自旋转矩磁性集成电路及其器件制造技术

本发明专利技术描述了自旋转矩磁性集成电路及其器件。自旋转矩磁性集成电路包括设置在基底上方的第一自由铁磁层。非磁性层设置在所述第一自由铁磁层上方。包括多个写入柱和多个读取柱，每个柱设置在所述非磁性层上方并且包括固定铁磁层。

【技术实现步骤摘要】
自旋转矩磁性集成电路及其器件本申请是申请日为2010年11月15日、专利技术名称为“自旋转矩磁性集成电路及其器件”的专利申请201080057629.X的分案申请。
本专利技术的实施例涉及如下领域：可重构且非易失性逻辑电路，特别是自旋转矩磁性集成电路及其器件。
技术介绍
自旋转矩器件的操作基于自旋转移转矩的现象。如果电流流过称为固定层的磁化层，会出现自旋极化。随着每个电子的通过，会将它的自旋(电子角动量)加到称为自由层的下一磁性层中的磁化中，并会引起自由层中的细微变化。这实际上是由转矩引起的自由层中的磁化旋进。由于电子的反射，也将转矩施加至相关的固定层的磁化上。最后，如果电流超过某一临界值(由磁性材料及其环境所引起的阻尼给出)，则将会由通常为大约1纳秒的电流脉冲切换自由层的磁化。由于相关的电流因为几何形状或者因为相邻的反铁磁层而低于其临界值，所以固定层的磁化可以保持不变。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种自旋转矩磁性集成电路，所述自旋转矩磁性集成电路包括：设置在基底上方的第一自由铁磁层；设置在所述第一自由铁磁层上的耦合层；设置在所述耦合层上的第二自由铁磁层；设置在所述第二自由铁磁层上方的隧道氧化层；多个写入柱和多个读取柱，每个柱均设置在所述隧道氧化层上方并且包括固定铁磁层；以及设置在所述固定铁磁层上方的反铁磁层。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种用于逻辑电路的自旋转矩磁性器件，所述自旋转矩磁性器件包括：多数决定门结构；耦合到所述多数决定门结构的输出端；以及耦合到所述多数决定门结构的三个输入端，其中所述多数决定门结构包括：设置在基底上方的第一自由铁磁层；以及设置在所述第一自由铁磁层上方的隧道电介质层，其中，所述器件是能够重构的与/或门。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种操作用于逻辑电路的自旋转矩磁性器件的方法，所述方法包括：将电流输入到所述自旋转矩磁性器件的多数决定门结构，所述多数决定门结构包括自由铁磁层；以及随后从耦合到所述多数决定门结构的输出端输出磁化信号，其中，所述自旋转矩磁性器件是能够重构的与/或门。根据本专利技术的另一个方面，提供了另一种用于逻辑电路的自旋转矩磁性器件，所述自旋转矩磁性器件包括：第一多数决定门结构；耦合到所述第一多数决定门结构的第二多数决定门结构；耦合到所述第二多数决定门结构的第三多数决定门结构；耦合到所述第一多数决定门结构的第一反相器；以及耦合在所述第二多数决定门结构与所述第三多数决定门结构之间的第二反相器。附图说明图1示出了根据本专利技术的实施例的自旋转矩磁性器件的截面图。图2示出了根据本专利技术的实施例的自旋转矩磁性器件的俯视图。图3示出了根据本专利技术的实施例的自旋转矩磁性集成电路的部分的截面图。图4示出了根据本专利技术的实施例的自旋转矩磁性集成电路的部分的截面图。图5示出了表示根据本专利技术的实施例的自旋转矩磁性集成电路的部分的制造中的操作的流程图。图6示出了根据本专利技术的实施例的多数决定门的部分的平面图。图7示出了根据本专利技术的实施例的全进位加法器的1比特级(bitstage)的平面图。图8示出了根据本专利技术的实施例由具有0.1纳秒间隔的瞬态图(snapshot)表示磁化方向的一系列图表。具体实施方式描述了自旋转矩磁性集成电路及其器件。在以下描述中，为了提供对本专利技术的实施例的全面理解，阐述了许多具体细节，诸如材料体系和器件特性。本专利技术的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施，这对本领域技术人员来说是显而易见的。在其它实例中，为了不必要地使本专利技术的实施例难以理解，没有详细描述诸如图案化处理等公知特征。此外，应当理解图中所示的各个实施例是示例性的表示，而未必是按比例绘制的。在此公开了自旋转矩磁性集成电路。在一个实施例中，自旋转矩磁性集成电路包括设置在基底上方的第一自由铁磁层。耦合层设置在第一自由铁磁层上，并且第二自由铁磁层设置在耦合层上。隧道氧化层设置在第二自由铁磁层上方。包括写入柱(pillar)和读取柱，每个柱均设置在隧道氧化层上方，并且包括设置在固定铁磁层上方的反铁磁层。在一个实施例中，耦合层用于稳定第一和第二自由铁磁层中的磁化排列。在一个实施例中，自旋转矩磁性集成电路包括设置在基底的部分上的第一自由铁磁层，第一自由铁磁层具有侧壁。第一耦合层设置在第一自由铁磁层上，第一耦合层与侧壁共形，并且邻近基底的暴露部分。第二自由铁磁层设置在第一耦合层和基底的暴露部分上，第二自由铁磁耦合层与第一耦合层共形。第二耦合层设置在第二自由铁磁层上，第二耦合层的最上表面近似与第二自由铁磁层的最上表面共面。第三自由铁磁层设置在基底的暴露部分上方的第二耦合层的部分上，第三自由铁磁层的最上表面近似与第二耦合层的最上表面共面。隧道氧化层设置在第二耦合层以及第二和第三自由铁磁层的最上表面上。包括写入柱和读取柱，每个柱均设置在隧道氧化层上方，并且包括设置在固定铁磁层上方的反铁磁层。在此还公开了制造自旋转矩磁性集成电路的方法。在一个实施例中，方法包括在基底的部分上形成第一自由铁磁层，第一自由铁磁层具有侧壁。第一耦合层形成在第一自由铁磁层上，第一耦合层与侧壁共形，并且邻近基底的暴露部分。第二自由铁磁层形成在第一耦合层和基底的暴露部分上，第二自由铁磁耦合层与第一耦合层共形。第二耦合层形成在第二自由铁磁层上，第二耦合层的最上表面近似与第二自由铁磁层的最上表面共面。第三自由铁磁层形成在基底的暴露部分上方的第二耦合层的部分上，第三自由铁磁层的最上表面近似与第二耦合层的最上表面共面。隧道氧化层形成在第二耦合层以及第二和第三自由铁磁层的最上表面上。形成写入柱和读取柱，每个柱均形成在隧道氧化层上方，并且包括形成在固定铁磁层上方的反铁磁层。根据本专利技术的实施例，制造了磁性逻辑器件，其中计算变量存储在磁化方向上。在一个实施例中，由共用磁性层连接这些逻辑器件，并且集成这些逻辑器件以形成逻辑门或电路。可以用与逻辑配置有关的电路的形状来定义逻辑功能。例如，在一个实施例中，通过磁畴壁输送(相反磁化的分离区域)而在器件间传输信号。然而，可能仅外围电路处而并非每个磁性器件处需要磁电转换。在一个实施例中，在此描述的逻辑配置用作嵌入在互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的金属层中的特定应用逻辑块。在一个实施例中，提供了非易失的、可重构的逻辑电路。从而，可以创建非易失的且可重构的逻辑块。在一个实施例中，使用例如多数决定门器件的自旋转矩器件来制造可重构的且非易失的逻辑电路，特别是自旋转矩磁性集成电路。在一个实施例中，将单个磁性电路用于多个门。这减轻或消除了对在每个门处的电至磁(或反之亦然)的转换的需求，而相反地能够在外围单独地执行。在本专利技术的某些方面以及至少一些实施例中，某些术语具有某些可定义的含义。例如，“自由”磁性层是存储计算变量的磁性层。“固定”磁性层是具有永久磁化的磁性层。诸如隧道电介质或隧道氧化物的隧道势垒是位于自由与固定磁性层之间的层。可以将固定层图案化以创建相关电路的输入端和输出端。自由层可以是共有的，在特定电路中连接所有的逻辑器件和门。当电流流过输入电极时，可以通过自旋转移转矩效应来写入磁化。当向输出电极施加电压时，可以通过隧道磁阻效应来读取磁化。在一个实施例中，隧道氧化层的作用是产生大的磁阻。磁阻是当两层铁磁层具有反平行和平行的磁化时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋转矩磁性集成电路，包括：设置在基底上方的第一自由铁磁层；设置在所述第一自由铁磁层上的耦合层；设置在所述耦合层上的第二自由铁磁层；设置在所述第二自由铁磁层上方的隧道氧化层；多个写入柱和多个读取柱，每个柱均设置在所述隧道氧化层上方并且包括固定铁磁层；以及设置在所述固定铁磁层上方的反铁磁层。

【技术特征摘要】
2009.12.18 US 12/642,3421.一种自旋转矩磁性集成电路，包括：设置在基底上方的第一自由铁磁层；设置在所述第一自由铁磁层上的耦合层；设置在所述耦合层上的第二自由铁磁层；设置在所述第二自由铁磁层上方的隧道氧化层；多个写入柱和多个读取柱，每个柱均设置在所述隧道氧化层上方并且包括固定铁磁层；以及设置在所述固定铁磁层上方的反铁磁层。2.根据权利要求1所述的自旋转矩磁性集成电路，其中所述耦合层用于稳定所述第一自由铁磁层和所述第二自由铁磁层中的磁化排列。3.根据权利要求2所述的自旋转矩磁性集成电路，其中所述耦合层包括钌(Ru)，并且所述第一自由铁磁层和所述第二自由铁磁层包括铽钴铁(TbCoFe)。4.根据权利要求3所述的自旋转矩磁性集成电路，其中所述隧道氧化层直接设置在所述第二自由铁磁层上，并且包括氧化镁(MgO)或氧化铝(Al2O3)，并且其中所述多个写入柱中的每一个和所述多个读取柱中的每一个均包括设置在所述反铁磁层上的铜层，并且包括直接设置在所述反铁磁层与所述固定铁磁层之间的插入层，所述固定铁磁层直接设置在所述隧道氧化层上。5.根据权利要求1所述的自旋转矩磁性集成电路，其中所述耦合层的厚度小于1纳米。6.一种用于逻辑电路的自旋转矩磁性器件，所述自旋转矩磁性器件包括：多数决定门结构；耦合到所述多数决定门结构的输出端；以及耦合到所述多数决定门结构的三个输入端，其中所述多数决定门结构包括：设置在基底上方的第一自由铁磁层；以及设置在所述第一自由铁磁层上方的隧道电介质层，其中，所述器件是能够重构的与/或门。7.根据权利要求6所述的自旋转矩磁性器件，其中，从平面图来看，所述多数决定门结构为具有四个端部的十字部的形状。8.根据权利要求7所述的自旋转矩磁性器件，其中，所述输出端耦合到所述四个端部中的第一端部，并且其中所述三个输入端分别耦合到所述十字部的剩余的三个端部。9.根据权利要求6所述的自旋转矩磁性器件，其中，所述输出端被配置为用作另一门结构的输入端。10.根据权利要求9所述的自旋转矩磁性器件，其中，所述输出端用于将磁化信号输入到所述另一门结构。11.根据权利要求6所述的自旋转矩磁性器件，还包括：耦合到所述输出端的感测放大器，所述感测放大器被配置为执行对所述输出端的读出。12.根据权利要求6所述的自旋转矩磁性器件，还包括：耦合到所述输入端之一的驱动晶体管，所述驱动晶体管用于将电流传送到所述输入端。13.根据权利要求6所述的自旋转矩磁性器件，其中，所述多数决定门结构还包括：设置在所述第一自由铁磁层上的耦合层；设置在所述耦合层上的第二自由铁磁层，其中所述隧道电介质层设置在所述第二自由铁磁层上方。14.一种操作用于逻辑电路的自旋转矩磁性器件的方法，所述方法包括：将电流输入到所述自旋转矩磁性器件的多数决定门结构，所述多数决定门结构包括自由铁磁层；以及随后从耦合到所述多数决定门结构的输出端输出磁化信号，其中，所述自旋转矩磁性器件是能够重构的与/或门。15.根据权利要求14所述的方法，其中，将电流输入到所述多数决定门结构包括：将电流输入到与所述多数决定门结构相耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·E·尼科诺夫，G·I·布里阿诺夫，T·加尼，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US