CN113451356B - 磁性随机存储单元、存储器及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁性随机存储单元、存储器及设备，所述磁性随机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，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结具有至少两个长度不等的对称轴；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的长度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的长度方向的夹角为预设第二夹角；第一夹角和第二夹角均不为零度，也均不为90度，也均不为180度，本发明可降低相反阻态磁隧道结的写入复杂度并提高读取可靠性。

Description

磁性随机存储单元、存储器及设备

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种磁性随机存储单元、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。磁性随机存储器(Magnetic random access memory,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 Tunnel Junction，MTJ)是磁随机存储器的基本存储单元。第二代自旋转移矩磁性随机存储器(Spin-transfer torque,STT-MRAM)存在弛豫时间(Incubation delay)较长、读写干扰等缺点，限制了其进一步发展。自旋轨道矩磁性随机存储器(Spin-orbit torque MRAM,SOT-MRAM)由于具有写入速度快、读写路径分离和功耗较低等优点，受到工业界和学术界的广泛重视。

目前基于自旋轨道矩的SOT-MRAM的逻辑或数据存储器件经常需要可以存储两种相反阻态的磁隧道结，例如存储高阻态和低阻态，从而需要能够确定提供两种不同阻态的磁隧道结的磁性随机存储单元。例如，某类磁性随机存储单元采用一对具有相反阻态的磁隧道结存储一比特数据，便于采用差分方式进行读取。但是，目前的磁性随机存储器中存储相反阻态通常需要通过多次写入实现，或者需要采用非标准的制造工艺，实现方式较为复杂。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种磁性随机存储单元，降低相反阻态磁隧道结的实现复杂度。本发明的另一个目的在于提供一种磁性随机存储器。本发明的再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随机存储单元，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，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结具有至少两个长度不等的对称轴；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的长度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的长度方向的夹角为预设第二夹角；所述第一夹角和第二夹角均不为零度，也均不为90度，也均不为180度；

当向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的自由层的磁矩方向变为易磁对称轴方向以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

优选的，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的形状为椭圆形，所述易磁对称轴为椭圆形磁隧道结的长轴。所述第一磁隧道结自由层的长轴方向与所述自旋轨道耦合层的长度方向的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的长轴方向与所述自旋轨道耦合层的长度方向的夹角为预设第二夹角。

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，所述第一磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度互补，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角相等；

当沿所述第一方向或所述第二方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

优选的，所述第一磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度相等，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角互补；

当沿所述第一方向或第二方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

优选的，所述第一磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度互补，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角互补；

当沿所述第三方向或第四方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

优选的，所述第一磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的椭圆长轴方向与所述第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度相等，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角互补；

当沿所述第三方向或第四方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

优选的，进一步包括写入模块，用于向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流，使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的自由层的磁矩方向变为椭圆长轴方向以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

优选的，进一步包括读取单元，用于向所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结输入检测电流，根据输入所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的检测电流的变化确定所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态。

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。

本发明的磁性随机存储单元采用椭圆形的第一磁隧道结和第二磁隧道结，向自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流，通过自旋轨道矩电流使面内磁各向异性的椭圆形磁隧道结的自由层发生磁矩方向的改变，实现第一磁隧道结和第二磁隧道结分别存储相反阻态的目的，即相当于第一磁隧道结和第二磁隧道结存储了一对互补的逻辑数字。本发明采用面内磁各向异性的磁隧道结，通过一次输入自旋轨道矩电流使两个磁隧道结的阻态相反，即实现存储互补逻辑数字的目的，降低了数据写入复杂度。并且本发明的磁性随机存储单元工艺简单，无需考虑复杂的界面效应，具有较高的可靠性。

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示出本发明磁性随机存储单元一个具体实施例的结构图；

图2～图5示出本发明磁性随机存储单元具体例子的结构俯视图；

图6示出本发明磁性随机存储单元一个具体实施例包括读取单元的结构图；

图7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随机存储单元。如图1所示，本实施例中，所述磁性随机存储单元包括自旋轨道耦合层5以及设于所述自旋轨道耦合层5上的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的形状为椭圆形。

其中，当向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的自由层4的磁矩方向变为椭圆长轴方向以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态相反。如果将自旋轨道矩电流I反方向施加，则所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态均发生翻转，但二者阻态仍旧保持相反的关系。在一个具体例子中，所述第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2一对相反阻态可用于存储一比特(bit)数据，便于进行差分读取。例如，当所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态分别为低阻态和高阻态时，对应该单元存储的一比特数据是“0”；当所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态分别为高阻态和低阻态时，对应该单元存储的一比特数据是“1”。

需要说明的是，椭圆形磁隧道结的椭圆长轴为自由层的易磁化方向，即在自旋轨道矩电流I输入自旋轨道耦合层5时，自由层的磁矩方向翻转至椭圆长轴方向。其中，基于输入的自旋轨道矩电流I的方向的不同，自由层的磁矩方向朝向椭圆长轴相反的两个方向偏转。

本发明的磁性随机存储单元采用椭圆形的第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2，向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I，通过自旋轨道矩电流I使面内磁各向异性的椭圆形磁隧道结的自由层4发生磁矩方向的改变，实现第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2分别存储相反阻态的目的，即相当于第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2存储了一对互补的逻辑数字。本发明采用面内磁各向异性的磁隧道结，通过一次输入自旋轨道矩电流I使两个磁隧道结的阻态相反，即实现存储互补逻辑数字的目的，降低了数据写入复杂度。并且本发明的磁性随机存储单元工艺简单，且无需考虑界面效应，具有较高的可靠性。

在优选的实施方式中，所述自旋轨道耦合层5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I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I输入方向。

需要说明的是，如图2-图5所示，所述自旋轨道耦合层5包括长度方向X和宽度方向Y，其中长度方向X包括第一方向A和第二方向B，宽度方向Y包括第三方向C和第四方向D。在可选的实施方式中，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2、势垒层3和自由层4。所述自由层4的底面与所述自旋轨道耦合层5固定连接。可以理解的是，磁隧道结的电阻取决于固定层2与自由层4的磁化方向，而自由层4和固定层2的磁化方向由磁矩方向决定。其中，固定层2与自由层4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2与自由层4的磁矩方向相反时，磁隧道结处于高电阻状态(高阻态)。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，根据两个磁隧道结的阻态可确定该单元中存储的数据为“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。

可以理解的是，可以设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的椭圆长轴方向和固定层2的方向，并设置自旋轨道矩电流I的输入方向，使当沿自旋轨道耦合层5的第一方向A、第二方向B、第三方向C和第四方向D四个方向中的一个向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中的一个磁隧道结的自由层4与固定层2的磁矩方向相同，另一个磁隧道结的自由层4与固定层2的磁矩方向相反，从而使第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的阻态相反，预先设定不同的磁隧道结阻态对应不同的逻辑数字，则通过读取确定第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的阻态即可确定该存储单元中存储的逻辑数字。本领域技术人员可根据实际情况设定第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向、自由层4的椭圆长轴方向以及输入自旋轨道矩电流I的方向，以使向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态分别为高阻态和低阻态，本发明对此并不作限定。

在优选的实施方式中，如图1所示，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2中的至少一个还可包括设置在所述固定层2上的辅助层1，该辅助层1可以用于稳定所述固定层2的磁矩方向，提高磁性随机存储单元的可靠性。

在一个可选的实施方式中，如图2所示，所述第一磁隧道结MTJ1自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第一夹角

所述第二磁隧道结MTJ2自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第二夹角

与

的角度互补，所述第一磁隧道结MTJ1固定层2的磁矩方向和所述第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与所述第一方向A所分别形成的夹角相等。当沿所述第一方向A或第二方向B向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态相反。

需要说明的是，本实施例中的第一夹角

和第二夹角

为第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2与第一方向A沿逆时针的夹角，在其他实施方式中，第一夹角

和第二夹角

也可以是第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2与其他方向沿顺时针的夹角，第一夹角

和第二夹角

以相同方向为基准沿相同方向度量角度大小即可，本发明对此并不作限定。

可以理解的是，在该可选的实施方式中，第一磁隧道结MTJ1的椭圆长轴方向与自旋轨道耦合层5的第一方向A间形成第一夹角

第二磁隧道结MTJ2的椭圆长轴方向与自旋轨道耦合层5的第一方向A形成第二夹角

与

的角度互补，则沿第一方向A或第二方向B向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层4的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角互补，则可设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角相等，从而输入自旋轨道矩电流I后，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中的一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相同，另一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相反，从而第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2呈现的阻态相反，通过一次电流输入操作即可实现对不同的磁隧道结的相反阻态的写入。例如，图2示出的磁性随机存储单元中，当沿第一方向A向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，在自旋轨道矩电流I的作用下，最终得到第一磁隧道结MTJ1自由层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

和

的角度互补。而预先设置的第一磁隧道结MTJ1固定层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

第一磁隧道结MTJ1自由层和固定层的磁矩方向相同，第一磁隧道结MTJ1的阻态为低阻态。而预先设置的第二磁隧道结MTJ2固定层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层和固定层的磁矩方向相反，第二磁隧道结MTJ2的阻态为高阻态。同理的，当沿第二方向B向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I，最终得到第一磁隧道结MTJ1的阻态为高阻态，第二磁隧道结MTJ2的阻态为低阻态，当沿第一方向A或第二方向B输入自旋轨道矩电流，均可得到两个相反阻态的磁隧道结，即该单元在两种情形下分别存储逻辑数字“0”和“1”。

在另一个可选的实施方式中，如图3所示，所述第一磁隧道结MTJ1自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第一夹角

所述第二磁隧道结MTJ2自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第二夹角

和

的角度相等。所述第一磁隧道结MTJ1固定层2的磁矩方向和所述第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与所述第一方向A所分别形成的夹角互补。当沿所述第一方向A或第二方向B向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态相反。

可以理解的是，在该可选的实施方式中，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的椭圆长轴方向与自旋轨道耦合层5的第一方向A间分别形成第一夹角

和第二夹角

和

的角度相等，则沿第一方向A或第二方向B向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层4的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角相等，则可设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角互补，从而输入自旋轨道矩电流I后，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中的一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相同，另一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相反，从而第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2呈现的阻态相反，通过一次电流输入操作即可实现对不同的磁隧道结的相反阻态的写入。例如，图3示出的磁性随机存储单元中，当沿第一方向A向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，在自旋轨道矩电流I的作用下，最终得到第一磁隧道结MTJ1自由层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

和

的角度相等。而预先设置的第一磁隧道结MTJ1固定层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

第一磁隧道结MTJ1自由层和固定层的磁矩方向相同，第一磁隧道结MTJ1的阻态为低阻态。而预先设置的第二磁隧道结MTJ2固定层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层和固定层的磁矩方向相反，第二磁隧道结MTJ2的阻态为高阻态。同理的，当沿第二方向B向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I，最终得到第一磁隧道结MTJ1的阻态为高阻态，第二磁隧道结MTJ2的阻态为低阻态，当沿第一方向A或第二方向B输入自旋轨道矩电流，均可得到两个相反阻态的磁隧道结，即该单元在两种情形下分别存储逻辑数字“0”和“1”。

在另一个可选的实施方式中，如图4所示，所述第一磁隧道结MTJ1自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第一夹角

所述第二磁隧道结MTJ2自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第二夹角

和

的角度互补。所述第一磁隧道结MTJ1固定层2的磁矩方向和所述第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与所述第一方向A所分别形成的角度互补。当沿所述第三方向C或第四方向D向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态相反。

可以理解的是，在该可选的实施方式中，第一磁隧道结MTJ1的椭圆长轴方向与自旋轨道耦合层5的第一方向A间形成第一夹角

第二磁隧道结MTJ2的椭圆长轴方向与自旋轨道耦合层5的第一方向A间形成第二夹角

和

的角度互补，则沿第三方向C或第四方向D向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层4的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角相等，可设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角互补，从而输入自旋轨道矩电流I后，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中的一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相同，另一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相反，从而第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2呈现的阻态相反，通过一次电流输入操作即可实现对不同的磁隧道结的相反阻态的写入。例如，图4示出的磁性随机存储单元中，当沿第三方向C向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，在自旋轨道矩电流I的作用下，最终得到第一磁隧道结MTJ1自由层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

和

为互补角。而预先设置的第一磁隧道结MTJ1固定层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第一磁隧道结MTJ1自由层和固定层的磁矩方向相同，第一磁隧道结MTJ1的阻态为低阻态。而预先设置的第二磁隧道结MTJ2固定层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层和固定层的磁矩方向相反，第二磁隧道结MTJ2的阻态为高阻态。同理的，当沿第四方向D向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I，最终得到第一磁隧道结MTJ1的阻态为高阻态，第二磁隧道结MTJ2的阻态为低阻态，当沿第三方向C和第四方向D输入自旋轨道矩电流，均可得到两个相反阻态的磁隧道结，即该单元在两种情形下分别存储逻辑数字“0”和“1”。

在另一个可选的实施方式中，如图5所示，所述第一磁隧道结MTJ1自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第一夹角

所述第二磁隧道结MTJ2自由层4的椭圆长轴方向与所述第一方向A间的夹角为预设第二夹角

和

的角度相等。所述第一磁隧道结MTJ1固定层2的磁矩方向和所述第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与所述第一方向A所分别形成的夹角互补。当沿所述第三方向C或第四方向D向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态相反。

可以理解的是，在该可选的实施方式中，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的椭圆长轴方向与自旋轨道耦合层5的第一方向A间分别形成第一夹角

和第二夹角

和

的角度相等，则沿第三方向C或第四方向D向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层4的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角相等，则可设置第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2固定层2的磁矩方向与第一方向A所分别形成的夹角互补，从而输入自旋轨道矩电流I后，第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中的一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相同，另一个的自由层4和固定层2的磁矩方向相反，从而第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2呈现的阻态相反，通过一次电流输入操作即可实现对不同的磁隧道结的相反阻态的写入。例如，图5示出的磁性随机存储单元中，当沿第三方向C向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I时，在自旋轨道矩电流I的作用下，最终得到第一磁隧道结MTJ1自由层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

和

的角度相同。而预先设置的第一磁隧道结MTJ1固定层的磁矩方向的反方向与所述第一方向A的夹角为

第一磁隧道结MTJ1自由层和固定层的磁矩方向相同，第一磁隧道结MTJ1的阻态为低阻态。而预先设置的第二磁隧道结MTJ2固定层的磁矩方向与所述第一方向A的夹角为

第二磁隧道结MTJ2自由层和固定层的磁矩方向相反，第二磁隧道结MTJ2的阻态为高阻态。同理的，当沿第四方向D向自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I，最终得到第一磁隧道结MTJ1的阻态为高阻态，第二磁隧道结MTJ2的阻态为低阻态，当沿第三方向C或第四方向D输入自旋轨道矩电流，均可得到两个相反阻态的磁隧道结，即该单元在两种情形下分别存储逻辑数字“0”和“1”。

优选的，自旋轨道耦合层5可选用长方形，使自旋轨道耦合层5的顶面面积大于设置在自旋轨道耦合层5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5上，并使两个磁隧道结的外边缘位于所述自旋轨道耦合层5的外边缘的内侧。其中，自旋轨道耦合层5优选的可选用重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜或拓扑绝缘体条状薄膜。

需要说明的是，自旋轨道耦合层5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5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I的控制晶体管的数量，进而提高集成度和降低电路功耗。多个磁隧道结可以平行或者反平行排列，也可以与第一方向A呈不同的夹角。

需要说明的是，在上述示例中，器件具有较强的工艺容差能力。如，

与

的角度相同，可以延伸为：

和

同在区间(0°，90°)或同在区间(90°，180°)；

与

的角度互补，可以延伸为：

与

其中的一个在区间(0°，90°)，而另一个在区间(90°，180°)。

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5相对的两侧分别设置电流输入电极和输出电极，用于如图6所示的检测电流(Ir1，Ir2)和如图1所示的自旋轨道矩电流I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4和固定层2的材料可为铁磁金属，所述势垒层3的材料可为氧化物。所述磁隧道结具有面内磁各向异性，则表示形成磁隧道结的自由层4和固定层2的磁化方向沿面内方向。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4与自旋轨道耦合层5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5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5为重金属薄膜、反铁磁薄膜、拓扑绝缘体薄膜或其他材料构成的自旋轨道耦合层5。重金属薄膜、反铁磁薄膜或拓扑绝缘体薄膜可制成长方形，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、反铁磁薄膜或拓扑绝缘体薄膜的顶面形状。优选的，所述自旋轨道耦合层5的材料可以选用铂Pt、钽Ta、钨W、铂锰PtMn、铱锰IrMn、铋硒化合物BiSe、锑碲化合物SbTe、铋碲化合物BiTe等材料中的一种。在实际应用中，自旋轨道耦合层5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2、与自旋轨道耦合层5接触的自由层4以及设于所述固定层2和所述自由层4间的势垒层3，磁隧道结为三层结构，只包括一个自由层4。在其他实施例中，自由层4可设置为多个，即两层以上的自由层4。则磁隧道结包括顶部的固定层2、多个自由层4以及设于每相邻两层间的势垒层3，最底层的自由层4与所述自旋轨道耦合层5接触设置。例如，在一个具体例子中，当包括两层自由层4时，磁性存储单元结构可包括自旋轨道耦合层5、依次设于所述自旋轨道耦合层5上的第二自由层4、势垒层3、第一自由层4、势垒层3和固定层2。

在优选的实施方式中，所述磁性随机存储单元进一步包括写入模块。所述写入模块用于向所述自旋轨道耦合层5输入自旋轨道矩电流I，使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的自由层4的磁矩方向变为椭圆长轴方向以使所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态相反。

可以理解的是，本发明中，通过设置椭圆形第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2自由层4的椭圆长轴方向、固定层2的磁矩方向和输入自旋轨道矩电流I的方向，可使在一次自旋轨道矩电流I输入后使第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的阻态相反，将不同的逻辑数据分别存储至第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2。

在优选的实施方式中，如图6所示，所述磁性随机存储单元进一步包括读取单元。读取单元用于向所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2输入检测电流(Ir1，Ir2)，根据输入所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的检测电流(Ir1，Ir2)的变化确定所述第一磁隧道结MTJ1和所述第二磁隧道结MTJ2的阻态。

可以理解的是，由于第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的阻态相反，可通过读取单元分别向第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2中输入检测电流(Ir1，Ir2)，根据检测电流(Ir1，Ir2)的变化情况可以确定第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2的电阻大小，从而确定由第一磁隧道结MTJ1和第二磁隧道结MTJ2构成的单元中存储的数据。

需要说明的是，写入模块和读取单元可通过电路结构实现，具体的电路结构设计为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据实际需要采用不同的电路结构实现写入模块和读取单元的功能，在此不再赘述。

本发明的磁性随机存储单元具有低功耗、可实现非易失性存储、读写电路完全分离避免发生读写错误、写入速度极快(亚纳秒)、面内工艺简单无需考虑界面效应、电流阈度大以及数据存储可靠性高等优点。

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7，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备的结构示意图。

如图7所示，计算机设备包括中央处理单元(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 (11)

1.一种磁性随机存储单元，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，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结具有至少两个长度不等的对称轴；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的长度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的长度方向的夹角为预设第二夹角；所述第一夹角和第二夹角均不为零度，也均不为90度，也均不为180度；

所述第一夹角和所述第二夹角互补，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的长度方向所分别形成的夹角相等，或者，所述第一夹角和所述第二夹角相等，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述自旋轨道耦合层的长度方向所分别形成的夹角互补；

当向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的自由层的磁矩方向变为易磁对称轴方向以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

2.根据权利要求1所述的磁性随机存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的形状为椭圆形，所述易磁对称轴为椭圆形磁隧道结的长轴，所述第一磁隧道结自由层的长轴方向与所述自旋轨道耦合层的长度方向的夹角为预设第一夹角，所述第二磁隧道结自由层的长轴方向与所述自旋轨道耦合层的长度方向的夹角为预设第二夹角。

3.根据权利要求1所述的磁性随机存储单元，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。

4.根据权利要求3所述的磁性随机存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述第一方向间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第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度互补，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角相等；

当沿所述第一方向或所述第二方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

5.根据权利要求3所述的磁性随机存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述第一方向间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第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度相等，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角互补；

当沿所述第一方向或第二方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

6.根据权利要求3所述的磁性随机存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述第一方向间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第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角和第二夹角的角度互补，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角互补；

当沿所述第三方向或第四方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

7.根据权利要求3所述的磁性随机存储单元，其特征在于，所述第一磁隧道结自由层的易磁对称轴方向与所述第一方向间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第一方向间的夹角为预设第二夹角，第一夹角与第二夹角的角度相等，所述第一磁隧道结固定层的磁矩方向和所述第二磁隧道结固定层的磁矩方向与所述第一方向所分别形成的夹角互补；

当沿所述第三方向或第四方向向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流时，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

8.根据权利要求1所述的磁性随机存储单元，其特征在于，进一步包括写入模块，用于向所述自旋轨道耦合层输入自旋轨道矩电流，使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的自由层的磁矩方向变为易磁对称轴方向以使所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态相反。

9.根据权利要求8所述的磁性随机存储单元，其特征在于，进一步包括读取单元，用于向所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结输入检测电流，根据输入所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的检测电流的变化确定所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的阻态。

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

11.一种计算机设备，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1-9任一项所述的磁性随机存储单元。

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