自旋轨道扭矩器件中的切换轨迹的控制的制作方法

1.本发明总体上涉及存储器和逻辑器件的领域。更具体地，本发明涉及使用自旋轨道扭矩(spin orbit torque)现象来切换邻近磁性层的磁化的非易失性自旋电子(spintronic)存储器和逻辑器件以及电路。


背景技术：

2.目前，作为高速高速缓存(诸如静态随机存取存储器(sram))中的基于电荷的半导体器件的潜在非易失性替换，对三端子自旋电子器件存在极大的关注。写入机制基于使用通过自旋轨道交互生成的自旋转移矩(stt)对磁矩的受控操纵。朝向三端子磁存储器件的一种方法是基于纳米镜导线中的磁畴壁(magnetic domain wall)(单畴壁赛道存储器元件)的电流感应运动。第二种方法是通过使用sot来切换相邻磁性纳米元件的磁化。用于读出任一类型的器件中的磁性状态的一种机制使用基于隧道磁阻(tmr)效应的磁性隧道结(mtj)。其他读出机制包括异常霍尔效应。
3.尽管在总体占用面积上大于常规的两端子自旋转移矩磁性随机存取存储器(stt
‑
mram)mtj器件，但是这些三端子器件对于高速存储器应用可能是有利的。三端子器件中的读取和写入路径的分离使得材料的优化以及各个读取和写入方案明显更易处理。另外，常规stt
‑
mram mtj器件中的损耗机制之一是隧道势垒的介电击穿，这在写入过程期间跨隧道势垒施加高速操作所需的大电压时发生。在三端子器件中，由于读取和写入路径是分离的，所以消除了这种损耗机制。
4.这些三端子器件主要基于磁性纳米元件的切换，使用通过自旋霍尔效应在接近的非磁性金属层中产生的自旋极化电流。自旋霍尔效应将纵向电荷电流转换成横向自旋电流。对于高速高速缓存存储器应用，需要替换器件具有可靠的操作和快速切换时间两者。在传统的三端子器件配置中，电流感应自旋极化和磁性易磁化轴位于相同的平面中并且彼此共线。虽然在这种配置中可以实现确定性的切换，但是由于需要热波动以便启动切换过程，因此难以实现短时间尺度的高速可靠操作。此现象在常规的二端子stt
‑
mram器件中是众所周知的，且其导致用于低于10ns的切换的所谓的“写入错误率”。
5.在利用互补金属氧化物半导体(cmos)技术的现代计算系统中，用于执行接近逻辑核心的计算任务的器件、包括寄存器文件、高速缓冲存储器和主存储器都是易失性的。照此，保留在这些器件中的数字信息需要被传送到外围非易失性存储器电路。该数据传输过程引起相当大量的传播延迟。进一步，这些非易失性设备的访问速度比位于逻辑核心附近的存储器的访问速度慢得多。因此，需要可以紧密靠近放置的高速非易失性存储器和逻辑电路。
6.本发明的实施例寻求改进现有技术的系统和方法。


技术实现要素：

7.在一个方面中，本发明提供一种三端子器件，其包括：(a)磁性隧道结(mtj)，所述
mtj包括：(i)第一磁性层；(ii)位于所述第一磁性层下方的隧道势垒层；以及(iii)位于所述隧道势垒下方的第二磁性层；(b)自旋轨道扭矩(sot)生成层，所述sot生成层直接位于所述第二磁性层下方；并且其中，所述第二磁性层具有非对称的形状，使得与所述第二磁性层相关联的残余状态的平均磁化具有与所述sot生成层中的电流方向正交的平面内分量。
8.在另一方面中，本发明提供一种器件，其包括：(a)第一磁性隧道结(mtj)，所述第一mtj包括：(i)第一磁性层；(ii)位于所述第一磁性层下方的第一隧道势垒层；以及(iii)位于所述隧道势垒下方的第二磁性层；(b)第二磁性隧道结(mtj)，所述第二mtj包括：(i)第三磁性层；(ii)位于所述第一磁性层下方的第二隧道势垒层；以及(iii)位于所述隧道势垒下方的第四磁性层；(c)公共自旋轨道扭矩(sot)生成层，所述公共sot生成层直接位于所述第一mtj的所述第二磁性层和所述第二mtj的第四磁性层两者之下；其中，在所述公共sot生成层中生成的sot在所述第二磁性层中设定第一磁性状态并且在所述第四磁性层中设定第二磁性状态，所述第一磁性状态与所述第二磁性状态相反。
9.另一方面，本发明提供一种方法，包括：(a)提供三端子器件，其依次包括自旋轨道扭矩(sot)生成层、其磁矩可以用由sot生成层产生的自旋转移扭矩来切换的平面内磁化自由层、隧道势垒、以及参考磁性层，所述参考磁性层的取向在器件操作期间保持固定，其中：写入加(write
‑
plus)端子和写入减(write
‑
minus)端子与所述sot生成层的相对端电接触；读取端子与所述参考磁性层电接触；并且所述磁性自由层具有非对称的形状，使得所述自由层的残余状态的平均磁化具有与所述电流方向正交的平面内分量；以及(b)使电流在所述sot生成层的端子之间沿着所述sot生成层传递，从而当所述传递的电流的方向沿着所述磁性自由层的易磁化轴取向时，即使在没有施加磁场的情况下也切换所述磁性自由层的磁性状态。
附图说明
10.参照以下附图详细描述根据一个或多个不同示例的本公开。附图仅出于说明的目的而提供且仅描绘本发明的示例。提供这些附图是为了便于读者理解本公开，并且不应被认为是对本公开的宽度、范围或适用性的限制。应注意，为了清楚和易于说明，这些附图不一定按比例绘制。
11.图1a描绘d
xx
配置下的三端子sot器件的示意图，其中磁性纳米元件的易磁化轴沿着x方向，且电流i
x
与易磁化轴方向共线。
12.图1b描绘d
xy
配置下的三端子sot器件的示意图，其中磁性纳米元件的易磁化轴沿着x方向，且电流i
y
正交于易磁化轴方向。
13.图1c描绘了本发明的优选实施例的示意图，其中磁性纳米元件具有非对称形状。
14.图2a示出了来自微磁模拟的时间解析磁化图，其示出当500ps长的正电流脉冲施加到w(o)层时在d
xx
配置中不存在切换。
15.图2b示出了在微磁模拟中使用的电流脉冲。
16.图3a和3b示出了来自微磁模拟的时间解析磁化图，其示出了具有负倾斜左腿(d
xx
‑
)的直角梯形图案化元件中的电流感应切换。在施加500ps的电流脉冲之后，分别以正电流和负电流发生从 x和
‑
x状态的电流感应切换。
17.图4a
‑
4b分别显示对于 x和
‑
x磁化方向没有缺陷的矩形d
xx
器件的残余状态的磁化
配置。
18.图4c
‑
4d示出了在分别针对正极性和负极性电流脉冲施加500ps电流脉冲之后的最终状态磁化图。
19.图4e示出了在正电流脉冲和负电流脉冲下平均磁化<m
x
>的时间演变。
20.图5a
‑
5b分别示出对于 x和
‑
x磁化方向在左下边缘具有缺陷的矩形d
xx
器件的残余状态的磁化配置。
21.图5c
‑
5d描绘了在对正极性和负极性电流脉冲分别施加500ps电流脉冲之后的最终状态磁化图。
22.图5e示出了在正电流脉冲和负电流脉冲下平均磁化<m
x
>的时间演变。
23.图6a
‑
6b分别示出对于 x和
‑
x磁化方向在左上边缘具有缺陷的矩形d
xx
器件的残余状态的磁化配置。
24.图6c
‑
6d描绘了在对正极性和负极性电流脉冲分别施加500ps电流脉冲之后的最终状态磁化图。
25.图6e示出了在正电流脉冲和负电流脉冲下平均磁化<m
x
>的时间演变。
26.图7a
‑
7b分别示出具有 x和
‑
x磁化方向的对称缺陷的矩形d
xx
器件的残余状态的磁化配置，示出c状态的稳定。
27.图7c
‑
7d描绘了在对正极性和负极性电流脉冲分别施加500ps电流脉冲之后的最终状态磁化图。
28.图7e示出在正电流脉冲和负电流脉冲下平均磁化<m
x
>的时间发展。
29.图8a示出了d
xx
‑
器件的不同电流脉冲的<m
x
>的时间演变。
30.图8b描绘了200ps情况的电流脉冲和磁化对时间，概述了四步磁化反转过程。
31.图9a描绘了如通过微磁模拟计算的直角梯形器件d
xx
类型的初始状态的磁化配置。
32.图9b示出了显示具有100ps的电流脉冲宽度的非切换事件的磁化的时间演变的磁化图。
33.图9c示出了显示具有200ps的电流脉冲宽度的切换事件的磁化的时间演变的磁化图。
34.图10a示出了d
xy
器件的不同电流脉冲的<m
x
>的时间进展。
35.图10b示出了显示具有600ps的电流脉冲的切换事件的磁化的时间演变的磁化图。
36.图11a
‑
b描绘了以直角梯形形式图案化的d
xx
‑
和d
xx
器件的sem图像。
37.图11c
‑
d示出了残余状态磁化被示出为分别从d
xx
‑
和d
xx
器件的微磁模拟计算。
38.图12a
‑
12b分别示出了d
xx
‑
和d
xx
器件的测量的rh回路，其中插图符号示出了参考层和自由层磁化取向。
39.图12c
‑
12d分别示出了d
xx
‑
和d
xx
器件的测量的ri回路，其中插图符号示出了参考层和自由层磁化方向。
40.图13a和13b示出了真值表，该真值表汇总了分别用于d
xx
‑
和d
xx
器件的切换和不切换的条件。
41.图14示出了用串联连接并且共享公共w(o)层的镜像d
xx
‑
和dxx 器件实现的非易失性反相器(not门)电路的示意图。
42.图15a至图15b分别示出了写入和读取模式下的非易失性反相器(not门)电路的等
效电路图。
43.图15c
‑
d描绘了写入和读取模式中的nand门的非限制性实现方式。
44.图15e
‑
f描绘了写入和读取模式中的nor门的非限制性实现方式。
45.图16描绘了描述非易失性反相器操作的真值表。
46.图17描绘了基于d
xx
‑
和d
xx
器件的串联连接的反相器操作的实验演示。绘制了输入电压、两个器件的电阻、以及作为迭代数的函数的输出电压。
具体实施方式
47.虽然在优选实施例中举例说明和描述了本发明，但是本发明可以以许多不同的配置生产。在附图中描绘了本发明的优选实施例，并且在此将详细描述本发明的优选实施例，应理解本披露应被认为是本发明的原理的范例以及用于其构造的相关功能说明，并且不旨在将本发明限制于所展示的实施例。本领域技术人员将想到在本发明的范围内的许多其他可能的变化。
48.注意，在本说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着所提及的特征被包括在本发明的至少一个实施例中。进一步地，在本说明书中对“一个实施例”的单独引用不一定指代相同的实施例；然而，除非如此声明并且除了如对于本领域的普通技术人员而言将容易明白的之外，这些实施例也不是相互排斥的。由此，本发明可包括本文所述的实施例的任何各种组合和/或集成。
49.图1a示出用于切换具有自旋轨道扭矩的磁性纳米元件的示意性三端子器件配置。该三端子配置表示为类型d
xx
，其中第一下标表示磁性纳米元件的磁化易磁化轴，第二下标表示电流方向。待切换的磁性纳米元件形成mtj结构的一部分，且磁性纳米元件与在施加电流通过时产生sot的层直接接触。该层通篇表示为自旋轨道层。
50.三端子器件100包括：(a)磁性隧道结(mtj)102，mtj102包括：(i)第一磁性层104；(ii)位于第一磁性层104下方的隧道势垒层106；以及(iii)位于隧道势垒106下方的第二磁性层108；以及(b)自旋轨道扭矩(sot)生成层110，sot生成层110直接位于第二磁性层108的下方。在图1a中，mtj中的磁化方向和sot生成层中的电流感应自旋极化方向彼此正交。此外，在图1a中，在sot生成层110中的相对端处设置第一触点和第二触点，并且在第一磁性层104上设置第三触点。
51.用于第一磁性层的材料的示例包括例如由被ru层分离的cofe基合金构成的合成反铁磁性层，以及交换偏置层，其中由cofe基合金构成的薄铁磁性层邻近诸如irmn或ptmn的反铁磁体放置。隧道势垒通常由mgo组成，并且第二磁性层也由基于cofe的合金组成。用于磁性层的材料的非限制性示例包括cofe合金(例如，cofeb)和nife合金(例如，ni
80
fe
20
)。
52.自旋轨道层在其两端电连接，使得当施加电压源时，在自旋轨道层中流动的电流(ix)在平行于与其相邻的磁性自由层的易磁化轴的方向上行进并且在磁性层中产生自旋轨道扭矩(sot)。该导电沟道是写入路径。在该器件中sot生成背后的机制是通过在诸如pt、w和ta的重金属及其合金中发生的自旋霍尔效应。在非限制性实例中，sot生成层是氧掺杂的钨层w(o)，其通过在存在氧的情况下反应性地溅射薄钨薄膜而形成。已经实验证明这种材料产生了
‑
50％的自旋霍尔角。器件的第三端子连接到mtj的顶部，使得可以通过从隧道磁阻效应的磁阻读出来辨别mtj的电阻状态。可通过使电流流过写入端子和连接到mtj的顶
部的端子的任一者来完成读出。在优选实施例中，具有足够电流密度和纳秒时间尺度的电流脉冲被施加到写入沟道，并且取决于电流的方向，mtj的磁性状态可以与其随后的电阻状态一起被设置。
53.为了比较，图1b示出了在三端子配置中切换磁性纳米元件的现有技术方法。我们将这种三端子配置表示为类型d
xy
。
54.在d
xx
类型器件中，当最初施加sot时，磁化和电流感应自旋极化彼此正交。相反，对于d
xy
器件(图1b)，初始状态下的磁化和自旋极化彼此共线。在d
xx
器件中不期望发生切换，因为sot仅使磁化朝向平面内难磁化轴方向(
±
y方向)旋转。在通过d
xx
器件中的w(o)层移除电流时，磁化朝向其初始方向旋转回去。
55.图1c描绘了本发明的优选实施例的示意图，其中磁性纳米元件具有非对称形状。磁性纳米元件具有非对称的形状，使得残余状态的平均磁化具有与电流方向正交的平面内分量。在优选实施例中，磁性纳米元件的电流方向和易磁化轴共线。
56.图2a通过图2b所示的在500ps长的正电流脉冲下的d
xx
配置中的200nmx100nm元件的sot切换的时间分辨微磁模拟对此进行说明。在该模拟中，sot被建模为源自自旋霍尔效应的阻尼状扭矩。如预期的，微磁模拟示出磁化朝向器件的平面内难磁化轴方向(
±
y方向，分别针对
±
i
x
电流)旋转(图2a右上图)。当磁化朝向自旋极化方向旋转时，sot的阻尼状贡献(由给出，其中，是stt，a
j
是阻尼状自旋扭矩参数，是归一化磁化，并且是自旋极化)消失。因此，不能驱动磁化通过难磁化轴取向，因此，不管施加到w(o)层的电流极性如何，都没有磁化反转(图2b)。
57.虽然这些模拟是在零温度极限中执行的，但是在有限温度下的热波动可以驱动磁化反转，因为当磁化在难磁化轴方向时，用于朝向
±
x方向旋转的磁化的能量势垒被抑制。然而，这种反转机制是随机的，并且不适用于技术应用。因此，d
xy
和d
xx
器件的切换过程中的热波动的作用是互补的。对于d
xy
器件，热波动负责启动切换动力学(switching dynamics)，但是随着用于磁化进动的锥角建立用于反转，sot的量值增大，从而驱动反转过程。在d
xx
器件中，sot启动切换过程，但是热波动建立了初始偏置点，以用于在向w(o)层施加电流之后发生随后的磁化反转。
58.基于这种理解，如果在通过sot使磁化朝向中间难磁化轴状态时存在内部磁场以促进反转过程，则可发生d
xx
配置中的确定性切换。因此，快速切换可以发生而不需要在切换轨迹的开始点处或中间点处的热波动。
59.具有直角梯形形状的磁性纳米元件的微磁模拟在图3a
‑
3b中示出并且经受与图2b中相同的电流脉冲。微磁模拟示出了在sot下朝向平面内难磁化轴方向的磁化旋转在梯形的较宽截面中更大，而在梯形的窄截面中的磁化有利于切向地指向纳米元件边界(图3a
‑
3b 500ps时间框架)。这是因为在梯形的较窄截面中形状各向异性能量密度较大。取决于电流脉冲的极性，梯形尖端处的磁化具有沿着初始磁化方向或与其相反的分量(图3a
‑
3b比较了
±
i
x
的500ps处的磁化)。优选的力矩取向由纳米元件的内部有效磁场决定，并且主要起源于静磁和交换交互。
60.这也可以在纳米元件残余状态中观察到，其中梯形的倾斜边缘的磁化与矩形区域的磁化状态相关。在移除电流脉冲时，可通过从左上角开始的畴的生长而发生磁化反转。如果磁化具有沿着与梯形尖端的初始状态相同的方向的分量，则不发生切换。类似的论据适
用于磁化从
‑
x取向开始的情况，其中反转仅以负电流发生(图3b)。此外，在左边具有正斜率的右梯形的情况下，切换到
±
x配置所需的电流变成
±
i
x
。在这种机制下，切换电流大小等效于切换至
±
x状态。因此，通过设计样本几何形状使得内部磁场可以启动反转过程，可以在没有外部磁场的情况下在d
xx
器件中实现具有受控切换电流极性的确定性切换。
61.实际上，甚至由于线边缘粗糙度而常规发生的小光刻缺陷的存在在d
xx
配置中也显著足够地影响微磁性状态以影响其切换动力学。为了说明这一点，考虑在d
xx
配置中的尺寸为200nm
×
100nm的三个不同的磁性纳米元件，其中，施加与在图2b中示出的模拟中使用的电流脉冲相同的电流脉冲。在第一种情况下(图4a
‑
4e)，纳米元件是完美的矩形，但是在其他两种情况下，以缺失体素(voxel)的形式引入缺陷，该缺失体素在纳米元件的左上角(图5a
‑
5e)或左下角(图6a
‑
6e)，尺寸为6nm
×
6nm。每个图(图4a
‑
4b、图5a
‑
5b、图6a
‑
6b)示出了每个结构的磁化的弛豫状态(relaxed state)。在以下讨论中，这些器件被称为器件#1、#2和#3。
62.在器件#1的弛豫状态下，尽管这些力矩在去磁场的影响下朝向这些边缘卷曲，但沿着y轴的净磁化<m
y
>为零。当跨w(o)层施加电流脉冲时，来自sot的阻尼状扭矩将导致磁化暂时朝向与易磁化轴正交的方向旋转。当电流脉冲被移除时，磁化以与纳米元件的初始状态相同的取向朝向易磁化轴弛豫，如在施加正( i
x
)和负(
‑
i
x
)电流脉冲时的磁化的结束状态中所示(分别见图4c和4d)。在施加电流脉冲时，在纳米元件中的磁化<m
x
>的空间平均值的时间演变中示出该动态过程(图4e)。这里不存在切换，因为当sot使磁化正交于易磁化轴时，不存在引起磁化旋转的附加扭矩。
63.在器件#2的情况下(图5a
‑
5b)，在左下角引入缺陷，并且弛豫磁化状态获取纳米元件中的边缘畴形式的有限m
y
分量。这里示出的弛豫状态被称为s状态。注意，m
y
分量与m
x
分量的状态相关(即，s状态具有两个不同的取向)。该s状态由于缺陷的放置而稳定，该缺陷的放置引起内部静磁场并打破沿y轴的对称性。在施加电流脉冲时，磁化朝向自旋累积方向旋转。然而，由边缘几何缺陷引起的去磁场提供额外的扭矩来驱动反转。因此，在移除电流脉冲时观察到切换(图5c)。对于相反的电流脉冲极性(图5d)，内部场作用在 x方向上，并且没有观察到切换。在图5e中总结了在该切换过程期间磁化的时间演变。在此，切换过程的“准弹道(quasi
‑
ballistic)”性质也是明显的。
64.缺陷位于器件#3的相对边缘上，因此，内部静磁场的感测是相反的。注意，在磁化的残余状态中的s状态的取向与第二情况(图6a和6b)相反。作为缺陷位置的结果，不仅残余状态不同，而且关于当前极性的切换行为相反(图6c
‑
6e)。因此，这些小的光刻缺陷的位置在影响残余状态以及切换电流极性及其总体切换轨迹方面是关键的。
65.d
xx
切换过程的显著特征是切换过程的特征在于<m
x
>的单调演变以及力矩跨整个自由层的相干旋转(如由磁化的时间演变的曲线图所证明(图5e和图6e))。相比之下，d
xy
器件示出<m
x
>的时间的非单调演变以及涉及许多亚稳态的非相干反转。因此，与d
xx
相比，d
xy
的切换时间可以长得多。
66.还应注意，在缺陷关于器件几何形状对称地放置并且共享公共边缘的情况下，不发生切换。进一步注意到，如果梯形关于x轴完全对称，则不会发生切换，因为纳米元件的两个边缘上的磁化在相反的方向上旋转。在这种情况下，残余状态磁化对应于c状态(图7a
‑
7b)。因此，边缘畴在残余状态下以及在施加电流脉冲时都指向相反方向。在向自旋轨道层
施加电流脉冲下，由缺陷引起的去磁场在纳米元件的边缘上以相反方向提供扭矩。因此，在电流脉冲结束时没有产生净m
x
分量，并且不发生切换(图7c
‑
7e)
67.微磁模拟还示出基于此机制的d
xx
切换过程可以比d
xy
切换过程更快，如由纳米元件的磁化<m
x
>的空间平均值相对于时间的单调演变所表征的。执行微磁模拟以理解直角梯形器件(具体地，d
xx
‑
器件类型)的快速时标切换动力学。在图8a中，对于在 x方向上流动的电流，具有从100ps至400ps范围内的电流脉冲宽度的不同电流脉冲，在x方向上的归一化磁化分量的空间平均值<m
x
>被绘制为时间的函数。每个模拟中的磁化的初始状态主要在x方向上取向，如图9a中的微磁模拟的快照所示。
68.切换过程通过四个步骤发生，这些步骤可以从时间迹线中识别并且针对200ps电流脉冲的情况划分(图8b)。1)首先通过sot使磁化从 x方向朝向 y方向旋转。2)在200ps之后，在这种情况下，电流被移除，由于由直角梯形形状引起的形状各向异性，磁化在反转方向上获得小分量，如主文中所述。3)磁化反转通过畴壁的生长而发生。4)磁化通过邻接其平衡状态的进动(precession)而弛豫至其最终的平衡状态。可使用该机制实现脉冲宽度短至150ps的快速切换(参见图8a的黑色实线)。进一步注意的是，该切换是“准弹道的”，并且在几乎一个进动周期内实现切换。然而，步骤4)中磁化的弛豫涉及若干进动，但是是确定性的。与使用非共线时刻的其他快速时标切换方案不同，该方案对在电流脉冲超过临界脉冲宽度时使用的电流脉冲的宽度不敏感。
69.图9b和9c比较了非切换和切换事件的切换动力学。在100ps电流脉冲宽度的情况下，其中不发生切换，由于sot，磁化朝向 y方向旋转，但是没有足够的时间来重新定向成完全正交于电流方向。因此，磁化在电流脉冲结束时不会沿着反转方向产生任何分量。磁化朝向其初始方向的返回从在纳米元件的右上角上形成的畴开始。给定较低的形状各向异性密度，该边缘是优选的。相比之下，对于200ps的情况，在电流脉冲结束时，磁化已经正交于电流方向旋转，并且沿着反转方向形成分量，这是稍后形成从纳米元件的左上角移入的反转畴的成核点的分量。磁化在一个进动周期内切换并且不涉及任何涡流状态。
70.相反，d
xy
器件在相同电流密度下的切换在反转过程期间需要若干进动周期，并且涉及许多亚稳态涡流状态。在d
xy
器件上进行微磁模拟，以将其切换动力学与d
xx
器件比较。与图4a
‑
4e中考虑的d
xx
器件相同，在具有200nm
×
100nm的尺寸的矩形器件上进行模拟，并且针对范围从200
‑
1200ps的电流脉冲长度。在电流脉冲期间<m
x
>相对于时间的演变(图10a)是非单调的。此外，d
xy
器件涉及用于发生切换的许多进动周期，而d
xx
器件在一个进动周期内切换。
71.来自模拟的时间分辨磁化图显示，d
xy
在600ps电流脉冲下的磁化反转过程是复杂且不相干的，涉及具有许多涡流成核的非均匀磁化状态(图10b)。相反，d
xx
器件中图9b中所示的磁化图不涉及高阶自旋波模式的激励，并且是更相干的。实际上，这些模式的激励导致非单调反转过程并且需要更长的电流脉冲来完成可靠的切换事件。此外，从<m
x
>的时间演变的曲线图可以观察到进动频率是非单值的，表明磁性纳米元件的不同区域在不同频率下进动。
72.通过检查其中mtj被图案化成直角梯形的器件来实验性地研究基于上述方案的切换。图11a和11b说明已制造的两个此类器件的扫描电子显微镜(sem)显微图，其中mtj在两个基底处为150nm和100nm长，且具有75nm的宽度。使用与用于制造d
xy
器件的相同的制造工
艺，将mtj叠置体(stack)图案化成向下到w(o)层的梯形形状。这些器件将被称为具有负斜率左边和正斜率左边的d
xx
‑
和d
xx
，其中最后的下标字母表示梯形的左边的斜率。
73.图11c和11d分别示出了这两个器件的磁化的残余状态，如通过微磁模拟计算的。分别在图12a和12b中示出了用于沿着x方向施加的磁场h
x
的d
xx
‑
和d
xx
器件的rh环。两个器件具有名义上相同的rh环，这意味着两个器件中的参考层磁化在相同的方向上取向。自由层和参考层的磁化方向在图12a和12b中。在图12c和12d的ri环中分别示出了使用1ms电流脉冲执行的d
xx
‑
和d
xx
器件的电流感应切换。还施加沿x方向施加的磁场以补偿来自参考层的偶极场以用于电流感应的切换测量。
74.在d
xx
‑
器件中，正(负)电流分别驱动从ap
→
p(p
→
ap)的切换，而在d
xx
中发生相反的切换。已经在给定电流下切换的磁化方向可以通过比较给定几何形状的器件的rh环和ri环来确定，并且在图12c和12d的插图中示出了两个器件的磁化方向。由于参考层磁化取向被固定在电流脉冲下，所以自由层磁化已经在不同方向上切换，d
xx
和d
xx
‑
器件具有相同的电流极性。图12c
‑
12d中实验观察到的切换实际上与通过微磁模拟(图3a和3d)预测的一致。真值表(图13a
‑
13b)概述了d
xx
‑
和d
xx
器件的基本切换操作。
75.由它们的几何形状确定的这样的器件的确定性切换在构造需要以互补方式切换几个纳米磁体的非易失性纳米磁性逻辑电路中可能是潜在有用的。示出了可以使用共享公共w(o)层的d
xx
和d
xx
‑
器件构建的非易失性反相器(not门电路)的操作(图10)。如果两个器件具有指向相同方向的它们的参考层，则d
xx
和d
xx
‑
在施加相同极性电流的情况下切换到相反的电阻状态。按照参考层磁化指向
‑
x方向的惯例，对于正电流，d
xx
器件将具有比d
xx
‑
器件更高的电阻。同样，在施加反向电流极性脉冲时，与d
xx
器件相比，d
xx
‑
器件将具有更高的电阻。
76.图15a和15b示出非易失性反相器器件的等效电路模型。not门的电路模型包含标记为d
xx
和d
xx
的两个器件。在写入模式(图15a)中，电压输入(v
in1
)被施加至d
xx
和d
xx
‑
器件两者的写入 端子，并且两个器件的写入
‑
端子接地。在读取模式期间，v
dd
被施加至d
xx
的读取端子，并且d
xx
和d
xx
‑
的写入
‑
端子连接至v
out
，而d
xx
‑
的读取端子接地。在实际的器件应用中，d
xx
上的电源电压v
dd
和d
xx
‑
上的信号上的地可以在整个器件操作期间保持连接，因为隧道结电阻远大于自旋霍尔层的电阻，因此在写入模式期间在自旋霍尔层上施加v
in
期间，大部分电流将流过自旋霍尔层。
77.d
xx
和d
xx
‑
器件可以被认为是类似于cmos技术中的晶体管的一类互补器件。两个串联器件的连接因此用作非易失性反相器，因为一旦d
xx
和d
xx
‑
器件已经切换到它们各自的状态，逻辑输出将保持。图16中的真值表概述了反相器操作。展示了这种反相器电路的高达20个迭代的操作(图17)。在这个演示中使用2.5v和1ms长脉冲。因此，用于构建and和or门的这种类型的逻辑的概括是直截了当的并且从cmos逻辑借用这些概念。与cmos相比，该电路中的优点在于它是非易失性的，并且没有静态功耗。该方案还可以用于在纳米磁性逻辑方案中控制纳米磁性元件的状态，纳米磁性逻辑方案要求磁性纳米元件通过其偶极场耦合并且紧密接近。此外，自旋轨道材料的tmr和自旋扭矩效率的改进将增加这里呈现的逻辑器件的性能特性。
78.本发明的实施例使用图案化为非对称形状的磁性纳米元件，从而允许利用自旋轨道扭矩来切换磁性纳米元件，其中磁化和写入电流在没有外部磁场的情况下共线。在优选
实施例中，磁性纳米元件被平面内磁化并形成mtj的一部分。从跨mtj的磁阻读出中辨别出纳米磁体的状态。
79.本发明的一个方面是通过对器件几何形状进行光刻图案化以改变其微磁性状态，可以可控地操纵磁性自由层的切换轨迹和端子磁性状态。本发明的第二方面是不需要热波动来启动切换，因为由自旋轨道相互作用产生的自旋极化电流的自旋极化方向与磁化方向非共线。这可潜在地减小在常规两端子stt
‑
mram器件中的短脉冲长度操作中通常观察到的写入错误率。
80.本发明的另一方面在于通过形成镜像图案化器件，可以实现在相同的写电流方向上将两个磁性纳米元件切换到互补状态。此外，所述磁性纳米元件器件的这种互补切换可以形成非易失性逻辑电路。本发明公开了一种由这种磁性纳米元件形成的非易失性反相器电路。
81.在另一实施例中，本发明提供一种器件，其包括：(a)第一磁性隧道结(mtj)，所述第一mtj包括：(i)第一磁性层；(ii)在所述第一磁性层下面的第一隧道势垒层；以及(iii)在所述隧道势垒下面的第二磁性层；(b)第二磁性隧道结(mtj)，所述第二mtj包括：(i)第三磁性层；(ii)在所述第一磁性层下面的第二隧道势垒层；以及(iii)在所述隧道势垒下面的第四磁性层；(c)公共自旋轨道扭矩(sot)生成层，所述公共sot生成层直接位于所述第一mtj的所述第二磁性层和所述第二mtj的第四磁性层两者之下；其中，在所述公共sot生成层中生成的sot在所述第二磁性层中设定第一磁性状态并且在所述第四磁性层中设定第二磁性状态，所述第一磁性状态与所述第二磁性状态相反。图14描绘了示出该实施例的这样的非限制性示例，其中两个mtj 1402和1406共享公共sot生成层1406。
82.在图14中，电路由非易失性反相器(not门)通过两个mtj的串联连接形成。图14示出用串联连接并且共享公共w(o)层的的镜像d
xx
‑
和d
xx
器件实现非易失性反相器(not门)的示意图。图15a示出了在电路的写入模式中的非易失性反相器的电路电平示意图，其中，写入电压v
in
被施加到两个器件。在读取模式(图15b)中，在v
dd
与接地之间存在两个mtj的串联连接。这里，写入端子从电源断开。
83.在另一实施例中，电路由非易失性nand门和nor门通过mtj的串联和并联连接形成。图15c
‑
d描绘了写入和读取模式中的nand门的非限制性实现方式。图15e
‑
f描绘了写入和读取模式中的nor门的非限制性实现方式。对于nand门和nor门两者，写入模式电路相同，且使用两个d
xx
及两个d
xx
‑
器件。一组d
xx
和d
xx
‑
器件的器件的写入加端子连接到v
in1
，而另一组连接到v
in2
。为了读出，在nand门中，d
xx
‑
器件串联连接，而d
xx
并联连接。为了读出，在nor中，d
xx
‑
器件并联连接，而d
xx
串联连接。
84.上述实施例示出了通过微磁配置控制自旋轨道扭矩器件中的切换轨迹的有效实现方式。虽然已经示出和描述了各种优选实施例，但是应当理解，没有意图通过这样的公开来限制本发明，而是意图覆盖落在所附权利要求中限定的本发明的范围内的所有修改。