包括多铁性区的磁性设备及其形成方法与流程

包括多铁性区的磁性设备及其形成方法
1.相关申请
2.本技术要求2020年2月4日提交的美国非临时专利申请号16/781,225的优先权的权益，该美国非临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
3.本公开整体涉及磁性(例如，自旋电子)设备的领域，并且具体地讲，涉及包括磁电多铁性区的磁阻存储器设备及其形成方法。


背景技术：

4.自旋转移矩(“stt”)是指磁性隧道结或自旋阀中的磁层取向由自旋极化电流修改的效应。一般地，电流是非极化的，其中电子具有随机自旋取向。自旋极化电流是电子由于优先自旋取向分布而具有非零净自旋的电流。自旋极化电流可通过使电流通过磁性极化层来生成。当自旋极化电流流过磁性隧道结或自旋阀的自由层时，自旋极化电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，从而对自由层的磁化产生扭矩。当足够量的自旋极化电流通过自由层时，可采用自旋转移矩以翻转自由层中的自旋取向(例如，改变磁化)。可采用自由层的不同磁化状态之间的磁性隧道结的电阻差以将数据存储在磁阻随机存取存储器(mram)单元内，取决于自由层的磁化是平行于还是反平行于偏振层(其也被称为参考层)的磁化。


技术实现要素：

5.根据本公开的一个方面，一种磁性设备包括第一电极、第二电极、位于该第一电极与该第二电极之间的各自包含铁磁参考层和铁磁自由层的多个磁性结，以及位于该第一电极与该第二电极之间的具有不同结构缺陷密度的多个磁电多铁性部分。该多个磁电多铁性部分中的每一者磁性耦接到该多个磁性结中的相应一者的该铁磁自由层。
6.根据本公开的又另一个方面，一种形成磁性设备的方法包括：形成底部电极；在该底部电极上方形成连续磁电多铁性层；通过以不同结构缺陷密度在结构上损坏该连续磁电多铁性层的不同部分，在该连续磁电多铁性层中形成多个磁电多铁性部分；形成位于该多个磁电多铁性部分上方或下方的多个磁性结，其中该磁性结中的每一者包括接触该磁电多铁性部分中的相应一者的相应参考层和相应自由层；以及在该底部电极、该多个磁电多铁性部分和该多个磁性结上方形成顶部电极。
附图说明
7.图1是根据本公开的实施方案的磁性隧道结设备的随机存取阵列的示意图。
8.图2a是根据本公开的第一实施方案的在形成连续磁电多铁性层之后的第一示例性结构的竖直剖面图。
9.图2b是根据本公开的第一实施方案的在通过离子轰击形成多个磁电多铁性部分
之后的第一示例性结构的竖直剖面图。
10.图2c是根据本公开的第一实施方案的在形成磁性隧道结之后的第一示例性结构的竖直剖面图。
11.图2d是根据本公开的第一实施方案的在将磁性隧道结划分成多个磁性隧道结之后以及在形成顶部电极之后的第一示例性结构的竖直剖面图。
12.图2e和图2f是根据本公开的第一实施方案的第一示例性结构的另选构型的竖直剖面图。
13.图3a是根据本公开的第二实施方案的在形成连续磁电多铁性层之后的第二示例性结构的竖直剖面图。
14.图3b是根据本公开的第二实施方案的在通过离子轰击形成多个磁电多铁性部分之后的第二示例性结构的竖直剖面图。
15.图3c是根据本公开的第二实施方案的在形成磁性隧道结和顶部电极之后的第二示例性结构的竖直剖面图。
16.图4a是具有铁电极化和磁矩的bifeo3的单位晶格的透视图。
17.图4b示出了图4a的bifeo3的单位晶格的铁电极化与磁矩方向之间的相对空间取向。
18.图5是根据本公开的实施方案的作为施加电场的函数的图2d的磁性隧道结设备的磁阻的图示。
19.图6是根据本公开的实施方案的以突触连接构型连接的本公开的磁性隧道结设备的互连网络。
具体实施方式
20.如上所讨论，本公开的实施方案涉及采用磁电多铁性区的包括多状态磁性结的磁性设备及其形成方法，其各个方面在下文详细描述。本公开的具体实施方案提供了具有彼此不同的三个或更多个磁阻状态的各种自旋电子设备。
21.附图未按比例绘制。在其中示出元件的单个实例的情况下可以重复元件的多个实例，除非明确地描述或以其他方式清楚地指出不存在元件的重复。序号诸如“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于标识类似的元件，并且在本公开的整个说明书和权利要求书中可采用不同序号。术语“至少一个”元件是指包括单个元件的可能性和多个元件的可能性的所有可能性。相同的附图标号表示相同的元件或相似的元件。除非另有说明，具有相同附图标号的元件被假定具有相同的组成和相同的功能。除非另外指明，否则元件之间的“接触”是指提供元件共享的边缘或表面的元件之间的直接接触。如果两个或更多个元件彼此不直接接触，则这两个元件彼此“分离”。如本文所用，定位在第二元件“上”的第一元件可以定位在第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。如本文所用，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在物理接触，则第一元件“直接”定位在第二元件上。如本文所用，如果在第一元件和第二元件之间存在由至少一种导电材料构成的导电路径，则第一元件“电连接到”第二元件。如本文所用，“原型”结构或“过程中”结构是指随后在其中至少一个部件的形状或组成中被修改的瞬态结构。
22.如本文所用，“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可在下层或上覆结构
的整体上方延伸，或者可具有小于下层或上覆结构的范围的范围。另外，层可以是均匀或不均匀的连续结构的厚度小于连续结构的厚度的区域。例如，层可以定位在连续结构的顶部表面和底部表面之间或在连续结构的顶部表面和底部表面处的任何一对水平平面之间。层可水平地、垂直地和/或沿着锥形表面延伸。衬底可以是层，可以在其中包括一个或多个层，或者可以在其上、在其上方和/或在其下方具有一个或多个层。如本文所用，“层叠堆”是指层的叠堆。如本文所用，“线”或“线结构”是指具有主要延伸方向的层，即具有该层延伸最大的方向。如本文所用，“铁电材料”是指表现出可通过施加外部电场而反转的自发铁电极化(例如，表现出铁电性)的任何材料。如本文所用，“多铁性”材料是指表现出铁磁型顺序(诸如铁磁性、反铁磁性或亚铁磁性)、铁电性和铁弹性中的至少两者的材料。如本文所用，“磁电多铁性”是指表现出铁磁型顺序和铁电性的材料。总磁化的变化耦接到磁电多铁性材料中的总铁电极化的变化，并且因此，材料的磁矩方向的变化可耦接到铁电极化方向的变化，反之亦然。
23.图1是根据本公开的实施方案的磁性隧道结设备180的随机存取存储器设备501的示意图。如本文所用，“随机存取存储器设备”是指包括存储器单元的存储器设备，该存储器单元允许随机访问，即，在用于读取所选择的存储器单元的内容的命令时访问任何所选择的存储器单元。
24.本公开的实施方案的随机存取存储器设备501可包括mram设备，诸如包含多铁性部分的多状态stt型mram设备。设备501包括存储器阵列区550，该存储器阵列区包含位于字线(其可包括如图所示的第一导电线30或处于替代构型的第二导电线90)和位线(其可包括如图所示的第二导电线90或处于替代构型的第一导电线30)的交叉处的相应磁性设备(诸如磁性隧道结设备(例如，磁阻存储器单元)180)的阵列。例如，第一导电线30可电连接到和/或可包括存储器阵列区550中的磁性隧道结设备180的相应行的底部电极，而第二导电线90可电连接到和/或可包括存储器阵列区550中的磁性隧道结设备180的相应列的顶部电极。
25.随机存取存储器设备501还可包含连接至字线的行解码器560、连接至位线的感测电路570(例如，感测放大器和其他位线控制电路)、连接至位线的列解码器580和连接至感测电路的数据缓冲器590。磁性隧道结设备180以形成随机存取存储器设备501的阵列构型来设置。在一个实施方案中，磁性隧道结设备180可被设置为矩形阵列。因此，磁性隧道结设备180中的每一者可以是包括相应的第一电极和相应的第二电极的双端子设备。应当注意，元件的位置和互连是示意性的，并且元件可以不同的构型来布置。此外，磁性隧道结设备180可被制造为分立设备，即单个隔离设备。
26.本公开的实施方案提供了非易失性存储器元件，其基于能够将磁性隧道结设备180中的每一者编程为至少三个可能磁阻状态中的目标磁阻状态的性质。因此，磁性隧道结设备180中的每一者可用于存储三元位、四元位、五元位、或具有六个或更多个可能值的位。此外，随机存取存储器设备501中示出的随机存取构型仅是示例性的，并且本公开的实施方案的磁性隧道结设备180可以不同的互连构型进行连接。
27.参考图2a，示出了用于形成磁性隧道结设备180的第一示例性结构。第一示例性结构包括任选的绝缘材料层101，该绝缘材料层包括绝缘材料，诸如未掺杂硅酸盐玻璃、掺杂硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、氮化硅、介电金属氧化物或它们的组合。在一个实施方案中，
绝缘材料层101包括绝缘衬底(诸如陶瓷或玻璃衬底)。在另一个实施方案中，绝缘材料层101可设置在半导体衬底(未示出)上方，其中诸如场效应晶体管的半导体设备(未示出)处于其上。在这种情况下，绝缘材料层101可包括在其中嵌入金属互连结构的多个互连层级介电材料层。金属互连结构可提供半导体设备与在绝缘材料层101上方形成的第一导电线30和第二导电线90之间的电连接。在这种情况下，在绝缘材料层101上方形成的结构元件可嵌入在介电基质(未明确示出)内，该介电基质嵌入第一导电线30和第二导电线。
28.可在其中随后要形成磁性隧道结设备180的每个区域中形成底部电极170。底部电极170可被形成为第一导电线30的一部分，或者可被形成为第一导电线30的顶部上的分立结构。底部电极170可包括至少一种导电金属材料，诸如导电金属氮化物材料、元素金属或金属间合金。在一个实施方案中，至少一种导电金属材料可包括非磁性和非铁电金属材料，诸如tin、tan、wn、ti、ta、w、cu或它们的组合。底部电极170的厚度可在5nm至100nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。
29.可在底部电极170上方形成至少一个任选帽盖层150。至少一个任选帽盖层150是任选的，并且因此可被采用或可不采用。如果被采用，则至少一个任选帽盖层150可包括非磁性导电帽盖层和/或介电帽盖层。非磁性导电帽盖层可包括至少一种非磁性导电材料，诸如钽、钌、氮化钽、铜和/或氮化铜。例如，非磁性导电帽盖层可包括单个层，或从一侧到另一侧包括第一钌层、钽层和第二钌层的层叠堆。例如，第一钌层可具有在5埃至15埃的范围内的厚度，钽层可具有在10埃至30埃的范围内的厚度，并且第二钌层可具有在5埃至15埃的范围内的厚度。例如，介电帽盖层可包括氧化镁帽盖层，其具有在4埃至10埃的范围内的厚度，但也可采用更小和更大的厚度。因此，氧化镁帽盖层的电阻面积乘积是可忽略不计的，或者比随后要形成的隧道阻挡层的电阻面积乘积小得多。在这种情况下，磁性隧道结设备180可被形成为包括仅一个磁性隧道结的单隧道结设备。如果采用非磁性导电帽盖层和介电帽盖层两者，则介电帽盖层可处于非磁性导电帽盖层的上面或下面。至少一个任选帽盖层150的厚度可在1nm至30nm的范围内，但也可采用更小和更大的厚度。
30.连续磁电多铁性层148l可形成在至少一个任选帽盖层150和/或底部电极170上方。连续磁电多铁性层148l可具有均匀的初始结构缺陷密度。如上所讨论，磁电多铁性层表现出铁磁型顺序和铁电性，并且总磁化的变化耦接到磁电多铁性材料中的总铁电极化的变化，并且因此，材料的磁化/磁矩方向的变化可耦接到铁电极化方向的变化，反之亦然。因此，多铁性材料的磁化方向可通过以下方式来确定性地切换(即，编程)：跨材料施加编程电压，而不施加外部磁场或隧穿电流通过将在多铁性层148l上方形成的磁性隧道结。因此，磁性隧道结设备180可通过与磁电多铁性材料的交换耦接的可调谐电场控制(efcec)来进行编程。
31.在一个实施方案中，连续磁电多铁性层148l可被形成为单晶材料或具有多个晶体晶粒的多晶材料。在一个实施方案中，连续磁电多铁性层148l的单晶材料可具有磁化/磁矩方向和铁电极化方向。在连续磁电多铁性层148l的整体中，磁化/磁矩方向和铁电极化方向之间的相同相对空间取向可为相同的。在另一个实施方案中，连续磁电多铁性层148l的每个晶粒可具有相应磁化/磁矩方向和相应铁电极化方向，并且连续磁电多铁性层148l的每个晶粒内的相应磁化/磁矩和相应铁电极化方向之间的相对空间取向是相同的。
32.连续磁电多铁性层148l可通过化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积或物理
气相沉积来沉积。连续磁电多铁性层148l的厚度可在1nm至10nm的范围内，诸如1.5nm至5nm，但也可采用更小和更大的厚度。连续磁电多铁性层148l可被形成为整体上具有相同材料组成和相同厚度的连续材料层。
33.在一个实施方案中，连续磁电多铁性层148l包括选自以下的多铁性材料和/或基本上由选自以下的多铁性材料组成：bifeo3、h-ymno3、banif4、pbvo3、bimno3、lufe2o4、homn2o5、h-homno3、h-scmno3、h-ermno3、h-tmmno3、h-ybmno3、h-lumno3、k2seo4、cs2cdi4、tbmno3、ni
3v2
o8、mnwo4、cuo、zncr2se4、licu2o2或ni3b7o
13
i。优选地，多铁性材料包括电绝缘多铁性材料(诸如bifeo3)，其具有来自自旋倾斜的反铁磁自旋布置和磁矩方向。
34.参考图2b，连续磁电多铁性层148l的至少三个多铁性部分148a、148b和148c可在结构上被损坏以在其中形成不同结构缺陷密度。例如，对应于磁性隧道结设备180的区域的连续磁电多铁性层148l的区域可被分成多个区，诸如其中第一磁性隧道结随后在层148l的第一部分148a上方形成的第一磁性隧道结区100a、其中第二磁性隧道结随后在层148l的第二部分148b上方形成的第二磁性隧道结区100b，以及其中第三磁性隧道结随后在层148l的第三部分148c上方形成的第三磁性隧道结区100c。可形成多于三个磁性隧道结区，其覆盖层148l的多于三个相应多铁性部分。
35.可随后执行局部离子轰击过程(诸如扫描聚焦离子束(fib)过程)以在位于不同相应磁性隧道结区(100a，100b，100c)中的磁电多铁性部分(148a，148b，148c)中引入不同结构缺陷密度。
36.在一个实施方案中，聚焦离子束(fib)装置可用于沿着第一方向(例如，进和/或出图2b的平面)在多铁性层148l的部分(例如，区)中的一者(诸如第一部分148)上扫描第一聚焦离子束149。第一聚焦离子束149在多铁性层148l上的撞击点处具有足够小的第一直径，使得仅第一部分148a用离子束辐照。例如，在撞击点处的直径可以是10nm至20nm宽，并且第一部分148a可具有10nm至20nm的第二水平方向(例如，在图2b中从左到右)上的宽度。第一部分148a的宽度与聚焦离子束在撞击点处的直径基本上相同。如本文所用，基本上相同的宽度包括与撞击点处的聚焦离子束直径完全相同或在其10％内的宽度。
37.聚焦离子束具有第一离子剂量、第一波束能量和第一波束停留时间。停留时间包括波束接触给定单元区域的时间。可在第一部分中沿着第一水平方向一次或多次地扫描波束。因此，停留时间是至少波束扫描速度和部分中的遍历(即，扫描)的数量的函数。聚焦离子束的能量可在1kev至300kev的范围内，诸如5kev至50kev，但也可采用更小和更大的离子束能量。聚焦离子束的剂量可在1.0
×
10
12
原子/cm2至1.0
×
10
15
原子/cm2的范围内，但也可采用更小和更大的剂量。离子束的原子种类可以是可在聚焦离子束中采用的任何元素。例如，聚焦离子束中的离子的原子种类可包括氦或镓和/或可基本上由氦或镓组成。
38.撞击在多铁性层148l的部分148a上的离子在其中引起结构损坏。具体地，聚焦离子束辐照过程导致多铁性部分中的断裂接合的第一密度、多铁性部分的晶格中的移位原子的第一密度，和/或植入多铁性部分中的镓或氦原子的第一密度(即，植入离子浓度)中的至少一者。
39.不希望受特定理论束缚，据信断裂接合阻挡被扫描多铁性部分中的畴壁，这需要较高施加电压(即，编程电压)以切换部分的极化态。因此，需要加高施加电压以便也切换多铁性部分的磁化/磁矩方向。施加电压(例如，矫顽电场)中的百分比偏移取决于受损部分的
多铁性材料中的结构损坏的程度(即，断裂接合的密度)。
40.移位原子从其平衡位置移位到晶格中的亚稳态位置，其有效地延缓多铁性材料内的电偶极矩的改变。换句话说，具有移位原子的多铁性层148l部分不会失去其多铁性性质，但一个或多个原子从晶格的单位晶格结构内的正常位置的移位通过需要更多能量的累积以切换电偶极矩的方向来延缓电偶极矩的方向的切换。因此，通过增加切换部分的极化方向(并且因此切换磁化/磁矩方向)所需的施加电压(例如，矫顽电场)的量值，从未损坏部分的磁滞曲线修改多铁性部分的磁滞曲线。施加电压(例如，矫顽电场)中的百分比偏移取决于受损部分的多铁性材料中的结构损坏的程度(即，移位原子的密度)。
41.同样，将聚焦离子束的氦或镓原子植入多铁性部分中会导致对包含氦或镓原子的部分的晶格的破坏。这种破坏导致切换植入部分的极化方向(以及因此磁化/磁矩方向)所需的施加电压(例如，矫顽电场)的增加。施加电压(例如，矫顽电场)中的百分比偏移至少部分地取决于受损部分的多铁性材料中的植入氦或镓离子的浓度(即，植入原子的密度)。
42.在多铁性层148l的第二部分148b上方扫描第二聚焦离子束(为清楚起见未示出)。第二聚焦离子束具有在层148l上的撞击点处的第二束直径、第二离子剂量、第二波束能量和第二波束停留时间。
43.在一个实施方案中，在层148l上的撞击点处的第二聚焦离子束直径与第二部分148b的宽度基本上相同，并且仅在第二部分148b上方被扫描。在该实施方案中，第二离子剂量、第二波束能量和/或第二波束停留时间中的至少一者小于相应的第一离子剂量、第一波束能量和/或第一波束停留时间。
44.在另一个实施方案中，在层148l上的撞击点处的第二聚焦离子束直径与在第二水平方向(例如，在图2b中从左到右)上的第一部分148a和第二部分148b的总和的宽度基本上相同。在该实施方案中，在第一部分148a和第二部分148b上方同时扫描第二聚焦离子束。在该实施方案中，第二离子剂量、第二波束能量和/或第二波束停留时间可与相应的第一离子剂量、第二波束能量和/或第一波束停留时间相同。第一部分148a被扫描两次(即，由第一离子束和第二离子束)，而第二部分148b被扫描一次(即，仅由第二离子束)。
45.在这些实施方案的两者中，与第二部分148b相比，第一部分148a具有更高结构缺陷密度。换句话说，与第二部分148b相比，第一部分148a具有多铁性层中的断裂接合的更高密度、多铁性层的晶格中的移位原子的更高密度，和/或镓或氦原子的更高密度。
46.第三部分148c可保持未由任何聚焦离子束扫描。因此，第三部分148c具有任何部分的最低结构缺陷密度。换句话说，与第一部分或第二部分相比，第三部分148c具有更低的上述结构缺陷密度。因此，切换第三部分148c的极化和磁化方向需要最低施加电压(即，编程电压)。
47.虽然上面描述了三个部分(148a，148b，148c)和两个离子束，但可使用具有不同结构缺陷密度的任何数量的两个或更多个部分。此外，可使用任何合适数量的聚焦离子束来形成相应部分中的不同结构缺陷密度。最后，虽然上面描述了聚焦离子束，但可替代地使用在部分中形成结构缺陷的任何其他合适方法。
48.植入的镓或氦离子可穿过多铁性层148l，可保持在多铁性层148l中和/或可挥发(例如，在植入氦原子的情况下)。如果多铁性层148l的各个部分(148a，148b，148c)具有相同的氦或镓浓度，则其可具有相同的材料组成；或者如果它们具有不同的氦或镓浓度，则其
可具有不同的组成。在一个实施方案中，多铁性层148l的各个部分(148a，148b，148c)中的结构缺陷密度(例如，断裂接合、移位原子和/或植入原子的密度)可在5.0
×
10
16
/cm3至5.0
×
10
21
/cm3的范围内，诸如1.0
×
10
18
/cm3至2.5
×
10
21
/cm3，但也可采用更小和更大的缺陷密度。移位原子(其提供结构缺陷)的平均移位距离可在0.01nm至0.1nm的范围内，但也可采用更小和更大的平均移位距离。由于单独聚焦离子束扫描，因此明显边界146可存在于相邻磁电多铁性部分(148a，148b，148c)之间。
49.通常，多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)可通过经由用离子进行轰击以不同结构缺陷密度在结构上损坏连续磁电多铁性层148l的不同部分来形成在连续磁电多铁性层148l中。磁电多铁性部分(148a，148b，148c)形成在底部电极170上方，并且具有不同的结构缺陷密度。多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)可包括具有多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)的所有结构缺陷密度中的最小结构缺陷密度的最小缺陷密度磁电多铁性部分(诸如第三磁电多铁性部分148c)，以及具有多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)的所有结构缺陷密度中的最大结构缺陷密度的最大缺陷密度磁电多铁性部分(诸如第一磁电多铁性部分148a)。在一个实施方案中，最大结构缺陷密度可以是最小结构缺陷密度的至少五倍。例如，最小结构缺陷密度可在1.0
×
10
12
/cm3至1.0
×
10
18
/cm3的范围内，并且最大结构缺陷密度可在5.0
×
10
15
/cm3至5.0
×
10
21
/cm3的范围内。在一个实施方案中，多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)的磁电多铁性部分(诸如最高缺陷密度内的磁电多铁性部分)的结构缺陷密度可在5.0
×
10
19
/cm3至5.0
×
10
21
/cm3的范围内。
50.在一个实施方案中，多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)具有不同电矫顽性，并且对于每对磁电多铁性部分148b和具有较高结构缺陷密度的附加磁电多铁性部分148a，附加磁电多铁性部分148a具有比磁电多铁性部分148b更高的电矫顽性。
51.参考图2c，磁性隧道结(136l，134l，132l)可通过顺序地沉积自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l而形成在多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)上方。
52.自由层136l可被形成为单个铁磁材料层或彼此磁性耦接以整体上提供相同磁化方向的多个铁磁材料层。自由层136l的厚度小于2nm，并且优选地小于1.5nm，诸如0.8nm至1.5nm。例如，自由层136l可包括cofeb层和/或cofe层。
53.隧道阻挡层134l可包括隧道阻挡介电材料(诸如氧化镁)。隧道阻挡层134l可具有具有在0.6nm至3nm(诸如0.8nm至2nm)的范围内的厚度。
54.参考层132l可被形成为单个铁磁材料层或彼此磁性耦接以整体上提供相同磁化方向的多个铁磁材料层。参考层132l可包括co/ni多层结构或co/pt多层结构。在一个实施方案中，参考层132l还可包括由厚度为0.2nm至0.5nm的钽或钨构成的薄非磁性层，以及薄cofeb层(其具有在0.5nm至3nm的范围内的厚度)。参考层132l的厚度可在2nm至5nm的范围内。
55.在一个实施方案中，参考层132l和自由层136l具有相应的正单轴磁各向异性。正单轴磁各向异性也称为垂直磁各向异性(pma)，其中对静态磁化的最小能量偏好沿着垂直于磁性膜的平面的轴线。
56.参考层132l和自由层136l具有相应的垂直磁各向异性的构型为自由层136l提供了双稳态磁化状态。双稳态磁化状态包括自由层136l具有平行于参考层132l的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的磁化(例如，磁化方向)的平行状态，和自由层136l具有反平行于参考
层132l的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的磁化(例如，磁化方向)的反平行状态。自由层136l和参考层132l的每对竖直邻接部分的磁化方向的平行(p)和反平行(ap)对准(即，取向)之间的分数电阻变化被称为隧道磁阻(tmr)，即，tmr＝(r
ap-r
p
)/r
p
。
57.参考图2d，自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l的堆叠可被图案化，例如通过在参考层132l上方施加光致抗蚀剂层(未示出)，通过将光致抗蚀剂层图案化以形成磁性隧道结区(100a，100b，100c)的每个相邻对之间的间隙，以及通过采用各向异性蚀刻过程将光致抗蚀剂层中的图案转移通过自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l的堆叠。在磁性隧道结设备180的每个区域内，自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l的堆叠被分成多个部分。因此，在磁性隧道结设备180的每个区域内，由自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l形成的磁性隧道结被分成多个磁性隧道结140。例如，多个磁性隧道结140包括：第一磁性隧道结140a，其包括第一自由层136a、第一隧道阻挡层134a和第一参考层132a；第二磁性隧道结140b，其包括第二自由层136b、第二隧道阻挡层134b和第二参考层132b；和第三磁性隧道结140c，其包括第三自由层136c、第三隧道阻挡层134c和第三参考层132c。在这种情况下，多个磁性隧道结140包括不直接彼此接触的分立磁性隧道结140。介电材料(诸如氧化硅或氧化铝)可沉积在多个磁性隧道结140之间的间隙中以在相邻磁性隧道结140之间形成介电隔离壁122。介电隔离壁122具有与多铁性区之间的边界146的区域重叠。在磁性隧道结140上方形成共同顶部电极110。
58.在另选实施方案中，由于聚焦离子束通常不会对磁性隧道结140和/或共同顶部电极110造成显著损坏，因此可在图2d所示的设备的图案化之后执行聚焦离子束辐照。换句话说，图2b所示的聚焦离子束149可通过磁性隧道结140和/或通过共同顶部电极110辐照以到达磁电多铁性部分(148a，148b，148c)。
59.通常，多个磁性隧道结140可形成在多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)上方。每个磁性隧道结(140a、140b、140c)可形成在相应磁性隧道结区(100a，100b，100c)中的磁电多铁性部分(148a，148b，148c)中的相应一者上。例如，第一磁性隧道结140a可形成在区100a中的第一磁电多铁性部分148a上，第二磁性隧道结140b可形成在区100b中的第二多铁性部分148b上，并且第三磁性隧道结140c可形成在区100c中的第三多铁性部分148c上。磁性隧道结140中的每一者包括相应参考层(132a、132b或132c)、相应隧道阻挡层(134a、134b或134c)和相应自由层(136a，136b，136c)，其接触磁电多铁性部分(148a，148b，148c)中的相应一者。
60.在一个实施方案中，参考层(132a，132b，132c)可被设置为共同合成反铁磁结构(saf结构)120内的部件。在这种情况下，反铁磁耦接层114和固定(或“硬”)铁磁层112可形成在参考层(132a，132b，132c)上方。saf结构120可包括铁磁性层112、反铁磁耦接层114和参考层(132a，132b，132c)。反铁磁耦接层114具有引起参考层(132a，132b，132c)和共同固定铁磁层112之间的强反铁磁耦接的厚度，使得反铁磁耦接层114可“锁定”铁磁层112和参考层(132a，132b，132c)之间的磁化的反平行对准，这继而“锁定”参考层(132a，132b，132c)的磁化的特定(固定)竖直方向。在这种情况下，参考层(132a，132b，132c)中的每一者可具有相同磁化方向，该磁化方向可以是向上方向或向下方向。
61.在图2e所示的另选实施方案中，可省略共同saf结构120，并且可将参考层(132a，132b，132c)设置为不固定参考层。在该另选实施方案中，省略了反铁磁耦接层114和铁磁层
112(即省略了saf 120)。在该另选实施方案中，共同顶部电极110形成在参考层(132a，132b，132c)的顶表面上。铁磁参考层(132a，132b，132c)可保持不固定，而铁磁性自由层(136a，136b，136c)通过相对于铁磁参考层(132a，132b，132c)处于平行或反平行取向的磁电多铁性部分(148a，148b，148c)固定。换句话说，编程电压的施加将铁磁自由层(136a，136b，136c)的磁化方向固定在相对于铁磁参考层(132a，132b，132c)的磁化方向的平行或反平行构型，以针对每对参考层和自由层(例如，132a和136a、132b和136b和/或132c和136c)实现低电阻状态或高电阻状态。
62.如上所述，共同顶部电极110可形成在固定铁磁层112的顶表面上或参考层(132a，132b，132c)的顶部上(如果省略了saf 120的反铁磁耦接层114和铁磁层112，如图2e所示)。通常，共同顶部电极110可电连接到(例如，电短接到)多个磁性隧道结140的每个参考层(132a，132b，132c)。顶部电极110可被形成为第二导电线90的一部分，或者可被形成为分立结构，随后在该分立结构上形成第二导电线90。顶部电极110可包括至少一种导电金属材料，诸如导电金属氮化物材料、元素金属或金属间合金。在一个实施方案中，至少一种导电金属材料可包括非磁性和非铁电金属材料，诸如tin、tan、wn、ti、ta、w、cu或它们的组合。顶部电极110的厚度可在5nm至100nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。因此，相同磁性隧道结设备180的至少三个单独磁性隧道结140具有共同的顶部电极和底部电极。
63.虽然描述了用于形成其中磁性隧道结140覆盖在磁电多铁性部分(148a，148b，148c)上面的磁性隧道结设备180的实施方案，但本文明确地设想了其中磁电多铁性部分(148a，148b，148c)覆盖在磁性隧道结140上面的实施方案。在该另选实施方案中，以反向顺序形成从至少一个任选帽盖层150到固定铁磁层112(或如果省略了层112和114，则参考层132a、132b和132c)的层堆叠以提供磁性隧道结设备180，其中磁电多铁性部分(148a，148b，148c)覆盖在磁性隧道结140的自由层(136a，136b，136c)上面。
64.参考图2f，第一示例性结构的另一个另选实施方案可从图2c的第一示例性结构导出，而无需在磁性隧道结设备180的区域内划分自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l的堆叠。相反，磁性隧道结设备180包括单柱结构，该单柱结构包含至少一个任选帽盖层150、磁电多铁性部分(148a，148b，148c)、自由层136l、隧道阻挡层134l、参考层132l、任选反铁磁耦接层114和任选固定铁磁层112。
65.自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l的堆叠包括多个磁性隧道结(例如，结区)140，其包括覆盖第一磁电多铁性部分148a的第一磁性隧道结140a、覆盖第二磁电多铁性部分148b的第二磁性隧道结140b，以及覆盖第三磁电多铁性部分148c的第三磁性隧道结140c。多个磁性隧道结140在相同磁性隧道结设备180中彼此物理接触。
66.参考图3a，示出了用于形成磁性隧道结设备的第二示例性结构，其可与图2a所示的第一示例性结构相同。
67.参考图3b，通过梯度聚焦离子束辐照多铁性层148l，该梯度聚焦离子束具有梯度离子剂量、梯度波束能量和/或梯度波束停留时间中的至少一者。换句话说，执行聚焦离子束辐照，使得离子剂量、波束能量和/或波束停留时间在多铁性层148l的不同区域之间逐渐或以逐步方式变化。在一个实施方案中，离子剂量、波束能量和/或波束停留时间可从磁性隧道结设备的区域的一侧到磁性隧道结设备的区域的另一侧单调变化。如本文所用，如果针对变量的第一值和变量的大于第一值的第二值的任一对，针对变量的第二值的函数值始
终不小于针对变量的第一值的函数值，则函数值随变量“单调地”增加。
68.通过用不同离子束剂量、波束能量和/或波束停留时间在结构上损坏连续磁电多铁性层148l的不同部分，具有不同结构缺陷密度的磁电多铁性部分形成在连续磁电多铁性层148l中。在一个实施方案中，聚焦离子束辐照可生成递变结构缺陷密度，该递变结构缺陷密度在连续磁电多铁性层148l内从一侧到另一侧横向改变(例如，单调横向改变)以形成递变缺陷密度磁电多铁性层248。
69.通常，具有不同结构缺陷密度的多个磁电多铁性部分可通过使用聚焦离子束辐照在结构上损坏连续磁电多铁性层148l的不同部分以形成不同结构缺陷密度来形成在连续磁电多铁性层148l中。多个磁电多铁性部分可包括最小缺陷密度磁电多铁性部分和最大缺陷密度磁电多铁性部分。在一个实施方案中，最大结构缺陷密度可以是最小结构缺陷密度的至少五倍，诸如五至二十倍。缺陷密度可跨多铁性层248从最小值到最大值逐渐(例如，单调)增加。例如，最小结构缺陷密度可在1.0
×
10
12
/cm3至1.0
×
10
18
/cm3的范围内，并且最大结构缺陷密度可在5.0
×
10
19
/cm3至5.0
×
10
21
/cm3的范围内。在一个实施方案中，多个磁电多铁性部分可以是单个连续磁电多铁性层(即递变缺陷密度磁电多铁性层248)内的部分，其具有从一侧到另一侧横向改变(例如，单调改变)的递变结构缺陷密度。在该实施方案中，递变缺陷密度磁电多铁性层248中的相邻多铁性区248_i之间没有明显边界。
70.参考图3c，自由层136l、隧道阻挡层134l和参考层132l可顺序地沉积在递变缺陷密度磁电多铁性层248上方。自由层136l被形成为具有相邻晶粒对之间的晶粒边界的多晶铁磁膜。在例示性示例中，磁性隧道结设备的区域可包括具有n个晶粒的自由层136l。每个晶粒的直径可为3nm至10nm，诸如5nm至7nm。晶粒边界可充当畴壁并且自由层136l内的每个晶粒(136_i，1≤i≤n)充当磁化和铁电极化的独立单元，并且独立于自由层136l的相邻晶粒起作用。换句话说，每个晶粒(136_i，1≤i≤n)的磁化可独立于自由层136l内的其他晶粒(136_i，1≤i≤n)的磁化而翻转。因此，自由层136l(136_i，1≤i≤n)的晶粒、隧道阻挡层134l的相应上覆部分和参考层132l的相应上覆部分的每个组合构成磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)。可形成多个磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)，其包括自由层136l内的相应晶粒(136_i，1≤i≤n)。例如，如果磁性隧道结设备180的区域内的自由层136l的部分包括n个晶粒，则可形成n个磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)。数量n可以是例如在3至1,000的范围内。
71.具有与自由层136l的上覆晶粒(136_i，1≤i≤n)的区域重叠的递变缺陷密度磁电多铁性层248的每个区磁性耦接到上覆晶粒(136_i，1≤i≤n)的磁化。因此，递变缺陷密度磁电多铁性层248的每个区可包括n个磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)。因此，可形成磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)和磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)的多个堆叠。例如，如果n个晶粒存在于磁性隧道结设备180的区域中的自由层136l内，则可在磁性隧道结设备180中形成磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)和磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)的n个堆叠。
72.通常，多个磁性隧道结140可形成在多个磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)上方。包括自由层136l的相应晶粒(136_i，1≤i≤n)的每个磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)可形成在磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)中的相应一者上。磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)中的每一者包括自由层136l的相应晶粒(136_i，1≤i≤n)、隧道阻挡层134l的上覆部分和参考层132l的相应上覆部分。
73.在第二实施方案的方面中，参考层132l可被设置为合成反铁磁(saf)结构120内的
部件。在这种情况下，反铁磁耦接层114和固定(或“硬”)铁磁层112可形成在参考层132l上方。在第二实施方案的另一个方面中，省略了包括反铁磁耦接层114和固定铁磁层112的saf结构120。
74.顶部电极110可形成在固定铁磁层112(如果存在)的顶表面上或参考层132l上方。通常，顶部电极110可电连接到(例如，电短接到)多个磁性隧道结140的参考层132l的每个部分。顶部电极110可被形成为第二导电线90的一部分，或者可被形成为分立结构，随后在该分立结构上形成第二导电线90。顶部电极110可包括至少一种导电金属材料，诸如导电金属氮化物材料、元素金属或金属间合金。在一个实施方案中，至少一种导电金属材料可包括非磁性和非铁电金属材料，诸如tin、tan、wn、ti、ta、w、cu或它们的组合。顶部电极110的厚度可在5nm至100nm的范围内，但是也可采用更小和更大的厚度。递变缺陷密度磁电多铁性层248在顶部电极110的形成的处理步骤处和之后保持作为单个连续材料层。
75.通常，多个磁性隧道结140可形成在多个磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)上方。磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)中的每一者包括：相应参考层(其是在相应磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)内具有区域重叠的参考层132l的一部分)、相应隧道阻挡层(其是在相应磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)内具有区域重叠的隧道阻挡层134l的一部分)，以及相应自由层(其是具有与相应磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)的重叠的自由层136l的晶粒)，其接触磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)中的相应一者。
76.虽然描述了用于形成其中磁性隧道结(140_i，1≤i≤n)覆盖在磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)上面的磁性隧道结设备180的实施方案，但本文明确地设想了其中磁电多铁性部分(248_i，1≤i≤n)覆盖在磁性隧道结(140_i、1≤i≤n)上面的实施方案。在这种情况下，从至少一个任选帽盖层150到固定铁磁性层112(如果存在的话)或参考层132l的层堆叠可以反向顺序形成以提供其中磁电多铁性部分覆盖在磁性隧道结上面的磁性隧道结设备180。
77.图4a示出了bifeo3的立方单位晶格，其具有沿[111]方向的铁电极化方向p以及(111)平面内的倾斜磁矩方向mc。图4b示出了(111)平面中的磁矩方向mc的进平面(100)和出平面(001)分量。磁矩方向mc和极化方向p之间的相对空间取向(例如，90度角)对于每个磁电多铁性部分是相同的。每个多铁性部分的倾斜磁矩方向mc的出平面(001)分量经由其界面处的交换偏置或耦接来磁性耦接到对应自由层的磁化方向。
[0078]
因为每个磁电多铁性部分的倾斜磁矩和铁电极化之间的相对空间取向是固定的，所以改变任何磁电多铁性部分中的铁电极化方向也改变了倾斜磁矩方向mc。由于每个多铁性部分的倾斜磁矩方向mc的出平面(001)分量磁性耦接到对应自由层的磁化方向，因此每个多铁性部分的倾斜磁矩方向mc的变化还改变了接触相应多铁性部分(148a、148b、148c或248_i)的对应自由层(其可以是独立自由层，诸如第一自由层136a、第二自由层136b或第三自由层136c，或连续自由层136l的部分136_i)的磁化方向。自由层的磁化方向的变化使自由层处于与相同磁性隧道结中的对应参考层的磁化方向的平行或反平行构型。自由层磁化方向和参考层磁化方向的平行或反平行构型分别使磁性隧道结处于低电阻状态或高电阻状态。
[0079]
自由层可包括分立自由层的集合(诸如第一自由层136a、第二自由层136b和第三自由层136c的集合)或其磁化方向可独立地翻转的自由层136l的多个晶粒(136_i，1≤i≤
n)的集合。由于其中的不同结构缺陷密度，每个磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}内的磁化可在不同电矫顽性下独立反转。通常，具有较高结构缺陷密度的磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}的铁电矫顽性高于具有较低结构缺陷密度的磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}的铁电矫顽性。因此，与具有较低结构缺陷密度的磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}相比，具有较高结构缺陷密度的磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}的铁电极化和对应倾斜磁矩方向在较高施加电场(其由顶部电极110与底部电极170之间的较高编程电压生成)下翻转(即，切换)。
[0080]
具有不同磁化方向的此类多个自由层导致相应磁性隧道结(140a、140b、140c或140_i)中的参考层{(132a，132b，132c)或132l}和相应自由层{(136a，136b，136c)或136_i}之间的多个自旋对准状态。
[0081]
因此，本公开的各种实施方案的磁性隧道结设备180的磁阻可具有顶部电极110与底部电极170之间的磁阻的三个或更多个值。具体地，本公开的各种实施方案的磁性隧道结设备180中的磁阻状态的总数可与具有不同铁电矫顽性的磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}的总数加一相同。
[0082]
图5示出了作为图2d的示例性磁性隧道结设备中的跨磁电多铁性部分(148a，148b，148c)的施加电场(即，编程电压)的函数的隧道磁阻。图5中的曲线图通过可施加在顶部电极110与底部电极170之间的最大电场e
max
的量值沿水平轴标准化。另外，图5中的曲线图通过图2d的示例性磁性隧道结设备的最小磁阻沿竖直轴线标准化。如果在图2d的示例性磁性隧道结设备中存在三个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)，则可根据顶部电极110与底部电极170之间的施加编程电压形成四个磁阻状态。在所示的示例中，参考层(132a，132b，132c)的磁化方向被假定为向下，每个参考层(132a，132b，132c)和下面自由层(136a，136b，136c)之间的自旋的平行对准被假定为提供比反平行对准更低的磁阻，并且箭头的方向表示三个自由层(136a，136b，136c)的磁化方向。
[0083]
正编程电压和负编程电压的施加可在不施加外部磁场的情况下来回确定性地切换自由层的磁化方向。临界正编程电压和负编程电压的不同绝对值(即，量值)能够切换设备180中的一个、两个或所有三个自由层的磁化方向。
[0084]
例如，临界正编程电压的最低绝对值能够切换仅一个自由层136c的磁化方向，该自由层磁性耦接到具有最低结构缺陷密度的相应多铁性区148c。因此，在图5中，设备从磁阻状态1切换到状态2。临界正编程电压的中间绝对值能够切换两个自由层(136b，136c)的磁化，该两个自由层磁性耦接到具有中间和最低结构缺陷密度的相应多铁性区(148b，148c)。因此，在图5中，设备从磁阻状态2切换到状态3。然而，磁性耦接到具有最高结构缺陷密度的相应多铁性区148a的自由层136a的磁化方向不被切换。临界正编程电压的最高绝对值能够切换全部三个自由层(136a，136b，136c)的磁化方向，该全部三个自由层磁性耦接到相应多铁性区(148a，148b，148c)。因此，在图5中，设备从磁阻状态3切换到状态4。因此，可在包含三个自由层和三个多铁性区的设备180中获得四个磁阻状态。可使用临界负编程电压的不同绝对值(即，量值)来反向(即，从状态4到状态1)实现相同的四个状态。
[0085]
通常，至少两个磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i，1≤i≤n)}可设置在每个磁性隧道结设备180内。底部电极170与顶部电极110之间的磁阻可具有取决于本公
开的每个磁性隧道结设备180中的多个磁电多铁性部分的磁化方向的至少三个不同值。
[0086]
参考图6，示出了本公开的实施方案的磁性隧道结设备180的互连网络。本公开的实施方案的磁性隧道结设备180可以突触连接构型进行连接。磁性隧道结设备180可以突触连接构型进行连接，其中一组磁性隧道结设备180的输出节点连接到另一组磁性隧道结设备180的多个输入节点的相应集合。每个磁性隧道结设备180的每个输出节点的连接的平均数量可以是至少三个，并且可以是四个或更多个。突触连接构型内的连接可被限制在每个磁性隧道结设备的物理接近内。例如，电连接可限于第二最近相邻磁性隧道结设备、第三最近相邻磁性隧道结设备、第四最近相邻铁电设备、或任何其他预定层级的物理接近。此类突触连接构型可有利地用于提供计算设备，其中同时计算多种可能性，并且提供了对给定问题的概率答案。在此类突触连接构型中，每个路径的电导可在相应控制电压的增加内增加。因此，可在纳秒的时间帧内确定在预定控制电压集合(诸如磁性隧道结设备180的选定子集的偏置电压集合)下提供最大电流的路径。
[0087]
虽然上面描述了包含隧道阻挡层134(例如，mgo层)的磁性隧道结设备180，但可替代地形成具有不同磁性结的其他类型的自旋电子(例如，mram)设备。例如，可代替地形成自旋阀或伪自旋阀巨磁阻(gmr)设备。在自旋阀设备中，用导电的非磁性间隔层替换隧穿阻挡层。自旋阀设备通常包括固定参考层的saf结构。可在伪自旋阀设备中省略saf结构，并且具有不同矫顽性的不同铁磁材料可用于自由层和参考层。自旋阀和伪自旋阀设备可形成在耦接到相应自由层的多铁性部分上方或下方。
[0088]
参考所有附图并且根据本公开的各种实施方案，磁性设备180包括第一电极170、第二电极110、位于第一电极与第二电极之间的各自包含铁磁参考层132和铁磁自由层136的多个磁性结140，以及位于第一电极与第二电极之间的具有不同结构缺陷密度的多个磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i)}。多个磁电多铁性部分中的每一者磁性耦接到多个磁性结140中的相应一者的铁磁自由层136。
[0089]
在一个实施方案中，多个磁性结140包括多个磁性隧道结{(140a，140b，140c)或(140_i，1≤i≤n)}，其各自包括相应参考层(132a、132b、132c，或132l的一部分)、相应隧道阻挡层(134a、134b、134c，或134l的一部分)和相应铁磁自由层(136a、136b、136c，或136l的部分)。
[0090]
在一个实施方案中，多个磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i)}包括选自以下的材料和/或基本上由选自以下的材料组成：bifeo3、h-ymno3、banif4、pbvo3、bimno3、lufe2o4、homn2o5、h-homno3、h-scmno3、h-ermno3、h-tmmno3、h-ybmno3、h-lumno3、k2seo4、cs2cdi4、tbmno3、ni
3v2
o8、mnwo4、cuo、zncr2se4、licu2o2或ni3b7o
13
i。
[0091]
在一个实施方案中，多个磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i)}中的每一者具有相应倾斜磁矩方向mc和相应铁电极化方向p。每个磁电多铁性部分内的相应倾斜磁矩方向和相应铁电极化方向之间的相对空间取向是相同的。每个磁电多铁性部分{(148a，148b，148c)或(248_i)}接触相应铁磁自由层(136a、136b、136c，或136l的一部分)，并且具有经由交换耦接或偏置来磁性耦接到相应自由层的倾斜磁矩的相应出平面(例如，(001))分量。
[0092]
在一个实施方案中，其中第一电极170和第二电极110之间的磁阻具有至少三个不同值，这些值取决于多个磁电多铁性部分的相应倾斜磁矩方向mc以及相对于相同磁性结中
的参考层的磁化方向的相应磁性耦接自由层的磁化方向。
[0093]
在一个实施方案中，第一电极170包括底部电极，第二电极110包括位于底部电极上方的顶部电极，并且多个磁性结140位于多个磁电多铁性部分上方或下方。
[0094]
在一个实施方案中，不同结构缺陷密度可包括不同磁电多铁性部分中的断裂接合的不同密度、不同磁电多铁性部分中的晶格中的移位原子的不同密度，和/或不同磁电多铁性部分中的镓或氦原子的不同密度。
[0095]
在一个实施方案中，多个磁电多铁性部分包括具有第一结构缺陷密度和第一铁电矫顽性的第一磁电多铁性部分148a，以及具有高于第一结构缺陷密度的第二结构缺陷密度和高于第一铁电矫顽性的第二铁电矫顽性的第二磁电多铁性部分148b。
[0096]
在图2d、图2e和图2f所示的第一实施方案中，多个磁性结140包括彼此不直接接触的分立磁性隧道结(140a，140b，140c)，并且多个磁电多铁性部分(148a，148b，148c)由明显边界146分开。
[0097]
在图3c所示的第二实施方案中，多个磁电多铁性部分248_i缺乏单个连续磁电多铁性层248内的明显边界，并且具有从一侧到另一侧单调横向改变的递变结构缺陷密度，并且多个磁性结140_i包括连续多晶铁磁自由层136l，其具有由畴壁晶粒边界分开的多个晶粒。
[0098]
本公开的各种实施方案提供了包括三个或更多个磁阻状态的磁性结设备180。磁性结设备180可被设置为单个独立设备。另选地，多个磁性结设备180可被布置成阵列构型或突触连接构型以提供随机存取存储器(例如，磁阻存储器)设备或突触构型计算设备。
[0099]
根据一个实施方案，在连续磁电多铁性层中形成多个磁电多铁性部分的方法包括以不同结构缺陷密度在结构上损坏连续磁电多铁性层的不同部分。在一个实施方案中，在结构上损坏连续磁电多铁性层的不同部分包括在多个磁电多铁性部分中的每一者中执行不同聚焦离子束辐照过程以在多个磁电多铁性部分中的每一者中提供不同结构缺陷密度。不同聚焦离子束辐照过程可导致不同磁电多铁性部分中的断裂接合的不同密度、不同磁电多铁性部分中的晶格中的移位原子的不同密度、或不同磁电多铁性部分中的镓或氦原子的不同密度中的至少一者。在第一实施方案中，方法包括形成彼此不直接接触的分立磁性隧道结，其在由明显边界分开的磁电多铁性部分上方或下方形成。在第二实施方案中，聚焦离子束辐照生成连续磁电多铁性层内的从一侧到另一侧单调横向改变的递变结构缺陷密度。在连续磁电多铁性层上方形成连续磁性隧道结堆叠，其中连续磁性隧道结堆叠的不同区包括多个磁性结。
[0100]
虽然前面提及特定优选实施方案，但是将理解本公开不限于此。本领域的普通技术人员将会想到，可对所公开的实施方案进行各种修改，并且此类修改旨在落在本公开的范围内。在本公开中示出采用特定结构和/或构型的实施方案，应当理解，本公开可以以功能上等同的任何其他兼容结构和/或构型来实践，前提条件是此类取代不被明确地禁止或以其他方式被本领域的普通技术人员认为是不可能的。本文引用的所有出版物、专利申请和专利均以引用方式全文并入本文。