电压控制的磁各向异性(VCMA)开关和电磁存储器(MERAM)

摘要

描述提供高单元密度非易失性磁设备的高效高速切换的、电压控制的磁隧道结和存储器器件。描述提供广泛电压控制备选的实现方式，这些备选具有平面内和垂直磁化、双向切换的磁化和域壁动态性控制。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月19日提交的第61/488,096号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文并入作为参考。本申请要求于2011年5月19日提交的第61/488,099号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文并入作为参考。本申请要求于2011年10月13日提交的第61/546,894号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文并入作为参考。

关于联邦赞助的研究或者开发的声明

本发明是在美国国防部的国防高级研究项目机构授予的第HR0011-10-C-0153号资助之下借助政府支持而实现的。

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技术领域

背景技术

1．本发明的领域

本发明总体上涉及电压引起的磁切换，更具体地，涉及电压控制的磁开关和存储器器件。

2．有关技术的描述

现代电子设备越来越多并入大量固态存储器。电子工业不断寻求提供低功率消耗的更高密度器件。磁存储器器件按照它们的性质提供非易失性特性并且作为下一代存储器类型正在赢得越来越多关注。

然而，在提出的磁存储器器件、比如场切换（轮换）MRAM、自旋传送转矩MRAM（STT-MRAM）或者热辅助切换MRAM（TAS-MRAM）中，需要较大电流用于切换状态。响应于比如经过MTJ的层、经过相邻导体的较大电流或者通过使用电流加热MTJ来切换这些提出的MRAM器件中的每个MRAM器件。这些器件因此鉴于需要控制和分布用于切换器件的大电流而仅赋予有限可伸缩性。

因而存在对于高密度和高能量效率的磁存储器器件的需要。本发明满足这一需要并且克服先前磁存储器器件的缺点。

发明内容

在本发明中教导一种可以利用平面内或者垂直磁化的、电压控制的磁各向异性（VCMA）开关（或者电磁结（MEJ））和电磁RAM（MeRAM或者ME-MRAM）存储器。也描述根据本发明利用电压控制来控制纳米磁体中的域壁动态性。

教导一种电压控制的磁各向异性（VCMA）开关，其中通过施加电压以改变磁化来控制开关状态。该器件依赖于磁各向异性和磁各向异性的电场依赖性用于执行切换。将理解各向异性是在方向上有依赖的性质，这有别于意味着在所有方向上性质相同的各向同性。可以定义各向异性为材料的物理或者机械性质、在这一情况下为磁化性质在沿着不同轴测量时的差异。选择用于VCMA的材料和几何形状（例如层形状和厚度），从而在开关的自由层中的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性性质接近相等，其中响应于施加电压来引起自由层中的OOP各向异性修改和磁化旋转，并且，并且响应于存在杂散磁场来完成切换。

教导一种非易失性磁存储器单元（MeRAM），其中通过使用电场（电压）而不是磁场或者电流切换包括VCMA开关的磁位的状态来写入信息。可以在电压控制的电磁随机存取存储器内利用该创新性单元。有益地，可以制造根据本发明的MeRAM作为用于CMOS制作的后端过程。MeRAM单元可以提供比其它类型的电磁存储器器件显著更高的单元密度、更好的可伸缩性和低1至3个数量级的每切换的能量，主要因为响应于电压而不是电流或者磁场执行切换。除了用作存储器之外，根据本发明的单元或者器件还可以与CMOS逻辑电路结合用来实现非易失性逻辑电路。

VCMA开关和MeRAM器件执行切换而未依赖于电荷电流流过器件或者与器件接近放置的导体，因为它们依赖于VCMA效果用于切换。

本发明的实施例在FM自由层与FM固定层之间具有阻止电流通过的DE势垒层（例如DE层>1nm）。在本发明的至少一个实施例中，DE层略微更薄以允许少量漏电流用于读取器件状态和确定切换方向，但是这不足以传导以允许改变VCMA开关的状态或者写入MeRAM位的状态。先前系统依赖于电流切换，其中使大电流穿过器件或者邻近导体用于切换。在至少一个实施例中，将固定层划分成包括被间隔物分离的固定层火半固定层的多层结构以进一步增强VCMA效果并且提供双向切换。

将在说明书的以下部分中带来本发明的更多方面，其中具体描述是为了完全公开本发明的优选实施例而未对本发明施加限制。

附图说明

将通过参照仅用于示例目的以下附图，本发明可以得到更完全的理解：

图1是根据本发明的一个实施例的平面内VCMA开关的示意图。

图2A至图2D是根据本发明的一个实施例的切换图1的平面内VCMA开关的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的垂直VCMA开关的示意图。

图4A至图4D是根据本发明的一个实施例的切换图3的垂直VCMA开关的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的平面内MeRAM存储器位的示意图。

图6A至图6D是根据本发明的一个实施例的切换图5的平面内MeRAM的第一实施例的示意图。

图7A至图7D是根据本发明的一个实施例的切换图5的平面内MeRAM的第二实施例的示意图。

图8是根据本发明的一个实施例的垂直MeRAM的示意图。

图9A至9D是根据本发明的一个实施例的切换图8的垂直MeRAM的第一实施例的示意图。

图10A至10D是根据本发明的一个实施例的切换图8的垂直MeRAM的第二实施例的示意图。

图11A至图11C是根据本发明的一个实施例的MeRAM存储器单元的矫磁性的图形。

图12是根据本发明的一个实施例的利用场式自旋转矩以建立切换方向的平面内MeRAM的示意图。

图13A至图13D是根据本发明的一个实施例的切换图12的MeRAM的示意图。

图14是根据本发明的一个实施例的利用场式自旋转矩以建立切换方向的垂直MeRAM的示意图。

图15A至图15D是根据本发明的一个实施例的切换图14的垂直MeRAM的示意图。

图16是根据本发明的一个实施例的响应于小磁场用于确定切换方向的、电压引起的切换动态性的图形。

图17是根据本发明的一个实施例的用于将电压脉冲幅度（无磁场）用于确定两个切换方向的MeRAM器件的切换概率比对切换电压图形。

图18是根据本发明的一个实施例的MeRAM存储器位的示意图，该示意图示出在铁磁自由层与固定层之间插入的电介质层。

图19A至19B是根据本发明的一个实施例的电阻比对平面内磁场（R-H）结果的磁滞图形。

图20A至20E是根据本发明的一个实施例的MeRAM器件的依赖于电压的电阻比对平面内磁场（R-H）特性的图形。

图21A至21F是根据本发明的一个实施例的MeRAM器件的、电压引起的切换的图形。

图22A和图22B是分别用于根据本发明的一个实施例的切换电压和停留时间图形。

图23A和23B是分别用于根据本发明的一个实施例的MeRAM器件的用于平面内和平面外场的磁化比对磁场（M-H）曲线的图形。

图24是用于本发明的一个实施例的仿真的自由层磁化动态性的示意图，该示意图示出对于在切换过程期间的不同时间沿着纳米柱的主轴的磁化横截面。

图25是根据本发明的一个实施例的具有自由层、固定层和半固定层的MeRAM存储器位的示意图。

具体实施方式

与磁存储器实施例一起描述一种电压控制的磁隧道结开关。近来已经报导并且关于包括电压的条件表征在铁磁（FM）材料与电介质（DE）材料之间的界面（在FM/DE界面）的平面外（OOP）各向异性。本发明利用OOP各向异性的新颖性质设计在这些效果上操作的磁开关。

在本发明中，在磁位的状态中（即在自由层FL中）存储信息。可以使用施加的电压、比如仅响应于施加的电场或者为了辅助磁场或者电流引起的切换过程或者与该切换过程结合利用而将FL的磁化从一个状态切换成另一状态。

1．电压控制的磁各向异性（VCMA）开关。

图1图示具有以下层的平面内VCMA开关实施例10（未示出金属层）。铁磁材料的铁磁（FM）固定层12，比如包括Fe、Co、CoFe或者CoFeB。铁磁材料的铁磁（FM）自由层16，比如包括Fe、Co、CoFe或者CoFeB。电介质材料的电介质（DE）隧道势垒14，插入在所述FM自由层与FM固定层之间，比如包括MgO。在该图中，示出固定和自由层的磁场有相反极性。总结构类似于磁隧道结（MTJ）并且表现隧道磁阻（TRM），该TMR允许通过测量在堆两端的电阻来读取FL的磁状态，但是开关的状态未受电流控制。

应当理解，自由和固定层中的每层可以本身包括若干子层，这些子层组合作用提供自由或者固定层功能。示例是合成反铁磁耦合的自由或者固定层，比如经过薄金属势垒、比如钌（Ru）交换耦合的两个CoFe或者CoFeB膜。本领域普通技术人员将认识许多这样的组合可以被配置用于提供固定层和自由层。可以选择自由层组成和冠盖（或者种子）层以比如在该层中引起大量垂直磁各向异性。冠盖或者种子层材料的示例包括钽（Ta）、钌（Ru）和钯（Pd），并且组成示例包括富Fe膜、比如Co₄₀Fe₄₀B₂₀或者Co₂₀Fe₆₀B₂₀。应当理解，仅通过示例提供以上内容，并且本发明决不限于这些材料或者组成，因为可以跨越广泛其它材料来实现。

铁磁自由和固定层具有平面内（IP）和平面外（OOP，也称为垂直）磁各向异性。OOP各向异性受FM/DE界面性质影响并且可以由在DE层两端施加的电场（即电压）控制、由此产生电压控制的磁各向异性（VCMA）效果。根据施加的电压的特性并且在这一情况下为施加的电压的极性（即电场的方向）增加或者减少OOP各向异性。例如如果正电压在一侧上增加OOP各向异性，它们在另一侧上减少它，则该效果在DE势垒的两侧上相反。还可以通过控制FM组成（例如为CoFeB中的更高Fe含量提供更高OOP各向异性）和FM厚度（例如OOP各向异性对于更薄膜为更大）来调节OOP各向异性。

在以下描述中，应当理解，IP和OOP各向异性代表磁化进入IP或者OOP状态的趋势。由于两种各向异性存在于根据本发明的器件中，所以磁化的实际状态可以不同于IP和OOP配置。因而重要的是未混淆可以相同或者可以不相同的各向异性轴和磁化方向。

本发明根据OOP和IP各向异性的FM设计和相对强度以及在样本中的去磁化强度覆盖描述的两种类型的VCMA开关。第一种是IPVCMA开关，在该开关中设计自由和固定层，从而二者具有平面内指向的磁化。第二种是OOP VCMA开关，在该开关中设计自由和固定层，从而二者具有平面外指向的磁化。

1．1平面内VCMA开关。

图1和图2A至2D图示一个IP VCMA开关实施例10。在这一实施例中，设计自由层16的OOP各向异性大于固定层12的OOP各向异性。将示出隧道势垒14、比如电介质材料（例如MgO）插入在FM自由层16（FM1）与FM固定层12（FM2）之间。对于施加的电压的一个极性（例如负），FL的OOP各向异性增加，从而FL磁化转动脱离样本平面或者另外从IP状态改变（例如通过变成非均匀微磁或者域状态或者通过围绕有效磁场开始进动运动）。一旦这一施加的电压返回到零，磁化返回到IP状态，但是它将指向的方向由来自固定层的杂散磁场确定。施加的负电压因此可以将VCMA开关从平行（P）切换成反平行（AP）配置。具有相似幅度的正电压对VCMA开关的最终磁状态无影响。可以使用对来自固定层的杂散磁场过度补偿相反外部磁场来获得反向切换方向。此外，如果对原有脉冲进行定时以产生自由层磁化的进动运动而不是中间平面外或者微磁域状态，则最终状态由利用的脉冲宽度而不是由杂散电场确定。在这一情况下，在进动周期的近似1/2或者其奇数倍定时的脉冲将把位切换成相反状态（P到AP或者AP到P），而一个或者多个全进动周期定时的脉冲不会切换它。应当注意，脉冲宽度可以从1/2进动周期或者其倍数偏离上至约20%并且仍然有效。在不存在外部磁场或者很短电压脉冲（少于约1-5ns）时，这些开关中的每个开关执行仅在一个方向上的电压控制的切换。在相反方向上的切换可以通过其它手段、比如磁场或者自旋极化电流来执行。

在图2A中示出响应于负电压脉冲、-V1脉冲18的、电压引起的切换。从平行（P）状态向最终反平行（AP）状态的转变（在相反方向上所见的用于固定和自由层的磁定向箭头）由包括来自固定层的磁耦合场的作用于自由层的总磁场确定。

在图2B中示出响应于施加相同电压脉冲，该切换在图2A的相反方向上未发生，因为最终状态仍然由与图2A中相同的磁场确定，其中自由层保持于AP状态中。

图2C和图2D图示施加这里示出为+V1脉冲20的相反电压极性未切换在自由层中的磁化状态而无论自由层的初始状态是否为P或者AP。

对于图2A至图2D描述的平面内切换的操作假设作用于自由层（FM1）16的杂散场有利于反平行状态，这是如果它由磁偶极交互主导则有的情况。如果场有利于平行磁化状态则操作类似，在该情况下，开始状态将是反平行。这一初始状态由K_perp，FM1(V＝0)＞K_perp，FM2(V＝0)定义，其中K_perp表示层FM1和FM2中的每层的依赖于电压的垂直各向异性。

在电介质（例如MgO）两端施加的描绘为脉冲-V1的电场（即电压），这在自由层侧上增强垂直各向异性并且在固定层侧上减少该垂直各向异性。如在图2A的右侧上所见，这一施加的电压在固定层侧上未生成磁化改变而旋转自由层的极化脱离平面从而允许它被来自固定层的杂散场切换。

应当理解在术语“旋转”与“切换”之间的差异。术语旋转在这里意味着优选地指代90度旋转改变，但是它可以有些更少、但是通常从稳定状态（从平面内朝着平面外或者从平面外朝着平面内）多于45度旋转改变。在另一方面，术语“切换”指代磁化的完全180度重新定向。因此，在指代通过施加的电压旋转时，这仅构成完全切换的部分，该部分允许杂散场然后经过路线的其余部分达到完全180度切换。（即180°=90°（V）+90°（杂散场）或者85°（V）+95°（杂散场）等。）

为了实现这一切换而需要的电压由平面外去磁化场（因此为自由层饱和磁化）确定并且由K_perp，FM1(V＝-V1)＞2πM_s，FM1²量化，其中M_s，FM1是层FM1的饱和磁化，并且K_perp，FM1表示层Fm1中的依赖于电压的垂直各向异性。更复杂的微磁非均匀状态或者中间进动运动也可以作为结果而出现，这可以相似地用来切换磁化。

在相反方向上在电介质（例如MgO）两端施加在图2C中和在图2D中描绘为施加的+V1脉冲的电场（即电压）在固定层侧上增强垂直各向异性并且在自由层侧上减少该垂直各向异性。然而由于设计固定层垂直各向异性太小而未在器件的操作电压范围内转动磁化脱离平面，所以这将如在图2C和图2D的右侧上的结果所见未产生切换，该结果示出无论固定和自由层的相对极化如何都无所得状态改变。在实践中，可以通过设计固定层厚度和组成以产生足够小的垂直各向异性来满足这一标准。

应当理解，这里描述的、电压引起的切换是单向的，因为杂散磁场在自由层上的方向固定。在相反方向上的切换可以通过包括电流或者磁场切换手段的其它手段来执行。

以上描述对应于完全电压引起的切换。然而相同机制可以用来辅助磁隧道结的、电流引起或者场引起的切换、比如减少在自旋传送转矩存储器单元或者其它类型的MRAM中需要的写入电流。

1．2垂直VCMA开关。

图3和图4A至图4D图示具有被隧道势垒34分离的固定层32（FM2）和自由层36（FM1）的一个OOP VCMA开关实施例30。在这一实施例中，设计自由层的OOP各向异性小于固定层的OOP各向异性。对于电压的一个极性（例如正），可以减少FL的OOP各向异性，从而FL磁化转动进入样本平面或者另外从OOP状态改变、例如通过变成非均匀微磁或者域状态或者通过围绕有效磁场开始进动运动。一旦这一电压返回到零，磁化返回到OOP状态，但是它将指向的方向由来自固定层的杂散磁场确定。

如在图4B中的+V1脉冲38中的正电压因此可以引起如箭头从该图的左侧上的AP改变成右侧上的P所见的从反平行（P）切换成平行（P）配置。如图4A中所见向P配置施加正电压、比如+V1脉冲如在该图的右侧上所见未产生任何改变。施加具有相似幅度的负电压、比如图4C和图4D中所见-V1脉冲40对器件的最终磁状态无影响而无论开关是在P或者AP配置中。可以例如使用对来自固定层的杂散磁场过度补偿的相反外部磁场来获得反向切换方向。此外，如果对原有脉冲进行定时以产生自由层磁化的进动运动而不是中间平面内或者微磁域状态，则最终状态由脉冲宽度而不是由杂散电场确定。在这一情况下，在进动周期的近似1/2或者其奇数倍定时的脉冲将把位切换成相反状态（P到AP或者AP到P），而一个或者多个全进动周期定时的脉冲不会切换该状态。应当注意，对脉冲周期的响应仅适用于进动切换机制，而非进动切换机制未依赖于脉冲周期。

本发明的至少一个实施例描述实现电压控制而不是电流控制的电磁（ME）磁随机存取存储器（MeRAM）。这是其它MRAM设计、比如基于自旋转矩（STT-MRAM）或者热辅助切换（TAS-MRAM）的MRAM设计的可伸缩替代方案。由于未经过电荷势垒传送电荷，所以MeRAM可以能量效率和可伸缩性比这些其它形式的磁切换高多个数量级而保持MRAM的所有其它优点，比如非易失性、高速度、高耐用性和高密度。本发明特别好地适合于低能量消耗关键的非易失性存储器应用。示例包括但不限于在移动通信和计算系统中的嵌入式存储器以及医用植入物和传感器。

一种实现本发明的优选方式是将MeRAM位实现为VCMA开关，而有以下对于OOP和IP MeRAM二者描述的对固定层和/或隧道势垒的附加修改以允许双向、电压引起的切换。在至少一个实施例中，这一磁位与CMOS电路集成以执行写入操作（施加的电压）和读取操作（读出在VCMA开关两端的电阻）。

在此说明书中描述的开关利用以下关键效果。与平面垂直的磁各向异性存在于铁磁和电介质材料的界面。示例材料系统由CoFeB和MgO构成，其中在CoFeB铁磁体中的通常更高Fe含量产生更大垂直各向异性。有可能通过调整铁磁体的组成、形状和厚度来设计这一垂直各向异性允许在电介质的两侧上实现可以在不同电压切换的两个铁磁层（例如CoFeB）、由此充当器件中的自由和固定层。各向异性依赖于在界面（CoFeB-MgO界面）的电场并且因此依赖于在DE层（例如MgO）两端施加的电压。存储器器件可以依赖于使用隧道磁阻（TMR）现象的读出，其中器件的电阻依赖于自由和固定层的相对定向。然而先前MRAM器件依赖于响应于大量电流流量、比如经过STT-RAM中的MTJ堆或者在轮换MRAM的情况下经过相邻导体的电流而指向的切换。而在本发明中，如果通过施加电压来预备自由层进入不稳定状态，则作用于它的非零总杂散磁场（例如由偶极、交换和表面粗糙度贡献构成）允许对其进行切换。

以下对于图4A至4D描述垂直开关的操作。初始状态由下式定义：

K_perp，FM1(V＝0)＜K_perp，FM2(V＝0)

其中K_perp表示层FM1和FM2中的每层的依赖于电压的垂直各向异性。

在图4A中，垂直磁化状态在相互平行的平行（P）方向上，并且响应于在电介质（DE）（例如MgO）两端施加的描绘为+V1脉冲的电场（电压），磁化状态无改变，其中它如在该图的右侧上所见保持于平行（P）状态中。

在图4B中，在左侧示出器件始于反平行（AP）磁化状态而垂直场在相反定向中。假设作用于自由层（FM1）的杂散场有利于平行状态，如果它由磁偶极交互主导则是这种情况。如果场有利于反平行磁化状态则操作类似，在该情况下开始状态将是平行。

在电介质（例如MgO）两端施加描绘为+V1脉冲的电场（即电压），这在固定层侧上增加垂直各向异性并且在自由层侧上减少该垂直各向异性。这在固定层侧上未产生磁化改变而旋转自由层的磁化脱离平面从而允许它如在图4B的右侧上所见被来自固定层的杂散场切换成平行（P）状态。为了实现这一切换（AP到P）而需要的电压由平面外去磁化场（因此为自由层饱和磁化）确定，该去磁化场由下式给定：

K_perp，FM1(V＝+V1)＜2πM_s，FM1²。

在以上关系中，M_s，FM1是层FM1的饱和磁化，并且K_perp，FM1表示层FM1中的依赖于电压的垂直各向异性。

更复杂的微磁非均匀状态或者中间进动运动也可以作为结果而出现，这可以相似地用来切换磁化。

在相反方向上在电介质（例如MgO）两端施加在图4C至图4D中示出为-V1脉冲的电场（即电压）在固定层侧上增强垂直各向异性并且在自由层侧上减少该垂直各向异性。然而由于设计固定层垂直各向异性太大而未在器件的操作电压范围内转动磁化进入平面，所以这将如在图4C和图4D的右侧上所见未产生切换而无论固定和自由层的相对磁化定向如何。

如在先前实施例中那样，提供的、电压引起的切换是单向的，因为杂散磁场在自由层上的方向固定。对于这一实施例在相反方向上的切换可以通过其它手段（例如电流或者磁场）来执行。

以上描述对应于完全电压引起的切换，然而相同机制可以用来辅助磁隧道结的、电流引起的切换，例如朝着减少在自旋传送转矩存储器单元中需要的写入电流。

2．MeRAM位实施例。

本发明的这些实施例包括如下存储器单元，在该存储器单元中，在磁位的状态中（即在自由层中）存储信息。自由层的磁化可以使用施加的电压，比如仅响应于施加电场或者与磁场或者电流引起的切换过程结合从一个状态切换成另一状态。可以根据这些实施例响应于电压控制在两个方向上执行切换。

2．1平面内MeRAM位切换。

图5、图6A至图6D和图7A至图7D图示图示平面内MeRAM位的一个实施例50及其在两个配置中的切换。示出MeRAM包括各种组成的FM和DE层。请注意，该描述为了简化而未描述使用金属接触层，但是本领域普通技术人员将理解比如在整个层堆的两侧（顶部和底部）上需要这些接触。

在图5中示出铁磁层包括铁磁半固定层54（FM3）、铁磁固定层58（FM2）和铁磁自由层62（FM1）。示出MeRAM包括各种组成的FM和DE层。利用‘半固定’层这一称谓是因为用于这一层的磁化可以对于一些施加的电压旋转、但是对于其它电压未旋转。请注意，该描述为了简化而未描述使用金属接触层，但是本领域普通技术人员将理解需要接触。应当理解，通过示例而非限制，这些FM层中的每个FM层可以包括Co、Fe、CoFe或者CoFeB。示出非磁（电介质或者金属）层52、56和60在器件的顶部和在每对FM层之间从而提供隧道势垒和间隔物层。

可选地，可以或者可以未经过金属势垒膜（例如钌（Ru））交换耦合固定和半固定层。它们也可以被普通金属（例如钽（Ta））分离、因此仅为偶极耦合、比如后文关于图25描述的那样。总结构类似于磁隧道结（MTJ）并且表现隧道磁阻（TMR），该TMR允许通过测量在堆两端的电阻来读取FL的磁状态。

也应当理解，自由、半固定和固定层中的每层可以本身由若干子层构成，这些子层组合作用提供自由或者固定层功能。示例是合成反铁磁耦合的自由、半固定或者固定层，该层例如包括经过薄金属势垒、比如钌（Ru）交换耦合的两个CoFe或者CoFeB膜。

铁磁层具有平面内（IP）和平面外（OOP）垂直各向异性。OOP各向异性受FM/DE界面性质影响并且可以由在DE层两端施加的电场（即电压）控制。根据施加的电压的极性（即电场的方向）增加或者减少OOP各向异性。该效果在DE势垒的两侧上相反，从而如果正电压在势垒的一侧上增加OOP各向异性，则它们在另一侧上减少该OOP各向异性。还可以通过控制FM组成（例如为CoFeB中的更高Fe含量为更高OOP各向异性）和FM厚度（例如OOP各向异性对于更薄膜为更大）来调节OOP各向异性。

设计自由、固定和半固定层，从而它们具有平面内指向的磁化而设计自由层的OOP各向异性最大并且固定层的OOP各向异性最小而半固定层具有中间OOP各向异性。

对于电压的一个极性（例如负），可以增加FL的OOP各向异性，从而FL磁化转动脱离样本平面。一旦这一电压返回到零，磁化返回到IP状态，但是它将指向的方向由来自固定和半固定层的组合的杂散磁场确定。对于相同极性（例如负）的更大的施加的电压，半固定层也将转动脱离平面。在这一情况下，FL的最终方向将仅由来自固定层的杂散场确定，因为半固定层向杂散场提供减少或者为零的水平分量。以这样的方式设计固定/半固定层组合使得这两种情况在不同方向上提供杂散场。负电压因此可以根据施加的电压幅度将VCMA开关从平行（P）切换成反平行（AP）配置以及相反。具有相似幅度的正电压对VCMA开关的最终磁状态无影响。

MeRAM的这一实施例响应于施加-V1脉冲执行反平行到（AP）到平行（P）切换而施加-V2脉冲执行P到AP切换。具有大于-V1（负得更少）的电压的脉冲未允许任何情况。用于这一点的关系如下：

K_perp，FM1(V＝0)＞K_perp，FM3(V＝0)＞K_perp，FM2(V＝0)；

K_perp，FM1(V＝-V1)＞2πM_s，FM1²；

K_perp，FM3(V＝-V2＜-V1)～2πM_s，FM3²。

在以上关系中，K_perp和M_ｓ分别表示用于三个铁磁层中的每个铁磁层的依赖于电压的垂直各向异性和饱和磁化。第一关系定义器件的备用条件，自由层具有最高垂直各向异性、继而分别为半固定和固定层。第二和第三关系定义用于通过施加的电压分别转动自由和半固定层脱离样本平面的条件。

在图6A中，在自由层62的为平行（P）状态的初始状态（重置条件）中向MeRAM施加-V1脉冲64，并且如在该图的右侧中所见，最终状态不变。然而如图6B中所见，施加更大脉冲-V266改变自由层62的磁化并且如在该图的右侧中所见将单元的状态改变成设置状态，其中FL的方向已经从平行（P）切换成反平行（P）。一旦设置，如6C中所见施加-V1脉冲64引起重置，该重置使单元返回到自由层62的平行场方向。在图6D中示出施加-V266脉冲在自由层62在反平行方向（AP）中时对输出无影响，因为自由层62保持于反平行（AP）方向上，其中单元状态不变。

在图7A至7D中示出用于相反固定/半固定层组合的与图6A至图6D的情况类似的情况。在图7C中，在平行（P）状态中的自由层62的初始状态（重置条件）中向MeRAM施加-V1脉冲64，并且如在该图的右侧中所见，该状态在P状态中保持不变。然而如图7D中所见，施加更大脉冲-V266改变自由层62的磁化并且如在该图的右侧中所见将单元的状态改变成设置状态，其中FL的方向已经从平行（P）切换成反平行（P）。一旦设置，如7A中所见施加-V1脉冲64引起重置，该重置使单元返回到自由层62的平行（P）场方向。在图7B中示出施加-V266脉冲在自由层62在反平行方向（AP）中时对输出无影响，因为自由层62保持于反平行（AP）方向上，其中单元状态不变。

从以上可见，本发明因此描述一种MeRAM位设计，其中单极设置/重置电压脉冲可以在相反方向上切换位磁化。相反极性的电压未影响自由层状态。相反极性因此可以用于使用TMR效果来读出磁位信息而读取引起的错误切换事件很少从而产生低读取扰动率。

2．2平面外MeRAM位切换。

在本发明的这一实施例中，在存储器单元中存储信息为具有与平面垂直的磁化的磁位（即在自由层FL中）的状态。FL的磁化可以响应于施加的电压从一个定向（代表第一单元状态）切换成另一定向（代表第二单元状态）。在至少一个实施例中，仅响应于施加的电压脉冲确定单元状态，而其它实施例可以与磁场或者电流引起的切换过程结合利用施加的电压脉冲。可以仅通过施加电压在两个方向上执行切换。

图8A、图9A至图9D和图10A至图10D图示垂直MeRAM位的一个实施例70及其切换。示出MeRAM位包括各种组成的FM和DE层。请注意，该描述为了简化而未描述使用金属接触层，但是本领域普通技术人员将理解需要比如在层堆的两侧（顶部和底部）上连接的这些接触。磁存储器位由各种FM层构成，这些FM具有插入的电介质或者金属层。

在图8中，示出铁磁（FM）层包括半固定层74（FM3）、固定层78（FM2）和自由层82（FM1）。这些FM层中的每个FM层可以例如包括Co、Fe、CoFe或者CoFeB材料。示出非磁电介质（DE）或者金属层72、76和80（例如MgO、Ta）在顶部和在每对FM层之间作为隧道势垒和/或间隔物层。

固定和半固定层可以或者也可以不经过金属膜（例如Ru）交换耦合。它们也可以被普通金属、比如Ta分离，因此仅为偶极耦合。总结构类似于磁隧道结（MTJ）并且表现隧道磁阻（TMR），该TMR允许通过测量在堆两端的电阻来读取FL的磁状态。

铁磁层具有平面内（IP）和平面外（OOP）垂直各向异性。OOP各向异性受FM/DE界面影响并且可以由在DE层两端施加的电场（即电压）控制。根据施加的电压的极性（即电场的方向）增加或者减少OOP各向异性。该效果在DE势垒的两侧上相反，从而如果正电压在一侧上增加OOP各向异性，则它们在另一侧上减少该OOP各向异性。还可以通过控制FM组成（例如为CoFeB中的更高Fe含量为更高OOP各向异性）和FM厚度（OOP各向异性对于更薄膜为更大）来调节OOP各向异性。

在本发明的这一部分中，描述垂直、比如平面外（OOP）、基于VCMA开关的存储器位。在这一垂直MeRAM位单元中，设计自由、固定和半固定层，从而它们具有与样本平面垂直指向的磁化。

在这一实施例中，设计自由层的OOP各向异性最小，并且固定层的OOP各向异性最大，而半固定层具有中间OOP各向异性。对于电压的一个极性（例如正），可以减少FL的OOP各向异性，从而FL磁化进入样本平面。一旦这一电压返回到零，磁化返回到OOP状态，但是它将指向的方向由来自固定和半固定层的组合的杂散磁场确定。对于相同极性（例如正）的更大的施加的电压，半固定层也将进入该平面。在这一情况下，FL的最终方向将仅由来自固定层的杂散场确定，因为半固定层向杂散场提供减少或者为零的竖直分量。以这样的方式设计固定/半固定层组合使得这两种情况在不同方向上提供杂散场。正电压因此可以根据施加的电压幅度将VCMA开关从平行（P）切换成反平行（AP）配置以及相反。具有相似幅度的负电压对VCMA开关的最终磁状态无影响。

MeRAM的这一实施例响应于施加+V1脉冲执行反平行到（AP）到平行（P）切换而施加+V2脉冲执行P到AP切换。具有小于+V1的电压的脉冲未产生任何情况。用于这一点的关系如下：

K_perp，FM1(V＝0)＜K_perp，FM3(V＝0)＜K_perp，FM2(V＝0)；

K_perp，FM1(V＝+V1)＜2πM_s，FM1²；

K_perp，FM3(V＝+V2＞+V1)～2πM_s，FM3²。

同样在以上关系中，K_perp和M_s分别表示用于三个铁磁层中的每个铁磁层的依赖于电压的垂直各向异性和饱和磁化。第一关系定义器件的备用条件，自由层具有最低垂直各向异性、继而分别为半固定和固定层。第二和第三关系定义用于通过施加的电压分别转动自由和半固定层进入样本平面的条件。

在图9A中，在自由层82的初始平行（P）状态（重置条件）中向MeRAM施加+V1脉冲84以如在该图的右侧中所见将FL层82的磁化改变成反平行（AP）。在图9B中示出施加更大脉冲+V286未改变自由层82的磁化的初始状态，并且在该图的右侧中示出该状态未变。一旦设置，如图9C中所见，施加+V1脉冲84如在该图的右侧中所见未影响单元状态。在图9D中，施加+V2脉冲（+V2>+V1）将FL82的磁化从设置状态改变回成平行（P）从而重置器件状态。

在图10A至图10D中，对于相反固定/半固定层组合示出类似情况。在图10C中，在自由层82的初始平行（P）状态（重置条件）中向MeRAM施加+V1脉冲84以如在该图的右侧中所见将FL层82的磁化改变成反平行（AP）。在图10D中示出施加更大脉冲+V286未改变自由层82的磁化的初始状态，并且在该图的右侧中示出该状态未变。一旦设置，如图10A中所见，施加+V1脉冲84如在该图的右侧中所见未影响单元状态。在图10B中，施加+V2脉冲（+V2>+V1）将FL82的磁化从设置状态改变回成平行（P）从而重置器件状态。

本发明因此描述一种MeRAM位设计，其中单极设置/重置电压脉冲可以在相反方向上切换位磁化。重要的是理解施加相反极性的电压未影响自由层状态；其中相反极性信号可以用于使用TMR效果来读出位的磁状态而读取引起的错误切换事件很少从而产生低读取扰动率。将理解这一种将反向电压用于读取MeRAM是这一实施例的重要优点。

3．利用场式自旋转矩的双向切换的MeRAM。

在本发明的这一实施例中，在具有平面内和平面外磁化的磁位的状态中（即在自由层FL中）存储信息。FL的磁化可以使用施加的电压（即电场）从一个状态切换成另一状态，该电压修改自由层的垂直各向异性。切换方向由施加的电压的量值确定，该量值确定穿过器件的漏电流数量。漏电流引起的场式自旋转矩（以及在更少程度上为规则自旋转矩）用来确定切换方向。

本发明描述用于实现电磁（即电压控制而不是电流控制）磁随机存取存储器（MeRAM）的构建块。

MeRAM具有如图1中先前描述的相同配置，自由层16（FM1）、固定层12（FM2）和电介质（DE）隧道势垒14（例如MgO）插入在铁磁（FM）层之间。

将助于为了描述简化而未示出金属接触层的连接，但是本领域普通技术人员将理解需要这些接触。这些接触将通常设置于整个层堆的两侧（顶部和底部）上、比如在图18和图25中表示的那样。因此将示出磁存储器位由各种FM层构成，这些FM层具有插入的电介质或者金属层。

自由和固定层中的每层可以本身由若干子层构成，这些子层一起作用提供自由或者固定层功能。示例是例如合成反铁磁耦合的自由或者固定层，该层例如包括经过薄金属势垒、比如钌（Ru）交换耦合的两个CoFe或者CoFeB膜。

可以或者可以不采用反铁磁膜（例如铂-锰（PtMn）或者铱-锰（IrMN））来配置固定层用于交换。它也可以被合成反铁磁（SAF）材料替换。总结构类似于磁隧道结（MTJ）并且表现隧道磁阻（TMR），该TMR允许通过测量在堆两端的电阻来读取磁状态，而未被配置用于响应于电流流量切换器件。选择DE层充分厚以在施加低于击穿电压的电压时仅允许小的漏电流流量。然而也选择它薄到足以提供充分漏电流（因此为场式自旋转矩）以允许后者影响切换方向。

铁磁自由层（FL）具有平面内（IP）和平面外（OOP）垂直各向异性。OOP各向异性受FM/DE界面影响并且可以由在DE层两端施加的电场（即电压）控制。根据施加的电压的极性（即电场的方向）增加/减少OOP各向异性。还可以通过控制FM组成（例如为CoFeB中的更高Fe含量为更高OOP各向异性）和FM厚度（例如OOP各向异性对于更薄膜为更大）来调节OOP各向异性。

以下是本发明的这一要素的多个关键要素。经过器件的泄漏电流产生场式自旋转矩（以及规则自旋转矩），这以与施加的磁场等效的方式影响器件。这一个场的量值（即漏电流数量）由向器件或者更具体地在FM层两端、比如优选地在堆的顶部和底部上的金属接触两端施加的切换电压的量值控制。相对于图1或者其它先前实施例的关键差异是电介质势垒的厚度，该厚度在这一情况下仍然允许一些漏电流流动。

通过调节漏电流（因此调节这一有效场），向器件施加的不同电压导致产生不同切换方向。在技术术语中，场式转矩使器件的易磁化轴电阻比对磁场磁滞回路的中心移位、由此使它有利于平行（P）或者反平行（AP）状态。应当认识在更少程度上，可以通过也存在于本发明器件中的规则自旋转矩实现这一移位。由于场式转矩随电流增加，所以有利于的方向依赖于穿过器件的漏电流数量、因此由施加的电压控制。仅需小的漏电流用于器件操作，因为电流仅用来选择切换方向而未产生切换。切换由电压（而不是电流）激活，该电压通过修改它的垂直各向异性将FL置于亚稳定状态中。

应当认识本发明不同于自旋传送转矩（STT）存储器，因为切换由电压引起而不是电流引起，并且小的漏电流仅用来确定切换方向而未激活开关。因此，本发明提供向SST存储器提供更能量高效的切换，因为它使用小得多的电流。此外，无需规则STT用于这一器件工作，并且事实上仅场式转矩就足以确定电压激活的切换的方向

本发明也区别于在先前章节中描述的MeRAM实施例，因为在那些情况下，实际（在器件内部或者外部）磁场用来确定切换方向，而在本发明中，这被小的、电流引起的转矩替换，该转矩在技术上实施起来更容易和可靠。

以下描述与在先前章节中描述的实施例操作的用于确定用于利用场式转矩的切换方向的替代方案。

图11A至11C描绘利用场式转矩（FLT）的MeRAM位的矫磁性。在这些图中示出磁滞回路，该磁滞回路代表器件的依赖于电压的、电阻比对易磁化轴磁场特性。在隧道势垒两端施加的电压减少矫磁性并且将器件置于亚稳定状态中，漏电流数量（因此为与偏移场比较的场式转矩量值）确定切换方向。

器件由于在自由和固定层之间的偶极和/或Neel耦合和/或交换交互而具有非零偏移场（H_off）。对于由于泄漏引起的场式转矩（FLT）（以及任何规则STT）所致的磁滞比这一偏移场更小的电压，偏移场确定切换方向，而对于更大电压，FLT大到足以使器件在相反方向上切换。在图11A至图11C中示出这一点，其中FLT的效果由水平移动的电阻比对场回路代表，（即与有效磁场相似）。在另一方面，电压本身的效果是通过减少它的矫磁性将器件置于亚稳定状态中。两个切换电压尽管在产生的FLT方面不同、但是必须大到足以通过克服FL去磁化场（对于IP器件）或者它的垂直各向异性（对于OOP器件）来使自由层不稳定。

在图11A中，施加的电压V大于切换阈值电压V_switch、因此将自由层置于不稳定状态，从而该状态准备好切换。在图11B中，施加的电压V1大于切换阈值电压V_switch，其中泄漏引起的移位小于偏移场，从而平行（P）到反平行（AP）切换出现。在图11C中，施加的电压V2大于施加的电压V1，后者大于切换阈值电压V_switch，其中泄漏引起的移位大于偏移场，从而反平行（AP）到平行（P）切换出现。

图12和图13A至图13D图示利用场式转矩的一个平面内MeRAM位实施例110的切换配置。在图12中示出MeRAM结构具有固定层112（FM2）、自由层116（FM1），势垒层114插入在这两层之间。

在图13A至图13D中，示出切换通过修改场式转矩来响应于适当极性的施加的电压的量值。对于切换的要求如下：

K_perp，FM1(V＝0)＞K_perp，FM2(V＝0)；

K_perp，FM1(V＝V2)＞K_perp，FM1(V＝V1)＞2πM_s，FM1²；

H_FLT(V1)＜H_off＜H_FLT(V2)。

在以上关系中，K_perp和M_s分别表示用于铁磁层中的每个铁磁层的依赖于电压的垂直各向异性和饱和磁化。第一关系定义器件的备用条件，自由层具有更高垂直各向异性。第二关系定义用于电压引起的切换的条件，该条件例如是在自由层中的电压引起的垂直各向异性大于它的去磁化场、由此对于切换电压V1和V2二者将它置于不稳定状态中。第三关系定义磁滞回路的依赖于电压（泄漏引起）的移位H_FLT分别对于切换电压V1和V2为小于/大于偏移（内部器件）场H_off以便实现双向切换。

在图13A中，施加第一电压V1脉冲118将FL从P状态改变成AP状态。如图13B中所见附加施加第一电压V1脉冲118未改变FL层的状态。在图13C中示出施加更大V2脉冲120从而将AP状态改变回成P状态，但是它未更改如图13D中所见为不变的平行状态的FL状态。

应当注意，鉴于不同磁化配置，对电压控制的磁化各向异性K_perp具有与先前章节比较的不同要求。

图14和图15A至图15D图示用于利用场式转矩的一个平面外（垂直）MeRAM位实施例130的切换。在图14中示出MeRAM结构具有固定层132（FM2）、自由层136（FM1），势垒层134插入在这两层之间。

在图15A至图15D中，示出切换通过修改场式转矩来响应于适当极性的施加的电压的量值。对于切换的要求如下：

Ｋ_perp，FM1(V＝0)＜K_perp，FM2(V＝0)；

K_perp，FM1(V＝V2)＜K_perp，FM1(V＝V1)＞2πM_s，FM1²；

H_FLT(V1)＜H_off＜H_FLT(V2)。

在以上关系中，K_perp和M_s分别表示用于铁磁层中的每个铁磁层的依赖于电压的垂直各向异性和饱和磁化。第一关系定义器件的备用条件，自由层具有更低垂直各向异性。第二关系定义用于电压引起的切换的条件，从而在自由层中的电压引起的垂直各向异性小于它的去磁化场、由此对于切换电压V1和V2二者将它置于不稳定状态中。第三关系定义磁滞回路的依赖于电压（泄漏引起）的移位H_FLT应当分别对于电压V1和V2为小于/大于偏移（内部器件）场H_off以便实现双向切换。

同样，适当极性的施加的电压的量值通过修改场式转矩来确定切换方向。将注意在与先前章节比较时响应于这一不同磁化配置而对电压控制的磁化各向异性K_perp的要求不同。

在图15C中，在自由层136的初始平行（P）状态（重置条件）中向MeRAM施加V1脉冲140以如在该图的右侧中所见将FL层136的磁化改变成反平行（AP）。在图15A中示出施加更大脉冲V2 138未改变自由层136的初始磁化状态，并且在该图的右侧中示出该状态未变。一旦设置，如图15D中所见，施加V1脉冲140如在该图的右侧中所见未影响单元状态。在图15B中，施加V脉冲138（V2>V1）将FL 136的磁化从设置状态改变回成平行从而重置器件状态。

在图12A、图13A至图13D、图14和图15A至图15D的以上示例中，仅一个电压极性带来器件中的切换，而另一极性未使FL磁化不稳定。这一极性也对应于漏电流（FLT）在与偏移场比较的相反方向上作用的方向。

本发明因此描述如下MeRAM位设计，在该MeRAM位设计中，单极设置/重置电压脉冲可以在相反方向上切换位磁化。相反极性的电压未影响自由层状态。相反极性因此可以用于使用TMR效果来读出磁位信息而读取扰动低。

图16和图17描绘与本发明的实施例的操作相符的结果。在图16中示出磁隧道结的、电压引起的切换而切换方向由小的外部磁场确定，示出该磁场在上曲线中对于AP到P切换为-80Oe而为+80Oe有助于从P到AP的切换。示出切换时间下至10ns。在图17中，示出使用FLT与100ms宽的电压脉冲的双向MeRAM切换（将注意经常用短和长脉冲执行表征）。示出测量的切换概率曲线为施加的电压脉冲幅度的函数从而指示用单极切换电压的设置/重置操作。具有方点的在左侧上峰化的曲线指示P到AP切换，而具有圆点的另一曲线描绘AP到P切换。

4．0纳米磁体中的域壁的、电压控制的切换。

磁性的电场控制可以明显提高自旋装置（spintronic）器件的能量效率从而增强磁存储器的性能。可能更重要的是，磁性控制可以通过使非易失性自旋装置器件与常规半导体开关比较有能量竞争力来扩展它们的超出存储器的应用范围、由此实现新一代超低功率非易失性自旋装置系统。自旋极化电流已经广泛用来操纵和切换纳米磁体中的磁化。然而使用电流未限制自旋装置存储器和逻辑器件的能量效率，这些存储器和逻辑器件包括基于域壁的存储器和逻辑器件。

以下发明实施例描述纳米磁体中的微磁配置的电场控制，这些微磁配置在以CoFeB和MgO膜为例的FM和DE膜的界面表现电压控制的磁各向异性（VCMA）。示出域壁形成依赖于电压并且示范磁化配置在具有相反手性（chirality）的两个域壁状态之间的、VCMA引起的切换而无自旋极化电流的影响。

使用电压以控制磁性质实现自旋装置中的主要范式转变从而消除对于当前用来操纵磁化的自旋极化电流的需要。已经通过许多方式探索磁性的电压控制，这些方式包括单相多铁材料、多铁异构结构（其中通过机械应变耦合磁和电性质），半传导材料（其中以载流子为媒介的铁磁性由栅极电压调制），以及薄金属膜（其中铁磁相转变（即居里温度）由施加的电压调制）。

显得有显著价值的是考虑在DE层两端施加的电压对在FM/DE界面的磁各向异性的电场控制，其中假设它使用广泛采用的材料（例如在用磁阻随机存取存储器（MRAM）的磁隧道结（MTJ）中使用的材料）。这些材料赋予高隧道磁阻（TMR）比率并且与用于常规半导体电子装置的制作过程兼容。另外，它们的电磁耦合为以应变为媒介的事实允许它们赋予高耐用性从而使它们更适合于其中需要频繁切换的逻辑和存储器应用。因此，在磁纳米结构中实现VCMA引起的切换应当不仅产生高能量效率的磁存储器而且可以提供用于超低功率自旋装置逻辑器件的关键启用器，这些逻辑器件一般需要磁状态的频繁和能量高效切换。

这一机制适用于任何电压控制的磁存储器位（比如在先前实施例中描述的磁存储器位）以减少为了切换这些结构中的存储器位而需要的电压从而产生减少的操作电压、提高的能量效率和增加的存储器速度。

实现减少切换电压如下。铁磁自由层（FL）具有平面内（IP）和平面外（OOP）磁各向异性。OOP各向异性受FM/DE界面性质影响并且可以由在DE层两端施加的电场（即电压）控制从而利用VCMA效果。如在先前实施例中概述的那样，使用这一效果，通过在DE层两端施加电压来执行存储器位的切换。在设计自由层使得在FM自由层中的IP和OOP各向异性接近相等时最大化对磁配置的电压控制。FM固定层具有主导平面内或者平面外各向异性。在这一情况下，在DE层两端施加电压对器件的磁配置产生最大影响、因此最小化切换电压。然而由于在IP与OOP磁配置之间的竞争，以这一方式设计的器件可能没有均匀平面内或者平面外磁化、代之以形成非均匀域式或者其它微磁状态。尽管形成这样的域壁状态可能减少器件的磁阻比率，但是它提供响应于施加的电压的与完全平面内或者平面外情况比较的更大可调性。微磁非均匀自由层因此可以用来获得更低切换电压。

可以通过自由层的设计来实现IP和OOP各向异性的平衡，该设计包括但不限于调节它的组成、调节它的形状和厚度以调整OOP各向异性（更薄膜具有更大界面各向异性）、调节它的退火温度和退火磁场以及使用不同冠盖或者插入层以调整OOP各向异性。

本发明覆盖平面内以及平面外MeRAM开关和存储器位，比如但不限于在先前存储器实施例中报导的平面内以及平面外MeRAM开关和存储器位，其中利用IP和OOP各向异性的平衡有利于最小化必需切换电压和/或其中自由层的微磁配置可以作为结果而非均匀。

描述椭圆纳米磁体中的使用VCMA效果的对域壁的、电压控制的形成、操纵和切换，优选地并入这些纳米磁体作为用于经由TMR效果读出的CoFeB-MgO的自由层。考察CoFeB自由层厚度以及向器件施加的电场对纳米级自由层的微磁配置的影响。微磁仿真成功在线实验观测的依赖于电压的磁阻特征从而提供关于电场对自由层的域形成和磁化配置的影响的认识。观测经由中间域壁对从平面内到平面外的磁化的、电压控制的调制。最后示范纳米级图案化的磁膜中的矫磁性的、VCMA引起的修改从而允许域壁手性的、电压引起的切换。切换方向由向器件施加的优选为近似100Oe或者更少的小的平面内外部磁场控制。

图18图示在这一章节中利用的电磁器件的一个实施例150。柱节段154从平面节段152延伸。示出在柱的顶部与底部之间施加156电压。举例而言，示出Si/SiO₂衬底158，底部电极160在该衬底之上。柱154按照顺序包括以下层：Ta 162（例如5nm）；Co₂₀Fe₆₀B₂₀自由层164；MgO DE层166；Co₆₀Fe₂₀B₂₀ FM固定层168；Ru层170（例如0.85nm），用于提供反铁磁层间交换耦合；Co₇₀Fe₃₀交换偏置层（例如2.3nm）172，该层的磁化方向使用PtMn层（例如20nm）174通过交换偏置来固定；以及顶部电极176。举例而言而非限制，在这一工作中利用的器件的柱是170nm（178）×60nm（180）椭圆纳米柱。

在自由层164中，该厚度定义这一层的平面内、平面外或者域壁配置并且在测试中沿着单个硅晶片上的楔变化以示范具有这三个磁配置中的每个磁配置的器件。在MgO DE层166中，厚度定义漏电流的量值，并且这在测试中沿着单晶硅上的楔变化以示范具有不同漏电流的器件。

器件结构以两种主要方式不同于具有界面垂直各向异性的自旋传送转矩（STT）器件的器件结构。首先设计MgO隧道势垒厚到足以使电流引起的STT在这些样本中为小（最大电流在这些测试中近似为10μA）。其次，对于多个器件，如以下描述的那样设计这一工作中的自由层厚度与平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性的补偿点更近得多从而产生更丰富的微磁配置集合。

用于Ta（5）/Co₂₀Fe₆₀B₂₀（t_CoFeB=1.0-1.4楔）/MgO（厚度以nm为单位）测试样本的磁化比对磁场（M-H）曲线指示在CoFeB-MgO界面（在后文补充信息章节中描述）的依赖于厚度的垂直各向异性。发现用于抵消用于样本的垂直（界面）和形状引起（平面内）引起的各向异性的转变厚度近似为1.1nm。在自由层中的总垂直各向异性K_eff由给定，其中K_s(V)是在CoFeB-MgO界面的（依赖于电压的）表面垂直各向异性，t_CoFeB是自由层的厚度，并且Ｍ_ｓ是自由层饱和磁化。

图19A和19B描绘电阻比对平面内磁场（R-H）回路的测量，其中沿着椭圆纳米磁体的主轴施加场。从对图案化的VCMA开关纳米柱的电测量中清楚总自由层各向异性对厚度的依赖性，这些纳米柱具有不同Co₂₀Fe₆₀B₂₀厚度值。具有t_CoFeB＝1.33nm的器件示出与椭圆的形状各向异性定义的平面内易磁化轴对应的方形磁滞行为，该行为是图19A和19B中所示几乎全帧磁滞曲线（标记为t=1.33nm）。与这一点对照，t_CoFeB＝1nm器件示出如标记为t=1nm的接近水平线所见的无磁滞的硬轴行为，该行为指示自由层易磁化轴与样本平面垂直。然而对于具有与转变厚度（t_CoFeB＝1.13nm，标记为t=1.13nm）接近的自由层的器件，磁滞回路的形状与单域行为不一致并且代之以可以归结于如在图19B的右窗格II和IV中所见的在自由层中有域壁的微磁状态。这一域结构的形成归因于这些有限尺寸的图案化的VCMA开关中的微妙能量平衡，其中易磁化平面（easy plane）形状引起的各向异性（即去磁化）和易磁化轴垂直各向异性接近相互补充。随之无对于单域垂直或者单域平面内状态的清楚能量偏好允许形成域壁状态以便最小化总磁体静态能量。在自由层中存在域壁由微磁仿真支持，其中如图19B中所见在减少CoFeB厚度与增加垂直各向异性Ku之间发现良好定性一致。

垂直界面各向异性Ku也可以由在MgO层两端施加的电压来调制。作为结果，在纳米级VCMA开关结构中，施加的电压也可以用与以上所示厚度依赖性相似的方式修改自由层的微磁配置。接近转变厚度最大化自由层中的微磁状态的电压可调性（即它们对施加的电场的灵敏性）。

图20A至图20E图示根据这些测试的作为磁场特性的函数的电阻。在图20A和图20B中，对于器件自由层厚度t_CoFeB＝1.16nm的器件中的不同偏置电压电平示出磁阻回路。所有测量是对于平面内并且沿着椭圆器件的主轴施加的场。在这些测试中，正电压减少纳米磁体中的垂直各向异性Ku。在正电压偏置（～1V），易磁化轴（easy axis）回路对应于自由层的磁化在样本平面内。随着减少正电压，垂直各向异性的增加使矫磁性减少直至形成域壁状态，这伴随有形成非方形磁滞回路，比较图19B和图20A。在电压极性反向时，如图20B中所见，增加负电压进一步增强垂直各向异性从而产生域壁宽度的减少。同时，这转化成微磁状态的矫磁性增加和在回路中心测量的TMR比值减少。最后，充分大的负电压迫使自由层磁化完全脱离平面。矫磁性对施加的电压的依赖性大量受自由层厚度影响。例如通过将自由层的厚度调节成更小值（t_CoFeB＝1.13nm），减少完全平面内状态的矫磁性（对于施加的电压～1V），并且可以获得如图20C和图20D中所见矫磁性随着电压减少而单调（增加）改变。发现矫磁性对施加的电压（或者等效物对垂直各向异性）的依赖性与微磁仿真良好一致。在图20E中示出仿真的平面内磁阻回路的示例，在该示例中，从易磁化轴向硬轴的改变和关联矫磁性改变与实验结果良好定性一致。

在本发明中，利用随着正电压的矫磁性减少以便电切换自由层中的域壁手性（见图19B，右窗格II和IV）而无自旋极化电流的影响。

图21A至21F描绘域壁手性的、电压引起的切换。为了举例说明切换过程，考虑如图21A和图21B中所示在均衡（0V）和在正电压的磁滞曲线。均衡状态具有约120Oe的矫磁性，并且在它的高和低阻域壁状态之间的TMR比值近似为9%。回路示出由于与固定层的非零耦合所致的约70Oe的偏移场H_off。顶部水平轴表示向器件施加的易磁化轴偏置场H_bias，而底部水平轴示出有效场H_eff＝H_bias-H_off。在向在高阻状态中的器件施加正电压脉冲（图21A和图21C中的点A）时，自由层的垂直各向异性减少从而减少它的矫磁性。作为结果，在新能量图景之下，迫使磁化松弛成低阻中间状态（图21A和图21C中的点B）。在去除电压之后，磁化重新配置成具有相反手性的域壁状态（图21A和图21C中的点C）从而完成反向过程。图21A和21B示出作用于自由层的有效场（即H_eff）的符号将确定切换方向，因此电压引起的切换对于给定的偏置磁场为单向。图21C和图21D描绘使用100ms长的电压脉冲的在器件中的用于两个方向的准静态切换。在微磁仿真中再现切换过程从而举例说明微磁纹理的、电压引起的修改负责带来手性反向。

图21A至21F中所示切换对应于在纳米磁体的中心附近的域壁手性反向（见图19B，右窗格II和IV）。这与在这一器件中观测的两个域壁状态之间的相对小的有效MR比率一致（(ΔR/R)_eff近似为9%），因为在自由层的边缘附近的区域（垂直磁化）对MR无贡献。作为比较，用于相同晶片上的单域平面内器件（具有更厚自由层）的对应TMR比率是约为110%的(ΔR/R)_max（如图19A中所见）。这也部分地说明(ΔR/R)_eff随着垂直各向异性增加而减少（见图20B和图20D），因为后者的增加通过使表面引起的垂直各向异性在确定磁静态配置时更为主导来减少自由层中的域壁宽度。

图21E和图21F描绘均值切换电压V_c对测量下至10ns的施加的电压脉冲宽度t的依赖性，该电压脉冲宽度是从用于每个数据点的>100个切换事件获得的。结果对于低（即平行（P））到高（即反平行（AP））和AP到P切换方向二者示范域壁手性的、电压引起的切换而电压脉冲下至10ns并且幅度近似为1V。切换电压对脉冲宽度的依赖性遵循可以向形式为V_c＝V_c0(1-Δ^-1ln(t/τ₀))的函数良好拟合的热激活模型，其中τ₀是与磁化的谐振频率的倒数对应的所谓尝试时间，并且V_c0是是用于在t＝τ₀切换的推测临界电压。

如上所述，使用相同极性的电压来执行在两个方向上的切换而用小的偏置磁场确定切换方向。也测量切换电压对施加的磁场的依赖性。

图22A和图22B分别代表用于测试设备的切换电压和停留时间。图22A描绘切换电压随着H_eff增加而减少，这指示在切换电压幅度与平面内磁场之间的折衷，该折衷辅助切换过程。

表征这些测试设备中的域壁状态的热稳定性。这是如图22B中所示通过对于向设备施加的不同磁场测量（从在零施加电压的>30个切换周期获得的）均值停留时间来执行的。将曲线推测至备用（H_eff=0Oe）条件产生约1.7×10⁹秒（>50年）的留置时间，这对于尝试时间τ₀＝１ns对应于Eb=～42kT的用于热引起的切换的能量势垒，其中k和T分别是玻尔兹曼常数和温度。均衡域壁状态因此提供用于非易失性操作的充分稳定性。

作为结论，已经使用在MgO和CoFeB膜的界面的、电压控制器的磁各向异性（VCMA）来示范域壁动态性的电场操纵并且具体为纳米磁体中的域壁手性的、电场引起的切换。该切换未利用自旋极化电流。使用TMR效果来读出位磁配置。预计对域壁动态性的相似电压控制也在其它纳米结构（例如纳米线等）中是可能的。这些结果提供一种用于通过利用在具有非均匀微磁配置的自由层中对施加的电压的更大灵敏性来减少MeRAM的切换电压和能量耗散的方法。

4．1样本预备方法。

以下通过示例而非限制描述用于在章节4.0中描述的样本的预备。在物理气相沉积（PVD）系统中沉积如图18B中所示具有衬底/底部电极组成的连续多层膜，并且随后在1T的平面内磁场中持续2.0小时在300℃退火。然后使用电子束光刻和离子碾磨技术将膜图案化成用于电传送测量的170nm×60nm椭圆纳米柱。通过DC溅射来沉积所有金属膜，而从陶瓷MgO靶通过射频（RF）溅射来沉积隧道势垒。CoFeB自由层和MoG隧道室内厚度在沉积期间跨越相同晶片变化以形成两个垂直楔。设计MoG隧道势垒厚到足以使电流引起的自旋传送转矩（STT）在这些样本中可忽略不计。为了在膜级测量Co₂₀Fe₆₀B₂₀自由层的磁性质，也沉积由衬底/底部电极/Ta（5）/（Co₂₀Fe₆₀B₂₀）（t_CoFeB=1.0-1.4楔）/MgO/顶部电极（厚度以nm为单位）构成的测试结构。

电测量是在室温通过高带宽（40GHz）探测器经由顶部和底部电极接触纳米柱。总是平面内沿着纳米柱的易（长）轴施加磁场。用闭环PID磁体-高斯计系统在探测站中执行电测量从而产生对于磁场的设置值为<1%的典型误差、在1-2Oe之间的波动以及在场的开端期间无过冲。为了测量停留时间，小电压（10mV）用来监视纳米磁体的状态。对于每个磁场，记录至少30个事件以便估计停留时间。对于脉冲式实验，偏置T用来从设备电阻的静态测量（DC臂）去耦合电压脉冲（RF臂）。从至少100个切换事件测量在给定的磁场和电压脉冲持续时间的均值切换电压。

在微磁仿真中包括多层堆中的固定层以考虑在这些测试中观测的非零耦合场。运行多数仿真而未考虑温度波动（T=0K）。然而包括温度（T=300K）影响的仿真用来确认域壁状态在室温的存在和稳定性。在所有仿真中，垂直各向异性的改变模拟电压影响。

4．2补充信息。

4．2．1CoFeB膜的磁性质。

为了在膜级测量Co₂₀Fe₆₀B₂₀自由层的磁性质，沉积由衬底/底部电极/Ta（5）/（Co₂₀Fe₆₀B₂₀）（t_CoFeB=1.0-1.4楔）/MgO/顶部电极（厚度以nm为单位）构成的测试结构。

图23A和图23B分别对于具有三个不同CoFeB厚度值（t_CoFeB）的这些测试样本描绘用于平面内和平面外磁场的磁化比对磁场（M-H）曲线。观测到该结构的磁易磁化轴由于在CoFeB-MgO界面的垂直各向异性而从对于t_CoFeB=1.25nm的平面内改变成对于t_CoFeB=1.04nm的平面外。不同曲线对应于Co₂₀Fe₆₀B₂₀厚度的不同值。也发现用于抵消用于这些样本的界面垂直各向异性和形状引起的去磁化场的转变厚度也如图19A和图19B中注意的那样近似为1.1nm。这小于对于具有相似自由层组成的MgO/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/Ta堆（其中CoFeB由Ta冠盖而不是沉积于Ta上）观测的转变厚度，这可以归结于在后一种情况下存在磁停用层。

4．2．2在具有垂直各向异性的自由层中的微磁状态

在自由层中的有效垂直各向异性K_eff由给定，其中K_s(V)是在CoFeB-MgO界面的表面垂直各向异性（可以由向VCMA开关的电压调制），t_CoFeB是自由层的厚度，并且是有利于磁化在样本平面内的、形状引起的去磁化能量。如可以从图19A、图19B和图20A至图20E观测的那样，电压和厚度对K_eff并且因此对自由层的磁状态具有从磁阻曲线可见的定性相似影响。

具体而言，感兴趣的是如下厚度值，在这些厚度值，垂直各向异性接近于抵消平面内形状各向异性。对于这一情况，比如在K_eff→0时，K_s(V)的改变将生成K_eff的更大相对改变、由此最大化自由层中的微磁状态的电压可调性。在这一范畴中，在平面内、形状引起的各向异性和界面垂直各向异性接近相互抵消时，磁化配置变成对其它影响、比如偶极场更灵敏。在自由层中形成域壁状态（见图19B，右窗格II和IV）时，减少磁杂散场。偶极磁体静态能量的所得减少由于非均匀磁化配置而可以转化成比交换能量的增加更大的能量减少从而使域结构为能量有利状态。

4．2．3域壁手性的切换动态性。

已经在这一工作中利用垂直各向异性的电压依赖性以实现如在先前章节中讨论的、电压引起的切换。在仿真中再现并且在这一章节中描述切换过程的微磁图片。仿真的结构是包括合成反铁磁固定层的椭圆柱。在均衡磁阻曲线（图20E中所示）的这些仿真中未考虑由于有限温度所致的热激发的影响。因此，尽管仿真再现观测的数据的所有定性特征，但是未进行进一步尝试以互动额定性一致。

图24图示仿真的自由层磁化动态性为对于在切换过程期间的不同时间（I）、（II）、（III）和（IV）沿着纳米柱的主轴的横截面。用于磁化的初始（均衡）状态（I）对应于域壁。假设固定层为单域并且在样本的平面中磁化，磁阻主要源于自由层的中心部分（在图19B和图24中醒目显示），该中心部分具有非零平面内分量。证实在这一域壁内的磁矩（即域壁手性的反向）带来设备的低和高阻状态的观测的差值。在施加正电压脉冲（II）时，垂直各向异性减少，并且在两个域中的磁化旋转以获取更大平面内分量（图24中的醒目显示的域旋转）。然而最好地描述为>180度域壁的这一状态在热学上不稳定，并且磁化通过将域壁切换成中间状态（III）而松弛。最后，在释放电压脉冲时，垂直各向异性再次增加，并且系统以域壁磁化向相反方向切换从而产生不同电阻值的域壁状态（IV）而告终。

图25图示电磁器件的一个实施例190，该电磁器件是图18中描述的电磁器件的备选并且示出该电磁器件具有自由层（FL）、铁磁材料（FM）的固定层和半固定层。柱节段194从平面节段192延伸。示出在柱的顶部与底部之间施加196电压。举例而言，示出Si/SiO₂衬底198，底部电极200在该衬底之上。在这一示例中，也描绘利用普通金属（例如Ta）在固定和半固定层之间的偶极耦合。然而可以备选地通过薄金属势垒膜（例如钌（Ru））交换耦合固定和半固定层。柱194按照顺序包括以下层：Ta202（例如～1-10nm）、Co₂₀Fe₆₀B₂₀FM自由层204（例如～1-2nm）、MgO势垒层206（例如～1-2nm）、Co₂₀Fe₆₀B₂₀FM固定层208（例如～1-2nm）、另一Ta层210（例如～1-2nm）、Co₂₀Fe₆₀B₂₀半固定层212、另一MgO214层（例如～1-2nm）和顶部电极216。204、206和208的组合类似于磁隧道结（MTJ）并且表现隧道磁阻（TMR），该TMR允许通过测量在堆两端的电阻来读取FL的磁状态。如在先前实施例中那样，自由、半固定和固定层中的每层可以本身由一起作用提供自由或者固定层功能的若干子层构成。

从以上讨论将理解可以用包括以下方式的各种方式体现本发明。

1．一种电压控制的磁各向异性（VCMA）开关装置，包括：至少两个铁磁（FM）层，具有FM固定层和FM自由层；电介质（DE）层，插入在所述FM固定层与所述FM自由层之间；并且其中选择所述FM自由层和所述FM固定层的材料、形状和厚度以具有平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；并且其中所述FM自由层的OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响，并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制从而产生对所述装置中的所述FM自由层中的磁化定向进行切换的、电压控制的磁各向异性（VCMA）效果。

2．根据实施例1所述的装置，其中所述FM自由层的所述磁化在平面内（IP）或者平面外（OOP）这两个磁化定向状态之间可切换。

3．根据实施例1所述的装置，其中所述磁化定向状态相对于所述固定层的磁化定向为平行（P）和反平行（AP）。

4．根据实施例1所述的装置，其中所述装置响应于电压施加来改变磁状态（切换），并且无需电荷电流流过所述装置或者流过与所述装置邻近设置的导体以执行所述切换。

5．根据实施例1所述的装置，其中响应于所述施加的电压确定所述铁磁（FM）自由层的磁化定向的所述切换，所述施加的电压引起磁化旋转并且允许响应于存在杂散磁场而出现完全切换以将所述磁化切换成它的最终切换状态。

6．根据实施例5所述的装置，其中所述至少一个杂散场从所述铁磁（FM）固定层产生。

7．根据实施例5所述的装置，其中所述至少一个杂散场从所述铁磁（FM）固定层和从附加铁磁（FM）半固定层产生。

8．根据实施例1所述的装置，其中所述铁磁（FM）自由层包括一层或者层组合。

9．根据实施例1所述的装置，其中所述铁磁（FM）固定层包括一层或者层组合。

10．根据实施例1所述的装置，其中响应于所述电压脉冲在被配置用于所述磁化的进动运动的装置上的宽度改变所述磁化定向。

11．根据实施例10所述的装置，其中响应于所述电压脉冲的宽度改变所述磁化定向，所述宽度是进动周期的近似1/2或者其奇数倍。

12．根据实施例1所述的装置，其中所述装置包括平面内（IP）、电压控制的磁各向异性（VCMA）开关装置。

13．根据实施例1所述的装置，其中所述装置包括平面外（OOP）、电压控制的磁各向异性（VCMA）开关装置。

14．根据实施例1所述的装置，其中通过响应于隧道磁阻（TMR）性质测量经过所述FM自由层、DE层和FM固定层的电阻来读取所述装置的磁化定向。

15．根据实施例1所述的装置，其中从由Fe、Co、Pt、Pd、CoFe和CoFeB构成的铁磁材料组选择所述铁磁材料。

16．根据实施例1所述的装置，其中所述电介质材料包括MgO。

17．根据实施例1所述的装置，其中通过控制包括Fe含量比率、FM层形状和FM层厚度的FM组成来调节所述OOP各向异性。

18．根据实施例1所述的装置，其中通过与FM层相邻放置附加非磁金属层来调节所述OOP各向异性，其中所述金属层增加所述OOP各向异性和所述VCMA效果。

19．根据实施例18所述的装置，其中所述金属层包括钽（Ta）。

20．根据实施例1所述的装置，还包括与所述铁磁（FM）固定层邻近设置的至少一个铁磁（FM）半固定层和将所述FM固定层从所述FM半固定层分离的间隔物层。

21．根据实施例20所述的装置，其中所述间隔物层包括对所述装置的所述电压控制的磁各向异性无贡献的金属材料。

22．根据实施例20所述的装置，其中对于不同施加的电压双向改变所述磁化定向。

23．根据实施例20所述的装置，其中在电磁随机存取存储器（MeRAM）内并入所述电压控制的磁各向异性（VCMA）开关作为位，其中响应于施加第一电压信号将位状态写入成第一状态，并且响应于施加第二电压信号将所述位状态写入成第二状态。

24．根据实施例23所述的装置，其中响应于在所述装置两端检测的电阻读取所述MeRAM，所述电阻是响应于施加所述第一和第二电压的具有相反极性的电压而检测的。

25．根据实施例20所述的装置，其中所述FM半固定层和所述FM固定层包括交换耦合的一对层，并且所述间隔物层包括反铁磁层间交换耦合材料以增强交换耦合。

26．根据实施例25所述的装置，其中所述反铁磁层间交换耦合材料的所述间隔物层包括钌（Ru），其中选择所述Ru层的厚度以提供反铁磁层间交换耦合。

27．一种电压控制的电磁随机存取存储器（MeRAM）装置，包括：至少三个铁磁（FM）层，具有FM固定层、FM半固定层和FM自由层；其中所述FM半固定层和所述FM自由层设置于所述FM固定层的相反侧上；以及电介质（DE）层，插入在所述FM自由层与FM固定层之间；间隔物，将所述FM固定层从所述FM半固定层分离；其中选择所述FM自由层、所述FM固定层和所述FM半固定层的材料、形状和厚度以具有平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中选择所述FM半固定层的材料、形状和厚度以具有在接近相等与所述FM固定层的优选平面之间平衡的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中所述FM自由层的OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响，并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制从而产生电压控制的磁各向异性（VCMA）效果，所述VCMA效果旋转所述FM自由层的磁化定向并且响应于来自所述FM半固定和固定层的杂散磁场来完全切换，所述磁定向的状态确定用于所述MeRAM的位状态；并且其中所述FM半固定层的OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的所述界面性质影响，并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制从而产生电压控制的磁各向异性（VCMA）效果，所述VCMA效果旋转所述FM半固定层的磁化定向而未完全切换它的磁定向。

28．根据实施例27所述的装置，还包括与所述FM半固定层邻近设置的第二DE层，并且其中在所述FM半固定层与所述第二DE层之间的界面性质影响所述FM半固定层的所述OOP各向异性并且受作为施加的电压在所述第二DE层两端施加的电压控制从而产生电压控制的磁各向异性（VCMA）效果，所述VCMA效果旋转所述FM半固定层的磁化定向而未完全切换它的磁定向。

29．根据实施例27所述的装置，其中响应于施加第一电压信号将位状态写入成第一状态并且响应于施加第二电压信号将所述位状态写入成第二状态。

30．根据实施例28所述的装置，其中响应于在所述装置两端检测的电阻读取所述MeRAM，所述电阻是响应于施加所述第一和第二电压的具有相反极性的电压而检测的。

31．一种电压控制的磁各向异性（VCMA）开关装置，包括：至少两个铁磁（FM）层，具有FM固定层和FM自由层；以及电介质（DE）层，插入在所述FM自由层与FM固定层之间；其中选择所述FM自由层和所述FM固定层的材料、形状和厚度以具有平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中所述FM自由层的所述OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响，并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制，从而产生对所述装置中的所述FM自由层中的磁化定向进行切换的、电压控制的磁各向异性（VCMA）效果；并且其中在包括磁域壁的两个磁化状态之间切换所述FM自由层的所述磁化，其中所述域壁包含大的平面内（IP）磁化分量。

32．根据实施例31所述的装置，其中所述磁化定向状态是具有相反手性的域壁，其中所述域壁手性的磁化相对于所述FM固定层的磁化定向状态为平行（P）和反平行（AP）。

33．一种电压控制的磁各向异性（VCMA）开关装置，包括：至少两个铁磁（FM）层，具有FM固定层和FM自由层；以及电介质（DE）层，插入在所述FM自由层与FM固定层之间；其中选择所述FM自由层和所述FM固定层的材料、形状和厚度以具有平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性；其中所述FM自由层的所述OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响，并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制，从而产生对所述装置中的所述FM自由层中的磁化定向进行切换的、电压控制的磁各向异性（VCMA）效果；并且其中选择所述DE层的厚度以允许用于响应于施加的电压基于漏电流引起的磁转矩确定切换方向的充分漏电流，而所述漏电流不足以切换所述装置的所述磁化状态。

34．根据实施例33所述的装置，其中在电磁随机存取存储器（MeRAM）内并入所述电压控制的磁各向异性（VCMA）开关作为位，其中响应于施加第一电压信号将位状态写入成第一状态并且响应于施加第二电压信号将所述位状态写入成第二状态。

35．根据实施例33所述的装置，其中在平面内（IP）或者平面外（OOP）这两个磁化定向状态之间切换所述FM自由层的所述磁化。

36．根据实施例33所述的装置，其中所述磁化定向状态相对于所述固定层的磁化定向为平行（P）和反平行（AP）。

37．根据实施例33所述的装置，其中所述VCMA开关响应于电压施加来切换并且无需电荷电流流过所述装置或者流过与所述装置邻近设置的导体以执行所述切换。

38．根据实施例33所述的装置，其中响应于施加的电压确定所述铁磁（FM）自由层的磁化定向的所述切换，所述施加的电压引起磁化旋转并且允许响应于存在杂散磁场而出现完全切换以将所述磁化切换成它的最终切换状态。

39．根据实施例38所述的装置，其中所述至少一个杂散场从所述铁磁（FM）固定层和从附加铁磁（FM）半固定层产生。

40．根据实施例33所述的装置，其中通过响应于隧道磁阻（TMR）性质测量经过所述FM自由层和所述FM固定层的电阻来读取所述电压控制的磁各向异性（VCMA）开关的磁化定向。

虽然以上描述包含许多细节，但是不应解释这些为限制本发明的范围而是为仅提供本发明的当前优选实施例中的一些优选实施例的示例。因此将理解，本发明的范围完全涵盖可以变成为本领域技术人员所清楚的其它实施例并且本发明的范围相应地未受除了所附权利要求之外的内容限制，在所附权利要求中，对要素的单数引用除非这样明确地陈述则未旨在于意味着“一个并且仅一个”而是“一个或者多个”。本领域普通技术人员已知的与以上描述的实施例的要素等效的所有结构、化学和功能等效物通过引用而明确地结合于此并且旨在于为当前权利要求所涵盖。另外，设备或者方法未必解决本发明寻求解决的每一个问题以便它为当前权利要求所涵盖。另外，在本公开内容中的要素、部件或者方法步骤无论是否在权利要求中明确记载该要素、步骤或者方法步骤都未旨在于专用于公众。这里的权利要求要素除非使用短语“用于……的装置”来明确记载该要素则将在35U.S.C.112第六段的规定之下加以解释。