磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置

摘要

基于自旋转移扭矩(STT)效应的三端子磁性电路和装置，通过使用耦接至自由磁性层的自旋霍尔效应金属层中的充电电流以及将栅电压施加至自由磁性层并通过结合自旋极化电子或带电粒子的注入，来操控用于包括非易失性存储功能、逻辑功能等各种应用的自由磁性层的磁化。充电电流经由第一电端子和第二电端子施加到自旋霍尔效应金属层，而栅电压施加在第一电端子和第二电端子中的任一个与第三电端子之间。自旋霍尔效应金属层可与自由磁性层相邻、或与自由磁性层直接接触，以允许在充电电流下通过自旋霍尔效应生成的自旋极化电流进入自由磁性层中。所公开的三端子磁性电路也可应用于信号振荡电路和其他应用。

说明书

优先权要求和相关专利申请

本专利申请要求于2012年8月6日提交的名为“磁性纳米结构中自旋 霍尔扭矩效应的电栅控式调制”的第61/679,890号美国临时申请的优先 权，该美国临时申请的全部内容通过引用作为本专利申请公开的一部分 并入本文。

技术领域

本专利涉及具有磁性材料或基于电子自旋扭矩效应及其应用的结构 的电路及装置，包括非易失性磁性存储电路、非易失性磁性逻辑装置和 自旋扭矩激励式纳米体振荡器。

背景技术

电子和其他带电粒子将自旋处理为它们内在粒子属性之一，并且这 种自旋与自旋角动量相关联。电子的自旋具有两个不同的自旋态。电流 中的电子可通过在两个自旋态中具有相等概率而被去极化。电流中的电 子通过使一个自旋态中的电子多于另一自旋态中的电子而被自旋极化。 自旋极化电流可通过各种方法(例如，通过使电流通过具有特定磁化的 磁性层)操纵自旋数来实现。在各种磁性微观结构中，自旋极化电流可 被引入磁性层中以引起自旋极化电子对磁性层的角矩转移，并且这种转 移可导致自旋转移扭矩施加到磁性层中的局部磁矩上以及磁性层中磁矩 的旋进。在适当条件下，自旋转移扭矩可引起磁性层的磁化方向的翻转 或切换。

上述的自旋转移扭矩(STT)效应可用于包括STT磁性随机存取存储 (MRAM)电路和装置的各种应用。例如，如图1中所示，STT-MRAM电 路可包括作为由两个或更多薄膜铁磁层或电极形成的磁阻元件的磁性隧 道结(MTJ)，其中，磁阻元件通常被称为具有可被切换或改变的磁矩的 自由磁性层(FL)以及磁矩方向被固定的固定磁性层(PL)。当电偏置 电压施加在电极之间时，自由磁性层(FL)和固定磁性层(PL)通过薄 到足以允许电子通过量子力学隧穿过渡经过势垒层的绝缘势垒层(例如， MgO层)来分离。横跨MTJ的电阻取决于PL层和FL层的相对磁性取向。 FL层的磁矩可在FL中的两个稳定取向之间切换。横跨MTJ的电阻在PL层 和FL层的两个相对磁性取向下展现出两个不同的值，两个不同的值可用 于表示用于二进制数据存储或者可选地用于二进制逻辑应用的两个二进 制状态“1”和“0”。该元件的磁阻用于从存储或逻辑单元读出该二进 制信息。

在各种STT-MRAM和其他电路中，MTJ是两端子MTJ电路，其中， 两端子MTJ电路引导电流从一个端子通过隧道势垒至另一个端子。图1还 示出了使两端子控制电路耦接至MTJ的两侧上的端子的两端子电路配置。 在写入操作中，两端子控制电路将选定电流流动方向上的充分大的写入 电流从通过势垒层的一个端子发送至通过势垒层的另一个端子，以设置 自由层相对于表示期望二进制状态的基准层的磁性取向。在读取操作中， 两端子控制电路使用相同的两个端子通过势垒层发送小于较大写入电流 的读取电流，以在PL和FL层的特定相对磁性取向下测量横跨MTJ的与存 储位相对应的电阻。

发明内容

本申请中公开的技术和装置提供基于自旋转移扭矩(STT)效应的三 端子磁性电路和装置，该三端子磁性电路和装置通过组合自旋极化电子 或带电粒子的注入，通过使用耦接至自由磁性层的自旋霍尔效应金属层 中的充电电流以及将栅电压施加至自由磁性层，来操纵用于各种应用的 自由磁性层的磁化，各种应用包括非易失性存储功能、逻辑功能等。充 电电流经由第一电端子和第二电端子施加到自旋霍尔效应金属层，而栅 电压施加在第一电端子和第二电端子中的任一个与第三电端子之间。自 旋霍尔效应金属层可与自由磁性层相邻或与自由磁性层直接接触，以允 许在充电电流下通过自旋霍尔效应生成的自旋极化电流进入自由磁性层 中。所公开的三端子磁性电路也可应用于信号振荡电路和其他应用。

磁性隧道结(MTJ)存储单元可构建在用于非易失性磁性存储应用的 三端子电路配置中，并且能够操作成使用自旋霍尔效应金属层中的充电 电流以及对于自由磁性层的栅电压的组合操作，从而在写入操作中实现 自由磁性层的磁化切换。MTJ存储单元的读取可通过横跨MTJ施加读取电 压来进行。

三端子电路配置中的磁性隧道结(MTJ)也可用于形成基于自由磁性 层中的磁旋进的信号振荡器，其中，自由磁性层中的磁旋进是由自旋扭 矩而引起的，而自旋扭矩是由通过自旋霍尔效应金属层中的充电电流感 应出的自旋极化电流引起的，并且感测电流可横跨待通过因自由磁性层 中的磁旋进而导致的MTJ的电阻振荡来调制的MTJ施加，由此产生了振荡 信号。所生成的振荡信号的频率和振幅可用于控制横跨MTJ的感测电流。

在附图、说明书和权利要求书中将对上述和其他特征、以及示例性 实现方式和应用进行更加详细的描述。

附图说明

图1示出了两端子电路配置中磁性隧道结(MTJ,Magnetic Tunnel  Junction)的示例。

图2A和图2B示出了三端子电路配置中磁性隧道结(MTJ)电路的示 例，其中，三端子电路配置用于将自旋极化电流提供到MTJ的自由磁化层 中实现自旋霍尔效应金属层。

图3A和图3B示出了用于将自旋极化电流提供到自由磁化层中的自旋 霍尔效应金属层的操作，其中示出了面内充电电流J_c(或J_e)和面外自旋 极化电流J_s的流动方向以及注入自旋σ的方向。

图4示出了具有耦接至自旋霍尔效应金属层的电流源和横跨MTJ耦接 的电压源的三端子MTJ电路的示例。

图5A示出了说明采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔 效应(SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示意性立体图的示例，其中， ST-MRAM单元包括具有面内磁性层的磁性隧道结和具有强SHE的非磁 性条，并且非磁性条设置于STT-MRAM装置结构的底部上。

图5B示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应 (SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示意性立体图的另一示例，其中， 磁性隧道结具有面内磁性层，并且具有强SHE的非磁性条设置于 STT-MRAM装置结构的顶部上。

图6A示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应 (SHE)的三端子ST-MRAM装置单元示例，其中，FL和PL的磁矩的平衡 位置与膜平面垂直。

图6B示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应 (SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示例，其中，FL和PL的磁矩的平 衡位置与膜平面垂直，并且附加的面内磁化的铁磁材料层设置于MTJ堆叠 中以产生面内磁偏置场以用于限定自由磁性层的垂直磁化的明确切换方 向。这种MTJ堆叠中的面内磁化的铁磁材料层(例如，如图所示的第一电 端子与自旋霍尔效应金属层之间)排除了分离的磁性机构以在自由磁性 层处产生磁偏置场。非磁性间隔层可被提供成与固定磁性层接触，磁性 层与非磁性间隔层接触并配置成在磁性层中具有用于在自由磁性层中产 生偏置磁场的磁化方向。

图7A示出了用于展示磁各向异性的电压控制效应(VCMA)调制MTJ 的FL的自旋霍尔扭矩切换的能力的示例性三端子MTJ装置。

图7B和图7C示出了在三端子SHE装置中横跨磁性隧道结端子施加以 基本上改变电流I_Ta的偏置电压V_MTJ的操作，其中，电流I_Ta由自旋霍尔层要 求以用于影响平行对反平行(P对AP)切换(图7A)或反平行对平行(AP 对P)切换(图7B)，其中，阴影区域指示接通状态(V_MTJ＝-400mV)和 关断状态(V_MTJ＝0mV)将切换概率从100％改变至零的电流范围。

图7D示出了在一系列10μs脉冲下的栅控式自旋霍尔扭矩切换，其中， R_MTJ为MTJ的电阻(数据状态)。为了实现对于高电阻态的栅控式切换， V_MTJ在0mV与-400mV之间切换，而自旋霍尔电流I_Ta在0mA与-0.55mA之 间切换。为了实现对于低电阻态的栅切换，V_MTJ在0mV与-400mV之间切 换，而自旋霍尔电流I_Ta在0mA与.35mA之间切换。除非施加有V_MTJ＝-400 mV的脉冲，否则不会发生切换。

图8提供了基于MTJ与自旋霍尔效应金属层之间的耦接、通过用于三 端子存储单元的阵列的栅控式自旋霍尔扭矩切换来实现的交叉点存储构 架的示例，其中，晶体管开关被共享并耦接至磁性隧道结单元的三个端 子。

图9A和图9B示出了用于偏置配置的晶体管开关操作状态的示例，其 中，偏置配置可在图8中的栅控式自旋霍尔扭矩交叉点存储构架中用于写 入和读取操作。

图10示出了可用于在三端子SHE/VCMA装置中激励磁振荡并且输出 相关联的微波功率以实现自旋扭矩纳米振荡性能的振荡电路的示例。黑 色箭头指示三端子SHE装置内的电流分布，并且自旋霍尔电流I_Ta和隧道结 偏置电流I_MTJ分别来自电流源1和电流源2。

图11示出了当MTJ偏置电流为I_MTJ＝60μA并且自旋霍尔金属(Ta) 条中的自旋霍尔电流在I_Ta＝-0.8mA与+0.8mA之间变化时，由磁性隧道 结中的自旋霍尔扭矩激励式FL产生的微波谱。为了便于比较，竖直地移 位了在不同电流下的谱。功率谱密度(PSD)是装置的输出微波功率的测 量值。

图12A示出了如图10中示意性指示的SHE驱动式自旋扭矩纳米振荡 器的综合输出微波功率。红色三角形表示微波功率对比所施加的磁性隧 道结电流。蓝色圆形表示由和相对应的电流的磁阻归一化的微波功 率。

图12B示出了作为所施加的MTJ电流的功能的、图10中的SHE激励的 且VCMA调整的自旋扭矩纳米振荡器的中心振荡频率。

图13示出了具有薄过渡金属层的三端子MTJ装置的示例，其中，薄过 渡金属层位于自由磁性层与SHE金属层之间以用于在自由磁性层中增强 垂直磁各向异性。

图14A和图14B示出了具有薄磁性绝缘体层的三端子MTJ装置的两个 示例，其中，薄磁性绝缘体层位于自由磁性层与SHE金属层之间以用于减 少自旋霍尔效应金属层中的充电电流泄漏至导电性自由磁性层中。

具体实施方式

图2A示出了具有耦接至MTJ结的自由磁性层的自旋霍尔效应(SHE) 金属层的三端子MTJ装置的示例。MTJ中的层和SHE金属层(例如对材料 和尺寸的选择)配置成在自由磁性层与SHE金属层之间提供期望的接口电 子耦接，以在注入到SHE金属层中的给定充电电流下在SHE金属层中生成 自旋极化电子或带电粒子的大流动，以及将所生成的自旋极化电子或带 电粒子有效注入至MTJ的自由磁性层中。自由磁性层或固定磁性层中的每 个可为适当磁性材料的单层、或具有两层或更多层的不同材料的复合层。 自由磁性层和固定磁性层可导电，而位于自由磁性层与固定磁性层之间 的势垒层是电绝缘的并且薄到足以允许电子经由隧穿通过。自旋霍尔效 应金属层可与自由磁性层相邻、或者与自由磁性层直接接触，以允许在 充电电流下经由自旋霍尔效应生成的自旋极化电流进入自由磁性层。

图2A中的MTJ装置中的三个端子可用于实现两个独立的控制机构， 而这在图1中的两端子MTJ装置中是不可能实现的。如图所示，第一控制 机构通过第一端子施加横跨MTJ结的栅电压，以使得因所施加的栅电压而 引起的自由磁性层处的电场可改变自由磁性层的磁化，包括影响自旋极 化电流的阈值的垂直磁化，其中自旋极化电流的阈值可通过来自注入到 自由磁性层中的自旋极化电流的自旋扭矩转移来切换自由磁性层的磁 化。第二、独立的控制机构在SHE金属层的与MTJ接触的区域的两个相反 侧上，使用SHE金属层的两个接触位置处的第二电端子和第三电端子，将 充电电流供给至SHE金属层中以产生基于自旋霍尔效应的自旋极化电子 或带电粒子。

原则上，MTJ的层和SHE金属层可配置成，允许横跨MTJ的栅电压或 SHE金属层中的充电电流中的任一个单独引起自由磁性层的磁化切换。然 而，在本申请中所公开的三端子MTJ装置中，横跨MTJ的栅电压被控制成 小于足以单独引起隧穿通过MTJ的势垒层以触发切换的显著电流的阈值 电压，并且相似地，SHE金属层中的充电电流被控制成小于足以单独引起 显著量的自旋极化电荷进入自由层以触发切换的阈值充电电流。应注意， 本申请中所公开的三端子MTJ装置和技术使用横跨MTJ的栅电压和SHE 金属层中的充电电流两者的组合操作来共同地触发自由磁性层中的切 换。在图2A中，三端子控制电路耦接至第一电端子、第二电端子和第三 电端子，以实现上面期望的控制操作。

具体地，三端子控制电路操作如下。栅电压施加在与固定磁性层接 触的第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间，以改变自由磁性层的垂直 磁各向异性而不允许栅电压单独引起自由磁性层的磁化方向的切换；以 及充电电流被施加在自旋霍尔效应金属层中的两个电端子之间，以再无 需切换自由磁性层的磁化的情况下将自旋极化电流感应到自由磁性层 中。栅电压的施加和充电电流的施加被同步以切换自由磁性层的磁化。

图2B示出了通过MTJ电路和SHE电路实现的、图2A中的三端子控制 电路的示例。MTJ电路耦接在第一电端子与第三电端子之间，以在不切换 自由磁性层的磁化的情况下，施加期望的横跨MTJ的电压。SHE电路耦接 在第二电端子与第三电端子之间，以将充电电流供给在SHE金属层中。控 制电路进一步耦接至MTJ电路和SHE电路，以控制MTJ电路和SHE电路的 操作，例如控制横跨MTJ的电压振幅或方向、SHE金属层中的充电电流的 电流振幅或方向、以及在用于切换自由磁性层时使电压和充电电流同步。

图2A和图2B以及本申请中的其他部分中公开的三端子MTJ装置可被 实现为提供难以在两端子MTJ装置中实现的电路配置和操作性特征以及 在应用中难以实现的某些优点。例如，在自旋霍尔效应金属层的两个接 触位置处经由两个电端子施加到自旋霍尔效应金属层的充电电流，用于 将自旋极化电流注入到MTJ的自由磁性层中，以用于在自由磁性层中实行 自旋扭矩转移，排除了如两端子MTJ装置中那样、对横跨MTJ施加大电流 以用于将显著自旋扭矩转移实行到自由磁性层中以切换自由磁性层的磁 化的需要。因为存在通过用于存储单元应用的隧道势垒层的电流脉冲影 响自由磁性层(FL)的磁性再取向的不利方面，所以这可能是有利的。 例如，需要隧穿通过MTJ结以用于切换操作的高电流脉冲可能导致MTJ 中的绝缘势垒层的电气完整性的恶化。在两端子MTJ装置中，FL可被设 计成减少用于切换操作所需的写入电流脉冲振幅。然而，因为该两端子 MTJ装置中的读取操作和写入操作经由MTJ的相同的两个端子来实行，所 以需要为存储单元的快速读取提供足够大信号的电偏置可产生较小但接 近用于MTJ的切换操作的期望阈值电流的、通过MTJ的隧穿电流。在读取 操作期间因暂时对读取电流增加少量附加电流的电噪声而导致MTJ不经 意切换的情况下，该条件可导致“写后读(write-upon-read)”错误。这 种“写后读”错误率随着读取操作期间通过MTJ的隧穿电流与用于切换 MTJ的STT阈值电流之间的差异变小而增加。由此，各种两端子MTJ装置 面临以下冲突，即降低用于切换MTJ的隧穿电流的振幅的需要与对于与使 用足够大的读取电流在短时间内完成用于读取存储位的MTJ电阻的测量 相关联的快速读取的需要之间的冲突。不同于两端子MTJ装置，本申请中 的三端子MTJ装置配置成在横跨MTJ的电压上提供两个分离且独立的控 制，以消除两端子MTJ装置中的上述两个难题，并且在仍能够实现快速读 取操作、而不经历两端子MTJ装置中的“写后读”错误的情况下，可在写 入操作期间实现横跨MTJ的低隧穿电流。为了在本申请中所公开的三端子 MTJ装置中实行切换，两个分离的控制被同步，以切换自由磁性层的磁化。

对于各种电路中的三端子MTJ单元的大型阵列，用于三端子MTJ单元 的阵列的列驱动电路和行驱动电路可设计成通过共享电路元件来减小整 个电路尺寸。正如在下面的示例中更加详细描述的那样，交叉点存储构 架可基于栅控式自旋霍尔扭矩切换来实现，以提供三端子MTJ单元中晶体 管开关的共享，由此改善了使用大型阵列的三端子MTJ单元的电路的整体 紧凑性。

在另一方面，作为用于本申请中所公开的三端子MTJ装置的输入/输 出端的三个端子的可用性能够用于实现各种逻辑操作。相反，通过仅两 个端子可用性，两端子MTJ装置趋向于难以(或者在一些情况下是不可行 的)建立用于基于自旋扭矩切换操作的各种二进制逻辑应用的电路。

在又一方面，本申请中所公开的与自旋转移扭矩结合的三端子MTJ 可配置成采用磁性配置，以使得自由磁性层具有仅一个稳定的磁性态、 但可通过由撞击在自由磁性层上的、稳定自旋极化直电流生成的抗阻尼 扭矩在微波或射频频率处激励成与该平衡态相关的磁旋进。振荡的频率 通过经历自由磁性层的总时间平均有效磁场来确定，并且振荡的频率可 随着磁旋进的振幅而变化，而磁旋进的振幅取决于偏置电流的振幅。由 于自由磁性层的旋进导致的MTJ的时变磁阻提供微波输出信号。由此，可 在MTJ中采用自旋转移扭矩，以产生自旋扭矩纳米振荡器(STNO)，其 中，自旋扭矩纳米振荡器具有芯片上通信中的潜在应用以及信号处理应 用。在基于两端子MTJ装置的STNO装置中，由于MTJ的两端子特性，振 荡器的振幅无法与其频率独立地电改变。

本申请三端子MTJ装置和应用的具体实现和实例提供为如下。

在各种重(高原子序数)金属(例如，Pt、Ta、W、Hf等)中的巨大 自旋霍尔效应提供了用于本申请中新的三端子MTJ装置的基础。图3A和 图3B中示出了具有大原子序数的某些金属中的自旋霍尔效应。图3A示出 了与MTJ的自由磁性层直接接触，以用于接收面内充电电流J_c(或J_e)和 用于将自旋极化电流J_s产生到自由磁化层中的自旋霍尔效应金属层。示出 了面内充电电流J_c(或J_e)和面外自旋极化电流J_s的流动方向和注入自旋σ 的方向。图3B还示出了自旋霍尔效应在充电电流中以相反的方向分离两 个自旋态，其中，该相反的方向垂直于面内充电电流J_c(或J_e)。因此， 通过控制面内充电电流J_c(或J_e)在SHE金属层中的电流方向，两个自旋 态中的一个可被选择作为注入自由磁化层中的自旋极化电流J_s。

图3B还示出了，通过充电电流J_c(或J_e)、注入自旋矩的方向(非 角矩)以及充电电流之间的关系：J_c：来确定注入自旋在自旋 极化电流J中的取向，其中，θ_SH是自旋霍尔角并且是特定于每种材料的参 数、并且量化SHE在每种材料中的幅度。

在自旋霍尔效应中，由于电子在垂直于电流流动方向的方向上的自 旋相关偏转，流动通过重金属薄膜层的电流创建横向自旋电流。如图3A 和图3B所示，相反的自旋角动量的电子以相反的方向偏转。在高电阻率 β‐Ta的层中，例如，自旋霍尔效应在横向自旋电流密度与纵向电流密度 的0.15一样高时尤为强大。可使用自旋电流以在相邻的磁性膜的磁化上施 加扭矩，并由此使得三端子磁性电路或装置用于反转形成在自旋霍尔层 的顶部上的、MTJ的自由磁性层的磁性取向，如图2A和图2B中所示的那 样。

图4示出了包括电压源和电流源的三端子MTJ电路的示例，其中，电 压源耦接在横跨MTJ的第一电端子与第三电端子之间，电流源在第二电端 子与第三电端子之间耦接至自旋霍尔效应金属层。在本示例中FL层和PL 层示出为随着面内磁化而与该层的平面平行，其中，面内磁化与SHE金属 层中的面内充电电流J_c(或J_e)的方向垂直。

本申请三端子MTJ装置操作为通过同时施加横跨MTJ结的栅电压和 SHE金属层中的充电电流而在自由磁性层中实行磁化的切换。三端子MTJ 装置的该方面基于电压控制式磁各向异性(VCMA)，其中，电场通过 改变铁磁/氧化物界面处的电子结构而改变铁磁膜的垂直各向异性。 VCMA已示出为实现MTJ中FL的矫顽磁场的强力调整，并且通过横跨MTJ 施加的电压脉冲来指示FL的拨动切换。VCMA的显著方面在于，其在很 小或无电流流动通过MTJ时提供影响FL的切换的潜在性，而这能够通过 最小化欧姆损失来降低MRAM写入操作的能源成本。

考虑图4中的示例，SHE金属层中的面内充电电流J_e被设置成产生与 SHE金属层中的面内充电电流J_e垂直的自旋极化J_s。当SHE金属层在横向 方向上显著薄时，由于通过电子或带电粒子的传播引起的自旋弛豫(spin  relaxation)，自旋极化J_s在不明显损失注入自旋矩的情况下注入到自由 磁化层中。SHE金属层中的面内充电电流J_e的幅度被控制成显著小，以使 得已进入自由磁化层的自旋极化电流J_s显著小于用于自旋极化电流的阈 值电流，从而产生自由磁性层的磁化的切换。然而，横跨MTJ结的栅电压 被施加以通过因电压控制式磁各向异性(VCMA)而导致改变铁磁/氧化 物界面处的电子结构，来改变垂直各向异性，从而将用于产生自由磁性 层的磁化切换的自旋极化电流所需的阈值电流降低到使已进入自由磁化 层的自旋极化电流J_s等于或高于用于切换MTJ的新降低的阈值电流的电 平。在同时施加充电电流和栅电压的条件下，自由磁性层的磁化被切换。

图5A示出了说明采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔 扭矩(SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示意性立体图的示例，其中， ST-MRAM单元包括具有面内磁性层的磁性隧道结和具有强SHE的非磁 性条，并且非磁性条设置于STT-MRAM装置结构的底部上。图5B示出了 采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔扭矩(SHE)的三端子 ST-MRAM装置单元的另一示例，其中，磁性隧道结具有面内磁性层，并 且具有强SHE的非磁性条设置于STT-MRAM装置结构的顶部上。

在MTJ的自由层和基准层的磁矩和取向成与膜平面垂直的情况 下，SHE和VCMA也可结合以产生MTJ中的FL的栅控式SHE切换。在这种 配置中，来自SHE的注入自旋仍然沿着MTJ层的平面中的+/-x轴，而对 于的平衡位置沿着与MTJ层垂直的+/-z轴对齐。由此，的方向与的 方向彼此垂直。在这种情况下，可使用有效磁场H_ST对来自由SHE生成的 自旋电流的自旋扭矩的效果进行描述。

图6A示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔扭矩 (SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示例，其中，FL和PL的磁矩的平 衡位置与膜平面垂直。

图6B示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔扭矩 (SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示例，其中，FL和PL的磁矩的平 衡位置与膜平面垂直，并且附加的面内磁化的铁磁材料层被设置在MTJ 堆叠中，以产生用于限定自由磁性层的垂直磁化的明确切换方向的面内 磁偏置场。

上述新的三端子MTJ装置配置的实施方式可用于解决目前限制基于 各种两端子MTJ装置的应用的可靠性挑战，并且也提供了改善的输出信 号。该新的三端子MTJ装置配置也可提供在MTJ装置中使低阻抗切换(写 入)处理与高阻抗感测(读取)处理之间分离的额外优点。更具体地， 装置和方法在此处公开了：使自旋霍尔扭矩(SHE)与纳米级磁性元件的 磁各向异性的电压控制(VCMA)结合，以实现磁性隧道结中双稳态磁 性元件的磁性取向的电栅控式切换，以及自旋扭矩纳米振荡器(STNO) 的振荡频率和输出功率的电气调整。这种三端子MTJ设计实现了磁性随机 存取存储电路和高性能非易失性逻辑电路的更有成效且有效的设计，并 且实现了对于提供振荡微波振幅和频率分离且独立控制的STNO的新的 三端子方案。

在实现方案中，适合于所公开的三端子MTJ装置的MTJ层的材料被选 择为形成展现出强电压控制式磁各向异性(VCMA)效果的磁性隧道结， 其中，磁性隧道结的自由层设置成与非磁性金属条相邻，非磁性金属条 可由携带在膜平面中流动的电流的、具有强自旋霍尔扭矩(SHE)的材料 构成。在一些实现方式中，磁性隧道结由两个铁磁薄膜元件构成，两个 铁磁薄膜元件由薄绝缘层(小于2.0nm的厚度)(典型地，MgO或一些其 他绝缘体材料)分离，薄绝缘层充当可供电子通过量子力学过程隧穿的 隧道势垒。可以或可以不由多层的薄膜材料构成的铁磁元件之一(固定 层(PL))具有固定的磁化方向，而可以或可以不由多层的薄膜材料构 成的其他铁磁层(自由层(FL))在足够强的自旋电流或所施加的磁场 的影响下自由旋转。作为自旋电流的行动结果，根据FL的磁化是否被对 齐为与PL的磁化方向或多或少平行或反平行，MTJ的电阻处于低电阻态 (平行)或高电阻态(反平行)。MTJ被制造成具有10％或更多的磁阻变 化。

绝缘层和相邻的FL表面的材料成分也被选择为使得两者之间的电界 面产生改变FL的垂直磁各向异性的大量界面磁各向异性能量。材料的适 当组合包括(但不限于)用于绝缘层以及用于FL的界面表面层的MgO、 Co、Fe、具有Co和/或Fe成分的合金。界面电子结构使得通过施加横跨绝 缘层的电压偏置而产生的电场能够基本改变界面磁各向异性能量，从而 产生FL的电压控制的磁各向异性(VCMA)。在一些MTJ装置实现方式 中，25μJ/m²(V/nm)^-1或更多的每单位磁场的界面磁化能量上的变化可产 生磁各向异性中的不必要的变化。

在制造三端子MTJ时，磁性隧道结被制造成使得其自由层与薄膜条 (如自旋霍尔扭矩(SHE)金属层)相邻且良好地电接触以生成自旋极化 电流，其中薄膜条由具有高自旋霍尔角(大于0.05)的材料构成。例如， 在实现方式中，这种SHE金属层可具有小于或不大于其自旋扩散长度的5 倍的厚度，从而在与MTJ的自由磁性层界面处在所生成的自旋极化电流中 以特定的自旋态保持显著的自旋数。在采用横跨MTJ的偏置电压以经由 VCMA效应改变FL的磁各向异性和/或矫顽场的情况下，经过SHE金属薄 膜条的电流可根据流过自旋霍尔层的电流方向、经由自旋霍尔效应提供 横向自旋电流，或者可选地将其激励成持续的微波振荡，其中，横向自 旋电流将在MTJ FL上施加足以有效地反转其磁性取向的自旋扭矩。这种 组合实现了新的自旋转移扭矩装置功能：栅电压调制的自旋扭矩切换和 栅电压调制的自旋扭矩振荡。前者使得用于非易失性数字逻辑应用的能 量有效且栅控式切换、以及用于非易失性数字存储应用的更加能量有效 且经改善的架构、包括用于实现并不是每个MTJ都需要控制晶体管的、具 有最大密度的交叉点几何结构的磁性存储电路的简单方案变得可能。后 者提供自旋扭矩纳米振荡器的微波振荡振幅和频率的分离且独立的控 制。

参照图2A、图2B、图4、图5A、图5B、图6A和图6B中的三端子MTJ 装置示例，三端子MTJ装置可配置成包括磁性隧道结(MTJ)和自旋霍尔 效应金属层，其中，磁性隧道结(MTJ)包括(1)具有固定磁化方向的 固定磁性层、(2)具有可变磁化方向的自由磁性层、以及(3)非磁性 结层，该非磁性结层位于自由磁性层与固定磁性层之间并且由薄到足以 允许电子在自由磁性层与固定磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成，并且 自旋霍尔效应金属层为非磁性的并且包括展示大自旋霍尔效应，以反应 于引入自旋霍尔效应金属层中的充电电流而产生与充电电流垂直的自旋 极化电流，自旋霍尔效应金属层与自由磁性层平行且与自由磁性层接触， 以将在自旋霍尔效应金属层中生成的自旋极化电流引入自由磁性层中。 三端子MTJ装置还包括第一电端子、第二电端子和第三电端子，其中，第 一电端子在具有固定磁性层的一侧与MTJ电接触以接收改变横跨MTJ流 动的电流阈值的栅电压，用于切换自由磁性层的极化的自旋极化电流， 第二电端子和第三电端子在自由磁性层的两个相反侧上与自旋霍尔效应 金属层的两个接触位置电接触，以在自旋霍尔效应金属层中供给充电电 流。控制电路耦接至第一电端子、第二电端子和第三电端子，从而(1) 经由第二电端子和第三电端子在自旋霍尔效应金属层中供给充电电流、 以及(2)提供引起横跨MTJ的小电流隧穿的、横跨MTJ的栅电压，其中， 横跨MTJ的小电流隧穿在没有由充电电流引起的横跨自由磁性层流动的 自旋极化电流协作时，不足以切换自由磁性层的磁化。

对于存储器应用，三端子MTJ装置中的控制电路可具体配置成：在写 入模式中能够操作以同时施加自旋霍尔效应金属层中的充电电流和横跨 MTJ的栅电压，从而将自由磁性层的磁化方向设置或切换成用于表示存储 位的期望方向，并且在读取模式中，控制电路能够操作成将读取电压施 加到第一电端子，以在第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间供给隧穿 横跨MTJ的读取电流而不切换自由磁性层的磁化方向，从而感测表示MTJ 中的存储位的自由磁性层的磁化方向。

参照图5A和图5B，SHE被采用作为写入机构，并且磁性隧道结(MTJ) 被采用为在由SHE所生成的自旋电流而施加自旋扭矩过程中，施加用于调 制自由层(FL)的磁性取向的栅电压、以及感测可偏置自由层相对于固 定基准层(RL)的磁性取向。MTJ可为具有总体处于亚微米或纳米范围 的横向尺寸的柱状磁性装置。具有磁矩的自由铁磁层由具有小至中型矫 顽场的软铁磁材料制成。具有磁矩的固定铁磁层由具有大型矫顽场的软 或硬铁磁材料制成、或者被附加的反铁磁层固定。用于自由磁性层和固 定磁性层的典型的厚度范围为小于一纳米至数十纳米。FL和PL由晶体绝 缘间隔层分离，晶体绝缘间隔层具有小于2nm的厚度，并且例如为MgO 或掺硼MgO(Mg(B)O)或用于生成与显著影响FL的整个磁各向异性的铁 磁自由层的表面接触的每单位面积的界面磁各向异性能量密度的任何其 他晶体或无定形绝缘层。这种磁各向异性能量密度基本上可由横跨绝缘 体-FL界面所施加的电场来改变。用于磁性层的合适材料的示例可包括 (但不限于)Fe、Co、Ni、这些元素的合金(例如，Ni_1-xFe_x)、这些元 素与非磁性材料的合金(例如，Fe_1-xPt_x和Co_xFe_yB_1-(x+y))、以及由这些材 料制成的铁磁多层(例如，(Co/Ni)_n、(Co/Pt)_n和(Co/Pd)_n，其中，n表示多 层的重复数量)。用于MTJ结构的材料被选择为，使得在铁磁自由层的接 触绝缘层的表面与随着(施加在绝缘体的一侧上的铁磁基准层与绝缘体 的另一侧上的自由层之间)的电压显著变化的表面之间存在每单位面积 接触的大量界面磁各向异性能量密度。变量为在绝缘体-自由层界面处改 变电场的所施加电压的强度，并因此改变由FL经历的界面磁各向异性。

与磁性隧道结的FL接触的是由展现强自旋霍尔扭矩(SHE)的各种 材料中的一种制成的非磁性薄膜条。用于该层的合适材料包括高电阻率 Ta(β‐Ta)、W(β-W)、Hf和Ir层。用于SHE层的其他合适材料包括(但 不限于)Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb、Bi以及基于 过渡金属的合金(例如，Cu_1-x Bi_x、Ag_1-xBi_x、Cu_1-xIr_x、Ag_1-xIr_x、Cu_1-xW_x、 Ag_1-xW_x、Cu_1-xTa_x、Ag_1-xTa_x、Hf_xIr_y)、结合具有高原子序数的一个或多 个元素的高电阻率金属间化合物(例如，诸如Ta₃Al、Nb₃Sn、W₃Ge、Ir₃Hf 的具有A15晶体结构的化合物、以及诸如TaN、WN和NbN的其他化合物)。 非磁性SHE条图案化成纳米级或者微米级宽度，并且具有小于或近似等于 其自旋扩散长度的五倍的厚度。

在图5A和图5B中的示例中，三个端子形成为电连接至装置。一个端 子位于柱上、接近MTJ的PL，而其他两个端子为非磁性条的两端部。写 入电流施加在非磁性条上的两个端子之间，而偏置电压施加在柱上的端 子与非磁性条上的两个端子中的任一个之间，以影响FL磁化的切换的加 栅、或者可替代地调制自旋扭矩纳米振荡实现方式中的振荡频率。为了 读取用于逻辑栅极或存储装置实现方式的装置的二进制态，偏置电流施 加在柱上的端子与非磁性条上的两个端子中的任一个之间。

在图5A和图5B中，MTJ的FL可如图5A中所示位于柱的底部处、或者 如图5B中所示位于柱的顶部上。在任一种情况下，具有强SHE的非磁性 条均一直与FL相邻。当FL位于底部时，非磁性条也处于装置的底部、衬 底的旁边。当FL位于顶部上时，FL放置在隧道势垒的衬底侧上，FL在隧 道势垒上方，并且非磁性条位于装置的顶部上。

当FL和RL在三端子MTJ装置中的平面中被极化、并且FL和RL的面内 磁化方向与上文中提及的电流方向垂直时(即，沿着+/-x轴方向)，m₁与 来自SHE的注入自旋共线(平行或反平行)。在这种情况下，来自SHE 的注入自旋充当根据自旋取向可具有任一符号(即，正阻尼或负阻尼) 的有效磁性阻尼。根据这种配置，SHE感应的切换以与传统的自旋扭矩感 应相同的方式工作。传统的自旋扭矩切换采用由非磁性间隔层分离的一 对铁磁层，其中，一个铁磁层为固定极化层，而另一个铁磁层为磁矩取 向可通过来自极化电流的自旋扭矩的转移而切换的自由层。一个区别在 于，自旋霍尔效应装置中的自旋电流是使用非磁性材料而非铁磁极化层 生成的。当与平行时，自旋电流将使当前的磁化取向更加稳定，并且 将不会引起切换。与此不同地，当与反平行时，如果自旋电流足够大， 则FL的磁化将被切换。因此，具有相反符号的电流将具有相反方向的自 旋注入FL中，那些相反的取向将导致FL磁化的不同的优选取向，由此， 可通过确定流经SHE生成层的电流的方向来实现可逆确定性切换。

通过自旋霍尔效应施加的自旋扭矩与电压控制式磁各向异性 (VCMA)效应的这种组合的结果为，在没有热波动的情况下，流过横 向自旋霍尔层以引起面内极化的磁性自由层通过自旋霍尔效应的自旋扭 矩切换所需的临界或阈值电流密度取决于自由层的有效垂直退磁化场 $H_{\mathrm{demag}}^{\mathrm{eff}},$

VCMA效应的结果是可变的，为横跨MTJ施加的电压V_MTJ的函 数：

$H_{\mathrm{demag}}^{\mathrm{eff}}=4\pi M_S-2K_u\left(V_{\mathrm{MTJ}}\right)/M_S.---\left(2\right)$

此处，e为电子电荷，M_S为CoFeB自由层的饱和磁化，t_free(t_自由层)为 其厚度并且α为吉尔伯特阻尼(Gilbert damping)值，H_c为面内磁各向异 性场，并且K_u(V_MTJ)为自由层的电压相关的垂直各向异性能量系数。由此， 由等式(1)和等式(2)所示，流过SHE层以影响MTJ的FL切换所需的临 界电流密度可通过将栅电压施加到MTJ来调制。在本发明人的装置的实现 方式中，实现了其与每单位电场的退磁能 量中的变化相对应$|d\left(K_{u}t\right)/\mathrm{dE}|=[M_S{t}_{\mathrm{free}}{t}_{\mathrm{MgO}}/2]d\left(H_{\mathrm{demag}}^{\mathrm{eff}}\right)/\mathrm{dV}=70\mathrm{\mu J}/m^2$${(V/\mathrm{nm})}^{-1}.$用于调制通过所施加电场的磁各向异性的低于70μJ/m²(V/nm)^-1的1/3的值以及高于其的值均在本发明中是有效的。

对于本发明的数字逻辑和栅控存储器的实施方式，VCMA必需能够 改变对于通过自旋霍尔层施加的电流的给定电平充分介于0％与100％之 间的、MTJ自由层的SHE自旋扭矩切换的概率。对于长脉冲长度(例如， 大于10ns)并且在室温以上时，FL的热激励可显著有助于其反转。如果 FL在平面中被磁化，则热激励能量的能量势垒E需要克服直接与自由层的 面内矫顽场H_c相关的量级。因为H_c可取决于FL的面外磁各向异性，这意 味着栅电压可经由其在零波动临界电流密度|J_c0|和激励势垒E这两者上的 效果来调制自旋霍尔扭矩切换电流。然而，对于大部分应用，将在热激 励提供很小帮助的短持续时间(例如，小于10ns或20ns)内通过自旋霍 尔电流脉冲来驱动切换，虽然这导致了关于|J_c0|的切换电流密度的概率分 布。因此，在这种短脉冲体制中，栅电压可通过其单独对|J_c0|的影响来有 效地调制切换电流密度。例如，自由层的有效垂直磁各向异性的优化值 为kOe，而Oe/V已经确立为在例如 CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中VCMA效应的典型值。并且，H_c可被容 易地调节，以使得其大到足以保持自由层的热稳定性，但是Hc远小于垂 直退磁化场使用典型的参数值M_S＝1100emu/cm³、t_free＝1.5nm、α ＝0.021、以及θ_SH＝0.15(等式(2))，得出对于V_MTJ＝500mV，|J_c0|＝9.6 ×10⁶A/cm²，以及对于V_MTJ＝-500mV，|J_c0|＝4.5×10⁶A/cm²。|J_c0|中的 两倍变量大于用于自旋扭矩装置中的切换电流密度的热分布的典型宽 度，以使得J_c0上的电压控制的各向异性的效果足以在优化的自旋霍尔自 旋扭矩装置中实现FL的短脉冲(≤20纳秒)自旋霍尔扭矩切换的全调制。

使用作为SHE金属层的6nm厚且1μm宽的Ta条、以及Ta SHE金属层 的顶部上的Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.5)/MgO(1.2)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(4)的MTJ堆叠(厚度为 纳米级)制造了试样三端子MTJ装置(图7A)。MTJ堆叠成型为具有与 Ta SHE条垂直的长轴的、100×350nm²的大致椭圆形截面。对试样MTJ 装置进行测试以证明VCMA效应通过使用长、脉冲体制(～10μs)调制 MTJ的FL的自旋霍尔扭矩切换的能力。图7B和图7C中使用V_MTJ＝0和-400 mV示出了测试结果。对于P对AP(图7B)和AP对P(图7C)切换而言， 存在对于V_MTJ＝-400mV的切换概率为100％并且对于V_MTJ＝0切换概率为 0％的电流振幅的窗口，以使得V_MTJ有效地栅控切换处理。这在图7D中直 接示出；电压V_MTJ＝-400mV将装置置于接通状态以用于通过来自Ta的自 旋霍尔扭矩进行切换，而V_MTJ＝0关断切换。图7D还证明了三端子装置如 何通过将自旋霍尔扭矩切换与VCMA效应进行组合来实现功能性逻辑操 作。更复杂的逻辑功能可通过组合多于一个的自旋霍尔扭矩/VCMA装置 来获得。

为了实现足以有效切换面内或面外磁化的磁性自由层的大自旋霍尔 效应，需要使用由具有高原子序数的一个或多个金属原子元素构成的薄 膜材料，其中一个是传导电子与金属离子之间存在强自旋轨道相互作用。 对于所公开的三端子MTJ装置合适的材料包括高原子序数(Z)金属元素 Ta、W、Hf和Ir，其中，在适当的原子结构形式中，所有Ta、W、Hf和Ir 都具有大于0.08的自旋霍尔角、并且在一些情况下大于0.25。也可使用这 些元素的合金和金属间化合物以及这些元素与其他高原子序数元素的组 合。然而，具有高原子序数的金属层不在本发明中的自旋电流源中并且 不足以有效使用作为本发明中的自旋电流源。在各种实现方式中，材料 选择为具有特定电子属性和最佳晶体结构，包括与相邻铁磁层的属性和 结构的相关性，其中，在相邻铁磁层上通过自旋霍尔效应在第一层中生 成的自旋电流影响第二、铁磁层的磁性铁环或激励。

首先，自旋霍尔金属的电子属性可配置成，使得在通过纵向电子流 密度生成横向自旋电流密度时存在高效率，其中，转换效率通过使用已 知为自旋霍尔角的量来进行量化，自旋霍尔角限定为横向自旋传导性对 比纵向电子传导性的比率，或者等同地，自旋霍尔角限定为所生成的横 向自旋电流密度对比所施加的纵向电流密度的比率。当采用晶体金属并 且在自旋霍尔效应是内在的且源自传导电子与固定离子型晶格结构之间 的自旋轨道相互作用的情况下，金属的导电率应是低的，以使得自旋霍 尔角或横向自旋电流的生成效率较高，其中，传导电子与固定离子型晶 格结构之间的自旋轨道相互作用随后确定材料的横向自旋传导率。在自 旋霍尔效应不是内在的但通过由杂质和晶体缺陷而导致的传导电子的自 旋相关散射来确定的实例(其也可用于本发明)中，自旋相关散射必需 通过杂质或缺陷的选择而相对于电子的任何非自旋相关散射是强壮的。

其次，期望自旋霍尔金属内的自旋弛豫长度为短的，例如，小于或 等于1nm、上至约5nm。为了最佳转换效率，自旋霍尔层的厚度不小于 约一个自旋弛豫长度且不大于自旋弛豫长度的约五倍。影响相邻磁性层 的磁性切换或激励所需的电流直接与自旋霍尔层的厚度乘以材料的自旋 霍尔角成比例。因此，为了最小化所需的切换电流，具有高自旋霍尔角 的薄自旋霍尔层以及短的自旋扩散长度是最佳的。

第三，自旋霍尔材料的电子结构和相邻铁磁材料的电子结构选择为， 如果电子的磁矩对齐为与铁磁层的磁化取向平行、或者在一些情况下反 平行但通常为平行，则使得来自自旋霍尔层的传导电子能够轻易横跨界 面进入铁磁层中，以及如果电子的磁矩相对于铁磁层磁化的磁矩相反取 向，则使得来自自旋霍尔层的传导电子具有经过进入铁磁层中的低概率。 在晶体自旋霍尔材料和晶体铁磁层的情况下，两种材料的电子带结构必 需使得，电子从自旋霍尔材料横跨界面传输至铁磁层的多数电子子带结 构或少数电子子带结构中在一种情况下的概率比其他情况下的概率大得 多。Ta的β形式的带结构通常为具有四方晶体对称性，Ta的β形式的带结 构与典型铁磁材料(例如，也满足这种要求的FeCo和NiFe合金)的带结 构之间存在着显著区别。这也存在于W的β形式的情况中，而W的β形式 通常为具有A15晶体对称性。对于可在多个晶体形式中发现的、包括六方 密堆积(hcp)和面心立方(fcc)的形式的Hf而言，相对于铁磁层的组成 和晶体形式的选择，晶体形式的选择对于获得与高自旋扭矩效率的组合 至关重要。

第四，在来自自旋霍尔层的入射自旋电流激励铁磁层的取向并随后 通过施加反阻尼自旋扭矩而反转铁磁层的取向的实现方式中，也要求在 这种激励处理的过程中，从经磁处理的铁磁材料注入自旋返回至自旋霍 尔材料中的过程中被最小化。这种注入已知为自旋泵浦，并且通常认为 是取决于每单位面积横跨界面的电子传输的概率，其中，传输概率取决 于电子相对于铁磁的磁化方向取向的自旋取向。高自旋泵浦率抑制铁磁 的磁性激励，并因此导致较强入射自旋电流密度影响磁性切换的不期望 的要求。这种自旋泵浦处理一般由已知为界面自旋混合传导性的参数来 表征。对于最佳性能，这种自旋混合传导性应最小化，最好是低于在铁 磁材料与高原子序数的自旋霍尔材料的大多数传统组合中发现的自旋混 合传导性。例如，如CoFe(或CoFeB)与α-W组合那样，Co-Pt组合具有 高自旋混合传导性，也就是说，W为标准bbc晶体形式。然而，与铁磁层 (例如，CoFe、CoFeB和NiFe合金)组合的β-Ta和β-W这两者均展现出低 自旋混合传导性，这使得这些组合对于本发明的反阻尼切换实施方式是 有效的。

适合于实现三端子MTJ装置的自旋霍尔材料可选择或设计成，具有强 自旋轨道相互作用(具有高自旋霍尔角以及相关联的高自旋电流密度生 成效率)以及用于自旋极化电子或其他带电离子从SHE金属层至FL的有 效注入的短自旋弛豫长度(例如，大约1至5nm)。另外，两种材料的界 面电子结构配置成使得入射自旋电流在铁磁材料上施加高效的自旋扭 矩，这取决于界面的自旋相关电子传输概率中的巨大差异。在一些实现 方式中，三端子MTJ装置可配置成利用铁磁材料的抗阻尼激励以影响界面 电子属性的切换，使得界面的自旋泵浦效率相当低、或者等同地使自旋 混合传导相当低。

此外，在一些实现方式中，用于三端子MTJ装置的绝缘间隔层可具有 例如从小于1nm至大于2nm范围的厚度。绝缘间隔层可由多晶型MgO或 者混合的氧化物(例如，可变组分的Mg_xB_yO_z)、或者(产生用于在位于 绝缘层的相反两侧上的铁磁基准层与铁磁自由层之间流动的电流的高隧 穿磁阻并且还产生与大量影响薄FL的整体磁各向异性的铁磁自由层(FL) 的表面接触的、每单位面积的界面磁各向异性能量密度的)任何其他晶 体或无定形绝缘层构成，其中，这种磁各向异性能量密度可基本通过横 跨绝缘体-FL界面施加的电场来改变。

用于磁性自由层的材料的一些示例可包括(但不限于)Fe、Co、Ni、 这些元素的合金(例如，Fe_1-xCo_x、Ni_1-xFe_x)、这些元素与非磁性材料的 合金(例如，Fe_1-xPt_x和Co_xFe_yB_1-(x+y))以及由那些材料制成的铁磁多层(例 如，(Co/Ni)_n、(Co/Pt)_n和(Co/Pd)_n)，其中，n表示多层的重复数量)。这 种材料会展示出在铁磁自由层的与绝缘层接触的表面之间的每单位面积 接触的大量界面磁各向异性能量密度。这种界面各向异性可随着可施加 在绝缘体的一侧上的铁磁基准层与绝缘体的另一侧上的自由层之间的电 压而显著变化。所施加的电压的强度变化改变了绝缘体-自由层界面处的 电场，并因此改变FL经历的界面磁各向异性。

在电栅控的切换操作过程中流动通过磁性隧道结的绝缘层的电流可 通过对绝缘体材料及厚度的选择而在宽范围上变化。绝缘层的隧穿电阻 随着其厚度以指数形式变化，典型地对于0.2至0.3nm的厚度以约一个量 级的幅度增加，正如在MTJ中的MgO绝缘层的情况下那样。由此，通过 使用相对厚度>1.5nm的MgO层，例如，在栅控的自旋霍尔切换操作过程 中，流过绝缘层的隧穿电流由于电压偏置而可能是相当低的。这可将切 换操作的栅极部件所需的能量降低至横跨在这种情况下充当电容器的隧 道势垒对电压进行充电所需的电平。执行栅控响应所需的电压不会随着 绝缘层厚度而线性变化，以使得更厚的势垒不需要成比例地更高的栅电 压以执行栅控响应。由此，在一些应用中，绝缘体的厚度典型地应保持 为≤2nm。

可替代地，如果绝缘层制成为薄的(1nm的量级)，则当施加电压 偏置以调制自由层的界面各向异性时流动通过绝缘层的电流可能是大量 的。根据FL相对于RF的相对取向，并且根据电压偏置的极性并因此根据 隧穿电子流动的方向，这种电流将在FL上施加自旋扭矩，这将通过也施 加至经过相邻的自旋霍尔金属层的电流而辅助或阻碍FL的自旋扭矩切 换。在设计用于最佳切换性能并且还用于在没有栅控切换脉冲的情况下 实现最大热稳定性的装置时，这能够添加额外的灵活性。绝缘体厚度应 厚到足以使得，当在读取操作过程中为读取MTJ的磁阻状态而需要施加的 偏置电压因隧道结所施加的自旋扭矩而不足以单独影响自由层的切换 时，无需由流过自旋霍尔金属层的偏置电流所生成的任何自旋扭矩的辅 助，使得电流流动。

除了提供用于高性能非易失性逻辑电路的新的、基础元件以外，本 申请的三端子MTJ设计的实施方式实现了用于高性能磁性存储逻辑技术 的经改善的电路架构。例如，可采用自旋霍尔扭矩/VCMA装置在图8中示 意性示出的最大密度的交叉点几何结构中产生非易失性磁性随机存取存 储电路。对于使用传统的通过两端子MTJ的自旋扭矩切换而成功地实现交 叉点而言，主要挑战在于，电流经由潜行路径流动的问题，而这在写入 处理过程中导致了意外的切换事件以及增加的功耗，并且在读取过程中 导致灵敏性降低。在图8中所示的电路中，在写入操作过程中，通过将栅 电压从上方施加到MTJ并同时还在下方施加穿过SHE微条的电流以生成 自旋霍尔扭矩，可对每个存储单元单独编址。

图8中的装置包括三端子MTJ存储单元的行和列。提供了自旋霍尔效 应金属条的行，并且每个行自旋霍尔效应金属条配置成与存储单元的行 接触而作为用于该存储单元的行中每个存储单元的自旋霍尔效应金属 层，并且每个行自旋霍尔效应金属条还耦接至存储控制电路，以携带行 充电电流作为用于该存储单元行中的每个存储单元的充电电流。图8中的 装置还包括导电条的列，并且每个列导电条配置成与分别位于存储单元 的不同行中的存储单元列接触，并且每个列导电条还耦接至存储控制电 路，以施加行栅电压作为用于该存储单元的列中的每个存储单元的栅电 压、或施加行读取电压作为用于该存储单元的列中的每个存储单元的读 取电压。存储控制电路包括第一晶体管和第二晶体管，其中，第一晶体 管以每个列导电条一个第一晶体管的方式分别耦接至列导电条，从而将 行栅电压或行读取电压施加到存储单元的第一电端子，第二晶体管以每 个行自旋霍尔效应金属条一个第二晶体管的方式分别耦接至行自旋霍尔 效应金属条，以连接至所述第二电端子，从而使作为用于相应的存储单 元行中的每个存储单元的充电电流的、各个行自旋霍尔效应金属条中的 行充电电流接通或关断。在一些实现方式中，第三电端子接地。在图8中 的示例中，这种接地通过第三晶体管来控制，其中，第三晶体管以每个 行自旋霍尔效应金属条一个第三晶体管的方式分别耦接至行自旋霍尔效 应金属条，从而连接在相应的存储单元行中的存储单元的所述第三电端 子与电接地端之间。

图9A和图9B示出了在写入和读取操作过程中图8的第一晶体管、第二 晶体管和第三晶体管的操作的示例。更具体地，如用于写入操作的图9A 中所示，位于选定列处的第一晶体管以及位于选定行的两个端部处的一 对第二晶体管和第三晶体管被设置成处于接通，而所有其他晶体管被设 置成处于关断。根据MTJ期望的最终状态，V_switch(V_切换)被选择为正或负。 信息随后被写入到用于写入操作的选定的MTJ中。具有高阻抗的MTJ可被 利用成，使得隧道结的阻抗(R_MTJ)远大于SHE条的电阻(R_Ta)。该条件 有效地阻断了用于写入电流的所有可能的潜行路径。对于图9B中所示的 读取操作，可采用平行读取机制以有效地改善潜行电流的影响。用于所 有列的第二晶体管和位于选定行的右端部处的第三晶体管被设置成处于 接通。所有其他晶体管被设置成处于关断。因此，所有列线被设置为相 同的读取电平+V。通过测量在列线中流动的电流，以平行的方式从同一 行上的所有MTJ读取信息。

如图8、图9A和图9B中的示例所示的交叉点架构的整体优点在于，一 些两端子自旋扭矩MRAM电路要求每个位至少一个晶体管，而对于本申 请三端子MTJ电路的交叉点几何结构可制造成为在阵列中每N位仅一个 晶体管，从而显著地提升了存储密度，并且减少了在MTJ与用于提供写入 信号并执行存储数据的读出的半导体(CMOS)电路元件之间的界面处的 复杂性。

参照MTJ的磁性层与MTJ层垂直的图6A和图6B，来自通过SHE生成 的自旋电流的自旋扭矩的效果可使用有效磁场H_ST来描述。由注入的自旋 电流生成的每单位磁矩的自旋扭矩可写为：

其中，e、M_S和t分别表示普朗克常数、电子电荷、FL的饱和磁化、以 及FL的厚度，并且J_S为从SHE注入FL中的自旋电流。与此同时，通过磁 场生成的扭矩通常可写为：通过对两个扭矩的形式进行比较， 通过SHE感应的有效磁场具有以下形式：

因此，根据注入自旋的方向，与垂直并且指示顺时针或逆时针。如 果J_S大到足以使得则将感应出的连续旋转，其中，为磁性膜可提供的最大各向异性场。在的影响下，将被连续切换、 而无需确定性的最终状态。为了实现确定性切换，需要引入外部面内磁 场外部面内磁场可轻易地通过放置在附近的磁性层的磁偶极场 来提供。外部场可通过使用各种配置的装置中的一个或多个磁性元件来 生成。在图6B中，应用+y方向上的外部场作为示例。使用m_z来表示的z 分量，可看出，因为和可彼此平衡，所以具有m_z>0的状态将变成 稳定状态，而因为和以相同方向作用、由此引起继续旋转，因 此m_z<0状态仍为不稳定的。因此，在以+y方向施加场的情况下，以–x方 向注入的自旋可将切换成m_z>0状态。通过反转写入电流方向，来自SHE 的自旋将沿着+x方向注入，由此使得被切换成m_z<0状态。通过使用从 SHE注入的自旋，实现了可逆的确定性切换。

影响FL的确定性切换所需的经过SHE层的电流与用于FL和RL与平 面垂直地极化的情况的FL的有效垂直磁各向异性场线性地成比例。 如果被调整成例如可通过FL材料的选择而轻易实现的～1000Oe或 更小，则其厚度和SHE切换电流的细心热退火的强栅控可通过 SHE/VCMA容易地获得，其中，SHE/VCMA并入具有Oe/V量级的VCMA，正如实验证明的那样(参见图7C)。

用于组合自旋霍尔扭矩与VCMA的本申请三端子MTJ装置设计的另 一种应用是采用这些效应来实现自旋扭矩纳米振荡器(STNO)的频率和 振幅的新的独立控制。基于三端子电路配置中的磁性隧道结来生成振荡 信号的这种装置可配置成包括磁性隧道结(MTJ)，其中，磁性隧道结 (MTJ)包括(1)固定磁性层，在固定磁性层中具有固定磁化方向；(2) 自由磁性层，具有位于自由磁性层中并且可变的磁化方向；以及(3)非 磁性结层，该非磁性结层位于自由磁性层与固定磁性层之间并且由薄到 足以允许电子在自由磁性层与固定磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成。 自旋霍尔效应金属层被提供为非磁性的，并且包括展示大自旋霍尔效应 以反应于引入自旋霍尔效应金属层中的充电电流而产生与充电电流垂直 的自旋极化电流的金属。自旋霍尔效应金属层与自由磁性层平行且与自 由磁性层接触，以将在自旋霍尔效应金属层中生成的自旋极化电流引入 自由磁性层中。该装置包括第一电端子、第二电端子和第三电端子，其 中，第一电端子在具有固定磁性层的一侧与MTJ接触，第二电端子和第三 电端子在自由磁性层的两个相反侧上与自旋霍尔效应金属层的两个接触 位置电接触，以在自旋霍尔效应金属层中供给充电电流。该装置中的振 荡器控制电路耦接至第一电端子、第二电端子和第三电端子，从而(1) 经由第二电端子和第三电端子在自旋霍尔效应金属层中供给恒定电流作 为充电电流，以使得因通过自旋霍尔效应金属层产生的自旋极化电流而 引起自由磁性层的磁化的旋进；以及(2)供给横跨MTJ经由第一电端子 而引导的MTJ结电流，以使得电流隧穿横跨因自由磁性层的磁化的旋进而 振荡的MTJ。该控制电路配置成调节MTJ结电流，以控制在隧穿横跨MTJ 的电流中的振荡的振荡频率或振幅。

图10示出了用于激励和检测SHE装置中的磁动态的振荡器电路的示 例。可采用具有公共接地端的两个直流电流源来分开施加经过SHE条的电 流和经过MTJ的电流。经过SHE条的电流I_SHE通过SHE将自旋电流注入 MTJ的磁性自由层中，并且激励其中的磁动态，而MTJ偏置电流I_MTJ将从 TMR产生的MTJ电阻R_rf的振荡转换成振荡电压V_rf＝I_MTJR_rf，振荡电压V_rf＝ I_MTJR_rf随后可耦接至微波条-线或天线。

相比较而言，传统的两端子MTJ STNO装置需要使用相同的两个端子 来携带相同的电流作为(1)驱动电流以激励动态、以及(2)感测电流 以提供输出功率。图10中的三端子SHE/VCMA装置使用分别用于这些功 能的两个分离的电流来提供更好的技术控制和操作优点。

图11示出了通过在I_SHE保持恒定期间用于不同的I_MTJ的原型 SHE/VCMA STNO获得的微波谱。不同于用于传统STNO的情况，因为感 测电流对磁动态很少影响或没有影响，所以输出功率P随着如图12A中所 示的成比例，其中，在图12A中示出了三端子STNO原型的整合功率P (三角形)以及其归一化功率(圆形)与I_MTJ的比较，其中，T(I_MTJ)为MTJ 的偏置相关的归一化TMR值。归一化功率通过偏置大致恒定。

如图12B中所示，该三端子STNO的行为的重要方面在于，振荡器频 率随着I_MTJ在正方向上增加而存在相当显著的蓝色移位。这与通过横跨 MgO隧道势垒的电场变化而感应的垂直磁各向异性变化定量地相关，其 中，横跨MgO隧道势垒的电场随着I_MTJ的变化而变化。由此，如在图12A 和图12B中展示的那样，与电压控制磁各向异性组合的SHE的三端子 STNO的实施方式实现了磁动态以及自旋扭矩纳米振荡器的输出电功率 的独立控制，因此提供了输出微波信号的振幅变化以及频率的更好且更 通用的调整。

在实现基于两个独立控制机制的三端子MTJ装置时，期望如等式(1) 和等式(2)中所指示的产生自由层的足够大的有效垂直退磁化场从而影响用于切换自由磁性层的磁化的临界或阈值自旋极化电流。可为 MTJ装置选择各种材料组合，包括以期望结晶相的适当过渡金属元素。用 于实现自由层的足够大的有效垂直退磁化场的一个技术为在自由磁 性层与SHE金属层之间提供薄的过渡金属层，正如图13中的MTJ示例中所 示的那样。

在图13中，与自由磁性层和SHE金属层的材料配置相关地选择薄的过 渡金属层的材料和厚度，以使薄的过渡金属层与自由磁性层之间的界面 连接能够产生强界面各向异性，由此对自由层的垂直退磁化场产生 贡献，并增强三端子MTJ装置的电压控制的磁各向异性(VCMA)效应。 这种薄的过渡金属层可能不会展现出显著的SHE，并且设置在自由磁性层 与SHE金属层之间作为一种机制，以设计基于SHE和VCMA效应的双重控 制的有效的三端子MTJ。薄的过渡金属层与SHE金属层的组合结构可被视 为复合SHE金属层。作为具体示例，基于具有FeCoB的面内自由磁性层的 三端子MTJ装置制造成包括作为SHE金属层的βW层(4nm)层以及作为 薄的过渡金属层的Hf层(1nm)。MTJ装置所进行的测量示出了强大的SHE 和VCMA效应。此外，位于自由磁性层与图13中的SHE金属层之间的薄的 过渡金属层可用于增强MTJ装置的FL层的垂直各向异性，其中，FL层和 PL层具有如图6A和图6B所示的垂直的磁化方向。

在上述三端子MTJ示例的至少一些中，由于与SHE金属层或图13中的 薄的过渡金属层直接接触的自由层导电，所以SHE金属层与MTJ的自由磁 性层之间的界面导电。这种配置产生分流路径，以使得通过第二端子和 第三端子供给到SHE金属层中的充电电流泄漏到分流路径中。这种泄漏使 得保持在SHE金属层中的实际充电电流减少，而这种减少又不期望地减少 了通过SHE效应生成的自旋极化电流。对于使用具有高电阻率的SHE金属 层的三端子MTJ装置，这种不期望的充电电流的泄漏可能是显著的。为了 确保自旋极化电流在SHE金属层中的有效生成，薄的磁性绝缘体层可插入 MTJ堆叠与SHE金属层之间，以防止或降低SHE金属层中的充电电流至 MTJ堆叠的泄漏。因为感测电流需要经过用于各种电路操作(包括上述的 MTJ存储单元的读取操作和振荡信号在上述STNO电路中的生成)的MTJ 堆叠，所以薄的磁性绝缘体层的厚度小到足以允许电子的隧穿。这种薄 的磁性绝缘体层为降低了通过自旋霍尔效应生成的、来自SHE金属层的自 旋极化电流上的松弛效应的磁性层。这种薄的磁性绝缘体层可为铁磁或 亚铁磁性绝缘体层。各种磁性绝缘体材料可用作薄的磁性绝缘体层，例 如，YIG(Yttrium Iron Garnet；钇铁石榴石)等。

图14A和图14B示出了实现上述薄的磁性绝缘体层的三端子MTJ装置 的两个示例。在图14A中，薄的磁性绝缘体层放置在自由磁性层与SHE金 属层之间。在图14B中，薄的磁性绝缘体层放置在图13中的薄的过渡金属 层与SHE金属层之间。在这两个示例中，薄的磁性绝缘体层减少了SHE金 属层中的充电电流至MTJ堆叠的泄漏，并且增强了进入MTJ堆叠的自旋极 化电流的生成。

虽然本专利以及附件包含许多细节，但是这些细节不应被解释为限 制任何发明的范围或者任何发明要求保护的范围，而是特征的描述可特 定于特定发明的特定实施方式。在本专利以及附件中所描述的分离的实 施方式上下文中的某些特征也可以组合的方式实现或以单个实施方式实 现。相反地，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可分离地、 或者以任何合适的子组合方式实现在多个实施方式中。此外，虽然特征 可能在上面描述为以特定组合的方式行动并且甚至是最初要求为如此， 但是在一些情况下来自所要求的组合的一个或多个特征可从组合中切 除，并且所要求的组合可针对子组合或子组合的变型。

相似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解 为要求这种操作以所示的特定顺序或连续的顺序来执行，或者不应被理 解为执行所有示出的操作来实现期望的结果。此外，在本专利以及附件 中所描述的实施方式中的各种系统部件不应被理解为在所有实施方式中 要求这种分离。

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