使用雙向磁振子寫入的自旋扭矩mram的製作方法

2024-01-28 17:55:15

使用雙向磁振子寫入的自旋扭矩mram的製作方法
【專利摘要】提供一種用於雙向寫入的裝置。疊層包括隧道勢壘上的參考層、自由層上的所述隧道勢壘，以及金屬間隔物上的所述自由層。所述裝置包括絕緣磁體。珀爾帖材料熱耦合到所述絕緣磁體和所述疊層。當冷卻珀爾帖/絕緣磁體界面時，所述絕緣磁體被配置為傳遞自旋扭矩以便沿第一方向旋轉所述自由層的磁化。當加熱珀爾帖/絕緣磁體界面時，所述絕緣磁體被配置為傳遞所述自旋扭矩以便沿第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
【專利說明】使用雙向磁振子寫入的自旋扭矩MRAM
【技術領域】
[0001]示例性實施例涉及存儲器，更具體地說，涉及存儲器中的雙向寫入。
【背景技術】
[0002]磁阻隨機存取存儲器(MRAM)是一種非易失性計算機存儲器(NVRAM)技術。與傳統的RAM晶片技術不同，在MRAM中，數據不存儲為電荷或電流，而是按照磁存儲元件存儲。這些元件從兩個鐵磁板形成，每個鐵磁板可以保持由薄絕緣層分隔的磁場。兩個板中的一個是設置為特定極性的參考磁體；另一個板的場可以變化以匹配外部磁場以便存儲記憶，並被稱為「自由磁體」或「自由層」。該配置稱為磁隧道結並且是MRAM位的最簡單結構。從此類「單元」的網格構建存儲器件。
[0003]一種讀取方法通過測量單元的電阻實現。(通常)通過為關聯電晶體供電來選擇特定單元，該電晶體將電流從饋電線通過該單元切換到地。由於磁隧道效應，單元的電阻變化，這是由於兩個板中的磁化定向所致。通過測量任意特定單元的電阻，可以確定可寫板的磁化方向。為了下面討論的一致性，可以將具有相同磁化方向的兩個板定義為表示邏輯「 I 」，然而如果兩個板具有相反的磁化，則電阻將較高，因此表示邏輯「O」。

【發明內容】

[0004]根據一個示例性實施例，提供一種磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件。磁疊層包括與隧道勢壘相鄰的參考層、與自由層相鄰的所述隧道勢壘，以及與金屬間隔物相鄰的所述自由層。絕緣磁體布置在所述磁疊層和珀爾帖(Peltier)材料之間。所述珀爾帖材料熱耦合到所述絕緣磁體和所述磁疊層。冷卻所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面導致所述絕緣磁體轉移自旋扭矩以便沿第一方向旋轉所述自由層的磁化。加熱所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面導致所述絕緣磁體轉移所述自旋扭矩以便沿第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
[0005]根據一個示例性實施例，提供一種磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件。磁疊層包括與隧道勢壘相鄰的參考層、與自由層相鄰的所述隧道勢壘，以及與金屬間隔物相鄰的所述自由層。所述MRAM器件包括絕緣磁體、熱耦合到所述絕緣磁體和所述磁疊層的η型珀爾帖材料，以及熱耦合到所述絕緣磁體和所述磁疊層的P型珀爾帖材料。冷卻所述η型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面以及冷卻所述P型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面導致所述絕緣磁體轉移自旋扭矩以便沿第一方向旋轉所述自由層的磁化。加熱所述η型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面以及加熱所述P型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面導致所述絕緣磁體轉移所述自旋扭矩以便沿第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
[0006]根據一個示例性實施例，提供一種形成磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件的方法。所述方法包括:形成與襯底相鄰的絕緣磁體，形成與所述絕緣磁體相鄰的金屬間隔物，其中所述金屬間隔物是第三引線，形成與所述金屬間隔物相鄰的自由層，並且形成與所述自由層相鄰的隧道勢壘。此外，所述方法包括形成與所述隧道勢壘相鄰的參考層，形成與所述參考層相鄰的第二引線，形成與所述第二引線相鄰的珀爾帖材料，並且形成與所述珀爾帖材料相鄰的第一引線。
[0007]根據一個示例性實施例，提供一種形成磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件的方法。所述方法包括形成與第一引線相鄰的η型珀爾帖材料，形成與第四引線相鄰的P型珀爾帖材料，並且形成與所述η型珀爾帖材料和所述P型珀爾帖材料兩者相鄰的第二引線。此外，所述方法包括形成與所述第二引線相鄰的絕緣磁體，形成與所述絕緣磁體相鄰的金屬間隔物，形成與所述金屬間隔物相鄰的自由層，形成與所述自由層相鄰的隧道勢壘，形成與所述隧道勢壘相鄰的參考層，並且形成與所述參考層相鄰的第三引線。
[0008]通過本公開的技術實現其它特性。在此詳細描述了根據其它實施例的其它系統、方法、裝置和/或電腦程式產品，並且它們被視為要求保護的本發明的一部分。為了更好地理解示例性實施例和特性，參考說明書和附圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]在說明書結尾處的權利要求中具體指出並明確要求保護了被視為本發明的主題。從下面結合附圖的詳細描述，本公開的上述和其它特性將變得顯而易見，這些附圖是:
[0010]圖1是根據一個示例性實施例的MRAM器件的截面圖；
[0011]圖2是根據另一個示例性實施例的MRAM器件的截面圖；
[0012]圖3是根據另一個示例性實施例的MRAM器件的截面圖；
[0013]圖4Α示出根據一個示例性實施例的雙向磁振子切換的空間溫度分布的一個實例；
[0014]圖4Β示出根據一個示例性實施例的雙向磁振子切換的空間溫度分布的一個實例；
[0015]圖5Α示出根據一個示例性實施例的作為器件中的加熱和冷卻的瞬態響應的一個實例的圖；
[0016]圖5Β示出根據一個示例性實施例的作為器件的瞬態響應的一個實例的圖；
[0017]圖6示出根據一個示例性實施例的作為在短持續時間電流脈衝下器件中的加熱和冷卻的瞬態響應的一個實例的圖；
[0018]圖7示出根據一個示例性實施例的珀爾帖MRAM器件的切換延遲分布的圖；
[0019]圖8示出根據一個示例性實施例的具有傾斜各向異性的珀爾帖MRAM器件的切換延遲分布的圖；
[0020]圖9示出根據一個示例性實施例的形成用於雙向寫入的裝置的流程圖；
[0021]圖10示出根據一個示例性實施例的形成用於雙向寫入的裝置的流程圖；
[0022]圖11示出根據一個示例性實施例的形成用於雙向寫入的裝置的流程圖。
【具體實施方式】
[0023]隨著位大小的減小，寫入小磁位需要的磁場增加。硬碟驅動器(HDD)或磁隨機存取存儲器(MRAM)中的磁存儲技術推動了可用於寫入大小越來越小的磁位的磁場的物理限制。自旋扭矩提供一種替代的磁場感應寫入。最新的基於自旋扭矩的寫入依賴於充電電流，以便生成所述自旋電流以實現寫入操作。使用自旋電流可避免基於磁場的寫入的限制，從而擴展存儲位的縮放可能性。
[0024]最近，最新的理論工作提出一種新的物理機制，以便使用熱生成的磁振子電流生成自旋電流，在適當的界面處將磁振子電流轉換為自旋電流。但是，在實際器件中，雙向切換需要雙向熱流(例如，兩個單獨的熱源)。在使用連接到器件(其又連接到熱宿(thermalsink))的加熱器的實現中，熱流是單向。在器件的任一側具有加熱器(還具有熱宿，以便生成足夠的溫度梯度)的布置可能導致問題，因為這需要大量電力。
[0025]在示例性實施例中，提出一種諸如MRAM器件之類的磁器件，該器件使用雙向熱流寫入方案，不需要施加給器件的第二電流脈衝(並且不需要在器件的任一側加熱)。根據示例性實施例，通過將珀爾帖器件內置在磁器件附近來實現雙向性。生成的結構是三端子器件(或者具有三個引線的器件)，從而實現讀取和寫入能力。該器件的優勢包括但不限於具有隨著標準自旋扭矩MRAM要求而明顯降低的電源要求，並且分離讀取和寫入功能，這將導致磁疊層的設計限制較少。此外，源自隨機熱波動的切換延遲的隨機擴散可以明顯被壓縮，這是由於磁振子扭矩驅動過度(例如，通過使絕緣磁體的磁各向異性傾斜)所致。此外，該器件通過消除在寫入期間流過實際存儲元件(例如，自由層)的高電流密度的要求(因為不需要電流流過自由層)，拓寬了磁結中的隧道勢壘的電阻面積(RA)積的選擇。
[0026]現在轉到圖1，示出根據一個示例性實施例的MRAM器件100的截面圖。圖1示出單級珀爾帖設計。
[0027]器件100的設計包括在引線LI上形成的珀爾帖材料102。在珀爾帖材料102之上形成引線L2。在引線L2上形成絕緣磁體104 (例如，由鐵氧體(ferrite)製成)。絕緣磁體104具有釘扎的磁化方向(在該實例中被示出為右方向)，但應該理解，可以將釘扎的磁化方向選擇為左磁化。在絕緣磁體104上形成常規金屬間隔物108。常規金屬間隔物和絕緣(鐵氧體)磁體界面106在常規金屬間隔物108和絕緣磁體104之間。在常規金屬間隔物108之上形成自由層110。自由層110通過指向左右方向的箭頭示出，這指示自由層110的磁化可以在左磁化和右磁化之間切換，具體取決於器件100的工作。可以在自由層110之上形成隧道勢壘112，並且可以在隧道勢壘112之上形成參考層114。參考層114是磁體(在該實例中被示出具有右方向的釘扎(即，固定)磁化)，但應該理解，在另一種情況下，參考層114可以具有左磁化。在參考層114之上形成引線L3。引線L1、L2和L3由金屬製成，並且可以被視為金屬線。
[0028]電壓源116連接到器件100的引線LI和引線L2。電壓源116被配置為根據需要改變(通過其極性)電流的方向，以便在一種情況下(例如，對於加熱器件100)電流可以流入引線LI並且通過引線L2流出，在另一種情況下(例如，對於冷卻器件100)電流可以流入引線L2並且通過引線LI流出。
[0029]例如，在引線LI和L2之間施加來自電壓源116的電流，並且取決於電流的方向，L2/珀爾帖材料界面118處的溫度升高或下降。選擇引線L1、L2和L3的尺寸和熱屬性，以便熱量在引線L2和L3之間流動。為此，引線L2的尺寸應該選擇得儘可能小(即，薄)，以便熱量不會沿著電線(其為引線L2)的長度流動。在圖1中，引線L2的長度從左到右。同時，引線L2的截面尺寸應該足夠大，以便電線中的焦耳熱不會佔主導地位。此外，引線LI和L3應該是良好的熱宿，具有高導熱性並且具有足夠的尺寸，以便在工作下，這些電線(引線LI和L3)附近的溫度下降小於跨有源疊層(其包括絕緣(鐵氧體)磁體104、常規金屬/絕緣磁體界面106、常規金屬間隔物108、自由層110、隧道勢壘112以及參考層114)的溫度下降。
[0030]珀爾帖材料102和引線L2中的金屬應該具有耐高溫的屬性(例如，較高的熔點>1200C)。這有助於珀爾帖疊層(其為引線L1、珀爾帖材料102和引線L2)之上的絕緣磁體104 (例如，作為鐵氧體薄膜的磁絕緣體)的高溫生長。可以使用通過具有極佳熱電屬性的材料(例如，摻雜鈮(Nb)的鈦酸鍶(SrTiO3))(熔點大約?2100C)形成的薄膜作為珀爾帖材料102。可以使用鎢(熔點?3500C)作為(電極)引線L2。還可以使用TaN、TiN和鑰作為引線L2材料。
[0031]絕緣磁體104是不導電的磁材料，例如鐵氧體。常規金屬間隔物108是薄的非磁金屬。磁疊層包括自由層110、隧道勢壘112和參考層114。自由層110可以是鐵磁薄膜(例如，Co40Fe40B20, Ni80Fe20和/或各種其它材料)，並且可以具有例如範圍大約為0.5nm_5.0nm(納米)的厚度。可以選擇隧道勢壘112以便提供較大磁阻，並且隧道勢壘112可以是A10、MgO和/或類似的材料。可以選擇自由層110的厚度以便在方便範圍(例如，1-100歐姆-微米2)內提供電阻面積(RA)積。參考層114提供與隧道勢壘112相鄰的磁化，在導致自由層110旋轉的條件下，參考層114不會改變磁化方向(其被示出為右磁化)。各種材料的參考層114可以用於該目的，並且可以包括諸如合成的反鐵磁體、釘扎反鐵磁體之類的元素。絕緣(鐵氧體)磁體104、自由層110和參考層114的磁化方向可以是面內(左或右)和/或面外(例如，根據本公開為垂直方向，例如向上或向下，該實例中未示出，但所屬【技術領域】的技術人員應該理解)。上面對引線L1、L2、L3、珀爾帖材料、絕緣磁體、自由層、隧道勢壘和參考層的材料的描述(參考圖1)也可以應用於圖2和3。
[0032]為了寫入自由層110，電壓源116在引線LI和L2之間施加電流，這導致引線L2(SP，引線L2和珀爾帖材料界面118)處的溫度升高或下降，具體取決於電流的方向(並且引線LI具有相反的溫度變化)。跨絕緣(鐵氧體)磁體/常規金屬界面106的正或負溫度梯度分別產生朝向或遠離絕緣磁體104 (磁絕緣體)的熱通量。該熱通量導致從絕緣磁體104注入到常規金屬間隔物108的磁振子自旋電流，該電流流向自由層110並又導致自由層110的快速(磁化)切換。例如，溫度升高4-10K (開爾文)(在自由層110處)足以將典型的自由層110從一個磁化方向(例如，左)切換到不同磁化方向(例如，右)，並且電壓源116可以通過珀爾帖材料102施加0.5mA-lmA的電流以便實現這種切換(例如，對於70nm寬度X 150nm高度的柱狀珀爾帖材料102)。電壓源116施加的反向珀爾帖電流(S卩，反向極性)導致將自由層110的磁化反向定向(反向平行)為(鐵氧體)絕緣磁體104層的磁化方向，從而實現雙極寫入能力。
[0033]假設電壓源116施加的電流流入引線L2(S卩，電壓源116的正極側連接到引線L2，負極側連接到引線LI)。這將導致引線L2和珀爾帖材料界面118處的溫度升高，而LI和珀爾帖材料界面處的溫度下降。因此，流入引線L2、通過珀爾帖材料102，然後通過引線LI流出的電流生成熱流120 (即，熱通量),其被示出為向上箭頭。由於熱流120,在絕緣磁體104中生成磁振子，以便根據絕緣磁體104的磁化產生具有角動量(即，自旋扭矩)的自旋電流124。因為熱流120向上流動，所以自旋電流124進入自由層110並且導致自由層110的磁化具有右磁化(方向),這與絕緣磁體104的右磁化平行。
[0034]假設電壓源116施加的電流流入引線L1(S卩，電壓源116的正極側連接到引線LI，負極側連接到引線L2)。這將導致引線L2和珀爾帖材料界面118處的溫度下降/冷卻，而引線LI和珀爾帖材料102的界面處的溫度升高。因此，流入引線L1、通過珀爾帖材料102，然後通過引線L2流出的電流生成熱流122，其被示出為向下箭頭。由於熱流122，在絕緣磁體104中生成磁振子，以便根據絕緣磁體104的磁化產生具有角動量的自旋電流124。因為在這種情況下熱流122向下流動，所以自旋電流124進入自由層110並且導致自由層110的磁化具有左磁化(方向),這與絕緣磁體104的右磁化反向平行。
[0035]引線LI和L2之間的雙極電勢(經由電壓源116)通過珀爾帖材料102發送電流(例如Ip)。引線L2相對於引線LI的正電勢(經由電壓源116)加熱引線L2 (B卩，金屬條)，從而將引線L2轉換為熱源，而引線L3充當熱宿。同樣，引線L2相對於引線LI的負電勢冷卻引線L2，從而將引線L2轉變為熱宿，而引線L3充當熱源。因此，改變在引線LI和引線L2之間施加的電壓(通過電壓源116施加)的極性產生雙向熱通量(dQ/dt)(被示出為熱流120和122)，該熱通量通常流經金屬(L2)-鐵氧體界面(其為引線L2和絕緣磁體104之間的界面)。這產生用於雙向磁切換的雙極磁振子電流(即，自旋電流124)。
[0036]因此，電流(來自電壓源116)流入引線LI和/或引線L2的方向分別導致冷卻或加熱引線L2和珀爾帖材料102的界面。這允許自由層110的雙向寫入(對於面內，寫入左或右磁化，或者對於面外，寫入上或下磁化)。對於向上熱流120，自旋電流124的角動量在自由層110中寫入右磁化，對於向下熱流122，自旋電流124的角動量在自由層110中寫入左磁化，這實現雙向寫入，而不必例如在器件100的相對端提供兩個單獨的熱源。
[0037]此外，可以通過測量引線L2和L3之間的電阻，實現器件100狀態讀出。消除垂直流向磁疊層(即，通過自由層110、隧道勢壘112和參考層114)的高電流密度可明顯放寬器件100 (其為存儲器件)的隧道勢壘112的電阻面積(RA)積的選擇。在自由層110的磁化讀取期間，隧道勢壘112的相對較厚的MgO (較高RA)可以消除對較低電源電壓的要求。另一方面，隧道勢壘112的較低RA積可以確保通過電壓讀出更快地讀取單元。應該理解，器件100可以被視為磁存儲器件中的單元。可以以陣列方式連接許多單獨的器件100作為磁存儲器件的多個單元，其中自由層110的一個磁化方向對應於I (例如，右磁化)，相反的磁化方向(例如，左磁化)對應於O (和/或反之亦然)，如所屬【技術領域】的技術人員理解的那樣。
[0038]自旋電流(例如自旋電流124)攜帶和傳遞絕緣磁體(例如絕緣磁體104)的角動量(對應於磁化)以便翻轉自由層(例如自由層110)的磁化的過程稱為自旋扭矩傳遞(STT)。絕緣磁體104的角動量是其自旋扭矩。珀爾帖材料(例如珀爾帖材料102)用於利用珀爾帖效應。珀爾帖效應的一個實例是用於讀取器的背景用途，但示例性實施例並不限於下面實例中使用的確切細節或材料。在珀爾帖效應中，當電流保持在包括兩個不同導體的材料的電路中時，冷卻與珀爾帖材料的一個結/界面，加熱與珀爾帖材料的另一個結/界面；在包含不同半導體的電路中，效應甚至更強大。例如，在包括例如通過兩條銅線連接到珀爾帖材料(例如，鉍)長度的電池的電路中，在其中電流從銅傳遞到珀爾帖材料的結中出現溫度升高，在其中電流從珀爾帖材料傳遞到銅的結中出現溫度降低。
[0039]現在轉到圖2，示出根據另一個示例性實施例的MRAM器件200的截面圖。器件200是示例性實施例的第二實現，並且其工作與上面針對圖1討論的類似。例如，器件200的設計包括元件204-214，它們對應於圖1中的元件104-114。器件200包括在引線L2上形成的絕緣磁體204 (例如，由鐵氧體製成)。絕緣磁體204具有釘扎的磁化方向(在該實例中被示出為右方向)，但應該理解，可以將磁化方向選擇為左磁化。在絕緣磁體204上形成常規金屬間隔物208。常規金屬間隔物和絕緣(鐵氧體)磁體界面206在常規金屬間隔物208和絕緣磁體204之間。在常規金屬間隔物208之上形成自由層210。自由層210通過指向左右方向的箭頭示出，這指示自由層210的磁化可以在左磁化和右磁化之間切換，具體取決於器件200的工作。可以在自由層210之上形成隧道勢壘212，並且可以在隧道勢壘212之上形成參考層214。參考層214是在該實例中被示出具有右方向的釘扎(B卩，固定)磁化的磁體，但應該理解，在另一種情況下，參考層214可以具有左磁化。在參考層214之上形成引線L3。引線L1、L2和L3由金屬製成，並且可以被視為金屬線。
[0040]在圖2的設計中，引線L2也可以稱為中心條L2，並且引線L2連接兩個珀爾帖材料201和202:—個臂是η型珀爾帖材料201，另一個臂是ρ型珀爾帖材料202，以便確保增強的珀爾帖係數。在這種情況下，電壓源216施加的電流(即，珀爾帖電流)在引線LI和L4之間流動(再次為雙向)，以便根據電壓源216的極性加熱或冷卻引線L2 (S卩，L2和η型珀爾帖材料201之間的界面，以及引線L2和ρ型珀爾帖材料202之間的界面)。引線L2電連接到珀爾帖材料201和202，但未以其他方式連接到電路的其餘部分。
[0041]例如，為了寫入自由層210，假設電壓源216施加的電流流入引線LI (S卩，電壓源216的正極側連接到引線LI，負極側(或地)連接到引線L4)，並且流出引線L4。這將導致引線L2和η型珀爾帖材料201的界面處的溫度下降/變冷，以及引線L2和ρ型珀爾帖材料202的界面處的溫度下降/變冷。因此，流入引線L1、通過η型珀爾帖材料201、通過引線L2、通過ρ型珀爾帖材料202，然後通過引線L4流出的電流生成熱流222 (例如，熱通量)，其被示出為向下箭頭。由於從引線L3流動的熱流222 (通過絕緣磁體204向下)，在絕緣磁體204中激發/生成磁振子，以便根據絕緣磁體204的磁化產生具有角動量(即，自旋扭矩)的自旋電流224。因為熱流222向下流動，所以自旋電流224 (攜帶自旋扭矩)進入自由層210並且導致自由層210的磁化具有左磁化(方向)，這與絕緣磁體204的右磁化反向平行。在這種情況下，引線L3充當熱源，引線L2充當熱宿。引線L3被設計為在熱方面(和/或在物理上)足夠大，以便不受冷卻(或加熱)引線L2和珀爾帖材料201及202之間的界面的影響；引線L3可以被視為熱儲。
[0042]現在，假設電壓源216施加的電流流入引線L4(S卩，電壓源216的正極側連接到引線L4，負極側(或地)連接到引線LI)並且流出引線LI。這將導致引線L2和η型珀爾帖材料201的界面處的溫度升高/變熱，以及ρ型材料202的界面處的溫度升高/變熱。因此，流入引線L4、通過ρ型珀爾帖材料202、通過引線L2、通過η型珀爾帖材料201，然後通過引線LI流出的電流生成熱流220，其被示出為向上箭頭。由於向上通過絕緣磁體204流出的熱流220，在絕緣磁體204中激發/生成磁振子，以便根據絕緣磁體204的磁化產生具有角動量(即，自旋扭矩)的自旋電流224。因為在這種情況下熱流220向上流動,所以自旋電流224進入自由層210並且導致自由層210的磁化具有右磁化(方向)，這與絕緣磁體204的右磁化平行。在這種情況下，引線L3充當熱宿，引線L2充當熱源。此外，L3被設計為在熱方面(和/或在物理上)足夠大，以便不受冷卻或加熱引線L2和珀爾帖材料201及202之間的界面的影響。
[0043]因此，在器件200中，電流(來自電壓源216)流入引線LI和/或引線L4的方向分別導致冷卻或加熱引線L2和珀爾帖材料201及202的界面。這允許自由層210的雙向寫入(對於面內，寫入左或右磁化，或者對於面外，寫入上或下磁化)。對於向上熱流220，自旋電流224的角動量(S卩，自旋扭矩)在自由層210中寫入右磁化，對於向下熱流222，自旋電流224的角動量在自由層210中寫入左磁化，這實現雙向寫入，而不必例如在器件200的相對端提供兩個單獨的熱源。
[0044]通過測量L3和LI或L4之間的電阻，實現讀取(例如，自由層210中的I或O)器件200，其中對於自由層210，一個電阻對應於左磁化，另一個電阻對應於右磁化。當測量電阻(L3和LI或L4之間)時，可以謹慎使用電流，這些電流足夠小，以便不會在讀取期間導致引線L2 (條)處的溫度變化。在示例性實施例中，可以通過在η型和ρ型珀爾帖材料201和202中使用低電流和/或使用(施加)相等電流(即，在引線LI和L4之間分配電流)，實現讀取器件200而不導致引線L2處的溫度變化。這種實現的一個優勢是通過使熱流遠離絕緣(鐵氧體)磁體204/常規金屬間隔物208/自由層210/隧道勢壘212/參考層214疊層結構，引線L2的導熱性不會成為問題，並且引線L2 (即，金屬條)可以變得較厚(從上到下)而不損害性能。根據示例性實施例，雙珀爾帖結構(η型和ρ型珀爾帖材料201和202的臂)的選擇放寬對連接到絕緣(鐵氧體)磁體204的引線L2 (金屬條)的尺寸和熱屬性的約束，因為不會通過引線L2 (金屬條)從珀爾帖材料201及202和/或從磁材料(例如，絕緣磁體204、自由層210和參考層214)吸取熱量，並且因為引線L2未連接到電路的其餘部分。此夕卜，雙珀爾帖材料201和202提高加熱和冷卻的效率。圖2中示出的這種幾何形狀可以被視為比圖1中示出的幾何形狀具有額外的優勢。在此，即使引線L2變得非常厚也不會在器件200之外提供其它熱路徑(這可以阻礙熱流220或222);而對於圖1中的器件100，引線L2變得更厚以便容易攜帶電流從而為珀爾帖結構(例如，包括引線L1、引線L2和珀爾帖材料102)供電，這也可能使器件100熱短路，因此最小化可供流過絕緣磁體104的熱流。
[0045]參考圖3，示出根據另一個示例性實施例的MRAM器件300的截面圖。器件300是示例性實施例的第三實現，並且其工作與上面針對圖1和2討論的類似。例如，器件300的設計包括元件304-314，它們對應於圖1中的元件104-114。
[0046]與圖1和2不同，具有器件300的第三配置示出在參考層314 (即，固定層或釘扎層)之上的珀爾帖疊層(包括引線L1、珀爾帖材料302和引線L2)，其用於加熱和/或冷卻。絕緣(鐵氧體)磁體304可以首先在襯底301 (例如，具有SiN塗層的無定形碳)上生長，然後其它後續層可以垂直生長，如圖3中所示。引線L3是器件300中的常規金屬間隔物308，並且在絕緣磁體304之上形成引線L3。常規金屬間隔物和絕緣磁體界面306是常規金屬間隔物308和絕緣磁體304 (鐵氧體)之間的界面。在常規金屬間隔物308之上形成自由層310，並且在自由層310上形成隧道勢壘312。在隧道勢壘312上形成參考層314。在參考層314上形成引線L2，並且在引線L2之上形成珀爾帖材料302。在珀爾帖材料302之上形成引線LI。
[0047]在自由層310的寫入期間，通過珀爾帖材料302在引線LI和L2之間發送有向電流(經由電壓源316)，並且電流最終加熱(對於流入引線L2並且通過引線LI流出的電流)和/或冷卻(對於流入引線LI並且通過引線L2流出的電流)引線L2/珀爾帖材料界面318。加熱或冷卻過程最終根據磁振子切換的需要，分別在常規金屬間隔物/絕緣磁體(鐵氧體)界面306處產生正溫度梯度(例如，向上熱流320)或負溫度梯度(例如，向下熱流322)。如上面討論的，使電壓源315施加給引線LI和L2的電壓的極性反轉允許雙向切換自由層310的磁化。
[0048]應選擇引線L1、L2和L3的尺寸和熱屬性，使得熱量在引線L2和L3之間流動。為此，引線L2的尺寸應該選擇得儘可能小(即，薄，從上到下)，以便熱量不會沿著引線L2 (電線)的長度流動。同時，引線L2 (電線)應該足夠大(即，厚)，以便引線L2中的焦耳熱不會佔主導地位。引線LI和L3應該是良好的熱宿。器件300的這種設計可以更廣泛地選擇磁材料(例如，絕緣磁體304、自由層310、隧道勢壘312和參考層314)和電極材料(例如，金屬引線L3、L2和LI)，因為高溫硬鐵氧體(其為絕緣磁體304)首先在磁疊層(即，自由層310、隧道勢壘312和參考層314)和珀爾帖疊層(B卩，引線L2、珀爾帖材料302和引線LI)之下生長。
[0049]對於圖1、2和3中的所有三個配置，可以實現與平面垂直(即，自由層310的向上或向下磁化)的垂直磁各向異性(PMA)，這有助於減小快速磁振子切換需要的常規金屬間隔物/絕緣(鐵氧體)磁體界面106、206、306處的閾值溫差。在PMA配置中，磁振子自旋扭矩(對應於角動量)必須克服低於面內配置的磁能勢魚(例如，大約?2* *Ms) (Ms是存儲層的飽和磁化)。明顯較低的熱電流(例如，大約?0.1mA-0.5mA)可以在常規金屬間隔物/絕緣(鐵氧體)磁體界面106、206、306處產生需要的溫差。這用於50 (寬度)X 100 (長度)nm的器件100、200、300並且隨面積伸縮。用於磁振子切換的溫差閾值減小到大約4K-8K (開爾文)。
[0050]可以針對這些器件100、200、300使用較高的RA，因為沒有寫入電流流經器件100、200、300。這是有利的，因為改善了隧道勢壘完整性(包括隧道勢壘112、212、312)，並實現更高的有效位單元隧道磁阻(TMR)(包括電晶體阻抗)。位單元對應於自由層，例如自由層110、210、310。
[0051]在一種實現中，引線L2的厚度(從上到下)可以在5至10納米(nm)之間，並且引線L2的寬度可以與磁隧道結的直徑相同(例如，大約?50nm-100nm)。在引線L2的該範圍內，焦耳熱足夠小以便抑制珀爾帖冷卻，並且MRAM器件按預期方式工作。此外，引線L2的長度(其指向圖1-3中的頁)可以與磁隧道結的直徑相同(例如,大約?50nm-100nm)。但是，當引線L2通過金屬過孔和觸點連接到存取電晶體(未示出，但所屬【技術領域】的技術人員應該理解)之一的源極/漏極時，引線L2在某些情況下可以較長(例如，大約?lOOnm)。根據本公開，構想可以針對引線L1、L2和L3使用各種尺寸，並且並非旨在限制示例性實施例。
[0052]圖4A示出在圖400中的加熱下的空間溫度分布的一個實例，圖4B示出在圖405中的冷卻下的空間溫度分布的一個實例，它們根據示例性實施例用於例如器件100、300中的雙向磁振子切換(例如，單級珀爾帖器件)。器件100、300是用於讀取和寫入多個位(I和O)的MRAM器件。為了在圖4A和4B中示出加熱和冷卻，注意較淺的陰影表示較高的溫度，深陰影表示較低的溫度。
[0053]圖4A示出珀爾帖材料(例如，珀爾帖材料102、302)加熱MRAM器件的一個實例。加熱導致熱通量(即，熱流)進入磁疊層，該疊層包括參考層、隧道勢壘、自由層、常規金屬間隔物和絕緣磁體。在該實例中，當電壓源(例如，電壓源116、316)在器件100、300的引線LI和L2之間施加20mV時，跨磁疊層具有IOK (開爾文)的溫度變化。
[0054]圖4B示出珀爾帖材料(例如，珀爾帖材料102和302)冷卻MRAM器件的一個實例。冷卻導致熱通量(即，熱流)通過磁疊層，該疊層包括參考層、隧道勢壘、自由層、常規金屬間隔物和絕緣磁體。在該實例中，當電壓源(例如，電壓源116、316)在器件100、300的引線LI和L2之間施加20mV時，跨磁疊層具有-8K的溫度變化。圖4A和4B中分別示出用於雙向磁振子切換的熱電(珀爾帖)加熱和冷卻下的空間溫度分布。對於從引線LI流向引線L2的珀爾帖電流(參考圖3 )，熱量向下流動(通過熱流322示出)。但是，通過使弓丨線LI和引線L2之間的珀爾帖電流的方向反轉，熱量向上流動(通過熱流320示出)。與最新的電流驅動的MRAM不同，電流不需要流經圖3中的隧道勢壘312以實現磁切換。這明顯放寬薄隧道勢壘312的設計約束。在一種實現中，隧道勢壘312可以變得更厚，以便增強隧道磁阻(TMR)，並且減少讀取幹擾(破壞性讀取)引起的參數故障。
[0055]圖5A示出根據示例性實施例的作為穩定電流下的珀爾帖MRAM (例如器件100、200、300)中的加熱和冷卻的瞬態響應的一個實例的圖500。圖5A示出加熱中的均勻溫度升高(均勻階梯函數)或者冷卻中的均勻溫度下降，以零(O)作為規範化起始點。在圖5A中，y軸是在疊層(參考層、隧道勢壘和自由層)下面的金屬間隔物和絕緣磁體(其為鐵氧體)之間的溫差(S T=Tms-Tfekkite，以開爾文為單位)。X軸示出在珀爾帖MRAM器件中施加加熱或冷卻的時間(以納秒為單位)。在引線LI和L2之間施加雙極電壓。正電壓(Vp>0)導致正δΤ，而負電壓(Vp〈0)使得δΤ為負。
[0056]圖5Β示出根據示例性實施例的作為穩定電流下的珀爾帖MRAM (例如器件100、200、300)中的加熱的瞬態響應的一個實例的圖505。圖5Β示出當加熱珀爾帖材料時，將自由層從一個磁化方向(例如向右(或向上))切換到不同磁化方向(例如向左(或向下))的一個實例。y軸表示從一個磁化到另一個磁化的切換。在y軸上，I表示自由層的一個磁化方向(例如，向右)，而-1表不自由層的另一個磁化。X軸表不對於施加給拍爾帖材料的給定能量E和給定珀爾帖電流(Ip)，將自由層從一個磁化方向切換到另一個磁化方向的切換時間(以納秒為單位)。例如，對於跨珀爾帖材料的引線(例如，圖1和3中的引線LI和L2，或者圖2中的引線LI和L4)施加的50mV，切換能量(E)為3.41pJ/切換以及珀爾帖電流Ip=L 80mA,自由層的切換時間不到Ins。
[0057]圖6示出根據示例性實施例的作為在短持續時間珀爾帖電流脈衝下的珀爾帖MRAM (例如器件100、200、300)中的加熱和冷卻的瞬態響應的一個實例的圖600。圖5A和5B示出例如電壓源116、216、316施加的用於加熱(負電流)和/或冷卻(正電流)其相應珀爾帖材料的穩定珀爾帖電流。但是，圖6使用例如電壓源116、216、316施加的短持續時間(脈衝)珀爾帖電流(Ip)加熱(負電流)和/或冷卻(正電流)其相應珀爾帖材料。短持續時間珀爾帖電流(Ip)脈衝提供比穩定珀爾帖電流更快的自由層切換，並且短持續時間珀爾帖電流脈衝比傳統自旋扭矩MRAM器件節省50-60%的能量。
[0058]圖6中的虛線表示對於電壓振幅Vp和脈衝寬度PW的各種高斯電脈衝，金屬-鐵氧體界面處的溫度衰減曲線(profile)。例如，黑色虛線提供對于振幅為IOOmv並且PW=0.1ns的高斯電壓脈衝，規範化為S Tmax=HK的溫度衰減曲線(δ T)。在引線LI和L2之間流動的對應電流為Ip=3.5mA (也為高斯分布，形狀與施加的電壓Vp相同)。在磁化切換(平行-反向平行)中耗散的總能量為E=0.35微微焦耳切換。圖6中的黑色實曲線示出平行到反向平行切換響應。
[0059]此外，根據示例性實施例，當電壓源116、216、316在範圍為0.lns-0.3ns的持續時間內施加範圍為lmA-3.5mA的電流脈衝時，自由層110,210,310 (在器件100、200、300中)的磁化被配置為在2ns內切換(例如，不到2ns、大約2ns和/或略多於2ns)。
[0060]在示例性實施例中，珀爾帖材料可以是摻雜鈮的SrTi03。引線L2可以包括具有高熔化溫度的導電材料，例如，引線L2可以包括但不限於諸如鎢、鑰、TaN、Ta、TiN和及其混合物之類的導電材料。
[0061]現在轉到圖7，圖7示出根據示例性實施例的珀爾帖MRAM器件(例如器件100、200、300)中的切換延遲分布的圖700。
[0062]圖700示出具有垂直磁各向異性的珀爾帖MRAM(自由層110、210、310、參考層114、214、314和絕緣磁體104、204、304的磁各向異性與平面垂直)中的切換延遲的概率分布。MRAM設計規範為:垂直磁各向異性(Ku2) =4.5 X 106emu/cm3 ;飽和磁化(Ms) =850emu/cm3 ;吉爾伯特阻尼常數(a )=0.01 ;自由層的體積(V) =100X 50X 3nm3。
[0063]金屬-鐵氧體界面(其為金屬間隔物/絕緣磁體界面106、206、306)處的較高溫度梯度(ST)可減小平均切換延遲，如圖700中所示。但是，對於給定切換延遲和故障概率，切換溫度梯度(STc)(顯著)增加，這是由於自由層磁化的隨機熱波動所致。這可以使珀爾帖MRAM中的切換變得非重複且隨機，這轉而降低參數存儲器成品率。熱累積延遲導致切換延遲分布的長尾，如圖7中所示。溫差(δΤ)越低，熱累積延遲的主導地位就越大，這導致分布的拉長尾。較低的ST (=2開爾文)比較高的δΤ (=10開爾文)的延遲擴展更大。
[0064]圖8示出根據示例性實施例的具有垂直磁各向異性的珀爾帖MRAM (自由層110、210、310、參考層114、214、314和絕緣磁體104、204、304的磁各向異性與平面垂直)中的概率分布的圖800。但是，在圖8的情況下，示出根據示例性實施例，當稍微傾斜絕緣磁體(鐵氧體)磁各向異性時的珀爾帖MRAM (例如，器件100、200、300)中的切換延遲分布，這可減小切換延遲擴展(與圖700相比) 。在這種情況下，絕緣磁體104、204、304的磁化並不完全垂直(向上或向下)，而是磁化稍微傾斜一個角度，例如Θ tiit= 31/IO0構想絕緣磁體的磁化可以傾斜更小或更大，並且絕緣磁體的垂直磁各向異性並不限於傾斜Θ tilt= /10。
[0065]此外，對於給定溫度梯度，自由層磁切換變得重複，並且切換延遲分布被壓縮(即，X軸上的大小減小)。這種設計明顯改進參數存儲器成品率。藉助自由層和絕緣磁體(鐵氧體)之間的共線磁各向異性(9mt=0°)，自由層力矩圍繞其易磁化軸(在我們的實例情況中，其與平面垂直，但並不限於此)的熱感應初始角進動將啟動磁振子電流感應磁化切換。具有足夠低的切換故障概率的更快切換需要足夠大的δΤ (>10Κ)。但是，藉助稍微傾斜絕緣磁體各向異性(Θ ?it~Pi/10弧度)，磁振子電流感應磁化反轉變得基本上與初始熱波動無關，因此使得自由層切換幾乎沒有錯誤。
[0066]圖9示出形成用於自由層雙向寫入的裝置的過程的流程圖900。參考圖1中的器件 100。
[0067]首先，在方框902，在第一引線(例如，金屬引線LI)上形成珀爾帖材料(例如，珀爾帖材料102)。在方框904，在珀爾帖材料102上形成第二引線(例如，金屬引線L2)。在方框906，在第二引線上形成絕緣材料(例如，鐵氧體絕緣材料104)。絕緣材料104可以具有面內磁各向異性(例如，左或右磁化)。
[0068]此外，在方框908，在絕緣磁體104上形成常規金屬間隔物(例如，常規金屬間隔物108)。絕緣磁體104是不導電的絕緣體。在方框910，在常規金屬間隔物108上形成自由層(例如，自由層110)。在方框912，在自由層110上形成隧道勢壘(例如，隧道勢壘112)。在方框914，在隧道勢壘112上形成參考層114。在方框916，在參考層114上形成第三引線(例如，金屬引線L3)。
[0069]圖10示出根據示例性實施例的形成用於自由層雙向寫入的裝置的過程的流程圖1000。參考圖3中的器件300。
[0070]在方框1002，在襯底(例如，襯底301)上形成絕緣磁體(例如，絕緣磁體304)。在方框1004，在絕緣磁體304上形成常規金屬間隔物(例如，金屬間隔物308)。金屬間隔物308也是第三引線(例如，金屬引線L3)。在方框1006，在常規金屬間隔物308上形成自由層(例如，自由層310)。
[0071]此外，在方框1008，在自由層310上形成隧道勢壘(例如，隧道勢壘312)。在方框1010，在隧道勢壘312上形成參考層(例如，參考層314)。在方框1012，在參考層314上形成第二引線(例如，金屬引線L2)。在方框1014，在第二引線上形成珀爾帖材料(例如，珀爾帖材料302)。在方框1016，在珀爾帖材料302上形成第一引線(例如，金屬引線LI)。
[0072]圖11示出根據示例性實施例的形成用於自由層雙向寫入的裝置的過程的流程圖1100。參考圖2中的器件200。
[0073]在方框1102，在第一引線(例如，金屬引線LI)上形成η型珀爾帖材料(例如，η型珀爾帖材料201)。η型珀爾帖材料201摻雜以摻雜劑以便在η型珀爾帖材料201中產生過量負電荷。在方框1104，在第四引線(例如，金屬引線L4)上形成ρ型珀爾帖材料(例如，ρ型珀爾帖材料202)。ρ型珀爾帖材料202摻雜以摻雜劑以便在ρ型珀爾帖材料202中產生過量正電荷。
[0074]此外，在方框1106，在η型珀爾帖材料201和ρ型珀爾帖材料202上形成第二引線(例如，金屬引線L2)。在方框1108，在第二引線L2上形成絕緣磁體(例如，絕緣磁體204)。在方框1110，在絕緣磁體204上形成常規金屬間隔物(例如，常規金屬間隔物208)。在方框1012，在常規金屬間隔物208上形成自由層210。在方框1114，在自由層210上形成隧道勢壘(例如，隧道勢壘212)，並且在方框1116，在隧道勢壘212上形成參考層(例如，參考層214)。在方框1118，在參考層214上形成第三引線(例如，金屬引線L3)。
[0075]在此使用的術語只是為了描述特定的實施例並且並非旨在作為本發明的限制。如在此所使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」旨在同樣包括複數形式，除非上下文明確地另有所指。還將理解，當在此說明書中使用時，術語「包括」和/或「包含」指定了聲明的特性、整數、步驟、操作、元素和/或組件的存在，但是並不排除一個或多個其它特性、整數、步驟、操作、元素、組件和/或其組的存在或增加。
[0076]下面權利要求中的對應結構、材料、操作以及所有功能性限定的裝置或步驟的等同替換，旨在包括任何用於與在權利要求中具體指出的其它元件相組合地執行該功能的結構、材料或操作。出於示例和說明目的給出了對本發明的描述，但所述描述並非旨在是窮舉的或是將本發明限於所公開的形式。在不偏離本發明的範圍和精神的情況下，對於所屬【技術領域】的普通技術人員來說許多修改和變化都將是顯而易見的。實施例的選擇和描述是為了最佳地解釋本發明的原理和實際應用，並且當適合於所構想的特定使用時，使得所屬【技術領域】的其它普通技術人員能夠理解本發明的具有各種修改的各種實施例。
[0077]在此示出的流程圖只是一個實例。在此描述的這些圖或步驟(或操作)可以存在許多變型而不偏離本發明的精神。例如，可以按不同的順序執行步驟，或者可以添加、刪除或修改步驟。所有這些變型都被視為要求保護的本發明的一部分。
[0078] 儘管描述了本發明的示例性實施例，但所屬【技術領域】的技術人員將理解的是，可以在現在和將來進行各種落入下面權利要求範圍的改進和增強。這些權利要求應該被解釋為維持對首先描述的本發明的正確保護。
【權利要求】
1.一種磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件，包括: 磁疊層，其包括與隧道勢壘相鄰的參考層、與自由層相鄰的所述隧道勢壘以及與金屬間隔物相鄰的所述自由層；以及 絕緣磁體，其布置在所述磁疊層和珀爾帖材料之間； 所述珀爾帖材料熱耦合到所述絕緣磁體和所述磁疊層； 其中冷卻所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面導致所述絕緣磁體傳遞自旋扭矩以便沿第一方向旋轉所述自由層的磁化；以及 其中加熱所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面導致所述絕緣磁體傳遞所述自旋扭矩以便沿第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
2.根據權利要求1的器件，其中跨連接到所述珀爾帖材料的第一引線和第二引線施加的具有第一極性的電壓導致所述絕緣磁體傳遞所述自旋扭矩以便沿所述第一方向旋轉所述自由層的所述磁化；以及 其中跨連接到所述珀爾帖材料的所述第一引線和所述第二引線施加的具有第二極性的電壓導致所述絕緣磁體傳遞所述自旋扭矩以便沿所述第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
3.根據權利要求1的器件，其中沿所述第一方向的所述自由層的所述磁化與沿所述第二方向的所述自由層的所述磁化相反。
4.根據權利要求1的器件,其中: 所述自由層的所述磁化 是面外的； 所述絕緣磁體的磁化是面外的並且是傾斜的，所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜對應於從所述絕緣磁體的垂直方向傾斜的各向異性；以及 所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜減小用於旋轉所述自由層的所述磁化的所述自旋扭矩的切換延遲。
5.根據權利要求2的器件，其中經由所述珀爾帖材料的所述第一引線和所述第二引線施加的電流脈衝針對所述電壓的所述第一極性導致冷卻所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面，並且針對所述電壓的所述第二極性導致加熱所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面。
6.根據權利要求1的器件，還包括: 第一引線、第二引線和第三引線； 其中所述珀爾帖材料與所述第一引線相鄰，所述第二引線與所述珀爾帖材料相鄰，所述絕緣磁體與所述第二引線相鄰，所述疊層與所述絕緣磁體相鄰，並且所述第三引線與所述疊層相鄰。
7.根據權利要求6的器件，其中所述自由層被配置為藉助測量跨所述第二引線和所述第三引線的電阻而讀取所述自由層的狀態。
8.根據權利要求1的器件，還包括: 第一引線、第二引線、包括所述金屬間隔物的第三引線，以及襯底； 其中所述絕緣磁體與所述襯底相鄰，所述疊層與所述絕緣磁體相鄰，所述第二引線與所述疊層相鄰，所述珀爾帖材料與所述第二引線相鄰，並且所述第一引線與所述珀爾帖材料相鄰。
9.根據權利要求8的器件，所述自由層被配置為藉助測量跨所述第二引線和所述第三引線的電阻而讀取所述自由層的狀態。
10.根據權利要求1的器件，其中所述珀爾帖材料是摻雜鈮的SrTi03。
11.根據權利要求2的器件，其中: 所述第二引線包括導電材料；以及 所述導電材料包括以下項中的一個或多個:鎢、鑰、TaN、Ta、TiN以及它們的組合。
12.一種磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件，包括: 磁疊層，其包括與隧道勢壘相鄰的參考層、與自由層相鄰的所述隧道勢壘，以及與金屬間隔物相鄰的所述自由層； 絕緣磁體； η型珀爾帖材料，其熱耦合到所述絕緣磁體和所述磁疊層；以及 P型珀爾帖材料，其熱耦合到所述絕緣磁體和所述磁疊層； 其中冷卻所述η型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面以及冷卻所述P型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面導致所述絕緣磁體傳遞自旋扭矩以便沿第一方向旋轉所述自由層的磁化；以及 其中加熱所述η型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面以及加熱所述P型珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面導致所述絕緣磁體傳遞所述自旋扭矩以便沿第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
13.根據權利要求12的器件，還包括: 第一引線、第二引線、第三引線和第四引線； 其中所述η型珀爾帖材料與所述第一引線相鄰，並且所述第二引線的一部分與所述η型珀爾帖材料相鄰； 其中所述P型珀爾帖材料與所述第四引線相鄰，並且所述第二引線的一個不同部分與所述P型珀爾帖材料相鄰；以及 其中所述絕緣磁體與所述第二引線相鄰，所述疊層與所述絕緣磁體相鄰，並且所述第三引線與所述疊層相鄰。
14.根據權利要求13的器件，其中跨分別連接到所述η型珀爾帖材料和所述P型珀爾帖材料的所述第一引線和所述第四引線施加的具有第一極性的電壓將導致所述絕緣磁體基於所述電壓的所述第一極性而傳遞所述自旋扭矩以便沿所述第一方向旋轉所述自由層的所述磁化；以及 其中跨分別連接到所述η型珀爾帖材料和所述P型珀爾帖材料的所述第一引線和所述第四引線施加的具有第二極性的電壓將導致所述絕緣磁體基於所述電壓的所述第二極性而傳遞所述自旋扭矩以便沿所述第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
15.根據權利要求12的器件，其中: 所述自由層的所述磁化是面外的； 所述絕緣磁體的磁化是面外的並且是傾斜的，所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜對應於從所述絕緣磁體的垂直方向傾斜的各向異性；以及 所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜減小用於旋轉所述自由層的所述磁化的所述自旋扭矩的切換延遲。
16.根據權利要求14的器件，其中經由所述η型珀爾帖材料的所述第一引線和所述P型珀爾帖材料的所述第四引線施加的電流脈衝針對所述電壓的所述第一極性導致冷卻所述η型珀爾帖材料和所述絕緣材料之間的界面並且冷卻所述P型珀爾帖材料和所述絕緣材料之間的界面；以及 其中經由所述η型珀爾帖材料的所述第一引線和所述P型珀爾帖材料的所述第四引線施加的所述電流脈衝針對所述電壓的所述第二極性導致加熱所述η型珀爾帖材料和所述絕緣材料之間的所述界面並且加熱所述P型珀爾帖材料和所述絕緣材料之間的所述界面。
17.一種形成磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件的方法，所述方法包括: 形成與襯底相鄰的絕緣磁體； 形成與所述絕緣磁體相鄰的金屬間隔物，所述金屬間隔物是第三引線； 形成與所述金屬間隔物相鄰的自由層； 形成與所述自由層相鄰的隧道勢壘； 形成與所述隧道勢壘相鄰的參考層； 形成與所述參考層相鄰的第二引線； 形成與所述第二引線相鄰的珀爾帖材料；以及 形成與所述珀爾帖材料相鄰的第一引線。
18.根據權利要求17的方法，還包括冷卻所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的界面，以導致所述絕緣磁體傳遞自旋扭矩以便沿第一方向旋轉所述自由層的磁化；以及 加熱所述珀爾帖材料和所述絕緣磁體之間的所述界面，以導致所述絕緣磁體傳遞所述自旋扭矩以便沿第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
19.根據權利要求17的方法，其中: 所述自由層的所述磁化是面外的； 所述絕緣磁體的磁化是面外的並且是傾斜的，所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜對應於從所述絕緣磁體的垂直方向傾斜的各向異性；以及 所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜減小用於旋轉所述自由層的所述磁化的所述自旋扭矩的切換延遲。
20.一種形成磁阻隨機存取存儲器(MRAM)器件的方法，所述方法包括: 形成與第一引線相鄰的η型珀爾帖材料； 形成與第四引線相鄰的P型珀爾帖材料； 形成與所述η型珀爾帖材料和所述P型珀爾帖材料兩者相鄰的第二引線； 形成與所述第二引線相鄰的絕緣磁體； 形成與所述絕緣磁體相鄰的金屬間隔物； 形成與所述金屬間隔物相鄰的自由層； 形成與所述自由層相鄰的隧道勢壘； 形成與所述隧道勢壘相鄰的參考層；以及 形成與所述參考層相鄰的第三引線。
21.根據權利要求20的方法，其中跨分別連接到所述η型珀爾帖材料和所述P型珀爾帖材料的所述第一引線和所述第四引線施加的具有第一極性的電壓將導致所述絕緣磁體基於所述電壓的所述第一極性而傳遞所述自旋扭矩以便沿所述第一方向旋轉所述自由層的所述磁化；以及 其中跨分別連接到所述η型珀爾帖材料和所述p型珀爾帖材料的所述第一引線和所述第四引線施加的具有第二極性的電壓將導致所述絕緣磁體基於所述電壓的所述第二極性而傳遞所述自旋扭矩以便沿所述第二方向旋轉所述自由層的所述磁化。
22.根據權利要求20的方法，其中: 所述自由層的所述磁化是面外的； 所述絕緣磁體的磁化是面外的並且是傾斜的，所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜對應於從所述絕緣磁體的垂直方向傾斜的各向異性；以及 所述絕緣磁體的所述磁化的所述傾斜減小用於旋轉所述自由層的所述磁化的所述自旋扭矩的切換延遲。`
【文檔編號】H01L29/82GK103503154SQ201280021478
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月3日 優先權日:2011年5月3日
【發明者】D·W·阿布拉汗, N·N·莫於穆德爾 申請人:國際商業機器公司