CN119497566A

CN119497566A - 磁存储器及其阵列

Info

Publication number: CN119497566A
Application number: CN202410638717.2A
Authority: CN
Inventors: 熊丹荣; 商显涛; 卢世阳; 马晓姿; 余小草; 刘宏喜; 王戈飞
Original assignee: Zhizhen Storage Beijing Technology Co ltd; Qingdao Haicun Microelectronics Co ltd
Current assignee: Zhizhen Storage Beijing Technology Co ltd; Qingdao Haicun Microelectronics Co ltd
Priority date: 2024-05-22
Filing date: 2024-05-22
Publication date: 2025-02-21

Abstract

本申请提供一种磁存储器及其阵列，涉及半导体技术领域，用于改善磁存储器的写入方式以及实现高密度磁存储器阵列。本申请提供的磁存储器结构中设置偏置区，偏置区内部至少填充有铁磁层、反铁磁层和种子层，能够有效提高磁存储器的稳定性；铁磁层产生的杂散场能够辅助自由层的磁向发生翻转，从而实现无场翻转，铁磁层/反铁磁层之间产生的交换偏置作用使得磁存储器微缩之后铁磁层的极性仍然能够稳定，进一步提高了磁存储器尺寸微缩后的器件稳定性，有利于实现高密度磁存储器阵列。

Description

磁存储器及其阵列

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及磁存储器及其阵列。

背景技术

磁存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是下一代存储器技术的主要候选者之一。MRAM的基本存储单元为磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）。MTJ核心结构为由两个铁磁层夹着一个氧化物势垒层而形成的三明治结构，其中一个铁磁层磁化方向不变，被称为固定层，另一个铁磁层的磁化方向可以被外界激励改变，被称为自由层。当自由层的磁化方向与固定层平行或反平行时，MTJ分别处于低电阻态或高电阻态，两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”。

根据数据写入机理的不同，MRAM的发展共经历了三代变革。其中，第三代磁存储器——自旋轨道矩磁存储器（Spin-orbit Torque MRAM，SOT-MRAM）具有非易失性、高速低功耗数据写入（< 1 ns，< ~0.1 pJ/bit）和高器件耐久性等优点，是有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈的关键技术。SOT-MRAM基本存储单元结构为在MTJ自由层的相邻位置添加一层重金属层，形成“重金属/自由层/势垒层/固定层”的多层膜结构。电流流经重金属能够产生自旋流，该自旋流能够翻转自由层的磁化方向，从而实现数据写入。

根据写入电流和自由层的方向不同，SOT-MRAM分为三种：Type-X型器件的写入电流方向和自由层磁矩方向平行，且都位于面内；Type-Y型器件的写入电流方向和自由层磁矩方向垂直，且都位于面内；Type-Z型器件写入电流方向和自由层磁矩方向垂直，自由层磁矩方向位于面外（Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA）。上述三种类型MTJ中，只有Type-Z可以做成圆形器件，有利于小尺寸微缩、高密度集成。然而，Type-Z型器件的PMA自由层的翻转需要外加辅助磁场，外磁场的引入会增加数据写入复杂性，不利于工艺集成。

现有技术主要通过引入反铁磁/铁磁的交换偏置(exchange bias)来实现Type-Z的无磁场翻转。比利时微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre,IMEC）在2019年公开了通过在MTJ顶部添加厚度较厚的钴磁性层产生杂散磁场，不需要引入外磁场就可以实现自由层的磁矩翻转；并且还在2022年公开了通过在自旋轨道矩层的底部增加较厚的磁性材料达到提供杂散场以翻转自由层的目的。然而，上述技术手段需要添加较厚的磁性层，产生较大的杂散磁场也会对相邻的器件造成干扰，不利于大规模集成，降低器件集成密度；并且当MTJ持续微缩时，添加的磁性层尺寸也会相应减小，其磁各向异性会变弱，导致该磁性层的磁化方向变得不稳定，不能提供稳定的杂散磁场，供自由层确定性翻转。

发明内容

为解决上述问题，本公开提供一种磁存储器及其阵列，通过优化器件结构及其阵列结构，在磁存储器结构中引入反铁磁/铁磁界面处的交换偏置(EB)，提供稳定的杂散场，以改善磁存储器的写入方式，实现新型高密度存储阵列。

根据一些实施例，本公开提供一种磁存储器，包括：衬底、偏置区、自旋轨道矩层、设置于自旋轨道矩层上方的磁隧道结；衬底位于自旋轨道矩层的下方，偏置区的上表面不高于自旋轨道矩层的上表面且偏置区的下表面不低于衬底的下表面，偏置区内部沿远离磁隧道结的方向上至少填充有铁磁层、反铁磁层和种子层。

在一些可能的实现方式中，自旋轨道矩层与铁磁层之间设置有第一插入间隔层，和/或，铁磁层与反铁磁层之间设置有第二插入间隔层。

在一些可能的实现方式中，设置磁存储器中铁磁层的初始磁化方向使其具有第一极性，初始磁化方向在通入自旋轨道矩层中的写入电流方向的平行方向上存在分量。

在一些可能的实现方式中，磁存储器中铁磁层与反铁磁层之间的交换偏置场大小大于铁磁层的矫顽场大小。

在一些可能的实现方式中，偏置区的上表面与衬底的上表面平齐且偏置区的下表面不低于衬底的下表面。

在一些可能的实现方式中，偏置区的上表面高于衬底的上表面且偏置区的下表面不低于衬底的下表面，偏置区高于衬底上表面的部分的外周有第一隔离层。

本公开实施例提供的磁存储器至少具有如下优点：

本公开实施例提供的磁存储器包括衬底、偏置区、自旋轨道矩层和磁隧道结；偏置区的上表面不高于自旋轨道矩层的上表面且偏置区的下表面不低于衬底的下表面，偏置区内部沿远离磁隧道结的方向上至少填充有铁磁层、反铁磁层和种子层，铁磁层产生的杂散场能够辅助自由层的磁向发生翻转，从而实现无场翻转，铁磁层/反铁磁层之间产生的交换偏置作用使得磁存储器微缩之后铁磁层的杂散场仍然能够稳定，进一步提高了磁存储器尺寸微缩后的器件稳定性，有利于高密度集成。

本公开实施例还提供一种磁存储器阵列，阵列包括一个或多个呈阵列分布的如前述所有实现方式所描述的磁存储器，以及若干条写入字线、若干条源线和若干条读取字线；

每列磁存储器的自旋轨道矩层的一端连接到一条写入字线；

每行磁存储器的自旋轨道矩层的另一端连接到一条源线；

磁隧道结的顶部设置有顶电极，每行或每列磁存储器的顶电极连接到一条读取字线。

在一些可能的实现方式中，设置磁存储器阵列中铁磁层的初始磁化方向使其具有第一极性；

通过写入字线和源线控制流入自旋轨道矩层的写入电流方向，改变目标磁存储器的阻态。

本公开提供的磁存储器阵列至少具有以下优点：

本公开提供的磁存储器阵列包括，一个或多个阵列分布的磁存储器、若干条写入字线、若干条源线和若干条读取字线，其中，每个磁存储器的偏置区至少填充有铁磁层、反铁磁层和种子层，偏置区内部的铁磁层产生的杂散场能够辅助自由层磁向发生翻转，不需外加磁场从而减小器件体积，有利于提高磁存储器阵列的排布密度；并且铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层的极性，提供稳定的杂散场，提高磁存储器阵列的稳定性。

本公开实施例还提供一种磁存储器阵列，阵列包括多个呈阵列分布的如前述所有实现方式所描述的磁存储器，其中，每行磁存储器的自旋轨道矩层相互连接形成自旋轨道矩通道，每列磁存储器的偏置区相互连接形成偏置通道，每个磁存储器的自旋轨道矩层和偏置区之间设置有第二隔离层。

在一些可能的实现方式中，自旋轨道矩通道由每行磁存储器的自旋轨道矩层通过导电材料连接形成，和/或，偏置通道由每列磁存储器的偏置区通过导电材料连接形成。

在一些可能的实现方式中，磁存储器阵列还包括，若干条写入字线，被设置为允许写入电流在自旋轨道矩通道流动，改变磁存储器的阻态；若干条控制位线，被设置为允许偏置电流在偏置通道流动，改变偏置通道中铁磁层的极性；通过控制铁磁层的极性和自旋轨道矩通道的写入电流方向实现磁存储器阻态的改变。

在一些可能的实现方式中，通过控制铁磁层的极性和自旋轨道矩通道的写入电流方向实现磁存储器阻态的改变，包括：磁存储器中的铁磁层为第一极性；控制写入字线对自旋轨道矩通道施加的写入电流方向，改变磁存储器的阻态。

在一些可能的实现方式中，通过控制铁磁层的极性和自旋轨道矩通道的写入电流方向实现磁存储器阻态的改变，包括：磁存储器中的铁磁层为第一极性；通过控制写入字线对自旋轨道矩通道施加的写入电流方向，改变磁存储器的阻态；通过控制位线对偏置通道施加偏置电流，使铁磁层具有第二极性；通过控制写入字线对自旋轨道矩通道施加与第一极性状态下方向相同的写入电流，磁存储器具有与第一极性状态下相反的阻态。

本公开实施例提供的磁存储器阵列至少具有以下优点：

本公开实施例提供的磁存储器阵列包括，多个呈阵列分布的磁存储器，其中，每行磁存储器的自旋轨道矩层相互连接形成自旋轨道矩通道，每列磁存储器的偏置区相互连接形成偏置通道，每个磁存储器的自旋轨道矩层和偏置区之间设置有隔离层，偏置通道内部的铁磁层产生的杂散场能够辅助自由层磁向发生翻转，不需外加磁场从而减小器件体积，有利于提高磁存储器阵列的排布密度；并且铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层的极性，磁化方向稳定不受外磁场干扰，器件杂散场稳定，可以实现微缩，获得高稳定性高密度的磁存储器阵列。此外，本公开实施例提供的磁存储器阵列通过控制铁磁层的极性和自旋轨道矩通道的写入电流方向实现磁存储器阻态的改变，既可以同时刷新多个磁存储器存储状态，也可以实现单个磁存储器的写入，可形成多功能选通写入磁存储器阵列。

附图说明

图1为本公开一实施例中第一种磁存储器的结构示意图；

图2为本公开一实施例中第二种磁存储器的结构示意图；

图3为本公开一实施例中的第一种磁存储器阵列示意图；

图4为本公开一实施例中的第二种磁存储器阵列示意图；

图5为本公开一实施例中的第三种磁存储器阵列示意图俯视图；

图6为本公开一实施例中的第四种磁存储器阵列示意图俯视图。

附图标记说明：

M₁-磁存储器；10-衬底；20-偏置区；21-铁磁层；22-反铁磁层；23-种子层；30-自旋轨道矩层；30A-自旋轨道矩层的一端；30B-自旋轨道矩层的另一端；40-磁隧道结；41-自由层；42-势垒层；43-固定层；50-顶电极；60-第一介质保护层；70-第二介质保护层；80-自旋轨道通道；90-偏置通道；100-第一连接区；110-第二连接区。

具体实施方式

为了使本公开实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，本公开所描述的实施例仅仅是本公开的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本公开保护的范围。

本公开提供一种磁存储器M₁，其结构如图1所示，包括:

衬底10、偏置区20、自旋轨道矩层30、设置于自旋轨道矩层上方的磁隧道结40；衬底10位于自旋轨道矩层30的下方；偏置区20的上表面不高于自旋轨道矩层30的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，偏置区20内部沿远离磁隧道结40的方向上至少填充有铁磁层21、反铁磁层22和种子层23。

在一些可能的实现方式中，衬底10可以为氧化物材料、氮化物材料或带有CMOS电路的基底等，衬底10中可含有通孔，以实现自旋轨道矩层30的电连接。

在一些可能的实现方式中，自旋轨道矩层30可以为单层膜，也可以为多层复合膜层，其材料包括：铂、钯、铪、金、钽、钨、铱等重金属材料及其合金、氧化物、氮化物、硼化物等；Bi_xSe_1-x、Bi_xSb_1-x、(Bi,Sb)₂Te₃等拓扑绝缘体；以及MoS₂、WTe₂等二维材料。

在一些可能的实现方式中，偏置区20的上表面不高于自旋轨道矩层30的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，优选为如图1和图2所示的偏置区20的上表面与衬底10的上表面平齐，位于衬底10中的偏置区20可以减小对其他单元的电干扰和磁干扰；在其他的一些实现方式中，偏置区20的上表面不高于自旋轨道矩层30的上表面且偏置区20的下表面不低于自旋轨道矩层30的下表面；在另外的一些实现方式中，偏置区20的上表面低于衬底10的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面。

在一些可能的实现方式中，偏置区20的上表面高于衬底10的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，偏置区20高于衬底10上表面的部分的外周有第一隔离层（未示出），第一隔离层的材质为氧化物、氮化物等绝缘材料。

在一些可能的实现方式中，偏置区20的形状可以为矩形、圆柱形等形状。

在一些可能的实现方式中，铁磁层21材料可以是Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、FeB、CoB、NiFe等一种或多种组合；反铁磁层22材料可以是IrMn、PtMn、FeMn、PdMn等一种或多种组合；种子层23材料可以是Ta、Ru、Cr、Pt、NiFe、NiFeCr的一种或多种合金。

在一些可能的实现方式中，自旋轨道矩层30与铁磁层21之间设置有第一插入间隔层（未示出），和/或，铁磁层21与反铁磁层22之间设置有第二插入间隔层（未示出）。第一插入间隔层用于在自旋轨道矩层30与铁磁层21之间产生电隔离，其材质可以为氧化硅、氮化硅等材料；第二间隔层用于调节铁磁层21与反铁磁层22之间的交换偏置场大小，其材质可以为W、Ta、Mo、Ru等金属材料及其合金，也可以使用氧化镁、氧化硅等氧化物材料。

在一些可能的实现方式中，设置磁存储器M₁中铁磁层21的初始磁化方向使其具有第一极性，设置初始磁化方向可以使用退火、磁场诱导或者电流诱导等方式；初始磁化方向在通入自旋轨道矩层30中的写入电流方向的平行方向上存在分量，优选的，初始磁化方向与通入自旋轨道矩层30中的写入电流方向的平行或反平行。

在一些可能的实现方式中，由于磁存储器M₁中铁磁层21可能会存在矫顽场，为使得反铁磁层22与铁磁层21之间发生确定的交换偏置作用，优选铁磁层21与反铁磁层22之间的交换偏置场大小大于铁磁层21的矫顽场大小，从而交换偏置作用可以钉扎住铁磁层21的极性，使得磁存储器中铁磁层21提供的杂散场保持稳定。本领域技术人员可知，当铁磁层21与反铁磁层22之间的交换偏置场大小等于或者小于铁磁层21的矫顽场大小时，反铁磁层22与铁磁层21之间也可以发生交换偏置作用。

在一些可能的实现方式中，铁磁层21、反铁磁层22和种子层23之间的结合方式为嵌入式，铁磁层21嵌入到反铁磁层22中，反铁磁层22嵌入到种子层23中，铁磁层21的上表面与偏置区20的上表面平齐，如图1所示。

参考图2，在一些可能的实现方式中，铁磁层21、反铁磁层22和种子层23之间的结合方式为非嵌入式，铁磁层21、反铁磁层22和种子层23不存在互相嵌入，铁磁层21的上表面与偏置区20的上表面平齐。

在一些可能的实现方式中，铁磁层21、反铁磁层22和种子层23以及构成偏置区20的其他膜层之间的结合方式为嵌入式和非嵌入式的任意组合，铁磁层21的上表面与偏置区20的上表面平齐，如：铁磁层21嵌入到反铁磁层22中、反铁磁层22和种子层23不存在互相嵌入，铁磁层21的上表面与偏置区20的上表面平齐。

在一些可能的实现方式中，铁磁层21的上下表面、反铁磁层22的上下表面和种子层23的上下表面可以两两相互平行也可以都不平行。

在一些可能的实现方式中，磁隧道结40结构包括但不限于，自由层41、势垒层42和固定层43，自由层41和固定层43的材质可以为铁磁材料，例如钴、铁、硼、镍、钌、铱、铂等，势垒层42的材料为绝缘材料，例如氧化镁、氧化铝、氧化硅等。

在一些可能的实现方式中，自由层41的磁向为沿垂直于磁存储器M₁顶部方向的垂直磁向，也可以为平行于通入自旋轨道矩层30电流方向的水平磁向，也可以为平行于通入偏置区20电流方向的面内磁向。

在一些可能的实现方式中，磁存储器中M₁还设置有第一介质保护层60和第二介质保护层70，第一介质保护层60和第二介质保护层70均为绝缘材料，如SiO₂、SiN等；第一介质保护层60和第二介质保护层70的材料可以相同也可以不同。

综上，本公开实施例提供的磁存储器M₁包括衬底10、偏置区20、自旋轨道矩层30和磁隧道结40，偏置区20的上表面不高于自旋轨道矩层30的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，偏置区20至少填充有铁磁层21、反铁磁层22和种子层23，铁磁层21产生的杂散场能够辅助自由层41的磁向发生翻转，从而实现无场翻转，铁磁层21/反铁磁层22之间产生的交换偏置作用使得铁磁层21提供的杂散场在器件微缩后依然能够保持稳定，进一步提高了磁存储器M₁尺寸微缩后的器件稳定性，有利于高密度集成。

本公开实施例还提供一种磁存储器阵列，如图3所示，阵列包括一个或多个呈阵列分布的如前述所有实现方式所描述的磁存储器M₁，以及若干条写入字线WWL_q（Write WordLine，q=1,2,3,……,q+2）、若干条源线SL_m（Source Line，m=1,2,3,……, ,m+2）和若干条读取字线RWL_n（Read Word Line，n=1,2,3,……, ,n+2）；

每列磁存储器M₁的自旋轨道矩层30的一端连接到一条写入字线WWL_q；每行磁存储器M₁的自旋轨道矩层30的另一端连接到一条源线SL_m；磁隧道结M₁的顶部设置有顶电极50，每行或每列磁存储器M₁的顶电极连接到一条读取字线RWL_n。

在一些可能的实现方式中，每列磁存储器M₁的自旋轨道矩层30的一端30A连接到一条写入字线WWL_q，每行磁存储器M₁的自旋轨道矩层30的另一端30B连接到一条源线SL_m；也可以是每列磁存储器M₁的自旋轨道矩层30的另一端30B连接到一条写入字线WWL_q，每行磁存储器M₁的自旋轨道矩层30的一端30A连接到一条源线SL_m。

在一些可能的实现方式中，每行磁存储器M₁的顶电极50连接到一条读取字线RWL_n，通过控制读取字线RWL_n和写入字线WWL_q的导通实现目标磁存储器M₁的读取。

在一些可能的实现方式中，每列磁存储器M₁的顶电极50连接到一条读取字线RWL_n，如图4所示，通过控制读取字线RWL_n和源线SL_m的导通实现目标磁存储器M₁的读取。

在一些可能的实现方式中，设置磁存储器阵列中铁磁层21的初始磁化方向使其具有第一极性，设置初始磁化方向可以使用退火、磁场诱导或者电流诱导等方式；

通过写入字线WWL_q和源线SL_m控制流入自旋轨道矩层30的写入电流方向，改变目标磁存储器M₁的阻态，具体为：控制目标磁存储器M₁所在列写入字线WWL_q和所在行源线SL_m的导通，通入写入电流，电流流经自旋轨道矩层30会产生自旋电流，铁磁层21产生的杂散场能够辅助自由层41的磁向发生翻转，从而实现无场翻转改变目标磁存储器M₁的阻态；并且，铁磁层21和反铁磁层22之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层21的极性，使得磁存储器中铁磁层21的极性保持稳定，提供稳定的杂散场，使器件保持稳定。

结合图3所示阵列及图1所示偏置区结构，以图3所示磁存储器阵列左下角的器件A为例：

写入过程：设置磁存储器阵列中器件A的铁磁层21的初始磁化方向使其具有第一极性，通过控制对器件A所在列的写入字线WWL_q及其所在行的源线SL_m施加写入电流I_read可以控制器件A的导通。写入电流I_read流经器件A的自旋轨道矩层30会产生自旋电流，由于初始磁化方向在通入自旋轨道矩层30中的写入电流I_read方向的平行方向上存在分量，铁磁层21产生的杂散场辅助自由层41的磁向发生翻转，从而实现无场翻转改变目标磁存储器M₁的阻态，使其变为第一阻态，再次控制对器件A所在列的写入字线WWL_q及其所在行的源线SL_m施加反向的写入电流I_read，器件A从第一阻态转变为与第一阻态状态相反的第二阻态；并且，铁磁层21和反铁磁层22之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层21的极性，使铁磁层21的极性保持稳定，提供稳定的杂散场；

读取过程：通过控制读取字线RWL_n和写入字线WWL_q的导通产生读取电流I_write实现器件A阻态的读取。

图4所示的磁存储器阵列中器件A的阻态改变方式与上述图3所示的磁存储器阵列中器件A的写入方式类似，在此不再赘述；不同的是，图4所示的器件A所在的磁存储器阵列通过控制读取字线RWL_n和源线SL_m的导通产生读取电流I_write实现器件A阻态的读取。

在一些可能的实现方式中，偏置区20的上表面不高于自旋轨道矩层30的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，优选为偏置区20的上表面与衬底10的上表面平齐，位于衬底10中的偏置区20可以减小对其他单元的电干扰和磁干扰；在其他的一些实现方式中，偏置区20的上表面不高于自旋轨道矩层30的上表面且偏置区20的下表面不低于自旋轨道矩层30的下表面；在另外的一些实现方式中，偏置区20的上表面低于衬底10的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面。

在一些可能的实现方式中，偏置区20的上表面高于衬底10的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，偏置区20高于衬底10上表面的部分的外周有第一隔离层，第一隔离层的材质为氧化物、氮化物等绝缘材料。

综上，本公开实施例提供的磁存储器阵列包括：一个或多个阵列分布的磁存储器M₁、若干条写入字线WWL_q、若干条源线SL_m和若干条读取字线RWL_n，其中，每个磁存储器M₁的偏置区20至少填充有铁磁层21、反铁磁层22和种子层23，铁磁层21产生的杂散场能够辅助自由层41磁向发生翻转，不需外加磁场从而减小器件体积，有利于提高磁存储器阵列的排布密度；并且铁磁层21和反铁磁层22之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层21的极性，使得磁存储器中铁磁层21的极性保持稳定，提高磁存储器阵列的稳定性。

本公开实施例还提供一种磁存储器阵列，如图5所示，阵列包括多个呈阵列分布的如前述所有实现方式所描述的磁存储器M₁，其中，每行磁存储器M₁的自旋轨道矩层30相互连接形成自旋轨道矩通道80，每列磁存储器M₁的偏置区20相互连接形成偏置通道90，每个磁存储器M₁的自旋轨道矩层和偏置区之间设置有第二隔离层（未示出）。

继续参考图5所示阵列及图1所示偏置区结构，在一些可能的实现方式中，自旋轨道矩通道80为每行磁存储器M₁的自旋轨道矩层30通过导电材料连接形成，也可以为每行磁存储器的自旋轨道矩层30相互连接形成；即，第一连接区100可以为导电材料，也可以为构成自旋轨道矩层30的材料，其形状可以为条形、菱形、梯形、三角形等及其复合图形。

在一些可能的实现方式中，偏置通道90为每列磁存储器M₁的偏置区20通过导电材料连接形成，也可以为每列磁存储器M₁的偏置区20相互连接形成；即，第二连接区100可以为导电材料，也可以为构成偏置区20的材料，其形状可以为条形、菱形、梯形、三角形等及其复合图形。

在一些可能的实现方式中，自旋轨道矩通道80与偏置通道90不垂直，两者形成的夹角大于0度，小于180度，如图6所示。

在一些可能的实现方式中，磁存储器阵列中的每个磁存储器M₁的自旋轨道矩层30和偏置区20有第二隔离层，第二隔离层的材质为氧化物、氮化物等绝缘材料。

在一些可能的实现方式中，偏置区20的上表面高于衬底10的上表面且偏置区20的下表面不低于衬底10的下表面，偏置区20高于衬底10上表面的部分的外周有第一隔离层，基于此结构的磁存储器M₁在形成磁存储器阵列时，不需要在自旋轨道矩层30和偏置区20再次形成第二隔离层，第一隔离层的材质为氧化物、氮化物等绝缘材料。

在一些可能的实现方式中，磁存储器阵列还包括：若干条写入字线WWL_q（WriteWord Line，q=1,2,3,……,q+2）、若干条控制位线CBL_n（Control Bite Line，n=1,2,3,……, ,n+2）和若干条读取字线（RWL_n（Read Word Line，n=1,2,3,……, ,n+2，图中未示出），写入字线被设置为允许写入电流在自旋轨道矩通道80流动，改变磁存储器的阻态；控制位线，被设置为允许偏置电流在偏置通道90流动，改变偏置通道90中铁磁层21的极性；通过控制铁磁层21的极性和自旋轨道矩通道80的写入电流方向实现磁存储器M₁阻态的改变。

在一些可能的实现方式中，通过控制铁磁层21的极性和自旋轨道矩通道80的写入电流方向实现磁存储器阻态的改变：设置磁存储器阵列中铁磁层21的初始磁化方向使其具有第一极性；控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加的写入电流方向，改变磁存储器的阻态；

具体为：控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加写入电流，电流流经磁存储器的自旋轨道矩层30会产生自旋电流，铁磁层21产生的杂散场能够辅助自由层41的磁向发生翻转，从而实现无场翻转改变目标磁存储器M₁的阻态；并且，铁磁层21和反铁磁层22之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层21的极性，使得磁存储器中铁磁层21的极性保持稳定，提供稳定的杂散场，使器件保持稳定。

以图5中所示磁存储器左下角的器件A为例：

写入过程：通过控制位线CBL_n对器件A所在列的偏置通道施加偏置电流I_偏置，电流流经磁存储器的种子层23、反铁磁层22和铁磁层21，流经反铁磁层22的电流可以产生自旋流翻转反铁磁层22/铁磁层21界面的交换偏置作用，也就是钉扎方向发生翻转，从而翻转铁磁层21磁矩方向，使得铁磁层21具有第一极性；通过写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加写入电流I_SOT，器件A的阻态为第一阻态，若施加反向的写入电流I_SOT，器件A的阻态由第一阻态转变为与第一阻态相反的第二阻态；

读取过程：通过控制读取字线RWL_n和写入字线WWL_q的导通，或，读取字线RWL_n和控制位线CBL_n的导通产生读取电流实现器件A阻态的读取。

在一些可能的实现方式中，使铁磁层21具有第一极性还可以使用退火、磁场诱导等方式。

在一些可能的实现方式中，设置磁存储器阵列中铁磁层21的初始磁化方向使其具有第一极性；通过控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加的写入电流方向，可以改变任意一行或多行磁存储器的阻态，实现磁存储器阵列的刷新功能。

图6所示的磁存储器阵列中器件A的写入和读取方式与上述图5所示的磁存储器阵列中器件A的写入和读取方式类似，在此不再赘述。

在一些可能的实现方式中，通过控制磁存储器阵列中铁磁层21的极性和自旋轨道矩通道80的写入电流方向实现磁存储器M₁阻态的改变，包括：

设置磁存储器M₁中的铁磁层21为第一极性；通过控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加的写入电流方向，改变磁存储器M₁的阻态；通过控制位线CBL_n对偏置通道90施加偏置电流I_偏置，电流流经磁存储器的种子层23、反铁磁层22和铁磁层21，流经反铁磁层22的电流会产生自旋流翻转反铁磁层22/铁磁层21界面的交换偏置作用，即钉扎方向发生翻转，从而翻转铁磁层21的磁矩方向，使铁磁层21具有第二极性；通过控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加与第一极性状态下方向相同的写入电流，磁存储器具有与第一极性状态下相反的阻态，不需要外加磁场从而减小器件体积，有利于提高磁存储器阵列的排布密度，可以实现浮栅晶体管阵列功能。

继续参考图5所示阵列及图1所示偏置区结构，以图5中所示磁存储器左下角的器件A为例：

器件A实现阻态变化的过程为：

S1：通过控制位线CBL_n对偏置通道90施加第一方向（结合图5，第一方向为图中I_偏置箭头方向所指示方向）的偏置电流I_偏置，电流流经器件A的种子层23、反铁磁层22和铁磁层21，流经反铁磁层22的电流可以产生自旋流翻转反铁磁层22/铁磁层21界面的交换偏置作用，也就是钉扎方向发生翻转，从而翻转铁磁层21的磁矩方向，使得器件A的铁磁层21具有第一极性。

S2：控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加第二方向（结合图5，第二方向为图中I_SOT箭头方向所指示方向）的写入电流I_SOT，写入电流I_SOT流经器件A中的自旋轨道矩层30会产生自旋电流，铁磁层21产生的杂散场能够辅助自由层的磁向发生翻转，器件A表现为第一阻态；

若控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加与第二方向相反方向的第四方向的写入电流I_SOT，器件A表现为与第一阻态相反的第二阻态。

S3：通过控制位线CBL_n对偏置通道90施加与第一方向相反的第三方向的偏置电流I_偏置，电流流经反铁磁层22可以产生自旋流翻转反铁磁层22/铁磁层21界面的交换偏置作用，使得器件A的铁磁层21具有第二极性，铁磁层的磁化方向与具有第一磁性的铁磁层的磁化方向相反。

S4：控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加第二方向的写入电流I_SOT，写入电流I_SOT流经器件A中的自旋轨道矩层30会产生自旋电流，具有第二极性的铁磁层21产生的杂散场辅助自由层的磁向发生翻转，器件A表现为第二阻态；

若控制写入字线WWL_q对自旋轨道矩通道80施加第四方向的写入电流I_SOT，器件A表现为第一阻态。

阻态读取过程：通过控制读取字线RWL_n和写入字线WWL_q的导通产生读取电流实现器件A阻态的读取。

在一些可能的实现方式中，还可以通过控制读取字线RWL_n和控制位线CBL_n的导通产生读取电流实现器件A阻态的读取。

图6所示的磁存储器阵列中器件A的阻态改变方式和读取方式与上述图5所示的磁存储器阵列中器件A的阻态改变方式和读取方式类似，在此不再赘述。

综上，本公开实施例提供的磁存储器阵列包括，多个呈阵列分布的磁存储器M₁，其中，每行磁存储器M₁的自旋轨道矩层30相互连接形成自旋轨道矩通道80，每列磁存储器M₁的偏置区20相互连接形成偏置通道90，每个磁存储器M₁的自旋轨道矩层30和偏置区20之间设置有隔离层，偏置通道90内部的铁磁层21产生的杂散场能够辅助自由层41磁向发生翻转，不需外加磁场从而减小器件体积，有利于提高磁存储器阵列的排布密度；并且铁磁层21和反铁磁层22之间的交换偏置作用可以钉扎(固定)住铁磁层21的极性，磁化方向稳定不受外磁场干扰，器件杂散场稳定，可以实现微缩，获得高稳定性高密度的磁存储器阵列。此外，本公开实施例提供的磁存储器阵列通过控制铁磁层的极性和自旋轨道矩通道的写入电流方向实现磁存储器阻态的改变，既可以同时刷新多个磁存储器存储状态，也可以实现单个磁存储器的写入，可形成多功能选通写入磁存储器阵列。

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种磁存储器，其特征在于，包括：衬底、偏置区、自旋轨道矩层、设置于所述自旋轨道矩层上方的磁隧道结；

所述衬底位于所述自旋轨道矩层的下方；

所述偏置区的上表面不高于所述自旋轨道矩层的上表面且所述偏置区的下表面不低于所述衬底的下表面，所述偏置区内部沿远离所述磁隧道结的方向上至少填充有铁磁层、反铁磁层和种子层。

2.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述自旋轨道矩层与所述铁磁层之间设置有第一插入间隔层，和/或，所述铁磁层与所述反铁磁层之间设置有第二插入间隔层。

3.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，设置所述铁磁层的初始磁化方向使其具有第一极性，所述初始磁化方向在通入所述自旋轨道矩层中的写入电流方向的平行方向上存在分量。

4.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述铁磁层与所述反铁磁层之间的交换偏置场大小大于所述铁磁层的矫顽场大小。

5.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述偏置区的上表面与所述衬底的上表面平齐。

6.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述偏置区的上表面高于所述衬底的上表面，所述偏置区高于所述衬底上表面的部分的外周设置有第一隔离层。

7.一种磁存储器阵列，其特征在于，所述磁存储器阵列包括一个或多个呈阵列分布的权利要求1-6中任一项所述的磁存储器，以及若干条写入字线、若干条源线和若干条读取字线；

每列所述磁存储器的自旋轨道矩层的一端连接到一条所述写入字线；

每行所述磁存储器的所述自旋轨道矩层的另一端连接到一条所述源线；

所述磁隧道结的顶部设置有顶电极，每行或每列所述磁存储器的顶电极连接到一条所述读取字线。

8.根据权利要求7所述的磁存储器阵列，其特征在于，所述磁存储器阵列中铁磁层的初始磁化方向为第一极性；

通过所述写入字线和所述源线控制流入所述自旋轨道矩层的写入电流方向，改变目标磁存储器的阻态。

9.一种磁存储器阵列，其特征在于，所述磁存储器阵列包括多个呈阵列分布的权利要求1-6中任一项所述的磁存储器，其中，每行所述磁存储器的自旋轨道矩层相互连接形成自旋轨道矩通道，每列所述磁存储器的偏置区相互连接形成偏置通道，每个所述磁存储器的自旋轨道矩层和偏置区之间设置有第二隔离层。

10.根据权利要求9所述的磁存储器阵列，其特征在于，所述自旋轨道矩通道由每行所述磁存储器的所述自旋轨道矩层通过导电材料连接形成，和/或，所述偏置通道由每列所述磁存储器的所述偏置区通过导电材料连接形成。

11.根据权利要求9所述的磁存储器阵列，其特征在于，所述磁存储器阵列还包括：

若干条写入字线，被设置为允许写入电流在所述自旋轨道矩通道流动，改变所述磁存储器的阻态；

若干条控制位线，被设置为允许偏置电流在所述偏置通道流动，改变所述偏置通道中铁磁层的极性；

通过控制所述铁磁层的极性和所述自旋轨道矩通道的写入电流方向实现所述磁存储器阻态的改变。

12.根据权利要求11所述的磁存储器阵列，其特征在于，通过控制所述铁磁层的极性和所述自旋轨道矩通道的写入电流方向实现所述磁存储器阻态的改变，包括：

所述磁存储器中的所述铁磁层为第一极性；

通过控制所述写入字线对所述自旋轨道矩通道施加的写入电流方向，改变所述磁存储器的阻态。

13.根据权利要求11所述的磁存储器阵列，其特征在于，通过控制所述铁磁层的极性和所述自旋轨道矩通道的写入电流方向实现所述磁存储器阻态的改变，还包括：

所述磁存储器中的所述铁磁层为第一极性；

通过所述控制位线对所述偏置通道施加所述偏置电流，使所述铁磁层具有第二极性；

通过控制所述写入字线对所述自旋轨道矩通道施加与所述第一极性状态下方向相同的写入电流，所述磁存储器具有与所述第一极性状态下相反的阻态。