TWI622048B - 使用自旋軌道交互式切換之雙磁性隧道接面及其記憶體 - Google Patents

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Abstract

一種磁性記憶體。磁性記憶體包括雙磁性接面以及自旋軌道交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層。每一個雙磁性接面包括第一及第二參考層、第一及第二非磁性間隔層和自由層。自由層為磁性且位於非磁性間隔層之間，非磁性間隔層位於相對的參考層及自由層之間，SO活化層鄰近於每一個雙磁性接面的第一參考層。由於電流以實質上垂直於SO活化層及第一參考層間的方向通過SO活化層，SO活化層施加SO力矩於第一參考層上。第一參考層具有至少可藉由SO力矩而改變的磁力矩，該自由層可藉由驅動自旋轉移寫入電流通過雙磁性接面而切換。

Description

使用自旋軌道交互式切換之雙磁性隧道接面及其記憶體
本發明之多個實施範例是關於可使用於磁性元件的磁性接面，磁性元件例如是磁性記憶體、以及使用此磁性接面的元件。
由於磁性記憶體在運行時高讀取/寫入速度、高持久性、非揮發性以及低耗能的特性，特別是磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memories,MRAMs)已引起越來越多的關注。MRAM可如資訊紀錄媒介般利用磁性材料以儲存資訊，而自旋轉移力矩隨機存取記憶體(spin transfer torque random access memory,SST-RAM)便為MRAM的一種。SST-RAM利用驅動電流通過磁性接面以至少部分地寫入，由於驅動自旋極化電流通過磁性接面會引起自旋力矩於磁性接面內的磁力矩(magnetic moment)上。其結果，具磁力矩的層面因回應自旋力矩而被切換至所需要的狀態。
舉例來說，圖1為可用於傳統SST-RAM中的傳統雙磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)10。典型的傳統雙MTJ 10位於底部接 觸層11上，使用傳統晶種層12，並包含傳統第一反鐵磁(antiferromagnetic,AFM)層14、傳統第一固定層或參考層16、傳統第一穿隧阻障層18、傳統自由層20、傳統第二穿隧阻障層22、傳統第二固定層或參考層24、傳統第二AFM層26以及傳統覆蓋層28，此外圖中亦表示者為頂部接觸層30。
傳統接觸面11及30可於電流垂直平面(current-perpendicular-to-plane,CPP)方向或如圖1所示沿Z軸方向驅動電流。典型的傳統晶種層12可協助其接續層面的成長，如AFM層14生成所需的晶格結構。傳統穿隧阻障層18及22皆不具磁性且為薄型絕緣體，如氧化鎂(MgO)。
傳統的固定層16/24以及自由層20是磁性的。傳統的參考層16的磁力矩17及傳統的參考層24的磁化向量25通常由是固定於特定方向，其一般是由於與AFM層14及26的交換偏移交互作用(exchange-bias interaction)。雖然圖中所繪傳統的參考層16及24為單一層，但其仍可包含多層，例如傳統的參考層16及/或24可為合成式反鐵磁(synthetic antiferromagnetic,SAF)層，其中包含多個磁性層，使用例如釕(Ru)的薄型導電層以反鐵磁性方式耦合，此種SAF可利用多個磁性層交錯插入薄Ru層，在另一實施方式中，Ru層的耦合可為鐵磁性耦合。雖然可能使用單一參考層16或24，以及單一穿隧阻障層18或22，但於參考層16及24固定於對耦態(dual state，參考層16的磁力矩17及參考層26的磁力矩25平行)的情況下，雙MTJ 10可增強自旋力矩，但在對耦態下可能會降低雙MTJ 10的磁阻。相反的，在雙MTJ 10在參考層16及24固定於反對耦態(antidual state，參考層16磁力矩17及參考層26磁力矩25反向平行)的情況下，雙 MTJ 10的磁阻則會增加。此外在反對耦結構下，由參考層16及24產生的的自旋轉移力矩會相互抵消，因而相較於對耦態甚至是具單一阻障的相似元件，於反對耦態時自由層的自旋轉移力矩可能大幅減少，故於讀取作業時，因為自由層非所預定要的切換的機率所導致的讀取錯誤率可顯著降低。於對耦結構時亦可顯著提升感應邊界(為感應放大器所接受的最小讀取電流以及電流所造成無法容許讀取誤差的差異)，使讀取電流更接近寫入電流。此外由於讀取錯誤率受單元熱穩定性之影響，MTJ單元參數便可因而放寬需求，而其中特別是指MTJ單元的熱穩定度。但這也表示以自旋轉移為基礎的切換可能會需要更大的寫入電流。
傳統自由層20具有可變磁力矩21。雖然圖中所繪為單一層，但傳統自由層20仍可包含多層。舉例來說，傳統的自由層20可為合成式層，其中包含多個磁性層藉由例如Ru的薄型導電層以反鐵磁性耦合或鐵磁性耦合。此外雖然圖中所示為平面，傳統自由層20磁力矩21可具有垂直異向性。同樣的，傳統第一固定層16的磁力矩17亦可垂直於平面。
電流於垂直於平面方向(Z軸方向)驅動，以切換傳統自由層20的磁力矩21。自旋極化的載流子可施加力矩於傳統自由層的磁力矩21上，於傳統雙MTJ 10中，來自於參考層16及24的自旋力矩將施加於這些層上，其為反對耦態(磁力矩17及25反向平行)。當磁力矩21平行於易磁化軸(穩定狀態)時，於傳統自由層20磁力矩21上的自旋轉移力矩較小，因此磁力矩21於穩定狀態時，亦相對應於切換時的停滯點(stagnation point)。由於熱波動(thermal fluctuations)的影響，磁力矩21可沿著傳統自由層20的易磁化軸旋轉，自旋轉移力矩因而增加，而導致自由層20磁力矩切換。當足夠電 流自頂部接觸面30流至底部接觸面11時，傳統自由層20磁力矩21切換至與傳統參考層16磁力矩17平行。當足夠電流自底部接觸面11流至頂部接觸面30時，自由層磁力矩21切換至與參考層16磁力矩17反向平行。不同的磁性結構對應於不同的磁阻，因而傳統MTJ 10有不同邏輯狀態(如邏輯信號0及邏輯信號1)。
於STT-RAM使用時，為防止傳統MTJ10造成損害、減少可提供電流之電晶體(未標示)體積及減少使記憶體運作的能量耗損，傳統的MTJ 10的自由層20切換時須以相對較小之電流，此外編程傳統磁性元件10於高資料傳輸率狀態時需要短的電流脈衝，例如若欲使傳統自由層20的磁化向量切換速度加快，須加以小於或等於5到30次每奈秒的電流脈衝。
雖然傳統雙MTJ 10可藉由自旋轉移以寫入，亦可運用於STT-RAM，但仍有其缺點，如對於具有可接受脈衝寬度的記憶體而言，寫入錯誤率可能較預期為高。寫入錯誤率(write error rate,WER)為當接受至少相等於典型切換電流的電流時，單元(即傳統磁性接面自由層20的磁力矩21)沒有切換的機率，WER應小於或等於10-9，但為了切換傳統自由層20，於此WER值時需要非常高的電流，此外，目前已知若欲更改為更短的寫入電流脈衝時，WER將會面臨挑戰。如圖2即為圖解50，描述WER於不同脈衝寬度的趨向，應注意實際數值並未於圖解50中表示，圖解50僅描述趨向。從最長到最短的脈衝寬度，以曲線52、曲線54、曲線56及曲線58表示，如圖解50中所示，對於較大的脈衝寬度而言，WER與應用於MTJ10的電壓具有較大的斜率，故對於同樣的脈衝寬度而言，使用較大的電壓可使WER顯著下降。當脈衝寬度縮短如曲線54、曲線56及曲線58時，曲 線54、曲線56及曲線58的斜率便會減小，因此在脈衝寬度減小的情況下，增強的電壓及/或電流較不可能降低WER。就算具有足夠的短脈衝甚至是高電壓/電流，亦無法使錯誤率降低，因此利用傳統MTJ 10的記憶體可能具有無法藉由增加電壓而改善的高WER。再者，為獲得高自旋轉移力矩，參考層16磁力矩17與參考層24磁力矩25須為反對耦態(固定於相反方向)，處於此狀態時於讀取運作中的磁阻會相互抵銷，因而降低讀取信號，此種信號的減少較為不理想。
因此，需要改善須依靠自旋轉移力矩的記憶體的系統及方法，而可解決上述問題的系統及方法將於以下描述。
一種磁性記憶體的說明。該磁性記憶體包括雙磁性接面以及至少一自旋軌道交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層。每一該雙磁性接面包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層以及第二參考層，該自由層為磁性且位於該第一非磁性間隔層以及該第二非磁性間隔層之間，該第一非磁性接隔層位於該第一參考層及該自由層之間，該第二非磁性間隔層位於該第二參考層及該自由層之間。該SO活化層連結於每一該雙磁性接面的該第一參考層。電流以實質上垂直於至少一該SO活化層及該第一參考層間的方向通過至少一該SO活化層，並引起該SO活化層施加SO力矩於該第一參考層上，該第一參考層具有至少可藉由該SO力矩而改變的磁力矩，該自由層可藉由自旋轉移寫入電 流驅動並通過該雙磁性接面而切換。
10‧‧‧磁性穿隧接面
11、30‧‧‧接觸面
12‧‧‧晶種層
14‧‧‧反鐵磁層
16‧‧‧參考層
17、21、25‧‧‧磁力矩
18、22‧‧‧穿隧阻障層
20‧‧‧自由層
24‧‧‧固定層
26‧‧‧反鐵磁層
28‧‧‧覆蓋層
50‧‧‧圖解
52、54、56、58‧‧‧曲線
100‧‧‧記憶體
102‧‧‧儲存胞
104‧‧‧選擇元件
110‧‧‧磁性接面
112‧‧‧自由層
114‧‧‧間隔層
115、117‧‧‧磁力矩
116‧‧‧參考層
120‧‧‧匯流排
122‧‧‧SO活化層
200‧‧‧記憶體
210‧‧‧磁性接面
212、220‧‧‧參考層
213、217‧‧‧磁力矩
214、218‧‧‧間隔層
216‧‧‧資料儲存/自由層
230‧‧‧SO活化層
300‧‧‧記憶體
310‧‧‧磁性接面
312、320‧‧‧參考層
313、313'、313"、317、317'、317"、321‧‧‧磁力矩
314、318‧‧‧間隔層
316‧‧‧資料儲存/自由層
330‧‧‧單元、SO活化層
400、400'‧‧‧記憶體
410、410'‧‧‧磁性接面
412、412'、420、420'‧‧‧參考層
413、413'、413"、417、417'、417"、417'''、417''''、421‧‧‧磁力矩
414、414'、418、418'‧‧‧間隔層
416、416'‧‧‧資料儲存/自由層
430、430'‧‧‧單元、SO活化層
442、446‧‧‧鐵磁層
443、443'、447、447'‧‧‧磁力矩
444‧‧‧非鐵磁層
500‧‧‧記憶體
510‧‧‧磁性接面
512、520‧‧‧參考層
513、517、523、527‧‧‧磁力矩
514、518‧‧‧間隔層
516‧‧‧資料儲存/自由層
522、526‧‧‧鐵磁層
524‧‧‧非磁性層
530‧‧‧單元、SO活化層
550、550'、550"、550'''‧‧‧記憶體
560、560'、560"、560'''‧‧‧儲存胞
562、562'、562"、562'''‧‧‧磁性接面
564、564'、564"、564'''‧‧‧選擇元件
566、566'、566"、566'''‧‧‧可選擇的自旋擴散插入層
570、570'、570"、570'''‧‧‧字元線
572、572'、572"、572'''‧‧‧SO活化層
574‧‧‧可選擇的來源
576‧‧‧可選擇的排管
600‧‧‧磁性記憶體
610‧‧‧磁性接面
614‧‧‧可選擇的自旋擴散插入層
620‧‧‧結構
622‧‧‧注入器
624‧‧‧字元線
700、700'、700"‧‧‧記憶體
710、710'、710"‧‧‧磁性接面
718、718'、718"‧‧‧選擇元件
720、720'、720"‧‧‧SO活化層
730、730'、730"‧‧‧可選擇的自旋擴散插入層
735‧‧‧電阻器
736‧‧‧電阻選擇電晶體
740‧‧‧加熱器
742‧‧‧加熱器選擇電晶體
800‧‧‧方法
802、804、806‧‧‧步驟
850‧‧‧方法
852、854、856‧‧‧步驟
圖1為傳統磁性接面圖。
圖2為傳統自旋轉移力矩隨機存取記憶體的寫入錯誤率與電壓曲線圖。
圖3為利用自旋軌道交互作用切換的磁性接面實施方式圖。
圖4為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部分之實施方式圖。
圖5A至5D為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部分之另一實施方式圖。
圖6A至6D為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部分之另一實施方式圖。
圖7A及7B為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部分之另一實施方式圖。
圖8A及8B為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部分之另一實施方式圖。
圖9為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖10為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖11為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖12為磁性記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖13為記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之實施方式圖。
圖14為記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖15為記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖16為記憶體包含雙磁性接面利用自旋軌道交互作用以切換的部份之另一實施方式圖。
圖17為提供可藉由自旋軌道交互作用以切換之磁性接面的方法實施方式流程圖。
圖18為編程可藉由自旋軌道交互作用以切換之磁性接面的方法實施方式流程圖。
本發明之實施範例是關於應用於磁性元件的磁性接面，磁性元件如磁性記憶體以及利用此種磁性接面的元件。以下將說明本發明的實施方式在基本原則及特徵下之各種不同態樣，可使本技術領域的通常知識者理解並據以實施本發明。本說明將特定 的方式及系統描述於特定實施方式中，但特定方式及系統亦可在其他實施方式中被有效執行，如「實施例」、「實施方式」、「另一實施方式」等用詞可代表相同、不同或多個實施方式。本實施方式將描述具有特定元件的系統及/或裝置，但系統及/或裝置可能較圖中所示包含更多或更少元件，且可在不脫離本發明範圍之情況下適度調整元件的排列或態樣。此外本實施方式的說明描述具有特定步驟的方法，但方法及其中的系統亦可由其他不同於本實施方式的步驟以執行。因此以下實施方式並非用以限定本發明，而僅在不脫離最廣範圍之基本原則及特徵的情況下描述之。
實施範例描述提供磁性記憶體之方法及系統，磁性記憶體包括多個雙磁性接面及至少一自旋交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層。其中每一個雙磁性接面包含第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層及第二參考層。自由層為磁性且位於第一非磁性間隔層及第二非磁性間隔層之間，第一非磁性間隔層位於第一參考層及自由層之間，第二非磁性間隔層位於第二參考層及自由層之間，SO活化層鄰接於每一雙磁性接面的第一參考層。電流以實質上垂直於至少一SO活化層及第一參考層間的方向通過至少一SO活化層，並引起SO活化層施加SO力矩於第一參考層上。第一參考層具有磁力矩且可至少因為SO力矩而變化，自由層可藉由自旋轉移寫入電流驅動並通過雙磁性接面而導致切換。
以下實施範例將描述具有特定元件的磁性接面及磁性記 憶體。本技術領域的通常知識者將清楚了解在不違背本發明的情況下，本發明與使用磁性接面、磁性記憶體具有其他構件、以及/或附加構件、以及/或其他不同於本發明特徵是一致的。本發明的其他元件及/或附加元件及/或其他特徵之磁性接面及磁性記憶體相同。本說明書中亦描述磁異向性、自旋軌道交互作用、自旋轉移現象以及其他物理現象之既有知識。因此本技術領域的通常知識者應理解本發明之方法及系統運作之理論解釋，乃基於既有知識的自旋軌道交互作用、自旋轉移、磁異向性及其他物理現象而得之，但以下所述之方法及系統並非依賴於特定的物理解釋，本技術領域的通常知識者應清楚了解本發明之方法及系統描述於具有與前述基礎有特定關係結構之內文中，但可和其他結構一致。此外本說明書所述之方法及系統中特定層面為合成式層及/或單一層，但仍可理解特定層面可有其他結構型態，另外於本說明書中描述磁性接面、自旋活化層及/或其他具有特定結構的層面的方法及系統，但不同及/或附加層面的磁性接面、自旋活化層及/或其他具有特定結構的層面，在不違背本發明之方法或系統的情況下仍可被使用。再者，特定元件可描述為具有磁性、鐵磁性及次鐵磁性，如本說明書所述，磁性一詞可包括鐵磁性、次鐵磁性或其他類似用語，因此在本說明書中「磁性」及「鐵磁性」一詞可包含但不限定於鐵磁體及次鐵磁體。雖然於本說明書中描述單一磁性接面之方法及系統，但技術領域的通常知識者應可理解此與使用多層磁性接面的磁性記憶體之方法及系統相同。另外，於本說明 中所描述的「平面上」實質上與磁性接面中的一層或多層平行或位於其內，反之「垂直」一詞相對應於實質上垂直於一層或多層磁性接面的方向。
圖3為已開發磁性記憶體100利用自旋軌道交互作用切換的部分之實施範例，為清楚起見，圖3並未按照比例繪製。此外磁性記憶體100的部份如位元線(bit lines)、字元線(word lines)、列選擇器(row selectors)以及行選擇器(column selectors)並未於圖示中繪出或標示出。磁性記憶體100包括磁性儲存胞(magnetic storage cell)102，磁性儲存胞102可為一群排列整齊的磁性儲存胞中之一。每一個磁性儲存胞包括選擇元件104及磁性接面110，在一些實施方式中，單胞中可具有多個磁性接面110及/或多個選擇元件104。圖中亦繪示匯流排120，匯流排120包括自旋交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層122。共用的匯流排120橫跨多個儲存胞，但圖3中僅繪示其中之一。如實施方式中所繪，形成SO活化層122的材料僅位於儲存胞102附近，因此其他材料亦可使用於多個儲存胞102之間，其中可包含但不限定於較高導電率及/或非磁性的材料。在其他實施方式中，共用的匯流排120可包括SO活化層122，但在另外的實施方式中，SO活化層122可和共用的匯流排120分開，例如SO活化層122可位於磁性接面110及共用的匯流排120之間，在又一實施方式中，SO活化層122可為儲存胞102的一部份，且共用的匯流排120可省略。
如實施方式所示，磁性接面110包括資料儲存/自由層 112、非磁性間隔層114以及參考層116。間隔層114為非磁性，在一些實施方式中，間隔層114為絕緣體如穿隧阻障體，在這些實施方式中，每一個間隔層114可包含氧化鎂(MgO)晶體，可增強穿隧式磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)、自旋轉移效率及/或自旋軌道交互作用於磁性接面110。在其他實施方式中，間隔層114可為導體如銅(Cu)，在可替代的實施方式中，間隔層114可包含其它結構如具有位於絕緣基底的導電通道之顆粒層。
自由層112具有可切換的磁力矩115，當磁性接面110靜止狀態時(未被切換)，自由層112的磁力矩會沿著自由層112的易磁化軸。當磁性記憶體100運作時，參考層116的磁力矩117需實質上被固定住。參考層116如圖所示為單一層，但在其他實施方式中，參考層116可為多層，其可包含但不限定為具有被非鐵磁層如釕(Ru)分隔之鐵磁層的合成式反鐵磁。在一些實施方式中，磁性接面110亦包含固定層如反鐵磁層(未標示)，可固定參考層116之磁力矩。其他實施方式中，參考層116之磁力矩以另一種方式固定。自由層112及參考層116為鐵磁性，因此可包含一種或一種以上的鐵(Fe)、鎳(Ni)和鈷(Co)。在部分實施方式中，自由層112的磁力矩以及參考層116的磁力矩可垂直於平面。因此每一自由層112及/或每一參考層116可具有垂直異向性力場(perpendicular anisotropy field)，超越平面外的去磁場(out-of-plane demagnetization field)(顯著係數通常為4 π Ms)，在其他實施方式中，磁力矩位在平面上。
自由層112的磁力矩運用自旋軌道交互作用效應以切換，將描述於以下。在一些實施方式中，自由層112可藉由效應的組合以切換，例如自由層112的磁力矩可藉自旋轉移力矩作為主要效應，並加以自旋軌道交互作用引起的力矩來協助切換。但是在其他實施方式中，自旋軌道交互作用所引發的力矩即為主要切換機制，此種實施方式中，其他效應包括但不限定為自旋轉移力矩，可協助切換及/或選擇磁性接面110。在其他的實施方式中，自由層112的磁力矩僅以自旋軌道交互作用效應即可切換。
SO活化層122為具有強自旋軌道交互作用，其可用以用來切換自由層112的磁力矩。SO活化層122可用來生成自旋軌道力場(spin-orbit field)HSO。更具體而言，電流於平面上驅動並通過SO活化層122。此可藉由驅動電流(電流密度為JSO)通過共用匯流排120而達成。由於SO活化層122具有自旋軌道交互作用，電流通過此層可能引起正比於電流密度JSO的自旋軌道力場HSO。在某些實施方式中，自旋軌道力場HSO平行於向量pSO，向量pSO取決於材料參數、SO活化層122的形狀以及電流密度JSO的方向。在一些實施方式中，自旋軌道力場HSO平行於向量[MxpSO]，其中M為磁力矩115的向量，在一些實施方式中，HSO正比於向量[MxpSO]及向量pSO的線性組合。自旋軌道力場HSO等同於磁力矩115上的自旋軌道力矩TSO。自由層112上的自旋軌道力矩可由TSO=-γ[M x HSO]而得，其中M為磁力矩115的向量。此相互關聯的力矩及力場於本說明中可置換為自旋軌道力場及自旋軌道力矩，因此也反映出自旋軌道交互 作用為自旋軌道力矩及自旋軌道力場的起源，此用語亦將自旋軌道力矩從傳統自旋轉移力矩(spin-transfer torque,STT)中區分出。於SO活化層122及自旋軌道交互作用的平面上驅動電流因而引起自旋軌道力矩，例如實施方式中所述，電流密度JSO引起自旋軌道力矩。相反的，產生自旋轉移力矩是由於垂直平面的電流通過自由層112、間隔層114以及參考層116時注入自旋極化載流子進入自由層112而產生。如實施方式中所述，因為電流密度JSTT而產生自旋轉移力矩。自旋軌道力矩TSO可迅速使自由層112磁力矩偏離平衡於易磁化軸(easy axis)的穩定狀態。由於在平面上的因素，通過SO活化層122的電流可具有非常大的電流密度(大於或等於108A/cm2)，受限於胞電晶體大小及MTJ崩潰電壓，因此通過SO活化層122的電流密度相較於通過MTJ胞阻障的電流密度為大，也因此垂直平面且通過磁性接面110的電流通常不會超過幾MA/cm2。因為由JSO所引起的自旋軌道力矩TSO明顯較流入MTJ胞的電流所引起的STT力矩之最大值為大，故自旋軌道力矩TSO相對於傳統STT力矩而言，可較快速的切換自由層的磁力矩。在一些實施方式中，會使用其他機制如自旋轉移來達到完整的切換。在其他實施方式中，會使用自旋軌道力矩來完整切換，而所產生的自旋軌道力場/自旋軌道力矩亦可用以切換自由層112的磁力矩。
在一些實施方式中，SO交互作用可包含以下兩種效應的組合：自旋霍爾效應以及Rashba效應。很多SO活化層中的自旋軌道交互作用包含此兩種效應，但以其中之一為主導，但亦可為其他自旋軌道效應。一般認為自旋霍爾效應為塊狀效應。一般自旋霍爾效應向量PSO位於SO活化層122所給的表面，垂直於電流方向以及垂直於表面垂直向量。可表現出自旋 霍爾效應的材料通常為重金屬或是摻雜了重金屬的物質。例如其中摻雜B的材質A及材質M中至少擇一者，其中A包括釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鎝(Tc)、Ru、銠(Rh)、鈀(Pd)、鎘(Cd)、銦(In)、銻(Sb)、碲(Te)、鉿(Hf)、鉭(Ta)(包括高電阻非晶型β-Ta)、鎢(W)、錸(Re)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、金(Au)、汞(Hg)、鉈(Tl)、鉛(Pb)、鉍(Bi)、釙(Po)、砈(At)及/或其結合，其中M包括自鋁(Al)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、Cu、鋅(Zn)、銀(Ag)、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、矽(Si)、鎵(Ga)、錳化鎵(GaMn)或砷化鎵中(GaAs)擇至少其一者，B包括自V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、磷(P)、硫(S)、Zn、Ga、鍺(Ge)、砷(As)、硒(Se)、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、碘(I)、鎦(Lu)、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nb)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)或鐿(Yb)中擇至少其一者。在一些實施方式中，SO活化層122可包括或可為Ir摻雜Cu及/或Bi摻雜Cu，摻雜原子百分比通常介於0.1至10之間，在其他實施方式中可使用其他材質。
其他SO活化層122的自旋軌道力場HSO來源可和中間介面的自旋軌道交互作用相關，在此情況下自旋軌道力場大小常和晶格場大小相關，而晶格場在中間介面上常保持大值。由於鄰接層面的晶格參數不匹配、基於在介面上的重金屬以及其他效應，自旋軌道交互作用於某些介面上相當大。在介面上很強的自旋軌道效應關聯到晶格場垂直於中間介面方向的梯度即為Rashba效應。如本說明所述，Rashba效應為中間介面的自旋軌道交互作用， 而不論其來源或方向。需注意在不同實施方式中，SO活化層122的中間介面可隨所欲得到的Rashba大小而調整，例如若SO活化層122為/具有Pt層依附磁性接面110、自由層112為Co層且以氧化鋁或MgO作為非磁性層114，則Rashba效應可能發生。在其它實施方式裡可用其他材質製成。
Rashba效應中自旋極化pSO的單元向量通常垂直於晶格場以及電流方向。很多SO活化層122具有垂直於匯流排120的晶格場，因此自旋軌道極化是在平面(in-plane)，如圖3中HSO的方向。另外方式，SO活化層122可具有晶體場於平面上或是傾斜於平面。如此SO活化層122具有垂直於平面(未標示於圖3)或相對傾斜於平面(未標示於圖3)的自旋軌道極化，在這類型實施方式中，SO活化層122可為表面合金。例如，SO活化層122可包括自以下Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、錫(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、Ym及/或其混合物中擇至少一者。在其它實施方式中，SO活化層122可包含A/B的表面合金，例如A原子位於主要材質B的上方表面(111)，如此在頂部形成的原子層即為A和B的混合物，其中A包括自以下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、Bu、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中擇一者，而B包括至少自以下Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、 Cr、Pt、Pd中擇至少一者。在許多實施方式中，A包括兩種或三種不同材質。在一些實施方式中，最少0.1且最多不超過3層的單層A沉積，在這些實施方式中，大約1/3的單層A沉積，在一些實施方式中，可為一個或多個的取代合金鉍/銀(substitutional Bi/Ag)、取代合金鉛/銀(substitutional Pb/Ag)、取代合金銻/銀(substitutional Sb/Ag)、取代合金鉍/矽(substitutional Bi/Si)、取代合金銀/鉑(substitutional Ag/Pt)、取代合金鉛/鍺(substitutional Pb/Ge)、取代合金鉍/銅(substitutional Bi/Cu)以及其中一層位於Au、Ag、Cu或Si表面(111)上的雙層。在其它實施方式中，SO活化層122可包括化合物如砷化鎵銦(InGaAs)、碲鎘汞(HgCdTe)或雙層鋁酸鑭/鈦酸鍶(LaAlO3/SrTiO3)、鈦酸鑭/鈦酸鍶(LaTiO3/SrTiO3)。在其它實施方式中亦可使用其他材質。對於一些實施方式而言，Rashba效應可能造成自旋軌道力矩TSO以及自由層112上相對應的自旋軌道力場HSO。
因此磁性記憶體100可利用由SO活化層122所產生的自旋軌道交互作用以及自旋軌道力場以切換自由層112的磁力矩。在一些實施方式中，SO活化層122可能需要依靠自旋霍爾效應及Rashba效應或兩者其中之一以產生自旋軌道力場HSO。因此於本說明中所描述用語如「自旋軌道效應」、「自旋軌道力場」及/或「自旋軌道交互作用」可包含自旋軌道藉由Rashba效應、自旋霍爾效應、此兩種效應的結合及/或其他自旋軌道交互作用或類似自旋軌道交互作用效應以耦合。自旋軌道力場可施加力矩於資料儲存/自由層112的磁力矩上。自旋軌道力矩可用以切換自由層112的磁力矩。於一些實施方式中，自旋軌道力場可協助自由層112的磁 力矩切換。其他機制如自旋轉移力矩，則為主要切換機制。又於其他實施方式中，自旋軌道力矩為切換自由層112的磁力矩的主要切換機制。然而在實施方式中，自旋軌道力矩亦可藉由其他機制如自旋轉移力矩的協助以切換自由層112磁力矩。此協助可以是切換自由層112磁力矩及/或選擇要切換之磁性接面。
由於自旋軌道力矩可用與切換自由層112磁力矩，故記憶體100功能因此而可提升。如以上所述，SO活化層122所生成之自旋軌道力矩可減少磁性接面110切換時間。自旋軌道力矩通常具有高效率PSO且正比於電流密度JSO。由於電流密度是在平面且沒有通過間隔層114，故自旋軌道電流可在不破壞磁性接面110的情況下增加。如此，自旋軌道力場及自旋軌道力矩可因此而增加，所以寫入時間將可減少且寫入錯誤率也可改善，記憶體100的功能因而改善。
雖然已開發的記憶體100能工作，但本技術領域的通常知識者應理解仍依需要可以有進一步提升，例如在已開發的記憶體中，SO活化層122為了協助切換而提供SO力矩給自由層112。為了達到如此，SO活化層122需靠近自由層112。例如SO活化層122連結於自由層112，或是僅以可選擇的間隔層分隔自由層112。不論在何種情況，SO力矩仍在自由層112上作用。因此磁性接面110為具有單一自由層112以及單一參考層116的單一磁性接面。利用其他可用配置，如具有雙層參考層及雙層非磁性間隔層的雙磁性接面就可以達到。
圖4為磁性記憶體200包含雙磁性接面210利用自旋軌道交互作用以切換的部分之實施方式。為清楚起見，圖4並未按照比例繪製。此外磁性記憶體200中的部份如位元線、字元線、列選擇器以及行選擇器並未於圖示中繪出或標示出。磁性記憶體200包括磁性儲存胞，其具有至少一個磁性接面210在其中。在一些實施方式中，磁性儲存胞可還有其他元件，其中可包括但不限定於其他磁性接面及一個或多個選擇元件，選擇元件可為電晶體，而磁性儲存胞可為一群依序排列的磁性儲存胞之一。
如實施方式中所繪，磁性接面210包括第一參考層212、第一非磁性間隔層214、資料儲存/自由層216、第二非磁性間隔層218以及第二參考層220。間隔層214以及218皆為非磁性，在一些實施方式中，間隔層214及218或兩者之一可為絕緣體如穿隧阻障，在此情況下，間隔層214及218可包含MgO晶體，其可增強TMR、自旋轉移效率及/或自旋軌道交互作用於磁性接面210。在其他實施方式中，間隔層214及/或218可為導體如Cu，在可替代的實施方式中，間隔層214及/或218可包含其它結構如具有位於絕緣基底的導電通道之粒狀(granular)層。
自由層216具有可切換的磁力矩217。當磁性接面210靜止狀態(quiescent)時(未被切換)，自由層216的磁力矩217會沿著自由層216的易磁化軸。在一些實施方式中，自由層216是具有鐵磁材料及/或合金的單一層。在其他一些實施方式中，自由層216可為鐵磁層或混合鐵磁及非鐵磁的多層，例如自由層216可為 多層，其包括多個鐵磁層或是由鐵磁層與非鐵磁層的混合。例如，自由層216可以是合成式反鐵磁(synthetic antiferromagnetic,SAF)，其包括多個鐵磁層交錯置入非鐵磁層如Ru。此外自由層216亦可為鐵磁的多層。
磁性接面210亦包括參考層212及220，一個或多個參考層212及/或220可簡單由鐵磁材料組成單層或多層。在一些實施方式中，參考層212及/或220可包括鐵磁層及非鐵磁層。在一些實施方式中，參考層212及/或220可為SAF。
參考層220的磁力矩(未標示)需被固定。因此在一些實施方式中，雙磁性接面210可包括固定層，可固定參考層的磁力矩。例如固定層可為反鐵磁(antiferromagnetic,AFM)層，連接參考層220。在其它實施方式中，參考層220的磁力矩以不同方式固定。參考層212、自由層216及參考層220具鐵磁性，因此包含Fe、Ni及Co中之至少其一。在一些實施方式中，參考層212、自由層216以及參考層220之磁力矩可垂直於平面，因此每一參考層212、自由層216及/或參考層220可具有垂直異向性力場，超過出平面(out-of-plane)去磁場(通常為4 π Ms的有效分數(significant fraction))。在其他實施方式中，磁力矩位是在平面(in-plane)。
SO活化層230具有強自旋軌道交互作用，可用以產生SO力場HSO，因此SO活化層230相似於SO活化層122，其中SO交互作用可來自自旋霍爾效應、Rashba效應、其他效應或其組合。如實施方式所示，SO活化層230可為整條線，因此可延伸至多個 磁性接面210。在其它實施方式中，SO活化層230可僅位於磁性接面210中的一部分區域，在圖示中以虛線表示。又於其他實施方式中，SO活化層可位於磁性接面210(本實施方式中為磁性接面210中的參考層212)以及攜帶在平面電流密度JSO的字元線間，簡單來說即參考標號230同時用於表示是線以及在線中形成SO活化層的一部分。
在運作過程中，電流密度JSO是在平面被驅動而通過SO活化層230。電流流過SO活化層230時產生相關的自旋軌道交互作用，進而引起SO力場HSO。如以上所述，自旋軌道力場HSO類似於自旋軌道力矩TSO。SO活化層230可包含其中摻雜B的材質A及材質M，其中A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta(包括高電阻非晶型β-Ta)、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At及/或其混何物；M包括自Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Se、Ga、GaMn或GaAs中擇至少一者，B包括自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或Yb中擇至少一者。在一些實施方式中，SO活化層230可包括Ir摻雜Cu及/或Bi摻雜Cu，摻雜原子百分比通常介於0.1至10之間，在其他實施方式中可使用其他材質。又於另外的實施方式中，SO活化層230可具有SO交互作用，其和中間介面的自旋軌道交互作用相關，在此情況下自旋軌道力場大小常和 晶格場大小相關，而晶格場在中間介面上常保持大值。由於連結層面的晶格參數不匹配、中間介面上重金屬的存在以及其他效應，因此自旋軌道交互作用於某些中間介面上相當大，例如SO活化層230為/具有Pt依附磁性接面210、自由層212為Co層且以氧化鋁或MgO作為非磁性層，而在其它實施方式裡可用其他材質製成。
在一些實施方式中，SO活化層230可為表面合金，如SO活化層230可包括至少自以下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、Tn、Yb及/或其混合物中擇至少一者。在其它實施方式中，SO活化層230可包含A/B的表面合金，例如A原子位於主要材質B的上方表面(111)，如此在頂部形成的原子層即為A和B的混合物，其中A包括自以下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、Tb中擇一者，而B包括至少自以下Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Cr、Pt、Pd中擇至少一者，在許多實施方式中，A包括兩種或三種不同材質。在一些實施方式中，最少0.1且最多不超過3層的單層A沉積，在這些實施方式中，大約1/3的單層A沉積，在一些實施方式中，可為一個或多個取代Bi/Ag、取代Pb/Ag、取代Sb/Ag、取代Bi/Si、取代Ag/Pt、取代Pb/Ge、取代Bi/Cu以及其中一層位於Au、Ag、 Cu或Si表面(111)上的雙層。在其它實施方式中，SO活化層230可包括化合物如InGaAs、HgCdTe或雙層LaAlO3/SrTiO3、LaTiO3/SrTiO3。在其它實施方式中亦可使用其他材質。對於一些實施方式而言，Rashba效應可能造成自旋軌道力矩TSO以及參考層212上相對應的自旋軌道力場HSO。
在一些實施方式中，自旋擴散層(spin diffusion layer)(未標示於圖4)可位於參考層212及SO活化層230之間，在一些實施方式中，此可選擇的自旋擴散層為金屬，但在其它實施方式中則為薄型絕緣層，如MgO晶體、氧化物或其他絕緣層，此種層的電阻區(resistance-area,RA)很小，例如可小於2Ohm-μm2，在其他實施方式中，可選擇的自旋擴散層可為包括兩層或以上不同材質的多層。當自旋軌道力場為主要切換磁性接面210的機制時，可選擇的自旋擴散插入層(optional spin diffusion insertion layer)可用於增加或減少自旋軌道力場。可選擇的自旋擴散插入層亦可用於提供參考層212改進的晶種層，及/或減少鄰近SO活化層230之參考層的衰減，但在一些實施方式中，如圖4所示，自旋擴散層可能被省略。
參考層212的磁力矩可由來自SO活化層230的自旋軌道交互作用而改變，但參考層212的磁力矩因為讀取電流及任何通過磁性接面210的自旋轉移電流而固定。在一些實施方式中，參考層212的磁力矩會受SO活化層230的SO力矩影響而偏移平衡狀態，但在其他實施方式中，參考層212的磁力矩會因SO活化層230的SO力矩而在平衡狀態間切換，例如參考層212的磁力矩可 在不同狀態間切換，故參考層212及230可依寫入及讀取而各自處於對耦態及反對耦態，在此種實施方式情況下，參考層212的磁力矩可在對耦態及反對耦態下保持穩定，或可能需要SO力矩來協助穩定。又於其他實施方式中可能會利用不同效應的結合，如參考層的磁力矩於寫入時可切換至對耦態，且偏移自由層的磁力矩平行/反向平行的方向，於寫入時則參考層212的磁力矩切換至反對耦態。
自由層216可藉由SO力矩及自旋轉移力矩組合以寫入。更具體而言，電流密度JSO於在平面上驅動並通過SO活化層230，電流通過SO活化層230並引起自旋軌道交互作用，進而可能導致自旋軌道力場HSO生成，自旋軌道力場HSO等同於磁力矩上的自旋軌道力矩TSO。自由層212上的自旋軌道力矩可由TSO=-γ[M x HSO]而得，其中M為參考層212的磁力矩大小。參考層212上的SO力矩使參考層偏移對齊或反向對齊自由層216磁力矩的平衡狀態。參考層212的磁力矩施加力場於自由層216之上而使自由層磁力矩自平衡狀態傾斜，換句話說，自由層磁力矩以傾斜方式遠離停滯點(stagnation point)。自旋轉移電流JSTT可於垂直於平面方向驅動，並通過磁性接面210，而自旋轉移力矩可施加於自由層磁力矩之上，因此藉由STT自由層216磁力矩便可切換。
在其他實施方式中，電流密度JSO於在平面上驅動，並通過SO活化層230，力矩使參考層212及220處於對耦態，參考層216便可利用自旋轉移力矩以寫入，參考層216的磁力矩便可利用 自旋轉移力矩以寫入。當資訊需自磁性接面210中讀取時，SO電流將於相反方向驅動，參考層212及260處於反對耦態，因而可讀取磁性接面210的磁阻。
磁性接面210可進行較快的切換。由於SO力矩可偏移參考層212的磁力矩，並導致離散場(stray field)使自由層磁力矩遠離停滯點，故利用STT切換速度可更快。此外，由於雙磁性接面210的使用，於參考層212及220對耦態時自由層216上的自旋轉移力矩可能較高。於參考層212及220反對耦態時驅動較少的切換電流通過磁性接面210，因而磁性接面210的磁阻可較高，故可獲得較高的訊號。此外在反對耦態的情況下，也會因為在固定的電流密度下減少了STT的強度，故讀取錯誤率因而顯著下降。此外，感應邊界可提升且對單元的熱穩定度要求亦可放寬。
圖5A至5D為磁性記憶體300包含雙磁性接面310利用自旋軌道交互作用以切換的部分之實施方式，為清楚起見，圖5A至5D並未按照比例繪製。此外磁性記憶體300中部份如位元線、字元線、列選擇器以及行選擇器並未於圖示中繪出或標示出。磁性記憶體300類似磁性記憶體200，包含磁性接面310及具有SO活化層330的單元330，近似於磁性接面210以及具有SO活化層230的單元230。磁性儲存胞可為一群排列整齊的磁性儲存胞中之一。
磁性接面310包括第一參考層312、第一非磁性間隔層314、資料儲存/自由層316、第二非磁性間隔層318以及第二參考 層320，個別近似於第一參考層212、第一非磁性間隔層214、資料儲存/自由層216、第二非磁性間隔層218以及第二參考層220。間隔層314以及318皆為非磁性，間隔層314及318或兩者之一可為穿隧絕緣阻障，如MgO晶體。在其他實施方式中，間隔層314及/或318可為導體，在可替代的實施方式中，間隔層314及/或318可包含其它結構，參考層312、自由層316以及參考層320為鐵磁，故包含如Co、Ni及/或Fe的材料。
自由層316具有可切換的磁力矩317。當磁性接面310靜止狀態時(未被切換)，自由層316的磁力矩317會沿著自由層316的易磁化軸。如圖5A至5D所繪的實施方式，易磁化軸位在平面上，但在其他實施方式中，易磁化軸可能具其他方向，包括但是不限定的在垂直平面方向。在一些實施方式中，自由層316為具有鐵磁材料及/或合金的單一層，但在一些實施方式中，自由層316可為多層包括但不限定於SAF或其他結構。
磁性接面310亦包含參考層312及320，分別具有磁力矩313及321。參考層312及/或320每一個可皆為由鐵磁材料組成的單層或如SAF的多層。參考層320磁力矩321需被固定，因此在一些實施方式中，磁性接面310可包括固定層(未標示於圖5A至5D)如AFM，可固定磁力矩321，而參考層312的磁力矩313由於讀取電流及自旋轉移電流通過磁性接面310而固定。在其它實施方式中，磁力矩321以不同方式固定。如實施方式中所繪，磁力矩313及321於平面上，但在一些實施方式中，磁力矩313及/或 321可於其他方向，包括但不限定於垂直平面方向。
SO活化層330具有強自旋軌道交互作用，可用以產生SO力場HSO，其中SO交互作用可來自自旋霍爾效應、Rashba效應、其他效應及/或其組合。如實施方式所繪，SO活化層330可為整列，因此可延伸至多個磁性接面310。在其它實施方式中，SO活化層330可僅位於活化介面310中的一部分區域，在圖示中以虛線表示。又於其他實施方式中，SO活化層可位於磁性接面310(本實施方式中為磁性接面310中的參考層312)以及攜帶平面電流密度JSO的字元線間，簡單來說即參考標號330同時為單元以及單元中形成SO活化層的部分。因此SO活化層330可包含近似於上述所描述之SO活化層122及230的材料。
在一些實施方式中，可選擇的自旋擴散層(未標示於圖5A至5D)可位於參考層312及SO活化層330之間，但在一些實施方式中，如圖5A至5D所示，自旋擴散層可能被省略。
雖然參考層312的磁力矩313通常不是藉由通過磁性接面310的自旋轉移或讀取電流，仍可藉由來自SO活化層330的自旋軌道交互作用而改變，如圖5A至5D所示，此種改變發生於自由層316的寫入。如圖5A所繪，於在平面內的電流密度JSO可通過SO活化層330而產生SO力場HSO，而SO力場會使磁力矩313產生偏移，結果如圖5B所示，磁力矩313'自原先位置偏離一角度，因此參考層312的磁力矩313'不再(反向)對齊於自由層316的磁力矩317之平衡位置。故參考層312施加磁力場Hstray於自由層的磁 力矩317之上。結果，自由層磁力矩317受磁力場Hstray影響而偏移原先平衡位置。自由層的磁力矩317被磁力場Hstray從平衡位置偏離，如圖5C所示。自由層的磁力矩317’在自由層316內從虛線的易磁化軸偏移一角度，而以傾斜方式遠離停滯點。如圖5C中所繪，自旋轉移電流JSTT可自垂直於平面方向驅動並通過磁性接面310，於自由層的磁力矩317'上加以自旋轉移力矩。此外，如圖5D所示，將位於平面的電流密度JSO移除。自由層316的磁力矩利用STT切換且參考層312恢復原先平衡狀態。而自由層的磁力矩317"因此而反向平行於磁力矩313"。這是由於如圖5A至5D的實施方式，自旋轉移力矩電流遠離單元330。若是自旋轉移力矩電流自相反方向驅動，自由層力矩317"則會平行於力矩313'。於其他實施方式中，對於給予方向的自旋轉移力矩電流，自由層的切換方向可相反於圖5A至5D中所繪。
磁性接面310可進行更快速的切換。由於SO力矩使參考層312磁力矩313'偏移，故力場Hstray使自由層磁力矩遠離停滯點，因而利用STT的切換可更快且減少WER。此外，由於雙磁性接面310的使用，於對耦態時提供參考層312的磁力矩313/313'/313'以及參考層320的磁力矩321之自旋轉移力矩可更強。較低的自旋轉移切換電流JSTT被驅動通過磁性接面310。若是參考層312及320反對耦態，磁性接面310的磁阻可能較高，因此可獲得較高的信號。此外在反對耦態的情況下，由於在固定的電流密度下減少了STT的強度，故讀取錯誤率因而顯著下降。此 外，感應邊界可提升且對記憶胞的熱穩定度要求亦可放寬。以下參考圖8A及8B說明對耦態及反對耦態間切換的例子。
圖6A至6D為磁性記憶體400包含雙磁性接面410利用自旋軌道交互作用以切換的部分之實施方式，為清楚起見，圖6A至6D並未按照比例繪製。此外磁性記憶體400中的部份如位元線、字元線、列選擇器以及行選擇器並未於圖示中繪出或標示出。磁性記憶體400類似磁性記憶體200及300，包含磁性接面410及具有SO活化層430的線430，相似於磁性接面210/310以及具有SO活化層230/330的線230/330。磁性儲存胞可為一群排列整齊的磁性儲存胞中之一。
磁性接面410包括第一參考層412、第一非磁性間隔層414、資料儲存/自由層416、第二非磁性間隔層418以及第二參考層420，個別相似於第一參考層212/312、第一非磁性間隔層214/314、資料儲存/自由層216/316、第二非磁性間隔層218/318以及第二參考層220/320。間隔層414以及418皆為非磁性，間隔層414及418或兩者之一可為穿隧絕緣阻障，如MgO晶體。在其他實施方式中，間隔層414及/或418可為導體，在可替代的實施方式中，間隔層414及/或418可包含其它結構，參考層412、自由層416以及參考層420為鐵磁，故包含如Co、Ni及/或Fe的材料。
自由層416具有可切換的磁力矩417，當磁性接面410靜止狀態時(未被切換)，自由層416的磁力矩417會沿著自由層 416的易磁化軸。如圖6A至6D所繪的實施方式，易磁化軸垂直於平面，因此自由層416可具有垂直異向性力場，其超越出平面的去磁場(通常為4 π Ms的有效分數)。但在其他實施方式中，易磁化軸可能具其他方向，包括但不限定於平面方向。在一些實施方式中，自由層416為具有鐵磁材料及/或合金的單一層，但在一些實施方式中，自由層416可為包括但不限定於SAF或其他結構的多層。
磁性接面410亦包含參考層412及420的磁力矩413及421，每一參考層412及/或420可為由鐵磁材料組成的單層或如SAF的多層。參考層420的磁力矩421需被固定，而參考層412的磁力矩413由於讀取電流及自旋轉移電流通過磁性接面410而固定。如實施方式所示，磁力矩413及421垂直於平面，因此每一參考層412及420可具有垂直異向性力場，超越出平面的去磁場(通常為4 π Ms的有效分數)，但在其他實施方式中，磁力矩413及/或421可包括但不限定於平面上。
SO活化層430具有強自旋軌道交互作用，可用以產生SO力場HSO。SO交互作用可來自自旋霍爾效應、Rashba效應、其他效應及/或其組合。如實施方式所繪，SO活化層430可為整條線，因此可延伸至多個磁性接面410。在其它實施方式中，SO活化層430可僅位於磁性接面410中的一部分區域，在圖示中以虛線表示。又於其他實施方式中，SO活化層可位於磁性接面410(本實施方式中為磁性接面410中的參考層412)以及攜帶平面電流密度JSO 的字元線間，簡單來說即參考標號430同時為線以及線中形成SO活化層的部分。因此SO活化層430可包含類似於上述所描述之SO活化層122、230及330的材料。
在一些實施方式中，可選擇的自旋擴散層(未標示於圖6A至6D)可位於參考層412及SO活化層430之間，但在一些實施方式中，如圖6A至6D所示，自旋擴散層可能被省略。
參考層412磁力矩413可利用來自SO活化層430的自旋軌道交互作用改變，但如同以上所述，磁力矩413由於讀取電流或自旋轉移電流垂直於平面通過磁性接面410而保持穩定。如圖6A至6D所示，磁力矩413的改變是發生於自由層416寫入時。如圖6A所繪，於平面內的電流密度JSO可被驅動通過SO活化層430而產生SO力場HSO。而SO力場會使磁力矩413產生偏移，結果如圖6B所示，磁力矩413'自原先位置轉向。因而磁力矩413'於平面上便具有一向量，故參考層412的磁力矩413'不再(反向)對齊於自由層416的磁力矩417之平衡位置。故參考層412施加磁力場Hstray於自由層磁力矩417之上，導致自由層磁力矩417受磁力場Hstray影響而偏移原先平衡位置。如圖5C所示，自由層磁力矩417'偏移圖中位於自由層416內虛線的易磁化軸且在平面上具一向量，此外自由層磁力矩417'亦以傾斜方式遠離停滯點。如圖6C中所繪，自旋轉移電流JSTT可自垂直於平面方向驅動並通過磁性接面410，於自由層磁力矩417'上加以自旋轉移力矩。此外，如圖6D所示，將位於平面的電流密度JSO移除後，自由層416磁 力矩利用STT切換且參考層412恢復原先平衡狀態，而自由層磁力矩417"因此而平行於磁力矩413"，這是由於自旋轉移力矩電流往單元430驅動，若自旋轉移力矩電流自相反方向驅動，自由層力矩417"則會反向平行於力矩413"。於其他實施方式中，以同樣方向的自旋轉移力矩電流所得的參考層切換方向可相反於圖6A至6D中所繪。
磁性接面410可進行更快速的切換。由於SO力矩使參考層412磁力矩413'偏移，故力場Hstray使自由層磁力矩遠離停滯點，因而利用STT力矩的切換可更快且減少WER。此外，由於雙磁性接面410的使用，於對耦態時提供參考層412磁力矩413/413'/413"以及參考層420磁力矩421的自旋轉移力矩可更強，而較低的自旋轉移切換電流JSTT可通過磁性接面410。當參考層412及420反對耦態時，磁性接面410的磁阻可能較高，因此可獲得較高的信號。此外在反對耦態的情況下，由於在固定的電流密度下減少了STT的強度，故讀取錯誤率因而顯著下降。此外，感應邊界可提升且對單元的熱穩定度要求亦可放寬。以下參考圖8A及8B說明對耦態及反對耦態間切換的例子。
圖7A及7B為磁性記憶體400'的一部分包含雙磁性接面410'利用自旋軌道交互作用以切換的實施方式，為清楚起見，圖7A及7B並未按照比例繪製。此外磁性記憶體400'中部份如位元線、字元線、列選擇器以及行選擇器並未於圖示中繪出或標示出。磁性記憶體400'類似磁性記憶體200、300及400，包含磁性接面 410'及具有SO活化層430'的單元430'，近似於磁性接面210/310/410以及具有SO活化層230/330/430的單元230/330/430。磁性儲存胞可為一群排列整齊的磁性儲存胞中之一。SO活化層330可為整個匯流排或僅位於磁性接面410'附近，在圖示中以位於常見單元/SO活性層內的虛線表示，簡單來說即參考標號430'同時為單元以及單元中形成SO活化層的部分。
磁性接面410'包括第一參考層412'、第一非磁性間隔層414'、資料儲存/自由層416'、第二非磁性間隔層418'以及第二參考層420'，個別近似於第一參考層212/312/412、第一非磁性間隔層214/314/414、資料儲存/自由層216/316/416、第二非磁性間隔層218/318/418以及第二參考層220/320/420。雖然如圖所示自由層414'及參考層420'為單一層，但兩者或兩者之一皆可為多層，包括但不限定於SAF。
如實施方式中所繪，參考層412'為SAF，包括鐵磁層442及446，以非鐵磁層444如Ru分隔開，每一鐵磁層442及446個別具有磁力矩443及447。在圖中參考層412'、420'及自由層416'各具有垂直於平面的磁力矩，但在其它實施方式中，磁力矩可位於平面。在一些實施方式中，可選擇的自旋擴散層(未標示於圖5A至5D)可位於參考層412'及SO活化層430'之間，但在一些實施方式中，如圖7A及7B所示，自旋擴散層可能被省略。
參考層412'磁力矩443及447可利用來自SO活化層430的自旋軌道交互作用改變，而非利用讀取電流或驅動於垂直平面 方向並通過磁性接面410'的自旋轉移電流。如圖7A所繪，於平面內的電流密度JSO可通過SO活化層430'而產生SO力場HSO。SO力場會使磁力矩443產生偏移。由於反鐵磁性耦合的因素，磁力矩447亦傾斜於垂直平面方向，如圖7A所示。參考層412'的磁力矩443及447不再各自對齊和反向對齊於自由層416'的磁力矩417'''之平衡位置。其結果，參考層412'施加磁力場Hstray於自由層磁力矩417'''之上。需注意在一些實施方式中，為增強力場Hstray的大小，磁力矩443及447的大小需不平衡。受磁力場Hstray影響後，自由層磁力矩417'''將偏移原先平衡位置，也因此自由層磁力矩417'''將以傾斜方式遠離停滯點。如圖7A中所繪，自旋轉移電流JSTT可自垂直於平面方向驅動並通過磁性接面410'，於自由層磁力矩417'''上加以自旋轉移力矩。此外，如圖7B所示，將位於平面的電流密度JSO移除後，自由層416'磁力矩利用STT切換且參考層412'恢復原先平衡狀態。因此於圖7B實施方式中所繪的參考層磁力矩417''''便平行於磁力矩447'，這是由於自旋轉移力矩電流往單元430驅動。若自旋轉移力矩電流自相反方向驅動，自由層力矩417''''則會反向平行於力矩447'。於其他實施方式中，以同樣方向的自旋轉移力矩電流所得的切換方向可相反於圖7A及7B中所繪。
磁性接面410'可進行更快速的切換。由於SO力矩使參考層412'磁力矩443及447偏移，故力場Hstray使自由層磁力矩417'''遠離停滯點，因而利用STT的切換可更快。此外，由於雙磁性接 面410'的使用，對耦態時提供參考層412'及420'之自由層416'上的自旋轉移力矩可更強，而較低的自旋轉移切換電流JSTT通過磁性接面410'。當參考層412'及420'反對耦態時，磁性接面410'的磁阻可能較高，因此可獲得較高的信號。此外在反對耦態的情況下，由於在固定的電流密度下減少了STT的強度，故讀取錯誤率因而顯著下降。此外，感應邊界可提升且對記憶胞的熱穩定度要求亦可放寬。以下參考圖8A及8B說明對耦態及反對耦態間切換的例子。
圖8A及8B為磁性記憶體500的部分包含雙磁性接面510利用自旋軌道交互作用以切換之實施方式，為清楚起見，圖8A及8B並未按照比例繪製。此外磁性記憶體500中部份如位元線、字元線、列選擇器以及行選擇器並未於圖示中繪出或標示出。磁性記憶體500類似磁性記憶體200、300、400及400'，包含磁性接面510及具有SO活化層530的單元530，近似於磁性接面210/310/410/410'以及具有SO活化層230/330/430/430'的單元230/330/430/430'。磁性儲存胞可為一群排列整齊的磁性儲存胞中之一，簡單來說，即參考標號530同時為單元以及單元中形成SO活化層的部分。
磁性接面510包括第一參考層512、第一非磁性間隔層514、資料儲存/自由層516、第二非磁性間隔層518以及第二參考層520，個別近似於第一參考層212/312/412/412'、第一非磁性間隔層214/314/414/414'、資料儲存/自由層216/316/416/416'、第二 非磁性間隔層218/318/418/418'以及第二參考層220/320/420/420'。間隔層514以及518皆為非磁性，間隔層514及518或兩者之一可為穿隧絕緣阻障，如MgO晶體。在其他實施方式中，間隔層514及/或518可為導體，在可替代的實施方式中，間隔層514及/或518可包含其它結構，參考層512、520以及自由層516為鐵磁，故包含如Co、Ni及/或Fe的材料。
自由層516具有可切換的磁力矩517，當磁性接面510靜止狀態時(未被切換)，自由層516的磁力矩517會沿著自由層516的易磁化軸。如圖8A及8B所繪的實施方式，易磁化軸垂直於平面，因此自由層516可具有垂直異向性力場，其超越出平面的去磁場(通常為4 π Ms的有效分數)。但在其他實施方式中，易磁化軸可能具其他方向，包括但不限定於平面方向。在一些實施方式中，自由層516為具有鐵磁材料及/或合金的單一層，但在一些實施方式中，自由層516可為包括但不限定於SAF或其他結構的多層。
SO活化層530具有強自旋軌道交互作用，可用以產生SO力場HSO。SO交互作用可來自自旋霍爾效應、Rashba效應、其他效應及/或其組合。如實施方式所繪，SO活化層530可為整條線，因此可延伸至多個磁性接面510。在其它實施方式中，SO活化層530也可僅位於磁性接面510中的一部分區域，在圖示中以虛線表示。又於其他實施方式中，SO活化層可位於磁性接面510(本實施方式中為磁性接面510中的參考層512)以及攜帶平面電流密度JSO 的字元線間。因此SO活化層530可包含近似於上述所描述之SO活化層122、230、330、430及430'的材料。
在一些實施方式中，可選擇的自旋擴散層(未標示於圖8A及8B)可位於參考層512及SO活化層530之間，但在一些實施方式中，如圖8A及8B所示，自旋擴散層可能被省略。
磁性接面510亦包括參考層512及520，其中參考層520包括鐵磁層522及526，以非磁性層524分隔開，每一鐵磁層522及526個別具有磁力矩523及527，因此參考層520可為SAF，但參考層512為具有磁力矩513的單一層。在一些實施方式中，參考層可為多層。參考層520的磁力矩523及527需固定，但參考層512磁力矩513可改變，特別是參考層512需要於如圖8A所示的反對耦態及如圖8B所示的對耦態間切換，其中反對耦態用於讀取，而對耦態用於寫入。
參考層512磁力矩513可利用來自SO活化層530的自旋軌道交互作用改變，磁力矩513於自由層516讀取或寫入時發生改變。如圖8A所示，於平面內的電流密度JSO通過SO活化層530而產生SO力場HSO，為了要切換垂直於平面的自由層512磁力矩513，SO力場基本上亦垂直於平面，但若磁力矩513於平面時，SO力場基本上亦會於平面。SO力場會使磁力矩513位置產生偏移，參考圖8A，於讀取時位於平面內的電流密度JSO1沿著可產生反對耦態的方向驅動以產生SO力場，因此磁力矩513切換為反對耦態，磁性接面510因此而可讀取。於寫入時位於平面內的電流 密度JSO2沿著相反方向驅動，因而在相反方向產生SO力場，因此磁力矩513’切換為對耦態，故磁性接面510利用自旋轉移力矩而可寫入。
在一些實施方式中，參考層512的磁力矩513於SO力場/SO力矩缺乏時，可在對耦態及反對耦態中保持穩定，換句話說，磁力矩513穩定的平行或反向平行於自由層516的易磁化軸，因此參考層512具有垂直於平面的異向性，在此種實施方式中，SO電流於讀取或寫入時可減少或移除。在其它實施方式中，參考層512的磁力矩513於沒有SO力場/SO力矩時不穩定，在此種實施方式中，SO電流於讀取或寫入時仍保持不變。
對於磁性接面510而言，可利用來自參考層512的離散場協助自旋轉移力矩而寫入。在一些實施方式中，當參考層512自反對耦態切換為對耦態或相反時，參考層512施加極大的離散場於自由層516上，使磁力矩517遠離停滯點。在其他實施方式中，磁力矩513可自平行/反向平行於自由層516磁力矩517方向傾斜，例如若磁力矩513/513'僅於提供SO力矩時保持穩定，則SO電流可減少而使磁力矩513/513'傾斜如圖8A及8B所示的位置。在此種實施方式中，傾斜的磁力矩513/513'亦可導致自由層的離散場，而使磁力矩517遠離停滯點。磁性接面510可藉由類似於磁性接面200、300、400以及400'的方式而被寫入，在此類型實施方式中，參考層512的磁力矩513/513'應為極大值，例如參考層512的磁化向量平均飽和度(averaged saturation of magnetization) 可為700-1200emu/cm3。但在其他實施方式中慈化接面510可以其他方式寫入，如磁性接面510可僅用傳統自旋轉移力矩而被寫入，在此類型實施方式中，磁力矩513/513'將首先被切換，早於自由層磁力矩517利用如自旋轉移力矩而被切換，在此種實施方式中，由於磁力矩513施加靜態及動態離散場於自由層516上，可導致磁力矩517熱穩定度的減少，故參考層512的磁力矩降低較為理想。因此在一些實施方式中，磁化向量平均飽和度可介於0到500emu/cm3之間。為達到較低的磁力矩，在一些實施方式中，參考層512可由SAF製成，利用其雙磁性層的磁力矩來完全補償或部分補償，此外為減少由磁力矩513施加於自由層516上的靜態離散場。在一些實施方式中，磁力矩513可製成使其在靜止狀態時垂直於自由層516磁力矩517的易磁化軸。例如，當磁力矩517垂直於平面如圖8A至8B所示時，參考層512的磁力矩513可位於平面(未標示)，當磁力矩517位於平面時，則磁力矩513可垂直於平面或位於平面但其易磁化軸垂直於自由層516的易磁化軸(未標示)。
在SO力矩用於傾斜磁力矩513/513'於平行/反向平行自由層磁力矩517的實施方式中，磁性接面510可利用磁性接面210、310、410及/或410'的優點，如磁性接面510可進行更快速的切換。磁性接面510亦可於需要時處於對耦態或反對耦態。由於雙磁性接面510於對耦態時可用以寫入，因此於自由層516上的自旋轉移力矩可能較高。較低的自旋轉移切換電流JSTT因此可 通過磁性接面510。由於參考層512及520處於反對耦態時可用以讀取，故磁性接面510的磁阻可能較高，因此而可獲得較高的信號。此外，由於在固定電流密度下減少STT強度，因此於反對耦態的情況下讀取錯誤率可明顯下降。此外，感應邊界可提升且對記憶胞的熱穩定度要求亦可放寬。雖然圖中磁性接面510於對耦態及反對耦態之間的切換具有垂直於平面的磁力矩，此種切換亦可藉由其他結構而獲得，包括但不限定於平面的磁力矩。因此磁性接面的功能因而可提升。
圖9為磁性記憶體550包含磁性接面562利用自旋軌道交互作用以切換參考層磁力矩之實施方式，為清楚起見，圖9並未按照比例繪製。磁性記憶體550相似於磁性記憶體200、300、400、400'及/或500，因此磁性記憶體550包含磁性接面562及SO活化層570，各別近似於磁性接面210、310、410、410'及/或510，以及SO活化層230、330、430、430'及/或530。磁性接面562為雙磁性接面，因此磁性接面562及SO活化層570的結構與功能各別類似於以上所述的磁性接面210/310/410/510'/510以及SO活化層230/330/430/430'/530。例如磁性層可能具有垂直於平面的易磁化軸，參考層可能亦具有位於平面上或垂直於平面的磁力矩，磁性接面562如以上所述，可利用自旋軌道交互作用而切換，以控制參考層磁力矩沿自旋轉移力矩切換自由層。
除了磁性接面562之外，磁性記憶體550包含選擇元件564，相對應於位於儲存胞560內的每一個磁性接面562。如實施 方式所繪，記憶胞(memory cell)包含磁性接面562以及選擇元件564，選擇元件564為電晶體，可耦接於位元線。如實施方式所繪，磁性記憶體550亦可包含可選擇的自旋擴散插入層566，在一些實施方式中其為金屬，但在其他實施方式中，此層可為薄型絕緣材質如MgO晶體、其他氧化物或其他絕緣層。此種層的電阻區很小，例如可小於2Ohm-μm2，在其他實施方式中，可選擇的自旋擴散插入層566可為包括兩層或以上不同材質的多層。可選擇的自旋擴散插入層566可用以減少近似於Rashba效應之對自旋軌道力場的作用，或/及增加近似於自旋霍爾效應之對自旋軌道力場的作用。可選擇的自旋擴散插入層566亦可用於提供改良的晶種層於參考層。
雖然在圖9中僅繪出一個磁性接面562，但SO活化層572可延伸至多個磁性接面，因此SO活化層572亦可如同字元線570般作用。此外SO活化層572如圖所示具有基本上恆定的厚度(尺寸於Z方向)以及寬度(尺寸於Y方向)，但在一些實施方式中，SO活化層的厚度及/或寬度可減少到至少如磁性接面562般，在此種實施方式中，磁性接面572的自旋軌道電流密度增加，因此利用自旋軌道交互作用而切換的機制便可改良。在一些實施方式中，SO活化層572可以為電晶體的一部分，包括可選擇的來源574(optional source)以及可選擇的排管(optional drain)576，但在其他實施方式中，此結構可省略。
磁性記憶體550具有磁性記憶體200、300、400、400' 及/或500的優點。由於自旋軌道力矩用於切換自由層磁力矩，故記憶體550的功能因而改良。又由於SO活化層572中的SO電流位於平面，故電流密度JSO可較大，此外磁性接面562可為雙磁性接面，因此可得較大的磁阻及/或較大的自旋轉移力矩，故記憶體550的功能因而可改良。
圖10為磁性記憶體550'包含磁性接面562'利用自旋軌道交互作用以改變參考層磁力矩之實施方式，為清楚起見，圖10並未按照比例繪製。磁性記憶體550'相似於磁性記憶體200、300、400、400'及/或500，因此磁性記憶體550'包含磁性接面562'及SO活化層572'，各別相似於磁性接面210、310、410、410'及/或510，以及SO活化層230、330、430、430'及/或530。因此磁性接面562'及SO活化層572'的功能及結構各別類似於以上所述的磁性接面210/310/410/410'/510以及SO活化層230/330/430/430'/530，例如磁性層可能具有位於平面或垂直於平面的磁力矩，最靠近SO活化層572'的參考層可能亦具有可隨自旋軌道力場而改變的磁力矩，磁性接面562'如以上所述，可利用自旋軌道交互作用改變參考層磁力矩，以及利用自旋轉移力矩寫入參考層而切換。磁性記憶體550'亦可包括可選擇的自旋擴散插入層566'，類似於可選擇的自旋擴散插入層566。簡單來說，圖中所示SO力場位於Y軸方向，但SO力場亦可於其他方向，包括但不限定於垂直於平面的方向(例如在正Z軸或負Z軸方向)。
磁性記憶體550'亦包括字元線570'，字元線570'延伸至 多個磁性接面562'，因此亦延伸至多個記憶胞。SO活化層572'位於單一磁性接面562'內但是電性連結字元線，因此如實施方式所繪，每一SO活化層572'對應於磁性接面562'。如實施方式所繪，SO活化層572'延伸在字元線570'上方，但在其他實施方式中，SO活化層572'的頂部可位於其他位置，包括但不限定於基本上與字元線570'頂部同高處。如實施方式所繪，SO活化層572'底部位於字元線570'內，因此SO活化層572'可位於字元線570'凹陷處。但在一些實施方式中，SO活化層572'的底部可位於其他位置。此外SO活化層572'可具有相等或小於字元線570'的厚度，且位於字元線內的孔內。在此種實施方式中，通過SO活化層572'的電流密度可能較字元線570'周圍為大。在圖中亦繪示SO活化層572'延伸至磁性接面562'的邊緣，但在其他實施方式中，SO活化層572'可自x-y平面延伸至較磁性接面562'更遠處。
磁性記憶體550'具有磁性記憶體200、300、400、400'、500及550的優點。由於自旋軌道力矩用於改變最接近SO活化層572'之參考層磁力矩，故記憶體550'的功能因而改良，又由於SO活化層572'中的SO電流位於平面，故電流密度JSO可較大，此外磁性接面562'可為具較佳的自旋轉移力矩及/或磁阻的雙磁性接面，故記憶體550'的功能因而可改良。
圖11為磁性記憶體550"包含磁性接面562"利用自旋軌道交互作用以切換之實施方式，為清楚起見，圖11並未按照比例繪製。磁性記憶體550"近似於磁性記憶體200、300、400、400'、500、 550及/或550'，因此磁性記憶體550"包含磁性接面562"及SO活化層572"，各別近似於磁性接面210/310/410/410'/510，以及SO活化層230/330/430/430'/530，因此磁性接面562"及SO活化層572"的功能及結構各別類似於以上所述的磁性接面210/310/410/410'/510以及SO活化層230/330/430/430'/530，例如磁性層可能具有位於平面或垂直於平面的力矩，最靠近SO活化層572"的參考層可能亦具有可隨SO力矩而改變的磁力矩，磁性接面550"亦可包括可選擇的自旋擴散插入層566"。
磁性記憶體550"亦包括類似於字元線570的字元線570"，字元線570"延伸至多個磁性接面562"，因此亦延伸至多個記憶胞。SO活化層572"位於單一磁性接面562"中，但電性連結字元線，因此如實施方式所繪，每一SO活化層572"對應於磁性接面562"。如實施方式所繪，SO活化層572"延伸在字元線570"上方及下方，如實施方式所繪，SO活化層572"位於字元線570"中的開口，但在其他實施方式中，SO活化層572"的頂部及/或底部可位於其他位置。在圖中亦繪示SO活化層572"延伸至磁性接面562"的邊緣，但在其他實施方式中，SO活化層572"可自x-y平面延伸至較磁性接面562"更遠處。
磁性記憶體550"具有磁性記憶體200、300、400、400'、500、550及/或550'的優點。由於自旋軌道力矩用於改變最接近SO活化層572"之參考層磁力矩，故記憶體550"的功能因而改良，又由於SO活化層572"中的SO電流位於平面，故電流密度JSO可較 大，此外磁性接面562"可為具較佳的自旋轉移力矩及/或磁阻的雙磁性接面，故記憶體550"的功能因而可改良。
圖12為磁性記憶體550'''包含具有利用自旋軌道交互作用改變參考層磁力矩的磁性接面562'''之實施方式，為清楚起見，圖12並未按照比例繪製。磁性記憶體550'''近似於磁性記憶體200、300、400、400'、500、550、550'及/或550"，因此磁性記憶體550'''包含磁性接面562'''及SO活化層572'''，各別近似於磁性接面210/310/410/410'/510，以及SO活化層230/330/430/430'/530，因此磁性接面562'''及SO活化層572'''的功能及結構各別類似於以上所述的磁性接面210/310/410/410'/510以及SO活化層230/330/430/430'/530，例如磁性層可能具有位於平面或垂直於平面的力矩，最靠近SO活化層572'''的參考層可能亦具有可隨SO力矩而改變的磁力矩，磁性接面550'''亦可包括可選擇的自旋擴散插入層566'''。
磁性記憶體550'''亦包括類似於字元線570"的字元線570'''，字元線570'''延伸至多個磁性接面562'''，因此亦延伸至多個記憶胞。SO活化層572'''位於單一磁性接面562'''中，但電性連結字元線，如實施方式所繪，SO活化層572'''連接磁性接面562'''，並非直接位於磁性接面562'''的下方，取代的是字元線570'''的其他部分位於磁性接面562'''下方。SO活化層572'''可在磁性接面562'''部分分離，但此分離不應太大，通常小於MTJ的寬度，但在一些實施方式中，寬度可較MTJ為大，可達100奈米。
磁性記憶體550'''具有磁性記憶體200、300、400、400'及500的優點。由於自旋軌道力矩用於切換參考層的磁力矩，故記憶體550'''的功能因而改良，又由於SO活化層572'''中的SO電流位於平面，故電流密度JSO可較大，此外磁性接面562'''可為雙磁性接面，可提升自旋轉移力矩及/或磁矩，故記憶體500'''的功能因而可改良。
圖13為磁性記憶體600包含具有利用類似於自旋軌道交互作用改變參考層磁力矩的雙磁性接面610之實施方式，為清楚起見，圖13並未按照比例繪製。磁性記憶體600類似於磁性記憶體200、300、400、400'及/或500，故類似的元件使用類似的符號表示，因此磁性記憶體600包含磁性接面610及結構620，各別近似於磁性接面210/310/410/410'/510，以及SO活化層230/330/430/430'/530，因此磁性接面610及結構620的功能及結構各別類似於以上所述的磁性接面210/310/410/410'/510以及SO活化層230/330/430/430'/530。磁性記憶體600亦可包括可選擇的自旋擴散插入層614，近似於可選擇的自旋擴散插入層566。
於本發明中，磁性記憶體600具有近似於SO活化層的結構620，故可利用自旋軌道交互作用以切換磁性接面610。更具體而言，結構620外的磁性接面610可提供位於平面的自旋極化電流用以改變磁性接面610內參考層磁力矩。更具體來說，最接近字元線624的磁力矩可改變，故記憶體600的切換機制近似於自旋軌道交互作用。
於磁性記憶體600中，結構620類似於SO活化層，為具有高導電性的字元線624以及至少一個自旋極化注入器622所組成。如圖13所繪之實施方式，僅使用單一個自旋極化電流注入器622，但在其它實施方式中，可使用多個自旋極化注入器，例如可使用兩個具有相反自旋極性的注入器，或著可使用單一自旋極化電流注入器622。自旋極化電流注入器622對被驅動而通過自旋極化電流注入器622的電流，極化帶電載流子的自旋。例如自旋極化電流注入器622可為磁性層。此外單一自旋極化電流注入器622為了提供多個磁性接面610極化的自旋，故高導電性的字元線624為具有高自旋擴散長度的至少一個導電層。例如，自旋擴散長度至少一百奈米。在另一些實施方式中，自旋擴散長度至少一微米。如在一個實施方式中，高導電性的字元線624可為石墨線(graphene line)。高自旋擴散長度可提供來自注入器622的自旋極化電荷載流子橫越字元線624並到達至少一個磁性接面610，且可避免會破壞電荷載流子自旋資訊的顯著散射。
由於電流被注入器622極化，且通過高導電性的字元線624時維持自旋資訊，故極化電流類似上述自旋霍爾及Rashba效應極化自旋子的方式，因此結合注入器622以及高導電性的字元線624，可類似於SO活化層230/330/430/430'/530。換句話說，自旋極化電流可提供類似於自旋軌道力場及力矩之力場及力矩。
磁性記憶體600具有磁性記憶體200、300、400、400'及500的優點。由於自旋軌道力矩用於切換參考層的磁力矩，故 記憶體600的功能因而改良。此外磁性接面610可為雙磁性接面，可提升自旋轉移力矩及/或增加磁阻，故記憶體600的功能因而可改良。記體體550、550'、550"、550'''及600各別描述不同結構的SO活化層572、572'、572"、572'''及620。利用一個或多個此種結構而可改良磁性記憶體的功能。
圖14為磁性記憶體700包含主要利用自旋軌道交互作用以切換的磁性接面710之實施方式，為清楚起見，圖14並未按照比例繪製。磁性記憶體700類似於磁性記憶體200、300、400、400'及500，故類似的元件使用類似的符號表示，因此磁性記憶體700包含磁性接面710、選擇元件718、可選擇的自旋擴散插入層730及SO活化層720，各別近似於以上所述之磁性接面、選擇元件、自旋擴散插入層以及SO活化層。雖然於圖中未表示，但磁性接面710包括類似於以上所描述的資料儲存/自由層、非磁性間隔層以及參考層，故磁性接面710及SO活化層720的結構及功能近似於先前所描述。雖然SO活化層720於圖中所繪為字元線，但在其它實施方式中可為其他結構。磁性接面710的每一磁性層可具有位於平面或垂直於平面的易磁化軸。雖然圖中所繪的HSO1及HSO2位於x-y平面，但在其它實施方式中，HSO1及HSO2力場可位於包括垂直於平面的其他方向。
於記憶體700中，電阻控制可協助用於改變參考層磁力矩的自旋軌道交互作用。如實施方式所繪示，電阻器735的電阻藉由電阻選擇電晶體736以控制，因此電阻器735為可變電阻元 件。電阻R1相對於SO活化層720的電阻為高電阻，故於SO活化層720內的電流通過電阻器735時不會分流，故自旋軌道力矩產生之HSO1仍足以改變參考層磁力矩於磁性接面710。電阻R2相對於SO活化層720的電阻為低電阻，故自旋軌道電流密度JSO通過電阻器R2時會分流。累積於SO活化層720頂部的電荷載流子減少，故自旋軌道力場HSO2減少。因此於R2上方所產生的自旋軌道力場並不足以改變參考層力矩於磁性接面710藉由此方式磁性記憶體700可利用對磁性接面710的電阻變化選擇磁性接面710以改變參考層磁力矩，因此磁性記憶體700可利用電阻變化以選擇雙磁性接面之寫入及/或讀取。
磁性記憶體700具有磁性記憶體200、300、400、400'及500的優點。由於自旋軌道力矩用於改變參考層的磁力矩，故記憶體700的功能因而改良。此外可藉由電阻變化以選擇須編程的磁性接面710，因此記憶體700的功能而可改良。
圖15為磁性記憶體700'包含利用自旋軌道交互作用改變參考層磁力矩的磁性接面710'之實施方式，為清楚起見，圖15並未按照比例繪製。磁性記憶體700'類似於磁性記憶體200、300、400、400'及500，故類似的元件使用類似的符號表示，因此磁性記憶體700'包含磁性接面710'、選擇元件718'、可選擇的自旋擴散插入層730'及SO活化層720'，各別類似於以上所述之磁性接面、選擇元件、自旋擴散插入層以及SO活化層。雖然於圖中未表示，但磁性接面710'包括類似於以上所描述的資料儲存/自由層、 非磁性間隔層以及參考層，故磁性接面710'及SO活化層720'的結構及功能近似於先前所描述。雖然SO活化層720'於圖中所繪為字元線，但在其它實施方式中可為其他結構。磁性接面710'的每一磁性層可具有位於平面或垂直於平面的易磁化軸。雖然圖中所繪的HSO1及HSO2位於x-y平面，但在其它實施方式中，HSO1及HSO2力場可位於包括垂直於平面的其他方向。
於記憶體700'中，SO活化層720'利用加熱器740加熱而可協助自旋軌道交互作用的切換。加熱器740藉由加熱器選擇電晶體742以控制。當加熱元件如加熱器1停止時，SO活化層720'可產生所需的自旋軌道力場HSO1以改變磁性接面710'的參考層磁力矩。然而，加熱器2可以被驅動而加熱SO活化層720'，可增加SO引起的自旋子累積的舒緩，因此而減少自旋軌道力場HSO2。產生的自旋軌道力場不足以改變磁性接面710'的參考層磁力矩。故磁性記憶體700'可利用加熱SO活化層720'以選擇磁性接面710'來改變參考層磁力矩，因此磁性接面720'可藉由加熱以改變參考層磁力矩。
申請人亦指出磁性接面710'的自由層磁力矩及/或參考層磁力矩的切換可藉由加熱以改良。加熱器740及/或加熱電流驅動並通過磁性接面710'可加熱磁性接面710'，故自由層磁力矩及/或參考層磁力矩的熱不穩定性會增加而更容易切換。因此藉由加熱可協助切換及參考層磁力矩的改變。
磁性記憶體700'具有磁性記憶體200、300、400、400'及 500的優點。由於自旋軌道力矩用於改變參考層的磁力矩，故記憶體700'的功能因而改良，此外可藉由加熱以選擇須編程的磁性接面710'，因此記憶體700'的功能而可改良。
圖16為磁性記憶體700"包含利用自旋軌道交互作用改變參考層磁力矩的磁性接面710"之實施方式，為清楚起見，圖16並未按照比例繪製。磁性記憶體700"類似於磁性記憶體200、300、400、400'及500，故類似的元件使用類似的符號表示，因此磁性記憶體700"包含磁性接面710"、選擇元件718"、可選擇的自旋擴散插入層730"及SO活化層720"，各別類似於以上所述之磁性接面、選擇元件、自旋擴散插入層以及SO活化層。雖然於圖中未表示，但磁性接面710"包括類似於以上所描述的資料儲存/自由層、非磁性間隔層以及參考層，故磁性接面710"及SO活化層720"的結構及功能近似於先前所描述。雖然SO活化層720"於圖中所繪為字元線，但在其它實施方式中可為其他結構。磁性接面710"的每一磁性層可具有位於平面或垂直於平面的易磁化軸。雖然圖中所繪的HSO1及HSO2位於x-y平面，但在其它實施方式中，HSO1及HSO2力場可位於包括垂直於平面的其他方向。
於記憶體700"中，磁性接面710"中的自旋軌道電流濃度可協助自旋軌道交互作用的磁力矩改變。如實施方式中所繪，SO活化層720"的厚度(於Z軸方向)受限於磁性接面710"的區域。在其它實施方式中，寬度(於Y軸方向)或厚度及寬度可被限制，使SO活化層720"的截面積縮小到位於磁性接面710"的區域內。因 此自旋軌道電流可於此區域濃縮，且於在給予的電流下可提供更大的自旋軌道力矩。
磁性記憶體700"具有磁性記憶體200、300、400、400'及500的優點。由於自旋軌道力矩用於改變參考層的磁力矩，故記憶體700"的功能因而改良，此外可藉由加熱以選擇須進行的磁性接面710"，因此記憶體700"的功能可以提升。
申請人亦指出在記憶體700、700'、700"的任一中，最接近於對應的SO活化層720、720'及720"的參考層之異向性可改變。例如，參考層的異向性可藉由提供參考層電壓而改變。在此類型實施方式中，可藉由提供控制電壓於磁性接面710/710'/710"以選擇改變磁性接面710/710'/710"的參考層磁力矩。此外控制電壓亦可用於其他記憶體，包括但不限定於記憶體200、300、400、400'、500、550、550'、550"、550'''及/或600。
圖17為提供可藉由自旋軌道交互作用以切換磁性接面的磁性記憶體之方法800的實施方式流程圖，為簡單起見，有些步驟可省略、結合及/或交錯。方法800描述說明書中的磁性記憶體200，但亦可用於提供其他磁性記憶體，包括但不限定於磁性記憶體300、400、400'、500、550、550'、550"、550'''、600、700、700'及/或700"。
步驟802提供SO活化層230，在一些實施方式中，步驟804包括提供適合自旋霍爾效應的層面。在其他實施方式中則提供適合Rashba效應的層面。又於其他實施方式中，所提供的SO活 化層可使用自旋霍爾效應和Rashba效應的組合，亦可提供其他自旋軌道交互作用機制。步驟804亦包括形成SO活化層。自旋擴散層(未標示於磁性記憶體200)也可選擇的提供。若提供自旋擴散層，則其位於SO活化層230及磁性接面210之間。
步驟806提供雙磁性接面210，在一些實施方式中，步驟806包括提供第一參考層212、第一非磁性間隔層214、自由層216、第二非磁性間隔層218如穿隧阻障層以及第二參考層220，因此可製造出磁性記憶體200，藉由方法800便可達到一個或更多的磁性記憶體200、300、400、400'及/或500之優點。
圖18為編程可藉由自旋軌道交互作用以切換之磁性接面的方法850實施方式流程圖。方法850可使用於記憶體200、300、400、400'及/或500的一個或多個的。為簡單起見，有些步驟可省略、結合及/或交錯。方法850描述說明書中的磁性記憶體100，但亦可結合其它磁性記憶體，包括但不限定於磁性記憶體200、300、400、400'、500、550、550'、550"、550'''、600、700、700'及/或700"。
步驟852提供位於平面的自旋軌道寫入電流。自旋軌道寫入電流可以是脈衝施加。若是參考層212及220需自對耦態及反對耦態間切換時，脈衝的強度及持續時間需要足以轉換磁力矩213的方向。例如，此脈衝可用於記憶體500。在其他實施方式中，脈衝的強度及持續時間足以使參考層212磁力矩213傾斜，並使所產生的離散場干擾自由層216的磁力矩217遠離停滯點。
步驟854為驅動自旋轉移力矩寫入電流通過磁性接面210。步驟854中的電流亦可作為如以上所述的脈衝。步驟854所施加的電流脈衝需要配合對於步驟852中所驅動的自旋軌道電流的時間而定時，如此於脈衝開始或開始之前時自由層不會位於停滯點。在其他實施方式中定時方式可能不相同。故記憶包的寫入可藉由步驟852及854而達成。
此外，藉由步驟856可選擇所欲寫入的磁性接面210。例如可藉由自旋轉移力矩、加熱磁性接面210、SO活化層230電阻控制、加熱SO活化層230、以上所述的部份結合以及/或其他機制而選擇要寫入的記憶胞。步驟856亦可與步驟852基本上同時進行，故可編程位於磁性記憶體200內所需的磁性接面210。可藉由驅動讀取電流通過磁性接面210，並判斷磁性接面210處於高電阻狀態或低電阻狀態以讀取磁性接面210。用於讀取時，磁性接面可自參考層對耦態切換至反對耦態。
因此藉由方法850，磁性記憶體200、300、400、400'及/或500是可以編程，故可達到磁性記憶體200、300、400、400'及/或500的優點。
以上說明提供雙磁性接面以及利用雙磁性接面所製成的記憶體之方法及系統。可結合磁性記憶體200、300、400、400'、500、550、550'、550"、550'''、600、700、700'及/或700"中各種特點的組合。雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發 明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種磁性記憶體，包括：複數個雙磁性接面，其中該複數個雙磁性接面的每一個包含第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層及第二參考層，該自由層為磁性且位於該第一非磁性間隔層及該第二非磁性間隔層之間，該第一非磁性間隔層位於該第一參考層及該自由層之間，該第二非磁性間隔層位於該第二參考層及該自由層之間；及至少一個自旋軌道交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層，鄰接該複數個雙磁性接面的每一個的該第一參考層，至少一個該SO活化層配置成，使電流以實質上垂直於至少一個該SO活化層及該第一參考層間的方向通過至少一個該SO活化層，以施加SO力矩於該第一參考層上，該自由層配置成可藉由自旋轉移寫入電流驅動並通過該雙磁性接面而切換，該第一參考層具有至少可藉由該SO力矩而改變的磁力矩。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體，其中該自由層具有沿易磁化軸的複數個穩定狀態的自由層磁力矩，且其中該第一參考層的該磁力矩至少受該SO力矩作用而自該易磁化軸傾斜非零值的角度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體，其中該第二參考層具有附加參考層磁力矩，且其中該第一參考層的該磁力矩可藉由該SO力矩改變至對耦態而進行寫入作業，且改變至反對耦態而進行讀取作業。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體，其中更包括：自旋擴散插入層，對應於每個至少一個該SO活化層，該自旋擴散插入層位於該第一參考層及至少一個該SO活化層之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體，其中至少一個該SO活化層為SO活化字元線，延伸到至少兩個該複數個雙磁性接面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體，更包括：至少一字元線，相對應於該複數個雙磁性接面，該至少一個該SO活化層位於該第一參考層及該至少一字元線之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體，其中該SO活化層更包括：至少一自旋極化電流注入器，極化複數個電荷載流子的複數個自旋子作為電流；及至少一導電層，具有高自旋擴散長度，該至少一導電層位於該至少一自旋極化電流注入器及該複數個雙磁性接面之間。
  8. 一種提供磁性記憶體的方法，包括：提供複數個雙磁性接面，該複數雙磁性接面的每一個包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層以及第二參考層，該自由層為磁性且位於該第一非磁性間隔層及該第二非磁性間隔層之間，該第一非磁性間隔層位於該第一參考層及該自由層之間，該第二非磁性間隔層位於該第二參考層及該自由層之間；以及提供至少一自旋軌道交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層，鄰接每一該複數個雙磁性接面的第一參考層，至少一個該SO活化層被配置成使電流以實質上垂直於至少一個該SO活化層及該第一參考層間的方向通過至少一個該SO活化層，因而施加SO力矩於該第一參考層上，該自由層可藉由自旋轉移寫入電流驅動並通過該雙磁性接面而切換，該第 一參考層具有至少可藉由該SO力矩而改變的磁力矩。
  9. 一種編程磁性記憶體的方法，該磁性記憶體包括複數個雙磁性接面，該複數個雙磁性接面的每一個包括第一參考層、第一非磁性間隔層、自由層、第二非磁性間隔層以及第二參考層，該自由層為磁性且位於該第一非磁性間隔層及第二非磁性間隔層之間，該第一非磁性間隔層位於該第一參考層及該自由層之間，該第二非磁性間隔層位於該第二參考層及該自由層之間，該自由層為磁性，該方法包括：驅動電流通過至少一自旋軌道交互作用(spin-orbit interaction,SO)活化層，至少一個該SO活化層鄰接該複數個雙磁性接面的第一參考層，至少一個該SO活化層被配置成使電流以實質上垂直於至少一個該SO活化層及最接近於至少一個該SO活化層的該複數個雙磁性接面的雙磁性接面的該第一參考層間的方向通過至少一個該SO活化層，並引起施加SO力矩於該第一參考層上，該第一參考層具有至少可藉由該SO力矩而改變的磁力矩；以及驅動自旋轉移寫入電流通過該雙磁性接面，進而寫入該自由層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的編程磁性記憶體的方法，其中該驅動該電流通過至少一個該SO活化層的步驟包括驅 動第一電流脈衝通過至少一個該SO活化層，以及其中該驅動該自旋轉移寫入電流的步驟更包括：於該第一電流脈衝啟動後，驅動第二電流脈衝通過至少一個該雙磁性接面的部份。
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