用于磁体切换的具有手性反铁磁材料的磁存储器的制作方法

具有状态保持的嵌入式存储器可以实现能量和计算效率。然而，领先的自旋电子存储器选项，例如，基于自旋传递转矩(spintransfertorque)的磁随机存取存储器(stt-mram)，在位单元编程(例如，写入)期间遇到高电压和高写入电流的问题。例如，写入基于隧道结的磁隧道结(mtj)需要大的写入电流(例如，大于100μa)和电压(例如，大于0.7v)。有限的写入电流还导致基于mtj的mram中的高写入错误率或缓慢的切换时间(例如，超过20ns)。流过隧道势垒的大电流的存在导致磁隧道结中的可靠性问题。

附图说明

根据下面给出的详细描述和本公开内容的各种实施例的附图，将更全面地理解本公开内容的实施例，然而，附图不应被理解为将本公开内容限制于特定实施例，而是仅供解释和理解。

图1a示出了对铁磁体而言的对施加的磁场的磁化响应。

图1b示出了对顺磁体而言的对施加的磁场的磁化响应。

图2a-b分别示出了具有耦合到自旋轨道耦合(soc)互连的平面内磁隧道结(mtj)堆叠体的器件的三维(3d)视图和相应的顶视图。

图2c示出了soc互连的横截面，其中电子的自旋在平面内极化并且由于电荷电流流动而上下偏转。

图3a-b分别示出了具有耦合到soc互连的平面内mtj堆叠体的器件的3d视图和相应的顶视图，其中平面内磁化与电流方向共线。

图4a-b分别示出了具有耦合到soc互连的平面外mtj堆叠体的器件的3d视图和相应的顶视图。

图5a-c示出了用于切换形成在自旋轨道转矩电极上的平面外mtj存储器件(例如图4a的器件)的机制(mechanism)。

图6a示出了曲线图，该曲线图示出与传统mtj相比的一个晶体管和具有自旋霍尔效应(she)材料的一个mtj(例如，图2-3的器件)的写入能量延迟条件(condition)。

图6b示出了比较自旋霍尔mram和自旋转矩mram的可靠写入时间的曲线图。

图6c示出了根据一些实施例的用于实现soc互连的手性(chiral)反铁磁(afm)材料mn3sn的晶格结构。

图7a-b分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及手性afm互连的器件的3d视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化。

图7c-d分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及手性afm互连的器件的3d视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有平面内磁化。

图7e-f分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结、手性afm互连以及过孔的器件的3d视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括与手性afm互连相邻的平面内磁体。

图7g-h分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结、手性afm互连以及过孔的器件的3d视图和相应的横截面视图，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括平面内磁体和afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

图8a示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

图8b示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

图8c示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构和自由磁体结构的一个自由磁体包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与具有较高阻挡温度的sot/afm互连相邻。

图8d示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

图8e示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构和自由磁体结构的一个自由磁体包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

图9a示出了根据本公开内容的一些实施例的示出自由磁体结构的自旋极化捕获切换的曲线图，该自由磁体结构在手性afm互连下由磁过孔交换耦合或偏置。

图9b示出了根据本公开内容的一些实施例的与图9a相关联的磁化图。

图9c示出了根据本公开内容的一些实施例的示出自由磁体结构的自旋极化捕获切换的曲线图，该自由磁体结构在手性afm互连下由磁过孔交换耦合或偏置。

图9d示出了根据本公开内容的一些实施例的与图9c相关联的磁化图。

图10a-c示出了根据一些实施例的耦合到第一晶体管和位线的sot存储器件(例如，图7-8的器件中的任何一个)的横截面图。

图11示出了根据一些实施例的用于形成图7-8的器件的方法的流程图。

图12示出了根据本公开内容的一些实施例的带有具有手性afm互连的基于磁性结的存储器的智能设备或计算机系统或soc(片上系统)。

具体实施方式

垂直自旋轨道转矩(psot)mram使用来自重金属、二维(2d)材料、反铁磁体(afm)或拓扑绝缘体(ti)的自旋轨道转矩(sot)，也称为自旋轨道耦合(soc)，来切换耦合到sot电极的垂直磁体。通常，通过sot电极的平面内磁场用于psotmram的自由磁体的确定性双向切换。该平面内磁场可以通过作为sot电极或磁掺杂重金属电极或磁过孔的afm材料或通过设计复杂的自由磁体层堆叠体来产生。

诸如三角形、手性、六边形、kagomi和/或立方体的反铁磁材料显示出用作psot器件中的sot电极层的巨大前景。可以使用几种机制之一来切换耦合到soc电极的磁性器件的自由磁体。例如，诸如irmn的交换偏置过孔材料(exchangebiasviamaterialsuchasirmn)、使用诸如像mos2的二维材料(2d)的硫属化物的rashba-bychkov效应可用于切换垂直自由磁体。通常，afm材料具有大的自旋轨道转矩，并且可以使用界面交换偏置效应将平面内偏置磁场施加到psot器件的自由磁体层。来自交换偏置的平面内磁场是可以打破对称性以实现psotmram的可重复且确定性的双向切换的方式之一。

各种实施例使用替代方案来有效地切换存储器件的自由磁体。在一些实施例中，手性反铁磁材料用作切换磁性结(例如，磁隧道结或自旋阀)的自由磁体的源。手性afm材料也称为kagomi手性afm材料或简称为kagomiafm材料。kagomiafm材料由手性afm形成，其中磁性遵循手性排序。手性排序的一个好处是可以不再需要使用被需要用以使得附接到磁性结的sot电极导致磁性结的自由磁体切换的传统的辅助电流。因此，使用用于soc电极的kagomiafm材料实现磁性结的自由磁体的低功率且高效的切换(efficiencyswitching)。

一些实施例描述了基于自旋轨道耦合或自旋轨道转矩(soc/sot)的磁存储器，其中，soc电极包括kagomi手性afm。用于kagomi手性afm的材料的示例包括诸如mn3sn的材料。其他示例包括1类(class-1)s-1/2kagomiafm，2类s-1/2超(hyper)kagomiafm和金属有机物。1类s-1/2kagomiafm包括诸如：cs2cu3mf12、rb2cu3snf12和x2cu3mf12的材料，其中m＝zr、hf或sn。2类s-1/2超kagomiafm包括诸如：na4ir3o8、cufeo2、nafeo2、mnbr2、srcrxfa12-xo19的材料，其中'x'是数字。金属有机物包括诸如na2ba3[fe3ⁱⁱ(c2o4)6][a^iv(c2o4)3]的材料，其中a^iv是sn^iv或zr^iv之一，及诸如na2ba3[fe3ⁱⁱ(c2o4)6][aⁱⁱⁱ(c2o4)3]0.5[aⁱⁱⁱ(c2o4)3]2x(h2o)2]0.5的材料，其中aⁱⁱⁱ是feⁱⁱⁱ或alⁱⁱⁱ之一。在一些实施例中，kagomi手性afm材料的厚度在1nm至25nm范围内。

在一些实施例中，磁性器件包括与基于kagomi手性afm的soc电极接触的垂直自由磁体。在一些实施例中，基于kagomi手性afm的soc电极耦合到磁过孔以产生偶极/交换偏置场。在一些实施例中，磁过孔包括afm或平面内固定磁体。在一些实施例中，来自afm和/或平面内固定磁体的平面内交换偏置用于模板化(template)磁性结的自由磁体的磁取向。因此，磁性结的自由磁体提供强有效的平面内磁体效应。

在一些实施例中，平面内固定磁体和afm都形成在过孔中，该过孔耦合到基于kagomi手性afm的soc电极的表面或与其相邻，使得磁性结形成在基于kagomi手性afm的soc电极的另一个表面上。在一些实施例中，基于kagomi手性afm的soc电极下面的平面内固定磁体的长度大于磁性结的长度。此处，长度指的是沿着y轴的距离，如参考各个附图所描述的。在一些实施例中，使平面内磁体足够厚以使其稳定。此处，稳定性通常是指磁化方向的永久性。在该示例中，不稳定的磁体将是在施加外部场时切换其磁化的磁体。在一些实施例中，afm包括ir和mn(或任何其他afm)，其可以模板化过孔中的平面内磁体的磁取向。

在一些实施例中，磁性结的自由磁体结构包括通过耦合层耦合的至少两个自由磁体。在一些实施例中，耦合层包括以下中的一种或多种：ru、os、hs、fe或来自周期表的铂族的其他类似的过渡金属。在一些实施例中，去除耦合层，使得自由磁体结构或堆叠体的自由磁体彼此直接连接，形成单个磁体(或复合磁体)。

在一些实施例中，磁性结的自由磁体结构的一个或多个自由磁体包括复合磁体。复合磁体可以是包括第一材料和第二材料的超晶格，其中第一材料包括以下之一：co、ni、fe或赫斯勒(heusler)合金，并且其中第二材料包括以下之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，磁性结的固定磁体也包括复合磁体。

具有各种实施例的许多技术效果。例如，在一些实施例中，平面外磁化切换使得基于垂直磁体各向异性(pma)的磁器件(例如，mram和逻辑)包括产生垂直自旋电流的自旋轨道效应。一些实施例的垂直磁体开关实现了通过用于垂直磁存储器和逻辑的巨自旋轨道效应(gsoe)实现的低编程电压(或对于相同电压的更高电流)。一些实施例的垂直磁体开关导致较低的写入错误率，这实现了更快的mram(例如，写入时间小于10ns)。一些实施例的垂直磁体开关使写入和读出路径分离以实现更快的读出等待时间(latency)。一些实施例的垂直磁体开关使用通过磁性结(例如，mtj或自旋阀)的小得多的读出电流，并提供改善的隧道氧化物和mtj的可靠性。例如，一些实施例的垂直磁体开关使用与标称写入的100μa相比的小于10μa的读出电流。

各种实施例使用基于kagomi手性afm的soc电极进一步提高了切换自由磁体的效率。手性排序的一个好处是可能不再需要使用被需要用以使得附接到磁性结的sot电极导致磁性结的自由磁体切换的传统的辅助电流。因此，使用用于soc电极的kagomiafm材料实现磁性结的自由磁体的低功率且高效的切换。其他技术效果将从各种附图和实施例中显而易见。

在以下描述中，讨论了许多细节以提供对本公开内容的实施例的更透彻的解释。但对于本领域技术人员来说，显然，本公开内容的实施例的实践可以无需这些特定细节。在其他实例中，以方框图形式而非详细地显示了公知的结构和设备，以避免使得本公开内容的实施例难以理解。

注意，在实施例的相应附图中，以线来表示信号。一些线可以较粗，用以表示更多的组成信号路径，和/或在一端或多端具有箭头，用以表示主要信息流动方向。这种表示并非旨在是限制性的。相反，结合一个或多个示例性实施例来使用这些线，以便更易于理解电路或逻辑单元。任何表示的信号，按照设计需要或偏好所规定的，实际上都可以包括一个或多个信号，其可以在任一方向上传播，并且可以以任何适合类型的信号方案来实施。

此处关于磁体的术语“自由”或“非固定”是指这样的磁体，其磁化方向在施加外部场或力(例如，奥斯特场、自旋转矩等)时可沿其易磁化轴改变。相反，此处关于磁体的术语“固定”或“钉扎”是指这样的磁体，其磁化方向沿轴钉扎或固定并且不会由于施加外部磁场(例如，电场、奥斯特场、自旋转矩)而改变。

此处，垂直磁化的磁体(或垂直磁体，或具有垂直磁各向异性(pma)的磁体)是指具有基本垂直于磁体或器件的平面的磁化的磁体。例如，磁化在z方向上相对于器件的x-y平面在90度(或270度)+/-20度的范围内的磁体。

此处，平面内磁体是指在基本上沿着磁体的平面的方向上具有磁化的磁体。例如，磁化在x或y方向上并且相对于器件的x-y平面在0(或180度)+/-20度的范围内的磁体。

术语“器件”通常可以指根据该术语的使用的上下文的装置。例如，器件可以指层的堆叠体或结构的堆叠体，单个结构或层，具有有源和/或无源元件的各种结构的连接等。通常，器件是具有沿着x-y方向的平面和沿x-y-z笛卡尔坐标系的z方向的高度的三维结构。器件的平面也可以是包括该器件的装置的平面。

在整个说明书和权利要求书中，术语“连接”表示直接连接，例如在没有任何中间设备的情况下连接的物体之间的电连接、机械连接或磁连接。

术语“耦合”表示直接或间接连接，例如连接的物体之间的直接电连接、机械连接或磁连接或通过一个或多个无源或有源中间设备的间接连接。

此处的术语“相邻”通常指的是物体的位置与另一物体贴近(例如，紧邻或靠近(它们之间具有一个或多个物体))或邻近(例如，邻接它)。

术语“电路”或“模块”可以指代被布置为彼此协作以提供期望功能的一个或多个无源和/或有源部件。

术语“信号”可以指代至少一个电流信号、电压信号、磁信号或数据/时钟信号。“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。

术语“缩放”通常指代将设计(示意图和布局)从一个工艺技术转换为另一个工艺技术，并且随后在布局面积方面被减小。术语“缩放”通常还指代在相同技术节点内减小布局和器件尺寸。术语“缩放”还可以指代相对于例如电源电平的另一个参数调整(例如减慢或加速——即，分别按比例缩小或按比例放大)信号频率。

术语“基本上”、“接近”、“大约”、“附近”、“约”通常指代在目标值的+/-10％内。例如，除非在其使用的明确上下文中另有说明，否则术语“基本上相等”、“大约相等”和“近似相等”意味着在如此描述的事物之间至多存在偶然的变化。在本领域中，这种变化通常不超过预定目标值的+/-10％。

除非另有指明，否则说明共同对象的序数词“第一”、“第二”和“第三”等的使用仅仅表示提及了相似对象的不同实例，并非旨在暗示如此说明的对象必须在时间、空间、排序上或者以任何其他方式处于给定的顺序中。

就本公开内容而言，短语“a和/或b”和“a或b”表示(a)、(b)或(a和b)。就本公开内容而言，短语“a、b和/或c”表示(a)、(b)、(c)、(a和b)、(a和c)、(b和c)或(a、b和c)。

说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上方”、“下方”等(如果有的话)用于描述目的而不一定用于描述永久相对位置。例如，本文使用的术语“上方”、“下方”、“前侧”、“后侧”、“顶”、“底”、“上方”、“下方”和“上”是指一种部件、结构或材料相对于设备内其他参考部件、结构或材料的相对位置，其中，这种物理关系是值得注意的。这些术语在本文中仅用于描述目的，并且主要在设备z轴的上下文中使用，因此可以相对于设备的取向。因此，如果设备相对于所提供的附图的背景颠倒取向，则在本文提供的附图的背景下“在”第二材料“上方”的第一材料也可以“在”第二材料“下方”。在材料的上下文中，设置在另一个上方或下方的一种材料可以直接接触或者可以具有一种或多种居间材料。此外，设置在两种材料之间的一种材料可以直接与两层接触，或者可以具有一个或多个居间层。相反，“在”第二材料“上”的第一材料与该第二材料直接接触。在部件组件的上下文中将进行类似的区分。

术语“在……之间”可以在设备的z轴、x轴或y轴的上下文中使用。在两种其他材料之间的材料可以与这些材料中的一种或两种材料接触，或者它可以通过一种或多种居间材料与另外两种材料分开。因此，两种其他材料“之间”的材料可以与另外两种材料中的任一种接触，或者它可以通过居间材料与另外两种材料耦合。在两个其他设备之间的设备可以直接连接到这些设备中的一个或两个，或者它可以通过一个或多个居间设备与其他两个设备分开。

此处，多个非硅半导体材料层可以堆叠在单个鳍状物结构内。多个非硅半导体材料层可以包括一个或多个“p型”层，其适用于p型晶体管(例如，提供比硅更高的空穴迁移率)。多个非硅半导体材料层还可包括一个或多个“n型”层，其适用于n型晶体管(例如，提供比硅更高的电子迁移率)。多个非硅半导体材料层还可包括将n型与p型层分开的一个或多个居间层。居间层可以至少部分地是牺牲性的，例如以允许栅极、源极或漏极中的一个或多个完全环绕在n型和p型晶体管中的一个或多个的沟道区域周围。可以利用自对准技术至少部分地制造多个非硅半导体材料层，使得堆叠cmos器件可以包括具有单个finfet的占用面积的高迁移率n型和p型晶体管。

就本公开内容而言，等同地使用术语“自旋”和“磁矩”。更严格地说，自旋的方向与磁矩的方向相反，并且粒子的电荷是负的(例如在电子的情况下)。

需要指出的是，具有与任何其他附图的元件相同的附图标记(或名称)的附图中的那些元件可以以与所描述的类似的任何方式操作或起作用，但不限于此。

图1a示出了铁磁体(fm)101的磁化滞后曲线图100。该曲线图示出了对铁磁体101而言的对施加的磁场的磁化响应。曲线图100的x轴是磁场“h”，而y轴是磁化“m”。对于fm101，“h”和“m”之间的关系不是线性的，并且导致如曲线102和103所示的磁滞回线。磁滞回线的最大和最小磁场区域分别对应于饱和磁化配置104和106。在饱和磁化配置104和106中，fm101具有稳定的磁化。在磁滞回线的零磁场区域105中，fm101不具有确定的磁化值，而是取决于所施加的磁场的历史。例如，对于平面内fm，配置105中的fm101的磁化可以是+x方向或-x方向。这样，将fm101的状态从一个磁化方向(例如，配置104)改变或切换到另一个磁化方向(例如，配置106)是耗时的，导致较慢的纳米磁体响应时间。它和与曲线图中在曲线102和103之间包含的面积成比例的切换的固有能量相关联。

在一些实施例中，fm101由cfgg(即，钴(co)、铁(fe)、锗(ge)或镓(ga)或它们的组合)形成。在一些实施例中，fm101包括co、fe、ni合金和多层hetro结构、各种氧化物铁磁体、石榴石或赫斯勒合金中的一种或多种。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是金属间化合物，具有特定的成分和面心立方晶体结构。赫斯勒合金的铁磁性质是相邻磁性离子之间的双交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。

图1b示出了顺磁体121的磁化曲线图120。曲线图120示出了对顺磁体121而言的对施加的磁场的磁化响应。曲线图120的x轴是磁场“h”，而y轴是磁化“m”。与铁磁体相反，顺磁体在被施加磁场时表现出磁化。顺磁体通常具有大于或等于1的磁导率，因此被磁场吸引。与曲线图100相比，图1b的磁性曲线图120没有表现出滞后现象，这允许在曲线122的两个饱和磁化配置124和126之间更快的切换速度和更小的切换能量。在中间区域125中，顺磁体121不具有任何磁化，因为没有施加的磁场(例如，h＝0)。在这种情况下，不存在与切换相关的固有能量。

在一些实施例中，顺磁体121包括材料，其包括以下中的一种或多种：铂(pt)、钯(pd)、钨(w)、铈(ce)、铝(al)、锂(li)、镁(mg)、钠(na)、cr2o3(氧化铬)、coo(氧化钴)、镝(dy)、dy2o(氧化镝)、铒(er)、er2o3(氧化铒)、铕(eu)、eu2o3(氧化铕)、钆(gd)、氧化钆(gd2o3)、feo和fe2o3(铁氧化物)、钕(nd)、nd2o3(氧化钕)、ko2(超氧化钾)、镨(pr)、钐(sm)、sm2o3(氧化钐)、铽(tb)、tb2o3(氧化铽)、铥(tm)、tm2o3(氧化铥)或v2o3(氧化钒)。在一些实施例中，顺磁体121包括掺杂剂，其包括以下中的一种或多种：ce、cr、mn、nb、mo、tc、re、nd、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb。在各种实施例中，磁体可以是fm或顺磁体。

图2a-b分别示出了具有耦合到自旋轨道耦合(soc)互连的平面内磁隧道结(mtj)堆叠体的器件的三维(3d)视图200和相应的顶视图220，其中mtj堆叠体包括远小于soc互连的长度的自由磁体层。

此处，具有磁性结221的层堆叠体耦合到包括自旋霍尔效应(she)或soc材料(或自旋轨道转矩(sot)材料)的电极222，其中，she材料将电荷电流iw(或写入电流)转换为自旋极化电流is。图2a的器件形成具有she诱导写入机制和基于mtj的读出的三端子存储单元。自旋霍尔效应是相对论自旋轨道耦合现象，其可用于电生成或检测非磁系统中的自旋电流。

当平面内电流应用于重金属/铁磁体双层系统时，这种平面内电流通过自旋轨道相互作用在铁磁体中产生自旋累积。自由铁磁体中的自旋累积导致作用于磁化的转矩(例如，sot)或有效场，从而切换自由铁磁体的磁化。sot有两个具有不同对称性的分量-类slonczewski的转矩和类场的转矩。sot的起源通常归因于重金属中的大量(bulk)自旋霍尔效应。此处说明的sot切换方案的具体结构根据铁磁体的易磁化轴的方向分为两种类型。

图2a示出了易磁化轴在平面内并与电流正交，而图4a示出了易磁化轴垂直于膜平面(或器件)。两者的切换动力学是不同的。

图2a的器件包括磁性结221、she互连或电极222，以及非磁性金属223a/b。在一个示例中，mtj221包括层221a、221b和221c。在一些实施例中，层221a和221c是铁磁层。在一些实施例中，层221b是金属或隧道电介质。

例如，当磁性结是自旋阀时，层221b是金属或金属氧化物(例如，诸如al和/或其氧化物的非磁性金属)，并且当磁性结是隧道结时，则层221b是电介质(例如mgo、al2o3)。沿着she互连222的水平方向的一端或两端由非磁性金属223a/b形成。附加层221d、221e、221f和221g也可以堆叠在层221c的顶部上。在一些实施例中，层221g是非磁性金属电极。

为了不使各种实施例难以理解，将磁性结描述为磁隧道结(mtj)。然而，这些实施例也适用于自旋阀。多种材料组合可用于磁性结221的材料堆叠。例如，层221a、221b、221c、221d、221e、221f和221g的堆叠体分别由包括以下的材料形成：coxfeybz、mgo、coxfeybz、ru、coxfeybz、irmn和ru，其中'x'、'y'和'z'是合金中元素的分数。其他材料也可用于形成mtj221。mtj221堆叠体包括自由磁性层221a、mgo隧穿氧化物221b、固定磁性层221c/d/e(其分别是cofe、ru和cofe层的组合，称为合成反铁磁体(saf))和反铁磁(afm)层221f。saf层具有如下特性：两个cofe层中的磁化是相反的，并且允许消除自由磁层周围的偶极场，使得杂散偶极场不会控制自由磁层。

在一些实施例中，自由和固定磁性层(分别为221a和221c)是由cfgg(即，钴(co)、铁(fe)、锗(ge)或镓(ga)或它们的组合)形成的铁磁体(fm)。在一些实施例中，fm221a/c由赫斯勒合金形成。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是金属间化合物，具有特定的成分和面心立方晶体结构。赫斯勒合金的铁磁性质是相邻磁性离子之间的双交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。

铁磁层(例如，固定或自由磁性层)的厚度可以确定其平衡磁化方向。例如，当铁磁层221a/c的厚度高于某个阈值时(取决于磁体的材料，例如对于cofe约为1.5nm)，则铁磁层表现出平面内的磁化方向。同样地，当铁磁层221a/c的厚度低于某个阈值(取决于磁体的材料)时，则铁磁层221a/c表现出垂直于磁性层平面的磁化方向，如参考图4a-b所示。

其他因素也可以确定磁化方向。例如，诸如表面各向异性(取决于铁磁层的相邻层或多层组成)和/或晶体各向异性(取决于应力和晶格结构修改，例如fcc(面心立方晶格)、bcc(体心立方晶格)或l10型晶体，其中l10是一种表现出垂直磁化的晶体类型)的因素也可以确定磁化方向。

返回参考图2a，在一些实施例中，she互连222(或写入电极)包括3d材料，例如β-钽(β-ta)、ta、β-钨(β-w)、w、pt、铜(cu)中的一种或多种，掺杂有诸如铱、铋和元素周期表中的3d、4d、5d和4f、5f周期族的任何元素，其可以表现出高自旋轨道耦合。在一些实施例中，she互连222过渡到高导电率非磁性金属223a/b以减小she互连222的电阻。非磁性金属223a/b包括以下中的一种或多种：cu、co、α-ta、al、cusi或nisi。

在图2a中，切换层221a具有沿平面(例如，y平面)方向的易磁化轴。对于这种类型，施加沿z轴的外部场hz以破坏对称性并实现双极切换。假设用于切换的驱动力源自互连222中的自旋霍尔效应，临界电流密度jc由下式给出：

其中α是吉尔伯特阻尼常数，e是基本电荷，h是狄拉克接触，是有效自旋霍尔角，ms是饱和磁化，tf是沿z方向的铁磁层221a的厚度，是平面内有效各向异性场，是铁磁层221a的平面外有效各向异性场。

在该示例中，所施加的电流iw通过she互连222(也称为自旋轨道耦合互连)被转换为自旋电流is。该自旋电流切换自由层的磁化方向，从而改变mtj221的电阻。然而，为了读出mtj221的状态，需要感测机制来感测电阻变化。

通过she互连222施加电荷电流来写入磁性单元。自由磁体层221a中的磁写入方向由施加的电荷电流的方向决定。正电流(例如，沿+y方向流动的电流)产生具有传输方向(沿+z方向)的自旋注入电流，并且自旋指向+x方向。注入的自旋电流又产生自旋转矩以使自由磁体221a(耦合到she材料的she层222)在+x方向上对准。负电流(例如，沿-y方向流动的电流)产生具有传输方向(沿+z方向)的自旋注入电流，并且自旋指向-x方向。注入的自旋电流又产生自旋转矩以使自由磁体221a(耦合到层222的she材料)在-x方向上对准。在一些实施例中，在具有she/soc效应的相反符号的材料中，与上述相比，自旋极化的方向以及因此自由层磁化对准的方向是相反的。在一些实施例中，磁体221a和/或221c是顺磁体。在一些实施例中，磁体221a和/或221c可以是铁磁体或顺磁体的组合。例如，磁体221a是铁磁体，而磁体221c是顺磁体。在另一个示例中，磁体221c是铁磁体，而磁体221a是顺磁体。

图2c示出了soc互连222的横截面230，其中电子的自旋在平面内极化并且由于电荷电流流动而上下偏转。在该示例中，由jc表示的正电荷电流产生自旋前向(例如，在+x方向上)极化电流301和自旋后向(例如，在-x方向上)极化电流302。由写入电极222中的电荷电流产生的注入自旋电流由下式给出：

其中，自旋电流矢量指向传递的磁矩方向，并且具有与自旋极化方向一致和相反的自旋的电流差的大小，是垂直于界面的单位矢量，pshe是自旋霍尔注入效率，它是横向(transverse)自旋电流与侧向(lateral)电荷电流的大小之比，w是磁体的宽度，t是she互连(或写入电极)222的厚度，λsf是she互连222中的自旋翻转长度，θshe是she互连222到自由铁磁层界面的自旋霍尔角。造成自旋转矩的每单位时间注入的自旋角动量由下式给出：

所产生的自旋上升和下降电流231/232相当于每单位面积的自旋极化电流(例如，)，由下式给出：

这种自旋到电荷转换基于隧道磁电阻(tmr)，其在产生的信号强度方面受到很大限制。基于tmr的自旋到电荷转换具有低效率(例如，小于1)。

图3a-b分别示出了具有耦合到soc互连222的平面内mtj堆叠体的器件的3d视图300和相应的顶视图320。与图2a-b的器件相比，此处，切换层321a在膜平面(例如，y平面)中具有易磁化轴并且与沿y轴的电流共线。固定磁体321c也具有沿y平面的磁化。材料方面，磁体321a/c与磁体221a/c相同，但沿同一平面具有不同的磁取向。在一些实施例中，易磁化轴与沿y轴流动的电流平行。通过沿z方向施加外部磁场hz，实现双极切换。

图4a-b分别示出了具有耦合到soc互连222的平面外mtj堆叠体的器件的3d视图400和相应的顶视图420。与图2-3的实施例相比，此处的自由和固定磁体层(或结构)421a和421c分别具有垂直磁各向异性(pma)。例如，固定磁体结构421c具有沿z方向指向的磁化并垂直于器件400的x-y平面。同样，固定磁体结构421a具有沿z方向指向的磁化并垂直于器件400的x-y平面。

在一些实施例中，具有pma的磁体包括材料堆叠体，其中用于堆叠体的材料选自包括以下的组：co和pt；co和pd；co和ni；mgo、cofeb、ta、cofeb和mgo；mgo、cofeb、w、cofeb和mgo；mgo、cofeb、v、cofeb和mgo；mgo、cofeb、mo、cofeb和mgo；mnxgay；具有l10对称性的材料；和具有四方晶体结构的材料。在一些实施例中，具有pma的磁体由单层一种或多种材料形成。在一些实施例中，单层由mnga形成。

l10是fcc(面心立方晶格)结构的晶体衍生结构，并且具有由一种原子占据的两个面和由第二种原子占据的角及另一面。当具有l10结构的相是铁磁性时，磁化矢量通常沿着晶体的[001]轴。具有l10对称性的材料的示例包括copt和fept。具有四方晶体结构和磁矩的材料的示例是赫斯勒合金，例如cofeal、mnge、mngega和mnga。

在一些实施例中，自由和固定磁性层(分别为421a和421c)是由cfgg形成的fm。在一些实施例中，fm421a/c由赫斯勒合金形成。赫斯勒合金是基于赫斯勒相的铁磁金属合金。赫斯勒相是金属间化合物，具有特定的成分和面心立方晶体结构。赫斯勒合金的铁磁性质是相邻磁性离子之间的双交换机制的结果。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mngaco2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。

在一些实施例中，磁体421a和/或421c可以是铁磁体或顺磁体的组合。例如，磁体421a是铁磁体，而磁体421c是顺磁体。在另一个示例中，磁体421c是铁磁体，而磁体221a是顺磁体。在一些实施例中，磁体421a和/或421c是顺磁体。

在图4a中，切换层421a具有沿平面外(z)方向的易磁化轴。对于这种类型，施加沿y轴的外部场hy以破坏对称性并实现双极切换。假设用于切换的驱动力源自互连222中的自旋霍尔效应，临界电流密度jc由下式给出：

其中e是基本电荷，h是狄拉克接触，是有效自旋霍尔角，ms、tf和分别是铁磁层421a的饱和磁化、厚度和有效各向异性场。

在一些实施例中，she互连222包括自旋轨道2d材料，其包括以下中的一种或多种：石墨烯、tis2、ws2、mos2、tise2、wse2、mose2、b2s3、sb2s3、ta2s、re2s7、lacps2、laoass2、scobis2、gaobis2、alobis2、laosbs2、biobis2、yobis2、inobis2、laobise2、tiobis2、ceobis2、probis2、ndobis2、laobis2或srfbis2。在一些实施例中，she互连222包括自旋轨道材料，其包括2d材料或3d材料中的一种，其中3d材料比2d材料薄。在一些实施例中，she互连222包括自旋轨道材料，其包括表现出rashba-bychkov效应的材料。

在一些实施例中，2d材料包括以下中的一种或多种：mo、s、w、se、石墨烯、mos2、wse2、ws2或mose2。在一些实施例中，2d材料包括吸收剂，吸收剂包括cu、ag、pt、bi、fr或h吸收剂中的一种或多种。在一些实施例中，soc结构包括自旋轨道材料，其包括表现出rashba-bychkov效应的材料。在一些实施例中，包括表现出rashba-bychkov效应的材料的材料包括材料roch2，其中'r'包括以下中的一种或多种：la、ce、pr、nd、sr、sc、ga、al或in，并且其中“ch”是硫属元素化物，其包括s、se或te中的一种或多种。

虽然图2-3的实施例示出了两个磁体在同一平面中具有磁化(例如，相对于器件的x-y平面在平面内或垂直)，但是固定磁体和自由磁体的磁化方向可以在不同的平面中。例如，固定磁性层221c相对于自由磁性层221a的磁化方向垂直(例如，自由磁性层和固定磁性层的磁化方向不平行，而是它们是正交的)。在另一个示例中，自由磁性层221a的磁化方向在平面内(例如，沿着器件的x-y平面)，而固定磁性层221c的磁化方向垂直于器件的x-y平面。在另一种情况下，固定磁性层221a的磁化方向在平面内(例如，沿着器件的x-y平面)，而自由磁性层221c的磁化方向垂直于器件的x-y平面。

图3a的器件300的切换动力学类似于图4a的器件400的切换动力学，其中一旦施加转矩，磁化极性就改变。这与图2a的动力学器件200形成对比，其中在极性改变之前发生许多进动。因此，根据一些实施例，器件300/400允许比器件200的切换时间更短的切换时间。

图5a-c示出了用于切换形成在自旋轨道转矩电极222上的mtj存储器件(例如器件400)的机制。

图5a示出了mtj存储器件(例如，器件400)，其中，mtj421设置在自旋轨道转矩电极222上，并且其中，自由磁体421a(也称为储存层421a)的磁化554与固定磁体421c的磁化556的方向相同。在一些实施例中，储存层421a的磁化554的方向和固定磁体421c的磁化556的方向都在负z方向上，如图5a所示。当储存层421a的磁化554与固定磁体421c的磁化556的方向相同时，mtj存储器件400处于低电阻状态。相反，当储存层421a的磁化554与固定磁体421c的磁化556的方向相反时，mtj存储器件400处于高电阻状态。

图5b示出了切换到高电阻状态的sot存储器件(例如，器件400)。在实施例中，与储存层421a的磁化554的方向相比，图5b中的储存层421a的磁化554的方向的反转是由以下引起的：(a)在y方向上在自旋轨道转矩电极222中引入自旋霍尔电流568，和(b)施加自旋转矩传递电流570，isttm，(通过在端子b处施加相对于地c的正电压)，和/或(c)在y方向上施加外部磁场hy。

在实施例中，电荷电流560在负y方向上通过自旋轨道转矩电极222(通过在端子a处施加相对于地c的正电压)。响应于电荷电流560，电子电流562沿正y方向流动。电子电流562包括具有两个相反的自旋取向的电子，并且在自旋轨道转矩电极222中经历自旋相关散射现象。

电子电流562包括具有两个相反的自旋取向的电子，i型电子566，具有在负x方向上取向的自旋，以及ii型电子564，具有在正x方向上取向的自旋。在一些实施例中，构成电子电流562的电子在自旋轨道转矩电极222中经历自旋相关散射现象。自旋相关散射现象由自旋轨道转矩电极222中原子核与电子电流562中的电子之间的自旋轨道相互作用引起。自旋相关散射现象导致i型电子566(其自旋在负x方向上取向)向上朝向自旋轨道转矩电极222的最上部分偏转，并且导致ii型电子564(其自旋在正x方向上取向)向下朝向自旋轨道转矩电极222的最下部分偏转。

i型电子自旋角矩566和ii型电子自旋角矩564之间的分离在自旋轨道转矩电极222中引起极化自旋扩散电流568。在一些实施例中，极化自旋扩散电流568向上指向mtj存储器件400的自由磁体421a，如图5b所示。极化自旋扩散电流568在自由磁体421a的磁化554上引起自旋霍尔转矩。自旋霍尔转矩使磁化554旋转到指向负x方向的临时状态。在一些实施例中，为了完成磁化反转过程，施加额外的转矩。流过mtj存储器件400的isttm电流570在储存层421a的磁化554上施加额外的转矩。自旋霍尔转矩和自旋传递转矩的组合导致储存层421a中的磁化554从中间磁化状态(负x方向)翻转到图5b中所示的正z方向。在一些实施例中，通过在y方向上施加外部磁场hy，如图5b所示，而不是施加isttm电流570，可以在储存层421a上施加额外的转矩。

图5c示出了切换到低电阻状态的sot存储器件。在实施例中，与图5b中的储存层421a的磁化554的方向相比，图5c中的储存层421a的磁化554的方向的反转是由以下引起的：(a)反转自旋轨道转矩电极222中的自旋霍尔电流568的方向，和(b)反转isttm电流570的方向，和/或(c)反转外部磁场hy的方向。

图6a示出了曲线图620，该曲线图620示出了与传统mtj相比的一个晶体管和具有she材料的一个mtj(例如，器件200或300之一)的写入能量延迟条件。图6b示出了曲线图630，该曲线图630示出与传统mtj相比的一个晶体管和具有she材料的一个mtj(例如，器件200或300之一)的写入能量延迟条件。此处，x轴是以毫微微焦耳(fj)为单位的每次写入操作的能量，而y轴是以纳秒(ns)为单位的延迟。

此处，当施加的写入电压变化时，针对平面内磁体切换来比较she和mtj器件(例如，器件200或300之一)的能量延迟轨迹。能量延迟关系(针对平面内切换)可写为：

其中rwrite是器件的写入电阻(she电极的电阻或mtj-p或mtj-ap的电阻，其中mtj-p是具有平行磁化的mtj，而mtj-ap是具有反平行磁化的mtj)，μ0是真空透射率，e是电子电荷。该等式表明给定延迟的能量与吉尔伯特阻尼α的平方成正比。此处特征时间随各种she金属电极(例如，623、624、625)的自旋极化的变化而变化。曲线图620示出了五条曲线621、622、623、624和625。曲线621和622示出了使用没有she材料的传统mtj器件的写入能量延迟条件。

例如，曲线621示出了通过将磁体从反并联(ap)切换到并联(p)状态而引起的写入能量延迟条件，而曲线622示出了通过将磁体从p切换到ap状态而引起的写入能量延迟条件。曲线622、623和624示出了具有she材料的mtj的写入能量延迟条件。显然，具有she材料的mtj(例如，器件200或300之一)的写入能量延迟条件远低于没有she材料的mtj(未示出的器件)的写入能量延迟条件。虽然具有she材料的mtj(例如，器件200或300之一)的写入能量延迟比没有she材料的传统mtj有所改善，但是期望进一步改善写入能量延迟。

图6b示出了比较自旋霍尔mram和自旋转矩mram的可靠写入时间的曲线图630。在曲线630中考虑了三种情况。波形631是平面内mtj的写入时间，波形632是pmamtj的写入时间，波形633是自旋霍尔mtj的写入时间。此处考虑的情况假设具有40kt能量势垒和3.5nmshe电极厚度的30×60nm磁体。假设根据缩放cmos的电压限制从0v到0.7v的电压扫描而获得器件的能量延迟轨迹。she-mtj器件的能量延迟轨迹广泛地展示了两个操作区域a)区域1，其中能量延迟结果(product)近似恒定以及区域2，其中能量与延迟成比例这两个区域在处被能量最小值分开，其中对于自旋转矩器件获得最小切换能量。

stt-mtj(自旋传递转矩mtj)器件的能量延迟轨迹受限于0.7v最大施加电压处的平面内器件的1ns的最小延迟，p-ap和ap-p的切换能量在1pj/写入的范围内。相比之下，she-mtj(平面内各向异性)器件的能量延迟轨迹可以使切换时间能够低至20ps(β-w，0.7v，20fj/bit)或使切换能量能够小至2fj(β-w，0.1v，1.5ns切换时间)。

图6c示出了根据一些实施例的用于实现soc互连的手性afm材料mn3sn的晶格结构630。例如，参考图2-5讨论的soc互连222用基于手性afm的soc电极代替，其进一步提高了切换磁存储器件的自由磁体的效率。各种实施例的手性反铁磁态具有每mn原子约0.002个玻尔磁子的非常弱且软的铁磁矩，允许用大约几百奥斯特的小磁场切换霍尔效应的符号。

晶格结构600示出了手性afm材料mn3sn，其中，与易磁化轴内的mn原子相关的磁化(箭头)遵循手性排序。mn3sn是具有非共线120度自旋顺序的手性afm。mn3sn在室温下表现出大约20欧姆/厘米的大的异常霍尔电导率，并且在低温下表现出大于100欧姆/厘米的电导率。因此，mn3sn可以达到与铁磁金属相同的数量级。

基于手性afm的soc电极中的自旋的手性排序的一个好处是可以不再需要使用被需要用以使得附接到磁性结的sot电极222导致磁性结的自由磁体231a/331a/431a切换的传统的辅助电流。因此，使用用于soc电极的afm材料实现磁性结的自由磁体231a/331a/431a的低功率且高效的切换。

图7a-b分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及手性afm互连的器件的3d视图700和相应的横截面视图720，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化。

图7a的器件类似于图4a的器件。此处，图4a的自由磁体421a用包括层或膜的堆叠体的结构替换，并且soc电极222用基于手性afm的soc电极722替换。磁性结由附图标记721示出，其中在层221b(例如，电介质或金属/金属-氧化物)下方的层一起形成包括结的自由磁体的自由磁体结构。

在一些实施例中，替换自由磁体421a的结构包括至少两个自由磁体721aa和721ac，在它们之间具有耦合层721ab，其中一个自由磁体耦合到(或相邻于)基于手性afm的soc电极722。

在一些实施例中，基于手性afm的soc电极722包括手性afm，例如mn3x类材料，其中'x'是ge、sn、ga、ir、rh或pt中的一种。mn3x材料表现出非共线的afm排序，为了避免几何不稳(geometricalfrustration)，其形成排列在kagome型晶格中的mn矩的平面。关于这些kagome平面，在一些实施例中，对于任何这些材料，异常霍尔电导率(ahc)和自旋霍尔电导率(shc)都是非常各向异性的。

在一些实施例中，基于手性afm的soc电极722是kagomi手性afm。用于kagomi手性afm的材料的示例包括诸如mn3sn的材料。其他示例包括1类s-1/2kagomiafm，2类s-1/2超kagomiafm和金属有机物。1类s-1/2kagomiafm包括诸如：cs2cu3mf12、rb2cu3snf12和x2cu3mf12的材料，其中m＝zr、hf或sn。2类s-1/2超kagomiafm包括诸如：na4ir3o8、cufeo2、nafeo2、mnbr2、srcrxfa12-xo19的材料，其中'x'是数字。金属有机物包括诸如如下的材料：na2ba3[fe3ⁱⁱ(c2o4)6][a^iv(c2o4)3]，其中a^iv是sn^iv或zr^iv之一，以及na2ba3[fe3ⁱⁱ(c2o4)6][aⁱⁱⁱ(c2o4)3]0.5[aⁱⁱⁱ(c2o4)3]2x(h2o)2]0.5，其中aⁱⁱⁱ是feⁱⁱⁱ或alⁱⁱⁱ之一。在一些实施例中，kagomi手性afm材料具有在1nm至25nm范围内的厚度tsoc。

在各种实施例中，基于手性afm的soc电极722将sot直接施加到自由层721aa/421a。基于手性afm的soc电极722中的自旋的手性排序的一个好处是可以不再需要使用被需要用以使得附接到磁性结的soc电极222导致磁性结的自由磁体231a/331a/431a切换的传统的辅助电流。因此，使用用于soc电极722的kagomiafm材料实现磁性结的自由磁体231a/331a/431a/721a的低功率且高效的切换。在该示例中，自旋731和732处于+/-z方向。

在一些实施例中，自由磁体结构的另一自由磁体721ac耦合到或相邻于电介质(例如，当磁性结是mtj时)或金属或其氧化物(例如，当磁性结是自旋阀时)。在一些实施例中，自由磁体结构包括具有垂直磁化的第一自由磁体721aa，其垂直磁化可以根据外部场(例如，自旋转矩、自旋耦合、电场)基本上沿+z轴或-z轴指向；耦合层721ab；具有垂直磁化的第二自由磁体721ac，其垂直磁化可以基本上沿+z轴或-z轴指向。在各种实施例中，第二自由磁体721ac与层221b相邻(例如，电介质或金属/金属-氧化物)。

在一些实施例中，耦合层721ab包括以下中的一种或多种：ru、os、hs、fe或来自周期表的铂族的其他过渡金属。在一些实施例中，磁体721aa、721ac和724包括cfgg。在一些实施例中，磁体721aa、721ac和724由赫斯勒合金形成。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一种或多种。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mnga、co2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。

在一些实施例中，具有pma的磁体721aa和721ac包括材料的堆叠体，其中用于堆叠体的材料选自包括以下的组：co和pt；co和pd；co和ni；mgo、cofeb、ta、cofeb和mgo；mgo、cofeb、w、cofeb和mgo；mgo、cofeb、v、cofeb和mgo；mgo、cofeb、mo、cofeb和mgo；mnxgay；具有l10对称性的材料；或具有四方晶体结构的材料。在一些实施例中，具有pma的磁体由一种或多种材料的单个层形成。在一些实施例中，所述单个层包括mn和ga(例如，mnga)。

图7c-d分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及手性afm互连的器件的3d视图730和相应的横截面视图740，所述磁性结所具有的磁体具有平面内磁化。

图7c-d的器件类似于图7a-b的器件，除了磁性结的磁体的组成磁化。在一些实施例中，手性afm互连744的磁化也在平面内。用于kagomi手性afm的材料的示例包括诸如mn3sn的材料。其他示例包括1类s-1/2kagomiafm，2类s-1/2超kagomiafm和金属有机物。1类s-1/2kagomiafm包括诸如：cs2cu3mf12、rb2cu3snf12和x2cu3mf12的材料，其中m＝zr、hf或sn。2类s-1/2超kagomiafm包括诸如：na4ir3o8、cufeo2、nafeo2、mnbr2、srcrxfa12-xo19的材料，其中'x'是数字。金属有机物包括诸如以下的材料：na2ba3[fe3ⁱⁱ(c2o4)6][a^iv(c2o4)3]，其中a^iv是sn^iv或zr^iv之一，以及na2ba3[fe3ⁱⁱ(c2o4)6][aⁱⁱⁱ(c2o4)3]0.5[aⁱⁱⁱ(c2o4)3]2x(h2o)2]0.5，其中aⁱⁱⁱ是feⁱⁱⁱ或alⁱⁱⁱ之一。在该示例中，731a/b中的自旋在+/-z方向上。

此处，垂直自由磁体731aa用平面内自由磁体731aa代替，垂直自由磁体731ab用平面内自由磁体731ab代替，垂直固定磁体431c用平面内固定磁体321c代替。虽然平面内磁化显示为沿y轴指向，但它们也可沿x轴指向，如参考图2a所讨论的。

图7e-f分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结、手性afm互连以及过孔的器件的3d视图750和相应的横截面视图760，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括与手性afm互连相邻的平面内磁体。

在一些实施例中，图7e-f的器件包括与手性afm互连722的一个表面相邻的平面内固定磁体726，使得自由磁体721aa与手性afm互连722的表面相对的另一个表面相邻。在一些实施例中，平面内固定磁体726的尺寸足够厚或足够长，从而产生稳定的平面内磁体，该平面内磁体在垂直自由磁体721aa和/或721ac上施加有效的平面内场，以便更快地切换自由磁体721aa和/或721ac。在一些实施例中，kagomi手性afm材料的厚度tm在1nm至25nm的范围内。有效的平面内场可以通过来自平面内固定磁体726的交换偏置相互作用或偶极耦合来施加。例如，平面内磁体726具有沿x方向或y方向指向的磁化并且平行于器件750的x-y平面。此处，由于手性afm互连722的直接自旋产生，结构中的自由磁体的切换速度在相同的功耗下相对于图4a的自由磁体421a的切换速度而言得到改善。

图7g-h分别示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结、手性afm互连以及过孔的器件的3d视图750和相应的横截面视图760，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，所述过孔包括平面内磁体和afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

图7g的器件类似于图7e的器件，除了在磁过孔中添加了afm727。在一些实施例中，磁过孔的平面内固定磁体726耦合到或相邻于也在磁过孔中形成的平面内afm或合成afm(saf)727。可以切换afm727和平面内固定磁体726的顺序。例如，在一些实施例中，afm727与手性afm互连722相邻，而平面内固定磁体726在afm727下方并且不与手性afm互连722直接接触。

在一些实施例中，afm或saf727包括包含以下之一的材料：ir、pt、mn、pd或fe。在一些实施例中，afm或saf727是包括ni(1-x)mxga2s4的准二维三角形afm，其中“m”包括mn、fe、co或zn中的一种。在一些实施例中，afm或saf727包括具有平面内磁化的一对固定磁体727a和727c，以及固定磁体727a和727c之间的耦合层727b。在一些实施例中，用于固定磁体727a/c的材料可以根据本文所讨论的任何用于磁体的材料。在一些实施例中，用于耦合层727b的材料可以是与耦合层721ab的材料相同的材料(或选自相同的材料组)。技术效果方面，图7g的器件与图7a的器件类似地执行，并且由于手性afm互连722的直接自旋产生，相对于自由磁体221a的切换速度而言提高了自由磁体721aa和721ac的切换速度。

图8a示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件800的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有如标记801、802和803所示的垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连722相邻。

此处的磁性结由附图标记821示出，其中层221b(例如，电介质或金属/金属-氧化物)下方的层一起形成包括结的自由磁体的结构。除了用具有多个层的复合磁体代替自由磁体721aa和721ae之外，图8a的器件类似于图7a的器件。

在一些实施例中，多层自由磁体821aa的复合堆叠体包括'n'层的第一材料和第二材料。例如，复合堆叠体包括以交替方式堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中'n'具有1至10的范围。在一些实施例中，第一材料包括以下之一：co、ni、fe、或赫斯勒合金。在一些实施例中，第二材料包括以下之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一种或多种。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mnga、co2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。在一些实施例中，第一材料的厚度t1在0.6nm至2nm的范围内。在一些实施例中，第二材料的厚度t2在0.1nm至3nm的范围内。虽然此处的实施例示出了第一材料位于底部，然后是第二材料，但是可以颠倒顺序而不改变技术效果。在各种实施例中，自由磁体结构821aa耦合到手性afm互连722，由于手性afm互连722的直接自旋产生，其提供了更快的自由磁体221a的切换速度。

在一些实施例中，多层自由磁体821bb的复合堆叠体包括'n'层的第一材料和第二材料。例如，复合堆叠体包括以交替方式堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中'n'具有1至10的范围。在一些实施例中，第一材料包括以下之一：co、ni、fe、或赫斯勒合金。在一些实施例中，第二材料包括以下之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一种或多种。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mnga、co2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。在一些实施例中，第一材料的厚度t1在0.6nm至2nm的范围内。在一些实施例中，第二材料的厚度t2在0.1nm至3nm的范围内。虽然此处的实施例示出了第一材料位于底部，然后是第二材料，但是可以颠倒顺序而不改变技术效果。

图7a-h的实施例可以以任何顺序混合。例如，平面内磁体726可以用afm磁体替换，具有自由磁体和耦合层的自由磁体结构可以用具有自由磁化的单个磁体替换，等等。在一些实施例中，磁体(自由和/或固定的)也可以是顺磁体。

图8b示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件850的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的自由磁体结构和固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。

此处，图8a的固定磁体221c用复合堆叠体代替。因此，磁性结被标记为831。在一些实施例中，多层固定磁体821cc的复合堆叠体包括'n'层的第一材料和第二材料。例如，复合堆叠体包括以交替方式堆叠的层821aa1-n和821ab1-n，其中'n'具有1至10的范围。在一些实施例中，第一材料包括以下之一：co、ni、fe、或赫斯勒合金。在一些实施例中，第二材料包括以下之一：pt、pd、ir、ru或ni。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一种或多种。在一些实施例中，赫斯勒合金包括以下之一：cu2mnal、cu2mnin、cu2mnsn、ni2mnal、ni2mnin、ni2mnsn、ni2mnsb、ni2mnga、co2mnal、co2mnsi、co2mnga、co2mnge、pd2mnal、pd2mnin、pd2mnsn、pd2mnsb、co2fesi、co2feal、fe2val、mn2vga、co2fege、mnga或mngaru。在一些实施例中，第一材料的厚度t3在0.6nm至2nm的范围内。在一些实施例中，第二材料的厚度t4在0.1nm至3nm的范围内。虽然此处的实施例示出了第一材料位于底部，然后是第二材料，但是可以颠倒顺序而不改变技术效果。

图8c示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件850的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构和自由磁体结构的一个自由磁体包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。此处，图8c的自由磁体821bb用非复合自由磁体721ac替换。因此，磁性结被标记为851。

图8d示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件860的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。此处，图8d的自由磁体821aa用非复合材料自由磁体721aa替换。因此，磁性结被标记为861。

图8e示出了根据本公开内容的一些实施例的具有磁性结以及过孔的器件870的横截面，所述磁性结所具有的磁体具有垂直磁化，其中，磁性结的固定磁体结构和自由磁体结构的一个自由磁体包括具有垂直磁化的磁体的堆叠体，所述过孔包括平面内磁体和/或afm，平面内磁体和afm之一与手性afm互连相邻。此处，图8b的自由磁体821aa用非复合自由磁体721aa替换。

图9a示出了根据本公开内容的一些实施例的示出自由磁体结构的自旋极化捕获切换的曲线图900，该自由磁体结构在手性afm互连(例如互连722)下由磁过孔交换耦合或偏置。图9b示出了根据本公开内容的一些实施例的与图9a相关联的磁化图920。

曲线图900示出了具有pma的自旋轨道转矩器件的切换。此处，波形901、902和903分别表示x、y和z轴上的磁化投影。磁体以-1的z-磁化开始。从5ns(纳秒)到50ns施加正自旋轨道转矩(sot)。它导致将z磁化切换为1。然后，在120ns和160ns之间施加负自旋轨道转矩。它导致将z磁化切换为1。这说明了响应于特定极性的写入电荷电流的磁化的变化。

图9c示出了根据本公开内容的一些实施例的示出自由磁体结构的自旋极化捕获切换的曲线图930，该自由磁体结构在手性afm互连722下由磁过孔交换耦合或偏置。图9d示出了根据本公开内容的一些实施例的与图9c相关联的磁化图940。

此处，波形931、932和933分别表示x、y和z轴上的磁化投影。与图9c的情况的不同之处在于，从5ns到50ns施加负自旋轨道转矩(sot)。结果，z-磁化保持接近-1。这说明了响应于相反极性的写入电荷电流的磁化的持续性。

图10a-c示出了根据一些实施例的耦合到晶体管和位线的sot存储器件(例如，图7-8的器件中的任何一个)的横截面图1000a、1000b和1000c。

在实施例中，晶体管是n型晶体管mn，其具有源极区1002、漏极区1004和栅极1006。晶体管mn还包括设置在栅极1006上方并电耦合到栅极1006的栅极接触部1014，设置在源极区1002上方并且电耦合到源极区1002源极接触部1016，设置在漏极区1004上方并且电连接到漏极区1004的漏极接触部718。在一些实施例中，例如图7-8的sot存储器件的sot存储器件设置在晶体管上方。虽然用n型晶体管mn示出了实施例，但是晶体管可以用p型晶体管替换。

在一些实施例中，sot存储器件包括例如手性afm互连722的手性afm互连，例如mtj221/331/431/721/821/831/841/851/861/871的磁隧道结存储器件设置在手性afm互连722上，并且例如导电互连结构708(例如，结构708a/b)的导电互连结构设置在mtj上并耦合到mtj。在一些实施例中，手性afm互连722设置在晶体管700的漏极接触部718上。

在一些实施例中，mtj存储器件(例如，其包括mtj231/331/421/721/821/831/841/851/861/871)包括结合图2-8描述的各个功能层。在一些实施例中，手性afm互连722的长度lsot小于漏极接触部1018与源极接触部1016之间的分离距离lds。在一些实施例中，手性afm互连722的一部分在栅电极1012和栅极接触部1014上方延伸。在一些实施例中，手性afm互连722的一部分在栅电极1012之上延伸。在一些实施例中，手性afm互连722处于第一y-z平面中，如图7a所示。

在一些实施例中，栅极接触部1014直接位于手性afm互连722下方。在一些实施例中，字线(wl)接触部1070设置到手性afm互连722的第一y-z平面后(进入页面内)的第二yz平面上的栅极接触部1014上。在一些实施例中，可以不接触字线接触部的手性afm互连722设置在栅电极1012上。

在一些实施例中，与衬底1001相关联的晶体管mn是在衬底1001上制造的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet或简称mos晶体管)。在本公开内容的各种实施例中，晶体管可以是平面晶体管、非平面晶体管或两者的组合。非平面晶体管包括诸如双栅极晶体管和三栅极晶体管的finfet晶体管，以及诸如纳米带和纳米线晶体管的环绕或环栅晶体管。在实施例中，晶体管是三栅极晶体管。

在一些实施例中，在位线(bl)1030和源极线(sl)1040之间施加电压vds，并且以高于晶体管上的阈值电压vth对字线1050进行供电。在一些实施例中，电子电流(自旋霍尔电流)流过手性afm互连722并使自旋扩散电流流向mtj存储器件200/300/400。自旋扩散电流对mtj231/331/431/721/821/831/841/851/861/871的自由磁体721aa/821aa的磁化施加转矩。

在一些实施例中，通过在位线1030和源极线1040之间施加电压vds，电流可以流过图7-8的mtj存储器件。在一些实施例中，等于或大于阈值电压vts的电压vds足以产生通过mtj231/331/431/721/821/831/841/851/861/871的自旋极化电流。在一些实施例中，流过mtj的自旋传递转矩电流还向自由磁体421a/721aa/821aa施加转矩，从而增加来自自旋扩散电流的转矩。在一些实施例中，自旋传递转矩和自旋扩散转矩的组合效果可以切换自由磁体421a/721aa/821aa的磁化。在一些实施例中，通过反转电压vds的极性，并施加满足或超过阈值电压的电压，将自由磁体421a/721aa/821aa的磁化方向切换回先前的配置。

在一些实施例中，通过在位线1030和源极线1030之间施加电压，并且通过在晶体管的字线1050上施加高于阈值电压vth的电压，图7-8的mtj存储器件可以进行磁化切换而无需额外的电压源(例如第二晶体管)。在一些实施例中，在晶体管上方实现图7-8的sot存储器件可以在管芯的给定区域中将图7-8的sot存储器件的数量增加至少两倍。

在一些实施例中，下面的衬底1001表示用于制造集成电路的表面。在一些实施例中，衬底1001包括合适的半导体材料，例如但不限于单晶硅、多晶硅和绝缘体上硅(soi)。在另一实施例中，衬底1001包括其他半导体材料，例如锗、硅锗或合适的iii-v族或iii-n族化合物。衬底1001还可以包括半导体材料、金属、掺杂剂和通常在半导体衬底中发现的其他材料。

在一些实施例中，晶体管包括由至少两层(栅极电介质层1010和栅电极层1012)形成的栅极堆叠体。栅极电介质层1010可以包括一层或层堆叠体。一个或多个层可以包括氧化硅、二氧化硅(sio2)和/或高k电介质材料。高k电介质材料可以包括诸如铪、硅、氧、钛、钽、镧、铝、锆、钡、锶、钇、铅、钪、铌、和锌的元素。可在栅极电介质层中使用的高k材料的示例包括但不限于氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钽、氧化钛、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽和铌酸铅锌。在一些实施例中，可以在栅极电介质层1010上执行退火工艺，以在使用高k材料时改善其质量。

晶体管700的栅电极层1012形成在栅极电介质层1010上，并且可以包括至少一种p型功函数金属或n型功函数金属，这取决于晶体管是pmos还是nmos晶体管。在一些实施例中，栅电极层1012可以包括两个或更多个金属层的堆叠体，其中一个或多个金属层是功函数金属层，并且至少一个金属层是导电填充层。

对于pmos晶体管，可用于栅电极层1012的金属包括但不限于钌、钯、铂、钴、镍和导电金属氧化物，例如氧化钌。p型金属层将使得能够形成具有在约4.9ev和约5.2ev之间的功函数的pmos栅电极层1012。对于nmos晶体管，可用于栅电极层1012的金属包括但不限于铪、锆、钛、钽、铝、这些金属的合金、以及这些金属的碳化物，例如碳化铪、碳化锆、碳化钛、碳化钽和碳化铝。n型金属层将使得能够形成具有在约3.9ev和约4.2ev之间的功函数的nmos栅电极层1012。

在一些实施例中，栅电极层1012可以包括“u”形结构，其包括基本平行于衬底表面的底部和基本垂直于衬底顶表面的两个侧壁部分。在另一实施例中，形成栅电极层1012的金属层中的至少一个可以简单地是基本平行于衬底顶表面的平面层，并且不包括基本垂直于衬底顶表面的侧壁部分。在本公开内容的一些实施例中，栅电极层1012可以包括u形结构和平面非u形结构的组合。例如，栅电极层1012可以包括形成在一个或多个平面非u形层顶上的一个或多个u形金属层。

在一些实施例中，一对栅极电介质层1010可以形成在夹着(bracket)栅极堆叠体的栅极堆叠体的相对侧上。栅极电介质层710可以由诸如氮化硅、氧化硅、碳化硅、掺杂碳的氮化硅和氮氧化硅的材料形成。用于形成侧壁间隔物的工艺在本领域中是公知的，并且通常包括沉积和蚀刻工艺操作。在一些实施例中，可以使用多对间隔物，例如，可以在栅极堆叠体的相对侧上形成两对、三对或四对侧壁间隔物。

在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004形成在与晶体管的栅极堆叠体相邻的衬底内。通常使用注入/扩散工艺或蚀刻/沉积工艺来形成源极区1002和漏极区1004。在前一工艺中，可以将诸如硼、铝、锑、磷或砷的掺杂剂离子注入到衬底中以形成源极区1002和漏极区1004。激活掺杂剂并使它们进一步扩散进入衬底的退火工艺通常在离子注入工艺之后。在后一工艺中，可首先蚀刻衬底以在源极区和漏极区的位置处形成凹槽。然后可以执行外延沉积工艺以利用用于制造源极区1002和源极区1004的材料填充凹槽。在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004可以使用诸如硅锗或碳化硅的硅合金来制造。在一些实施例中，外延沉积的硅合金可以用诸如硼、砷或磷的掺杂剂原位掺杂。在一些实施例中，源极区1002和漏极区1004可以使用一种或多种替代半导体材料形成，例如锗或合适的iii-v族化合物。在一些实施例中，可以使用一层或多层金属和/或金属合金来形成源极区1002和漏极区1004。

在一些实施例中，晶体管700的栅极接触部1014和漏极接触部1018设置在设置于衬底1001上方的第一电介质层1020中。在一些实施例中，手性afm互连722设置在设置于第一电介质层1020上的第二电介质层1022中。在一些实施例中，第三电介质层1024设置在第二电介质层1022上。在一些实施例中，第四电介质层1026设置在第三电介质层1024上。在一些实施例中，源极接触部1016部分地设置在第四电介质层1026中，部分地设置在第三电介质层1024中，部分地设置在第二电介质层1022中并且部分地设置在第一电介质层1020上。在一些实施例中，手性afm互连722接触部设置在手性afm互连722上的第三电介质层1024中。在一些实施例中，例如导电互连结构1008a/b的导电互连结构设置在第四电介质层1026中。

栅极接触部1014形成在多晶区域中；漏极接触部1018形成在有源、多晶和金属0(m0)中；sot或she电极222形成在过孔(via)0-1层中；mtj形成在金属1(m1)和过孔1-2中；接触部708a形成在金属2(m2)和过孔2-3中；导体1008b形成在金属3(m3)中。

在一些实施例中，磁性结(例如，mtj或自旋阀)形成在金属3(m3)区域中。在一些实施例中，磁性结的自由磁体层421a/721aa/821aa耦合到手性afm互连722。在一些实施例中，磁性结的固定磁体层421c/821cc通过过孔3-4(例如，将金属4区域连接到金属4(m4)的过孔)经由手性afm互连722耦合到位线(bl)。在该示例性实施例中，位线形成在m4上。

在一些实施例中，n型晶体管mn形成在管芯的前端，而手性afm互连722位于管芯的后端。此处，术语“后端”通常是指管芯的与“前端”相对的一部分，并且其中ic(集成电路)封装耦合到ic管芯焊凸。例如，更靠近管芯封装的高级金属层(例如，十金属堆叠体管芯中的金属层6及以上)和相应过孔被认为是管芯后端的一部分。相反，术语“前端”通常是指管芯的一部分，其包括有源区域(例如，制造晶体管的位置)和更靠近有源区域的低级金属层以及相应过孔(例如，十金属堆叠体管芯示例中的金属层5及以下)。在一些实施例中，手性afm互连722位于后端金属层或过孔层中，例如在过孔3中。在一些实施例中，在层m0和m4或m1和m5或两个平行互连的任何集合中获得到器件的电连接。在一些实施例中，mtj231/331/431/721/821/831/841/851/861/871形成在金属2(m2)和金属1(m1)层区域和/或过孔1-2区域中。在一些实施例中，手性afm互连722形成在金属1区域中。

图11示出了根据一些实施例的用于形成图7-8的器件的方法的流程图1100。虽然流程图中的以下框(或处理操作)按特定顺序排列，但是可以改变顺序。在一些实施例中，一些框可以并行执行。在框1101处，形成具有磁体的磁性结，该磁体具有第一磁化(例如，垂直磁化)。在框1102处，邻近磁性结形成互连(例如，手性afm互连722)。在一些实施例中，互连包括手性afm材料，例如mn3sn和用于相同类别的其他此类材料。

在框1103处，邻近互连形成结构，使得磁性结和该结构位于手性afm互连722的相对表面上，其中，该结构包括具有与第一磁化基本不同的第二磁化的磁体。

在一些实施例中，形成磁性结包括：形成结构的堆叠体，包括：形成第一结构，该第一结构包括具有相对于器件的x-y平面的非固定垂直磁各向异性(pma)的磁体；形成包括电介质或金属之一的第二结构；以及形成包括具有固定pma的磁体的第三结构，其中第三结构具有垂直于器件平面的各向异性轴，并且其中第三结构与第二结构相邻，使得第二结构在第一结构和第三结构之间。

在一些实施例中，手性afm互连722与第三结构相邻。在一些实施例中，该方法包括形成与手性afm互连722相邻的第四结构，使得第三和第四结构在手性afm互连722的相对表面上，其中第四结构包括具有相对于器件的x-y平面的平面内磁化的磁体。在一些实施例中，形成磁性结的方法包括：在第一结构和第二结构之间形成第五结构，其中第五结构包括ru、os、hs或fe中的一种或多种；或者在第二结构和第三结构之间形成第六结构，其中第六结构包括ru、os、hs或fe中的一种或多种。

在一些实施例中，该方法包括在手性afm互连722和第四结构之间形成第七结构，其中第七结构包括afm材料，并且其中手性afm互连722包括自旋轨道材料。在一些实施例中，afm材料包括ir、pt、mn、pd或fe中的一种。在一些实施例中，afm材料是包括ni(1-x)mxga2s4的准二维三角形afm，其中“m”包括mn、fe、co或zn中的一种。在一些实施例中，形成第一或第三结构包括形成包括第一材料和不同于第一材料的第二材料的堆叠体。在一些实施例中，第一材料包括co、ni、fe或赫斯勒合金中的一种。在一些实施例中，赫斯勒合金包括co、cu、fe、ga、ge、in、mn、al、in、sb、si、sn、ni、pd、ru或v中的一种或多种。在一些实施例中，第二材料包括pt、pd、ir、ru或ni中的一种。在一些实施例中，第一材料的厚度在0.6nm至2nm的范围内，并且其中第二材料的厚度在0.1nm至3nm的范围内。在一些实施例中，电介质包括：mg和o。

在一些实施例中，形成第一或第三结构包括形成包括第一材料和第二材料的超晶格，其中第一材料包括co、ni、fe或赫斯勒合金中的一种；并且其中第二材料包括pt、pd、ir、ru或ni中的一种。在一些实施例中，形成第一或第三结构包括三种材料的堆叠体，包括与第四结构相邻的第一材料，与第一材料相邻但不与第四结构接触的第二材料，以及与第二材料和第二结构相邻的第三材料，其中第一材料包括co、ni、fe或赫斯勒合金中的一种或多种，其中第二材料包括ru；并且其中第三材料包括co、ni、fe或赫斯勒合金中的一种或多种。

在一些实施例中，磁性结是自旋阀或磁隧道结(mtj)中的一种。在一些实施例中，第一结构的磁体是顺磁体，其包括pt、pd、w、ce、al、li、mg、na、cr、co、dy、o、er、eu、eu、gd、fe、nd、k、pr、sm、tb、tm或v中的一种或多种，或其中第一结构的磁体是顺磁体，其包括掺杂剂，所述掺杂剂包括ce、cr、mn、nb、mo、tc、re、nd、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb中的一种或多种。

图12示出了根据本公开内容的一些实施例的带有具有手性afm互连的基于磁性结的存储器的智能设备或计算机系统或soc(片上系统)。

出于实施例的目的，此处描述的各种电路和逻辑块中的晶体管是金属氧化物半导体(mos)晶体管或其衍生物，其中mos晶体管包括漏极、源极、栅极和体端子。晶体管和/或mos晶体管衍生物还包括三栅极和finfet晶体管、环栅圆柱形晶体管、隧道fet(tfet)、方形导线或矩形带状晶体管、铁电fet(fefet)或实现晶体管功能的其他器件，如碳纳米管或自旋电子器件。mosfet对称的源极和漏极端子即是相同的端子并且在此可互换使用。另一方面，tfet器件具有不对称的源极和漏极端子。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以使用其他晶体管，例如，双极结型晶体管(bjtpnp/npn)、bicmos、cmos等。

图12示出了可以使用平面接口连接器的移动设备的实施例的方框图。在一些实施例中，计算设备1600表示移动计算设备，诸如计算平板电脑、移动电话或智能电话，支持无线的电子阅读器或其他无线移动设备。应当理解，一般地示出了某些部件，并且在计算设备1600中没有示出这种设备的所有部件。

在一些实施例中，根据所讨论的一些实施例，计算设备1600包括具有根据图7-8中的任何一个器件的一个或多个器件的第一处理器1610。根据一些实施例，计算设备1600的其他块也可以包括根据图7-8中的任何一个器件的一个或多个器件。本公开内容的各种实施例还可以包括1670内的网络接口，诸如无线接口，使得系统实施例可以合并到无线设备中，例如，手机或个人数字助理。

在一些实施例中，处理器1610(和/或处理器1690)可以包括一个或多个物理设备，例如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑器件或其他处理模块。由处理器1610执行的处理操作包括在其上执行应用和/或设备功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括与和用户的或和其他设备的i/o(输入/输出)有关的操作、与电源管理有关的操作、和/或与将计算设备1600连接到另一个设备有关的操作。处理操作还可以包括与音频i/o和/或显示i/o有关的操作。

在一些实施例中，计算设备1600包括音频子系统1620，其表示与向计算设备提供音频功能相关的硬件(例如音频硬件和音频电路)和软件(例如驱动器、编码解码器)部件。音频功能可以包括扬声器和/或耳机输出，以及话筒输入。用于这种功能的设备可以集成到计算设备1600中，或者连接到计算设备1600。在一个实施例中，用户通过提供由处理器1610接收并处理的音频命令来与计算设备1600交互。

在一些实施例中，计算设备1600包括显示子系统1630。显示子系统1630表示提供视觉和/或触觉显示以用于用户与计算设备1600交互的硬件(例如显示设备)和软件(例如驱动器)部件。显示子系统1630包括显示接口1632，其包括特定屏幕或硬件设备，用于向用户提供显示。在一个实施例中，显示接口1632包括与处理器1610分离的逻辑，用以执行与显示有关的至少一些处理。在一个实施例中，显示子系统1630包括触摸屏(或触摸板)设备，其提供到用户的输出和输入两者。

在一些实施例中，计算设备1600包括i/o控制器1640。i/o控制器1640表示与和用户的交互有关的硬件设备和软件部件。i/o控制器1640可操作以管理作为音频子系统1620和/或显示子系统1630的部分的硬件。另外，i/o控制器1640示出了连接点，用于连接到计算设备1600的额外设备，用户可以通过它与系统交互。例如，可以附接到计算设备1600的设备可以包括话筒设备、扬声器或立体声系统、视频系统或其他显示设备、键盘或辅助键盘设备、或者其他i/o设备，用于与诸如读卡器的特定应用或其他设备一起使用。

如上所述，i/o控制器1640可以与音频子系统1620和/或显示子系统1630交互。例如，通过话筒或其他音频设备的输入可以提供输入或命令，用于计算设备1600的一个或多个应用或功能。另外，代替或除了显示输出，可以提供音频输出。在另一个示例中，如果显示子系统1630包括触摸屏，显示设备还充当输入设备，其可以至少部分地由i/o控制器1640管理。计算设备1600上也可以有另外的按钮或开关，以提供由i/o控制器1640管理的i/o功能。

在一些实施例中，i/o控制器1640管理设备，例如加速度计、相机、光传感器或其他环境传感器、或者可以包括在计算设备1600中的其他硬件。输入可以是部分直接用户交互，以及向系统提供环境输入，以影响其操作(例如滤除噪声、针对亮度检测调整显示、为相机应用闪光灯、或其他特征)。

在一些实施例中，计算设备1600包括电源管理1650，其管理电池电力使用、电池的充电、以及与省电操作有关的特征。存储器子系统1660包括存储器设备，用于在计算设备1600中存储信息。存储器可以包括非易失性(如果中断到存储器设备的电力，状态不改变)和/或易失性(如果中断到存储器设备的电力，状态不确定)存储器设备。存储器子系统1660可以存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档、或其他数据、以及与计算设备1600的应用和功能的执行有关的系统数据(长期的或暂时的)。

实施例的单元也可以作为用于存储计算机可执行指令(例如用以实施本文所述的任何其他处理的指令)的机器可读介质(例如存储器1660)来提供。机器可读介质(例如存储器1660)可以包括但不限于闪存、光盘、cd-rom、dvdrom、ram、eprom、eeprom、磁或光卡、相变存储器(pcm)、或者适合于存储电子或计算机可执行指令的其他类型的机器可读介质。例如，本公开内容的实施例可以作为计算机程序(例如bios)下载，其可以作为数据信号经由通信链路(例如调制解调器或网络连接)从远程计算机(例如服务器)传送到请求计算机(例如客户机)。

在一些实施例中，计算设备1600包括连接1670。连接1670包括硬件设备(例如无线和/或有线连接器和通信硬件)和软件部件(例如驱动器、协议栈)，以使得计算设备1600能够与外部设备通信。计算设备1600可以是分离的设备，例如其他计算设备、无线接入点或基站，以及外围设备，例如耳机、打印机或其他设备。

连接1670可以包括多个不同类型的连接。概括地说，将计算设备1600示出为具有蜂窝连接1672和无线连接1674。蜂窝连接1672通常指代由无线载波提供的蜂窝网络连接，例如借助gsm(全球移动通信系统)或其变型或其派生物、cdma(码分多址)或其变型或其派生物、tdm(时分复用)或其变型或其派生物、或者其他蜂窝服务标准提供的。无线连接(或无线接口)1674指代不是蜂窝的无线连接，可以包括个域网(例如蓝牙、近场等)、局域网(例如wi-fi)和/或广域网(例如wimax)或其他无线通信。

在一些实施例中，计算设备1600包括外设连接1680。外设连接1680包括硬件接口和连接器，以及软件部件(例如驱动器、协议栈)，用以实现外设连接。会理解，计算设备1600可以是到其他计算设备的外围设备(“至”1682)，以及具有连接到它的外围设备(“自”1684)。计算设备1600通常具有“对接”连接器，用以连接到其他计算设备，用于诸如管理(例如下载和/或上载、改变、同步)设备1600上的内容的目的。另外，对接连接器可以允许设备1600连接到特定外设，其允许计算设备1600控制例如到视听或其他系统的内容输出。

除了专有的对接连接器或其他专有连接硬件，计算设备1600可以经由常用或基于标准的连接器实现外设连接1680。常用类型可以包括通用串行总线(usb)连接器(其可以包括任何数量的不同硬件接口)、包括minidisplayport(mdp)的displayport、高清晰度多媒体接口(hdmi)、火线或其他类型。

说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不一定是所有实施例。“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”的多次出现不一定全都指代相同的实施例。如果说明书表述部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，那么该特定部件、特征、结构或特性不必须被包括。如果说明书或权利要求提及“一”或“一个”元件，这并不表示仅有一个元件。如果说明书或权利要求提及“一额外的”元件，这并不排除存在多于一个该额外的元件。

此外，特定特征、结构、功能或特性可以在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。例如，第一实施例可以与第二实施例组合，只要与两个实施例相关的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥。

尽管结合其特定实施例说明了本公开内容，但按照前述说明，这种实施例的许多替代、修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。本公开内容的实施例旨在包含属于所附权利要求的宽泛范围内的所有此类替代、修改和变化。

另外，为了图示和论述的简单并且以便避免使得本公开内容难以理解，在所呈现的附图内可以显示或不显示到集成电路(ic)芯片或其他部件的公知的电源/接地连接。此外，为了避免使得本公开内容难以理解，并且鉴于以下事实：关于这种方框图装置的实现方式的细节与要在其内实施本公开内容的平台极为相关(即这种细节应完全在本领域技术人员的理解能力内)，可以以方框图形式显示装置。尽管阐述了特定细节(例如电路)以便说明本公开内容的示例性实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以无需这些特性细节或者借助这些特定细节的变化来实践本公开内容。本说明因而应视为说明性而非限制性的。

提供了摘要，它允许读者确定本技术公开内容的本质和要旨。依据摘要将不用于限制权利要求的范围或含义的理解而提交摘要。以下权利要求由此包含在具体实施方式部分中，每一个权利要求都独立作为单独的实施例。