CN116784012A - 磁性存储单元、存储器及制造方法 - Google Patents

磁性存储单元、存储器及制造方法 Download PDF

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CN116784012A
CN116784012A CN202280004096.1A CN202280004096A CN116784012A CN 116784012 A CN116784012 A CN 116784012A CN 202280004096 A CN202280004096 A CN 202280004096A CN 116784012 A CN116784012 A CN 116784012A
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magnetic memory
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    • G11C—STATIC STORES
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    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect

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Abstract

本申请实施例提供一种磁性存储单元、存储器及制造方法，该磁性存储单元包括：电极层；设于电极层上的磁性隧道结，磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；以及与自由层在水平方向上相邻的应力诱导层。应力诱导层包括杨氏模量不同的第一结构和第二结构。通过将第一结构设于自由层的两侧，将第二结构设于自由层的与第一结构的设置方向垂直的两侧，来提供磁性存储单元的磁各向异性，能在降低自由层尺寸的同时，维持磁性存储单元的热稳定性和数据保持能力，实现大幅降低磁性存储单元的能耗。

Description

磁性存储单元、存储器及制造方法 技术领域
本申请涉及数据存储技术领域，尤其涉及磁性存储单元、存储器及制造方法。
背景技术
非易失性存储器的一个示例是磁性随机存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)，其使用磁化来表示所存储的数据。MRAM的一种类型是自旋轨道力矩磁性随机存储器(spin orbit torque-MRAM，SOT-MRAM)。在一类SOT-MRAM中，磁性隧道结的自由层和参考层的磁化方向与相应层的平面平行，此类存储器被称为具有面内(in-plane)磁各向异性(magnetic anisotropy，MA)。具有面内磁各向异性的SOT-MRAM(简称面内SOT-MRAM)的磁化方向(易磁化轴)是通过构建具有拉长的形状(诸如椭圆)的存储器来提供的。
目前，面内SOT-MRAM一般采用如图1所示的结构，图1中的(a)是现有技术中面内SOT-MRAM的立体结构示意图，图1中的(b)是沿图1中的(a)的线Ⅰ-Ⅰ截取的截面图。面内SOT-MRAM100包括：电极层10以及设于电极层10上的磁性隧道结11。磁性隧道结11包括设于电极层10上的自由层12、设于自由层12上的势垒层13以及设于势垒层13上的参考层14。电极层10上流通电流方向与X方向平行的写入电流15。参考层14具有固定磁化方向(以箭头16表示)。箭头16指向-Y方向，即代表参考层14的磁化方向指向-Y方向。请一并参阅图1中的(b)，自由层12上具有可切换的磁化方向，自由层12的易磁化轴(即无外磁场时，自由层12倾向于保持的磁化方向)以双箭头17表示，双箭头17代表自由层12的易磁化轴在y轴上可切换。无外磁场时，自由层12倾向于保持的磁化方向指向+Y方向，或指向-Y方向。
自由层12的面内磁各向异性决定磁性隧道结11的热稳定性(thermal stability)，磁性隧道结11的热稳定性决定面内SOT-MRAM100的数据保持能力(data retention)，而现有技术中，自由层12的面内磁各向异性主要依靠其形状各向异性(shape anisotropy)。如图1中的(a)和(b)所示，面内SOT-MRAM100中的自由层12为椭圆形，自由层12的椭圆形形状引入了形状各向异性，自由层12通过其形状的不对称性使得自由层12的磁化方向稳定维持在某一个方向(如+Y方向或-Y方向)，即自由层12通过其形状的不对称性维持其面内磁各向异性。要提高磁性隧道结11的热稳定性需要增加自由层12的面内磁各向异性，即需要满足自由层12的长轴长度L(即自由层12沿Y方向的尺寸)大于自由层12的短轴长度W(即自由层12沿X方向的尺寸)。常规做法是设置长轴长度L与短轴长度W的比值L/W大于2.5，如L/W为3。自由层12的热稳定性正相关于自由层12的长轴长度L与短轴长度W的比值，当短轴长度W为固定值时，磁性隧道结11的热稳定性正比于自由层12的长轴长度L。
随着面内SOT-MRAM100的尺寸(如长轴长度L或L/W比值)缩小，将会降低磁性隧道结11的热稳定性，进而降低面内SOT-MRAM100的数据保持能力。
发明内容
本申请提供一种磁性存储单元、存储器及制造方法，通过设置与自由层在水平方向上相邻的第一结构和第二结构，第一结构和第二结构固定自由层的磁各向异性，使得磁性存储单元的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供，进而使得磁性存储单元的热稳定性不再与自由层的尺寸或自由层的长宽比直接相关，也即热稳定性与写入电流的关系解耦，由此能在降低自由层尺寸的同时，维持磁性存储单元的热稳定性和数据保持能力，实现大幅降低磁性存储单元的能耗和高密度存储的集成。
第一方面，提供一种磁性存储单元，包括：电极层、设于电极层上的磁性隧道结以及与自由层在水平方向上相邻的应力诱导层，磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；应力诱导层包括第一结构和第二结构，第一结构的杨氏模量不同于第二结构的杨氏模量；第一结构设于自由层沿第一方向上的第一侧和第二侧，第一侧和第二侧相对设置，第二结构设于自由层沿第二方向上的第三侧和第四侧，第三侧和第四侧相对设置，其中，第一方向与电极层内的电流的方向相同或相反，第一方向与第二方向之间具有第一夹角α，0°＜α≤90°。
其中，磁性存储单元可以具有面内磁各向异性。自由层与应力诱导层在水平方向上相邻，垂直方向垂直于水平方向，也即自由层与应力诱导层均处于与垂直方向垂直的水平面内。第一方向与第二方向均与垂直方向垂直，也即第一方向与第二方向处于与垂直方向垂直的水平面内。
在本申请实施例中，通过设置与自由层在水平方向上相邻的应力诱导层，即在自由层沿第一方向的第一侧和第二侧设置第一结构，在自由层沿第二方向的第三侧和第四侧设置第二结构。第一结构的杨氏模量不同于第二结构的杨氏模量，导致自由层在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，基于磁致弹性效应(Magnetoelastic Effect)，不同的应力会使得自由层的磁性发生改变，自由层的易磁化轴发生改变。也即通过设置杨氏模量不同的第一结构和第二结构，来提供自由层的磁各向异性(易磁化轴)，进而使得自由层的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供。换句话说，自由层的面内磁各向异性不再由其自身的尺寸或自由层的长轴长度y与短轴长度x的比例来提供，而是由第一结构和第二结构提供，实现第一结构和第二结构固定自由层的易磁化轴。因此自由层的尺寸或自由层的长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x可以缩小，长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x可以小于或等于1，或，自由层的长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x大于1。由此可以实现高密度存储的集成，且自由层的形状设置可以更灵活，自由层的长轴与短轴的设置也可以更灵活。
进一步地，磁性存储单元的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供，也即磁性存储单元的磁各向异性不再由磁性隧道结的形状各向异性提供，使得磁性存储单元的热稳定性不再与自由层(磁性隧道结)的尺寸或自由层(磁性隧道结)的长轴长度y与短轴长度x的比例直接相关，磁性存储单元的热稳定性与其写入电流的关系解耦，在维持其较大热稳定性的同时，仍能进一步降低其写入电流，使得磁性存储单元的写入电流在热稳定性不变的情况下可以大幅降低，大幅降低磁性存储单元的能耗。
进一步地，通过这种方式，在不提高写入电流的同时，可以大幅提高磁性存储单元的热稳定性，使得磁性存储单元可以应用于各种非易失存储场景。例如汽车系统的车规非易失存 储，计算机领域的非易失存储等。
其中，应力为物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。
在一些实施例中，可以通过调整第一结构的杨氏模量以及第二结构的杨氏模量，使得自由层的易磁化轴与第一方向之间具有第二夹角β，0°＜β≤90°，也即易磁化轴可以处于除了与第一方向相同或相反方向之外的任一方向。例如自由层的易磁化轴可以处于自由层所在的平面内，自由层的易磁化轴还可以垂直于自由层所在的平面。
在一些实施例中，以第一结构的杨氏模量为第一杨氏模量，第二结构的杨氏模量为第二杨氏模量，通过调整第一结构的杨氏模量以及第二结构的杨氏模量，使得自由层的易磁化轴固定于第二方向，要使得自由层的易磁化轴固定于第二方向，第一结构的杨氏模量不同于第二结构的杨氏模量可以包括如下情形：当自由层的磁致伸缩系数大于零时，第一杨氏模量大于自由层的杨氏模量，第二杨氏模量小于自由层的杨氏模量；或，第一杨氏模量和第二杨氏模量均小于自由层的杨氏模量；或，第一杨氏模量和第二杨氏模量均大于自由层的杨氏模量；或，第一杨氏模量大于自由层的杨氏模量；或，第二杨氏模量小于自由层的杨氏模量；
当自由层的磁致伸缩系数小于零时，第一杨氏模量小于自由层的杨氏模量，第二杨氏模量大于自由层的杨氏模量；或，第一杨氏模量和第二杨氏模量均大于自由层的杨氏模量；或，第一杨氏模量和第二杨氏模量均小于自由层的杨氏模量；或，第一杨氏模量小于自由层的杨氏模量；或，第二杨氏模量大于自由层的杨氏模量。
在一些实施例中，水平方向、第一方向以及第二方向均处于自由层所在的平面内，垂直方向垂直第一方向、第二方向以及自由层所在的平面。自由层具有面内磁各向异性，也即自由层的易磁化轴平行于自由层所在的平面，自由层的易磁化轴垂直于垂直方向。在一些实施例中，第一结构的材料不同于第二结构的材料，导致自由层在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层的磁性发生改变，自由层的易磁化轴发生改变。也即通过控制第一结构和第二结构的材料来提供自由层的磁各向异性，进而使得自由层的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供。
在一些实施例中，第一结构的材料和第二结构的材料相同，也即第一材料的化学式与第二材料的化学式相同，其中，第一结构和第二结构分别在不同的制造条件下生成，制造条件可以包括成制造第一结构或第二结构时的大气、膜沉积速度、膜沉积压力、成膜时的温度和处理室的压力等等。由不同制造条件下生成的第一结构和第二结构可以导致自由层在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层的磁性发生改变，自由层的易磁化轴发生改变。也即通过控制第一结构和第二结构的制造条件来提供自由层的磁各向异性，进而使得自由层的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供。
在一些实施例中，可以使用第一制造条件生成第一结构，在生成第一结构后使用第二制造条件生成第二结构，或，可以使用第一制造条件生成第二结构，在生成第二结构后使用第二制造条件生成第一结构，第一制造条件不同于第二制造条件，例如以不同的温度分别生成第一结构和第二结构。前后两次以不同的制造条件生成第一结构和第二结 构可以导致自由层在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层的磁性发生改变，自由层的易磁化轴发生改变。控制第一结构和第二结构的分次生成(也即控制第一结构和第二结构的制造条件)来提供自由层的磁各向异性，进而使得自由层的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供。
在一些实施例中，第一结构的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)不同于第二结构的热膨胀系数，导致自由层在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层的磁性发生改变，自由层的易磁化轴发生改变。也即通过控制第一结构和第二结构的热膨胀系数来提供自由层的磁各向异性，进而使得自由层的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供。
在一些实施例中，第一结构所产生的应力不同于第二结构所产生的应力，进而导致自由层在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层具有不同的易磁化轴。通过控制第一结构和第二结构所产生的应力，来控制自由层的磁各向异性。
在一些实施例中，第一结构在自由层上所引起的应力不同于第二结构在自由层上所引起的应力，即自由层在第一方向和第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层具有不同的易磁化轴。通过控制第一结构和第二结构在自由层上引起不同的应力，来控制自由层的磁各向异性。
在一些实施例中，磁性存储单元还包括：介质层，该介质层设置于第一结构与自由层之间，或，该介质层设置于第二结构与自由层之间，或，该介质层设置于第一结构与自由层之间，以及该介质层还设置于第二结构与自由层之间。其中，设置在第一结构和自由层之间的介质层可以与设置在第二结构和自由层之间的介质层相同，例如设置在第一结构和自由层之间的介质层与设置在第二结构和自由层之间的介质层的材料相同(例如化学式相同)。设置在第一结构和自由层之间的介质层可以不同于设置在第二结构和自由层之间的介质层，例如设置在第一结构和自由层之间的介质层与设置在第二结构和自由层之间的介质层的材料不同。在自由层外沉积介质层，从而覆盖自由层，应力诱导层设置于介质层外。应力诱导层可以通过介质层使得自由层在第一方向/或第二方向上的扩张的难易程度不同，应力诱导层可以在介质层和自由层内引起应力，以使得自由层在第一方向和/或第二方向上产生不同的应力，不同的应力会使得自由层具有不同的易磁化轴。在一些实施例中，还可以通过介质层定向第一结构和/或第二结构中所产生的应力，以控制自由层在第一方向和/或第二方向上产生不同的应力。
第二方面，提供一种磁性存储单元，一种磁性存储单元，包括：电极层；以及设于电极层上的磁性隧道结，磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；其中，垂直方向垂直于自由层所在的平面，自由层配置成产生定向应力，其中，定向应力至少包括第一方向上的第一应力和/或与第一方向垂直的方向上的第二应力，第二方向与电极层内的电流的方向相同或相反，第一应力与第二应力均平行于自由层所在的平面。
其中，磁性存储单元可以具有面内磁各向异性。垂直方向垂直自由层所在的平面，垂直方向垂直第一方向与第二方向。
在本申请实施例中，通过将自由层配置成产生定向应力，定向应力可以理解为转向指定方向的应力，该指定方向可以为第一方向和/或与第一方向垂直的方向。定向应力至少包括第一方向上的第一应力和/或与第一方向垂直的方向上的第二应力，即使得自由层产生在第一方向和/或与第一方向垂直的方向上的应力，第一方向和/或与第一方向垂直的方向上的应力会使得自由层的磁性发生改变，自由层的易磁化轴发生改变。通过控制定向应力(即第一应力与第二应力)设置，使得自由层的面内磁各向异性不再由自由层自身的尺寸或自由层的长轴长度y与短轴长度x的比例来提供，即自由层的易磁化轴不再由自由层的形状各向异性决定，而是由自由层所产生的定向应力(即第一应力与第二应力)决定，进而自由层自身的尺寸或自由层的短轴长度x与长轴长度y的比例y/x可以缩小，长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x可以小于或等于1，或，自由层的长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x大于1。由此可以实现高密度存储的集成，且自由层的形状设置可以更灵活，自由层的长轴与短轴的设置也可以更灵活。
进一步地，磁性存储单元的磁各向异性不再由自由层的形状各向异性提供，使得磁性存储单元的热稳定性不再与自由层的尺寸或自由层的长轴长度y与短轴长度x的比例直接相关，磁性存储单元的热稳定性与其写入电流的关系解耦，在维持其较大热稳定性的同时，仍能进一步降低其写入电流，使得磁性存储单元的写入电流在热稳定性不变的情况下可以大幅降低，大幅降低磁性存储单元的能耗。
进一步地，通过这种方式，在不提高写入电流的同时，可以大幅提高磁性存储单元的热稳定性，使得磁性存储单元可以应用于各种非易失存储场景，例如汽车系统的车规非易失存储，计算机领域的非易失存储等。
在一些实施例中，第一应力不同于第二应力，第一应力包括张应力或压应力，第二应力包括张应力或压应力。
在一些实施例中，可以通过调整第一应力和/或第二应力，使得自由层的易磁化轴与第一方向之间具有第二夹角β，0°＜β≤90°，也即易磁化轴可以处于除了与第一方向相同或相反之外的任一方向。例如自由层的易磁化轴可以处于自由层所在的平面内，自由层的易磁化轴还可以垂直于自由层所在的平面。
在一些实施例中，通过调整第一应力和/或第二应力，使得自由层的易磁化轴固定于第二方向，要使得自由层的易磁化轴固定于第二方向，第一应力不同于第二应力可以包括如下情形：当自由层的磁致伸缩系数大于零时，第一应力为压应力，第二应力为张应力；或，第一应力和第二应力均为压应力，且第一应力大于第二应力；或，第一应力和第二应力均为张应力，且第一应力小于第二应力；或，第一应力为压应力，第二应力为0；或，第一应力为0，第二应力为张应力；当自由层的磁致伸缩系数小于零时，第一应力为张应力，第二应力为压应力；或，第一应力和第二应力均为压应力，且第一应力小于第二应力；或，第一应力和第二应力为张应力，且第一应力大于第二应力；或，第一应力为张应力，第二应力为0；或，第一应力为0，第二应力为压应力。
第三方面，提供一种磁性存储器，包括：磁性存储单元以及控制器，磁性存储单元在控制器的控制下存储数据，磁性存储单元为如上任一实施例的磁性存储单元。
第四方面，提供一种用于制造磁性存储单元的方法，该方法包括以下步骤：形成电极层；在电极层上形成磁性隧道结，形成磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；在自由层沿第一方向上的第一侧和第二侧设置第一结构，其中第一 侧和第二侧相对设置；在自由层沿第二方向上的第三侧和第四侧设置第二结构，其中第三侧和第四侧相对设置；第二方向与电极层内的电流的方向相同或相反，第一方向与第二方向之间具有第一夹角α，0°＜α≤90°，垂直方向垂直于自由层所在的平面，第一方向和第二方向平行于自由层所在的平面内。
在本申请实施例中，制造磁性存储单元时，通过在自由层沿第一方向上的第一侧和第二侧设置第一结构，在自由层沿第二方向上的第三侧和第四侧设置第二结构，制造出的磁性存储单元可以实现高密度存储的集成，且自由层的形状设置可以更灵活。磁性存储单元的热稳定性不再由自由层形状各向异性提供，也即不再与自由层自身的尺寸或自由层的短轴长度x与长轴长度y的比例直接相关，磁性存储单元的热稳定性与其写入电流的关系解耦，在维持其较大热稳定性的同时，仍能进一步降低其写入电流，使得磁性存储单元的写入电流在热稳定性不变的情况下可以大幅降低，大幅降低磁性存储单元的能耗。
进一步地，通过这种方式，在不提高写入电流的同时，可以大幅提高磁性存储单元的热稳定性，使得磁性存储单元可以应用于各种非易失存储场景，例如汽车系统的车规非易失存储，计算机领域的非易失存储等。
可以理解地是，上述提供的磁性存储器、制造磁性存储单元方法等包含了上文所提供的磁性存储单元的相同或相对应的特征，因此，其所能达到的有益效果可参考上文所提供的对应的集成电路中的有益效果，此处不再赘述。
附图说明
图1为现有技术中面内SOT-MRAM的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意性框图。
图3为本申请实施例提供的一种SOT-MRAM的结构示意性框图。
图4为本申请实施例提供的一种磁性存储单元的结构示意图。
图5为本申请实施例提供的自由层的磁致伸缩系数λ>0时，第一应力与第二应力的示意图。
图6为本申请实施例提供的自由层的磁致伸缩系数λ<0时，第一应力与第二应力的示意图。
图7为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元的结构示意图。
图8为本申请实施例提供的自由层的磁致伸缩系数λ>0时，第一结构在第一方向上的应力和第二结构在第二方向上的应力示意图。
图9为本申请实施例提供的自由层的磁致伸缩系数λ<0时，第一结构在第一方向上的应力和第二结构在第二方向上的应力示意图。
图10为图3所提供的阵列的另一种示意图。
图11为示出制造图7所示磁性存储单元的方法的结构图。
图12为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元结构示意图。
图13为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元结构示意图。
图14为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元结构示意图。
具体实施方式
下文将详细论述各实施例的制作和使用。但应了解，本申请提供的许多适用发明概 念可实施在多种具体环境中。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本说明和本技术的具体方式，而不限制本申请的范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
下文将详细论述各实施例的制作和使用。但应了解，本申请提供的许多适用发明概念可实施在多种具体环境中。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本说明和本技术的具体方式，而不限制本申请的范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a、b和c，其中a、b和c可以是单个，也可以是多个。另外，在本申请的实施例中，“第一”、“第二”等字样并不对数量和次序进行限定。
需要说明的是，本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
需要说明的是，本申请中，“连接”包括“机械连接”、“电连接”、“通信连接”中的一种或多种。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
本申请提供的技术方案可以应用于采用磁性随机存储器的电子设备。该电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、车载设备、可穿戴设备、无人机、路由器等产品。该电子设备也可以是服务器、工作站、路由器或网络交换设备等设备，本申请实施例对此不作具体限定。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意性框图。电子设备200包括但不限于如下部件：处理器21、存储装置22、输入设备23和输出设备24。
处理器21包括运算器211和控制器212。其中，运算器211用于对运算数据进行算术运算和逻辑运算后输出运算结果。运算数据可以来自存储装置22或输入设备23，运算结果可以写入存储装置22或通过输出设备24输出。控制器212是统一指挥和控制电子设备200中各部件工作的中央机构，用于按照预先设置的操作指令，控制电子设备200的各部件工作。
在本申请实施例中，处理器21可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等。处理器21还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶 体管逻辑器件、分立硬件组件。
在一些实施例中，处理器21可以包括一个或多个处理器核，并且可以用通用处理器、专用处理器或应用处理器来实现。
存储装置22可用于存储程序和数据。其中，程序可以包括操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等。数据可以包括根据电子设备200的使用所创建的数据(比如音频数据、图像数据、电话本等)等。存储装置22还用于按照指定的存储位置“读出”或“写入”数据。存储装置22通常由地址寄存器、数据寄存器、存储阵列等组成。地址寄存器中保存“读/写”数据的存储单元地址，数据寄存器中保存要进行“读/写”的数据。存储阵列中包含若干个存储单元，存储单元可以用于存放数据或指令。
在电子设备200中，表示信息的最小单位是比特(bit)，1bit表示二进制数“0”或“1”。在一些实施例中，存储单元是电子设备200中具有数据存储和读写功能的最小单元，可以用于存储一个最小信息单位，如1bit数据。在一些实施例中，存储单元也可以实现多值存储。示例性地，一个存储单元可以存储2bit数据。
在本申请实施例中，存储装置22可包括用于存储数据的一种或多种类型的存储器介质，诸如静态随机存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)、MRAM等。例如，在一些实施例中，存储装置22可包括SRAM。在一些实施例中，存储装置22可包括MRAM。在一些实施例中，存储装置22可包括SRAM、MRAM和/或其他存储器介质类型的组合。
在本申请实施例中，存储装置22可以包括内存储器(内存)221和外存储器(外存)222中的一种或多种。可选地，内存储器221可以包括随机存储器、只读存储器等。其中，随机存储器例如可以为静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。可选地，外存储器222可以包括硬盘、磁带、数字通用光盘(Digital Video Disc，DVD)、闪存盘(USB flash drive)、软盘、固态盘等。
在一些实施例中，内存储器221可以指非易失性内存，即指非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)。非易失性存储器可以包括MRAM或铁电式随机存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)等。
输入设备23用于将编制好的程序和原始数据转换成电子设备200能够识别的电信号，并将这些电信号存放到电子设备200的存储装置22中。示例性地，输入设备23可以为键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、数码相机等。
输出设备24用于将电子设备200中用代码描述的处理结果转换成相应的符号输出。示例性地，输出设备24可以为显示器、打印机、绘图仪、刻录机等。
磁性随机存储器是一种新型非易失性存储器。其中，磁性随机存储器中的自旋轨道力矩磁性随机存储器(spin orbit torque MRAM，SOT-MRAM)因其具有更快的翻转速度等优势，得到了广泛关注。
本申请提供一种SOT-MRAM，可以应用于上述电子设备200中。如图3所示，SOT-MRAM300包括阵列31、行电路32、列电路33和第一控制器34。其中，SOT-MRAM300可以包括图2中所描述的关于磁性存储器的内容。
阵列31可以包括晶体管和用于存储数据的磁性存储单元40。阵列31可以包括图2中所描述的关于存储阵列31的内容，磁性存储单元40可以包括图2中所描述的关于存储单元的内容。
在一些实施例中，阵列31可以是包括磁性存储单元40的二维阵列。在另一些实施例中， 阵列31可以是包括磁性存储单元40的多个平面和/或层的三维阵列。
在本申请实施例中，第一控制器34与图2中处理器21、总线控制器(图未示)等通信，以接收命令和地址信息、传输数据等。第一控制器34连接行电路32和列电路33，第一控制器34与行电路32和列电路33协作以在阵列31上进行读写操作。
在一些实施例中，第一控制器34可以包括诸如功率控制电路、地址解码器和状态机等部件。在存储装置22操作期间，该功率控制电路控制提供给行电路32和列电路33的功率和电压。该地址解码器将接收到的地址转换为由行电路32和列电路33使用的硬件地址。该状态机实施和控制存储装置22操作。
SOT-MRAM300还包括多条平行排列的字线(word line，WL)、多条平行排列的位线(bit line，BL)和多条平行排列的源线(source line，SL)。字线WL与位线BL相互交叉，字线WL与源线SL相互交叉，其中相互交叉可以为垂直。例如，字线WL与位线BL相互垂直。其中字线可以包括写入字线(write word line，WWL)和读取字线(read word line，RWL)。
可以理解，阵列31可以包括一个或一个以上的子阵列，一个子阵列可以包括一个或一个以上磁性存储单元40，一个磁性存储单元40可以包括一个或一个以上磁性隧道结MTJ，本申请对此不作具体限定。
如图3所示，以阵列31包括4个子阵列31a、31b、31c、31d，一个子阵列包括一个磁性存储单元40，一个磁性存储单元40包括一个磁性隧道结MTJ42为例，进行说明。
子阵列31a通过读取字线RWL1连接子阵列31b，子阵列31a通过写入字线WWL1连接子阵列31b。子阵列31c通过读取字线RWL2连接子阵列31d，子阵列31c通过写入字线WWL2连接子阵列31d。子阵列31a通过源线SL1连接子阵列31c，子阵列31a通过位线BL1连接子阵列31c。子阵列31b通过源线SL2连接子阵列31d，子阵列31b通过位线BL2连接子阵列31d。
行电路32连接写入字线WWL1-WWL2，为写入字线WWL1或写入字线WWL2提供高电平信号或低电平信号，以使与写入字线WWL1连接的晶体管或与写入字线WWL2连接的晶体管处于导通状态或截止状态。行电路32连接读取字线RWL1-RWL2，为读取字线RWL1或读取字线RWL2提供高电平信号或低电平信号，以使与读取字线RWL1连接的晶体管或与读取字线RWL2连接的晶体管处于导通状态或截止状态。在晶体管为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管导通，低电平信号控制晶体管截止。在晶体管为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管导通，高电平信号控制晶体管截止。
列电路33连接源线SL1-SL2，通过列电路33为源线SL1或源线SL2提供信号。
列电路33连接位线BL1-BL2，通过列电路33为位线BL1或位线BL2提供信号。
子阵列31a包括晶体管Q1、晶体管Q2和磁性存储单元40，磁性存储单元40包括电极层41以及设置于电极层41上的MTJ42。
电极层41在第一方向(X方向或-X方向)上延伸，电极层41的一端与晶体管Q1的第一端子(源极/漏极)连接，电极层41的另一端与源线SL1连接。第一晶体管Q1的第二端子(栅极)与写入字线WWL1连接，第一晶体管Q1的第三端子(源极/漏极)与位线BL1连接。MTJ42的第一端与电极层41连接，MTJ42的第二端与第二晶体管Q2的第一端子(源极/漏极)连接。第二晶体管Q2的第二端子(栅极)与读取字线RWL1连接，第二晶体管Q2的第三端子(源极/漏极)与位线BL1连接。其中，MTJ42的第一端即MTJ42在z方向(即垂直方向)上靠近电极层41的一端。MTJ42的第二端即MTJ42在z方向上远离电极层41的一端。
可以理解，上述阵列以及子阵列还可以有其他实现方式，本申请实施例对此不作具体限 定。
子阵列31b、31c、31d的结构与子阵列31a相似，在此不再赘述。
请参阅图4，本申请提供一种磁性存储单元40，可以应用于上述阵列31中。图4中的(a)为本申请实施例提供的一种磁性存储单元40的立体图。图4中的(b)是沿图4中的(a)的线Ⅱ-Ⅱ截取的截面图。其中，图3中所描述的关于磁性存储单元40、电极层41、MTJ42的内容可以分别适用于图4中的磁性存储单元40、电极层41、MTJ42。
如图4中的(a)所示，磁性存储单元40包括电极层41以及设于电极层41上的MTJ42。
电极层41在第一方向上(X方向或-X方向)延伸。若向电极层41施加写入电流411，则该写入电流411的电流方向与第一方向相同或相反，即电极层41内的写入电流411的方向与第一方向相同或相反。如图4中的(a)所示，写入电流411的电流方向为X方向。
下文以第一方向为X方向进行说明。
可以理解，自旋霍尔效应是指在没有外加磁场作用的情况下，自旋方向不同的电子沿着垂直于电流的方向产生偏转，从而产生了垂直方向的自旋极化电流。具有强自旋轨道耦合效应的元素(材料)在电、微波或光等的辅助驱动下，能够产生自旋霍尔效应。
其中，电极层41可以包括自旋轨道耦合效应强的材料。通常，重金属的自旋轨道耦合效应较强，而轻金属的自旋轨道耦合效应较弱。即在相同的电流的作用下，重金属材料的自旋霍尔系数越高，产生的自旋极化电流越大。换一种表达方式，在产生相同的自旋极化电流的情况下，金属材料的自旋霍尔系数越高，所需的电流越低，器件的能耗越低。上述电极层41可以利用具有高自旋霍尔系数的重金属材料(例如，铂Pt，钨W，钽Ta)或具有掺杂的重金属材料(例如，PtB，WB，TaB)制作，以获得更高的自旋极化电流。
在一些实施例中，电极层41也可以包括高自旋霍尔系数的拓扑绝缘体材料(例如Bi2Se3)。
MTJ42包括沿垂直方向(即z方向)顺序堆叠的自由层421、势垒层422以及参考层423。自由层421位于电极层41上方，势垒层422位于自由层421上方，参考层423位于势垒层422上方。
势垒层422由非常薄的绝缘体材料形成，使得电子可在适当条件下穿过势垒层422从自由层421穿隧到参考层423，或穿过势垒层422从参考层423穿隧到自由层421。
MTJ42的电性质可由电阻表示，而电阻值的大小由自由层421与参考层423的磁化方向决定。MTJ42的隧道磁阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)原理：当参考层423的磁化方向与自由层421的磁化方向平行且方向相同(即自由层421的磁化方向与参考层423的磁化方向呈平行状态)时，MTJ42的电阻值为低，MTJ42处于低阻状态；当参考层423的磁化方向与自由层421的磁化方向平行且方向相反(即自由层421的磁化方向与参考层423的磁化方向呈反平行状态)时，MTJ42的电阻值为高，MTJ42处于高阻状态。MTJ42的高阻状态和低阻状态代表了两种不同的数据状态，可用于表示逻辑“0”与逻辑“1”的值。
在本申请实施例中，MTJ42还包括设置在参考层423上的钉扎层424。
上述参考层423和自由层421为磁性层，即参考层423和自由层421均包括磁性材料。在一些实施例中，参考层423和自由层421的磁性材料可以包括钴铁硼(CoFeB)合金、钴铁(CoFe)合金或镍铁钴(NiFeCo)合金中的一种或多种。在另一些实施例中，参考层423可由例如钴铁(CoFe)和/或钴铁硼(CoFeB)等金属合金形成。以参考层423和自由层421的材料为CoFeB合金为例，具体地，参考层423和自由层421的材料可以为(Co xFe 1-x) 1-yB y，其中x，y均界于0-0.30之间。
上述势垒层422为非磁性层。示例的，势垒层422的材料可以包括氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)、Mg-Al-O、Mg-Ga-O中的一种或多种。
上述钉扎层424有时称为复合钉扎层424，钉扎层424包括由例如钌(Ru)等非磁性金属形成的耦合层、由例如CoFe和/或CoFeB等金属合金形成的顶部钉扎层以及由IrMn，PtMn等金属形成的反铁磁层。
在一些实施例中，MTJ42还可以包括底电极层(Bottom Conducting Layer)和顶电极层(Top Conducting Layer)，底电极层设置在电极层41与自由层421之间，顶电极层设置在钉扎层424上。
在本申请实施例中，当MTJ42包括自由层421、势垒层422和参考层423时，则MTJ42的第一端为自由层421，MTJ42的第二端为参考层423。当MTJ42还包括底电极层时，则MTJ42的第一端为底电极层。当MTJ42还包括钉扎层424时，则MTJ42的第二端为钉扎层424。当MTJ42还包括顶电极层时，则MTJ42的第二端为顶电极层。
在一些实施例中，磁性存储单元40还包括衬底410，电极层41形成在衬底410上，该衬底410可以为载体衬底。衬底410可以是硅(Si)衬底。在一些实施方式中，衬底410可以是具有热氧化物层的硅(Si)衬底、或者单晶硅(Si)衬底。衬底410还可以是具有通孔的介质层。
在本申请实施例中，向电极层41中施加写入电流411，电极层41中具有强自旋轨道耦合效应的元素(材料)在写入电流411的辅助驱动下，产生沿MTJ42的自由层421扩散的自旋极化电流，利用电极层41中具有强自旋轨道耦合效应的元素(材料)的自旋霍尔效应，自旋极化电流可以翻转MTJ42中自由层421材料的磁化方向。示例性地，写入电流411的电流方向为X方向，写入电流411翻转自由层421的磁化方向，使得自由层421的磁化方向与参考层423的磁化方向平行且方向相反，MTJ42处于高阻状态。则写入电流411的电流方向为-X方向时，写入电流411翻转自由层421的磁化方向，使得自由层421的磁化方向与参考层423的磁化方向平行且方向相同，MTJ42处于低阻状态。
在本申请实施例中，若MTJ42中各层的堆叠方向为由自由层421指向钉扎层424，则堆叠方向与垂直方向相同。若MTJ42中各层的堆叠方向为由钉扎层424指向自由层421，则堆叠方向与垂直方向相反。堆叠方向、垂直方向均垂直于钉扎层424所在的平面、参考层423所在的平面、自由层421所在的平面。
其中，自由层421的磁化方向(以双箭头401指示)可在磁场(如写入或擦除的电流/电压)作用下切换。参考层423的磁化方向(以单箭头402指示)难以在磁场(如写入或擦除的电流/电压)作用下切换。钉扎层424的磁化方向(以单箭头403指示)难以在磁场(如写入或擦除的电流/电压)作用下切换。
在一些实施例中，图4中的(a)中的双箭头401也可以指示自由层421在没有磁场(如正常操作写入或擦除电流/电压)作用下的磁化方向，即双箭头401可以指示自由层421的易磁化轴。
自由层421、参考层423以及钉扎层424的磁化方向均垂直于堆叠方向。自由层421的磁化方向平行于自由层421所在的平面；参考层423的磁化方向平行于参考层423所在的平面；钉扎层424的磁化方向平行于钉扎层424所在的平面。
可以理解，本文所说的MTJ42中的层的磁化方向平行该层所在的平面，也即该层的磁化方向处于该层所在的平面内。例如，自由层421的磁化方向平行于自由层421所在的平面，即自由层421的磁化方向处于自由层421所在的平面内。
基于上述，MTJ42的自由层421和参考层423的磁化方向与相应层所在的平面平行或处于相应层的平面内，MTJ42(或磁性存储单元40)被称为具有面内(in-plane)磁各向异性或纵向磁各向异性。MTJ42中相应层的面内磁各向异性表示该层的磁化方向被固定在该层的平面内的方向上(例如自由层421的磁化方向处于自由层421所在的平面内)。
在一些实施例中，磁各向异性可以指代其中磁化在能量上有利的方向或轴。例如，在一个实施例中，磁各向异性可以指代用于磁化磁性材料的“易轴”的方向(易磁化轴)。如图4中的(a)，自由层421具有面内磁各向异性，即自由层421的易磁化轴(双箭头401)与自由层421所在的平面平行或处于自由层421所在的平面内。
在本申请实施例中，针对磁性隧道结的层，将该层在第一方向上的最长线段定义为该层的短轴，将该层在第三方向上的最长线段定义为该层的长轴，第一方向与第三方向在该层所在的平面内，且第一方向与第三方向互相垂直。如第一方向为X方向，第三方向为Y方向或-Y方向。
需要说明的是，现有技术中，具有面内磁各向异性的MTJ42(或磁性存储单元40)的磁化方向通常是通过构建具有拉长的形状(诸如椭圆)的存储器单元来提供的。然而，本申请实施例提供的磁性存储单元40(MTJ42)的面内磁各向异性可以不依靠其形状各项异性，其形状可灵活设置。
如图1中的(a)所示，面内SOT-MRAM100需要一个电流密度大于特定写入电流密度阈值的写入电流15(即流经电极层10内的电流)，以实现磁性隧道结电阻状态改写，电流大小I＝电流强度J*横截面面积A，因此面内SOT-MRAM100所需要的写入电流15小正比于电极层10的横截面面积A，通常电极层10的厚度为1-10nm，当厚度固定时，其横截面面积A正比于自由层12的长轴长度L，也即写入电流15正比于自由层12的长轴长度L。如图1中的(b)所示，自由层12具有面内磁各向异性。自由层12为椭圆形，在Y方向上连接椭圆的两个点所能获得的最长线段即为自由层12的长轴，在X方向上连接椭圆的两个点所能获得的最长线段即为自由层12的短轴。自由层12的长轴的长度L大于短轴的长度W，长轴的长度L与短轴的长度W之间的比例L/W约为3。
而，本申请实施例提供的磁性存储单元40(MTJ42)，如图4中的(b)所示，双箭头401平行于自由层421所在的平面，自由层421具有面内磁各向异性。自由层421的截面为正方形，在Y方向上连接正方形的两个点所能获得的最长线段即自由层421的长轴，在X方向上连接正方形的两个点所能获得的最长线段即自由层421的短轴，自由层421长轴的长度y与短轴的长度x之间的比例y/x等于1。自由层421的长轴与短轴的比例小于自由层12的长轴与短轴的比例。自由层421与自由层12的短轴长度相同时，则自由层421的长轴长度小于自由层12的长轴长度，相应地，电极层41的横截面面积相比电极层10的横截面面积变小，进而可以减少电极层41内的写入电流411。
在本申请实施例中，磁性存储单元40中的MTJ42配置成产生定向应力404，通过向MTJ42施加机械应变/应力来增加MTJ42中各个层的面内磁各向异性，进而使得MTJ42中各个层的磁各向异性不再由MTJ42中各个层的形状各向异性提供，由此能减小MTJ42的尺寸和写入电流411。
在本申请实施例中，至少MTJ42中的自由层421配置成产生定向应力404。下面以自由层421配置成产生定向应力404进行说明。可以使用在自由层421上引起定向静态应力以增加自由层421的面内磁各向异性，并且因此减小自由层421的沿第三方向上的尺寸(或减小自由层421 的长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x)和电极层41内电流的工艺和结构配置来制造MTJ42。
具体地，可以通过控制制造集成过程来有意地沿期望方向(即指定方向)将应力和应变引入到自由层421的方式施加自由层421中的应力和应变，也即在制造期间沿受控方向、用受控幅值或沿受控方向和用受控幅值来引起自由层421上的定向静态应变/应力。自由层421上定向静态应变/应力会使得自由层421中磁性材料的磁性发生改变，进而改变自由层421磁性材料的易磁化轴。由此可通过控制自由层421上定向静态应变/应力实现对自由层421的易磁化轴的控制，提供自由层421的面内磁各向异性。则自由层421的面内磁各向异性不再由自由层421的形状各向异性提供，也就无须构建如图1中的椭圆形。
面内磁各向异性可通过在自由层421上施加机械应力和应变来引起。可由应力和应变引起的面内磁各向异性的幅值还取决于自由层421材料在应力下的磁致伸缩，如通过磁致弹性能量的等式所描述的：
其中λ表示材料的磁致伸缩系数，σ表示施加于材料的应变/应力，并且θ表示应变/应力与磁化之间的角度。应理解，术语应变包括应力。其中应变为一微小材料元素承受应力时所产生的变形强度(或简称为单位长度变形量)。
由应力引起的磁各向异性的幅值与磁致伸缩乘以应变/应力成比例，如由下公式所描述的：
K＝3/2λσ (2)
其中，K为应力引起的磁各向异性的幅值。如果λσ>0，则自由层421中的磁化方向被约束为与应变/应力的施加方向相同的方向。如果λσ<0，则自由层421中的磁化方向被约束垂直于应变/应力的施加方向。
材料的磁致伸缩系数λ部分地取决于材料的成分。例如，在CoNiB或CoFeB的层中，可以通过减少材料成分中Co的量来增加磁致伸缩系数λ。在一些实施例中，自由层421磁致伸缩系数λ可以通过控制其厚度和材料成分来控制。例如，减小自由层421的厚度显著地增加自由层421的磁致伸缩系数λ。
在本申请实施例中，如图4中的(b)所示，定向应力404至少包括第一方向上的第一应力405和/或与第一方向垂直(第三方向)的方向上的第二应力406，也即定向应力404包括第一方向上的第一应力405、第三方向上的第二应力406或第一应力405与第二应力406。第一方向、第三方向、第一应力405与第二应力406均处于自由层421所在的平面内。
在一些实施例中，若自由层421所产生的定向应力404并非在第一方向也不在第三方向上，则第一方向上的第一应力405为定向应力404在第一方向上的应力分量，第三方向上的第二应力406为定向应力404在第三方向上的应力分量。在一些实施例中，若自由层421产生在第一方向上的第一应力405，则定向应力404即该第一应力405。在一些实施例中，若自由层421产生在第三方向上的第二应力406，则定向应力404即该第二应力406。在一些实施例中，若自由层421所产生在第一方向的第一应力405和第三方向上的第二应力406，则该第一应力405和第二应力406即定向应力404。
在本申请实施例中，第一应力405包括张应力或压应力，第二应力406包括张应力或压应力。第一应力405不同于第二应力406。也即定向应力404可以包括但不限于如下情形：
第一方向上的张应力和第三方向上的压应力；第一方向上的压应力和第三方向上的张应力；第一方向和第三方向上的压应力，且第一方向和第三方向上的压应力大小不同；第一方向和第三方向上的张应力，且第一方向和第三方向上的张应力大小不同；第一方向上的张应 力，第三方向上的应力为0；第一方向上的压应力，第三方向上的应力为0；第三方向上的张应力，第一方向上的应力为0；第三方向上的压应力，第一方向上的应力为0。
在本申请实施例中，通过在自由层421内配置生成定向应力404，使得自由层421的易磁化轴与第一方向之间具有第二夹角β，0°＜β≤90°，也即易磁化轴不与第一方向平行或反平行，可以理解为，易磁化轴可以为除了与第一方向相同(X方向)或与第一方向相反(-X方向)的方向之外的任一方向。
自由层421配置生成的定向应力404包括在第一方向上的第一应力405和在第三方向上的第二应力406。需要说明的是，第一方向上的第一应力并非是指第一应力的方向为第一方向，相应地，第三方向上的第二应力并非是指第二应力的方向为第三方向。
请一并参阅图5和图6，下面以控制自由层421的易磁化轴处于自由层421所在的平面，且易磁化轴固定于第三方向，即第二夹角β等于90°为例，自由层421配置产生的定向应力404所包括的第一应力与第二应力包括但不限于如下情形：
当自由层421的磁致伸缩系数λ>0时，如图5中的(a)所示，第一应力405为压应力，第二应力406为张应力。或，如图5中的(b)所示，第二应力406为张应力，自由层421内无第一方向上的应力(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。或，如图5中的(c)所示，第一应力405为压应力，自由层421内无第二方向上的应力(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。或，如图5中的(d)所示，第一应力405和第二应力406均为压应力，且第一应力405大于第二应力406。或，如图5中的(e)所示，第一应力405和第二应力406为张应力，且第一应力405小于第二应力406。
当自由层421的磁致伸缩系数λ<0时，如图6中的(a)所示，第一应力405为张应力，第二应力406为压应力。或，如图6中的(b)所示，第一应力405为张应力，自由层421内无第二方向上的应力(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。或，如图6中的(c)所示，自由层421内无第一方向上的应力(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)，第二应力406为压应力。或，如图6中的(d)所示，第一应力405和第二应力406均为张应力，且第一应力405大于第二应力406。或，如图6中的(e)所示，第一应力405和第二应力406为压应力，且第一应力405小于第二应力406。
在本申请实施例中，在自由层421中所施加的应力的幅值可以通过控制在制造过程中的制造条件，制造条件例如可以为包括大气气压值、膜沉积速度、膜沉积压力、成膜时的温度和处理室的压力等。示例性地，改变制造大气中Ar或Kr的量可以改变正被制造的自由层421中的应力的幅值。应力幅值还可以通过在自由层421制造的沉积过程期间控制膜沉积速度来控制。应力幅值还可以通过在制造期间控制膜沉积压力来控制。
基于上述，本申请实施例提供的技术方案可以通过在MTJ42(或磁性存储单元40)中正确施加的应力和应变所引起MTJ42中各层的面内磁各向异性，作为由应力/应变引起的面内磁各向异性的结果，MTJ42的面内磁各向异性不再依赖于形状各向异性，使得磁性存储单元40的热稳定性不再与自由层421的尺寸或自由层421的长轴长度y与短轴长度x的比例直接相关，磁性存储单元40的热稳定性与其写入电流411的关系解耦，在维持其较大热稳定性的同时，仍能进一步降低其写入电流411，使得磁性存储单元40的写入电流411在热稳定性不变的情况下可以大幅降低，大幅降低磁性存储单元40的能耗。
进一步地，通过这种方式，在不提高写入电流411的同时，可以大幅提高磁性存储单元40的热稳定性，使得磁性存储单元40可以应用于各种非易失存储场景，例如汽车系统的车规非 易失存储，计算机领域的非易失存储等。
请一并参阅图7，图7中的(a)为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元的立体图。图7中的(b)是沿图7中的(a)的线Ⅲ-Ⅲ截取的截面图。图7中的(c)是沿图7中的(a)的线Ⅳ-Ⅳ截取的截面图。图7中的(d)是沿图7中的(a)的线Ⅴ-Ⅴ截取的截面图。
图7的磁性存储单元40亦包括图4所示磁性存储单元40的结构，图7的磁性存储单元40也可以在电极层41中流通与第一方向相同或相反的电流(即写入电流411)。图7与图4的区别在于还包括应力诱导层43。图7与图4的结构功能原理大致相似，在此不再赘述。
如图7中的(a)所示，应力诱导层43与MTJ42在水平方向上相邻。应力诱导层43包括第一结构431和第二结构432。第一结构431设于MTJ42沿第一方向上的第一侧425和第二侧426(请参图7中的(b))，第一侧425和第二侧426相对设置。第二结构432设于MTJ42沿第二方向上的第三侧427和第四侧428(请参图7中的(c))，第三侧427和第四侧428相对设置。
其中，第一方向与第二方向均与垂直方向垂直，第一方向与第二方向之间具有第一夹角α，0°＜α≤90°。第一方向与第二方向为水平面内的方向(即第一方向以及第二方向均处于水平面内)，第一夹角α为水平面内的夹角。其中水平方向与垂直方向垂直，水平方向可以理解为与垂直方向垂直的水平面内(如自由层421所在的平面内)的任一方向。
在一些实施例中，应力诱导层43至少与MTJ42的自由层421在水平方向上相邻。
如图7所示，以应力诱导层43与MTJ42在水平方向上相邻，第一方向与第二方向之间的第一夹角α为90度为例进行说明。
在本申请实施例中，第一结构431设于MTJ42沿第一方向上的第一侧425和第二侧426，第一侧425和第二侧426相对设置。第一侧425和第二侧426为MTJ42上相对设置的两个侧面，由第一侧425指向第二侧426的方向为第一方向或为与第一方向相反的方向。若以MTJ42所处位置为坐标原点，MTJ42的第一侧425为MTJ42朝向X方向的侧面，则MTJ42的第二侧426为MTJ42朝向-X方向的侧面。或者，MTJ42的第一侧425为MTJ42朝向-X方向的侧面，则MTJ42的第二侧426为MTJ42朝向X方向的侧面。
在本申请实施例中，第一结构431包括第一子结构433和第二子结构434两部分(请参图7中的(a)和(b))，该两部分分别设置在MTJ42的第一侧425和第二侧426。第一子结构433设置在MTJ42的第一侧425，第二子结构434设置在MTJ42的第二侧426。或者，第一子结构433设置在MTJ42的第二侧426，第二子结构434设置在MTJ42的第一侧425。
在本申请实施例中，第一子结构433和第二子结构434均与MTJ42连接。第一子结构433与MTJ42连接的侧面为第一子结构433的第一侧4331(请参图7中的(b))，第二子结构434与MTJ42连接的侧面为第二子结构434的第一侧4341(请参图7中的(b))。若第一子结构433设置在MTJ42的第一侧425，则第一子结构433的第一侧4331与MTJ42的第一侧425连接，第二子结构434的第一侧4341与MTJ42的第二侧426连接。若第一子结构433设置在MTJ42的第二侧426，则第一子结构433的第一侧4331与MTJ42的第二侧426连接，第二子结构434的第一侧4341与MTJ42的第一侧425连接。
如图7中的(a)和(b)所示，以MTJ42的第一侧425为MTJ42朝向X方向的侧面，MTJ42的第二侧426为MTJ42朝向-X方向的侧面，第一子结构433设置在MTJ42的第一侧425，第二子结构434设置在MTJ42的第二侧426为例。第一子结构433设置于MTJ42朝向X方向的一侧，第一子结构433的第一侧4331与MTJ42的第一侧425接触，即第一子结构433朝向-X方向的侧面与 MTJ42朝向X方向的侧面接触。第二子结构434设置于MTJ42沿-X方向的一侧，第二子结构434的第一侧4341与MTJ42的第二侧426接触，即第二子结构434朝向X方向的侧面与MTJ42朝向-X方向的侧面接触。第一子结构433和第二子结构434包裹了MTJ42在第一方向上的侧面。
在一些实施例中，第一子结构433和第二子结构434不连续，也即第一子结构433和第二子结构434不连接。可以理解为，MTJ42将第一结构431间隔成第一子结构433和第二子结构434。
在一些实施例中，第一子结构433和第二子结构434可以连续，也即第一子结构433和第二子结构434可以相互连接。例如，第一子结构433和第二子结构434形成一凹槽，MTJ42设置于该凹槽内。
在本申请实施例中，第二结构432设于MTJ42沿第二方向上的第三侧427和第四侧428，第三侧427和第四侧428相对设置。第三侧427和第四侧428为MTJ42上相对设置的两个侧面，由第三侧427指向第四侧428的方向为第二方向或为与第二方向相反的方向。若以MTJ42所处位置为坐标原点，MTJ42的第三侧427为MTJ42朝向Y方向的侧面，则MTJ42的第四侧428为MTJ42朝向-Y方向的侧面。或者，MTJ42的第三侧427为MTJ42朝向-Y方向的侧面，则MTJ42的第四侧428为MTJ42朝向Y方向的侧面。
在本申请实施例中，第二结构432包括第三子结构435和第四子结构436两部分(请参图7中的(a)和(b))，该两部分分别设置在MTJ42的第三侧427和第四侧428。第三子结构435设置在MTJ42的第三侧427，第四子结构436设置在MTJ42的第四侧428。或者，第三子结构435设置在MTJ42的第四侧428，第四子结构436设置在MTJ42的第三侧427。
在本申请实施例中，第三子结构435和第四子结构436均与MTJ42连接。第三子结构435与MTJ42连接的侧面为第三子结构435的第一侧4351(请参图7中的(c))，第四子结构436与MTJ42连接的侧面为第四子结构436的第一侧4361(请参图7中的(c))。若第三子结构435设置在MTJ42的第三侧427，则第三子结构435的第一侧4351与MTJ42的第三侧427连接，第四子结构436的第一侧4361与MTJ42的第四侧428连接。若第三子结构435设置在MTJ42的第四侧428，则第三子结构435的第一侧4351与MTJ42的第四侧428连接，第四子结构436的第一侧4361与MTJ42的第三侧427连接。
如图7中的(a)和(c)所示，以第三子结构435设置在MTJ42的第三侧427，第四子结构436设置在MTJ42的第四侧428，MTJ42的第三侧427为MTJ42朝向Y方向的侧面，MTJ42的第四侧428为MTJ42朝向-Y方向的侧面为例。第三子结构435设置于MTJ42朝向Y方向的一侧，第三子结构435的第一侧4351与MTJ42的第三侧427接触，即第三子结构435朝向-Y方向的侧面与MTJ42朝向Y方向的侧面接触。第四子结构436设置于MTJ42沿-Y方向的一侧，第四子结构436的第一侧4361与MTJ42的第四侧428接触，即第四子结构436朝向Y方向的侧面与MTJ42朝向-Y方向的侧面接触。第三子结构435和第四子结构436包裹了MTJ42在第二方向上的侧面。
在一些实施例中，第三子结构435和第四子结构436不连续，也即第三子结构435和第四子结构436不连接。可以理解为，MTJ42将第二结构432间隔成第三子结构435和第四子结构436。
在一些实施例中，第三子结构435和第四子结构436可以连续，也即第三子结构435和第四子结构436可以相互连接。例如，第三子结构435和第四子结构436形成一凹槽，MTJ42设置于该凹槽内。
在本申请实施例中，第一结构431和第二结构432可以相互置换，即第一结构431设于MTJ42沿第二方向上的第三侧和第四侧，第二结构432设于MTJ42沿第二方向上的第一侧和第二侧。
在一些实施例中，第一结构431和第二结构432可以相互接触，即相互连接。第一结构431与第二结构432接触的面可以为第一结构431朝向X方向、-X方向、-Y方向或Y方向上的侧面中的一个或多个。相应地，第二结构432与第一结构431接触的面可以为第二结构432朝向X方向、-X方向、-Y方向或Y方向上的侧面中的一个或多个。如图7中的(d)所示，第三子结构435朝向-Y方向的侧面与第一子结构433以及第二子结构434朝向Y方向的侧面相互接触。第四子结构436朝向Y方向的侧面与第一子结构433以及第二子结构434朝向-Y方向的侧面相互接触。
或者，第三子结构435朝向X方向的侧面与第一子结构433朝向-X方向的侧面相互接触，第三子结构435朝向-X方向的侧面与第二子结构434朝向X方向的侧面相互接触。第四子结构436朝向X方向的侧面与第一子结构433朝向-X方向的侧面相互接触，第四子结构436朝向-X方向的侧面与第二子结构434朝向X方向的侧面相互接触。
在一些实施例中，第一结构431和第二结构432可以不相互接触，即第一结构431与第二结构432之间没有连接。
如图7中的(b)和(d)所示，第一子结构433的第一侧4331与MTJ42的第一侧425相互接触之处存在第一边界，第二子结构434的第一侧4341与MTJ42的第二侧426相互接触之处存在第二边界。从图7中的(b)可以看到第一边界与第二边界均呈现笔直状，且均与垂直方向平行。从图7中的(d)可以看到第一边界与第二边界均呈现笔直状，且均与第二方向平行。如图7中的(c)和(d)所示，第三子结构435的第一侧4351与MTJ42的第三侧427相互接触之处存在第三边界，第四子结构436的第一侧4361与MTJ42的第四侧428相互接触之处存在第四边界。从图7中的(c)可以看到第三边界与第四边界均呈现笔直状，且均与垂直方向平行。从图7中的(d)可以看到第三边界与第四边界均呈现笔直状，且均与第一方向平行。
如图7中的(d)所示，自由层421在平面内具有第一方向上的第一组边界和第二方向上的第二组边界，第一组边界包括第一边界与第二边界，第二组边界包括第三边界与第四边界。自由层421基于第一组边界接触的第一结构431与基于第二组边界接触的第二结构432不同。下面具体说明第一结构431与第二结构432不同。
在一些实施例中，第一结构431的杨氏模量不同于第二结构432的杨氏模量。第一结构431的杨氏模量大于第二结构432的杨氏模量，或第二结构432的杨氏模量大于第一结构431的杨氏模量。在一些实施例中，MTJ42的磁性材料、第一结构431、第二结构432的杨氏模量均不同。
在本申请实施例中，控制制造集成过程来有意地设置相应杨氏模量的第一结构431和第二结构432，以向MTJ42提供磁各向异性。例如，设置第一结构431、第二结构432、自由层421的杨氏模量分别为第一预设杨氏模量、第二预设杨氏模量以及第三预设杨氏模量。在制造磁性存储单元40时，生成杨氏模量为第三预设杨氏模量的自由层421、杨氏模量为第一预设杨氏模量的第一结构431和杨氏模量为第二预设杨氏模量的第二结构432，以固定自由层421的易磁化轴，使得自由层421的易磁化轴与第一方向之间具有第二夹角β，0°＜β≤90°，也即自由层421的易磁化轴可以为除了与第一方向相同或相反的方向之外的任一方向，自由层421的易磁化轴可以处于自由层421所在的平面内，还可以垂直于自由层421所在的平面。
下面以第一结构431的杨氏模量为第一杨氏模量，第二结构432的杨氏模量为第二杨氏模量，第一结构431和第二结构432固定自由层421的易磁化轴于第二方向(即第二夹角β＝90°，且第二夹角β为自由层421所在平面内的夹角)，第一杨氏模量和第二杨氏模量可以包括但不限如下情形：
请参阅图8，图8为本申请实施例提供的自由层的磁致伸缩系数λ>0时，第一结构在第一 方向上的应力和第二结构在第二方向上的应力示意图。
如图8中的(a)所示，第一结构431的第一杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的压应力。第二结构432的第二杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的张应力。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的压应力，第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的张应力，第一方向上的压应力和第二方向上的张应力使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图8中的(b)所示，第二杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的张应力。第一结构431的应力为零(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的张应力，第二方向上的张应力使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图8中的(c)所示，第一杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的压应力。第二结构432的应力为零(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的压应力，第一方向上的压应力使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图8中的(d)所示，第一杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的压应力。第二杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的压应力。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的压应力，第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的压应力，第一方向上的压应力大于第二方向上的压应力，使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图8中的(e)所示，第一杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的张应力。第二杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的张应力。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的张应力，第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的张应力，第一方向上的张应力小于第二方向上的张应力，使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
请参阅图9，图9为本申请实施例提供的自由层的磁致伸缩系数λ＜0时，第一结构在第一方向上的应力和第二结构在第二方向上的应力示意图。
如图9中的(a)所示，第一杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的张应力。第二杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的压应力。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的张应力，第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的压应力，第一方向上的张应力和第二方向上的压应力使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固 定于第二方向。
如图9中的(b)所示，第二杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的压应力。第一结构431的应力为零(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的压应力，第二方向上的压应力使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图9中的(c)所示，第一杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的张应力。第二结构432的应力为零(或应力小于一预先设置的预设值，可以忽略不计)。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的张应力，第一方向上的张应力使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图9中的(d)所示，第一杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的张应力。第二杨氏模量小于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的张应力。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的张应力，第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的张应力，第一方向上的张应力大于第二方向上的张应力，使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
如图9中的(e)所示，第一杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第一结构431提供给自由层421沿第一方向上的压应力。第二杨氏模量大于自由层421的杨氏模量，第二结构432提供给自由层421沿第二方向上的压应力。第一结构431通过第一组边界为自由层421提供第一方向上的第一应力405，即向自由层421提供来自第一方向上的压应力，第二结构432通过第二组边界为自由层421提供第二方向上的第二应力406，即向自由层421提供来自第二方向上的压应力，第一方向上的压应力小于第二方向上的压应力，使得自由层421的易磁化轴(以箭头401表示)固定于第二方向。
在本申请实施例中，第一结构431和第二结构432将MTJ42包裹，第一结构431的杨氏模量不同于第二结构432的杨氏模量，导致MTJ42的磁性材料(例如自由层421)在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得MTJ42的磁性材料在第一方向和第二方向上产生不同的应力。基于磁致弹性效应，MTJ42的磁性材料上的不同的应力会使得磁性材料的磁性发生改变，MTJ42的磁性材料的易磁化轴发生改变。
在一些实施例中，第一结构431的材料不同于第二结构432的材料。其中，第一结构431和第二结构432均为介电质材料，例如，SiC、LaO、AlO、AlON、ZrO、HfO、SiN、ZnO、ZrN、ZrAlO、TiO、TaO、YO、TaCN、ZrSi、SiOCN、SiOC、SiCN、HfSi或SiO等。
第一结构431的介电质材料不同于第二结构432的介电质材料。例如，第一结构431的材料可以为高介电常数(high-k)材料，第二结构432的材料可以为低介电常数(low-k)材料。或者，第一结构431的材料可以为低介电常数材料，第二结构432的材料可以为高介电常数材料。或者，第一结构431和第二结构432为不同的低介电常数材料。或者，第一结构431和第二结构432为不同的高介电常数材料。
在本申请实施例中，高介电常数(high-k)材料是一类介电常数较高的高分子材料，可以指 介电常数大于二氧化硅的材料，二氧化硅的介电常数为3.9，即介电常数大于3.9的材料称为高介电材料。
在一些实施例中，若想要控制MTJ42的磁性材料(例如自由层421)的易磁化轴固定于第二方向，则可以参考图8和图9中第一结构431对自由层421在第一方向上所形成的应力以及第二结构432对自由层421在第二方向上所形成的应力，进而控制生成第一结构431和第二结构432的材料，以此实现通过第一结构431和第二结构432固定自由层421的易磁化轴于第二方向。
在本申请实施例中，MTJ42的磁性材料(例如自由层421)在第一组边界接触的介电质材料不同于在第二组边界接触的介电质材料，导致MTJ42的磁性材料在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得MTJ42的磁性材料在第一方向和第二方向上产生不同的应力。基于磁致弹性效应，MTJ42的磁性材料上的不同的应力会使得磁性材料的磁性发生改变，MTJ42的磁性材料的易磁化轴发生改变。
在一些实施例中，第一结构431的化学式和第二结构432的化学式相同，其中，第一结构431和第二结构432分别在不同的制造条件下生成。
在一些实施例中，第一结构431的制造条件和第二结构432的制造条件不同，不同的制造条件可以使得第一结构431所产生的应力幅值不同于第二结构432所产生的应力幅值，或，不同的制造条件可以使得第一结构431所产生的应力不同于第二结构432所产生的应力，进而使得MTJ42的磁性材料在第一方向上所产生的应力不同于第二方向上所产生的应力。
在本申请实施例中，控制生成第一结构431时所使用的制造条件，以在制造期间沿受控方向和/或用受控幅值来引起第一结构431上的应力。控制生成第二结构432时所使用的制造条件，以在制造期间沿受控方向和/或用受控幅值来引起第二结构432上的定向静态应变/应力。分别控制生成第一结构431时所使用的制造条件和生成第二结构432时所使用的制造条件，以使得第一结构431和第二结构432上的应力或应力幅值不同。
其中制造条件如上述可以为包括大气气压值、膜沉积速度、膜沉积压力、成膜时的温度和处理室的压力等。可以理解为使用化学式相同的物质在不同的制造条件分别生成第一结构431和第二结构432。例如以控制制造大气中Ar的量，在生成第一结构431(如SiN)时，控制制造大气中气压值为A，在生成第二结构432时，控制气压值为B，A和B不同，进而生成的第一结构431和第二结构432中的应力的幅值不同。
在一些实施例中，若想要控制MTJ42的磁性材料(例如自由层421)的易磁化轴固定于第二方向，则可以参考图8和图9中第一结构431和第二结构432所产生的应力，进而控制生成第一结构431和第二结构432时的制造条件，以此实现通过第一结构431和第二结构432固定自由层421的易磁化轴于第二方向。
在本申请实施例中，以不同的制造条件生成第一结构431和第二结构432，使得第一结构431所产生的应力不同于第二结构432所产生的应力。基于第一结构431所产生的应力不同于第二结构432所产生的应力，以及上述第一结构431包裹了MTJ42各层(例如自由层421)在第一方向上的侧面，第二结构432包裹了MTJ42各层在第二方向上的侧面，第一结构431所产生的应力传导至MTJ42在第一方向上的侧面，第二结构432所产生的应力传导至MTJ42在第二方向上的侧面，使得MTJ42的磁性材料在第一方向上的应力不同于第二方向上的应力。基于磁致弹性效应，MTJ42的磁性材料上不同的应力会使得磁性材料的磁性发生改变，MTJ42的磁性材料的易磁化轴发生改变。
在一些实施例中，第一结构431的热膨胀系数不同于第二结构432的热膨胀系数。第一结构431的热膨胀系数可以大于第二结构432的热膨胀系数，或者，第一结构431的热膨胀系数可以小于第二结构432的热膨胀系数。例如，第一结构431的热膨胀系数可以小于或等于9ppm/℃，第一结构431的热膨胀系数可以大于9ppm/℃。
可以理解，材料的热膨胀系数越大，其应力越小，在高温下的形变量越大，回到常温后，产生的热应力越大。相反，材料的热膨胀系数越小，其应力越大，在高温下的形变量越小，回到常温后，产生的热应力越小。有机材料的热膨胀系数远大于无机材料的热膨胀系数，有机材料的应力远小于无机材料的应力。其中，热应力是指：温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力，又称变温应力。
在本申请实施例中，通过设置第一结构431和第二结构432的热膨胀系数不同，若第一结构431的热膨胀系数小于第二结构432的热膨胀系数，即，第一结构431的应力大于第二结构432的应力。若第一结构431的热膨胀系数大于第二结构432的热膨胀系数，即，第一结构431的应力小于第二结构432的应力。
在本申请实施例中，第一结构431和第二结构432包裹MTJ42，第一结构431的热膨胀系数不同于第二结构432的热膨胀系数，导致MTJ42的磁性材料(例如自由层421)在第一方向和第二方向上的扩张的难易程度不同，从而使得MTJ42的磁性材料在第一方向和第二方向上产生不同的应力。基于磁致弹性效应(Magnetoelastic Effect)，MTJ42的磁性材料上的不同的应力会使得磁性材料的磁性发生改变，MTJ42的磁性材料的易磁化轴发生改变。
请一并参阅图3和图10，图10为图3所提供的阵列的另一种示意图。如图10所示，阵列31中的4个子阵列31a、31b、31c、31d中，子阵列31a的电极层与子阵列31b的电极层相互连接，子阵列31c的电极层与子阵列31d的电极层相互连接。子阵列31a的第一子结构433与子阵列31b的第二子结构434相互连接。相应地，子阵列31a的第二子结构434与位于第N子阵列(图未示)朝向X方向一侧的第一子结构(图未示)相互连接，其中，第N结构为位于子阵列31a朝向-X方向一侧的子阵列。子阵列31a的第三子结构435与子阵列31c的第四子结构436相互连接。相应地，子阵列31a的第四子结构436与位于第M子阵列(图未示)朝向Y方向一侧的第三子结构(图未示)相互连接，其中，第M结构为位于子阵列31a朝向-Y方向一侧的子阵列。
在一些实施例中，子阵列31a的电极层41与子阵列31b的电极层41彼此间隔开(即，电分离或电绝缘)，子阵列31的电极层41与子阵列31d的电极层41彼此间隔开。
请参阅图11，图11为示出制造图7所示磁性存储单元的方法的结构图。在以下描述中，参照图7描述的元件将由相同标号指代，并且为了简明起见，将不重复对它们的描述。
如图11中的(a)所示，在衬底410上沿着z方向依次生成极化膜110、MTJ堆叠层120和第一掩膜层130。极化膜110沿着X方向延伸。例如，在衬底410上，可通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)或原子层沉积工艺沿着X方向形成极化膜110(例如Ta，TaB，WB，W等)，以使得极化膜110在X方向上延伸。沿着z方向，在极化膜110上形成自由层膜121(例如Fe，CoFe，CoFeB，FeB等)，在自由层膜121上形成势垒层膜122(例如MgO，Mg-Al-O，Mg-Ti-O等)，在势垒层膜122上形成参考层膜123(例如Fe,CoFe,CoFeB，FeB等)，在参考层膜123上形成钉扎层膜124，最后在钉 扎层膜124上形成第一掩膜层130。其中，第一掩膜层130可以包括金属硬掩膜层(TaN,TiN等)及绝缘硬掩膜层(SiO，SiN等)。
其中，衬底410可以为硅基片，或者具有金属互联图案的硅基片。
在一些实施例中，可以在衬底410上形成多个底电极(图未示)和多个绝缘体(图未示)，然后在多个底电极和多个绝缘体上形成电极层41。制作底电极和绝缘体可以包括：在衬底410上形成绝缘体，形成穿过底电极的通孔和分别在通孔中形成底电极。在其中一些实施例中，可以对该多个底电极和多个绝缘体执行平坦化工艺。
如图11中的(b)所示，形成第一掩膜图案131。具体地，可以在第一掩膜层130上沉积光刻胶层(图未示)，对光刻胶层执行光刻工艺。光刻工艺可以包括执行光刻胶层的常规曝光和显影工艺。选择性地曝光光刻胶层，在第一掩膜层130上形成沿Y方向的第一光刻胶图案(图未示)，其中光刻胶能够通过适当的曝光而图案化为第一光刻胶图案。使用第一光刻胶图案作为掩模来执行图案化工艺，将第一掩膜层130图案化，即通过反应性离子蚀刻(ReactiveIonEtching，RIE)、反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)或离子束刻蚀Ion Beam Etching，IBE)将第一光刻图案传递到第一掩膜层130，得到第一掩膜图案131。第一掩膜图案131沿第三方向(即Y方向)延伸，平行第三方向。
如图11中的(c)所示，通过反应性离子蚀刻(ReactiveIonEtching，RIE)、反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)或离子束刻蚀(Ion Beam Etching，IBE)将第一掩膜图案131传递到极化膜110。
如图11中的(d)所示，通过物理气相沉积、化学气相沉积法或原子层沉积工艺等方法，在MTJ堆叠层120的第一方向上形成第一结构431，并对第一结构431执行平坦化工艺，暴露出钉扎层膜124。例如，在MTJ堆叠层120朝向X方向的侧面生成第一子结构433，在MTJ42朝向-X方向的侧面生成第二子结构434。
其中，执行平坦化工艺时可以不暴露第一掩膜图案131，或者，暴露出第一掩膜图案131。
如图11中的(e)所示，通过物理气相沉积、化学气相沉积法或原子层沉积工艺等方法在钉扎层膜124和第一结构431上生成第二掩模层(图未示)。在第二掩模层上沉积光刻胶层(图未示)，对光刻胶层执行光刻工艺。光刻工艺可以包括执行光刻胶层的常规曝光和显影工艺。选择性地曝光光刻胶层，在第二掩模层上形成沿X方向的第二光刻胶图案(图未示意)，使用第二光刻胶图案作为掩模来执行图案化工艺，将第二掩模层图案化，即通过反应性离子蚀刻(ReactiveIonEtching，RIE)、反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)或离子束刻蚀Ion Beam Etching，IBE)将第二光刻胶图案传递到第二掩模层，得到第二掩膜图案132。第二掩膜图案132在第一方向(即X方向)上延伸，也即第二掩膜图案132平行第一方向。
如图11中的(f)所示，通过反应性离子蚀刻(ReactiveIonEtching，RIE)、反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)或离子束刻蚀(Ion Beam Etching，IBE)将第二掩膜图案132传递到极化膜110以下，如传递到衬底410，得到MTJ42和电极层41。
如图11中的(g)所示，通过物理气相沉积、化学气相沉积法或原子层沉积工艺等方法，在MTJ42的第二方向上形成第二结构432，并对第二结构432执行平坦化工艺，暴露出钉扎层膜124。例如，在MTJ42朝向Y方向的侧面生成第三子结构435，在MTJ42朝向-Y方向的侧面生成第四子结构436。
可以理解，在生成第一结构431和第二结构432时，可以先生成第一结构431后再生成第二结构432，或先生成第二结构432后再生成第一结构431，或则，同时生成第一结构431和第二 结构432。
请参阅图12，图12为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元结构示意图。图12中与图7中的区别在于，磁性存储单元40还包括介质层44，该介质层44设置于第一结构431与MTJ42之间，和/或，介质层44设置于第二结构432与MTJ42之间，即该介质层44设置于第一结构431与MTJ42之间，或者，该介质层44设置于第二结构432与MTJ42之间，或者，该介质层44设置于第一结构431与MTJ42之间，且还设置于第二结构432与MTJ42之间。
其中，该介质层44为一层薄膜，设置于MTJ42的侧面，将MTJ42与第一结构431和第二结构432间隔开。该介质层44可以为氧化物或氮化物，例如可以为MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO、IrO和Si3N4等。在一些实施例中，介质层44可以包括多层膜。
在本申请实施例中，该介质层44至少设置于第一结构431与自由层421之间，或者，该介质层44至少设置于第二结构432与自由层421之间，或者，该介质层44至少设置于第一结构431与自由层421之间，且该还设置于第二结构432与自由层421之间。
如图12中的(a)所示，介质层44设置于第一子结构433、第二子结构434与自由层421之间且还设置于第三子结构435、第四子结构436与自由层421之间，介质层44呈笔直状。如图12中的(b)所示，自由层421呈现正方形，介质层44包裹自由层421的侧面，且介质层44呈现为正方形的边框。
请参阅图13，图13为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元结构示意图。图13与图7的区别在于自由层421的形状。如图13所示，自由层421为平行四边形，自由层421相邻的两条边之间的夹角为α。第一方向与第二方向之间的夹角与自由层421相邻的两条边之间的夹角相同。如图13所示，在自由层421朝向X方向一侧朝向第一方向生成第一子结构433，在自由层421朝向-X方向一侧朝向第一方向生成第二子结构434。在自由层421朝向Y方向一侧朝向第二方向生成第三子结构435，在自由层421朝向-Y方向一侧朝向第二方向生成第二子结构434。第一结构431与第二结构432相互接触。
在本申请实施例中，可以根据自由层421的形状设置对应的第一结构431和第二结构432，第一结构431与自由层421沿X方向的两侧(即MTJ42的第一侧425和第二侧426)相互接触，第二结构432与自由层421沿Y方向的两侧(即MTJ42的第三侧427和第四侧428)相互接触。
在一些实施例中，第一结构431用于在自由层421的侧面a上引起应力A，第二结构432用于在自由层421的侧面b上引起应力B，且侧面a与侧面b在水平方向上相邻，且应力A与应力B不同。
如图13所示，自由层421在Y方向上连接平行四边形的两个点所能获得的最长线段即自由层421的长轴，在X方向上连接平行四边形的两个点所能获得的最长线段即自由层421的短轴，自由层421长轴的长度y与短轴的长度x之间的比例y/x小于1。
请参阅图14，图14为本申请实施例提供的另一种磁性存储单元结构示意图。图14与图7的区别在于自由层421的形状。如图14所示，自由层421呈现为长方形。如图14所示，自由层421在Y方向上连接长方形的两个点所能获得的最长线段即自由层421的长轴，在X方向上连接长方形的两个点所能获得的最长线段即自由层421的短轴，自由层421长轴的长度y与短轴的长度x之间的比例y/x小于1。
如图13和图14，在本申请实施例中，基于第一结构431和第二结构432的设置，自由层421 (MTJ42)的形状可以根据灵活设置，且自由层421的长轴的长度y与短轴的长度x之间的比例y/x小于或等于1。
在本申请实施例中，本申请实施例提供的第一结构431和第二结构432可以固定MTJ42磁性材料(例如自由层421)的易磁化轴于第二方向上，例如，自由层421的易磁化轴为第二方向，通过第一结构431和第二结构432可以保持自由层421的易磁化轴为第二方向。或则，自由层421的易磁化轴为除了与第二方向相同或相反的方向之外的任一方向，则通过第一结构431和第二结构432可以将易磁化轴转至第二方向。
在一些实施例中，可以通过第一结构431与第二结构432将磁性存储单元40(MTJ42)的各层的磁化方向(易磁化轴)固定于与相应层所在的平面垂直，磁性存储单元40(MTJ42)被称为具有面外(out-plane)磁各向异性或垂直磁各向异性。面外磁各向异性表示该层的磁化方向被固定在与该层所在平面垂直的方向(例如自由层421的磁化方向垂直于自由层421的延伸方向)上。
若自由层421具有面内磁各向异性，则自由层421的易磁化轴和第一方向均与自由层421所在的平面平行，第二夹角β为自由层421所在的平面内的夹角。若自由层421具有面外磁各向异性，则自由层421的易磁化轴垂直自由层421所在的平面平行，即易磁化轴可以平行于垂直方向，第二夹角β不在自由层421所在的平面内。
现有技术中，具有面外磁各向异性的MTJ42(或磁性存储单元40)的磁化方向通常是降低膜厚度来提供的，膜厚度降低后难确保大规模存储器阵列31中的数据保持性。然而，本申请实施例提供的磁性存单元(MTJ42)具有面外磁各向异性，无须通过降低膜厚度来提供面外磁各向异性。磁性存储单元40中的MTJ42配置成产生定向应力404，通过向MTJ42施加机械应变/应力来增加MTJ42中的各个层的面外磁各向异性。
可以理解，对于SOTMRAM存储器件，其包括三种类型X型、Y型和Z型。对于X型，其自由层421磁化方向指向面内(即磁化方向在自由层421所在的平面内或与自由层421所在的平面平行)且与电极层41内电流的方向相同或相反。对于Y型，其自由层421磁化方向指向面内即磁化方向在自由层421所在的平面内或与自由层421所在的平面平行)且与电极层41内电流的方向垂直。对于Z型，其自由层421磁化方向指向面外(即磁化方向垂直于自由层421所在的平面)且与电极层41内电流的方向垂直。
基于上述，本申请实施例提供的技术方案可以通过在MTJ42(或磁性存储单元40)中正确施加的应力和应变所引起MTJ42中各层的垂直各向异性或面内磁各向异性，也即通过正确施加的应力和应变实现Y型和Z型SOTMRAM存储器件。
作为由应力/应变引起的垂直各向异性的结果，MTJ42中的电流显著减小。由应力和应变引起的垂直各向异性不改变MTJ42的反转磁场或热稳定性。还可以通过施加应力来改善SOTMRAM的热稳定性。
以上对本申请实施例所提供的磁性存储单元、存储器及其制造方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (30)

  1. 一种磁性存储单元，其特征在于，包括：
    电极层；
    设于所述电极层上的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；以及
    与所述自由层在水平方向上相邻的应力诱导层，所述应力诱导层包括第一结构和第二结构；
    所述第一结构设于所述自由层沿第一方向上的第一侧和第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对设置，所述第二结构设于所述自由层沿第二方向上的第三侧和第四侧，所述第三侧和所述第四侧相对设置，所述第一结构的杨氏模量不同于所述第二结构的杨氏模量，其中，所述第一方向与所述电极层内的电流的方向相同或相反，所述第一方向与所述第二方向之间具有第一夹角α，0°＜α≤90°。
  2. 如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层的易磁化轴与所述第一方向之间具有第二夹角β，0°＜β≤90°。
  3. 如权利要求1或2所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的材料不同于所述第二结构的材料。
  4. 如权利要求1或2所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的化学式和所述第二结构的化学式相同，其中，所述第一结构和所述第二结构分别在不同的制造条件下生成。
  5. 如权利要求1至4任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的热膨胀系数不同于所述第二结构的热膨胀系数。
  6. 如权利要求1至5任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，还包括：
    介质层，所述介质层设置于所述第一结构与所述自由层之间，和/或，所述介质层设置于所述第二结构与所述自由层之间。
  7. 如权利要求1至6任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x小于或等于1。
  8. 如权利要求1至7任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述水平方向、所述第一方向以及所述第二方向均处于所述自由层所在的平面内。
  9. 如权利要求1至8任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层的易磁化轴平行于所述自由层所在的平面。
  10. 如权利要求1至9任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构和所述第二结构用于固定所述自由层的易磁化轴。
  11. 如权利要求1至10任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元为平面内的自旋轨道力矩磁性随机存储器。
  12. 一种磁性存储单元，其特征在于，包括：
    电极层；以及
    设于所述电极层上的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；
    其中，所述垂直方向垂直于所述自由层所在的平面，所述自由层配置成产生定向应 力，其中，所述定向应力至少包括第一方向上的第一应力和/或与所述第一方向垂直的方向上的第二应力，所述第一方向与所述电极层内的电流的方向相同或相反，所述第一应力与所述第二应力均平行于所述自由层所在的平面。
  13. 如权利要求12所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一应力不同于所述第二应力。
  14. 如权利要求12或13所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一应力包括张应力或压应力，所述第二应力包括张应力或压应力。
  15. 如权利要求12至14任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，还包括：
    与所述自由层在水平方向上相邻的应力诱导层，所述应力诱导层包括第一结构和第二结构；
    所述第一结构设于所述自由层沿所述第一方向上的第一侧和第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对设置，所述第二结构设于所述自由层沿第二方向上的第三侧和第四侧，所述第三侧和所述第四侧相对设置，其中所述第一方向与所述第二方向之间具有第一夹角α，0°＜α≤90°。
  16. 如权利要求12至15任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层的易磁化轴与所述第一方向之间具有第二夹角β，0°＜β≤90°。
  17. 如权利要求15或16所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的杨氏模量不同于所述第二结构的杨氏模量。
  18. 如权利要求15至17任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的材料不同于所述第二结构的材料。
  19. 如权利要求15至17任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的化学式和所述第二结构的化学式相同，其中，所述第一结构和所述第二结构分别在不同的制造条件下生成。
  20. 如权利要求15至19任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构的热膨胀系数不同于所述第二结构的热膨胀系数。
  21. 如权利要求15至20任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构所产生的应力不同于所述第二结构所产生的应力。
  22. 如权利要求15至21任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一结构在所述自由层上所引起的应力不同于所述第二结构在所述自由层上所引起的应力。
  23. 如权利要求15至22任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，还包括：
    介质层，所述介质层设置于所述第一结构与所述自由层之间，和/或，所述介质层设置于所述第二结构与所述自由层之间。
  24. 如权利要求12至23任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层的长轴长度y与短轴长度x之间的比例y/x小于或等于1。
  25. 如权利要求15至24任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述水平方向、所述第一方向以及所述第二方向均处于所述自由层所在的平面内。
  26. 如权利要求12至25任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述定向应力用于确定所述自由层的易磁化轴。
  27. 如权利要求12至26任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层的易磁化轴平行于所述自由层所在的平面。
  28. 如权利要求12至27任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元为平面内的自旋轨道力矩磁性随机存储器。
  29. 一种磁性存储器，其特征在于，包括：磁性存储单元以及控制器；
    所述磁性存储单元在所述控制器的控制下存储数据，所述磁性存储单元为如权利要求1-11、或12-28中任一项所述的磁性存储单元。
  30. 一种用于制造磁性存储单元的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
    形成电极层；
    在所述电极层上形成磁性隧道结，所述形成磁性隧道结包括沿垂直方向顺序堆叠的自由层、势垒层以及参考层；
    在所述自由层沿第一方向上的第一侧和第二侧设置第一结构，其中所述第一侧和所述第二侧相对设置；
    在所述自由层沿第二方向上的第三侧和第四侧设置第二结构，其中所述第三侧和所述第四侧相对设置；所述第一方向与所述电极层内的电流的方向相同或相反，所述第一方向与所述第二方向之间具有第一夹角α，0°＜α≤90°，所述垂直方向垂直于所述自由层所在的平面，所述第一方向和所述第二方向处于所述自由层所在的平面内。
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