CN110957420A - 磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性装置和其制造方法 - Google Patents

磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性装置和其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种磁性随机存取记忆体辅助装置和其制造方法。本案提供一种磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，该装置包括安置在基板上的自旋轨道扭矩层，以及安置在该自旋轨道扭矩层上的磁性层。金属氧化层安置在该磁性层上。自旋轨道扭矩层的多个部分从磁性层及金属氧化层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。

Description

磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性装置和其制造方法
技术领域
本揭示内容是关于一种磁性随机存取记忆体辅助装置和其制造方法。
背景技术
磁性随机存取记忆体(magnetic random access memory；MRAM)提供与挥发性静态随机存取记忆体(static random access memory；SRAM)相当的效能，以及与挥发性动态随机存取记忆体(dynamic random access memory；DRAM)相当的具有较低功耗的密度。与非挥发性记忆体(non-volatile memory；NVM)快闪记忆体相比，MRAM提供快得多的存取时间并且随时间变化具有最小程度的劣化，而快闪记忆体可仅在有限次数下被重写。一种类型的MRAM为自旋传递扭矩随机存取记忆体(spin transfer torque random accessmemory；STT-RAM)。STT-RAM利用至少部分地由经由磁穿隧接面(magnetic tunnelingjunction；MTJ)驱动的电流写入的MTJ。另一种类型的MRAM为自旋轨道转矩RAM(spin orbittorque RAM；SOT-RAM)。
发明内容
在一些实施方式中，本揭示内容是关于一种磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，包含：安置在基板上的自旋轨道扭矩层；安置在自旋轨道扭矩层上的磁性层；以及安置在磁性层上的金属氧化层，其中自旋轨道扭矩层的多个部分从磁性层及金属氧化层向外延伸，这些部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。
在一些实施方式中，本揭示内容是关于一种磁性随机存取记忆体(MRAM)辅助的非挥发性物理不可复制函数(physical unclonable function；PUF)的装置，包含：自旋轨道扭矩层，安置在基板上，具有沿第一方向上延伸的第一区域；自旋轨道扭矩层的多个第二区域，沿着垂直于第一方向的第二方向延伸，其中多个第二区域沿着第一方向彼此间隔开；多个第一磁性层安置在自旋轨道扭矩层的第一区域上，其中所述多个第一磁性层各位于一对第二区域之间，对第二区域在相对自旋轨道扭矩层的第一区域的第二方向上延伸；以及金属氧化层，安置在所述多个第一磁性层的每一者上。
在一些实施方式中，本揭示内容是关于一种制造磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置的方法，包含：在基板上形成自旋轨道扭矩层；图案化自旋轨道扭矩层以在基板上形成交叉形状的自旋轨道扭矩层；在交叉形状的自旋轨道扭矩层的中心部分上形成第一磁性层；以及在第一磁性层上形成金属氧化层。
附图说明
本揭示内容当与附图一起阅读时将从以下实施方式中最佳地理解。强调地是，根据行业中的标准实践，各个特征并未按比例绘制并且是仅用于说明目的。实际上，为了论述清晰起见，各个特征的尺寸可以任意地增加或减小。
图1为根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应(Hall effect)装置的示意图；
图2为根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的示意横截面图；
图3为根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的示意横截面图；
图4为根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的示意横截面图；
图5为图示根据本案的实施例的制造MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的方法的流程图；
图6A、图6B、图6C及图6D图示根据本案的实施例的用于MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的制造操作的各个阶段；
图7A、图7B、图7C图示根据本案的实施例的用于MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的制造操作的各个阶段的一者；
图8A、图8B、图8C图示根据本案的实施例的用于MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的制造操作的各个阶段的一者；
图9A、图9B、图9C图示根据本案的实施例的用于MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的制造操作的各个阶段的一者；
图10A及图10B图示根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置；
图11图示根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的操作；
图12A、图12B及图12C图示根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的操作；
图13图示根据本案的实施例的MRAM辅助的非挥发性实体不可仿制装置；
图14图示当施加写入电流时的MRAM辅助的非挥发性实体不可仿制装置的随机转换；
图15为图示根据本案的实施例的制造MRAM辅助的装置的方法的流程图；
图16为图示根据本案的实施例的写入MRAM辅助的装置的方法的流程图；
图17为图示根据本案的实施例的制造MRAM辅助的装置的方法的流程图；
图18图示根据本案的实施例的MRAM辅助的非挥发性实体不可仿制装置的随机性；
图19A和图19B图示根据本案的实施例的写入及读取阵列中的MRAM辅助装置；
图20A、图20B及图20C图示嵌入在集成电路中的MRAM辅助装置。
【符号说明】
5 支撑层
10 底部金属层
15 绝缘层
20 磁性层
22 下部磁性层
24 上部磁性层
25 中部层
26 界面层
28 界面层
30 非磁性金属氧化层
40 第二磁性层
45 下部电极
50 上部触点
55 半导体基板
60 中间金属层
65 通道区域
70 反铁磁层
75 源极/漏极区域
80 第三磁性层
85 栅极电极
90 电压表
95 栅极介电层
100 阵列
105 导电触点
115 晶体管
115' 晶体管
120 高磁场
125 磁场方位
130 电流I+
135 写入电流I+
600 阵列
700 电路
800 集成电路
810 装置
S210 操作
S220 操作
S230 操作
S240 操作
S310 操作
S320 操作
S330 操作
S340 操作
S350 操作
S360 操作
S370 操作
S410 操作
S420 操作
S430 操作
S440 操作
S450 操作
S510 操作
S520 操作
S530 操作
S540 操作
S550 操作
S560 操作
S570 操作
S580 操作
S590 操作
具体实施方式
应理解，以下揭示内容提供了用于实施本发明的不同特征的许多不同实施例，或实例。下文描述了元件和布置的特定实施例或实例以简化本案。当然，这些实例仅为实例且并不意欲作为限制。例如，元件的尺寸不限于所揭示的范围或值，但是可取决于装置的制程条件及/或所要性质。此外，在以下描述中的第一特征在第二特征之上或上方的形式可包括其中第一特征与第二特征直接接触形成的实施例，且亦可包括其中可介于第一特征与第二特征之间形成额外特征，以使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。为了简化及清晰起见，各种特征可以不同比例任意绘制。在附图中，一些层/特征可为了简化起见而省略。
此外，诸如“在……下方”、“在……之下”、“下部”、“在……之上”、“上部”等等空间相对术语可在本文中为了便于描述的目的而使用，以描述如附图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间相对术语意欲涵盖除了附图中所示的定向之外的在使用或操作中的装置的不同定向。装置可经其他方式定向(旋转90度或以其他定向)并且本文所使用的空间相对描述词可同样相应地解释。此外，术语“由……制成”可意谓“包含”或“由……组成”。此外，在以下制造制程中，可能在所描述的操作中/之间存在一或多个额外操作，并且操作的顺序可改变。在本案中，用语“A、B及C中的一者”意谓“A、B及/或C”(A、B、C、A及B、A及C、B及C，或A及B及C)，且不意谓来自A的一个元素，来自B的一个元素及来自C的一个元素，除非另有说明。
STT MRAM具有以下特征，诸如非挥发性性质、与硅-互补金属氧化物半导体(silicon–complementary metal oxide semiconductor；Si-CMOS)的相容性、快速读取及写入速度、高耐久性及数据保持、相对小的位元格大小及环境稳健性，并且因此STT MRAM为用于需要记忆体的所有CMOS集成电路(integrated circuit；Ic)的下一突破性技术。STTMRAM的高价值新兴应用为用于中央处理单元(central processing unit；CPU)或微控制器单元(microcontroller unit；MCU)低位准快取，该低位准快取归因于其非挥发性而提供系统速度提升及更快开启的有吸引力的益处。然而，该应用对记忆体的速度提出了严格的要求，更特定言的对于比读取速度慢得多的写入速度的严格的要求。MCU的快取应用需要低功耗，这对于STT MRAM是困难的，因为其在写入操作期间花费大量电流以改变磁化状态。在当前的STT MRAM技术中，归因于在耐久性及保持方面不可避免的效能折衷，经由薄膜堆叠及写入方案最佳化的写入速度提高及经由堆叠最佳化及CD降低的写入电路减少可能会停滞。已提出如高频辅助写入操作的新颖想法，但可能并不可行。在最佳所报告的STT MRAM写入速度与电流与快取应用程序所需的彼等之间存在一显著间隙，这可能相当于显示停止。
相比之下，自旋轨道传递(或扭矩)(spin-orbital-transfer；SOT)磁性切换为一种新兴的写入概念，其具有对写入电流及速度提供数量级改进的可能性。SOT被视为对于高速、低功率快取应用的解决方案。
图1为根据本案的实施例的在切换中利用自旋轨道交互作用的MRAM辅助的非挥发性记忆体(NVM)霍尔效应的示意图。
MRAM辅助的NVM霍尔效应装置包括形成在支撑层5之上的底部金属层10，如自旋轨道交互作用(SOT)有效层。进一步，MRAM辅助的NVM霍尔效应装置包括第一磁性层20，其为安置在底部金属层10上的自由磁性层或数据储存层；金属氧化层30，安置在第一磁性层20上；且在一些实施例中，包含第二磁性层40，如安置在金属氧化层30上的参考层。在一些实施例中，金属氧化层30为非磁性的。在一些实施例中，作为电极的顶部导电层50安置在第二磁性层40上。
自由层20(第一磁性层)的磁矩是使用自旋轨道交互作用效应切换。在一些实施例中，第一磁性层20的磁矩是仅使用自旋轨道交互作用效应切换。在其他实施例中，第一磁性层20的磁矩是使用效应的组合切换。例如，第一磁性层20的磁矩是使用自旋转移扭矩作为初始效应来切换，该初始效应可通过由自旋轨道交互作用引入的扭矩来辅助。在其他实施例中，初始切换机制为由自旋轨道交互作用引入的扭矩。在该实施例中，包括但不限于自旋转移扭矩的另一效应可辅助切换。
底部金属层10为具有强自旋轨道交互作用的自旋轨道有效层，并且可用于切换第一磁性层20的磁矩。底部金属层10用于产生自旋轨道磁场H。更特定言的，在通过底部金属层10的平面中驱动的电流及伴随的自旋轨道交互作用可产生自旋轨道磁场H。自旋轨道磁场H等同于在第一磁性层20中磁化的自旋轨道扭矩T，其中T＝–γ[M×H]。扭矩及磁场可因此可交换地称为自旋轨道场及自旋轨道扭矩。此反映了自旋轨道交互作用为自旋轨道扭矩及自旋轨道场的起源的事实。自旋轨道扭矩是对于在底部金属层10中的平面中驱动的电流及自旋轨道交互作用而发生。相比之下，自旋转移扭矩是归因于流经第一磁性层20、非磁性间隔物层30及第二磁性层40(参考层)的垂直至平面电流，该电流注入自旋极化电荷载子至第一磁性层20中。自旋轨道扭矩T可平行于易磁化轴将第一磁场20的磁矩从其平衡状态偏转。自旋轨道扭矩T可将第一磁性层20的磁化倾斜，该扭矩显著地快于具有类似最大幅度的习知STT扭矩。在一些实施例中，切换可使用自旋轨道扭矩完成。在其他实施例中，诸如自旋转移的另一机制可用于完成切换。所产生的自旋轨道场/自旋轨道扭矩可从而用于切换第一磁性层20的磁矩。
在一些实施例中，底部金属层的交互作用包括自旋霍尔效应。对于自旋霍尔效应，电流I+是在第一方向(x方向上)上于底部金属层10的平面中被驱动(亦即，平面内电流，大体上在图1的x-y平面中)。换言之，电流I+是垂直于薄膜的堆叠方向而驱动，这些薄膜包括底部金属层10及第一磁性层20(亦即，垂直于表面的法线，图1中的z方向)。具有垂直于电流方向及垂直于表面法线(z方向)的特定方位的自旋的电荷载子积聚在底部金属层10的表面处。大部分这些自旋极化载子扩散至第一磁性层20(自由层)中。此扩散在第一磁性层20的磁化上产生扭矩T。因为磁化上的扭矩等效于磁化上的有效磁场，如上文所述，所以自旋积聚等效地在第一磁性层20上产生磁场H。对于自旋霍尔效应的自旋轨道场为第一磁性层20的自旋轨道极化及磁矩的交叉乘积。因而，扭矩的幅度与载子的平面内电流密度I+及自旋极化成比例。当由自旋霍尔效应引入的极化平行于第一磁性层20的易磁化轴时，自旋霍尔效应可用于切换图1中所示的磁性堆叠层。为了获得自旋轨道扭矩T，电流脉冲在通过底部金属层10的平面中驱动。所得的自旋轨道扭矩T抵消了阻尼力矩，如此导致第一磁性层20的磁化以类似方式切换至习知STT切换。
归因于通过SOT层的电流I+，经由异常霍尔效应及逆向自旋霍尔效应的组合，横电压(霍尔电压)在SOT层中产生。在一些实施例中，横电压用作信号/记忆体。如图1中所示，在一些实施例中，电压表90经连接至SOT层10的部分，该部分在大体上垂直(横向)于电流流动方向(x方向)的第二方向(y方向)上延伸。电压表量测在第二方向上的SOT层的边缘上的电位。经量测的电位差指示磁层20的磁场方位。
如上所述，底部金属层10为自旋轨道有效层，该有效层引起与第一磁性层20的强自旋轨道交互作用。在一些实施例中，SOT层10包括重金属或由重金属掺杂的材料。例如，此材料可选自于A及由B掺杂的M。A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta(包括高电阻非晶β-Ta)、W(包括α-W及β-W)、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At，及/或上述各者的组合；M包括以下至少一者：Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs；并且B包括以下至少一者：V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In 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。在一些实施例中，SOT包括Ir掺杂的Cu及/或Bi掺杂的Cu。掺杂是在约0.1至约10原子百分比的范围中。在其他实施例中，SOT层为铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一些实施例中，底部金属层10的厚度在约2nm至约20nm的范围中；并且在其他实施例中，底部金属层10的厚度在约5nm至约15nm的范围中。在一些实施例中，由例如IrMn制成的反铁磁层安置在底部金属层10与支撑层5之间。
在本案中，“元素层”或“化合物层”通常意谓元素或化合物的含量大于99％。
作为数据储存层的第一磁性层20为自由层，该层具有可切换的磁矩。在一些实施例中，磁性层20为铁磁的并且包括Fe、Ni及Co的一或多者。在一些实施例中，磁性层20包括CoxFeyB。x及y的值可在顺序上不同以获得不同的磁性/结晶性。在一些实施例中，磁性层20具有大于约500高斯的矫顽磁性。在一些实施例中，磁性层20具有范围从大于约500高斯至约750高斯的矫顽磁性。在一些实施例中，磁性层具有范围从大于约500高斯至约600高斯的矫顽磁性。
在一些实施例中，第一磁性层20包括下部磁性层22、中部层25及上部磁性层24，如图2中所示。在一些实施例中，下部磁性层22为钴铁硼(CoFeB)层、钴/钯(CoPd)层及/或钴铁(CoFe)层，在一些实施例中，具有范围从约0.6nm至约1.2nm的厚度。在某些实施例中，下部磁性层22为FexCoyB1-x-y，其中0.50≤x≤0.70且0.10≤y≤0.30。在其他实施例中，0.55≤x≤0.65且0.15≤y≤0.25。
在一些实施例中，上部磁性层24为钴铁硼(CoFeB)层、钴/钯(CoPd)层及/或钴铁(CoFe)层，具有范围从约1.0nm至约3.0nm的厚度；或在一些实施例中，上部磁性层24为NiFe层，具有范围从约0.4nm至约3.0nm的厚度。在某些实施例中，上部磁性层24为FexCoyB1-x-y，其中0.50≤x≤0.70且0.10≤y≤0.30。在其他实施例中，0.55≤x≤0.65且0.15≤y≤0.25。在一些实施例中，上部磁性层24是由与下部磁性层22相同的材料制成。在一些实施例中，上部磁性层22是由与下部磁性层22不同的材料制成。
在一些实施例中，中间非磁性层25为一耦合层并且是由W、Mo、Pt及Ru以及上述各者的合金的一或多者制成。在一些实施例中，中间非磁性层25的厚度是在从约0.2nm至约0.5nm的范围中。经由中间非磁性层25的耦合材料，第一磁性层20的下部磁性层22与上部磁性层24耦合。此耦合将破坏对称性，且因此无电场切换是可能的。在一些实施例中，如图2中所示，下部磁性层22的磁场方向大体上水平(垂直于薄膜堆叠方向)，而上部磁性层24的磁场方向大体上垂直(平行于薄膜堆叠方向)。在一些实施例中，例如下部磁性层22的磁场方向可以一小角度(例如，1度至30度)倾斜，该倾斜可导致穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistance；TMR)率的降级。在一些实施例中，TMR率可通过控制下部磁性层22及上部磁性层24的至少一者的厚度来最佳化。
在一些实施例中，如图3所示，界面层26及28分别安置在下部磁性层22与中间非磁性层25之间，以及在中间非磁性层25与上部磁性层24之间。在一些实施例中，界面层26及28是由FeB制成。在一些实施例中，界面层26及28的厚度是在从约0.5nm至约2nm的范围中。当中间非磁性层25安置在下部磁性层22与上部磁性层24之间(换言之，中间非磁性层25插入在第一磁性层20中)时，可在中间非磁性层25与下部磁性层22及/或上部磁性层24之间的界面处观察到无感层(dead layer)，该无感层可减弱垂直磁各向异性(perpendicularmagnetic anisotropy；PMA)。通过插入界面层26及28，有可能抑制无感层，并且保持或提高PMA。
非磁性金属氧化层30是由介电材料制成。在一些实施例中，非磁性金属氧化层30包括结晶或非晶氧化镁(magnesium oxide；MgO)层。在其他实施例中，非磁性金属氧化层30是由氧化铝制成。在一些实施例中，金属氧化层30具有范围从约0.3nm至约1.2nm的厚度；并且在其他实施例中，非磁性层30的厚度在从约0.5nm至约1.0nm的范围中。在一些实施例中，金属氧化层30为需要用于磁性层20的垂直磁各向异性的材料。
在一些实施例中，装置包括第二磁性层40。第二磁性层40为其中磁矩不改变的参考层。在一些实施例中，第二磁性层40是由与如上文所述的第一磁性层20相同的材料制成。在一些实施例中，第二磁性层40包括多层磁性材料。在一些实施例中，第二磁性层40包括钴(Co)及铂(Pt)的多层结构。在一些实施例中，第二磁性层40的厚度在约0.2nm至约1.0nm的范围中；并且在其他实施例中，第二磁性层40的厚度在约0.3nm至约0.5nm的范围中。
在一些实施例中，第二磁性层40为包括合成反铁磁层的多层，该合成反铁磁层具有由非磁性层(诸如，Ru)间隔的铁磁层。在一些实施例中，将第二磁性层40的磁矩固定就位的诸如反铁磁层的定位层安置在第二磁性层40上，其中Ru层插入于该第二磁性层与该定位层之间。在一些实施例中，第一及第二磁性层为结晶的。
在一些实施例中，装置包括如电极的顶部导电层50。顶部导电层50包括Ta、Ru、Au、Cr、Pt、Cu、Ni、W、及Al的一或多层。
支撑层5是由介电材料制成，诸如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镁或任何其他适当材料。在一些实施例中，支撑层5为半导体装置中的浅沟槽隔离层、层间介电(interlayer dielectric；ILD)层或金属间介电层(inter-metal dielectric；IMD)。
此外，如图2中所示，中间金属层60安置在非磁性金属氧化层30与第二磁性层40之间。在一些实施例中，中间金属层60由非磁性材料制成。在某些实施例中，中间金属层60由Mg制成。在一些实施例中，中间金属层60的厚度在约0.1nm至约0.6nm的范围中；并且在其他实施例中，中间金属层60的厚度在约0.2nm至约0.5nm的范围中。在其他实施例中，不使用中间金属层。
在一些实施例中，反铁磁层70形成在第二磁性层上，并且第三磁性层80形成在反铁磁层70上，如图2中所示。反铁磁层70有助于固定第二磁性层40的磁矩。在一些实施例中，反铁磁层70包括铷(Ru)或任何其他适当的反铁磁材料。在一些实施例中，反铁磁层70的厚度是在从约0.2nm至约0.8nm的范围中。
第三磁性层80包括一或多层磁性材料。在一些实施例中，第三磁性层80包括钴、铁、镍及铂的一或多者。在一些实施例中，第三磁性层80的材料与第二磁性层40的材料相同或不同。在某些实施例中，第三磁性层80为CoPt层。在一些实施例中，第三磁性层的厚度在从约0.5nm至约1.5nm的范围中；并且在其他实施例中，第三磁性层的厚度在约0.7nm至约1.2nm的范围中。
图1至图3中所示的层的每一者可通过适当的薄膜形成方法形成，这些方法包括物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)，包括溅射；分子束磊晶法(molecularbeam epitaxy；MBE)；脉冲激光沉积(pulsed laser deposition；PLD)；原子层沉积(atomiclayer deposition；ALD)；电子束(electron beam；e-beam)磊晶；化学气相沉积(chemicalvapor deposition；CVD)；或衍生CVD制程，进一步包括低压CVD(low pressure CVD；LPCVD)、超高真空CVD(ultrahigh vacuum CVD；UHVCVD)、减压CVD(reduced pressure CVD；RPCVD)；电镀，或上述方法的任何组合。
在一些实施例中，薄膜堆叠是通过上述薄膜形成操作形成，并且在形成薄膜堆叠之后，对薄膜堆叠执行图案化操作以形成如图1中所示的SOT单元，该图案化操作包括一或多个微影及蚀刻操作。
在一些实施例中，底部金属层10形成在支撑层5上。底部金属层10可通过PVD、CVD、ALD，或任何其他适当的薄膜形成方法形成。随后，第一磁性层20是通过使用PVD、CVD、ALD，或任何其他适当的薄膜形成方法形成。如上文所述，第一磁性层20包括下部磁性层22、中间非磁性层25及上部磁性层24。在一些实施例中，第一磁性层20进一步包括界面层26及28。这些层顺序地形成在底部金属层10上。进一步，剩余的层顺序形成在第一磁性层20上。
图4为根据本案的实施例的SOT MRAM单元的示意横截面图。在此实施例中，堆叠薄膜的次序颠倒。
本案的实施例将霍尔感测器与磁性随机存取记忆体(MRAM)组合以提供非挥发性记忆体(NVM)装置。与需要外部磁场的霍尔感测器不同，本案的实施例不需要外部磁场。本案提供与习知霍尔效应装置相比更简单的非挥发性霍尔效应装置。
参考图5至图9C描述制造MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的方法。图5为图示根据本案的实施例的制造MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的方法的流程图。在操作S210中，自旋轨道扭矩层10形成在基板5上。随后，在操作S220中，磁性层20形成在自旋轨道扭矩层10上。在操作S230中，金属氧化层30随后形成在磁性层上。在操作S240中，自旋轨道扭矩层10、磁性层20，及金属氧化层30经图案化以便自旋轨道扭矩层10的多个部分从磁性层20及金属氧化层30向外延伸，这些部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。
将进一步参考图6A至图9C描述制造根据本案的一些实施例的MRAM辅助的装置的方法。如图6A中所示，在一些实施例中，绝缘层15形成在半导体基板5上。在一些实施例中，半导体基板5为硅基板。在一些实施例中，基板5是为晶元并且绝缘层15为氧化硅层。在一些实施例中，绝缘层15是通过CVD或PVD操作形成；在其他实施例中，绝缘层是通过热氧化基板5形成。
如图6B中所示，在一些实施例中，下部电极45沿着基板5及绝缘层15的一部分形成。在一些实施例中，绝缘层15是通过光微影及蚀刻操作，随后通过沉积导电材料形成。在一些实施例中，过量的导电材料是通过研磨或回蚀操作移除。在一些实施例中，执行化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)操作以平面化下部电极45的上表面及绝缘层15或基板5。在一些实施例中，导电材料是选自Ta、Ru、Au、Cr、Pt、W、Cu、Ni、Al及上述材料的合金。
在一些实施例中，SOT层10随后在绝缘层15及下部电极45上形成，如图6C中所示。在一些实施例中，SOT层10是由铂、钨、钽及PtMn的一或多者形成。
如图6D中所示，磁性层20在SOT层10上形成，并且金属氧化层30在磁性层20上形成。在一些实施例中，磁性层为CoxFeyB并且金属氧化层30为MgO以形成层堆叠。在一些实施例中，层堆叠包括形成在金属氧化层30上的一或多个额外磁性层40以改变磁性层20的磁性(Hc)。
层堆叠经顺序地图案化，如图7A、图7B及图7C中所示。图7A为平面图，图7B为沿着图7A中的线A-A’获取的横截面图，并且图7C为沿着图7A中的线B-B’获取的横截面图。如图所示，第二磁性层40、金属氧化层30、第一磁性层20，及SOT层5经图案化以形成十字形状，尽管本案并不限于此形状。层堆叠是使用光微影及蚀刻操作图案化。
下一步，第二磁性层40、金属氧化层30及第一磁性层20进一步经图案化以相对于SOT层10减少其宽度，如图8A、图8B及图8C中所示。图8A为平面图，图8B为沿着线A-A’获取的横截面图，并且图8C为沿着图8A中的线B-B’获取的横截面图。第二磁性层40、金属氧化层30及第一磁性层20进一步使用光微影及蚀刻操作图案化。可选的第二磁性层40、金属氧化层30及第一磁性层20经图案化以便这些经图案化层位于十字形SOT层10的中心部分上。换言之，SOT层10的相对侧在大体上垂直的方向上从第一磁性层20、金属氧化层30及可选第二磁性层40的边缘向外延伸。在一些实施例中，下部电极45经电连接至十字形SOT层10的四个端部。
在一些实施例中，包括导电材料的上部触点50随后形成在MRAM辅助的装置上，如图9A、图9B及图9C中所示。图9A为平面图，图9B为沿着图9A中的线A-A’获取的横截面图，并且图9C为沿着线B-B’获取的横截面图。上部触点可使用光微影及材料沉积技术形成。
图10A为根据本案的实施例的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的横截面图；并且图10B为的装置(不包括基板)的示意等角视图，展示在施加写入电流之前的装置的操作。
图11为图10A及图10B的MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的示意等角视图，展示当初始化磁性方位时的装置的操作。初始磁场方位是由向下箭头125指示。初始磁场方位是通过施加范围由约100Oe(oersted)至约2000Oe的磁场120或高电流115。在一些实施例中，磁场的范围介于约200Oe至约1000Oe。在一些实施例中，施加电流115是以一电流密度施加至SOT层10，该电流密度大于沿着x方向施加的1×1011A/m2的电流密度。在一些实施例中，电流115为DC脉冲，用于至少1ns的一段持续时间。横电压是通过连接至SOT层10端部的电压表90横跨y方向量测，以决定磁性层20的磁场方位。
图12A至图12C为MRAM辅助的NVM霍尔效应装置的示意等角视图。图12A为图示施加写入电流I+至图11的MRAM辅助的装置的示意图。写入电流I+沿着x方向施加至SOT层10，并且横电压是横跨SOT层10的多个部分的y方向由电压表90量测，该电压表沿着y方向延伸超出磁性层20。如图12B中所示，若写入电流I+小于特定装置的阈值电流，则装置的磁场方位125不从初始状态变化；而在图12C中，当写入电流大于阈值时，装置的磁场方位反转。通过使用电压表90观察电压变化来验证磁场方位125是否已改变。磁场方位取决于电流。在SOT-MRAM的一些实施例中，在相同的电流方向上施加大于阈值电流的附加电流脉冲时，磁场方位不会从第二磁场方位翻转回到第一磁场方位。
在一些实施例中，磁性层的磁场方位是通过施加至少约1×1011A/m2的电流密度至SOT层来切换。在一些实施例中，施加至SOT层的电流密度在从约1×1011A/m2至约1×1012A/m2的范围中。本发明不限于这些电流密度，因为改变磁场方位的电流密度的值取决于装置元件的材料性质。
在一些实施例中，多个MRAM辅助的装置(或单元)是以阵列布置。取决于多个MRAM辅助的装置的处理温度及MRAM辅助的装置的各个层(包括穿隧阻障层)的厚度，MRAM辅助的装置的磁性在阵列中的各个装置(单元)之间改变。例如，接近于施加至装置行或阵列的阈值电压的特定写入电流可导致装置翻转其磁场方位，同时阵列中的其他装置不切换。特定装置是否改变其磁场方位是随机的并且基于每一装置的层中的局部差异。矫顽磁性在某些范围之内随机地分布。因此，一些装置可在特定写入电流下改变磁场方位，而其他装置不改变其磁场方位。
矫顽磁性中的此自然发生的随机性允许根据本案的多个MRAM辅助的装置得以用于物理不可复制函数(physical unclonable function；PUF)的应用。在实施例中，阵列100中的装置是通过施加高于每一单元的阈值电流的电流I+130至SOT层10来初始化(设定至0)。在一些实施例中，外部磁场用于初始化阵列中的多个装置。如图13中所示，每一各个装置的磁场方位125是以相同方向设定。随后，在图14中，接近于阈值电流的写入电流I+135经施加至阵列。因为施加至装置的写入电流I+135接近于阈值电流，所以一些装置将从0翻转至1，而其他装置保持在0状态，如图14中所示。阵列中的哪一装置翻转是随机的并且不可预测，因此，装置是物理上不可仿制的。在一些实施例中，随机性是制造过程的结果。在一些实施例中，物理不可复制函数用于建立阵列100中的随机图案。在一些实施例中，随机图案用作电子识别。在一些实施例中，这些随机图案可用作安全性特征，诸如信用卡之上的磁条。
在一些实施例中，变化写入电流I+135以改变装置的数目，此举改变磁场方位。因为写入电流I+135接近于阈值电流，所以降低施加至自旋轨道扭矩层10的写入电流I+135将减少其中磁性层20的磁场方位改变的装置的数目。另一方面，增加写入电流将增加其中磁性层20的磁场方位改变的装置的数目。
在一些实施例中，阵列为单元100的线性阵列，如图13及第图14中所示。单元通过自旋轨道扭矩层10彼此连接，并且线性阵列沿着写入电流I+流动的方向延伸。在一些实施例中，单元100的线性阵列是通过如本文所述的材料沉积、光微影，及蚀刻操作形成。在其他实施例中，如在平面图中可见，MRAM辅助的单元的多个线性阵列经布置以形成二维阵列，该二维阵列具有MRAM辅助的单元的多个行或列。
图15为图示根据本案的实施例的制造MRAM辅助的装置的方法的流程图。在操作S310中，自旋轨道扭矩层10形成在基板5上。操作S320中，第一磁性层20形成在自旋轨道扭矩层10上。随后，在操作S330中，金属氧化层30形成在磁性层20上。在一些实施例中，在操作S340中，第二磁性层40随后形成在金属氧化层30上。在操作S350中，自旋轨道扭矩层10、第一磁性层20、金属氧化层30，及可选第二磁性层40经图案化以便自旋轨道扭矩层10的多个部分从第一磁性层20、金属氧化层30，及第二磁性层40向外延伸，这些部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一些实施例中，在操作S360中，在形成金属氧化层30之前并且在形成第二磁性层40之后，形成中间层60。在一些实施例中，在操作S370中，导电层50在第二磁性层40上形成。
图16为图示根据本案的实施例的写入MRAM辅助的装置的方法的流程图。在操作S410中，确定MRAM辅助的装置的第一磁性层的磁场方位。装置包括安置在基板5上的自旋轨道扭矩(SOT)层10。第一磁性层20安置在自旋轨道扭矩层10上，并且金属氧化层30安置在第一磁性层20上。在一些实施例中，磁场方位是通过量测横跨SOT层的多个部分的横电压来确定，该SOT层在大体上垂直于SOT层中的电流流动的方向上从装置的磁性层延伸。在操作S420中，施加至少1011A/m2的电流密度于自旋轨道扭矩层10。在一些实施例中，在操作S430中确定第一磁性层20的磁场方位是否在施加至少1011A/m2的电流密度至自旋轨道扭矩层之后已改变。在一些实施例中，第一磁性层20的磁场方位是否已改变是通过在操作S440中施加读取电流至MRAM辅助的装置的SOT层来确定。在一些实施例中，确定第一磁性层的磁场方位包括在操作S450中施加读取电流至MRAM辅助的非挥发性霍尔效应装置的SOT层。
图17为图示根据本案的实施例的制造MRAM辅助的装置的方法的流程图。在操作S510中，自旋轨道扭矩层10形成在基板5上。在操作S520中，自旋轨道扭矩层10经图案化以在基板5上形成十字形自旋轨道扭矩层。在操作S530中，第一磁性层20形成在十字形自旋轨道扭矩层10的中心部分上；并且在操作S540中，金属氧化层30形成在第一磁性层20上。自旋轨道扭矩层10的多个部分从第一磁性层20及金属氧化层30向外延伸，这些部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一些实施例中，在操作S550中，第二磁性层40在第一磁性层20上形成。在一些实施例中，具有开口的遮罩经形成在自旋轨道扭矩层的中心部分上，并且第二磁性层形成在遮罩开口中。在一些实施例中，在操作S560中，在形成第一磁性层20与第二磁性层40的操作之间形成中间层60。在一些实施例中，形成具有开口的遮罩在自旋轨道扭矩层10的中心部分上，并且形成中间层60在遮罩开口中。在一些实施例中，在操作S570中，在形成第一磁性层之前，形成遮罩层在自旋轨道扭矩层上；并且在操作S580中，在遮罩层中形成开口，暴露自旋轨道扭矩层的中心部分。在一些实施例中，遮罩层包括光阻剂层。在一些实施例中，金属氧化层30包含一材料，该材料保持第一磁性层20的垂直磁各向异性。在一些实施例中，在操作S590中，形成导电层50在第一磁性层20上。
图18图示在施加接近于阈值电流的写入电流之后，MRAM辅助的装置的10X 8阵列600的随机性。改变磁场方位的装置表示为“1”，且不改变方位的装置表示为“0”。归因于各个SOT MRAM单元中的微量变化(诸如层厚度的变化)，产生改变磁场方位的单元及不改变方位的单元的随机图案。例如，阵列可用于物理不可复制函数(PUF)的应用中，诸如电子识别。在一些实施例中，这些随机图案可用作安全性特征，诸如信用卡之上的磁条。
图19A图示根据本案的实施例的包含MRAM辅助的装置的阵列的电路700布线的一部分。装置连接至字线WL、源线SL，及位元线BL。如图所示，写入电流从源线SL1至字线WL1施加至装置。在位元线BL1处读取横向(霍尔)电压信号。在一些实施例中，自旋轨道扭矩层的与V读数相对的部分是浮动的。电荷将累积在SOT层的浮动侧。在其他实施例中，如图19B所示，SOT层不包括浮动层。在一些实施例中，另一条位线BL1-、BL2-从V读数连接到自旋轨道扭矩层的相反侧。在一些实施例中，将自旋轨道扭矩层的相对侧连接到两条位线(例如，BL1+和BL1-)提供了改善的信号。
在一些实施例中，霍尔电压信号在范围为约3％至约50％施加的电流的范围内。霍尔电压的数值取决于SOT材料。当启动特定字线WL，一个单元的两个晶体管开启。随后，输入(或写入)电流流经MRAM辅助的装置的自旋轨道扭矩层，如此产生霍尔电压Vreadout。霍尔电压Vreadout出现在在位元线上，做为单元的数据。例如，启动WL1及SL1产生在11(WL1及BL1)位置处的电压读出Vreadout。当启动WL1及BL2时，产生在12(WL1及BL2)位置处的电压读出Vreadout，等等。
图20A、图20B及图20C图示嵌入在集成电路800中的MRAM辅助装置810。如图20A所示，装置810位于M2布线层，该M2布线层在集成电路800的源线SL、位元线SL，及字线WL之上。装置通过导电触点105连接至源线SL以及M1布线层下的晶体管115、115’的源极/漏极区域75。晶体管115、115’包括栅极电极85及覆盖通道区域65的栅极介电层95，该通道区域在半导体基板55中形成的源极/漏极区域75之间。在一些实施例中，相邻晶体管115、115’的栅极电极85是通过字线WL连接。图20B是图20A的MRAM辅助装置的等轴(三维)视图。图20C是图20A的MRAM辅助装置的顶视图。
根据本案的MRAM辅助的设备可提供写入电流及速度的数量级改进。根据本案的装置有益于高速、低功率的快取应用。在一些实施例中，形成MRAM辅助的非挥发性记忆体霍尔感测器切换。MRAM辅助的非挥发性记忆体霍尔感测器切换不需要外部磁场。在一些实施例中，根据本案的装置的磁性非挥发性记忆体保持其磁场方位达约10年或更长时间。根据本案的装置的矫顽磁性中的自然发生的随机性有益于物理不可复制函数(PUF)的应用，包括电子识别应用。
本案的实施例为一种磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，该装置包括安置在基板上的自旋轨道扭矩层，以及安置在自旋轨道扭矩层上的磁性层。金属氧化层安置在磁性层上。自旋轨道扭矩层的多个部分从磁性层及金属氧化层向外延伸，这些部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一实施例中，金属氧化层包括材料，该材料保持磁性层的垂直磁各向异性。在一实施例中，磁性层具有大于500高斯的矫顽磁性。在一实施例中，金属氧化层包含MgO。在一实施例中，磁性层包括CoFeB材料。在一实施例中，自旋轨道扭矩层包含铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一实施例中，基板包括半导体基板。在一实施例中，基板包括硅。在一实施例中，基板包括具有绝缘层的半导体基板，该绝缘层插入在半导体基板与自旋轨道扭矩层之间。在一实施例中，自旋轨道扭矩层在平面图中为十字形状，并且磁性层及金属氧化物层安置在十字形自旋轨道扭矩层的中心部分上。在一实施例中，磁性层的磁场方位是通过施加1011A/m2的电流密度至自旋轨道扭矩层而改变。在一实施例中，在不施加外部电流或磁场的情况下，装置保持其磁场方位达10年。在一实施例中，装置包括安置在金属氧化层上的第二磁性层。
本案的实施例为一种制造磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置的方法，该方法包括在基板上形成自旋轨道扭矩层，以及在自旋轨道扭矩层上形成磁性层。形成金属氧化层在磁性层上。图案化自旋轨道扭矩层、磁性层，及金属氧化层以便自旋轨道扭矩层的多个部分从磁性层及金属氧化层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一实施例中，金属氧化层包括材料，该材料保持磁性层的垂直磁各向异性。在一实施例中，金属氧化层包含MgO。在一实施例中，磁性层具有大于500高斯的矫顽磁性。在一实施例中，磁性层包括CoFeB材料。在一实施例中，自旋轨道扭矩层包含铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一实施例中，基板包括半导体基板。在一实施例中，基板包括硅。在一实施例中，基板包括具有绝缘层的半导体基板，该绝缘层插入在半导体基板与自旋轨道扭矩层之间。在一实施例中，自旋轨道扭矩层、磁性层，及金属氧化层经图案化以便自旋轨道扭矩层在平面图中为十字形，并且磁性层及金属氧化物层安置在十字形自旋轨道扭矩层的中心部分上。
本案的另一实施例为一种磁性随机存取记忆体(MRAM)辅助的非挥发性物理不可复制函数(PUF)装置，包括安置在基板上的自旋轨道扭矩层，该自旋轨道扭矩层具有在第一方向上延伸的第一区域。自旋轨道扭矩层的多个第二区域沿着垂直于第一方向的第二方向延伸。多个第二区域沿着第一方向彼此间隔开。多个第一磁性层安置在自旋轨道扭矩层的第一区域上。第一磁性层在一对第二区域之间各自定位，该对第二区域在相对该自旋轨道扭矩层的该第一区域的该第二方向上延伸。金属氧化层安置在第一磁性层的每一者上。在一实施例中，装置包括安置在金属氧化层的每一者上的第二磁性层。在一实施例中，装置包括安置在金属氧化层与第二磁性层的每一者之间的中间层。在一实施例中，装置包括安置在金属氧化层的每一者上的导电层。在一实施例中，自旋轨道扭矩层包含铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一实施例中，基板包括具有绝缘层的半导体基板，该绝缘层插入在半导体基板与自旋轨道扭矩层之间。在一实施例中，第一磁性层包括CoFeB材料。在一实施例中，第一磁性层具有大于500高斯的矫顽磁性。在一实施例中，第一磁性层的一或多者的磁场方位是通过施加1011A/m2的电流密度至自旋轨道扭矩层而改变。
本案的实施例为一种制造磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置的方法，该方法包括在基板上形成自旋轨道扭矩层，以及图案化该自旋轨道扭矩层以在基板上形成十字形自旋轨道扭矩层。第一磁性层形成在十字形自旋轨道扭矩层的中心部分上，并且金属氧化层形成在第一磁性层上。在一实施例中，自旋轨道扭矩层的多个部分从磁性层及金属氧化层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一实施例中，方法包括在形成第一磁性层之前，在自旋轨道扭矩层上形成遮罩层。在一实施例中，方法包括在遮罩层中形成开口，暴露自旋轨道扭矩层的中心部分。在一实施例中，遮罩层包括光阻剂层。在一实施例中，金属氧化层包括材料，该材料保持第一磁性层的垂直磁各向异性。在一实施例中，方法包括在第一磁性层上形成导电层。在一实施例中，方法包括在第一磁性层上形成第二磁性层。在一些实施例中，方法包括在自旋轨道扭矩层的中心部分上形成具有开口的遮罩，其中第二磁性层形成在遮罩开口中。在一实施例中，方法包括在第一磁性层与第二磁性层之间形成中间层。在一实施例中，方法包括在自旋轨道扭矩层的中心部分上形成具有开口的遮罩，其中中间层形成在遮罩开口中。
本案的另一实施例为一种制造磁性随机存取记忆体辅助的装置的方法，该方法包括在基板上形成自旋轨道扭矩层，以及在自旋轨道扭矩层上形成第一磁性层。形成金属氧化层在磁性层上，形成第二磁性层在金属氧化层上。图案化自旋轨道扭矩层、第一磁性层、金属氧化层，及第二磁性层以便自旋轨道扭矩层的多个部分从第一磁性层、金属氧化层，及第二磁性层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一实施例中，方法包括在第二磁性层上形成导电层。在一实施例中，方法包括在金属氧化层与第二磁性层之间形成中间层。在一实施例中，金属氧化层包括材料，该材料保持第一磁性层的垂直磁各向异性。在一实施例中，第一磁性层具有大于500高斯的矫顽磁性。在一实施例中，磁性层包含CoFeB材料。在一实施例中，自旋轨道扭矩层包含铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一实施例中，基板包括半导体基板。在一实施例中，基板包括硅。在一实施例中，基板包括具有绝缘层的半导体基板，该绝缘层插入在半导体基板与自旋轨道扭矩层之间。在一实施例中，图案化自旋轨道扭矩层、磁性层，及金属氧化层以便自旋轨道扭矩层在平面图中为十字形，并且磁性层及金属氧化物层安置在十字形自旋轨道扭矩层的中心部分上。
另一实施例为一种制造磁性随机存取记忆体辅助的装置的方法，该方法包括在基板上形成自旋轨道扭矩层，以及在自旋轨道扭矩层上形成第一磁性层。金属氧化层经形成在磁性层上。第二磁性层经形成在金属氧化层上。自旋轨道扭矩层、第一磁性层、金属氧化层，及第二磁性层经图案化以便自旋轨道扭矩层的多个部分从第一磁性层、金属氧化层，及第二磁性层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一实施例中，方法包括在第二磁性层上形成导电层。在一实施例中，方法包括在金属氧化层与第二磁性层之间形成中间层。在一实施例中，金属氧化层包含材料，该材料保持第一磁性层的垂直磁各向异性。在一实施例中，第一磁性层具有大于500高斯的矫顽磁性。在一实施例中，磁性层包括CoFeB材料。在一实施例中，自旋轨道扭矩层包含铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一实施例中，基板包括半导体基板。在一实施例中，基板包括硅。在一实施例中，基板包括具有绝缘层的半导体基板，该绝缘层插入在半导体基板与自旋轨道扭矩层之间。在一实施例中，图案化自旋轨道扭矩层、磁性层，及金属氧化层以便自旋轨道扭矩层在平面图中为十字形，并且磁性层及金属氧化物层安置在十字形自旋轨道扭矩层的中心部分上。
另一实施例为一种磁性随机存取记忆体辅助的装置，该装置包括安置在基板上的自旋轨道扭矩层，以及安置在自旋轨道扭矩层上的第一磁性层。金属氧化层安置在磁性层上并且第二磁性层安置在金属氧化层上。自旋轨道扭矩层的多个部分从第一磁性层、金属氧化层及第二磁性层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的第一方向的相对侧及第二方向的相对侧上，其中第二方向垂直于第一方向。在一实施例中，金属氧化层包括材料，该材料保持第一磁性层的垂直磁各向异性。在一实施例中，第一磁性层具有大于500高斯的矫顽磁性。在一实施例中，金属氧化层包含MgO。在一实施例中，第一磁性层包括CoFeB材料。在一实施例中，自旋轨道扭矩层包含铂、钨、钽及PtMn的一或多者。在一实施例中，基板包括半导体基板。在一实施例中，基板包括具有绝缘层的半导体基板，该绝缘层插入在半导体基板与自旋轨道扭矩层之间。在一实施例中，自旋轨道扭矩层在平面图中为十字形，并且磁性层及金属氧化物层安置在十字形自旋轨道扭矩层的中心部分上。在一实施例中，装置包括安置在第二磁性层上的导电层。在一实施例中，装置包括安置在金属氧化层与第二磁性层之间的中间层。在一实施例中，第一磁性层的磁场方位是通过施加1011A/m2的电流密度至自旋轨道扭矩层而改变。在一实施例中，在不施加外部电流或磁场的情况下，装置保持其磁场方位达10年。
另一实施例为向磁性随机存取记忆体(MRAM)辅助的设备写入的方法，包括确定MRAM辅助的非挥发性霍尔效应装置的第一磁性层的磁场方位。装置包括安置在基板上的自旋轨道扭矩层、安置在自旋轨道扭矩层上的第一磁性层，以及安置在第一磁性层上的金属氧化层。施加至少1011A/m2的电流密度于自旋轨道扭矩层。在一实施例中，方法包括确定第一磁性层的磁场方位是否在施加至少1011A/m2的电流密度至自旋轨道扭矩层之后已改变。在一实施例中，确定第一磁性层的磁场方位是否已改变包括施加读取电流至MRAM辅助的装置。在一实施例中，确定第一磁性层的磁场方位包括施加读取电流至MRAM辅助的装置。
另一实施例为产生随机数据的方法，包括初始化多个磁性随机存取记忆体辅助单元，以便多个磁性随机存取记忆体辅助单元的每一者的磁性层沿第一方向排列。多个磁性随机存取记忆体辅助单元的每一者包括：自旋轨道扭矩层、安置在自旋轨道扭矩层上的磁性层，及安置在磁性层上的非磁性层。自旋轨道扭矩层的多个部分从磁性层及非磁性层向外延伸，所述多个部分在平面图中的第一方面的相对侧及第二方向的相对侧上，该第二方向垂直于该第一方向，且相邻的磁性随机存取记忆体辅助单元通过自旋轨道扭矩层沿着第一方向彼此连接。电流是沿着第一方向施加至自旋扭矩层，以便磁性随机存取记忆体辅助单元的一或多者的磁性层的磁场方位从第一方向改变为第二方向。在一实施例中，方法包括改变电流以改变从第一方向改变为第二方向的磁性层的数目。在一实施例中，初始化多个磁性随机存取记忆体辅助单元以便多个磁性随机存取记忆体辅助单元的每一者的磁性层沿第一方向排列的步骤是通过施加外部磁场至多个磁性随机存取记忆体辅助单元来执行。在一实施例中，初始化多个磁性随机存取记忆体辅助单元以便多个磁性随机存取记忆体辅助单元的每一者的磁性层沿第一方向排列的步骤是通过在第一方向上施加电流至自旋轨道扭矩层来执行。在一实施例中，多个磁性随机存取记忆体辅助单元为线性阵列。在一实施例中，多个磁性随机存取记忆体辅助单元为如在平面图中所见的二维阵列。在一实施例中，非磁性层为金属氧化层。在一实施例中，金属氧化物为MgO。在一实施例中，每一磁性随机存取记忆体辅助单元包括安置在非磁性层上的第二磁性层。
应将理解，在本文中并非必须论述所有优点，没有特定优点对于所有实施例或实例是需要的，并且其他实施例或实例可以提供不同的优点。
前述内容概括了若干实施例或实例的特征，以便熟悉该项技术者可较佳地理解本案的态样。熟悉该项技术者应理解，其可轻易地使用本揭示内容作为用于设计或修改其他制程及结构的基础，这些其他制程及结构用于实现本文介绍的实施例或实例的相同目的及/或达成相同优点。熟悉该项技术者亦应了解，这些同等构造不背离本案的精神及范畴，且在不背离本案的精神及范畴的情况下，熟悉该项技术者可以进行各种改变、替代及更改。

Claims (10)

1.一种磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，其特征在于，包含：
安置在一基板上的一自旋轨道扭矩层；
安置在该自旋轨道扭矩层上的一磁性层；以及
安置在该磁性层上的一金属氧化层，
其中该自旋轨道扭矩层的多个部分从该磁性层及该金属氧化层向外延伸，所述多个部分位于在平面图中的一第一方向的相对侧及一第二方向的相对侧上，其中该第二方向垂直于该第一方向。
2.根据权利要求1所述的磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，其特征在于，该金属氧化层包含一材料，该材料保持该磁性层的一垂直磁各向异性。
3.根据权利要求1所述的磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，其特征在于，该基板包含具有一绝缘层的一半导体基板，该绝缘层插入在该半导体基板与该自旋轨道扭矩层之间。
4.根据权利要求1所述的磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置，其特征在于，该自旋轨道扭矩层在平面图中为十字形，并且该磁性层及金属氧化物层安置在该十字形自旋轨道扭矩层的一中心部分上。
5.一种磁性随机存取记忆体(MRAM)辅助的非挥发性物理不可复制函数(physicalunclonable function；PUF)的装置，其特征在于，包含：
一自旋轨道扭矩层，安置在一基板上，具有沿一第一方向上延伸的一第一区域；
该自旋轨道扭矩层的多个第二区域，沿着垂直于该第一方向的一第二方向延伸，
其中该多个第二区域沿着该第一方向彼此间隔开；
多个第一磁性层安置在该自旋轨道扭矩层的该第一区域上，
其中所述多个第一磁性层各位于一对第二区域之间，该对第二区域在相对该自旋轨道扭矩层的该第一区域的该第二方向上延伸；以及
一金属氧化层，安置在所述多个第一磁性层的每一者上。
6.根据权利要求5所述的MRAM辅助的非挥发性PUF的装置，其特征在于，进一步包含安置在所述金属氧化层的每一者上的一第二磁性层。
7.根据权利要求6所述的MRAM辅助的非挥发性PUF的装置，其特征在于，进一步包含安置在该金属氧化层及该第二磁性层的每一者之间的一中间层。
8.根据权利要求5所述的MRAM辅助的非挥发性PUF的装置，其特征在于，进一步包含安置在所述金属氧化层的每一者上的一导电层。
9.根据权利要求5所述的MRAM辅助的非挥发性PUF的装置，其特征在于，该基板包含具有一绝缘层的一半导体基板，该绝缘层插入在该半导体基板与该自旋轨道扭矩层之间。
10.一种制造一磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性霍尔效应装置的方法，其特征在于，包含：
在一基板上形成一自旋轨道扭矩层；
图案化该自旋轨道扭矩层以在该基板上形成一交叉形状的自旋轨道扭矩层；
在该交叉形状的自旋轨道扭矩层的一中心部分上形成一第一磁性层；以及
在该第一磁性层上形成一金属氧化层。
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