磁性納米結構中基于自旋霍爾扭矩效應的電柵控式三端子電路及裝置的制造方法
【專利說明】磁性納米結構中基于自旋霍爾扭矩效應的電柵控式三端子 電路及裝置
[0001] 優先權要求和相關專利申請
[0002] 本專利申請要求于2012年8月6日提交的名為"磁性納米結構中自旋霍爾扭矩效 應的電柵控式調制"的第61/679, 890號美國臨時申請的優先權，該美國臨時申請的全部內 容通過引用作為本專利申請公開的一部分并入本文。
技術領域
[0003] 本專利涉及具有磁性材料或基于電子自旋扭矩效應及其應用的結構的電路及裝 置，包括非易失性磁性存儲電路、非易失性磁性邏輯裝置和自旋扭矩激勵式納米體振蕩器。
【背景技術】
[0004] 電子和其他帶電粒子將自旋處理為它們內在粒子屬性之一，并且這種自旋與自旋 角動量相關聯。電子的自旋具有兩個不同的自旋態。電流中的電子可通過在兩個自旋態中 具有相等概率而被去極化。電流中的電子通過使一個自旋態中的電子多于另一自旋態中的 電子而被自旋極化。自旋極化電流可通過各種方法（例如，通過使電流通過具有特定磁化 的磁性層）操縱自旋數來實現。在各種磁性微觀結構中，自旋極化電流可被引入磁性層中 以引起自旋極化電子對磁性層的角矩轉移，并且這種轉移可導致自旋轉移扭矩施加到磁性 層中的局部磁矩上以及磁性層中磁矩的旋進。在適當條件下，自旋轉移扭矩可引起磁性層 的磁化方向的翻轉或切換。
[0005] 上述的自旋轉移扭矩（STT)效應可用于包括STT磁性隨機存取存儲（MRAM)電路 和裝置的各種應用。例如，如圖1中所示，STT-MRAM電路可包括作為由兩個或更多薄膜鐵磁 層或電極形成的磁阻元件的磁性隧道結（MTJ)，其中，磁阻元件通常被稱為具有可被切換或 改變的磁矩的自由磁性層（FL)以及磁矩方向被固定的固定磁性層（PL)。當電偏置電壓施 加在電極之間時，自由磁性層（FL)和固定磁性層（PL)通過薄到足以允許電子通過量子力 學隧穿過渡經過勢壘層的絕緣勢壘層（例如，MgO層）來分離。橫跨MTJ的電阻取決于PL 層和FL層的相對磁性取向。FL層的磁矩可在FL中的兩個穩定取向之間切換。橫跨MTJ的 電阻在PL層和FL層的兩個相對磁性取向下展現出兩個不同的值，兩個不同的值可用于表 示用于二進制數據存儲或者可選地用于二進制邏輯應用的兩個二進制狀態" 1"和" 〇 "。該 元件的磁阻用于從存儲或邏輯單元讀出該二進制信息。
[0006] 在各種STT-MRAM和其他電路中，MTJ是兩端子MTJ電路，其中，兩端子MTJ電路引 導電流從一個端子通過隧道勢壘至另一個端子。圖1還示出了使兩端子控制電路耦接至 MTJ的兩側上的端子的兩端子電路配置。在寫入操作中，兩端子控制電路將選定電流流動方 向上的充分大的寫入電流從通過勢壘層的一個端子發送至通過勢壘層的另一個端子，以設 置自由層相對于表示期望二進制狀態的基準層的磁性取向。在讀取操作中，兩端子控制電 路使用相同的兩個端子通過勢壘層發送小于較大寫入電流的讀取電流，以在PL和FL層的 特定相對磁性取向下測量橫跨MTJ的與存儲位相對應的電阻。
【發明內容】
[0007] 本申請中公開的技術和裝置提供基于自旋轉移扭矩（STT)效應的三端子磁性電 路和裝置，該三端子磁性電路和裝置通過組合自旋極化電子或帶電粒子的注入，通過使用 耦接至自由磁性層的自旋霍爾效應金屬層中的充電電流以及將柵電壓施加至自由磁性層， 來操縱用于各種應用的自由磁性層的磁化，各種應用包括非易失性存儲功能、邏輯功能等。 充電電流經由第一電端子和第二電端子施加到自旋霍爾效應金屬層，而柵電壓施加在第一 電端子和第二電端子中的任一個與第三電端子之間。自旋霍爾效應金屬層可與自由磁性層 相鄰或與自由磁性層直接接觸，以允許在充電電流下通過自旋霍爾效應生成的自旋極化電 流進入自由磁性層中。所公開的三端子磁性電路也可應用于信號振蕩電路和其他應用。
[0008] 磁性隧道結（MTJ)存儲單元可構建在用于非易失性磁性存儲應用的三端子電路 配置中，并且能夠操作成使用自旋霍爾效應金屬層中的充電電流以及對于自由磁性層的柵 電壓的組合操作，從而在寫入操作中實現自由磁性層的磁化切換。MTJ存儲單元的讀取可通 過橫跨MTJ施加讀取電壓來進行。
[0009] 三端子電路配置中的磁性隧道結（MTJ)也可用于形成基于自由磁性層中的磁旋 進的信號振蕩器，其中，自由磁性層中的磁旋進是由自旋扭矩而引起的，而自旋扭矩是由通 過自旋霍爾效應金屬層中的充電電流感應出的自旋極化電流引起的，并且感測電流可橫跨 待通過因自由磁性層中的磁旋進而導致的MTJ的電阻振蕩來調制的MTJ施加，由此產生了 振蕩信號。所生成的振蕩信號的頻率和振幅可用于控制橫跨MTJ的感測電流。
[0010] 在附圖、說明書和權利要求書中將對上述和其他特征、以及示例性實現方式和應 用進行更加詳細的描述。
【附圖說明】
[0011] 圖1示出了兩端子電路配置中磁性隧道結（MTJ, Magnetic Tunnel Junction)的 示例。
[0012] 圖2A和圖2B示出了三端子電路配置中磁性隧道結（MTJ)電路的示例，其中，三端 子電路配置用于將自旋極化電流提供到MTJ的自由磁化層中實現自旋霍爾效應金屬層。
[0013] 圖3A和圖3B示出了用于將自旋極化電流提供到自由磁化層中的自旋霍爾效應金 屬層的操作，其中示出了面內充電電流J。（或J e)和面外自旋極化電流上的流動方向以及 注入自旋〇的方向。
[0014] 圖4示出了具有耦接至自旋霍爾效應金屬層的電流源和橫跨MTJ耦接的電壓源的 三端子MTJ電路的示例。
[0015] 圖5A示出了說明采用用于寫入操作的橫跨MTJ的柵電壓和自旋霍爾效應（SHE) 的三端子ST-MRAM裝置單元的示意性立體圖的示例，其中，ST-MRAM單元包括具有面內磁性 層的磁性隧道結和具有強SHE的非磁性條，并且非磁性條設置于STT-MRAM裝置結構的底部 上。
[0016] 圖5B示出了采用用于寫入操作的橫跨MTJ的柵電壓和自旋霍爾效應（SHE)的三 端子ST-MRAM裝置單元的示意性立體圖的另一示例，其中，磁性隧道結具有面內磁性層，并 且具有強SHE的非磁性條設置于STT-MRAM裝置結構的頂部上。
[0017] 圖6A示出了采用用于寫入操作的橫跨MTJ的柵電壓和自旋霍爾效應（SHE)的三 端子ST-MRAM裝置單元示例，其中，FL和PL的磁矩的平衡位置與膜平面垂直。
[0018] 圖6B示出了采用用于寫入操作的橫跨MTJ的柵電壓和自旋霍爾效應（SHE)的三 端子ST-MRAM裝置單元的示例，其中，FL和PL的磁矩的平衡位置與膜平面垂直，并且附加 的面內磁化的鐵磁材料層設置于MTJ堆疊中以產生面內磁偏置場以用于限定自由磁性層 的垂直磁化的明確切換方向。這種MTJ堆疊中的面內磁化的鐵磁材料層（例如，如圖所示 的第一電端子與自旋霍爾效應金屬層之間）排除了分離的磁性機構以在自由磁性層處產 生磁偏置場。非磁性間隔層可被提供成與固定磁性層接觸，磁性層與非磁性間隔層接觸并 配置成在磁性層中具有用于在自由磁性層中產生偏置磁場的磁化方向。
[0019] 圖7A示出了用于展示磁各向異性的電壓控制效應（VCM)調制MTJ的FL的自旋 霍爾扭矩切換的能力的示例性三端子MTJ裝置。
[0020] 圖7B和圖7C示出了在三端子SHE裝置中橫跨磁性隧道結端子施加以基本上改變 電流I Ta的偏置電壓Vmti的操作，其中，電流I自旋霍爾層要求以用于影響平行對反平行 (P對AP)切換（圖7A)或反平行對平行（AP對P)切換（圖7B)，其中，陰影區域指示接通 狀態（V mu= _400mV)和關斷狀態（Vmu= OmV)將切換概率從100%改變至零的電流范圍。
[0021] 圖7D示出了在一系列IOiIS脈沖下的柵控式自旋霍爾扭矩切換，其中，Rsw為MTJ 的電阻（數據狀態）。為了實現對于高電阻態的柵控式切換，Vmu在OmV與-400mV之間切 換，而自旋霍爾電流'在OmA與-0. 55mA之間切換。為了實現對于低電阻態的柵切換，V MTJ 在OmV與-400mV之間切換，而自旋霍爾電流'在OmA與.35mA之間切換。除非施加有V M" =-400mV的脈沖，否則不會發生切換。
[0022] 圖8提供了基于MTJ與自旋霍爾效應金屬層之間的耦接、通過用于三端子存儲單 元的陣列的柵控式自旋霍爾扭矩切換來實現的交叉點存儲構架的示例，其中，晶體管開關 被共享并耦接至磁性隧道結單元的三個端子。
[0023] 圖9A和圖9B示出了用于偏置配置的晶體管開關操作狀態的示例,其中，偏置配置 可在圖8中的柵控式自旋霍爾扭矩交叉點存儲構架中用于寫入和讀取操作。
[0024] 圖10示出了可用于在三端子SHE/VCMA裝置中激勵磁振蕩并且輸出相關聯的微波 功率以實現自旋扭矩納米振蕩性能的振蕩電路的示例。黑色箭頭指示三端子SHE裝置內的 電流分布，并且自旋霍爾電流I Ta和隧道結偏置電流I MTT分別來自電流源1和電流源2。
[0025] 圖11示出了當MTJ偏置電流為Imu= 60 ii A并且自旋霍爾金屬（Ta)條中的自旋 霍爾電流在ITa= -〇. 8mA與+0. 8mA之間變化時，由磁性隧道結中的自旋霍爾扭矩激勵式FL 產生的微波譜。為了便于比較，堅直地移位了在不同電流下的譜。功率譜密度（PSD)是裝 置的輸出微波功率的測量值。
[0026] 圖12A示出了如圖10中示意性指示的SHE驅動式自旋扭矩納米振蕩器的綜合輸 出微波功率。紅色三角形表示微波功率對比所施加的磁性隧道結電流。藍色圓形表示由 和相對應的電流的磁阻歸一化的微波功率。
[0027] 圖12B示出了作為所施加的MTJ電流的功能的、圖10中的SHE激勵的且VCMA調 整的自旋扭矩納米振蕩器的中心振蕩頻率。
[0028] 圖13示出了具有薄過渡金屬層的三端子MTJ裝置的示例，其中，薄過渡金屬層位 于自由磁性層與SHE金屬層之間以用于在自由磁性層中增強垂直磁各向異性。