专利名称：一种磁性随机存储器、磁性逻辑器件和自旋微波振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性随机存取存储器、磁性逻辑器件以及自旋微波振荡器领域，尤其 涉及基于Rashba效应的磁性随机存取存储器、磁性逻辑器件和自旋微波振荡器。
背景技术：
众所周知，巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance, GMR)和隧穿磁电阻效应 (Tunneling Magneto Resistance, TMR)已被广泛地应用到磁电阻型传感器、磁记录读出 磁头等领域，而其中一个重要的应用就是磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)。典型的MRAM核心部分结构由四部分构成位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的上方 和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。MRAM读写过程由字线和位 线电流共同作用而完成。 现存的磁性随机存取存储器主要基于两种效应， 一是通过磁场来翻转磁矩，从而 实现磁性存储单元高低阻态的变化，实现存储比特"0"， "1"的读写；二是通过自旋极化的 电流产生的自旋转移力矩来翻转磁矩，进而实现存储单元高低阻态的变化。但是后者要想 实现电流直接翻转磁矩，需要高达lX1012A/m2的写入电流密度，尽管人们通过采用环形的 存储单元设计(参见专利申请CN1901088)已经降低了该写入电流密度，即达到1X101QA/ m、但该量级仍然很大，对于将来低功耗、小功率器件的应用开发很不利；并且当高电流密 度的写入电流电流密度流经器件时，对器件结构容易在高电流密度下受到破坏，影响器件 在反复读写下的使用寿命也有很大影响。类似地，在现有自旋微波振荡器中(参见专利申 请200810222965)，要实现磁矩进动所需的触发电流通常也很大，这也会使器件的应用受到 限制。进而，类似的磁性逻辑器件(参见专利申请PCT/CN2007/001174)也受到高电流密度 逻辑输入的影响，从而限制其应用范围。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种写入电流密度更低的磁性随机存取存储器 单元及磁性随机存取存储器。 本发明的另一个目的在于提供一种读写分离磁性器件结构和操作方法，彻底解决 了电流密度对磁性随机存取存储器工作寿命的影响。 本发明的目的还在于提供一种触发电流更低的自旋微波振荡器和一种基于 Rashba效应的磁性逻辑器件。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 根据本发明的一个方面，提供一种磁性随机存取存储器单元，包括磁性多层膜存 储单元和写位线，其特征在于，所述磁性多层膜存储单元自下而上依次包括衬底、非磁性 层、核心功能层区和覆盖层；所述核心功能层区自下而上依次包括下磁性层、中间层和上磁 性层；所述写位线与所述非磁性层相连，以使写电流横向流经所述非磁性层并反转所述下
6磁性层的磁矩，实现数据的写入。 上述技术方案中，所述核心功能层区采用钉扎结构或无钉扎结构；所述钉扎结构 中，所述下磁性层为铁磁层，上磁性层自下而上包括被钉扎铁磁层和反铁磁钉扎层；所述无 钉扎结构中，所述下磁性层为软铁磁层，上磁性层为硬铁磁层。所述软、硬铁磁性材料层具 有相对性，可比较其磁性强弱来定义。软铁磁性层为磁性较弱的层。在选取同种材料的时 候，磁性的相对强弱还和层的形状、厚度有关。 上述技术方案中，所述磁性随机存取存储器单元还包括读位线，所述写位线位于 所述读位线的上层，或者与所述读位线位于同一层，所述写位线通过金属接触与所述非磁 性层相连。 上述技术方案中，所述非磁性层选用金属材料，厚度为0. 6 100nm ; 所述下磁性层选用能够在表面产生空间反演不对称性的铁磁性材料，厚度为
0. 6 100nm ; 所述中间层选用金属或非金属材料，厚度为0. 6 6nm ; 所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量强于所述中间层所选材料的自旋轨 道耦合能量。 上述技术方案中，所述下磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量是所述非磁性层所 选材料的自旋轨道耦合能量的1% 95%。 上述技术方案中，非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量超过所述中间层所选材 料的自旋轨道耦合能量的120%。 上述技术方案中，所述铁磁层为过渡金属或其化合物、铁磁性稀土材料或其化合 物、磁性半导体或磁性金属氧化物；所述铁磁层材料采用具有面内各向异性的材料，或者采 用具有垂直各向异性的材料。 上述技术方案中，所述非磁性层为Pt、Ta、Au、Ag、Ru、Pd、Rh、Mo或Zr。 上述技术方案中，所述磁性多层膜存储单元的横截面为矩形、椭圆形、矩形环或椭
圆环，其中， 所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5;
所述椭圆形的短轴在10 100000nm之间，短轴与长轴的比值为1 : 1 1 : 5;
所述矩形环内环的宽度在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环
的宽度与长度的比值为i:i i:5;所述椭圆环内环的短轴在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环
的短轴与长轴的比值为i : i i : 5。 上述技术方案中，所述磁性多层膜存储单元可为U型结构，当所述核心功能层区
采用钉扎结构时，所述中间层、被钉扎铁磁层、反铁磁钉扎层和覆盖层为所述u型结构的上
部，所述衬底、非磁性层和铁磁层为所述U型结构的下部；当所述核心功能层区采用无钉扎
结构时，所述中间层、硬铁磁层、覆盖层为所述u型结构的上部，所述衬底、非磁性层和软铁 磁层为所述u型结构的下部。 上述技术方案中，所述U型结构的磁性多层膜存储单元上部的一端通过金属接触 孔与写位线相连，另一端通过金属接触孔与过渡金属层相连。 上述技术方案中，所述磁性多层膜存储单元的下部的横截面为矩形，所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5。 上述技术方案中，所述的磁性多层膜存储单元为倒T型结构；当所述核心功能层 区采用钉扎结构时，所述中间层、被钉扎铁磁层、反铁磁钉扎层和覆盖层为所述T型结构的 上部，所述衬底、非磁性层和铁磁层为所述T型结构的下部；当所述核心功能层区采用无钉 扎结构时，所述中间层、硬铁磁层、覆盖层为所述T型结构的上部，所述衬底、非磁性层和软 铁磁层为所述T型结构的下部。 上述技术方案中，所述的倒T型结构的磁性多层膜单元的底部非磁性金属层的一 端通过金属层、金属接触孔和写位线相连，另一端通过金属接触孔和过渡金属层相连；所述 的倒T型结构的磁性多层膜的覆盖层和所述读位线相连。 上述技术方案中，所述的磁性多层膜存储单元的非磁性层横截面为矩形，所述矩 形的宽度在10 100000nm之间，宽度和长度的比值为1 : 1 1 : 30;核心功能层区和 覆盖层的横截面为矩形、椭圆形、矩形环或椭圆环，其中， 所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5;
所述椭圆形的短轴在10 100000nm之间，短轴与长轴的比值为1 : 1 1 : 5;
所述矩形环内环的宽度在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环
的宽度与长度的比值为i:i i:5;所述椭圆环内环的短轴在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环
的短轴与长轴的比值为i : i i : 5。 在上述技术方案中，所述磁性多层膜存储单元的水平俯视图案可具有镂空状或无
镂空状的几何结构。该结构为对所述磁性多层膜存储单元采用光刻加工后的结果。 根据本发明的另一个方面，提供一种磁性随机存取存储器，其特征在于，所述磁性 随机存取存储器包括以上所述的磁性随机存取存储器单元。 根据本发明的又一个方面，提供一种磁性随机存取存储器单元的写入方法，其特
征在于，所述写入通过对所述磁性多层膜存储单元单独施加横向电流来实现；或通过对所
述磁性多层膜存储单元同时施加横向电流和纵向(垂直方向)电流来实现。 上述技术方案中，通过单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流大于临界
值Ic2 ;通过同时施加横向电流和纵向电流来实现写入时，所述横向电流低于临界值Iq，其
中Ic2 = jc2X磁性多层膜存储单元的面积，jc2 = IX 106 IX 10"A/m2 ;所述横向电流是
直流电流，所述纵向电流是直流或交流电流。 根据本发明的再一个方面，提供一种自旋微波振荡器，包括磁性多层膜和直流输 入，其特征在于， 所述磁性多层膜自下而上包括衬底、底层缓冲层、非磁性层、核心功能层区和覆盖 层；所述核心功能层区自下而上包括下磁性层、中间层和上磁性层； 所述直流输入提供的直流电流横向流经所述磁性多层膜的非磁性层，以使所述下 磁性层的磁矩产生进动，并使所述磁性多层膜垂直的电阻产生变化； 所述核心功能层区采用钉扎结构或无钉扎结构；所述钉扎结构中，所述下磁性层 为铁磁层，上磁性层自下而上包括被钉扎铁磁层和反铁磁钉扎层；所述无钉扎结构中，所述 下磁性层为软铁磁层，上磁性层为硬铁磁层。 上述技术方案中，所述非磁性层选用金属材料，厚度为0. 6 100nm ;
所述下磁性层选用能够在表面产生空间反演结构不对称性的铁磁性材料，厚度为 0. 6 lOOnm ; 所述中间层选用非磁性金属或非金属绝缘材料，厚度为0. 6 6nm ; 所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合强于所述中间层所选材料的自旋轨道耦合。 上述技术方案中，还包括外加磁场，该外加磁场的方向与所述直流电流同向，大小 不能超过所述下磁性层的矫顽力。 上述技术方案中，所述磁性多层膜存储单元的横截面为矩形、椭圆形、矩形环或椭 圆环，其中， 所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5;
所述椭圆形的短轴在10 100000nm之间，短轴与长轴的比值为1 : 1 1 : 5;
所述矩形环内环的宽度在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环
的宽度与长度的比值为i:i i:5;所述椭圆环内环的短轴在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环
的短轴与长轴的比值为i : i i : 5。 上述技术方案中，所述直流输入向所述磁性多层膜上横向施加直流电流，以使所
述铁磁层的磁矩在该电流的作用下产生进动，从而引起所述磁性多层膜垂直的电阻产生变 化。 上述技术方案中，所述直流电流小于临界电流I(^其中Ic2 = jc2X磁性多层膜的 面积，jc2 = 1 X 106 1 X 10"A/m2。 根据本发明的再一个方面，提供一种可编程的磁性逻辑器件，包括磁性多层膜、逻 辑输入、逻辑输出和逻辑重置； 所述磁性多层膜自下而上包括衬底、底层缓冲层、非磁性层、核心功能层区和覆盖 层；所述核心功能层区自下而上包括下磁性层、中间层和上磁性层； 所述核心功能层区采用无钉扎结构；所述无钉扎结构中，所述下磁性层为软铁磁 层，上磁性层为硬铁磁层； 所述的逻辑输入至少有两个，各逻辑输入的电流大小均相等，横向流经磁性多层 膜单元底部非磁性层；通过改变各逻辑输入的电流方向，来实现磁性多层膜垂直电阻的变 化，实现逻辑功能。 逻辑重置与磁性多层膜的覆盖层相连，电流横向流经覆盖层，用于调节磁性多层 膜的磁化状态。 上述技术方案中，所述可编程的磁性逻辑器件还包括外围控制电路， 所述逻辑重置与磁性多层膜结构中的覆盖层相接，即对覆盖层通入平行与膜面的
电流；所述逻辑输出结构为测量磁性多层膜结构垂直输运方向上电阻所需的金属引线和外
围电路；所述逻辑输入结构与磁性多层膜结构中的非磁性层相接，即对非磁性层通入平行
与膜面的电流。 上述技术方案中，所述非磁性层和覆盖层都采用自旋轨道耦合强的金属，厚度在 0.6 100nm之间(注可编程的磁性逻辑器件的磁性多层膜结构和所述磁性随机存储器 中的无钉扎型磁性多层膜结构基本相同，不同之处主要在于上述覆盖层需选用自旋轨道
9耦合强的金属，厚度为0. 6 100nm)。所述非磁性层和覆盖层所选材料的自旋轨道耦合均 强于所述中间层所选材料的自旋轨道耦合。 根据本发明的再一个方面，提供一种可编程的磁性逻辑器件的操作方法，其特征
在于，各逻辑输入的电流大小均相等并且均小于临界电流I(^，各逻辑输入的电流的和大于
临界电流Ic2，其中Ic2 = jc2X磁性多层膜的面积，jc2 = IX 106 lX10"A/m2。 上述技术方案中，所述逻辑输入向所述磁性多层膜上横向施加逻辑信号，当逻辑
输入信号的强度足够使所述软铁磁层的磁矩在该电流的作用下产生进动时，所述磁性多层
膜垂直输运方向上的电阻产生才会变化；对所述逻辑重置施加一适当信号时，可使所述磁
性多层膜硬磁层的磁性状态发生变化，从而完成逻辑器件状态的重置；所述逻辑输出为测
量磁性多层膜垂直输运方向上电阻的变化，以判断逻辑运算值。在此，需根据所要完成的逻
辑运算功能定义磁性多层膜的高、低电阻态为相应的逻辑真、或逻辑假。 和现有技术相比，本发明的磁性随机存取存储器的写入电流密度更低，磁化反转
的临界电流密度大约为106 10"A/m2，因此对于将来器件的低能耗，小功率的要求很有利；
其读写分离的结构，有助于保护磁性多层膜在反复操作中不易被高电流密度损坏。另外，
和现有的微波振荡器相比，本发明的自旋微波振荡器驱动电流更小，输出频率高，而且体积
小，易于集成；和现有的可编程磁性多层膜相比，本发明的器件驱动电流更小，体积小，易于集成。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图1A是本发明的磁性多层膜存储单元的具有Rashba效应的核心层的示意图；
图1B是本发明的磁性多层膜存储单元的具有Rashba效应的核心层的立体示意 图； 图1C是本发明的磁性多层膜存储单元的示意图；
图1D是本发明的Rashba效应的物理原理示意图； 图2A是本发明一个实施例的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元(MRAM 单元)的结构示意图； 图2B是对应于图2A的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元) 的剖面图； 图3A是本发明另一个实施例的基于Rashba效应的磁性随机存储器单元(MRAM单 元)的结构示意图； 图3B是对应于图3A的基于Rashba效应的磁性随机存储器单元(MRAM单元)的 结构示意图及剖面图； 图3C是对应于图3A的基于Rashba效应的磁性多层膜存储单元的立体结构示意 图； 图4A是本发明的又一个实施例的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元 (MRAM单元)的结构示意图； 图4B是对应于图4A的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元) 的剖面图，该剖面图剖面线位于读位线处；
图4C是对应于图4A的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元) 的剖面图，该剖面图剖面线位于写位线处；(图4B和图4C中6b为Pt等的高自旋轨道耦合 材料，4c为Al、 Cu等或合金，6a为氧化填充物，5为金属) 图4D是对应于图4A的俯视图，其中虚线部分表示遮挡部分的结合透视关系；
图5A是本发明的再一个实施例中的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元 (MRAM单元)的结构示意图； 图5B是对应于图5A的基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元) 的剖面图(其中6b为Pt等的高自旋轨道耦合材料，4c为Al、 Cu等或合金，6a为氧化填充 物，5为金属)； 图6A是本发明一个实施例中的基于Rashba效应的自旋微波振荡器的示意图；
图6B是本发明另一个实施例中的基于Rashba效应的自旋微波振荡器的示意图；
图7A为本发明实施例的基于Rashba效应的可编程磁逻辑器件的示意图；
图7B为对应于图7A的基于Rashba效应的可编程磁逻辑器件的真值表示意图。
具体实施例方式
图1C是本发明的磁性多层膜存储单元的示意图，该磁性多层膜存储单元至下而 上依次为衬底(未画出)、非磁性层1、铁磁层2、中间层3、被钉扎铁磁层4，反铁磁钉扎层 5、覆盖层6。在本发明的磁性随机存取存储器的磁性多层膜存储单元中，非磁性层、磁性层 和中间层这三层被称为磁性多层膜存储单元的"核心层"，因为该核心层具有Rashba效应。 所谓Rashba效应一般是在半导体的低维结构中，由人工控制来破坏其空间反射不变性(如 生长不对称的量子阱或不对称掺杂)，也可由动态地改变这种结构的对称性(如加偏压) 来破坏空间反射不变性。这种由宏观结构的不对称性导致的自旋劈裂称为SIA(structure inversion asymmetry)劈裂，又称为Rashba劈裂，所对应的自旋轨道耦合就是Rashba自旋 轨道耦合，简称为Rashba效应。也就是说只要两种材料的自旋轨道耦合强度不一样，此时 在两种材料相接触的界面就会由于空间反演不对称性产生Rashba自旋轨道耦合。这种强 的耦合作用会产生出一个自旋转移力矩，当所加的电流大于某一电流临界值时，铁磁层发 生转动；当所加的电流小于某一电流临界值时，铁磁层的磁矩类似自旋转移力矩效应，产生 一进动。 一般来说，在具有Rashba效应的核心层中，所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦 合能量强于所述中间层所选材料的自旋轨道耦合能量。所述下磁性层所选材料的自旋轨道 耦合能量是所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量的1% 95%。非磁性层所选材料 的自旋轨道耦合能量超过所述中间层所选材料的自旋轨道耦合能量的120% 。
图1A为本发明的磁性多层膜存储单元的具有Rashba效应的核心层的示意图，该 核心层自下而上依次为非磁性层，铁磁层(FM)和中间层，电流I的方向从纸面向外，磁场M 的方向与电流I相垂直，图IB示意出从右侧观察到的图IA的立体图。当电流横向通过非磁 性层时，由于电流的作用，非磁性层和铁磁层在界面处会产生很强的自旋轨道耦合作用，而 中间层和铁磁层之间的耦合作用比较弱。因而，当该电流大于某临界值时，铁磁层的磁化方 向就会在横向电流的作用下，发生转动，从而与电流方向平行。进一步地，如果改变电流流 向，例如将图IB中的电流方向改为从左至右，铁磁层磁化方向则随之反转到相反的方向。
图ID是本发明的具有Rashba效应作用的物理原理示意图。通过产生的自旋转移力矩(spin torque)实现磁矩的反转。
[实施例1]: 图2B是本发明实施例1的采用上述具有Rashba效应的磁性多层膜存储单元的磁 性随机存取存储器单元(MRAM单元)的剖面图。从图中可以看出，整个MRAM单元包括层la、 lb、lc、ld、le、If 、lg，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如Si02等掩埋，其中金属布线 层有三层，即读位线BL14c所在层ld、写位线BL24d所在层If和地线GND 4a与过渡金属层 TM 4b所在层lb。其中，两条位线BL14c、BL24d分别布置在磁性多层膜存储单元ML 6的上 方，相互之间通过绝缘层le隔开，并且二者与字线2相互垂直。磁性多层膜存储单元ML6 布置在读位线BL14c的下方以及过渡金属层TM 4b的侧上方，其顶部与读位线BL14c直接 相连。写位线BL24d通过金属接触孔5和磁性多层膜存储单元TM6底部的非磁性层相连， 该非磁性层通过过渡金属层TM 4b、接触孔3b与晶体管的漏极0b相连，地线GND 4a通过接 触孔3a和晶体管的源极0a相连。所述字线2是所述晶体管0的栅极0c。该MRAM单元简 化后的结构示意图可参看图2A。 该具有Rashba效应的磁性多层膜存储单元ML 6是通过在lmm厚的Si/Si02衬底 上依次沉积非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁层CoFe (3 5nm)，接着依次生长中间层A1203 (lnm) 或Cu (2 3nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎层IrMn (10nm)，覆盖层Ta (5nm) 而获得的，该磁性多层膜存储单元6的横截面为椭圆形，其短轴为10nm，短轴与长轴的比值 为1 : 2。 在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使 晶体管TR 0工作于导通状态，然后由被选择的读位线BL14c相应地导出一个读出电流， 该读出电流小于临界电流IcJIq = jClX磁性多层膜存储单元的面积，jCl = 1X102 1 X 104A/m2)，经由磁性多层膜存储单元ML 6、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0的 漏极Ob、晶体管TR 0的源极Oa、接触孔3a而到达地线GND 4a，从而获得磁性多层膜存储单 元ML 6比特层当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据。 在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR 0工作于导通状态，然后由被选择的写位线BL24d导出一个大于某一临界电流Ic2 的电流(Ic2 = jc2X磁性多层膜存储单元的面积，jc2 = IX 106 IX 10"A/m2)，电流依次 通过金属接触孔5，并横向流过磁性多层膜存储单元ML 6的非磁性层Pt，铁磁层CoFe的磁 矩方向与所通过的电流方向垂直，此时，由于非磁性层Pt和铁磁层CoFe界面处强的自旋轨 道耦合作用，也即Rashba效应的作用，CoFe层的磁矩会在电流的作用下发生转动，这样电 流接着通过过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0的漏极Ob、晶体管TR 0的源极Oa、 接触孔3a而到达地线GND 4a，通过改变施加在写位线BL24d上的电流方向，就可以实现磁 性多层膜存储单元ML 6中上下铁磁层(即铁磁层和被钉扎铁磁层)中磁矩的平行和反平 行，即实现其高低阻态的变化，这样就完成了对MRAM存储单元数据的写入。
为了实现本发明的目的，在本发明的磁性随机存取存储器中，写位线BL24d通过 金属接触孔5与所述磁性多层膜存储单元ML 6的非磁性层相连，然而这仅作为一个示意性 的举例，其他能够使写电流横向流经非磁性层，并反转铁磁层磁矩，从而实现数据的写入的
连接方式均可以在此使用，例如以下将在实施例4至6中所描述的MRAM单元。
[实施例2]:
12
按照与实施例1相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储单 元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt(l 5nm)，铁磁层 LaSrMnOx (3 5nm)，接着生长中间层CaMnO (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁 磁钉扎层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm);该磁性多层膜存储单元的横截面为矩形环，该矩形 环内环宽度为50000nm，环宽为1000nm，内环的宽度与长度的比值为1 : 5。
[实施例3]: 按照与实施例1相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储单 元。该磁性多层膜存储单元为首先在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt(l 5nm)，铁 磁层GaMnAs (3 5nm)，接着生长中间层CaAs (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反 铁磁钉扎层IrMn(10nm)，覆盖层Ta (5nm)，该磁性多层膜存储单元的横截面为圆形，其直径 为10000nm。
[实施例4]: 图3B是本发明的实施例4的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元)的剖面图。该 MRAM单元包括一个U型磁性多层膜存储单元ML 6、晶体管TR 0、过渡金属层TM 4b、接触孔 3a、3b、金属接触孔5a、5b和一组布线，即位线BL 4c，字线WL 2以及地线GND 4a。整个MRAM 单元包括层la、 lb、 lc、 ld、 le、 lf ，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如Si02等所掩埋， 其中金属布线层仅有两层，即位线BL 4c所在层le和地线GND 4a与过渡金属层TM 4b所 在层lb。如图3C所示，U型磁性多层膜存储单元ML 6的上部自下而上依次为中间层、被 钉扎铁磁层、反铁磁钉扎层和覆盖层，下部自下而上依次为衬底、非磁性层和铁磁层。这里 的上部是指U型结构的两个竖直部分，下部是指U型结构的水平部分。磁性多层膜存储单 元ML 6布置在位线BL 4c的下方以及过渡金属层TM 4b的侧上方，并且U型存储单元ML 6的一端与位线BL 4c通过金属接触孔5a相连，另一端通过金属接触孔5b、过渡金属层TM 4b和接触孔3b与晶体管的漏极0b相连，地线4a通过接触孔3a和晶体管的源极0a相连。 该MRAM单元简化后的结构示意图可参看图2A。 U型磁性多层膜存储单元6是通过在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁层CoFe(3 5nm)，接着在两侧依次生长中间层Al203(lnm)或Cu(2 3nm)，被 钉扎的铁磁层CoFe (3. 5nm)，反铁磁钉扎层IrMn (10nm)，覆盖层Ta (5nm)而获得的。所述磁 性多层膜存储单元6下部的横截面为矩形，矩形的宽度可以在10 100000nm之间，例如 8000nm，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5，例如1 : 2。 在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR O工作于导通状态，然后由被选择的位线BL 4c相应地导出一个小的读出电流， 该电流小于一个临界电流IcJIq = jClX磁性多层膜存储单元的面积，jCl = 1X102 1 X 104A/m2)，则读出电流由位线BL 4c经由金属接触孔5a、磁性多层膜存储单元ML 6 (电流 流向如图3C所示)、金属接触孔5b、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0的漏极0b、 晶体管TR 0的源极Oa、接触孔3a而到达地线GND 4a，从而获得磁性多层膜存储单元ML 6 比特层当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据。 在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR O工作于导通状态，然后由被选择的位线BL 4c导出一个大于某一临界电流值Ic2 的电流(Ic2 = jc2X磁性多层膜存储单元的面积，jc2 = IX 106 IX 10"A/m2)，电流通过金属接触孔5a到达U型磁性多层膜存储单元ML 6，当其横向流经磁性多层膜存储单元ML 6的非磁性层时，铁磁层CoFe的磁矩方向与所通过的电流方向垂直，由于Pt和CoFe铁磁层 界面处强的自旋轨道耦合作用，也即Rashba效应的作用，CoFe层的磁矩会在电流的作用发 生转动，这样电流接着通过金属接触孔5b、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0的漏 极0b、晶体管TR 0的源极0a、接触孔3a而到达地线GND 4a，通过改变施加在位线BL 4c上 的电流方向，就可以实现具有Rashba效应磁性多层膜存储单元ML 6中上下铁磁层中磁矩 的平行和反平行，即实现其高低阻态的变化，这样就完成了对MRAM存储单元数据的写入。
由此可以看出，上述采用U型磁性多层膜存储单元的磁性随机存取存储器同样可 以使写电流横向流经所述非磁性层并反转所述铁磁层的磁矩，实现数据的写入。读电流和 写电流共用一条位线4c，因此该位线4c既充当了写位线，也充当了读位线，使工艺更加简 化。[实施例5]: 按照与实施例4相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储单 元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt(l 5nm)，铁磁层 LaSrMnOx (3 5nm)，中间层CaMnO (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎层 IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm)。该磁性多层膜存储单元下部的横截面为矩形，矩形的宽度为 10nm，宽度与长度的比值为1 : 5。
[实施例6]: 按照与实施例4相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储 单元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁 层GaMnAs (3 5nm)，中间层GaAs (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎 层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm)。该磁性多层膜存储单元下部的横截面为正方形，边长为 10000nm。[实施例7]: 图4B和4C是本发明的实施例7的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元)分别对 应于读位线和写位线的纵剖面图，图4D是该实施例的俯视图。该MRAM单元包括一个磁性 多层膜存储单元ML 6、晶体管TR 0、过渡金属层TM 4b、接触孔3a、3b、金属接触孔5、7和一 组布线，即读位线BL14d和写位线BL24e，它们位于同一个金属层ld中，字线WL 2以及地线 GND4a。整个MRAM单元包括层la、lb、lc、ld、le，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如 Si(^等所掩埋，其中金属布线层仅有两层，即位线BL(4c)所在层ld和地线GND 4a与过渡 金属层TM 4b所在层lb。如图4B和4C所示，磁性多层膜存储单元ML 6分成两部分，自下 而上依次为自旋轨道耦合强的非磁性层6b、铁磁层、中间层、被钉扎铁磁层、反铁磁钉扎 层和覆盖层。磁性多层膜存储单元ML 6布置在位线BL14d和BL24e的下方以及过渡金属 层TM 4b的上方，其中磁性多层膜的顶部和读位线BL14d相连、写位线BL24e通过金属接触 7、金属层4c与磁性多层膜的底部非磁性层4c相连，然后金属接触孔5、过渡金属层TM 4b 和接触孔3b与晶体管的漏极0b相连，地线4a通过接触孔3a和晶体管的源极0a相连。该 MRAM单元简化后的结构示意图可参看图4A。 磁性多层膜存储单元是通过在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，然 后在两侧生长金属接触层Al或Cu (20 100nm)，接着生长铁磁层CoFe (3 5nm)，中间层A1203 (lnm)或Cu (2 3nm)，被钉扎的铁磁层CoFe (3. 5nm)，反铁磁钉扎层IrMn (10nm)，覆盖 层Ta(5nm)而获得的。所述磁性多层膜存储单元下部的横截面为矩形，矩形的宽度可以在 10 100000nm之间，例如8000nm，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5，例如1 : 2。
在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR 0工作于导通状态，然后由被选择的读位线BL14d相应地导出一个小的读出电流， 该电流小于一个临界电流IcJIq = jClX磁性多层膜存储单元的面积，jCl = 1X102 1 X 104A/m2)，则读出电流由读位线BL1 4d经由磁性多层膜存储单元ML 6、磁性多层膜底部 自旋轨道耦合强的非金属层6b、金属接触孔5、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0 的漏极Ob、晶体管TR 0的源极Oa、接触孔3a而到达地线GND 4a，从而获得磁性多层膜存储 单元ML 6比特层当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据。 在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR 0工作于导通状态，然后由被选择的写位线BL24e导出一个大于某一临界电流值 Ic2的电流(Ic2 = jc2X磁性多层膜存储单元的面积，jc2 = 1 X 106 1 X 10"A/m2)，电流通 过金属接触7、金属层4c到达磁性多层膜存储单元的底部非磁性金属层6b的一端，横向流 经此非磁性层时，铁磁层CoFe的磁矩方向与所通过的电流方向垂直，由于Pt和CoFe铁磁 层界面处强的自旋轨道耦合作用，也即Rashba效应的作用，CoFe层的磁矩会在电流的作用 发生转动，这样电流接着通过金属接触孔5、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0的 漏极0b、晶体管TR 0的源极Oa、接触孔3a而到达地线GND 4a，通过改变施加在写位线BL2 4e上的电流方向，就可以实现具有Rashba效应磁性多层膜存储单元ML 6中上下铁磁层中 磁矩的平行和反平行，即实现其高低阻态的变化，这样就完成了对MRAM存储单元数据的写 入。[实施例8]: 按照与实施例7相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储单 元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt(l 5nm)，铁磁层 LaSrMnOx (3 5nm)，接着生长中间层CaMnO (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁 磁钉扎层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm);该磁性多层膜存储单元的横截面为矩形环，该矩形 环内环宽度为50000nm，环宽为1000nm，内环的宽度与长度的比值为1 : 5。
[实施例9]: 按照与实施例7相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储 单元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁 层GaMnAs (3 5nm)，中间层GaAs (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎 层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm)。该磁性多层膜存储单元下部的横截面为正方形，边长为 10000nm。[实施例10]: 图5B是本发明的实施例10的磁性随机存取存储器单元(MRAM单元)的剖面图。 该MRAM单元包括一个磁性多层膜存储单元ML 6、晶体管TR 0、过渡金属层TM 4b、接触孔 3a、3b、金属接触孔5、7和一组布线，即读位线BLl 4d和写位线BL2 4e，它们位于不同金属 层ld、lf中，字线WL 2以及地线GND 4a。整个MRAM单元包括层la、 lb、 lc、 ld、 le、 lf 、 lg这 些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如Si02等所掩埋，其中金属布线层仅有两层，即位线BL 4c所在层Id和地线GND 4a与过渡金属层TM 4b所在层lb。如图5B所示，磁性多层膜 存储单元ML 6分成两部分，自下而上依次为自旋轨道耦合强的非磁性层6b、铁磁层、中间 层、被钉扎铁磁层、反铁磁钉扎层和覆盖层。磁性多层膜存储单元ML 6布置在位线BL1 4d 和BL2 4e的下方以及过渡金属层TM 4b的上方，其中磁性多层膜的顶部和读位线BL1 4d 相连、写位线BL2 4e通过金属接触7、金属层4c与磁性多层膜的底部非磁性层4c相连，然 后金属接触孔5、过渡金属层TM 4b和接触孔3b与晶体管的漏极0b相连，地线4a通过接触 孔3a和晶体管的源极0a相连。该MRAM单元简化后的结构示意图可参看图5A。
磁性多层膜存储单元是通过在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，然 后在两侧生长金属接触层Al或Cu (20 100nm)，接着生长铁磁层CoFe (3 5nm)，中间层 A1203 (lnm)或Cu (2 3nm)，被钉扎的铁磁层CoFe (3. 5nm)，反铁磁钉扎层IrMn (10nm)，覆盖 层Ta(5nm)而获得的。所述磁性多层膜存储单元下部的横截面为矩形，矩形的宽度可以在 10 100000nm之间，例如8000nm，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5，例如1 : 2。
在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR 0工作于导通状态，然后由被选择的读位线BL14d相应地导出一个小的读出电流， 该电流小于一个临界电流IcJIq = jClX磁性多层膜存储单元的面积，jCl = 1X102 1 X 104A/m2)，则读出电流由读位线BLl 4d经由磁性多层膜存储单元ML 6、磁性多层膜底部 自旋轨道耦合强的非金属层6b、金属接触孔5、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0 的漏极Ob、晶体管TR 0的源极Oa、接触孔3a而到达地线GND 4a，从而获得磁性多层膜存储 单元ML 6比特层当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据。 在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL 2给出一个适当的电平使晶 体管TR 0工作于导通状态，然后由被选择的写位线BL24e导出一个大于某一临界电流值 Ic2的电流(Ic2 = jc2X磁性多层膜存储单元的面积，jc2 = 1 X 106 1 X 10"A/m2)，电流 通过金属接触7、金属层4c到达磁性多层膜存储单元的底部非磁性金属层6b的一端，横向 流经此非磁性层时，铁磁层CoFe的磁矩方向与所通过的电流方向垂直，由于Pt和CoFe铁 磁层界面处强的自旋轨道耦合作用，也即Rashba效应的作用，CoFe层的磁矩会在电流的作 用发生转动，这样电流接着通过金属接触孔5、过渡金属层TM 4b、接触孔3b、晶体管TR 0 的漏极Ob、晶体管TR 0的源极Oa、接触孔3a而到达地线GND 4a，通过改变施加在写位线 BL24e上的电流方向，就可以实现具有Rashba效应磁性多层膜存储单元ML 6中上下铁磁层 中磁矩的平行和反平行，即实现其高低阻态的变化，这样就完成了对MRAM存储单元数据的 写入。[实施例11]: 按照与实施例7相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储单 元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt(l 5nm)，铁磁层 LaSrMnOx (3 5nm)，接着生长中间层CaMnO (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁 磁钉扎层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm);该磁性多层膜存储单元的横截面为矩形环，该矩形 环内环宽度为50000nm，环宽为1000nm，内环的宽度与长度的比值为1 : 5。
[实施例12]: 按照与实施例7相同的方法制作MRAM单元，所不同的是其中的磁性多层膜存储 单元。该磁性多层膜存储单元为在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁层GaMnAs (3 5nm)，中间层GaAs (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎 层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm)。该磁性多层膜存储单元下部的横截面为正方形，边长为 10000nm。 对于本领域的技术人员来说应该理解，以上实施例1 9中所采用的非磁性层、铁 磁层以及中间层仅为示例性的，在本发明的其他实施例中，非磁性层可选用自旋轨道耦合 强的金属或具有金属性质的其它材料，铁磁层可选用能够在表面产生空间反演结构不对称 性的铁磁性材料，包括过渡金属或其化合物、稀土金属或其化合物、磁性半导体或磁性金属 氧化物。铁磁层材料可以采用具有面内各向异性的材料，或者采用具有垂直各向异性的材 料。其中，垂直各向异性的材料既可以是单层膜材料也可以是多层膜材料。中间层可选用自
旋轨道耦合弱的金属、具有金属性质的其它材料、非金属或者具有非金属性质的其它材料。
上述三层中，非磁性层的厚度在O. 6 100nm之间、铁磁层的厚度在0. 6 100nm之间(无
钉扎结构中的软铁磁层的厚度也在0. 6 100nm之间)，中间层的厚度在0. 6 6nm之间。
进一步地，非磁性层、铁磁层和中间层具有以下优选地组合 (1)铁磁层为过渡金属或其化合物 中间层Cu、Cr、Zn、Ti、Mn、V、Sc、Ta、Ru或Au等；铁磁层:Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、CoNi或FeCoNi等; 非磁性层Pt、Ta、Au、Ag、Ru、Pd、Rh、Mo或Zr等； (2)铁磁层为稀土金属或其化合物 中间层Cu、Cr、Zn、Ti、Mn、V、Sc、Ta、Ru或Au等； 铁磁层Nd2Fe14B、 Sm2 (Fe， Co) 17N3、 SmCo5、 Sm2Co17等； 非磁性层Pt、Ta、Au、Ag、Ru、Pd、Rh、Mo或Zr等； (3)铁磁层为磁性半导体 中间层:AlGaAs 、 GaAs 、 InGaAs 、 Al InAs 、 GaN或CdS等;铁磁层GaMnAs、 GaAs、 ZnMn0、 GaMnN、 GeMn、 CdMnS、 CoTi0或GaMnP等； 非磁性层Pt、Ta、Au、Ag、Ru、Pd、Rh、Mo或Zr等； (4)铁磁层为磁性金属氧化物或铁磁性锰氧化物 中间层CaMnO、 A1203、 MgO、 Ti02、 Hf02、 Zr0、 AIN、 SrTi03等或诸如妣咯、塞酚、 Alq3(八羟基喹啉铝)、单层石墨、无定性炭等的有机材料；铁磁层LaSrMn0、 LaPbMn0、 LaCaMn0、 PrCaMn0、 SmCaMn0、 Zn0或Fe304等；
非磁性层Pt、Ta、Au、Ag、Ru、Pd、Rh、Mo或Zr等。 (5)铁磁层为具有垂直磁晶各向异性的金属性材料或具有垂直磁晶各向异性的金 属性多层膜材料 中间层Cu、Cr、Zn、Ti、Mn、V、Sc、Ta、Ru或Au等； 铁磁层CoPt合金、L10相的FePt合金、CoCrPt合金、Co-Cr系合金(包括Co-Cr、 Co-Cr-Nb、 Co-Cr-Ta、 Co-Cr-Pt) 、 TbFeCo、 GdFeCo、 Gd-Co、 GdFe、 TbFe、 TbCo/Cr非晶薄膜、 CoGdZr、CoGdSm、GdTbFeCo、GdTbFe ;Co/Pt多层膜、CoFe/Pt多层膜、Co/Pd多层膜、Co/Ni多 层膜、Co/Au多层膜、CoCr/Pt多层膜等；
非磁性层Pt、Ta、Au、Ag、Ru、Pd、Rh、Mo或Zr等； 对于本领域的技术人员来说应该理解，以上实施例1 9中，采用了单独在写位线
17上施加大于临界电流值Ic2的横向转变电流的方法来存储写入信息。但容易理解，以上实 施例1 9中，存储写入信息的方法亦可为 首先，由字线给出一个适当的电平使晶体管工作于导通状态，在写位线上施加一 横向的未临界电流，并同时在读位线上施加一纵向的辅助电流；利用未临界电流和辅助电 流的共同作用翻转磁性层(软磁性层)的磁性状态。 在上述操作方案中，所述未临界电流低于临界值I(^，其中Ic2 = jc2X磁性多层膜
存储单元的面积，jc2 = 1Xl(f lX10"A/m2 ;所述辅助电流即可为直流、也可为交流，辅助
电流远小于临界电流，其与未临界电流的共同作用的效果与转变电流相同。 对于本领域的技术人员来说应该理解，以上实施例1 9中所采用的结构，其磁
性多层膜单元，可在空间上置于源极、栅极、漏极任一的上方，为表述简洁，在此不做一一详述。 另外，磁性多层膜存储单元的横截面也不受限于实施例1 6所述的形状及具体 尺寸，横截面可以是矩形、椭圆形、矩形环或椭圆环等形状，并且其中矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5 ;椭圆形的短轴可以在10 100000nm 之间，短轴与长轴的比值可以为1 : 1 1 : 5 ;矩形环内环的宽度在10 100000nm之间， 环宽在10 100000nm之间，内环的宽度与长度的比值为l : 1 1 : 5;椭圆环内环的短轴 在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的短轴与长轴的比值为1 : l 1 : 5。此外，衬底可以为常规衬底材料，优选为Si、Si/Si02、SiC、GaAs或MgO等，厚度大约 0. 3 lmm，被钉扎铁磁层、反铁磁钉扎层、覆盖层可采用传统的GMR， TMR材料及厚度，例如 被钉扎铁磁层可以是NiFe， CoFe， CoFeB等，反铁磁钉扎层可以是IrMn， PtMn， FeMn等，覆盖 层可以是Ta， Ru， Cu等。
[实施例13]: 图6A是本发明实施例13的基于Rashba效应的自旋微波振荡器的示意图。该自旋 微波振荡器包括直流输入、磁性多层膜以及微波检测和放大电路。其中，生长在衬底(未 示出)上的磁性多层膜各层依次为底层缓冲层和非磁性层1、铁磁性层2、中间层3、上部 铁磁层4、反铁磁钉扎层5、覆盖层6。另外，在覆盖层上还有一层导电电极，在此未示出。该 磁性多层膜用于产生交变信号；直流输入与非磁性层相连接，用于提供磁性多层膜工作触 发微波产生所需的直流电流；微波检测和放大电路与磁性多层膜覆盖层相连接，用于提供 垂直于磁性多层膜的直流偏置，以及放大、过滤交变信号并发射微波信号。
在本发明的自旋微波振荡器中，磁性多层膜是通过在lmm厚的Si/Si02衬底上依 次沉积底层缓冲层Au (1 50nm)、非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁层CoFe (3 5nm)，接着依 次生长中间层Al203(lnm)或Cu (2 3nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎层 IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm)而获得的，该磁性多层膜单元的横截面为正方形，其边长为 8000nm。 该自旋微波振荡器的具体操作方法为直流输入向磁性多层膜提供直流电流，该 电流的大小略低于使铁磁层磁矩发生反转的临界电流Ic2(Ic2 = jC2X磁性多层膜存储单 元的面积，其中jc2 = IX 106 IX 10"A/m2)，而且电流的方向垂直于铁磁层的磁矩方向，当 该电流横向流经非磁性层时，由于铁磁层和非磁性层界面处的Rashba效应，铁磁层的磁矩 会在这一电流的作用下产生一高频本征的自旋进动，从而引起磁性多层膜单元垂直的电阻
18的产生变化，此时再竖直通过一小的直流偏置电流，磁性多层膜就会产生一时变的电压信
号，然后经过外部微波检测和放大电路进行信号放大，向外发射微波信号。[实施例14]: 按照与实施例13相同的方法制作自旋微波振荡器，所不同的是其中的磁性多层 膜。该磁性多层膜通过在Si/Si02衬底上依次生长底层缓冲层Ta(O 50nm)、非磁性层 Pt (1 5nm)，铁磁层LaSrMnOx (3 5nm)，接着生长中间层CaMnO (1 2nm)，被钉扎铁磁层 CoFe (2 5nm)，反铁磁钉扎层IrMn (10nm)，覆盖层Ta (5nm)而获得;如图6B所示，该磁性 多层膜的横截面为圆形，其直径为3000nm。
[实施例15]: 按照与实施例13相同的方法制作自旋微波振荡器，所不同的是其中的磁性多层 膜。该磁性多层膜通过首先在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，铁磁层 GaMnAs (3 5nm)，接着生长中间层CaAs (1 2nm)，被钉扎铁磁层CoFe (2 5nm)，反铁磁 钉扎层IrMn(10nm)，覆盖层Ta(5nm)而获得。该磁性多层膜的横截面为椭圆形，该椭圆环内 环的短轴为100nm之间，环宽为10nm，内环的短轴与长轴的比值为1 : 3。
对于本领域的技术人员来说应该理解，以上实施例10 12中所采用的磁性多 层膜仅为示例性的，在本发明的自旋微波振荡器的其他实施例中，磁性多层膜还可以采用 与本发明磁性随机存取存储器的磁性多层膜存储单元相同的衬底、非磁性层、铁磁层、中间 层、被钉扎铁磁层，反铁磁钉扎层、覆盖层材料及厚度，而底层缓冲层则采用例如为Ta、 Ru、 Cu、 Pt、 Au的材料等，其横截面也可以和磁性多层膜存储单元相同。 另外，作为本发明的自旋微波振荡器的另一种实现方式，还包括外加磁场，该外加 磁场的方向与直流电流同向，都是横向施加，其大小不能超过铁磁层的矫顽力。当电流和磁 场同时作用时，可以更大地降低触发微波所需的电流。[实施例16]:图7A是本发明实施例16的基于Rashba效应的可编程的磁性逻辑 器件的示意图。该磁逻辑器件包括逻辑输入、逻辑重置、磁性多层膜、逻辑输出以及外围的 控制电路。其中，生长在衬底(未示出)上的磁性多层膜各层依次为底层缓冲层和非磁 性层1、铁磁性层2、中间层3、硬铁磁层4、覆盖层5。另外，在覆盖层上还有一层导电电极， 在此未示出。逻辑输入1和逻辑输入2与底层非磁性层相连，用于提供横向电流，并分别通 过外围控制电路来控制逻辑输入电流的大小和方向，(本实施例中逻辑输入l和逻辑输入 2中的电流大小相同，它们的和与实施例1中所需的反转电流大小相同。分别定义逻辑输 入1和逻辑输入2的真假状态，其中它们的电流大小相等，其中电流从左向右流定义位真值 "1"，电流从右到左流定义为真值"O")。逻辑重置通过顶部的覆盖层和磁性多层膜相连，用 于提供横向流经磁性多层膜的电流输入，用于改变上铁磁层的磁化状态。
在本发明的可编程磁性逻辑器件中，磁性多层膜是通过在lmm厚的Si/Si02衬底 上依次沉积底层缓冲层Au (1 50nm)、非磁性层Pt (1 5nm)，软铁磁层CoFe (3 5nm)，接 着依次生长中间层A1203 (lnm)或Cu (2 3nm)，硬铁磁层CoFe (4 50nm)，覆盖层Pt (1 100nm)而获得的，该磁性多层膜单元的横截面为正方形，其边长为8000nm。
该磁逻辑器件的具体操作方法为(本实施例中只给出磁逻辑与的操作方法)首 先采用逻辑重置使磁性多层膜单元的初始状态为上下磁性层的磁矩相互垂直。通过控制逻 辑输入1和逻辑输入2，使它们同时施加从左向右的电流，该合电流的大小大于使铁磁层磁矩发生反转的临界电流Ic2(Ic2 = jc2X磁性多层膜存储单元的面积，其中jc2 = 1X104 lX10"A/m"，而且电流的方向垂直于铁磁层的磁矩方向，当该电流横向流经非磁性层时， 由于铁磁层和非磁性层界面处的Rashba效应，铁磁层的磁矩会在这一合电流的作用下反 转，从而实现上下磁性层磁矩的反平行，实现磁性多层膜单元垂直的高电阻状态(定义为 真值"l");相应的，当逻辑输入1和逻辑输入2同时施加一从右到左的电流，铁磁性层的磁 矩就回从相反的方向变化，实现上下铁磁层磁矩的平行。这样就实现磁性多层膜单元的低 电阻状态(定义为真值"O");当逻辑输入1和逻辑输入2施加相反的电流，铁磁层的磁矩 就不会发生转动，磁性多层膜的磁化状态仍然保持在初始状态。(也定义为真值"O")。这 样就实现了逻辑与门。对应的真值表见图7B。最后采用逻辑重置可以实现对磁性多层膜单 元的状态重置。实现可编程的逻辑器件。
[实施例17]: 按照与实施例16相同的方法制作可编程的磁性逻辑器件，所不同的是其中的磁 性多层膜。该磁性多层膜通过在Si/Si02衬底上依次生长底层缓冲层Ta(O 50nm)、非磁 性层Pt (1 5nm)，软铁磁层LaSrMnOx (3 5nm)，接着生长中间层CaMnO (1 2nm)，硬铁磁 层CoFe (4 50nm)，覆盖层Pt (1 100nm)而获得；该磁性多层膜的横截面为圆形，其直径 为3000nm。[实施例18]: 按照与实施例16相同的方法制作可编程的磁性逻辑器件，所不同的是其中的磁 性多层膜。该磁性多层膜通过首先在Si/Si02衬底上依次生长非磁性层Pt (1 5nm)，软铁 磁层GaMnAs (3 5nm)，接着生长中间层CaAs (1 2nm)，硬铁磁层CoFe (4 50nm)，覆盖层 Pt(l 100nm)而获得。该磁性多层膜的横截面为椭圆形，该椭圆环内环的短轴为100nm之 间，环宽为10nm，内环的短轴与长轴的比值为1 : 3。 同样，对于本发明的磁性逻辑器件，实施例16 18只是示意性的。不仅仅包括磁
逻辑与门，通过改变逻辑输入线的条数、逻辑输入的状态及真值的定义等等，可以实现逻辑
非门、或门，与非门，或非门等等逻辑门输出。都包括在本发明的范围内。 尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人
员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在
本发明的精神以及范围之内。
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权利要求
一种磁性随机存取存储器单元，包括磁性多层膜存储单元和写位线，其特征在于，所述磁性多层膜存储单元自下而上依次包括衬底、非磁性层、核心功能层区和覆盖层；所述核心功能层区自下而上依次包括下磁性层、中间层和上磁性层；所述写位线与所述非磁性层相连，以使写电流横向流经所述非磁性层并反转所述下磁性层的磁矩，实现数据的写入。
2. 根据权利要求1所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述核心功能层区 采用钉扎结构或无钉扎结构；所述钉扎结构中，所述下磁性层为铁磁层，上磁性层自下而上 包括被钉扎铁磁层和反铁磁钉扎层；所述无钉扎结构中，所述下磁性层为软铁磁层，上磁性 层为硬铁磁层。
3. 根据权利要求1所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述磁性随机存取 存储器单元还包括读位线，所述写位线位于所述读位线的上层，或者与所述读位线位于同 一层，所述写位线通过金属接触与所述非磁性层相连。
4. 根据权利要求1所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于， 所述非磁性层选用金属性材料，厚度为0. 6 100nm ;所述下磁性层选用能够在表面产生空间反演不对称性的铁磁性材料，厚度为0. 6 100nm ;所述中间层选用金属性或非金属性材料，厚度为0. 6 6nm ;所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量强于所述中间层所选材料的自旋轨道耦 合能量。
5. 根据权利要求4所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述下磁性层所选 材料的自旋轨道耦合能量是所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量的1% 95%。
6. 根据权利要求4所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，非磁性层所选材料 的自旋轨道耦合能量超过所述中间层所选材料的自旋轨道耦合能量的120% 。
7. 根据权利要求4所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述铁磁层为过渡 金属或其化合物、铁磁性稀土材料或其化合物、磁性半导体、磁性金属氧化物或磁性锰氧化 物；所述铁磁层材料采用具有面内各向异性的材料，或者采用具有垂直各向异性的材料。
8. 根据权利要求4所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述非磁性层为Pt、 Ta、 Au、 Ag、 Ru、 Pd、 Rh、 Mo、 Zr或掺Nb的SrTi03。
9. 根据权利要求1所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述磁性多层膜存 储单元的横截面为矩形、椭圆形、矩形环或椭圆环，其中，所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5 ; 所述椭圆形的短轴在10 100000nm之间，短轴与长轴的比值为1 : 1 1 : 5 ; 所述矩形环内环的宽度在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的宽度与长度的比值为i:i i:5;所述椭圆环内环的短轴在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的短轴与长轴的比值为i : i i : 5。
10. 根据权利要求2所述的磁性多层膜存储器单元，其特征在于，所述的磁性多层膜存 储单元为倒T型结构；当所述核心功能层区采用钉扎结构时，所述中间层、被钉扎铁磁层、 反铁磁钉扎层和覆盖层为所述T型结构的上部，所述衬底、非磁性层和铁磁层为所述T型结 构的下部；当所述核心功能层区采用无钉扎结构时，所述中间层、硬铁磁层、覆盖层为所述T型结构的上部，所述衬底、非磁性层和软铁磁层为所述T型结构的下部。
11. 根据权利要求10所述的磁性多层膜存储器单元，其特征在于，所述的倒T型结构的 磁性多层膜单元的底部非磁性金属层的一端通过金属层、金属接触孔和写位线相连，另一 端通过金属接触孔和过渡金属层相连；所述的倒T型结构的磁性多层膜的覆盖层和所述读 位线相连。
12. 根据权利要求IO所述的磁性多层膜存储器单元，其特征在于，所述的磁性多层膜 存储单元的非磁性层横截面为矩形，所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度和长度的 比值为l : 1 1 : 30;核心功能层区和覆盖层的横截面为矩形、椭圆形、矩形环或椭圆环， 其中，所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5 ; 所述椭圆形的短轴在10 100000nm之间，短轴与长轴的比值为1 : 1 1 : 5 ; 所述矩形环内环的宽度在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的宽度与长度的比值为i : i i : 5;所述椭圆环内环的短轴在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的短轴与长轴的比值为i : i i : 5。
13. 根据权利要求2所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述磁性多层膜存 储单元可为u型结构，当所述核心功能层区采用钉扎结构时，所述中间层、被钉扎铁磁层、反铁磁钉扎层和覆盖层为所述u型结构的上部，所述衬底、非磁性层和铁磁层为所述u型结构的下部；当所述核心功能层区采用无钉扎结构时，所述中间层、硬铁磁层、覆盖层为所述 U型结构的上部，所述衬底、非磁性层和软铁磁层为所述U型结构的下部。
14. 根据权利要求13所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述U型结构的磁 性多层膜存储单元上部的一端通过金属接触孔与写位线相连，另一端通过金属接触孔与过 渡金属层相连。
15. 根据权利要求13所述的磁性随机存取存储器单元，其特征在于，所述磁性多层膜 存储单元的下部的横截面为矩形，所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为i : i i : 5。
16. —种磁性随机存取存储器，其特征在于，所述磁性随机存取存储器包括权利要求1 至15之中任意一项所述的磁性随机存取存储器单元。
17. —种基于权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元的写入方法，其特征在于，所述写入通过对所述磁性多层膜存储单元单独施加横向电流来实现；或通过对所述磁性多 层膜存储单元同时施加横向电流和纵向电流来实现。
18. —种基于权利要求17所述的磁性随机存取存储器单元的写入方法，其特征在于， 通过单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流大于临界值Ic2 ;通过同时施加横向电 流和纵向电流来实现写入时，所述横向电流低于临界值I(^，其中Ic2 = jc2X磁性多层膜存 储单元的面积，jc2 = 1X106 lX10"A/m2 ;所述横向电流是直流电流，所述纵向电流是直 流或交流电流。
19. 一种自旋微波振荡器，包括磁性多层膜和直流输入，其特征在于， 所述磁性多层膜自下而上包括衬底、底层缓冲层、非磁性层、核心功能层区和覆盖层；所述核心功能层区自下而上包括下磁性层、中间层和上磁性层；所述直流输入提供的直流电流横向流经所述磁性多层膜的非磁性层，以使所述下磁性 层的磁矩产生进动，并使所述磁性多层膜垂直的电阻产生变化；所述核心功能层区采用钉扎结构或无钉扎结构；所述钉扎结构中，所述下磁性层为铁 磁层，上磁性层自下而上包括被钉扎铁磁层和反铁磁钉扎层；所述无钉扎结构中，所述下磁 性层为软铁磁层，上磁性层为硬铁磁层。
20. 根据权利要求19所述的自旋微波振荡器，其特征在于， 所述非磁性层选用金属材料，厚度为0. 6 100nm ;所述下磁性层选用能够在表面产生空间反演结构不对称性的铁磁性材料，厚度为 0. 6 100nm ;所述中间层选用非磁性金属或非金属绝缘材料，厚度为0. 6 6nm ; 所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合强于所述中间层所选材料的自旋轨道耦合。
21. 根据权利要求19所述的自旋微波振荡器，其特征在于，还包括外加磁场，该外加磁 场的方向与所述直流电流同向，大小不能超过所述下磁性层的矫顽力。
22. 根据权利要求19至21之中任意一项所述的自旋微波振荡器，其特征在于，所述磁 性多层膜存储单元的横截面为矩形、椭圆形、矩形环或椭圆环，其中，所述矩形的宽度在10 100000nm之间，宽度与长度的比值为1 : 1 1 : 5 ; 所述椭圆形的短轴在10 100000nm之间，短轴与长轴的比值为1 : 1 1 : 5 ; 所述矩形环内环的宽度在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的宽度与长度的比值为i : i i : 5;所述椭圆环内环的短轴在10 100000nm之间，环宽在10 100000nm之间，内环的短轴与长轴的比值为i : i i : 5。
23. —种基于权利要求22所述的自旋微波振荡器的操作方法，其特征在于，所述直流 输入向所述磁性多层膜上横向施加直流电流，以使所述铁磁层的磁矩在该电流的作用下产 生进动，从而引起所述磁性多层膜垂直的电阻产生变化。
24. —种基于权利要求23所述的自旋微波振荡器的操作方法，其特征在于，所述直流 电流小于临界电流Iq，其中Ic2 = jc2X磁性多层膜的面积，jc2 = IX 106 lX10"A/m2。
25. —种可编程的磁性逻辑器件，包括磁性多层膜、逻辑输入、逻辑输出和逻辑重置； 所述磁性多层膜自下而上包括衬底、底层缓冲层、非磁性层、核心功能层区和覆盖层；所述核心功能层区自下而上包括下磁性层、中间层和上磁性层；所述核心功能层区采用无钉扎结构；所述无钉扎结构中，所述下磁性层为软铁磁层，上 磁性层为硬铁磁层；所述的逻辑输入至少有两个，各逻辑输入的电流大小均相等，横向流经磁性多层膜单 元底部非磁性层；通过改变各逻辑输入的电流方向，来实现磁性多层膜垂直电阻的变化，实 现逻辑功能。逻辑重置与磁性多层膜的覆盖层相连，电流横向流经覆盖层，用于调节磁性多层膜的 磁化状态。
26. 根据权利要求25的可编程的磁性逻辑器件，其特征在于，所述非磁性层和覆盖层 都采用金属材料，厚度在0. 6 100nm之间；所述非磁性层和覆盖层所选材料的自旋轨道耦 合均强于所述中间层所选材料的自旋轨道耦合。
27. —种根据权利要求25所述的可编程的磁性逻辑器件的操作方法，其特征在于，各 逻辑输入的电流大小均相等并且均小于临界电流I(^各逻辑输入的电流的和大于临界电 流Ic2，其中Ic2 = jc2X磁性多层膜的面积，jc2 = 1X106 lX10"A/m2。
全文摘要
本发明公开一种基于Rashba效应的磁性随机存取存储器单元，包括磁性多层膜存储单元和写位线，其特征在于，所述磁性多层膜存储单元自下而上依次包括衬底、非磁性层、核心功能层区和覆盖层；所述核心功能层区自下而上依次包括下磁性层、中间层和上磁性层；所述写位线与所述非磁性层相连，以使写电流横向流经所述非磁性层并反转所述下磁性层的磁矩，实现数据的写入。本发明还提供具有类似结构的基于Rashba效应的可编程磁逻辑器件和自旋微波振荡器。本发明实现了读写分离，可以有效保护器件在反复高电流密度读写时不易被损坏，可以有效降低写电流密度，增加器件的可操作性；本发明还采用了闭合状几何结构的设计方案，可进一步减小磁场对器件的干扰。
文档编号H01F10/32GK101770804SQ200910076048
公开日2010年7月7日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者刘东屏, 张曙丰, 温振超, 陈军养, 韩秀峰 申请人:中国科学院物理研究所