一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器。属于微电子器件领域。
【背景技术】
[0002]在数字逻辑电路中，触发器(Flip-Flop)起着至关重要的作用。然而，随着工艺节点的微缩，由于量子隧穿效应导致的漏电流不断增大，基于传统互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的电子电路面临功耗与可靠性的双重挑战，难以满足现代集成电路的需求。因此，需要设计一种新型的触发器来解决这些问题，以延续摩尔定律的发展。
[0003]近年来，基于一些新型非易失性元器件的触发器不断兴起。其中，基于自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)磁隧道结(Magnetic Tunnel Junct1n，MTJ)的磁性非易失性触发器，由于具有高速度、低功耗、耐擦除以及与CMOS晶体管的良好兼容性等，而受到学术界与产业界的广泛关注。由于STT-MTJ具有非易失性，因此可以实现掉电数据不丢失。此外，它还具有天然抗辐射性，因此基于STT-MTJ的触发器可以大大地减小功耗以及解决可靠性等问题。然而，基于STT-MTJ的非易失性触发器仍然具有如下三个缺点:
[0004](I)在STT-MTJ的写入操作过程当中，写入电流需要流过整个器件，由于器件本身的电阻比较大，因此STT-MTJ的写入功耗比较大。
[0005](2) STT-MTJ的读写操作采用同一条支路，为了避免STT-MTJ的氧化层击穿，因此写入电流必须被限定在一个较小的数值内，这就导致较长的写入延迟。
[0006](3)在读取操作中，尽管读取电流通常小于写入电流，但仍然有可能会对STT-MTJ的状态造成错误翻转，导致读取干扰。
【发明内容】
[0007]—、发明目的:
[0008]针对上述背景中提到的问题，本发明提供一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器。它克服了现有技术的不足，能够提供低功耗，高速度，高可靠性等优良性能。
[0009]二、技术方案:
[0010]本发明的技术方案是，一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器，如附图2所示，其特征是该触发器电路由一对自旋霍尔效应(Spin Hall Effect, SHE)辅助的自旋转移矩磁隧道结(SHE-STT-MTJ1与SHE-STT-MTJ2)，一对NMOS晶体管(N3与N4)，自旋转移矩效应写入电路(STT-写入电路)，自旋霍尔效应写入电路(SHE-写入电路)，读取电路(Sensing circuit)以及从寄存器(Slave register)组成；它们之间的位置连接关系及信号走向是:SHE-STT-MTJ1与SHE-STT-MTJ2的Tl端均连接STT-写入电路，SHE-STT-MTJ1的T2、T3端与SHE-STT-MTJ2的T2、T3端均连接SHE-写入电路。同时，SHE-STT-MTJI与SHE-STT-MTJ2的Tl端分别连接N3与N4晶体管的源极，两个NMOS晶体管的栅极直接互连，并由elk时钟信号控制。N3与N4晶体管的漏极均连接读取电路的输入端。读取电路的输出端连接一个从寄存器。elk时钟信号控制N3、N4的导通与否，从而控制电路处于写入模式还是读取模式。执行写入操作时，如附图3所示，在时钟信号elk作用下N3、N4处于断开状态，将读取电路与一对SHE-STT-MTJ隔离开，STT-写入电路与SHE-写入电路共同作用于这对SHE-STT-MTJ，通过STT-写入电路与SHE-写入电路中的控制信号对SHE-STT-MTJ进行状态设置，即数据写入。SHE-STT-MTJ1与SHE-STT-MTJ2始终处于互补的电阻状态，因此只能存储I比特数据信息。执行读取操作时，如附图4所示，在时钟信号elk作用下N3、N4处于导通状态，读取电路读取SHE-STT-MTJ1与SHE-STT-MTJ2中存储的数据信息，并传递给从寄存器，而STT-写入电路与SHE-写入电路在各自内部的控制信号下处于断开状态。
[0011]所述的读取电路、STT-写入电路与SHE-写入电路均由NMOS/PMOS晶体管构成；
[0012]所述的读取电路用于读取SHE-STT-MTJ1与SHE-STT-MTJ2中存储的数据信息；其具体实现方式不作限定；
[0013]所述的STT-写入电路提供SHE-STT-MTJ从Tl端到T3端或从T2端到Tl端的双向写入电流；其具体实现方式不作限定；
[0014]所述的SHE-写入电路提供SHE-STT-MTJ从T2端到T3端的单向写入电流，用于辅助写入；其具体实现方式不作限定；
[0015]所述的SHE-STT-MTJ从上到下依次由铁磁层一，氧化物隔离层，铁磁层二以及重金属层，共四层构成；
[0016]所述的铁磁层一与铁磁层二，是指混合金属材料钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe)中的一种。其中铁磁层一的磁场极化方向为固定的，称为固定层，而铁磁层二的磁场极化方向为自由的，称为自由层；
[0017]所述的铁磁层一以及铁磁层二为磁各向异性易轴垂直膜面材料，称为垂直磁场各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA)；
[0018]所述的氧化物隔离层，是指氧化镁(MgO)，氧化铝AlO或其他等价氧化物中的一种；
[0019]所述的重金属层，指钽(Tantalum)、鹤(Tungsten)、給(Hafnium)或钼(Pt)中的一种；
[0020]所述的一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器的特点是:(1)磁性隧道结为非易失性器件，其数据信息掉电不丢失，因此当电路处于空闲状态时，可以切断电源，从而大大减小静态功耗；(2)该非易失性触发器同时利用自旋转移矩效应和自旋霍尔效应实现数据写入，从而大大减少了写入时延与写入功耗；(3) SHE-STT-MTJ可以扩展到其他电阻式非易失性元器件。
[0021]三、优点及功效:
[0022]本发明一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器，满足下一代新型计算机，非易失性、高速度、低功耗、高可靠性等需求。
【附图说明】
[0023]图1a为本发明实施例提供的垂直磁场各向异性SHE-STT-MTJ示意图。
[0024]图1b为本发明实施例提供的垂直磁场各向异性SHE-STT-MTJ符号图。
[0025]图2为本发明实施例提供的一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器示意框图。
[0026]图3a为本发明实施例提供的一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器写入模式中写‘I’状态的示意图。
[0027]图3b为本发明实施例提供的一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器写入模式中写‘0’状态的示意图。
[0028]图3c为本发明实施例提供的一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器写入模式下控制信号与写入电流的时序波形的示意图。
[0029]图4为本发明实施例提供的一种自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩非易失性触发器读取模式示意图。
[0030]图1到图4中的参数定义为:
[0031]NMOS:表不N型金属氧化物半导体，为N-Mental-Oxide-Semiconductor的简称；
[0032]PMOS:表示P型金属氧化物半导体，为P-Mental-Oxide-Semiconductor的简称；
[0033]STT:自旋转移矩效应(Spin Transfer Torque)；
[0034]SHE:自旋霍尔效应(Spin Hall Effect)；
[0035]SHE-STT-MTJ 1、SHE-STT-MTJ2:自旋霍尔效应辅助的自旋转移矩磁隧道结；
[0036]PMA:垂直磁场各向异性；
[0037]Vdd:供电电压源；
[0038]Vdda、Vddb、Vddc:内部供电电压源；
[0039]elk:时钟信号；
[0040]Tl:SHE-STT-MTJ 顶端电极；
[0041 ] T2: SHE-STT-MTJ 左端电极；
[0042]T3: SHE-STT-MTJ 右端电极；
[0043]P1-P8:表不 PMOS (P-Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管；
[0044]Nl-N8:表不 NMOS (N-Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管；
[0045]ln_SHEl、ln_SHE2、ln_STTl、l