而顶层的Al2〇3/Co/Pt结构可W保证用作参考磁层的Co膜具有良好的垂直各向异 性。用作参考磁层的Co层的厚度为0.8皿，其小于用作自由磁层的Co层的厚度1.0皿，从 而确保参考磁层具有比自由磁层更大的矫顽力。薄膜制备完成后，将样品于真空退火炉中 在300°C和0.8T的磁场下退火1小时，其中磁场方向垂直于膜平面。退火后，样品自然冷却 至室溫。在升溫、保溫和冷却过程中，退火炉的真空度保持优于1.0X10中曰。最后，通过光 刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成楠圆形状，楠圆形状的长轴为20μπι，短轴15μπι， 并且形成相应的布线W在第一至第五端子处连接到所形成的存储单元。
[0064]示例 2
[0065] 利用高真空磁控瓣射设备在具有Si化表面层的Si衬底上依次沉积如下薄膜： Ta巧nm) /C〇4〇Fe4〇B2。（1.化m)/MgO化 5nm) /〔〇4。化4必2。（1.化m)/Ta巧nm)/Ru巧nm)。薄膜审ij 备过程中，背景真空优于1.OX10中曰。底层的化用作甜E层，顶层的Ru层用作保护层。 〔〇4沪64。82。/]\%0/(：〇4沪64必2。构成磁性隧道结的核屯、区。底层的1'曰/〔〇4。化4必2。/%0结构可W保证作为自由磁层的〔〇4沪64。82。膜具有良好的垂直各向异性，而顶层的1邑0/(：〇4沪64。132。/ 化结构可W保证作为参考磁层的仿4沪64麻2。膜具有良好的垂直各向异性。薄膜制备完成 后，将样品于真空退火炉中在300°c和0.8T的磁场下退火1小时，其中磁场方向垂直于膜 平面。退火后，样品自然冷却至室溫。在升溫、保溫和冷却过程中，退火炉的真空度保持优 于1. 0X103Pa。最后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成方形，方形的边长为 30μm，并且形成相应的布线W在第一至第五端子处连接到所形成的存储单元。
[0066] 虽然在上面描述的实施例及其示例中，磁性隧道结单元380形成在甜E层320上 方，但是本发明不限于此。甜E层320亦可形成在磁性隧道结380上方。例如，可W在衬底 310上依次形成参考磁层350、势垒层340和自由磁层330,然后直接在自由磁层330上形成 S肥层320。甜E层320上可W覆盖有绝缘保护层例如Si〇2层。该结构的其它方面与前面 描述的实施例或示例相同，此处不再寶述。
[0067] 图4示出根据本发明一实施例的磁随机存取存储器400的示意性电路图，该磁随 机存取存储器可W包括前面参照图3A和3B所述的存储单元。虽然运里示出的磁随机存取 存储器400包括3行4列存储单元的阵列，但是磁随机存取存储器400可W包括更多或更 少个存储单元的阵列。
[0068] 参照图4,磁随机存取存储器400包括存储单元的阵列C11-C34,每行存储单元例 如C11-C14连接到同一条第一字线例如WL11，每列存储单元例如C11-C31连接到同一条第 二字线例如WL21。例如，存储单元的甜E层320通过其周边的四个端子连接到第一和第二 字线，并且S肥层320本身还用作第一和第二字线的一部分（参见图3A和3B)。每一行存 储单元还连接到同一条位线，例如存储单元C11-C13每个的参考磁层350或其上的层例如 保护层370连接到位线化1。同一行中的每个存储单元例如C11-C13的甜E层320或者与 其相连的字线还通过晶体管T连接到同一条源级线例如源级线化1，同一列存储单元例如 C11-C31的晶体管的控制端（或者说栅极）还连接到同一条选择线例如SEL1。
[0069] 在进行写入操作时，在第一字线之一和第二字线之一上施加写入电流，即可完成 对特定存储单元的写入。例如，当在第一字线WL12和第二字线WL24上施加写入电流时，可 ^完成对单元〔24的写入。此时，存储单元〔21、〔22、〔23、(：14和〔34由于仅受一个电流产 生的自旋转矩或等效磁场的影响，根据Stoner-Wohlfarth模型，它们的自由磁层的磁矩将 不会发生翻转。
[0070] 在进行读取操作时，在位线之一和选择线之一上施加电压，即可完成对特定存储 单元的读取。例如，在位线BL2和选择线SEL3上施加电压，即可在源级线SL2上收到流经 存储单元C23的读取电流，从而获得存储单元C23中存储的信息。此时，可W通过形成在存 储单元的阵列周围的行或列控制器（未示出）将其余的源级线SL1和SL3设置为断开。
[0071] 应理解的是，上面参照图4描述的电路仅是示意性的，在不违背存储单元300的操 作原理的情况下，还可W对电路，尤其是其中的布线的连接方式，进行各种变化。
[0072] 图5A示出根据本发明另一实施例的存储单元500的横截面图，图5B示出图5A的 存储单元500的俯视图，其中图5A是沿着图5B中的线A-A'截取的横截面视图。图6示出 包括多个图5A和5B所示的存储单元的磁随机存取存储器600的示意性电路图。在图5A、 5B和6描述的实施例中，与图3A、3B和4描述的实施例中相同的元件用相同的附图标记指 示，运里将省略对其的详细描述。
[0073] 首先参照图5A，存储单元500包括形成在衬底310上的自旋霍尔效应（S肥）层 320、W及设置在S肥层320上的磁性隧道结580。衬底310可W是绝缘衬底、具有绝缘表面 的衬底、或者半导体衬底等。甜E层320由具有强的自旋轨道禪合属性的导体材料形成，从 而当电流流过SHE层320时，能在其表面上形成自旋极化电流。
[0074] 磁性隧道结580设置在甜E层320上方并且与甜E层320接触。具体而言，磁性隧 道结580包括自由磁层530和参考磁层350,势垒层340夹在二者之间，其中自由磁层530 与S肥层320相邻并且直接接触。自由磁层530和参考磁层350均可由铁磁材料形成，自 由磁层530的磁矩可W自由翻转，而参考磁层350的磁矩在磁性随机存取存储器的操作期 间不发生改变。在参考磁层350上还可W形成有钉扎层360来固定参考磁层350的磁矩， 在一些实施例中，钉扎层360也可W被省略。钉扎层360上可W形成有保护层370。
[00巧]参考磁层350可具有沿垂直方向狂轴方向）或者大致上在垂直方向上的磁矩。换 言之，参考磁层350的易磁化轴可W取向在垂直方向上。但是应注意的是，在本实施例中， 自由磁层530的易磁化轴不是在垂直方向上，也不是在面内方向上，而是在从垂直方向狂 轴）轴偏离一定角度的方向上。在一些实施例中，自由磁层530的易磁化轴的方向可W从 垂直方向偏离5度至80度的范围，优选在25度至45度的范围。在图5A所示的实施例中， 自由磁层530的易磁化轴是从Z轴方向向Y轴方向偏移。
[0076] 磁性隧道结580的自由磁层530与S肥层320接触，其参考磁层350所在的一侧， 在本实施例中为保护层370,连接到第一端子309。甜E层320在其相对两侧分别连接到第 二端子501和第Ξ端子503。运些端子可W连接到相应的布线，其将在后面参照图6来详 细描述。继续参照图5A和5B，连接第二端子501和第Ξ端子503的假想线B-B'垂直于自 由磁层530的易磁化轴和参考磁层350的易磁化轴所限定的平面，在本实施例中为Y-Z平 面。从而，通过第二端子501和第Ξ端子503施加的写入电流可W在垂直于Y-Z平面的方 向（旨P，X轴方向）上。
[0077] 在本实施例中，当通过第二端子501和第Ξ端子503向甜E层320施加沿X轴方 向的写入电流时，由于自旋霍尔效应，会在SHE层320的上表面产生自旋极化电流，该自旋 极化电流可W提供使自由磁层530的磁矩发生翻转的自旋转矩。在本实施例中，自由磁层 530的易磁化轴在从Z轴向Y轴偏离的方向上，由此产生的各向异性能能够提供使自由磁层 530的磁矩发生翻转的等效磁场。因此，当在X轴方向上施加写入电流时，在自旋转矩和各 向异性能的共同作用下，能够使自由磁层530的磁矩发生翻转。
[0078] 可W看出，虽然由于参考磁层350的磁矩大致在垂直方向上，而自由磁层530的磁 矩从垂直方向偏离预定角度，因此会损失一部分隧穿磁电阻（TMR)性能，但是上述写入过 程可W通过仅施加一个写入电流即可完成，操作上更加简单。此外，该写入电流不经过磁性 隧道结580,因此可W避免写入操作时对磁性隧道结580的损害。磁性隧道结580中的信息 的读取可W通过在第一端子309与第二和第Ξ端子中的任一个之间施加读取电流来进行。 读取电流一般较小，也不会对磁性隧道结580造成损害。因此，本实施例的磁性隧道结500 也可W具有较长的使用寿命。
[0079] 下面描述根据本实施例的存储单元500的一些特定示例。
[0080]示例 3
[0081] 利用高真空磁控瓣射设备在具有Si化表面层的Si衬底上制备如下结构： Ta巧nm)/C〇4〇Fe4〇B2〇(1.化m)/MgO(3nm)/〔〇4沪64必2。化8nm)/Ta巧nm)/Ru巧nm)。在制备过程 中，背景真空优于1.OX10中曰。顶层的RU可用作保护层。C〇4。化4。82。/]\%0/(：〇4沪64。132。构成磁 性隧道结的核屯、部分。底层的Ta/C〇4。化4DB2D/Mg〇结构可W保证作为自由磁层的C〇4eFe4cB2。 具有垂直各向异性，顶层的MgO/CowFewBze/Ta结构可W保证作为参考磁层的CowFe^BzJl 具有垂直各向异性。在薄膜制备完成之后，将样品置于真空退火炉中在325Γ和0.8T的磁 场中退火1小时。应注意，所述磁场的方向为从Z轴方向向例如Y轴方向偏离，偏离角度可 W为例如30°。退火后，样品自然冷却至室溫。升溫、保溫和降溫过程中，退火炉的真空度 优于1. 0X103Pa。运样，可W使得自由磁层的易磁化轴取向在退火器件所施加的磁场的方 向上。对于参考磁层，由于其具有更大的矫顽力，所W受退火磁场的影响较小，其易磁化轴 可W仍基本保持在垂直方向狂轴）上，或者在从垂直方向偏离较小角度的方向上，所述偏 离角度一般小于10度，此时可W说参考磁层的易磁化轴基本在垂直方向上。最后，通过光 刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成楠圆形状，楠圆形状的长轴为20μπι，短轴15μπι， 并且形成相应的布线W在第一至第Ξ端子处连接到所形成的存储单元。应注意的是，第二 和第Ξ端子应排列在X轴方向上，W保证写入电流的方向垂直于自由磁层和参考磁层的易 磁化轴方向。
[0082]示例 4
[0083] 利用高真空磁控瓣射设备在具有Si〇2表面层的Si衬底上制备如下结构： Pt巧nm)/Co(l.Onm)/Al2〇3(3nm)/Co(0. 8nm)/Pt(5nm)。在薄膜制备过程中，背景真空优于 1.0X105Pa。顶层的Pt层可用作保护层。C0/AI2O3/C0构成磁性隧道结的粉。部分。底层 的Pt/Co/Al2〇3结构和顶层的A12〇3/Co/Pt结构分别保证下上两层Co薄膜的垂直各向异性。 在薄膜制备完成后，将样品于真空退火炉中在300°C和0.8T的磁场中退火1小时，磁场的方 向从Z轴方向向Y轴方向偏转40°。退火后，样品自然冷却至室溫。升溫、保溫和降溫过程 中，退火炉的真空度优于1. 0X103Pa。最后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化 成矩形形状，矩形形状的长度为30μm，宽度为20μm，并且形成相应的布线W在第一至第 Ξ端子处连接到所形成的存储单元。应注意的是，第二和第Ξ端子应排列在X轴方向上，W 保证写入电流的方向垂直于自由磁层和参考磁层的易磁化轴方向。
[0084] 图6示出根据本发明一实施例的磁随机存取存储器600的示意性电路图，该磁随 机存取存储器可W包括前面参照图5A和5B所述的存储单元。
[0085] 参照图6,磁随机存取