自旋电子器件和存内逻辑计算器件的制作方法

本发明涉及纳米电子器件技术领域，具体地，涉及一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件。

背景技术：

伴随物联网、大数据、人工智能等应用的迅猛发展，数据量产生爆发式增长，然而受限于传统的冯诺依曼架构，数据处理单元与数据存储单元相分离，导致数据在存储单元与处理单元之间频繁迁移，其产生的传输功耗甚至远超过实际数据处理的功耗，引起“功耗墙”问题。因此，实现在内存内进行数据处理是现今的重要研究方向之一。

近年来，基于自旋电子学的新型非易失性自旋转移矩磁性随机存取存储器(stt-mram)，为存内处理技术的实现提供了现实可能性，自旋存储器的核心器件是三明治结构的磁性隧道结，主要由上下两层铁磁性金属层(如cofeb)内夹一层金属氧化层(如mgo)构成，其中一层磁性金属层为固定层，而另一磁性金属层为自由层，根据其上下两个铁磁性金属层的相对磁化方向不同(平行态或者反平行态)磁性隧道结可表现出两种不同阻态(低阻态和高阻态)，用于存储数据信息。而自旋转移矩效应是stt-mram的重要写入机理，当在磁性隧道结结构中(固定层/隔离层/自由层)，通过一定大小的电流时，流经固定层后产生的自旋极化电流会对自由层磁矩产生力矩，从而实现自由层磁化方向的翻转(即写入过程)。自旋存储器本身具有非易失性(即断电数据不丢失)、高密度、高速度、高耐久性等优点，且和当前的cmos工艺具有较好的兼容性。

能否获得较大的自旋转移力矩是利用自旋转移矩作用于磁性自由层的一个重要的因素。由于磁性隧道结自旋电流注入效率的限制，产生足够大小的自旋转移力矩往往需要较大的电流密度，进而增加了stt-mram的工作功耗，这为其实际应用造成不便。目前没有在内存内进行数据处理的电子器件，导致电子器件产生了巨大的传输功耗。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种自旋电子器件，包括：

金属层；

自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；

固定磁性层，具有固定的磁化方向；

氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层；

第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间；

第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间。

在其中一种实施例中，金属层的厚度大于10纳米且小于200纳米。

在其中一种实施例中，自由磁性层的厚度大于0纳米且小于3纳米；

固定磁性层的厚度大于0纳米且小于3纳米。

在其中一种实施例中，第一氧化层的厚度大于0纳米且小于3纳米；

第二氧化层的厚度大于0纳米且小于2纳米。

在其中一种实施例中，金属层为钽、铝、铜中的至少一种。

在其中一种实施例中，自由磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合；

固定磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合。

在其中一种实施例中，氧化层包括氧化镁或三氧化二铝。

本发明实施例的自旋电子器件包括金属层，自由磁性层，固定磁性层和氧化层；第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间，第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。

本发明实施例还提供一种存内逻辑计算器件，包括：

第一开关管、第二开关管和如上所述的自旋电子器件；

自旋电子器件的金属层连接第一开关管的第一端；

第一开关管的第二端连接逻辑线，第一开关管的栅极连接逻辑控制线；

自旋电子器件的自由磁性层连接第二开关管的第一端；

第二开关管的第二端连接源线，第二开关管的栅极连接字线；

自旋电子器件的固定磁性层连接位线。

在其中一种实施例中，第一开关管的第一端为源极，第一开关管的第二端为漏极；或，

第一开关管的第二端为源极，第一开关管的第一端为漏极。

在其中一种实施例中，第二开关管的第一端为源极，第二开关管的第二端为漏极；或，

第二开关管的第二端为源极，第二开关管的第一端为漏极。

本发明实施例的存内逻辑计算器件包括第一开关管、第二开关管和自旋电子器件；自旋电子器件的金属层通过第一开关管连接逻辑线，自由磁性层通过第二开关管连接源线，固定磁性层连接位线，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中自旋电子器件的示意图；

图2是本发明实施例中自旋电子器件的工作示意图；

图3是本发明实施例中自旋电子器件的imp逻辑时序图；

图4是本发明实施例中自旋电子器件的nand逻辑时序图；

图5是本发明第一实施例中自旋电子器件的示意图；

图6是本发明第二实施例中自旋电子器件的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

鉴于目前没有在内存内进行数据处理的电子器件，导致电子器件产生了巨大的传输功耗，本发明实施例提供一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明实施例中自旋电子器件的示意图。如图1所示，自旋电子器件，包括：

金属层；金属层为钽、铝、铜中的至少一种，其厚度大于10纳米且小于200纳米。

自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；自由磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合，其厚度大于0纳米且小于3纳米。

固定磁性层，具有固定的磁化方向；固定磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合，其厚度大于0纳米且小于3纳米。

氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；第一氧化层和第二氧化层均可以包括氧化镁或三氧化二铝，第一氧化层的厚度大于0纳米且小于3纳米，第二氧化层的厚度大于0纳米且小于2纳米。

第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间；

第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间。

本发明所述的自旋电子器件的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)，也就是说该自旋电子器件为正方形、长方形、圆形、及椭圆形中的一种，尺寸为纳米级。

本发明所述的自旋电子器件的制备工艺包括磁控溅射、分子束外延(mbe)、离子束沉积(ibd)、物理气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，光刻方式可以包括紫外光刻(uvl)、离子束光刻(ebl)；刻蚀方式可以包括非金属氧化物或金属硬掩膜、反应离子刻蚀(rie)、离子束刻蚀(ibe)、化学机械平坦化(cmp)。需要指出的是，沉积、光刻与刻蚀的工艺方式选自但不限于上述种类，也可以是多种工艺组合使用，具体与磁隧道结及阻变材料的组成有关。

其中，固定磁性层和自由磁性层在制备过程中采用了垂直于膜面的退火磁场，使其易磁化轴方向均垂直于膜面。通过采用传统的离子束外延、原子层沉积、磁控溅射等方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备自旋电子器件。

综上，本发明实施例的自旋电子器件包括金属层，自由磁性层，固定磁性层和氧化层；第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间，第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。

图2是本发明实施例中自旋电子器件的工作示意图。如图1和图2所示，第一端口连接金属层、第二端口连接自由磁性层，第三端口连接固定磁性层。直流电压源施加于第一端口和第二端口两端，用于调控自由铁磁金属层的磁各向异性，施加正电压时减弱自由铁磁金属层的磁有效场，反之增强自由铁磁金属层的磁有效场。直流电流源施加于第二端口和第三端口两端，当电流从固定磁性层流向自由磁性层时会产生自旋极化电流，进而在自由磁性层中产生驱动力矩进行写入，且固定磁性层和自由磁性层之间的阻态读取电路用来测量mtj自身电阻作为逻辑计算的输出参量，结合电压调控磁各向异性以及自旋转移矩效应可实现存内逻辑计算。

例如，在施加电压后，由于能量势垒被削弱，使得自旋转移力矩(stt)电流更容易对自由磁性层的磁化方向产生作用，此时，必将存在一个电压值，当其为正时，依据电流方向对自由磁性层的磁化方向产生作用；而当其为负时，无论电流值方向如何，都不会对自由磁性层的磁化方向产生影响。因此，根据磁性隧道结(mtj，包括自由磁性层，第二氧化层和固定磁性层)的初始状态的不同，可以通过利用电场调控磁各向异性(vcma)效应与自旋转移力矩效应，实现imp逻辑操作以及nand逻辑操作。

表1

表1是imp逻辑的真值表。图3是本发明实施例中自旋电子器件的imp逻辑时序图。如表1和图3所示，利用自旋电子器件实现imp逻辑操作时，需要置磁性隧道结的初始状态为反平行阻态，将第一端口和第二端口施加的电压作为输入(input)参量p。当所施加的电压(vvcma)为负值时p＝0，反之p＝1。将第三端口和第二端口之间施加的电流作为输入(input)参量q，所施加的电流(istt)为负值时q＝0，反之q＝1。利用mtj阻态(rap)作为输出(output)参量s，其为反平行阻态时s＝1，反之s＝0。当以某负值工作电压作用于自由磁性层使其磁有效场增强至某值时，注入的自旋极化电流将无法对该层的磁化方向产生影响，而当以某正值工作电压作用于金属层减弱其磁有效场至某适值时，注入的自旋极化电流将可以轻易翻转该层的磁化方向，其中两工作电压的绝对值应相同，且注入电流大小相同。另外，自旋电子器件工作时所需的电压和电流为固定值且不作具体限制，可根据实际制备器件进行计算选择。

表2

表2是nand逻辑的真值表。图4是本发明实施例中自旋电子器件的nand逻辑时序图。如表2和图4所示，利用自旋电子器件实现nand逻辑操作时，需要置磁性隧道结的初始状态为平行阻态，将第一端口和第二端口施加的电压作为输入(input)参量p。当所施加的电压(vvcma)为负值时p＝0，反之p＝1。将第三端口和第二端口之间施加的电流作为输入(input)参量q，所施加的电流(istt)为负值时q＝0，反之q＝1。利用mtj阻态(rap)作为输出(output)参量s，其为平行阻态时s＝1，反之s＝0。当以某负值工作电压作用于金属层的磁有效场增强至某合适值时，注入的自旋极化电流将无法对该层的磁化方向产生影响，而当以某正值工作电压作用于金属层减弱其磁有效场至某合适值时，注入的自旋极化电流将可以轻易翻转该层的磁化方向，其中两工作电压的绝对值应相同，且注入电流大小相同。另外，自旋电子器件工作时所需的电压和电流为固定值且不作具体限制，可根据实际制备器件进行计算选择。此外，nand逻辑门为通用逻辑门，利用其进行组合可实现所有布尔逻辑运算。

图5是本发明第一实施例中自旋电子器件的示意图。图6是本发明第二实施例中自旋电子器件的示意图。如图5至图6所示，存内逻辑计算器件包括：

第一开关管1、第二开关管2和如上所述的自旋电子器件；

自旋电子器件的金属层连接第一开关管1的第一端；

第一开关管1的第二端连接逻辑线(ll，logicline)，第一开关管1的栅极连接逻辑控制线(lcl，logiccontrolline)；

自旋电子器件的自由磁性层连接第二开关管2的第一端；

第二开关管2的第二端连接源线(sl)，第二开关管2的栅极连接字线(wl)；

自旋电子器件的固定磁性层连接位线(bl)。

一实施例中，第一开关管的第一端为源极，第一开关管的第二端为漏极；或，第一开关管的第二端为源极，第一开关管的第一端为漏极。第二开关管的第一端为源极，第二开关管的第二端为漏极；或，第二开关管的第二端为源极，第二开关管的第一端为漏极。

存内逻辑计算器件的工作模式如下：

1、存储模式

如图5所示，接通wl，打开第一开关管1，通过接通sl和bl完成存内逻辑计算器件作为存储器件的写入和读取，工作方式同传统的自旋转移力矩磁性随机存储器(stt-mram)。

2、存内逻辑计算模式

如图6所示，接通ll，打开第二开关管2，通过接通lcl和sl作为电压输入，接通bl和sl作为电流输入，逻辑计算操作后通过bl和sl读取结果，作为存内逻辑计算器件的实现，可以包括如下步骤：

1、在金属层及自由磁性层之间输入电压，同时在固定磁性层及自由磁性层之间输入电流，完成一次相应的逻辑操作。

2、通过外部电路读出磁性隧道结电阻态作为逻辑操作结果。

综上，本发明实施例的存内逻辑计算器件包括第一开关管、第二开关管和自旋电子器件；自旋电子器件的金属层通过第一开关管连接逻辑线，自由磁性层通过第二开关管连接源线，固定磁性层连接位线，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。