DE112011103750T5

DE112011103750T5 - Nichtflüchtiger Magnettunnelübergang-Transistor

Info

Publication number: DE112011103750T5
Application number: DE112011103750T
Authority: DE
Inventors: Daniel C. Worledge
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2010-11-13
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: US20120120719A1; JP2014501040A; US8482968B2; CN103201796A; GB2498693A; GB201309545D0; CN103201796B; JP5648940B2; GB2498693B; WO2012064395A1; DE112011103750B4

Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Richtung einer magnetischen freien Schicht. Die Vorrichtung weist eine Schreibeinheit mit einer ersten magnetischen Schreibschicht und einer zweiten magnetischen Schreibschicht auf. Das Anlegen einer Schreibspannung über eine erste und zweite magnetische Schreibschicht bewirkt, dass eine magnetische Anisotropie einer der magnetischen Schreibschichten von parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten geschaltet wird. Die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten induziert die magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Transistoren und insbesondere die Spannungssteuerung des Magnetismus für einen nichtflüchtigen Magnettunnelübergang.
Die kontinuierliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit aufgrund der CMOS-Maßstabsveränderung in den letzten 40 Jahren ist zu einem Ende gekommen. Obwohl die Veränderung der Dichte voraussichtlich noch mindestens in den nächsten zehn Jahren fortschreiten wird, ist die Leistungsfähigkeit von Transistoren und Schaltungen nun stark durch Leistungsbeschränkungen begrenzt. Der Halbleiterindustrie ist dieses Problem in den letzten zehn Jahren bewusst geworden, und es ist eine breite Vielfalt von Modifikationen des CMOS-Transistors ausprobiert worden, um die Spannung zu verringern.
Herkömmlicherweise ist die CMOS-Leistung durch Verringerung der Betriebsspannung in jeder Generation begrenzt worden. Die Versorgungsspannungen sind auf diese Weise von den 5-V-Technologien, die in den 1970er-Jahren angewendet wurden, bis zu den heute produzierten ca. 1-V-Technologien deutlich verändert worden. Eine weitere Spannungsverringerung unter 1 V ist jedoch durch fundamentale Grenzen für die Schwellenspannung und die Veränderung der Dicke des Gate-Oxids beschränkt. Ohne eine ausreichende Spannungsveränderung ist die CMOS-Leistung so bis zu dem Punkt angestiegen, wo Laptops zu Schoßwärmern werden, wo Hochleistungsberechnungen durch die verfügbare Kühlleistung begrenzt sind und wo die Leistungsfähigkeit von Mobilcomputern durch die Lebensdauer der Batterie begrenzt ist. Man kann durchaus behaupten, dass ein Transistor mit niedriger Spannung die Welt fundamental verändern würde.
KURZDARSTELLUNG
Eine beispielhafte Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds. Die Vorrichtung weist eine Schreibeinheit mit einer ersten magnetischen Schreibschicht und einer zweiten magnetischen Schreibschicht auf. Wenn die Schreibeinheit durch eine erste Schreibspannung eingeschaltet wird, ist die Schreibeinheit dafür konfiguriert, eine magnetische Anisotropie der ersten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht auf orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht zu schalten. Hierdurch wird bewirkt, dass die zweite magnetische Schreibschicht ein erstes Magnetfeld in einem Bereich in der Nähe der Schreibeinheit induziert. Wenn die Schreibeinheit durch eine zweite Schreibspannung eingeschaltet wird, welche der ersten Schreibspannung entgegengesetzt ist, ist die Schreibeinheit dafür konfiguriert, eine magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht auf orthogonal zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht zu schalten. Hierdurch wird bewirkt, dass die erste magnetische Schreibschicht ein zweites Magnetfeld in einem Bereich in der Nähe der Schreibeinheit induziert. Das zweite Magnetfeld verläuft in einer zu dem ersten Magnetfeld entgegengesetzten Richtung.
Eine zweite beispielhafte Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Magnetfelds. Das Verfahren weist das Anlegen einer Schreibspannung über einer ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht auf. Hierdurch wird bewirkt, dass eine magnetische Anisotropie der ersten oder zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten geschaltet wird. Die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten induziert das Magnetfeld.
Noch eine beispielhafte Erscheinungsform der Erfindung ist eine nichtflüchtige Speicherzelle in einem Speicherzellenfeld. Die Speicherzelle weist einen Magnettunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) auf. Der MTJ weist eine magnetische freie Schicht auf. Der Widerstand des MTJ hängt von der magnetischen Richtung der magnetischen freien Schicht ab. Die Speicherzelle weist ferner eine Schreibeinheit auf, die in der Nähe des MTJ angeordnet ist. Die Schreibeinheit ist dafür konfiguriert, eine magnetische Anisotropie entweder einer ersten oder einer zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten zu schalten, so dass die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten die magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht des MTJ induziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Steuern einer magnetischen Richtung einer magnetischen freien Schicht.
2 zeigt die beispielhafte Vorrichtung mit einem über die erste und zweite Schreibelektrode angelegten positiven Spannungspotential.
3 zeigt die beispielhafte Vorrichtung mit umgekehrter Polarität der über die erste und zweite Schreibelektrode angelegten Spannung.
4 ist ein Ablaufplan, welcher ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern einer magnetischen Richtung einer magnetischen freien Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5 zeigt ein beispielhaftes Feld von Speicherzellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A und 6B zeigen eine andere Ausführungsform eines beispielhaften Magnettunnelübergang-Transistors (MTJT) der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Überall in der Beschreibung der Erfindung wird auf 1 bis 8 Bezug genommen. Wenn auf die Figuren Bezug genommen wird, sind gleiche Strukturen und Elemente, die darin dargestellt sind, mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Hierin wird eine neue Logikeinheit beschrieben, welche die Spannungssteuerung des Magnetismus nutzt. Der Begriff „Spannungssteuerung des Magnetismus” wird verwendet, wenn Spannung über ein isolierendes System angelegt wird, wobei der stationäre Stromfluss vernachlässigbar ist. Der Leistungsverlust ist in diesem Fall auf die vorübergehenden Ströme beschränkt, die fließen, um die Drähte und Einheiten auf die angelegte Spannung aufzuladen.
Wie nachstehend detailliert ausgeführt, ist ein nichtflüchtiger Magnettunnelübergang der vorliegenden Erfindung ein Transistor mit vier Anschlüssen, der zum Beispiel bei 100 mV arbeitet. Komplementäre Einheiten werden aus demselben Einheitstyp hergestellt, indem die Anschlüsse einfach anders verdrahtet werden. Die Einheit behält ihren logischen Zustand, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird. Da die Einheit unter Verwendung einer etwa zehnmal niedrigeren Spannung als ein CMOS schaltet, verliert sie etwa hundertmal weniger aktive Leistung als ein CMOS. Da der physikalische Mechanismus, mit dem das Schalten gesteuert wird (magnetische Anisotropie), eine abrupte Änderung als Funktion der Spannung aufweist, können mehrere Einheiten in Reihe geschaltet werden, ohne viel Verstärkung zu verlieren, obwohl der Widerstand vom EIN- zum AUS-Zustand nur um einen Faktor Zehn verändert wird. Ferner sind die Einheiten 3D-stapelbar.
1 bis 3 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 102 der vorliegenden Erfindung zum Steuern einer magnetischen Richtung einer magnetischen freien Schicht. Wie nachstehend detailliert beschrieben, weist die Vorrichtung 102 eine Schreibeinheit 104 auf, welche die magnetische Richtung einer magnetischen freien Schicht 106 steuert. In einer speziellen Ausführungsform ist die magnetische freie Schicht 106 ein Teil eines Magnettunnelübergangs (MTJ) 108, welcher in der Nähe der Schreibeinheit 104 angeordnet ist, wie nachstehend erörtert.
Die Schreibeinheit 104 weist eine erste Schreibschicht 110 und eine zweite Schreibschicht 112 auf, welche durch eine dielektrische Schreibschicht 114 getrennt sind. Die erste und zweite magnetische Schreibschicht 110 und 112 können im Wesentlichen aus Eisen (Fe) zusammengesetzt sein. Die dielektrische Schreibschicht kann im Wesentlichen aus Magnesiumoxid (MgO) zusammengesetzt sein.
Die Schreibeinheit weist ferner eine erste Schreibelektrode 116 und eine zweite Elektrode 118 auf. Die erste Schreibelektrode 116 ist elektrisch mit der ersten magnetischen Schreibschicht verbunden, und die zweite Schreibelektrode 118 ist elektrisch mit der zweiten magnetischen Schreibschicht 120 verbunden.
Wenn die Schreibeinheit 104 nicht eingeschaltet ist, verläuft die magnetische Richtung der ersten magnetischen Schreibschicht 110 und der zweiten magnetischen Schreibschicht 112 parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten. Mit anderen Worten, die erste und zweite magnetische Schreibschicht 110 und 112 werden so hergestellt, dass, wenn über die erste und zweite Schreibelektrode 116 und 118 keine Spannung angelegt ist, ihre magnetische Richtung parallel zu ihrer Länge verläuft.
Überdies sind die magnetischen Richtungen der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht 110 und 120 einander entgegengesetzt, wenn die Schreibeinheit 104 nicht eingeschaltet ist. Dies ist in 1A durch die parallelen und entgegengesetzten Pfeile veranschaulicht, die in der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht 110 und 112 dargestellt sind. Da die magnetischen Richtungen der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht 110 und 120 in der Ebene liegen und antiparallel sind, wird auf der magnetischen freien Schicht 106 kein Nettomagnetfeld induziert.
Wir wenden uns nun 2 zu, wo über die erste und zweite Schreibelektrode 116 und 118 ein positives Spannungspotential 202 angelegt wird. Das Spannungspotential 202, das über die Bischicht angelegt wird, bewirkt eine deutliche Veränderung der magnetischen Anisotropie der magnetischen Schreibschichten. Mehr Einzelheiten über dieses Phänomen finden sich bei Y. Shiota u. a., "Voltage-Assisted Magnetization Switching in Ultrathin Fe80Co20 Alloy Lagers", Applied Physics Express 2 (2009) 063001, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit durch Verweis hierin einbezogen wird.
Speziell bewirkt die angelegte Spannung 202, dass die erste magnetische Schreibschicht 110 ihre magnetische Anisotropie von parallel zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht auf orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht schaltet. Dies ist in 2 durch einen Pfeil veranschaulicht, welcher in der ersten magnetischen Schreibschicht 110 nach oben zeigt. Außerdem bewirkt die angelegte Spannung 202, dass die magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Schreibschicht 112 noch stärker parallel zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht gehalten wird.
Als Ergebnis dessen, dass die erste magnetische Schreibschicht 110 ihre magnetische Anisotropie auf orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht schaltet, wird ihr umsäumendes Magnetfeld an der Schreibeinheit 104 angeordnet. Dies ist in 2 schematisch durch Magnetfeldlinien 204a und 204b dargestellt. Außerdem wird das umsäumende Magnetfeld 206a und 206b der zweiten magnetischen Schreibschicht nicht mehr durch die erste magnetische Schreibschicht aufgehoben. Somit induziert die zweite magnetische Schreibschicht eine magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht 106.
In 3 ist die Polarität der angelegten Spannung 302 über die erste und zweite Schreibelektrode 116 und 118 umgekehrt. Als Ergebnis wird das umsäumende Magnetfeld 304a und 304b der zweiten magnetischen Schreibschicht 112 an der Schreibeinheit 104 angeordnet. Ferner induziert das umsäumende Magnetfeld 306a und 306b der ersten magnetischen Schreibschicht 110 eine magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht 106 in einer Richtung, die zu der Richtung entgegengesetzt ist, die durch die zweite magnetische Schreibschicht 106 induziert wird, wie in Bezug auf 2 erörtert.
Wie oben erwähnt, kann die Vorrichtung 102 einen Magnettunnelübergang (MTJ) 108 aufweisen, der in der Nähe der Schreibeinheit 104 angeordnet ist. Wie nachstehend erörtert, hängt der Widerstand des Magnettunnelübergangs 108 von der magnetischen Richtung der magnetischen freien Schicht 106 ab. Für eine detaillierte Erörterung von Magnettunnelübergängen sei verwiesen auf Evgeny Y. Tsymbal, Oleg N. Mryasov und Patrick R. LeClair, „Spin-dependent tunnelling in magnetic tunnel junctions" J. Phys.: Condens. Matter 15, R109 bis R142 (2003), in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin einbezogen.
Wieder zurückkehrend zu 1, ist zwischen der zweiten Schreibelektrode 118 und einer ersten MTJ-Elektrode 122 eine dielektrische Isolationsschicht 120 angeordnet. Die dielektrische Isolationsschicht 120 isoliert die Schreibeinheit 104 elektrisch von dem Magnettunnelübergang 108. Die dielektrische Isolationsschicht 120 kann aus verschiedenen bekannten Dielektrikumsmateralien wie z. B. SiO₂, SiN, Al₂O₃, MgO hergestellt werden.
Der Magnettunnelübergang 108 weist eine magnetische Referenzschicht 124 und eine dielektrische Tunnelbarriere 126 auf, welche zwischen der magnetischen Referenzschicht 124 und der magnetischen freien Schicht 106 angeordnet ist. Die magnetische Referenzschicht 124 weist eine magnetische Richtung auf, die an eine voreingestellte magnetische Richtung entlang der Ebene der magnetischen Referenzschicht 124 angeheftet ist. Die dielektrische Tunnelbarriere 126 ist dafür konfiguriert zu ermöglichen, dass Elektronen zwischen der magnetischen Referenzschicht 124 und der magnetischen freien Schicht 106 tunneln. Es kann auch eine untere magnetische Schicht 128 verwendet werden, welche an eine magnetische Richtung angeheftet ist, die der magnetischen Richtung der magnetischen Referenzschicht 124 entgegengesetzt ist.
Der Magnettunnelübergang 108 weist ferner die erste MTJ-Elektrode 122 und eine zweite MTJ-Elektrode 130 auf. Die erste MTJ-Elektrode 122 ist zwischen der dielektrischen Isolationsschicht 120 und der magnetischen freien Schicht 106 angeordnet und ist mit der magnetischen freien Schicht 106 elektrisch verbunden. Die zweite MTJ-Elektrode ist (über die untere magnetische Schicht 128) mit der magnetischen Referenzschicht 124 elektrisch verbunden.
4 ist ein Ablaufplan für ein Verfahren zum Steuern einer magnetischen Richtung einer magnetischen freien Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt mit der Operation des Anlegens 402. Während dieses Schritts wird über eine erste und zweite magnetische Schreibschicht eine Schreibspannung angelegt, so dass eine magnetische Anisotropie einer der magnetischen Schreibschichten von parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten schaltet. Dies wiederum bewirkt, dass die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten eine magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht induziert.
Wie oben erörtert, kann eine erste Schreibelektrode mit der ersten magnetischen Schreibschicht elektrisch verbunden sein, und eine zweite Schreibelektrode kann mit der zweiten magnetischen Schreibschicht elektrisch verbunden sein. Die Operation des Anlegens 402 kann das Anlegen eines ersten Spannungspotentials an eine erste Schreibelektrode und das Anlegen eines zweiten Spannungspotentials an eine zweite Schreibelektrode umfassen.
Wie oben erörtert, ist die magnetische Richtung der ersten magnetischen Schreibschicht, wenn sie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten verläuft, zu der magnetischen Richtung der zweiten magnetischen Schreibschicht, wenn sie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten verläuft, entgegengesetzt. Daher bewirkt eine erste Schreibspannung, die über die erste und zweite Schreibelektrode angelegt wird, dass die magnetische Anisotropie der ersten magnetischen Schreibschicht orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht verläuft, während eine zweite Schreibspannung, die in zu der ersten Schreibspannung entgegengesetzter Polarität über die erste und zweite Schreibelektrode angelegt wird, bewirkt, dass die magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Schreibschicht orthogonal zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht verläuft.
Das Verfahren kann eine Operation des Einstellens 404 umfassen, um einen Widerstand eines Magnettunnelübergangs (MTJ) einzustellen, der in der Nähe der ersten oder zweiten magnetischen Schreibschicht angeordnet ist. Der MTJ kann eine magnetische Referenzschicht mit einer magnetischen Richtung, die an eine voreingestellte Richtung angeheftet ist, und eine dielektrische Tunnelbarriere aufweisen, welche dafür konfiguriert ist zu ermöglichen, dass Elektronen zwischen der magnetischen Referenzschicht und der magnetischen freien Schicht tunneln. Der Widerstand des MTJ hängt von der magnetischen Richtung der magnetischen freien Schicht ab.
Das Verfahren kann ferner eine Operation des Anlegens 406 umfassen. Während der Operation des Anlegens 406 wird eine Lesespannung über die magnetische freie Schicht und die magnetische Referenzschicht angelegt. Der Spannungsabfall über den MTJ wird durch die magnetische Richtung der magnetischen freien Schicht bestimmt. Somit kann der MTJ durch Anlegen der Schreibspannung über die erste und zweite magnetische Schreibschicht auf einen oder mehrere binäre Zustände programmiert werden.
5 veranschaulicht ein Feld von Speicherzellen 502 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jede Speicherzelle in dem Feld weist einen MTJ 108 und eine Schreibeinheit 102 auf, welche durch eine dielektrische Isolationsschicht 120 getrennt sind. Die dielektrische Isolationsschicht 120 isoliert die Schreibeinheit 104 elektrisch von dem MTJ 108.
Wie oben erörtert, weist der MTJ 108 eine magnetische freie Schicht auf. Der Widerstand des MTJ 108 hängt von der magnetischen Richtung der magnetischen freien Schicht ab. Die Schreibeinheit 104, angeordnet in der Nähe des MTJ 108, induziert eine magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht.
Die Schreibeinheit weist eine erste und zweite magnetische Schreibschicht auf. Durch Anlegen einer Spannung an die Schreibeinheit wird bewirkt, dass die magnetische Anisotropie entweder der ersten oder der zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten schaltet. Wie oben erörtert, induziert die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten die magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht des MTJ 108.
6A und 6B zeigen einen beispielhaften Magnettunnelübergang-Transistor (MTJT) 602 der vorliegenden Erfindung. Der MTJT 602 weist zwei unterschiedliche Teile auf: eine Schreibeinheit und einen Magnettunnelübergang (MTJ), welche durch eine 10-nm-Dielektrikumsschicht getrennt sind. 6A zeigt eine Querschnittsdarstellung des MTJT. 6B zeigt eine Draufsicht auf den MTJT 602.
Der Kern der Schreibeinheit ist eine MgO-Schicht, die zwischen zwei Fe-Schichten angeordnet ist. Der Aufbau der Schreibeinheit nutzt die Spannungssteuerung des Anisotropieeffekts in beiden Fe-Schichten in der Schreibeinheit. Für ein gegebenes Vorzeichen der angelegten Spannung über das MgO wird eine Fe-Schicht noch stärker in der Ebene gehalten, und die andere Fe-Schicht wird senkrecht gemacht. Wie oben erörtert, ist das Ergebnis, dass das umsäumende Feld der in der Ebene liegenden Fe-Schicht dann die freie Schicht in dem MTJ beschreibt.
Wenn eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen angelegt wird, wird die freie Schicht in der entgegengesetzten Richtung beschrieben. Wenn keine Spannung angelegt wird, liegen beide Fe-Schichten in der Ebene und sind antiparallel, was zu keinem Nettofeld auf der freien Schicht führt. Der Widerstand des MTJ hängt von der Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht ab und moduliert den Source-Drain-Stromfluss um einen Faktor Zehn, der mit modernen MgO-MTJs erreichbar ist.
In dem MTJT 602 wird eine kritische Abmessung F_MTJT = 50 nm für MTJT-Elemente verwendet, mit Leitungen und den meisten Abständen jedoch F = 100 nm, um eine Herstellung mit der optischen 193-nm-Standardlithographie zu ermöglichen, um die Kosten zu senken. Mit einer aggressiveren (und teureren) Lithographie und Ätzbehandlung und durch Verlegen des Source-Kontakts unter den Tie könnte die gesamte Einheit möglicherweise nur 4F² einnehmen.
Der MTJT 602 arbeitet wie CMOS, wobei der Übergangs- oder Tie-Anschluss als Gate-Zone fungiert und der andere an Masse liegt. Das Logikniveau 1 entspricht Spannungen im Bereich von V_th bis V_DD, und das Logikniveau 0 dem Bereich von –V_th bis –V_DD. V_th ist die Schwellenspannung, so dass die Einheit schaltet, wenn |V_Gate| > V_th. Die Masse wird nur als fester Bezug für die Gate-Spannung verwendet, nicht als Logikniveau.
Der MTJT 602 kann mit einer Eingangsspannung von ±56 mV arbeiten, wodurch eine zwei Größenordnungen niedrigere Leistung als beim CMOS ermöglicht wird: (1,1 V/2·56 mV)² = 96, während ebenso die Leckleistung um eine Größenordnung verringert wird. Die Eingaben und Ausgaben der Logik-Gatter sind kleiner als |V_DD| (da die Veränderung des RSD nur bei einem Faktor 10 liegt).
Ein signifikantes Merkmal des MTJT 602 ist, dass dies aufgrund der fundamentalen physikalischen Natur der magnetischen Anisotropie nicht zu einem Verlust der Verstärkung von Stufe zu Stufe führt. Orthogonale uniaxiale Anisotropien (wie die Easy-Plane- und spannungsinduzierten Anisotropien der Schreibeinheitsschichten) addieren sich auf solche Weise, dass sich jede Schreibeinheitsschicht immer entweder in der Ebene befindet oder aus der Ebene heraus zeigt, niemals dazwischen. Dies bedeutet, dass der MTJT 602 eine sehr scharfe Einschaltcharakteristik aufweisen kann; er ist immer entweder vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet. Dies bedeutet, dass beliebige Logikoperationen ohne Verlust der Steuerspannung hintereinander geschaltet werden können. Das bedeutet auch, dass es nicht erforderlich ist, die Eingaben mit der vollen V_DD zu betreiben. Stattdessen kann eine typische Ausgabespannung einer vorhergehenden Stufe von 0,7 V_DD verwendet werden.
Ein bedeutender Vorteil des MTJT 602 ist es, dass die Einheit nichtflüchtig ist. Daher wird der Zustand der Schaltung bewahrt, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird. Außerdem benötigt der MTJT 602 kein monokristallines Substrat, und so können mehrere Logikschichten dreidimensional gestapelt werden, um äußerst hohe Dichten zu erreichen. Die Materialien, die im MTJT 602 verwendet werden, sind auch natürlicher Weise strahlungsfest.
Wie bereits erörtert, besteht der MTJT 602 aus einem Schreibteil und einem Leseteil. Diese zwei Teile sind elektrisch voneinander isoliert, sind aber eng benachbart, was ermöglicht, dass die umsäumenden Magnetfelder des Schreibteils die Magnetisierung im Leseteil beeinflussen. Der Schreibteil nutzt die Spannungssteuerung der Anisotropie einer MgO|Fe-Grenzfläche. Es werden zwei solche Grenzflächen verwendet, die in entgegengesetzter Reihenfolge aufgebracht wurden, so dass sich das obere MgO oberhalb der oberen Fe-Schicht befindet, sich das untere MgO aber unterhalb der unteren Fe-Schicht befindet. Dies bedeutet, dass, wenn über die unteren Ta-Anschlüsse eine Spannung angelegt wird, die beiden Fe-Schichten entgegengesetzte Veränderungen ihrer Anisotropie erfahren. Eine der Schichten wird immer dazu gebracht, dass sie sich mehr in der Ebene befindet und die andere wird dazu gebracht, dass sie mehr aus der Ebene heraus zeigt. Bei einer ausreichenden Spannung, ungefähr 100 mV, schaltet eine der Fe-Schichten von in der Ebene auf außerhalb der Ebene. Die andere Schicht wird aufgrund der zusätzlichen spannungsinduzierten Anisotropie in der Ebene stark in der Ebene gehalten. Es wird MgO verwendet, welches dick genug ist, 2 bis 3 nm, um den Tunnelstrom vernachlässigbar gering zu machen. Wenn keine Spannung angelegt wird (wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist), befinden sich die beiden Fe-Schichten in der Ebene und sind aufgrund ihrer Dipolfelder antiparallel.
Durch Verwendung eines Antiferromagneten wie PtMn, um eine der Schichten, zum Beispiel die obere Schicht, schwach anzuheften (mit einem anheftenden Feld der Größenordnung von 100 Oe), stellen wir sicher, dass die obere Schicht immer nach rechts zeigt, und die untere Schicht somit nach links. Dieses Anheften beeinflusst nur die obere Schicht, nicht die untere, und wirkt so als eine bedeutende Quelle für eine Asymmetrie in dieser hebelartigen Struktur. Eine solche Asymmetrie bedeutet, dass es nur einen stabilen Zustand im Nullfeld gibt (vgl. zum Beispiel D. C. Worledge, Appl. Phys. Lett. 91, 162509 (2009)), so dass die Schreibschichten 10 Jahre lang stabil sind, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist. Das Anheften von 100 Oe aus dem PtMn ist schwach im Vergleich zu der Easy-Plane-Anisotropie, ungefähr 1.000 Oe, welche die Spannung überwinden muss, und es erhöht die erforderliche Spannung daher nicht bedeutend. Alternativ kann das PtMn weggelassen werden, und es wird die Formanisotropie der Schichten verwendet, um für thermische Stabilität zu sorgen. Es wird ein elektrischer Kontakt zum oberen Ende des Stapels hergestellt und an der Seite und unten (hier als der Ta-Stift links dargestellt) nach außen geführt, wodurch ermöglicht wird, dass ein elektrischer Kontakt sowohl zu der unteren als auch zu der oberen Seite der Schreibschichten hergestellt wird.
Es ist wichtig zu betonen, dass die magnetische Nettoanisotropie der Schreibschichten entweder in der Ebene liegt oder aus der Ebene heraus zeigt, nicht irgendwo dazwischen. Dies bedeutet, dass sich die Einheit als Funktion der Spannung bei einer kritischen Schaltspannung abrupt ein- oder ausschaltet. Dies bedeutet, dass, auch wenn das Verhältnis des Widerstands im EIN-Zustand zum Widerstand im AUS-Zustand in den Leseschichten nur 10 beträgt, mehrere Einheiten in Reihe verbunden werden können und geschaltet werden können, ohne Verstärkung zu verlieren, einfach indem immer zwischen einigen Logikstufen Inverter oder Puffer (aus MTJTs hergestellt) eingefügt werden. Die Puffer oder Inverter stellen sicher, dass die Spannung auf 90% von ±V_DD gehalten wird, ungeachtet der Anzahl der hintereinander geschalteten Logikstufen.
Die MTJ-Schichten bestehen aus einem recht standardgemäßen Tunnelübergang mit einer einfachen freien Schicht auf der Oberseite und einer Doppel-Tunnelbarriere für hohe MR. Es kann auch eine Einfach-Tunnelbarriere verwendet werden. Unten beginnend, liegt eine AP-angeheftete Standardschicht vor, welche eine CoFeB-Referenzschicht bereitstellt, die nach links zeigt. Die Referenzschichten schalten niemals, und für ihre thermische Stabilität sorgt der dicke Antiferromagnet unter ihnen, zum Beispiel PtMn.
Für den Doppel-Tunnelübergang werden zwei Schichten von 100-orientiertem MgO verwendet, die durch eine dünne resonante Tunnelschicht getrennt sind, welche Delta-1-Zustände auf dem Fermi-Niveau enthält, zum Beispiel Vanadium. Es können auch andere Materialien verwendet werden. Wenn die äußeren magnetischen Elektroden eine antiparallele Magnetisierung aufweisen, ist der Widerstand aufgrund der effektiv dicken Barriere hoch, die aus beiden MgO-Schichten und der resonanten Tunnelschicht zusammengesetzt ist. Wenn die Magnetisierungen parallel sind, können die Elektronen resonant durch die Vanadiumschicht tunneln, was zu einem niedrigeren Widerstand führt. Für viele Anwendungen ist ein Magnetowiderstand ausreichend, der zu einer Veränderung des Widerstands um den Faktor 10 führt. Die Dicke der Tunnelbarrieren wird so gewählt, dass der Widerstand der strukturierten Einheit im Zustand niedrigen Widerstands auf etwa 10 kOhm bis 10 MOhm eingestellt wird.
Um den MTJT 602 herzustellen, werden die MTJ-Schichten bis zum Ta-Deckel abgeschieden. Dann werden diese zu einer Säule geätzt, und eine Durchkontaktierung aus Ta (oder einem anderen Material) wird zur Seite geätzt und gefüllt, wobei sie gleichzeitig mit der oberen Seite der MTJ-Schichten in Kontakt steht. Anschließend werden die angehefteten Schichten strukturiert, wobei die Ätzbehandlung an der oberen Seite der freien Schichten stoppt. Anschließend wird die Isolatorschicht abgeschieden, ungefähr 10 nm dick aus einem Isolator niedriger Dielektrizitätskonstante (zum Beispiel SiCOH), und dann werden alle Schreibeinheitsschichten abgeschieden. Anschließend wird eine Ta-Durchkontaktierung geätzt und gefüllt. Für alle der Durchkontaktierungs-, Keim- und Deckschichten können auch andere Materialien als Ta verwendet werden, zum Beispiel W. Für jede der magnetischen Schichten können andere Materialien verwendet werden – die hier gegebenen Beispiele sind spezielle, sollen aber nicht beschränkend sein.
Die Entwicklung von Komplementärschaltungen analog zu CMOS macht zwei Arten von Einheiten erforderlich (eine, wo +V_DD an die Gate-Zone angelegt wird, schreibt die Einheit in den Zustand hohen Widerstands, und die andere, wo +V_DD an die Gate-Zone angelegt wird, schreibt die Einheit in den Zustand niedrigen Widerstands). Zur Herstellung der zweiten Art wird dieselbe Einheit verwendet, jedoch mit dem Tie-Anschluss als Gate-Zone und dem Übergangsanschluss an Masse gelegt.
Die Schreibschichten können mit derselben Breite wie die freien Schichten hergestellt werden. Dies verstärkt das Dipolfeld von den Schreibschichten auf den freien Schichten und schwächt auch jedes Dipolfeld in der Ebene von der senkrechten Schreibschicht auf den freien Schichten ab. Wenn diese breite Einheit verwendet wird, kann der linke Schreibkontakt an der oberen Seite nach außen geführt werden. Hierdurch wird für Verdrahtungsflexibilität in der Schaltung gesorgt.
Für alle Schichten kann auch eine senkrechte Magnetisierung angewendet werden. Diese ist geeignet, um Einheiten viel kleiner als 40 nm in der CD zu machen, da die senkrechten Schichten eine höhere Aktivierungsenergie aufweisen und so thermisch stabiler sind. In diesem Fall befindet sich in jedem Zweig der Schreibanschlüsse eine Schreibschicht. Eine angelegte Spannung bewirkt, dass sich eine der Schreibschichten so dreht, dass sie sich in der Ebene befindet, wodurch ihr senkrechtes Dipolfeld verringert wird, welches auf die freien Schichten wirkt. Es kann wiederum ein dünner Antiferromagnet verwendet werden, um eine der Schreibschichten schwach anzuheften, so dass das Paar im Nullfeld eine einheitliche Richtung aufweist. Alternativ kann einer der Anschlüsse größer als der andere gemacht werden, wodurch ermöglicht wird, dass alle Einheiten in einer gegebenen Schaltung anfänglich in einen einheitlichen Zustand eingestellt werden. Alternativ kann eine der Schichten eine höhere Koerzitivkraft als die andere aufweisen (was zwei Abscheidungen und zwei Ätzbehandlungen erforderlich macht, um die Schreibschichten herzustellen). Ein Beispiel für die senkrechten magnetischen Materialien, die in den Schreibschichten und freien Schichten verwendet werden können, ist die L10-Legierung FePt, obwohl auch jedes andere senkrechte Material verwendet werden kann.
Ein einfacherer Stapel dicker {Co|Pt}-Mehrfachschichten in den Schreibschichten kann ebenfalls verwendet werden. Diese Materialien können einfach so abgestimmt werden, dass sie nahezu senkrecht sind, so dass nur eine geringe Spannung erforderlich ist, um die Momente in die Ebene zu drehen. Sie sind dann dick genug, so dass kein PtMn benötigt wird, um für Stabilität zu sorgen oder die Schichten anfänglich einzustellen. Es wird ein Ungleichgewicht der Dicken der Schreibschichten angewendet, um sie anfänglich einzustellen. Andere Materialien, die verwendet werden können, sind {Co|Ni}-Mehrfachschichten und {Co|Pd}-Mehrfachschichten. Mit diesem Ansatz ist das Dipolfeld der Schreibschichten so groß, dass als freie Schicht eine Einfachschicht verwendet werden kann. Ferner ist die Koerzitivkraft der Schreibschichten so groß, dass das Dipolfeld der freien Schicht die Schreibschichten nicht stören kann.
Nachdem nun Ausführungsformen für die Erfindung beschrieben worden sind (welche beispielhaft und nicht beschränkend sein sollen), sei angemerkt, dass der Fachmann im Lichte der obigen Lehren Modifikationen und Variationen vornehmen kann. Es versteht sich daher, dass an den speziellen offenbarten Ausführungsformen Veränderungen vorgenommen werden können, welche innerhalb des Umfangs und der Idee der Erfindung liegen, wie sie durch die anhängenden Patentansprüche umrissen sind. Nachdem so Erscheinungsformen der Erfindung mit den Einzelheiten und der Ausführlichkeit beschrieben worden sind, wie sie von den Patentgesetzen gefordert werden, wird in den anhängenden Patentansprüchen ausgeführt, was beansprucht wird und durch das Patent geschützt werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Shiota u. a., ”Voltage-Assisted Magnetization Switching in Ultrathin Fe80Co20 Alloy Lagers”, Applied Physics Express 2 (2009) 063001 [0021]
Evgeny Y. Tsymbal, Oleg N. Mryasov und Patrick R. LeClair, „Spin-dependent tunnelling in magnetic tunnel junctions” J. Phys.: Condens. Matter 15, R109 bis R142 (2003) [0025]
D. C. Worledge, Appl. Phys. Lett. 91, 162509 (2009) [0046]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, die Vorrichtung aufweisend: eine Schreibeinheit, welche eine erste magnetische Schreibschicht und eine zweite magnetische Schreibschicht aufweist; wobei die Schreibeinheit, wenn sie durch eine erste Schreibspannung eingeschaltet wird, dafür konfiguriert ist, eine magnetische Anisotropie der ersten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht auf orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht zu schalten, so dass die zweite magnetische Schreibschicht ein erstes Magnetfeld in einem Bereich in der Nähe der Schreibeinheit induziert; und wobei die Schreibeinheit, wenn sie durch eine zweite Schreibspannung eingeschaltet wird, dafür konfiguriert ist, eine magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht auf orthogonal zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht zu schalten, so dass die erste magnetische Schreibschicht ein zweites Magnetfeld in einem Bereich in der Nähe der Schreibeinheit induziert, wobei das zweite Magnetfeld eine dem ersten Magnetfeld entgegengesetzte Richtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polarität der ersten Schreibspannung der Polarität der zweiten Schreibspannung entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schreibeinheit ferner aufweist: eine erste Schreibelektrode, welche mit der ersten magnetischen Schreibschicht elektrisch verbunden ist; eine zweite Schreibelektrode, welche mit der zweiten magnetischen Schreibschicht elektrisch verbunden ist; und eine dielektrische Schreibschicht, welche zwischen der ersten magnetischen Schreibschicht und der zweiten magnetischen Schreibschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: eine erste Schreibspannung, welche über die erste und zweite Schreibelektrode angelegt wird, bewirkt, dass die magnetische Anisotropie der ersten magnetischen Schreibschicht orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht verläuft; und eine zweite Schreibspannung, welche in zu der ersten Schreibspannung entgegengesetzter Polarität über die erste und zweite Schreibelektrode angelegt wird, bewirkt, dass die magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Schreibschicht orthogonal zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht im Wesentlichen um Eisen (Fe) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei es sich bei der dielektrischen Schreibschicht im Wesentlichen um Magnesiumoxid (MgO) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bereich in der Nähe der Schreibeinheit eine magnetische freie Schicht eines Magnettunnelübergangs (MTJ) aufweist, wobei der Widerstand des Magnettunnelübergangs von der magnetischen Richtung der magnetischen freien Schicht abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, welche ferner eine dielektrische Isolationsschicht aufweist, welche die Schreibeinheit von dem Magnettunnelübergang elektrisch isoliert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Magnettunnelübergang aufweist: eine magnetische Referenzschicht, welche eine magnetische Richtung aufweist, die an eine voreingestellte magnetische Richtung entlang der Ebene der magnetischen Referenzschicht angeheftet ist; und eine dielektrische Tunnelbarriere, welche dafür konfiguriert ist zu ermöglichen, dass Elektronen zwischen der magnetischen Referenzschicht und der magnetischen freien Schicht tunneln.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Magnettunnelübergang aufweist: eine erste MTJ-Elektrode, welche zwischen der dielektrischen Isolationsschicht und der magnetischen freien Schicht angeordnet ist, wobei die erste MTJ-Elektrode mit der magnetischen freien Schicht elektrisch verbunden ist; und eine zweite MTJ-Elektrode, welche mit der magnetischen Referenzschicht elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Magnetfelds, das Verfahren aufweisend: Anlegen einer Schreibspannung über einer ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht, so dass eine magnetische Anisotropie von einer aus der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten geschaltet wird, so dass die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten das Magnetfeld induziert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die magnetische Richtung der ersten magnetischen Schreibschicht, wenn sie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten verläuft, zu der magnetischen Richtung der zweiten magnetischen Schreibschicht, wenn sie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten verläuft, entgegengesetzt ist
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen der Schreibspannung über die erste und zweite magnetische Schreibschicht aufweist: Anlegen eines ersten Spannungspotentials an eine erste Schreibelektrode, wobei die erste Schreibelektrode mit der ersten magnetischen Schreibschicht elektrisch verbunden ist; und Anlegen eines zweiten Spannungspotentials an eine zweite Schreibelektrode, wobei die zweite Schreibelektrode mit der zweiten magnetischen Schreibschicht elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei: eine erste Schreibspannung, welche über die erste und zweite Schreibelektrode angelegt wird, bewirkt, dass die magnetische Anisotropie der ersten magnetischen Schreibschicht orthogonal zu der Ebene der ersten magnetischen Schreibschicht verläuft; und eine zweite Schreibspannung, welche in zu der ersten Schreibspannung entgegengesetzter Polarität über die erste und zweite Schreibelektrode angelegt wird, bewirkt, dass die magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Schreibschicht orthogonal zu der Ebene der zweiten magnetischen Schreibschicht verläuft.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht im Wesentlichen um Eisen (Fe) handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: Einstellen eines Widerstands eines Magnettunnelübergangs (MTJ), welcher in der Nähe einer aus der ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht angeordnet ist, wobei der Widerstand des Magnettunnelübergangs von der magnetischen Richtung einer magnetischen freien Schicht abhängt, welche das induzierte Magnetfeld empfängt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Magnettunnelübergang aufweist: eine magnetische Referenzschicht, welche eine magnetische Richtung aufweist, die an eine voreingestellte Richtung angeheftet ist; und eine dielektrische Tunnelbarriere, welche dafür konfiguriert ist zu ermöglichen, dass Elektronen zwischen der magnetischen Referenzschicht und der magnetischen freien Schicht tunneln.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner aufweisend: Anwenden eines Lesestroms durch die magnetische freie Schicht und die magnetische Referenzschicht.
Speicherzelle in einem Speicherzellenfeld, die Speicherzelle aufweisend: einen Magnettunnelübergang (MTJ), welcher eine magnetische freie Schicht aufweist, wobei der Widerstand des Magnettunnelübergangs von der magnetischen Richtung der magnetischen freien Schicht abhängt; und eine Schreibeinheit, die in der Nähe des Magnettunnelübergangs angeordnet ist, wobei die Schreibeinheit dafür konfiguriert ist, eine magnetische Anisotropie von einer aus einer ersten und zweiten magnetischen Schreibschicht von parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten auf orthogonal zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten zu schalten, so dass die magnetische Schreibschicht mit der magnetischen Anisotropie parallel zu der Ebene der magnetischen Schreibschichten die magnetische Richtung in der magnetischen freien Schicht induziert.
Speicherzelle nach Anspruch 19, welche ferner eine dielektrische Isolationsschicht aufweist, welche die Schreibeinheit von dem Magnettunnelübergang elektrisch isoliert.