[發(fā)明專利]高速進動切換磁性邏輯

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380054209.X
• 申請日: 2013-10-22
• 公開（公告）號: CN104737318A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: S·馬尼帕特魯尼;D·E·尼科諾夫;I·A·揚
• 申請（專利權(quán)）人: 英特爾公司
• 主分類號: H01L43/00
• 分類號: H01L43/00;H01L43/02;H01L43/12
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 林金朝;王英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實施例涉及邏輯器件和架構(gòu)的領(lǐng)域，并且具體而言，涉及高速進動切換磁性邏輯器件和架構(gòu)的領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在過去的幾十年里，集成電路中的特征的縮放已經(jīng)是不斷成長的半導(dǎo)體工業(yè)背后的驅(qū)動力。縮放到越來越小的特征使得能夠增大半導(dǎo)體芯片的有效不動產(chǎn)上的功能單元的密度。例如，縮小晶體管尺寸允許芯片上包含的存儲器或邏輯設(shè)備的數(shù)量增加，實現(xiàn)具有更大的容量的產(chǎn)品的制造。然而，對于越來越大容量的驅(qū)動并不是沒有問題。對每個器件的性能進行最優(yōu)化的必要性變得越發(fā)顯著。

自旋轉(zhuǎn)矩器件的操作以自旋轉(zhuǎn)移矩現(xiàn)象為基礎(chǔ)。如果電流通過被稱為固定磁層的磁化層，則其將出現(xiàn)自旋極化。隨著每個電子的通過，其自旋(電子的角動量)將被添加到被稱為自由磁層的下一磁層中的磁化，并且將使其產(chǎn)生小的變化。即，實際上，轉(zhuǎn)矩引起的磁化進動。由于電子的反射，轉(zhuǎn)矩還將被施加在相關(guān)聯(lián)的固定磁層的磁化上。最終，如果電流超過某一臨界值(由磁性材料及其環(huán)境所產(chǎn)生的阻尼來給定)，則自由磁層的磁化將通常在大約1納秒內(nèi)被電流脈沖切換。固定磁層的磁化可以保持不變，因為相關(guān)聯(lián)的電流由于幾何形狀或由于相鄰的反鐵磁層而低于其閾值。

然而，在磁化切換所需的速度和能量方面仍然需要顯著的提高。本文中通過進動切換磁性邏輯器件和架構(gòu)描述了這種改進。

附圖說明

圖1A示出了在自旋邏輯元件的輸入和輸出處具有共線磁體的自旋邏輯元件的頂視圖。

圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在自旋邏輯元件的輸入和輸出處具有非共線磁體的自旋邏輯元件的頂視圖。

圖2A示出了具有諸如結(jié)合圖1A所描述的共線磁體之類的共線磁體的自旋邏輯器件的截面圖。

圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有諸如結(jié)合圖1B所描述的非共線磁體之類的非共線磁體的自旋邏輯器件的頂視圖和截面圖。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有圖2B的非共線磁體的自旋邏輯器件的截面圖以及包含非反相門情況的操作。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的具有垂直磁各向異性(PMA)磁體和平面內(nèi)磁體的組合的自旋邏輯器件的頂視圖和截面圖。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的進動自旋邏輯器件的堆疊體500。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的自旋邏輯器件的等效自旋電路圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁矩(沿x軸的投影)或電壓(mV)作為時間(ns)的函數(shù)的曲線圖，其示出了進動切換自旋邏輯器件在5GHz的操作條件下的模擬響應(yīng)。

圖8包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的示出納米磁體的磁矩軌跡的三維曲線圖。

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于自旋邏輯器件的材料堆疊體的截面圖。

圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的計算設(shè)備。

具體實施方式

描述了高速進動切換磁性邏輯器件和架構(gòu)。在以下描述中，闡述了大量的具體細節(jié)，例如具體集成和材料方案(regime)，以提供對本發(fā)明的實施例的深入理解。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的實施例。在其它實例中，為了不非必要地使本發(fā)明的實施例難以理解，沒有詳細描述諸如集成電路設(shè)計布局之類的公知的特征。此外，應(yīng)該理解的是，附圖中所示的各種實施例是說明性的表示，并且未必是按比例繪制的。

本文中描述的一個或多個實施例涉及高速進動切換器件，例如磁性邏輯器件。實施例可以包括增強互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)架構(gòu)、瞬時接通-常斷邏輯架構(gòu)、磁嵌入存儲器、基于磁隧道結(jié)(MTJ)的器件、非易失性邏輯或自旋邏輯中的一個或多個，或者與它們相關(guān)。在以下更詳細描述的具體實施例中，高速自旋邏輯器件采用非共線磁體來實現(xiàn)10GHz操作。

本文中描述的實施例可以實現(xiàn)快速且非易失性邏輯器件以及門或地的制造。通過比較，制造這種器件并實現(xiàn)非易失性的先前的方案已經(jīng)包括由納米級鐵磁體(納米磁體)形成節(jié)點。可以通過在納米磁體的輸入與輸出之間流動并且因此施加自旋轉(zhuǎn)矩的自旋極化電流來切換鐵磁體。在過去的方案中，由鐵磁體的形狀確定的磁化在所有納米磁體中都是共線的。因此，初始自旋轉(zhuǎn)矩為零，并且包括這種元件的電路依賴磁化的熱波動來開始切換事件。然而，初始自旋轉(zhuǎn)矩為零可能影響切換速度并且導(dǎo)致性能變化。例如，對這種器件進行切換的速度可能較慢。另外或替代地，用于切換啟動的定時可能發(fā)生變化并且對器件變化敏感。