存储器600包括存储单元的阵列C11-C34,每行存储单元例 如C11-C14通过其第一端子309连接到同一条第一位线例如化11，并且每行存储单元例 如C11-C14还通过其第二端子501和第Ξ端子503中的一个连接到同一条第二位线例如 BL21。每行存储单元例如C11-C14的第二端子501和第Ξ端子503中的另一个还通过晶体 管T连接到同一条源级线例如化1。每列存储单元例如C11-C31的晶体管T的控制端（或 者说栅极）连接到同一条选择线例如SEL1。
[0086] 在进行写入操作时，在第二位线上施加写入电流，并且在选择线上施加预定电压， 即可完成对特定存储单元的写入。例如，当在第二位线化22上施加写入电流，并且在选择 线SEL3上施加预定电压时，可W完成对存储单元C23的写入。
[0087] 在进行读取操作时，在第一位线之一上施加读取电流，并且在选择线之一上施加 预定电压，即可完成对特定存储单元的读取。例如，在第一位线化12上施加读取电流，并且 在选择线SEL2上施加预定电压，即可在对应的源级线SL2上收到流经存储单元C22的读取 电流，从而获得存储单元C22中存储的信息。在读取操作时，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）将第一位线设置为断开。
[0088] 应理解的是，上面参照图6描述的电路仅是示意性的，在不违背存储单元500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。
[0089] 图7A示出根据本发明另一实施例的存储单元700的横截面图，图7B示出图7A的 存储单元700的俯视图，其中图7A是沿着图7B中的线A-A'截取的横截面视图。在图7A和 7B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。
[0090] 首先参照图7A，存储单元700包括形成在衬底310上的偏置磁层710、设置在偏置 磁层710上的自旋霍尔效应（S肥）层320、W及设置在甜E层320上的磁性隧道结780。偏 置磁层710可W由铁磁材料形成，包括但不限于Co、Fe、NiW及包括它们的合金。偏置磁 层710可W具有面内磁化，在图7A中偏置磁层710的磁化方向示为在Y轴方向上。偏置磁 层710的磁化在存储单元700的操作期间保持不变，因此偏置磁层710可W使用具有较大 矫顽力的材料形成，或者可W形成为具有较大的厚度。在本发明的一些实施例中，偏置磁层 710的厚度可W在1皿至50皿的范围，优选在2皿至20皿的范围。在另一些实施例中，还 可W在偏置磁层710与衬底310之间设置反铁磁钉扎层来钉扎偏置磁层710的磁化方向。
[0091]S肥层320设置在偏置磁层710上，磁性隧道结780设置在甜E层320上。磁性隧 道结780包括与S肥层320接触的自由磁层730、设置在自由磁层730上的势垒层340、W 及设置在势垒层340上的参考磁层350。磁性隧道结780还可W包括设置在参考磁层350 上的钉扎层360、W及设置在钉扎层360上的保护层370。保护层370可W连接到第一端子 309。
[0092] 参考磁层350可具有沿垂直方向的磁矩。或者说，参考磁层350的易磁化轴可W 取向在垂直方向上。在本实施例中，应注意的是，虽然自由磁层730的易磁化轴也可W在垂 直方向上（或者在稍微偏离垂直方向的方向上），但是其磁矩不是在垂直方向上。而是，自 由磁层730和偏置磁层710通过由S肥层320所诱导的交换禪合而彼此禪合，该禪合可W 是铁磁禪合（平行禪合），也可W是反铁磁禪合（反平行禪合）。因此，使得自由磁层730 的磁矩向偏置磁层710的磁矩方向（或其反方向）偏转。图7A示出铁磁禪合的情况，其中 偏置磁层710具有在Y轴方向上的面内磁化，自由磁层730的磁矩从Z轴方向朝向偏置磁 层710的磁化方向偏转。在未示出的反平行禪合的情况下，自由磁层730的磁矩从Z轴方 向朝向偏置磁层710的磁化方向的反方向偏转。是平行禪合还是反平行禪合取决于甜E层 320的材料和厚度。即便对于同一种材料，通过改变其厚度即可产生平行禪合和反平行禪 合。因此，本实施例的甜E层320既要由具有较强的自旋轨道禪合特性的材料形成W实现 自旋霍尔效应，又要设计有适当的厚度W诱导所需的反平行或平行禪合。在本发明一些实 施例中，S肥层320的厚度可W在0. 4皿至20皿的范围内，优选在0. 8至6皿的范围内。
[0093]S肥层320还在其相对两侧分别连接到第二端子701和第Ξ端子703。运些端子 可W连接到相应的布线，其将在后面参照图8来详细描述。继续参照图7A和7B，连接第二 端子701和第Ξ端子703的假想线A-A'平行于偏置磁层710的磁化方向，在本实施例中为 Υ轴方向。从而，通过第二端子701和第Ξ端子703施加的写入电流可w在与偏置磁层710 的磁化方向平行的方向（即，Y轴方向）上。
[0094] 在本实施例中，当通过第二端子701和第Ξ端子703向S肥层320施加沿Y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730的磁矩发生翻转的自旋转矩。在本实施例中，偏置磁层 710和自由磁层730交换禪合，运相当于向自由磁层730施加一个Y轴方向（偏置磁层710 的磁化方向）上的等效磁场。在该自旋转矩和等效磁场的共同作用下，能够使自由磁层730 的磁矩发生翻转。应注意，当自由磁层730的磁场发生翻转之后，其仍受到与偏置磁场730 的交换禪合的作用。在图7A所示的平行禪合的情况中，自由磁层730的磁矩朝向偏置磁层 710的磁化方向偏转，因此最终稳定在虚线箭头所示的方向上。
[0095] 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730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780,因此可W避免写入操作时对磁性隧道结780的损害。磁性隧道结780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780造成损害。因此，本实施例的磁性隧道结700 也可W具有较长的使用寿命。此外，各个磁层的易磁化轴在垂直方向或面内方向上，运可W 在沉积用于形成各个磁层的薄膜时即可实现，而不需要额外的退火工艺，因此制作工艺更 简单，进而能节省成本。
[0096] 下面描述根据本实施例的存储单元700的一些特定示例。
[0097]示例 5
[0098] 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化巧nm)/ ]\1邑0(1]1111)/〔〇4沪64。82。（化111)/1日（1.3皿）/〔〇4。化4麻2。（1.化111)/]\%0(2]1111)/〔〇4沪64。82。（1.0皿）/ 化巧nm)/Ru巧nm)。顶层的Ru用作保护层。最下面的2皿厚的(：〇4沪64。82。层具有面内磁化， 其用作偏置磁层。中间的1.2皿厚的〔〇4沪64必2。层用作自由磁层，其易磁化轴在垂直方向 上，并且其通过1. 3皿厚的化层与偏置磁层反铁磁禪合，使得其磁化方向从垂直方向朝向 偏置磁层的磁化方向的反方向倾斜，从而具有面内分量。最上面的1.Onm厚的C〇4。化4必2。层 用作参考磁层，其具有垂直磁化。薄膜制备完成后，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20μm，短轴15μm，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。
[0099]示例6
[0100] 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化巧nm)/ MgO(Inm) /C〇4〇Fe4〇B2。（化m)/Pt(化m) /C〇4〇Fe4〇B2。（1. 2nm)/MgO(化m) /C〇4〇Fe4〇B2。（1.Onm) / 化巧nm)/Ru巧nm)。应注意，示例6与示例5基本相同，除了将用作甜E层320的1. 3nm厚 的化层用2nm厚的Pt层替换之外。2nm厚的Pt层可W诱导产生铁磁禪合，使得用作自由 层的中间的〔〇4沪64必2。层的磁化方向从垂直方向朝向用作偏置磁层的〔〇4沪64。82。层的磁化 方向偏转。示例6的其他方面与示例5相同，此处不再详细描述。
[0101] 可W看出，存储单元700的端子设置与前面描述的存储单元500相同，因此存储单 元700也可W在图6所示的磁随机存取存储器600中用作存储单元C11-C34。包括存储单 元700的磁随机存取存储器600的操作与前面描述的包括存储单元500的磁随机存取存储 器600的操作相似，此处不再重复描述。
[0102] 上面在磁随机存取存储器的上下文中描述了本发明的一些实施例和示例，但是本 发明并不局限于此。可W理解的是，本发明的原理还可W应用到自旋逻辑器件。
[0103] 图8示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件800。如图8所示，自旋逻辑器件 800包括形成在衬底（未示出）上的自旋霍尔效应甜E层320和形成在甜E层320上的磁 性隧道结380,磁性隧道结380包括依次形成在甜E层320上的自由磁层330、势垒层340、 参考磁层350、钉扎层360和保护层370。保护层370可连接到第一端子309,S肥层320可 W在其周边连接到第二端子301、第Ξ端子305、第四端子303和第五端子307。可W看出， 自旋逻辑器件800的结构与上面参照图3A和3B描述的存储单元300相同，因此此处将省 略对其的进一步详细描述。
[0104] 下面将继续参考图8来描述自旋逻辑器件800的操作。如前所述，自旋逻辑器件 800可W具有与高电阻态对应的反平行状态和与低电阻态对应的平行状态。运里，将高电阻 态定义为逻辑"1"，将低电阻态定义为逻辑"0"。应理解，在另一些实施例中，将高电阻态定 义为逻辑"0"，并且将低电阻态定义为逻辑"1"，也是可行的。在第二端子301和第四端子 303之间施加第一输入电流Ii，且图示箭头方向定义为正，在第Ξ端子305和第五端子之间 施加第二输入电流12,且图示箭头方向定义为正。将大于翻转临界电流I。的输入电流定义 为逻辑输入"1"，将小于翻转临界电流I。的输入电流定义为逻辑输入"0"。此外，还跨磁性 隧道结380施加读取电流lu，例如在第一端子309与甜E层320或甜E层320上的第二至 第五端子中的任何一个之间施加读取电流In。
[0105] 在第一操作示例中，自旋逻辑器件800可W用作逻辑"与"(AND) 口。初始时，可W 将自旋逻辑器件800设置成平行状态，如实线箭头所示。当第一输入电流Ii和第二输入电 流12均低于翻转临界电流I。即都为逻辑"0"时，磁性隧道结380保持为平行状态，此时通 过读取电流获得的逻辑输出为"0";当第一输入电流I1和第二输入电流I2中的一个大 于翻转临界电流I。而另一个小于翻转临界电流I即一个为逻辑"0"而另一个为逻辑"1" 时，磁性隧道结380仍保持为平行状态，此时通过读取电流I,获得的逻辑输出仍为"0";当 第一输入电流Ii和第二输入电流I2均高于翻转临界电流I即二者都为逻辑"1"时，磁性 隧道结380发生翻转，变为反平行状态，此时通过读取电流I,获得的逻辑输出为"1"。因 此，自旋逻辑器件800可W操作为"与"Π，并且符合表1所示的"与"口的真值表。应注意 的是，磁性隧道结380 (或者更具体地，自由磁层330)的翻转会影响"与"口的进一步操作， 因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出"1"之后，需要对自旋逻辑器件