阅读说明：本技术 用于低温操作的金属磁性存储器装置及其操作方法 (Metal magnetic memory device for low temperature operation and method of operating the same ) 是由 Q.乐 Z.李 Z.白 P.冯德海杰登 M.霍 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：一种MRAM装置包含自旋阀,其含有具有固定磁化方向的参考层、自由层,以及位于所述参考层和所述自由层之间的非磁性金属屏障层；金属辅助结构,其配置成在编程期间向所述自由层提供旋转自旋转移力矩来辅助所述自由层切换；以及第一非磁性金属间隔物层,其位于所述自由层和所述金属辅助结构之间。(An MRAM device includes a spin valve containing a reference layer having a fixed magnetization direction, a free layer, and a non-magnetic metal barrier layer between the reference layer and the free layer; a metal assist structure configured to provide a rotational spin transfer torque to the free layer during programming to assist the free layer switching; and a first nonmagnetic metal spacer layer between the free layer and the metal assist structure.)

用于低温操作的金属磁性存储器装置及其操作方法

相关申请

本申请要求2018年12月6日提交的第16/212,132号美国非临时专利申请的优先权，所述非临时专利申请的整个内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及磁性存储器装置的领域，且确切地说涉及金属磁性存储器装置，例如具有至少一个辅助层的磁阻随机存取存储器(MRAM)装置；及其操作方法。

背景技术

自旋转移力矩(STT)指代磁性隧道结或自旋阀中的磁性层的定向通过自旋偏振电流而修改的效应。通常，电流在具有随机自旋定向的电子的情况下未偏振。自旋偏振电流是其中电子归因于优先自旋定向分布而具有净非零自旋的电流。可通过使电流经过磁性偏振器层来产生自旋偏振电流。当自旋偏振电流流经磁性隧道结或自旋阀的自由层时，自旋偏振电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，借此产生使自由层磁化的力矩。当足够量的自旋偏振电流通过自由层时，可采用自旋转移力矩使自由层中的自旋定向翻转(例如，改变磁化)。可采用自由层的不同磁化状态之间的磁性隧道结的电阻差将数据存储在磁阻随机存取存储器(MRAM)单元内，这取决于自由层的磁化与参考层的磁化平行还是反平行。

发明内容

根据本公开的一方面，一种MRAM装置包含：自旋阀，其含有具有固定磁化方向的参考层、自由层，以及定位于参考层和自由层之间的非磁性金属屏障层；金属辅助结构，其配置成将旋转自旋转移力矩提供到自由层以辅助自由层在编程期间切换；以及第一非磁性金属间隔物层，其定位于自由层和金属辅助结构之间。

根据本公开的另一方面，一种自旋轨道力矩存储器装置包括：自旋阀，其包括具有固定磁化方向的参考层、自由层，以及定位于参考层和自由层的第一表面之间的非磁性金属屏障层；金属线，其接触自由层的第二表面，其中所述金属线基本上由具有72到79的原子数的至少一个元素金属组成；第一电极，其电连接到金属线的第一端且电连接到第一晶体管；第二电极，其电连接到金属线的第二端，其中自由层的第二表面在第一电极和第二电极之间接触金属线；第三电极，其电连接到参考层且电连接到第二晶体管；以及编程控制器，其配置成控制第一晶体管和第二晶体管以提供用于自由层的磁化的两步编程过程。所述两步编程过程包括：第一编程脉冲施加步骤，其中接通第一晶体管且关断第二晶体管，且第一电流在第一电极和第二电极之间流经金属线；以及第二编程脉冲施加步骤，其中接通第二晶体管且关断第一晶体管，且第二电流在第三电极和第二电极之间流经自旋阀。

根据本公开的另一方面，一种对自旋轨道力矩存储器装置进行编程的方法，所述自旋轨道力矩存储器装置包括：自旋阀，其包括具有固定磁化方向的参考层、自由层，以及定位于参考层和自由层的第一表面之间的非磁性金属屏障层；金属线，其接触自由层的第二表面；第一电极，其电连接到金属线的第一端；第二电极，其电连接到金属线的第二端；以及第三电极，其电连接到参考层，所述方法包括在第一和第二电极之间施加第一编程脉冲使得第一电流在第一电极和第二电极之间流经金属线；以及在第二和第三电极之间施加第二编程脉冲使得第二电流在第三电极和第二电极之间流经自旋阀。所述方法在低于77开氏度的温度下执行。

附图说明

图1是在阵列配置中包含本公开的磁阻存储器单元的存储器装置的示意图。

图2A示出根据本公开的第一实施例的第一示例性STT MRAM单元的第一配置。

图2B示出根据本公开的第一实施例的第一示例性STT MRAM单元的第二配置。

图2C示出根据本公开的第一实施例的第一示例性STT MRAM单元的第三配置。

图2D示出根据本公开的第一实施例的第一示例性STT MRAM单元的第四配置。

图3A示出根据本公开的第二实施例的第二示例性STT MRAM单元的第一配置。

图3B示出根据本公开的第二实施例的第二示例性STT MRAM单元的第二配置。

图3C示出根据本公开的第二实施例的第二示例性STT MRAM单元的第三配置。

图3D示出根据本公开的第二实施例的第二示例性STT MRAM单元的第四配置。

图4A示出根据本公开的第三实施例的第三示例性STT MRAM单元的第一配置。

图4B示出根据本公开的第三实施例的第三示例性STT MRAM单元的第二配置。

图4C示出根据本公开的第三实施例的第三示例性STT MRAM单元的第三配置。

图4D示出根据本公开的第三实施例的第三示例性STT MRAM单元的第四配置。

图5A示出根据本公开的第四实施例的示例性SOT MRAM单元的编程操作的第一步骤。

图5B示出根据本公开的第四实施例的示例性SOT MRAM单元的编程操作的第二步骤。

图5C示出根据本公开的第四实施例的示例性SOT MRAM单元的读取操作。

图6示出根据本公开的第四实施例的示例性SOT MRAM单元内的自由层和金属线之间的接触区域。

具体实施方式

量子计算预计提供比常规计算优良的性能。然而，量子计算归因于其对操作条件(确切地说，温度)的特定要求而呈现独特特性和挑战。通常，量子计算装置将需要在极低温度的低温(例如，低于77开氏度，比如低于10开氏度)下操作。与垂直磁性隧道结(pMTJ)型STT MRAM装置相关联的一个关键挑战是，参考层和自由层磁化两者沿着垂直于堆叠平面的方向。因此，自由层的切换期间的初始力矩接近零。在常规pMTJ STT-MRAM中，用于自由层切换的初始“反冲”来自热波动引发的随机有效场。对于低温下的量子计算环境，此热随机场接近零，从而使自由层切换困难得多。因此，用于引起低温下从平行状态到反平行状态或从反平行状态到平行状态的过渡的电流的量值大于所要量值(例如，大于在室温下引起相同过渡所需的电流的量值)。特定针对量子计算环境中的MRAM装置的其它所期望特性包含针对自由层的小得多的垂直各向异性，以及针对MRAM元件的小得多的电阻，这对通常归因于定位于自由层和参考层之间的电绝缘隧穿层(例如，MgO)而具有高得多的电阻的pMTJ MRAM装置进一步施加约束。

本公开的实施例提供MRAM装置，例如适于低温操作(例如，低于77开氏度的温度，比如低于10开氏度)的STT和/或MRAM装置。在一个实施例中，每一MRAM单元含有仅金属层的堆叠，且不包含例如MgO等任何电绝缘层。如本文中所使用，术语“金属”意味着导电且包括纯金属或金属合金的层。导电层缺乏半导体和电绝缘层中通常所见的价带和导带之间的带隙。因此，MRAM单元缺乏隧穿层，例如MgO(即，MRAM单元不是MTJ单元)，而是包含非磁性金属间隔物层，例如Cu金属或AgSn金属合金。金属层提供长自旋扩散长度和低电阻率，以提供偏振自旋电流和自旋力矩，同时保持MRAM单元层堆叠的总电阻为低(例如<10欧姆，比如0.1到9欧姆)。

在一个实施例中，MRAM单元包含辅助结构，其可将旋转自旋转移力矩提供到自由层以辅助自由层在写入过程期间切换。在一个实施例中，这不仅将解决归因于低温的零初始力矩问题，而且来自辅助结构的旋转STT还可在整个切换过程中将力矩提供到自由层，因此使辅助效应最大化。

在一些实施例中，可针对例如量子计算应用等任何合适的应用在低温下使用金属MRAM单元。自由层的有效各向异性比典型pMTJ STT-MRAM的有效各向异性低得多(例如，低10倍以上)。这因非常低的低温操作温度(因此低得多的k_BT项)而成为可能，这使得维持用于数据保持的相同热稳定性因数所需的各向异性低得多。这还进一步减小所需的开关电流。

图式未按比例绘制。除非明确地描述或以其它方式清楚地指示不存在元件的重复，否则在说明元件的单个例项的情况下，可重复元件的多个例项。相同参考标号指代相同元件或类似元件。除非另外明确地陈述，否则推测具有相同参考标号的元件具有相同的材料组成。例如“第一”、“第二”及“第三”等序数仅用以识别类似元件，且不同序数可跨越本公开的说明书和权利要求书来采用。如本文中所使用，位于第二元件“上”的第一元件可以位于第二元件的表面的外侧上或第二元件的内侧上。如本文中所使用，如果第一元件的表面与第二元件的表面之间存在物理接触，那么第一元件“直接”位于第二元件“上”。如本文所使用，“工艺内结构”或“临时”结构指代随后被修改的结构。如本文中所使用，“层”指代包含具有厚度的区的材料部分。层可以在整个下伏或上覆结构上方延伸，或可具有小于下伏或上覆结构的范围的范围。另外，层可以是厚度小于连续结构的厚度的均质或非均质连续结构的区。举例来说，层可定位于在连续结构的顶部表面与底部表面之间或在连续结构的顶部表面和底部表面处的任何对水平平面之间。层可水平地、竖直地和/或沿着锥形表面延伸。衬底可以是层，可在其中包含一个或多个层，和/或可在其上、其上方和/或其下方具有一个或多个层。

如本文中所使用，“层堆叠”指代层的堆叠。如本文中所使用，“线”或“线型结构”指代具有主导延伸方向(即，具有层延伸最多所沿的方向)的层。

如本文中所使用，“场效应晶体管”指代具有半导体通道的任何半导体装置，电流以由外部电场调制的电流密度流过所述半导体通道。如本文中所使用，“有源区”指代场效应晶体管的源极区或场效应晶体管的漏极区。“顶部有源区”指代场效应晶体管的位于场效应晶体管的另一有源区上方的有源区。“底部有源区”指代场效应晶体管的位于场效应晶体管的另一有源区下方的有源区。

如本文中所使用，“半导性材料”是指具有1.0×10^-6S/cm到1.0×10⁵S/cm的范围内的电导率的材料。如本文中所使用，“半导体材料”指代在其中不存在电掺杂剂的情况下具有1.0×10^-6S/cm到1.0×10⁵S/cm的范围内的电导率的材料，且其能够在与电掺杂剂合适地掺杂后产生具有1.0S/cm到1.0×10⁵S/cm的范围内的电导率的掺杂材料。如本文中所使用，“电掺杂剂”指代将空穴添加到能带结构内的价带的p型掺杂剂，或将电子添加到能带结构内的导带的n型掺杂剂。如本文中所使用，“导电材料”是指具有大于1.0×10⁵S/cm的电导率的材料。如本文中所使用，“绝缘体材料”或“电介质材料”是指具有小于1.0×10^-6S/cm的电导率的材料。如本文中所使用，“重度掺杂半导体材料”是指以足够高的原子浓度与电掺杂剂掺杂以变为导电材料(即，具有大于1.0×10⁵S/cm的电导率)的半导体材料。“掺杂半导体材料”可以是重度掺杂半导体材料，或可以是包含提供1.0×10^-6S/cm到1.0×10⁵S/cm范围内的电导率的浓度下的电掺杂剂(即，p型掺杂剂和/或n型掺杂剂)的半导体材料。“本征半导体材料”指代并不掺杂有电掺杂剂的半导体材料。因此，半导体材料可为半导性或传导性的，且可为本征半导体材料或掺杂半导体材料。掺杂半导体材料可取决于其中的电掺杂剂的原子浓度而是半导性或传导性的。如本文中所使用，“金属材料”是指其中包含至少一种金属元素的导电材料。针对电导率的所有测量均在标准条件下进行。

参看图1，展示在阵列配置中包含本公开的实施例的存储器单元180的磁性存储器装置的示意图。磁性存储器装置可配置成含有MRAM单元180的MRAM装置500。如本文中所使用，“MRAM装置”指代含有允许随机存取的单元的存储器装置，所述随机存取例如在用于读取选定存储器单元的内容的命令后对任何选定存储器单元的存取。

本公开的实施例的MRAM装置500包含含有位于相应字线(其可包括如所示出的导电线30，或作为替代配置中的第二导电线90)和位线(其可包括如所示出的第二导电线90，或作为替代配置中的第一导电线30)的相交点处的相应MRAM单元180的阵列的存储器阵列区550。MRAM装置500还可含有连接到字线的行解码器560、连接到位线的感测电路570(例如，感测放大器和其它位线控制电路)、连接到位线的列解码器580，以及连接到感测电路的数据缓冲器590。MRAM单元180的多个例项提供于形成MRAM装置500的阵列配置中。如此，MRAM单元180中的每一个可以是包含相应第一电极和相应第二电极的二端子装置。应注意，元件的位置和互连是示意性的且元件可以不同配置布置。此外，MRAM单元180可制造为离散装置，即，单个隔离的装置。

每一MRAM单元180包含取决于不同磁性材料层的磁化的对准而具有至少两个不同电阻状态的磁性自旋阀。磁性自旋阀设置于每一MRAM单元180内的第一电极和第二电极之间。MRAM单元180的配置在后续章节中详细地描述。

参看图2A，示意性地示出根据第一实施例的第一示例性STT MRAM单元180的第一配置。STT MRAM单元180包含自旋阀140。自旋阀140包含具有固定竖直磁化的参考层132、定位参考层132和自由层136之间的非磁性金属屏障层134。在一个实施例中，参考层132位于非磁性金属屏障层134下方，而自由层136位于非磁性非磁性屏障层134上方。然而，在其它实施例中，参考层132位于非磁性屏障层134上方，而自由层136位于非磁性屏障层134下方，或参考层132和自由层136可位于非磁性屏障层134的相对横向侧上。在一个实施例中，参考层132和自由层136具有相应的正单轴磁各向异性。

通常，磁性薄膜具有每单位体积的磁性能量，其取决于磁性薄膜的磁性材料的磁化的定向。每单位体积的磁性能量可通过磁化方向和垂直于磁性薄膜的平面(例如磁性薄膜的顶部表面或底部表面)的竖直轴线之间的角度θ(或sin²θ)及磁化方向和垂直于磁性薄膜的平面的固定竖直平面之间的方位角φ来近似。作为sin²θ的函数的每单位体积的磁性能量的第一和第二阶项包含K₁sin²θ+K₂sin⁴θ。当K₁为负且K₂小于-K₁/2时，函数K₁sin²θ+K₂sin⁴θ具有最小值，此时θ处于π/2。如果作为θ的函数的磁各向异性能量仅在θ处于π/2时具有最小值，则磁性膜的磁化完全在膜的平面内，且膜被称为具有“负磁各向异性”。如果作为θ的函数的磁各向异性能量仅在θ处于0或π时具有最小值，则磁性膜的磁化垂直于膜的平面，且膜被称为具有“正磁各向异性”。具有正磁各向异性的薄晶体磁性膜的磁化垂直于薄晶体磁性膜的平面，即，垂直于薄晶体磁性膜横向延伸所沿的两个方向。具有负磁各向异性的薄晶体磁性膜的磁化在薄晶体磁性膜的平面内，即，平行于薄晶体磁性膜横向延伸所沿的所述两个方向。

其中参考层132和自由层136具有相应正单轴磁各向异性的配置为自由层136提供双稳磁化状态。双稳磁化状态包含平行状态，其中自由层136的磁化(例如，磁化方向)平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)；以及反平行状态，其中自由层136的磁化(例如，磁化方向)反平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)。

参考层132可包含Co/Ni或Co/Pt多层结构。参考层132可另外包含由钽构成的厚度为0.2nm～0.5nm的薄非磁性层，和薄CoFeB层(厚度在0.5nm到2nm的范围内)。非磁性金属屏障层134可包含例如Cu、Ag、AgSn、Cr、Ru、Ta、TaN和CuN等金属屏障材料。非磁性金属屏障层134的厚度可为0.7nm到1.3nm，例如约1nm。自由层136可包含呈提供正单轴磁各向异性的组成的Fe、Co和/或Ni中的一个或多个的合金(例如CoFeB)。

在一个实施例中，参考层132可提供为合成反铁磁结构(SAF结构)120内的组件。SAF结构120可包含参考层132、具有反平行于固定竖直磁化的磁化的固定铁磁层112，以及位于参考层132和固定铁磁层112之间的反铁磁耦合层114，其朝向与朝向非磁性屏障层134的参考层132的第二侧相对的参考层132的第一侧。反铁磁耦合层114的厚度引发参考层132和固定铁磁层112之间的反铁磁耦合。换句话说，反铁磁耦合层114可锁定在参考层132的磁化和固定铁磁层112的磁化之间的反铁磁对准中以将参考层132的磁化和固定铁磁层112的磁化锁定在适当位置。在一个实施例中，反铁磁耦合层可包含钌，且可具有在0.3nm到1nm的范围内的厚度。

第一非磁性金属间隔物层150提供在与朝向非磁性金属屏障层134的自由层136的第一侧相对的自由层136的第二侧上方。第一非磁性金属间隔物层150包含例如Cu、Ag、AgSn、Cr、Ta、Ru、TaN或CuN等非磁性金属材料。在一个实施例中，第一非磁性金属间隔物层150可包含导电金属材料。第一非磁性金属间隔物层150的厚度可在0.2nm到2nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。

负磁各向异性辅助层160可提供在第一非磁性金属间隔物层150上方以及自由层136的第二侧上方。负磁各向异性辅助层160可具有负磁各向异性，其具有充分负K₁值以为负磁各向异性辅助层160提供平面内磁化。所述平面内磁化是垂直于参考层132的固定竖直磁化的定位于图2A中的水平平面内的磁化。

在一个实施例中，难磁化轴平行于垂直于负磁各向异性辅助层160的主表面的方向(即，所述轴线垂直于层160的平面且平行于参考层132的固定竖直磁化)，而易磁化平面平行于负磁各向异性辅助层160的平面(即，易磁化平面垂直于图2A中的参考层132的固定竖直磁化)。在一个实施例中，在负磁各向异性辅助层160的平面(即，易磁化平面)内，不存在易轴方向。负磁各向异性辅助层160经由第一非磁性间隔物层150与自由层136自旋耦合。

在一个实施例中，与室温下的热能(即，k_BT，其中k_B为玻尔兹曼常数，且T为297.15开尔文(其为室温))相比，负磁各向异性辅助层160的磁各向异性的方位相依分量可为零或不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性的最大变化可小于室温下的热能的1/2倍。在此些情况下，在施加电流穿过负磁各向异性辅助层160后，负磁各向异性辅助层160的磁化在平行于第一非磁性金属间隔物层150和负磁各向异性辅助层160之间的介面的水平平面内自由进动。在一个实施例中，负磁各向异性辅助层160的磁性能量可在水平平面内负磁各向异性辅助层160的磁化旋转的条件下不变。

在一个实施例中，负磁各向异性辅助层160包括均质负磁各向异性材料。如本文中所使用，“均质”材料指代始终具有均匀的材料组成的材料。在一个实施例中，负磁各向异性辅助层160包括钴-铱合金，和/或基本上由钴-铱合金组成。钴-铱合金的材料组成可选择为提供负磁各向异性。在一个实施例中，钴-铱合金可包含在60％到98％的范围内(例如，70％到90％，比如80％)的原子浓度下的钴原子，以及在40％到2％的范围内(例如，30％到10％，比如20％)的原子浓度下的铱原子。在一个实施例中，钴-铱合金仅含有钴、铱和不可避免的杂质。在另一实施例中，除钴和铱之外的元素的多达5原子％可添加到合金。在说明性实例中，具有组成Co_0.8Ir_0.2的钴-铱合金的K₁值为约-0.6x10⁶J/m³。在另一实施例中，负磁各向异性辅助层160包括钴-铁合金，和/或基本上由钴-铁合金组成。钴-铁合金的材料组成可选择为提供负磁各向异性。在一个实施例中，钴-铁合金可包含在80％到99.8％的范围内(例如，90％到99.5％，比如99％)的原子浓度下的钴原子，以及在20％到0.2％的范围内(例如，10％到0.5％，比如1％)的原子浓度下的铁原子。在说明性实例中，具有组成Co_0.99Fe_0.1的钴-铁合金的K₁值为约-0.99x10⁶J/m³。负磁各向异性辅助层160的厚度可在1nm到10nm的范围内，例如1.5nm到6nm，但是也可采用更小和更大的厚度。

在一个实施例中，非磁性顶盖层170可位于负磁各向异性辅助层160上方。非磁性顶盖层170可包含非磁性导电(例如，金属)材料，例如W、Ti、Ta、WN、TiN、TaN、Ru和Cu。非磁性顶盖层170的厚度可在1nm到20nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。

包含从SAF结构120到非磁性顶盖层170的材料层的层堆叠可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性顶盖层170或从非磁性顶盖层170朝向SAF结构120。层堆叠可形成为连续层的堆叠，并且可随后图案化为每一MRAM单元180的离散图案化层堆叠。

MRAM单元180可包含电连接到或包括位线90(图1中展示)的一部分的第一端子92，以及电连接到或包括字线30(图1中展示)的一部分的第二端子32。第一和第二端子的位置可切换使得第一端子电连接到SAF结构120，且第二端子电连接到顶盖层170。

可选地，每一MRAM单元180可包含专用转向装置，例如存取晶体管或二极管，其配置成在将合适的电压施加到转向装置后激活相应的离散图案化层堆叠(120、140、150、160、170)。转向装置可电连接在图案化层堆叠和相应MRAM单元180的相应字线30或位线90中的一个之间。

在一个实施例中，施加到第一端子92的电压的极性可取决于自由层136中待编程的磁化状态的极性而改变。举例来说，第一极性的电压可在从反平行状态到平行状态的过渡期间施加到第一端子92(相对于第二端子32)，且第二极性(其与第一极性相反)的电压可在从平行状态到反平行状态的过渡期间施加到第一端子92。此外，本文还涵盖用于激活离散图案化层堆叠(120、140、150、160、170)的电路中的变化。

可通过使电流流经离散图案化层堆叠(120、140、150、160、170)使自由层136的磁化方向翻转(即，从向上到向下，或反之亦然)。自由层136的磁化可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)进动，直至磁化方向翻转180度，此时电流的流动停止。在一个实施例中，负磁各向异性辅助层160的磁化可在电流流经离散图案化层堆叠(120、140、150、160、170)的同时围绕平行于参考层132的固定磁化方向的竖直轴线自由旋转。此配置允许负磁各向异性辅助层160在起始电流穿过MRAM单元180的流动后在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非零力矩。

在一个实施例中，MRAM单元180可配置成在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动期间提供负磁各向异性辅助层160的平面内磁化和自由层136的磁化之间的耦合，且在电流流经MRAM单元180的同时提供负磁各向异性辅助层160的平面内磁化与自由层136的磁化的同步进动。

归因于负磁各向异性，在一个实施例中，负磁各向异性辅助层160的平面内磁化可向自由层提供初始力矩以促进起始自由层136的切换。一旦自由层136进动开始，自由层136就可向负磁各向异性辅助层160提供自旋力矩以致使负磁各向异性辅助层160磁化也进动。此负磁各向异性辅助层160进动可继而进一步辅助自由层136的切换。具有平面内易磁化平面但缺乏固定易轴方向的实施例负磁各向异性辅助层160比其中辅助层的磁化方向(例如，易轴)为固定的现有技术辅助层更高效。

参看图2B，第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置可从图2A的第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第一配置导出，方式是用包含多层堆叠(262、264)的负磁各向异性辅助层260替换具有均质材料组成的负磁各向异性辅助层160。多层堆叠(262、264)可包含第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的多个重复。第一磁性材料层262可包含第一磁性材料，和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层264可包含第二磁性材料，和/或可基本上由第二磁性材料组成。

每一第一磁性材料层262的组成和厚度以及每一第二磁性材料层264的组成和厚度可选择为使得多层堆叠(262、264)提供平面内磁化，即，垂直于参考层132的固定磁化方向的磁化(即，垂直于参考层132的固定磁化方向而无易磁化轴的易磁化平面)。负磁各向异性辅助层260可具有负磁各向异性，其具有充分负的K₁值以为负磁各向异性辅助层260提供平面内磁化。

在一个实施例中，与室温下的热能相比，负磁各向异性辅助层260的磁各向异性的方位相依分量可为零或不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性的最大变化可小于室温下的热能的1/2倍。在此些情况下，在施加电流穿过负磁各向异性辅助层260后，负磁各向异性辅助层260的磁化在平行于第一非磁性间隔物层150和负磁各向异性辅助层260之间的介面的平面内自由进动。在一个实施例中，负磁各向异性辅助层260的磁性能量可在水平平面内负磁各向异性辅助层260的磁化旋转的条件下不变。

在一个实施例中，第一磁性材料层262包括钴，且第二磁性材料层264包括铁。在一个实施例中，第一磁性材料层262基本上由钴组成，且第二磁性材料层264基本上由铁组成。每一第一磁性材料层262的厚度可在0.3nm到1nm的范围内，且每一第二磁性材料层264的厚度可在0.3nm到1nm的范围内。负磁各向异性辅助层260内的重复的总数目(即，第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的对的总数目)可在2到20的范围内，例如4到10。在一个实施例中，多层堆叠(262、264)包括包含第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的单位层堆叠的周期性重复。在说明性实例中，包含由具有相同厚度的钴层和铁层组成的单位层堆叠的重复的钴-铁多层堆叠可具有约-1.1x10⁶J/m³的K1值。

参看图2C，第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置可从图2A的第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第一配置导出，方式是在负磁各向异性辅助层160和非磁性顶盖层170之间插入第二非磁性金属间隔物层190和钉扎磁化层192。

第二非磁性金属间隔物层190可位于负磁各向异性辅助层160上，在与第一非磁性金属间隔物层150相对的侧上。第二非磁性金属间隔物层190包含例如Cu、Ag、AgSn、Cr、Ru、Ta、TaN或CuN等非磁性金属材料。在一个实施例中，第二非磁性金属间隔物层190可包含导电(例如，金属)材料。第二非磁性金属间隔物层190的厚度可在0.2nm到2nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。第二非磁性金属间隔物层190可包含与第一非磁性金属间隔物层150的材料相同的材料，或可包含不同于第一非磁性金属间隔物层150的材料的材料。

钉扎磁化层192是具有正单轴磁各向异性的磁性层。换句话说，K₁的值为正且项K₁sin²θ以钉扎磁化层192的材料的每体积磁各向异性能量计主导所有其它高阶项和取决于sin(nφ)(或cos(nφ))的项。钉扎磁化层192的正单轴磁各向异性提供平行或反平行于参考层132的固定竖直磁化的磁化。在一个实施例中，钉扎磁化层192的K₁的值可大于自由层136的K₁的值，使得钉扎磁化层192的磁化在MRAM单元180的编程期间沿着竖直方向(即，垂直于离散图案化层堆叠(120、140、150、160、190、192、170)的各层之间的介面)保持钉扎。钉扎磁化层192的磁化可保持平行或反平行于参考层132的磁化。

在一个实施例中，钉扎磁化层192可包含Co/Ni或Co/Pt多层结构。钉扎磁化层192可另外包含由钽构成的厚度为0.2nm～0.5nm的薄非磁性层，和薄CoFeB层(厚度在0.5nm到2nm的范围内)。钉扎磁化层192可致使负磁各向异性辅助层160的平面内磁化振荡。负磁各向异性辅助层160的平面内磁化的振荡可在编程期间产生自由层136的磁化上的旋转自旋力矩，且因此可有助于在较低电流经过离散图案化层堆叠(120、140、150、160、190、192、170)的情况下自由层136的磁化的切换。在一个实施例中，钉扎磁化层192和负磁各向异性辅助层160的磁化的组合对自由层136的磁化施加非水平且非竖直磁场(即，既不平行于也不垂直于参考层132的磁化方向的场)，以减小在自由层136的磁化的切换期间穿过离散图案化层堆叠(120、140、150、160、190、192、170)的所需电流的量值。

参看图2D，第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置可从图2A的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置导出，方式是用含有上文关于图2B所描述的包含第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的多个重复的多层堆叠(262、264)的负磁各向异性辅助层260替换具有均质材料组成的负磁各向异性辅助层160。

参看图1-2D中示出的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的所有配置，可个别地编程和读取示例性自旋转移力矩MRAM单元180。可通过跨选定离散图案化层堆叠{120、140、150、(160或260)、170}或{120、140、150、(160或260)、(190、192)、170}的第一端子92和第二端子32施加读取偏置电压来执行读取(即，感测)自由层136的磁化状态。自由层136和参考层132的磁化之间的平行或反平行对准确定每一MRAM单元180中的选定离散图案化层堆叠的电阻，且因此确定在第一端子92和第二端子32之间流动的电流的量值。电流的量值可被感测以确定自由层136的磁化状态和由检测到的磁化状态编码的数据。

可通过使电流流经选定的离散图案化层堆叠{120、140、150、(160或260)、170}或{120、140、150、(160或260)、(190、192)、170}且通过引发自由层136的磁化方向的翻转(即，切换)来执行第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180到自由层136的相对磁化状态的编程。确切地说，可使电流流经包含自旋阀140、第一非磁性金属间隔物层150和负磁各向异性辅助层(160或260)的选定的离散图案化层堆叠。在起始电流流经自旋阀140、第一非磁性金属间隔物层150和负磁各向异性辅助层(160或260)后，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动的初始阶段期间，负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化向自由层136的磁化提供初始非零力矩。

在一个实施例中，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动期间，负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化与自由层136的磁化耦合，以在电流流经MRAM单元180的同时提供负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化与自由层136的磁化的同步进动。在一个实施例中，负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化和自由层136的磁化可在自由层136的磁化的切换期间保持在相同旋转竖直平面内。自由层136的磁化和负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化的水平(平面内)分量之间的耦合可为反铁磁或铁磁性的。

参看图3A，示意性地示出根据第二实施例的第二示例性MRAM单元的第一配置。第二示例性MRAM单元180的第一配置可从图2A的第一示例性MRAM单元180的第一配置导出，方式是用磁性辅助层堆叠460替换负磁各向异性辅助层160。

磁性辅助层堆叠460从一侧到另一侧包含第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166。第一磁性辅助层162可设置在第一非磁性金属间隔物层150上。第一磁性辅助层162包含具有第一磁各向异性的第一磁性材料。在一个实施例中，第一磁性辅助层162可具有第一负磁各向异性，其具有充分负的K₁值以为第一磁性辅助层162提供第一平面内磁化。所述平面内磁化是定位于垂直于参考层132的固定竖直磁化方向的水平平面内的磁化。

在一个实施例中，与室温下的热能(即，k_BT，其中k_B为玻尔兹曼常数，且T为297.15开尔文(其为室温))相比，第一磁性辅助层162的第一磁各向异性的方位相依分量可为零或不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下的热能的1/2倍。在此些情况下，在施加电流穿过第一磁性辅助层162后，第一磁性辅助层162的磁化在平行于第一非磁性金属间隔物层150和第一磁性辅助层162之间的介面的水平平面内自由进动。在一个实施例中，第一磁性辅助层162的磁性能量可在水平平面内第一磁性辅助层162的磁化旋转的条件下不变。

在一个实施例中，例如第一磁性辅助层162等具有负磁各向异性的材料具有平行于垂直于层的主表面的方向的难磁化轴(即，所述轴线垂直于层的平面且平行于参考层132的固定竖直磁化方向)，而易磁化平面平行于层的平面(即，易磁化平面垂直于图3A中的参考层132的固定竖直磁化方向)。在一个实施例中，易磁化平面内不存在易轴方向。

在一个实施例中，第一磁性辅助层162包括均质负磁各向异性材料。如本文中所使用，“均质”材料指代始终具有均匀的材料组成的材料。在一个实施例中，第一磁性辅助层162包括钴-铱合金，和/或基本上由钴-铱合金组成。钴-铱合金的材料组成可选择为提供负磁各向异性。在一个实施例中，钴-铱合金可包含在60％到98％的范围内(例如，70％到90％，比如80％)的原子浓度下的钴原子，以及在40％到2％的范围内(例如，30％到10％，比如20％)的原子浓度下的铱原子。在一个实施例中，钴-铱合金仅含有钴、铱和不可避免的杂质。在另一实施例中，除钴和铱之外的元素的多达5原子％可添加到合金。在说明性实例中，具有组成Co_0.8Ir_0.2的钴-铱合金的K₁值为约-0.6x10⁶J/m³。在另一实施例中，第一磁性辅助层162包括具有六边形晶体结构的钴-铁合金，和/或基本上由具有六边形晶体结构的钴-铁合金组成。钴-铁合金的材料组成可选择为提供负磁各向异性。在一个实施例中，钴-铁合金可包含在80％到99.8％的范围内(例如，90％到99.5％，比如99％)的原子浓度下的钴原子，以及在20％到0.2％的范围内(例如，10％到0.5％，比如1％)的原子浓度下的铁原子。在说明性实例中，具有组成Co_0.99Fe_0.1的钴-铁合金的K₁值为约-0.99x10⁶J/m³。第一磁性辅助层162的厚度可在1nm到10nm的范围内(例如，1.5nm到6nm)，但是也可采用更小和更大的厚度。

在另一实施例中，第一磁性辅助层162包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的多个重复的多层堆叠。第一磁性材料层可包含第一磁性材料，和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包含第二磁性材料，和/或可基本上由第二磁性材料组成。每一第一磁性材料层的组成和厚度以及每一第二磁性材料层的组成和厚度可选择为使得多层堆叠提供平面内磁化，即，垂直于参考层132的固定磁化方向的磁化。第一磁性辅助层162可具有负磁各向异性，其具有充分负的K₁值以为第一磁性辅助层162提供第一平面内磁化。

在一个实施例中，第一磁性材料层包括钴，且第二磁性材料层包括铁。在一个实施例中，第一磁性材料层基本上由钴组成，且第二磁性材料层基本上由铁组成。每一第一磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内，且每一第二磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内。第一磁性辅助层162内的重复的总数目(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对的总数目)可在2到20的范围内，例如4到10。在一个实施例中，多层堆叠包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的单位层堆叠的周期性重复。

反铁磁耦合间隔物层164可位于第一磁性辅助层和第二磁性辅助层之间，例如在第一磁性辅助层162上，在位于自由层136和第一磁性辅助层162之间的第一非磁性金属间隔物层150的相对侧上。反铁磁耦合间隔物层164包括金属材料，其引发第一磁性辅助层152和在一个实施例中位于反铁磁耦合间隔物层164上的第二磁性辅助层166之间的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合交互。在RKKY耦合交互中，限定铁磁金属层的磁化方向的局部内d-或f-壳层电子自旋经由介入的非磁性材料层中的传导电子而交互以限定另一铁磁金属层中的优选磁化方向的定向。反铁磁耦合间隔物层164的厚度可选择为使得第二磁性辅助层166的第二平面内磁化方向反平行于第一磁性辅助层162的第一平面内磁化方向。换句话说，反铁磁耦合间隔物层164可具有在提供第一磁性辅助层162的第一磁化方向和第二磁性辅助层166的第二磁化方向之间的反铁磁耦合的范围内的厚度。在一个实施例中，反铁磁耦合间隔物层164包括钌或基本上由钌组成，且具有在0.1nm到1.0nm的范围内的厚度。

第二磁性辅助层166可设置在反铁磁耦合间隔物层164上。第二磁性辅助层166包含具有第二磁各向异性的第二磁性材料，其可与第一磁性辅助层162的材料相同或不同。在一个实施例中，第二磁性辅助层166可具有第二负磁各向异性，其具有充分负的K₁值以为第二磁性辅助层166提供第二平面内磁化方向。平面内磁化方向是定位于垂直于参考层132的固定竖直磁化方向的水平平面内的磁化方向。

在一个实施例中，与室温下的热能(即，k_BT，其中k_B为玻尔兹曼常数，且T为297.15开尔文(其为室温))相比，第二磁性辅助层166的磁各向异性的方位相依分量可为零或不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性的最大变化可小于室温下的热能的1/2倍。在此些情况下，在施加电流穿过第二磁性辅助层166后，第二磁性辅助层166的磁化在平行于反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166之间的介面的水平平面内自由进动。在一个实施例中，第二磁性辅助层166的磁性能量可在水平平面内第二磁性辅助层166的磁化旋转的条件下不变。

在一个实施例中，第二磁性辅助层166包括均质负磁各向异性材料。在一个实施例中，第二磁性辅助层166包括相对于第一磁性辅助层162描述的钴-铱合金或钴-铁合金，和/或基本上由所述钴-铱合金或钴-铁合金组成。钴-铱合金的材料组成可选择为提供负磁各向异性。在一个实施例中，钴-铱合金可包含在20％到80％的范围内的原子浓度下的钴原子以及在余额的原子浓度下的铱原子。第二磁性辅助层166的厚度可在1nm到10nm的范围内，例如1.5nm到6nm，但是也可采用更小和更大的厚度。

在另一实施例中，第二磁性辅助层166包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的多个重复的多层堆叠。第一磁性材料层可包含第一磁性材料，和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包含第二磁性材料，和/或可基本上由第二磁性材料组成。每一第一磁性材料层的组成和厚度以及每一第二磁性材料层的组成和厚度可选择为使得多层堆叠提供平面内磁化，即，垂直于参考层132的固定磁化方向的磁化。第二磁性辅助层166可具有负磁各向异性，其具有充分负的K₁值以为第二磁性辅助层166提供第二平面内磁化。

在一个实施例中，第一磁性材料层包括钴，且第二磁性材料层包括铁。在一个实施例中，第一磁性材料层基本上由钴组成，且第二磁性材料层基本上由铁组成。每一第一磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内，且每一第二磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内。第二磁性辅助层166内的重复的总数目(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对的总数目)可在2到20的范围内，例如4到10。在一个实施例中，多层堆叠包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的单位层堆叠的周期性重复。

通常，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的每一个可独立地选自均质负磁各向异性材料，以及包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的多个重复的多层堆叠。在一个实施例中，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的每一个可独立地选自钴-铱合金、具有六边形晶体结构和低铁含量的钴-铁合金，或包含钴层和铁层的单位堆叠的多个重复的多层堆叠。在一个实施例中，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的至少一个包括包含单位层堆叠的周期性重复的多层堆叠，且单位层堆叠包含第一磁性材料层和第二磁性材料。

在一个实施例中，上文关于图2A所描述的非磁性金属顶盖层170可位于第二磁性辅助层166上方。包含从SAF结构120到非磁性金属顶盖层170的材料层的层堆叠可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性金属顶盖层170或从非磁性金属顶盖层170朝向SAF结构120。层堆叠可形成为连续层的堆叠，并且可随后图案化为每一MRAM单元180的离散图案化层堆叠。

如图2A中示出的第一实施例中，图3A中示出的第二实施例的MRAM单元180可包含电连接到或包括位线90(图1中展示)的一部分的第一端子92，以及电连接到或包括字线30(图1中展示)的一部分的第二端子32。第一和第二端子的位置可切换使得第一端子电连接到SAF结构120且第二端子电连接到非磁性金属顶盖层170。

可选地，每一MRAM单元180可包含专用转向装置，例如存取晶体管或二极管，其配置成在将合适的电压施加到转向装置后激活相应的离散图案化层堆叠(120、140、150、162、164、166、170)。转向装置可电连接在图案化层堆叠和相应MRAM单元180的相应字线30或位线90中的一个之间。

在一个实施例中，施加到第一端子92的电压的极性可取决于自由层136中待编程的磁化状态的极性而改变。举例来说，第一极性的电压可在从反平行状态到平行状态的过渡期间施加到第一端子92(相对于第二端子32)，且第二极性(其与第一极性相反)的电压可在从平行状态到反平行状态的过渡期间施加到第一端子92。此外，本文还涵盖用于激活离散图案化层堆叠(120、140、150、162、164、166、170)的电路中的变化。

可通过使电流流经离散图案化层堆叠(120、140、150、162、164、166、170)使自由层136的磁化方向翻转(即，从向上到向下，或反之亦然)。自由层136的磁化方向可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)进动，直至磁化方向翻转180度，此时电流的流动停止。

例如在编程期间在施加电流穿过第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166后，第一磁性辅助层162的第一磁化方向和第二磁性辅助层166的第二磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线自由进动，同时维持其间的反铁磁对准。在施加电流穿过参考层132后，参考层132的固定竖直磁化方向维持相同定向。

在磁性存储器装置的操作期间，电流可流经自旋阀140、第一非磁性金属间隔物层150、第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166。

在一个实施例中，第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166有助于更多地在平面中保持自由层的电子自旋以抵消使电子自旋倾斜到平面外的自旋力矩。归因于反铁磁耦合，包括第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166的组合的反铁磁耦合辅助膜进一步有利于每一层内的单个域，因此在辅助自由层136切换的过程期间维持较一致的磁化，这较合乎需要。此实施例的一个额外益处是，三层辅助膜内的通量封闭可使来自自由层136上的反铁磁耦合辅助膜的杂散场最小化，这将有助于改进MRAM单元180的热稳定性和数据保持。

在一个实施例中，第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层166的组合配置成在起始电流流动穿过MRAM单元180后在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非零力矩。MRAM单元180配置成在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动期间提供自由层136的磁化方向和第一磁性辅助层162的第一磁化方向之间的磁耦合，且在电流流经MRAM单元180的同时提供第一磁性辅助层162的第一磁化方向与自由层136的磁化方向的同步进动。

参看图3B，第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置可从图3A中示出的第二示例性自旋转移力矩磁性存储器装置的第一配置导出，方式是用包含不具有单轴磁各向异性的第一铁磁性材料的第一磁性辅助层262替换具有第一平面内磁化的第一磁性辅助层162，以及用包含不具有单轴磁各向异性的第二铁磁性材料的第二磁性辅助层266替换具有第二平面内磁化的第二磁性辅助层166。在一个实施例中，第一和第二磁性辅助层(262、266)可具有非单轴磁各向异性。如本文中所使用，“非单轴磁各向异性”指代其中每体积的磁各向异性能量的最小值不在θ＝0、θ＝π或θ＝π/2(针对φ的所有值)的方向上发生的磁各向异性。换句话说，具有非单轴磁各向异性的磁性膜中的磁化的定向不是垂直于磁性膜的平面或所述组所有平面内方向的竖直方向。

反铁磁耦合间隔物层164的厚度选择为提供第一磁性辅助层262的第一磁化和第二磁性辅助层266的第二磁化之间的反铁磁耦合。因此，第一磁性辅助层262的第一磁化和第二磁性辅助层266的第二磁化可以反铁磁的方式耦合。此外，作为第一和第二磁化(其保持彼此反平行)的空间定向的函数的每体积磁各向异性能量的变化可与室温下的热能(即，k_BT，其中T为297.15开尔文)持平或小于室温下的热能。

第一磁性辅助层262和第二磁性辅助层266中的每一个包括不具有单轴磁各向异性的可相同或不同的相应软磁材料。在一个实施例中，第一磁性辅助层262和第二磁性辅助层266中的每一个包括选自CoFe合金或NiFe合金的相应材料，和/或基本上由所述相应材料组成，所述CoFe合金具有超过40原子％的铁(例如，45到70原子％的铁)和余额钴。

可通过使电流流经离散图案化层堆叠(120、140、150、262、164、266、170)使自由层136的磁化方向翻转(即，从向上到向下，或反之亦然)。自由层136的磁化方向可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)进动，直至磁化方向的定向翻转180度，此时电流的流动停止。

可通过使电流流经离散图案化层堆叠(120、140、150、262、164、266、170)，例如从平行于参考层132的固定竖直磁化方向的平行状态到反平行于参考层132的固定磁化方向的反平行状态或反之亦然，来对自由层136的磁化方向进行编程。例如在编程期间在施加电流穿过第一磁性辅助层262、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层266后，第一磁性辅助层262的第一磁化方向和第二磁性辅助层266的第二磁化方向相对于竖直轴线以0度和180度之间的角度围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线自由进动，同时维持其间的反铁磁对准。随着倾斜角在MRAM单元180的编程期间相对于竖直轴线从0度改变到180度或从180度改变到0度，编程期间第一磁性辅助层262的第一磁化方向和第二磁性辅助层266的第二磁化方向的倾斜角与自由层136的磁化方向的倾斜角同步。参考层132的固定竖直磁化方向在施加电流穿过参考层132后维持相同定向。

在磁性存储器装置的操作期间，电流可流经自旋阀140、第一非磁性金属间隔物层150、第一磁性辅助层262、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层266。第一磁性辅助层262、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层266的组合配置成在起始电流流动穿过MRAM单元180后在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化方向提供初始非零力矩。MRAM单元180配置成在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动期间提供自由层136的磁化方向和第一磁性辅助层262的第一磁化方向之间的磁耦合，且在电流流经MRAM单元180的同时提供第一磁性辅助层262的第一磁化方向与自由层136的磁化方向的同步进动。

参看图3C，第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置可从图3A的第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第一配置导出，方式是在第二磁性辅助层166和非磁性顶盖层170之间插入第二非磁性金属间隔物层190和钉扎磁化层192。

第二非磁性金属间隔物层190可位于第二磁性辅助层166上，在反铁磁耦合间隔物层164的相对侧上。第二非磁性金属间隔物层190包含例如Cu、Ag、AgSn、Cr、Ru、Ta、TaN或CuN等非磁性材料。在一个实施例中，第二非磁性金属间隔物层190可包含导电金属材料。第二非磁性金属间隔物层190的厚度可在0.2nm到2nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。第二非磁性金属间隔物层190可包含与第一非磁性金属间隔物层150的材料相同的材料，或可包含不同于第一非磁性金属间隔物层150的材料的材料。

钉扎磁化层192是具有正单轴磁各向异性的磁性层。换句话说，K₁的值为正且项K₁sin²θ以钉扎磁化层192的材料的每体积磁各向异性能量计主导所有其它高阶项和取决于sin(nφ)(或cos(nφ))的项。钉扎磁化层192的正单轴磁各向异性提供平行或反平行于参考层132的固定竖直磁化的磁化。在一个实施例中，钉扎磁化层192的K₁的值可大于自由层136的K₁的值，使得钉扎磁化层192的磁化在MRAM单元180的编程期间沿着竖直方向(即，垂直于离散图案化层堆叠(120、140、150、162、164、166、190、192、170)的各层之间的介面)保持钉扎。钉扎磁化层192的磁化可保持平行或反平行于参考层132的磁化。

在一个实施例中，钉扎磁化层192可包含Co/Ni或Co/Pt多层结构。钉扎磁化层192可另外包含由钽构成的厚度为0.2nm～0.5nm的薄非磁性层，和薄CoFeB层(厚度在0.5nm到2nm的范围内)。钉扎磁化层192可致使第二磁性辅助层166的平面内磁化振荡。第二磁性辅助层166的磁化的平面外振荡可在编程期间产生自由层136的磁化上的旋转自旋力矩，且因此可有助于在较少电流经过离散图案化层堆叠(120、140、150、162、164、166、190、192、170)的情况下自由层136的磁化的切换。在一个实施例中，钉扎磁化层192、第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166的磁化的组合对自由层136的磁化施加非水平非竖直磁场(即，既不平行于也不垂直于参考层132的固定磁化方向的场)，以减小在自由层136的磁化的切换期间穿过离散图案化层堆叠(120、140、150、162、164、166、190、192、170)的所需电流的量值。

参看图3D，第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置可从图3C中示出的第二示例性自旋转移力矩磁性存储器装置的第三配置导出，方式是用包含不具有单轴磁各向异性的第一铁磁性材料的第一磁性辅助层262替换具有第一平面内磁化的第一磁性辅助层162，以及用包含不具有单轴磁各向异性的第二铁磁性材料的第二磁性辅助层266替换具有第二平面内磁化的第二磁性辅助层166。

反铁磁耦合间隔物层164的厚度选择为提供第一磁性辅助层262的第一磁化和第二磁性辅助层266的第二磁化之间的反铁磁耦合。因此，第一磁性辅助层262的第一磁化和第二磁性辅助层266的第二磁化可以反铁磁的方式耦合。此外，作为第一和第二磁化(其保持彼此反平行)的空间定向的函数的每体积磁各向异性能量的变化可与室温下的热能(即，k_BT，其中T为297.15开尔文)持平或小于室温下的热能。

第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180可个别地编程和读取。可通过跨选定离散图案化层堆叠{120、140、150、(162或262)、164、(166或266)、170}或{120、140、150、(162或262)、164、(166或266)、(190、192)、170}的第一端子92和第二端子32施加读取偏置电压来执行读取(即，感测)自由层136的磁化状态。自由层136和参考层132的磁化之间的平行或反平行对准确定每一MRAM单元180中的选定离散图案化层堆叠的电阻，且因此确定在第一端子92和第二端子32之间流动的电流的量值。电流的量值可被感测以确定自由层136的磁化状态和由检测到的磁化状态编码的数据。

参看图4A，示意性地示出根据第三实施例的第三示例性STT MRAM单元180的第一配置。第二示例性MRAM单元180的第一配置可从图2A的第一示例性MRAM单元180的第一配置导出，方式是用磁性辅助层堆叠(例如，自旋力矩振荡器堆叠)360替换第一磁性辅助层160。

磁性辅助层堆叠360从一侧到另一侧包含第一磁性辅助层(例如，自旋力矩层)362、非磁性间隔物层364，以及第二磁性辅助层(例如，自旋偏振层)366。

自旋力矩层362包含相对于平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的竖直方向具有第一锥形磁化(例如，磁化方向)的第一磁性材料。如本文中所使用，“锥形磁化”指代相对于平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的轴线具有大于零但小于90度的角度(例如10到80度，比如30到60度)的旋转磁化(例如，磁化方向)。

可针对每体积磁各向异性能量的各种对称类型提供锥形磁化。举例来说，围绕垂直于铁磁性膜的平面的竖直轴线具有六面旋转对称性的轴线的具有每体积磁各向异性能量的所述铁磁性膜可对相对于竖直轴线的倾斜角θ和方位角φ具有函数相依性，形式为：E/V＝K₁sin²θ+K₂sin⁴θ+K₃sin⁶θcos(6φ)。如果K₁为负且K₂大于K₁/2，则铁磁性膜在q的两个值下具有易磁化方向的双向锥体。易磁化方向的双向锥体的锥角θ_c1和θ_c2通过θ_c2＝π-θ_c1相关。

具有不同磁各向异性对称性的铁磁性膜可以类似的方式提供锥形磁化。举例来说，具有四面对称性的具有每体积磁各向异性能量的铁磁性膜可对相对于竖直轴线的倾斜角θ和方位角φ具有函数相依性，形式为：E/V＝K₁sin²θ+K₂sin⁴θ+K₃sin⁴θsin(2φ)。具有菱面对称性的具有每体积磁各向异性能量的铁磁性膜可对相对于竖直轴线的倾斜角θ和方位角φ具有函数相依性，形式为：E/V＝K₁sin²θ+K₂sin⁴θ+K₃cosθsin³θcos(3φ)。如果K₃的值为零或与1/2k_BT相比不显著(其中k_B为玻尔兹曼常数且T为以开尔文计的室温，即，以每体积磁各向异性能量计为297.15)，则锥形磁化围绕竖直轴线自由旋转(例如，高频振荡)。

在一个实施例中，与室温下的热能(即，k_BT，其中k_B为玻尔兹曼常数，且T为297.15开尔文(其为室温))相比，自旋力矩层362的磁各向异性的方位相依分量可为零或不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下的热能的1/2倍。在此些情况下，在施加电流穿过自旋力矩层362后，自旋力矩层362的锥形磁化在平行于第一非磁性金属间隔物层150和自旋力矩层362之间的介面的水平平面内自由进动。在一个实施例中，自旋力矩层362的磁性能量可在水平平面内自旋力矩层362的磁化旋转的条件下不变。

自旋力矩层362可包含提供锥形磁化的任何铁磁性膜。举例来说，自旋力矩层362可包含锥形磁化材料，例如比如钕、铒等稀土元素，或至少一种稀土磁性元素与例如铁、硼、钴、铜和/或锆等非稀土元素的合金。在一个实施例中，自旋力矩层362可包含均质锥形磁化材料，即，提供锥形磁化的均质材料。如本文中所使用，“均质”材料指代始终具有均匀的材料组成的材料。自旋力矩层362的厚度可在0.6nm到10nm的范围内，例如1.2nm到5nm，但是也可采用更小和更大的厚度。

非磁性间隔物层364可位于自旋力矩层362上，在第一非磁性金属间隔物层150的相对侧上。在一个实施例中，非磁性间隔物层364包括金属材料，所述金属材料引发第一磁性辅助层(例如，自旋力矩层)362和位于非磁性间隔物层364的与第一磁性辅助层362相对的一侧上的第二磁性辅助层(例如，自旋偏振层)366之间的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合交互。在一个实施例中，非磁性间隔物层364包括钌，和/或基本上由钌组成，且可具有0.1nm到1.0nm的范围内的厚度。

在一个实施例中，第二磁性辅助层(例如，自旋偏振层)366可设置在非磁性间隔物层364上。在另一实施例中，自旋力矩层362和自旋偏振层366的形成次序可反转，使得自旋偏振层366定位成比自旋力矩层362更靠近自由层136。大体来说，自旋力矩振荡器堆叠(例如，辅助层堆叠)360包含位于自旋力矩层362和自旋偏振层366之间的非磁性间隔物层364。

自旋偏振层366具有在本文中被称作第二锥形磁化的锥形磁化。自旋偏振层366可包含单个磁性材料层或多个磁性材料层。自旋偏振层366的第二锥形磁化可由具有第二锥形磁化的单个磁性材料层提供，或可由具有平面内磁化和垂直(即，竖直或轴向)磁化的一组铁磁性材料层提供。第二磁性材料的平面内磁化分量垂直于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)。第二磁性材料的平面内磁化分量以反铁磁的方式耦合到第一锥形磁化的平面内分量。

图4A示出实施例，其中自旋偏振层366由相对于平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直方向具有第二锥形磁化的单个铁磁性材料层组成。在一个实施例中，自旋偏振层366的磁各向异性的方位相依分量可为零，或与室温下的热能(即，k_BT，其中k_B为玻尔兹曼常数且T为297.15开尔文(其为室温))相比不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下的热能的1/2倍。在此些情况下，在施加电流穿过自旋偏振层366后，自旋偏振层366的锥形磁化在平行于第一非磁性间隔物层150和自旋力矩层362之间的介面的水平平面内自由进动。在一个实施例中，自旋偏振层366的磁性能量可在水平平面内自旋偏振层366的磁化旋转的条件下不变。

在一个实施例中，自旋偏振层366可包含提供锥形磁化的任何铁磁性膜。举例来说，自旋偏振层366可包含锥形磁化材料，例如比如钕、铒等稀土元素，或至少一种稀土磁性元素与例如铁、硼、钴、铜和/或锆等非稀土元素的合金。在一个实施例中，自旋偏振层366可包含均质锥形磁化材料，即，提供锥形磁化的均质材料。自旋力矩层362和自旋偏振层366的铁磁性材料可相同或不同。自旋偏振层366的厚度可在0.6nm到10nm的范围内，例如1.2nm到5nm，但是也可采用更小和更大的厚度。

在自旋偏振层366的磁化为锥形磁化(即，第二锥形磁化)的情况下，自旋偏振层366的第二锥形磁化可在各种模式中与自旋力矩层362的第一锥形磁化耦合。

如图4A中所展示，自旋偏振层366可提供为具有均质组成的单个自旋偏振层，且可具有相对于竖直方向的第二锥形磁化。通常，单个自旋偏振层可具有平行或反平行于自旋力矩层362的第一锥形磁化的轴向磁化分量的轴向磁化分量。在一些实施例中，自旋偏振层366可具有反平行于自旋力矩层362的锥形磁化的轴向分量的轴向磁化分量(即，竖直磁化分量)。在一些实施例中，自旋偏振层366可具有平行于自旋力矩层362的锥形磁化的轴向分量的轴向磁化分量(即，竖直磁化分量)。

在一个实施例中，非磁性金属顶盖层170可位于自旋偏振层366上方。非磁性金属顶盖层170可包含例如W、Ti、Ta、WN、TiN、TaN、Ru和Cu等非磁性导电材料。非磁性金属顶盖层170的厚度可在1nm到20nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。

包含从SAF结构120到非磁性金属顶盖层170的材料层的层堆叠可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性金属顶盖层170或从非磁性金属顶盖层170朝向SAF结构120。层堆叠可形成为连续层的堆叠，并且可随后图案化为每一MRAM单元180的离散图案化层堆叠。

如在图2A中示出的第一实施例中，MRAM单元180可包含电连接到或包括位线90(图1中展示)的一部分的第一端子92，以及电连接到或包括字线30(图1中展示)的一部分的第二端子32。第一和第二端子的位置可切换使得第一端子电连接到SAF结构120且第二端子电连接到非磁性金属顶盖层170。

可选地，每一MRAM单元180可包含专用转向装置，例如存取晶体管或二极管，其配置成在将合适的电压施加到转向装置后激活相应的离散图案化层堆叠(120、140、150、360、170)。转向装置可电连接在图案化层堆叠和相应MRAM单元180的相应字线30或位线90中的一个之间。

在一个实施例中，施加到第一端子92的电压的极性可取决于自由层136中待编程的磁化状态的极性而改变。举例来说，第一极性的电压可在从反平行状态到平行状态的过渡期间施加到第一端子92(相对于第二端子32)，且第二极性(其与第一极性相反)的电压可在从平行状态到反平行状态的过渡期间施加到第一端子92。此外，本文还涵盖用于激活离散图案化层堆叠(120、140、150、360、170)的电路中的变化。

可通过使电流流经离散图案化层堆叠(120、140、150、362、364、366、170)使自由层136的磁化方向翻转(即，从向上到向下，或反之亦然)。自由层136的磁化方向可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)进动，直至磁化方向翻转180度，此时电流的流动停止。

例如在编程期间在施加电流穿过自旋力矩层362、非磁性间隔物层364和自旋偏振层366后，自旋力矩层362的第一锥形磁化和自旋偏振层366的第二锥形磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线自由进动。在施加电流穿过参考层132后参考层132的固定竖直磁化维持相同定向。第一和第二锥形磁化可具有相同或不同的锥角。

在MRAM单元的操作期间，电流可流经自旋阀140、第一非磁性金属间隔物层150、自旋力矩层362、非磁性间隔物层364和自旋偏振层366。包括自旋力矩层362、非磁性间隔物层364和自旋偏振层366的组合的自旋力矩振荡器堆叠360配置成在起始电流流动穿过MRAM单元180后在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非零力矩。MRAM单元180配置成在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动期间提供自由层136的磁化和自旋力矩层362的第一磁化之间的磁耦合，且在电流流经MRAM单元180的同时提供自旋力矩层362的第一磁化与自由层136的磁化的同步进动。

参看图4B，示出第三示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置。自旋偏振层366包含具有不同材料组成的多个层(3662、3664、3666)的层堆叠。自旋偏振层366包含具有与第二锥形磁化的平面内磁化分量相同的磁化的第一自旋偏振分量层3662的层堆叠。第一自旋偏振分量层3662可具有零磁各向异性或负单轴磁各向异性，使得第一自旋偏振分量层3662的磁化平行于非磁性间隔物层364的各层之间的介面。

在一个实施例中，第一自旋偏振分量层3662包括钴-铱合金，和/或基本上由钴-铱合金组成。钴-铱合金的材料组成可选择为提供负单轴磁各向异性。在一个实施例中，钴-铱合金可包含在60％到98％的范围内(例如70％到90％)的原子浓度下的钴原子，以及在余额的原子浓度下的铱原子。在说明性实例中，具有组成Co_0.8Ir_0.2的钴-铱合金的K₁值为约-0.6x106J/m³。在另一实施例中，第一自旋偏振分量层3662包括钴-铁合金，和/或基本上由钴-铁合金组成。钴-铁合金的材料组成可选择为提供负单轴磁各向异性。在一个实施例中，钴-铁合金可包含在80％到99.8％的范围内(例如，90％到99.5％)的原子浓度下的钴原子，以及在余额的原子浓度下的铁原子。在说明性实例中，具有组成Co_0.99Ir_0.1的钴-铁合金的K₁值为约-0.99x106J/m³。在另一实施例中，第一自旋偏振分量层3662包括钴-铁-硼(CoFeB)合金和/或基本上由钴-铁-硼(CoFeB)合金组成。第一自旋偏振分量层3662的厚度可在1nm到10nm的范围内，例如1.5nm到6nm，但是也可采用更小和更大的厚度。

在另一实施例中，第一自旋偏振分量层3662包含含有第一磁性材料层和第二磁性材料层的多个重复的多层堆叠。第一磁性材料层可包含第一磁性材料，和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包含第二磁性材料，和/或可基本上由第二磁性材料组成。

在一个实施例中，第一磁性材料层包括钴，且第二磁性材料层包括铁。在一个实施例中，第一磁性材料层基本上由钴组成，且第二磁性材料层基本上由铁组成。每一第一磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内，且每一第二磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内。第一自旋偏振分量层3662内的重复的总数目(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对的总数目)可在2到20的范围内，例如4到10。在一个实施例中，多层堆叠包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的单位层堆叠的周期性重复。在说明性实例中，包含由具有相同厚度的钴层和铁层组成的单位层堆叠的重复的交错的钴-铁多层堆叠可具有约-1.1x10⁶J/m³的K1值。

自旋偏振层366进一步包含具有平行或反平行于参考层132的竖直方向的轴向磁化的第二自旋偏振分量层3666。在一个实施例中，第二自旋偏振分量层3666包含钴层和铂或钯层的多层堆叠。第二自旋偏振分量层3666可具有正单轴磁各向异性，使得第二自旋偏振分量层3666的磁化为轴向，即，垂直于MRAM单元180的各层之间的介面。第二自旋偏振分量层3666的轴向磁化可平行或反平行于参考层132的磁化的固定竖直方向。

在一个实施例中，第二自旋偏振分量层3666可通过任选的非磁性间隔物层3664与第一自旋偏振分量层3662竖直地间隔开。非磁性间隔物层3664可包含例如Cu、Ag、AgSn、Cr、Ru、Ta、TaN或CuN等非磁性金属材料。在一个实施例中，第一自旋偏振分量层3662可接触非磁性间隔物层364。

在此情况下，第一自旋偏振分量层3662和第二自旋偏振分量层3666的组合磁化提供第二锥形磁化，其在MRAM单元180的编程期间围绕竖直轴线自由旋转(例如，振荡)。在此情况下，第一自旋偏振分量层3662和第二自旋偏振分量层3666的组合磁化提供耦合到自旋力矩层362的第一锥形磁化的额外锥形磁化(即，第二锥形磁化)。在编程期间，在施加电流穿过自旋力矩层362、非磁性间隔物层364和自旋偏振层366后，第二锥形磁化和第一锥形磁化围绕平行于参考层132的磁化的竖直方向的竖直轴线进动。第一和第二锥形磁化可具有相同或不同的锥角。

参看图4C，根据本公开的实施例的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置可从示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置导出，方式是交换第一自旋偏振分量层3662和第二自旋偏振分量层3666的位置。在此情况下，第二自旋偏振分量层3666可接触非磁性间隔物层364。第三配置中的示例性自旋转移力矩MRAM单元180可以与第一和第二配置中的示例性自旋转移力矩MRAM单元180相同的方式操作。

图4D示出根据本公开的实施例的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置。示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置可从示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第一、第二和第三配置导出，方式是用具有平面内磁化(即，具有负单轴磁各向异性)的自旋力矩层462代替具有第一锥形磁化的自旋力矩层362。换句话说，自旋力矩层462的磁化的轴向分量可为零，且自旋力矩层462的磁化(例如，磁化方向)可由平面内分量(即，零锥角)组成。在此情况下，自旋力矩层462的总磁化与自旋力矩层462的平面内磁化分量相同。在此配置中，第一和第二磁化的锥角不同。

在一个实施例中，自旋力矩层462包括均质负单轴磁各向异性材料。如本文中所使用，“均质”材料指代始终具有均匀的材料组成的材料。在一个实施例中，自旋力矩层462包括钴-铱合金，和/或基本上由钴-铱合金组成。钴-铱合金的材料组成可选择为提供负单轴磁各向异性。在一个实施例中，钴-铱合金可包含在60％到98％的范围内(例如70％到90％)的原子浓度下的钴原子，以及在余额的原子浓度下的铱原子。在说明性实例中，具有组成Co_0.8Ir_0.2的钴-铱合金的K₁值为约-0.6x106J/m³。在另一实施例中，自旋力矩层462包括钴-铁合金，和/或基本上由钴-铁合金组成。钴-铁合金的材料组成可选择为提供负单轴磁各向异性。在一个实施例中，钴-铁合金可包含在80％到99.8％的范围内(例如，90％到99.5％)的原子浓度下的钴原子，以及在余额的原子浓度下的铁原子。在说明性实例中，具有组成Co_0.99Ir_0.1的钴-铁合金的K₁值为约-0.99x106J/m³。在另一实施例中，自旋力矩层462包括钴-铁-硼(CoFeB)合金，和/或基本上由钴-铁-硼(CoFeB)合金组成。自旋力矩层462的厚度可在1nm到10nm的范围内，例如1.5nm到6nm，但是也可采用更小和更大的厚度。

在另一实施例中，自旋力矩层462包含含有第一磁性材料层和第二磁性材料层的多个重复的多层堆叠。第一磁性材料层可包含第一磁性材料，和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包含第二磁性材料，和/或可基本上由第二磁性材料组成。

在一个实施例中，第一磁性材料层包括钴，且第二磁性材料层包括铁。在一个实施例中，第一磁性材料层基本上由钴组成，且第二磁性材料层基本上由铁组成。每一第一磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内，且每一第二磁性材料层的厚度可在0.3nm到1nm的范围内。自旋力矩层462内的重复的总数目(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对的总数目)可在2到20的范围内，例如4到10。在一个实施例中，多层堆叠包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的单位层堆叠的周期性重复。在说明性实例中，包含由具有相同厚度的钴层和铁层组成的单位层堆叠的重复的交错的钴-铁多层堆叠可具有约-1.1x10⁶J/m³的K1值。自旋力矩层462可与上文关于第一到第三实施例所描述的任一个自旋偏振层366一起使用。

参看图5A-5C，示出根据本公开的第四实施例的示例性自旋轨道力矩(SOT)磁性存储器装置。在一个实施例中，图5A-5C的SOT磁性存储器装置可包含SOTMRAM存储器单元280，其仅包含用于例如量子计算环境中的低温下的操作的金属材料。在一个实施例中，图5A-5C的SOT磁性存储器装置使用两步编程操作。图5A示出两步编程操作的第一步骤期间的SOT磁性存储器装置，且图5B示出两步编程操作的第二步骤期间的SOT磁性存储器装置。图5C示出感测(例如，读取)操作期间的SOT磁性存储器装置。

SOT磁性存储器装置中的磁性结包括SAF结构120和自旋阀140的组合。SAF结构120和自旋阀140的组合从一侧到另一侧可包含固定铁磁层112、反铁磁耦合层114、参考层132、非磁性金属屏障层134和自由层136。SAF结构120和自旋阀140的组合可在与第一、第二和第三实施例MRAM单元180中相同的配置中形成SOTMRAM单元280。举例来说，参考层132可具有固定磁化方向，且非磁性金属屏障层134可位于参考层132和自由层136之间。非磁性金属屏障层134可由选自Cu、Ag、AgSn、Cr、Ru、Ta、TaN或CuN的至少一种金属材料组成以实现低温操作。自由层136具有双稳磁化状态，其包含具有平行于固定竖直磁化的磁化的平行状态和具有反平行于固定竖直磁化的磁化的反平行状态。

在一个实施例中，金属线200直接设置在自由层136的表面上。金属线200可包括至少一种重元素金属和/或可基本上由至少一种重元素金属组成，以使跨自由层136和金属线200之间的介面的自旋转移最大化。在一个实施例中，所述元素金属可具有在72到79的范围内(且包含72和79)的原子数。举例来说，所述至少一种元素金属可包含Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种。在一个实施例中，金属线200可包括钨，和/或基本上由钨组成。换句话说，在一实施例中，金属线200由除不可避免的杂质外未掺杂且非合金的元素金属制成。

第一电极910可位于且电连接到金属线200的第一端。第一电极910可经由第一晶体管T1电连接到第一电压源V1。第二电极920可位于且电连接到金属线200的第二端。第二电极920可电连接到第二电压源(其可为接地)V2。接触金属线200的自由层136的接触表面可位于第一电极910和第二电极920之间。参看图6，可通过采用沿着金属线200的长度方向延伸的伸长表面来增加第一电极910和第二电极920之间的接触表面137的区域。第一、第二和第三电压源可包括具有到电极910、920和930的不同连接的相同的计算机控制的电压源和/或两个或三个不同电压源。

返回参看图5A-5C，第三电极930可直接或经由SAF结构120的固定铁磁层112电连接到参考层132。第三电极930可经由第二晶体管T2连接到第三电压源V3。可提供编程控制器700，其可配置成控制第一晶体管T1和第二晶体管T2以提供用于自由层136的磁化的两步编程过程。

两步编程(即，写入)过程可包含第一编程脉冲施加步骤，其中接通第一晶体管T1且关断第二晶体管T2。第一电流流经金属线200，如图5A中所示出。采用笛卡尔坐标系，自由层136的磁化归因于自旋轨道力矩效应而改变，在笛卡尔坐标系中，x轴平行于金属线200的长度方向，y轴平行于接触表面137的平面(在图6中示出)。电流在第一编程脉冲施加期间垂直于自旋阀140的层(132、134、136)的堆叠方向流动。

在此情况下，编程操作的第一步骤期间施加的自旋轨道力矩τ_SOT可通过下式给定：

其中e为电子的电荷，为普朗克常数(Plank's constant)除以2π，θ_SH为自旋霍尔角，J_e为电流密度，为自由层136的磁化向量的z分量，且为沿着y方向的单位向量。编程控制器700可配置成控制第一晶体管T1的接通时间的持续时间，使得第一编程脉冲施加步骤使自由层136的磁化从双稳磁化状态中的一个旋转到瞬时状态，在瞬时状态中，在应用第一编程脉冲施加步骤之前，自由层136的磁化相对于自由层136的磁化方向为约90度，例如在80度到100度的范围内。自旋轨道力矩效应可在第一编程步骤期间产生高量值的自旋轨道力矩。

两步编程过程可包含第二编程脉冲施加步骤，其中接通第二晶体管T2且关断第一晶体管T1。在此情况下，第二电流流经自旋阀140且在自由层136的表面和第二电极920之间流动，如图5B中所示出。自由层136的磁化归因于自旋力矩转移效应而改变。在此情况下，编程操作的第二步骤期间施加的自旋转移力矩τ_STT可通过下式给定：

其中e为电子的电荷，为普朗克常数除以2π，η为自旋转移力矩系数，J_e为电流密度，为自由层136的磁化向量的y分量，且为沿着z方向的单位向量。编程控制器700可配置成控制第二晶体管T2的接通时间的持续时间，使得第二编程脉冲施加步骤使自由层136的磁化从双稳磁化状态中的另一个(即，从两步编程操作之前的平行状态)旋转到两步编程操作之后的反平行状态，或反之亦然。电流在第二编程脉冲施加期间平行于自旋阀140的层(132、134、136)的堆叠方向而流动。

参看图5C，可通过跨第二电极920和第三电极930施加低偏置电压以及测量通过自旋阀140的电流的量值来执行读取操作。穿过自旋阀140的读取电流的量值可保持在不会扰乱自由层136的磁化状态的水平，即，保持在不足以向自由层136的磁化施加足够的力矩来抑制读取扰乱的水平。

本公开的第四实施例的自旋轨道力矩磁性存储器装置受益于在第一编程步骤和第二编程步骤中的每一个中无关于自由层136的磁化状态而施加最大初始力矩。自旋轨道力矩机制和自旋转移力矩机制中的每一个可提供自由层136的磁化的相应90度旋转，从而产生总共180度旋转，即，使自由层136的磁化翻转。用于两步编程过程的总切换功率可小于仅仅采用自旋轨道力矩机制或仅仅采用自旋转移力矩机制的总切换功率。第一编程步骤中的第一编程脉冲的持续时间可小于5ns，例如1nm到5nm，且第二编程步骤中的第二编程脉冲的持续时间可小于5ns，例如1nm到5nm。金属层提供低温下的低电阻。因此，本公开的第四实施例的三端子自旋轨道力矩磁性存储器装置可在低温下(例如，在低于氮的沸点(即，约77开氏度或-195.79℃)或与氮的沸点相同的温度下)以低功率操作。

虽然前述内容是涉及特定的优选实施例，但应了解，本公开不限于此。所属领域的一般技术人员将想到，可对所公开的实施例作出各种修改且此类修改意图在本公开的范围内。在本公开中说明采用特定结构和/或配置的实施例的情况下，应理解，可以用在功能上等效的任何其它兼容的结构和/或配置来实践本公开，条件是此类替代物并未被明确禁用或以其它方式被所属领域的一般技术人员认为是不可能的。所有本文中列举的公开案、专利申请和专利以全文引用的方式并入本文中。