述互连的相对表面上，其中，所述第四结构包括具有相对于所述器件的所述x-y平面的平面内磁化的磁体。
25.根据权利要求21到24中任一项所述的方法，其中，形成所述磁性结包括：在所述第一结构和所述第二结构之间形成第五结构，其中，所述第五结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一者或多者；或者在所述第二结构和所述第三结构之间形成第六结构，其中，所述第六结构包括Ru、Os、Hs或Fe中的一者或多者。
26.一种机器可读介质，具有存储于其上的指令，所述指令在被执行时使得一个或多个机器执行根据权利要求21到25中任一项所述的方法。
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