磁随机存储器件及电子设备的制作方法

1.本发明涉及自旋电子器件技术领域，具体地涉及一种磁随机存储器件及电子设备。


背景技术：

2.随着互联网时代的发展，数据呈现爆炸式增长，为了满足海量数据处理的迫切需求，存储器面临着高静态功耗和功耗墙等问题。磁随机存储器(magnetic random access memory，mram)具有非易失性、高写入速度、低功耗等优势，有望用于构建下一代非易失存储系统和计算构架。第三代自旋轨道矩(spin orbit torque，sot)磁随机存储器(magnetic random-access memory，mram)已进入测试片阶段，sot-mram器件具有亚纳秒级的翻转延迟和超低功耗，具有可观的应用潜力。
3.现有技术中，可以通过例如专利文件cn201710812254.7技术方案对sot-mram器件存储密度的提高，如图1所示。但对于垂直各向异性器件，通常需要辅助手段实现确定性翻转，例如，底电极采用反铁磁材料产生偏置场，使用stt辅助sot翻转等方式。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的是提供一种磁随机存储器件，该磁随机存储器件能够提高存储密度。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种磁随机存储器件，所述磁随机存储器件包括呈十字形的底电极层和四个磁隧道结mtj，所述呈十字形的底电极层包括四个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结mtj，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现数据写入。
6.可选的，所述呈十字形的底电极层还包括四个凸出的端，所述四个凸出的端中每个端处布置写入端，通过两个相邻的写入端对所述底电极层施加写电流。
7.可选的，所述两个相邻的写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角时，将“1”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，另一方向的写电流流经所述拐角时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
8.可选的，所述四个磁隧道结mtj上方布置顶电极层，以通过施加在所述顶电极层的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj的数据。
9.可选的，所述四个磁隧道结mtj的形状包括圆柱形、椭圆柱形、菱形柱形、三角柱体及长方体。
10.本发明实施例还提供一种磁随机存储器件，所述磁随机存储器件包括呈t形的底电极层和两个磁隧道结mtj，所述呈t形的底电极层包括两个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结mtj，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现数据写入。
11.可选的，所述呈t形的底电极层还包括三个凸出的端，所述三个凸出的端中每个端处布置写入端，通过所述写入端对所述底电极层施加写电流。
12.可选的，当通过两个相邻的写入端对所述底电极层施加写电流时，所述两个相邻的写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角时，将“1”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，另一方向的写电流流经所述拐角时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
13.可选的，两个相对的写入端分别为第一写入端和第二写入端，另一个写入端为第三写入端，在所述第一写入端和所述第三写入端的拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj为第一磁隧道结mtj，在所述第二写入端和所述第三写入端的拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj为第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端和所述第二写入端呈高电位，所述第三写入端呈低电位时，同时将“1”和“0”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端和所述第二写入端呈低电位，所述第三写入端呈高电位时，同时将“0”和“1”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端呈高电位、所述第二写入端呈低电位，所述第三写入端呈悬空时，同时将“1”和“1”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端呈低电位、所述第二写入端呈高电位，所述第三写入端呈悬空时，同时将“0”和“0”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
14.本发明实施例还提供一种磁随机存储器件，所述磁随机存储器件包括底电极层和多个磁隧道结mtj，所述底电极层由多个呈十字形的底电极组成，每个呈十字形的底电极包括四个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结mtj，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现数据写入。
15.可选的，所述底电极层还包括多个凸出的端，所述多个凸出的端中每个端处布置写入端，通过所述写入端对所述底电极层施加写电流。
16.可选的，两个写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角时，将“1”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，另一方向的写电流流经所述拐角时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
17.本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器以及与所述处理器耦合的至少一个磁随机存储器件，所述至少一个磁随机存储器件为上述的磁随机存储器。
18.通过上述技术方案，本发明实施例提供的磁随机存储器件包括呈十字形的底电极层和四个磁隧道结mtj，通过多比特的器件结构，提高存储密度，减少端口数目；存储位的磁隧道结mtj，通过施加在所述底电极层的写电流流经对应的拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现无磁场辅助的sot翻转，以实现数据写入；写入操作具有灵活度；本发明实施例对面内各向异性的磁隧道结mtj器件和垂直各向异性的磁隧道结mtj器件均适用，允许多种磁隧道结mtj形貌，对工艺友好。
19.本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
20.附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下
面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
21.图1是本发明第一实施例提供的磁随机存储器件的结构示意图；
22.图2是本发明第一实施例提供的示例磁随机存储器件的俯视图；
23.图3a是示例施加脉冲情况下磁矩分量随时间的变化曲线的示意图一；
24.图3b是示例施加脉冲情况下磁矩分量随时间的变化曲线的示意图二；
25.图4是本发明第一实施例的示例一磁随机存储器件的俯视图；
26.图5是本发明第二实施例提供的磁随机存储器件的结构示意图；
27.图6是本发明第二实施例提供的示例磁随机存储器件的俯视图；
28.图7a是本发明第二实施例的示例一磁随机存储器件的俯视图；
29.图7b是本发明第二实施例的示例二磁随机存储器件的俯视图；
30.图7c是本发明第二实施例的示例三磁随机存储器件的俯视图；
31.图8是本发明第三实施例提供的示例磁随机存储器件的俯视图一；
32.图9是本发明第三实施例提供的示例磁随机存储器件的俯视图二；
33.图10是示例磁隧道结层的刻蚀结构；
34.图11是示例底电极层以及磁隧道结层的刻蚀结构。
35.附图标记说明
36.10-底电极层；11-拐角；12-磁隧道结mtj。
具体实施方式
37.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
38.图1是本发明第一实施例提供的磁随机存储器件的结构示意图，图2是图1示例的俯视图，请参考图1和图2，所述磁随机存储器件包括呈十字形的底电极层10和四个磁隧道结mtj12，所述呈十字形的底电极层10包括四个向内的拐角11，一拐角11的预设位置布置一磁隧道结mtj12，以施加在所述底电极层10的写电流流经所述拐角11时，对该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12实现数据写入。
39.请参考图1示例，该磁随机存储器件可以实现4bit的高密度存储。其中，四个磁隧道结mtj12用于存储二进制数据，底电极层10(例如为强自旋轨道耦合层)呈“十字”型，四个磁隧道结mtj12被分别布置在十字形的底电极层10的向内的四个拐角11处。以通过拐角11处的电流密度和极化方向的不均匀性，打破通过自旋轨道矩(spin orbit torque，sot)写入时的镜面对称性，从而实现对磁隧道结mtj12的无磁场数据写入。
40.其中，极化方向的不均匀性可以理解为电流流向呈空间分布，写电流(也可以简称为电流)例如由c1处流向c2处，电流在拐角11(即，c1-c2之间的拐角11)处发生拐弯，电流方向沿着流线的切线，因此，该拐角11处的磁隧道结mtj12中不同位置的电流方向是不同的，即，自旋极化方向与空间有关；电流密度的不均匀性可以理解为电流密度分布的不均匀，例如，c1-c2流向上，c1-c2之间的拐角11处的电流密度高，越往内侧电流密度降低，这是由于内侧电流扩散导致的，具体分布情况依据实际情况而定。
41.本发明第一实施例优选的所述呈十字形的底电极层10还可以包括四个凸出的端，
所述四个凸出的端中每个端处布置写入端，通过两个相邻的写入端对所述底电极层10施加写电流。
42.请参考图1，在四个凸出的端中每个端处布置写入端，例如，c1、c2、c3和c4，写入端c1、c2、c3和c4可以为与底电极层10连接的电极或引脚，通过所述写入端对所述底电极层10施加写电流(或写电压)，形成高、低电位。以写入端c1-c2之间的拐角11处的磁隧道结mtj12为例，当写入端c1与写入端c2之间有写电流(也可以简称为电流)经过时，该磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，电流的变化曲线如图3a和图3b所示，写入端c1与写入端c2之间的双向电流，使得该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态。
43.其中，磁隧道结mtj12的膜层结构可以包括自由层、势垒层以及参考层，还可以包括钉扎层、插入层、封盖层等。即，磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，使得自由层翻转，该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态。
44.优选的，所述两个相邻的写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角11时，将“1”写入该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12，另一方向的写电流流经所述拐角11时，将“0”写入该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12。
45.其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。例如，“1”表征高阻态，“0”标准低阻态；或“1”表征低阻态，“0”标准高阻态。后文出现“1”和“0”均对应表征不同阻态，将不再赘述。
46.请参考图1，以示例说明：
47.1)当写入端c1呈高电位，写入端c2呈低电位(即，写电流由c1流向c2)时，c1-c2之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，此时，状态记为“1”；当写入端c1呈低电位，写入端c2呈高电位(即，写电流由c2流向c1)时，该拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态为“0”。
48.2)当写入端c2呈高电位，写入端c3呈低电位(即，写电流由c2流向c3)时，c2-c3之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，此时，状态记为“1”；当写入端c2呈低电位，写入端c3呈高电位(即，写电流由c3流向c2)时，该拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态为“0”。
49.3)当写入端c3呈高电位，写入端c4呈低电位(即，写电流由c3流向c4)时，c3-c4之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，此时，状态记为“1”；当写入端c3呈低电位，写入端c4呈高电位(即，写电流由c4流向c3)时，该拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态为“0”。
50.4)当写入端c4呈高电位，写入端c1呈低电位(即，写电流由c4流向c1)时，c4-c1之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，此时，状态记为“1”；当写入端c4呈低电位，写入端c1呈高电位(即，写电流由c4流向c3)时，该拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态为“0”。
51.其中，磁隧道结mtj12可以为垂直各项异性器件或者面内各向异性器件，磁隧道结mtj12的自由层可以沿着+x/-x或+y/-y等面内方向进行翻转，因此，对磁隧道结mtj12写入“1”或“0”的写电流方向可以按需求设置，上述示例仅用于解释数据写入。
52.本发明第一实施例优选的所述四个磁隧道结mtj12上方布置顶电极层，以通过施加在所述顶电极层的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj12的数据。
53.可选的，所述四个磁隧道结mtj12可以共享一个顶电极，通过并联后的总阻态的差别判断磁隧道结mtj12的状态。
54.请参考图1，顶电极层可以包括分别于所述四个磁隧道结mtj12连接的电极或引脚，例如，a1、a2、a3和a4，以通过施加在电极或引脚的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj12的数据。
55.传统的三端口统磁随机存储器件的4bit存储位需要12个端口，即，8个写入端与4个读取端。本发明第一实施例的磁随机存储器件，通过控制底电极层的四个写入端，实现4bit数据的写入，因此，本发明第一实施例的磁随机存储器件仅需要8个端口，即，4个写入端与4个读取端。
56.本发明第一实施例优选的所述四个磁隧道结mtj12的形状可以包括圆柱形、椭圆柱形、菱形柱形、三角柱体及长方体。
57.可选的，所述四个磁隧道结mtj12可制成不同的面积，形状等。
58.如图4所示，四个磁隧道结mtj12的形状为椭圆柱形的面内各项异性器件，如图1和2所示，四个磁隧道结mtj12的形状为圆柱形的垂直各项异性器件，对这两类磁隧道结mtj12的数据写入如上述1)-4)示例示出，此处不再赘述。
59.本发明第一实施例提供的磁随机存储器件还可以包括读取电路、写入电路和外围转换电路(例如，解码器)等。
60.据此，本发明第一实施例提供的磁随机存储器件包括呈十字形的底电极层10和四个磁隧道结mtj12，通过多比特的器件结构，提高存储密度，减少端口数目；存储位的磁隧道结mtj12，通过施加在所述底电极层10的写电流流经对应的拐角11时，对该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12实现无磁场辅助的sot翻转，以实现数据写入；写入操作具有灵活度；本发明第一实施例对面内各向异性的磁隧道结mtj12器件和垂直各向异性的磁隧道结mtj12器件均适用，允许多种磁隧道结mtj12形貌，对工艺友好。
61.图5是本发明第二实施例提供的磁随机存储器件的结构示意图，图6是图5示例的俯视图，请参考图5和图6，所述磁随机存储器件包括呈t形的底电极层10和两个磁隧道结mtj12，所述呈t形的底电极层10包括两个向内的拐角11，一拐角11的预设位置布置一磁隧道结mtj12，以施加在所述底电极层10的写电流流经所述拐角11时，对该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12实现数据写入。
62.请参考图5示例，该磁随机存储器件可以实现2bit的高密度存储。其中，两个磁隧道结mtj12用于存储二进制数据，底电极层10(例如为强自旋轨道耦合层)呈“t”型，两个磁隧道结mtj12被分别布置在“t”形的底电极层10的向内的两个拐角11处。以通过拐角11处的电流密度和极化方向的不均匀性，打破通过sot写入时的镜面对称性，从而实现对磁隧道结mtj12的无磁场数据写入。
63.其中，极化方向的不均匀性可以理解为电流流向呈空间分布，写电流(也可以简称为电流)例如由c1处流向c4处，电流在拐角11(即，c1-c4之间的拐角11)处发生拐弯，电流方向沿着流线的切线，因此，该拐角11处的磁隧道结mtj12中不同位置的电流方向是不同的，
即，自旋极化方向与空间有关；电流密度的不均匀性可以理解为电流密度分布的不均匀，例如，c1-c4流向上，c1-c4之间的拐角11处的电流密度高，越往内侧电流密度降低，这是由于内侧电流扩散导致的，具体分布情况依据实际情况而定。
64.本发明第二实施例优选的所述呈t形的底电极层10还可以包括三个凸出的端，所述三个凸出的端中每个端处布置写入端，通过所述写入端对所述底电极层10施加写电流。
65.请参考图5，在三个凸出的端中每个端处布置写入端，例如，c1、c3和c4，写入端c1、c3和c4可以为与底电极层10连接的电极或引脚，通过所述写入端对所述底电极层10施加写电流(或写电压)，形成高、低电位。以写入端c1-c4之间的拐角11处的磁隧道结mtj12为例，当写入端c1与写入端c4之间有写电流(也可以简称为电流)经过时，该磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，电流的变化曲线如图3a和图3b所示，写入端c1与写入端c4之间的双向电流，使得该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态。
66.其中，磁隧道结mtj12的膜层结构可以包括自由层、势垒层以及参考层，还可以包括钉扎层、插入层、封盖层等。即，磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，使得自由层翻转，该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态。
67.优选的，当通过两个相邻的写入端对所述底电极层10施加写电流时，所述两个相邻的写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角11时，将“1”写入该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12，另一方向的写电流流经所述拐角11时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj。其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
68.承接上述示例，1)当写入端c1与写入端c4之间有写电流(也可以简称为电流)经过时，c1-c4之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，写入端c1与写入端c4之间的双向电流，使得该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态，分别对应状态“0”和“1”。例如，当写入端c1呈高电位，写入端c4呈低电位(即，写电流由c1流向c4)时，c1-c4之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，此时，状态记为“1”；当写入端c1呈低电位，写入端c4呈高电位(即，写电流由c4流向c1)时，该拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态为“0”。
69.2)当写入端c3与写入端c4之间有写电流(也可以简称为电流)经过时，c3-c4之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，写入端c3与写入端c4之间的双向电流，使得该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态，分别对应状态“0”和“1”。例如，当写入端c4呈高电位，写入端c3呈低电位(即，写电流由c4流向c3)时，c3-c4之间的拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，此时，状态记为“1”；当写入端c4呈低电位，写入端c3呈高电位(即，写电流由c3流向c4)时，该拐角11处的磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态为“0”。
70.其中，磁隧道结mtj12可以为垂直各项异性器件或者面内各向异性器件，磁隧道结mtj12的自由层可以沿着+x/-x或+y/-y等面内方向进行翻转，因此，对磁隧道结mtj12写入“1”或“0”的写电流方向可以按需求设置，上述示例仅用于解释数据写入。
71.优选的，两个相对的写入端分别为第一写入端和第二写入端，另一个写入端为第三写入端，在所述第一写入端和所述第三写入端的拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12为第一磁隧道结mtj12，在所述第二写入端和所述第三写入端的拐角11的预设位置布
置的所述磁隧道结mtj12为第二磁隧道结mtj12，当所述第一写入端和所述第二写入端呈高电位，所述第三写入端呈低电位时，同时将“1”和“0”对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12，当所述第一写入端和所述第二写入端呈低电位，所述第三写入端呈高电位时，同时将“0”和“1”对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12，当所述第一写入端呈高电位、所述第二写入端呈低电位，所述第三写入端呈悬空时，同时将“1”和“1”对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12，当所述第一写入端呈低电位、所述第二写入端呈高电位，所述第三写入端呈悬空时，同时将“0”和“0”对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12。其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
72.上述内容是本发明第二实施例优选的同时写入2bit的方式。请参考图5示例，1)当第一写入端c1、第二写入端c3呈高电位，第三写入端c4呈低电位时，c1-c4之间的拐角11处的第一磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态记为“1”，c3-c4之间的拐角11处的第二磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态记为“0”，即，将(“1”，“0”)同时对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12。
73.2)当第一写入端c1、第二写入端c3呈低电位，第三写入端c4呈高电位时，c1-c4之间的拐角11处的第一磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态记为“0”，c3-c4之间的拐角11处的第二磁隧道结mtj12受到不均匀的电流且电流密度较高，该磁隧道结mtj12被写入，状态记为“1”即，将(“0”，“1”)同时对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12。
74.3)当第一写入端c1、第二写入端c3呈高电位，第三写入端c4呈悬空时，将(“1”，“1”)同时对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12。
75.4)当第一写入端c1、第二写入端c3呈低电位，第三写入端c4呈悬空时，将(“0”，“0”)同时对应写入所述第一磁隧道结mtj12和所述第二磁隧道结mtj12。
76.承接上述示例，将第一写入端c1和第二写入端c3设置为等电位，当第三写入端c4的电位与第一写入端c1、第二写入端c3形成电势差时，两个磁隧道结mtj12受到偏-y或+y方向的电流，两个磁隧道结mtj12的状态始终是相反的，即，呈现为“01”或者“10”。基于该磁随机存储器件的结构，可以实现自参考单元的设计。
77.例如，可以实现逻辑运算(例如，and逻辑运算)的自参考单元。请参考图5示例，第一磁隧道结mtj12为面内各向异性，将第一磁隧道结mtj12的阻态初始化为“0”，第三写入端c4保持在低电位，第一磁隧道结mtj12的最终阻态为and(c1，c3)，即，c1+c3。
78.表1第一磁隧道结mtj12的阻态
79.c1c3c4mtj1 final state0000+v0000+v00+v+v01
80.类似的，若将第二磁隧道结mtj12初始化为1，第三写入端c4保持在低电位，第二磁隧道结mtj12的最终阻态为nand(c1，c3)。
81.以示例说明，还可实现异或逻辑操作。例如，两个磁隧道结mtj12并联的阻态记为
rmtj，首先将两个磁隧道结mtj12都置为低阻态，即，rmtj为两个低阻态的并联。将第一写入端c1与第二写入端c3等电势。则当第一写入端c1为低电位、第三写入端c4为高电位时，rmtj为低阻态和高阻态的并联；当第一写入端c1为高电位、第三写入端c4为低电位时，rmtj为低阻态和高阻态的并联；当第一写入端c1为低电位、第三写入端c4为低电位时，rmtj为初始阻态的并联；当第一写入端c1为高电位、第三写入端c4为高电位时，rmtj为初始阻态的并联。本发明第二实施例优选的所述两个磁隧道结mtj12上方布置顶电极层，以通过施加在所述顶电极层的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj12的数据。
82.可选的，所述两个磁隧道结mtj12可以共享一个顶电极，通过并联后的总阻态的差别判断磁隧道结mtj12的状态。
83.请参考图5，顶电极层可以包括分别于所述两个磁隧道结mtj12连接的电极或引脚，例如，a1和a2，以通过施加在电极或引脚的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj12的数据。
84.传统的三端口统磁随机存储器件的2bit存储位需要6个端口，即，4个写入端与2个读取端。本发明第二实施例的磁随机存储器件，通过控制底电极层的三个写入端，实现2bit数据的写入，因此，本发明第二实施例的磁随机存储器件仅需要5个端口，即，3个写入端与2个读取端。当共享顶电极时，本发明第二实施例的磁随机存储器件仅需要4个端口，即，3个写入端与1个读取端。
85.本发明第二实施例优选的所述两个磁隧道结mtj12的形状包括圆柱形、椭圆柱形、菱形柱形、三角柱体及长方体。
86.可选的，所述两个磁隧道结mtj12可制成不同的面积，形状等。
87.如图7a-7b所示，两个磁隧道结mtj12的形状可以为椭圆柱形、长方体等面内各项异性器件，如图5和6所示，四个磁隧道结mtj12的形状为圆柱形的垂直各项异性器件，对这两类磁隧道结mtj12的数据写入如上述示例示出，此处不再赘述。
88.本发明第二实施例提供的磁随机存储器件还可以包括读取电路、写入电路和外围转换电路(例如，解码器)等。
89.据此，本发明第二实施例提供的磁随机存储器件包括呈t形的底电极层10和四个磁隧道结mtj12，通过多比特的器件结构，提高存储密度，减少端口数目；存储位的磁隧道结mtj12，通过施加在所述底电极层10的写电流流经对应的拐角11时，对该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12实现无磁场辅助的sot翻转，以实现数据写入；写入操作具有灵活度，可以实现逻辑运算与存储；本发明第二实施例对面内各向异性的磁隧道结mtj12器件和垂直各向异性的磁隧道结mtj12器件均适用，允许多种磁隧道结mtj12形貌，对工艺友好。
90.请参考图8和图9，本发明第三实施例提供的磁随机存储器件可以包括底电极层10和多个磁隧道结mtj12，所述底电极层10由多个呈十字形的底电极组成，每个呈十字形的底电极包括四个向内的拐角11，一拐角11的预设位置布置一磁隧道结mtj12，以施加在所述底电极层10的写电流流经所述拐角11时，对该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12实现数据写入。
91.请参考图8和图9示例，本发明第三实施例提供的磁随机存储器件可以划分为多个本发明第一实施例提供的磁随机存储器件。该磁随机存储器件可以实现多个4bit的高密度存储。其中，多个磁隧道结mtj12用于存储二进制数据，底电极层10(例如为强自旋轨道耦合
层)由多个呈十字形的底电极组成，多个磁隧道结mtj12被分别布置在底电极层10的向内的多个拐角11处。以通过拐角11处的电流密度和极化方向的不均匀性，打破通过自旋轨道矩sot写入时的镜面对称性，从而实现对磁隧道结mtj12的无磁场数据写入。
92.其中，极化方向的不均匀性可以理解为电流流向呈空间分布，写电流(也可以简称为电流)例如图8所示，由c1处流向c3处，电流在拐角11(即，c1-c3之间形成电流回路的拐角11)处发生拐弯，电流方向沿着流线的切线，因此，该拐角11处的磁隧道结mtj12中不同位置的电流方向是不同的，即，自旋极化方向与空间有关；电流密度的不均匀性可以理解为电流密度分布的不均匀，例如，c1-c3流向上，c1-c3之间形成电流回路的拐角11处的电流密度高，越往内侧电流密度降低，这是由于内侧电流扩散导致的，具体分布情况依据实际情况而定。
93.本发明第三实施例优选的所述底电极层10还包括多个凸出的端，所述多个凸出的端中每个端处布置写入端，通过所述写入端对所述底电极层10施加写电流。
94.优选的，两个写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角11时，将“1”写入该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12，另一方向的写电流流经所述拐角11时，将“0”写入该拐角11的预设位置布置的所述磁隧道结mtj12。其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。
95.请参考图8，在多个凸出的端中每个端处布置写入端，例如，c1、c2、c3、c4、c5和c6，写入端c1、c2、c3、c4、c5和c6可以为与底电极层10连接的电极或引脚，通过所述写入端对所述底电极层10施加写电流(或写电压)，形成高、低电位。以写入端c5-c6之间形成电流回路的两个拐角11处的两个磁隧道结mtj12为例，当写入端c5与写入端c6之间有写电流(也可以简称为电流)经过时，该两个磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，写入端c5与写入端c6之间的双向电流，使得两个磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态，分别对应状态“0”和“1”。
96.其中，磁隧道结mtj12的膜层结构可以包括自由层、势垒层以及参考层，还可以包括钉扎层、插入层、封盖层等。即，磁隧道结mtj12受到不均匀的电流，使得自由层翻转，该磁隧道结mtj12被写入高阻态或低阻态。
97.其中，磁隧道结mtj12可以为垂直各项异性器件或者面内各向异性器件，磁隧道结mtj12的自由层可以沿着+x/-x或+y/-y等面内方向进行翻转，因此，对磁隧道结mtj12写入“1”或“0”的写电流方向可以按需求设置，上述示例仅用于解释数据写入。
98.本发明第三实施例优选的所述多个磁隧道结mtj12上方布置顶电极层，以通过施加在所述顶电极层的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj12的数据。
99.可选的，所述多个磁隧道结mtj12可以共享一个顶电极，通过并联后的总阻态的差别判断磁隧道结mtj12的状态。本发明第三实施例优选的所述多个磁隧道结mtj的形状包括圆柱形、椭圆柱形、菱形柱形、三角柱体及长方体。
100.可选的，所述多个磁隧道结mtj12可制成不同的面积，形状等。
101.多个磁隧道结mtj12的形状可以为椭圆柱形的面内各项异性器件，也可以为圆柱形的垂直各项异性器件。
102.本发明第三实施例提供的磁随机存储器件还可以包括读取电路、写入电路和外围转换电路(例如，解码器)等。
103.请参考图8和图9示例，本发明第三实施例提供的磁随机存储器件可以划分为多个
本发明第一实施例提供的磁随机存储器件。因此，本发明第三实施例的详细技术内容及技术效果与本发明第一实施例类似，请参考本发明第一实施例所述的内容，此处不再赘述。
104.本发明第四实施例还提供了一种磁随机存储器件的制作方法，可以包括如下流程：s1：薄膜制备，利用光刻或电子束曝光形成如图1、图5、图8或图9所示的底电极层10的形状，刻蚀出电极层10；s2：利用光刻或电子束曝光形成与电极层10交叠的磁隧道结mtj12的形状；s3：制备端口的电极。
105.还可以包括如下流程：s1：薄膜制备，利用光刻或电子束曝光形成磁隧道结层的形状，刻蚀出磁隧道结层；s2：利用光刻或电子束曝光形成如图1、图5、图8或图9所示的底电极层10的形状，刻蚀出电极层10，与电极层10交叠为磁隧道结mtj12的形状；s3：制备端口的电极。
106.优选的，基于完整的磁隧道结mtj12的膜堆，可进行如下的工艺流程：s1：利用光刻或电子束曝光在衬底和底电极层以上形成如图10所示的结构；s2：通过刻蚀，填充绝缘介质，将光刻胶剥离，图10中的绝缘介质未示出。s3：利用光刻或电子束曝光在如图10所示的结构以上形成如图11所示的结构；s4：通过刻蚀，填充绝缘介质，并将光刻胶剥离，图11中的绝缘介质未示出。图10和图11的交叠部分，为磁隧道结mtj12。s5：刻蚀通孔；s6：制备电极。
107.本发明第五实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器以及与所述处理器耦合的至少一个磁随机存储器件，所述至少一个磁随机存储器件为本发明第一实施例、本发明第二实施例或本发明第三实施例所述的磁随机存储器。
108.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
109.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种磁随机存储器件，其特征在于，所述磁随机存储器件包括呈十字形的底电极层和四个磁隧道结mtj，所述呈十字形的底电极层包括四个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结mtj，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现数据写入。2.根据权利要求1所述的磁随机存储器件，其特征在于，所述呈十字形的底电极层还包括四个凸出的端，所述四个凸出的端中每个端处布置写入端，通过两个相邻的写入端对所述底电极层施加写电流。3.根据权利要求2所述的磁随机存储器件，其特征在于，所述两个相邻的写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角时，将“1”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，另一方向的写电流流经所述拐角时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。4.根据权利要求1所述的磁随机存储器件，其特征在于，所述四个磁隧道结mtj上方布置顶电极层，以通过施加在所述顶电极层的读电流，读取选定的所述磁隧道结mtj的数据。5.根据权利要求1所述的磁随机存储器件，其特征在于，所述四个磁隧道结mtj的形状包括圆柱形、椭圆柱形、菱形柱形、三角柱体及长方体。6.一种磁随机存储器件，其特征在于，所述磁随机存储器件包括呈t形的底电极层和两个磁隧道结mtj，所述呈t形的底电极层包括两个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结mtj，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现数据写入。7.根据权利要求6所述的磁随机存储器件，其特征在于，所述呈t形的底电极层还包括三个凸出的端，所述三个凸出的端中每个端处布置写入端，通过所述写入端对所述底电极层施加写电流。8.根据权利要求7所述的磁随机存储器件，其特征在于，当通过两个相邻的写入端对所述底电极层施加写电流时，所述两个相邻的写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角时，将“1”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，另一方向的写电流流经所述拐角时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。9.根据权利要求7所述的磁随机存储器件，其特征在于，两个相对的写入端分别为第一写入端和第二写入端，另一个写入端为第三写入端，在所述第一写入端和所述第三写入端的拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj为第一磁隧道结mtj，在所述第二写入端和所述第三写入端的拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj为第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端和所述第二写入端呈高电位，所述第三写入端呈低电位时，同时将“1”和“0”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端和所述第二写入端呈低电位，所述第三写入端呈高电位时，同时将
“
0”和“1”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端呈高电位、所述第二写入端呈低电位，所述第三写入端呈悬空时，同时将“1”和“1”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，当所述第一写入端呈低电位、所述第二写入端呈高电位，所述第三写入端呈悬空时，同时将“0”和“0”对应写入所述第一磁隧道结mtj和所述第二磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。10.一种磁随机存储器件，其特征在于，所述磁随机存储器件包括底电极层和多个磁隧道结mtj，所述底电极层由多个呈十字形的底电极组成，每个呈十字形的底电极包括四个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结mtj，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj实现数据写入。11.根据权利要求10所述的磁随机存储器件，其特征在于，所述底电极层还包括多个凸出的端，所述多个凸出的端中每个端处布置写入端，通过所述写入端对所述底电极层施加写电流。12.根据权利要求11所述的磁随机存储器件，其特征在于，两个写入端之间的写电流为双向电流，其中一方向的写电流流经所述拐角时，将“1”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，另一方向的写电流流经所述拐角时，将“0”写入该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结mtj，其中，“1”和“0”对应表征不同阻态。13.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器以及与所述处理器耦合的至少一个磁随机存储器件，所述至少一个磁随机存储器件为权利要求1-5、6-9或10-12中任一项所述的磁随机存储器。

技术总结
本发明实施例提供一种磁随机存储器件及电子设备，属于自旋电子器件技术领域。该磁随机存储器件包括呈十字形的底电极层和四个磁隧道结MTJ，所述呈十字形的底电极层包括四个向内的拐角，一拐角的预设位置布置一磁隧道结MTJ，以施加在所述底电极层的写电流流经所述拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结MTJ实现数据写入。该磁随机存储器件通过多比特的器件结构，提高存储密度，减少端口数目；存储位的磁隧道结MTJ，通过施加在所述底电极层的写电流流经对应的拐角时，对该拐角的预设位置布置的所述磁隧道结MTJ实现无磁场辅助的SOT翻转，以实现数据写入；对面内各向异性的磁隧道结MTJ器件和垂直各向异性的磁隧道结MTJ器件均适用，对工艺友好。对工艺友好。对工艺友好。


技术研发人员：李丹丹 李淑慧 王旻 王伟杰 亓元昊 刘宏喜 曹凯华 王戈飞
受保护的技术使用者：致真存储（北京）科技有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/28