ST-MRAM结构、用于制造该ST-MRAM结构的方法以及用于操作源自ST-MRAM结构的ST-MRAM装置的方法均采用了自旋霍尔效应基层，该自旋霍尔效应基层与磁性自由层接触，并在磁性自由层内产生磁矩切换由此在自旋霍尔效应基层内产生横向切换电流。这使得ST-MRAM装置使用经过磁阻堆叠的独立的感测电流和感测电压，其中磁阻堆叠包括固定层、非磁性间隔层和与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层。用于自旋霍尔效应基层的理想的非磁性导电材料包括某些类型的钽材料及钨材料，这些材料具有不大于自旋霍尔效应基层的厚度约5倍的自旋扩散长度和至少约0.05的自旋霍尔角。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】ST-MRAM结构、用于制造该ST-MRAM结构的方法以及用于操作源自ST-MRAM结构的ST-MRAM装置的方法均采用了自旋霍尔效应基层，该自旋霍尔效应基层与磁性自由层接触，并在磁性自由层内产生磁矩切换由此在自旋霍尔效应基层内产生横向切换电流。这使得ST-MRAM装置使用经过磁阻堆叠的独立的感测电流和感测电压，其中磁阻堆叠包括固定层、非磁性间隔层和与自旋霍尔效应基层接触的磁性自由层。用于自旋霍尔效应基层的理想的非磁性导电材料包括某些类型的钽材料及钨材料，这些材料具有不大于自旋霍尔效应基层的厚度约5倍的自旋扩散长度和至少约0.05的自旋霍尔角。【专利说明】自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用相关申请的交叉引用本申请涉及以下申请，并从以下申请得到优先权:(I)于2011年8月18日提交的序列号为61/524,998的美国临时专利申请；(2)于2011年9月14日提交的序列号为61/534，517的美国临时专利申请；(3)于2011年10月11日提交的序列号为61/545，705的美国临时专利申请；以及(4)于2012年4月3日提交的序列号为61/619,679的美国临时专利申请，上述申请的标题均为自旋霍尔效应装置、方法和应用，并且每个临时专利申请的内容通过引用完全并入本文。政府利益的陈述美国陆军研究办公室以W911NF-08-2-0032的奖项，美国国防部高级研究计划局以HR0011-11-C-0074的奖项，以及海军研究美国办事处以N00014-10-1-0024的奖项对得到本文所公开的实施方式及本文所保护的专利技术的研究提供了经费。美国政府具有在本文中要求保护的专利技术的权利。
技术介绍
本专利技术的实施方式总体涉及磁存储装置，例如但不限于磁随机存取存储(MRAM)装置。更具体地，各实施方式涉及磁存储装置，例如但不限于具有加强性能的磁随机存取存储(MRAM)装置。相关技术的描述磁随机存取存储(MRAM)装置包括一类非易失性、快速且高效数据存储装置，这类存储装置被预期能够实现非常高水平的磁数据密度。每个MRAM单元存储一个二进位数据。MRAM装置单元的中心部件是薄膜磁阻元件，其中薄膜磁阻元件是薄膜材料的组合、其电阻率取决于两个或两个以上(通常仅两个)薄膜铁磁材料层的相关磁性取向。薄膜铁磁材料层中的一个通常具有固定的磁性取向并被称为固定层(PL)，而另一个薄膜铁磁材料层具有可切换的磁性取向并被称为自由层(FL)。MRAM装置的另一子类为自旋扭矩MRAM (ST-MRAM)装置。与更传统的MRAM装置相比，ST-MRAM装置利用由电流产生的自旋扭矩(即，不是由电流产生的磁场)来切换自由层(FL)相对于固定层(PL)的相关磁性取向。随着集成电路装置尺寸的减少以及集成电路装置密度的增加，期望提供包括ST-MRAM结构的更有效且更可靠的MRAM结构、以及用于制造包括ST-MRAM结构的更有效且更可靠的MRAM结构的方法及其操作方法。
技术实现思路
各实施方式提供了 ST-MRAM结构、用于制造ST-MRAM结构的方法和用于操作源自ST-MRAM结构的ST-MRAM装置的方法。根据实施方式的ST-MRAM结构和相关方法使用了具有加强的自旋霍尔效应的基层(即，自旋霍尔效应基层(Spin Hall Effect，SHE基层))，该基层位于ST-MRAM结构内并且与ST-MRAM结构内的自由层形成接触。根据实施方式的ST-MRAM结构和相关方法是建立在使用相对于SHE基层施加的横向切换电流的基础上的，其中SHE基层在自由层内提供磁性校准切换。经过薄膜磁阻元件堆叠的感测电流和感测电压可被测量或者可垂直地施加，其中薄膜磁阻元件堆叠在ST-MRAM结构内依次包括固定层、非磁性间隔层以及与SHE基层接触的自由层。因此，当操作ST-MRAM结构和装置时，根据实施方式的ST-MRAM结构和装置提供了:(I)在SHE基层内的切换自由层相对于固定层的磁性取向的面内横向切换电流；连同(2)经由薄膜磁阻元件堆叠的垂直于平面的感测电流和感测电压，其中薄膜磁阻元件堆叠包括固定层、非磁性间隔层和自由层(与SHE基层接触)。为了实现上述效果，根据实施方式的ST-MRAM结构和装置内的SHE基层包括非磁性导电材料，该非磁性导电材料具有(I)大于约0.05的自旋霍尔角(更优选为大于约0.10);以及(2)不大于非磁性导电材料内的自旋扩散长度约5倍的最大厚度(更优选为自旋扩散长度的约1.5至约3倍)。对于磁性自由层的平衡磁化处于样本平面中的装置几何形状，具有上述自旋霍尔角的非磁性导电材料也应具有如下性质:(3a)其与磁性自由层相邻并与其接触的布置使得磁性自由层的磁性阻尼在磁性自由层材料的本征值上增加了不大于2的因素。对于使磁性自由层的平衡磁化垂直于样本平面的装置几何形状，具有上述自旋霍尔角的非磁性导电材料应具有如下性质:(3b)其与磁性自由层之间的界面对磁性自由层贡献了垂直的磁各向异性，这允许磁性自由层的各向异性能量实现了处于40kBT至300kBT之间的最优值，其中kB玻尔兹曼常数，T为温度。因此实施方式包括:磁性隧道联接以及相邻的非磁性金属带，其中磁性隧道联接允许感测电流垂直地流至多个膜的平面，相邻的非磁性金属带包含能够承载在薄膜平面中流动的电流的、具有相对强的自旋霍尔效应(SHE)的材料。具有相对强的自旋霍尔效应的金属元素包括但不限于Ta和W，这将在下面进一步讨论。处于其高电阻率的β相的Ta和W尤其适合于制造面内极化的磁性自由层，而处于其高电阻率的β相的Ta和W以及Pt适合于制造垂直于薄膜平面磁化定向的磁性自由层。还可以形成也具有强SHE效应并且可用于实施方式的内容中的上述这些元素和其他元素的合金。磁性隧道联接包括具有固定磁化方向的铁磁层(即，固定层(PD)、具有在自旋流或磁场下自由旋转的磁化的另一铁磁层(即，自由层(FL))以及使自由层和固定层间隔开的隧道势垒或非磁性金属层(即，非磁性间隔层)。包括非磁性带的SHE基层与自由层接触，并且位于自由层/隧道势垒界面的相对侧上。在没有写入电流的任何实质性部分流经隧道势垒的情况下，写入电流在非磁性带SHE基层中横向流动，并且穿过磁性隧道联接施加读取或感测电流。磁性隧道联接还可以包括其它层，例如固定的磁性层，其中该固定的磁性层可与反铁磁层固定、或者通过间接交换作用或其它一些磁性固定法通过合成反铁磁三层(包括由如Ru的薄非磁性层相隔的两个薄铁磁层，其中如Ru的薄非磁性层的厚度导致两个磁性层的反平行磁性的校准)固定；和/或固定的磁性层和自由磁性层可包括合成反铁磁层或其它铁磁多层。对于具有强自旋霍尔效应(SHE)并且不被任何特定理论约束的材料，当存在纵向流动的充电电流时，电流中的电子和金属中的离子之间的所谓自旋轨道耦合(spin-orbitcoupling)使得在一个方向上具有其自旋的电子优先被偏转至横向于电流的一个方向，并且使具有相反自旋的电子偏转至相反的横向方向。最终结果是横向于充电电流流动的电子的“自旋流”。自旋流方向是由自旋方向与充电电流流动方向的交叉乘积来确定的。当形成这种自旋流的自旋极化电子到达产生有SHE的非磁性层SHE基层与FL之间的界面时，这些电子将在FL上施以自旋扭矩，从本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁性结构，包括：自旋霍尔效应基层，位于基板之上；以及磁性自由层，位于所述基板之上并且接触所述自旋霍尔效应基层，其中构成所述自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料具有：大于约0.05的自旋霍尔角；以及不大于所述非磁性导电材料中的自旋扩散长度约5倍的厚度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·A·比尔曼，刘鲁乔，丹尼尔·C·拉尔夫，白奇峰，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：美国;US
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