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CN112310274A - 自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法 - Google Patents

自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法 Download PDF

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CN112310274A
CN112310274A CN201910704577.3A CN201910704577A CN112310274A CN 112310274 A CN112310274 A CN 112310274A CN 201910704577 A CN201910704577 A CN 201910704577A CN 112310274 A CN112310274 A CN 112310274A
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CN
China
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layer
spin
free
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antiferromagnetic
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Application number
CN201910704577.3A
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Inventor
李州
孟皓
迟克群
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CETHIK Group Ltd
Hikstor Technology Co Ltd
Original Assignee
CETHIK Group Ltd
Hikstor Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法。该自旋轨道矩磁性存储单元包括参考层、第一自由层、势垒层、磁化偏置层和自旋霍尔效应层，参考层具有固定的磁化方向；第一自由层设置于参考层的一侧，第一自由层具有可变的磁化方向，且第一自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；势垒层设置于参考层与第一自由层之间；磁化偏置层设置于第一自由层远离势垒层的一侧，或设置于参考层远离势垒层的一侧，用于向第一自由层提供偏置磁场，磁化偏置层与第一自由层之间的磁各向异性方向垂直；自旋霍尔效应层接触设置于第一自由层远离势垒层的一侧表面上，用于诱导第一自由层的磁矩翻转，且自旋霍尔效应层包括拓扑绝缘材料。

Description

自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法
技术领域
本发明涉及数据存储技术领域，具体而言，涉及一种自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法。
背景技术
自旋轨道转矩磁性存储器(SOT-MRAM)是目前存储芯片行业被深入研究的磁器件之一。SOT-MRAM相对于自旋转移力矩磁性存储器(STT-MRAM)，具有较高的写入速度和较低的功耗，应用前景较好。
SOT-MRAM器件的核心结构包括自旋霍尔效应层(SHE层，一般为重金属材料)和磁性隧道结(MTJ)，其中MTJ包括自由层、势垒层和参考层。SOT-MRAM的原理利用自旋霍尔效应，当电流穿过SHE层，由于电子的自旋轨道耦合，实现自由层磁矩的翻转，从而电阻发生变化，实现数据存储。
目前SOT-MRAM的翻转电流密度较大，通常>107A/cm2。并且，由于目前SOT-MRAM的磁性隧道结还没有很好的优化，器件存在高温退火下稳定性差、垂直磁各向异性(PMA)低等问题，
因此，现有技术中亟需对SOT-MRAM的器件结构进行优化设计，以解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种自旋轨道矩磁性存储单元及其制备方法，以解决现有技术中SOT-MRAM的翻转电流密度较大的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了自旋轨道矩磁性存储单元，包括：参考层，具有固定的磁化方向；第一自由层，设置于参考层的一侧，第一自由层具有可变的磁化方向，且第一自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；势垒层，设置于参考层与第一自由层之间；磁化偏置层，设置于第一自由层远离势垒层的一侧，或设置于参考层远离势垒层的一侧，用于向第一自由层提供偏置磁场，磁化偏置层与第一自由层之间的磁各向异性方向垂直；自旋霍尔效应层，接触设置于第一自由层远离势垒层的一侧表面上，用于诱导第一自由层的磁矩翻转，且自旋霍尔效应层包括拓扑绝缘材料。
进一步地，拓扑绝缘材料选自Bix1Se(1-x1)、SbxTe(1-x1)和BixTe(1-x1)中的任一种或多种，各拓扑绝缘材料中的x1独立地满足0.1～0.9。
进一步地，自旋霍尔效应层包括拓扑绝缘层和重金属层，重金属层位于拓扑绝缘层与第一自由层之间，拓扑绝缘材料构成拓扑绝缘层，优选重金属层中的重金属材料选自Ta、Pt、Pd和W中的任一种或多种。
进一步地，磁化偏置层设置于自旋霍尔效应层远离第一自由层的一侧，自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层，反铁磁层设置于磁化偏置层远离自旋霍尔效应层的一侧，优选形成反铁磁层的材料包括PtMn和/或IrMn。
进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一保护层，第一保护层设置于磁化偏置层远离反铁磁层的一侧，优选形成第一保护层的材料包括Ta、Ru、Pt和Tax2O(1-x2)中的任一种或多种，x2为0.1～0.9。
进一步地，磁化偏置层、反铁磁层和第一保护层构成偏置单元，自旋轨道矩磁性存储单元还包括绝缘层，绝缘层包裹偏置单元，并设置于自旋霍尔效应层远离第一自由层的一侧，优选形成绝缘层的材料包括SiO2、MgO、Si3N4和MgAl2O4中的任一种或多种。
进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一种子层，设置于自旋霍尔效应层与绝缘层之间，优选形成第一种子层的材料包括MgO和/或MgAl2O4。
进一步地，磁化偏置层设置参考层远离势垒层的一侧，自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层，反铁磁层设置于磁化偏置层远离参考层的一侧表面，优选反铁磁层的反铁磁性材料包括PtMn和/或IrMn。
进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括：第二自由层，设置于第一自由层远离自旋霍尔效应层的一侧，第二自由层具有可变的磁化方向，且第二自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；第一反铁磁耦合层，设置于第一自由层与第二自由层之间，用于诱导第一自由层与第二自由层之间反铁磁耦合。
进一步地，参考层具有垂直磁各向异性，自旋轨道矩磁性存储单元还包括：记录层，设置于参考层与第二自由层之间，记录层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行；垂直强化层，设置于记录层与第二自由层之间，用于诱导记录层与第二自由层之间铁磁耦合。
进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括：合成反铁磁层，设置于参考层远离势垒层的一侧，合成反铁磁层包括沿远离参考层的方向顺序层叠的底部铁磁层、隔离层和顶部铁磁层，底部铁磁层与顶部铁磁层的磁化方向反平行，且底部铁磁层与顶部铁磁层中任一个的磁化方向与参考层的磁化方向平行；第二反铁磁耦合层，设置于合成反铁磁层与参考层之间，用于诱导参考层与合成反铁磁层之间反铁磁耦合。
进一步地，自旋轨道矩磁性存储单元还包括第二保护层，第二保护层设置于合成反铁磁层远离第二反铁磁耦合层的一侧，优选形成第二保护层的材料包括Ta、Ru、Pt和Tax3O(1-x3)中的任一种或多种，x3为0.1～0.9。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述的自旋轨道矩磁性存储单元的制备方法，包括以下步骤：在磁化偏置层一侧顺序形成自旋霍尔效应层、第一自由层、势垒层和参考层，以使磁化偏置层设置于第一自由层远离势垒层的一侧；或者在自旋霍尔效应层一侧顺序形成第一自由层、势垒层、参考层和磁化偏置层，以使磁化偏置层设置于参考层远离势垒层的一侧。
进一步地，形成磁化偏置层的步骤包括：在衬底上形成第二种子层，并在第二种子层上顺序沉积反铁磁性材料和偏置层材料，优选形成第二种子层的材料包括Ta和/或TaN，优选采用磁控溅射工艺沉积偏置层材料；对偏置层材料进行高温退火处理，以形成磁化偏置层。
应用本发明的技术方案，提供了一种自旋轨道矩磁性存储单元，包括MTJ、磁化偏置层和自旋霍尔效应层，MTJ包括参考层、第一自由层和势垒层，磁化偏置层设置于第一自由层远离势垒层的一侧，或设置于参考层远离势垒层的一侧，磁化偏置层与第一自由层之间的磁各向异性方向垂直，自旋霍尔效应层设置于第一自由层远离势垒层的一侧表面上，磁化偏置层向第一自由层提供偏置磁场，以使第一自由层在自旋霍尔效应层的诱导下磁矩翻转。由于上述自旋霍尔效应层包括具有高自旋霍尔角的拓扑绝缘材料，从而提高了SOT效率，使翻转电流密度能够降低1-2个数量级；并且，上述自旋霍尔效应层与第一自由层直接接触，避免了现有技术中在第一自由层与自旋霍尔效应层之间设置Ta种子层而导致的自旋力矩转移的效率降低，提高了写入电流密度，能够充分利用拓扑绝缘材料所具有的高自旋霍尔角的优势。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施方式所提供的一种自旋轨道矩磁性存储单元的剖面结构示意图；
图2示出了本发明实施方式所提供的另一种自旋轨道矩磁性存储单元的剖面结构示意图；
图3示出了本发明实施方式所提供的一种自旋轨道矩磁性存储单元的制备方法中，在第二种子层上形成反铁磁层、磁化偏置层和第一保护层后基体的剖面结构示意图；
图4示出了形成包裹图3所示的反铁磁层、磁化偏置层和第一保护层的绝缘层后基体的剖面结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、第二保护层；20、合成反铁磁层；30、第二反铁磁耦合层；40、参考层；50、势垒层；60、记录层；70、垂直强化层；80、第二自由层；90、第一反铁磁耦合层；100、第一自由层；110、自旋霍尔效应层；120、第一种子层；130、绝缘层；140、第一保护层；150、磁化偏置层；160、反铁磁层；170、衬底；180、第二种子层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中亟需对SOT-MRAM的器件结构进行优化设计，以解决上述问题。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种自旋轨道矩磁性存储单元，如图1和图2所示，包括参考层40、第一自由层100、势垒层50、磁化偏置层150和自旋霍尔效应层110。
参考层40具有固定的磁化方向；第一自由层100设置于参考层40的一侧，第一自由层100具有可变的磁化方向，且第一自由层100的磁化方向与参考层40的磁化方向平行或反平行；势垒层50设置于参考层40与第一自由层100之间；磁化偏置层150设置于第一自由层100远离势垒层50的一侧，或设置于参考层40远离势垒层50的一侧，用于向第一自由层100提供偏置磁场，磁化偏置层150与第一自由层100之间的磁各向异性方向垂直；自旋霍尔效应层110接触设置于第一自由层100远离势垒层50的一侧表面上，用于诱导第一自由层100的磁矩翻转，且自旋霍尔效应层110包括拓扑绝缘材料。
由于上述自旋霍尔效应层包括具有高自旋霍尔角的拓扑绝缘材料，从而提高了SOT效率，使翻转电流密度能够降低1-2个数量级；并且，上述自旋霍尔效应层与第一自由层直接接触，避免了现有技术中在第一自由层与自旋霍尔效应层之间设置Ta种子层而导致的自旋力矩转移的效率降低，提高了写入电流密度，能够充分利用拓扑绝缘材料所具有的高自旋霍尔角的优势。
在本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元中，自旋霍尔效应层110所具有的拓扑绝缘材料可以选自Bix1Se(1-x1)、SbxTe(1-x1)和BixTe(1-x1)中的任一种或多种，各拓扑绝缘材料中的x1独立地满足0.1～0.9。
由于拓扑绝缘材料与第一自由层100直接接触易导致垂直磁各向异性无法实现，为了避免上述技术问题，优选地，上述自旋霍尔效应层110拓扑绝缘层和重金属层，重金属层位于拓扑绝缘层与第一自由层100之间，拓扑绝缘材料构成上述拓扑绝缘层，上述重金属层中的重金属材料可以选自Ta、Pt、Pd和W中的任一种或多种，但并不局限于上述种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述重金属材料的种类进行合理选取。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，磁化偏置层150设置于自旋霍尔效应层110远离第一自由层100的一侧，此时，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层160，反铁磁层160设置于磁化偏置层150远离自旋霍尔效应层110的一侧。
形成上述反铁磁层160的材料可以为PtMn、IrMn等，但并不局限于上述种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述反铁磁层160的种类进行合理选取。
在上述优选的实施方式中，自旋轨道矩磁性存储单元还可以包括第一保护层140，如图1所示，第一保护层140设置于磁化偏置层150远离反铁磁层160的一侧，用于对位于其下方的磁化偏置层150和反铁磁层160起到保护作用。
形成上述第一保护层140的材料可以包括但不限于Ta、Ru、Pt和Tax2O(1-x2)中的任一种或多种，x2为0.1～0.9，本领域技术人员可以根据现有技术对上述第一保护层140的种类进行合理选取。
上述磁化偏置层150、上述反铁磁层160和上述第一保护层140构成偏置单元，更为优选地，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括绝缘层130，如图1所示，绝缘层130包裹偏置单元，并设置于自旋霍尔效应层110远离第一自由层100的一侧。上述第一保护层140能够作为绝缘层130的种子层，上述绝缘层130具有填充作用，方便研磨，便于第一种子层120的沉积。
形成上述绝缘层130的材料可以包括SiO2、MgO和MgAl2O4中的任一种或多种，但并不局限于上述种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述绝缘层130的种类进行合理选取。
为了方便自旋霍尔效应层110的生长，更为优选地，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一种子层120，如图1所示，设置于自旋霍尔效应层110与绝缘层130之间。
形成上述第一种子层120的材料可以包括但不限于MgO和MgAl2O4，本领域技术人员可以根据现有技术对上述第一种子层120的种类进行合理选取。
在另一种优选的实施方式中，如图2所示，磁化偏置层150设置参考层40远离势垒层50的一侧，此时，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层160，反铁磁层160设置于磁化偏置层150远离参考层40的一侧表面。
在上述优选的实施方式中，通过合理设置磁化偏置层150与第一自由层100之间的各层厚度，同样能够使磁化偏置层150向第一自由层100提供偏置磁场，从而使第一自由层100能够在自旋霍尔效应层110的诱导下实现磁矩翻转。
在一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第二自由层80和第一反铁磁耦合层90，第二自由层80设置于第一自由层100远离自旋霍尔效应层110的一侧，第二自由层80具有可变的磁化方向，且第二自由层80的磁化方向与参考层40的磁化方向平行或反平行；第一反铁磁耦合层90设置于第一自由层100与第二自由层80之间，用于诱导第一自由层100与第二自由层80之间反铁磁耦合。上述第一反铁磁耦合层90可以提高器件高温退火下结构稳定性。
在上述优选的实施方式中，参考层40具有垂直磁各向异性，更为优选地，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括记录层60和垂直强化层70，记录层60设置于参考层40与第二自由层80之间，记录层60的磁化方向与参考层40的磁化方向平行或反平行，记录层60、第一自由层100、第二自由层80的磁化方向都是可变的，记录层60与第二自由层80磁化方向平行，记录层60与第一自由层100磁化方向反平行。参考层40磁化方向固定，当记录层60与参考层40磁化方向相同，低电阻，输出信号0；当记录层60与参考层40磁化方向相反，高电阻，输出信号1，实现数据存储；垂直强化层70，设置于记录层60与第二自由层80之间，用于诱导记录层60与第二自由层80之间铁磁耦合。
形成上述第一自由层100、第二自由层80、记录层60和参考层40的材料独立地包括但不限于Co、CoFe、CoFeB等磁性材料，或者Co/Mo/CoFeB、CoFe/Mo/CoFeB等通过铁磁或反铁磁耦合形成的合成磁性材料。
形成上述垂直强化层70和第一反铁磁耦合层90的材料包括但不限于Ir、Mo、Ru等材料，通过对上述各层的厚度进行调整，分别实现铁磁和反铁磁耦合，也可以制备多层磁性层/耦合层，实现多次耦合，增强垂直磁各向异性；优选地，使用Ir、Mo材料形成上述垂直强化层70和第一反铁磁耦合层90，其合金在高温退火下有比较高的稳定性。
在一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还包括合成反铁磁层20和第二反铁磁耦合层30，合成反铁磁层20设置于参考层40远离势垒层50的一侧，合成反铁磁层20包括沿远离参考层40的方向顺序层叠的底部铁磁层、隔离层和顶部铁磁层，底部铁磁层与顶部铁磁层的磁化方向反平行，且底部铁磁层与顶部铁磁层中任一个的磁化方向与参考层40的磁化方向平行；第二反铁磁耦合层30设置于合成反铁磁层20与参考层40之间，用于诱导参考层40与合成反铁磁层20之间反铁磁耦合。上述第二反铁磁耦合层30可以提高器件高温退火下结构稳定性。
在上述底部铁磁层与上述顶部铁磁层中，通常靠近参考层40的铁磁层磁化方向与参考层40的磁化方向平行，远离参考层40的铁磁层磁化方向与参考层40的磁化方向反平行。如图1和图2所示的自旋轨道矩磁性存储单元中，合成反铁磁层20中的底部铁磁层靠近参考层40，底部铁磁层的磁化方向与参考层40的磁化方向平行，合成反铁磁层20中的顶部铁磁层远离参考层40，顶部铁磁层的磁化方向与参考层40的磁化方向反平行。
形成上述合成反铁磁层20的材料包括但不限于[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[CoFe/Pt]n等。当参考层40的垂直磁各向异性足够高时，通过减小合成反铁磁层20的厚度，有助于增加隧穿磁阻。
形成上述第二反铁磁耦合层30的材料包括但不限于Ir、Mo、Ru等材料，通过对其厚度进行调整，以实现反铁磁耦合，也可以制备多层磁性层/耦合层，实现多次耦合，增强垂直磁各向异性；优选地，使用Ir、Mo材料形成上述第二反铁磁耦合层30，其合金在高温退火下有比较高的稳定性。
在上述优选的实施方式中，本发明的上述自旋轨道矩磁性存储单元还可以包括可以第二保护层10，第二保护层10设置于合成反铁磁层20远离第二反铁磁耦合层30的一侧，形成上述第二保护层10的材料包括但不限于Ta、Ru、Pt和Tax3O(1-x3)中的任一种或多种，x3为0.1～0.9，本领域技术人员可以根据现有技术对上述第二保护层10的种类进行合理选取。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述自旋轨道矩磁性存储单元的制备方法，包括以下步骤：在磁化偏置层150一侧顺序形成自旋霍尔效应层110、第一自由层100、势垒层50和参考层40，以使磁化偏置层150设置于第一自由层100远离势垒层50的一侧，如图1所示；或者在自旋霍尔效应层110一侧顺序形成第一自由层100、势垒层50、参考层40和磁化偏置层150，以使磁化偏置层150设置于参考层40远离势垒层50的一侧，如图2所示。
在一种优选的实施方式中，形成上述磁化偏置层150的步骤包括：在衬底170上形成第二种子层180，并在第二种子层180上顺序沉积反铁磁性材料和偏置层材料，反铁磁性材料构成反铁磁层160；对偏置层材料进行高温退火处理，以形成磁化偏置层150，如图3。
形成上述第二种子层180的材料可以包括但不限于Ta和TaN，更为优选地，采用磁控溅射工艺沉积上述偏置层材料，以形成磁化偏置层150，然后可以在磁化偏置层150上继续形成第一保护层140，如图3所示。
上述磁化偏置层150、上述反铁磁层160和上述第一保护层140构成偏置单元，本发明的上述制备方法还可以包括以下步骤：形成包裹该偏置单元的绝缘层130，如图4所示。
在形成上述绝缘层130的步骤之后，本发明的上述制备方法还可以包括以下步骤：在绝缘层130上顺序形成第一种子层120、自旋霍尔效应层110、第一自由层100、第一反铁磁耦合层90、第二自由层80、垂直强化层70、记录层60、势垒层50、参考层40、第二反铁磁耦合层30、合成反铁磁层20和第二保护层10，以得到如图1所示的结构。
在另一种优选的实施方式中，形成上述磁化偏置层150的步骤包括：首先，在自旋霍尔效应层110上顺序形成第一自由层100、第一反铁磁耦合层90、第二自由层80、垂直强化层70、记录层60、势垒层50、参考层40、第二反铁磁耦合层30、合成反铁磁层20和第二保护层10；然后，在第二保护层10表面顺序沉积偏置层材料和反铁磁性材料，反铁磁性材料构成反铁磁层160；对偏置层材料进行高温退火处理，以形成磁化偏置层150，从而得到如图2所示的结构。
可以采用磁控溅射工艺分别形成上述各功能层，本领域技术人员还可以根据材料种类和实际需求对上述各层的工艺条件进行合理设定。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、由于上述自旋霍尔效应层包括具有高自旋霍尔角的拓扑绝缘材料，从而提高了SOT效率，使翻转电流密度能够降低1-2个数量级；
2、上述自旋霍尔效应层与第一自由层直接接触，避免了现有技术中在第一自由层与自旋霍尔效应层之间设置Ta种子层而导致的自旋力矩转移的效率降低，提高了写入电流密度，能够充分利用拓扑绝缘材料所具有的高自旋霍尔角的优势；
3、在SOT-MRAM存储单元中建立反铁磁耦合的自由层结构，可以提高器件高温(400℃)退火下结构稳定性以及延长数据保存时间。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，包括：
参考层(40)，具有固定的磁化方向；
第一自由层(100)，设置于所述参考层(40)的一侧，所述第一自由层(100)具有可变的磁化方向，且所述第一自由层(100)的磁化方向与所述参考层(40)的磁化方向平行或反平行；
势垒层(50)，设置于所述参考层(40)与所述第一自由层(100)之间；
磁化偏置层(150)，设置于所述第一自由层(100)远离所述势垒层(50)的一侧，或设置于所述参考层(40)远离所述势垒层(50)的一侧，用于向所述第一自由层(100)提供偏置磁场，所述磁化偏置层(150)与所述第一自由层(100)之间的磁各向异性方向垂直；
自旋霍尔效应层(110)，接触设置于所述第一自由层(100)远离所述势垒层(50)的一侧表面上，用于诱导所述第一自由层(100)的磁矩翻转，且所述自旋霍尔效应层(110)包括拓扑绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述拓扑绝缘材料选自Bix1Se(1-x1)、SbxTe(1-x1)和BixTe(1-x1)中的任一种或多种，各所述拓扑绝缘材料中的所述x1独立地满足0.1～0.9。
3.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋霍尔效应层(110)包括拓扑绝缘层和重金属层，所述重金属层位于所述拓扑绝缘层与所述第一自由层(100)之间，所述拓扑绝缘材料构成所述拓扑绝缘层，优选所述重金属层中的重金属材料选自Ta、Pt、Pd和W中的任一种或多种。
4.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述磁化偏置层(150)设置于所述自旋霍尔效应层(110)远离所述第一自由层(100)的一侧，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层(160)，所述反铁磁层(160)设置于所述磁化偏置层(150)远离所述自旋霍尔效应层(110)的一侧，优选形成所述反铁磁层(160)的材料包括PtMn和/或IrMn。
5.根据权利要求4所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一保护层(140)，所述第一保护层(140)设置于所述磁化偏置层(150)远离所述反铁磁层(160)的一侧，优选形成所述第一保护层(140)的材料包括Ta、Ru、Pt和Tax2O(1-x2)中的任一种或多种，x2为0.1～0.9。
6.根据权利要求5所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述磁化偏置层(150)、所述反铁磁层(160)和所述第一保护层(140)构成偏置单元，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括绝缘层(130)，所述绝缘层(130)包裹所述偏置单元，并设置于所述自旋霍尔效应层(110)远离所述第一自由层(100)的一侧，优选形成所述绝缘层(130)的材料包括SiO2、MgO、Si3N4和MgAl2O4中的任一种或多种。
7.根据权利要求6所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第一种子层(120)，所述设置于所述自旋霍尔效应层(110)与所述绝缘层(130)之间，优选形成所述第一种子层(120)的材料包括MgO和/或MgAl2O4。
8.根据权利要求1所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述磁化偏置层(150)设置所述参考层(40)远离所述势垒层(50)的一侧，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括反铁磁层(160)，所述反铁磁层(160)设置于所述磁化偏置层(150)远离所述参考层(40)的一侧表面，优选所述反铁磁层(160)的反铁磁性材料包括PtMn和/或IrMn。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括：
第二自由层(80)，设置于所述第一自由层(100)远离所述自旋霍尔效应层(110)的一侧，所述第二自由层(80)具有可变的磁化方向，且所述第二自由层(80)的磁化方向与所述参考层(40)的磁化方向平行或反平行；
第一反铁磁耦合层(90)，设置于所述第一自由层(100)与所述第二自由层(80)之间，用于诱导所述第一自由层(100)与所述第二自由层(80)之间反铁磁耦合。
10.根据权利要求9所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述参考层(40)具有垂直磁各向异性，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括：
记录层(60)，设置于所述参考层(40)与所述第二自由层(80)之间，所述记录层(60)的磁化方向与所述参考层(40)的磁化方向平行或反平行；
垂直强化层(70)，设置于所述记录层(60)与所述第二自由层(80)之间，用于诱导所述记录层(60)与所述第二自由层(80)之间铁磁耦合。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括：
合成反铁磁层(20)，设置于所述参考层(40)远离所述势垒层(50)的一侧，所述合成反铁磁层(20)包括沿远离所述参考层(40)的方向顺序层叠的底部铁磁层、隔离层和顶部铁磁层，所述底部铁磁层与所述顶部铁磁层的磁化方向反平行，且所述底部铁磁层与所述顶部铁磁层中任一个的磁化方向与所述参考层(40)的磁化方向平行；
第二反铁磁耦合层(30)，设置于所述合成反铁磁层(20)与所述参考层(40)之间，用于诱导所述参考层(40)与所述合成反铁磁层(20)之间反铁磁耦合。
12.根据权利要求11所述的自旋轨道矩磁性存储单元，其特征在于，所述自旋轨道矩磁性存储单元还包括第二保护层(10)，所述第二保护层(10)设置于所述合成反铁磁层(20)远离所述第二反铁磁耦合层(30)的一侧，优选形成所述第二保护层(10)的材料包括Ta、Ru、Pt和Tax3O(1-x3)中的任一种或多种，x3为0.1～0.9。
13.一种权利要求1至12中任一项所述的自旋轨道矩磁性存储单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在磁化偏置层(150)一侧顺序形成自旋霍尔效应层(110)、第一自由层(100)、势垒层(50)和参考层(40)，以使所述磁化偏置层(150)设置于所述第一自由层(100)远离所述势垒层(50)的一侧；或者
在自旋霍尔效应层(110)一侧顺序形成第一自由层(100)、势垒层(50)、参考层(40)和磁化偏置层(150)，以使所述磁化偏置层(150)设置于所述参考层(40)远离所述势垒层(50)的一侧。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，形成所述磁化偏置层(150)的步骤包括：
在衬底(170)上形成第二种子层(180)，并在所述第二种子层(180)上顺序沉积反铁磁性材料和偏置层材料，优选形成所述第二种子层(180)的材料包括Ta和/或TaN，优选采用磁控溅射工艺沉积所述偏置层材料；
对所述偏置层材料进行高温退火处理，以形成所述磁化偏置层(150)。
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