高速进动切换磁性逻辑制造技术

本发明专利技术描述了高速进动开关磁性逻辑器件和架构。在第一示例中，磁性逻辑器件包括具有第一纳米磁体的输入电极和具有第二纳米磁体的输出电极。所述第二纳米磁体的自旋与所述第一纳米磁体的自旋非共线。沟道区和相对应的接地电极设置在所述输入电极与所述输出电极之间。在第二示例中，磁性逻辑器件包括具有平面内纳米磁体的输入电极和具有垂直磁各向异性(PMA)磁体的输出电极。沟道区和相对应的接地电极设置在所述输入电极与所述输出电极之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高速进动切换磁性逻辑
本专利技术的实施例涉及逻辑器件和架构的领域，并且具体而言，涉及高速进动切换磁性逻辑器件和架构的领域。
技术介绍
在过去的几十年里，集成电路中的特征的缩放已经是不断成长的半导体工业背后的驱动力。缩放到越来越小的特征使得能够增大半导体芯片的有效不动产上的功能单元的密度。例如，缩小晶体管尺寸允许芯片上包含的存储器或逻辑设备的数量增加，实现具有更大的容量的产品的制造。然而，对于越来越大容量的驱动并不是没有问题。对每个器件的性能进行最优化的必要性变得越发显著。自旋转矩器件的操作以自旋转移矩现象为基础。如果电流通过被称为固定磁层的磁化层，则其将出现自旋极化。随着每个电子的通过，其自旋(电子的角动量)将被添加到被称为自由磁层的下一磁层中的磁化，并且将使其产生小的变化。即，实际上，转矩引起的磁化进动。由于电子的反射，转矩还将被施加在相关联的固定磁层的磁化上。最终，如果电流超过某一临界值(由磁性材料及其环境所产生的阻尼来给定)，则自由磁层的磁化将通常在大约1纳秒内被电流脉冲切换。固定磁层的磁化可以保持不变，因为相关联的电流由于几何形状或由于相邻的反铁磁层而低于其阈值。然而，在磁化切换所需的速度和能量方面仍然需要显著的提高。本文中通过进动切换磁性逻辑器件和架构描述了这种改进。附图说明图1A示出了在自旋逻辑元件的输入和输出处具有共线磁体的自旋逻辑元件的顶视图。图1B示出了根据本专利技术的实施例的在自旋逻辑元件的输入和输出处具有非共线磁体的自旋逻辑元件的顶视图。图2A示出了具有诸如结合图1A所描述的共线磁体之类的共线磁体的自旋逻辑器件的截面图。图2B示出了根据本专利技术的实施例的具有诸如结合图1B所描述的非共线磁体之类的非共线磁体的自旋逻辑器件的顶视图和截面图。图3示出了根据本专利技术的实施例的具有图2B的非共线磁体的自旋逻辑器件的截面图以及包含非反相门情况的操作。图4示出了根据本专利技术的另一个实施例的具有垂直磁各向异性(PMA)磁体和平面内磁体的组合的自旋逻辑器件的顶视图和截面图。图5示出了根据本专利技术的实施例的进动自旋逻辑器件的堆叠体500。图6是根据本专利技术的实施例的自旋逻辑器件的等效自旋电路图。图7是根据本专利技术的实施例的磁矩(沿x轴的投影)或电压(mV)作为时间(ns)的函数的曲线图，其示出了进动切换自旋逻辑器件在5GHz的操作条件下的模拟响应。图8包括根据本专利技术的实施例的示出纳米磁体的磁矩轨迹的三维曲线图。图9示出了根据本专利技术的实施例的用于自旋逻辑器件的材料堆叠体的截面图。图10示出了根据本专利技术的一种实施方式的计算设备。具体实施方式描述了高速进动切换磁性逻辑器件和架构。在以下描述中，阐述了大量的具体细节，例如具体集成和材料方案(regime)，以提供对本专利技术的实施例的深入理解。对本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本专利技术的实施例。在其它实例中，为了不非必要地使本专利技术的实施例难以理解，没有详细描述诸如集成电路设计布局之类的公知的特征。此外，应该理解的是，附图中所示的各种实施例是说明性的表示，并且未必是按比例绘制的。本文中描述的一个或多个实施例涉及高速进动切换器件，例如磁性逻辑器件。实施例可以包括增强互补金属氧化物半导体(CMOS)架构、瞬时接通-常断逻辑架构、磁嵌入存储器、基于磁隧道结(MTJ)的器件、非易失性逻辑或自旋逻辑中的一个或多个，或者与它们相关。在以下更详细描述的具体实施例中，高速自旋逻辑器件采用非共线磁体来实现10GHz操作。本文中描述的实施例可以实现快速且非易失性逻辑器件以及门或地的制造。通过比较，制造这种器件并实现非易失性的先前的方案已经包括由纳米级铁磁体(纳米磁体)形成节点。可以通过在纳米磁体的输入与输出之间流动并且因此施加自旋转矩的自旋极化电流来切换铁磁体。在过去的方案中，由铁磁体的形状确定的磁化在所有纳米磁体中都是共线的。因此，初始自旋转矩为零，并且包括这种元件的电路依赖磁化的热波动来开始切换事件。然而，初始自旋转矩为零可能影响切换速度并且导致性能变化。例如，对这种器件进行切换的速度可能较慢。另外或替代地，用于切换启动的定时可能发生变化并且对器件变化敏感。为解决上文所述的先前方案的问题，本文中描述的一个或多个实施例涉及在切换元件的输入和输出处具有非共线磁体的自旋逻辑器件。在一个实施例中，这种布置容许在切换开始或启动时存在非零转矩。具体的这种实施例包括速度方面的性能改进，从而实现了逻辑的例如低于100ps或大约10GHz时钟操作的时钟操作。其它具体的这种实施例使得能够克服启动切换对热噪声的依赖。通过说明，图1示出了在自旋逻辑元件的输入和输出处具有共线磁体的自旋逻辑元件的顶视图。参考图1A，自旋逻辑元件100A包括输入102A、接地电极区104A和输出106A。输入102A和输出106A均包括具有宽度(Wm)的铁磁层(纳米磁体)。如输入102A和输出106A的矩形几何形状所表示的，输入102A和输出106A的铁磁层的自旋是共线的。注意，接地端子始终被描绘为相较于右磁体(106A)更靠近左磁体(102A)，因为这可能是输入与输出的隔离所需要的。与图1A的常规布置相反，图1B示出了根据本专利技术的实施例的在自旋逻辑元件的输入和输出处具有非共线磁体的自旋逻辑元件的顶视图。参考图1B，自旋逻辑元件100B包括输入102B、接地电极区104B和输出106B。输入102B和输出106B均包括具有宽度(Wm)的铁磁层(纳米磁体)。然而，如非平行的输入102B和输出106B的椭圆几何形状所表示的，输入102B和输出106B的铁磁层的自旋是非共线的。在一个这种实施例中，非共线磁体的这种布置能够实现高速自旋逻辑。通过进一步说明，图2A示出了具有诸如结合图1A所描述的共线磁体之类的共线磁体的自旋逻辑器件的截面图。参考图2A，自旋逻辑器件200A包括与输入202A和输出206A耦合的电源电压平面201A。输入202A和输出206A均包括铁磁层(纳米磁体)，例如分别包括层203A和207A。接地电极204A设置在输入202A与输出206A之间。如图2A所示，金属接地线208A可以与接地电极204A耦合。还可以包括诸如氧化层210A之类的额外的材料来例如用作自旋过滤器。再次参考图2A，针对具有净自旋方向216A的多个输入自旋态214A示出了包含非反相门情况212A的操作。主导磁体将自旋注入到输出中，以迫使输出进行排列(align)，如箭头218A和219A所表示的。因此，获得了具有净自旋方向222A的多个输出自旋态220A。如多个输入自旋态214A和多个输出自旋态220A的水平描绘所表示的，多个自旋态214A和220A的自旋是共线的。与图2A的常规布置相反，图2B示出了根据本专利技术的实施例的具有诸如结合图1B所描述的非共线磁体之类的非共线磁体的自旋逻辑器件的顶视图和截面图。参考图2B，自旋逻辑器件200B包括与输入202B和输出206B耦合的电源电压平面201B。输入202B和输出206B均包括具有厚度Tm、宽度Wm和长度Lm的铁磁层(纳米磁体)，例如分别包括层203B和207B。接地电极(或区，如顶视图中的虚线所示)204B设置在输入202B与输出206B之间并且具有接地长度LG和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性逻辑器件，包括：包括第一纳米磁体的输入电极；包括第二纳米磁体的输出电极，所述第二纳米磁体的自旋与所述第一纳米磁体的自旋非共线；以及设置在所述输入电极与所述输出电极之间的沟道区和相对应的接地电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.16 US 13/678,8771.一种磁性逻辑器件，包括：包括第一纳米磁体的输入电极；包括第二纳米磁体的输出电极，所述第二纳米磁体的自旋与所述第一纳米磁体的自旋非共线；以及设置在所述输入电极与所述输出电极之间的沟道区和相对应的接地电极，其中所述第一纳米磁体和所述第二纳米磁体均具有椭圆形状，并且所述第一纳米磁体的主轴与所述第二纳米磁体的主轴指向相对于彼此大约成90度角的方向。2.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，还包括：耦合到所述接地电极的金属接地线。3.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，还包括：与第一电极和第二电极中的一个或两个耦合的电源电压平面。4.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，其中，所述纳米磁体中的一个或两个包括选自由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和钆(Gd)构成的组中的单质材料。5.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，其中，所述纳米磁体中的一个或两个包括选自由钴铁(CoxFey)、镍钴(NixCoy)、镍铁(NixFey)、钴铁硼(CoxFeyBz)、钐钴(SmxCoy)和钕铁硼(NdxFeyBz)构成的组中的合金材料。6.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，其中，所述纳米磁体中的一个或两个包括选自由铜锰铝(Cu2MnAl)、铜锰铟(Cu2MnIn)、铜锰锡(Cu2MnSn)、铜铁硅(Co2FeSi)、钴铁铝(Co2FeAl)和镓锰(GaMn)构成的组中的哈斯勒合金材料。7.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，其中，所述沟道区包括选自由铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、单层石墨烯、多层石墨烯以及它们的硅、锗或硅锗合金构成的组中的材料。8.根据权利要求1所述的磁性逻辑器件，还包括：设置成与所述沟道区的至少一部分相邻的自旋过滤器电介质层。9.根据权利要求8所述的磁性逻辑器件，其中，所述自旋过滤器电介质层包括选自由氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、单层或多层石墨烯(C)、以及氧化铕(EuO)构成的组中的材料。10.一种操作磁性逻辑器件的方法，所述方法包括：从包括第一纳米磁体的输入电极向所述器件的接地沟道区提供具有净自旋方向的电流；以及在包括第二纳米磁体的输出电极处接收所述电流，以对所述第二纳米磁体的自旋进行排列，所述第二纳米磁体的自旋与所述第一纳米磁体的自旋非共线，所述第一纳米磁体和所述第二纳米磁体均具有椭圆形状，并且所述第一纳米磁体的主轴与所述第二纳米磁体的主轴指向相对于彼此大约成90度角的方向。11.根据权利要求10所述的方法，其中，从所述输...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·马尼帕特鲁尼，D·E·尼科诺夫，I·A·扬，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US