CN113450850A - 磁性存储单元、数据写入方法、存储器及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁性存储单元、数据写入方法、存储器及设备，包括自旋轨道耦合层以及设于所述自旋轨道耦合层上的第一磁隧道结和第二磁隧道结；所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层长度方向的第一方向的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层长度方向的第一方向的夹角为预设第二夹角；所述第一夹角为钝角，所述第二夹角为锐角；当分别沿所述自旋轨道耦合层的长度方向和宽度方向的相反的两个方向输入电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结阻态的组合不同，本发明可通过一次电流输入实现单层的多个磁隧道结的数据写入。

Description

磁性存储单元、数据写入方法、存储器及设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种磁性存储单元、数据写入方法、存储器及设备。

背景技术

随着半导体工艺尺寸的不断缩小，摩尔定律放缓，漏电流的增加和互联延迟成为传统CMOS存储器的瓶颈。寻找新一代存储技术的解决方案成为集成电路研究的重点，其中磁性随机存储器受到广泛关注。相对比传统器件，磁随机存储器(Magnetic random accessmemory,MRAM)具有无限擦写次数、非易失性、读写速度快、抗辐照等优点，有望成为通用存储器，是构建下一代非易失主存和缓存的理想器件。磁隧道结(Magnetic tunneljunction,MTJ)是磁随机存储器的基本存储单元。磁隧道结的尺寸可以缩小到40nm以下，有望实现高密度集成。

在此背景下，科研人员提出了由一个以上的MTJ组成的多层单元(Multi-levelcell,MLC)，以进一步提高大容量存储应用的存储密度，MLC需要严格调整每个MTJ的特性以实现具有足够裕量的不同阈值开关电流和电阻状态。一个典型的MLC是通过将两个平面上的MTJ串联连接在一起而实现的，这些串联在一起的MTJ具有不同的面积，在制造过程通常会涉及多步蚀刻，工艺较为复杂，而且难以实现数据的一步写入。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种磁性存储单元，通过一次电流输入实现单层的多个磁隧道结的数据写入。本发明的另一个目的在于提供一种磁性存储单元的数据写入方法。本发明的再一个目的在于提供一种磁性随机存储器。本发明的还一个目的在于提供一种计算机设备。

为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种磁性存储单元，包括自旋轨道耦合层以及设于所述自旋轨道耦合层上的第一磁隧道结和第二磁隧道结；

所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层长度方向的第一方向的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层长度方向的第一方向的夹角为预设第二夹角；所述第一夹角为钝角，所述第二夹角为锐角；

当分别沿所述自旋轨道耦合层的长度方向和宽度方向的相反的两个方向输入电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结阻态的组合不同。

优选的，所述自旋轨道耦合层包括长度方向和宽度方向，所述长度方向包括方向相反的第一方向和第二方向两个自旋轨道矩电流输入方向，所述宽度方向包括方向相反的第三方向和第四方向两个自旋轨道矩电流输入方向。

优选的，当沿所述第一方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第二阻态；

当沿所述第二方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第一阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第一阻态；

当沿所述第三方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第一阻态；

当沿所述第四方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第一阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第二阻态。

优选的，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结具有面内各向异性。

优选的，所述第一磁隧道结和/或所述第二磁隧道结的形状为椭圆形、三角形、长方形和半圆形中的一种。

优选的，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的至少一个具有垂直各向异性；

所述磁性存储单元进一步包括对应所述具有垂直各向异性的磁隧道结设置的外加磁场或者所述具有垂直各向异性的磁隧道结具有等效外加磁场。

优选的，所述具有垂直各向异性的磁隧道结的形状为圆形或正方形，所述圆形或正方形的磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层，所述自由层或所述势垒层的截面为梯形。

本发明还公开了一种如上所述磁性存储单元的数据写入方法，包括：

根据待写入数据组合确定电流的输入方向，所述输入方向为所述自旋轨道耦合层的长度方向和宽度方向的相反的两个方向的其中之一；

根据所述输入方向输入向所述自旋轨道耦合层输入电流以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结阻态的组合与所述待写入数据组合对应。

本发明还公开了一种磁性随机存储器，包括阵列排布的多个如上所述的磁性随机存储单元。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，

所述处理器和/或所述存储器包括如上所述的磁性随机存储单元。

本发明通过使第一磁隧道结的易磁对称轴与自旋轨道耦合层的长度方向形成第一夹角，使第二磁隧道结的易磁对称轴与自旋轨道耦合层的长度方向形成第二夹角，第一夹角为钝角，第二夹角为锐角。从而，当分别沿所述自旋轨道耦合层的长度方向和宽度方向的相反的两个方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结阻态的组合不同，实现第一磁隧道结和第二磁隧道结形成二位(2bit)存储单元的任意数据组合的写入，通过一次电流输入实现单层的多个磁隧道结的数据写入，降低存储单元的工艺复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明磁性存储单元一个具体实施例的结构图；

图2(a)～2(d)示出本发明磁性存储单元一个具体实施例通过第一方向～第四方向向自旋轨道耦合层输入电流时第一磁隧道结和第二磁隧道结自由层的磁矩方向；

图3示出本发明磁性存储单元一个具体实施例具有面内各向异性的磁隧道结形状的示意图；

图4(a)～4(e)示出本发明磁性存储单元具体例子的示意图；

图5示出本发明磁性存储单元一个具体实施例包括垂直各向异性磁隧道结的示意图；

图6示出本发明磁性存储单元一个具体实施例包括椭圆形垂直各向异性磁隧道结的示意图；

图7示出本发明磁性存储单元的数据写入方法一个具体实施例的流程图；

图8示出适于用来实现本发明实施例的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

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。

根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种磁性存储单元。如图1所示，本实施例中，磁性存储单元包括自旋轨道耦合层D1以及设于所述自旋轨道耦合层D1上的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2。

其中，所述第一磁隧道结MTJ1自由层B1的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层D1长度方向的第一方向的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结MTJ2自由层B1的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层D1长度方向的第一方向的夹角为预设第二夹角；所述第一夹角为钝角，所述第二夹角为锐角。当分别沿所述自旋轨道耦合层D1的长度方向和宽度方向的相反的两个方向输入电流时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同。

本发明通过使第一磁隧道结MTJ1的易磁对称轴与自旋轨道耦合层D1的长度方向形成第一夹角，使第二磁隧道结MTJ2的易磁对称轴与自旋轨道耦合层D1的长度方向形成第二夹角，第一夹角为钝角，第二夹角为锐角。从而，当分别沿所述自旋轨道耦合层D1的长度方向和宽度方向的相反的两个方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流时，使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同，实现第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2形成二位(bit)存储单元的任意数据组合的写入，通过一次电流输入实现单层的多个磁隧道结的数据写入，降低存储单元的工艺复杂度。

在优选的实施方式中，所述自旋轨道耦合层D1包括长度方向和宽度方向，所述长度方向包括方向相反的第一方向和第二方向两个自旋轨道矩电流输入方向，所述宽度方向包括方向相反的第三方向和第四方向两个自旋轨道矩电流输入方向。

在一个具体例子中，如图1所示，自旋轨道耦合层D1包括沿直角坐标系x轴的长度方向和沿直角坐标系y轴的宽度方向。其中，长度方向包括相反的第一方向和第二方向。自旋轨道耦合层D1长度方向的两端分别设有第一电极A5和第二电极A3，分别用于沿第一方向和第二方向向自旋轨道耦合层D1输入电流+Ix和-Ix。宽度方向包括相反的第三方向和第四方向。自旋轨道耦合层D1宽度方向的两端分别设有第三电极A4和第四电极A2，分别用于沿第三方向和第四方向向自旋轨道耦合层D1输入电流+Iy和-Iy。

在优选的实施方式中，当沿所述第一方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流时，所述第一磁隧道结MTJ1的阻态为第二阻态，所述第二磁隧道结MTJ2的阻态为第二阻态；当沿所述第二方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流时，所述第一磁隧道结MTJ1的阻态为第一阻态，所述第二磁隧道结MTJ2的阻态为第一阻态；当沿所述第三方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流时，所述第一磁隧道结MTJ1的阻态为第二阻态，所述第二磁隧道结MTJ2的阻态为第一阻态；当沿所述第四方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流时，所述第一磁隧道结MTJ1的阻态为第一阻态，所述第二磁隧道结MTJ2的阻态为第二阻态。

可以理解的是，在优选的实施方式中，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2中的至少一个可包括自上而下依次设置的固定层B3、势垒层B2和自由层B1。所述自由层B1的底面与所述自旋轨道耦合层D1固定连接。磁隧道结的电阻取决于固定层B3与自由层B1的磁化方向，而自由层B1和固定层B3的磁化方向由磁矩方向决定。其中，固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同时，磁隧道结处于低电阻状态(低阻态)，固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反时，磁隧道结处于高电阻状态(高阻态)。可预先将磁隧道结的高电阻状态和低电阻状态分别与不同数据对应，例如，预先设定高电阻状态与数据“1”对应，低电阻状态与数据“0”对应，则通过读取电路向磁隧道结输入电流或电压，根据电流或电压的变化可以确定磁隧道结的阻态为高电阻状态还是低电阻状态的阻态，根据磁隧道结的阻态可确定该磁隧道结中存储的数据为“1”还是“0”。其中，高电阻状态和低电阻状态的范围确定为本领域的常用技术手段，本领域技术人员可根据公知常识确定磁隧道结高电阻状态和低电阻状态的阻值范围，本发明在此不再赘述。

由此，通过设定固定层B3的磁矩方向以及磁隧道结高阻态和低阻态与逻辑数字“0”和“1”的对应关系，可使当分别沿第一方向～第四方向向自旋轨道耦合层D1输入电流时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同，即分别得到存储有逻辑数字组合“1，1”、“0，0”、“1，0”和“0，1”四种2bit的数据组合，实现第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2形成二位(bit)存储单元的任意数据组合的写入，通过一次电流输入实现单层的多个磁隧道结的数据写入，降低存储单元的工艺复杂度。在实际应用中，可通过调节固定层B3磁矩方向及磁隧道结阻态与逻辑数字的对应关系使得沿第一方向～第四方向输入电流时，实现对应的数据组合的写入存储。

在一个具体例子中，当分别沿第四方向、第三方向、第二方向和第一方向向自旋轨道耦合层D1输入电流时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层B1的磁矩方向分别如图2(a)～图2(d)中箭头所示，则可预先设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2固定层B3的磁矩方向实现不同数据组合的写入存储。例如，假设第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的固定层B3磁矩方向分别与图2(a)中第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2示出的自由层B1磁矩方向对应相同。则沿第四方向向自旋轨道耦合层D1输入电流后得到的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向如图2(a)所示，图2(a)中第一磁隧道结MTJ1固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同，第一磁隧道结MTJ1为低阻态，第二磁隧道结MTJ2固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同，第二磁隧道结MTJ2为低阻态。沿第三方向向自旋轨道耦合层D1输入电流后得到的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向如图2(b)所示，图2(b)中第一磁隧道结MTJ1固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反，第一磁隧道结MTJ1为高阻态，第二磁隧道结MTJ2固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反，第二磁隧道结MTJ2为高阻态。沿第二方向向自旋轨道耦合层D1输入电流后得到的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向如图2(c)所示,图2(c)中第一磁隧道结MTJ1固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同，第一磁隧道结MTJ1为低阻态，第二磁隧道结MTJ2固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反，第二磁隧道结MTJ2为高阻态。沿第一方向向自旋轨道耦合层D1输入电流后得到的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向如图2(d)所示，图2(d)中第一磁隧道结MTJ1固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反，第一磁隧道结MTJ1为高阻态，第二磁隧道结MTJ2固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同，第二磁隧道结MTJ2为低阻态。进一步的，若预设磁隧道结的低阻态对应逻辑数字“0”，高阻态对应逻辑数字“1”，则分别沿第一方向～第四方向向自旋轨道耦合层D1输入电流后，可分别实现“0，0”、“1，1”、“0，1”和“1，0”四种数据组合的存储。

在优选的实施方式中，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2具有面内各向异性。可以理解的是，对于具有面内各向异性的磁隧道结，磁隧道结自由层B1的磁矩方向在SOT(Spin-orbit torque,SOT)电流的作用下可以向易磁轴偏转。

优选的，所述第一磁隧道结MTJ1和/或所述第二磁隧道结MTJ2的形状可为椭圆形、三角形、长方形和半圆形中的一种，如图3所示。可以理解的是，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的形状优选的选择椭圆形，椭圆形的长轴为易磁轴。则当电流输入自旋轨道耦合层D1时，基于SOT原理，自由层B1磁矩方向在电流输入结束后的最终方向为易磁轴方向。因此，在实际应用中，使第一磁隧道结MTJ1的椭圆长轴与第一方向形成第一夹角，使第二磁隧道结MTJ2的椭圆长轴与第一方向形成第二夹角。在其他实施方式中，长方形、三角形以及半圆也可实现相同的效果。在实际应用中，本领域技术人员可根据需求灵活设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的形状，本发明对此并不作限定，基于相同发明构思而采用其他可行形状的磁隧道结的磁性存储单元的技术方案也理应在本发明的保护范围内。

在优选的实施方式中，所述第一夹角和所述第二夹角为互补角。在其他实施方式中，如图4(a)～4(e)第一夹角和第二夹角也可采用其他角度、尺寸和形状，可实现本发明的发明目的即可，本发明对此并不作限定。

在其他实施方式中，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的至少一个具有垂直各向异性。可以理解的是，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的其中一个或两个也可以采用具有垂直各向异性的磁隧道结。对于具有垂直各向异性的磁隧道结，所述磁性存储单元进一步包括对应所述具有垂直各向异性的磁隧道结设置的外加磁场或者所述具有垂直各向异性的磁隧道结具有等效外加磁场。例如，在图5示出的具体例子中，所述第一磁隧道结的形状为圆形，所述第二磁隧道结的形状为椭圆形。其中，所述第一磁隧道结具有垂直各向异性，所述第二磁隧道结具有面内各向异性。因此，该具体例子的随机存储单元需要对应所述第一磁隧道结设置外加磁场或者等效外加磁场，以使第一磁隧道结在自旋轨道耦合层D1输入电流后，可以发生磁矩方向的对应变化。在另一个具体例子中，如图6所示，所述第一磁隧道结具有面内各向异性，所述第二磁隧道结具有垂直各向异性。其中，对于具有垂直各向异性的第二磁隧道结，需要设置外加磁场或使磁隧道结自由层可受到等效外加磁场的作用。在该具体例子中，将具有垂直各向异性的第二磁隧道结的形状设置为椭圆形，椭圆形的磁隧道结的形状各向异性可以提供等效外加磁场的作用，从而在图6示出的存储单元中，仍无需设置外加磁场，降低了存储单元的体积和结构复杂度。

对于形状为椭圆形、三角形、长方形或半圆形的磁隧道结，磁隧道结形状非完全对称，磁隧道结的形状各向异性可以替代外磁场的作用。而对于圆形或正方形的磁隧道结，需要设置外加磁场或者通过设置磁隧道结的结构等方式使圆形或正方形的磁隧道结自由层B1受到等效外加磁场的作用，例如，所述圆形或正方形的磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层B3、势垒层B2和自由层B1，可将所述自由层B1或所述势垒层B2的截面为梯形，通过设置梯形截面以形成等效外加磁场。

在可选的实施方式中，磁性随机存储单元中的外加磁场或等效外加磁场可通过多种方式实现。具体的，可通过以下方式的至少之一形成外加磁场或等效外加磁场：

所述存储单元包括提供所述外加磁场或等效为所述外加磁场的磁场发生装置；

所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层B3、势垒层B2和自由层B1，所述固定层B3、势垒层B2和自由层B1的至少之一的截面为梯形，用于提供所述等效外加磁场；

所述自旋轨道耦合层D1的材料为反铁磁材料，所述自旋轨道耦合层D1与所述自由层B1形成交换偏置场，用于提供所述等效外加磁场；

所述磁隧道结包括磁性材料层(例如Co层)，用于提供所述等效外加磁场；

所述自由层B1具有梯度的垂直各向异性，用于提供所述外加磁场的等效磁场。具体的，在制作磁隧道结时，可将通过调节靶材的浓度，使得自由层B1拥有梯度的垂直各向异性，进一步破坏磁矩分布的对称性，可用于提供等效的外加磁场。

需要说明的是，可形成外加磁场的磁场发生装置或者等效装置为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据需求灵活设置，在此不再赘述。另外，使固定层B3、势垒层B2和自由层B1的至少之一的截面为梯形、采用反铁磁材料与自由层B1形成交换偏置场以及设置磁性材料层等方式也可提供外加磁场。在实际应用中，还可以通过其他可行的方式形成外加磁场，本发明对此并不作限定。

在优选的实施方式中，为了调节磁隧道结的垂直各向异性以及各层的平滑度等等特性，磁隧道结还可包括插入层、钉扎层、种子层和封盖层等层结构的至少之一。其中，各层结构的设置可根据实际需求设置一层或多层，并且本领域技术人员可根据需求设置磁隧道结各层结构自上而下的设置顺序，本发明对此并不作限定。

在优选的实施方式中，所述磁性存储单元进一步包括控制模块，该控制模块用于根据待写入数据组合确定电流的输入方向；根据所述输入方向输入向所述自旋轨道耦合层D1输入电流以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同。可以理解的是，根据预先确定的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中存储不同的数据组合对应的电流输入方向和待写入数据组合可确定电流的输入方向，根据该输入方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同，实现待写入数据组合的确定性写入。

在优选的实施方式中，所述磁性存储单元进一步包括读取模块，该读取模块可向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2施加检测电流，根据检测电流的变化情况确定第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中存储的逻辑数字。具体的，如图1和图5所示，读取模块可通过接口A1和接口A2分别向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入检测电流，磁隧道结的阻态为高阻态或低阻态，检测电流流经高阻态和低阻态磁隧道结的电流变化快慢不同，从而根据检测电流的变化快慢即可确定输入检测电流的磁隧道结为高阻态还是低阻态，实现数据的读取。需要说明的是，接口A1和接口A2可以是不同的接口，分别向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入独立的检测电流分别读取数据；接口A1和接口A2也可以是相同的接口，同时向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入检测电流分别读取数据，也可以依次向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入检测电流分别读取数据，本领域技术人员可根据实际需求设置接口A1和接口A2，本领域技术人员也可以根据实际需求设置控制模块和读取模块的具体电路结构，为本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

优选的，自旋轨道耦合层D1可选用长方形，使自旋轨道耦合层D1的顶面面积大于设置在自旋轨道耦合层D1上的两个磁隧道结所占的面积，即使两个磁隧道结可以设于所述自旋轨道耦合层D1上，并使两个磁隧道结的外边缘位于所述自旋轨道耦合层D1的外边缘的内侧。其中，自旋轨道耦合层D1优选的可选用重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜。

需要说明的是，自旋轨道耦合层D1上的磁隧道结可以是两个也可以大于两个，优选的可将多个磁隧道结设于同一条自旋轨道耦合层D1之上，能够实现对多个磁隧道结的一次性数据写入操作，可减少输入自旋轨道矩电流的控制晶体管的数量，进而提高集成度和降低电路功耗。

在优选的实施方式中，可在磁隧道结顶部设置顶电极，在自旋轨道耦合层D1相对的两侧分别设置电流输入电极和输出电极，用于检测电流和自旋轨道矩电流的输入。其中，优选的，电极的材料可采用钽Ta、铝Al、金Au或铜Cu中的任意一种。

优选的，所述自由层B1和固定层B3的材料可为铁磁金属，所述势垒层B2的材料可为氧化物。其中，铁磁金属可为钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等材料中的至少一种形成的混合金属材料，混合的金属材料的比例可以相同也可以不同。所述氧化物可为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3等氧化物中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。在实际应用中，铁磁金属和氧化物还可以采用其他可行的材料，本发明对此并不作限定。

磁隧道结的自由层B1与自旋轨道耦合层D1接触固定，可通过传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法将磁隧道结的各层和自旋轨道耦合层D1按照从下到上的顺序依次镀在衬底上，然后通过光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备形成两个或多个磁隧道结。

在优选的实施方式中，所述自旋轨道耦合层D1为重金属薄膜、反铁磁薄膜或其他材料构成的自旋轨道耦合层D1。重金属薄膜或反铁磁薄膜可制成长方形，其顶面积优选的大于所有磁隧道结形成的轮廓的底面积，以能够设置两个或多个磁隧道结，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属薄膜或反铁磁薄膜的顶面形状。优选的，所述自旋轨道耦合层D1的材料可以选用铂Pt、钽Ta或钨W等材料中的一种。在实际应用中，自旋轨道耦合层D1还可以采用其他可行的材料形成，本发明对此并不作限定。

在本实施例中，第一磁隧道结MTJ1和/或第二磁隧道结MTJ2包括顶部的固定层B3、与自旋轨道耦合层D1接触的自由层B1以及设于所述固定层B3和所述自由层B1间的势垒层B2，磁隧道结为三层结构，只包括一个自由层B1。在其他实施例中，自由层B1可设置为多个，即两层以上的自由层B1。则磁隧道结包括顶部的固定层B3、多个自由层B1以及设于每相邻两层间的势垒层B2，最底层的自由层B1与所述自旋轨道耦合层D1接触设置。例如，在一个具体例子中，当包括两层自由层B1时，磁性存储单元结构可包括自旋轨道耦合层D1、依次设于所述自旋轨道耦合层D1上的第二自由层B1、势垒层B2、第一自由层B1、势垒层B2和固定层B3。

综上，本发明的磁性存储单元通过不同方向的一次电流写入即可实现特定的2bit数据组合的写入，无需考虑磁隧道结中的初始阻态，第一磁隧道结和第二磁隧道结的最终阻态只由输入电流的方向决定。其中，本发明采用自旋轨道矩电流写入数据，写入速度快，功耗低。并且，输入的电流无需精准控制电流密度和脉冲宽度。理论上，写入电流大于两个磁隧道结能够实现数据写入的临界电流即可，不需要再将电流划分成多个档位。本发明仅需设置第一磁隧道结和第二磁隧道结的方向、形状和尺寸等结构参数，两个磁隧道结的放置角度允许较大的偏差，两个磁隧道结的性能允许较大的偏差，无需复杂的工艺即可制成，降低了工艺要求。

基于相同原理，本实施例还公开了一种磁性存储单元的数据写入方法。如图7所示，所述方法包括：

S100：根据待写入数据组合确定电流的输入方向，所述输入方向为所述自旋轨道耦合层D1的长度方向和宽度方向的相反的两个方向的其中之一。

S200：根据所述输入方向输入向所述自旋轨道耦合层D1输入电流以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合与所述待写入数据组合对应。

具体的，当所述磁性存储单元进一步包括控制模块时，可通过该控制模块用于根据待写入数据组合确定电流的输入方向，所述输入方向为所述自旋轨道耦合层D1的长度方向和宽度方向的相反的两个方向的其中之一，即为第一方向～第四方向四个方向中的一个方向。根据所述输入方向输入向所述自旋轨道耦合层D1输入电流以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同。可以理解的是，根据预先确定的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中存储不同的数据组合对应的电流输入方向和待写入数据组合可确定电流的输入方向，根据该输入方向向所述自旋轨道耦合层D1输入电流以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2阻态的组合不同，实现待写入数据组合的确定性写入

在优选的实施方式中，当所述磁性存储单元进一步包括读取模块时，可通过该读取模块向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2施加检测电流，根据检测电流的变化情况确定第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中存储的逻辑数字。具体的，如图1和图5所示，读取模块可通过接口A1和接口A2分别向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入检测电流，磁隧道结的阻态为高阻态或低阻态，检测电流流经高阻态和低阻态磁隧道结的电流变化快慢不同，从而根据检测电流的变化快慢即可确定输入检测电流的磁隧道结为高阻态还是低阻态，实现数据的读取。需要说明的是，接口A1和接口A2可以是不同的接口，分别向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入独立的检测电流分别读取数据；接口A1和接口A2也可以是相同的接口，同时向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入检测电流分别读取数据，也可以依次向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2输入检测电流分别读取数据，本领域技术人员可根据实际需求设置接口A1和接口A2，本领域技术人员也可以根据实际需求设置控制模块和读取模块的具体电路结构，为本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

由于该方法解决问题的原理与以上磁性随机存储单元类似，因此本方法的实施可以参见上述磁性随机存储单元的实施，在此不再赘述。

基于相同原理，本实施例还公开了一种磁性随机存储器。所述磁性随机存储器包括阵列排布的多个如本实施例所述的磁性随机存储单元。

磁性随机存储器包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。磁性随机存储器的应用例子包括，但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

由于该磁性随机存储器解决问题的原理与以上磁性随机存储单元类似，因此本磁性随机存储器的实施可以参见上述磁性随机存储单元的实施，在此不再赘述。

基于相同原理，本实施例还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。

所述处理器和/或所述存储器包括如本实施例所述的磁性随机存储单元。

上述实施例阐明的磁性随机存储单元，具体可以设置在具有某种功能的产品设备中。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器和/或所述存储器包括如本实施例所述的磁性随机存储单元。

下面参考图8，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。

如图8所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。

以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可应用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种磁性存储单元，其特征在于，包括自旋轨道耦合层以及设于所述自旋轨道耦合层上的第一磁隧道结和第二磁隧道结；

所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层长度方向的第一方向的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述自旋轨道耦合层长度方向的第一方向的夹角为预设第二夹角；所述第一夹角为钝角，所述第二夹角为锐角；

当分别沿所述自旋轨道耦合层的长度方向和宽度方向的相反的两个方向输入电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结阻态的组合不同。

2.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道耦合层包括长度方向和宽度方向，所述长度方向包括方向相反的第一方向和第二方向两个自旋轨道矩电流输入方向，所述宽度方向包括方向相反的第三方向和第四方向两个自旋轨道矩电流输入方向。

3.根据权利要求2所述的磁性存储单元，其特征在于，当沿所述第一方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第二阻态；

当沿所述第二方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第一阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第一阻态；

当沿所述第三方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第一阻态；

当沿所述第四方向向所述自旋轨道耦合层输入电流时，所述第一磁隧道结的阻态为第一阻态，所述第二磁隧道结的阻态为第二阻态。

4.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结具有面内各向异性。

5.根据权利要求4所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结和/或所述第二磁隧道结的形状为椭圆形、三角形、长方形和半圆形中的一种。

6.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的至少一个具有垂直各向异性；

所述磁性存储单元进一步包括对应所述具有垂直各向异性的磁隧道结设置的外加磁场或者所述具有垂直各向异性的磁隧道结具有等效外加磁场。

7.根据权利要求6所述的磁性存储单元，其特征在于，所述具有垂直各向异性的磁隧道结的形状为圆形或正方形，所述圆形或正方形的磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层，所述自由层或所述势垒层的截面为梯形。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的磁性存储单元的数据写入方法，其特征在于，包括：

根据待写入数据组合确定电流的输入方向，所述输入方向为所述自旋轨道耦合层的长度方向和宽度方向的相反的两个方向的其中之一；

根据所述输入方向输入向所述自旋轨道耦合层输入电流以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结阻态的组合与所述待写入数据组合对应。

9.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括阵列排布的多个如权利要求1-7任一项所述的磁性存储单元。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，

所述处理器和/或所述存储器包括如权利要求1-7任一项所述的磁性存储单元。

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