CN111682105A - 一种磁存储器件及其写入方法、逻辑器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁存储器件及其写入方法、逻辑器件，该磁存储器件包括重金属层以及磁隧道结，磁隧道结包括层叠在重金属层上的自由层、层叠在自由层上的磁道阻挡层、以及层叠在磁道阻挡层上的参考层，且自由层与参考层通过磁道阻挡层相隔开。磁隧道结上与重金属层平行的截面为非圆截面，重金属层与自由层的相互作用为SOT效应及DMI耦合效应。通过使重金属层与自由层之间的界面的相互作用为SOT效应及DMI耦合效应，在应用时，向重金属层通电流值为设定范围内的电流时，由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，其破坏了电流和磁化的对称性，激励自由层进行磁极性翻转，实现磁隧道结的极性翻转。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种磁存储器件及其写入方法、逻辑器件。
背景技术
自旋电子器件是一种使用电子电荷和自旋共同作为信息载体的器件，相较于传统半导体电子器件具有非挥发性、低能耗和高集成度的优点。自旋电子器件通常采用磁性隧道结 (Magnetic Tunnel Junction，MTJ)作为信息的载体，使用MTJ的自由层和参考层相对磁化状态记录信息。
自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)是自旋电子器件中的重要现象，通过SOT可以翻转MTJ中自由层的磁化，实现信息存储、逻辑运算等操作。对于面外各向异性的SOT器件，如何在无外磁场下实现确定磁化翻转是其实用化的一个难点。常见的方法包括主要有通过楔形结构引入具有梯度的垂直各向异性，但是楔形结构难以加工。还存在利用反铁磁层引入交换偏置等效场，但引入等效场会降低器件热稳定性。
另一种思路是利用铁磁/重金属表面存在的Dzyaloshinskii-Moriyainteraction(DMI)效应，这种DMI效应在基于SOT的自旋电子器件中显著存在。通过DMI的反对称交互作用可以破坏原有磁结构的对称性，使基于SOT的面外各向异性MTJ能够在无磁场下实现磁化翻转。但是这种方法引起的翻转是无极性的，难以直接应用于存储、逻辑器件。
发明内容
本发明提供了一种磁存储器件，用以实现在无需外部磁场的情况下磁隧道结的磁极性翻转，简化磁存储器件结构，便于加工，提高稳定性。
第一方面，本发明提供了一种磁存储器件，该磁存储器件包括重金属层以及磁隧道结，其中，磁隧道结包括层叠在重金属层上的自由层、层叠在自由层上的磁道阻挡层、以及层叠在磁道阻挡层上的参考层，且自由层与参考层通过磁道阻挡层相隔开。磁隧道结上与重金属层平行的截面为非圆截面，重金属层与自由层之间的相互作用为SOT效应及DMI耦合效应。
在上述的方案中，通过使重金属层与自由层之间的界面的相互作用为SOT效应及DMI 耦合效应，在应用时，向重金属层通电流值为设定范围内的电流时，由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，其破坏了电流和磁化的对称性，从而激励自由层进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。
在一个具体的实施方式中，磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性，以便于实现具有垂直磁各向异性的磁隧道结中自由层的磁极性翻转。
在一个具体的实施方式中，非圆截面为由圆弧、以及连接该圆弧两个端点的直线或折线围成的封闭面，以提高激励自由层进行磁极性翻转的效果。
在一个具体的实施方式中，非圆截面为矩形截面，以提高激励自由层进行磁极性翻转的效果。
在一个具体的实施方式中，重金属层具有一对用于通电流的端口，该对端口中的两个端口位置相对且分别位于磁隧道结的两侧。以简化重金属层的设置。
在一个具体的实施方式中，重金属层具有至少两对用于通电流的端口，且每对端口中的两个端口位置相对且分别位于磁隧道结的两侧。通过在重金属层上设置至少两对端口，以便于选择不同的端口进行通电流，从而实现多种翻转操作、以及多种逻辑计算功能。
在一个具体的实施方式中，重金属层具有两对端口，且其中一对端口中电流的流动方向与另一对端口中电流的流动方向垂直，以简化重金属层的设置，且便于实现多种翻转操作及逻辑计算功能。
在一个具体的实施方式中，非圆截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面，非圆截面的对称轴上背离圆弧的方向与每对端口中电流的流动方向的夹角为θ，其中，0°≤θ＜360°。在应用时，通过设置不同的θ值，以实现不同的翻转操作及逻辑运算。
在一个具体的实施方式中，自由层的材料为Co,CoFe,CoFeB中的任一种，重金属层的材料为Pt,W,Mo,Ir,Tb,Cr,Ta中的任一种。
在一个具体的实施方式中，自由层的材料与重金属层的材料组合为Co/Pt,CoFe/Pt, CoFeB/Pt,Co/W,CoFe/W,CoFeB/W,Co/Ir,Co/Tb,CoFeB/Mo,CoFeB/Cr,CoFeB/Ta中的一种组合，以使重金属层与自由层之间存在较强的SOT效应及DMI耦合效应，提高激励自由层磁极性翻转的效果。
第二方面，本发明还提供了一种上述任意一种磁存储器件的写入方法，该写入方法包括：根据磁隧道结上与重金属层平行的非圆截面，向重金属层通电流值为设定范围内的电流；基于自由层及重金属层之间的SOT效应及DMI耦合效应，自由层进行磁极性翻转。
在上述的方案中，通过根据非圆截面的形状、尺寸等参数，确定向重金属层通电流的电流值的大小，并向重金属层通设定范围值的电流。基于重金属层与自由层之间的界面存在SOT效应及DMI耦合效应，且由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，破坏了电流和磁化的对称性，使自由层能够进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。
在一个具体的实施方式中，非圆截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面，磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性。上述根据磁隧道结上与重金属层平行的非圆截面，向重金属层通电流值为设定范围内的电流具体为：向重金属层通电流值为 60％J～140％J的电流，其中，J为临界电流值，以提高磁极性翻转的效果。
在一个具体的实施方式中，上述基于自由层及重金属层之间的SOT效应及DMI耦合效应，自由层进行磁极性翻转具体为：在重金属层内所通电流的电流值在60％J～100％J时，自由层的磁极性翻转为第一磁极性翻转状态；在重金属层内所通电流的电流值在100％J～140％ J时，激励自由层的磁极性翻转为第二极性翻转状态。通过调整电流值的大小，以实现不同的翻转操作。
在一个具体的实施方式中，非圆截面的对称轴上背离圆弧的方向与重金属层上电流的流动方向的夹角为θ，其中，0°≤θ＜360°。通过调整不同的电流方向，以设置不同的θ值，实现不同的翻转操作及逻辑运算。
在一个具体的实施方式中，在θ＝0°时，J＝J0。J的大小随θ从0°到360°的逐渐增加在90％J0～110％J0之间上下波动。以确认出在不同θ值下，临界电流值J的大小。
第三方面，本发明还提供的一种逻辑器件，该逻辑器件包括上述任意一种磁存储器件，以便于实现逻辑器件中磁存储器件的磁极性翻转。且无需设置产生外部磁场的结构，从而简化了磁存储器件的结构，提高磁存储器件的集成度与稳定性，提高了逻辑器件的集成度及稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种磁存储器件的结构示意图；
图2为图1所示出的磁存储器件的剖面示意图；
图3a为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在一种状态下的示意图；
图3b为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图3c为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图3d为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图4a为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图4b为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图4c为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图4d为采用本发明实施例提供的一种磁存储器件在另一种状态下的示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种磁存储器件的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种磁存储器件的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种磁存储器件的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种磁存储器件的写入方法的流程图。
附图标记：
10-重金属层 11-自由层
12-磁道阻挡层 13-参考层
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明实施例提供的磁存储器件，下面首先说明一下本发明实施例提供的磁存储器件的应用场景，该磁存储器件应用于MRAM(Magnetic Random AccessMemory，一种非易失性的磁性随机存储器)中。下面结合附图对该磁存储器件进行详细的叙述。
参考图1，本发明实施例提供的磁存储器件包括重金属层10以及磁隧道结，其中，磁隧道结包括层叠在重金属层10上的自由层11、层叠在自由层11上的磁道阻挡层12、以及层叠在磁道阻挡层12上的参考层13，且自由层11与参考层13通过磁道阻挡层12相隔开。磁隧道结上与重金属层10平行的截面为非圆截面，重金属层10与自由层11的相互作用为 SOT效应及DMI耦合效应。
在上述的方案中，通过使重金属层10与自由层11之间的界面的相互作用为SOT效应及DMI耦合效应，在应用时，向重金属层10通电流值为设定范围内的电流时，由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，其破坏了电流和磁化的对称性，从而激励自由层11进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。与现有技术中的方案相比，本发明实施例的方案在无需外部磁场的情况下即可实现磁隧道结的磁极性翻转，因而无需设置产生外部磁场的结构，从而简化了磁存储器件的结构，提高磁存储器件的集成度与稳定性。且自由层11的翻转方式为磁极性翻转，从而可以直接应用于存储、逻辑器件中。无需加工出楔形结构，从而便于加工。下面结合附图对上述各个部件的设置进行详细的介绍。
在设置重金属层10时，参考图1，重金属层10可以具有一对用于通电流的端口，该对端口中的两个端口位置相对且分别位于磁隧道结的两侧。以简化重金属层10的设置。
继续参考图1，磁隧道结设置在重金属层10上，具体的，磁隧道结中的自由层11层叠在重金属层10上，磁道阻挡层12层叠在自由层11上，参考层13层叠在磁道阻挡层12上。
另外，磁隧道结的磁各向异性可以为垂直磁各向异性，以便于实现具有垂直磁各向异性的磁隧道结中自由层11的磁极性翻转。应当理解的是，磁隧道结的磁各向异性并不限于上述示出的垂直磁各向异性，其还可以为诸如水平磁各向异性等其他方向的磁各向异性。
在确定重金属层10及自由层11的材料时，自由层11的材料可以为Co,CoFe,CoFeB中的任一种，重金属层的材料可以为Pt,W,Mo,Ir,Tb,Cr,Ta中的任一种。以使重金属层10与自由层11之间存在较强的SOT效应及DMI耦合效应，提高激励自由层11磁极性翻转的效果。具体设置时，自由层11的材料与重金属层10的材料组合可以为Co/Pt,CoFe/Pt, CoFeB/Pt,Co/W,CoFe/W,CoFeB/W,Co/Ir,Co/Tb,CoFeB/Mo,CoFeB/Cr,CoFeB/Ta中的一种组合，以使重金属层10与自由层11之间存在较强的SOT及DMI耦合效应，提高激励自由层11磁极性翻转的效果。其中，上述的SOT效应也指自旋霍尔效应(SHE)。在重金属层 10及自由层11的界面之间具有显著的自旋霍尔效应和界面DMI效应，以提高激励自由层 11磁极性翻转的效果。在具体选择上述组合时，以其中的一个组合为例进行说明，在自由层11的材料与重金属层10的材料选择Co/Pt组合时，指的是自由层11的材料选择Co，重金属层10的材料选择Pt。即每个组合中“/”前的材料指的是自由层11的材料，“/”后的材料指的是重金属层10的材料。应当理解的是，重金属层10与自由层11的材料选择并不仅仅限于上述材料组合，除此之外，还可以采用其他能够在重金属层10及自由层11之间具有 SOT效应及DMI耦合效应的方式。
参考图1，磁隧道结上的自由层11、磁道阻挡层12及参考层13的可以为大小一致的柱状体结构。在具体确定磁隧道结的形状时，磁隧道结上与重金属层10平行的截面为非圆截面，由于截面为非圆截面的磁隧道结破坏了电流和磁化的对称性，激励自由层11进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。在具体确定非圆截面的形状时，该非圆截面可以为由圆弧、以及连接该圆弧两个端点的直线或折线围成的封闭面。如图1示出的结构，非圆截面可以为由一个圆弧、以及连接该圆弧两个端点的直线围成的封闭面，从而使磁隧道结的结构形状为弦性结构，以提高激励自由层11进行磁极性翻转的效果。如图5所示出的结构，非圆截面的形状可以为由一个圆弧、以及连接该圆弧两个端点的折线围成的封闭面，其中，该折线包括两个线段，且折线向外突出，从而使磁隧道结的形状为类似扇形的结构。应当说明的是，组成折线的两个线段的长度可以相等，也可以不相等。以提高激励自由层11进行磁极性翻转的效果。应当理解的是，由圆弧、以及连接该圆弧两个端点的折线围成的封闭面作为磁隧道结上平行于重金属层10的截面的方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，折线可以包括三段首尾依次相连，且折线的两端分别与圆弧的两个端点连接的设置方式，采用该方式所围成的封闭面作为磁隧道结上平行于重金属层10的截面。
另外，应当注意的是，磁隧道结的形状并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采取其他能够使磁隧道结上平行于重金属层10的截面为非圆截面的方式。例如，如图6所示出的结构，磁隧道结为可以立方体结构，即磁隧道结上与重金属层10平行的截面为矩形截面。以提高激励自由层11进行磁极性翻转的效果。
参考图1，在非圆截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面时，非圆截面的对称轴上背离圆弧的方向与重金属层10上电流的流动方向的夹角为θ，其中，0°≤θ＜360°。具体的，该非圆截面的对称轴上背离圆弧的方向与重金属层10上电流的流动方向的夹角θ可以为0°、45°、90°、135°、180°、210°、225°、270°、315°、330°、 359°等介于0°到360°之间的任意值。在应用时，通过设置不同的θ值，以实现不同的翻转操作及逻辑运算。
应当理解的是，重金属层10上所具有用于通电流的端口对数并不限于上述示出的一对，重金属层10还可以具有至少两对用于通电流的端口，且每对端口中的两个端口位置相对且分别位于磁隧道结的两侧。通过在重金属层10上设置至少两对端口，以便于选择不同的端口进行通电流，从而改变θ值，从而实现多种翻转操作、以及多种逻辑计算功能。
在具体设置重金属层10上通电流的端口对数时，参考图7，重金属层10可以具有两对端口，且其中一对端口中电流的流动方向与另一对端口中电流的流动方向垂直，以简化重金属层10的设置，且便于实现多种翻转操作及逻辑计算功能。应当注意的是，在重金属层10上具有两对端口时，两对端口中电流的流动方向并不限于上述示出的相互垂直的设置方式。除此之外，还可以采用其他的方式。例如，两对端口中电流的流动方向的夹角可以为60°、75°、30°、120°等。
另外，应当理解的是，重金属层10上端口的对数并不限于上述示出的一对或两对，除此之外，还可以采用其他的对数。例如，还可以在重金属层10上设置3对端口、4对端口、 5对端口等不少于3对的任意数。
通过使重金属层10与自由层11之间的界面的相互作为为SOT效应及DMI耦合效应，在应用时，向重金属层10通电流值为设定范围内的电流时，由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，其破坏了电流和磁化的对称性，从而激励自由层11进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。与现有技术中的方案相比，本发明实施例的方案在无需外部磁场的情况下即可实现磁隧道结的磁极性翻转，因而无需设置产生外部磁场的结构，从而简化了磁存储器件的结构，提高磁存储器件的集成度与稳定性。且自由层11的翻转方式为磁极性翻转，从而可以直接应用于存储、逻辑器件中。无需加工出楔形结构，从而便于加工。
另外，本发明实施例还提供了一种上述任意一种磁存储器件的写入方法，参考图1及图8，该写入方法包括：
S10：根据磁隧道结上与重金属层10平行的非圆截面，向重金属层10通电流值为设定范围内的电流；
S20：基于自由层11及重金属层10之间的SOT效应及DMI耦合效应，自由层11进行磁极性翻转。
在上述的方案中，通过根据非圆截面的形状、尺寸等参数，确定向重金属层10通电流的电流值的大小，并向重金属层10通设定范围值的电流。基于重金属层10与自由层11之间的界面存在的SOT效应及DMI耦合效应，且由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，破坏了电流和磁化的对称性，使自由层11能够进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。下面结合附图对上述各个步骤进行详细的介绍。
首先，根据磁隧道结上与重金属层10平行的非圆截面，向重金属层10通电流值为设定范围内的电流。根据不同非圆截面的形状、尺寸，需要向重金属层10通电流值为不同大小的电流，使自由层11进行磁极性翻转。参考图1，在磁隧道结上与重金属层10平行的截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面，且磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性时，上述向重金属层10通电流的电流值的设定范围可以为60％J～140％J，其中，J为临界电流值，以提高磁极性翻转的效果。具体的，向重金属层10通电流的电流值的大小可以为60％J、65％J、70％J、75％J、80％J、85％J、90％J、95％J、100％J、105％J、 110％J、115％J、120％J、125％J、130％J、135％J、140％J等介于60％J～140％J之间的任意值。在具体确定J的大小时，J与磁隧道结的尺寸、重金属层10及自由层11的材料、磁隧道结的对称轴与电流方向的夹角等因素有关。
接下来，基于自由层11及重金属层10之间的SOT效应及DMI耦合效应，自由层11 进行磁极性翻转。在向所述重金属层10通不同值的电流时，自由层11会产生不同的磁极性翻转状态。具体的，在磁隧道结上与重金属层10平行的截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面，且磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性时，在重金属层 10内所通电流的电流值在60％J～100％J时，自由层11的磁极性翻转为第一磁极性翻转状态；在重金属层10内所通电流的电流值在100％J～140％J时，激励自由层11的磁极性翻转为第二极性翻转状态。通过调整电流值的大小，以实现不同的翻转操作。其中，第一磁极性翻转状态及第二磁极性翻转状态指不同的磁极性翻转状态。在第一磁极性翻转状态指磁化方向由正变为负时，第二磁激化翻转状态指磁化方向由负变为正的磁化翻转；在第一磁极化翻转状态指由负变为正时，第二磁激化翻转状态指磁化方向由正变为负的磁化翻转。
在磁隧道结上与重金属层10平行的截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面，且磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性时，参考图1，非圆截面的对称轴上背离圆弧的方向与重金属层10上电流的流动方向的夹角为θ，其中，0°≤θ＜360°。具体的，非圆截面的对称轴上背离圆弧的方向与重金属层10上电流的流动方向的夹角θ可以为0°、45°、90°、135°、180°、210°、225°、270°、315°、330°、359°等介于0°到360°之间的任意值。在具体确定J值的大小时，J随θ值的变化而变化，在θ＝0°时，J＝J0。 J的大小随θ从0°到360°的逐渐增加在90％J0～110％J0之间上下波动。以确认出在不同θ值下，临界电流值J的大小。另外，在应用时，通过设置不同的θ值，以实现不同的翻转操作及逻辑运算。下面对不同的θ值下所实现的翻转操作进行详细的介绍。
如图2所示，该磁存储器件为三端口结构，其中两个端口为重金属层10上用于通电流的两个相对的端口p和q，一个端口S位于参考层13的上方，用于测试磁隧道结是处于高阻态还是处于低阻态。其中，高阻态与低阻态是通过自由层11及参考层13的磁化方向决定。在自由层11与参考层13的磁化方向相同时，磁隧道结处于低阻态，此时磁隧道结的状态代表逻辑“0”，可以用于S＝0表示；在自由层11与参考层13的磁化方向相反时，磁隧道结处于高阻态，此时磁隧道结的状态代表逻辑“1”，可以用S＝1表示。参考层13上的磁化方向为固定方向，通过翻转自由层11上的磁化方向，以使磁隧道结从高阻态翻转为低阻态，或从低阻态翻转到高阻态。通过在端口p及q上施加不同值的电压，以控制重金属层 10中的电流值|j|大小及流向。磁隧道结是否翻转具体与端口P及q的电压、θ值、及磁隧道结的初始状态S0有关。
在应用时，可以采用一种写入操作，端口q的电压为0，用q＝0表示。端口p电压为±U，为便于表示，在端口p的电压为U时，用p＝1表示；在端口p的电压为-U时，用p＝0表示。下面以θ＝90°、通入重金属层10的电流值|j|大于或等于60％J，且小于100％J为例说明磁隧道结的翻转情况。
参考图3a，在p＝1，q＝0，磁隧道结的初始状态S0＝1时，磁隧道结中的自由层11的磁化方向不翻转，磁隧道结的翻转状态S变化：1→1。参考图3b，在p＝1，q＝0，磁隧道结的初始状态S0＝0时，磁隧道结中的自由层11的磁化方向翻转，磁隧道结的状态S变化：0→ 1。参考图3c，在p＝0，q＝0，磁隧道结的初始状态S0＝1时，磁隧道结中的自由层11的磁化方向翻转，磁隧道结的状态S变化：1→0。参考图3d，在p＝0，q＝0，磁隧道结的初始状态S0＝0时，磁隧道结中的自由层11的磁化方向不翻转，磁隧道结的状态S变化：0→0。可以采用布尔逻辑运算方法表示上述逻辑运算为S＝P。其真值表如下表1-1所示：
表1-1
应当理解的是，在θ值及通入重金属层10的电流值|j|变化时，能够产生不同的布尔逻辑运算。下表1-2为θ值及通入重金属层10的电流值|j|在不同情况下的真值表。
表1-2
通过上述描述可以看出，本发明所公开的方案通过调整θ值、以及通入重金属层10的电流值|j|大小，能够产生16种不同的布尔逻辑运算。
此外，还可以设定另一种写入操作方式，参考表1-3，该操作方式中的端口p和q的电压为0或U，在电压为U时，用1表示；在电压为0时，用0表示。在θ＝90°，通入重金属层10中的电流值|j|大于等于60％J，且小于等于140％J。在S0＝0时，此时磁隧道结的磁化翻转方式有：参考图4a，在p＝1，q＝1，S0＝0时，磁隧道结中的自由层11不翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：0→0。参考图4b，在p＝1，q＝0，S0＝0时，磁隧道结中的自由层 11翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：0→1。参考图4c，在p＝0，q＝1，S0＝0时，磁隧道结中的自由层11不翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：0→0。参考图4d，在p＝0，q＝0， S0＝0时，磁隧道结中的自由层11不翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：0→0。此时的布尔逻辑运算为S＝p NIMPq。
参考表1-3，在S0＝1时，不同的p及q值，会产生不同的翻转方式，其真值表如表1-3所示，在p＝1，q＝1，S0＝1时，磁隧道结中的自由层11不翻转，磁隧道结的翻转状态S 变化为：1→1。在p＝1，q＝0，S0＝1时，磁隧道结中的自由层11不翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：1→1。在p＝0，q＝1，S0＝1时，磁隧道结中的自由层11翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：1→0。在p＝0，q＝0，S0＝1时，磁隧道结中的自由层11不翻转，磁隧道结的翻转状态S变化为：1→1。此时的布尔逻辑运算为s＝p RIMP q。将上述S0＝0及S0＝1 的情况总结在一起时，布尔逻辑运算为S＝(p NIMP q)+(p XNOR q)S0。从而可以产生不同的布尔逻辑运算。
表1-3
另外，在θ＝90°，采用上述写入操作2时，在通入重金属层10的电流值|j|大于100％J，且小于等于140％J时，对应的布尔逻辑运算S＝p XOR q XOR S0。NIMP(RIMP)和XOR(XNOR)组成一组完备的逻辑集合，可以通过多次逻辑运算进行其他逻辑运算。其真值表如表1-4所示：
表1-4
通过初始化，NIMP和XOR三次运算获得了AND运算。这种方法可以在三步内实现全部16种二元逻辑运算。
上述仅仅示出了在磁隧道结的非圆截面为由圆弧、以及连接圆弧两个端点的直线围成的封闭面时的翻转操作。在磁隧道结的非圆截面为其他形状时，也同样能够实现布尔逻辑运算。例如，在磁隧道结为如图5所示出的为类似扇形的结构时，其同样能够实现16种布尔逻辑运算。在磁隧道结为如图6所示出的立方体结构时，也能够实现布尔逻辑运算。例如，当θ＝135°时，60％J≤|j|<100％J时，为恒真逻辑；100％＜|j|≤140％J时，为1非逻辑。当θ＝45°时，60％J≤|j|<100％J时为恒假逻辑；100％＜|j|≤140％J时，为1非逻辑。
通过根据非圆截面的形状、尺寸等参数，确定向重金属层10通电流的电流值的大小，并向重金属层10通设定范围值的电流。基于重金属层10与自由层11之间的界面存在SOT效应及DMI耦合效应，且由于截面为非圆截面的磁隧道结的形状各向异性，破坏了电流和磁化的对称性，使自由层11能够进行磁极性翻转，以实现磁隧道结的极性翻转。
另外，本发明实施例还提供了一种逻辑器件，该逻辑器件包括上述任意一种磁存储器件，以便于实现逻辑器件中磁存储器件的磁极性翻转。相对现有技术中的逻辑器件，本发明实施例的方案在无需外部磁场的情况下即可实现磁隧道结的磁极性翻转，因而无需设置产生外部磁场的结构，从而简化了磁存储器件的结构，提高磁存储器件的集成度与稳定性，提高了逻辑器件的集成度及稳定性。且逻辑器件中的磁存储器件无需加工出楔形结构，从而便于加工。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
1.一种磁存储器件，其特征在于，包括：
重金属层；
磁隧道结，包括：层叠在所述重金属层上的自由层、层叠在所述自由层上的磁道阻挡层、以及层叠在所述磁道阻挡层上的参考层；且所述自由层与所述参考层通过所述磁道阻挡层相隔开；
其中，所述磁隧道结与所述重金属层平行的截面为非圆截面；所述重金属层与所述自由层之间的相互作用为SOT效应及DMI耦合效应。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性。
3.如权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非圆截面为由圆弧、以及连接所述圆弧两个端点的直线或折线围成的封闭面。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非圆截面为矩形截面。
5.如权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述重金属层具有一对用于通电流的端口，且该对端口的两个端口位置相对且分别位于所述磁隧道结的两侧。
6.如权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述重金属层具有至少两对用于通电流的端口，且每对端口中的两个端口位置相对且分别位于所述磁隧道结的两侧。
7.如权利要求6所述的磁存储器件，其特征在于，所述重金属层具有两对所述端口，且其中一对端口中电流的流动方向与另一对端口中电流的流动方向垂直。
8.如权利要求5～7任一项所述的磁存储器件，其特征在于，所述非圆截面为由圆弧、以及连接所述圆弧两个端点的直线围成的封闭面，所述非圆截面的对称轴上背离所述圆弧的方向与每对端口中电流的流动方向的夹角为θ；其中，0°≤θ＜360°。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述自由层的材料为Co,CoFe,CoFeB中的任一种,所述重金属层的材料为Pt,W,Mo,Ir,Tb,Cr,Ta中的任一种。
10.如权利要求9所述的磁存储器件，其特征在于，所述自由层的材料与所述重金属层的材料组合为Co/Pt,CoFe/Pt,CoFeB/Pt,Co/W,CoFe/W,CoFeB/W,Co/Ir,Co/Tb,CoFeB/Mo,CoFeB/Cr,CoFeB/Ta中的一种组合。
11.一种如权利要求1～10任一项所述的磁存储器件的写入方法，其特征在于，包括：
根据所述磁隧道结上与所述重金属层平行的非圆截面，向所述重金属层通电流值为设定范围内的电流；
基于所述自由层及所述重金属层之间的SOT效应及DMI耦合效应，所述自由层进行磁极性翻转。
12.如权利要求11所述的写入方法，其特征在于，所述非圆截面为由圆弧、以及连接所述圆弧两个端点的直线围成的封闭面，所述磁隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性；
所述根据所述磁隧道结上与所述重金属层平行的非圆截面，向所述重金属层通电流值为设定范围内的电流具体为：
向所述重金属层通电流值为60％J～140％J的电流，其中，J为临界电流值。
13.如权利要求12所述的写入方法，其特征在于，所述基于所述自由层及所述重金属层之间的SOT效应及DMI耦合效应，所述自由层进行磁极性翻转具体为：
在所述重金属层内所通电流的电流值为60％J～100％J时，所述自由层的磁极性翻转为第一磁极性翻转状态；
在所述重金属层内所通电流的电流值为100％J～140％J时，所述自由层的磁极性翻转为第二磁极性翻转状态。
14.如权利要求12所述的写入方法，其特征在于，所述非圆截面的对称轴上背离所述圆弧的方向与所述重金属层上电流的流动方向的夹角为θ；其中，0°≤θ＜360°。
15.如权利要求14所述的磁存储器件，其特征在于，在θ＝0°时，J＝J0；
所述J的大小随θ从0°到360°的逐渐增加在90％J0～110％J0之间上下波动。
16.一种逻辑器件，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的磁存储器件。
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