DE102019104916A1

DE102019104916A1 - Vorrichtung zur Verbesserung des Schaltens in einem Magnetspeicher auf Basis einer Spin-Orbit-Kopplung

Info

Publication number: DE102019104916A1
Application number: DE102019104916.4A
Authority: DE
Inventors: Tanay Gosavi; Sasikanth Manipatruni; Kaan Oguz; Ian A. Young; Dmitri Nikonov; Chia-Ching Lin
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US20190305212A1; US11575083B2; CN110349608A

Abstract

Es wird eine Vorrichtung angegeben, die umfasst: einen magnetischen Übergang mit einem Magneten mit einer ersten Magnetisierung (z.B. einer senkrechten Magnetisierung); eine erste Struktur, die dem magnetischen Übergang benachbart ist, wobei die erste Struktur Metall (z.B. Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gf, Ge, Ga oder Au) umfasst; eine Verbindung, die der ersten Struktur benachbart ist; und eine zweite Struktur, die der Verbindung benachbart ist, so dass die erste Struktur und die zweite Struktur auf einander entgegengesetzten Seiten der Verbindung liegen, wobei die zweite Struktur einen Magneten mit einer zweiten Magnetisierung (z.B. einer in einer Ebene liegenden Magnetisierung), die von der ersten Magnetisierung erheblich verschieden ist, umfasst.

Description

Hintergrund
Ein eingebetteter Speicher mit Zustandsbeibehaltung kann eine energetische und eine rechnerische Effizienz ermöglichen. Jedoch besteht bei spintronischen Speicheroptionen, beispielsweise auf einem Spin-Transfer-Moment basierenden magnetischen Direktzugriffsspeichern (STT-MRAM), das Problem einer hohen Spannung und eines starken Schreibstroms während des Programmierens (z.B. Beschreibens) einer Bit-Zelle. Zum Beispiel sind ein starker Schreibstrom (z.B. stärker als 100 µA) und eine hohe Spannung (z.B. über 0,7 V) nötig, um einen auf einem Tunnelübergang basierenden magnetischen Tunnelübergang (MTJ) zu schreiben. Ein begrenzter Schreibstrom führt auch zu hohen Schreibfehlerraten oder langen Schaltzeiten (von z.B. über 20 ns) in einem auf MTJ basierenden MRAM. Der Umstand, dass ein starker Strom durch eine Tunnelbarriere fließt, führt zu Problemen mit der Zuverlässigkeit magnetischer Tunnelübergänge.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung werden anhand der unten gegebenen detaillierten Beschreibung und anhand der beigelegten Zeichnungen von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Offenbarung besser verstanden werden, doch diese sollen die Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele beschränken, sondern dienen nur zu Erklärungs- und Verständniszwecken.

1A stellt eine Magnetisierungsreaktion auf ein angelegtes Magnetfeld für einen Ferromagneten dar.
1B stellt eine Magnetisierungsreaktion auf ein angelegtes Magnetfeld für einen Paramagneten dar.
2A-B stellen eine dreidimensionale (3D) Ansicht bzw. eine entsprechende Draufsicht einer Vorrichtung dar, die einen Stapel von in einer Ebene liegenden magnetischen Tunnelübergängen (MTJ) aufweist, der mit einer Spin-Orbit-Kopplungs(SOC)-Verbindung gekoppelt ist.
2C stellt einen Querschnitt der SOC-Verbindung dar, mit Elektronen, deren Spins in der Ebene polarisiert sind und aufgrund eines Flusses eines Ladestroms nach oben und nach unten abgelenkt werden.
3A-B stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Draufsicht einer Vorrichtung dar, die einen Stapel von in einer Ebene liegenden MTJs aufweist, der mit einer SOC-Verbindung gekoppelt ist, wobei die Magnetisierung in der Ebene kollinear ist mit einer Stromrichtung.
4A-B stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Draufsicht einer Vorrichtung dar, die einen Stapel von nicht in einer Ebene liegenden MTJs aufweist, der mit einer SOC-Verbindung gekoppelt ist.
5A-C stellen einen Mechanismus zum Schalten einer Speichervorrichtung mit nicht in einer Ebene liegenden MTJs (z.B. der Vorrichtung von 4A) dar, der auf einer Spin-Orbit-Torque-Elektrode ausgebildet ist.
6A stellt ein Diagramm dar, das Schreibenergieverzögerungsbedingungen für einen Transistor und einen MTJ mit Spin-Hall-Effekt- (SHE-) Material (z.B. die Vorrichtung von 2-3) im Vergleich zu herkömmlichen MTJs zeigt.
6B stellt ein Diagramm dar, das verlässliche Schreibzeiten für Spin-Hall-MRAM und Spin-Torque-MRAM vergleicht.
7A-B stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung.
7C-D stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und einer Komposit-Verbindung mit antiferromagnetischem (AFM) Material.
7E-F stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten benachbart zur SOC-Verbindung umfasst.
7G-H stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und ein AFM aufweist, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist.
71-J stellen eine 3D-Ansicht bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung, wo ein AFM in die SOC-Verbindung eingebettet ist, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten umfasst, der dem AFM benachbart ist.
8A stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine freie Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
8B stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine freie Magnetstruktur und eine feste Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfassen, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
8C stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine feste Magnetstruktur und einer der freien Magnete einer freien Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
8D stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine feste Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
8E stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine feste Magnetstruktur und einer der freien Magnete einer freien Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
8F stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine freie Magnetstruktur und eine feste Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfassen, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten umfasst, der einem AFM benachbart ist, das in die SOC-Verbindung eingebettet ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
9A ist ein Diagramm, das ein Schalten einer freien Magnetstruktur, die von einer magnetischen Durchkontaktierung unter einer SOC-Verbindung durch Austauschwechselwirkung gekoppelt oder vormagnetisiert wird, durch Einfangen von Spin-Polarisierungen, und mit einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt.
9B ist ein Diagramm einer Magnetisierung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung, das mit 9A zusammenhängt.
9C ist ein Diagramm, das ein Schalten der freien Magnetstruktur, die von einer magnetischen Durchkontaktierung unter einer SOC-Verbindung durch Austauschwechselwirkung gekoppelt oder vormagnetisiert wird, durch Einfangen von Spin-Polarisierungen, und mit einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung, gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt.
9D ist ein Diagramm einer Magnetisierung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung, das mit 9C zusammenhängt.
10A-C stellt eine Querschnittsansicht einer SOT-Speichervorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen (z.B. irgendeiner der Vorrichtungen von 7-8) dar, die mit einem ersten Transistor und einer Bitleitung gekoppelt ist.
11 stellt ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Bilden einer Vorrichtung von 7-8 gemäß manchen Ausführungsformen dar.
12 ist ein Diagramm, das eine Verbesserung einer Schalteffizienz aufgrund einer Einlage zwischen der SOC-Verbindung und dem magnetischen Übergang zeigt.
13 stellt eine intelligente Vorrichtung oder ein Computersystem oder ein SoC (Systemon-Chip) mit einem Speicher auf Basis eines magnetischen Übergangs, der eine Durchkontaktierung für eine Dipol- und Austauschkopplung in der SOC-Verbindung und eine Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar.

Detaillierte Beschreibung
Ein senkrechter Spin-Orbit-Torque (PSOT)-MRAM, für den ein Spin Orbit Torque bzw. Spin-Orbit-Drehmoment (SOT) aus Schwermetall, zweidimensionalem (2D) Material, Antiferromagneten (AFM) oder einem topologischen Isolator (TI) verwendet wird, um den senkrechten Magneten zu schalten, ist bekannt. Typischerweise wird ein in einer Ebene liegendes Magnetfeld für ein deterministisches bidirektionales Schalten des PSOT-MRAM verwendet, das durch antiferromagnetische Materialien als SOT-Elektrode oder magnetisch dotierte Schwermetallelektrode oder eine magnetische Durchkontaktierung oder durch Entwerfen eines komplexen Stapels aus freien Magnetschichten erzeugt werden kann. Die Amplitude des in einer Ebene liegenden Magnetfelds, das für ein effizientes Schalten des freien Magneten verwendet wird, hängt von der Anisotropie der freien Magnetschicht und der Amplitude eines Dzyaloshinskii-Moriya-Interaktions- (DMI-) Felds ab. DMI ist an der Grenzfläche jeder SOT-Elektrode und des ihr benachbarten Magneten der freien Schicht vorhanden. Eine stärkere DMI bedeutet, dass ein größeres in einer Ebene liegendes Magnetfeld angelegt werden muss, um ein Schalten des SOT effizient zu halten.
Eine weitere Herausforderung ist der Spin-Speicherverlust an der Grenzfläche der SOT-Schicht und der freien Magnetschicht. Ein Spin-Speicherverlust kann als Schwächung der auf den Magneten einwirkenden Spin-Polarisierung aufgrund einer Diskrepanz der Spin-Leitfähigkeit zwischen der freien Magnetschicht und der SOT-Elektrode betrachtet werden. Im Falle einer großen Diskrepanz wird in der SOT-Elektrode eine größere Strommenge angelegt, um die gleiche Menge an Spin-Moment zu erreichen. Ein Spin-Speicherverlust kann PSOT-Vorrichtungen ineffizient machen.
Manche Ausführungsformen beschreiben einen auf Spin-Orbit-Kopplung (SOC/SOT) basierenden magnetischen Speicher mit Einlagen zwischen der SOC/SOT-Schicht oder Elektrode und der freien Magnetschicht eines magnetischen Übergangs. In manchen Ausführungsformen umfassen die Einlagen eines oder mehrere von: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gd, Ge, Ga oder Au. In manchen Ausführungsformen umfassen die Einlagen eine Verbindung bzw. Mischung mit einem der oben aufgeführten Elemente. Zum Beispiel können Legierungen von Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gd, Ge, Ga oder Au für die Fertigung der Einlagen verwendet werden. In manchen Ausführungsformen umfassen die Einlagen ein einziges Element aus der obigen Liste. In manchen Ausführungsformen handelt es sich bei der Einlage um eine nicht-magnetische Verbindung. In manchen Ausführungsformen umfasst die SOC/SOT-Elektrode zweidimensionale (2D) Materialien. Beispiele für 2D-Materialien schließen ein: Graphen, Bi₂Se₃, Bi_xTeySe_1-x-y, BixSb_1-x, WSe₂, WTe₂, PtSe₂, PtTe₂, PtTe₂, MoSe₂, MoS₂ oder MoTe₂.
In manchen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung einen senkrechten Magneten, der mit der Einlage in Kontakt steht, die ihrerseits mit einer SOC-Schreibelektrode (z.B. einer Spin-Hall-Effekt-Schreibelektrode) gekoppelt ist und die mit einer magnetischen Durchkontaktierung gekoppelt ist, um Dipol-/Exchange-Bias-Felder zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen umfasst die magnetische Durchkontaktierung ein AFM oder einen festen in einer Ebene magnetisierten Magneten. In manchen Ausführungsformen wird ein in einer Ebene liegender Exchange-Bias vom AFM und/oder einem festen in einer Ebene magnetisierten Magneten verwendet, um die magnetische Ausrichtung der freien Magnete des magnetischen Übergangs vorzuzeichnen. Somit sorgen die freien Magnete des magnetischen Übergangs für einen starken, wirksamen Effekt eines in einer Ebene magnetisierten Magneten. In manchen Ausführungsformen werden sowohl ein fester in einer Ebene magnetisierter Magnet als auch ein AFM in einer Durchkontaktierung ausgebildet, die mit einer Oberfläche der SOC-Elektrode gekoppelt oder dieser benachbart ist, so dass der magnetische Übergang an der anderen Oberfläche der SOC-Elektrode gebildet wird.
In manchen Ausführungsformen umfasst die SOC-Elektrode ein AFM. In einer solchen Ausführungsform umfasst die Durchkontaktierung einen Magneten mit fester in einer Ebene liegender Magnetisierung. Da der AFM-Effekt in diesem Beispiel von der SOC-Elektrode bereitgestellt wird, muss in der Durchkontaktierung kein zusätzliches AFM ausgebildet werden. In manchen Ausführungsformen weist der feste in einer Ebene magnetisierte Magnet unter der SOC-Elektrode eine Länge auf, die größer ist als eine Länge des magnetischen Übergangs. Hierbei bezeichnet Länge eine Distanz entlang einer y-Achse, wie unter Bezug auf verschiedene Figuren beschrieben wird. In manchen Ausführungsformen wird der in einer Ebene magnetisierte Magnet dick genug gemacht, damit er stabil ist. Hierbei bezeichnet Stabilität allgemein die Dauerhaftigkeit der Magnetisierungsrichtung. Ein instabiler Magnet wäre in diesem Beispiel einer, der seine Magnetisierung bei Anlegung eines externen Feldes wechselt. In manchen Ausführungsformen umfasst das AFM Ir und Mn (oder irgendein anderes AFM), das die magnetische Ausrichtung des in einer Ebene magnetisierten Magneten in der Durchkontaktierung vorzeichnen kann.
In manchen Ausführungsformen umfasst die freie Magnetstruktur des magnetischen Übergangs mindestens zwei freie Magnete, die durch eine Kopplungsschicht gekoppelt sind. In manchen Ausführungsformen umfasst die Kopplungsschicht eines oder mehrere von: Ru, Os, Hs, Fe oder anderen, ähnlichen Übergangsmetallen aus der Platingruppe des Periodensystems. In manchen Ausführungsformen wird (werden) die Kopplungsschicht(en) entfernt, so dass die freien Magnete der Struktur oder des Stapels aus freien Magneten direkt miteinander verbunden werden, wodurch ein einzelner Magnet (oder ein Magnetverbund) gebildet wird.
In manchen Ausführungsformen umfasst einer oder umfassen mehrere der freien Magnete der freien Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Magnetverbund. Der Magnetverbund kann ein Übergitter sein, das ein erstes Material und ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material eines der folgenden einschließt: Co, Ni, Fe oder Heusler-Legierung, und wobei das zweite Material eines der folgenden einschließt: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni. In manchen Ausführungsformen weist der feste Magnet des magnetischen Übergangs ebenfalls einen Verbundmagneten auf.
Es gibt viele technische Wirkungen der verschiedenen Ausführungsformen. Zum Beispiel ermöglicht in manchen Ausführungsformen das Schalten der nicht in einer Ebene liegenden Magnetisierung auf senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA) basierende magnetische Vorrichtungen (z.B. MRAM und Logik), die Spin-Orbit-Wirkungen aufweisen, die senkrechte Spin-Ströme erzeugen. Ein Senkrechtmagnetschalter mancher Ausführungsformen ermöglicht niedrige Programmierspannungen (oder einen stärkeren Strom für gleiche Spannungen), die durch gigantische Spin-Orbit-Effekte (GSOE) ermöglicht werden, für Senkrechtmagnetspeicher und -logik. Der Senkrechtmagnetschalter mancher Ausführungsformen führt zu niedrigeren Schreibfehlerraten, die einen schnelleren MRAM (z.B. Schreibzeiten von weniger als 10 ns) ermöglichen. Der Senkrechtmagnetschalter mancher Ausführungsformen entkoppelt Schreib- und Lesepfade, wodurch kürzere Leselatenzen ermöglicht werden. Der Senkrechtmagnetschalter mancher Ausführungsformen verwendet einen deutlich schwächeren Lesestrom durch den magnetischen Übergang (z.B. MTJ oder Spin-Ventil) und sorgt für die Zuverlässigkeit des Tunnelungsoxids und der MTJs. Zum Beispiel werden vom Senkrechtmagnetschalter mancher Ausführungsformen weniger als 10 µA verwendet, im Vergleich zu 100 µA für nominelles Schreiben.
In manchen Ausführungsformen verringern die Einlagen die DMI an der Grenzfläche des SOT und des magnetischen Übergangs, was eine effiziente SOC/SOT-Transduktion an schwachen in einer Ebene liegenden Feldern ermöglicht. Die Einlagen dienen auch als Adapterschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC/SOT-Elektrode, um den Spin-Speicherverlusteffekt zu verringern. In manchen Ausführungsformen ist die SOC/SOT-Elektrode mit antiferromagnetischem (AFM) Material oder ferromagnetischem (FM) Material dotiert. In manchen Ausführungsformen ermöglicht die Einlage eine Lockerung der Beschränkungen für das Magnetspeicher-Design an der mit AFM/FM dotierten SOC/SOT-Elektrode oder der auf einer magnetischen Durchkontaktierung basierenden SOC/SOT-Elektrode. Somit wird ein effizienteres auf Spin-Orbit-Kopplung basierendes Schalten des freien Magneten erreicht, was zu einem senkrechten SOC/SOT-Magnetspeicher mit weniger Leistungsaufnahme führt. In verschiedenen Ausführungsform stellen der feste in einer Ebene magnetisierte Magnet und/oder das AFM, der bzw. das mit einer Oberfläche der SOC-Verbindung gekoppelt ist, ein zusätzliches effektives in einer Ebene liegendes Feld bereit, das zum Schalten des freien Magneten (der freien Magnete) der Struktur oder des Stapels aus freien Magneten (des magnetischen Übergangs) unter Ausnutzung des Spin-Orbit-Torque-Effekts verwendet wird. Somit wird ein schnelleres Schalten und ein weniger Leistung verbrauchendes Schalten für den magnetischen Übergang erreicht.
In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche Details erörtert, um eine ausführlichere Erklärung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform und nicht im Detail gezeigt, um das Verunklaren der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den entsprechenden Zeichnungen der Ausführungsformen Signale durch Linien dargestellt sind. Einige Linien können dicker sein, um bedeutendere Signalpfade anzuzeigen, und/oder Pfeile an einem oder mehreren Enden aufweisen, um die primäre Richtung des Informationsflusses anzuzeigen. Solche Angaben sollen nicht einschränkend sein. Vielmehr werden die Linien in Verbindung mit einem oder mehreren beispielhaften Ausführungsbeispielen verwendet, um ein leichteres Verstehen einer Schaltung oder einer logischen Einheit zu ermöglichen. Jedes dargestellte Signal, wie es durch Entwurfsanforderungen oder -präferenzen vorgegeben ist, kann tatsächlich ein oder mehrere Signale umfassen, die sich in beide Richtungen bewegen können und mit irgendeiner geeigneten Art von Signalschema implementiert werden können.
Der Begriff „frei“ oder „nicht fest“ bzw. „unfixiert“ bezeichnet hierin mit Bezug auf einen Magneten einen Magneten, dessen Magnetisierungsrichtung sich entlang seiner leichten Achse bzw. leichten Richtung bei Anlegung eines externen Feldes oder einer externen Kraft (z.B. eines Oersted-Feldes, eines Spin-Moments usw.) ändern kann. Dagegen bezeichnet der Begriff „fest“ oder „fixiert“ hierin mit Bezug auf einen Magneten einen Magneten, dessen Magnetisierungsrichtung entlang einer Achse fixiert oder fest ist und sich wegen der Anlegung eines externen Feldes (z.B. eines elektrischen Feldes, Oersted-Feldes, Spin-Moments) wohl ändert.
Hierin bezeichnet der Begriff „senkrecht magnetisierter Magnet“ (oder senkrechter Magnet oder Magnet mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA)) allgemein einen Magneten mit einer Magnetisierung, die im Wesentlichen senkrecht ist zu einer Ebene des Magneten oder einer Vorrichtung. Zum Beispiel einen Magneten mit einer Magnetisierung, die in einer z-Richtung in einem Bereich von 90 (oder 270) Grad +/- 20 Grad in Bezug auf eine x-y-Ebene einer Vorrichtung liegt.
Hierin bezeichnet der Begriff „in einer Ebene magnetisierter Magnet“ allgemein einen Magneten, der eine Magnetisierung in einer Richtung aufweist, die im Allgemeinen entlang der Ebene des Magneten verläuft. Zum Beispiel einen Magneten mit einer Magnetisierung, die in einer x- oder y-Richtung liegt und einen Bereich von 0 (oder 180) Grad +/- 20 Grad in Bezug auf eine x-y-Ebene einer Vorrichtung aufweist.
Der Begriff „Vorrichtung“ kann allgemein einen Apparat gemäß dem Kontext, in dem dieser Begriff verwendet wird, bezeichnen. Zum Beispiel kann Vorrichtung einen Stapel aus Schichten oder Strukturen, eine einzelne Struktur oder Schicht, eine Verbindung verschiedener Strukturen mit aktiven und/oder passiven Elementen usw. bezeichnen. Im Allgemeinen ist eine Vorrichtung eine dreidimensionale Struktur mit einer Ebene entlang der x-y-Richtung und einer Höhe entlang der z-Richtung eines kartesischen x-y-z-Koordinatensystems. Die Ebene der Vorrichtung kann auch die Ebene eines Geräts sein, das die Vorrichtung aufweist.
Durch die Beschreibung hindurch und in den Ansprüchen bedeutet das Wort „verbunden“ eine direkte Verbindung, wie beispielsweise eine elektrische, mechanische oder magnetische Verbindung zwischen den Dingen, die verbunden sind, ohne irgendwelche Zwischenbauteile.
Das Wort „gekoppelt“ bedeutet eine direkte oder indirekte Verbindung, wie beispielsweise eine direkte elektrische, mechanische oder magnetische Verbindung zwischen den Dingen, die verbunden sind, oder eine indirekte Verbindung durch eine oder mehrere passive oder aktive dazwischenliegende Vorrichtungen.
Der Begriff „benachbart“ bezeichnet hierin allgemein eine Position einer Sache, die neben (z.B. unmittelbar neben oder nahe, mit einem oder mehreren Sachen dazwischen) an einer anderen Sache liegt oder an eine solche anschließt (z.B. daran anstößt).
Das Wort „Schaltung“ oder „Modul“ kann sich auf eine oder mehrere passive und/oder aktive Komponenten beziehen, die angeordnet sind, sodass sie miteinander zusammenwirken, um eine erwünschte Funktion bereitzustellen.
Der Begriff „Vorrichtung“ kann allgemein einen Apparat gemäß dem Kontext, in dem dieser Begriff verwendet wird, bezeichnen. Zum Beispiel kann Vorrichtung einen Stapel aus Schichten oder Strukturen, eine einzelne Struktur oder Schicht, eine Verbindung verschiedener Strukturen mit aktiven und/oder passiven Elementen usw. bezeichnen. Im Allgemeinen ist eine Vorrichtung eine dreidimensionale Struktur mit einer Ebene entlang der x-y-Richtung und einer Höhe entlang der z-Richtung eines kartesischen x-y-z-Koordinatensystems. Die Ebene der Vorrichtung kann auch die Ebene eines Apparats sein, der die Vorrichtung aufweist.
Das Wort „Signal“ kann sich auf mindestens ein Stromsignal, Spannungssignal, magnetisches Signal oder Daten/Taktsignal beziehen.
Die Bedeutung von „ein“, „einer“, „eine“, „eines“, „der“, „die“ und „das“ schließt Pluralformen mit ein. Die Bedeutung von „in“ schließt „in“ und „auf“ mit ein.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung werden die Begriffe „Spin“ und „magnetisches Moment“ gleichbedeutend verwendet. Streng genommen ist die Richtung des Spin der des magnetischen Moments entgegengesetzt, und die Ladung des Teilchens ist negativ (wie etwa im Falle eines Elektrons).
Der Begriff „Skalieren“ bezeichnet allgemein eine Umwandlung eines Designs (schematisch oder nach räumlicher Anordnung) von einer Prozesstechnologie in eine andere Prozesstechnologie und eine anschließende Reduzierung der Fläche der räumlichen Anordnung. Der Begriff „Skalieren“ bezeichnet auch eine Verkleinerung der räumlichen Anordnung und von Vorrichtungen innerhalb des gleichen Technologieknotens. Der Begriff „Skalieren“ kann auch eine Anpassung (z.B. Verlangsamung oder Beschleunigung - das heißt eine Erniedrigung bzw. Erhöhung) einer Signalfrequenz in Bezug auf einen anderen Parameter, beispielsweise einen Versorgungsspannungspegel, bezeichnen.
Die Begriffe „im Wesentlichen“, „nahe“, „etwa“, „in der Nähe von“ und „etwa“ bezeichnen im Allgemeinen etwas, das innerhalb von +/- 10 % eines Zielwerts liegt. Wenn der Kontext, in dem sie gebraucht werden, ausdrücklich etwas anderes angibt, bedeuten die Begriffe „im Wesentlichen gleich“, „etwa gleich“ und „ungefähr gleich“, dass höchstens eine zu vernachlässigende Abweichung zwischen so beschriebenen Dingen besteht. In der Technik beträgt eine solche Abweichung in der Regel nicht mehr als +/-10 % eines vorgegebenen Zielwerts.
Ausgenommen wenn etwas anderes angegeben ist, zeigt die Verwendung der Ordinaladjektive „erster“, „zweiter“ und „dritter“ bei der Beschreibung eines gewöhnlichen Gegenstandes nur an, dass unterschiedliche Instanzen ähnlicher Objekte beschrieben werden, und es soll nicht impliziert werden, dass die auf diese Weise beschriebenen Objekte in einer gegebenen Reihenfolge sein müssen, die entweder temporär, räumlich, nach Rang oder in irgendeiner anderen Art und Weise geordnet ist.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bedeuten die Ausdrücke „A und/oder B“ und „A oder B“ (A), (B) oder (A und B). Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Ausdruck „A, B, und/oder C“ (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C), oder (A, B und C).
Die Begriffe „links“, „rechts“, „vorne“, „hinten“, „oben“, „unten“, „über“, „unter“ und Ähnliches in der Beschreibung und in den Ansprüchen, wenn überhaupt, werden zu beschreibenden Zwecken und nicht zwingend zum Beschreiben von permanenten relativen Positionen verwendet. Zum Beispiel bezeichnen die Begriffe „über“, „unter“, Vorderseite“, „Rückseite“, „oben“, „unten“, „über“, „unter“ und „auf“, wie hierin verwendet, eine relative Position einer Komponente, einer Struktur oder eines Materials in Relation zu anderen Komponenten, Strukturen oder Materialien innerhalb einer Vorrichtung, auf die Bezug genommen wird, wo solche physikalischen Beziehungen von Bedeutung sind. Diese Begriffe werden hierin nur für die Zwecke der Beschreibung und vorwiegend im Kontext einer z-Achse einer Vorrichtung verwendet und können daher von einer Ausrichtung einer Vorrichtung abhängen. Somit kann ein erstes Material „über“ einem zweiten Material im Kontext einer hierin bereitgestellten Figur auch „unter“ dem zweiten Material liegen, wenn die Vorrichtung in Bezug auf den Kontext der bereitgestellten Figur umgekehrt ausgerichtet wird. Im Kontext von Materialien kann ein Material, das über oder unter einem anderen angeordnet ist, direkt Kontakt haben oder eines oder mehr dazwischenliegende Materialien haben. Außerdem kann ein Material, das zwischen zwei Materialien angeordnet ist, direkt mit den zwei Schichten Kontakt haben, oder es können eine oder mehrere Schichten dazwischenliegen. Im Gegensatz dazu steht ein erstes Material „auf“ einem zweiten Material in direktem Kontakt mit dem zweiten Material. Ähnliche Unterscheidungen sind im Kontext von Baugruppen aus Komponenten zu machen.
Der Begriff „zwischen“ kann im Kontext der z-Achse, der x-Achse oder der y-Achse einer Vorrichtung verwendet werden. Ein Material, das sich zwischen zwei anderen Materialien befindet, kann mit einem oder mit beiden dieser Materialien in Kontakt stehen oder kann von allen beiden von den anderen Materialien durch mindestens ein dazwischen liegendes Material getrennt sein. Ein Material, das sich zwischen zwei anderen Materialien befindet, kann mit einem oder mit beiden dieser Materialien in Kontakt stehen oder kann von beiden der zwei anderen Materialien durch ein oder mehrere dazwischen liegende Materialien getrennt sein. Eine Vorrichtung, die sich zwischen zwei anderen Vorrichtungen befindet, kann mit einer oder mit beiden dieser Vorrichtungen direkt verbunden sein oder kann von allen beiden von den anderen Vorrichtungen durch mindestens eine dazwischen liegende Vorrichtung getrennt sein.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung werden die Begriffe „Spin“ und „magnetisches Moment“ gleichbedeutend verwendet. Streng genommen ist die Richtung des Spin der des magnetischen Moments entgegengesetzt, und die Ladung des Teilchens ist negativ (wie etwa im Falle eines Elektrons).
1A stellt ein Diagramm einer Magnetisierungshysterese 100 für einen Ferromagneten (FM) 101 dar. Das Diagramm zeigt eine Magnetisierungsreaktion auf ein angelegtes Magnetfeld für den Ferromagneten 101. Die x-Achse des Diagramms 100 ist ein Magnetfeld ,H‘, während die y-Achse eine Magnetisierung ,m‘ ist. Für FM 101 ist die Beziehung zwischen ,H‘ und ,m‘ nicht linear und führt zu einer Hystereseschleife, wie von den Kurven 102 und 103 gezeigt ist. Die Regionen des stärksten und des schwächsten Magnetfelds der Hystereseschleife entsprechen Konfigurationen 104 bzw. 106 mit gesättigter Magnetisierung. Bei den Konfigurationen 104 bzw. 106 mit gesättigter Magnetisierung weist FM 101 stabile Magnetisierungen auf. In der Region 105 der Hystereseschleife, wo ein Null-Magnetfeld vorhanden ist, weist FM 101 keinen festen Magnetisierungswert auf, da dieser von den bis dahin angelegten Magnetfeldern abhängt. Zum Beispiel kann die Magnetisierung von FM 101 in der Konfiguration 105 für einen in einer Ebene magnetisierten FM entweder die +x-Richtung oder die -x-Richtung sein. Somit ist das Wechseln oder Schalten des Zustands von FM 101 von einer Magnetisierungsrichtung (z.B. Konfiguration 104) in eine andere Magnetisierungsrichtung (z.B. Konfiguration 106) zeitaufwändig, was zu einer längeren Nanomagnetreaktionszeit führt. Sie steht im Zusammenhang mit der inneren Schaltenergie, die proportional ist zu der Fläche in dem Graphen, die zwischen den Kurven 102 und 103 enthalten ist.
In manchen Ausführungsformen wird FM 101 aus CFGG (d.h. Cobalt (Co), Eisen (Fe), Germanium (Ge) oder Gallium (Ga) oder aus einer Kombination davon) gebildet. In manchen Ausführungsformen umfasst FM 101 eine oder mehrere von Co-, Fe-, Ni-Legierungen und mehrschichtige Heterostrukturen, verschiedene Oxid-Ferromagnete, Granate oder Heusler-Legierungen. Heusler-Legierungen sind ferromagnetische Metalllegierungen auf Basis einer Heusler-Phase. Heusler-Phasen sind intermetallisch mit einer bestimmten Zusammensetzung und einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur. Die ferromagnetische Eigenschaft der Heusler-Legierungen ist das Ergebnis eines Doppelaustauschmechanismus zwischen benachbarten magnetischen Ionen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Heusler-Legierung eine der folgenden: Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Co₂FeAl, Fe₂VAl, Mn₂VGa, Co₂FeGe, MnGa oder MnGaRu.
1B stellt ein Magnetisierungsdiagramm 120 für einen Paramagneten 121 dar. Das Diagramm 120 zeigt die Magnetisierungsreaktion auf ein angelegtes Magnetfeld für den Paramagneten 121. Die x-Achse des Diagramms 120 ist ein Magnetfeld ,H‘, während die y-Achse eine Magnetisierung ,m‘ ist. Im Gegensatz zu einem Ferromagneten zeigt ein Paramagnet eine Magnetisierung, wenn ein Magnetfeld an ihn angelegt wird. Paramagnete weisen im Allgemeinen eine magnetische Permeabilität größer oder gleich eins auf und werden somit von Magnetfeldern angezogen. Im Vergleich zum Diagramm 100 zeigt das Magnetdiagramm 120 von 1B keine Hysterese, wodurch kürzere Schaltzeiten und geringere Schaltenergien zwischen den zwei Konfigurationen 124 bzw. 126 der Kurve 122 mit gesättigter Magnetisierung möglich sind. In der mittleren Region 125 weist der Paramagnet 121 keinerlei Magnetisierung auf, da dort kein Magnetfeld angelegt ist (z.B. H=0). Die innere Energie, die mit dem Schalten assoziiert ist, fehlt in diesem Fall.
In manchen Ausführungsformen umfasst der Paramagnet 121 ein Material, das eines oder mehrere der folgenden einschließt: Platin (Pt), Palladium (Pd), Wolfram (W), Cer (Ce), Aluminium (AI), Lithium (Li), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Cr₂O₃ (Chromoxid), CoO (Cobaltoxid), Dysprosium (Dy), Dy₂O (Dysprosiumoxid), Erbium (Er), Er₂O₃ (Erbiumoxid), Europium (Eu), Eu₂O₃ (Europiumoxid), Gadolinium (Gd), Gadoliniumoxid (Gd₂O₃), FeO und Fe₂O₃ (Eisenoxid), Neodym (Nd), Nd₂O₃ (Neodymoxid), KO₂ (Kaliumsuperoxid), Praseodym (Pr), Samarium (Sm), Sm₂O₃ (Samariumoxid), Terbium (Tb), Tb₂O₃ (Terbiumoxid), Thulium (Tm), Tm₂O₃ (Thuliumoxid) oder V₂O₃ (Vanadiumoxid). In manchen Ausführungsformen umfasst der Paramagnet 121 Dotierungsmittel, die eines oder mehrere der folgenden einschließen: Ce, Cr, Mn, Nb, Mo, Tc, Re, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm oder Yb. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Magnet entweder ein FM oder ein Paramagnet sein.
2A-B stellt eine dreidimensionale (3D) Ansicht 200 bzw. eine entsprechende Draufsicht 220 einer Vorrichtung dar, die einen Stapel aus in einer Ebene liegenden Magnettunnelübergängen (MTJ) aufweist, der mit einer Spin-Orbit-Kopplungs(SOC)-Verbindung gekoppelt ist, wobei der MTJ-Stapel eine freie Magnetschicht aufweist, die viel kleiner ist als eine Länge der SOC-Verbindung.
Hierbei ist der Stapel aus Schichten, die einen magnetischen Übergang 221 aufweisen, mit einer Elektrode 222 (auch als Verbindung 222 und Schicht 222 bezeichnet) gekoppelt, die ein Spin-Hall-Effekt(SHE)- oder SOC-Material (oder Spin-Orbit-Torque(SOT)-Material) aufweist, wobei das SHE-Material einen Ladungsstrom I_W (oder Schreibstrom) in einen Spin-polarisierten Strom I_S umwandelt. Die Vorrichtung von 2A bildet eine dreidimensionale Speicherzelle mit einem SHE-induzierten Schreibmechanismus und einer auf MTJ basierenden Auslesung. Der Spin-Hall-Effekt ist ein relativistisches Spin-Orbit-Kopplungs-Phänomen, das genutzt werden kann, um Spin-Ströme in nicht-magnetischen Systemen elektrisch zu erzeugen oder zu detektieren.
Wenn ein in einer Ebene ausgerichteter Strom an Schwermetall/Ferromagnet-Zweischichtsysteme angelegt wird, lässt dieser in einer Ebene ausgerichtete Strom über Spin-Orbit-Interaktionen eine Spin-Akkumulation in dem Ferromagneten entstehen. Die Spin-Akkumulation im freien Ferromagneten führt zu Momenten (z.B. SOT) oder effektiven Feldern, die auf die Magnetisierung wirken, wodurch die Magnetisierung des freien Ferromagneten geschaltet wird. Das SOT weist zwei Komponenten mit unterschiedlichen Symmetrien auf - ein Slonczewskiartiges Moment und ein feldartiges Moment. Der Ursprung des SOT wird im Allgemeinen dem Bulk-Spin-Hall-Effekt im Schwermetall zugeschrieben. Die spezifischen Strukturen des SOT-Schaltschemas, die hier aufgezeigt werden, werden gemäß der Richtung der leichten Achse des Ferromagneten in zwei Typen unterteilt.
2A stellt die leichte Achse dar, die in einer Ebene liegt und orthogonal zum Strom ist, während 4A die leichte Achse darstellt, die senkrecht zur Folienebene (oder Vorrichtung) ist. Die Schaltdynamik dieser beiden ist jeweils anders.
Die Vorrichtung von 2A weist einen magnetischen Übergang 221, eine SHE-Verbindung oder -Elektrode 222 und ein nicht-magnetisches Metall (nicht-magnetische Metalle) 223a/b auf. In einem Beispiel umfasst der MTJ 221 Schichten 221a, 221b und 221c. In manchen Ausführungsformen sind die Schichten 221a und 221c ferromagnetische Schichten. In manchen Ausführungsformen ist die Schicht 221b ein Metall oder ein Tunnelungsdielektrikum.
Wenn der magnetische Übergang beispielsweise ein Spin-Ventil ist, ist die Schicht 221b Metall oder ein Metalloxid (z.B. ein nicht-magnetisches Metall wie etwa Al und/oder sein Oxid), und wenn der magnetische Übergang ein Tunnelungsübergang ist, dann ist die Schicht 221b ein Dielektrikum (z.B. MgO, Al₂O₃). Ein Ende oder beide Enden entlang der horizontalen Richtung der SHE-Verbindung 222 ist bzw. sind aus nicht-magnetischen Metallen 223a/b gebildet. Zusätzliche Schichten 221d, 221e, 221f und 221g können außerdem oben auf die Schicht 221c gestapelt sein. In manchen Ausführungsformen ist die Schicht 221g eine nicht-magnetische Metallelektrode.
Um die verschiedenen Ausführungsformen nicht zu verunklaren, wird der magnetische Übergang daher als magnetischer Tunnelungsübergang (MTJ) beschrieben. Jedoch sind die Ausführungsformen auch auf Spin-Ventile anwendbar. Vielfältige Materialkombinationen können für das Stapeln von Materialien des magnetischen Übergangs 221 verwendet werden. Zum Beispiel wird der Stapel aus Schichten 221a, 221b, 221c, 221d, 221e, 221f und 221g aus Materialien gebildet, welche die folgenden einschließen: Co_xFe_yB_z, MgO, Co_xFe_yB_z, Ru, Co_xFe_yB_z, IrMn bzw. Ru, wobei ,x‘, ,y‘ und ,z‘ Anteile von Elementen in den Legierungen sind. Andere Materialien können ebenfalls verwendet werden, um den MTJ 221 zu bilden. Der MTJ-Stapel 221 umfasst eine freie Magnetschicht 221a, ein MgO-Tunnelungsoxid 221b, eine feste Magnetschicht 221c/d/e, die eine Kombination aus CoFe, Ru und CoFe-Schichten ist, die als synthetischer Anti-Ferromagnet (SAF) bezeichnet wird, und eine Schicht aus einem Anti-Ferromagneten (AFM 221f). Die SAF-Schicht weist die Eigenschaft auf, dass die Magnetisierungen in den beiden CoFe-Schichten einander entgegengesetzt sind, und ermöglicht eine Tilgung der Dipolfelder um die freien Magnetschicht, so dass kein Dipolstreufeld die freie Magnetschicht steuert.
In manchen Ausführungsformen sind die freien und festen Magnetschichten (221a bzw. 221c) Ferromagnete (FMs), die aus CFGG (d.h. Cobalt (Co), Eisen (Fe), Germanium (Ge) oder Gallium (Ga) oder einer Kombination daraus) gebildet sind. In manchen Ausführungsformen werden die FMs 221a/c aus Heusler-Legierungen gebildet. Heusler-Legierungen sind ferromagnetische Metalllegierungen auf Basis einer Heusler-Phase. Heusler-Phasen sind intermetallisch mit einer bestimmten Zusammensetzung und einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur. Die ferromagnetische Eigenschaft der Heusler-Legierungen ist das Ergebnis eines Doppelaustauschmechanismus zwischen benachbarten magnetischen Ionen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Heusler-Legierung eine der folgenden: Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Co₂FeAl, Fe₂VAl, Mn₂VGa, Co₂FeGe, MnGa oder MnGaRu.
Die Dicke der ferromagnetischen Schicht (z.B. der festen oder der freien Magnetschicht) kann die Richtung ihres Magnetisierungsgleichgewichts bestimmen. Wenn beispielsweise die Dicke der ferromagnetischen Schicht 221a/c über einem bestimmten Schwellenwerts liegt (der vom Material des Magneten abhängt, z.B. ungefähr 1,5 nm für CoFe), dann zeigt die ferromagnetische Schicht eine Magnetisierungsrichtung, die in einer Ebene liegt. Ebenso zeigt die ferromagnetische Schicht 221a/c, wenn die Dicke der ferromagnetischen Schicht 221a/c unter einem bestimmten Schwellenwert liegt (der vom Material des Magneten abhängt), eine Magnetisierungsrichtung, die zur Ebene der magnetischen Schicht senkrecht ist, wie unter Bezugnahme auf 4A-B dargestellt ist.
Andere Faktoren können die Richtung der Magnetisierung ebenfalls bestimmen. Zum Beispiel kann die Richtung der Magnetisierung auch von Faktoren wie einer Oberflächenanisotropie (die von den benachbarten Schichten oder einer mehrschichtigen Zusammensetzung der ferromagnetischen Schicht abhängt) und/oder einer Kristallanisotropie (die von einer Spannung und von der Modifikation der Kristallgitterstruktur, wie etwa FCC (flächenzentriertes kubisches Gitter) oder einem Llo-Kristalltyp, wobei Llo ein Typ einer Kristallklasse ist, die senkrechte Magnetisierungen zeigt, abhängt) bestimmt werden.
Es wird wieder auf 2A Bezug genommen, um zu bemerken, dass in manchen Ausführungsformen die SHE-Verbindung 222 (oder die Schreibelektrode) 3D-Materialien aufweist, wie etwa eines oder mehrere von β-Tantal (β-Ta), Ta, β-Wolfram (β-W), W, Pt, Kupfer (Cu), dotiert mit Elementen wie Iridium, Bismut und beliebigen der Elemente der Periodengruppen 3d, 4d, 5d und 4f, 5f des Periodensystems, die eine hohe Spin-Orbit-Kopplung zeigen können. In manchen Ausführungsformen geht die SHE-Verbindung 222 in (mindestens ein) hoch-leitfähiges nicht-magnetisches Metall 223a/b über, um den Widerstand der SHE-Verbindung 222 zu senken. Das (mindestens eine) nicht-magnetische Metall 223a/b schließt eines oder mehrere der folgenden ein: Cu, Co, α-Ta, Al, CuSi oder NiSi.
In 2A hat die Schalterschicht 221a ihre leichte Achse entlang der Richtung der Ebene (z.B. der y-Ebene). Für diesen Typ wird ein externes Feld entlang der z-Achse, Hz, angelegt, um die Symmetrie zu durchbrechen und ein bipolares Schalten zu erreichen. Angenommen, die Antriebskraft für das Schalten kommt aus dem Spin-Hall-Effekt in der Verbindung 222, dann wird die kritische Stromdichte J_c erhalten durch: $J_{c} = \frac{2 e}{h} \frac{α M_{s} t_{F}}{θ_{S H}^{e f f}} (H_{K, i n}^{e f f} + \frac{H_{K, o u t}^{e f f}}{2})$
wobei α die Gilbert-Dämpfungskonstante ist, e die elementare Ladung ist, h der Dirac-Kontakt ist, $θ_{S H}^{e f f}$
der effektive Spin-Hall-Winkel ist, M_s die Sättigungsmagnetisierung ist, t_F die Dicke der ferromagnetischen Schicht 221a entlang der z-Richtung ist, $H_{K, i n}^{e f f}$
das in einer Ebene liegende effektive Anisotropiefeld ist und $H_{K, o u t}^{e f f}$
das nicht in einer Ebene liegende effektive Anisotropiefeld der ferromagnetischen Schicht 221a ist.
In diesem Beispiel wird der angelegte Strom I_W durch die SHE-Verbindung 222 (auch als Spin-Orbit-Kopplung-Verbindung bezeichnet) in Spin-Strom I_S umgewandelt. Der Spin-Strom schaltet die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht und ändert somit den Widerstand des MTJ 221. Um den Zustand des MTJ 221 auszulesen, ist jedoch ein Erfassungsmechanismus erforderlich, um die Widerstandsänderung zu erfassen.
In die magnetische Zelle wird durch Anlegen eines Stroms über die SHE-Verbindung 222 geschrieben. Die Richtung des magnetischen Schreibens in die freie Magnetschicht 221a wird von der Richtung des angelegten Ladungsstroms bestimmt. Positive Ströme (z.B. Ströme, die in der +y-Richtung fließen) erzeugen einen Spin-Injektionsstrom mit einer Transportrichtung (entlang der +z-Richtung) und Spins, die in die +x-Richtung weisen. Der injizierte Spin-Strom erzeugt seinerseits ein Spin-Moment, um den freien Magneten 221a (der mit der SHE-Schicht 222 des SHE-Materials gekoppelt ist) in der +x-Richtung auszurichten. Negative Ströme (z.B. Ströme, die in der -y-Richtung fließen) erzeugen einen Spin-Injektionsstrom mit einer Transportrichtung (entlang der +z-Richtung) und Spins, die in die -x-Richtung weisen. Der injizierte Spin-Strom erzeugt seinerseits ein Spin-Moment, um den freien Magneten 221a (der mit dem SHE-Material der Schicht 222 gekoppelt ist) in der- x-Richtung auszurichten. In manchen Ausführungsformen sind in Materialien mit dem entgegengesetzten Vorzeichen des SHE/SOC-Effekts die Richtungen der Spin-Polarisierung und somit die der Magnetisierungsausrichtung der freien Schicht im Vergleich zu oben umgekehrt. In manchen Ausführungsformen sind die Magnete 221a und/oder 221c Paramagnete. In manchen Ausführungsformen können die Magnete 221a und/oder 221c eine Kombination aus Ferromagneten oder Paramagneten sein. Zum Beispiel ist der Magnet 221a ein Ferromagnet, während der Magnet 221c ein Paramagnet ist. In einem anderen Beispiel ist der Magnet 221c ein Ferromagnet, während der Magnet 221a ein Paramagnet ist.
2C stellt einen Querschnitt 230 der SOC-Verbindung 222 dar, mit Elektronen, deren Spins in der Ebene polarisiert sind und aufgrund eines Flusses eines Ladestroms nach oben und nach unten abgelenkt werden. In diesem Beispiel erzeugt der positive Ladestrom, der durch J_c dargestellt wird, einen nach vorne (z.B. in der +x-Richtung) polarisierten Strom 301 und einen nach hinten (z.B. in der -x-Richtung) polarisierten Strom 302. Der injizierte Spin-Strom $\vec{I_{s}},$
der durch einen Ladestrom $\vec{I_{c}}$
in der Schreibelektrode 222 erzeugt wird, wird erhalten durch: $\vec{I_{s}} = P_{S H E} (w, t, λ_{s f}, θ_{S H E}) (\vec{I_{c}} \times \hat{z})$
wobei der Vektor des Spin-Stroms $\vec{I_{s}} = \vec{I_{↑}} - \vec{I_{↓}}$
in Richtung des übertragenen magnetischen Moments weist und so groß ist wie die Differenz der Ströme mit einem Spin in der und entgegengesetzt zu der Spin-Polarisierungsrichtung, ẑ der Einheitsvektor senkrecht zur Grenzfläche ist, P_SHE die Spin-Hall-Injektionseffizienz ist, das heißt das Verhältnis der Stärke des quer verlaufenden Spin-Stroms zum lateralen Ladungsstrom, w die Breite des Magneten ist, t die Dicke der SHE-Verbindung (oder der Schreibelektrode) 222 ist, λ_sf die Spin-Flip-Länge der SHE-Verbindung 222 ist, θ_SHE der Spin-Hall-Winkel für die SHE-Verbindung 222 zur Grenzfläche der freien ferromagnetischen Schicht ist. Das injizierte Spin-Winkelmoment pro Zeiteinheit, das für das Spin-Moment verantwortlich ist, wird erhalten durch: $\vec{S} = h \vec{I_{s}} / 2 e$
Die erzeugten nach oben und nach unten gerichteten Spin-Ströme 231/232 sind äquivalent zum Spin-polarisierten Strom pro Einheitsfläche $(z .B . \vec{I_{s}}),$
der erhalten wird durch: $\vec{I_{s}} = θ_{S H E} (\vec{I_{c}} \times \hat{z})$
Die Umwandlung von Spin in Ladung basiert auf dem magnetischen Tunnelwiderstand (Tunnel Magneto Resistance, TMR), der bezüglich der erzeugten Signalstärke stark beschränkt ist. Die auf TMR basierende Umwandlung von Spin in Ladung weist einen geringen Wirkungsgrad (z.B. unter eins) auf.
3A-B stellen eine 3D-Ansicht 300 bzw. eine entsprechende Draufsicht 320 einer Vorrichtung dar, die einen Stapel von in einer Ebene liegenden MTJs aufweist, der mit einer SOC-Verbindung 222 gekoppelt ist. Im Vergleich zum Beispiel von 2A-B weist die Schalterschicht 321a hier eine leichte Achse in der Folienebene (z.B. der y-Ebene auf, die kollinear mit dem Strom entlang der y-Achse ist. Der feste Magnet 321c weist auch eine Magnetisierung entlang der y-Ebene auf. Was das Material betrifft, so sind die Magnete 321a/c den Magneten 221a/c gleich, aber mit anderer magnetischer Ausrichtung entlang derselben Ebene. In manchen Ausführungsformen ist die leichte Achse parallel zu dem Strom, der entlang der y-Achse fließt. Mit der Anlegung eines externen Magnetfelds H_z entlang der z-Richtung wird ein bipolares Schalten erreicht.
4A-C stellen eine 3D-Ansicht 400 bzw. eine entsprechende Draufsicht 420 einer Vorrichtung dar, die einen Stapel von nicht in einer Ebene liegenden MTJs aufweist, der mit einer SOC-Verbindung 222 gekoppelt ist. Im Vergleich zum Beispiel von 2-3 weisen hier freie und feste Magnetschichten (oder -strukturen) 421a bzw. 421c eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) auf. Zum Beispiel weist die feste Magnetstruktur 421c eine Magnetisierung auf, die in die z-Richtung weist, und ist senkrecht zur x-y-Ebene der Vorrichtung 400. Ebenso weist die feste Magnetstruktur 421a eine Magnetisierung auf, die in die z-Richtung weist, und ist senkrecht zur x-y-Ebene der Vorrichtung 400.
In manchen Ausführungsformen umfassen die Magnete mit PMA einen Stapel von Materialien, wobei die Materialien für den Stapel ausgewählt sind aus einer Gruppe, die folgendes umfasst: Co und Pt; Co und Pd; Co und Ni; MgO, CoFeB, Ta, CoFeB und MgO; MgO, CoFeB, W, CoFeB und MgO; MgO, CoFeB, V, CoFeB und MgO; MgO, CoFeB, Mo, CoFeB und MgO; Mn_xGa_y; Materialien mit Ll₀-Symmetrie; und Materialien mit tetragonaler Kristallstruktur. In manchen Ausführungsformen wird der Magnet mit PMA aus einer einzigen Schicht aus einem oder mehreren Materialien gebildet. In manchen Ausführungsformen wird die einzelne Schicht aus MnGa gebildet.
Llo ist eine kristallografische Ableitungsstruktur einer FCC(flächenzentrierten kubischen Gitter-Struktur und zwei von ihren Flächen sind von einer Art von Atom besetzt und ihre Ecke und ihre andere Fläche sind von der zweiten Art von Atom besetzt. Wenn Phasen mit der Llo-Struktur ferromagnetisch sind, verläuft der Magnetisierungsvektor üblicherweise entlang der [0 0 1]-Achse des Kristalls. Beispiele für Materialien mit Llo-Symmetrie schließen CoPt und FePt ein. Beispiele für Materialien mit tetragonaler Kristallstruktur und magnetischem Moment sind Heusler-Legierungen wie etwa CoFeAl, MnGe, MnGeGa und MnGa.
In manchen Ausführungsformen sind die freie und die feste magnetische Schicht (421a bzw. 421c) FMs, die aus CFGG gebildet sind. In manchen Ausführungsformen werden die FMs 421a/c aus Heusler-Legierungen gebildet. Heusler-Legierungen sind ferromagnetische Metalllegierungen auf Basis einer Heusler-Phase. Heusler-Phasen sind intermetallisch mit einer bestimmten Zusammensetzung und einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur. Die ferromagnetische Eigenschaft der Heusler-Legierungen ist das Ergebnis eines Doppelaustauschmechanismus zwischen benachbarten magnetischen Ionen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Heusler-Legierung eine der folgenden: Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn, Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Ni2MnGa Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe, Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb, Co2FeSi, Co2FeAl, Fe2VAl, Mn2VGa, Co2FeGe, MnGa, oder MnGaRu.
In manchen Ausführungsformen können die Magnete 421a und/oder 421c eine Kombination aus Ferromagneten oder Paramagneten sein. Zum Beispiel ist der Magnet 421a ein Ferromagnet, während der Magnet 421c ein Paramagnet ist. In einem anderen Beispiel ist der Magnet 421c ein Ferromagnet, während der Magnet 221a ein Paramagnet ist. In manchen Ausführungsformen sind die Magnete 421a und/oder 421c Paramagnete.
In 4A weist die Schalterschicht 421a ihre leichte Achse entlang der (z)-Richtung auf, die nicht in der Ebene liegt. Für diesen Typ wird ein externes Feld entlang der y-Achse H_y angelegt, um die Symmetrie zu durchbrechen und ein bipolares Schalten zu erreichen. Angenommen, dass die Antriebskraft für das Schalten vom Spin-Hall-Effekt in der Verbindung 222 kommt, dann wird die kritische Stromdichte J_C erhalten durch: $J_{c} = \frac{2 e}{h} \frac{M_{s} t_{F}}{θ_{S H}^{e f f}} (\frac{H_{K}^{e f f}}{2} - \frac{H_{y}}{\sqrt{2}})$
wobei e die elementare Ladung ist, h der Dirac-Kontakt ist, $θ_{S H}^{e f f}$
der effektive Spin-Hall-Winkel ist und M_s , t_F und $H_{K}^{e f f}$
die Sättigungsmagnetisierung, die Dicke bzw. das effektive Anisotropiefeld der Ferromagnetschicht 421a sind.
In manchen Ausführungsformen umfasst die SHE-Verbindung 222 ein Spin-Orbit-2D-Material, das eines oder mehrere der folgenden einschließt: TiS₂, WS₂, MoS₂, TiSe₂, WSe₂, MoSe₂, B₂S₃, Sb₂S₃, Ta₂S, Re₂S₇, LaCPS₂, LaOAsS₂, ScOBiS₂, GaOBiS₂, AlOBiS₂, LaOSbS₂, BiO-BiS₂, YOBiS₂, InOBiS₂, LaOBiSe₂, TiOBiS₂, CeOBiS₂, PrOBiS₂, NdOBiS₂, LaOBiS₂ oder SrFBiS₂. In manchen Ausführungsformen umfasst die SHE-Verbindung 222 Spin-Orbit-Material, das ein 2D-Material oder ein 3D-Material einschließt, wobei das 3D-Material dünner ist als das 2D-Material. In manchen Ausführungsformen umfasst die SHE-Verbindung 222 ein Spin-Orbit-Material, das Materialien einschließt, die einen Rashba-Bychkov-Effekt zeigen.
In manchen Ausführungsformen schließen die 2D-Materialien eines oder mehrere der folgenden ein: Mo, S, W, Se, Graphen, MoS₂, WSe₂, WS₂ oder MoSe₂. In manchen Ausführungsformen schließen die 2D-Materialien einen Absorber ein, der eines oder mehrere der folgenden einschließt: Cu-, Ag-, Pt-, Bi-, Fr- oder H-Absorber. In manchen Ausführungsformen umfassen die SOC-Strukturen ein Spin-Orbit-Material, das Materialien einschließt, die einen Rashba-Bychkov-Effekt zeigen. In manchen Ausführungsformen umfasst Material, das Materialien einschließt, das einen Rashba-Bychkov-Effekt zeigt, ROCh₂-Materialien, wobei ,R‘ eines oder mehrere der folgenden einschließt: La, Ce, Pr, Nd, Sr, Sc, Ga, Al oder In, und wobei „Ch“ ein Chalkogenid ist, das eines oder mehrere der folgenden einschließt: S, Se oder Te.
Während die Ausführungsformen von 2-3 darstellen, dass beide Magnete Magnetisierungen in derselben Ebene (z.B. in derselben Ebene oder senkrecht in Bezug auf die x-y-Ebene der Vorrichtung) aufweisen, kann die Magnetisierungsrichtung von festen und freien Magneten in unterschiedlichen Ebenen liegen. Zum Beispiel ist die feste Magnetschicht 221c senkrecht in Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht 221a (z.B. sind die Magnetisierungsrichtungen der freien und der festen Magnetschicht nicht parallel, sondern vielmehr orthogonal. In einem anderen Beispiel liegt die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht 221a in einer Ebene (z.B. entlang der x-y-Ebene der Vorrichtung), während die Magnetisierungsrichtung der festen Magnetschicht 221c senkrecht zur x-y-Richtung der Vorrichtung ist. In einem anderen Fall liegt die Magnetisierungsrichtung der festen Magnetschicht 221a in einer Ebene (z.B. entlang der x-y-Ebene der Vorrichtung), während die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht 221c senkrecht zur x-y-Richtung der Vorrichtung ist.
Die Schaltdynamik der Vorrichtung 300 von 3A ist derjenigen der Vorrichtung 400 von 4A gleich, wo sich die Magnetisierungspolarität ändert, sobald das Moment ausgeübt wird. Dies steht im Gegensatz zur Dynamik der Vorrichtung 200 von 2A, wo viele Präzessionen stattfinden, bevor sich die Polarität ändert. Somit ermöglichen die Vorrichtungen 300/400 gemäß manchen Ausführungsformen eine Schaltzeit, die kürzer ist als die Schaltzeit der Vorrichtung 200.
5A-C stellen einen Mechanismus zum Schalten einer MTJ-Speichervorrichtung (z.B. der Vorrichtung 400) dar, die auf einer Spin-Torque-Elektrode 222 ausgebildet ist.
5A stellt eine MTJ-Speichervorrichtung (z.B. die Vorrichtung 400) dar, wo der MTJ 421 auf einer Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 angeordnet ist, und wo eine Magnetisierung 554 des freien Magneten 421a (auch als Speicherschicht 421a bezeichnet) die gleiche Richtung aufweist wie eine Magnetisierung 556 des festen Magneten 421c. In manchen Ausführungsformen liegen sowohl die Richtung der Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a als auch die Richtung der Magnetisierung 556 des festen Magneten 421c in der negativen z-Richtung, wie in 5A dargestellt ist. Wenn die Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a die gleiche Richtung hat wie eine Magnetisierung 556 des festen Magneten 421c, weist die MTJ-Speichervorrichtung 400 einen Zustand auf, in dem ein Widerstand gering ist. Wenn die Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a dagegen eine Richtung hat, die derjenigen der Magnetisierung 556 des festen Magneten 421c entgegengesetzt ist, weist die MTJ-Speichervorrichtung 400 einen Zustand auf, in dem ein Widerstand hoch ist.
5B stellt eine SOT-Speichervorrichtung (z.B. die Vorrichtung 400) dar, die in einen Zustand geschaltet wurde, in dem ein Widerstand hoch ist. In einer Ausführungsform wird eine Umkehr der Richtung der Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a in 5B im Vergleich zur Richtung der Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a durch (a) eine Induzierung eines Spin-Hall-Stroms 568 in der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 in der y-Richtung und (b) durch Anlegen eines Spin-Moment-Übertragungsstroms 570, i_STTM (durch Anlegen einer positiven Spannung an einer Klemme B in Bezug auf eine Masse C) und/oder (c) durch Anlegen eines externen Magnetfelds H_y in der y-Richtung hervorgerufen.
In einer Ausführungsform wird ein Ladestrom 560 in der negativen y-Richtung durch die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 geschickt (durch Anlegen einer positiven Spannung an einer Klemme A in Bezug auf die Masse C). Als Reaktion auf den Ladestrom 560 fließt ein Elektronenstrom 562 in der positiven y-Richtung. Der Elektronenstrom 562 schließt Elektronen mit zwei einander entgegengesetzten Spin-Ausrichtungen ein und macht in der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 ein Spin-abhängiges Streuphänomen durch.
Der Elektronenstrom 562 schließt Elektronen mit zwei einander entgegengesetzten Spin-Ausrichtungen ein, ein Elektron 566 eines Typs I mit einem Spin, der in der negativen x-Richtung ausgerichtet ist, und ein Elektron 564 eines Typs II mit einem Spin, der in der positiven x-Richtung ausgerichtet ist. In manchen Ausführungsformen machen Elektronen, die Bestandteil des Elektronenstroms 562 sind, in der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 ein Spin-abhängiges Streuphänomen durch. Das Spin-abhängige Streuphänomen wird durch eine Spin-Orbit-Interaktion zwischen dem Kern des Atoms in der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 und den Elektronen im Elektronenstrom 562 hervorgerufen. Das Spin-abhängige Streuphänomen bewirkt, dass Elektronen 566 des Typs I, deren Spins in der negativen x-Richtung ausgerichtet sind, aufwärts zu einem obersten Abschnitt der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 abgelenkt werden und Elektronen 564 des Typs II, deren Spins in der positiven x-Richtung ausgerichtet sind, abwärts zu einem untersten Abschnitt der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 abgelenkt werden.
Die Trennung zwischen der Spin-Winkelbewegung 566 der Elektronen des Typs I und der Spin-Winkelbewegung 564 des Elektrons des Typs II induziert einen polarisierten Spin-Diffusionsstrom 568 in der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222. In manchen Ausführungsformen ist der polarisierte Spin-Diffusionsstrom 568 aufwärts zu dem freien Magneten 421a der MTJ-Speichervorrichtung 400 gerichtet, wie in 5B abgebildet ist. Der polarisierte Spin-Diffusionsstrom 568 induziert ein Spin-Hall-Moment an der Magnetisierung 554 des freien Magneten 421a. Durch das Spin-Hall-Moment wird die Magnetisierung 554 in einen temporären Zustand gedreht, der in die negative x-Richtung weist. In manchen Ausführungsformen wird zur Vervollständigung des Magnetisierungsumkehrungsprozesses ein zusätzliches Moment angelegt. Der i_STTM-Strom 570, der durch die MTJ-Speichervorrichtung 400 fließt, übt ein zusätzliches Moment auf die Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a aus. Die Kombination aus Spin-Hall-Moment und Spin-Transfer-Moment bewirkt einen Wechsel der Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a vom Zwischenmagnetisierungszustand (negative x-Richtung) auf eine positive z-Richtung, wie in 5B dargestellt ist. In manchen Ausführungsformen kann statt der Anlegung eines i_STTM -Stroms 570 durch Anlegen eines externen Magnetfelds H_y in der y-Richtung, wie in 5B dargestellt ist, ein zusätzliches Moment auf die Speicherschicht 421a ausgeübt werden.
5C stellt eine SOT-Speichervorrichtung dar, die in einen Zustand geschaltet wurde, in dem ein Widerstand hoch ist. In einer Ausführungsform wird eine Umkehrung der Richtung der Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a in 5C im Vergleich zur Richtung der Magnetisierung 554 der Speicherschicht 421a in 5B hervorgerufen durch (a) Umkehren der Richtung des Spin-Hall-Stroms 568 in der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 oder (b) Umkehren der Richtung des i_SST -Stroms 570 und/oder (c) Umkehren der Richtung des externen Magnetfelds H_y .
6A stellt ein Diagramm 620 dar, das Schreibenergieverzögerungsbedingungen für einen Transistor und einen MTJ mit SHE-Material (z.B. die Vorrichtung 200 oder 300) im Vergleich zu herkömmlichen MTJs zeigt. 6B stellt ein Diagramm 630 dar, das Schreibenergieverzögerungsbedingungen für einen Transistor und einen MTJ mit SHE-Material (z.B. die Vorrichtung 200 oder 300) im Vergleich zu herkömmlichen MTJs zeigt. Hierbei ist die x-Achse Energie pro Schreiboperation in Femtojoules (fJ), während die y-Achse eine Verzögerung in Nanosekunden (ns) ist.
Hierbei wird die Energieverzögerungstrajektorie von SHE- und MTJ-Vorrichtungen (z.B. einer der Vorrichtungen 200 oder 300) für das Schalten von in einer Ebene magnetisierten Magneten verglichen, wenn die angelegte Schreibspannung variiert wird. Die Energieverzögerungsbeziehung (für ein Schalten in einer Ebene) kann geschrieben werden als: $E (τ) = R_{w r i t e} I_{c o}^{2} \frac{{(τ + τ_{0} ln (\frac{π}{2 θ_{0}}))}^{2}}{τ} = \frac{4}{h^{2}} \frac{R_{w r i t e}}{P^{2}} \frac{1}{π} (μ_{0} e α \frac{M_{s}}{2} {(τ + τ_{0} ln (\frac{π}{2 θ_{0}}))}^{2}) W$
wobei R_write der Schreibwiderstand der Vorrichtung (der Widerstand der SHE-Elektrode oder der Widerstand des MTJ-P oder MTJ-AP ist, wobei MTJ-P ein MTJ mit parallelen Magnetisierungen ist, während MTJ-AP ein MTJ mit antiparallelen Magnetisierungen ist, µ₀ eine Vakuumpermeabilität ist, e die Elektronenladung ist. Die Gleichung zeigt, dass die Energie bei einer bestimmten Verzögerung direkt proportional ist zum Quadrat der Gilbert-Dämpfung □. Hierbei variiert für verschiedene SHE-Metallelektroden (z.B. 623, 624, 625) die charakteristische Zeit $τ_{0} = \frac{M_{s} V e}{I_{c} P μ_{B}},$
wenn die Spin-Polarisierung variiert. Das Diagramm 620 zeigt fünf Kurven 621, 622, 623, 624 und 625. Die Kurven 621 und 622 zeigen Schreibenergieverzögerungsbedingungen bei Verwendung herkömmlicher MTJ-Vorrichtungen ohne SHE-Material.
Zum Beispiel zeigt die Kurve 621 die Schreibenergieverzögerungsbedingung, die durch Schalten eines Magneten vom antiparallelen (AP) in den parallelen (P) Zustand bewirkt wird, während die Kurve 622 die Schreibenergieverzögerungsbedingung zeigt, die durch Schalten eines Magneten vom P- in den AP-Zustand bewirkt wird. Die Kurven 622, 623 und 624 zeigen Schreibenergieverzögerungsbedingungen eines MTJ mit SHE-Material. Es ist deutlich zu sehen, dass Schreibenergieverzögerungsbedingungen eines MTJ mit SHE-Material (z.B. einer der Vorrichtungen 200 und 300) viel niedriger sind als die Schreibenergieverzögerungsbedingungen eines MTJ ohne SHE-Material (Vorrichtung nicht gezeigt). Auch wenn die Schreibenergieverzögerung eines MTJ mit SHE-Material (z.B. einer der Vorrichtungen 200 und 300) gegenüber einem herkömmlichen MTJ ohne SHE-Material verbessert ist, sind weitere Verbesserungen der Schreibenergieverzögerung erwünscht.
6B stellt ein Diagramm 630 dar, das verlässliche Schreibzeiten für Spin-Hall-MRAM und Spin-Torque-MRAM vergleicht. Im Diagramm 630 werden drei Fälle betrachtet. Die Wellenform 631 ist die Schreibzeit für einen in einer Ebene liegenden MTJ, die Wellenform 632 ist die Schreibzeit für einen PMA-MTJ und die Wellenform 633 ist die Schreibzeit für einen Spin-Hall-MTJ. Für die Fälle, die hier betrachtet werden, wird von einem 30 x 60 nm großen Magneten mit einer Energiebarriere von 40 kT und einer Dicke der SHE-Elektrode von 3,5 nm ausgegangen Die Energieverzögerungstrajektorien der Vorrichtungen werden unter der Annahme eines Spannungsdurchlaufs von 0 V bis 0,7 V gemäß Spannungsbeschränkungen eines skalierten CMOS erhalten. Die Energieverzögerungstrajektorie der SHE-MTJ-Vorrichtungen zeigt grob zwei Betriebsregionen A) Region 1, wo das Energieverzögerungsprodukt ungefähr konstant ist $(τ_{d} < \frac{M_{s} V e}{I_{c} P μ_{B}}),$
B), und Region 2, wo die Energie proportional zur Verzögerung ist $τ_{d} > \frac{M_{s} V e}{I_{c} P μ_{B}} .$
Die beiden Regionen sind durch Energieminima bei $τ_{o p t} = \frac{M_{s} V e}{I_{c} P μ_{B}}$
voneinander getrennt, wo die minimale Schaltenergie für die Spin-Torque-Vorrichtungen erhalten wird.
Die Energieverzögerungstrajektorie der STT-MTJ(Spin-Transfer-Torque-MTJ)-Vorrichtungen ist beschränkt, mit einer minimalen Verzögerung von 1 ns für in einer Ebene magnetisierte Vorrichtungen bei einer maximalen angelegten Spannung von 0,7 V, die Schaltenergie für P-AP und AP-P liegen im Bereich von 1 pJ/Schreibvorgang. Im Gegensatz dazu kann die Energieverzögerungstrajektorie der SHE-MTJ-Vorrichtungen (Anisotropie in einer Ebene) Schaltzeiten von lediglich 20 ps (β-W mit 0,7 V, 20 fJ/Bit) oder eine Schaltenergie von lediglich 2 fJ (β-W mit 0,1 V, 1,5 ns Schaltzeit ermöglichen).
7A-B stellen eine 3D-Ansicht 700 bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht 720 einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung.
Die Vorrichtung von 7A ähnelt der Vorrichtung von 4A. Hier ist der freie Magnet 421a von 4A durch eine Struktur ersetzt, die einen Stapel aus Schichten oder Folien umfasst. Der magnetische Übergang wird durch ein Bezugszeichen 721 dargestellt, wo die Schichten unter der Schicht 221b (z.B. Dielektrikum oder Metall/Metalloxid) gemeinsam die freie Magnetstruktur bilden, die den freien Magneten des Übergangs umfasst.
In manchen Ausführungsformen umfasst die Struktur, die den freien Magneten 421a ersetzt, mindestens zwei freie Magnete 721aa und 721ac mit einer dazwischenliegenden Kopplungsschicht 721ab, wobei einer der freien Magnete mit einer Einlagenschicht 725 gekoppelt (oder dieser benachbart) ist. In manchen Ausführungsformen ist die Einlagenschicht 725 mit der SOC-Elektrode 222 gekoppelt (oder dieser benachbart).
In manchen Ausführungsformen umfasst die Einlagenschicht 725 eines oder mehrere von: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gd, Ge, Ga und Au. In manchen Ausführungsformen umfassen die Einlagen eine Verbindung mit einem der oben aufgeführten Elemente. Zum Beispiel können Legierungen von Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gd, Ge, Ga oder Au für die Fertigung der Einlagen verwendet werden. In manchen Ausführungsformen umfassen die Einlagen ein einziges Element aus der obigen Liste. In manchen Ausführungsformen handelt es sich bei der Einlage um eine nicht-magnetische Verbindung. Der Dickenbereich für die Einlagenschicht 725 kann gemäß manchen Ausführungsformen 0,1 nm (Nanometer) bis 7 nm betragen.
Wenn keine Einlagenschicht 725 vorhanden ist, ist eine starke DMI an der Grenzfläche jeder SOC/SOT-Elektrode und des ihr benachbarten Magneten der freien Schicht vorhanden. Eine stärkere DMI bedeutet, dass ein größeres in einer Ebene magnetisiertes Magnetfeld angelegt werden muss, um ein Schalten des SOT effizient zu halten. Die Einlagenschicht 725 verschiedener Ausführungsformen verringert die DMI an der Grenzfläche der SOC-Verbindung 222 und des freien Magneten 721aa, wodurch die Spin-Orbit-Kopplung oder die Momentübertragung in schwachen in einer Ebene liegenden Feldern effizient gemacht werden kann. Die Einlagenschicht 725 wirkt auch als Adapterschicht, um den Spin-Speicherverlusteffekt zu verringern. Zum Beispiel stimmt die Gitterstruktur der Einlagenschicht 725 mit der Gitterstruktur der SOC-Verbindung 222 überein, und durch diese Übereinstimmung wird der Spin-Speicherverlusteffekt verringert.
In manchen Ausführungsformen umfasst die SOC-Verbindung 222 dotiertes AFM. Zum Beispiel ist das AFM der Verbindung 222 durch eines der folgenden dotiert: Sauerstoff, Stickstoff oder Schwermetall mit großer Spin-Flip-Länge und geringer thermischer Mobilität, wie etwa Ta, Pt, W, Mo, Co, Ni und andere. In manchen Ausführungsformen beaufschlagt das AFM der Verbindung 22 die freie Schicht 721aa/421a mit SOT und einem in einer Ebene liegenden Exchange-Bias. In manchen Ausführungsformen ist das AFM der Verbindung 222 mit einem der folgenden dotiert: Co, Fe, Ni, MnGa, MnGeGa oder Bct-Ru. In manchen Ausführungsformen kann das Dotiermaterial eines der folgenden sein: IrMn, PtMn, NiMn oder triangulärer, Kagome-, chiraler und hexagonaler Anti-Ferromagnet, und zwar in der Einkristallform oder als amorphe Legierungen in verschiedenen Zusammensetzungen. In manchen Ausführungsformen kann die Dotierung durch gemeinsames Sputtern und/oder reaktives Ionensputtern im Falle von Sauerstoff oder Stickstoff durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann die Sauerstoff-, Flourdotierung durch Plasmabehandlungen durchgeführt werden.
In manchen Ausführungsformen ist der andere freie Magnet 721ac der freien Magnetstruktur an ein Dielektrikum (z.B., wenn der magnetische Übergang ein MTJ ist) oder ein Metall oder dessen Oxid (z.B., wenn der magnetische Übergang ein Spin-Ventil ist) gekoppelt oder einem solchen benachbart. In manchen Ausführungsformen umfasst die freie Magnetstruktur einen ersten freien Magneten 721aa mit einer senkrechten Magnetisierung, die gemäß einem externen Feld (z.B. einem Spin-Torque-, Spin-Kopplungs-, elektrischen Feld) im Wesentlichen entlang der +z-Achse oder der -z-Achse ausgerichtet sein kann; eine Kopplungsschicht 721ab; und einen zweiten freien Magneten 721ac mit einer senkrechten Magnetisierung, die im Wesentlichen entlang der +z-Achse oder der -z-Achse ausgerichtet sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist der zweite freie Magnet 721ac der Schicht 221b (z.B. einem Dielektrikum oder Metall/Metalloxid) benachbart.
Auch wenn verschiedene Ausführungsformen hierin die Verwendung der mehrschichtigen freien Magnetstruktur darstellen, die der Einlagenschicht 725 benachbart ist, die ihrerseits einer Spin-Hall-Effekt-Schreibelektrode 222 benachbart ist, sind die Ausführungsformen auf eine reguläre Spin-Transfer-Torque(SOT)-Elektrode (nicht gezeigt) anwendbar, welche die Spin-Hall-Effekt-Schreibelektrode 222 ersetzen kann. Der Dickenbereich für tsoc der Verbindung 222 ist gemäß manchen Ausführungsformen 0,1 nm bis 20 nm.
In manchen Ausführungsformen weist die Kopplungsschicht 721ab eines oder mehrere der folgenden auf: Ru, Os, Hs, Fe oder andere Übergangsmetalle aus der Platingruppe des Periodensystems. In manchen Ausführungsformen umfassen die Magnete 721aa, 721ac und 724 CFGG. In manchen Ausführungsformen sind die Magnete 721aa, 721ac und 724 aus Heusler-Legierungen gebildet. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines oder mehrere ein von Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mn, Al, In, Sb, Si, Sn, Ni, Pd, Ru oder V. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines der folgenden ein: Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Co₂FeAl, Fe₂VAl, Mn₂VGa, Co₂FeGe, MnGa oder MnGaRu.
In manchen Ausführungsformen umfassen Magnete 721aa und 721ac mit PMA einen Stapel von Materialien, wobei die Materialien für den Stapel ausgewählt sind aus einer Gruppe, die folgendes umfasst: Co und Pt; Co und Pd; Co und Ni; MgO, CoFeB, Ta, CoFeB und MgO; MgO, CoFeB, W, CoFeB und MgO; MgO, CoFeB, V, CoFeB und MgO; MgO, CoFeB, Mo, CoFeB und MgO; Mn_xGa_y; Materialien mit Ll₀-Symmetrie; oder Materialien mit tetragonaler Kristallstruktur. In manchen Ausführungsformen wird der Magnet mit PMA aus einer einzigen Schicht aus einem oder mehreren Materialien gebildet. In manchen Ausführungsformen umfasst die einzelne Schicht Mn und Ga (z.B. MnGa).
7C-D stellen eine 3D-Ansicht 730 bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht 740 einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und einer Komposit-Verbindung mit antiferromagnetischem (AFM) Material. Die Vorrichtung von 7C-D ähnelt der Vorrichtung von 7A-B, außer bei der Zusammensetzung der Verbindung 222. Hier ist die Verbindung 222 gemäß manchen Ausführungsformen durch eine Komposit-Verbindung 722 ersetzt. Der Dickenbereich für tn liegt gemäß manchen Ausführungsformen im Bereich von 0,1 nm bis 20 nm. In manchen Ausführungsformen umfasst die Komposit-Verbindung 722 zwei oder mehr Schichten 722a und 722b. In manchen Ausführungsformen schließen die zwei oder mehr Schichten 722a und 722b AFM-Material ein. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Schicht 722a, die mit der Einlagenschicht 725 in direktem Kontakt steht, ein AFM-Material, das im Vergleich zu anderen Nicht-722a-Schichten das höchste Spin-Orbit-Moment aufweist. In manchen Ausführungsformen beaufschlagt das AFM-Material der Verbindung 722 die freie Schicht721aa mit einem in einer Ebene liegenden Grenzflächen-Exchange-Bias. In manchen Ausführungsformen schließt das AFM-Material eines der folgenden ein: Ir, Pt, Mn, Pd oder Fe. In manchen Ausführungsformen ist das AFM-Material ein quasi zweidimensionales trianguläres AFM, das Ni(_1-x)M_xGa₂S₄ einschließt, wobei ,M‘ eines der folgenden ist: Mn, Fe, Co oder Zn. Die Dicke von ta und tb liegt gemäß manchen Ausführungsformen im Bereich von 0,1 nm bis 8 nm.
7E-F stellen eine 3D-Ansicht 750 bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht 760 einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten benachbart zur SOC-Verbindung umfasst.
In manchen Ausführungsformen weist die Vorrichtung von 7E-F einen in einer Ebene magnetisierten festen Magneten 726 auf, der einer der Oberflächen der Verbindung 222/722 benachbart ist, so dass die Einlagenschicht 725 der anderen Oberfläche benachbart ist, die der Oberfläche der Verbindung 222/722 entgegengesetzt ist. In manchen Ausführungsformen ist der in einer Ebene magnetisierte feste Magnet 726 dick oder lang genug in seinen Abmessungen, so dass er einen stabilen in einer Ebene magnetisierten Magneten ergibt, der ein effektives in einer Ebene liegendes Feld an die senkrecht magnetisierten freien Magnete 721aa und/oder 721ac anlegt, so dass die freien Magnete 721aa und/oder 721ac schneller geschaltet werden können. Die Dicke tm des in einer Ebene magnetisierten festen Magneten 726 liegt gemäß manchen Ausführungsformen im Bereich von 1 nm bis 20 nm. Das effektive in einer Ebene liegende Feld kann über eine Exchange-Bias-Interaktion oder Dipolkopplung vom in einer Ebene magnetisierten festen Magneten 726 angelegt werden. Zum Beispiel weist der in einer Ebene magnetisierte Magnet 726 eine Magnetisierung auf, die in die x-Richtung oder die y-Richtung weist, und ist parallel zur x-y-Ebene der Vorrichtung 750. Hierbei ist die Schaltgeschwindigkeit der freien Magnete in der Struktur beim gleichen Leistungsverbrauch gegenüber der Schaltgeschwindigkeit des freien Magneten 421a von 4A verbessert.
7G-H stellen eine 3D-Ansicht 750 bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht 760 einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und ein AFM aufweist, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist.
Die Vorrichtung von 7G ähnelt der Vorrichtung von 7E, abgesehen davon, dass in der magnetischen Durchkontaktierung zusätzlich ein AFM 727 vorhanden ist. In manchen Ausführungsformen ist der in einer Ebene magnetisierte feste Magnet 726 mit einem in einer Ebene liegenden AFM oder synthetischem AFM (SAF) 727, das auch in der magnetischen Durchkontaktierung ausgebildet ist, gekoppelt oder diesem benachbart. Die Reihenfolge des AFM 727 und des in einer Ebene magnetisierten festen Magneten 726 kann vertauscht werden. Zum Beispiel ist in manchen Ausführungsformen das AFM 727 der Verbindung 222/722) benachbart, während der in einer Ebene magnetisierte feste Magnet 726 unter dem AFM 727 liegt und nicht in direktem Kontakt mit der Verbindung 222/722 steht.
In manchen Ausführungsformen umfasst das AFM oder der SAF 727 ein Material, das eines der folgenden einschließt: Ir, Pt, Mn, Pd oder Fe. In manchen Ausführungsformen ist das AFM oder der SAF 727 ein quasi zweidimensionales trianguläres AFM, das Ni_(1-x)M_xGa₂S₄ einschließt, wobei ,M‘ eines der folgenden ist: Mn, Fe, Co oder Zn. In manchen Ausführungsformen umfasst das AFM oder der SAF 727 ein Paar fester Magnete 727a und 727c mit in einer Ebene liegenden Magnetisierungen und eine Kopplungsschicht 727b zwischen den festen Magneten 727a und 727c. In manchen Ausführungsformen können die Materialien für die festen Magnete 727a/c beliebigen der Materialien für Magnete entsprechen, die hierin erörtert werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind die festen Magnete 727a/c in einer Ebene magnetisierte Magnete. In manchen Ausführungsformen kann das Material für die Kopplungsschicht 727b das gleiche Material (oder aus der gleichen Gruppe von Materialien ausgewählt) sein wie das der Kopplungsschicht 721ab. Was die technische Wirkung betrifft, so zeigt die Vorrichtung von 7G eine ähnliche Leistung wie die Vorrichtung von 7A und verbessert die Schaltgeschwindigkeit freier Magnete 721aa und 721ac in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit des freien Magneten 221a.
71-J stellen eine 3D-Ansicht 770 bzw. eine entsprechende Querschnittsansicht 780 einer Vorrichtung mit einem magnetischen Übergang gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, mit 780 Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der SOC-Verbindung, wo ein AFM in die SOC-Verbindung eingebettet ist, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten umfasst, der dem AFM benachbart ist.
Die Vorrichtung von 71 ähnelt der Vorrichtung von 7G, abgesehen davon, dass das AFM 727 auch außerhalb der magnetischen Durchkontaktierung als AFM 728 enthalten ist, das der SOC-Verbindung 222 benachbart ist. In manchen Ausführungsformen kann sich das AFM 728 wie eine Ätzstoppschicht verhalten, wenn die SOC-Verbindung 222 gefertigt wird. Somit entfällt mindestens ein zusätzlicher Prozess für die Ausbildung einer Ätzstoppschicht.
In verschiedenen Ausführungsformen hilft das AFM 728 dabei, die Magnetisierung des Magneten 726 mit einer in einer Ebene liegenden Magnetisierung stabil zu halten. In mancher Ausführungsformen umfasst das AFM 728 auch ein Paar fester Magnete (nicht gezeigt) mit in einer Ebene liegenden Magnetisierungen und eine Kopplungsschicht zwischen den festen Magneten, wie ein AFM 727. Was die technische Wirkung betrifft, so zeigt die Vorrichtung von 71 eine ähnliche Leistung wie die Vorrichtung von 7G und verbessert die Schaltgeschwindigkeit freier Magnete 721aa und 721ac in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit des freien Magneten 221a durch eine SHE-Elektrode 222 allein.
8A stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung 800 gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine freie Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen 801, 802 und 803 umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
Der magnetische Übergang wird hier durch ein Bezugszeichen 821 dargestellt, wo die Schichten unter der Schicht 221b (z.B. Dielektrikum oder Metall/Metalloxid) gemeinsam die Struktur bilden, die den freien Magneten des Übergangs umfasst. Die Vorrichtung von 8A ähnelt der Vorrichtung von 7A, außer dass die freien Magnete 721aa und 721ae durch Verbundmagnete ersetzt sind, die mehrere Schichten aufweisen.
In manchen Ausführungsformen weist der Verbundstapel aus mehrschichtigen freien Magneten 821aa ,n‘ Schichten aus einem ersten Material und einem zweiten Material auf. Zum Beispiel umfasst der Verbundstapel Schichten 821aa_1-n und 821ab_1-n , die auf einander abwechselnde Weise gestapelt sind, wobei ,n‘ einen Bereich von 1 bis 10 aufweist. In manchen Ausführungsformen schließt das erste Material eines der folgenden ein: Co, Ni, Fe oder eine Heusler-Legierung. In manchen Ausführungsformen schließt das zweite Material eines der folgenden ein: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines oder mehrere ein von Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mn, Al, In, Sb, Si, Sn, Ni, Pd, Ru oder V. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines der folgenden ein: Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Co₂FeAl, Fe₂VAl, Mn₂ VGa, Co₂FeGe, MnGa oder MnGaRu. In manchen Ausführungsformen weist das erste Material eine Dicke t1 in einem Bereich von 0,6 nm bis 2 nm auf. In manchen Ausführungsformen weist das zweite Material eine Dicke t2 in einem Bereich von 0,1 nm bis 3 nm auf. Auch wenn die Ausführungsformen hierin zeigen, dass das erste Material unten liegt und dann das zweite Material kommt, kann die Reihenfolge umgekehrt werden, ohne die technische Wirkung zu ändern. In verschiedenen Ausführungsformen ist die freie Magnetstruktur 821aa über eine Einlagenschicht 725 mit der Verbindung 222/722 gekoppelt.
In manchen Ausführungsformen weist der Verbundstapel aus mehrschichtigen freien Magneten 821bb ,n‘ Schichten aus einem ersten Material und einem zweiten Material auf. Zum Beispiel umfasst der Verbundstapel Schichten 821aa_1-n und 821ab_1-n , die auf einander abwechselnde Weise gestapelt sind, wobei ,n‘ einen Bereich von 1 bis 10 aufweist. In manchen Ausführungsformen schließt das erste Material eines der folgenden ein: Co, Ni, Fe oder eine Heusler-Legierung. In manchen Ausführungsformen schließt das zweite Material eines der folgenden ein: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines oder mehrere ein von Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mn, Al, In, Sb, Si, Sn, Ni, Pd, Ru oder V. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines der folgenden ein: Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Co₂FeAl, Fe₂VAl, Mn₂ VGa, Co₂FeGe, MnGa oder MnGaRu. In manchen Ausführungsformen weist das Material eine Dicke t1 in einem Bereich von 0,6 nm bis 2 nm auf. In manchen Ausführungsformen weist das zweite Material eine Dicke t2 in einem Bereich von 0,1 nm bis 3 nm auf. Auch wenn die Ausführungsformen hierin zeigen, dass das erste Material unten liegt und dann das zweite Material kommt, kann die Reihenfolge umgekehrt werden, ohne die technische Wirkung zu ändern.
Die Ausführungsformen von 7A-J können in jeder Reihenfolge gemischt werden. Zum Beispiel kann der in einer Ebene magnetisierte Magnet 726 durch einen AFM-Magneten ersetzt werden, die freie Magnetstruktur durch freie Magnete und die Kopplungsschicht kann durch einen einzelnen Magneten mit freier Magnetisierung ersetzt werden, usw. In manchen Ausführungsformen können die Magnete (frei oder fest) auch Paramagnete sein.
8B stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung 830 gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine freie Magnetstruktur und eine feste Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfassen, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung.
Hier ist der feste Magnet 221c von 8A durch einen Verbundstapel ersetzt. Somit ist der magnetische Übergang mit 831 bezeichnet. In manchen Ausführungsformen weist der Verbundstapel des mehrschichtigen festen Magneten 821cc ,n‘ Schichten aus einem ersten Material und einem zweiten Material auf. Zum Beispiel umfasst der Verbundstapel Schichten 821aa_1-n und 821ab_1-n , die auf einander abwechselnde Weise gestapelt sind, wobei ,n‘ einen Bereich von 1 bis 10 aufweist. In manchen Ausführungsformen schließt das erste Material eines der folgenden ein: Co, Ni, Fe oder Heusler-Legierung. In manchen Ausführungsformen schließt das zweite Material eines der folgenden ein: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines oder mehrere ein von Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mn, Al, In, Sb, Si, Sn, Ni, Pd, Ru oder V. In manchen Ausführungsformen schließt die Heusler-Legierung eines der folgenden ein: Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Co₂FeAl, Fe₂VAl, Mn₂VGa, Co₂FeGe, MnGa oder MnGaRu. In manchen Ausführungsformen weist das Material eine Dicke t3 in einem Bereich von 0,6 nm bis 2 nm auf. In manchen Ausführungsformen weist das zweite Material eine Dicke t4 in einem Bereich von 0,1 nm bis 3 nm auf. Auch wenn die Ausführungsformen hierin zeigen, dass das erste Material unten liegt und dann das zweite Material kommt, kann die Reihenfolge umgekehrt werden, ohne die technische Wirkung zu ändern.
8C stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung 850 gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine feste Magnetstruktur und einer der freien Magnete einer freien Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung. Hier ist der freie Magnet 821bb von 8C durch einen freien Magneten 721 ac ersetzt, der keinen Verbund bildet. Somit ist der magnetische Übergang mit 851 bezeichnet. 8D stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung 860 gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine feste Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung. Hier ist der freie Magnet 821aa von 8D durch einen freien Magneten 721aa ersetzt, der keinen Verbund bildet. Somit ist der magnetische Übergang mit 861 bezeichnet.
8E stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung 870 gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine feste Magnetstruktur und einer der freien Magnete einer freien Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfasst, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten und/oder ein AFM umfasst, von denen einer bzw. eines der SOC-Verbindung benachbart ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung. Hier ist der freie Magnet 821aa von 8B durch einen freien Magneten 721aa ersetzt, der keinen Verbund bildet.
8F stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung 880 gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar, die einen magnetischen Übergang aufweist, mit Magneten, die senkrechte Magnetisierungen aufweisen, wo eine freie Magnetstruktur und eine feste Magnetstruktur des magnetischen Übergangs einen Stapel von Magneten mit senkrechten Magnetisierungen umfassen, und einer Durchkontaktierung, die einen in einer Ebene magnetisierten Magneten umfasst, der einem AFM benachbart ist, das in die SOC-Verbindung eingebettet ist, und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung. Im Vergleich zu 8F ist hier das AFM 727 von der magnetischen Durchkontaktierung weggelassen und als Schicht 728 in die SOC-Verbindung 222 integriert worden.
9A ist ein Diagramm 900, das ein Schalten einer freien Magnetstruktur, die gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung von einer magnetischen Durchkontaktierung unter einer SOC-Verbindung und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung durch Austauschwechselwirkung gekoppelt oder vormagnetisiert wird, durch Einfangen von Spin-Polarisierungen gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt. 9B ist ein Diagramm 920 einer Magnetisierung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung, das mit 9A zusammenhängt.
Das Diagramm 900 zeigt ein Schalten der Spin-Orbit-Torque-Vorrichtung mit PMA. Hierbei stellen Wellenformen 901, 902 und 903 die Magnetisierungsvorsprünge auf der x-, der y- bzw. der z-Achse dar. Die Magnetisierung beginnt mit einer z-Magnetisierung von -1. Ein positives Spin-Orbit-Moment (SOT) wird von 5 ns (Nanosekunden) bis 50 ns angelegt. Dies führt um Umschalten der z-Magnetisierung auf 1. Dann wird ein negatives Spin-Orbit-Moment zwischen 120 ns und 160 ns angelegt. Dies führt um Umschalten der z-Magnetisierung auf 1. Dies zeigt eine Änderung der Magnetisierung als Reaktion auf einen Schreibladestrom einer bestimmten Polarität.
9C ist ein Diagramm 930, das ein Schalten der freien Magnetstruktur, die von einer magnetischen Durchkontaktierung unter einer SOC-Verbindung und einer Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung durch Austauschwechselwirkung gekoppelt oder vormagnetisiert wird, durch Einfangen von Spin-Polarisierungen gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung. 9D ist ein Diagramm 940 einer Magnetisierung gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung, das mit 9C zusammenhängt.
Hierbei stellen Wellenformen 931, 932 und 933 die Magnetisierungsvorsprünge auf der x-, der y- bzw. der z-Achse dar. Der Unterschied zum Fall von 9C ist, dass das negative Spin-Orbit-Moment (SOT) von 5 ns bis 50 ns angelegt wird. Infolgedessen bleibt die z-Magnetisierung nahe an -1. Dies veranschaulicht die Persistenz der Magnetisierung als Reaktion auf einen Schreibladestrom der entgegengesetzten Polarität.
10A-C stellen jeweils eine Querschnittsansicht einer SOT-Speichervorrichtung 1000a, 1000b bzw. 1000c dar (z.B. irgendeiner der Vorrichtungen von 7-8), die manchen Ausführungsformen gemäß ist und mit einem Transistor und einer Bitleitung gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform ist der Transistor ein Transistor MN vom n-Typ, der eine Source-Region 1002, eine Drain-Region 1004 und ein Gate 1006 aufweist. Der Transistor MN weist ferner einen Gate-Kontakt 1014, der oberhalb des Gate 1006 angeordnet und elektrisch mit diesem gekoppelt ist, einen Source-Kontakt 1016, der oberhalb der Source-Region 1002 angeordnet und elektrisch mit dieser gekoppelt ist, und einen Drain-Kontakt 718, der oberhalb der Drain-Region 1004 angeordnet ist und elektrisch mit dieser gekoppelt ist, auf. In manchen Ausführungsformen ist eine SOT-Speichervorrichtung wie etwa eine SOT-Speichervorrichtung von 7-8 oberhalb des Transistors angeordnet. Auch wenn die Ausführungsformen mit einem Transistor MN vom n-Typ dargestellt sind, kann der Transistor durch einen Transistor vom p-Typ ersetzt werden.
In manchen Ausführungsformen weist die SOT-Speichervorrichtung eine Spin-Orbit-Torque-Elektrode, wie etwa eine Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222/722, eine Magnettunnelübergangs-Speichervorrichtung wie etwa einen MTJ 721/821/831/841/851/861/871, der an der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 angeordnet ist, und eine leitende Verbindungsstruktur, wie etwa die leitende Verbindungsstruktur 708 (z.B. die Struktur 708a/b), die am MTJ 221/321/421 angeordnet und mit diesem gekoppelt ist, auf. In manchen Ausführungsformen ist die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 am Drain-Kontakt 718 des Transistors 700 angeordnet.
In manchen Ausführungsformen weist die MTJ-Speichervorrichtung (die z.B. einen MTJ 721/821/831/841/851/861/871 einschließt) einzelne funktionelle Schichten auf, wie beschrieben in Verbindung mit 2-8. In manchen Ausführungsformen weist die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 eine Länge L_SOT auf, die kleiner ist als eine Trennungsdistanz L_DS zwischen dem Drain-Kontakt 1018 und dem Source-Kontakt 1016. In manchen Ausführungsformen erstreckt sich ein Abschnitt der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 oberhalb der Gate-Elektrode 1012 und des Gate-Kontakts 1014. In manchen Ausführungsformen erstreckt sich ein Abschnitt der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 über die Gate-Elektrode 1012. In manchen Ausführungsformen liegt die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 in einer ersten y-z-Ebene, wie in 7A dargestellt ist.
In manchen Ausführungsformen liegt der Gate-Kontakt 1014 direkt unter der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222. In manchen Ausführungsformen ist ein Wortleitungs- (WL-) Kontakt 1070 auf einer zweiten y-z-Ebene hinter der ersten y-z-Ebene der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 (in die Tiefe der Seite hinein) am Gate-Kontakt 1014 angeordnet. In manchen Ausführungsformen ist die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222, die den Wortleitungskontakt nicht berühren muss, auf der Gate-Elektrode 1012 angeordnet.
In manchen Ausführungsformen ist der Transistor MN, der mit einem Substrat 1001 assoziiert ist, ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET oder einfach MOS-Transistoren), der auf dem Substrat 1001 gefertigt wurde. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die Transistoren planare Transistoren, nicht-planare Transistoren oder eine Kombination aus beiden sein. Nicht-planare Transistoren schließen FinFET-Transistoren ein, wie etwa Doppel-Gate-Transistoren und Tri-Gate-Transistoren, und Wrap-around- oder All-around-Gate-Transistoren, wie etwa Nanoribbon- und Nanowire-Transistoren. In einer Ausführungsform ist der Transistor ein Tri-Gate-Transistor.
In manchen Ausführungsformen wird eine Spannung V_DS zwischen der Bitleitung (BL) 1030 und der Source-Leitung (SL) 1040 angelegt, und eine Wortleitung 1050 wird oberhalb einer Schwellenspannung VTH des Transistors angeregt In manchen Ausführungsformen fließt ein Elektronenstrom (Spin-Hall-Strom) durch die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 und bewirkt, dass ein Spin-Diffusionsstrom zur MTJ-Speichervorrichtung 200/300/400 fließt. Der Spin-Diffusionsstrom übt ein Moment auf die Magnetisierung des freien Magneten 721aa/821aa des MTJ 721/821/831/841/851/861/871 aus.
In manchen Ausführungsformen kann durch Anlegen einer Spannung V_DS zwischen der Bit-Leitung 1030 und der Source-Leitung 1040 ein Strom durch die MTJ-Speichervorrichtung von 7-8 fließen In manchen Ausführungsformen reicht eine Spannung V_DS , die dem Spannungsschwellenwert VTS gleich ist oder höher ist als dieser, aus, um einen Spin-polarisierten Strom durch den MTJ 721/821/831/841/851/861/871 zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen verleiht der Spin-Transfer-Moment-Strom, der durch den MTJ 221/321/421 fließt, dem freien Magneten 421a/721aa//821aa ebenfalls ein Moment, das zum Moment vom Spin-Diffusionsstrom hinzukommt. In manchen Ausführungsformen kann der kombinierte Effekt des Spin-Transfer-Moments und des Spin-Diffusionsmoments die Magnetisierung des freien Magneten 421a/721aa//821aa umschalten. In manchen Ausführungsformen wird durch Umkehren der Polarität der Spannung V_DS und Anlegen einer Spannung, die einen Schwellenwert erreicht oder übertrifft, die Richtung der Magnetisierung des freien Magneten 421a/721aa//821aa in die vorherige Konfiguration zurückgeschaltet.
In manchen Ausführungsformen kann durch Anlegen einer Spannung zwischen einer Bit-Leitung 1030 und einer Source-Leitung 1040 und durch Anlegen einer Spannung oberhalb einer Schwellenspannung V_TH an die Wortleitung 1050 des Transistors die MTJ-Speichervorrichtung 7-8 ein Magnetisierungsschalten durchmachen, ohne dass eine zusätzliche Spannungsquelle (z.B. ein zweiter Transistor) erforderlich ist. In manchen Ausführungsformen kann die Implementierung einer SOT-Speichervorrichtung 7-8 oberhalb eines Transistors die Anzahl der SOT-Speichervorrichtungen 7-8 in einem bestimmten Bereich eines Die um einen Faktor von mindestens zwei vergrößern.
In manchen Ausführungsformen stellt das darunterliegende Substrat 1001 eine Oberfläche dar, die verwendet wird, um integrierte Schaltungen herzustellen. In manchen Ausführungsformen weist das Substrat 1001 ein geeignetes Halbleitermaterial auf, wie unter anderem einkristallines Silizium, polykristallines Silizium und Silicon-on-Insulator (SOI). In einer anderen Ausführungsform weist das Substrat 1001 andere Halbleitermaterialien auf, wie etwa Germanium, Silizium-Germanium oder eine geeignete Verbindung der Gruppen III-V oder der Gruppen III-N. Das Substrat 1001 kann auch Halbleitermaterialien, Metalle, Dotierungsmittel und andere Materialien einschließen, die üblicherweise in Halbleitersubstraten zu finden sind.
In manchen Ausführungsformen schließt der Transistor einen Gate-Stapel ein, der aus mindestens zwei Schichten, einer Gate-Dielektrikumsschicht 1010 und einer Gate-Elektrodenschicht 1012, gebildet ist. Die Gate-Dielektrikumsschicht 1010 kann eine Schicht oder einen Stapel von Schichten einschließen. Die eine oder die mehreren Schichten können Siliziumoxid, Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder ein dielektrisches High-K-Material einschließen Das dielektrische High-K-Material kann Elemente wie Hafnium, Silicium, Sauerstoff, Titan, Tantal, Lanthan, Aluminium, Zirkonium, Barium, Strontium, Yttrium, Blei, Scandium, Niob und Zink einschließen. Beispiele für High-k-Materialien, die in der Gate-Dielektrikumsschicht verwendet werden können, umfassen unter anderem Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid, Lanthanoxid, Lanthanaluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Zirkoniumsiliziumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Barium-Strontium-Titanoxid, Bariumtitanoxid, Strontiumtitanoxid, Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Blei-Scandium-Tantal-Oxid und Blei-Zink-Niobat. In manchen Ausführungsformen kann ein Wärmebehandlungsprozess an der Gate-Dielektrikumsschicht 1010 ausgeführt werden, um deren Qualität zu verbessern, wenn ein High-k-Material verwendet wird.
Die Gate-Elektrodenschicht 1012 des Transistors 700 wird auf der Gate-Dielektrikumsschicht 1010 ausgebildet und kann mindestens ein Austrittsarbeit leistendes Metall vom P-Typ oder ein Austrittsarbeit leistendes Metall vom N-Typ aufweisen, je nachdem, ob der Transistor ein PMOS- oder ein NMOS-Transistor ist. In manchen Ausführungsformen kann die Gate-Elektrodenschicht 1012 einen Stapel aus zwei oder mehr Metallschichten umfassen, wo eine oder mehrere Metallschichten Austrittsarbeit leistende Metallschichten sind und mindestens eine Metallschicht eine leitfähige Füllschicht ist.
Für einen PMOS-Transistor können Metalle, die für die Gate-Elektrodenschicht 1012 verwendet werden können, unter anderem Ruthenium, Palladium, Platin, Cobalt, Nickel und leitfähige Metalloxide, z.B. Rutheniumoxid, einschließen. Eine P-Typ-Metallschicht ermöglicht die Bildung einer PMOS-Gate-Elektrodenschicht 1012 mit einer Austrittsarbeit, die zwischen etwa 4,9 eV und etwa 5,2 eV liegt. Für einen NMOS-Transistor schließen Metalle, die für die Gate-Elektrodenschicht 1012 verwendet werden können, unter anderem Hafnium, Zirconium, Titan, Tantal, Aluminium, Legierungen dieser Metalle und Carbide dieser Metalle, wie etwa Hafniumcarbid, Zirconiumcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid und Aluminiumcarbid ein. Eine N Typ-Metallschicht ermöglicht die Bildung einer NMOS-Gate-Elektrodenschicht 1012 mit einer Austrittsarbeit, die zwischen etwa 3,9 eV und etwa 4,2 eV liegt.
In manchen Ausführungsformen kann die Gate-Elektrodenschicht 1012 eine „U“-förmige Struktur aufweisen, die einen unteren Abschnitt, der im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats ist, und zwei Seitenwandabschnitte aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Substrats sind. In einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine von den Metallschichten, aus denen die Gate-Elektrodenschicht 1012 gebildet ist, einfach eine planare Schicht sein, die im Wesentlichen parallel ist zur Oberseite des Substrats und die keine Seitenwandabschnitte aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Substrats sind. In manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Gate-Elektrodenschicht 1012 eine Kombination aus U-förmigen Strukturen und planaren nicht-U-förmigen Strukturen umfassen. Zum Beispiel kann die Gate-Elektrodenschicht 1012 eine oder mehrere U-förmige Metallschichten umfassen, die oberhalb von einer oder mehreren planaren nicht-U-förmigen Schichten ausgebildet sind.
In manchen Ausführungsformen kann ein Paar aus Gate-Dielektrikumsschichten 1010 auf einander entgegengesetzten Seiten des Gate-Stapels ausgebildet sein, zwischen denen der Gate-Stapel zusammengehalten wird. Die Gate-Dielektrikumsschicht 710 kann aus einem Material wie etwa Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid, das mit Kohlenstoff dotiert ist, und Siliziumoxynitrid gebildet sein. Prozesse zum Ausbilden von Seitenwandabstandhaltern sind in der Technik bekannt und schließen im Allgemeinen Abscheidungs- und Ätzprozessschritte ein. In manchen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von Abstandhalterpaaren verwendet werden, beispielsweise können zwei Paare, drei Paare oder vier Paare von Seitenwandabstandhaltern auf einander entgegengesetzten Seiten des Gate-Stapels ausgebildet werden.
In manchen Ausführungsformen werden die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 innerhalb des Substrats in Nachbarschaft zum Gate-Stapel des Transistors ausgebildet. Die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 werden im Allgemeinen entweder unter Verwendung eines Implantations-/Diffusionsprozesses oder eines Ätz-/Abscheidungsprozesses ausgebildet. Im erstgenannten Prozess können Dotierungsmittel wie etwa Bor, Aluminium, Antimon, Phosphor oder Arsen in das Substrat ionenimplantiert werden, um die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 auszubilden. Ein Wärmebehandlungsprozess, der die Dotierungsmittel aktiviert und bewirkt, dass sie weiter in das Substrat diffundieren, schließt sich typischerweise an den Ionenimplantationsprozess an. Im letztgenannten Prozess kann das Substrat zuerst geätzt werden, um Eintiefungen an den Orten der Source- und Drain-Regionen auszubilden. Ein epitaktischer Abscheidungsprozess kann dann ausgeführt werden, um die Eintiefungen mit Material zu füllen, das verwendet wird, um die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 zu fertigen. In manchen Ausführungsformen können die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 unter Verwendung einer Siliziumlegierung wie etwa Silizium-Germanium oder Siliziumcarbid gefertigt werden. In manchen Ausführungsformen kann die epitaktisch abgeschiedene Siliziumlegierung in situ mit Dotierungsmitteln wie etwa Bor, Arsen oder Phosphor dotiert werden. In manchen Ausführungsformen können die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 unter Verwendung eines oder mehrerer alternativer Halbleitermaterialien wie etwa Germanium oder einer geeigneten Verbindung der Gruppen III-V ausgebildet werden. In manchen Ausführungsformen kann eine oder können mehrere Schichten aus Metall und/oder Metalllegierungen verwendet werden, um die Source-Region 1002 und die Drain-Region 1004 auszubilden.
In manchen Ausführungsformen werden der Gate-Kontakt 1014 und der Drain-Kontakt 1018 des Transistors 700 in einer ersten dielektrischen Schicht 1020 angeordnet, die oberhalb des Substrats 1001 angeordnet ist. In manchen Ausführungsformen wird die Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 in einer zweiten dielektrischen Schicht 1022 angeordnet, die auf der ersten dielektrischen Schicht 1020 angeordnet ist. In manchen Ausführungsformen wird eine dritte dielektrische Schicht 1024 auf der zweiten dielektrischen Schicht 1022 angeordnet. In manchen Ausführungsformen wird eine vierte dielektrische Schicht 1026 auf der dritten dielektrischen Schicht 1024 angeordnet. In manchen Ausführungsformen wird ein Source-Kontakt 1016 teilweise in der vierten dielektrischen Schicht 1026 angeordnet, teilweise in der dritten dielektrischen Schicht 1024 angeordnet, teilweise in der zweiten dielektrischen Schicht 1022 angeordnet und teilweise auf der ersten dielektrischen Schicht 1020 angeordnet. In manchen Ausführungsformen wird der Spin-Orbit-Torque-Elektrodenkontakt in der dritten dielektrischen Schicht 1024 auf der Spin-Orbit-Torque-Elektrode 222 angeordnet. In manchen Ausführungsformen wird die leitende Verbindungsstruktur, wie etwa die leitende Verbindungsstruktur 1008A/B, in der vierten dielektrischen Schicht 1026 angeordnet.
Der Gate-Kontakt 1014 wird in einer Region Poly ausgebildet; der Drain-Kontakt 1018 wird in Aktiv, Poly und Metall 0 (M0) ausgebildet; die SOT- oder SHE-Elektrode 222 wird in einer Schicht Via 0-1 ausgebildet; MTJ 721/821/831/841/851/861/871 wird in Metall 1 (M1) und Via 1-2 ausgebildet, der Kontakt 708a wird in Metall 2 (M2) und Via 2-3 ausgebildet; und der Leiter 1008B wird in Metall 3 (M3) ausgebildet.
In manchen Ausführungsformen wird der magnetische Übergang (z.B. MTJ 721/821/831/841/851/861/871 oder Spin-Ventil) in der Region Metall 3 (M3) ausgebildet. In manchen Ausführungsformen ist die freie Magnetschicht 421a des magnetischen Übergangs 721/821/831/841/851/861/871 mit der Spin-Hall-Elektrode 222 gekoppelt. In manchen Ausführungsformen ist die feste Magnetschicht 421c/821cc des magnetischen Übergangs 721/821/831/841/851/861/871 über die Spin-Hall-Elektrode 222 durch Via 3-4 (z.B. eine Durchkontaktierung, welche die Region Metall 4 mit Metall 4 (M4) koppelt) mit der Bit-Leitung (BL) gekoppelt. In diesen Ausführungsbeispielen ist die Bit-Leitung auf M4 ausgebildet.
In manchen Ausführungsformen wird ein Transistor MN vom n-Typ im vorderen Ende des Die ausgebildet, während sich die Spin-Hall-Elektrode 222 im hinteren Ende des Die befindet. Hierbei bezeichnet der Begriff „hinteres Ende“ allgemein einen Abschnitt eines Die, der einem „vorderen Ende“ entgegengesetzt ist, und wo ein Gehäuse einer IC (integrierten Schaltung) mit IC-Die-Kontaktierungshöckern gekoppelt ist. Zum Beispiel werden weit oben liegende Metallschichten (z.B. die Metallschicht 6 und darüber liegende in einem Die mit einem Zehner-Metallstapel) und entsprechende Durchkontaktierungen, die näher am Die-Gehäuse liegen, als Teil des hinteren Endes des Die betrachtet. Im Gegensatz dazu bezeichnet der Begriff „vorderes Ende“ allgemein einen Abschnitt des Die, der die aktive Region (wo z.B. Transistoren gefertigt werden) einschließt, und weit unten liegende Metallschichten und entsprechende Durchkontaktierungen, die näher an der aktiven Region liegen (z.B. die Metallschicht 5 und darunter liegende in dem Beispiels-Die mit Zehner-Metallstapel). In manchen Ausführungsformen liegt die Spin-Hall-Elektrode 222 in den Metallschichten oder Durchkontaktierungsschichten im hinteren Ende, beispielsweise in Via 3. In manchen Ausführungsformen wird die elektrische Konnektivität für die Vorrichtung in Schichten M0 und M4 oder M1 und M5 oder irgendeinem Satz von zwei parallelen Verbindungen erhalten. In manchen Ausführungsformen wird der MTJ 721/821/831/841/851/861/871 in der Schichtregion Metall 2 (M2) und Metall 1 (M1) und/oder in der Region Via 1-2 ausgebildet. In manchen Ausführungsformen wird die Spin-Hall-Elektrode 222 in der Region Metall 1 ausgebildet.
11 stellt ein Ablaufschema 1100 eines Verfahrens zum Bilden einer Vorrichtung von 7-8 gemäß manchen Ausführungsformen dar. Auch wenn die folgenden Blöcke (oder Prozessschritte) in dem Ablaufschema in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, kann die Reihenfolge geändert werden. In manchen Ausführungsformen können manche Blöcke parallel ausgeführt werden. Im Block 1101 wird ein magnetischer Übergang mit einem Magneten mit einer ersten Magnetisierung (z.B. senkrechten Magnetisierungen) ausgebildet. Im Block 1102 wird eine erste Struktur benachbart zum magnetischen Übergang ausgebildet (z.B. eine Einlagenschicht 725). Im Block 1103 wird eine Verbindung (z.B. 222/722 oder eine Kombination aus 222 und 728) benachbart zur ersten Struktur ausgebildet. In manchen Ausführungsformen wird im Block 1104 eine zweite Struktur (z.B. eine magnetische Durchkontaktierung) benachbart zu der Verbindung ausgebildet, so dass die erste Struktur und die zweite Struktur auf einander entgegengesetzten Oberflächen der Verbindung liegen, wobei die zweite Struktur einen Magneten mit einer zweiten Magnetisierung umfasst, die von der ersten Magnetisierung erheblich verschieden ist. Zum Beispiel weist der Magnet der zweiten Struktur eine in einer Ebene liegende Magnetisierung auf.
12 ist ein Diagramm 1200, das eine Verbesserung einer Schalteffizienz aufgrund einer Einlage zwischen der SOC-Verbindung und dem magnetischen Übergang zeigt. Hierbei ist die x-Achse ein in einer Ebene liegendes Feld der SOT-Verbindung 222/722, während die y-Achse der Wirkungsgrad (z.B. die Schaltungsfeld/Stromdichte) ist. Das Diagramm 1200 zeigt eine Wellenform 1201 ohne Einlage 725 und den zugehörigen Wirkungsgrad und die Wellenform 1202 mit der Einlage 725 und dem zugehörigen Wirkungsgrad. Das Diagramm 1200 zeigt, dass mit der Einlage 725 und mit dem gleichen in einer Ebene liegenden Feld der Wirkungsgrad höher ist als beim magnetischen Speicher ohne Einlage 725.
13 stellt eine intelligente Vorrichtung oder ein Computersystem oder ein SoC (Systemon-Chip) mit einem Speicher auf Basis eines magnetischen Übergangs, der eine Durchkontaktierung für eine Dipol- und Austauschkopplung in der SOC-Verbindung und eine Einlagenschicht zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung dar.
Für Zwecke der Ausführungsbeispiele sind die Transistoren in verschiedenen Schaltungen und Logikblöcken, die hier beschrieben sind, Metall-Oxid-Halbleiter- (MOS-) Transistoren oder deren Ableitungen, wobei die MOS-Transistoren Drain-, Source-, Gate- und Bulk-Anschlüsse umfassen. Die Transistoren und/oder die MOS-Transistorableitungen umfassen auch Tri-Gate- und FinFET-Transistoren, zylinderförmige Gate-All-Around-Transistoren (Gate All Around Cylindrical Transistors), tunnelnde FET(TFET)-, Square-Wire- oder Rectangular-Ribbon-Transistoren, ferroelektrische FET (FeFETs) oder andere Vorrichtungen, die Transistorfunktionalitäten implementieren, wie Kohlenstoff-Nanoröhren oder Spintronikvorrichtungen. Das heißt, Symmetrische Source- und Drain-Anschlüsse von MOSFETs sind identische Anschlüsse und werden hier austauschbar verwendet. Eine TFET-Vorrichtung hingegen weist asymmetrische Source- und Drain-Anschlüsse auf. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass andere Transistoren, wie z.B. bipolare Sperrschicht-Transistoren (BJT PNP/NPN), BiCMOS, CMOS, etc., verwendet werden können, ohne von dem Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen.
13 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsformen einer mobilen Vorrichtung dar, in der Schnittstellenanschlüsse mit flacher Oberfläche genutzt werden können. Bei einigen Ausführungsbeispielen stellt die Rechenvorrichtung 1600 eine mobile Rechenvorrichtung dar, wie beispielsweise ein Rechen-Tablet, ein Mobiltelefon oder ein Smartphone, einen drahtlos betreibbaren E-Reader, oder eine andere drahtlose mobile Vorrichtung. Es wird darauf hingewiesen, dass bestimmte Komponenten allgemein gezeigt werden, und nicht alle Komponenten einer solchen Vorrichtung in der Rechenvorrichtung 1600 gezeigt werden.
In manchen Ausführungsformen weist die Rechenvorrichtung 1600 einen ersten Prozessor 1610 auf mit einer oder mehreren Vorrichtungen gemäß einer der Vorrichtung von 7-8, gemäß manchen erörterten Ausführungsformen. Andere Blöcke der Rechenvorrichtung 1600 können gemäß manchen Ausführungsformen auch eine oder mehrere Vorrichtungen gemäß einer der Vorrichtungen von 7-8 aufweisen. Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch eine Netzschnittstelle innerhalb 1670, wie etwa eine drahtlose Schnittstelle, aufweisen, so dass eine Ausführungsform des Systems in eine drahtlose Vorrichtung, beispielsweise ein Mobiltelefon oder einen Personal Digital Assistant aufgenommen werden kann.
In manchen Ausführungsformen können der Prozessor 1610 (und/oder der Prozessor 1690) eine oder mehrere physische Vorrichtungen, wie etwa Mikroprozessoren, Anwendungsprozessoren, Mikro-Controller, programmierbare Logikvorrichtungen oder andere Verarbeitungseinrichtungen aufweisen. Die Verarbeitungsschritte, die vom Prozessor 1610 durchgeführt werden, schließen die Ausführung einer Betriebsplattform oder eines Betriebssystems ein, auf der bzw. auf den Anwendungen und/oder Vorrichtungsfunktionen ausgeführt werden. Die Verarbeitungsschritte umfassen Arbeitsschritte, die sich auf I/O (input/output) mit einem menschlichen Nutzer oder mit anderen Vorrichtungen beziehen, Arbeitsschritte, die sich auf Leistungsverwaltung beziehen, und/oder Arbeitsschritte, die sich darauf beziehen, die Rechenvorrichtung 1600 mit einer anderen Vorrichtung zu verbinden. Die Verarbeitungsschritte können auch Arbeitsschritte umfassen, die sich auf Audio-I/O oder Anzeige-I/O beziehen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Rechenvorrichtung 1600 ein Audio-Untersystem 1620, das Komponenten von Hardware (z.B. Audio-Hardware und Audioschaltungen) und Software (z.B. Treiber, Codecs) repräsentiert, die mit dem Bereitstellen von Audiofunktionen für die Rechenvorrichtung im Zusammenhang stehen. Audiofunktionen können Ausgaben aus einem Lautsprecher und/oder Kopfhörer umfassen, ebenso wie eine Eingabe in ein Mikrofon. Vorrichtungen für solche Funktionen können in die Rechenvorrichtung 1600 integriert oder mit der Rechenvorrichtung 1600 verbunden sein. Bei einem Ausführungsbeispiel interagiert ein Nutzer mit der Rechenvorrichtung 1600, indem er Audiobefehle bereitstellt, die von dem Prozessor 1610 empfangen und verarbeitet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Rechenvorrichtung 1600 ein Anzeige-Untersystem 1630. Ein Anzeige-Untersystem 1630 repräsentiert Komponenten von Hardware (z.B. Anzeigevorrichtungen) und Software (z.B. Treiber), die eine visuelle und/oder taktile Anzeige bereitstellen, über die ein Nutzer mit der Rechenvorrichtung 1600 interagieren kann. Das Anzeige-Untersystem 1630 umfasst eine Anzeigeschnittstelle 1632, die den bestimmten Bildschirm oder die bestimmte Hardware-Vorrichtung umfasst, die verwendet wird, um einem Nutzer eine Anzeige bereitzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Anzeigeschnittstelle 1632 eine Logik, die separat vom Prozessor 1610 ist, um zumindest einen gewissen Teil der auf die Anzeige bezogenen Verarbeitung auszuführen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Anzeige-Untersystem 1630 eine Touchscreen- (oder Touchpad-) Vorrichtung, die einem Nutzer sowohl eine Ausgabe wie auch Eingabe bereitstellt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Rechenvorrichtung 1600 eine I/O-Steuerung 1640. Die I/O-Steuerung 1640 repräsentiert Hardwarevorrichtungen und Softwarekomponenten, die sich auf Interaktion mit einem Nutzer beziehen. Die I/O-Steuerung 1640 ist wirksam, um Hardware zu verwalten, die Teil des Audio-Untersystems 1620 und/oder des Anzeige-Untersystems 1630 ist. Zusätzlich stellt die I/O-Steuerung 1640 einen Verbindungspunkt für zusätzliche Vorrichtungen dar, die sich mit der Rechenvorrichtung 1600 verbinden, durch die ein Nutzer mit dem System interagieren kann. Beispielsweise können Vorrichtungen, die an der Rechenvorrichtung 1600 angebracht werden können, Mikrofonvorrichtungen, Lautsprecher- oder Stereosysteme, Videosysteme oder andere Anzeigevorrichtungen, Tastatur oder Tastenfeld-Vorrichtungen umfassen, oder andere I/O-Vorrichtungen, die mit speziellen Anwendungen wie beispielsweise Kartenlesern oder anderen Vorrichtungen verwendet werden.
Wie oben bereits beschrieben, kann die I/O-Steuerung 1640 mit dem Audio-Untersystem 1620 und/oder dem Anzeige-Untersystem 1630 interagieren. Beispielsweise kann eine Eingabe durch ein Mikrofon oder eine andere Audiovorrichtung eine Eingabe oder Befehle für eine oder mehrere Anwendungen oder Funktionen der Rechenvorrichtung 1600 bereitstellen. Zusätzlich kann ein Audioausgang anstatt eines oder zusätzlich zu einem Anzeigeausgang bereitgestellt werden. Bei einem anderen Beispiel agiert die Anzeigevorrichtung auch als Eingabevorrichtung, die zumindest teilweise von der I/O-Steuerung 1640 verwaltet werden kann, wenn das Anzeige-Untersystem 1630 einen Touchscreen umfasst. Auch können zusätzliche Knöpfe oder Schalter auf der Rechenvorrichtung 1600 sein, um die I/O-Funktionen bereitzustellen, die von der I/O-Steuerung 1640 verwaltet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen verwaltet die I/O-Steuerung 1640 Bauelemente wie Beschleunigungsmesser, Kameras, Lichtsensoren oder andere Umgebungssensoren oder andere Hardware, die in der Rechenvorrichtung 1600 enthalten sein kann. Die Eingabe kann Teil einer direkten Nutzerinteraktion sein, wie auch eine Umgebungseingabe in das System bereitstellen, um seinen Betrieb zu beeinflussen (wie beispielsweise Geräuschfiltern, Anpassen von Anzeigen für Helligkeitserfassung, Anwenden eines Blitzes für eine Kamera, oder andere Merkmale).
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Rechenvorrichtung 1600 eine Leistungsverwaltung 1650, die Batterieleistungsnutzung, Laden der Batterie und Merkmale, die sich auf Leistungssparbetrieb beziehen, verwaltet. Ein Speicher-Untersystem 1660 umfasst Speichervorrichtungen zum Speichern von Informationen in der Rechenvorrichtung 1600. Ein Speicher kann nichtflüchtige (Zustand ändert sich nicht, wenn die Stromversorgung der Speichervorrichtung unterbrochen wird) und/oder flüchtige (Zustand ist unbestimmt, wenn die Stromversorgung der Speichervorrichtung unterbrochen wird) Speichervorrichtungen umfassen. Das Speicher-Untersystem 1660 kann Anwendungsdaten, Nutzerdaten, Musik, Fotos, Dokumente oder andere Daten, sowie Systemdaten (ob über lange Zeit oder zeitlich begrenzt) speichern, die sich auf die Ausführung der Anwendungen und der Funktionen der Rechenvorrichtung 1600 beziehen.
Elemente von Ausführungsformen werden auch als maschinenlesbares Medium (z.B. als Speicher 1660) bereitgestellt, um die vom Computer ausführbaren Befehle (z.B. Befehle zum Implementieren irgendwelcher anderen hierin erörterten Prozesse) zu speichern. Das maschinenlesbare Medium (z.B. Speicher 1660) kann Flash-Speicher, optische Platten, CD-ROMs, DVD ROMs, RAMs, EPROMs, EEPROMs, magnetische oder optische Karten, Phasenänderungsspeicher (PCM; phase change memory), und andere Arten maschinenlesbarer Medien umfassen, die geeignet sind für das Speichern elektronischer und vom Computer ausführbarer Anweisungen, ist aber nicht auf diese beschränkt. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele der Offenbarung als Computerprogramm (z.B. BIOS) heruntergeladen werden, das von einem entfernten Computer (z.B. einem Server) zu einem anfordernden Computer (z.B. einem Client) durch Datensignale über eine Kommunikationsverbindung (z.B. ein Modem oder eine Netzwerkverbindung) übertragen werden kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Rechenvorrichtung 1600 eine Konnektivität 1670. Eine Konnektivität 1670 umfasst Hardwarevorrichtungen (z.B. drahtlose und/oder verdrahtete Verbinder und Kommunikationshardware) und Softwarekomponenten (z.B. Treiber, Protokollstapel), um es der Rechenvorrichtung 1600 zu ermöglichen, mit externen Vorrichtungen zu kommunizieren. Bei der Rechenvorrichtung 1600 könnte es sich um separate Vorrichtungen handeln, wie beispielsweise andere Rechenvorrichtungen, drahtlose Zugriffspunkte oder Basisstationen, sowie Peripheriegeräte wie beispielsweise Headsets, Drucker oder andere Vorrichtungen.
Die Konnektivität 1670 kann mehrere unterschiedliche Arten von Konnektivität umfassen. Verallgemeinert ist die Rechenvorrichtung 1600 mit zellulärer Konnektivität 1672 und drahtloser Konnektivität 1674 dargestellt. Zelluläre Konnektivität 1672 bezieht sich generell auf zelluläre Netzwerk-Konnektivität, die durch drahtlose Träger bereitgestellt wird, wie beispielsweise bereitgestellt über GSM (Global System for Mobile Communications) oder Variationen oder Ableitungen, CDMA (code division multiple access; Codemultiplexverfahren) oder Variationen oder Ableitungen, TDM (time division multiplexing; Zeit-Multiplexverfahren) oder Variationen oder Ableitungen, oder andere zelluläre Dienstleistungsstandards. Drahtlose Konnektivität (oder drahtlose Schnittstelle) 1674 bezieht sich auf drahtlose Konnektivität, die nicht zellulär ist, und kann persönliche Netze (wie beispielsweise Bluetooth, Nahfeld, etc.), lokale Netze (wie beispielsweise Wi-Fi), und/oder weite Netze (wie beispielsweise WiMax) oder andere drahtlose Kommunikation umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Rechenvorrichtung 1600 Peripherieanschlüsse 1680. Peripherieanschlüsse 1680 umfassen Hardwareschnittstellen und Steckverbindungen, sowie Softwarekomponenten (z.B. Treiber, Protokollstapel) zum Herstellen von Peripherieverbindungen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Rechenvorrichtung 1600 sowohl eine Peripherievorrichtung („zu“ 1682) zu anderen Rechenvorrichtungen sein kann, wie auch eine sein kann, an der Peripherievorrichtungen („von“ 1684) angeschlossen sind. Die Rechenvorrichtung 1600 weist üblicherweise einen „Docking“-Steckverbinder auf, um sich mit anderen Rechenvorrichtung zu verbinden, zu Zwecken wie beispielsweise einer Verwaltung (z.B. Herunterladen und/oder Hochladen, Verändern, Synchronisieren) von Inhalten auf der Rechenvorrichtung 1600. Zusätzlich kann ein Docking-Steckverbinder der Rechenvorrichtung 1600 erlauben, sich mit bestimmten Peripheriegeräten zu verbinden, die es der Rechenvorrichtung 1600 erlauben, die Inhaltsausgabe an zum Beispiel audiovisuelle oder andere Systeme zu steuern.
Zusätzlich zu dem proprietären Docking- bzw. Andocksteckverbinder oder anderer proprietärer Verbindungs-Hardware kann die Rechenvorrichtung 1600 über allgemeine oder genormte Steckverbinder Peripherieverbindungen 1680 herstellen. Gebräuchliche Typen können einen Universal Serial Bus(USB)-Steckverbinder (der irgendeine aus einer Anzahl unterschiedlicher Hardwareschnittstellen umfassen kann), DisplayPort, einschließlich von MiniDisplayPort (MDP), High Definition Multimedia Interface (HDMI), Firewire oder andere Typen umfassen.
Ein Bezug in der Beschreibung auf „ein Ausführungsbeispiel“, „einige Ausführungsbeispiele“, „manche Ausführungsbeispiele“ oder „andere Ausführungsbeispiele“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Charakteristik, das oder die in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen beschrieben ist, in zumindest manchen Ausführungsbeispielen enthalten ist, aber nicht notwendigerweise in allen Ausführungsbeispielen. Die verschiedenen Erscheinungsbilder von „einem Ausführungsbeispiel“, „einigen Ausführungsbeispielen“ oder „manchen Ausführungsbeispielen“ beziehen sich nicht alle notwendigerweise auf dieselben Ausführungsbeispiele. Wenn die Beschreibung beschreibt, dass eine Komponente, ein Merkmal, eine Struktur oder Charakteristik enthalten sein „kann“, „könnte“ oder „möglicherweise“ enthalten ist, muss diese bestimmte Komponente, dieses Merkmal, diese Struktur oder Charakteristik nicht unbedingt enthalten sein. Wenn sich die Beschreibung oder der Anspruch sich auf „ein“ Element bezieht, bedeutet das nicht, dass nur eines dieser Elemente vorhanden ist. Wenn sich die Beschreibung oder die Ansprüche auf „ein zusätzliches“ oder „ein weiteres“ Element beziehen, schließt das nicht aus, dass noch mehr als eines des zusätzlichen Elements vorhanden ist.
Ferner können die bestimmten Merkmale, Strukturen, Funktionen oder Charakteristika in irgendeiner geeigneten Weise bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Beispielsweise kann ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem zweiten Ausführungsbeispiel immer dann kombiniert werden, wenn die bestimmten Merkmale, Strukturen, Funktionen oder Charakteristika, die mit den beiden Ausführungsbeispielen assoziiert sind, sich nicht gegenseitig ausschließen.
Auch wenn die Offenbarung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen derselben beschrieben wurde, werden für Durchschnittsfachleute im Hinblick auf die vorhergehende Beschreibung viele Alternativen, Modifikationen und Variationen solcher Ausführungsbeispiele offensichtlich sein. Die Ausführungsbeispiele der Offenbarung sollen all diese Alternativen, Modifikationen und Variationen miteinschließen, sodass sie in den breiten Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusätzlich werden zur Vereinfachung der Darstellung und Erörterung, und um die Offenbarung nicht zu verunklaren, bekannte Leistungs-/Masseanschlüsse an Chips integrierter Schaltungen (IC) oder anderen Komponenten in den vorliegenden Figuren nicht unbedingt gezeigt. Weiterhin können Anordnungen in Blockdiagrammform gezeigt werden, um ein Verunklaren der Offenbarung zu vermeiden, und auch angesichts der Tatsache, dass Details im Hinblick auf die Implementierung solcher Blockdiagrammanordnungen stark von der Plattform abhängig sind, innerhalb der die vorliegende Offenbarung implementiert werden soll (d.h. solche Details sollten einem Fachmann bekannt sein). Wo spezielle Details (z.B. Schaltungen) ausgeführt sind, um beispielhafte Ausführungsbeispiele der Offenbarung zu beschreiben, sollte es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass die Offenbarung ohne oder mit Variation dieser speziellen Details ausgeführt werden kann. Die Beschreibung ist deshalb als darstellend anstatt als beschränkend zu betrachten.
Eine Zusammenfassung ist bereitgestellt, die es dem Leser erlaubt, das Wesen und den Schutzbereich der technischen Offenbarung zu verstehen. Die Zusammenfassung wird mit der Maßgabe eingereicht, dass sie nicht dazu dienen soll, den Schutzbereich oder die Bedeutung der Ansprüche einzuschränken. Die folgenden Ansprüche sind hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich steht.
In einem Beispiel 1 umfasst eine Vorrichtung:

einen magnetischen Übergang, der aufweist:
- einen Stapel von Strukturen, die aufweisen:
- eine erste Struktur, die einen Magneten mit einer nicht festgelegten senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) relativ zu einer x-y-Ebene einer Vorrichtung aufweist;
eine zweite Struktur, die ein Dielektrikum oder ein Metall umfasst;
- eine dritte Struktur, die einen Magneten mit festgelegter PMA umfasst, wobei die dritte Struktur eine Anisotropieachse aufweist, die senkrecht zur Ebene der Vorrichtung ist, und wobei die dritte Struktur der zweiten Struktur benachbart ist, so dass die zweite Struktur zwischen der ersten und der dritten Struktur liegt;
- eine vierte Struktur, die der ersten Struktur des Magneten benachbart ist, wobei die vierte Struktur Metall umfasst; und
- eine Verbindung, die der vierten Struktur benachbart ist, so dass die vierte Struktur zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung liegt.

In einem Beispiel 2 schließt Beispiel 1 die vierte Struktur ein, die eines oder mehrere der folgenden einschließt: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gf, Ge, Ga und Au.
In einem Beispiel 3 umfasst Beispiel 1 oder 2 eine fünfte Struktur, die der Verbindung benachbart ist, so dass die vierte und die fünfte Struktur auf einander entgegengesetzten Seiten der Verbindung liegen, wobei die fünfte Struktur einen Magneten mit einer in einer Ebene liegenden Magnetisierung in Bezug auf die x-y-Ebene der Vorrichtung umfasst.
In einem Beispiel 4 schließt eines der Beispiele 1-3 den magnetischen Übergang ein, der umfasst:

eine sechste Struktur zwischen der ersten und der zweiten Struktur, wobei die sechste Struktur eines oder mehrere der folgenden einschließt: Ru, Os, Hs oder Fe; oder
eine siebte Struktur zwischen der zweiten und der dritten Struktur, wobei die siebte Struktur eines oder mehrere der folgenden einschließt: Ru, Os, Hs oder Fe.

In einem Beispiel 5 umfasst eines der Beispiele 1-4: eine achte Struktur zwischen der Verbindung und der fünften Struktur, wobei die achte Struktur ein antiferromagnetisches (AFM) Material einschließt, und wobei die Verbindung ein Spin-Orbit-Material umfasst.
In einem Beispiel 6 schließt Beispiel 5 das AFM-Material ein, das eines der folgenden einschließt: Ir, Pt, Mn, Pd oder Fe.
In einem Beispiel 7 schließt Beispiel 5 oder 6 das AFM-Material ein, das ein quasi zweidimensionales trianguläres AFM ist, das Ni(_1-x)M_xGa₂S₄ einschließt, wobei ,M‘ eines der folgenden ist: Mn, Fe, Co oder Zn.
In einem Beispiel 8 schließt eines der Beispiele 1-7 ein:

dass die erste oder die dritte Struktur einen Stapel umfasst, der ein erstes Material und ein zweites, vom ersten Material verschiedenes Material umfasst;
wobei das erste Material eines der folgenden ist: Co, Ni, Fe oder eine Heusler-Legierung;

In einem Beispiel 9 schließt eines der Beispiele 1-8 das Dielektrikum ein, das Mg und O umfasst
In einem Beispiel 10 schließt eines der Beispiele 1-9 die erste oder die dritte Struktur ein, die ein Übergitter umfasst, das ein erstes Material und ein zweites Material einschießt, wobei das erste Material eines der folgenden einschließt: Co, Ni, Fe oder Heusler-Legierung, und wobei das zweite Material eines der folgenden einschließt: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni.
In einem Beispiel 11 schließt eines der Beispiele 1-10 die erste oder die dritte Struktur ein, die einen Stapel aus drei Materialien umfasst, die ein erstes Material, das der vierten Struktur benachbart ist, ein zweites Material, das dem ersten Material benachbart ist, aber keinen Kontakt mit der vierten Struktur hat, und das dritte Material, das dem zweiten Material und der zweiten Struktur benachbart ist, einschließen, wobei das erste Material eines oder mehrere der folgenden einschließt: Co, Ni, Fe oder Heusler-Legierung, wobei das zweite Material Ru umfasst; und wobei das dritte Material eines oder mehrere von Co, Ni, Fe oder Heusler-Legierung einschließt.
In einem Beispiel 12 schließt eines der Beispiele 1-11 ein:

dass die Verbindung dazu dient, einen Spin-Hall-Effekt (SHE) zu erzeugen; und die Verbindung eines oder mehrere der folgenden einschließt: β-Tantal (β-Ta), Ta, β-Wolfram (β-W), W, Platin (Pt), Kupfer (Cu), dotiert mit Elementen, die eines von Iridium, Bismut oder den Elementen der Gruppen 3d, 4d, 5d und 4f, 5f des Periodensystems einschließen, Ti, S, W, Mo, Se, B, Sb, Re, La, C, P, La, As, Sc, O, Bi, Ga, Al, Y, In, Ce, Pr, Nd, F, Ir, Mn, Pd oder Fe.

In einem Beispiel 13 schließt eines der Beispiele 1-12 ein:

dass die Verbindung ein Spin-Orbit-Material umfasst, das eines der folgenden einschließt: ein 2D-Material, ein 3D-Material, ein antiferromagnetisches (AFM) Material oder ein AFM-Material, das mit einem Dotierungsmaterial dotiert ist;
wobei das 3D-Material dünner ist als das 2D-Material; und
das Dotierungsmaterial eines der folgenden einschließt: Co, Fe, Ni, Mn, Ga, Fe oder Bct-Ru.

In einem Beispiel 14 schließt eines der Beispiele 1-13 ein, dass die Verbindung einen Stapel von Schichten einschließt, wobei eine der Schichten in dem Stapel ein antiferromagnetisches (AFM) Material einschließt.
In einem Beispiel 15 schließt eines der Beispiele 1-14 ein, dass der magnetische Übergang ein Spin-Ventil oder ein magnetischer Tunnelungsübergang (MTJ) ist.
In einem Beispiel 16 schließt eines der Beispiele 1-15 ein, dass der Magnet der ersten Struktur ein Paramagnet ist, der eines oder mehrere der folgenden einschließt: Pt, Pd, W, Ce, Al, Li, Mg, Na, Cr, Co, Dy, O, Er, Eu, Eu, Gd, Fe, Nd, K, Pr, Sm, Tb, Tm oder V, oder wobei der Magnet der ersten Struktur ein Paramagnet ist, der Dotierungsmittel umfasst, die eines oder mehrere der folgenden einschließen: Ce, Cr, Mn, Nb, Mo, Tc, Re, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm oder Yb.
In einem Beispiel 17 umfasst ein System:

einen Speicher;
einen Prozessor, der mit dem Speicher gekoppelt ist, wobei der Prozessor einen magnetischen Speicher aufweist, der umfasst:
- einen magnetischen Übergang, der einen Magneten mit einer ersten Magnetisierung aufweist;
eine erste Struktur, die dem magnetischen Übergang benachbart ist, wobei die Struktur Metall umfasst;
eine Verbindung, die der ersten Struktur benachbart ist; und
eine zweite Struktur, die der Verbindung benachbart ist, so dass die erste Struktur und die zweite Struktur auf einander entgegengesetzten Oberflächen der Verbindung liegen, wobei die zweite Struktur einen Magneten mit einer zweiten Magnetisierung umfasst, die von der ersten Magnetisierung erheblich verschieden ist; und
eine drahtlose Schnittstelle, um dem Prozessor zu ermöglichen, mit einer anderen Vorrichtung zu kommunizieren.

In einem Beispiel 18 schließt Beispiel 17 die erste Struktur ein, die eines oder mehrere der folgenden einschließt: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gf, Ge, Ga oder Au.
In einem Beispiel 19 umfasst eine Vorrichtung:

einen magnetischen Übergang, der einen Magneten mit einer ersten Magnetisierung aufweist;
eine erste Struktur, die dem magnetischen Übergang benachbart ist, wobei die erste Struktur Metall umfasst;
eine Verbindung, die der ersten Struktur benachbart ist; und
eine zweite Struktur, die der Verbindung benachbart ist, so dass die erste Struktur und die zweite Struktur auf einander entgegengesetzten Oberflächen der Verbindung liegen, wobei die zweite Struktur einen Magneten mit einer zweiten Magnetisierung umfasst, die von der ersten Magnetisierung erheblich verschieden ist.

In einem Beispiel 20 schließt Beispiel 19 die erste Struktur ein, die eines oder mehrere der folgenden einschließt: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gf, Ge, Ga oder Au.

Claims

Eine Vorrichtung zum Speichern von Daten, die Vorrichtung umfassend: einen magnetischen Übergang umfassend: einen Stapel von Strukturen umfassend: eine erste Struktur, umfassend einen Magneten mit einer nicht fixierten senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) in Bezug auf eine x-y-Ebene einer Vorrichtung; eine zweite Struktur umfassend eines von einem Dielektrikum oder einem Metall; eine dritte Struktur, umfassend einen Magneten mit einer festen PMA, wobei die dritte Struktur eine Anisotropieachse senkrecht zu der Ebene der Vorrichtung aufweist, und wobei die dritte Struktur benachbart zu der zweiten Struktur ist, so dass die zweite Struktur zwischen der ersten und der dritten Struktur ist; eine vierte Struktur benachbart zu der ersten Struktur des Magneten, wobei die vierte Struktur Metall umfasst; und eine Verbindung, benachbart zu der vierten Struktur, so dass die vierte Struktur zwischen dem magnetischen Übergang und der Verbindung ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die vierte Struktur umfassend eines oder mehrere aus: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gf, Ge, Ga oder Au.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2 umfasst eine fünfte Struktur benachbart zu der Verbindung, so dass sich die vierte und fünfte Struktur auf gegenüberliegenden Oberflächen der Verbindung sind, wobei die fünfte Struktur einen Magneten mit einer Magnetisierung in der Ebene relativ zur x-y-Ebene der Vorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der magnetische Übergang umfassend: eine sechste Struktur zwischen der ersten und der zweiten Struktur, wobei die sechste Struktur eines oder mehrere umfasst von: Ru, Os, Hs oder Fe; oder eine siebte Struktur zwischen der zweiten und der dritten Struktur, wobei die siebte Struktur eines oder mehrere umfasst von: Ru, Os, Hs oder Fe.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst: eine achte Struktur zwischen der Verbindung und der fünften Struktur, wobei die achte Struktur ein antiferromagnetisches (AFM) Material umfasst und wobei die Verbindung ein Spin-Orbit-Material umfasst.
Das Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das AFM-Material eines umfasst aus: Ir, Pt, Mn, Pd oder Fe, oder wobei das AFM-Material ein quasi zweidimensionales dreieckiges AFM ist umfassend Ni(1-x)MxGa2S4, wobei ‚M‘ eines umfasst aus: Mn, Fe, Co oder Zn.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die erste oder dritte Struktur einen Stapel umfasst, der ein erstes Material und ein zweites Material umfasst, das sich von dem ersten Material unterscheidet; das erste Material umfassend eines aus: Co, Ni, Fe oder eine Heusler-Legierung; die Heusler-Legierung umfasst eines oder mehrere von Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mn, Al, In, Sb, Si, Sn, Ni, Pd, Ru oder V; das zweite Material umfassend eines aus: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni; und wobei das erste Material eine Dicke in einem Bereich von 0,6 nm bis 2 nm aufweist, und wobei das zweite Material eine Dicke in einem Bereich von 0,1 nm bis 3 nm aufweist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste oder die dritte Struktur ein Übergitter umfasst, das ein erstes Material und ein zweites Material umfasst, wobei das erste Material eines umfasst von: Co, Ni, Fe oder eine Heusler-Legierung; und wobei das zweite Material eines umfasst von: Pt, Pd, Ir, Ru oder Ni.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste oder dritte Struktur einen Stapel von drei Materialien umfasst, umfassend ein erstes Material benachbart zu der vierten Struktur, ein zweites Material benachbart zu dem ersten Material, aber nicht in Kontakt mit der vierten Struktur, und ein drittes Material benachbart zu dem zweiten Material und der zweiten Struktur, das erste Material umfassend eines oder mehrere von: Co, Ni, Fe oder eine Heusler-Legierung, wobei das zweite Material Ru umfasst; und wobei das dritte Material eines oder mehrere von Co, Ni, Fe oder einer Heusler-Legierung umfasst.
Die Vorrichtung gemäß einem der Anspruch 1 bis 9, wobei: die Verbindung einen Spin-Hall-Effekt (SHE) erzeugen soll; und die Verbindung ein oder mehrere umfasst von: β-Tantal (β-Ta), Ta, β-Wolfram (β-W), W, Platin (Pt), Kupfer (Cu) dotiert mit Elementen umfassend eines von Iridium, Bismut oder Elementen von 3d, 4d, 5d und 4f, 5f periodische Gruppen, Ti, S, W, Mo, Se, B, Sb, Re, La, C, P, La, As, Sc, O, Bi, Ga, Al, Y, In, Ce, Pr, Nd, F, Ir, Mn, Pd oder Fe.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei: die Verbindung umfasst: ein Spin-Orbit-Material, umfassend eines von: einem 2D-Material, einem 3D-Material, einem antiferromagnetischen (AFM) Material oder einem AFM-Material, das mit einem Dotierungsmaterial dotiert ist, wobei das 3D-Material dünner ist als das 2D-Material; und wobei das Dotierungsmaterial eines umfasst von: Co, Fe, Ni, Mn, Ga, Fe oder Bct-Ru; oder die Verbindung einen Stapel von Schichten umfasst, wobei eine der Schichten in dem Stapel ein antiferromagnetisches (AFM) Material umfasst.
Ein System umfassend: einen Speicher einen mit dem Speicher gekoppelten Prozessor, wobei der Prozessor einen magnetischen Speicher aufweist, der eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst; und eine drahtlose Schnittstelle, um dem Prozessor zu erlauben, mit einer anderen Vorrichtung zu kommunizieren.
Ein Verfahren umfassend: Bilden eines magnetischen Übergangs mit einem Magneten mit einer ersten Magnetisierung; Bilden einer ersten Struktur benachbart zu dem magnetischen Übergang, wobei die erste Struktur ein Metall umfasst; Bilden einer Verbindung benachbart zur ersten Struktur; und Bilden einer zweiten Struktur benachbart zu der Verbindung, so dass sich die erste Struktur und die zweite Struktur auf gegenüberliegenden Oberflächen der Verbindung befinden, wobei die zweite Struktur einen Magneten mit einer zweiten Magnetisierung umfasst, die sich von der ersten Magnetisierung wesentlich unterscheidet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, die erste Struktur umfassend eines oder mehrere von: Hf, Ta, W, Ir, Pt, Bi, Cu, Mo, Gf, Ge, Ga oder Au.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei: die Verbindung einen Spin-Hall-Effekt (SHE) erzeugen soll; und die Verbindung ein oder mehrere umfasst von: β-Tantal (β-Ta), Ta, β-Wolfram (β-W), W, Platin (Pt), Kupfer (Cu) dotiert mit Elementen umfassend eines von Iridium, Bismut oder Elementen von 3d, 4d, 5d und 4f, 5f periodische Gruppen, Ti, S, W, Mo, Se, B, Sb, Re, La, C, P, La, As, Sc, O, Bi, Ga, Al, Y, In, Ce, Pr, Nd, F, Ir, Mn, Pd oder Fe.