垂直自旋转移矩MRAM存储器单元的制作方法

背景技术：

存储器广泛用于各种电子设备，诸如蜂窝电话、数字相机、个人数字助理、医疗电子器件、移动计算设备、非移动计算设备和数据服务器。存储器可包括非易失性存储器或易失性存储器。即使当非易失性存储器未连接到电源(例如，电池)时，非易失性存储器也允许存储和保留信息。

非易失性存储器的一个示例是磁阻随机存取存储器(mram)，其使用磁化来表示所存储的数据，这与使用电荷来存储数据的某些其他存储器技术相反。一般来讲，mram包括在半导体衬底上形成的大量磁存储器单元，其中每个存储器单元都代表(至少)一个数据位。通过改变存储器单元内的磁性元件的磁化方向将数据位写入存储器单元，并且通过测量存储器单元的电阻来读取位(低电阻通常表示“0”位且高电阻通常表示“1”位)。如本文所用，磁化方向为磁矩取向的方向。

尽管mram是有前途的技术，但是对于先前的mram存储器单元设计的快速写入操作来说，实现高位密度和高耐久性是具有挑战性的。

附图说明

类似编号的元件是指不同的图中的共同部件。

图1是mram存储器单元的框图。

图2是mram存储器单元的框图。

图3是mram存储器单元的框图。

图4是mram存储器单元的框图。

图5是mram存储器单元的框图。

图6是mram存储器单元的框图。

图7是mram存储器单元的框图。

图8是mram存储器单元的框图。

图9是描述了为向mram存储器单元写入数据而执行的过程的一个实施方案的流程图。

图10是使用了本文提出的新存储器单元的存储器系统的框图。

具体实施方式

本发明提出了一种垂直自旋转移矩mram存储器单元，其包括磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、钉扎层以及自由层和钉扎层之间的隧道势垒。自由层包括垂直于自由层的平面的可切换磁化方向。邻近磁隧道结提供覆盖层。增加覆盖层的厚度，使得覆盖层用作加热层，这导致写入期间电流密度降低并增加了写入裕量。在一些实施方案中，电阻加热层被添加至存储器单元、邻近覆盖层，以实现较低的电流密度和增加的写入裕量，同时还改善读取期间的信噪比。

自旋转移矩(“stt”)是可以使用自旋极化电流来修改磁隧道结中的磁层取向的效应。电荷载流子(诸如电子)具有被称为自旋的特性，自旋是载流子固有的少量角动量。电流一般是非极化的(例如，由50％的自旋向上和50％的自旋向下电子组成)。自旋极化电流是任一自旋的电子更多(例如，多数为自旋向上电子或多数自旋向下电子)的电流。通过使电流通过厚磁层(通常称为固定、钉扎或基准层)，可以产生自旋极化电流。如果该自旋极化电流被引导至第二磁层(通常称为“自由层”)中，则角动量可以转移至该第二磁层，从而改变第二磁层的磁化方向。这被称为自旋转移矩。

自旋转移矩可以用于对mram存储器进行编程或写入。自旋转移矩磁性随机存取存储器(sttmaram)的优点在于，与使用磁场来翻转有源元件的其他mram相比功耗更低且可扩展性更好。自旋转移矩技术具有使电流要求低且成本降低的mram设备成为可能的潜力；然而，对于大多数商业应用，重新定向磁化所需的电流量可能过高，从而限制了每芯片面积可以制造的位数(即存储器密度)。这是因为向mram设备提供电流的晶体管必须很大，因此占据了很大面积(通过晶体管的电流随其尺寸而缩放)。此外，一些sttmram的写入裕量较小。写入裕量是导致mram设备被击穿的电压或电流与重新定向磁化(即写入比特)所需的电压或电流之差。如果该裕量较小，则在mram位被击穿之前可以写入mram位的次数也较少，即mram耐久性较短。

图1是示例性sttmram存储器单元50的示意图。为了本文档的目的，存储器单元是存储的基本单位。存储器单元50包括磁隧道结(mtj)51，磁隧道结51包括上铁磁层52、下铁磁层54和隧道势垒(tb)56，隧道势垒56是位于两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，下铁磁层54为自由层(fl)，并且其磁化方向可以切换。上铁磁层52为钉扎(或固定)层(pl)，并且其磁化方向(正常情况下)不可改变。当自由层54中的磁化与钉扎层pl52中的磁化平行时，跨存储器单元50的电阻是相对低的。当自由层fl54中的磁化与钉扎层pl52中的磁化反平行时，跨存储器单元50的电阻是相对高的。通过测量存储器单元50的电阻来读取存储器单元50中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接至存储器单元50的电导体60/70用于读取mram数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。

在其余的文本和附图中，写入电流的方向被定义为电子流动的方向。因此，术语写入电流是指电子电流。为了“设置”mram存储器单元位值(即，选择自由层磁化的方向)，从导体60向导体70施加电写入电流62。写入电流中的电子随着它们穿过钉扎层52而变为自旋极化的，因为钉扎层52为铁磁金属。虽然铁磁金属中的传导电子将具有与磁化方向共线的自旋取向，但它们中的绝大部分将具有与磁化方向平行的特定取向，从而产生净自旋极化电流。电子自旋是指角动量，其与电子磁矩的方向成正比但反平行，但为了便于讨论，从目前开始不会再使用这种方向性的区别。当自旋极化的电子隧穿隧道势垒56时，角动量的守恒可以导致扭矩被施加在自由层54和钉扎层52两者上，但该扭矩不足以(通过设计)影响钉扎层的磁化方向。相反，如果自由层54的初始磁化取向与钉扎层52反平行，则该扭矩(通过设计)足以使自由层54中的磁化取向切换成与钉扎层52的磁化取向平行。然后，在关闭此写入电流之前和之后，平行磁化将保持稳定。相比之下，如果自由层54磁化和钉扎层52磁化最初是平行的，则通过施加与上述情况相反方向的写入电流，可以将自由层磁化stt切换成与钉扎层52反平行。因此，经由相同的stt物理性质，可以通过明智地选择写入电流方向(极性)来确定性地将自由层54的磁化方向设置为两个稳定取向中的任一个。

图1的mram存储器单元使用其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在平面内方向上的材料。相比之下，图2描绘了stt切换mram存储器单元75的示意图，其中，钉扎层磁化和自由层磁化两者均在垂直方向上(即垂直于由自由层界定的平面和垂直于由钉扎层界定的平面)。存储器单元75包括磁隧道结(mtj)76，磁隧道结76包括上铁磁层78、下铁磁层80和隧道势垒(tb)82，该隧道势垒为两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，下铁磁层80为自由层fl，并且其磁化方向可以切换。上铁磁层78为钉扎(或固定)层pl，并且其磁化方向不可改变。当自由层80中的磁化与钉扎层pl78中的磁化平行时，跨存储器单元75的电阻是相对低的。当自由层fl80中的磁化与钉扎层pl78中的磁化反平行时，跨存储器单元75的电阻是相对高的。通过测量存储器单元75的电阻来读取存储器单元75中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接至存储器单元75的电导体84/88用于读取mram数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。为了“设置”mram单元位值(即，选择自由层磁化的方向)，从导体84向导体88施加电写入电流86，并且存储器单元如以上关于图1所讨论的那样操作。

与使用了来自靠近mram单元的载流导体的磁场的最早的mram单元相比，stt切换技术需要相对低的功率，这实际上消除了相邻位干扰的问题，并且对于更高的存储器单元密度具有更有利的缩放(mram单元尺寸减小)。后一个问题也有利于stt-mram，其中自由层磁化和钉扎层磁化垂直于薄膜平面取向，而不是在平面内取向。

图3描绘了其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在垂直方向上的stt切换mram存储器单元200的另一示例的示意图。存储器单元200包括磁隧道结(mtj)202，磁隧道结202包括上铁磁层210、下铁磁层212和隧道势垒(tb)214，隧道势垒214用作两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，上铁磁层210为自由层fl，并且其磁化方向可以切换。下铁磁层212为钉扎(或固定)层pl，并且其磁化方向不可改变。存储器单元200还包括邻近mtj202(例如邻近自由层210)的覆盖层220。使用覆盖层220以向fl210提供附加的垂直各向异性。在过去，覆盖层220已被实施为尽可能薄，从而使其电阻与隧道势垒214的电阻相比可以忽略，该隧道势垒的电阻支配mram存储器单元的电阻。

开发使用sttmram的存储器系统的一些挑战包括减小切换电流及增加写入裕量。例如，从自由层的磁化方向平行于钉扎层的磁化方向的状态切换到自由层的磁化方向反平行于钉扎层的磁化方向的状态使用较大的写入电流。一般地，期望具有较低的写入电流。写入电流是施加至存储器单元以改变自由层的磁化方向的电流。具有较低的写入电流至少有两个原因。首先，一些存储器系统使用晶体管(例如nmos晶体管)来将字线(或其他控制线)连接至存储器单元。如果写入电流很高，则需要较大的晶体管，从而导致可用于存储器单元的空间减少，并且因此导致存储器密度降低(相当于对于给定存储器芯片面积，容量降低)。第二，使用较高电流会更快地耗尽包括存储器系统的移动设备的电池。

写入裕量定义为写入电压(施加至存储器单元以改变自由层的磁化方向的电压)与存储器单元的击穿电压之差。写入裕量越大，存储器单元的耐久性越高(即该单元可被可靠地写入的次数越多)。

根据sttmram宏引脚理论，写入电压线性地取决于mram单元的电阻面积乘积(“ra”)。对于给定的材料层，ra定义为：

ra＝rp×sa等式(0)

其中，rp是材料层对垂直方向(与表面区域正交)上施加的电流的电阻，sa是该材料层的表面积。存储器单元的总ra等于其所有层的ra之和，并且还包括来自不同层之间的界面电阻的贡献。然而，隧道势垒的ra和覆盖层的ra(由高电阻率绝缘材料制成)比其他层及其之间界面(由低电阻率金属制成)的ra大得多，因此后者可以忽略。然而，隧道势垒本身的ra取决于与其相邻的rl和fl的相对磁化取向，因为通过隧道势垒的传导经由自旋极化隧穿发生，当rl和fl的磁化定向为彼此反平行时，自旋极化隧穿被部分抑制。按照惯例，隧道势垒的ra针对rl和fl的磁化定向为彼此平行的情况定义。因此，当sttmram存储器单元具有覆盖层时，存储器单元的总ra等于隧道势垒的ra(针对rl及fl的平行磁化取向定义)与覆盖层的ra之和。

已经观察到，mram单元的ra指数地取决于隧道势垒的厚度t，使得：

ra＝(ra0)e^αt等式(1)

其中，ra0是表示隧道势垒的零厚度极限内的ra的常数(即包括mram单元的金属层的剩余ra，通常在0.05-0.1ωμm²的范围内)，并且α是表示逆长度尺寸的常数。

切换自由层的磁化方向所需的电流密度预期与ra无关。然而，已经观察到电流密度随着ra的增加而降低。因此，使隧道势垒较厚将导致写入sttmram存储器单元时的ra增加且电流密度降低。降低电流密度降低了写入操作(即切换自由层的磁化方向)所需的写入电流。

本发明人已发现，增加覆盖层的厚度将增加覆盖层的ra、增加存储器单元的总ra，并导致写入sttmram存储器单元时的电流密度降低。写入电流密度的降低主要是由覆盖层响应于写入电流而加热磁隧道结引起的。覆盖层制造得越厚，电流密度降低得越多。发明人还发现，写入mram单元的电流密度与单元的总ra成比例，无论ra是全部由隧道势垒引起的还是由于隧道势垒与覆盖层之间的狭缝引起的。在现有技术设备中，工程师设法使覆盖层的ra可忽略。然而，本发明人提出使覆盖层的电阻面积乘积为覆盖层的电阻面积乘积和隧道势垒的电阻面积乘积的组合的总电阻面积乘积的至少20％(或20-50％)。例如，如果存储器单元的总电阻面积乘积为10ωμm²，隧道势垒的电阻面积乘积为8ωμm²，且覆盖层的电阻面积乘积为2ωμm²，则覆盖层的ra为覆盖层的电阻面积乘积和隧道势垒的电阻面积乘积的组合的总电阻面积乘积的20％。

在覆盖层和隧道势垒之间划分ra导致更高的写入裕量。为了说明，考虑当达到跨越势垒的电场的特定值时发生隧道势垒的击穿，该值被称为击穿电场ebd。该ebd与击穿电压有关，如vbd＝ebdt，其中，t是隧道势垒厚度。因此，在等式(1)中表达为t＝vbd/ebd，可以看出：

因此，击穿电压在算法上取决于ra。覆盖层击穿电压也是如此。因此，如果在隧道势垒与覆盖层之间划分总ra，则这些层中每一个的击穿电压的下降幅度将小于与ra的线性关系(即基于等式(2)与ln(ra)成比例)，而对于所施加的写入电压，它们之间的电压降将与其各自的ra成比例地分配。结果，写入裕量将增加。例如，将隧道势垒中ra＝10ωμm²的mram存储器单元与隧道势垒中ra＝5ωμm²且覆盖层中ra＝5ωμm²的mram单元进行比较。假设ra＝10ωμm²的单元的写入电压为0.8v并且击穿电压为1.1v。因此，写入裕量为0.3v。假设ra0＝0.1ωμm²，则可以使用等式(2)计算得出然后对于ra＝5ωμm²，得到隧道势垒的击穿电压为0.93v并且覆盖层的击穿电压也为0.93v。因此，单元的击穿电压为1.86v，并且写入裕量增加至1.06v，即增加至原来的3倍多。

图4描绘了stt切换mram存储器单元300的示例的示意图，其中钉扎层磁化与自由层磁化两者均在垂直方向上，并且利用具有增加的厚度的覆盖层以降低电流密度并增加写入裕量，如上文所述。存储器单元300包括磁隧道结(mtj)302，磁隧道结302包括上铁磁层310、下铁磁层312和隧道势垒(tb)314，隧道势垒314用作两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，上铁磁层310为自由层fl，并且其磁化方向可以切换。下铁磁层312为钉扎(或固定)层pl，并且其磁化方向不可切换。当自由层310中的磁化与钉扎层pl312中的磁化平行时，跨存储器单元300的电阻是相对低的。当自由层fl310中的磁化与钉扎层pl312中的磁化反平行时，跨存储器单元300的电阻是相对高的。通过测量存储器单元300的电阻来读取存储器单元300中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接至存储器单元300的电导体306/308用于读取mram数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。

对于钉扎层pl312和自由层fl310两者来说，磁化方向均在垂直方向上(即垂直于由自由层界定的平面和垂直于由钉扎层界定的平面)。例如，图4示出垂直于平面，钉扎层pl312的磁化方向为上且自由层fl310的磁化方向为可在上与下之间切换。

在一个实施方案中，隧道势垒314由氧化镁(mgo)制成；然而，也可以使用其他材料。自由层310为铁磁金属，其具有改变/切换其磁化方向的能力。基于过渡金属如co、fe及其合金的多层可用于形成自由层310。在一个实施方案中，自由层310包括钴、铁和硼的合金。钉扎层312可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴和铂层和/或钴和铁的合金层。

存储器单元300包括邻近磁隧道结302的覆盖层304。在一组实施方案中，覆盖层304邻近自由层310，使得覆盖层304接触自由层310并形成与自由层310的交界面。图4示出位于电导体306和自由层310之间并与电导体306和自由层310接触的覆盖层304。在一个实施方案中，覆盖层304包括mgo。在其他实施方案中，可以使用其他氧化物，例如(但不限于)氧化铪、氧化钨、氧化铝或氧化钛。覆盖层304的厚度设置为使得覆盖层304ra的ra为覆盖层304的ra和隧道势垒314的ra的组合的总ra的至少20％。在一些实施方案中，提出覆盖层的ra为覆盖层304的ra和隧道势垒314的ra的组合(或存储器单元的总ra)的20-50％。在一些实施方案中，覆盖层304和隧道势垒314具有相同的ra(因此，覆盖层的ra为总ra的50％)。

在一个示例性实施方式中，自由层310的厚度为2.0nm，钉扎层312的厚度为3.5nm，隧道势垒314的厚度为1.0nm，并且覆盖层304的厚度为0.8nm。在另一示例性实施方式中，覆盖层304和隧道势垒314具有相同厚度。

为了“设置”mram存储器单元位值(即选择自由层磁化的方向)，从导体308向导体306施加电写入电流350，如图5所描述的。写入电流350中的电子随着它们穿过钉扎层312而变为自旋极化的，因为钉扎层312为铁磁金属。当自旋极化的电子隧穿隧道势垒314时，角动量的守恒可以导致自旋转移矩施加在自由层310和钉扎层312两者上，但该扭矩不足以(通过设计)影响钉扎层312的磁化方向。相反，如果自由层310的初始磁化取向与钉扎层312反平行，则该自旋转移矩(通过设计)足以使自由层210中的磁化取向切换成与钉扎层312的磁化取向平行。然后，在关闭此写入电流之前和之后，平行磁化将保持稳定。

相比之下，如果自由层310磁化和钉扎层312磁化最初是平行的，则通过施加与上述情况相反方向的写入电流，可以将自由层310的磁化方向切换成与钉扎层312反平行。例如，如图6所示，写入电流352从导体306施加至导体308。因此，经由相同的stt物理性质，可以通过明智地选择写入电流方向(极性)来确定性地将自由层310的磁化方向设置为两个稳定取向中的任一个。

如上所述，覆盖层304配置为响应于穿过覆盖层304的电流(该电流也穿过mtj302)而加热磁隧道结302。这种加热是除了由通过隧道势垒的电流在mtj中已经产生的加热之外的加热，并且如上所述，这导致较低的电流密度和增加的写入裕量。

图7描绘了读取操作期间的存储器单元300。通过测量存储器单元300的电阻来读取存储器单元300中的数据(“0”或“1”)。低电阻通常表示“0”位，并且高电阻通常表示“1”位。图7示出通过将读取电流354从导体306施加至导体308而在整个存储器单元(例如整个磁隧道结302)上施加读取电流354。替代地，读取电流354可从导体306施加至导体308。

图8描绘了其中钉扎层磁化和自由层磁化两者都在垂直方向上的sttmram存储器单元300的另一示例的示意图。存储器单元400包括磁隧道结(mtj)402，磁隧道结402包括上铁磁层412、下铁磁层414和隧道势垒(tb)416，隧道势垒416用作两个铁磁层之间的绝缘层。在该示例中，上铁磁层412为自由层fl，并且其磁化方向可以切换。下铁磁层414为钉扎(或固定)层pl，并且其磁化方向不可改变。存储器单元400包括邻近磁隧道结402的覆盖层404。在一组实施方案中，覆盖层404邻近自由层412，使得覆盖层404接触自由层412并形成与自由层412的交界面。

当自由层412中的磁化与钉扎层pl414中的磁化平行时，跨存储器单元400的电阻是相对低的。当自由层fl412中的磁化与钉扎层pl414中的磁化反平行时，跨存储器单元400的电阻是相对高的。以针对存储器单元300所讨论的相同方式，通过测量存储器单元400的电阻来读取存储器单元400中的数据(“0”或“1”)。就这一点而言，附接至存储器单元400的电导体408/410用于读取mram数据。通过设计，平行配置和反平行配置两者都在静止状态和/或读取操作期间(在足够低的读取电流下)保持稳定。

存储器单元400还包括电阻加热器层rhl406。在一个实施方案中，电阻加热器层406定位在覆盖层404和电导体408之间(并与覆盖层404和电导体408接触)。因此，电阻加热层406与覆盖层分离且邻近覆盖层。在一个实施方案中，电阻加热层406是不促进电子隧穿的高电阻层，因此不呈现与隧穿相关的电子散粒噪声，并且具有1-10ωcm的电阻率。电阻加热层406配置为响应于流经电阻加热层406和磁隧道结402两者的电流来加热磁隧道结402。来自电阻加热层406的热量用于降低电流密度并增加存储器单元400的写入裕量。在一个实施方案中，电阻加热层406是诸如锗或非晶硅bige合金等半导体薄膜。在另一实施方案中，电阻加热层406由掺杂材料制成，例如掺杂硅。在一组示例中，电阻加热层406的厚度为1-10nm。在存储器单元400中使用电阻加热层406提供了读取过程期间的改善的信噪比，因为其消除了与隧穿相关联的电子散粒噪声，同时保留了上面关于图4的存储器单元300所讨论的降低写入电流密度和增加写入裕量的优点。

图8的存储器单元400通过施加写入电流来执行写入操作，其方式与上述图4的存储器单元300相同。存储器单元300和存储器单元400的写入过程的不同之处在于，热量主要由电阻加热层406提供到存储器单元400中，同时绝缘覆盖层保持较薄，而存储器单元300不具有电阻加热层，而是利用厚mgo覆盖层来产生热量。

在图8的存储器单元400的一些实施方案中，将覆盖层404制造为足够薄，使得覆盖层404的ra可忽略不计，且其产生的热量可忽略不计。在其他实施方案中，将覆盖层404制造为足够厚，使得其ra不可忽略，并且对电流密度和写入裕量有影响。在此类实施方案中，热量随后通过电阻加热层406和覆盖层404产生；或者通过电阻加热层406、覆盖层404和隧道势垒416的组合产生。在一些示例中，将电阻加热层406制造为足够厚，以提供用于存储器单元的大部分热量，或者至少显著多于覆盖层404的热量。

图9是描述为了将数据写入非易失性sttmram存储器单元(诸如图4-图7的存储器单元300和图8的存储器单元400)而执行的过程的一个实施方案的流程图。在步骤502中，将电流传导通过磁隧道结和覆盖层(且在一些实施方案中，通过电阻加热层)。例如，电流350或352(参见图5和图6)可以施加至存储器单元。在具有电阻加热层(诸如图8的电阻加热层406)的实施方案中，步骤502包括将电流传导通过磁隧道结、覆盖层和电阻加热器层。在步骤504中，如上文所解释的，响应于通过覆盖层和磁隧道结的电流，在传导电流的同时覆盖层(和/或电阻加热层和/或隧道势垒)加热磁隧道结，从而降低磁隧道结中的电流密度并增加写入裕量。在步骤506中，如上文所解释的，响应于电流和加热，自由层的磁化方向通过自旋转移矩从垂直于自由层的平面的第一方向切换为与第一方向相反的垂直于自由层的平面的第二方向。此时，存储器单元已经被写入。稍后，在步骤508中，可以通过将电的读取电流传导通过磁隧道结(包括自由层)来感测自由层的状况而执行读取过程，例如，如图7中所描绘且上文中所描述的。

图10是描绘可以实现本文描述的技术的存储器系统600的一个示例的框图。存储器系统600包括存储器阵列602，该存储器阵列可包括上述任何存储器单元。存储器阵列602的阵列端子线包括组织为行的各个字线层，以及组织为列的各个位线层。然而，也可以实现其他取向。存储器系统600包括行控制电路620，该行控制电路的输出608连接到存储器阵列602的相应字线。行控制电路620从系统控制逻辑电路660接收一组m行地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如行解码器622、阵列端子驱动器624和块选择电路626等电路以用于读取操作和写入操作两者。存储器系统600还包括列控制电路610，该列控制电路的输入/输出606连接到存储器阵列602的相应位线。列控制电路606从系统控制逻辑660接收一组n个列地址信号和一个或多个各种控制信号，并且通常可以包括诸如列解码器612、阵列端子接收器或驱动器614、块选择电路616、以及读/写电路和i/o多路复用器等电路。系统控制逻辑660从主机接收数据和命令，并向主机提供输出数据和状态。在其他实施方案中，系统控制逻辑660从单独的控制器电路接收数据和命令，并向该控制器电路提供输出数据，其中控制器电路与主机通信。系统控制逻辑660可以包括一个或多个状态机、寄存器和用于控制存储器系统600的操作的其他控制逻辑。

在一个实施方案中，图9中所描绘的所有部件都布置在单个集成电路上。例如，系统控制逻辑660、列控制电路610和行控制电路620形成在衬底的表面上，并且存储器阵列602形成在衬底上或上方。

上述实施方案提供了一种转移扭矩mram存储器单元，其具有因覆盖层和/或电阻加热层的加热效应而降低的切换电流和增加的写入裕度。降低的电流允许存储器单元更有效地操作。增加的写入裕量允许存储器单元改进耐久性和可靠性。

图4到图8的sttmram存储器单元的上述实施方案具有磁化方向垂直于平面的自由层。这是与具有磁化方向在平面内的自由层的存储器单元的显著区别。例如，如果平面内sttmram存储器单元的退磁场降低，那么切换电流也可能降低；然而，垂直sttmram存储器单元中的退磁场降低会导致存储器单元的净垂直磁各向异性升高且切换电流因此增加。

一个实施方案包括一种装置，该装置包括磁性隧道结和邻近磁性隧道结的覆盖层。磁隧道结包括：固定层，其具有垂直于固定层的平面的固定磁化方向；自由层，其具有可切换且垂直于自由层的平面的磁化方向；以及固定层与自由层之间的隧道势垒。覆盖层包括使得覆盖层贡献覆盖层的电阻面积乘积与隧道势垒的电阻面积乘积的组合的总电阻面积乘积的至少20％的厚度。

一个实施方案包括一种装置，该装置包括具有固定磁化方向的固定铁磁层、具有可切换的磁化方向的自由铁磁层、固定铁磁层与自由铁磁层之间的隧道势垒、邻近自由铁磁层的覆盖层、以及邻近覆盖层的电阻加热层。

一个实施方案包括一种方法，该方法包括写入非易失性自旋转移矩mram存储器单元，该mram存储器单元包括磁隧道结和邻近磁隧道结的覆盖层。磁隧道结包括具有可切换的磁化方向的自由铁磁层。写入方法包括：将电流传导通过磁隧道结和覆盖层，在传导电流的同时覆盖层加热磁隧道结以降低磁隧道结中的电流密度，以及响应于电流及加热，将自由层的磁化方向从垂直于自由层的平面的第一方向切换为垂直于自由层的平面的第二方向。

出于本文件的目的，说明书中提到“实施方案”、“一个实施方案”、“一些实施方案”或“另一个实施方案”可用于描述不同的实施方案或相同的实施方案。

出于本文件的目的，连接可为直接连接或间接连接(例如，经由一个或多个其他部件)。在一些情况下，当元件被提及连接或耦接到另一个元件时，该元件可直接连接到另一个元件，或者经由居间元件间接连接到另一个元件。当元件被提及直接连接到另一个元件时，则在该元件与另一个元件之间没有居间元件。如果两个设备是直接连接或间接连接的，则两个设备是“通信”的，使得它们能够在它们之间进行电子信号通信。

出于本文档的目的，术语“基于”可理解为“至少部分地基于”。

出于本文档的目的，在没有附加上下文的情况下，诸如“第一”对象、“第二”对象和“第三”对象的数字术语的使用可能不意味着对象的排序，而是可用于识别目的以识别不同的对象。

出于本文档的目的，对象的术语“组”可指一个或多个对象的“组”。

出于说明和描述的目的，已提供了上述详细描述。其并非旨在详尽的或旨在限制本发明所公开的精确形式。根据以上教导内容，很多修改和变型都是可能的。选择所述实施方案以便最好地解释所建议的技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方案中和适合于设想的具体使用的各种修改中最好地利用它。本发明的范围旨在由所附权利要求书限定。