DE112020002929T5

DE112020002929T5 - Steuerung der schalttrajektorie in spin-orbit-drehmoment-einheiten

Info

Publication number: DE112020002929T5
Application number: DE112020002929.8T
Authority: DE
Inventors: Timothy Phung; Chirag Garg
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2022-03-03
Also published as: JP2022537980A; GB202200048D0; WO2020254905A1; GB2598699A; US20200402558A1; US10916282B2; GB2598699B; CN113795884A

Abstract

Eine Einheit mit drei Anschlüssen weist einen Magnettunnelübergang (MTJ) und eine Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht auf. Der MTJ weist eine erste magnetische Schicht, eine Tunnelbarriereschicht, die unter der ersten magnetischen Schicht liegt, und eine zweite magnetische Schicht auf, die unter der Tunnelbarriere liegt, wobei die SOT-Erzeugungsschicht direkt unter der zweiten magnetischen Schicht liegt. Die zweite magnetische Schicht weist eine Form auf, die nicht symmetrisch ist, so dass eine mittlere Magnetisierung eines verbleibenden Zustands, der der zweiten magnetischen Schicht zugeordnet ist, eine Komponente in gleicher Ebene aufweist, die orthogonal zu einer Stromrichtung in der SOT-Erzeugungsschicht ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Speicher- und Logikeinheiten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung nicht-flüchtige Spintronic-Speicher- und Logikeinheiten und Schaltungen, welche das Spin-Orbit-Drehmoment-Phänomen nutzen, um die Magnetisierung einer in der Nähe befindlichen magnetischen Schicht umzuschalten.
HINTERGRUND
Derzeit besteht ein großes Interesse an Spintronic-Einheiten mit drei Anschlüssen als potenzielle nicht-flüchtige Ersetzungen für Halbleitereinheiten auf Ladungsbasis in einem Hochgeschwindigkeits-Cache-Speicher (wie z.B. einem statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM)). Der Schreibmechanismus basiert auf der gesteuerten Manipulation von magnetischen Momenten unter Verwendung des Spin-Transfer-Drehmoments (Spin Transfer Torque, STT), das durch Spin-Orbit-Wechselwirkungen erzeugt wird. Ein Ansatz für eine magnetische Speichereinheit mit drei Anschlüssen basiert auf der strominduzierten Bewegung einer Wand einer magnetischen Domäne in einem nanoskopischen Draht - einem Ein-Domänenwand-Racetrack-Speicherelement. Ein zweiter Ansatz ist die Nutzung von SOTs zum Umschalten der Magnetisierung eines benachbarten magnetischen Nanoelements. Bei einem Mechanismus zum Auslesen des magnetischen Zustands in beiden Einheitentypen wird ein Magnettunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) genutzt, der auf dem Tunnel-Magnetwiderstands-Effekt (Tunneling Magnetoresistance Effect, TMR-Effekt) basiert. Andere Auslesemechanismen umfassen den anomalen Hall-Effekt.
Obwohl sie eine größere Gesamt-Standfläche als herkömmliche Spin-Transfer-Drehmoment-Magnet-Direktzugriffsspeicher-MTJ-Einheiten (STT-MRAM-MTJ-Einheiten) mit zwei Anschlüssen aufweisen, können diese Einheiten mit drei Anschlüssen für Hochgeschwindigkeits-Speicheranwendungen von Vorteil sein. Die Trennung der Lese- und Schreibpfade bei den Einheiten mit drei Anschlüssen macht die Optimierung von Materialien und die individuellen Lese- und Schreibschemen deutlich besser lenkbar. Außerdem ist einer der Verschleißmechanismen bei herkömmlichen STT-MRAM-MTJ-Einheiten der dielektrische Durchschlag der Tunnelbarriere, der auftritt, wenn hohe Spannungen, die für eine Hochgeschwindigkeitsoperation benötigt werden, während des Schreibverfahrens über die Tunnelbarriere angelegt werden. Bei Einheiten mit drei Anschlüssen wird dieser Verschleißmechanismus eliminiert, da die Schreib- und Lesepfade getrennt sind.
Diese Einheiten mit drei Anschlüssen basieren überwiegend auf dem Umschalten von magnetischen Nanoelementen unter Verwendung von spin-polarisierten Strömen, die in einer in der Nähe befindlichen nicht-magnetischen metallischen Schicht durch den Spin-Hall-Effekt erzeugt werden. Der Spin-Hall-Effekt wandelt Ströme mit longitudinaler elektrischer Ladung in Ströme mit transversalem Spin um. Für Hochgeschwindigkeits-Cache-SpeicherAnwendungen ist es erforderlich, dass die Ersetzungseinheit sowohl einen zuverlässigen Betrieb als auch schnelle Schaltzeiten aufweist. Bei der herkömmlichen Konfiguration mit Einheiten mit drei Anschlüssen liegen die einfachen Achsen der strominduzierten Spin-Polarisation und der Magnetisierung in derselben Ebene und sind zueinander kollinear. Obwohl in dieser Konfiguration ein deterministisches Schalten erreicht werden kann, ist der zuverlässige Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit kurzen Zeitskalen schwierig zu erreichen, da thermische Fluktuationen benötigt werden, um das Schaltverfahren zu initiieren. Dieses Phänomen ist bei herkömmlichen STT-MRAM-Einheiten mit zwei Anschlüssen wohlbekannt und ist das, was bei einem Schalten unterhalb von 10 ns zu sogenannten „Weißfehlerraten“ führt.
Bei modernen Computersystemen, welche die Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (CMOS-Technologie) nutzen, sind die Einheiten, die zur Ausführung von Rechenaufgaben nahe dem logischen Kern verwendet werden, umfassend die Registerdatei, Cache-Speicher und Hauptspeicher, alle flüchtig. Daher müssen die digitalen Informationen, die in diesen Einheiten gehalten werden, auf eine nicht-flüchtige periphere Speicherschaltung übertragen werden. Dieses Datenübertragungsverfahren bewirkt ein beträchtliches Maß an Laufzeitverzögerung. Ferner ist die Zugriffsgeschwindigkeit auf diese nicht-flüchtigen Einheiten deutlich geringer als die auf den Speicher, der nahe dem logischen Kern angeordnet ist. Somit besteht ein Bedarf für nicht-flüchtige Hochgeschwindigkeits-Speicher- und Logikschaltungen, die in nächster Nähe angeordnet werden können.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, eine Verbesserung gegenüber Systemen und Verfahren des Standes der Technik zu erreichen.
KURZDARSTELLUNG
In einer Erscheinungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Einheit mit drei Anschlüssen bereit, aufweisend: (a) einen Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der MTJ aufweist: (i) eine erste magnetische Schicht; (ii) eine Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine zweite magnetische Schicht, welche unter der Tunnelbarriere liegt; (b) eine Spin-Orbit-Drehmoment(Spin Orbit Torque, SOT)-Erzeugungsschicht, wobei die SOT-Erzeugungsschicht direkt unter der zweiten magnetischen Schicht liegt; und wobei die zweite magnetische Schicht eine Form aufweist, die nicht symmetrisch ist, so dass eine mittlere Magnetisierung eines verbleibenden Zustands, der der zweiten magnetischen Schicht zugeordnet ist, eine Komponente in gleicher Ebene aufweist, die orthogonal zu einer Stromrichtung in der SOT-Erzeugungsschicht ist.
In einer anderen Erscheinungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Einheit bereit, aufweisend: (a) einen ersten Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der erste MTJ aufweist: (i) eine erste magnetische Schicht; (ii) eine erste Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine zweite magnetische Schicht, welche unter der Tunnelbarriere liegt; (b) einen zweiten Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der zweite MTJ aufweist: (i) eine dritte magnetische Schicht; (ii) eine zweite Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine vierte magnetische Schicht, welche unter der Tunnelbarriere liegt; (c) eine gemeinsame Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht, wobei die gemeinsame SOT-Erzeugungsschicht direkt sowohl unter der zweiten magnetischen Schicht des ersten MTJ als auch unter der vierten magnetischen Schicht des zweiten MTJ liegt; wobei ein SOT, das in der gemeinsamen SOT-Erzeugungsschicht erzeugt wird, einen ersten magnetischen Zustand in der zweiten magnetischen Schicht einstellt und einen zweiten magnetischen Zustand in der vierten magnetischen Schicht einstellt, wobei der erste magnetische Zustand dem zweiten magnetischen Zustand entgegengesetzt ist.
In noch einer anderen Erscheinungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, aufweisend: (a) Bereitstellen einer Einheit mit drei Anschlüssen, welche in der Reihenfolge eine Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht, eine in gleicher Ebene magnetisierte freie Schicht, deren magnetisches Moment mit einem Spin-Transfer-Drehmoment umgeschaltet werden kann, das durch die SOT-Erzeugungsschicht erzeugt wird, eine Tunnelbarriere und eine magnetische Referenzschicht umfasst, deren Orientierung während des Betriebs der Einheit fest bleibt, wobei: Schreib-plus- und Schreib-minus-Anschlüsse mit gegenüberliegenden Enden der SOT-Erzeugungsschicht in elektrischem Kontakt stehen; ein Leseanschluss mit der magnetischen Referenzschicht in elektrischem Kontakt steht und die magnetische freie Schicht eine Form aufweist, die nicht symmetrisch ist, so dass eine mittlere Magnetisierung des verbleibenden Zustands der freien Schicht eine Komponente in gleicher Ebene aufweist, die orthogonal zu der Stromrichtung ist; und (b) Weiterleiten von Strom entlang der SOT-Erzeugungsschicht zwischen ihren Anschlüssen, wodurch der magnetische Zustand der magnetischen freien Schicht sogar in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds umgeschaltet wird, wenn die Richtung des weitergeleiteten Stroms entlang der einfachen Achse der magnetischen freien Schicht orientiert ist.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird gemäß einem oder mehreren verschiedenen Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben. Die Zeichnungen werden lediglich zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt und zeigen nur Beispiele für die Offenbarung. Diese Zeichnungen werden bereitgestellt, um es dem Leser zu vereinfachen, die Offenbarung zu verstehen, und sie sollten nicht so angesehen werden, dass sie die Breite, den Umfang oder die Anwendbarkeit der Offenbarung beschränken. Es sei angemerkt, dass diese Zeichnungen zum Zwecke der Klarheit und einer einfachen Darstellung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.

1A zeigt das schematische Schaubild einer SOT-Einheit mit drei Anschlüssen in der D_xx-Konfiguration, wobei die einfache Achse des magnetischen Nanoelements entlang der x-Richtung verläuft und der Strom I_x kollinear zu der Richtung der einfachen Achse fließt.
1B zeigt das schematische Schaubild der SOT-Einheit mit drei Anschlüssen in der D_xy-Konfiguration, wobei die einfache Achse des magnetischen Nanoelements entlang der x-Richtung verläuft und der Strom I_y orthogonal zu der Richtung der einfachen Achse fließt.
1C zeigt ein schematisches Schaubild der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das magnetische Nanoelement eine nicht-symmetrische Form aufweist.
2A zeigt nach der Zeit aufgelöste Magnetisierungsabbildungen aus mikromagnetischen Simulationen, welche ein nicht erfolgendes Schalten in der D_xx-Konfiguration zeigen, wenn ein 500 ps langer positiver Stromimpuls an die W(O)-Schicht angelegt wird.
2B zeigt die Stromimpulse, die in mikromagnetischen Simulationen verwendet werden.
3A und 3B veranschaulichen nach der Zeit aufgelöste Magnetisierungsabbildungen aus mikromagnetischen Simulationen, welche ein strominduziertes Schalten in rechtwinkligen trapezförmigen strukturierten Elementen mit einem linken Schenkel mit negativer Steigung zeigen (D_xx-). Ein strominduziertes Schalten aus dem +x- und dem -x-Zustand erfolgt mit einem positiven bzw. negativen Strom nach dem Anlegen eines Stromimpulses von 500 ps.
4A bis 4B zeigen die Magnetisierungskonfiguration des verbleibenden Zustands für eine rechteckige D_xx-Einheit ohne Defekte für die Magnetisierungsrichtungen +x bzw. -x.
4C bis 4D zeigen den Endzustand der Magnetisierungsabbildung nach dem Anlegen eines Stromimpulses von 500 ps für Stromimpulse positiver bzw. negativer Polarität.
4E zeigt die zeitliche Entwicklung einer mittleren Magnetisierung <m_x> unter positiven und negativen Stromimpulsen.
5A bis 5B zeigen die Magnetisierungskonfiguration des verbleibenden Zustands für eine rechteckige D_xx-Einheit mit einem Defekt am unteren linken Rand für die Magnetisierungsrichtungen +x bzw. -x.
5C bis 5D zeigen den Endzustand der Magnetisierungsabbildung nach dem Anlegen eines Stromimpulses von 500 ps für Stromimpulse positiver bzw. negativer Polarität.
5E zeigt die zeitliche Entwicklung der mittleren Magnetisierung <m_x> unter positiven und negativen Stromimpulsen.
6A bis 6B zeigen die Magnetisierungskonfiguration des verbleibenden Zustands für eine rechteckige D_xx-Einheit mit einem Defekt am oberen linken Rand für die Magnetisierungsrichtungen +x bzw. -x.
6C bis 6D zeigen den Endzustand der Magnetisierungsabbildung nach dem Anlegen eines Stromimpulses von 500 ps für Stromimpulse positiver bzw. negativer Polarität.
6E zeigt die zeitliche Entwicklung der mittleren Magnetisierung <m_x> unter positiven und negativen Stromimpulsen.
7A bis 7B zeigen die Magnetisierungskonfiguration des verbleibenden Zustands für eine rechteckige D_xx-Einheit mit symmetrischen Defekten für die Magnetisierungsrichtungen +x bzw. -x, welcher eine Stabilisierung des C-Zustands zeigt.
7C bis 7D zeigen den Endzustand der Magnetisierungsabbildung nach dem Anlegen eines Stromimpulses von 500 ps für Stromimpulse positiver bzw. negativer Polarität.
7E zeigt die zeitliche Entwicklung der mittleren Magnetisierung <m_x> unter positiven und negativen Stromimpulsen.
8A veranschaulicht die zeitliche Entwicklung von <m_x> für verschiedene Stromimpulse für eine D_xx--Einheit.
8B zeigt den Stromimpuls und die Magnetisierung gegen die Zeit für den 200-ps-Fall, wobei ein vierstufiges Magnetisierungsumkehrverfahren dargestellt ist.
9A zeigt die Magnetisierungskonfiguration des Anfangszustands für eine rechtwinklige trapezförmige Einheit des D_xx-Typs, berechnet durch mikromagnetische Simulationen.
9B zeigt Magnetisierungsabbildungen, welche die Entwicklung der Magnetisierung für ein nicht-schaltendes Ereignis mit einer Stromimpulsbreite von 100 ps zeigen.
9C zeigt die Magnetisierungsabbildungen, welche die Entwicklung der Magnetisierung für ein schaltendes Ereignis mit einer Stromimpulsbreite von 200 ps zeigen.
10A zeigt den zeitlichen Verlauf von <m_x> für verschiedene Stromimpulse für eine D_xy-Einheit.
10B zeigt die Magnetisierungsabbildungen, welche die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung für ein schaltendes Ereignis mit einem Stromimpuls von 600 ps zeigen.
11A bis 11B zeigen die SEM-Bilder der D_xx-- und D_xx+-Einheiten, die in der Form von rechtwinkligen Trapezen strukturiert sind.
11C bis 11D zeigen jeweils die Magnetisierung des verbleibenden Zustands, berechnet aus mikromagnetischen Simulationen, für D_xx-- bzw. D_xx+-Einheiten.
12A bis 12B veranschaulichen die gemessenen RH-Schleifen für die D_xx-- bzw. D_xx+-Einheiten, wobei eingesetzte Symbole die Orientierung der Magnetisierung der Referenzschicht und der freien Schicht zeigen.
12C bis 12D veranschaulichen die gemessenen RI-Schleifen für die D_xx-- bzw. D_xx+-Einheiten, wobei eingesetzte Symbole die Orientierung der Magnetisierung der Referenzschicht und der freien Schicht zeigen.
13A und 13B zeigen die Ergebnistabelle, welche Bedingungen für ein Schalten und Nicht-Schalten für die D_xx-- bzw. D_xx+-Einheiten zusammenfasst.
14 veranschaulicht ein Schema einer nicht-flüchtigen Inverter-Schaltung (NICHT-Gate), realisiert mit spiegelbildlichen D_xx-- bzw. D_xx+-Einheiten, die in Reihe geschaltet sind und eine gemeinsame W(O)-Schicht aufweisen.
15A bis 15B veranschaulichen einen äquivalenten Schaltplan der nicht-flüchtigen Inverter-Schaltungen (NICHT-Gates) im Schreib- bzw. im Lesemodus.
15C bis 15D zeigen eine nicht-beschränkende Realisierung eines NAND-Gate im Schreib- und Lesemodus.
15E bis 15F zeigen eine nicht-beschränkende Realisierung eines NOR-Gate im Schreib- und Lesemodus.
16 zeigt eine Ergebnistabelle, welche den Betrieb nicht-flüchtiger Inverter beschreibt.
17 zeigt die experimentelle Demonstration eines Inverter-Betriebs, basierend auf der Reihenschaltung von D_xx-- und D_xx+-Einheiten. Es sind die Eingabespannung, der Widerstand beider Einheiten und die Ausgabespannung als eine Funktion einer Anzahl von Iterationen aufgetragen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung in bevorzugten Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wird, kann die Erfindung in vielen anderen Konfigurationen hergestellt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen abgebildet und wird hierin detailliert beschrieben, wobei es sich versteht, dass die vorliegende Offenbarung als eine Erläuterung der Prinzipien der Erfindung und der zugehörigen funktionellen Spezifikationen für ihre Konstruktion anzusehen ist und die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt sein soll. Der Fachmann erkennt viele andere mögliche Variationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Man beachte, dass in der vorliegenden Beschreibung Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass das Merkmal, auf das Bezug genommen wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Ferner beziehen sich getrennte Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ in der vorliegenden Beschreibung nicht notwendigerweise auf die gleiche Ausführungsform; genauso wenig sind solche Ausführungsformen wechselseitig ausschließlich, sofern dies nicht angegeben ist oder sofern dies nicht für den Fachmann leicht ersichtlich ist. Somit kann die vorliegende Erfindung eine beliebige Vielfalt von Kombinationen und/oder Integrationen der hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen.
1A zeigt eine schematische Konfiguration einer Einheit mit drei Anschlüssen zum Umschalten eines magnetischen Nanoelements mit Spin-Orbit-Drehmomenten. Diese Konfiguration mit drei Anschlüssen wird als Typ D_xx bezeichnet, wobei der erste Index die einfache Achse der Magnetisierung des magnetischen Nanoelements bezeichnet und der zweite Index die Stromrichtung bezeichnet. Das umzuschaltende magnetische Nanoelement bildet einen Teil einer MTJ-Struktur und das magnetische Nanoelement steht in direktem Kontakt mit einer Schicht, die beim Anlegen von Strom durch sie hindurch SOTs erzeugt. Diese Schicht wird durchgängig als die Spin-Orbit-Schicht bezeichnet.
Die Einheit mit drei Anschlüssen 100 weist (a) einen Magnettunnelübergang (MTJ) 102, wobei der MTJ 102 aufweist: (i) eine erste magnetische Schicht 104; (ii) eine Tunnelbarriereschicht 106, welche unter der ersten magnetischen Schicht 104 liegt; und (iii) eine zweite magnetische Schicht 108, welche unter der Tunnelbarriere 106 liegt; und (b) eine Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht 110 auf, wobei die SOT-Erzeugungsschicht 110 direkt unter der zweiten magnetischen Schicht 108 liegt. In 1A sind die Magnetisierungsrichtung in dem MTJ und die Richtung der strominduzierten Spin-Polarisation in der SOT-Erzeugungsrichtung orthogonal zueinander. Außerdem sind in 1A ein erster Kontakt und ein zweiter Kontakt an gegenüberliegenden Enden in der SOT-Erzeugungsschicht 110 angeordnet und ein dritter Kontakt ist auf der ersten magnetischen Schicht 104 angeordnet.
Beispiele für Materialien, die für die erste magnetische Schicht zu verwenden sind, umfassen synthetische antiferromagnetische Schichten, welche zum Beispiel aus Legierungen auf CoFe-Basis zusammengesetzt sind, die durch Ru-Schichten getrennt sind, und Schichten mit Exchange Bias (Austauschwechselwirkungen), wobei eine dünne ferromagnetische Schicht, die aus Legierungen auf CoFe-Basis besteht, in Nachbarschaft zu einem Antiferromagneten wie IrMn oder PtMn angeordnet ist. Die Tunnelbarriere ist typischerweise aus MgO aufgebaut und die zweite magnetische Schicht ist ebenfalls aus Legierungen auf CoFe-Basis aufgebaut. Nicht-beschränkende Beispiele für Materialien, die für magnetische Schichten verwendet werden, umfassen CoFe-Legierungen (z.B. CoFeB) und NiFe-Legierungen (z.B. Ni₈₀Fe₂₀).
Die Spin-Orbit-Schicht ist an ihren zwei Enden elektrisch derart verbunden, dass, wenn eine Spannungsquelle angeschlossen wird, der Strom (I_x), der in der Spin-Orbit-Schicht fließt, in eine Richtung parallel zu der einfachen Achse der zu ihr benachbarten magnetischen freien Schicht wandert und Spin-Orbit-Drehmomente (SOT) in der magnetischen Schicht erzeugt. Dieser Leitungskanal ist der Schreibpfad. Der Mechanismus hinter der SOT-Erzeugung in dieser Einheit ist durch den Spin-Hall-Effekt, welcher in Schwermetallen wie Pt, W und Ta und deren Legierungen auftritt. In einem nichtbeschränkenden Beispiel ist die SOT-Erzeugungsschicht eine mit Sauerstoff dotierte Wolframschicht W(O), welche durch reaktives Sputtern einer dünnen Wolfram-Dünnschicht in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt wird. Es ist experimentell demonstriert worden, dass dieses Material einen Spin-Hall-Winkel von -50 % ergibt. Der dritte Anschluss der Einheit ist mit der Oberseite des MTJ verbunden, so dass der Widerstandszustand des MTJ durch magnetoresistives Auslesen aus dem Tunnel-Magnetwiderstandseffekt festgestellt werden kann. Das Auslesen kann durch Fließenlassen von Strom durch einen der Schreibanschlüsse und den mit der Oberseite des MTJ verbundenen Anschluss erfolgen. In der bevorzugten Ausführungsform werden Stromimpulse einer ausreichenden Stromdichte und eines Zeitmaßstabs von Nanosekunden an den Schreibkanal angelegt und in Abhängigkeit von der Richtung des Stroms kann der magnetische Zustand des MTJ zusammen mit seinem daraus folgenden Widerstandszustand eingestellt werden.
1B zeigt zum Vergleich das Verfahren des Standes der Technik zum Umschalten eines magnetischen Nanoelements in der Konfiguration mit drei Anschlüssen. Wir bezeichnen diese Konfiguration mit drei Anschlüssen als Typ D_xy.
Beim D_xx-Typ der Einheit sind die Magnetisierung und die strominduzierte Spin-Polarisation orthogonal zueinander, wenn das SOT anfänglich angewendet wird. Im Gegensatz dazu sind für die D_xy-Einheit (1B) die Magnetisierung und die Spin-Polarisation im Anfangszustand kollinear zueinander. Es ist nicht zu erwarten, dass in der D_xx-Einheit ein Umschalten erfolgt, da das SOT die Magnetisierung nur in Richtung der schwierigen Achse in gleicher Ebene (±y-Richtung) dreht. Bei Abstellen des Stroms durch die W(O)-Schicht in der D_xx-Einheit dreht sich die Magnetisierung auf ihre Anfangsrichtung zurück.
1C zeigt ein schematisches Schaubild der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das magnetische Nanoelement eine nicht-symmetrische Form aufweist. Das magnetische Nanoelement weist eine Form auf, die nicht-symmetrisch ist, so dass die mittlere Magnetisierung des verbleibenden Zustands eine Komponente in gleicher Ebene aufweist, die orthogonal zu der Stromrichtung ist. Die Stromrichtung und die einfache Achse des magnetischen Nanoelements sind in der bevorzugten Ausführungsform kollinear.
2A veranschaulicht die durch nach der Zeit aufgelöste mikromagnetische Simulationen des SOT-Umschaltens eines Elements von 200 nm x 100 nm in der D_xx-Konfiguration unter einem 500 ps langen positiven Stromimpuls, der in 2B dargestellt ist. Bei dieser Simulation wird das SOT als ein dämpfungsartiges Drehmoment modelliert, welches aus dem Spin-Hall-Effekt stammt. Wie erwartet, zeigt die mikromagnetische Simulation, dass sich die Magnetisierung in Richtung der schwierigen Achse in gleicher Ebene der Einheit dreht (±y-Richtung für einen entsprechenden ±/_x-Strom) (2A oberes rechtes Feld). Der dämpfungsartige Beitrag des SOT (gegeben durch $\vec{τ} = a_{j} \vec{m} \times (\vec{p} \times \vec{m}),$
wobei $\vec{τ}$
das STT ist, a_j der dämpfungsartige Spin-Drehmoment-Parameter ist, $\vec{m}$
die normierte Magnetisierung ist und $\vec{p}$
die Spin-Polarisation ist) verschwindet, wenn sich die Magnetisierung in Richtung der Spin-Polarisation dreht. Somit kann die Magnetisierung nicht über die Orientierung der schwierigen Achse hinaus getrieben werden und demzufolge gibt es keine Magnetisierungsumkehr, ungeachtet der Polarität des Stroms, der an die W(O)-Schicht angelegt wird (2B).
Während diese Simulationen bei Nulltemperatur durchgeführt werden, können thermische Fluktuationen bei endlicher Temperatur eine Umkehr der Magnetisierung antreiben, da die Energiebarriere dafür, dass sich die Magnetisierung in Richtung der ±x-Richtung dreht, unterdrückt wird, wenn die Magnetisierung in der Richtung der schwierigen Achse ausgerichtet ist. Ein solcher Umkehrmechanismus ist jedoch stochastisch und für technische Anwendungen nicht geeignet. Die Rolle der thermischen Fluktuationen beim Schaltverfahren für D_xy- und D_xx-Einheiten ist somit komplementär. Für die D_xy-Einheit sind thermische Fluktuationen für ein Auslösen einer Schaltdynamik verantwortlich, wenn sich aber der Kegelwinkel für die Magnetisierungspräzession für die Umkehr aufbaut, nimmt die Stärke des SOT zu, was das Umkehrverfahren antreibt. Bei der D_xx-Einheit löst das SOT das Schaltverfahren aus, aber thermische Schwankungen bauen einen anfänglichen Vorspannungspunkt für die nachfolgende Magnetisierungsumkehr auf, die nach dem Anlegen von Strom an die W(O)-Schicht erfolgt.
Basierend auf dieser Erkenntnis kann ein deterministisches Schalten in der D_xx-Konfiguration auftreten, wenn es ein inneres magnetisches Feld gibt, um ein Umkehrverfahren auszulösen, wenn die Magnetisierung durch SOT in Richtung eines Zwischenzustands der schwierigen Achse gebracht wird. Somit kann ein schnelles Schalten erfolgen, ohne dass entweder an Anfangspunkten oder an Zwischenpunkten der Schalttrajektorien thermische Fluktuationen erforderlich sind.
Mikromagnetische Simulationen eines magnetischen Nanoelements, welches die Form eines rechtwinkligen Trapezes aufweist, sind in 3A bis 3B dargestellt und werden den gleichen Stromimpulsen ausgesetzt wie in 2B. Mikromagnetische Simulationen zeigen, dass die Drehung der Magnetisierung in Richtung der schwierigen Achse in gleicher Ebene unter SOT im breiteren Abschnitt des Trapezes stärker ist, während die Magnetisierung im schmalen Abschnitt des Trapezes bevorzugt, tangential auf die Grenze des Nanoelements zu zeigen (3A bis 3B 500 ps Zeitrahmen). Dies resultiert daraus, dass die Formanisotropie-Energiedichte im schmaleren Bereich des Trapezes höher ist. In Abhängigkeit von der Polarität des Stromimpulses weist die Magnetisierung an der Trapezspitze entweder eine Komponente entlang der anfänglichen Magnetisierungsrichtung oder dieser entgegengesetzt auf (3A bis 3B vergleichen die Magnetisierung bei 500 ps für ±/_x). Die bevorzugte Momentorientierung wird durch die inneren effektiven Magnetfelder des Nanoelements bestimmt und entspringt überwiegend den magnetostatischen Wechselwirkungen und den Austauschwechselwirkungen.
Dies ist auch im verbleibenden Zustand des Nanoelements zu beobachten, wobei die Magnetisierung des geneigten Randes des Trapezes mit dem Magnetisierungszustand der rechtwinkligen Zone korreliert ist. Eine Magnetisierungsumkehr kann durch Anwachsen der Domäne erfolgen, beginnend an der oberen linken Ecke nach einem Abstellen des Stromimpulses. Wenn die Magnetisierung eine Komponente entlang dergleichen Richtung wie der Anfangszustand in der Trapezspitze aufweist, dann erfolgt kein Schalten. Ähnliche Argumente gelten in dem Fall, wenn die Magnetisierung bei der -x-Orientierung beginnt, wobei eine Umkehr nur mit einem negativen Strom auftritt (3B). Ferner werden im Fall eines rechtwinkligen Trapezes, wobei der linke Schenkel eine positive Steigung aufweist, die Ströme, die zum Umschalten in die ±x-Konfigurationen benötigt werden, ±/_x. Die Schaltstromstärke ist bei diesen Mechanismen für ein Schalten in die ±x-Zustände äquivalent. Somit kann in der D_xx-Einheit ein deterministisches Schalten mit gesteuerter Schaltstrompolarität ohne ein externes magnetisches Feld erreicht werden, indem die Probengeometrie so konstruiert wird, dass das innere magnetische Feld das Umkehrverfahren auslösen kann.
In der Tat beeinträchtigt sogar das Vorliegen kleiner lithographischer Defekte, welche routinemäßig aufgrund von Linienrandrauheiten auftreten, den mikromagnetischen Zustand in der D_xx-Konfiguration deutlich genug, um ihre Schaltdynamik zu beeinträchtigen. Um dies zu veranschaulichen, werden drei verschiedene magnetische Nanoelemente der Abmessungen 200 nm x 100 nm in der D_xx-Konfiguration betrachtet, wobei identische Stromimpulse wie jene angelegt werden, die in den Simulationen verwendet werden, die in 2B dargestellt sind. Im ersten Fall (4A bis 4E) ist das Nanoelement ein perfektes Rechteck, aber in den anderen zwei Fällen wird ein Defekt in Form eines fehlenden Voxels, das eine Größe von 6 nm x 6 nm aufweist, entweder an der oberen linken (5A bis 5E) oder an der unteren linken (6A bis 6E) Ecke des Nanoelements eingeführt. Jede Figur (4A bis 4B, 5A bis 5B, 6A bis 6B) zeigt den entspannten Zustand der Magnetisierung für die jeweilige Struktur. Diese Einheiten werden in der folgenden Erörterung als die Einheiten #1, #2 und #3 bezeichnet.
Im entspannten Zustand der Einheit #1 ist die Nettomagnetisierung entlang der y-Achse, < m_y>, gleich Null, obwohl sich die Momente unter dem Einfluss des entmagnetisierenden Felds in Richtung der Ränder winden. Wenn ein Stromimpuls durch die W(O)-Schicht gelegt wird, bewirkt das dämpfungsartige Drehmoment aus dem SOT, dass sich die Magnetisierung vorübergehend in Richtung der Richtung orthogonal zu der einfachen Achse dreht. Wenn der Stromimpuls abgestellt wird, entspannt sich die Magnetisierung in Richtung der einfachen Achse in die gleiche Orientierung wie im Anfangszustand des Nanoelements, wie im Endzustand der Magnetisierung nach dem Anlegen eines positiven (+I_x) und eines negativen (-I_x) Stromimpulses dargestellt (4C bzw. 4D). Dieses dynamische Verfahren ist in der zeitlichen Entwicklung des räumlichen Mittelwerts der Magnetisierung in dem Nanoelement < m_x> nach dem Anlegen der Stromimpulse dargestellt (4E). Hier erfolgt kein Schalten, da, wenn das SOT die Magnetisierung orthogonal zu der einfachen Achse bringt, keine weiteren Drehmomente vorhanden sind, um eine Drehung der Magnetisierung zu bewirken.
Im Fall der Einheit #2 (5A bis 5B) wird an der unteren linken Ecke ein Defekt eingeführt und der entspannte Magnetisierungszustand erhält eine begrenzte m_y-Komponente in der Form von Randdomänen in dem Nanoelement. Der hier dargestellte entspannte Zustand wird als der S-Zustand bezeichnet. Es sei angemerkt, dass die m_y-Komponente mit dem Zustand der m_x-Komponente korreliert ist (das heißt, der S-Zustand weist zwei verschiedene Orientierungen auf). Dieser S-Zustand wird aufgrund der Anordnung des Defekts stabilisiert, welcher innere magnetostatische Felder induziert und die Symmetrie entlang der y-Achse durchbricht. Nach dem Anlegen eines Stromimpulses dreht sich die Magnetisierung in Richtung der Spin-Anhäufungsrichtung. Jedoch stellt das Entmagnetisierungsfeld, das durch den geometrischen Randdefekt induziert wird, ein zusätzliches Drehmoment bereit, um die Umkehr anzutreiben. Somit ist nach dem Abstellen des Stromimpulses ein Umschalten zu beobachten (5C). Für die entgegengesetzte Polarität des Stromimpulses (5D) wirken die inneren Felder in +x-Richtung und es ist kein Umschalten zu beobachten. Die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung während dieses Schaltverfahrens ist in 5E zusammengefasst. Hier ist auch die „quasi-ballistische“ Natur des Schaltverfahrens ersichtlich.
Der Defekt ist für die Einheit #3 am gegenüberliegenden Rand angeordnet und somit ist die Richtung der inneren magnetostatischen Felder entgegengesetzt. Es sei angemerkt, dass die Orientierung des S-Zustands in dem verbleibenden Zustand der Magnetisierung zu dem zweiten Fall entgegengesetzt ist (6A und 6B). Als eine Folge der Position des Defekts sind nicht nur die verbleibenden Zustände unterschiedlich, sondern es ist auch das Schaltverhalten in Bezug auf die Strompolarität umgekehrt (6C bis 6D). Somit ist die Position dieser kleinen lithographischen Defekte entscheidend bei der Beeinflussung sowohl des verbleibenden Zustands als auch der Polarität des Schaltstroms und der Schalttrajektorie insgesamt.
Ein auffälliges Merkmal des D_xx-Schaltverfahrens ist, dass das Schaltverfahren durch eine monotone Entwicklung von <m_x> sowie eine kohärente Drehung der Momente über die gesamte freie Schicht gekennzeichnet ist (wie durch die Auftragungen der zeitlichen Entwicklung der Magnetisierung dokumentiert (5E und 6E)). Im Gegensatz dazu zeigen die D_xy-Einheiten eine nicht-monotone zeitliche Entwicklung von <m_x> sowie eine nicht-kohärente Umkehr, umfassend viele metastabile Zustände. Als ein Ergebnis können die Schaltzeiten für D_xy im Vergleich zu D_xx viel länger sein.
Es sei auch angemerkt, dass in dem Fall, wenn die Defekte symmetrisch zu der Einheitengeometrie angeordnet sind und einen gemeinsamen Rand aufweisen, kein Schalten erfolgt. Ferner angemerkt sei, dass, wenn das Trapez vollständig zu der x-Achse symmetrisch ist, kein Schalten erfolgt, da sich die Magnetisierung an den zwei Rändern des Nanoelements in entgegengesetzte Richtungen dreht. In diesem Fall entspricht die Magnetisierung des verbleibenden Zustands einem C-Zustand (7A bis 7B). Entsprechend zeigen die Randdomänen sowohl im verbleibenden Zustand als auch nach dem Anlegen des Stromimpulses in die entgegengesetzte Richtung. Bei dem Anlegen des Stromimpulses an die Spin-Orbit-Schicht stellen die Entmagnetisierungsfelder, die durch die Defekte induziert werden, Drehmomente an den Rändern des Nanoelements in entgegengesetzte Richtungen bereit. Somit wird am Ende des Stromimpulses keine Nettokomponente m_x erzeugt und es erfolgt kein Schalten (7C bis 7E).
Mikromagnetische Simulationen zeigen außerdem, dass das D_xx-Schaltverfahren, das auf diesem Mechanismus basiert, schneller sein kann als das D_xy-Schaltverfahren, wie durch eine monotone Entwicklung des räumlichen Mittelwerts der Magnetisierung des Nanoelements <m_x> in Bezug auf die Zeit charakterisiert. Mikromagnetische Simulationen wurden durchgeführt, um die Schaltdynamik mit schnellem Zeitmaßstab einer rechtwinkligen trapezförmigen Einheit (insbesondere einer Einheit des D_xx--Typs) zu verstehen. Der räumliche Mittelwert der normierten Magnetisierungskomponente in der x-Richtung < m_x> ist in 8A für verschiedene Stromimpulse, wobei die Stromimpulsbreiten von 100 ps bis 400 ps reichen, für Strom, der in der +x-Richtung fließt, als eine Funktion der Zeit aufgetragen. Der Anfangszustand der Magnetisierung ist bei jeder Simulation vorwiegend in der x-Richtung orientiert, wie in 9A in der Momentaufnahme aus der mikromagnetischen Simulation veranschaulicht.
Das Schaltverfahren erfolgt in vier Schritten, welche in dem zeitlichen Ablauf identifiziert werden können, und wird für den Fall eines Stromimpulses von 200 ps umrissen (8B). 1) Die Magnetisierung wird zuerst durch das SOT von der +x-Richtung in Richtung der +y-Richtung gedreht. 2) Wenn in diesem Fall nach 200 ps der Strom abgestellt wird, erhält die Magnetisierung aufgrund der Formanisotropie, die durch die rechtwinklige Trapezform induziert wird, eine geringe Komponente in der umgekehrten Richtung, wie im Haupttext beschrieben. 3) Die Magnetisierungsumkehr erfolgt durch Anwachsen einer Domänenwand. 4) Die Magnetisierung entspannt sich durch Präzession um ihren Gleichgewichtszustand auf ihren abschließenden Gleichgewichtszustand. Über diesen Mechanismus kann ein schnelles Schalten mit Impulsbreiten von nicht mehr als 150 ps erhalten werden (vgl. 8A, durchgezogene schwarze Linie). Ferner sei angemerkt, dass das Schalten „quasi-ballistisch“ ist und das Schalten nahezu innerhalb eines Präzessionszyklus erreicht wird. Die Entspannung der Magnetisierung im Schritt 4) umfasst jedoch mehrere Präzessionen, ist allerdings deterministisch. Anders als bei anderen Schaltschemen mit schnellem Zeitmaßstab, wobei nicht-kollineare Momente genutzt werden, ist dieses Schema nicht für die Breite des eingesetzten Stromimpulses empfindlich, wenn der Stromimpuls eine kritische Impulsbreite überschreitet.
9B und 9C vergleichen die Schaltdynamik für ein nicht-schaltendes und ein schaltendes Ereignis. Im Fall der Stromimpulsbreite von 100 ps, wobei kein Schalten erfolgt, dreht sich die Magnetisierung aufgrund des SOT in Richtung der +y-Richtung, hat aber nicht genug Zeit, um sich derart neu zu orientieren, dass sie vollständig orthogonal zur Stromrichtung angeordnet ist. Demzufolge entwickelt die Magnetisierung am Ende des Stromimpulses keine Komponente entlang der Umkehrrichtung. Die Rückkehr der Magnetisierung in Richtung ihrer Anfangsrichtung beginnt bei einer Domäne, die an der oberen rechten Ecke des Nanoelements gebildet wird. Dieser Rand wird bei der niedrigeren Formanisotropiedichte bevorzugt. Im Gegensatz dazu hat sich für den Fall von 200 ps am Ende des Stromimpulses die Magnetisierung orthogonal zu der Stromrichtung gedreht und entwickelt eine Komponente entlang der Umkehrrichtung, wobei es dies ist, was später den Keimbildungspunkt für die Umkehrdomäne bildet, die von der oberen linken Ecke des Nanoelements hereinkommt. Die Magnetisierung wird innerhalb eines Präzessionszyklus umgeschaltet und umfasst keine Vortex-Zustände.
Im Gegensatz dazu erfordert das Schalten von D_xy-Einheiten bei der gleichen Stromdichte mehrere Präzessionszyklen während des Umkehrverfahrens und umfasst viele metastabile Vortex-Zustände. An der D_xy-Einheit wurden mikromagnetische Simulationen durchgeführt, um ihre Schaltdynamik mit der D_xx-Einheit zu vergleichen. Die Simulationen wurden an einer rechteckigen Einheit der Abmessungen 200 nm x 100 nm durchgeführt, identisch mit der D_xx-Einheit, die in 4A bis 4E betrachtet wird, und für Stromimpulslängen im Bereich von 200 ps bis 1200 ps. Die Entwicklung von <m_x> mit der Zeit (10A) während des Stromimpulses ist nicht monoton. Überdies umfasst die D_xy-Einheit viele Präzessionszyklen für ein Schalten, während die D_xx-Einheit innerhalb eines Präzessionszyklus schaltet.
Nach der Zeit aufgelöste Magnetisierungsabbildungen aus den Simulationen zeigen, dass das Magnetisierungsumkehrverfahren bei einem Stromimpuls von 600 ps für D_xy komplex und inkohärent ist, umfassend einen nicht-einheitlichen Magnetisierungszustand mit der Keimbildung von vielen Vortices (10B). Im Gegensatz dazu umfassen die Magnetisierungsabbildungen, wie in 9B für die D_xx-Einheit dargestellt, nicht die Anregung von Spinwellen-Modi hoher Ordnung und sind kohärenter. In der Tat ist es die Anregung dieser Modi, die zu einem nicht-monotonen Umkehrverfahren führt und längere Stromimpulse benötigt, um ein zuverlässiges Schaltereignis abzuschließen. Außerdem ist aus der Auftragung der zeitlichen Entwicklung von <m_x> zu beobachten, dass die Präzessionsfrequenz nicht nur einen Einzelwert aufweist, was anzeigt, dass unterschiedliche Zonen des magnetischen Nanoelements mit unterschiedlichen Frequenzen präzedieren.
Das Schalten auf Grundlage des oben beschriebenen Schemas wurde durch Prüfen von Einheiten experimentell untersucht, wobei der MTJ in rechtwinklige Trapezformen strukturiert wurde. 11A und 11B veranschaulichen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (SEM-Aufnahmen) zweier solcher Einheiten, die hergestellt wurden, wobei der MTJ an den zwei Basen 150 nm und 100 nm lang ist und eine Breite von 75 nm aufweist. Der MTJ-Stapel wurde bis zu der W(O)-Schicht herunter in eine Trapezform strukturiert, wobei das gleiche Herstellungsverfahren angewendet wurde wie bei der Herstellung der D_xy-Einheiten. Diese Einheiten werden mit linken Schenkeln mit negativer und positiver Steigung als D_xx- und D_xx+ bezeichnet, wobei das letzte Indexzeichen die Steigung des linken Schenkels des Trapezes repräsentiert.
11C und 11D zeigen jeweils den verbleibenden Zustand, entsprechend berechnet durch mikromagnetische Simulationen der Magnetisierung dieser zwei Einheiten. Die RH-Schleifen der D_xx-- bzw. D_xx+-Einheiten für ein angelegtes magnetisches Feld, H_x, entlang der x-Richtung, sind in 12A und 12B dargestellt. Beide Einheiten weisen nominell identische RH-Schleifen auf, was beinhaltet, dass die Referenzschichtmagnetisierungen in beiden Einheiten in dergleichen Richtung orientiert sind. Die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht und der Referenzschicht ist in 12A und 12B dargestellt. Das strominduzierte Schalten für D_xx-- und D_xx+-Einheiten, durchgeführt mit Stromimpulsen von 1 ms, ist in den RI-Schleifen in 12C bzw. 12D dargestellt. Außerdem wurde ein magnetisches Feld entlang der x-Richtung angelegt, um für die Messungen des strominduzierten Schaltens das Dipolfeld aus der Referenzschicht auszugleichen.
In der D_xx-Einheit steuert ein positiver (negativer) Strom entsprechend ein Schalten von AP→P (P→AP) an, während bei D_xx+ das Gegenteil erfolgt. Die Richtung der Magnetisierung, in die unter einem gegebenen Strom geschaltet worden ist, kann für eine Einheit einer gegebenen Geometrie durch Vergleichen von RH-Schleifen und RI-Schleifen bestimmt werden und ist für beide Einheiten in dem Einsatz in 12C und 12D dargestellt. Da die Orientierung der Magnetisierung der Referenzschicht unter dem Stromimpuls fest ist, hat die Magnetisierung der freien Schicht mit der gleichen Strompolarität für die D_xx+- und die D_xx--Einheiten in unterschiedliche Richtungen geschaltet. Das Schalten, das experimentell in 12C bis 12D zu beobachten ist, stimmt in der Tat mit dem überein, was durch die mikromagnetischen Simulationen vorhergesagt wird (3A und 3D). Die Ergebnistabellen (13A bis 13B) fassen die grundlegenden Schaltoperationen für die D_xx-- und die D_xx+-Einheiten zusammen.
Ein deterministisches Schalten solcher Einheiten, bestimmt durch deren Geometrie, kann potenziell zum Aufbau nicht-flüchtiger nanomagnetischer Logikschaltungen geeignet sein, welche das Schalten mehrerer Nanomagnete in komplementärer Weise erfordern. Dargestellt ist der Betrieb eines nicht-flüchtigen Inverters (NICHT-Gate-Schaltung), der unter Verwendung von D_xx+- und D_xx--Einheiten hergestellt werden kann, welche eine gemeinsame W(O)-Schicht benutzen (10). Wenn die Referenzschichten beider Einheiten in die gleiche Richtung zeigen, schalten D_xx+ und D_xx- bei Anlegen eines Stroms der gleichen Polarität in entgegengesetzte Widerstandszustände. Nach der Konvention, dass die Magnetisierung der Referenzschicht in Richtung der -x-Richtung zeigt, weist für einen positiven Strom die D_xx+-Einheit einen höheren Widerstand als die D_xx--Einheit auf. In ähnlicher Weise weist nach dem Anlegen eines Stromimpulses der umgekehrten Polarität die D_xx--Einheit einen höheren Widerstand als die D_xx+-Einheit auf.
15A und 15B zeigen ein äquivalentes Schaltungsmodell der nicht-flüchtigen Inverter-Einheit. Das Schaltungsmodell für das NICHT-Gate enthält zwei Einheiten, gekennzeichnet als D_xx+ und D_xx. Im Schreibmodus (15A) wird die Spannungseingabe (V_in1) an den Schreib+-Anschluss beider Einheiten D_xx+ und D_xx- angelegt und der Schreib-Anschluss beider Einheiten wird geerdet. Im Lesemodus wird VDD an den Leseanschluss von D_xx+ angelegt und die Schreib--Anschlüsse von D_xx+ und D_xx- werden mit Vout verbunden, während der Leseanschluss von D_xx- geerdet wird. In einer Anwendung einer realistischen Einheit können die Versorgungsspannung V_DD an D_xx+ und die Masse am Signal an D_xx-während des gesamten Betriebs der Einheit verbunden bleiben, da der Tunnelübergangswiderstand viel höher ist als der Widerstand der Spin-Hall-Schicht, daher fließt während des Anlegens von V_IN über die Spin-Hall-Schicht im Schreibmodus, der meiste Strom durch die Spin-Hall-Schicht.
Die D_xx+- und die D_xx--Einheit können als eine Art von komplementären Einheiten angesehen werden, ähnlich Transistoren in der CMOS-Technologie. Die Reihenverbindung beider Einheiten wirkt somit als ein nicht-flüchtiger Inverter, da die logische Ausgabe verbleibt, sobald die D_xx+- und die D_xx--Einheit in ihre entsprechenden Zustände geschaltet worden sind. Die Ergebnistabelle in 16 fasst den Inverter-Betrieb zusammen. Der Betrieb einer solchen Inverter-Schaltung wird in bis zu 20 Zyklen demonstriert (17). Bei dieser Demonstration werden 2,5 V und Impulse einer Länge von 1 ms verwendet. Die Verallgemeinerung dieser Art von Logik zum Aufbauen von UND- und ODER-Gates ist somit unkompliziert und es werden die Konzepte der CMOS-Logik übernommen. Der Vorteil bei dieser Schaltung im Vergleich zu CMOS ist, dass sie nicht-flüchtig ist und keine statische Verlustleistung aufweist. Dieses Schema kann auch verwendet werden, um den Zustand nanomagnetischer Elemente in nanomagnetischen Logikschemen zu steuern, welche erfordern, dass magnetische Nanoelemente durch ihre Dipolfelder und in nächster Nähe gekoppelt werden. Außerdem verbessern Verbesserungen des TMR und der Spin-Drehmoment-Effizienz des Spin-Orbit-Materials die Leistungscharakteristik der hier vorgestellten Logikeinheit.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein magnetisches Nanoelement verwendet, welches in eine asymmetrische Form strukturiert ist, was das Schalten des magnetischen Nanoelements mit Spin-Orbit-Drehmoment ermöglicht, wobei die Magnetisierung und der Schreibstrom in Abwesenheit eines externen magnetischen Felds kollinear sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist das magnetische Nanoelement in gleicher Ebene magnetisiert und bildet einen Teil eines MTJ. Der Zustand des Nanomagneten wird aus der Magnetwiderstandsauslesung über den MTJ abgeleitet.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass durch lithographisches Strukturieren der Einheitengeometrie zum Ändern ihres mikromagnetischen Zustands die Schalttrajektorie und der magnetische Endzustand der magnetischen freien Schicht steuerbar manipuliert werden können. Ein sekundärer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass keine thermischen Fluktuationen benötigt werden, um das Schalten auszulösen, da die Richtung der Spin-Polarisation der spin-polarisierten Ströme, die durch die Spin-Orbit-Wechselwirkung erzeugt werden, nicht kollinear zu der Magnetisierungsrichtung ist. Dadurch können potenziell die Schreibfehlerraten verringert werden, die bei herkömmlichen STT-MRAM-Einheiten mit zwei Anschlüssen beim Betrieb mit kurzen Impulslängen gewöhnlich zu beobachten sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass durch Bilden von spiegelbildlichen strukturierten Einheiten mit der gleichen Richtung des Schreibstroms das Schalten der zwei magnetischen Nanoelemente in komplementäre Zustände erreicht werden kann. Ferner kann durch ein solches komplementäres Schalten der magnetischen Nanoelementeinheiten eine nicht-flüchtige Logikschaltung gebildet werden. Die vorliegende Erfindung offenbart eine nicht-flüchtige Inverter-Schaltung, die aus solchen magnetischen Nanoelementen gebildet ist.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Einheit bereit, aufweisend: (a) einen ersten Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der erste MTJ aufweist: (i) eine erste magnetische Schicht; (ii) eine erste Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine zweite magnetische Schicht, welche unter der Tunnelbarriere liegt; (b) einen zweiten Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der zweite MTJ aufweist: (i) eine dritte magnetische Schicht; (ii) eine zweite Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine vierte magnetische Schicht, welche unter der Tunnelbarriere liegt; (c) eine gemeinsame Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht, wobei die gemeinsame SOT-Erzeugungsschicht direkt sowohl unter der zweiten magnetischen Schicht des ersten MTJ als auch unter der vierten magnetischen Schicht des zweiten MTJ liegt; wobei ein SOT, das in der gemeinsamen SOT-Erzeugungsschicht erzeugt wird, einen ersten magnetischen Zustand in der zweiten magnetischen Schicht einstellt und einen zweiten magnetischen Zustand in der vierten magnetischen Schicht einstellt, wobei der erste magnetische Zustand dem zweiten magnetischen Zustand entgegengesetzt ist. 14 zeigt ein solches nicht-beschränkendes Beispiel, welches diese Ausführungsform veranschaulicht, wobei die zwei MTJs 1402 und 1406 eine gemeinsame SOT-Erzeugungsschicht 1406 benutzen.
In 14 wird eine Schaltung aus einem nicht-flüchtigen Inverter (NICHT-Gate) durch eine Reihenverbindung von zwei MTJs gebildet. 14 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht-flüchtigen Inverters (NICHT-Gate), realisiert mit spiegelbildlichen D_xx-- und D_xx+-Einheiten, die in Reihe geschaltet sind und eine gemeinsame W(O)-Schicht nutzen. 15A zeigt einen Schaltplan des nicht-flüchtigen Inverters im Schreibmodus der Schaltung, wobei die Schreibspannung V_in an beide Einheiten angelegt wird. Im Lesemodus (15B) liegt eine Reihenverbindung der zwei MTJs zwischen VDD und Masse vor. Hier sind die Schreibanschlüsse von einer Stromquelle getrennt.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Schaltung aus einem nicht-flüchtigen NAND-Gate und einem NOR-Gate durch eine Reihen- und Parallelschaltung der MTJs gebildet. 15C bis 15D zeigen eine nicht beschränkende Realisierung eines NAND-Gate im Schreib- und im Lesemodus. 15E bis 15F zeigen eine nicht-beschränkende Realisierung eines NOR-Gate im Schreib- und im Lesemodus. Für das NAND-Gate und das NOR-Gate ist die Schreibmodusschaltung identisch und es werden zwei D_xx+- und zwei D_xx--Einheiten verwendet. Der Schreib-plus-Anschluss der Einheiten von einer Gruppe von D_xx+- und D_xx--Einheiten ist mit V_in1 verbunden, während er für eine andere Gruppe mit V_in2 verbunden ist. Zum Auslesen werden in dem NAND-Gate die D_xx--Einheiten in Reihe geschaltet, während die D_xx+ parallelgeschaltet werden. Zum Auslesen werden in dem NOR die D_xx--Einheiten parallelgeschaltet, während die D_xx+ in Reihe geschaltet werden.
Oben beschriebene Ausführungsformen zeigen eine wirksame Realisierung einer Steuerung einer Schalttrajektorie in Spin-Orbit-Drehmoment-Einheiten durch mikromagnetische Konfiguration. Obwohl verschiedene bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Erfindung durch solche Offenbarungen nicht beschränkt werden soll, sondern stattdessen alle Modifikationen abgedeckt werden sollen, die unter den Umfang der Erfindung fallen, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert.

Claims

Einheit mit drei Anschlüssen, aufweisend: (a) einen Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der MTJ aufweist: (i) eine erste magnetische Schicht; (ii) eine Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine zweite magnetische Schicht, welche unter der Tunnelbarriere liegt; und (b) eine Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht, wobei die SOT-Erzeugungsschicht direkt unter der zweiten magnetischen Schicht liegt; wobei die zweite magnetische Schicht eine Form aufweist, die nicht symmetrisch ist, so dass eine mittlere Magnetisierung eines verbleibenden Zustands, der der zweiten magnetischen Schicht zugeordnet ist, eine Komponente in gleicher Ebene aufweist, die orthogonal zu einer Stromrichtung in der SOT-Erzeugungsschicht ist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit Teil einer nicht-flüchtigen Inverter-Schaltung ist, die aus einer Reihenschaltung des MTJ in (a) und eines anderen MTJ gebildet wird.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit Teil entweder eines nicht-flüchtigen NAND-Gate oder eines NOR-Gate ist, wobei das NAND-Gate oder das NOR-Gate unter Verwendung einer Kombination aus einer Reihen- und einer Parallelschaltung des MTJ in (a) und dreier anderer MTJs gebildet wird.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die nicht-symmetrische Form der zweiten magnetischen Schicht ein Trapez ist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit mit drei Anschlüssen einen Teil einer nicht-flüchtigen Cache-Speicher-Einheit bildet.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit mit drei Anschlüssen einen Teil einer Tieftemperatur-Speichereinheit bildet.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SOT-Erzeugungsschicht aus einem Material hergestellt ist, welches den Spin-Hall-Effekt zeigt.
Einheit nach Anspruch 7, wobei das Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus W, Pt, Ta und Kombinationen davon besteht.
Einheit nach Anspruch 7, wobei die SOT-Erzeugungsschicht aus mit Sauerstoff dotiertem Wolfram hergestellt ist.
Einheit, aufweisend: (a) einen ersten Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der erste MTJ aufweist: (i) eine erste magnetische Schicht; (ii) eine erste Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine zweite magnetische Schicht, welche unter der ersten Tunnelbarriere liegt; (b) einen zweiten Magnettunnelübergang (MTJ), wobei der zweite MTJ aufweist: (i) eine dritte magnetische Schicht; (ii) eine zweite Tunnelbarriereschicht, welche unter der ersten magnetischen Schicht liegt; und (iii) eine vierte magnetische Schicht, welche unter der zweiten Tunnelbarriere liegt; (c) eine gemeinsame Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht, wobei die gemeinsame SOT-Erzeugungsschicht direkt sowohl unter der zweiten magnetischen Schicht des ersten MTJ als auch unter der vierten magnetischen Schicht des zweiten MTJ liegt; wobei ein SOT, das in der gemeinsamen SOT-Erzeugungsschicht erzeugt wird, einen ersten magnetischen Zustand in der zweiten magnetischen Schicht einstellt und einen zweiten magnetischen Zustand in der vierten magnetischen Schicht einstellt, wobei der erste magnetische Zustand dem zweiten magnetischen Zustand entgegengesetzt ist.
Einheit nach Anspruch 10, wobei der erste MTJ und der zweite MTJ jeweils als ein asymmetrisches Element geformt sind.
Einheit nach Anspruch 10, wobei das asymmetrische Element wie ein Trapez geformt ist.
Einheit nach Anspruch 10, wobei die erste und/oder die dritte magnetische Schicht eines oder eine Kombination aus Folgendem aufweisen: einer synthetischen antiferromagnetischen Schicht (SAF-Schicht), einer Schicht mit Exchange Bias und einer Schicht, welche eine Koerzivität aufweist, die höher ist als die der zweiten magnetischen Schicht.
Einheit nach Anspruch 10, wobei die zweite und/oder die vierte magnetische Schicht eine CoFeB-Legierung oder eine NiFe-Legierung aufweist.
Einheit nach Anspruch 10, wobei die Einheit einen Teil einer nicht-flüchtigen Cache-Speicher-Einheit bildet.
Einheit nach Anspruch 10, wobei die Einheit einen Teil einer Tieftemperatur-Speichereinheit bildet.
Einheit nach Anspruch 10, wobei die gemeinsame SOT-Erzeugungsschicht aus mit Sauerstoff dotiertem Wolfram hergestellt ist.
Einheit nach Anspruch 10, wobei die gemeinsame SOT-Erzeugungsschicht aus einem Material hergestellt ist, welches den Spin-Hall-Effekt zeigt.
Einheit nach Anspruch 18, wobei das Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus W, Pt, Ta und Kombinationen davon besteht.
Verfahren, aufweisend: (a) Bereitstellen einer Einheit mit drei Anschlüssen, welche in der Reihenfolge eine Spin-Orbit-Drehmoment(SOT)-Erzeugungsschicht, eine in gleicher Ebene magnetisierte freie Schicht, deren magnetisches Moment mit einem Spin-Transfer-Drehmoment umgeschaltet werden kann, das durch die SOT-Erzeugungsschicht erzeugt wird, eine Tunnelbarriere und eine magnetische Referenzschicht umfasst, deren Orientierung während des Betriebs der Einheit fest bleibt, wobei: Schreib-plus- und Schreib-minus-Anschlüsse mit gegenüberliegenden Enden der SOT-Erzeugungsschicht in elektrischem Kontakt stehen; ein Leseanschluss mit der magnetischen Referenzschicht in elektrischem Kontakt steht; und die magnetische freie Schicht eine Form aufweist, die nicht symmetrisch ist, so dass eine mittlere Magnetisierung des verbleibenden Zustands der freien Schicht eine Komponente in gleicher Ebene aufweist, die orthogonal zu der Stromrichtung ist; und (b) Weiterleiten von Strom entlang der SOT-Erzeugungsschicht zwischen ihren Anschlüssen, wodurch der magnetische Zustand der magnetischen freien Schicht sogar in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds umgeschaltet wird, wenn die Richtung des weitergeleiteten Stroms entlang der einfachen Achse der magnetischen freien Schicht orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Referenzschicht eines oder eine Kombination aus Folgendem aufweist: einer synthetischen antiferromagnetischen Schicht (SAF-Schicht), einer Schicht mit Exchange Bias und einer Schicht, welche eine Koerzivität aufweist, die höher ist als die der zweiten magnetischen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die magnetische freie Schicht in einem verbleibenden Zustand keine Wände magnetischer Domänen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Anisotropie der magnetischen freien Schicht überwiegend magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen magnetischen Momenten in der magnetischen freien Schicht entspringt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die magnetische freie Schicht eine CoFeB-Legierung und/oder eine NiFe-Legierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Einheit mit drei Anschlüssen einen Teil einer nicht-flüchtigen Cache-Speicher-Einheit bildet.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Einheit mit drei Anschlüssen einen Teil einer Tieftemperatur-Speichereinheit bildet.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die SOT-Erzeugungsschicht aus mit Sauerstoff dotiertem Wolfram hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die SOT-Erzeugungsschicht aus einem oder mehreren Materialien hergestellt ist, welche den Spin-Hall-Effekt zeigen.