磁存储器及其提供方法和编程方法
阅读：300发布：2022-01-02
专利汇可以提供磁存储器及其提供方法和编程方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 描述了一种磁 存储器 及其提供方法和编程方法。该磁存储器包括双 磁性 结和自旋轨道相互作用（SO）有源层。每个双磁性结包括第一和第二参考层、第一和第二非磁性间隔层以及自由层。自由层是磁性的，并且在非磁性间隔层之间。非磁性间隔层在对应的参考层和自由层之间。SO有源层邻近于每个双磁性结的第一参考层。SO有源层由于 电流 与SO有源层和第一参考层之间的方向基本上垂直地穿过SO有源层而在第一参考层上施加SO 扭矩 。第一参考层具有通过至少SO扭矩可改变的磁矩。自由层利用被驱动经过双磁性结的自旋转移写入电流而可转换。，下面是磁存储器及其提供方法和编程方法专利的具体信息内容。
1.一种磁存储器，包括：
多个双磁性结，所述多个双磁性结的每个包括第一参考层、第一非磁性间隔层、自由
层、第二非磁性间隔层和第二参考层，所述自由层是磁性的，并且位于所述第一非磁性间隔层和所述第二非磁性间隔层之间，所述第一非磁性间隔层在所述第一参考层和所述自由层之间，所述第二非磁性间隔层在所述第二参考层和所述自由层之间；以及
至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层，邻近于所述多个双磁性结的每个的所述第一
参考层，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于电流与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层和所述第一参考层之间的方向基本上垂直地穿过所述至少一个自旋轨
道相互作用有源层而在所述第一参考层上施加自旋轨道相互作用扭矩，所述自由层被配置为利用被驱动经过所述双磁性结的自旋转移写入电流而能转换，所述第一参考层具有被配置为通过至少所述自旋轨道相互作用扭矩能改变的磁矩。
2.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述自由层具有自由层磁矩，所述自由层磁矩
具有沿着易磁化轴的多个稳定态，其中所述第一参考层的所述磁矩通过至少所述自旋轨道相互作用扭矩从所述易磁化轴倾斜非零的角度。
3.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述第二参考层具有附加参考层磁矩，其中所
述第一参考层的所述磁矩被配置为通过所述自旋轨道相互作用扭矩而改变为用于写入操
作的双态和用于读取操作的反双态。
4.如权利要求3所述的磁存储器，其中所述自由层具有自由层磁矩，所述自由层磁矩
具有沿着易磁化轴的多个稳定态，其中所述第一参考层的所述磁矩在没有所述自旋轨道相互作用扭矩的情况下沿着所述易磁化轴是稳定的。
5.如权利要求3所述的磁存储器，其中所述自由层具有自由层磁矩，所述自由层磁矩
具有沿着易磁化轴的多个稳定态，其中所述第一参考层的所述磁矩在具有所述自旋轨道相互作用扭矩的情况下沿着所述易磁化轴是稳定的，并且在没有所述自旋轨道相互作用扭矩的情况下相对于所述易磁化轴是不稳定的。
6.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述第一参考层和所述第二参考层中的至少一
个是包括多个铁磁层的合成层。
7.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述第一非磁性间隔层和所述第二非磁性间隔
层中的至少一个是隧穿势垒层。
8.如权利要求1所述的磁存储器，还包括：
自旋扩散插入层，用于所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的每个，所述自旋扩散
插入层在所述第一参考层和所述至少一个自旋轨道相互作用有源层之间。
9.如权利要求8所述的磁存储器，其中所述自旋扩散插入层包括金属层、具有小于
2
2Ω-μm 的电阻面积的绝缘层以及包括第一层和第二层的多层中的至少一个，所述第一层包括第一材料，所述第二层包括不同于第一材料的第二材料。
10.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述自旋轨道相互作用有源层邻接所述第一
参考层。
11.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层包括
A和被B掺杂的M中的至少一个，其中A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、非晶β-Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po和At中的至少一个，M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn和GaAs中的至少一个，B包括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和Yb中的至少一个。
12.如权利要求1所述的磁存储器，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层包括Z、或
位于基质材料B的（111）表面上的至少一个表面合金A/B、或材料Q、或其组合中的至少一个，其中A包括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和Yb中的至少一个，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt和Pd中的至少一个；合金A/B包括取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge和取代的Bi/Cu中的至少一个；Z包括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和Yb中的至少一个；Q包括InGaAs、HgCdTe、LaAlO3/SrTiO3双层和LaTiO3/SrTiO3双层中的至少一个。
13.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层包括
Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、非晶β-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和Yb中的至少一个。
14.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述至少一个自旋轨道相互作用有源层是在
所述多个双磁性结中的至少两个上延伸的自旋轨道相互作用有源字线。
15.如权利要求14所述的磁存储器，其中所述自旋轨道相互作用有源层的邻近于所述
多个双磁性结的每个的部分具有第一厚度和第一宽度，所述自旋轨道相互作用有源层在所述多个双磁性结中的两个之间具有第二厚度和第二宽度，所述第一厚度和所述第一宽度的第一乘积小于所述第二宽度和所述第二厚度的第二乘积。
16.如权利要求1所述的磁存储器，还包括：
相应于所述多个双磁性结的至少一个字线，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层位
于所述第一参考层和所述至少一个字线之间。
17.如权利要求10所述的磁存储器，其中所述至少一个字线包括相应于所述至少一个
自旋轨道相互作用有源层的每个的至少一个孔。
18.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述自旋轨道相互作用有源层还包括：
至少一个自旋极化电流注入器，用于对于所述电流将多个载荷子的多个自旋极化；以
及
至少一个导电层，具有高自旋扩散长度，所述至少一个导电层在所述至少一个自旋极
化电流注入器和所述多个双磁性结之间。
19.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述自由层具有基本上垂直于平面的易磁化
轴。
20.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述自由层具有在平面内的易磁化轴。
21.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述第一参考层的所述磁矩被配置为通过所
述自旋转移扭矩和被驱动经过所述第一参考层的加热电流而被改变。
22.如权利要求21所述的磁存储器，其中所述第一参考层的所述磁矩被配置为利用自
旋轨道相互作用扭矩和施加到所述第一参考层的各向异性控制电压而被改变，所述各向异性控制电压被配置为改变所述第一参考层的磁各向异性。
23.如权利要求21所述的磁存储器，还包括：
多个可变电阻元件，相应于所述多个双磁性结并且邻近于所述至少一个自旋轨道相互
作用有源层，所述多个可变电阻元件的每个被配置为具有低阻态并且使得在与所述多个双磁性结中将不被写入的至少一个双磁性结相应的第一区中所述电流从所述至少一个自旋
轨道相互作用有源层分路，所述多个可变电阻元件的每个被配置为在与所述多个双磁性结中将被写入的至少另一双磁性结相应的第二区中具有高阻态，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层在所述第二区中产生所述自旋轨道相互作用扭矩。
24.如权利要求21所述的磁存储器，还包括：
多个加热元件，相应于所述多个双磁性结并且邻近于所述至少一个自旋轨道相互作用
有源层，所述多个加热元件的每个被配置为在与所述多个双磁性结中将不被写入的至少一个双磁性结相应的区域中加热所述至少一个自旋轨道相互作用有源层，在没有加热所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的一部分的所述加热元件处所述至少一个自旋轨道相互
作用有源层产生所述自旋轨道相互作用扭矩。
25.一种提供磁存储器的方法，包括：
提供多个双磁性结，所述多个双磁性结的每个包括第一参考层、第一非磁性间隔层、自
由层、第二非磁性间隔层和第二参考层，所述自由层是磁性的，并且位于所述第一非磁性间隔层和所述第二非磁性间隔层之间，所述第一非磁性间隔层在所述第一参考层和所述自由层之间，所述第二非磁性间隔层在所述第二参考层和所述自由层之间；以及
邻近于所述多个双磁性结的每个的所述第一参考层提供至少一个自旋轨道相互作用
（SO）有源层，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于电流与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层和所述第一参考层之间的方向基本上垂直地穿过所述至少一个自
旋轨道相互作用有源层而在所述第一参考层上施加自旋轨道相互作用扭矩，所述自由层被配置为利用被驱动经过所述双磁性结的自旋转移写入电流而能转换，所述第一参考层具有被配置为通过至少所述自旋轨道相互作用扭矩能改变的磁矩。
26.一种磁存储器的编程方法，该磁存储器包括多个双磁性结，所述多个双磁性结的每
个包括第一参考层、第一非磁性间隔层、自由层、第二非磁性间隔层和第二参考层，所述自由层是磁性的并且位于所述第一非磁性间隔层和所述第二非磁性间隔层之间，所述第一非磁性间隔层在所述第一参考层和所述自由层之间，所述第二非磁性间隔层在所述第二参考层和所述自由层之间，所述自由层是磁性的，该方法包括：
驱动电流经过邻近于所述双磁性结的所述第一参考层的至少一个自旋轨道相互作用
（SO）有源层，所述至少一个自旋轨道相互作用有源层被配置为由于电流与所述至少一个自旋轨道相互作用有源层和所述多个双磁性结中最靠近所述至少一个自旋轨道相互作用有
源层的双磁性结的所述第一参考层之间的方向基本上垂直地穿过所述至少一个自旋轨道
相互作用有源层而在所述第一参考层上施加自旋轨道相互作用扭矩，所述第一参考层具有通过至少所述自旋轨道相互作用扭矩改变的磁矩；以及
驱动自旋转移写入电流经过所述双磁性结，由此写入所述自由层。
27.如权利要求26所述的方法，其中驱动所述电流经过至少一个自旋轨道相互作用有
源层的步骤包括驱动第一电流脉冲经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层，其中驱动所述自旋转移写入电流的步骤还包括：
在所述第一电流脉冲开始之后，驱动第二电流脉冲经过至少一个双磁性结的一部分。
28.如权利要求26所述的方法，还包括：
选择用于写入的所述多个双磁性结中的至少一个。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述自由层具有自由层磁矩，所述自由层磁矩具
有沿着易磁化轴的多个稳定态，其中驱动所述电流经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的步骤使得所述第一参考层的所述磁矩从所述易磁化轴倾斜非零的角度。
30.如权利要求26所述的方法，其中所述第二参考层具有附加参考层磁矩，其中驱动
所述电流经过所述至少一个自旋轨道相互作用有源层的步骤将所述第一参考层的所述磁
矩改变为用于写入操作的反双态和用于读取操作的双态。
磁存储器及其提供方法和编程方法
技术领域
[0001] 示例性实施方式涉及磁存储器及其提供方法和编程方法。
背景技术
[0002] 磁存储器，尤其是磁随机存取存储器（MRAM），由于它们在操作期间的高读/写速度、优良的耐用性、非易失性和低功耗方面的潜能，已经引起越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移扭矩随机存取存储器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性结，所述磁性结至少部分地通过被驱动经过磁性结的电流而被写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋扭矩。结果，具有响应于自旋扭矩的磁矩的层可以被转换至期望状态。
[0003] 例如，图1描绘了可以被用于常规STT-RAM中的常规双磁性隧道结（MTJ）10。常规双MTJ10通常位于底部接触11上，利用常规籽晶层12并且包括常规第一反铁磁（AFM）层14、常规第一被钉扎或参考层16、常规第一隧穿势垒层18、常规自由层20以及常规第二隧穿势垒层22、常规第二被钉扎层24、常规第二AFM层26和常规盖层28。还示出了顶部接触
30。
30。
[0004] 常规接触11和30被用于在电流垂直平面（CPP）的方向上或者沿着如图1所示的Z轴驱动电流。常规籽晶层12通常被用于辅助具有期望的晶体结构的后续层诸如第一AFM
层14的生长。常规隧穿势垒层18和22每个是非磁性的，并且为例如薄绝缘体，诸如MgO。
层14的生长。常规隧穿势垒层18和22每个是非磁性的，并且为例如薄绝缘体，诸如MgO。
[0005] 常规被钉扎层16/24和常规自由层20是磁性的。常规参考层16和24的磁化17和25通常通过与AFM层14和26的交换偏置相互作用而被固定或者被钉扎在特定方向上。
虽然被描绘为单一（单个）层，但常规参考层16和24可以包括多个层。例如，常规参考层16和/或24可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁（SAF）
层。在这样的SAF中，可以使用插入有Ru的薄层的多个磁性层。在另一实施方式中，经由Ru层的耦合可以是铁磁性的。虽然可以使用单个参考层16或24以及单个隧穿势垒层18
或22，但是如果参考层16和24被固定在双态（参考层16和24的磁矩17和25反平行），
双MTJ10可以具有提高自旋扭矩的优点。然而，处于双态下的双MTJ10可以具有减小的磁
阻。相反，如果参考层16和24被固定在反双态（参考层16和24的的磁矩17和25平行），
双MTJ10可以具有提高的磁阻。此外，在反双态构造中，由两个参考层16和24贡献的自旋转移扭矩相互抵消。结果，与双态相比或者甚至与具有单个势垒的类似单元相比，在反双态下，自由层上的自旋转移扭矩的数值会实质上减小。因此，可以显著减小读取错误率，该读取错误率是在读取操作期间无意地转换自由层的可能性。这可以允许显著地增加感测余量（其是由读出放大器可接收的最小读取电流与导致不容许的读取错误的电流之间的差异），从而使得在双构造中读取电流能够接近写入电流。因为读取错误率取决于单元热稳定性，所以这也可以允许放宽对于MTJ单元参数的要求，尤其对于MTJ单元的热稳定性的要求。然而，这也意味着基于自旋转移的转换会需要更大的写入电流。
虽然被描绘为单一（单个）层，但常规参考层16和24可以包括多个层。例如，常规参考层16和/或24可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁（SAF）
层。在这样的SAF中，可以使用插入有Ru的薄层的多个磁性层。在另一实施方式中，经由Ru层的耦合可以是铁磁性的。虽然可以使用单个参考层16或24以及单个隧穿势垒层18
或22，但是如果参考层16和24被固定在双态（参考层16和24的磁矩17和25反平行），
双MTJ10可以具有提高自旋扭矩的优点。然而，处于双态下的双MTJ10可以具有减小的磁
阻。相反，如果参考层16和24被固定在反双态（参考层16和24的的磁矩17和25平行），
双MTJ10可以具有提高的磁阻。此外，在反双态构造中，由两个参考层16和24贡献的自旋转移扭矩相互抵消。结果，与双态相比或者甚至与具有单个势垒的类似单元相比，在反双态下，自由层上的自旋转移扭矩的数值会实质上减小。因此，可以显著减小读取错误率，该读取错误率是在读取操作期间无意地转换自由层的可能性。这可以允许显著地增加感测余量（其是由读出放大器可接收的最小读取电流与导致不容许的读取错误的电流之间的差异），从而使得在双构造中读取电流能够接近写入电流。因为读取错误率取决于单元热稳定性，所以这也可以允许放宽对于MTJ单元参数的要求，尤其对于MTJ单元的热稳定性的要求。然而，这也意味着基于自旋转移的转换会需要更大的写入电流。
[0006] 常规自由层20具有可改变的磁化21。虽然被描绘为单一层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁地
或铁磁地耦合的磁性层的合成层。虽然被示出为在平面内，但常规自由层20的磁化21可
以具有垂直各向异性。类似地，常规被钉扎层16的磁化17也可以垂直于平面。
或铁磁地耦合的磁性层的合成层。虽然被示出为在平面内，但常规自由层20的磁化21可
以具有垂直各向异性。类似地，常规被钉扎层16的磁化17也可以垂直于平面。
[0007] 为了转换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面（在Z方向上）驱动。载流子被自旋极化并且对于常规自由层的磁化21施加扭矩。在常规双MTJ10中，来自参考层16和24的自旋扭矩在这些层处于反双态（磁矩17和25反平行）时是附加的。当磁矩21平行于易磁化轴（稳定状态）时，常规自由层20的磁矩21上的自旋转移扭矩最初是小的。这样，磁矩21的稳定态也对应于转换中的临界点。由于热波动，磁矩21可以从与常规自由层20
的易磁化轴对准而旋转。然后，自旋转移扭矩可以起到增大效果的作用，并且自由层20的磁矩被转换。当足够的电流被从顶部接触30驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化
21可以转换为平行于常规参考层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶
部接触30时，自由层的磁化21可以转换为反平行于参考层16的磁化。磁构造的差异对应
于不同的磁阻，因此对应于常规MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）。
的易磁化轴对准而旋转。然后，自旋转移扭矩可以起到增大效果的作用，并且自由层20的磁矩被转换。当足够的电流被从顶部接触30驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化
21可以转换为平行于常规参考层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶
部接触30时，自由层的磁化21可以转换为反平行于参考层16的磁化。磁构造的差异对应
于不同的磁阻，因此对应于常规MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）。
[0008] 当在STT-RAM应用中使用时，常规MTJ10的自由层20被期望在相对低的电流下转换，从而防止对于常规磁性结10的损坏，减小供应此电流（未示出）的晶体管的尺寸以及减少存储操作的能耗。另外，短电流脉冲被期望用于以更高的数据率对常规磁性元件10编
程。例如，在5-30ns或者更小的量级的电流脉冲被期望来使得常规自由层20的磁化更快
转换。
程。例如，在5-30ns或者更小的量级的电流脉冲被期望来使得常规自由层20的磁化更快
转换。
[0009] 虽然常规双MTJ10可以利用自旋转移被写入并且被用于STT-RAM中，但其存在缺点。例如，写入错误率可高于对于具有可接受的脉冲宽度的存储器所期望的。写入错误率（WER）是当单元（即常规磁性结的自由层20的磁化21）被施加至少等于典型转换电流的电-9
流时该单元没有被转换的可能性。WER期望为10 或更小。然而，在此WER值下，可能需要很高的电流来实现常规自由层20的转换。另外，已经确定了WER会对缩短写入电流脉冲的改进构成挑战。例如，图2是曲线图50，其描绘了对于不同宽度的脉冲在WER方面的趋势。
需要注意的是，曲线图50中没有绘示实际数据。而是，曲线图50意在表示趋势。从最长到最短的脉冲宽度是曲线52、54、56和58。如从曲线图50中可见，脉冲宽度越高，WER与施加到结10的电压具有越大的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，施加更高的电压会导致WER的显著减小。然而，随着脉冲宽度在曲线54、56和58中缩短，曲线54、56和58的斜率减小。
对于减小的脉冲宽度，电压和/或电流的增大很少会导致WER的减小。在足够短的脉冲下，即使高电压/电流也不引起更低的错误率。因此，采用常规MTJ10的存储器可具有不可接
受的高WER，其不能通过增大电压而消除。此外，为了获得这种高自旋转移扭矩，参考层16和24使得它们的磁矩17和25处于反双态（被固定在相反方向上）。当在此状态下时，在读取操作期间存在磁阻的消除，这降低了读取信号。这种信号的减小是不期望的。
流时该单元没有被转换的可能性。WER期望为10 或更小。然而，在此WER值下，可能需要很高的电流来实现常规自由层20的转换。另外，已经确定了WER会对缩短写入电流脉冲的改进构成挑战。例如，图2是曲线图50，其描绘了对于不同宽度的脉冲在WER方面的趋势。
需要注意的是，曲线图50中没有绘示实际数据。而是，曲线图50意在表示趋势。从最长到最短的脉冲宽度是曲线52、54、56和58。如从曲线图50中可见，脉冲宽度越高，WER与施加到结10的电压具有越大的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，施加更高的电压会导致WER的显著减小。然而，随着脉冲宽度在曲线54、56和58中缩短，曲线54、56和58的斜率减小。
对于减小的脉冲宽度，电压和/或电流的增大很少会导致WER的减小。在足够短的脉冲下，即使高电压/电流也不引起更低的错误率。因此，采用常规MTJ10的存储器可具有不可接
受的高WER，其不能通过增大电压而消除。此外，为了获得这种高自旋转移扭矩，参考层16和24使得它们的磁矩17和25处于反双态（被固定在相反方向上）。当在此状态下时，在读取操作期间存在磁阻的消除，这降低了读取信号。这种信号的减小是不期望的。
[0010] 因此，需要可以提高基于自旋转移扭矩的存储器的性能的方法和系统。在此描述的方法和系统解决了这种需要。发明内容
[0011] 描述了一种磁存储器。该磁存储器包括双磁性结和至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层。每个双磁性结包括第一参考层、第一非磁性间隔层、自由层、第二非磁性间隔层和第二参考层。自由层是磁性的，并且位于第一非磁性间隔层和第二非磁性间隔层之间。
第一非磁性间隔层在第一参考层和自由层之间。第二非磁性间隔层在第二参考层和自由层之间。SO有源层邻近于每个双磁性结的第一参考层。SO有源层被配置为由于电流与至少
一个SO有源层和第一参考层之间的方向基本上垂直地穿过至少一个SO有源层而在第一参
考层上施加SO扭矩。第一参考层具有被配置为通过至少SO扭矩可改变的磁矩。自由层被
配置为利用被驱动经过双磁性结的自旋转移写入电流而可转换。
附图说明
第一非磁性间隔层在第一参考层和自由层之间。第二非磁性间隔层在第二参考层和自由层之间。SO有源层邻近于每个双磁性结的第一参考层。SO有源层被配置为由于电流与至少
一个SO有源层和第一参考层之间的方向基本上垂直地穿过至少一个SO有源层而在第一参
考层上施加SO扭矩。第一参考层具有被配置为通过至少SO扭矩可改变的磁矩。自由层被
配置为利用被驱动经过双磁性结的自旋转移写入电流而可转换。
附图说明
[0012] 图1描绘了常规磁性结。
[0013] 图2描绘了对于常规自旋转移扭矩RAM的写入错误率与电压的关系。
[0014] 图3描绘了利用自旋轨道相互作用转换的磁性结的示例性实施方式。
[0015] 图4描绘了磁存储器的一部分的一示例性实施方式，该磁存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0016] 图5A-5D描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括在转换中利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0017] 图6A-6D描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括在转换中利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0018] 图7A-7B描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括在转换中利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0019] 图8A-8B描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括在转换中利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0020] 图9描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0021] 图10描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0022] 图11描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0023] 图12描绘了磁存储器的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0024] 图13描绘了存储器的一部分的一示例性实施方式，该存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0025] 图14描绘了存储器的一部分的另一示例性实施方式，该存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0026] 图15描绘了存储器的一部分的另一示例性实施方式，该存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0027] 图16描绘了存储器的一部分的另一示例性实施方式，该存储器包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结。
[0028] 图17是流程图，描绘了用于提供利用自旋轨道相互作用转换的磁性结的方法的示例性实施方式。
[0029] 图18是流程图，描绘了对于利用自旋轨道相互作用转换的磁性结编程的方法的示例性实施方式。
具体实施方式
[0030] 示例性实施方式涉及可用于磁性装置诸如磁存储器中的磁性结以及利用这样的磁性结的装置。给出以下描述以使得本领域的普通技术人员能够实施和使用本发明，以下描述被提供在专利申请及其要求的内容中。对于示例性实施方式的各种修改以及在此描述的一般原理和特征将容易变得明显。主要就特定实施中提供的特定方法和系统来描述示例性实施方式。然而，所述方法和系统在其他实施中将有效地操作。诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”的表述可指相同的实施方式或者不同的实施方式以及多个实施方式。将关于具有某些组件的系统和/或装置来描述实施方式。然而，所述系统和/或装置可以包括比示出的组件多或少的组件，可以对组件的布置和类型做出变化而不背离本发明的范围。也将在具有某些步骤的特定方法的情形下描述示例性实施方式。然
而，所述方法和系统对于具有不同步骤和/或附加步骤以及与示例性实施方式不一致的次序的步骤的其他方法可以有效地操作。因此，本发明并非旨在限于示出的实施方式，而是符合与在此描述的原理和特征一致的最宽范围。
而，所述方法和系统对于具有不同步骤和/或附加步骤以及与示例性实施方式不一致的次序的步骤的其他方法可以有效地操作。因此，本发明并非旨在限于示出的实施方式，而是符合与在此描述的原理和特征一致的最宽范围。
[0031] 示例性实施方式描述了用于提供磁存储器的方法和系统。磁存储器包括双磁性结和至少一个自旋轨道相互作用（SO）有源层（active layer）。每个双磁性结包括第一参考层、第一非磁性间隔层、自由层、第二非磁性间隔层和第二参考层。自由层是磁性的并且位于第一非磁性间隔层和第二非磁性间隔层之间。第一非磁性间隔层在第一参考层和自由层之间。第二非磁性间隔层在第二参考层和自由层之间。SO有源层邻近每个双磁性结的第一参考层。SO有源层配置为由于电流基本与至少一个SO有源层与第一参考层之间的方向垂直地经过该至少一个SO有源层而对于第一参考层施加SO扭矩。第一参考层具有配置为通
过至少SO扭矩可改变的磁矩。自由层配置为利用驱动经过双磁性结的自旋转移写入电流
可转换。
过至少SO扭矩可改变的磁矩。自由层配置为利用驱动经过双磁性结的自旋转移写入电流
可转换。
[0032] 在具有某些组件的特定磁性结和磁存储器的情形下描述示例性实施方式。本领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明与具有与本发明不一致的其他组件和/或附加组件和/或其他特征的磁性结和磁存储器的使用相一致。也在对自旋轨道相互作用、自旋转移现象、磁各向异性及其他物理现象的当前理解的情形下描述方法和系统。因此，本领域的普通技术人员将容易地认识到，对于方法和系统的行为的理论性解释是基于对自旋轨道相互作用、自旋转移、磁各向异性及其他物理现象的当前理解而进行的。然而，在此描述的方法和系统不取决于特定的物理解释。本领域的普通技术人员还将容易地认识到，在与基板具有特定关系的结构的情形下描述方法和系统。然而，本领域的普通技术人员将容易地认识到，所述方法和系统与其他结构一致。此外，在某些层为合成的和/或单一的情形下描述方法和系统。然而，本领域的普通技术人员将容易地认识到，这些层可以具有另一结构。此外，在磁性结、自旋轨道有源层和/或其他结构具有特定层的情形下描述方法和系统。然而，本领域的普通技术人员将容易地认识到，还可以使用具有与所述方法和系统不一致的附加的层和/或不同的层的磁性结、自旋轨道有源层和/或其他结构。此外，某些部件被描述为是磁性的、铁磁性的和亚铁磁性的。当在此使用时，术语“磁性的”可以包括铁磁性的、亚铁磁性的或者类似结构。因此，当在此使用时，术语“磁性的”或者“铁磁性的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。还在单个磁性结的情形下描述方法和系统。然而，本领域的普通技术人员将容易地认识到，所述方法和系统与使用具有多个磁性结的磁存储器一致。此外，当在此使用时，“在平面内”基本上在磁性结的一个或多个层的平面内或平行于一个或多个层的平面。相反地，“垂直”对应于基本上垂直于磁性结的一个或多个层的方向。
[0033] 图3描绘了先前开发的磁存储器100的一部分的示例性实施方式，该磁存储器100在转换中利用自旋轨道相互作用。为了清楚，图3没有按比例绘制。另外，同样地，磁存储器100的部分诸如位线、字线、行选择器和列选择器没有被示出或者没有被标示。磁存储器100包括磁存储单元102。磁存储单元102可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。
每个磁存储单元包括选择器件104和磁性结110。在一些实施方式中，多个磁性结110和/
或多个选择器件104可以在单个单元中使用。还示出了包括自旋轨道相互作用（SO）有源层122的公共总线120。公共总线120伸展越过多个存储单元，图3仅示出其中一个存储单
元。在示出的实施方式中，形成SO有源层122的材料仅位于存储单元102附近。因此，其
他材料，包括但不限于高导电性和/或非磁性材料，可以在单元102之间使用。然而，在其他实施方式中，公共总线120可由SO有源层122组成。在其他实施方式中，SO有源层122
可以与公共总线120分离。例如，SO有源层122可位于磁性结110和公共总线120之间。
在其他实施方式中，SO有源层122可以被包括作为存储单元102的一部分，并且公共总线
120可以被省略。
每个磁存储单元包括选择器件104和磁性结110。在一些实施方式中，多个磁性结110和/
或多个选择器件104可以在单个单元中使用。还示出了包括自旋轨道相互作用（SO）有源层122的公共总线120。公共总线120伸展越过多个存储单元，图3仅示出其中一个存储单
元。在示出的实施方式中，形成SO有源层122的材料仅位于存储单元102附近。因此，其
他材料，包括但不限于高导电性和/或非磁性材料，可以在单元102之间使用。然而，在其他实施方式中，公共总线120可由SO有源层122组成。在其他实施方式中，SO有源层122
可以与公共总线120分离。例如，SO有源层122可位于磁性结110和公共总线120之间。
在其他实施方式中，SO有源层122可以被包括作为存储单元102的一部分，并且公共总线
120可以被省略。
[0034] 在示出的实施方式中，磁性结110包括数据存储或自由层112、非磁性间隔层114和参考层116。间隔层114是非磁性的。在一些实施方式中，间隔层114是绝缘体，例如，隧穿势垒。在这样的实施方式中，每个间隔层114可包括晶体MgO，其可增加磁性结110的TMR和自旋转移效率和/或磁性结110的自旋轨道相互作用。在其他实施方式中，间隔层114可以是导体，诸如Cu。在备选实施方式中，间隔层114可具有另一结构，例如，包括在绝缘矩阵中的导电沟道的颗粒层。
[0035] 自由层112是具有可转换的磁矩（未示出）的自由层112。当磁性结110是静态的（没有被转换）时，自由层112的磁矩处于沿着自由层112的易磁化轴。在磁存储器100的操作期间，参考层112的磁矩被期望为基本被固定。参考层116被描绘为单层。然而，在其他实施方式中，参考层116可以是多层，其包括但不限于具有被非磁性层（其可以是Ru）分离的铁磁层的合成反铁磁体。在一些实施方式中，磁性结110还包括将参考层116的磁矩固定至适当处的钉扎层诸如反铁磁层（未示出）。在其他实施方式中，参考层116的磁矩以另一方式被固定。自由层112和参考层116是铁磁性的，因此可包括Fe、Ni和Co中的一个
或多个。虽然没有示出磁矩，但是在一些实施方式中层112和116的磁矩可以垂直于平面。
因此，层112和/或116的每个可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。在其他实施方式中，磁矩在平面内。
或多个。虽然没有示出磁矩，但是在一些实施方式中层112和116的磁矩可以垂直于平面。
因此，层112和/或116的每个可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。在其他实施方式中，磁矩在平面内。
[0036] 自由层112的磁矩利用自旋轨道相互作用效应而被转换，如下所述。在一些实施方式中，自由层112可以利用效应的组合而被转换。例如，自由层112的磁矩可以利用自旋转移扭矩作为主要效应（其可以通过由自旋轨道相互作用引起的扭矩而得到辅助）而被转换。然而，在其他实施方式中，主要转换机制是由自旋轨道相互作用引起的扭矩。在这样的实施方式中，另一效应，包括但不限于自旋转移扭矩，可辅助转换和/或选择磁性结110。在其他实施方式中，自由层112的磁矩仅利用自旋轨道相互作用效应而被转换。
[0037] SO有源层122是具有强自旋轨道相互作用并且可被用于转换自由层112的磁矩的层。SO有源层122可被用于产生自旋轨道场HSO。更具体地，电流被平面内驱动经过SO有
源层122。这可以通过驱动电流（例如具有电流密度JSO）经过公共总线120来实现。由于SO有源层122中的自旋轨道相互作用，流动经过这个层的电流会产生与电流密度JSO成比
例的自旋轨道场HSO。对于一些实施方式，自旋轨道场HSO平行于矢量pSO，其通过SO有源层
122的材料参数和几何形状以及通过电流JSO的方向而确定。对于一些其它实施方式，HSO平行于矢量[M×pSO]，其中M是磁矩115的矢量。对于一些其它实施方式，它与矢量[M×pSO]
和pSO的线性组合成比例。此自旋轨道场HSO等于在磁矩115上的自旋轨道扭矩TSO。自由
层112上的自旋轨道扭矩由TSO=-γ[M×HSO]给出，其中M为磁矩115的矢量。因此，这种互相关联的扭矩和场可互换地在此被称为自旋轨道场和自旋轨道扭矩。
源层122。这可以通过驱动电流（例如具有电流密度JSO）经过公共总线120来实现。由于SO有源层122中的自旋轨道相互作用，流动经过这个层的电流会产生与电流密度JSO成比
例的自旋轨道场HSO。对于一些实施方式，自旋轨道场HSO平行于矢量pSO，其通过SO有源层
122的材料参数和几何形状以及通过电流JSO的方向而确定。对于一些其它实施方式，HSO平行于矢量[M×pSO]，其中M是磁矩115的矢量。对于一些其它实施方式，它与矢量[M×pSO]
和pSO的线性组合成比例。此自旋轨道场HSO等于在磁矩115上的自旋轨道扭矩TSO。自由
层112上的自旋轨道扭矩由TSO=-γ[M×HSO]给出，其中M为磁矩115的矢量。因此，这种互相关联的扭矩和场可互换地在此被称为自旋轨道场和自旋轨道扭矩。
[0038] 这反映了自旋轨道相互作用是自旋轨道扭矩和自旋轨道场的起源。这个术语还将此自旋轨道（SO）扭矩与更常规的自旋转移扭矩（STT）区别开。由于在SO有源层122中在平面内驱动的电流和自旋轨道相互作用产生自旋轨道扭矩。例如，在示出的实施方式中，由于电流密度JSO产生自旋轨道扭矩。相反，自旋转移扭矩是由于流过自由层112、间隔层114和参考层116以将自旋极化的载荷子注入到自由层112中的垂直平面电流。在示出的实施方式中，自旋转移扭矩是由于电流密度JSTT。自旋轨道扭矩TSO可将自由层112的磁矩从其平行于易磁化轴的平衡状态迅速偏转。因为电流在平面内，所以流过SO有源层122的电流
8 2 8 2
可具有非常大的电流密度（达到10A/cm 或处于10A/cm 的量级）。SO有源层122的此电
流密度比流过MTJ单元的势垒的电流密度大很多，因为流过MTJ单元的势垒的电流密度受
到单元晶体管的尺寸和MTJ击穿电压限制。因此，经过磁性结110的垂直平面电流通常地
2
不超过几MA/cm。因此，由JSO产生的自旋轨道扭矩TSO可以明显大于由流过MTJ单元的电
流产生的最大STT扭矩。结果，相比于常规STT扭矩，自旋轨道扭矩TSO可以将自由层的磁化显著更快地倾斜。在一些实施方式中，诸如自旋转移的另一种机制可以被用于完成转换。
在其他实施方式中，可以利用自旋轨道扭矩来完成转换。因此，所产生的自旋轨道场/自旋轨道扭矩可被用于转换自由层112的磁矩。
8 2 8 2
可具有非常大的电流密度（达到10A/cm 或处于10A/cm 的量级）。SO有源层122的此电
流密度比流过MTJ单元的势垒的电流密度大很多，因为流过MTJ单元的势垒的电流密度受
到单元晶体管的尺寸和MTJ击穿电压限制。因此，经过磁性结110的垂直平面电流通常地
2
不超过几MA/cm。因此，由JSO产生的自旋轨道扭矩TSO可以明显大于由流过MTJ单元的电
流产生的最大STT扭矩。结果，相比于常规STT扭矩，自旋轨道扭矩TSO可以将自由层的磁化显著更快地倾斜。在一些实施方式中，诸如自旋转移的另一种机制可以被用于完成转换。
在其他实施方式中，可以利用自旋轨道扭矩来完成转换。因此，所产生的自旋轨道场/自旋轨道扭矩可被用于转换自由层112的磁矩。
[0039] 在一些实施方式中，SO相互作用可包括以下两个效应的一些组合：自旋霍耳效应和Rashba效应。在许多SO有源层中，自旋轨道相互作用包括自旋霍耳效应和Rashba效应两者，但是这两个中的一个占主要地位。也可以采用其他自旋轨道效应。自旋霍耳效应一般被认为是体效应。通常地，对于自旋霍耳效应，在自旋轨道有源层122的给定表面上的矢量pSO指向为垂直于电流的方向和该表面的法向矢量。表现出自旋霍耳效应的材料经常包括重金属或被重金属掺杂的材料。例如，这样的材料可以选自A和被B掺杂的M中的至少
一个。A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta（包括高阻的非晶β-Ta）、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At和/或它们的组合；M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs中的至少一个，B包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一个。在一些实施方式中，SO有源层122可以包括掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu，或者由掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu组成。掺杂一般在0.1至10
原子百分数的范围内。在其他实施方式中，可以使用其他材料。
一个。A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta（包括高阻的非晶β-Ta）、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At和/或它们的组合；M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs中的至少一个，B包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一个。在一些实施方式中，SO有源层122可以包括掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu，或者由掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu组成。掺杂一般在0.1至10
原子百分数的范围内。在其他实施方式中，可以使用其他材料。
[0040] SO有源层122中的自旋轨道场HSO的另一起源可以与界面处的自旋轨道相互作用有关。在此情况下的自旋轨道场的数值常常与晶体场的数值相关，其往往在界面处高。由于相邻层的晶格参数的失配、在界面处重金属的存在和其他效应而使得在一些界面处自旋轨道相互作用可能相当大。在与晶体场的垂直于界面平面方向上的梯度有关的界面处的强自旋轨道效应常被称为Rashba效应。然而，如在此使用时，Rashba效应是指在与它的起源和方向无关的界面处的自旋轨道相互作用。需要注意，在至少一些实施方式中，SO有源层
122的界面应该不同，以获取相当大的Rashba效应。例如，对于SO有源层122，其为Pt层/具有Pt层，邻接磁性结110、用于自由层112的Co层以及铝氧化物或MgO的非磁性层114，
可以产生Rashba效应。在一些实施方式中，可以使用其他材料。
122的界面应该不同，以获取相当大的Rashba效应。例如，对于SO有源层122，其为Pt层/具有Pt层，邻接磁性结110、用于自由层112的Co层以及铝氧化物或MgO的非磁性层114，
可以产生Rashba效应。在一些实施方式中，可以使用其他材料。
[0041] 对于Rashba效应的自旋极化的单位矢量pSO通常地垂直于晶体场和电流方向。许多SO有源层122具有垂直于层120的平面的晶体场。这样，自旋轨道极化将在面内，例如，在图3中的HSO的方向上。备选地，SO有源层122可具有平面内或倾斜于平面的结晶场。这样，SO有源层122具有垂直于平面（图3中未示出）或相应地倾斜于平面（图3中未示出）的自旋轨道极化。在这样的实施方式中，SO有源层122可以是表面合金。例如，SO有源层
122可以包括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、Yb和/或它们的组合中的至少一个。在其他实施方式中，SO有源层122可以包括A/B的表面合金，例如，位于基质材料B的（111）表面上的A原子而使得在顶部原子层上的是A和B的混合物。A包括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、Yb中的至少一个，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一个。在许多实施方式中，A包括两种或三种不同的材料。在一些实施方式中，至少0.1至不超过三个单层的A被沉积。在一些这样的实施方式中，大约1/3单层的A被
沉积。在一些实施方式中，这可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的（111）表面上的一层的双层中的一种或多种。在其它实施方式中，SO有源层122可以包括像InGaAs、HgCdTe或双层LaAlO3/SrTiO3、LaTiO3/SrTiO3的化合物。在其它实施方式中，可以使用其它材料。对于一些实施方式，Rashba效应可以在自由层112上导致自旋轨道扭矩TSO和相应
的自旋轨道场HSO。
122可以包括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、Yb和/或它们的组合中的至少一个。在其他实施方式中，SO有源层122可以包括A/B的表面合金，例如，位于基质材料B的（111）表面上的A原子而使得在顶部原子层上的是A和B的混合物。A包括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、Yb中的至少一个，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一个。在许多实施方式中，A包括两种或三种不同的材料。在一些实施方式中，至少0.1至不超过三个单层的A被沉积。在一些这样的实施方式中，大约1/3单层的A被
沉积。在一些实施方式中，这可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的（111）表面上的一层的双层中的一种或多种。在其它实施方式中，SO有源层122可以包括像InGaAs、HgCdTe或双层LaAlO3/SrTiO3、LaTiO3/SrTiO3的化合物。在其它实施方式中，可以使用其它材料。对于一些实施方式，Rashba效应可以在自由层112上导致自旋轨道扭矩TSO和相应
的自旋轨道场HSO。
[0042] 因此，磁存储器100可以在自由层112的磁矩的转换中利用由SO层120产生的自旋轨道相互作用和自旋轨道场。在一些实施方式中，SO有源层122可以依赖于自旋霍耳效应和Rashba效应中的一种或两种以产生自旋轨道场HSO。因此，如在此使用时，术语诸如“自旋轨道效应”、“自旋轨道场”和/或“自旋轨道相互作用”可以包括经由Rashba效应、自旋霍耳效应、这两种效应的一些组合和/或一些其它自旋轨道相互作用或自旋轨道相互作用类似效应的自旋轨道耦合。自旋轨道场可以在数据存储层/自由层112的磁矩上施加扭
矩。这种自旋轨道扭矩可被用于切换自由层112的磁矩。在一些实施方式中，自旋轨道场辅助于切换自由层112的磁矩。诸如自旋转移扭矩的另一种机制是主切换机制。在其它实施方式中，自旋轨道扭矩是用于自由层112的磁矩的主切换机制。然而，在一些这样的实施方式中，可以通过诸如自旋转移扭矩的另一种机制来辅助自旋轨道扭矩。该辅助可以是在切换自由层112的磁矩中和/或在选择将被切换的磁性结中。
矩。这种自旋轨道扭矩可被用于切换自由层112的磁矩。在一些实施方式中，自旋轨道场辅助于切换自由层112的磁矩。诸如自旋转移扭矩的另一种机制是主切换机制。在其它实施方式中，自旋轨道扭矩是用于自由层112的磁矩的主切换机制。然而，在一些这样的实施方式中，可以通过诸如自旋转移扭矩的另一种机制来辅助自旋轨道扭矩。该辅助可以是在切换自由层112的磁矩中和/或在选择将被切换的磁性结中。
[0043] 因为自旋轨道扭矩可以被用于切换自由层112的磁矩，所以可以改善存储器100的性能。如以上所讨论的，通过SO有源层120产生的自旋轨道扭矩可以减少磁性结110的
切换时间。自旋轨道扭矩通常地具有高效Pso并且与电流Jso成比例。因为此电流密度是
在平面内并且不流过间隔物层114，所以此自旋轨道电流可以增大而不损坏磁性结110。结果，可以增大自旋轨道场和自旋轨道扭矩。因而，可以减少写入时间并且改善了写错误率。
因而，可以改善存储器100的性能。
切换时间。自旋轨道扭矩通常地具有高效Pso并且与电流Jso成比例。因为此电流密度是
在平面内并且不流过间隔物层114，所以此自旋轨道电流可以增大而不损坏磁性结110。结果，可以增大自旋轨道场和自旋轨道扭矩。因而，可以减少写入时间并且改善了写错误率。
因而，可以改善存储器100的性能。
[0044] 虽然先前开发的存储器100起作用，但是本领域的普通技术人员将认识到进一步的改进是所期望的。例如，在先前开发的存储器中，为了辅助转换，SO有源层122施加SO扭矩到自由层112。为此，SO有源层122靠近自由层112。例如，SO有源层122邻接自由层112或者仅通过可选间隔层而与自由层112分隔开。在任一情况下，SO扭矩作用在自由
层112上。因此，磁性结110是具有一个自由层112和一个参考层116的单个磁性结。不
能获得其他构造诸如具有两个参考层和两个非磁性间隔层的双磁性结的益处。
层112上。因此，磁性结110是具有一个自由层112和一个参考层116的单个磁性结。不
能获得其他构造诸如具有两个参考层和两个非磁性间隔层的双磁性结的益处。
[0045] 图4描绘了磁存储器200的一部分的示例性实施方式，该磁存储器200包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结210。为了清楚，图4没有按比例绘制。另外，同样地，磁存储器200的部分诸如位线、字线、行选择器和列选择器没有被示出或者没有被标示。磁存储器200包括其中具有至少一个磁性结210的磁存储单元。在一些实施方式中，磁存储单
元可以具有额外的部件，包括但不限于另一磁性结和一个或多个选择器件。这样的选择器件可以是晶体管。磁存储单元可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。
元可以具有额外的部件，包括但不限于另一磁性结和一个或多个选择器件。这样的选择器件可以是晶体管。磁存储单元可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。
[0046] 在示出的实施方式中，磁性结210包括第一参考层212、第一非磁性间隔层214、数据存储/自由层216、第二非磁性间隔层218和第二参考层220。间隔层214和218的每个是非磁性的。在一些实施方式中，间隔层214和218的一个或两者是绝缘体，例如隧穿势
垒。在这样的实施方式中，间隔层214和218的每个可包括晶体MgO，其可增加磁性结210
的TMR和自旋转移效率和/或磁性结210的自旋轨道相互作用。在其他实施方式中，间隔
层214和/或218可以是导体，诸如Cu。在备选实施方式中，间隔层214和/或218可具有
另一结构，例如包括在绝缘矩阵中的导电沟道的颗粒层。
垒。在这样的实施方式中，间隔层214和218的每个可包括晶体MgO，其可增加磁性结210
的TMR和自旋转移效率和/或磁性结210的自旋轨道相互作用。在其他实施方式中，间隔
层214和/或218可以是导体，诸如Cu。在备选实施方式中，间隔层214和/或218可具有
另一结构，例如包括在绝缘矩阵中的导电沟道的颗粒层。
[0047] 自由层216是具有可转换的磁矩（未示出）的自由层216。当磁性结210是静态的（没有被转换）时，自由层216的磁矩处于沿着自由层216的易磁化轴。在一些实施方式中，自由层216是包括铁磁材料和/或合金的单层。在其他实施方式中，自由层216可以是多层。多层可以由铁磁层或铁磁层和非铁磁层的混合物形成。例如，自由层216可以是包括插入有诸如Ru的非磁性层的磁性层的合成反铁磁体（SAF）。自由层216也可以是铁磁性的多层。
[0048] 磁性结210还包括参考层212和220。参考层212和/或220可以是由铁磁材料组成的单一层或者可以是多层。在一些实施方式中，参考层212和/或220可以包括铁磁
层和非磁性层。在一些这样的实施方式中，参考层212和/或220可以是SAF。
层和非磁性层。在一些这样的实施方式中，参考层212和/或220可以是SAF。
[0049] 参考层220的磁矩（未示出）被期望为被固定的。因此，在一些实施方式中，双磁性结210可以包括将参考层的磁矩钉扎在适当处的钉扎层。例如，这样的钉扎层可以是邻接参考层220的反铁磁（AFM）层。在其他实施方式中，参考层220的磁矩以另一方式被固定。自由层和参考层212、216和220是铁磁性的，因此可包括Fe、Ni和Co中的一个或多个。虽然没有示出磁矩，但是在一些实施方式中层212、216和220的磁矩可以垂直于平面。因此，层212、216和/或220的每个可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。在其他实施方式中，磁矩在平面内。
[0050] SO有源层230具有可以被用于产生SO场HSO的强自旋轨道相互作用。因此，SO有源层230类似于SO有源层122。SO相互作用可以源于自旋霍耳效应、Rashba效应、另一效
应或其的一些组合。在示出的实施方式中，SO有源层230可以是整个线。因此，SO有源层
230可以在多个磁性结210上延伸。在其他实施方式中，SO有源层230可以简单地在磁性
结210的区域中。这由层230中的虚线表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性
结210（并且因此参考层212）和运送平面内电流JSO的字线之间。为了简单起见，附图标记
230将被用于形成SO有源层的线的部分和这条线两者。
应或其的一些组合。在示出的实施方式中，SO有源层230可以是整个线。因此，SO有源层
230可以在多个磁性结210上延伸。在其他实施方式中，SO有源层230可以简单地在磁性
结210的区域中。这由层230中的虚线表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性
结210（并且因此参考层212）和运送平面内电流JSO的字线之间。为了简单起见，附图标记
230将被用于形成SO有源层的线的部分和这条线两者。
[0051] 在操作中，电流JSO被在平面内驱动经过SO有源层230。经过SO有源层230的电流具有可以产生SO场HSO的相关自旋轨道相互作用。此自旋轨道场HSO类似于自旋轨道扭
矩TSO，如上所述。因此，SO有源层230可以包括选自A和被B掺杂的M的材料。A包括Y、
Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta（包括高阻的非晶β-Ta）、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At和/或它们的组合；M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs中的至少一个，B包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一个。在一些实施方式中，SO有源层230可以包括掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu，
或者由掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu组成。掺杂一般在0.1至10原子百分数的范围
内。在其他实施方式中，可以使用其他材料。在其他实施方式中，SO有源层230还可以具有与界面处的自旋轨道相互作用相关的SO相互作用。在此情况下的自旋轨道场的数值常
常与晶体场的数值相关，其往往在界面处高。由于相邻层的晶格参数的失配、在界面处重金属的存在和其他效应而使得在一些界面处自旋轨道相互作用可能相当大。例如，SO有源层
230可以是/具有Pt层，其邻接磁性结210、用于参考层212的Co层以及铝氧化物或MgO
非磁性层。在一些实施方式中，可以使用其他材料。
矩TSO，如上所述。因此，SO有源层230可以包括选自A和被B掺杂的M的材料。A包括Y、
Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta（包括高阻的非晶β-Ta）、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At和/或它们的组合；M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs中的至少一个，B包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一个。在一些实施方式中，SO有源层230可以包括掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu，
或者由掺杂Ir的Cu和/或掺杂Bi的Cu组成。掺杂一般在0.1至10原子百分数的范围
内。在其他实施方式中，可以使用其他材料。在其他实施方式中，SO有源层230还可以具有与界面处的自旋轨道相互作用相关的SO相互作用。在此情况下的自旋轨道场的数值常
常与晶体场的数值相关，其往往在界面处高。由于相邻层的晶格参数的失配、在界面处重金属的存在和其他效应而使得在一些界面处自旋轨道相互作用可能相当大。例如，SO有源层
230可以是/具有Pt层，其邻接磁性结210、用于参考层212的Co层以及铝氧化物或MgO
非磁性层。在一些实施方式中，可以使用其他材料。
[0052] 在一些实施方式中，SO有源层230可以是表面合金。例如，SO有源层230可以包括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、Yb和/或它们的组合中的至少一个。在其他实施方式中，SO有源层230可以包括A/B
的表面合金，例如，位于基质材料B的（111）表面上的A原子而使得在顶部原子层上的是A和B的混合物。A包括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、Yb中的至少一个，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一个。在许多实施方式中，A包括两种或三种不同的材料。在一些实施方式中，至少0.1至不超过三个单层的A被沉积。在一些这样的实施方式中，大约1/3单层的A被沉积。在
一些实施方式中，这可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的（111）表面上的一层的双层中的一种或多种。在其它实施方式中，SO有源层230可以包括像InGaAs、HgCdTe或双层LaAlO3/SrTiO3、LaTiO3/SrTiO3的化合物。在其它实施方式中，可以使用其它材料。对于一些实施方式，Rashba效应可以在自由层212上导致自旋轨道扭矩TSO和相应的自旋轨
道场HSO。
的表面合金，例如，位于基质材料B的（111）表面上的A原子而使得在顶部原子层上的是A和B的混合物。A包括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、Yb中的至少一个，B包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少一个。在许多实施方式中，A包括两种或三种不同的材料。在一些实施方式中，至少0.1至不超过三个单层的A被沉积。在一些这样的实施方式中，大约1/3单层的A被沉积。在
一些实施方式中，这可以是取代的Bi/Ag、取代的Pb/Ag、取代的Sb/Ag、取代的Bi/Si、取代的Ag/Pt、取代的Pb/Ge、取代的Bi/Cu和包括位于Au、Ag、Cu或Si的（111）表面上的一层的双层中的一种或多种。在其它实施方式中，SO有源层230可以包括像InGaAs、HgCdTe或双层LaAlO3/SrTiO3、LaTiO3/SrTiO3的化合物。在其它实施方式中，可以使用其它材料。对于一些实施方式，Rashba效应可以在自由层212上导致自旋轨道扭矩TSO和相应的自旋轨
道场HSO。
[0053] 在一些实施方式中，自旋扩散层（图4中未示出）可以位于参考层212和SO有源层230之间。对于一些实施方式，可选自旋扩散层230是金属。然而，在其他实施方式中，这层可以是薄绝缘材料，例如，晶体MgO或者其他氧化物或其他绝缘层。这层的电阻面积（RA）
2
应该是小的，例如，小于2Ohm-μm。在其他实施方式中，可选自旋扩散层可以是包括不同材料的两层或更多层的多层。如果自旋轨道场被期望为用来转换磁性结210的主要贡献，可选自旋扩散插入层可以被用于减少对于自旋轨道场的贡献或/和增强对于自旋轨道场的
贡献。可选自旋扩散插入层也可以被用来提供改进的用于参考层212的籽晶层和/或减小
参考层的弱化（damping），其可能与邻近SO有源层230有关。然而，在其他实施方式中，如图4所示，可以省略自旋扩散层。
2
应该是小的，例如，小于2Ohm-μm。在其他实施方式中，可选自旋扩散层可以是包括不同材料的两层或更多层的多层。如果自旋轨道场被期望为用来转换磁性结210的主要贡献，可选自旋扩散插入层可以被用于减少对于自旋轨道场的贡献或/和增强对于自旋轨道场的
贡献。可选自旋扩散插入层也可以被用来提供改进的用于参考层212的籽晶层和/或减小
参考层的弱化（damping），其可能与邻近SO有源层230有关。然而，在其他实施方式中，如图4所示，可以省略自旋扩散层。
[0054] 参考层212的磁矩被配置为利用来自SO有源层230的自旋轨道相互作用而被改变。然而，对于被驱动经过磁性结210的读取电流和任意自旋转移电流，参考层212的磁矩被固定。在一些实施方式中，参考层212的磁矩可以被来自SO有源层230的SO扭矩从它
的平衡位置扰动。在其他实施方式中，参考层212的磁矩利用来自SO有源层230的SO扭
矩在平衡位置之间转换。例如，参考层212的磁矩可以在多个状态之间转换，使得层212和
220的磁矩处于分别用于写入和读取的双态和反双态。在这样的实施方式中，参考层212的磁矩在双态和反双态下可以是稳定的，或者为了稳定而可以需要SO扭矩。在其他实施方式中，可以使用这些效应的一些组合。例如，为了写入，参考层的磁矩可以被转换成双态并且从与自由层的磁矩平行/反平行被扰动。为了读取，参考层212的磁矩可以转换至反双态。
的平衡位置扰动。在其他实施方式中，参考层212的磁矩利用来自SO有源层230的SO扭
矩在平衡位置之间转换。例如，参考层212的磁矩可以在多个状态之间转换，使得层212和
220的磁矩处于分别用于写入和读取的双态和反双态。在这样的实施方式中，参考层212的磁矩在双态和反双态下可以是稳定的，或者为了稳定而可以需要SO扭矩。在其他实施方式中，可以使用这些效应的一些组合。例如，为了写入，参考层的磁矩可以被转换成双态并且从与自由层的磁矩平行/反平行被扰动。为了读取，参考层212的磁矩可以转换至反双态。
[0055] 自由层216可以利用SO扭矩和自旋转移扭矩的组合而被写入。更具体地，电流JSO被在平面内驱动经过SO有源层230。经过SO有源层230的电流具有可产生自旋轨道场HSO的相关自旋轨道相互作用。此自旋轨道场HSO等于磁矩上的自旋轨道扭矩TSO。参考层212上的自旋轨道扭矩由TSO=-γ[M×HSO]给出，其中M为参考层212的磁矩的数值。参考层212上的SO扭矩将参考层从与自由层216的磁矩对准或反对准的平衡状态扰动。参考层212的
磁矩在自由层216上施加场，其使得自由层的磁矩从它的平衡位置倾斜。换句话说，自由层的磁矩远离临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结210。自旋转移扭矩可以被施加在自由层的磁矩上。因此，自由层216的磁矩利用STT被转换。
磁矩在自由层216上施加场，其使得自由层的磁矩从它的平衡位置倾斜。换句话说，自由层的磁矩远离临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结210。自旋转移扭矩可以被施加在自由层的磁矩上。因此，自由层216的磁矩利用STT被转换。
[0056] 在其他实施方式中，电流JSO被在平面内驱动经过SO有源层230。此扭矩将参考层212和220置于双态下。因而，自由层216可利用自旋转移扭矩被写入。自由层216的
磁矩可以利用自旋转移扭矩被写入。在从磁性结210读取数据时，SO电流在相反方向上被驱动。因而，参考层212和260处于反双态。结210的磁阻于是可被读取。
磁矩可以利用自旋转移扭矩被写入。在从磁性结210读取数据时，SO电流在相反方向上被驱动。因而，参考层212和260处于反双态。结210的磁阻于是可被读取。
[0057] 磁性结210可经历更快的转换。由于SO扭矩扰动参考层212的磁矩并且所得的杂散场移动自由层的磁矩以远离临界点，所以利用STT扭矩的转换可以更快。此外，由于使用了双磁性结210，所以自由层216上的自旋转移扭矩可以比在双态下的参考层212和220
的自旋转移扭矩高。更低的转换电流于是可被驱动经过磁性结210。如果参考层212和220处于反双态，则结210的磁阻可以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。
的自旋转移扭矩高。更低的转换电流于是可被驱动经过磁性结210。如果参考层212和220处于反双态，则结210的磁阻可以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。
[0058] 图5A-5D描绘了磁存储器300的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器300包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结310。为了清楚，图5A-5D没有按比例绘制。另外，同样地，磁存储器300的部分诸如位线、选择器件、字线、行选择器和列选择器没有被示出或没有被标示。磁存储器300类似于磁存储器200。因此，磁存储器300包括与磁性结
210和其中具有SO有源层230的线230类似的磁存储单元310和包括SO有源层330的线
330。磁存储单元310可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。
210和其中具有SO有源层230的线230类似的磁存储单元310和包括SO有源层330的线
330。磁存储单元310可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。
[0059] 磁性结310包括分别类似于第一参考层212、第一非磁性间隔层214、数据存储/自由层216、第二非磁性间隔层218和第二参考层220的第一参考层312、第一非磁性间隔
层314、数据存储/自由层316、第二非磁性间隔层318和第二参考层320。间隔层314和
318的每个是非磁性的。间隔层314和318中的一个或两者可以是绝缘隧穿势垒，诸如晶体MgO。在其他实施方式中，间隔层314和/或318可以是导体。在备选实施方式中，间隔层
314和/或318可具有另一结构。层312、316和320是铁磁性的，因此包括诸如Co、Ni和/
或Fe的材料。
层314、数据存储/自由层316、第二非磁性间隔层318和第二参考层320。间隔层314和
318的每个是非磁性的。间隔层314和318中的一个或两者可以是绝缘隧穿势垒，诸如晶体MgO。在其他实施方式中，间隔层314和/或318可以是导体。在备选实施方式中，间隔层
314和/或318可具有另一结构。层312、316和320是铁磁性的，因此包括诸如Co、Ni和/
或Fe的材料。
[0060] 自由层316具有可转换的磁矩317。当磁性结310是静态的（没有被转换）时，自由层316的磁矩317处于沿着自由层316的易磁化轴。在图5A-5D中示出的实施方式中，易磁化轴在平面内。然而，在其他实施方式中，易磁化轴可以在另一方向上，包括但不限于垂直于平面。在一些实施方式中，自由层316是包括铁磁材料和/或合金的单层。在其他
实施方式中，自由层316可以是多层，包括但不限于SAF或其他结构。
实施方式中，自由层316可以是多层，包括但不限于SAF或其他结构。
[0061] 磁性结310还包括分别具有磁矩313和321的参考层312和320。参考层312和/或320的每个可以是由铁磁材料组成的单一层或者可以是多层诸如SAF。参考320的磁
矩321被期望为被固定或者被钉扎。因此，在一些实施方式中，磁性结310可包括将磁矩
321钉扎在适当处的钉扎层（图5A-5D中未示出）诸如AFM层。对于被驱动经过磁性结310
的读取电流和自旋转移电流，参考层312的磁矩313被固定。在其他实施方式中，磁矩321可以以另一方式被固定。在示出的实施方式中，磁矩313和321在平面内。然而，在其他实施方式中，磁矩313和/或321可以在另一方向上，在一些实施方式中包括但不限于垂直于平面。
矩321被期望为被固定或者被钉扎。因此，在一些实施方式中，磁性结310可包括将磁矩
321钉扎在适当处的钉扎层（图5A-5D中未示出）诸如AFM层。对于被驱动经过磁性结310
的读取电流和自旋转移电流，参考层312的磁矩313被固定。在其他实施方式中，磁矩321可以以另一方式被固定。在示出的实施方式中，磁矩313和321在平面内。然而，在其他实施方式中，磁矩313和/或321可以在另一方向上，在一些实施方式中包括但不限于垂直于平面。
[0062] SO有源层330具有可以被用于产生SO场HSO的强自旋轨道相互作用。SO相互作用可以源于自旋霍耳效应、Rashba效应、另一效应和/或其的一些组合。在示出的实施方式中，SO有源层330可以是整个线。因此，SO有源层330可以在多个磁性结310之上延伸。
在其他实施方式中，SO有源层330可以简单地在磁性结310的区域中。这由层330中的虚
线表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性结310（并且因此参考层312）和运送平面内电流JSO的字线之间。为简单起见，附图标记330将被用于形成SO有源层的线的部
分和这条线两者。因此，SO有源层330可包括类似于上文讨论的用于SO有源层122和230
的材料。
在其他实施方式中，SO有源层330可以简单地在磁性结310的区域中。这由层330中的虚
线表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性结310（并且因此参考层312）和运送平面内电流JSO的字线之间。为简单起见，附图标记330将被用于形成SO有源层的线的部
分和这条线两者。因此，SO有源层330可包括类似于上文讨论的用于SO有源层122和230
的材料。
[0063] 在一些实施方式中，可选自旋扩散层（图5A-5D中未示出）可以位于参考层312和SO有源层330之间。然而，在其他实施方式中，如图5A-5D所示，自旋扩散层可以被省略。
[0064] 参考层312的磁矩313被配置为利用来自SO有源层330的自旋轨道相互作用而被改变，然而通常不因自旋转移或被驱动经过磁性结300的读取电流而被改变。这种磁矩的改变在自由层316的写入期间发生，如图5A-5D所示。如在图5A中所描绘的，平面内电流
JSO可以被驱动经过SO有源层330。这产生了SO场HSO。SO场扰动磁矩312的位置。图5B
示出了结果。磁矩313'从它的先前位置转向。因此，参考层312的磁矩313'不再与自由
层316的磁矩317的平衡位置对准（反对准）。因此，磁矩313'在自由层磁矩317上施加磁场Hstray。自由层磁矩317被磁场Hstray从它的平衡位置倾斜。这在图5C中被描述。因此，自由层的磁矩317'从自由层316中由虚线示出的易磁化轴转向。自由层的磁矩317'远离
临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结310，如图5C所示。
自旋转移扭矩可以施加在自由层的磁矩317'上。另外，平面内电流JSO可以被去除。因此，自由层316的磁矩利用STT被转换，参考层312恢复到它的平衡状态。这在图5D中示出。
因此，自由层磁矩317"与磁矩313"反对准。这是因为，对于图5A-5D中示出的实施方式，自旋转移扭矩电流被驱动远离线330。如果自旋转移扭矩电流在相反方向上被驱动，自由层的磁矩317"将平行于磁矩313"。在其他实施方式中，对于给定方向的自旋转移扭矩电流，自由层的转换方向可以从图5A-5D中示出的方向反转。
JSO可以被驱动经过SO有源层330。这产生了SO场HSO。SO场扰动磁矩312的位置。图5B
示出了结果。磁矩313'从它的先前位置转向。因此，参考层312的磁矩313'不再与自由
层316的磁矩317的平衡位置对准（反对准）。因此，磁矩313'在自由层磁矩317上施加磁场Hstray。自由层磁矩317被磁场Hstray从它的平衡位置倾斜。这在图5C中被描述。因此，自由层的磁矩317'从自由层316中由虚线示出的易磁化轴转向。自由层的磁矩317'远离
临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结310，如图5C所示。
自旋转移扭矩可以施加在自由层的磁矩317'上。另外，平面内电流JSO可以被去除。因此，自由层316的磁矩利用STT被转换，参考层312恢复到它的平衡状态。这在图5D中示出。
因此，自由层磁矩317"与磁矩313"反对准。这是因为，对于图5A-5D中示出的实施方式，自旋转移扭矩电流被驱动远离线330。如果自旋转移扭矩电流在相反方向上被驱动，自由层的磁矩317"将平行于磁矩313"。在其他实施方式中，对于给定方向的自旋转移扭矩电流，自由层的转换方向可以从图5A-5D中示出的方向反转。
[0065] 磁性结310可经历更快的转换。因为SO扭矩扰动参考层312的磁矩313'，所以场HStray移动自由层的磁矩以远离临界点。因此，利用STT扭矩的转换可以更快并且具有减小的WER。此外，因为使用了双磁性结310，所以对于处于双态的参考层312和320的磁矩
313/313'/313″和321，自由层316上的自旋转移扭矩可以更高。因而，更低的自旋转移转换电流JSTT可被驱动经过磁性结310。如果参考层312和320处于反双态，结310的磁阻可
以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。在双态和反双态之间的转换在下文例如相对于图8A和8B来描述。
313/313'/313″和321，自由层316上的自旋转移扭矩可以更高。因而，更低的自旋转移转换电流JSTT可被驱动经过磁性结310。如果参考层312和320处于反双态，结310的磁阻可
以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。在双态和反双态之间的转换在下文例如相对于图8A和8B来描述。
[0066] 图6A-6D描绘了磁存储器400的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器400包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结410。为了清楚，图6A-6D没有按比例绘制。另外，同样地，磁存储器400的部分诸如位线、选择器件、字线、行选择器和列选择器没有被示出或者没有被标示。磁存储器400类似于磁存储器200和300。因此，磁存储器400包括与
磁性结210/310和其中具有SO有源层230/330的线230/330类似的磁存储单元410和包
括SO有源层430的线430。磁存储单元410可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一
个。
磁性结210/310和其中具有SO有源层230/330的线230/330类似的磁存储单元410和包
括SO有源层430的线430。磁存储单元410可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一
个。
[0067] 磁性结410包括分别类似于第一参考层212/312、第一非磁性间隔层214/314、数据存储/自由层216/316、第二非磁性间隔层218/318和第二参考层220/320的第一参考层412、第一非磁性间隔层414、数据存储/自由层416、第二非磁性间隔层418和第二参考层420。间隔层414和418的每个是非磁性的。间隔层414和418中的一个或两者可以是
绝缘隧穿势垒，诸如晶体MgO。在其他实施方式中，间隔层414和/或418可以是导体。在
备选实施方式中，间隔层414和/或418可具有另一结构。层412、416和420是铁磁性的，
因此包括诸如Co、Ni和/或Fe的材料。
绝缘隧穿势垒，诸如晶体MgO。在其他实施方式中，间隔层414和/或418可以是导体。在
备选实施方式中，间隔层414和/或418可具有另一结构。层412、416和420是铁磁性的，
因此包括诸如Co、Ni和/或Fe的材料。
[0068] 自由层416具有可转换的磁矩417。当磁性结410是静态的（没有被转换）时，自由层416的磁矩417处于沿着自由层416的易磁化轴。在图6A-6D示出的实施方式中，易磁化轴垂直于平面。因此，自由层416可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。然而，在其他实施方式中，易磁化轴可以在另一方向上，包括但不限于平面内。在一些实施方式中，自由层416是包括铁磁材料和/或合金的单层。在其他实
施方式中，自由层416可以是多层，包括但不限于SAF或其他结构。
施方式中，自由层416可以是多层，包括但不限于SAF或其他结构。
[0069] 磁性结410还包括分别具有磁矩413和421的参考层412和420。参考层412和/或420的每个可以是由铁磁材料组成的单一层或者可以是多层诸如SAF。参考层420的
磁矩421被期望为被固定或者被钉扎。对于驱动经过磁性结410的读取电流和自旋转移电
流，参考层412的磁矩413被固定。在示出的实施方式中，磁矩413和421垂直于平面。因
此，参考层412和416的每个可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。然而，在其他实施方式中，磁矩413和/或421可以在另一方向上，在一些实施方式中，包括但不限于平面内。
磁矩421被期望为被固定或者被钉扎。对于驱动经过磁性结410的读取电流和自旋转移电
流，参考层412的磁矩413被固定。在示出的实施方式中，磁矩413和421垂直于平面。因
此，参考层412和416的每个可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。然而，在其他实施方式中，磁矩413和/或421可以在另一方向上，在一些实施方式中，包括但不限于平面内。
[0070] SO有源层430具有可以被用于产生SO场HSO的强自旋轨道相互作用。SO相互作用可以源于自旋霍耳效应、Rashba效应、另一效应和/或其的一些组合。在示出的实施方式中，SO有源层430可以是整个线。因此，SO有源层430可以在多个磁性结410上延伸。在
其他实施方式中，SO有源层430可以简单地在磁性结410的区域中。这由层430中的虚线
表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性结410（并且因此参考层412）和运送平面内电流JSO的字线之间。为简单起见，附图标记430将被用于形成SO有源层的线的部分
和这条线两者。因此，SO有源层430可包括类似于上文讨论的用于SO有源层122、230和
330的材料。
其他实施方式中，SO有源层430可以简单地在磁性结410的区域中。这由层430中的虚线
表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性结410（并且因此参考层412）和运送平面内电流JSO的字线之间。为简单起见，附图标记430将被用于形成SO有源层的线的部分
和这条线两者。因此，SO有源层430可包括类似于上文讨论的用于SO有源层122、230和
330的材料。
[0071] 在一些实施方式中，可选自旋扩散层（图6A-6D中未示出）可以位于参考层412和SO有源层430之间。然而，在其他实施方式中，如图6A-6D所示，自旋扩散层可以被省略。
[0072] 参考层412的磁矩413被配置为利用来自SO有源层430的自旋轨道相互作用而被改变。然而，如以上的讨论，对于被驱动经过磁性结400的读取电流或自旋转移电流，磁矩
413将是稳定的，垂直于平面。在自由层416的写入期间发生磁矩413的改变，如图6A-6D
所示。如图6A中所描绘的，平面内电流JSO可以被驱动经过SO有源层430。这产生了SO
场HSO。SO场扰动磁矩412的位置。图6B中示出了结果。磁矩413'从它的先前位置转向。
现在，磁矩413'具有平面内分量。因此，参考层412的磁矩413'不再与自由层416的磁矩
417的平衡位置对准（反对准）。因此，参考层413'在自由层的磁矩417上施加磁场Hstray。
自由层的磁矩417被磁场Hstray从它的平衡位置倾斜。这在图6C中被描绘。因此，自由层的磁矩417'从自由层416中由虚线示出的易磁化轴转向。自由层的磁矩417'具有平面内
分量。此外，自由层的磁矩417'远离临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结410，如图6C所示。自旋转移扭矩可以施加在自由层的磁矩417'上。另
外，平面内电流JSO可以被去除。因此，自由层416的磁矩利用STT被转换，参考层412恢复到它的平衡状态。这在图6D中示出。因此，自由层的磁矩417"被对准而平行于磁矩413"。
这是因为自旋转移扭矩电流被驱动朝向线430。如果自旋转移扭矩电流在相反方向上被驱动，自由层的磁矩417"将反平行于磁矩413"。在其他实施方式中，对于给定方向的自旋转移扭矩电流，自由层的转换方向可以与图6A-6D所示的方向反向。
413将是稳定的，垂直于平面。在自由层416的写入期间发生磁矩413的改变，如图6A-6D
所示。如图6A中所描绘的，平面内电流JSO可以被驱动经过SO有源层430。这产生了SO
场HSO。SO场扰动磁矩412的位置。图6B中示出了结果。磁矩413'从它的先前位置转向。
现在，磁矩413'具有平面内分量。因此，参考层412的磁矩413'不再与自由层416的磁矩
417的平衡位置对准（反对准）。因此，参考层413'在自由层的磁矩417上施加磁场Hstray。
自由层的磁矩417被磁场Hstray从它的平衡位置倾斜。这在图6C中被描绘。因此，自由层的磁矩417'从自由层416中由虚线示出的易磁化轴转向。自由层的磁矩417'具有平面内
分量。此外，自由层的磁矩417'远离临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结410，如图6C所示。自旋转移扭矩可以施加在自由层的磁矩417'上。另
外，平面内电流JSO可以被去除。因此，自由层416的磁矩利用STT被转换，参考层412恢复到它的平衡状态。这在图6D中示出。因此，自由层的磁矩417"被对准而平行于磁矩413"。
这是因为自旋转移扭矩电流被驱动朝向线430。如果自旋转移扭矩电流在相反方向上被驱动，自由层的磁矩417"将反平行于磁矩413"。在其他实施方式中，对于给定方向的自旋转移扭矩电流，自由层的转换方向可以与图6A-6D所示的方向反向。
[0073] 磁性结410可经历更快的转换。因为SO扭矩扰动参考层412的磁矩413'，所以场HStray移动自由层磁矩以远离临界点。因此，利用STT扭矩的转换可以更快并且具有减小的WER。此外，因为使用了双磁性结410，所以对于处于双态的参考层412和420的磁矩
413/413'/413″和421，自由层416上的自旋转移扭矩可以更高。因而，更低的自旋转移转换电流JSTT可被驱动经过磁性结410。如果参考层412和420处于反双态，则结410的磁阻
可以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。在双态和反双态之间的转换在下文例如相对于图8A和8B来描述。
413/413'/413″和421，自由层416上的自旋转移扭矩可以更高。因而，更低的自旋转移转换电流JSTT可被驱动经过磁性结410。如果参考层412和420处于反双态，则结410的磁阻
可以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。在双态和反双态之间的转换在下文例如相对于图8A和8B来描述。
[0074] 图7A-7B描绘了磁存储器400'的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器400'包括利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结410'。为了清楚，图7A-7B没有按比例绘制。另外，同样地，磁存储器400'的部分诸如位线、选择器件、字线、行选择器和列选择器没有被示出或者没有被标示。磁存储器400'类似于磁存储器200、300和400。因此，磁存储器
400'包括与磁性结210/310/410和其中具有SO有源层230/330/430的线230/330/430类
似的磁存储单元410'和包括SO有源层430'的线430'。磁存储单元410'可以是以阵列排
布的许多磁存储单元中的一个。SO有源层可构成整个总线或者仅仅邻近磁性结410'。这
由公共线/SO有源层430'中的虚线表示。为了简单起见，附图标记430'将被用于形成SO
有源层的线的部分和这条线两者。
400'包括与磁性结210/310/410和其中具有SO有源层230/330/430的线230/330/430类
似的磁存储单元410'和包括SO有源层430'的线430'。磁存储单元410'可以是以阵列排
布的许多磁存储单元中的一个。SO有源层可构成整个总线或者仅仅邻近磁性结410'。这
由公共线/SO有源层430'中的虚线表示。为了简单起见，附图标记430'将被用于形成SO
有源层的线的部分和这条线两者。
[0075] 磁性结410'包括分别类似于第一参考层212/312/412、第一非磁性间隔层214/314/414、数据存储/自由层216/316/416、第二非磁性间隔层218/318/418和第二参考层220/320/420的第一参考层412'、第一非磁性间隔层414'、数据存储/自由层416'、第
二非磁性间隔层418'和第二参考层420'。虽然层414'和420'被示出为单一层，但是层
414'和420'中的一个或两者可以是多层，包括但不限于SAF。
二非磁性间隔层418'和第二参考层420'。虽然层414'和420'被示出为单一层，但是层
414'和420'中的一个或两者可以是多层，包括但不限于SAF。
[0076] 在示出的实施方式中，参考层412'是SAF，其包括由非磁性层444诸如Ru分离的铁磁层442和446。铁磁层442和446的每个具有磁矩443和447。层412'、416'和420'
被描绘为它们的磁矩垂直于平面。然而，在另一实施方式中，磁矩可以在平面内。在一些实施方式中，可选自旋扩散层（图7A-7B中未示出）可以位于参考层412'和SO有源层430'之间。然而，在其他实施方式中，如图7A-7B所示，自旋扩散层可以被省略。
被描绘为它们的磁矩垂直于平面。然而，在另一实施方式中，磁矩可以在平面内。在一些实施方式中，可选自旋扩散层（图7A-7B中未示出）可以位于参考层412'和SO有源层430'之间。然而，在其他实施方式中，如图7A-7B所示，自旋扩散层可以被省略。
[0077] 参考层412'的磁矩443和447被配置为利用来自SO有源层430的自旋轨道相互作用而被改变，而不是由于被垂直于平面地驱动经过磁性结400'的读取电流或自旋转移
电流而被改变。如图7A中所描绘的，平面内电流JSO可以被驱动经过SO有源层430'。这产生了SO场HSO。SO场扰动磁矩443的位置。由于它们被反铁磁耦合，所以磁矩447也从垂
直于平面倾斜，如图7A所示。参考层412'的磁矩443和447分别不再与自由层416'的磁
矩417"'的平衡位置对准或反对准。因此，参考层412'在自由层的磁矩417"'上施加磁场
Hstray。需要注意的是，在一些实施方式中，磁矩443和447的数值被期望为不平衡的，以增大场Hstray的数值。自由层的磁矩417"'将被磁场Hstray从它的平衡位置倾斜。因此，自由层的磁矩417"'将远离临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结410'，如图7A所示。自旋转移扭矩可以施加在自由层的磁矩417"'上。另外，平面内电流JSO可以被去除。因此，自由层416'的磁矩利用STT被转换，参考层412'恢复到它的平
衡状态。这在图7B中示出。因此，对于图7A-7B所示的实施方式，自由层的磁矩417""被对准而平行于磁矩447'。这是因为自旋转移扭矩电流被驱动朝向线430。如果自旋转移扭矩电流在相反方向上被驱动，自由层的磁矩417""将反平行于磁矩447'。在其他实施方式中，对于给定方向的自旋转移扭矩电流，自由层的转换方向可从与图7A-7B所示的方向反转。
电流而被改变。如图7A中所描绘的，平面内电流JSO可以被驱动经过SO有源层430'。这产生了SO场HSO。SO场扰动磁矩443的位置。由于它们被反铁磁耦合，所以磁矩447也从垂
直于平面倾斜，如图7A所示。参考层412'的磁矩443和447分别不再与自由层416'的磁
矩417"'的平衡位置对准或反对准。因此，参考层412'在自由层的磁矩417"'上施加磁场
Hstray。需要注意的是，在一些实施方式中，磁矩443和447的数值被期望为不平衡的，以增大场Hstray的数值。自由层的磁矩417"'将被磁场Hstray从它的平衡位置倾斜。因此，自由层的磁矩417"'将远离临界点而倾斜。自旋转移电流JSTT可以被垂直平面地驱动经过磁性结410'，如图7A所示。自旋转移扭矩可以施加在自由层的磁矩417"'上。另外，平面内电流JSO可以被去除。因此，自由层416'的磁矩利用STT被转换，参考层412'恢复到它的平
衡状态。这在图7B中示出。因此，对于图7A-7B所示的实施方式，自由层的磁矩417""被对准而平行于磁矩447'。这是因为自旋转移扭矩电流被驱动朝向线430。如果自旋转移扭矩电流在相反方向上被驱动，自由层的磁矩417""将反平行于磁矩447'。在其他实施方式中，对于给定方向的自旋转移扭矩电流，自由层的转换方向可从与图7A-7B所示的方向反转。
[0078] 磁性结410'可经历更快的转换。因为SO扭矩扰动参考层412'的磁矩443和447，所以场Hstray移动自由层磁矩417"'以远离临界点。因此，利用STT扭矩的转换可更快。此外，因为使用了双磁性结410，所以对于处于双态的参考层412'和420'，自由层416'上的自旋转移扭矩可以更高。因而，更低的自旋转移转换电流JSTT可被驱动经过磁性结410'。
如果参考层412'和420'处于反双态，则结410'的磁阻可以更高。因此，可以获得更高的
信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。在双态和反双态之间的转换在下文例如相对于图8A和8B来描述。
如果参考层412'和420'处于反双态，则结410'的磁阻可以更高。因此，可以获得更高的
信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。在双态和反双态之间的转换在下文例如相对于图8A和8B来描述。
[0079] 图8A-8B描绘了磁存储器500的一部分的另一示例性实施方式，该磁存储器500包括在转换期间利用自旋轨道相互作用转换的双磁性结510。为了清楚，图8A-8B没有按比例绘制。另外，同样地，磁存储器500的部分诸如位线、选择器件、字线、行选择器和列选择器没有被示出或者没有被标示。磁存储器500类似于磁存储器200、300、400和400'。因此，磁存储器500包括与磁性结210/310/410/410'和其中具有SO有源层230/330/430/430'
的线230/330/430/430'类似的磁存储单元510和包括SO有源层530的线530。磁存储单
元510可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。为简单起见，附图标记530将被用
于形成SO有源层的线的部分和这条线两者。
的线230/330/430/430'类似的磁存储单元510和包括SO有源层530的线530。磁存储单
元510可以是以阵列排布的许多磁存储单元中的一个。为简单起见，附图标记530将被用
于形成SO有源层的线的部分和这条线两者。
[0080] 磁性结510包括分别类似于第一参考层212/312/412/412'、第一非磁性间隔层214/314/414/414'、数据存储/自由层216/316/416/416'、第二非磁性间隔层
218/318/418/418'、和第二参考层220/320/420/420'的第一参考层512、第一非磁性间隔层514、数据存储/自由层516、第二非磁性间隔层518和第二参考层520。间隔层514和
518的每个是非磁性的。间隔层514和518中的一个或两者可以是绝缘隧穿势垒，诸如晶体MgO。在其他实施方式中，间隔层514和/或518可以是导体。在备选实施方式中，间隔层
514和/或518可具有另一结构。层512、516和520是铁磁性的，因此包括诸如Co、Ni和/
或Fe的材料。
218/318/418/418'、和第二参考层220/320/420/420'的第一参考层512、第一非磁性间隔层514、数据存储/自由层516、第二非磁性间隔层518和第二参考层520。间隔层514和
518的每个是非磁性的。间隔层514和518中的一个或两者可以是绝缘隧穿势垒，诸如晶体MgO。在其他实施方式中，间隔层514和/或518可以是导体。在备选实施方式中，间隔层
514和/或518可具有另一结构。层512、516和520是铁磁性的，因此包括诸如Co、Ni和/
或Fe的材料。
[0081] 自由层516具有可转换的磁矩517。当磁性结510是静态的（没有被转换）时，自由层516的磁矩517处于沿着自由层516的易磁化轴。在图8A-8B示出的实施方式中，易磁化轴垂直于平面。因此，自由层516可具有垂直各向异性场，其超过它的平面外退磁场（通常地，大部分为4πMs）。然而，在其他实施方式中，易磁化轴可以在另一方向上，包括但不限于平面内。在一些实施方式中，自由层516是包括铁磁材料和/或合金的单层。在其他实
施方式中，自由层516可以是多层，包括但不限于SAF或其他结构。
施方式中，自由层516可以是多层，包括但不限于SAF或其他结构。
[0082] SO有源层530具有可以用于产生SO场HSO的强自旋轨道相互作用。SO相互作用可以源于自旋霍耳效应、Rashba效应、另一效应和/或其的一些组合。在示出的实施方式中，SO有源层530可以是整个线。因此，SO有源层530可以在多个磁性结510上延伸。在
其他实施方式中，SO有源层530可以简单地在磁性结510的区域中。这由层530中的虚线
表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性结510（并且因此参考层512）和运送
平面内电流JSO的字线之间。因此，SO有源层530可包括类似于上文讨论的用于SO有源层
122、230，330、430和430'的材料。
其他实施方式中，SO有源层530可以简单地在磁性结510的区域中。这由层530中的虚线
表示。在其他实施方式中，SO有源层可以位于磁性结510（并且因此参考层512）和运送
平面内电流JSO的字线之间。因此，SO有源层530可包括类似于上文讨论的用于SO有源层
122、230，330、430和430'的材料。
[0083] 在一些实施方式中，可选自旋扩散层（图8A-8B中未示出）可以位于参考层512和SO有源层530之间。然而，在其他实施方式中，如图8A-8B所示，自旋扩散层可以被省略。
[0084] 磁性结510还包括参考层512和520。参考层520包括被非磁性层254分离的铁磁层522和526。铁磁层522和526分别具有磁矩523和527。因此，参考层520可以是
SAF。然而，参考层512是具有磁矩513的单一层。在其他实施方式中，参考层可以是多层。
参考520的磁矩523和527被期望为被固定或者被钉扎。然而，参考层512的磁矩513被
期望为可改变的。具体地，参考层512被期望在图8A中示出的反双态与图8B中示出的双
态之间可转换。反双态被用于读取，而双态被用于写入。
SAF。然而，参考层512是具有磁矩513的单一层。在其他实施方式中，参考层可以是多层。
参考520的磁矩523和527被期望为被固定或者被钉扎。然而，参考层512的磁矩513被
期望为可改变的。具体地，参考层512被期望在图8A中示出的反双态与图8B中示出的双
态之间可转换。反双态被用于读取，而双态被用于写入。
[0085] 参考层512的磁矩513被配置为利用来自SO有源层530的自旋轨道相互作用而被改变。对于自由层516的写入或读取，发生磁矩513的改变。如图8A中所描绘的，平面
内电流JSO可以被驱动经过SO有源层530。这产生了SO场HSO。为了转换参考层512的垂
直于平面的磁矩513，SO场同样实质上垂直于平面。然而，如果磁矩513在平面内，则SO场实质上在平面内。SO场扰动磁矩513的位置。为了读取，平面内电流JSO1在产生用于反双态的SO场的方向上被驱动，如图8A所示。因此，磁矩513被转换成反双态。磁性结510于
是可被读取。为了写入，平面内电流JSO2在相反的方向上被驱动，在相反的方向上产生SO场。因此，磁矩513'被转换成双态。磁性结510于是可利用自旋转移扭矩被写入。
内电流JSO可以被驱动经过SO有源层530。这产生了SO场HSO。为了转换参考层512的垂
直于平面的磁矩513，SO场同样实质上垂直于平面。然而，如果磁矩513在平面内，则SO场实质上在平面内。SO场扰动磁矩513的位置。为了读取，平面内电流JSO1在产生用于反双态的SO场的方向上被驱动，如图8A所示。因此，磁矩513被转换成反双态。磁性结510于
是可被读取。为了写入，平面内电流JSO2在相反的方向上被驱动，在相反的方向上产生SO场。因此，磁矩513'被转换成双态。磁性结510于是可利用自旋转移扭矩被写入。
[0086] 在一些实施方式中，在没有SO场/SO扭矩的情况下，参考层512的磁矩513在双态和反双态下是稳定的。换句话说，磁矩513被稳定地对准而平行或反平行于自由层516
的易磁化轴。因此，参考层512具有垂直于平面的一些各向异性。在这样的实施方式中，SO电流可以在读取和写入期间减小或者被去除。在其他实施方式中，在没有SO场/SO扭矩的情况下，参考层512的磁矩513是不稳定的。在这样的实施方式中，SO电流在读取和写入
期间保持。
的易磁化轴。因此，参考层512具有垂直于平面的一些各向异性。在这样的实施方式中，SO电流可以在读取和写入期间减小或者被去除。在其他实施方式中，在没有SO场/SO扭矩的情况下，参考层512的磁矩513是不稳定的。在这样的实施方式中，SO电流在读取和写入
期间保持。
[0087] 对于磁性结510，利用由来自参考层512的杂散场辅助的自旋转移扭矩可以执行写入。在一些实施方式中，当磁性层512从反双态转换为双态或反之时，它在自由层516上施加足够大的杂散场来移动磁矩517以远离临界点。在一些其它实施方式中，磁矩513可以从平行/反平行于自由层516的磁矩517而倾斜。例如，如果磁矩513/513'仅仅在SO扭
矩被施加时稳定，则SO电流可以减小以允许磁矩513/513'从图8A和8B所示的位置倾斜。
在这样的实施方式中，倾斜的磁矩513/513'也可在自由层处产生移动磁矩517以远离临界点的杂散场。磁性结510可以以类似于磁性结200、300、400和400'的方式被写入。在这
样的实施方式中，参考层512的磁矩513/513'应当足够大。例如，对于这种实施方式，参考
3
层512的平均磁化饱和度可以是700-1200emu/cm。然而，在其他实施方式中，磁性结510
可以以另一方式被写入。例如，磁性结510可以仅利用常规自旋转移扭矩来写入。在这样的实施方式中，在自由层的磁矩517利用例如自旋转移扭矩被转换之前，磁矩513/513'将首先被转换。在这样的实施方式中，期望的是，减小参考层512的磁矩，因为由磁矩513施加在自由层516上的静态杂散场和动态杂散场可导致磁矩517的热稳定性降低。因此，在
3
一些实施方式中，平均磁化饱和度可以在0和500emu/cm 之间。为了实现这样的低磁矩，在一些实施方式中，参考层512可以由SAF制成，其两个磁性层的磁矩被完全补偿或部分补偿。此外，为了减小由磁矩513施加在自由层516上的静态杂散场，在一些实施方式中，磁矩513可以形成为使得它的静态垂直于自由层516的磁矩517的易磁化轴。例如，如果磁
矩517垂直于平面，类似于图8A-8B中所描绘的，参考层512的磁矩513可以形成在平面内
（未示出）。如果磁矩517在平面内，则磁矩513可以形成为垂直于平面或者在平面内，其易磁化轴垂直于自由层516的易磁化轴（未示出）。
矩被施加时稳定，则SO电流可以减小以允许磁矩513/513'从图8A和8B所示的位置倾斜。
在这样的实施方式中，倾斜的磁矩513/513'也可在自由层处产生移动磁矩517以远离临界点的杂散场。磁性结510可以以类似于磁性结200、300、400和400'的方式被写入。在这
样的实施方式中，参考层512的磁矩513/513'应当足够大。例如，对于这种实施方式，参考
3
层512的平均磁化饱和度可以是700-1200emu/cm。然而，在其他实施方式中，磁性结510
可以以另一方式被写入。例如，磁性结510可以仅利用常规自旋转移扭矩来写入。在这样的实施方式中，在自由层的磁矩517利用例如自旋转移扭矩被转换之前，磁矩513/513'将首先被转换。在这样的实施方式中，期望的是，减小参考层512的磁矩，因为由磁矩513施加在自由层516上的静态杂散场和动态杂散场可导致磁矩517的热稳定性降低。因此，在
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一些实施方式中，平均磁化饱和度可以在0和500emu/cm 之间。为了实现这样的低磁矩，在一些实施方式中，参考层512可以由SAF制成，其两个磁性层的磁矩被完全补偿或部分补偿。此外，为了减小由磁矩513施加在自由层516上的静态杂散场，在一些实施方式中，磁矩513可以形成为使得它的静态垂直于自由层516的磁矩517的易磁化轴。例如，如果磁
矩517垂直于平面，类似于图8A-8B中所描绘的，参考层512的磁矩513可以形成在平面内
（未示出）。如果磁矩517在平面内，则磁矩513可以形成为垂直于平面或者在平面内，其易磁化轴垂直于自由层516的易磁化轴（未示出）。
[0088] 在SO扭矩被用来使得磁矩513/513'从平行或反平行于自由层的磁矩517而倾斜的实施方式中，磁性结510可具有磁性结210、310、410和/或410'的益处。例如，磁性结
510可经历更快的转换。磁性结510也可以根据期望处于双态或反双态。因为双磁性结510在双态下被用于写入，所以自由层516上的自旋转移扭矩可以更高。更低的自旋转移转换电流JSTT于是可以被驱动经过磁性结510。因为参考层512和520在反双态下被用于读取，所以结510的磁阻可以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。虽然在双态和反双态之间的转换关于具有垂直于平面的磁矩的磁性结510示出，但是这种转换也可以对于包括但不限于平面内磁矩的其他构造实现。因此，可以增强磁性结的性能。
510可经历更快的转换。磁性结510也可以根据期望处于双态或反双态。因为双磁性结510在双态下被用于写入，所以自由层516上的自旋转移扭矩可以更高。更低的自旋转移转换电流JSTT于是可以被驱动经过磁性结510。因为参考层512和520在反双态下被用于读取，所以结510的磁阻可以更高。因此，可以获得更高的信号。此外，在反双态下，由于在给定的电流密度下减小的STT数值而使得读取错误率可以显著地减小。因此，感测余量可增大，对于单元的热稳定性的要求可以放宽。虽然在双态和反双态之间的转换关于具有垂直于平面的磁矩的磁性结510示出，但是这种转换也可以对于包括但不限于平面内磁矩的其他构造实现。因此，可以增强磁性结的性能。
[0089] 图9描绘了采用磁性结562的磁存储器550的另一示例性实施方式，该磁性结562利用自旋轨道相互作用来改变参考层的磁矩。为了清楚，图9没有按比例绘制。磁存储器
550类似于磁存储器200、300、400、400'和/或500。因此，磁存储器550包括分别类似于磁性结210、310、410、410'和/或510以及SO有源层230、330、430、430'和/或530的磁
性结562和SO有源层570。因此，磁性结562是双磁性结。因此，部件562和570的结构
和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510和230/330/430/430'/530所描述
的。例如，磁性层可具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。参考层也可以使得它们的磁矩在平面内或垂直于平面。磁性结562可以利用用于控制参考层的磁矩的自旋轨道相互作用连同用于转换自由层的自旋转移扭矩而被转换，如上所述。
550类似于磁存储器200、300、400、400'和/或500。因此，磁存储器550包括分别类似于磁性结210、310、410、410'和/或510以及SO有源层230、330、430、430'和/或530的磁
性结562和SO有源层570。因此，磁性结562是双磁性结。因此，部件562和570的结构
和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510和230/330/430/430'/530所描述
的。例如，磁性层可具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。参考层也可以使得它们的磁矩在平面内或垂直于平面。磁性结562可以利用用于控制参考层的磁矩的自旋轨道相互作用连同用于转换自由层的自旋转移扭矩而被转换，如上所述。
[0090] 除了磁性结566之外，磁存储器550包括与存储单元560中的每个磁性结562相应的选择器件564。在示出的实施方式中，存储单元包括磁性结562和选择器件564。选择器件564是晶体管并且可以与位线联接。在示出的实施方式中，磁存储器550也可以包括
可选自旋扩散插入层566。对于一些实施方式，可选自旋扩散层566是金属。然而，在其他实施方式中，这层可以是薄绝缘材料，例如晶体MgO或者其他氧化物或其他绝缘层。这层的
2
电阻面积（RA）应该是小的，例如，小于2Ohm-μm。在其他实施方式中，可选自旋扩散层566可以是包括不同材料的两层或更多层的多层。可选自旋扩散插入层566可以被用于减少对于自旋轨道场（类似于Rashba效应）的贡献或/和增强对于自旋轨道场（类似于自旋霍耳效应）的贡献。可选自旋扩散插入层566也可以被用来提供改进的用于参考层的籽晶层。
可选自旋扩散插入层566。对于一些实施方式，可选自旋扩散层566是金属。然而，在其他实施方式中，这层可以是薄绝缘材料，例如晶体MgO或者其他氧化物或其他绝缘层。这层的
2
电阻面积（RA）应该是小的，例如，小于2Ohm-μm。在其他实施方式中，可选自旋扩散层566可以是包括不同材料的两层或更多层的多层。可选自旋扩散插入层566可以被用于减少对于自旋轨道场（类似于Rashba效应）的贡献或/和增强对于自旋轨道场（类似于自旋霍耳效应）的贡献。可选自旋扩散插入层566也可以被用来提供改进的用于参考层的籽晶层。
[0091] 虽然图9中仅示出了一个磁性结562，但是SO有源层572可以在多个磁性结上延伸。因此，SO有源层572也可以起到字线570的作用。此外，SO有源层572被示出为具有
基本恒定的厚度（在z方向上的尺寸）和宽度（在y方向上的尺寸）。在一些实施方式中，SO有源层的厚度和/或宽度至少在磁性结562下面减小。在这样的实施方式中，自旋轨道电
流密度在磁性结572的区域中增大。因此，可以改善利用自旋轨道相互作用的转换。在一些实施方式中，SO有源层572可以是包括可选源极574和可选漏极576的晶体管的一部分。
然而，在其他实施方式中，这种结构可以省略。
基本恒定的厚度（在z方向上的尺寸）和宽度（在y方向上的尺寸）。在一些实施方式中，SO有源层的厚度和/或宽度至少在磁性结562下面减小。在这样的实施方式中，自旋轨道电
流密度在磁性结572的区域中增大。因此，可以改善利用自旋轨道相互作用的转换。在一些实施方式中，SO有源层572可以是包括可选源极574和可选漏极576的晶体管的一部分。
然而，在其他实施方式中，这种结构可以省略。
[0092] 磁存储器550享有磁存储器200、300、400、400'和/或500的益处。因为自旋轨道扭矩可以被用于转换自由层的磁矩，所以存储器550的性能可以得到提高。因为SO电流在平面内以用于SO有源层572，所以电流密度JSO可以是大的。此外，磁性结562可以是双磁性结。因此，可以实现更大的磁阻和/或更高的自旋转移扭矩。因此，可以提高存储器550的性能。
[0093] 图10描绘了采用磁性结562'的磁存储器550'的示例性实施方式，该磁性结562'利用自旋轨道相互作用来改变参考层的磁矩而被转换。为了清楚，图10没有按比例绘制。
磁存储器550'类似于磁存储器200、300、400、400'和/或500。因此，磁存储器550'包括磁性结562'和SO有源层572'，其分别类似于磁性结210/310/410/410'/510和SO有源层
230/330/430/430'/530。因此，部件562'和572'的结构和功能分别类似于上文关于部件
210/310/410/410'/510和230/330/430/430'/530所描述的。例如，磁性层可使得它们的
磁矩在平面内或垂直于平面。最靠近SO有源层572'的参考层也可以使得它的磁矩由于自
旋轨道场而可改变。磁性结562'可以利用自旋轨道相互作用来改变参考层的磁矩和利用
自旋转移扭矩来写入自由层而被转换，如上所述。磁存储器550'也可以包括类似于可选自旋扩散插入层566的可选自旋扩散插入层566'。为简单起见，SO场被示出为在y方向上。
然而，SO场可以在另一方向上，包括但不限于垂直于平面（例如，在正或负z方向上）。
磁存储器550'类似于磁存储器200、300、400、400'和/或500。因此，磁存储器550'包括磁性结562'和SO有源层572'，其分别类似于磁性结210/310/410/410'/510和SO有源层
230/330/430/430'/530。因此，部件562'和572'的结构和功能分别类似于上文关于部件
210/310/410/410'/510和230/330/430/430'/530所描述的。例如，磁性层可使得它们的
磁矩在平面内或垂直于平面。最靠近SO有源层572'的参考层也可以使得它的磁矩由于自
旋轨道场而可改变。磁性结562'可以利用自旋轨道相互作用来改变参考层的磁矩和利用
自旋转移扭矩来写入自由层而被转换，如上所述。磁存储器550'也可以包括类似于可选自旋扩散插入层566的可选自旋扩散插入层566'。为简单起见，SO场被示出为在y方向上。
然而，SO场可以在另一方向上，包括但不限于垂直于平面（例如，在正或负z方向上）。
[0094] 磁存储器550'也包括字线570'。字线570'在多个磁性结562'上延伸，因此在多个存储单元上延伸。SO有源层572'与字线电联接，但是位于单个磁性结562'的区域中。
因此，在示出的实施方式中，每个SO有源层572'对应于磁性结562'。在示出的实施方式
中，SO有源层572'在字线570'上方延伸。然而，在其他实施方式中，SO有源层572的顶部可以在另一位置处，包括但不限于与字线570'的顶部基本上齐平。在示出的实施方式中，SO有源层572'的底部在字线570'之内。因此，SO有源层572'可以位于字线570'内的凹
部中。然而，在其他实施方式中，SO有源层572'的底部可以在另一位置处。备选地，SO有源层572'可以具有小于或等于字线570'的厚度，并且位于字线中的孔内。在这样的实施
方式中，经过SO有源层572'的电流密度可以大于字线570'周围的电流密度。SO有源层
572'还被示出为延伸到磁性结562'的边缘。然而，在其他实施方式中，在x-y平面内，SO有源层572'可以延伸得比磁性结562'更远。
因此，在示出的实施方式中，每个SO有源层572'对应于磁性结562'。在示出的实施方式
中，SO有源层572'在字线570'上方延伸。然而，在其他实施方式中，SO有源层572的顶部可以在另一位置处，包括但不限于与字线570'的顶部基本上齐平。在示出的实施方式中，SO有源层572'的底部在字线570'之内。因此，SO有源层572'可以位于字线570'内的凹
部中。然而，在其他实施方式中，SO有源层572'的底部可以在另一位置处。备选地，SO有源层572'可以具有小于或等于字线570'的厚度，并且位于字线中的孔内。在这样的实施
方式中，经过SO有源层572'的电流密度可以大于字线570'周围的电流密度。SO有源层
572'还被示出为延伸到磁性结562'的边缘。然而，在其他实施方式中，在x-y平面内，SO有源层572'可以延伸得比磁性结562'更远。
[0095] 磁存储器550'享有磁存储器200、300、400、400'、500和550的益处。由于自旋轨道扭矩被用于改变最靠近SO有源层572'的参考层的磁矩，所以可以提高存储器550'的性能。因为SO电流在平面内以用于SO有源层572'，所以电流密度JSO可以是大的。此外，磁性结562'可以是具有增强的自旋转移扭矩和/或磁阻的双磁性结。因此，可以提高存储器
550'的性能。
550'的性能。
[0096] 图11描绘了采用磁性结562"的磁存储器550"的示例性实施方式，该磁性结562"利用自旋轨道相互作用而被转换。为了清楚，图11没有按比例绘制。磁存储器550"类似于磁存储器200、300、400、400'、500、550和/或550'。因此，磁存储器550"包括分别类似于磁性结210/310/410/410'/510和SO有源层230/330/430/430'/530的磁性结562"和SO有源
层572"。部件562"和572"的结构和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510
和230/330/430/430'/530所描述的。例如，磁性层可使得它们的磁矩在平面内或者垂直
于平面。最靠近SO有源层572"的参考层也可以使得它的磁矩由SO扭矩改变。磁存储器
550"也可以包括可选自旋扩散插入层566"。
层572"。部件562"和572"的结构和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510
和230/330/430/430'/530所描述的。例如，磁性层可使得它们的磁矩在平面内或者垂直
于平面。最靠近SO有源层572"的参考层也可以使得它的磁矩由SO扭矩改变。磁存储器
550"也可以包括可选自旋扩散插入层566"。
[0097] 磁存储器550"还包括类似于字线570的字线570″。字线570″在多个磁性结562"上延伸，因此在多个存储单元上延伸。SO有源层572"与字线电联接，但是位于单个磁性结562"的区域中。因此，在示出的实施方式中，每个SO有源层572"对应于磁性结560"。
在示出的实施方式中，SO有源层572"在字线570″上方和下方延伸。在示出的实施方式中，SO有源层572'位于字线570″内的孔中。然而，在其他实施方式中，SO有源层572"的顶
部和/或底部可以在另一位置处。SO有源层572"还被示出为延伸到磁性结562"的边缘。
然而，在其他实施方式中，在x-y平面内，SO有源层572"可以延伸得比磁性结562"更远。
在示出的实施方式中，SO有源层572"在字线570″上方和下方延伸。在示出的实施方式中，SO有源层572'位于字线570″内的孔中。然而，在其他实施方式中，SO有源层572"的顶
部和/或底部可以在另一位置处。SO有源层572"还被示出为延伸到磁性结562"的边缘。
然而，在其他实施方式中，在x-y平面内，SO有源层572"可以延伸得比磁性结562"更远。
[0098] 磁存储器550"享有磁存储器200、300、400、400'、500、550和/或550'的益处。由于自旋轨道扭矩被用于改变最靠近SO有源层572"的参考层的磁矩，所以可以提高存储器550"的性能。因为SO电流在平面内以用于SO有源层572"，所以电流密度JSO可以是大的。
此外，磁性结562"可以是具有增强的自旋转移扭矩和/或磁阻的双磁性结。因此，可以提高存储器550"的性能。
此外，磁性结562"可以是具有增强的自旋转移扭矩和/或磁阻的双磁性结。因此，可以提高存储器550"的性能。
[0099] 图12描绘了采用磁性结462"'的磁存储器550"'的示例性实施方式，该磁性结462"'具有参考层，该参考层的磁矩利用自旋轨道相互作用而改变。为了清楚，图12没有按比例绘制。磁存储器550"'类似于磁存储器200、300、400、400'、500、550、550'和/或
550"。因此，磁存储器550"'包括分别类似于磁性结210/310/410/410'/510和SO有源层
230/330/430/430'/530的磁性结562"'和SO有源层572"'。因此，部件562"'和572"'的
结构和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510和230/330/430/430'/530所
描述的。例如，磁性层可使得它们的磁矩在平面内或垂直于平面。最靠近SO有源层572"'的参考层也可以使得它的磁矩由SO扭矩改变。磁存储器550"'也可以包括可选自旋扩散
插入层566"'。
550"。因此，磁存储器550"'包括分别类似于磁性结210/310/410/410'/510和SO有源层
230/330/430/430'/530的磁性结562"'和SO有源层572"'。因此，部件562"'和572"'的
结构和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510和230/330/430/430'/530所
描述的。例如，磁性层可使得它们的磁矩在平面内或垂直于平面。最靠近SO有源层572"'的参考层也可以使得它的磁矩由SO扭矩改变。磁存储器550"'也可以包括可选自旋扩散
插入层566"'。
[0100] 磁存储器550"'还包括类似于字线230/330/430/430'/530的字线570"'，。字线570"'在多个磁性结562"'上延伸，因此在多个存储单元上延伸。SO有源层572"'与字线
电联接，但是位于单个磁性结562"'的区域中。在示出的实施方式中，SO有源层572"'邻
近磁性结562"'。SO有源层572"'不直接在磁性结562"'下面。代替地，字线570"'的另
一部分在磁性结562"'下面。SO有源层572"'可以与磁性结562"'具有一些间隔。此间隔
应该不非常大，通常地小于MTJ的宽度。然而，对于其它的实施方式，它可以大于MTJ的宽度，达到100nm。
电联接，但是位于单个磁性结562"'的区域中。在示出的实施方式中，SO有源层572"'邻
近磁性结562"'。SO有源层572"'不直接在磁性结562"'下面。代替地，字线570"'的另
一部分在磁性结562"'下面。SO有源层572"'可以与磁性结562"'具有一些间隔。此间隔
应该不非常大，通常地小于MTJ的宽度。然而，对于其它的实施方式，它可以大于MTJ的宽度，达到100nm。
[0101] 磁存储器562"'享有磁存储器200、300、400、400'和500的益处。因为自旋轨道扭矩被用于转换参考层的磁矩，所以可以提高存储器550"'的性能。因为SO电流在平面内以用于SO有源层572"'，所以电流密度JSO可以是大的。此外，磁性结562"'可以是双磁性结，从而允许增强的自旋转移扭矩和/或增大的磁阻。因此，可以提高存储器200"'的性能。
[0102] 图13描绘了采用双磁性结610的磁存储器600的示例性实施方式，该双磁性结610具有参考层，该参考层的磁矩利用模拟自旋轨道相互作用的特征而可改变。为了
清楚，图13没有按比例绘制。磁存储器600类似于磁存储器200、300、400、400'和/或
500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器600包括分别类似于磁性结
210/310/410/410'/510和SO有源层230/330/430/430'/530的磁性结610和结构620。
因此，部件610和620的结构和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510和
230/330/430/430'/530所描述的。磁存储器600也可以包括类似于可选自旋扩散插入层
566的可选自旋扩散插入层614。
清楚，图13没有按比例绘制。磁存储器600类似于磁存储器200、300、400、400'和/或
500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器600包括分别类似于磁性结
210/310/410/410'/510和SO有源层230/330/430/430'/530的磁性结610和结构620。
因此，部件610和620的结构和功能分别类似于上文关于部件210/310/410/410'/510和
230/330/430/430'/530所描述的。磁存储器600也可以包括类似于可选自旋扩散插入层
566的可选自旋扩散插入层614。
[0103] 在本申请的内容中，磁存储器600被认为在转换磁性结610中利用自旋轨道相互作用，因为类似于SO有源层的结构620被使用。更具体地，在磁性结610之外的结构620
提供被用于改变磁性结610中参考层的磁矩的自旋极化平面内电流。更具体地，最靠近字线624的磁矩可以改变。因此，用于存储器600的转换机制模拟自旋轨道相互作用。
提供被用于改变磁性结610中参考层的磁矩的自旋极化平面内电流。更具体地，最靠近字线624的磁矩可以改变。因此，用于存储器600的转换机制模拟自旋轨道相互作用。
[0104] 在磁存储器600中，类似SO有源层的结构620由高导电性字线624和至少一个自旋极化注入器622的组合形成。在图13示出的实施方式中，仅使用了单个自旋极化电流注入器622。然而，在其他实施方式中，可以使用多个自旋极化注入器。例如，可以使用具有相反自旋极性的两个注入器。备选地，可以使用单个极化自旋注入器622。自旋极化电流注入器622对于被驱动经过自旋极化电流注入器622的电流使得载荷子的自旋极化。例如，自旋极化电流注入器622可以是磁性层。此外，单个自旋极化注入器622被期望为多个磁性结
610提供极化的自旋。因此，高导电性字线624是具有高自旋扩散长度的至少一个导电层。
例如，在一些实施方式中，自旋扩散长度是至少一百纳米。在一些这样的实施方式中，自旋扩散长度为至少一微米。例如，在一个实施方式中，高导电性字线624可以是石墨烯线。高自旋扩散长度被期望而使得来自注入器622的自旋极化载荷子可以横过字线624并且到达
至少一个磁性结610，而没有经历破坏载荷子的自旋信息的严重散射。
610提供极化的自旋。因此，高导电性字线624是具有高自旋扩散长度的至少一个导电层。
例如，在一些实施方式中，自旋扩散长度是至少一百纳米。在一些这样的实施方式中，自旋扩散长度为至少一微米。例如，在一个实施方式中，高导电性字线624可以是石墨烯线。高自旋扩散长度被期望而使得来自注入器622的自旋极化载荷子可以横过字线624并且到达
至少一个磁性结610，而没有经历破坏载荷子的自旋信息的严重散射。
[0105] 由于随着电流行进经过高导电性字线624，电流被注入器622极化并且保留它的自旋信息，所以极化的电流以类似于上文关于自旋霍尔效应和Rashba效应所描述的自
旋极化的方式起作用。因此，注入器622和高导电性字线624的组合以类似于SO有源层
230/330/430/430'/530的方式起作用。换句话说，自旋极化电流可以提供类似于自旋轨道场和扭矩的场和扭矩。
旋极化的方式起作用。因此，注入器622和高导电性字线624的组合以类似于SO有源层
230/330/430/430'/530的方式起作用。换句话说，自旋极化电流可以提供类似于自旋轨道场和扭矩的场和扭矩。
[0106] 磁存储器600享有磁存储器200、300、400、400'和500的益处。因为自旋轨道扭矩被用于转换参考层的磁矩，所以可以提高存储器600的性能。此外，磁性结610可以是双磁性结，从而允许增强的自旋转移扭矩和/或增大的磁阻。因此，可以提高存储器600的性能。因此，存储器550、550'、550"、550"'和600分别描绘了SO有源层572、572'、572"、572"'和620的各种构造。利用这些构造中的一个或多个，可以提高磁存储器的性能。
[0107] 图14描绘了采用磁性结710的磁存储器700的示例性实施方式，该磁性结710主要利用自旋轨道相互作用而被转换。为了清楚，图14没有按比例绘制。磁存储器700类似于磁存储器200、300、400、400'和500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器700包括类似于先前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层以及SO有源层的磁性结
710、选择器件718、可选自旋扩散插入层730以及SO有源层720。虽然未示出，但是磁性结
710包括类似于先前描述的数据存储/自由层、非磁性间隔层和参考层。因此，部件710和
720的结构和功能类似于上文所描述的。虽然SO有源层720被描绘为字线，但是在其他实
施方式中可以使用其他构造。磁性结710的磁性层的每个可以具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。需要注意，虽然HSO1和HSO2两个都在x-y平面中被示出，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
710、选择器件718、可选自旋扩散插入层730以及SO有源层720。虽然未示出，但是磁性结
710包括类似于先前描述的数据存储/自由层、非磁性间隔层和参考层。因此，部件710和
720的结构和功能类似于上文所描述的。虽然SO有源层720被描绘为字线，但是在其他实
施方式中可以使用其他构造。磁性结710的磁性层的每个可以具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。需要注意，虽然HSO1和HSO2两个都在x-y平面中被示出，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
[0108] 在存储器700中，被用于改变参考层的磁矩的自旋轨道相互作用通过电阻控制而得到辅助。在示出的实施方式中，电阻器735的电阻通过电阻选择晶体管736被控制。因此，电阻器735是可变电阻元件。电阻R1是相对于SO有源层720的电阻的高电阻。因此，
SO有源层720中的电流没有被分路通过电阻器735。这样，HSO1产生的自旋轨道扭矩仍然足以改变磁性结710的参考层的磁矩。对于比SO有源层720低的电阻器R2，自旋轨道电流JSO被分路通过电阻器R2。载荷子在层720的顶表面处的积累被减少。还减小了自旋轨道场
HSO2。因此，在R2上方产生的自旋轨道场没有足以改变磁性结710的参考层的磁矩。因此，磁存储器700利用磁性结710的电阻变化以选择其参考层的磁矩将被改变的磁性结710。
因此，磁存储器700可以被认为利用电阻变化来选择将被写入和/或读取的双磁性结。
SO有源层720中的电流没有被分路通过电阻器735。这样，HSO1产生的自旋轨道扭矩仍然足以改变磁性结710的参考层的磁矩。对于比SO有源层720低的电阻器R2，自旋轨道电流JSO被分路通过电阻器R2。载荷子在层720的顶表面处的积累被减少。还减小了自旋轨道场
HSO2。因此，在R2上方产生的自旋轨道场没有足以改变磁性结710的参考层的磁矩。因此，磁存储器700利用磁性结710的电阻变化以选择其参考层的磁矩将被改变的磁性结710。
因此，磁存储器700可以被认为利用电阻变化来选择将被写入和/或读取的双磁性结。
[0109] 磁存储器700享有磁存储器200、300、400、400'和500的益处。因为自旋轨道扭矩被用于改变参考层的磁矩，所以可以提高存储器700的性能。此外，可以利用电阻变化选择将被编程的期望的磁性结720。因此，可以提高存储器700的性能。
[0110] 图15描绘了采用磁性结710'的磁存储器700'的示例性实施方式，磁性结710'利用自旋轨道相互作用来改变参考层的磁矩。为了清楚，图15没有按比例绘制。磁存储器
700'类似于磁存储器200、300、400、400'和500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器700'包括类似于先前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层以及SO有源层的磁性结710'、选择器件718'、可选自旋扩散插入层730'以及SO有源层720'。虽然未
示出，但是磁性结710'包括类似于先前描述的数据存储/自由层、非磁性间隔层和参考层。
因此，部件710'和720'的结构和功能类似于上文所描述的。虽然SO有源层720'被描绘
为字线，但是在其他实施方式中可以使用其他构造。磁性结710'的磁性层的每个可以具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。需要注意，虽然HSO1和HSO2两个都在x-y平面中被示出，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
700'类似于磁存储器200、300、400、400'和500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器700'包括类似于先前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层以及SO有源层的磁性结710'、选择器件718'、可选自旋扩散插入层730'以及SO有源层720'。虽然未
示出，但是磁性结710'包括类似于先前描述的数据存储/自由层、非磁性间隔层和参考层。
因此，部件710'和720'的结构和功能类似于上文所描述的。虽然SO有源层720'被描绘
为字线，但是在其他实施方式中可以使用其他构造。磁性结710'的磁性层的每个可以具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。需要注意，虽然HSO1和HSO2两个都在x-y平面中被示出，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
[0111] 在存储器700'中，自旋轨道相互作用的转换通过使用加热器740加热SO有源层720'而得到辅助。加热器740通过加热器选择晶体管742来控制。当加热元件诸如加热器
1为静态时，SO有源层720'可以产生用于改变磁性结710'的参考层的磁矩的期望自旋轨
道场HSO1。然而，加热器2可以被驱动。SO有源层720'被加热，其增大SO诱导的自旋积累的弛豫并因此减小自旋轨道场HSO2。产生的自旋轨道场不足以改变磁性结710'的参考层的磁矩。因此，磁存储器700'利用SO有源层720'的加热来选择其参考层的磁矩被改变的磁
性结720'。磁性结720'可利用加热来使得它的参考层的磁矩改变。
1为静态时，SO有源层720'可以产生用于改变磁性结710'的参考层的磁矩的期望自旋轨
道场HSO1。然而，加热器2可以被驱动。SO有源层720'被加热，其增大SO诱导的自旋积累的弛豫并因此减小自旋轨道场HSO2。产生的自旋轨道场不足以改变磁性结710'的参考层的磁矩。因此，磁存储器700'利用SO有源层720'的加热来选择其参考层的磁矩被改变的磁
性结720'。磁性结720'可利用加热来使得它的参考层的磁矩改变。
[0112] 申请人还注意到，磁性结710'的自由层和/或参考层的磁矩的转换可以通过加热而得到改善。加热器740和/或驱动经过磁性结710'的加热电流可以加热磁性结710。结果，自由层的磁矩和/或参考层的磁矩可以更加热不稳定，因此更易于转换。因此，可以利用加热来辅助转换和参考层的磁矩改变。
[0113] 磁存储器700'享有磁存储器200、300、400、400'和500的益处。因为自旋轨道扭矩被用于改变参考层的磁矩，所以可以提高存储器700'的性能。此外，可以利用加热选择将被编程的期望的磁性结710'。因此，可以提高存储器700'的性能。
[0114] 图16描绘了采用磁性结710"的磁存储器700"的示例性实施方式，该磁性结710"利用自旋轨道相互作用来改变参考层的磁矩。为了清楚，图16没有按比例绘制。磁存储器
700"类似于磁存储器200、300、400、400'和500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器700"包括类似于先前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层以及SO有源层的磁性结710"、选择器件718"、可选自旋扩散插入层730"以及SO有源层720"。虽然未
示出，但是磁性结710"包括类似于先前描述的数据存储/自由层、非磁性间隔层和参考层。
因此，部件710"和720"的结构和功能类似于上文所描述的。虽然SO有源层720"被描绘
为字线，但是在其他实施方式中可以使用其他构造。磁性结710"的磁性层的每个可以具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。需要注意，虽然HSO1和HSO2两个都在x-y平面中被示出，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
700"类似于磁存储器200、300、400、400'和500。因此，相似的部件具有相似的标示。因此，磁存储器700"包括类似于先前描述的磁性结、选择器件、自旋扩散插入层以及SO有源层的磁性结710"、选择器件718"、可选自旋扩散插入层730"以及SO有源层720"。虽然未
示出，但是磁性结710"包括类似于先前描述的数据存储/自由层、非磁性间隔层和参考层。
因此，部件710"和720"的结构和功能类似于上文所描述的。虽然SO有源层720"被描绘
为字线，但是在其他实施方式中可以使用其他构造。磁性结710"的磁性层的每个可以具有平面内或垂直于平面的易磁化轴。需要注意，虽然HSO1和HSO2两个都在x-y平面中被示出，但是在另一实施方式中，场HSO1和HSO2可以在包括垂直于平面的另一方向上。
[0115] 在存储器700"中，自旋轨道相互作用对磁矩的改变通过自旋轨道电流在磁性结710"的区域中的浓度而得到辅助。在示出的实施方式中，SO有源层720"的厚度（在z方向上）被限制在磁性结710"的区域中。在其他实施方式中，宽度（在y方向上）或者厚度和宽度两者可以被限制，使得SO有源层720"的截面积在磁性结710"的区域中被减小。结果，
自旋轨道电流可以聚集于这些区域中并且关于给定的电流能够施加更大的自旋轨道扭矩。
自旋轨道电流可以聚集于这些区域中并且关于给定的电流能够施加更大的自旋轨道扭矩。
[0116] 磁存储器700"享有磁存储器200、300、400、400'和500的益处。因为自旋轨道扭矩被用于改变参考层的磁矩，所以可以提高存储器700"的性能。此外，可以利用加热选择将被编程的期望的磁性结710"。因此，可以提高存储器700"的性能。
[0117] 申请人还注意到，在存储器700、700'和700"的任一个中，分别最靠近SO有源层720、720'和720"的参考层的各向异性可以是可改变的。例如，参考层的各向异性可以通过施加到参考层的电压而被改变。在这样的实施方式中，通过施加控制电压到磁性结
710/710'/710"，可以选择参考层的磁矩改变的磁性结710/710'/710"。此外，此控制电压可以被用于其他存储器，包括但不限于存储器200、300、400、400'、500、550、550'、550"、550"'和/或600。
710/710'/710"，可以选择参考层的磁矩改变的磁性结710/710'/710"。此外，此控制电压可以被用于其他存储器，包括但不限于存储器200、300、400、400'、500、550、550'、550"、550"'和/或600。
[0118] 图17是流程图，描绘了用于提供磁存储器的方法800的示例性实施方式，该磁存储器具有利用自旋轨道相互作用转换的磁性结。为简单起见，一些步骤可以被省略、组合和/或交替。方法800在磁存储器200的情况下被描述。然而，方法800可以被用于提供其他磁存储器，包括但不限于磁存储器300、400、400'、500、550、550'、550"、550"'、600、700、
700'和/或700"。
700'和/或700"。
[0119] 通过步骤802，提供SO有源层230。在一些实施方式中，步骤804包括提供适于自旋霍耳效应的层。在其他实施方式中，提供适于Rashba效应的层。在其他实施方式中，提供的SO有源层可以采用自旋霍耳效应和Rashba效应的组合。还可以提供其他自旋轨道相互作用机制。步骤804还可以包括图案化SO有源层。通过步骤804可选地提供自旋扩散
层（在磁存储器200中未示出）。如果提供了自旋扩散层，则自旋扩散层位于SO有源层120和磁性结110之间。
层（在磁存储器200中未示出）。如果提供了自旋扩散层，则自旋扩散层位于SO有源层120和磁性结110之间。
[0120] 通过步骤806提供双磁性结210。在一些实施方式中，步骤806包括提供第一参考层212、第一非磁性间隔层214、自由层216、第二非磁性层诸如隧穿势垒层208以及第二参考层220。于是，可以完成磁存储器200的制造。因此，使用方法800，可以实现磁存储器
200、300、400、400'和/或500中的一个或多个的益处。
200、300、400、400'和/或500中的一个或多个的益处。
[0121] 图18是流程图，描绘了对于利用自旋轨道相互作用转换的磁性结编程的方法850的示例性实施方式。方法850可以被用于存储器200、300、400、400'和/或500中的一个或多个。为简单起见，一些步骤可以被省略、组合和/或交替。方法850在磁存储器100的情况下被描述。然而，方法850可以被用于其他磁性结，包括但不限于磁性结200、300、400、
400'、500、550、550'、550"、550"'、600、700、700'和/或700"。
400'、500、550、550'、550"、550"'、600、700、700'和/或700"。
[0122] 通过步骤852施加了平面内自旋轨道写入电流。自旋轨道写入电流可以以脉冲施加。如果参考层212和220被期望为在双态和反双态之间转换，脉冲的幅值和持续时间可以足够转换磁矩213的方向。例如，这种脉冲可以被用于存储器500。在其他实施方式中，脉冲扰动幅值和持续时间足够使得参考层212的磁矩213倾斜并且允许产生的杂散场将自
由层216的磁矩217从临界点扰动。
由层216的磁矩217从临界点扰动。
[0123] 通过步骤854，自旋转移扭矩写入电流被驱动经过磁性结210。在步骤854中的电流也可以以脉冲施加，如上所述。在步骤854中施加的电流脉冲可以被期望为相对于在步骤852中驱动的自旋轨道电流而被定时，使得自由层216在脉冲开始时或者在脉冲开始之前没有处于临界。在其他实施方式中，定时可以是不同的。因此，利用步骤852和854可以完成单元的写入。
[0124] 另外，将被写入的磁性结210可以通过步骤856来选择。例如，自旋转移扭矩、磁性结110的加热、在SO有源层230上方的电阻控制、SO有源层230的加热、上述的一些组合和/或其他机制可以被用于选择将被写入的单元。步骤856也可以与步骤852基本上同
时执行。因此，磁存储器200中的期望的磁性结210可以被编程。需要注意的是，通过驱动读取电流经过磁性结210并且确定磁性结210处于高阻态或低阻态，可以读取磁性结210。
作为读取的一部分，磁性结可以从参考层的双态被转换为反双态。
时执行。因此，磁存储器200中的期望的磁性结210可以被编程。需要注意的是，通过驱动读取电流经过磁性结210并且确定磁性结210处于高阻态或低阻态，可以读取磁性结210。
作为读取的一部分，磁性结可以从参考层的双态被转换为反双态。
[0125] 因此，使用方法850，可以将磁存储器200、300、400、400'和/或500编程。因此，可以实现磁存储器200、300、400、400'和/或500的益处。
[0126] 已经描述了用于提供双磁性结和使用该双磁性结制造的存储器的方法和系统。在磁存储器200、300、400、400'、500、550、550'、550"、550"'、600、700、700'和/或700"中的特征的各种组合可以被结合。所述方法和系统已经根据示出的示例性实施方式来描述，本领域的普通技术人员将容易地认识到可以对实施方式进行变化，任意变化将在所述方法和系统的精神和范围内。因此，本领域的普通技术人员可以作出许多修改而没有脱离权利要求的精神和范围。
[0127] 本申请要求于2013年3月14日提交的名称为“METHOD AND SYSTEM FORPROVIDING INTERACTION-BASED SWITCHING AND MEMOREIS UTILIZING THE DUAL MAGNETIC TUNNELING JUNCTIONS”的美国临时专利申请No.61/785,682的优先权，其通过引用结合
于此。此外，本申请要求于2013年3月27日提交的名称为“METHOD AND SYSTEM FOR
PROVIDING AMAGNETIC TUNNELING JUNCTION USING SPIN-ORBIT INTERACTION BASED
SWITCHING AND MEMORIES UTILIZING THE MAGNETIC TUNNELING JUNCTION”的美国专利申请No.13/851,591的优先权，其通过引用结合于此。
于此。此外，本申请要求于2013年3月27日提交的名称为“METHOD AND SYSTEM FOR
PROVIDING AMAGNETIC TUNNELING JUNCTION USING SPIN-ORBIT INTERACTION BASED
SWITCHING AND MEMORIES UTILIZING THE MAGNETIC TUNNELING JUNCTION”的美国专利申请No.13/851,591的优先权，其通过引用结合于此。
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