用于邏輯器件和存儲器件的金屬自旋超晶格制造技術(shù)

描述了一種裝置，包括：輸入鐵磁體，其接收第一充電電流并生成對應(yīng)的自旋電流；以及金屬層疊置體，其被配置為將對應(yīng)的自旋電流轉(zhuǎn)換為第二充電電流，其中，所述金屬層疊置體耦合至所述輸入磁體。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】用于邏輯器件和存儲器件的金屬自旋超晶格
技術(shù)介紹
檢測磁體的狀態(tài)是磁存儲器和磁邏輯器件的基本計(jì)算步驟。磁體的狀態(tài)確定了其存儲的是邏輯零還是邏輯一。磁存儲器的一個示例是自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)。在STTMRAM中，磁存儲器的狀態(tài)是通過感測存儲器的磁性器件的電阻然后將該電阻與參考電阻進(jìn)行比較來確定的。磁狀態(tài)向電荷變量的轉(zhuǎn)換對于磁自旋邏輯器件和互連件而言也很重要。例如，諸如電流之類的電荷變量能夠流過長的互連件而到達(dá)其它磁自旋邏輯器件。現(xiàn)有的磁體檢測基于磁隧道結(jié)(MTJ)和/或自旋電流互連件，但是它們受到若干限制。例如，通過隧道磁電阻(TMR)介導(dǎo)的從自旋電流到電荷變量的轉(zhuǎn)換具有有限的轉(zhuǎn)換效率，來自存儲器的基于TMR的讀出將器件電阻限制到4千歐姆到8千歐姆的范圍內(nèi)，基于自旋電流的互連件因沿著該互連件的長度的自旋降低的原因而受到互連件長度的限制。這些限制和約束導(dǎo)致STTMRAM的讀取速度有限并且自旋邏輯器件的互連件選擇也有限。附圖說明通過下文給出的詳細(xì)說明以及本公開內(nèi)容的各個實(shí)施例的附圖，本公開內(nèi)容的實(shí)施例將得到更加充分的理解，但是不應(yīng)認(rèn)為其將本公開內(nèi)容局限于具體的實(shí)施例，而只是用于說明和理解。圖1A示出了磁隧道結(jié)(MTJ)以及該MTJ的典型的基于隧道磁電阻(TMR)的讀出。圖1B示出了具有耦合到由自旋霍爾效應(yīng)(SHE)材料形成的電極的MTJ的層的疊置體，其中，所述SHE材料將充電電流(chargecurrent)轉(zhuǎn)換為自旋電流。圖1C示出了圖1C的疊置體的頂視圖。圖2示出了根據(jù)一些實(shí)施例的自旋-電荷轉(zhuǎn)換超晶格疊置體及其原子結(jié)構(gòu)的對應(yīng)側(cè)視圖。圖3示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的使用BiAg2的自旋-電荷轉(zhuǎn)換超晶格疊置體及其原子結(jié)構(gòu)的對應(yīng)頂視圖。圖4示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的在超晶格疊置體的層上的的自旋-電荷轉(zhuǎn)換。圖5A-B示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的示出針對不同的銀(Ag)擴(kuò)散長度的自旋-電荷轉(zhuǎn)換效率的圖。圖6A-B示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的具有用于自旋-電荷轉(zhuǎn)換的超晶格疊置體的磁電邏輯器件。圖7A示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的包括用于自旋-電荷轉(zhuǎn)換的超晶格的磁存儲器件。圖7B示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的圖7A的磁存儲器件的頂視圖。圖8示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例的用于使用超晶格疊置體將自旋轉(zhuǎn)換為電荷的方法的流程圖。圖9示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有自旋-電荷轉(zhuǎn)換超晶格疊置體的智能設(shè)備或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或SoC(片上系統(tǒng))。具體實(shí)施方式基于隧道磁電阻(TMR)的自旋-電荷變量轉(zhuǎn)換具有有限的轉(zhuǎn)換效率。圖1A示出了磁隧道結(jié)(MTJ)100的典型的基于TMR的讀出。在一個示例中，MTJ101/102包括使鐵磁層(例如，自由磁體)與隧道電介質(zhì)(例如，MgO)和另一鐵磁層(固定磁體)疊置。中間的圖示出了對于自由磁體相對于固定磁體的兩個磁化方向的電阻(RMTJ)與MTJ101/102兩端的電壓的依賴關(guān)系，其中，電阻的單位為歐姆，電壓的單位為伏特。這里，MTJ101示出了低電阻狀態(tài)，其中，自由磁體的磁化與固定磁體的磁化沿同一方向(即，磁化的方向相互平行(P))。MTJ102示出了高電阻狀態(tài)，其中，自由磁體的磁化方向與固定磁體的磁化方向相反(即，磁化的方向相互逆平行(AP))。這里，磁化的讀出是通過感測MTJ101/102上的大約4千歐姆的電阻變化(其在10μA的讀取電流下被轉(zhuǎn)換為40mV到80mV的電壓)而獲得的。在這一示例中，10μA的讀取電流將總讀取時間限制到5ns到10ns，這是很慢的。因而，MTJ101/102的基于TMR的讀出在信號強(qiáng)度以及其能夠產(chǎn)生的速度方面是非常有限的。圖1B示出了層的疊置體120，其具有耦合到由自旋霍爾效應(yīng)(SHE)材料形成的電極的MTJ，其中，所述SHE材料將充電電流Iw(或?qū)懭腚娏?轉(zhuǎn)換為自旋電流Is。疊置體120形成了三端子存儲單元，其具有SHE感應(yīng)的寫入機(jī)制和基于MTJ的讀出。疊置體120包括MTJ121、SHE互連件或電極122以及非磁性金屬123a/b。在一個示例中，MTJ121包括疊置的鐵磁層與隧道電介質(zhì)和另一鐵磁層。沿著SHE互連件122的水平方向的一端或兩端由非磁性金屬123a/b形成。各種材料的組合都可以用于MTJ121的材料疊置。例如，所述材料的疊置體包括：CoxFeyBz、MgO、CoxFeyBz、Ru、CoxFeyBz、IrMn、Ru、Ta和Ru，其中，“x”、“y”和“z”是合金中的元素的分?jǐn)?shù)。其它材料也可以用于形成MTJ121。MTJ121疊置體包括自由磁性層、MgO隧道氧化物、被稱為基于合成反鐵磁體(SAF)的CoFe/Ru/CoFe層的組合的固定磁性層和反鐵磁體(AFM)層。所述SAF層具有以下特性，即為兩個CoFe層中的磁化相反，并且允許抵消自由磁性層周圍的偶極子場從而使得雜散偶極子場不會控制自由磁性層。SHE互連件122(或者寫入電極)由以下材料中的一者或多者構(gòu)成：摻雜有諸如銥、鉍以及周期表中可以表現(xiàn)出高自旋軌道耦合的3d、4d、5d以及4f、5f周期表族的元素中的任何元素的β鉭(β-Ta)、Ta、β-鎢(β-W)、W、Pt和銅(Cu)。SHE互連件122過渡到高電導(dǎo)率非磁性金屬123a/b，以降低SHE互連件122的電阻。非磁性金屬123a/b是由Cu、Co、α-Ta、Al、CuSi或NiSi中的一者或多者形成的。在一種情況下，固定磁性層的磁化方向相對于自由磁性層的磁化方向垂直(即，自由磁性層和固定磁性層的磁化方向不相互平行而是正交)。例如，自由磁性層的磁化方向處于平面內(nèi)，而固定磁性層的磁化方向則垂直于該平面。在另一種情況下，固定磁性層的磁化方向處于平面內(nèi)，而自由磁性層的磁化方向則垂直于該平面。鐵磁層(即，固定磁性層或者自由磁性層)的厚度可以確定其磁化方向。例如，當(dāng)鐵磁層的厚度超過某一閾值(取決于磁體的材料，例如，對于CoFe而言約為1.5nm)時，該鐵磁層將表現(xiàn)出處于平面內(nèi)的磁化方向。類似地，當(dāng)鐵磁層的厚度低于某一閾值(取決于磁體的材料)時，該鐵磁層將表現(xiàn)出垂直于該磁性層的平面的磁化方向。還可能有其它因素來確定磁化方向。例如，諸如表面各向異性(取決于該鐵磁層的多層組分或相鄰層)和/或晶態(tài)各向異性(取決于應(yīng)力和晶格結(jié)構(gòu)修改，例如，F(xiàn)CC、BCC或者L10類型的晶體，其中，L10是表現(xiàn)出垂直磁化的類型的晶體種類)之類的因素也可以確定磁化方向。在這一示例中，所施加的電流Iw被SHE互連件122轉(zhuǎn)換為自旋電流Is。這一自旋電流將切換自由層的磁化方向，從而改變MTJ121的電阻。但是，為了讀出MTJ121的狀態(tài)，需要用于感測電阻變化的感測機(jī)制。在圖1A的情況下，這一電阻變化可以顯著高于4千歐姆，因此更易于感測。將參考圖1C描述充電電流向自旋電流的轉(zhuǎn)換。圖1C示出了圖1C的疊置體的頂視圖130。需要指出的是，圖1C中具有與任何其它附圖中的元件相同的附圖標(biāo)記(或名稱)的那些元件可以按照與所描述的方式類似的任何方式操作或起作用，但不限于此。頂視圖130示出磁體沿SHE互連件122的寬度取向以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)淖孕⑷搿Ｍㄟ^經(jīng)由SHE互連件122施加充電電流來對磁單元進(jìn)行寫入。(自由磁體層中的)磁寫入的方向是由所施本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種裝置，包括：輸入鐵磁體，所述輸入鐵磁體接收第一充電電流并且生成對應(yīng)的自旋電流；以及金屬層疊置體，所述金屬層疊置體被配置為將所述對應(yīng)的自旋電流轉(zhuǎn)換為第二充電電流，其中，所述金屬層疊置體耦合至所述輸入磁體。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】1.一種裝置，包括：輸入鐵磁體，所述輸入鐵磁體接收第一充電電流并且生成對應(yīng)的自旋電流；以及金屬層疊置體，所述金屬層疊置體被配置為將所述對應(yīng)的自旋電流轉(zhuǎn)換為第二充電電流，其中，所述金屬層疊置體耦合至所述輸入磁體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述金屬層疊置體形成具有表面合金的自旋金屬超晶格。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述表面合金具有表面波紋。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述表面合金的金屬之一為重金屬。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述自旋金屬超晶格為表面合金和非合金金屬的晶格。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述疊置體的所述非合金金屬耦合至所述輸入鐵磁體。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述非合金金屬是以下各項(xiàng)的至少其中之一：Ag，Cu，或者Au。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述表面合金是以下的至少其中之一：Bi和Ag；Bi和Cu；或者Pb和Ag。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，隨著所述對應(yīng)的自旋電流流過所述表面合金和所述非合金金屬，所述對應(yīng)的自旋電流被轉(zhuǎn)換為所述第二充電電流。10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述表面合金具有高密度二維(2D)電子氣，所述高密度二維(2D)電子氣具有高Rashba自旋軌道耦合。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，當(dāng)所述第二充電電流流過所述2D電子氣時，所述2D電子氣變?yōu)?D自旋氣。12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述自旋金屬超晶格與所述輸入鐵磁體匹配。13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述自旋金屬超晶格的所述非合金金屬與所述輸入鐵磁體匹配，并且其中，所述非合金金屬之后伴隨著所述...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S·馬尼帕特魯尼，A·喬杜里，D·E·尼科諾夫，I·A·揚(yáng)，
申請(專利權(quán))人：英特爾公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國,US