[发明专利]电压控制的磁各向异性（VCMA）开关和电磁存储器（MERAM）

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月19日提交的第61/488,096号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文并入作为参考。本申请要求于2011年5月19日提交的第61/488,099号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文并入作为参考。本申请要求于2011年10月13日提交的第61/546,894号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文并入作为参考。

关于联邦赞助的研究或者开发的声明

本发明是在美国国防部的国防高级研究项目机构授予的第HR0011-10-C-0153号资助之下借助政府支持而实现的。

在光盘上提交的材料的引用结合

不适用

受版权保护的材料的声明

在本专利文献中的材料的部分在美国和其它国家的版权法之下受版权保护。版权的所有者并不反对如在美国专利和商标局的公开可用文件或者记录中出现的、任何人对专利文献或者专利公开内容的影印复制、但是另外保留任何所有版权。版权所有者未因此放弃它的让本专利文献保密的权利中的任何权利，这些权利包括而不限于它的按照37C.F.R.§1.14的权利。

技术领域

背景技术

1．本发明的领域

本发明总体上涉及电压引起的磁切换，更具体地，涉及电压控制的磁开关和存储器器件。

2．有关技术的描述

现代电子设备越来越多并入大量固态存储器。电子工业不断寻求提供低功率消耗的更高密度器件。磁存储器器件按照它们的性质提供非易失性特性并且作为下一代存储器类型正在赢得越来越多关注。

然而，在提出的磁存储器器件、比如场切换（轮换）MRAM、自旋传送转矩MRAM（STT-MRAM）或者热辅助切换MRAM（TAS-MRAM）中，需要较大电流用于切换状态。响应于比如经过MTJ的层、经过相邻导体的较大电流或者通过使用电流加热MTJ来切换这些提出的MRAM器件中的每个MRAM器件。这些器件因此鉴于需要控制和分布用于切换器件的大电流而仅赋予有限可伸缩性。

因而存在对于高密度和高能量效率的磁存储器器件的需要。本发明满足这一需要并且克服先前磁存储器器件的缺点。

发明内容

在本发明中教导一种可以利用平面内或者垂直磁化的、电压控制的磁各向异性（VCMA）开关（或者电磁结（MEJ））和电磁RAM（MeRAM或者ME-MRAM）存储器。也描述根据本发明利用电压控制来控制纳米磁体中的域壁动态性。

教导一种电压控制的磁各向异性（VCMA）开关，其中通过施加电压以改变磁化来控制开关状态。该器件依赖于磁各向异性和磁各向异性的电场依赖性用于执行切换。将理解各向异性是在方向上有依赖的性质，这有别于意味着在所有方向上性质相同的各向同性。可以定义各向异性为材料的物理或者机械性质、在这一情况下为磁化性质在沿着不同轴测量时的差异。选择用于VCMA的材料和几何形状（例如层形状和厚度），从而在开关的自由层中的平面内（IP）和平面外（OOP）各向异性性质接近相等，其中响应于施加电压来引起自由层中的OOP各向异性修改和磁化旋转，并且，并且响应于存在杂散磁场来完成切换。

教导一种非易失性磁存储器单元（MeRAM），其中通过使用电场（电压）而不是磁场或者电流切换包括VCMA开关的磁位的状态来写入信息。可以在电压控制的电磁随机存取存储器内利用该创新性单元。有益地，可以制造根据本发明的MeRAM作为用于CMOS制作的后端过程。MeRAM单元可以提供比其它类型的电磁存储器器件显著更高的单元密度、更好的可伸缩性和低1至3个数量级的每切换的能量，主要因为响应于电压而不是电流或者磁场执行切换。除了用作存储器之外，根据本发明的单元或者器件还可以与CMOS逻辑电路结合用来实现非易失性逻辑电路。

VCMA开关和MeRAM器件执行切换而未依赖于电荷电流流过器件或者与器件接近放置的导体，因为它们依赖于VCMA效果用于切换。