阅读说明：本技术 磁阻设备的组合自旋轨道扭矩和自旋传递扭矩切换及其方法 (Combined spin orbit torque and spin transfer torque switching for magnetoresistive devices and methods thereof ) 是由 孙吉军 希蒙 H-J·查 于 2019-07-23 设计创作，主要内容包括：在包括磁隧道结(110,115,120)的磁阻设备的自由区域(110)附近提供自旋霍尔(SH)材料(135)。流过这种SH材料的电流将自旋电流注入到自由区域中,使得将自旋扭矩施加到自由区域。由SH材料生成的自旋扭矩可以用于切换自由区域或用来辅助由垂直流过磁性隧道结的电流生成的自旋传递扭矩,从而提高磁阻设备的可靠性、耐久性或两者。此外,一个或多个附加区域或制造步骤可以改善磁阻设备的切换效率和热稳定性。(A Spin Hall (SH) material (135) is provided adjacent a free region (110) of a magnetoresistive device comprising a magnetic tunnel junction (110, 115, 120). The current flowing through such SH material injects a spin current into the free region, so that a spin torque is applied to the free region. The spin torque generated by the SH material may be used to switch the free region or to assist the spin transfer torque generated by the current flowing perpendicular through the magnetic tunnel junction, thereby improving the reliability, durability, or both, of the magnetoresistive device. Furthermore, one or more additional regions or fabrication steps may improve the switching efficiency and thermal stability of the magnetoresistive device.)

具体实施方式

应当注意的是，本文公开的所有数值(包括所有公开的厚度值、极限和范围)可以具有与公开的数值相差±10％的偏差(除非指定了不同的偏差)。例如，公开为厚度为“t”单位的层的厚度可以在(t-0.1t)单位至(t+0.1t)单位之间变化。另外，所有相对术语(诸如“大约”、“基本上”、“近似”等)被用于指示±10％的可能变化(除非另有说明或指定了其它变化)。而且，在权利要求中，例如，所描述的层/区域的厚度和原子组成的值、极限和/或范围是指该值、极限和/或范围±10％。

应当注意的是，本文阐述的描述本质上仅仅是说明性的，而不旨在限制本主题的实施例或这些实施例的应用和使用。本文描述为示例性的任何实施方式都不应该被解释为比其它实施方式优选或有利。更确切地说，术语“示例性”以示例或“说明性”的意义而不是“理想”的意义使用。术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”及其任何变体被同义地用来表示或描述非排他性包含。照此，使用这些术语的设备或方法不仅仅包括那些元件或步骤，而且可以包括未明确列出或这种设备和方法所固有的其它元件和步骤。另外，术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。类似地，相对朝向的术语(诸如“顶部”、“底部”等)参考所描述的附图中所示的结构的朝向来使用。而且，本文中的术语“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是表示至少一个所引用的项目的存在。

还应该注意的是，虽然在MTJ堆叠/结构的上下文中描述了示例性实施例，但是本发明也可以结合巨磁阻(GMR)堆叠/结构来实现，其中导体(例如，一层铜)部署在两个铁磁区域/层/材料之间。本公开的实施例可以结合其它类型的磁阻堆叠/结构来采用，其中这样的堆叠/结构包括“固定”磁性区域。为了简洁起见，在GMR或其它磁阻堆叠/结构(例如，各向异性磁阻(AMR)设备)的上下文中，将不具体重复在本公开中提出的讨论和图示，但是下面描述的讨论和附图将要解释为完全适用于GMR和其它磁阻堆叠/结构(例如，AMR型设备)。

在本公开中，术语“区域”一般可以用来指一个或多个层。即，区域(如本文所使用的)可以包括材料的单层(沉积、膜、涂层等)或彼此堆叠的材料的多层(即，多层结构)。此外，虽然在下面的描述中所公开的磁阻设备中的不同区域和/或层可以通过特定名称来指代(例如，底部电极、顶部电极、正自旋霍尔(SH)材料(即，具有正自旋霍尔角)、负SH材料(即，具有与“正”SH材料的自旋霍尔角相反的负自旋霍尔角)、“固定”磁性区域、“自由”磁性区域)，但这仅为了易于描述，并且不旨在作为该层的功能描述或相对位置/朝向。而且，虽然下面的描述和各图看起来是描绘各层相对于彼此的特定朝向，但是本领域普通技术人员将理解，这样的描述和描绘仅是示例性的。例如，虽然磁阻堆叠的“自由”区域可以被描绘为在该堆叠的中间层“上方”，但是在一些方面，整个所示的磁阻堆叠可以被翻转，使得“自由”区域在中间层“下方”。

在一个示例性实施例中，本公开的磁阻设备的磁阻堆叠可以被实现为STT和/或SOT MRAM元件。在这样的实施例中，磁阻堆叠可以包括部署在两个铁磁区域之间(例如，夹在之间)的中间层，以形成MTJ设备或MTJ型设备。在中间层的任一侧上部署的两个铁磁区域当中，一个铁磁区域可以是“固定”(或受钉扎)的磁性区域，而另一个铁磁区域可以是“自由”的磁性区域。术语“自由”旨在指具有可以响应于用于切换磁矩向量的施加磁场或自旋极化电流而显著移位或移动的磁矩的铁磁区域。相关地，词语“固定”或“钉扎”用于指具有基本上不响应于这样施加的磁场或自旋极化电流而移动的磁矩向量的铁磁区域。如本领域中已知的，可以基于与非磁性层(例如，隧道势垒)相邻的“自由”区域的磁化方向(例如，磁矩的方向)是否与和非磁性层相邻的“固定”区域的磁化方向(例如，磁矩的方向)平行对准或反平行对准来改变所描述的磁阻堆叠的电阻。通常，如果两个区域具有相同的磁化对准，那么将所得的相对低的电阻视为数字“0”，而如果对准是反平行的，那么将所得的相对较高的电阻视为数字“1”。存储器设备(例如，MRAM)可以包括以列和行的阵列布置的多个磁阻堆叠，其可以被称为存储器单元或元件。通过测量流过每个单元的电流，可以读取每个单元的电阻，从而可以读取存储在存储器阵列中的数据。

在利用SOT切换机制的磁阻设备中，可以通过驱动电流脉冲通过邻近“自由”区域(例如，与之接触或在其附近)的自旋霍尔(SH)材料来实现对磁阻堆叠的“自由”区域的磁化的切换。电流脉冲的极性和SH材料的极性决定了“自由”区域的磁矩的转置方向。SH材料可以具有正自旋霍尔角或负自旋霍尔角。具有正自旋霍耳角的SH材料在本文中可以被称为正SH材料，而具有负自旋霍耳角的SH材料在本文中可以被称为负SH材料。如在本文中所使用的，术语“正”和“负”仅是相对术语，其中正指示材料导致例如相对于经过SH材料的电流脉冲方向的顺时针自旋电流，并且负指示材料导致例如相对于通过SH材料的电流脉冲方向的逆时针自旋电流。SH材料的示例包括但不限于铂(Pt)、β-钨(β-W)、钽(Ta)、钯(Pd)、铪(Hf)、金(Au)、包含金的合金(例如，AuPt、AuCu、AuW)、包括铋(Bi)和硒(Se)的合金(例如，Bi₂Se₃或(BiSe)₂Te₃)、包含铜(Cu)和铂(Pt)、铋(Bi)、铱(Ir)、或铅(Pb)中的一种或多种的合金(例如，CuPt合金、CuBi合金、CuIr合金、CuPb合金)、包含银(Ag)和铋(Bi)的合金(例如，AgBi合金)、包含锰(Mn)和铂(Pt)、铱(Ir)、钯(Pd)或铁(Fe)中的一种或多种的合金(例如，PtMn合金、IrMn合金、PdMn合金、FeMn合金)，或它们的组合。在一个或多个实施例中，铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、包含铋(Bi)和硒(Se)的合金、CuIr合金和CuPt合金可以充当正SH材料，而β-钨(β-W)、钽(Ta)、铪(Hf)、CuBi合金、CuPb合金以及包含银(Ag)和铋(Bi)合金的合金可以充当负SH材料。在一些实施例中，取决于沉积的模式和方式，SH材料可以充当正SH材料或负SH材料。

为了改变其磁状态而需要经过“自由”区域的平均电流可以被称为临界电流(Ic)。临界电流指示在磁阻存储器单元中“写入”数据所需的电流。减小临界电流是所期望的，因此，除其它以外，较小的存取晶体管可以用于每个存储器单元，并且可以生产较高密度、较低成本的存储器。减小的临界电流还可以导致磁阻存储器单元的更长寿命和/或耐久性。

本文描述的实施例可以利用所谓的自旋电流来切换或帮助切换MTJ或类MTJ设备中“自由”区域的磁状态。由于自旋电流因SH材料中依赖自旋的电子散射注入到“自由”区域中，因此通过与“自由”区域相邻(和/或与之接触)的SH材料的电流导致自旋扭矩作用在“自由”区域上。自旋电流在垂直于“自由”区域和SH材料相遇的边界(或界面)并正交于电流流动方向的方向上被注入到“自由”区域中。通过自旋电流施加到“自由”区域的自旋扭矩以类似于在传统的STT磁性隧道结中流过MTJ的自旋极化隧穿电流的方式影响“自由”区域的磁状态。由于STT磁性隧道结的功能在本领域中是众所周知的，因此这里将不再进一步描述。

如同常规的STT MTJ设备中的写入电流一样，在使用SOT切换机制的设备中，自旋电流施加的扭矩方向取决于SH材料中电流流动的方向。换句话说，SH材料内邻近“自由”区域的电流流动的方向决定了施加到“自由”区域的扭矩方向。因此，基于在一个方向或另一个方向上在邻近的SH材料中流动的电流所施加的扭矩，“自由”区域可以能够在两个稳定状态之间进行切换。在一些实施例中，“自由”区域可以能够基于由在任一方向流过MTJ的STT电流施加的扭矩在两个稳定的磁状态之间进行切换。“自由”区域的磁状态还可以通过扭矩来切换，该扭矩是由于STT电流和自旋扭矩产生的，该STT电流通过施加通过MTJ位的电流而引起，并且自旋扭矩通过通过施加通过一种或多种SH材料的电流从一种或多种SH材料注入的自旋电流而引起。

在一些实施例中，仅由自旋电流(即，SOT电流)施加的扭矩用于将“自由”区域切换为特定的磁状态，而在其它实施例中，自旋电流用作“辅助”以减少切换“自由”区域的磁状态所需的STT写入电流的大小，其中STT写入电流流过整个MTJ堆叠，以在“自由”区域和“固定”区域之间产生自旋极化隧穿电流。如在常规的STT MTJ设备中那样，读取由MTJ堆叠存储的数据。例如，将幅度小于MTJ堆叠的临界电流的幅度的读取电流施加到MTJ堆叠以感测MTJ堆叠的电阻。如本领域普通技术人员将认识到的，存在许多可以使用的技术来检测或感测MTJ堆叠的电阻。在一些实施例中，可以将基于读取电流感测到的电阻与参考电阻进行比较，以确定“自由”区域的状态。在一些实施例中，执行自参考读取操作，其中感测通过MTJ的电阻，然后写入(或复位)MTJ，使得“自由”区域处于已知状态，然后再次感测电阻，并且与最初感测的电阻进行比较。然后，可以基于电阻感测是否已基于写入或复位操作而改变来确定“空闲”区域的原始状态。在还有的其它实施例中，可以执行中点参考读取操作。

为了简洁起见，与半导体处理相关的常规技术在本文可以不进行详细描述。可以使用已知的光刻工艺来制造示例性实施例。集成电路、微电子设备、微机电设备、微流体设备和光子设备的制造涉及以某种方式相互作用的材料的若干层或区域(例如，包括一层或多层)的创建。可以对这些区域中的一个或多个进行构图，以使该层的各个区域具有不同的电或其它特点，这些特点可以在该区域内或与其它区域互连，以创建电子组件和电路。这些区域可以通过选择性地引入或移除各种材料来创建。定义此类区域的图案常常是通过光刻工艺创建的。例如，将光致抗蚀剂层施加到覆盖晶片基板的层上。使用光掩模(包含透明和不透明区域)以通过诸如紫外线、电子或x射线之类的辐射形式选择性地曝光光致抗蚀剂。暴露于辐射的光致抗蚀剂或不暴露于辐射的光致抗蚀剂通过施加显影剂来移除。然后可以采用/施加蚀刻，由此对未被剩余抗蚀剂保护的层(或材料)进行构图。可替代地，可以使用其中使用光致抗蚀剂作为模板来构建结构的加性工艺。

如上所述，一方面，除其它事项外，所描述的实施例尤其涉及制造磁阻堆叠的方法，该磁阻堆叠在磁性材料堆叠的任一侧上具有一个或多个导电电极、通孔或导体。如下面进一步详细描述的，磁性材料堆叠可以包括许多不同的材料区域，其中这些区域中的一些包括磁性材料，而其它区域则不包括。在一个实施例中，制造方法包括顺序地沉积、生长、溅射、蒸发和/或提供(在本文中统称为“沉积”)区域，这些区域在进一步处理(例如，蚀刻)之后形成磁阻堆叠。

在一些实施例中，公开的磁阻堆叠可以形成在顶部电极/通孔/线路与底部电极/通孔/线路之间，并且其通过允许到电路系统和磁阻设备的其它元件的(例如，电)连接来允许访问堆叠。电极/通孔/线路之间是多个区域，包括至少一个“固定”磁性区域(在下文中可以被称为“固定”区域)和至少一个“自由”磁性区域(在下文中可以被称为“自由”区域)，并且具有在“固定”区域和“自由”区域之间形成隧道势垒的一个或多个中间层(例如，介电层)。除其它以外，

“固定”区域和“自由”区域中的每个区域可以包括多个铁磁层。在一些实施例中，“固定”区域(例如，下面讨论的“固定”区域20)可以包括合成反铁磁体(SAF)。在一些实施例中，可以移除顶部电极(和/或底部电极)，并且可以在堆叠的顶部上形成位线。此外，每个磁阻堆叠可以被部署为邻近SH材料。SH材料可以被配置为在写入和复位操作期间承载电流并在“自由”区域上施加自旋电流。在一个或多个实施例中，磁阻堆叠的一个或多个电极可以包括SH材料。在其它实施例中，磁阻堆叠可以形成在顶部电极和底部电极之间并且邻近SH材料，该SH材料独立地连接到电流源。在这样的实施例中，磁阻堆叠或设备可以被称为三端子磁阻设备。

现在参考图1-6B，示出了各种切换几何形状(例如，“自由”区域和一种或多种SH材料的相对位置和朝向)。图1-6B中的简化图示未显示示例性磁阻堆叠的所有区域和层，而是旨在图示几种示例性切换几何形状的相对位置和定位以及由一种或多种SH材料生成的自旋电流的方向。此外，虽然图1-6B中所绘出的区域为矩形形状，但这仅是为了简化和清楚起见。本文描述的磁阻堆叠可以具有矩形、梯形、金字塔形、圆柱形或其它形状。

在一些实施例中，本公开的磁阻堆叠，具体而言，磁阻堆叠的“自由”区域可以利用高纵横比(例如，具有大于或等于宽度或直径的高度)或者可以是其它方式的条形。如本文所述的一个或多个“自由”区域可以包括钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、硼(B)或其它铁磁材料。

现在参考图1，磁阻设备可以包括部署在“固定”区域120上方并与之接触的中间层115。“自由”区域110可以设在中间层115上方并与中间层115接触，与“固定”区域120相对。在一些实施例中，可以将SH材料130(例如，正SH材料或负SH材料)部署为与“自由”区域110相邻并接触。即，SH材料可以仅与“自由”区域110接触，而不与中间层115或“固定”区域120接触。在一些实施例中，SH材料130可以沿着“自由”区域110的宽度延伸。在其它实施例中，SH材料130可以仅部分地沿着“自由”区域110的宽度延伸。在一些实施例中，SH材料130可以与“自由”区域110的顶部边缘和/或“自由”区域110的底部边缘接触。SH材料130可以具有小于或等于“自由”区域110的高度的高度。如上所述，SH材料130可以不接触中间层115。SH材料130与中间层115的接触会导致MTJ的短路，这会抑制磁阻堆叠存储数据的能力。在一些实施例中，当电子向下流过堆叠时，SH材料130可以在垂直于SH材料130和“自由”区域110的界面并且正交于电子流方向的方向上将自旋电流施加到“自由”区域110，如图1中所示。在一个或多个实施例中，SH材料130可以在垂直于SH材料130和“自由”区域110的界面的平面中径向覆盖20°-120°的“自由”区域110。

参考图2A，磁阻设备可以包括部署在“固定”区域120上方并与之接触的中间层115。“自由”区域110可以在中间层115上方并且与中间层115接触，与“固定”区域120相对。在一些实施例中，可以在“自由”区域110和SH材料130之间部署势垒(barrier)140。势垒140可以与“自由”区域110和SH材料130接触。在一些实施例中，SH材料130不与“自由”区域110接触。如前所述，SH材料130可以沿着“自由”区域110的宽度延伸，或者SH材料130可以仅部分地沿着“自由”区域110的宽度延伸。势垒140可以具有大于或等于SH材料130的宽度。在一些实施例中，势垒140可以具有大于或等于SH材料130的高度。势垒140可以从“自由”区域110的顶部边缘延伸。在一些实施例中，势垒140不延伸超过“自由”区域110的底部边缘。在其它实施例中，势垒140可以从“自由”区域110的顶部边缘延伸到“固定”区域120的底部边缘，如图2B中所示。在还有的其它实施例中，势垒140可以从与“自由”区域110相邻(并且与之接触)的位置延伸到与“固定”区域120相邻(并且与之接触)的位置。在一个或多个实施例中，势垒140(并且间接地，SH材料130)可以在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面的平面中径向覆盖20°-120°的“自由”区域110。如上所述，势垒140可以将SH材料130与“自由”区域隔离。在一些实施例中，当电子向下流过堆叠时，SH材料130可以在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面并且正交于电子流方向的方向上向“自由”区域110施加自旋电流，如图2A-2B中所示。

参考图3，磁阻设备可以包括部署在“固定”区域120上方并与之接触的中间层115。“自由”区域110可以在中间层115上方并且与中间层115接触，与“固定”区域120相对。在一些实施例中，正SH材料130被放置成与“自由”区域110相邻并接触。负SH材料135可以被放置成与“自由”区域110相邻并接触，与正SH材料130相对。如前所述，如与SH材料相关的术语“正”和“负”仅是相对术语。应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以用负SH材料135代替正SH材料130，并且可以用正SH材料130代替负SH材料135。正SH材料130和负SH材料135可以被配置为使得在相同方向(例如，从顶部电极到底部电极或者从底部电极到顶部电极)流过它们的电流将在相同方向上在“自由”区域110的磁矩上施加扭矩。在一些实施例中，正SH材料130和负SH材料135中的每一个可以沿着“自由”区域110的宽度延伸。在其它实施例中，正SH材料130和/或负SH材料135可以仅部分地沿着“自由”区域110的宽度延伸。

在一些实施例中，正SH材料130和/或负SH材料135可以与“自由”区域110的顶部边缘和/或“自由”区域110的底部边缘接触。正SH材料130和/或负SH材料135可以具有小于或等于“自由”区域110的高度的高度。在一些实施例中，正SH材料130和负SH材料135具有大约相同的尺度和/或可以在“自由”区域110的相对侧上。在其它实施例中，正SH材料130的尺度可以大于或等于负SH材料135的对应尺度。在还有的其它实施例中，负SH材料135的尺度可以大于或等于正SH材料130的对应尺度。在一个或多个实施例中，正SH材料130可以在垂直于正SH材料130和“自由”区域110的界面的平面中径向覆盖20°-180°的“自由”区域110。附加地或者替代地，负SH材料135可以在垂直于负SH材料135和“自由”区域110的界面的平面中独立地径向覆盖20°-180°的“自由”区域110。在一些实施例中，当电子向下流过堆叠时，正SH材料130可以在与正SH材料130和“自由”区域110的界面垂直并且正交于电子流动方向的方向上向“自由”区域110施加自旋电流。类似地，当电子向下流过堆叠时，负SH材料135可以在与负SH材料135和“自由”区域110的界面垂直并且正交于电子流动方向的方向上向“自由”区域110施加自旋电流，如图3中所示。

参考图4A，磁阻设备可以包括部署在“固定”区域120上方并与之接触的中间层115。“自由”区域110可以在中间层115上方并且与中间层115接触，与“固定”区域120相对。在一些实施例中，可以在“自由”区域110与SH材料130、135之间部署一个或多个势垒140。势垒140可以仅与一种SH材料130或135相关联，而不与另一种SH材料相关联。在一些实施例中，诸如图4A-4B中所示的实施例，磁阻堆叠包括两个势垒140，一个部署在正SH材料130和“自由”区域110之间，另一个部署在负SH材料135和“自由”区域110之间。每个势垒140可以与“自由”区域110和SH材料130、135两者接触。在一些实施例中，SH材料130、135都不与“自由”区域110接触。如前所述，SH材料130、135可以沿着“自由”区域110的宽度延伸，或者SH材料130、135可以仅部分地沿着“自由”区域110的宽度延伸。一个或多个势垒140的宽度可以大于或等于它们与之接触的SH材料130、135的宽度。在一些实施例中，势垒140的高度可以大于或等于它们与之接触的SH材料130，135的高度。势垒140可以从“自由”区域110的顶部边缘延伸。在一些实施例中，势垒140不延伸超过“自由”区域110的底部边缘。在其它实施例中，势垒140可以从“自由”区域110的顶部边缘延伸到“固定”区域120的底部边缘，如图4B中所示。在还有的其它实施例中，势垒140可以从与“自由”区域110相邻(并且与之接触)的位置延伸到与“固定”区域120相邻(并且与之接触)的位置。在一个或多个实施例中，势垒140(并且间接地，SH材料130)可以在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面的平面中径向覆盖35°-270°的“自由”区域110。在一些实施例中，当电子向下流过堆叠时，正SH材料130可以在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面并且正交于电子流动方向的方向上向“自由”区域110施加自旋电流。类似地，当电子向下流过堆叠时，负SH材料135可以在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面并且正交于电子流动方向的方向上向“自由”区域110施加自旋电流，如图4A-4B中所示。

参考图5A，磁阻设备可以包括部署在“固定”区域120上方并与之接触的中间层115。“自由”区域110可以在中间层115上方并且与中间层115接触，与“固定”区域120相对。在一些实施例中，可以在“自由”区域110和SH材料130之间部署势垒140。势垒140可以与“自由”区域110和SH材料130两者接触。在一些实施例中，SH材料130不接触“自由”区域110。如前所述，SH材料130可以沿着“自由”区域110的宽度延伸，或者SH材料130可以仅部分地沿着“自由”区域110的宽度延伸。势垒140的宽度可以大于或等于SH材料130的宽度。在一些实施例中，势垒140的高度可以大于或等于SH材料130的高度。在一个或多个实施例中，SH材料130可以具有不均匀的厚度。例如，如图5A中所示，SH材料130的部分可以横向地向外延伸远离“自由”区域110。在另一个实施例中，如图5B中所示，SH材料130的部分可以延伸超过势垒140的边缘，并且进一步以大约90°角从“自由”区域110横向向外延伸。在这样的实施例中，SH材料130可以具有大于或等于势垒140或“自由”区域110中的一个或多个的两个或更多个尺度。在一个或多个实施例中，SH材料130的部分可以具有足以向“自由”区域110施加自旋电流的厚度，其具有足以改变“自由”区域110的磁状态的幅度。在一些实施例中，位线可以连接到SH材料130的横向延伸远离“自由”区域110的一个或多个部分，从而形成三端子设备(例如，连接到SH材料的第一端子、连接到顶部电极的第二端子，以及连接到底部电极的第三端子)。

重新参考图5A，势垒140可以从“自由”区域110的顶部边缘延伸。在一些实施例中，势垒140不延伸超过“自由”区域110的底部边缘。在其它实施例中，如图5B中所示，势垒140可以延伸超过SH材料130的底部边缘。在还有的其它实施例中，如图5C中所示，势垒140可以从“自由”区域110的顶部边缘延伸到“固定”区域120的底部边缘。在还有的其它实施例中，势垒140可以从与“自由”区域110相邻(并且与之接触)的位置延伸到与“固定”区域120相邻(并且与之接触)的位置。在一个或多个实施例中，势垒140(并且间接地，SH材料130)可以在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面的平面中径向覆盖大约35°-320°的“自由”区域110，从而允许电子在“自由”区域110的大部分圆周上循环。在一些实施例中，如图5A-5C中所示，当电子沿着SH材料130流动时，可以在垂直于电子的流动的方向上将自旋电流施加到“自由”区域110。在一些实施例中，这种电子的流动施加足够的扭矩以在两个稳定的磁状态之间切换“自由”区域110的磁矩。

现在参考图6A-6B，磁阻设备可以包括部署在“自由”区域110上并与之接触的中间层115。磁阻设备还可以包括在中间层115上方并与之接触的“固定”区域120。如图6A-6B中所示，“自由”区域110、中间层115和“固定”区域120可以具有相同或相似的宽度和/或齐平边缘。图6A中所示的磁阻设备可以进一步延伸到“页面中”或“页面外”，其中在所示区域的“后面”或“前面”形成一个或多个附加层。图6B表示图6A中所示区域的轴向横截面。一个或多个势垒140可以沿着“自由”区域110、中间层115和“固定”区域120的边缘定位。一个或多个势垒140可以沿着“自由”区域110、中间层115和“固定”区域120的长度延伸。如图6A-6B中所示，磁阻设备可以包括面内(in-plane)MTJ。在一个或多个实施例中，磁阻堆叠包括定位在“自由”区域110、中间层115和“固定”区域120的相对侧上的两个势垒140。在一个或多个实施例中，磁阻堆叠还可以包括部署在“自由”区域110的一侧并且在垂直界面处与SH材料130和“自由”区域110两者接触的势垒层140。在一个或多个实施例中，磁阻堆叠还可以包括部署在“自由”区域110的侧面和下方(或顶部)并在垂直和水平界面处与SH材料130和/或“自由”区域110两者接触的势垒层140。SH材料130可以在“自由”区域110的宽度上和/或沿着“自由”区域110的长度延伸。在一些实施例中，SH材料130的高度可以大于或等于势垒140的高度。SH材料130可以向上延伸超过“自由”区域110的顶表面，或者甚至延伸超过“固定”区域120的顶表面。在一些实施例中，SH材料130的向上延伸超过“固定”区域120的顶表面的部分可以直接连接到位线，从而形成三端子设备。在一些实施例中，SH材料130不接触中间层115和/或“固定”区域120。在一些实施例中，当电子沿着SH材料130流动时，自旋电流可以在垂直于“自由”区域110和SH材料130的界面并且正交于电子流动方向的方向上被施加到“自由”区域110，如图6中所示。在一个或多个实施例中，SH材料130和“自由”区域110可以被配置为使得SH材料130将自旋电流施加到幅度足够大的“自由”区域110，以在稳定磁状态之间切换“自由”区域110。

现在将参考图7A-15B讨论利用SOT切换制造磁阻堆叠的示例性方法(例如，包括以上讨论的几何形状之一的磁阻堆叠)。应该理解的是，虽然在一种特定的切换几何形状的上下文中讨论了示例性方法，但是本文描述的技术、方法和原理可应用于所描述的切换几何形状实施例中的任何一个。此外，一种或多种示例性方法的方面或特征可以与任何其它描述的示例性方法的方面或特征组合。另外，如先前所述，与半导体处理相关的通常执行的常规技术可能在本文中未具体描述。而是，本文的描述旨在突出利用STT和/或SOT切换来制造磁阻堆叠的示例方法的各方面。

图7A示出了例如在蚀刻处理或光刻微制造处理步骤之后包括根据本公开的一个或多个实施例的MTJ的磁阻堆叠。图7B示出了图7A的磁阻堆叠的横截面。参考图7A至图7B，磁阻堆叠可以包括底部电极210，该底部电极210可以被集成到基板205(例如，二氧化硅(silica)基板)中或以其它方式形成在基板205上。“固定”区域120可以被定位在底部电极210上方并与之接触，并且中间层115可以在“固定”区域120上方并与之接触。“自由”区域110可以被定位在中间层115上方并与之接触，并且顶部电极220可以在“自由”区域110上方并与之接触。可以通过例如物理气相沉积(PVD)、其它薄膜制造处理和/或本领域中已知的其它技术将一种或多种氧化物(例如，二氧化硅)施加到堆叠上。

图8A示出了根据一个或多个实施例的已经涂覆有氧化物的磁阻堆叠(即，氧化物涂覆的磁阻堆叠)。图8B示出了图8A的磁阻堆叠的横截面。参考图8A-8B，在一个或多个实施例中，在基板205和/或顶部电极220上方形成氧化物层215。在一些实施例中，涂覆氧化物的磁阻堆叠可以包括部署在基板205上方并与基板205接触的一个或多个氧化物区域215。氧化物区域215可以覆盖基板205的整个顶表面。在其它实施例中，基板205的顶表面的仅一部分被氧化物区域215覆盖。涂覆氧化物的磁阻堆叠还可以包括部署在顶部电极220上方并与之接触的氧化物区域215。在一个或多个实施例中，可以施加氧化物，使得氧化物区215完全覆盖中间层115的厚度。在一些实施例中，氧化物区域215可以接触基板205、底部电极120、中间层115和/或自由区域110。在进一步的实施例中，氧化物区域215可以在磁阻堆叠周围是共形的并且覆盖磁阻堆叠的一个或多个区域的垂直侧壁。在一个或多个实施例中，可以通过化学气相沉积(CVD)、PVD或本领域已知的其它方法将势垒材料(例如，MgO、金属氧化物、SiN、准金属导体)沉积在涂覆氧化物的磁阻堆叠上。

图9A示出了根据一个或多个实施例的已经涂覆有阻挡材料的磁阻堆叠(即，涂覆有势垒的磁阻堆叠)。图9B示出了图9A的涂覆有势垒的磁阻堆叠的横截面。参考图9A-9B，在一个或多个实施例中，涂覆有势垒的磁阻堆叠可以包括部署在氧化物区域215上方并与之接触的势垒140。势垒140可以与氧化物区域215、顶部电极220和/或“自由”区域110接触。在一些实施例中，势垒140不接触中间区域115。势垒140可以覆盖“自由”区域110的整个高度。在一个或多个实施例中，可以将SH材料130(例如，铂(Pt)、β-钨(β-W)和/或钽(Ta))沉积在涂覆有势垒的磁阻堆叠上。

图10A示出了根据一个或多个实施例的已经涂覆有SH材料的磁阻堆叠(即，涂覆有SH材料的磁阻堆叠)。图10B示出了图10A的磁阻堆叠的横截面。参考图10A-10B，涂覆有SH材料的磁阻堆叠可以包括部署在势垒140上方并与之接触的SH材料130。在一些实施例中，除了势垒140之外，SH材料130不接触磁阻堆叠的任何层/区域。

在一个或多个实施例中，可以通过PVD、其它薄膜制造方法或本领域已知的其它方法将辅助氧化物沉积在涂覆有SH材料的磁阻堆叠上。图11A示出了根据一个或多个实施例的已经涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠(即，涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠)。图11B示出了图11A的涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠的横截面。参考图11A-11B，一种或多种辅助氧化物235可以部署在SH材料130上方并与之接触。在一些实施例中，辅助氧化物235也可以与势垒140接触。

在一些实施例中，可以蚀刻、磨蚀和/或以其它方式抛光(例如，经由化学机械平面化(CMP))涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠。CMP是通过化学和物理手段相结合使表面平整的处理。在一些实施例中，可以经由任何前述手段抛光涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠，以暴露与辅助氧化物235的顶表面齐平的顶部电极220的表面，如图12A中所示(图12B中的横截面)。势垒140的表面也可以被暴露，该表面与辅助氧化物235的顶表面齐平。在一些实施例中，在磁阻堆叠经历CMP以暴露出顶部电极220的表面之后，可以从磁阻堆叠中蚀刻剩余的辅助氧化物235(例如，成角度的蚀刻或倾斜蚀刻)或以其它方式烧蚀。

图13A示出了根据一个或多个实施例的在已经去除辅助氧化物之后包括MTJ的磁阻堆叠的阵列的俯视图。图13B示出了沿着线13B-13B截取的图13A中所示阵列的一个磁阻堆叠的横截面。如图13A-13B中所示，SH材料130和势垒140在垂直于势垒140和“自由”区域110的界面的平面中径向覆盖360°的“自由”区域110。可以采取进一步的蚀刻步骤(成角度的蚀刻、旋转的蚀刻、倾斜的蚀刻)以产生在本公开内描述的切换几何形状。例如，如图14A-14B中所示，第一蚀刻步骤可以蚀刻(例如，成角度的蚀刻或倾斜蚀刻)SH材料130的某些区域，并暴露出氧化物区域215上方的势垒140的区域。在一些实施例中，可以采取第二蚀刻步骤(例如，成角度的蚀刻或倾斜蚀刻)以通过从“自由”区域110的一部分去除/烧蚀SH材料130和势垒140来暴露“自由”区域110的表面，如图15A-15B中所示。图15A中所示的磁阻堆叠的阵列中的每个磁阻堆叠具有图5A中所示的切换几何形状。类似地，可以使用上述方法来制造本文所述的切换几何形状中的任何一个。在将SH材料130和势垒140蚀刻成期望的几何形状之后，可以在顶部电极220上方和/或与顶部电极220接触来制造另外的层和/或连接。

图16是根据本公开的一个或多个实施例的利用STT和/或SOT切换来制造磁阻堆叠的方法300的流程图。方法300可以包括在包括MTJ的磁阻堆叠上沉积氧化物以形成涂覆有氧化物的磁阻堆叠(步骤310)。方法300还可以包括在涂覆有氧化物的磁阻堆叠上沉积势垒材料以形成涂覆有势垒的磁阻堆叠(步骤320)。在一些实施例中，方法300可以包括将SH材料沉积在涂覆有势垒的磁阻堆叠上(步骤330)。方法300还可以包括在涂覆有SH材料的磁阻堆叠上沉积辅助氧化物(步骤340)。在一些实施例中，方法300可以包括在涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠上执行CMP(步骤350)。在一个或多个实施例中，在涂覆有辅助氧化物的磁阻堆叠上执行CMP可以暴露磁阻堆叠的顶部电极和/或势垒。方法300还可以包括至少部分地蚀刻辅助氧化物层(步骤360)。在一些实施例中，所有辅助氧化物都被蚀刻或以其它方式从磁阻堆叠中去除。在一个或多个实施例中，方法300可以包括至少部分地蚀刻SH材料(步骤370)。在一些实施例中，方法300还可以包括至少部分地蚀刻势垒。SH材料和势垒可以以任何图案蚀刻以形成本文所述的任何示例性切换几何形状。

如上所述，可以以传感器架构或存储器架构(以及其它架构)来实现包括本文所述的一个或多个切换几何结构的本公开的磁阻设备。例如，在存储器配置中，磁阻设备可以电连接到存取晶体管，并被配置为耦合或连接到各种导体，这些导体可以承载一个或多个控制信号，如图17中所示。当前公开的磁阻设备可以用于任何合适的应用中，包括例如在存储器配置中。在这种情况下，磁阻设备可以形成为集成电路，该集成电路包括分立存储器设备(例如，如图18A中所示)或其中具有逻辑的嵌入式存储器设备(例如，如图18B中所示)，每个根据本文公开的某些实施例的某些方面，包括MRAM，其在一个实施例中代表具有多个磁阻堆叠的MRAM的一个或多个阵列。

虽然已经详细图示和描述了本公开的各种实施例，但是对于本领域技术人员而言将显而易见，在不脱离本公开的情况下可以做出各种修改。